凉山州气象局 巫前文 615000
摘要：运用溃变原理中V-3θ图结构分析方法，对2020年6月18日凉山州西昌大暴雨天气过程进行了预测分析。V-3θ图是利用大气中温、压、湿、风的垂直分布判断大气滚流对天气演变的影响来預报天气转折性变化。结果表明在极端暴雨天气的预测中，溃变原理V-3θ图结构分析方法是一种有效的预测新方法。
关键词： V-3θ图 大暴雨 滚流 超低温 溃变原理
引言
2017年3月欧阳首承教授应邀到凉山州气象台进行溃变理论和结构分析预测方法业务指导。经过指导培训后大家对“溃变理论"有了较深的了解，通过4年的实际应用和检验，利用天气学原理和溃变理论原理，多次成功的预报了凉山州灾害性暴雨天气过程。我们认为溃变原理的V-3θ图结构分析方法体系在其它的灾害性暴雨天气中有较明显的提前反应，该方法已基本上成为预测强降雨等灾害性、转折性天气的重要预报工具。该方法体系源于实践，其中的物理机制有待于进一步认识研究，随着对溃变原理认识的深人和加深研究，对暴雨等灾害性天气的预测能力将会有更大的提高。
2020年06月17日08时-18日08时，凉山州出现了一次大范围的强降雨天气(如图1)，全州多个自动气象观测站的降雨量在100mm以上，其中西昌区降雨量为144.1mm，突破了西昌降雨历史极值。天气分析认为：2020年6月18日暴雨、大暴雨过程主要是500hPa层高原低槽东移，低层700hPa有切变线、低涡东南移，北方弱冷空气南下和副热带高压西北侧外围的水汽输送以及各层影响系统共同作用的结果。由于此次暴雨出现在影响系统高底层配置相对较弱的天气条件下，针对此次较为极端的降雨天气过程，数值模式预报的降水及其它物理量场如：垂直速度场、散度场、涡度场等指示作用不是很强。这种情况下，要用常规天气图资料预报极端暴雨有一定难度。若利用溃变原理，进行V-30图结构分析，就可以很好地确定预报量级。
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图1 6月17日08时-18日08时降水量
1溃变原理概述
1.1超低温概述
超低温在溃变理论天气预测中占有核心地位。超低温是对流层顶部300～100hPa处所存在的一个突然降温层或者是相对于平均温度较低的气层。在V-3θ图中3条曲线，尤为θ曲线在300～100hPa附近成陡然左倾或准平行于p轴(与T轴成饨角)，或右倾中偏左有拐角，表示对流层顶附近有超低温现象存在。
1.2 V-3θ图概述
V-3θ图是溃变原理应用软件Blowup的一部分。V-3θ图是以风场(包括风向和风速)、气压场、θ、θse和θ*为要素，p- T(以绝对温标K表示)为纵横坐标所构成的一种气象要素图像结构。
应当说明的是应用软件Blowup设计中，θ是位温，θ*是人为按假定为水汽饱和状态下的假相当位温计算值，其作用是在于比较大气结构中的水汽状态。θse是以露点温度计算的，一般比凝结高度温度计算值偏大。这是基于对副热带高压和干旱地区上空水汽的分布状况，以及探空仪器湿度计的滞后性考虑而设计的；所以软件的输出值，记为θsed。
1.3 V-3θ图制作
V-3θ图是利用现有真实资料信息设计的分析工具，其核心问题是垂直方向的信息差异.构成涡旋运动。它起着用单站资料揭示和放大不连续信息的作用。分析V-3θ图时除了分析θ、θse、θ*3条曲线的数值外，主要还要分析每条曲线的形态及它们围成图像的特征。
V-3θ图是根据探空资料分别按公式：
θ= T( 1000/p)R/Cp
θse=θepx( lq /CpTc)
θ*=θepx ( 1qs /CpTe)
式中θ为位温，θse为假相当位温，θ*为相当于饱和状态下的假相当位温。
1.4 V-3θ图的功能
V-3θ图的主要功能是以非均匀结构体现运动大气对流层内的滚流发生或维持，均匀结构体现滚流消失。若3条θ曲线随p呈线性增长，则表示运动大气的对流层结构是均匀的，这是一种理想状态；若3条曲线随p的减小向左倾星线性增长，或者随p减小不变或少变，则是表示大气的垂直结构极度不均匀；3条曲线左倾为非均匀结构，表示潜在顺时针滚流；3条曲线右倾并显示均匀结构，潜在逆时针滚流或无滚流。若θse线和θ*线靠近，通常情况下若θ*-θse<10K，表示水汽充沛。若θse线向θ靠近，表示水汽不足。如果站点上空水汽分布呈现上层干下层湿、中层湿低层和高层干等分布特征，则表示水汽分布极度不均匀，说明有潜在的不稳定。一般而言，大气的中低空3条θ曲线略向左倾，θse、θ*可以呈直线式，但θ曲线略左弯，θse居中；大气的中、高空3条曲线向右倾，并且在对流层顶以上，3条曲线接近重合(如图2所示)。这是因为中、低层水汽分布不均匀和中、高层水汽较少造成的。
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图2 西昌2020年6月17日20时V-3θ图
1.5 V-3θ图上的滚流特征
滚流即是垂直方向上的涡旋流或水平涡度，滚流应用于气象在形式上分为顺时针滚流和逆时针滚流两类。顺时针滚流可指示由晴天到阴雨天气的转折性变化，逆时针则相反。在V-3θ图上，若3条θ曲线左倾，则为非均匀结构的潜在顺时针滚流；若3条θ曲线右倾，则为潜在无滚流或逆时针滚流(如图3、图4所示)。
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图3西昌2020年6月17日08时V-3θ图 图4 西昌2020年6月18日20时V-3θ图
1.6 风向风速垂直结构的分析
对于北半球而言，若对流层内上、下气流方向不一致，可将右手的指向取为南风或东风的流向，并把坐标原点取为侧站左侧(纬向)或右侧(经向)，所构成的涡旋流称之为顺时针滚流；反之，称为逆时针滚流。所谓滚流，即是垂直方向上的涡旋流，也称水平涡度。风向一致时，因速度大小的切变效应也可以产生滚流，此时，右手四指指向按最大风速位置，并坐标原点均在测站的左部所构成的滚流，即为相应的顺时针或逆时针滚流。
2暴雨天气V-3θ图结构特征
经过多年使用，欧阳首承教授总结了冰雹、强对流、一般降水、大风与沙暴、高温、大雾、暴雨、特大暴雨等多种天气情况下的V-3θ图结构特征，其中暴雨天气的V-3θ图结构特征可概括为：
(1)构成暴雨、大暴雨以上大降水量天气，其水汽层较深厚，并至少需要测站以东5～10个或以上经、纬距以内有反气旋水平环流场的质量和水汽输送，其中θse和θ*较靠近至8～10K以内，并可由地面到500、400hPa乃至于300hPa深厚的西南、南或东南风层，又准平行地垂直于T轴；
(2)整体顺滚流；
(3)对流层顶附近有超低温存在；
(4)θ曲线呈左弓状，并伴有非规则折拐(非规则折拐表示有对流云发展)。
3.2020年6月18日西昌大暴雨天气过程
V-3θ图分析图5是西昌2020年6月17日08时V-3θ图，从图中可以看出：6月17日08时西昌高层200hPa存在抬升折拐薄层状超低温；θse和θ*曲线整体是向左倾的，存在多折拐，在低层与T成钝角，表明对流旺盛；水汽为西南偏西气流提供且湿层已达500hPa，本站水汽层深厚；900～500hPa.之间，θ曲线近似与p轴平行，存在多层折拐，说明大气结构不稳定；风场低层为西南风，高层为偏西北风，风速逐渐增大，由此可知，下层风为南风分量，上层为北风分量，我们用右手四指指向南风风向，向上弯曲转变为北风风向，构成了整体潜在顺时针滚流。我们以西昌站为中心，在其西南面的丽江、昆明(图略)等站中低层都为西南气流，这表明水汽输送的通道已经打开，成都和宜宾测站(图略)高层为西北风说明高层东北风冷平流源，所以西昌周边5个经、纬距离内存在反气旋水平环流场的质量和水汽输送。周围测站的超低温很强，强烈的超低温抽吸作用使水汽向本站周围汇集，西南气流加强，配合本站超低温、顺滚流场，这样的结构往往预示着测站附近有较大范围的暴雨局部大暴雨天气发生。
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图5 西昌2020年6月17日08时V-3θ图
图6是西昌2020年6月18日08时V-3θ图，此时西昌的强降水天气已经基本上结束。从图中可以看出：6月18日08时西昌测站上空200hPa层附近没有超低温存在，θ曲线没有明显的折拐，大气结构较稳定；700hPa以下偏北风为主， 500hPa以上南风为主，所以构成整体逆滚流，预示着降雨天气不能维持，天气将要转好；θ曲线700hPa以下几乎没有明显的折拐，大气结构较稳定，不稳定能量已经被释放；θse和θ*曲线从低层一直到高层儿乎准平行，且600hPa层以上几乎重合，说明西昌上空600hPa以上的水汽条件仍然非常好，但是由于700hPa是偏北风量为主，西昌上游地区(图略)水汽通道已经被切断，而且西昌以及周边地区构成一个气旋性流场，表明低层的冷平流已经到来，降雨天气将要结束。
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图6 西昌2020年6月17日08时V-3θ图
4总结
通过上述分析，可得出2020年6月18日西昌大暴雨天气发生前和发生后的V-3θ图结构特征差异明显.此次大暴雨过程的V-3θ图结构特征和预报要点有以下几点：
(1) 大暴雨发生前大气低层中，θ*线与T轴成钝角，θse和θ*线较靠近，充沛的水汽使大气中不稳定能量以暴雨的形式释放出来。
(2) 大暴雨发生前测站对流层上层存在超低温，以保证垂直涡动的存在及维持，暴雨结束后超低温消失。
(3) 大暴雨发生前，整体顺滚流；当顺滚流转为逆滚流时表示降雨将要结束，天气将会转好；降雨结束后无明显滚流。
(4) 大暴雨发生前θ曲线呈左弓状，并伴有非规则折拐，大气层结不稳定；降雨结束以后， θ曲线均匀光滑。
(5)在预报暴雨天气时应结合天气图上的系统进行综合分析，还应分析周围台站的V-3θ图特征，特别是要注意分析水汽来源，这样本站才能维持V-3θ图的不均匀结构较长时间，从而判断本站降雨的持续时间。
(6)当常规的天气分析无法确定是否有暴雨产生时，V-3θ图结构预测法是一-个很好的预报参考工具。
参考文献：
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[3]陈楨烈，周莉蓉，郝利萍.V-3θ图在区城暴南预报中的应用.气象，2003，29（1）：20-22
[4]张洪卫，张经珍，侯椒梅等.用溃变理论做暴雨预报.陕西气象，2000，(4)：14-18
作者简介：巫前文（1974.07）男，汉族，四川省威远人，本科学历，副研级高级工程师，从事短期天气预报研究方向。