王蕊，王明潔，陳訓(xùn)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(fā)，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(xù)時間長、累計雨量大、暴雨突發(fā)性強、區(qū)域分布不均勻等特點，易引發(fā)城市積澇、地質(zhì)等次生、衍生災(zāi)害，決策和公眾氣象服務(wù)面臨較大壓力，因此龍舟水期間暴雨預(yù)報和預(yù)警一直是預(yù)報一線業(yè)務(wù)人員和科研人員的關(guān)注重點［3-7］。

單站探空數(shù)據(jù)是分析局地強對流、暴雨天氣的重要數(shù)據(jù)之一，許多研究通過應(yīng)用探空數(shù)據(jù)分析暴雨發(fā)生前的環(huán)境參量，進行暴雨潛勢預(yù)報［8-9］。陳元昭等［10］對珠三角地區(qū)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(guān)鍵環(huán)境參數(shù)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(fēng)切變閾值，為珠三角地區(qū)顯著強降水預(yù)報改進提供重要參考；萬軼婧等［11］統(tǒng)計分析了2008—2017年發(fā)生在華南地區(qū)的54次典型暖區(qū)暴雨過程的環(huán)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(fēng)切變是有效識別華南暖區(qū)暴雨的關(guān)鍵物理量。在西南區(qū)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(fā)生的環(huán)境參數(shù)閾值。在其他地區(qū)，如北京、魯中地區(qū)和呼和浩特的暴雨預(yù)報技術(shù)研究中，也多次采用“配料法”，得到關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)閾值［13-15］。由此可見，利用探空數(shù)據(jù)分析中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的局地垂直環(huán)境，可有效判斷暴雨、強對流等發(fā)生的潛勢，構(gòu)建客觀預(yù)報模型，但不同區(qū)域、不同時段、不同天氣形勢的暴雨關(guān)鍵參數(shù)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(fā)生前的環(huán)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(tǒng)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(fā)生前的環(huán)境參量特征，得到具有指示意義的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)閾值，為深圳龍舟水暴雨潛勢預(yù)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(jù)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(fā)生地點不超過80 km，在探空氣球釋放前后的12 h內(nèi)出現(xiàn)。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(fā)生的環(huán)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(fā)生在08：00—20：00記為白天暴雨；發(fā)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(fā)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(jié)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(tài)，以期通過對比分析，揭示深圳龍舟水暴雨環(huán)境條件的關(guān)鍵特征。

1.2 物理量選取

為分析深圳暴雨發(fā)生前的環(huán)境條件和特征，參照基于構(gòu)成要素的預(yù)報方法（配料法）的主要思路來選取關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)［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(yè)務(wù)預(yù)報常用的物理參數(shù)進行統(tǒng)計，并通過箱線圖給出各種參數(shù)的分布。按照各物理參量的天氣動力學(xué)意義，表示環(huán)境溫濕條件的參數(shù)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(shù)、抬升指數(shù)LI；表示動力穩(wěn)定度的參數(shù)：3 km垂直風(fēng)切變（SHR3km）、6 km垂直風(fēng)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(wěn)定度，往往是暴雨、雷暴等天氣是否出現(xiàn)的重要判據(jù)，圖1為深圳龍舟水期間暴雨過程和氣候態(tài)的溫濕條件環(huán)境參量箱線圖。

圖1 深圳龍舟水期間暴雨個例和氣候態(tài)的溫濕條件環(huán)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(tài)無明顯差異，白天發(fā)生暴雨前，08：00的Δt850-500兩者中位數(shù)分別為22.5和22.3℃，均值分別為22.4和22.3℃，差別比較小；而夜間發(fā)生暴雨前，20：00兩者中位數(shù)和均值都相等，說明Δt850-500無法作為深圳龍舟水暴雨發(fā)生的判據(jù)。

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(wěn)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(tài)的Δθse（500-850）基本小于0 K，對暴雨是否發(fā)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(fā)生前的大氣層結(jié)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(jié)構(gòu)較窄，均值在2～3℃，接近飽和；而氣候態(tài)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(fā)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(fā)生的關(guān)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(fā)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(tài)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(tài)，75%的龍舟水暴雨個例發(fā)生在PW大于61mm的條件下，說明龍舟水暴雨更易出現(xiàn)在較氣候態(tài)明顯偏高的PW 環(huán)境條件下，PW 是深圳龍舟水期間暴雨發(fā)生的關(guān)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(shù)和抬升指數(shù)LI是強對流天氣預(yù)報常用的判據(jù)，其中LI是500 hPa環(huán)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(wěn)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(fā)生前的CAPE值離散度較大，白天暴雨發(fā)生前08：00，其25%、75%四分位數(shù)分別為448和1 693 J／kg，中位數(shù)為1 094 J／kg，均值為1 129 J／kg；夜間暴雨發(fā)生前20：00，其25%、75%四分位數(shù)分別為483和1 450 J／kg，中位數(shù)為764 J／kg，均值為1 025 J／kg。從氣候態(tài)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(shù)、均值都低于龍舟水暴雨個例，但是二者重疊區(qū)間較大，因此難以單從CAPE值判別龍舟水期間是否發(fā)生暴雨。

圖2 深圳龍舟水期間暴雨個例和氣候態(tài)能量條件環(huán)境參量箱線圖

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

抬升指數(shù)（LI）箱線圖（圖2c）顯示，無論是白天還是夜間暴雨發(fā)生前的LI均較氣候態(tài)略偏低，08：00龍舟水暴雨個例和氣候態(tài)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(tài)LI重疊區(qū)間較大，因此無法單憑LI判斷是否發(fā)生暴雨。

2.3 動力條件

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

圖3 深圳龍舟水期間暴雨過程和氣候態(tài)的動力條件環(huán)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(shù)是深圳龍舟水期間暴雨發(fā)生的重要判據(jù)。

3 關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)閾值確定

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

表2 深圳龍舟水期間暴雨環(huán)境參數(shù)預(yù)報閾值表1）

統(tǒng)計第2章的環(huán)境參數(shù)發(fā)現(xiàn)，龍舟水期間暴雨與氣候態(tài)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(shù)差別較大，龍舟水暴雨發(fā)生前，K指數(shù)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(jié)合一定的抬升條件，有利于暴雨形成。因此，上述環(huán)境參數(shù)可作為龍舟水期間是否出現(xiàn)暴雨的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，對比分析白天和夜間發(fā)生暴雨前關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當08：00大氣層結(jié)狀態(tài)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(shù)≥35℃，有利于龍舟水期間白天出現(xiàn)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(shù)≥34℃，有利于龍舟水期間夜間暴雨發(fā)生。

4 結(jié)論

本研究利用深圳國家基本氣象站雨量數(shù)據(jù)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(fā)生的129例暴雨過程，其中日間暴雨71例、夜間暴雨58例，統(tǒng)計分析物理量特征，得到關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)閾值。主要結(jié)論為

1）在多種熱力、動力物理量參數(shù)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(shù)是深圳龍舟水暴雨發(fā)生與否的重要判據(jù)。相較于氣候態(tài)，暴雨發(fā)生前的表征大氣能量條件的K指數(shù)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(fā)生暴雨前關(guān)鍵環(huán)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(huán)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(shù)≥35℃，有利于龍舟水期間白天出現(xiàn)暴雨；當20：00大氣環(huán)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(shù)≥34℃，有利于龍舟水期間夜間暴雨發(fā)生。