V－3θ在三明暴雨天气预报中的应用分析

2015-01-12官晓东刘玉赵彤辉

气象研究与应用 2015年1期

官晓东，刘玉，赵彤辉

（三明市气象局，福建三明 365000）

引言

三明地处沿海低纬度区，为中亚热带季风气候区，气候温暖湿润，雨量充沛，因此暴雨作为三明主要灾害性天气之一，同时三明地处福建内陆，地形多以丘陵为主，预报的不确定因素较多，是预报服务的重点。长期以来，在暴雨预报方面仍是采用传统天气学分析方法，通过分析各高度层的环流形式和天气系统，结合水汽条件、散度、涡度、垂直速度和大气层结稳定度的诊断分析［1－5］，并依赖数值预报产品来对暴雨天气做出预报。虽然积累的大量的经验，但是暴雨的预报准确率任然偏低，经常出现漏报。为了提高暴雨预报水平，将引进V－3θ结构预报方法，应用于三明的暴雨天气的预报中。

V－3θ结构预报方法已经在各个台站的暴雨预报中发挥了显著地作用。在山东半岛一次副高边缘特大暴雨中，V－3θ结构图能够对天气形势分析和数值预报结果的局限性的不足进行有效的补充［6］；福建一次大暴雨过程中，V－3θ结构图预报方法能较好的对此次强降水天气做出预报［7］；广西应用V－3θ结构图对各种类型的暴雨进行特征检验，发现V－3θ结构图均可分析出明显的前兆特征，已经作为广西转折性暴雨预报的主要参考依据之一［5］。

1 V－3θ简介及暴雨天气中的特征

V－3θ图是欧阳首承教授根据溃变理论，尽可能利用现有资料的真实信息设计的分析工具，主要是以结构方式揭示非规则信息的结构特征及其作用。V－3θ结构图由5个气象要素组成，分别为P（气压）、（探空资料的风矢量）；θ（位温）、θsed（以露点计算的假相当位温）、θ*（为饱和状态下的假相当位温），这3个物理量通过探空资料计算得来，随高度的变化得出3条曲线，当θsed，θ*向左倾（中低层大气与 T 轴的交角大于 70°～80°［9］）或垂直于 T 轴，即随P减小或不变时，气层处于不稳定状态，反之则为稳定状态，预报时用于判断大气的热力不稳定状态和水汽条件。被设置在θ*线上，3θ与P构成在垂直方向上的P－T坐标三线图，即为所在测站的垂直剖面图。

V－3θ结构图的含义与传统气象学中的T－ln P图的使用信息和用法有显著的区别。其一是V－3θ结构图以探空资料的特性层信息为基本信息；其二是所使用的资料范围是由地面扩展到100hPa，并包括了超低温在内的所有非规则信息；其三是该方法启用了“滚流”概念，即横向的水平涡流，而不限于水平天气图的仅突出垂直方向的涡旋［8］。

剧烈的灾害性天气发生前在V－3θ结构图上的特征明显。暴雨天气在V－3θ结构图上有较为清晰的结构特征，由于暴雨可分为持续性降水暴雨和强对流产生的短时强降水，在V－3θ结构图可以表现出结构性的差异，主要体现在［9－13］：（1）对流层上层存在超低温现象。超低温结构是指在300～100hPa之间θ值偏低的现象（即θ线向左折），预报时用于判断高空大气结构是否有利深对流发展；（2）非均匀结构。θ曲线在不同层上出现向左折拐，特别是θsed和θ*与T轴成准直角或向左倾（左倾成钝角，表明大气呈现较强的对流不稳定，常伴有强对流），及3θ曲线随P的减小而不变或左倾，描述了大气垂直方向的不稳定状态；（3）较好的水汽条件。θsed和θ*在图像中表现为趋于靠近的特征，一般而言θ*－θsed≤8～10℃，对于持续性暴雨 θ*－θsed≤3～5℃，并且 θ* 和θsed呈现较深厚的准平行。风向上从底层到高层，其西南、南、或东南（北半球）风层的厚度可以有不同的暴雨量级的表现；（4）垂直风上有顺滚流。“顺滚流”为不连续指数或称为切变指数，反映测站上空整体滚流性质和预测转折性变化，可以理解为：北半球中、低层大气（700hPa以下）为偏南风（包括西南、东南风）或临近海洋的东风，高层大气（500hPa以上）为西到西北风，代表了冷空气来袭时大气低层到高层的风场配置。

2 资料来源说明与统计分析

探空资料和降水资料来源于三明市气象台历史资料数据库。将2006～2012年福建省4个探空站（其中龙岩站在福建省4月～6月汛期期间有业务运行）和江西赣州探空站的历史资料进行分析，提取三明出现暴雨日（133天）前08时或20时两个时次的探空资料。发现不同系统下出现暴雨时的V－3θ结构图具有不同的结构特征。

表1 同时达到起报条件站次统计表

利用统计方法计算得出，暴雨日前08时或20时的V－3θ结构图同时达到起报条件的个数，统计如表1。经统计，2站次达到起报条件的次数中无龙岩站，也就是说如排除4月～6月汛期期间有业务运行的龙岩站或者不排除龙岩站，同时达到2站次以上起报条件的次数所占比率都达到88．7%，从这一统计结果可以明显的看出V－3θ结构图在预报暴雨天气中具有很高的可信度。在133天暴雨日中，72天为锋面暴雨，23天为锋面暖区暴雨，6天为低空低涡暴雨，16天为热带气旋暴雨，16天为副高边缘暴雨（包括副高南界的东风波），达到2站次及以上起报条件的次数所占百分比分别为：锋面暴雨91．7%，锋面暖区暴雨91．3%，低空低涡暴雨100%，热带气旋暴雨93．8%，副高边缘暴雨（包括副高南界的东风波）62．5%。通过以上分析，可看出锋面暴雨、锋前暖区暴雨、低空低涡暴雨和热带气旋暴雨在达到2站次及以上起报条件的次数所占百分比都大于90%，这一统计结果表明该分析方法在以上4种暴雨型中确有实际应用意义。副高边缘暴雨（包括副高南界的东风波）在达到2站次及以上起报条件的次数所占百分比为62．5%，这说明V－3θ结构图分析方法在副高边缘暴雨（包括副高南界的东风波）中的暴雨预报中的表征较前4种暴雨型不够明显，由于副高边缘暴雨（包括副高南界的东风波）常以强对流活跃的非汛期暴雨为主，因此需要较多的借助天气学分析方法进行分析。

3 V－3θ在暴雨预测中的结构分析

3．1 锋面暴雨型

在三明各类型的暴雨中所占比率最大的是锋面暴雨，因此锋面暴雨在三明暴雨中最为常见。在锋面暴雨中，影响三明的主要系统有：中高纬高空槽、高原东侧槽、低层切变线、低层西南或偏南急流（或显著流线）、偏北大风、锋面。分析发现，锋面暴雨一年四季皆可出现，当出现锋面暴雨时以上主要系统并非同时出现，除锋面外，其余系统可随机组合，这就给暴雨预报带来不确定性，同时不同季节，产生暴雨的主要系统也不同。因此下文将从V－3θ结构图中找锋面暴雨的特征。

超低温现象，2012年3月5日三明的中北部出的6个站出现了暴雨过程。在3月4日08时赣州站（图1a）和邵武站在150hPa～200hPa之间出现了超低温现象。

θ曲线在不同层上出现向左折拐，特别是θsed和θ*与T轴成整体准直角或对流层中下层成整体的钝角。初春对流层底层常出现逆温（图1a），由于近地面层气温较低，偏南气流带来的暖湿气流常造成气温随高度升高而增大，随着进入夏季逆温层开始减弱或消失，进入夏季后对流层中低层，常出现θsed和θ*在与T轴成整体的钝角（图1b），对流层高层为准直角，这是由于近地面层大气的平均气温总体升高而造成的温度递减率增大的原因。在深秋或冬季的暴雨中，会出现θsed和θ*与T轴成锐角，及有右倾的现象，但是因注意右倾中会有多个层次的左折非规则情况，特别是出现θsed和θ*基本重合的暖层云上有冷层云交替出现的情况，容易产生连续性强降水，如图1c。

图1 锋面暴雨结构信息图

（图中靠左曲线为θ线，居中曲线为θsed线，靠右曲线为θ*线，下图同上）

在锋面暴雨中对流层中下层θsed和θ*线成准平行，且 θsed和 θ* 整体较为接近。如图 1a，θ*－θsed＜9℃，特别是赣州站θsed和θ*线基本重合，说明水汽条件较好。

垂直风上，对流层中低层可出现东风到偏西风的三四项限的风向，其中春夏季以第三项限风向为主，秋冬季以第四项限风向为主；高层为从西南－偏北－东北之间的风向均可出现，以第二项限风向为主，为整体顺滚流。在3月4日08时赣州站（图1a）和邵武站的垂直风向上基本为一致的西南气流（初春、秋末和冬季在高层维持较强的西南气流较为常见，由于副高脊线位置偏南，大气层高层的经向环流能够深入低纬，福建常处在槽前），高低层都出现了急流，说明南风的水汽输送层较高，也有利于暴雨的发生。

3．2锋面暖区暴雨型

锋面暖区暴雨常出现在春季和夏季，是一种分布不均匀的强降水类型，虽然出现次数不如锋面暴雨，但是常出现漏报的现象。产生锋面暖区暴雨的主要影响系统有：高空槽、高原东侧槽和低空西南急流。其中高原东侧槽与低空西南急流的配合较为常见。通过分析V－3θ结构图中可看出锋面暖区暴雨具有以下结构特征。

超低温结构明显，在2012年4月12日的暴雨过程中，五个探空站都出现了超低温，如图2a，邵武站在230hPa～250hPa有超低温现象。

在θ、θsed和θ*三条曲线特征上，有折拐次数较多或直线上升的情况：如图2b，除了在700hPa～925hPa出现折拐，其余高度θsed和θ*基本保持平行直线上升；也有在不同高度层上出现较多折拐的情况：如图 2a，在 700hPa～850hPa、500hPa～600hPa 出现两次折拐，420hPa～500hPa出现多次折拐，后者居多。以上说明了在锋面暖区暴雨中大气的静力不稳定较大，容易伴有对强流云的发展。但从整体上来看θsed和θ*与T轴成准直角或对流层中下层成钝角。

图2 锋面暖区暴雨结构信息图

水汽条件上，θ*与θsed之差都能够小于等于10℃。在垂直高度的分布上，θ*与θsed之差有均匀分布的情况，如图2b，θ*与θsed之差基本维持在2～5℃之间；也有θ*与θsed之差在某几个高度层上出现分布不均匀的情况，其相对其它高度层的相对湿度较小，如图2a，在 700hPa～850hPa高度层上相对湿度明显小于其它高度层上的相对湿度，而420hPa～500hPa高度层上虽然相对湿度较好，当时也可以看出其分布极其不均匀，这同样说明了在出现锋面暖区暴雨中的大气中在不同的高度层上容易有强对流云的发展。但是这种θ*与θsed之差在某几个高度层上出现分布不均匀的情况要与产生强对流天气的结构区分开来，强对流天气中θ*与θsed之差在某一层中的值明远远大于10℃，为明显的干层。

垂直风向上，为整体顺滚流，如图2a，850hPa以下为偏东风。850hPa以上转为西南偏西风，且风速随高度逐渐增大。对流层中底层与高层可出现的风向与锋面暴雨型基本相同。

3．3 低空低涡暴雨型

低空低涡常沿着低空切变线移动，在三明产生大范围的强降水，降水分布相对均匀。其移动路径通常为，由华南进入江西中部或北部，最后进入浙江或福建北部，因此三明通常处于低空低涡南侧的西南气流之下。

图3 低空低涡暴雨结构信息图

超低温现象明显，如2012年5月13日的暴雨过程，12日08时5个探空站的θ线在300hPa以上的不同高度层上都出现左折的超低温现象（图3a）。

非均匀结构上，三条θ线在不同高度都有折拐，通过分析发通常在靠近低涡中心的探空站，其θsed和θ*线折拐次数较少，远离低涡中心及越往福建南部θsed和θ*线折拐次数增多，如图3a，450hPa～500hPa之间有明显的左折拐现象，厦门站（图3b）在在不同高度层上出现了三次左折拐。总体上θsed和θ*与T轴成准直角或对流层中下层成钝角。

水汽条件上，低空低涡暴雨型的相对湿度较好，θ*与θsed之差较小，图3a中θ*与θsed之差一度接近1℃。但是有时会出现东南部的福州或厦门探空站的相对湿度较差的现象，这与暴雨主要集中在低空低涡附近有关。

垂直风上，对流层中低层可出现从偏东风到偏西风的三四项限的风向，对流层中高层可出现从西南风到西北风的二三项限的风向，如图3b，对流层底层以西南风为主，到中层转为偏西风，对流层高层风速迅速增大并成西北风，整体表现为顺滚流。

3．4 热带气旋暴雨型

三明地处福建内陆，热带气旋对三明的影响较小，但是当热带气旋进入福建沿海及周边地区或进入福建内陆同样能够给三明带来暴雨天气，是三明产生暴雨天气的重要原因之一。热带气旋是高能高湿的热带低压系统，其强降水主要分布在气旋中心，并与热带气旋的移动路径和强度有关。如果有探空站达到起报条件，对热带气旋造成的暴雨是有增幅作用。

2011年“南玛都”在福建南部沿海登入后，于8月31日20泉州境内停止编号，2011年8月30日三明出现了10站的暴雨，只有大田未达到暴雨，但降水量达到了49mm。这次降水为台风外围的强降水。2011年8月29日20时，V－3θ结构图中，四个探空站度出现了超低温现象；垂直结构上，θ存在左倾，除赣州站（图略）θsed和θ*与T轴在对流层中底层成钝角，其余探空站的θsed和θ*于T轴都成准直角，并在不同高度出现折拐，如福州探空站在430hPa以上有逆温冷层云，有明显高层抽吸作用；水汽条件上，邵武站和福州站（图4b）分布较为均匀，θ*与 θsed之差小于 10℃，赣州站（图略）和厦门在不同高度上有干层，但总体相对湿度较好；垂直风上，赣州（图略）和厦门为逆滚流，邵武和福州站（图略）为顺滚流，通过分析发现，由于垂直风向上受热带气旋环流的影响较大，会出现V－3θ结构图中，除垂直风出现不利于暴雨的条件，其余条件都有利于暴雨的出现，这主要与热带气旋与探空站的相对位置有关。

3．5 副高边缘暴雨型（包括副高南界的东风波）

副高边缘暴雨（包括副高南界的东风波）在三明暴雨中出现较少，其在达到2站次及以上起报条件的次数所占百分比与前四种暴雨型相比为最低，由于副高边缘暴雨（包括副高南界的东风波）常以强对流活跃的非汛期暴雨为主，降水分布及不均匀，因此需要较多的借助天气学分析方法进行分析。经统计发现，副高边缘暴雨常与槽相关联，其中可分为副热带高压西侧槽、副高东侧槽和副高南侧东风带槽（东风波）。

三种大气环流配置下的V－3θ结构图中都存在超低温现象。

非均匀结构上，θ随高度的增加有左拐现象，θsed和θ*于T轴都成准直角或者类似强对流天气的钝角。在不同高度层上会有明显的折拐现象，在靠近槽的探空站折拐现象时常会越明显，但并不是所有的过程都一样。

水汽条件上，条件较好的探空站与槽离的较近，越远条件越差。在副热带高压边缘的暴雨中，垂直方向上的相对湿度分布有时会出现类似对流天气中相对湿度的分布，上干下湿或中间某一层相对湿度较大，这也是为什么副热带高压边缘的暴雨降水分布及不均匀的原因。

垂直风上，副热带高压西侧槽型，高层常为偏北气流，底层为偏南气流；副高东侧槽型，高层为偏北或东北气流，底层常为弱的偏南风；东风波型，整层大气为偏东风或东北偏东风，风速随高度的增加而减小。整体都为顺滚流。

4 小结

（1）V－3θ结构图分析方法在三明的4种暴雨型，锋面暴雨、锋面暖区暴雨、低空低涡暴雨和热带气旋暴雨的暴雨预报中有实际应用意义，而在副高边缘暴雨（包括副高南界的东风波）的暴雨预报中的表征较前4种暴雨型不够明显，需要较多的借助天气学分析方法进行分析。

（2）利用三明周边的五个探空站的V－3θ结构图分析三明的暴雨型天气，具有满足出现暴雨天气时的V－3θ结构图基本特征：1、对流层高层出现超低温现象；2、θ曲线在不同层上出现向左折拐，特别是θsed和θ*与T轴成准直角或向左倾成钝角；3、θsed和θ*在图像中表现为趋于靠近的特征，一般而言θ*－θsed≤8～10℃，对于持续性暴雨 θ*－θsed≤3～5℃，并且θ*和θsed呈现较深厚的准平行；4、垂直风上有顺滚流。

（3）三明的五种暴雨型在满足出现暴雨天气时V－3θ结构图基本特征的基础上，还表现出在不同季节、不同影响系统下，V－3θ结构图中非均匀结构、水汽条件的垂直分布和风的垂直变化存在各自的特点。

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