基于潰變理論對河西走廊西段一次極端暴雨的研究

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天氣、氣候過程的精細化預報預測服務提出了更高的要求[1]。暴雨是造成洪澇、滑坡和泥石流等地質(zhì)災害的重要氣象誘因，也是天氣預報業(yè)務的難點和重點[2]。暴雨的形成機理、發(fā)展過程以及范圍、落區(qū)、強度的預報一直是科研和業(yè)務領域重視的問題[3]。產(chǎn)生暴雨的主要物理條件是充足的水汽、強盛而持久的上升運動和大氣層結構的不穩(wěn)定，而地形對暴雨的發(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)且強度大，在一定條件下會出現(xiàn)雨急量大的超常暴雨。近年來，極端強降水在酒泉地區(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，極端強降水在降水的時間、強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報、人工影響天氣、短期或臨近災害天氣監(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，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個特征量，以此描述V-3θ圖，以期為預報暴雨發(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，由于對流天氣的突發(fā)性、局地性較強，數(shù)值模式對暴雨時間和強度的預報難度加大。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)強對流天氣的環(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]設計的潰變原理的圖象結構，用來分析預測天氣轉(zhuǎn)折性變化。V-3θ圖是在P-T坐標系下，θ、θse、θ*和風矢的結構圖，其中V是指風矢量，是探空資料中的風向風速觀測數(shù)據(jù)，θ是位溫，θse 是以露點溫度計算的假相當位溫，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構中的水汽狀態(tài)。V-3θ結構圖是帶有各層風矢的3條曲線。V-3θ圖是盡可能地利用現(xiàn)有資料的真實信息而設計的分析工具，其核心作用是通過每個站點的V-3θ結構，可以分析出該站垂直方向上的渦旋流即風矢的差異所構成的滾流，和潛在的滾流效應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過程[11]，常規(guī)的V-3θ使用單站探空資料，是將真實的探空信息進行天氣學分析。θ、θse、θ*可在對數(shù)壓力圖上取得[12]，因此獲取θ、θse及θ*需要花費一定的時間，對于暴雨的預報提前性較差，文章為減小序列的波動性，消除偶然因素和異常值的影響。將真實的資料換為再分析資料，并將風向風速省去(風向和風速在機器學習里面不好量化)，增加比濕和垂直速度(彌補風向和風速資料缺失的不足)，通過位溫(θ)、假相當位溫(θse)、飽和假相當位溫(θ*)、比濕和垂直速度5種氣象要素，逐層計算θse-θ、θ*-θse、θ850-500和θse850-500，同時衍生出69種氣象特征量。通過此特征量繪制降水預報圖，以此提高暴雨預報的提前量及準確度。

2 天氣實況及河西地區(qū)降水標準

2.1 天氣實況

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)降水標準

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)降水標準。該標準出自DB62/T 1732-2008《甘肅省河西地區(qū)降雨等級》。

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，使得新地島低渦穩(wěn)定，河套地區(qū)到額濟納旗有一個高壓脊向西北突出，在河西西部形成偏東風與南部偏西風低槽切變。酒泉市在高壓脊阻擋作用下，風場強烈輻合，對地面抬升引起的強降水很有利。700 hPa青海低渦發(fā)展加強，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東地區(qū)并累積，敦煌到河套地區(qū)一致為偏東風，敦煌站最大風速達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衍生預報圖與酒泉市降水實況對比

6日08：00酒泉市自西向東開始出現(xiàn)降水，將實況與預報進行對比，本地5日成功預報了降水開始的時間；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，對比本地預報工具預報范圍，預報工具預報范圍較大，但降水量大的位置與實況相對應；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。實況和預報對應較好，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，降水預報模式預報降水范圍較大。綜合對比發(fā)現(xiàn)：V-3θ降水預報圖準確地預報了降水的時間，但對降水范圍、降水量級的預報能力有待提高。

5 結束語

文章基于潰變理論對河西走廊西段一次極端暴雨進行研究，得出結論如下：

1)此次極端降水天氣受河套地區(qū)高壓脊的阻擋，同時受青海低渦前部動力抬升影響，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個特征量，以此描述V-3θ圖，確定此次暴雨過程的時間和提前量；

3)V-3θ衍生降水預報圖的應用可提高暴雨預報的提前量及準確度。