顧天紅,杜小玲，李 力，張艷梅，邵國云

(1.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002；2.浙江省麗水市氣象局，浙江 麗水 323000)

0 引言

按照我國地理區(qū)劃，西南地區(qū)是指重慶市、四川省、貴州省、云南省及西藏自治區(qū)共三省一市一區(qū)。按照全國一級氣象地理區(qū)劃，西南地區(qū)是指重慶市、四川省、貴州省及云南省共三省一市。文中的西南區(qū)域是指云貴川渝三省一市，位于青藏高原以東和秦嶺以南，主要包括四川盆地及周邊山區(qū)、云貴高原等區(qū)域。該區(qū)域降水量充沛，短時強降水主要集中在4—10月[1]，暴雨主要出現在6—8月[2]。多年來，西南區(qū)域尤其是四川盆地的暴雨預報一直是氣象工作者研究的重點，多人分析研究了四川盆地強降水的日變化、年際變化特征和時空分布變化特征[3-7]。揭示了四川暴雨的環(huán)流形勢、影響系統及地形影響[8-9]。并從暴雨的觸發(fā)及維持機制、中尺度對流系統、水汽輸送與收支等方面對暴雨過程進行了診斷分析與數值模擬[10-13]。

了解暴雨過程的環(huán)境參數特征有助于加深對暴雨發(fā)生發(fā)展的物理機制的理解，提高暴雨潛勢預報水平。肖遞祥等[14]對四川盆地30次突發(fā)性暖區(qū)暴雨特征及環(huán)境場條件進行了研究，給出了一些關鍵物理量閾值。易升杰等[15]分析了西南地區(qū)兩次大暴雨的環(huán)境場，指出假相當位溫等物理量對雨強和落區(qū)的指示較好。萬軼婧等[16]對54次華南暖區(qū)暴雨的環(huán)境場特征展開分析，發(fā)現大氣可降水量、850 hPa溫度露點差、深層垂直風切變等參數的指示意義較好。李琴等[17]發(fā)現集合動力因子預報系統中的12個動力因子能較好地指示預報四川暴雨。

以西南地區(qū)暴雨過程為研究對象的研究大多基于單個暴雨過程的診斷分析或數值模擬[18-22]，對暴雨的環(huán)境參數研究也更多采用再分析資料，暴雨發(fā)生時的環(huán)境參數特征不足以真實掌控[17]。故本文旨在基于探空資料，從環(huán)境條件和層結特性出發(fā)，對2010—2020年5—11月西南區(qū)域196個暴雨個例進行研究，通過統計10種物理參數，從暴雨的水汽、熱力不穩(wěn)定和動力條件分別得出一些有指示意義的物理量閾值，為西南區(qū)域暴雨的預報提供一定參考。

1 資料與方法

1.1 資料選取

①挑選2010—2020年5—11月西南區(qū)域主要暴雨過程，文中將24 h暴雨站次(云貴川渝及湖南西部的國家站)達到20站以上作為一次備選暴雨過程，共選出196次；②選擇了云貴川渝所屬探空站(川西高原的56173、56146、56247和云南西北部的56651、56739除外)、湖南西部的懷化站共11個探空站觀測資料(接近暴雨落區(qū)或上游探空站，常規(guī)觀測時間為每天08時和20時)，用于暴雨發(fā)生初期(如20時)物理參數統計分析；③國家級地面氣象站基本氣象要素資料日值數據集。圖1給出了西南區(qū)域探空站點及國家站分布簡圖。

圖1 西南區(qū)域探空站點及國家站空間分布簡圖Fig.1 The spatial distribution diagram of sounding stations and regional stations in southwest area

1.2 分析方法

基于“配料法”的主要思路[23-24]從水汽、熱力不穩(wěn)定、動力條件3個方面進行分析。水汽條件分析了850 hPa溫度露點差(T-Td)850、700 hPa溫度露點差(T-Td)700、500 hPa溫度露點差(T-Td)500、500 hPa比濕、700 hPa比濕、850 hPa比濕；熱力不穩(wěn)定條件分析了沙氏指數(SI)和對流有效位能(CAPE)；動力條件分析了最大上升速度(W_CAPE)和能量螺旋度(EHI)。

通過箱線圖給出西南區(qū)域暴雨各環(huán)境參數分季節(jié)的情況，得出該區(qū)域暴雨發(fā)生的環(huán)境參數閾值，以期對該區(qū)域暴雨預報參數模型的建立提供指示。箱線圖利用中位數、25%分位數、75%分位數、上邊界、下邊界等來描述數據的整體分布情況。箱體包含了50%的數據，箱子寬窄反映數據波動程度，箱體越窄則數據越集中。箱中黑橫線表示樣本中位數，“·”代表平均數，中位數越偏離箱體中心線，偏態(tài)分布越明顯。參考高曉梅等[25]對魯中地區(qū)強對流天氣環(huán)境參數的研究，采用箱線圖中的25%分位或75%分位作為影響西南區(qū)域暴雨的參數閾值，在虛警率和漏報率間取折中。

2 2010—2020年西南區(qū)域暴雨發(fā)生頻數

按照暴雨的定義標準，結合逐小時降水的觀測資料，5—11月逐月暴雨發(fā)生頻數分別為15%、57%、57%、33%、28%、3%、3%，可見西南區(qū)域暴雨發(fā)生主要集中在5—9月，故下文將分為初夏(5—6月)、盛夏(7—8月)和初秋(9月)討論。按涉及到的探空站逐月暴雨發(fā)生頻數如表1可知，初夏暴雨主要集中在貴州、重慶—川東、滇東及滇南地區(qū)，主要選取該區(qū)域內的探空站進行分析；而盛夏季節(jié)暴雨是西南地區(qū)出現暴雨的主要時段，7月暴雨范圍擴大至四川盆地西部；初秋，滇東及滇南地區(qū)暴雨發(fā)生頻數明顯減少，暴雨發(fā)生區(qū)域主要在貴州、重慶—川東，因而主要選取該區(qū)域內的探空站進行分析。

表1 2010—2020年西南區(qū)域暴雨過程空間分布Tab.1 The details of heavy rainfall cases in Southwest China from 2010 to 2020

3 西南區(qū)域暴雨的環(huán)境參數特征

3.1 水汽條件

大氣的水汽含量、垂直分布、飽和程度等都是影響降水強度和效率的重要因素[17]。

3.1.1 溫度露點差 溫度露點差可以表征干空氣強度，其值越大則空氣越干[25]。圖2為西南區(qū)域暴雨過程分季節(jié)的溫度露點差箱線圖，用500 hPa、700 hPa和850 hPa的溫度露點差分別代表對流層中低層的干空氣強度。箱線圖的最高點為統計最大值，最低點為統計最小值，箱形上部框線為75%上四分位值，下部框線為25%下四分位值，箱中黑橫線為中位數，黑點為平均值。由圖2a分析發(fā)現，初夏、盛夏和初秋的(T-Td)500主體分別介于1～7 ℃、1～3 ℃和1～3.8 ℃，均值分別為5.4 ℃、2.8 ℃和3.3 ℃，最大值分別為43 ℃、23 ℃和20 ℃。其中初夏時箱體最寬，(T-Td)500值較分散，而盛夏時箱體最窄，說明隨著月份遞進，500 hPa水汽飽和程度呈現先增大后減小的趨勢。三者的中位數位置均偏向下四分位線，經計算，各季節(jié)(T-Td)500≤2 ℃的個例約占該區(qū)域對應季節(jié)暴雨個例的52.6%、69.4%和64.0%，(T-Td)500≤2 ℃的個例總數約占該區(qū)域暴雨個例總數的62.2%，這表明該區(qū)域暴雨初期500 hPa大氣近飽和。以75%分位作為最低閾值時，西南區(qū)域暴雨初期的(T-Td)500在初夏時需在7 ℃以下，盛夏時需在3 ℃以下，初秋時需在3.8 ℃以下。

由圖2b分析發(fā)現，初夏、盛夏和初秋的(T-Td)700主體均介于1～2 ℃，均值分別為2.2 ℃、1.8 ℃和1.6 ℃，最大值分別為15 ℃、16 ℃和6 ℃，三者的中位數位置均與下四分位線重合。經計算，各季節(jié)(T-Td)700≤2 ℃的個例約占該區(qū)域對應季節(jié)暴雨個例的77.5%、83.5%和84.3%，(T-Td)700≤2 ℃的個例總數約占該區(qū)域暴雨個例總數的81.3%，這一比例比500 hPa溫度露點差增加明顯。以75%分位作為最低閾值時，西南區(qū)域暴雨初期的(T-Td)700在初夏、盛夏和初秋時均需在2 ℃以下。

由圖2c分析發(fā)現，初夏、盛夏和初秋的(T-Td)850主體分別介于1～4.8 ℃、1～4 ℃和1～3 ℃，均值分別為3.1 ℃、3.3 ℃和2.1 ℃，最大值分別為15 ℃、17 ℃和9 ℃，其中初夏時箱體最寬，而初秋時箱體最窄，說明隨著月份遞進，對850 hPa所需水汽飽和程度呈現升高的趨勢，三者的中位數位置均偏向下四分位線，其中初秋與下四分位線重合。經計算，各季節(jié)(T-Td)850≤2 ℃的個例約占該區(qū)域對應季節(jié)暴雨個例的53.0%、61.2%和74.0%，(T-Td)850≤2 ℃的個例總數約占該區(qū)域暴雨個例總數的60.3%，這與700 hPa大氣所需飽和程度相比明顯降低。以75%分位作為最低閾值時，西南區(qū)域暴雨初期的(T-Td)850在初夏時需在4.8 ℃以下，盛夏時需在4 ℃以下，初秋時需在3 ℃以下。

圖2 西南區(qū)域暴雨過程分季節(jié)500 hPa(a)、700 hPa(b)和850 hPa(c)溫度露點差箱線圖Fig.2 The spatial distribution of box plots of (T-Td)500(a),(T-Td)700 (b) and (T-Td)850(c) in different seasons

3.1.2 比濕 比濕是記錄大氣水汽狀況的一種常用指標。圖3為西南區(qū)域暴雨過程分季節(jié)的比濕箱線圖(箱線圖解釋同圖2，下同)，用500 hPa、700 hPa和850 hPa的比濕分別代表對流層中低層的大氣含水量程度。由圖3分析發(fā)現，初夏、盛夏和初秋的Q500主體分別介于3.5～5.9 g·kg-1、5.0～6.3 g·kg-1和4.2～5.5 g·kg-1，均值分別為4.5 g·kg-1、5.4 g·kg-1和4.7 g·kg-1，最大值分別為7.0 g·kg-1、7.6 g·kg-1和6.5 g·kg-1。其中初夏時箱體最寬，而初秋時箱體最窄，說明隨著月份遞進，對500 hPa大氣含水量呈現降低的趨勢。以25%分位作為最低閾值時，西南區(qū)域暴雨初期的Q500在初夏時需在3.5 g·kg-1以上，盛夏時需在5.0 g·kg-1以上，初秋時需在4.2 g·kg-1以上。

由圖3b分析發(fā)現，初夏、盛夏和初秋的Q700主體分別介于10.3～12.6 g·kg-1、11.0～12.6 g·kg-1和10.3～11.8 g·kg-1，均值分別為11.2 g·kg-1、11.6 g·kg-1和10.9 g·kg-1，最大值分別為14.3 g·kg-1、15.3 g·kg-1和13.4 g·kg-1。初夏中位數位置偏上四分位線。這表明初夏該區(qū)域暴雨初期700 hPa大氣含水量為高值，與之相比，盛夏和初秋700 hPa大氣含水量明顯降低。以25%分位作為最低閾值時，西南區(qū)域暴雨初期的Q700在初夏和初秋時均需在10.3 g·kg-1，而盛夏時需在11.0 g·kg-1以上。

由圖3c分析發(fā)現，初夏、盛夏和初秋的Q850主體分別介于13.9～17.3 g·kg-1、14.3～17.3 g·kg-1和13.4～16.0 g·kg-1，均值分別為15.3 g·kg-1、15.7 g·kg-1和14.3 g·kg-1，最大值分別為19.6 g·kg-1、20.8 g·kg-1和17.3 g·kg-1。箱體最寬的是初夏，而初秋時箱體最窄，說明隨著月份遞進，該區(qū)域暴雨初期850 hPa大氣含水量呈現減小的趨勢。以25%分位作為最低閾值時，西南區(qū)域暴雨初期的Q850在初夏時需在13.9 g·kg-1以上，盛夏時需在14.3 g·kg-1以上，初秋時需在13.4 g·kg-1以上。

圖3 西南區(qū)域暴雨過程分季節(jié)500 hPa(a)、700 hPa(b)和850 hPa(c)比濕箱線圖Fig.3 The spatial distribution of box plots of Q500(a),Q700(b)and Q850(c)in early summer

3.2 熱力不穩(wěn)定條件

大氣靜力穩(wěn)定度能極大地影響降水性質，層結不穩(wěn)定一定程度上決定著深厚濕對流的觸發(fā)，甚至對其發(fā)展強弱及持續(xù)時間也起著重要作用[17]。

3.2.1 沙氏指數 沙氏指數(SI)是反映大氣條件性穩(wěn)定度的指數。SI的負值越大，表明層結越不穩(wěn)定。圖4a顯示，初夏、盛夏和初秋西南區(qū)域的沙氏指數主體分別介于-2.1～0.4 ℃、-2.1～0.3 ℃和-1.6～1.0 ℃，均值分別為-0.7 ℃、-0.6 ℃和0.5 ℃，最小值分別為-6.4 ℃、-6.3 ℃、-5.4 ℃，其中初夏、盛夏和初秋時的箱體接近，說明隨著月份遞進，SI總體趨勢變化不大。經計算，各季節(jié)SI≤0 ℃的個例約占該區(qū)域對應季節(jié)暴雨個例的67.9%、72.0%和52.6%，SI≤0 ℃的個例總數約占該區(qū)域暴雨個例總數的67.5%，表明該區(qū)域暴雨發(fā)生初期所需沙氏指數盡可能低于0 ℃。以75%分位作為最低閾值時，西南區(qū)域暴雨初期的SI在初夏時需在0.4 ℃以下，盛夏時需在0.3 ℃以下，初秋時需在1.0 ℃以下。

圖4 西南區(qū)域暴雨過程分季節(jié)沙氏指數(a)、對流有效位能(b)和最大上升速度(c)箱線圖Fig.4 The spatial distribution of box plots of SI (a) ,CAPE (b) and W-CAPE(c) in early summer

3.2.2 對流有效位能 對流有效位能(CAPE)是反映大氣潛在不穩(wěn)定能量的關鍵參數。它表示在抬升凝結高度與平衡高度之間，由正浮力做功而獲得能量，并可有效轉為大氣動能的部分[27]。圖4b顯示，初夏、盛夏和初秋西南區(qū)域的對流有效位能主體分別介于117.9～1264.4 J·kg-1、51.4～1349.9 J·kg-1和1.3～787.1 J·kg-1，均值為842.6 J·kg-1、835.5 J·kg-1和579.1 J·kg-1，最大值分別為4053.6 J·kg-1、5165.6 J·kg-1和3145.5 J·kg-1，其中盛夏時箱體最寬，而初秋箱體最窄，這反映出盛夏該區(qū)域CAPE值較高，多對流性暴雨。初秋中位數位置接近與下四分位線重合，這表明初秋該區(qū)域暴雨初期對CAPE要求不高，隨著季節(jié)推進多為穩(wěn)定性暴雨。經計算，各季節(jié)CAPE≤1000 J·kg-1的個例約占該區(qū)域對應季節(jié)暴雨個例的66.4%、68.5%和77.2%，CAPE≤1000 J·kg-1的個例總數約占該區(qū)域暴雨個例總數的69.1%。以25%分位考慮最低閾值時，西南區(qū)域暴雨初期的CAPE在初夏時需在117.9 J·kg-1以上，盛夏時需在51.4 J·kg-1以上，初秋時需在1.3 J·kg-1以上(無明顯要求)。

3.3 動力條件

3.3.1 最大上升速度 最大上升速度(W_CAPE)是基于對流有效位能在理想狀態(tài)下當所有能量轉換為動能時估算的氣塊上升最大可達速度。圖4c顯示，初夏、盛夏和初秋西南區(qū)域的最大上升速度主體分別介于15.4～50.3 m·s-1、10.3～51.9 m·s-1和3.3～45.2 m·s-1，均值為34.9 m·s-1、32.9 m·s-1和26.3 m·s-1，最大值分別為109.2 m·s-1、101.6 m·s-1和79.3 m·s-1。初夏和盛夏時中位數位置均偏向上四分位線，表明此季節(jié)該區(qū)域暴雨發(fā)生初期較大的最大上升速度更有利于出現暴雨。以25%分位考慮最低閾值時，西南區(qū)域暴雨初期的W_CAPE在初夏時需在15.4 m·s-1以上，盛夏時需在10.3 m·s-1以上，初秋時需在3.3 m·s-1以上。

3.3.2 能量螺旋度 能量螺旋度(EHI)是由對流有效位能(CAPE)和風暴相對螺旋度(SRH)組成的，EHI數值越大，發(fā)生強對流天氣的潛在程度越大。初夏、盛夏和初秋西南區(qū)域的能量螺旋度主體分別介于7.4～486.9 m·J·kg-1·s-1、0～330.1 m·J·kg-1·s-1和0～194.2 m·J·kg-1·s-1，均值為384.8 m·J·kg-1·s-1、264.7 m·J·kg-1·s-1和122.1 m·J·kg-1·s-1，最大值分別為3351.3 m·J·kg-1·s-1、3847.8 m·J·kg-1·s-1和878.4 m·J·kg-1·s-1。其中初夏時箱體最寬，而初秋箱體最窄，說明隨著月份遞進，該區(qū)域暴雨初期EHI呈現逐漸減小的趨勢。三者中位數位置均偏向下四分位線，表明該區(qū)域暴雨發(fā)生初期并不需要很高的能量螺旋度，且由于夏季CAPE多為高值，導致EHI在初夏和盛夏時極大值增多。以25%分位考慮最低閾值時，西南區(qū)域暴雨初期的EHI在初夏時需在7.4 m·J·kg-1·s-1以上，盛夏和初秋都僅需在0 m·J·kg-1·s-1以上(無明顯要求)。

4 結論與討論

利用西南區(qū)域11個探空站資料對2010—2020年196次暴雨個例的10種物理量統計分析，通過箱線圖的形式，初步得到一些有一定指示意義的環(huán)境參數特征和閾值，結論如下：

①水汽條件：對流層中低層近飽和的大氣和比濕高值是西南區(qū)域暴雨發(fā)生的有利條件之一。其中，初夏時，(T-Td)500、(T-Td)700、(T-Td)850分別需在7 ℃、2 ℃和4.8 ℃以下，盛夏時分別需在3 ℃、2 ℃和4 ℃以下，初秋時分別需在3.8 ℃、2 ℃和3 ℃以下；初夏時，Q500、Q700、Q850分別需在3.5 g·kg-1、10.3 g·kg-1、13.9 g·kg-1以上，盛夏時分別需在5.0 g·kg-1、11.0 g·kg-1、14.3 g·kg-1以上，初秋時分別需在4.2 g·kg-1、10.3 g·kg-1、13.4 g·kg-1以上。

②熱力不穩(wěn)定條件：西南區(qū)域暴雨初期SI在各季節(jié)的閾值均較低，分別為0.4 ℃、0.3 ℃和1.0 ℃。盛夏該區(qū)域CAPE值較高，多對流性暴雨，而初秋暴雨初期對CAPE要求不高，隨著季節(jié)推進多為穩(wěn)定性暴雨。

③動力條件：西南區(qū)域暴雨發(fā)生初期在初夏和盛夏對最大上升速度的要求明顯大于初秋，而能量螺旋度主要在初夏才有一定要求，需在7.4 m·J·kg-1·s-1以上。

上述工作只是對西南區(qū)域暴雨環(huán)境參數閾值的初步統計分析，由于暴雨一般時空尺度小，而探空資料時空分辨率較粗，并且西南地區(qū)面積廣闊、地形復雜，籠統地分析環(huán)境參數存在一定的誤差。下一步工作將對西南區(qū)域暴雨進行細化分型，再利用探空資料的優(yōu)勢豐富對西南區(qū)域暴雨環(huán)境參數的認識。