近50年深圳龍舟水暴雨環境參量統計分析

王蕊，王明潔，陳訓來，3

（1.深圳市氣象局，廣東深圳 518040；2.深圳市國家氣候觀象臺，廣東深圳 518040；3.深圳南方強天氣研究重點實驗室，廣東深圳 518040）

深圳地處廣東省南部，毗鄰香港，雨量充沛，暴雨頻發，每年5月下旬至6月中旬是深圳前汛期降水最集中、雨量最大的時間段，俗稱“龍舟水”［1-2］。由于其持續時間長、累計雨量大、暴雨突發性強、區域分布不均勻等特點，易引發城市積澇、地質等次生、衍生災害，決策和公眾氣象服務面臨較大壓力，因此龍舟水期間暴雨預報和預警一直是預報一線業務人員和科研人員的關注重點［3-7］。

單站探空數據是分析局地強對流、暴雨天氣的重要數據之一，許多研究通過應用探空數據分析暴雨發生前的環境參量，進行暴雨潛勢預報［8-9］。陳元昭等［10］對珠三角地區短時強降水過程進行天氣形勢分型研究，并利用探空資料得到重大短時強降水的關鍵環境參數850與500 hPa的溫差（Δt850-500）、露點溫度（td）、大氣可降水量（PW）、對流有效位能（CAPE）、對流抑制能量（CIN）、暖云厚度和0～6 km垂直風切變閾值，為珠三角地區顯著強降水預報改進提供重要參考；萬軼婧等［11］統計分析了2008—2017年發生在華南地區的54次典型暖區暴雨過程的環境場特征，指出850 hPa溫度露點差（t-td）850、大氣可降水量（PW）、以及深層垂直風切變是有效識別華南暖區暴雨的關鍵物理量。在西南區域暴雨研究中，顧天紅等［12］基于“配料法”的主要思路，分析得到一些有利于西南暴雨發生的環境參數閾值。在其他地區，如北京、魯中地區和呼和浩特的暴雨預報技術研究中，也多次采用“配料法”，得到關鍵環境參數閾值［13-15］。由此可見，利用探空數據分析中尺度對流系統發生發展的局地垂直環境，可有效判斷暴雨、強對流等發生的潛勢，構建客觀預報模型，但不同區域、不同時段、不同天氣形勢的暴雨關鍵參數不盡相同，閾值更是有較大差別［16］。

然而，目前針對深圳龍舟水暴雨發生前的環境參量研究較少。本研究基于香港探空資料，對1973—2020年深圳龍舟水期間129例暴雨過程進行研究，統計了10種反映大氣熱力、動力條件的物理量，對比分析了71例白天和58例夜間暴雨發生前的環境參量特征，得到具有指示意義的關鍵環境參數閾值，為深圳龍舟水暴雨潛勢預報提供參考。

1 資料和方法

本研究采用1973—2020年龍舟水期間（每年5月21日至6月20日）深圳國家基本氣象站雨量和香港（45003站）每日08：00（北京時，下同）和20：00的2個時次實況探空資料進行分析研究。根據Darkow［17］提出的探空站與實況資料選取方法，選取探空施放站點距離強天氣事件發生地點不超過80 km，在探空氣球釋放前后的12 h內出現。香港探空站處于深圳國家基本氣象站東南約30 km，對分析深圳暴雨發生的環境參量具有很好的代表性，因此本研究采用香港探空站資料。

1.1 暴雨個例選取

深圳國家基本氣象站12 h雨量≥30mm定義為一個暴雨個例［18］，暴雨發生在08：00—20：00記為白天暴雨；發生在20：00至次日08：00記為夜間暴雨。在選取龍舟水期間暴雨過程探空資料的時候，選取暴雨發生前最近時次的探空資料進行計算，以保證能夠比較準確地反映物理量隨天氣變化的情況。為了突出深圳龍舟水期間暴雨個例的大氣層結特征，本研究將1973—2020年龍舟水期間香港（45003站）探空資料作為氣候態，以期通過對比分析，揭示深圳龍舟水暴雨環境條件的關鍵特征。

1.2 物理量選取

為分析深圳暴雨發生前的環境條件和特征，參照基于構成要素的預報方法（配料法）的主要思路來選取關鍵環境參數［16］，利用香港探空資料分別計算了每日08：00和20：00的10種業務預報常用的物理參數進行統計，并通過箱線圖給出各種參數的分布。按照各物理參量的天氣動力學意義，表示環境溫濕條件的參數如表1所示500和850 hPa的假相當位溫差（Δθse（500-850））、850與500 hPa的溫差（Δt850-500）、500 hPa露點溫度差（t-td）500、850 hPa露點溫度差（ttd）850、大氣可降水量（PW）；表示大氣能量條件的物理量選?。簩α饔行荒蹸APE、K指數、抬升指數LI；表示動力穩定度的參數：3 km垂直風切變（SHR3km）、6 km垂直風切變（SHR6km）。

2 深圳龍舟水期間物理量特征

2.1 溫濕條件

高低空溫差反映大氣垂直溫度梯度，反映大氣靜力穩定度，往往是暴雨、雷暴等天氣是否出現的重要判據，圖1為深圳龍舟水期間暴雨過程和氣候態的溫濕條件環境參量箱線圖。

圖1 深圳龍舟水期間暴雨個例和氣候態的溫濕條件環境參量箱線圖

從圖1a可以看出，深圳龍舟水暴雨個例的Δt850-500和氣候態無明顯差異，白天發生暴雨前，08：00的Δt850-500兩者中位數分別為22.5和22.3℃，均值分別為22.4和22.3℃，差別比較??；而夜間發生暴雨前，20：00兩者中位數和均值都相等，說明Δt850-500無法作為深圳龍舟水暴雨發生的判據。

500和850 hPa的假相當位溫差（Δθse（500-850））表示高能舌和能量峰的垂直分布，其值小于0 K表示對流不穩定。由Δθse（500-850）箱線圖（圖1b）可知，超過75%以上的龍舟水暴雨個例和氣候態的Δθse（500-850）基本小于0 K，對暴雨是否發生不敏感，單獨通過Δθse（500-850）難以進行判別。

珠江三角洲強對流發生前的大氣層結大致可劃分為兩種類型，分別是“上干下濕”型和“濕層深厚”型［1］，而高低層的溫度露點差反映大氣中水汽的飽和程度，溫度露點差越小說明水汽條件越好，通常認為t-td≤2℃為飽和［19］。從（t-td）500和（t-td）850箱線圖（圖1c-d）可知，龍舟水暴雨過程的中、低層溫度露點差箱體結構較窄，均值在2～3℃，接近飽和；而氣候態中、低層溫度露點差均值較大，尤其是（t-td）500均值高達8℃左右，表明暴雨發生在整層的濕層情況下，850和500 hPa溫度露點差是深圳龍舟水期間暴雨發生的關鍵指標。

大氣可降水量（PW）可表征氣柱絕對水汽含量，深圳龍舟水期間白天暴雨和夜間暴雨發生前的PW 均值都為65 mm，25% ～75%的范圍分別為62～70和61～68 mm；氣候態的PW 均值都為57 mm，25% ～75%的范圍都為52～63 mm（圖1e）。龍舟水暴雨過程的PW 箱體位置明顯高于氣候態，75%的龍舟水暴雨個例發生在PW大于61mm的條件下，說明龍舟水暴雨更易出現在較氣候態明顯偏高的PW 環境條件下，PW 是深圳龍舟水期間暴雨發生的關鍵指標之一。

2.2 能量條件

表征大氣能量條件的物理量對流有效位能CAPE、K指數和抬升指數LI是強對流天氣預報常用的判據，其中LI是500 hPa環境溫度和氣塊從1 000 hPa絕熱上升到500 hPa處的溫度差值，負值越大越不穩定。

由龍舟水期間暴雨個例CAPE箱線圖（圖2a）可知，龍舟水期間暴雨發生前的CAPE值離散度較大，白天暴雨發生前08：00，其25%、75%四分位數分別為448和1 693 J／kg，中位數為1 094 J／kg，均值為1 129 J／kg；夜間暴雨發生前20：00，其25%、75%四分位數分別為483和1 450 J／kg，中位數為764 J／kg，均值為1 025 J／kg。從氣候態CAPE箱線圖可知，CAPE值介于0～4 327 J／kg，箱體較龍舟水暴雨個例的更寬，離散度更大，08：00和20：00中位數、均值都低于龍舟水暴雨個例，但是二者重疊區間較大，因此難以單從CAPE值判別龍舟水期間是否發生暴雨。

圖2 深圳龍舟水期間暴雨個例和氣候態能量條件環境參量箱線圖

龍舟水期間暴雨個例K指數在08：00和20：00的離散度均較小，08：00其25%、75%四分位數分別為35和38.5℃，中位數為36.9℃，均值為36.2℃；20：00其各分位數（25%分位數34.3℃、75%四分位數38.2℃、中位數36.6℃，均值36.3℃）與08：00相差不大。氣候態K指數08：00和20：00離散度明顯增大，中位數分別為33.7和33.3℃，均值分別為32.2和31.8℃。龍舟水期間暴雨個例的K指數明顯高于氣候態，而由2.1節可知龍舟水期間暴雨個例的t850-t500與氣候態差異很小，說明大氣飽和度是造成龍舟水期間暴雨K指數較高的關鍵因素，這與2.1節分析得到的龍舟水暴雨對大氣飽和度依賴較高的結果一致，由此可見，在進行龍舟水期間暴雨潛勢預報時，需多加關注水汽條件。

抬升指數（LI）箱線圖（圖2c）顯示，無論是白天還是夜間暴雨發生前的LI均較氣候態略偏低，08：00龍舟水暴雨個例和氣候態中位值分別為-2.6和-2.4℃，25%到75%的范圍分別為-4.1～-1.9和-3.9～0.05℃；20：00中位值分別為-2.5和-2.2℃，25%到75%的范圍分別為-3.5～-1.5℃和-3.6～-0.14℃，但由于龍舟水暴雨個例與氣候態LI重疊區間較大，因此無法單憑LI判斷是否發生暴雨。

2.3 動力條件

垂直風切變影響對流風暴的組織、結構和演變，冰雹、雷雨大風通常需要較大的垂直風切變，而短時強降水一般不需要強的垂直風切變作為前提條件。SHR3km和SHR6km分別代表0～3和0～6 km垂直風切變。經統計，二者在龍舟水暴雨個例相較于氣候態沒有明顯差異，暴雨發生前的0～3和0～6 km垂直風切變離散度很大，說明其對于是否出現暴雨不敏感（圖3）。

圖3 深圳龍舟水期間暴雨過程和氣候態的動力條件環境參量箱線圖

由此可見，大氣可降水量PW、（t-td）500、（t-td）850、K指數是深圳龍舟水期間暴雨發生的重要判據。

3 關鍵環境參數閾值確定

利用探空資料反映強天氣出現前本地上空大氣溫濕結構，計算環境條件參量可為龍舟水暴雨的潛勢預報提供重要參考?？紤]到如果采用箱線圖中的最低值作為預報閾值，會出現大量的虛警，所以采用環境參數分布的25百分位數作為參數閾值［12］。表2列出了1973—2020年深圳龍舟水期間暴雨個例的環境參數閾值。

表2 深圳龍舟水期間暴雨環境參數預報閾值表1）

統計第2章的環境參數發現，龍舟水期間暴雨與氣候態在大氣可降水量PW、500 hPa溫度露點差（t-td）500、850 hPa溫度露點差（t-td）850、K指數差別較大，龍舟水暴雨發生前，K指數更大，大氣能量條件更好，大氣可降水量PW 充足且整層大氣接近飽和，水汽條件好，結合一定的抬升條件，有利于暴雨形成。因此，上述環境參數可作為龍舟水期間是否出現暴雨的關鍵環境參數，對比分析白天和夜間發生暴雨前關鍵環境參數，發現當08：00大氣層結狀態滿足大氣可降水量PW≥62 mm、500 hPa溫度露點差（t-td）500≤3.5℃、850 hPa溫度露點差（t-td）850≤2.8℃、K指數≥35℃，有利于龍舟水期間白天出現暴雨；當20：00大氣可降水量PW≥61 mm、500 hPa溫度露點差（t-td）500≤3.1℃、850 hPa溫度露點差（t-td）850≤3.4℃、K指數≥34℃，有利于龍舟水期間夜間暴雨發生。

4 結論

本研究利用深圳國家基本氣象站雨量數據和香港（45003站）每日08：00和20：00 2個時次實況探空資料，通過1973—2020年龍舟水期間（每年5月21日至6月20日）發生的129例暴雨過程，其中日間暴雨71例、夜間暴雨58例，統計分析物理量特征，得到關鍵環境參數閾值。主要結論為

1）在多種熱力、動力物理量參數中，大氣可降水量PW、500 hPa溫度露點差（t-td）500、850 hPa溫度露點差（t-td）850、K指數是深圳龍舟水暴雨發生與否的重要判據。相較于氣候態，暴雨發生前的表征大氣能量條件的K指數更大，表征水汽條件的大氣可降水量PW 更大，（t-td）500和（t-td）850更小。

2）對比分析白天和夜間發生暴雨前關鍵環境參量特征，采用25百分位法確定參量閾值。在龍舟水期間，當08：00大氣環境滿足大氣可降水量PW≥62 mm、500 hPa溫度露點差（t-td）500≤3.5℃、850 hPa溫度露點差（t-td）850≤2.8℃、K指數≥35℃，有利于龍舟水期間白天出現暴雨；當20：00大氣環境滿足大氣可降水量PW≥61 mm、500 hPa溫度露點差（t-td）500≤3.1℃、850 hPa溫度露點差（t-td）850≤3.4℃、K指數≥34℃，有利于龍舟水期間夜間暴雨發生。