王海燕，田慶明，劉新雨

(酒泉市氣象局，酒泉 735000)

0 引言

氣候變化的日益加劇對(duì)天氣、氣候過程的精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)測服務(wù)提出了更高的要求[1]。暴雨是造成洪澇、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的重要?dú)庀笳T因，也是天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)[2]。暴雨的形成機(jī)理、發(fā)展過程以及范圍、落區(qū)、強(qiáng)度的預(yù)報(bào)一直是科研和業(yè)務(wù)領(lǐng)域重視的問題[3]。產(chǎn)生暴雨的主要物理?xiàng)l件是充足的水汽、強(qiáng)盛而持久的上升運(yùn)動(dòng)和大氣層結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，而地形對(duì)暴雨的發(fā)生也有顯著影響[4，5]。河西走廊位于中國甘肅省西北部，祁連山以北，合黎山以南，烏鞘嶺以西，甘肅新疆邊界以東，長約1000 km，寬數(shù)公里至200 km，為西北至東南走向的長條堆積平原。酒泉市位于河西走廊西段，南依祁連山，北靠天山余脈馬鬃山，中間大量分布著戈壁和沙漠，人口主要集中在小塊綠洲上，典型的“狹管”地形。酒泉市暴雨出現(xiàn)次數(shù)稀少且降水量不大，但陣性降水多發(fā)且強(qiáng)度大，在一定條件下會(huì)出現(xiàn)雨急量大的超常暴雨。近年來，極端強(qiáng)降水在酒泉地區(qū)發(fā)生頻繁，如玉門市2012-06-05暴雨，破60 a以來日降水極值；玉門市2016-06-01降水量48.7 mm；敦煌市和瓜州縣2016-08-17的日降水量分別是31.1 mm和31.6 mm；酒泉市2019-06-20，日降水量為79.6 mm，突破建站以來日降水量極值(1983-08-04，44.2 mm)。與普通暴雨相比，極端強(qiáng)降水在降水的時(shí)間、強(qiáng)度和空間分布上有較大的不均勻性。

大氣溫度和濕度廓線在天氣預(yù)報(bào)、人工影響天氣、短期或臨近災(zāi)害天氣監(jiān)測等方面都有著非常重要的意義[6-8]。酒泉市極端暴雨具有區(qū)域范圍小、離散性大的特點(diǎn)，為解決此困難，文章提出基于潰變理論，制作5種廓線，衍生為69個(gè)特征量，以此描述V-3θ圖，以期為預(yù)報(bào)暴雨發(fā)生和落區(qū)提供依據(jù)。

1 資料與研究原理

1.1 資料

2019-06-20—2019-06-21，甘肅省酒泉市出現(xiàn)極端暴雨天氣過程，由于對(duì)流天氣的突發(fā)性、局地性較強(qiáng)，數(shù)值模式對(duì)暴雨時(shí)間和強(qiáng)度的預(yù)報(bào)難度加大。文章利用氣象觀測資料和NCEP/NCAP(1°×1°)再分析資料，分析此次過程中連續(xù)觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣的環(huán)境場演變特征差異。

1.2 研究原理

V-3θ圖是歐陽首承[9，10]設(shè)計(jì)的潰變?cè)淼膱D象結(jié)構(gòu)，用來分析預(yù)測天氣轉(zhuǎn)折性變化。V-3θ圖是在P-T坐標(biāo)系下，θ、θse、θ*和風(fēng)矢的結(jié)構(gòu)圖，其中V是指風(fēng)矢量，是探空資料中的風(fēng)向風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，θ是位溫，θse 是以露點(diǎn)溫度計(jì)算的假相當(dāng)位溫，θ*是人為定義的假定飽和狀態(tài)下的位溫，其作用是比較大氣結(jié)構(gòu)中的水汽狀態(tài)。V-3θ結(jié)構(gòu)圖是帶有各層風(fēng)矢的3條曲線。V-3θ圖是盡可能地利用現(xiàn)有資料的真實(shí)信息而設(shè)計(jì)的分析工具，其核心作用是通過每個(gè)站點(diǎn)的V-3θ結(jié)構(gòu)，可以分析出該站垂直方向上的渦旋流即風(fēng)矢的差異所構(gòu)成的滾流，和潛在的滾流效應(yīng)即垂直方向上溫度的差異，以及在水平方向上的次渦旋。

降水是受多種因素影響的隨機(jī)過程[11]，常規(guī)的V-3θ使用單站探空資料，是將真實(shí)的探空信息進(jìn)行天氣學(xué)分析。θ、θse、θ*可在對(duì)數(shù)壓力圖上取得[12]，因此獲取θ、θse及θ*需要花費(fèi)一定的時(shí)間，對(duì)于暴雨的預(yù)報(bào)提前性較差，文章為減小序列的波動(dòng)性，消除偶然因素和異常值的影響。將真實(shí)的資料換為再分析資料，并將風(fēng)向風(fēng)速省去(風(fēng)向和風(fēng)速在機(jī)器學(xué)習(xí)里面不好量化)，增加比濕和垂直速度(彌補(bǔ)風(fēng)向和風(fēng)速資料缺失的不足)，通過位溫(θ)、假相當(dāng)位溫(θse)、飽和假相當(dāng)位溫(θ*)、比濕和垂直速度5種氣象要素，逐層計(jì)算θse-θ、θ*-θse、θ850-500和θse850-500，同時(shí)衍生出69種氣象特征量。通過此特征量繪制降水預(yù)報(bào)圖，以此提高暴雨預(yù)報(bào)的提前量及準(zhǔn)確度。

2 天氣實(shí)況及河西地區(qū)降水標(biāo)準(zhǔn)

2.1 天氣實(shí)況

2019-06-20T08：00，酒泉市自西向東逐漸出現(xiàn)了降水天氣，降水主要時(shí)段為20日14：00—20：00。肅州區(qū)、金塔縣、玉門市、肅北縣、阿克塞縣和瓜州縣南部出現(xiàn)中到大雨，肅州區(qū)部分區(qū)域和金塔縣局地出現(xiàn)暴雨，酒泉觀測站日降水量為79.6 mm，突破建站以來日降水量極值(1983-08-04，44.2 mm)。

2.2 河西地區(qū)降水標(biāo)準(zhǔn)

此次極端降水發(fā)生在河西走廊西部，由于酒泉市年平均降水量為83 mm，故本地區(qū)使用河西地區(qū)降水標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)出自DB62/T 1732-2008《甘肅省河西地區(qū)降雨等級(jí)》。

3 環(huán)流背景

2019-06-20T08：00，500 hPa歐亞中高緯度地區(qū)為“兩槽一脊”型，中西伯利亞高壓發(fā)展加強(qiáng)，使得新地島低渦穩(wěn)定，河套地區(qū)到額濟(jì)納旗有一個(gè)高壓脊向西北突出，在河西西部形成偏東風(fēng)與南部偏西風(fēng)低槽切變。酒泉市在高壓脊阻擋作用下，風(fēng)場強(qiáng)烈輻合，對(duì)地面抬升引起的強(qiáng)降水很有利。700 hPa青海低渦發(fā)展加強(qiáng)，在低渦東側(cè)沿高原邊坡地帶形成低空急流帶，將有利于孟加拉灣水汽輸送至河?xùn)|地區(qū)并累積，敦煌到河套地區(qū)一致為偏東風(fēng)，敦煌站最大風(fēng)速達(dá)20 m/s?？傮w來說，此次極端暴雨天氣受高壓脊的阻擋，及青海低渦前部動(dòng)力抬升的共同配合，出現(xiàn)了歷史罕見降水天氣(圖1)。

圖1 2019-06-20T08：00環(huán)流背景(a)500 hPa位勢高度場；(b)700 hPa位勢高度場

4 V-3θ衍生預(yù)報(bào)圖與酒泉市降水實(shí)況對(duì)比

6日08：00酒泉市自西向東開始出現(xiàn)降水，將實(shí)況與預(yù)報(bào)進(jìn)行對(duì)比，本地5日成功預(yù)報(bào)了降水開始的時(shí)間；14：00—17：00，玉門市、金塔縣、肅州區(qū)出現(xiàn)累積降水，其中酒泉觀測站出現(xiàn)22.5 mm降水，對(duì)比本地預(yù)報(bào)工具預(yù)報(bào)范圍，預(yù)報(bào)工具預(yù)報(bào)范圍較大，但降水量大的位置與實(shí)況相對(duì)應(yīng)；17：00—20：00受偏東氣流影響，全市出現(xiàn)降水，其中酒泉觀測站出現(xiàn)45.2 mm降水，突破建站以來3 h降水量極值。實(shí)況和預(yù)報(bào)對(duì)應(yīng)較好，20：00—23：00降水逐漸減小，降水主要集中在肅州區(qū)、金塔縣，降水模式區(qū)域范圍較大；23：00至21日02：00降水范圍減小，且累積降水量也減少，降水預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)降水范圍較大。綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)：V-3θ降水預(yù)報(bào)圖準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)了降水的時(shí)間，但對(duì)降水范圍、降水量級(jí)的預(yù)報(bào)能力有待提高。

5 結(jié)束語

文章基于潰變理論對(duì)河西走廊西段一次極端暴雨進(jìn)行研究，得出結(jié)論如下：

1)此次極端降水天氣受河套地區(qū)高壓脊的阻擋，同時(shí)受青海低渦前部動(dòng)力抬升影響，出現(xiàn)了歷史罕見降水天氣；

2)基于潰變理論，制作5種廓線，衍生為69個(gè)特征量，以此描述V-3θ圖，確定此次暴雨過程的時(shí)間和提前量；

3)V-3θ衍生降水預(yù)報(bào)圖的應(yīng)用可提高暴雨預(yù)報(bào)的提前量及準(zhǔn)確度。