近50年深圳龙舟水暴雨环境参量统计分析

王蕊，王明洁，陈训来，3

（1.深圳市气象局，广东深圳 518040；2.深圳市国家气候观象台，广东深圳 518040；3.深圳南方强天气研究重点实验室，广东深圳 518040）

深圳地处广东省南部，毗邻香港，雨量充沛，暴雨频发，每年5月下旬至6月中旬是深圳前汛期降水最集中、雨量最大的时间段，俗称“龙舟水”［1-2］。由于其持续时间长、累计雨量大、暴雨突发性强、区域分布不均匀等特点，易引发城市积涝、地质等次生、衍生灾害，决策和公众气象服务面临较大压力，因此龙舟水期间暴雨预报和预警一直是预报一线业务人员和科研人员的关注重点［3-7］。

单站探空数据是分析局地强对流、暴雨天气的重要数据之一，许多研究通过应用探空数据分析暴雨发生前的环境参量，进行暴雨潜势预报［8-9］。陈元昭等［10］对珠三角地区短时强降水过程进行天气形势分型研究，并利用探空资料得到重大短时强降水的关键环境参数850与500 hPa的温差（Δt850-500）、露点温度（td）、大气可降水量（PW）、对流有效位能（CAPE）、对流抑制能量（CIN）、暖云厚度和0～6 km垂直风切变阈值，为珠三角地区显著强降水预报改进提供重要参考；万轶婧等［11］统计分析了2008—2017年发生在华南地区的54次典型暖区暴雨过程的环境场特征，指出850 hPa温度露点差（t-td）850、大气可降水量（PW）、以及深层垂直风切变是有效识别华南暖区暴雨的关键物理量。在西南区域暴雨研究中，顾天红等［12］基于“配料法”的主要思路，分析得到一些有利于西南暴雨发生的环境参数阈值。在其他地区，如北京、鲁中地区和呼和浩特的暴雨预报技术研究中，也多次采用“配料法”，得到关键环境参数阈值［13-15］。由此可见，利用探空数据分析中尺度对流系统发生发展的局地垂直环境，可有效判断暴雨、强对流等发生的潜势，构建客观预报模型，但不同区域、不同时段、不同天气形势的暴雨关键参数不尽相同，阈值更是有较大差别［16］。

然而，目前针对深圳龙舟水暴雨发生前的环境参量研究较少。本研究基于香港探空资料，对1973—2020年深圳龙舟水期间129例暴雨过程进行研究，统计了10种反映大气热力、动力条件的物理量，对比分析了71例白天和58例夜间暴雨发生前的环境参量特征，得到具有指示意义的关键环境参数阈值，为深圳龙舟水暴雨潜势预报提供参考。

1 资料和方法

本研究采用1973—2020年龙舟水期间（每年5月21日至6月20日）深圳国家基本气象站雨量和香港（45003站）每日08：00（北京时，下同）和20：00的2个时次实况探空资料进行分析研究。根据Darkow［17］提出的探空站与实况资料选取方法，选取探空施放站点距离强天气事件发生地点不超过80 km，在探空气球释放前后的12 h内出现。香港探空站处于深圳国家基本气象站东南约30 km，对分析深圳暴雨发生的环境参量具有很好的代表性，因此本研究采用香港探空站资料。

1.1 暴雨个例选取

深圳国家基本气象站12 h雨量≥30mm定义为一个暴雨个例［18］，暴雨发生在08：00—20：00记为白天暴雨；发生在20：00至次日08：00记为夜间暴雨。在选取龙舟水期间暴雨过程探空资料的时候，选取暴雨发生前最近时次的探空资料进行计算，以保证能够比较准确地反映物理量随天气变化的情况。为了突出深圳龙舟水期间暴雨个例的大气层结特征，本研究将1973—2020年龙舟水期间香港（45003站）探空资料作为气候态，以期通过对比分析，揭示深圳龙舟水暴雨环境条件的关键特征。

1.2 物理量选取

为分析深圳暴雨发生前的环境条件和特征，参照基于构成要素的预报方法（配料法）的主要思路来选取关键环境参数［16］，利用香港探空资料分别计算了每日08：00和20：00的10种业务预报常用的物理参数进行统计，并通过箱线图给出各种参数的分布。按照各物理参量的天气动力学意义，表示环境温湿条件的参数如表1所示500和850 hPa的假相当位温差（Δθse（500-850））、850与500 hPa的温差（Δt850-500）、500 hPa露点温度差（t-td）500、850 hPa露点温度差（ttd）850、大气可降水量（PW）；表示大气能量条件的物理量选取：对流有效位能CAPE、K指数、抬升指数LI；表示动力稳定度的参数：3 km垂直风切变（SHR3km）、6 km垂直风切变（SHR6km）。

2 深圳龙舟水期间物理量特征

2.1 温湿条件

高低空温差反映大气垂直温度梯度，反映大气静力稳定度，往往是暴雨、雷暴等天气是否出现的重要判据，图1为深圳龙舟水期间暴雨过程和气候态的温湿条件环境参量箱线图。

图1 深圳龙舟水期间暴雨个例和气候态的温湿条件环境参量箱线图

从图1a可以看出，深圳龙舟水暴雨个例的Δt850-500和气候态无明显差异，白天发生暴雨前，08：00的Δt850-500两者中位数分别为22.5和22.3℃，均值分别为22.4和22.3℃，差别比较小；而夜间发生暴雨前，20：00两者中位数和均值都相等，说明Δt850-500无法作为深圳龙舟水暴雨发生的判据。

500和850 hPa的假相当位温差（Δθse（500-850））表示高能舌和能量峰的垂直分布，其值小于0 K表示对流不稳定。由Δθse（500-850）箱线图（图1b）可知，超过75%以上的龙舟水暴雨个例和气候态的Δθse（500-850）基本小于0 K，对暴雨是否发生不敏感，单独通过Δθse（500-850）难以进行判别。

珠江三角洲强对流发生前的大气层结大致可划分为两种类型，分别是“上干下湿”型和“湿层深厚”型［1］，而高低层的温度露点差反映大气中水汽的饱和程度，温度露点差越小说明水汽条件越好，通常认为t-td≤2℃为饱和［19］。从（t-td）500和（t-td）850箱线图（图1c-d）可知，龙舟水暴雨过程的中、低层温度露点差箱体结构较窄，均值在2～3℃，接近饱和；而气候态中、低层温度露点差均值较大，尤其是（t-td）500均值高达8℃左右，表明暴雨发生在整层的湿层情况下，850和500 hPa温度露点差是深圳龙舟水期间暴雨发生的关键指标。

大气可降水量（PW）可表征气柱绝对水汽含量，深圳龙舟水期间白天暴雨和夜间暴雨发生前的PW 均值都为65 mm，25% ～75%的范围分别为62～70和61～68 mm；气候态的PW 均值都为57 mm，25% ～75%的范围都为52～63 mm（图1e）。龙舟水暴雨过程的PW 箱体位置明显高于气候态，75%的龙舟水暴雨个例发生在PW大于61mm的条件下，说明龙舟水暴雨更易出现在较气候态明显偏高的PW 环境条件下，PW 是深圳龙舟水期间暴雨发生的关键指标之一。

2.2 能量条件

表征大气能量条件的物理量对流有效位能CAPE、K指数和抬升指数LI是强对流天气预报常用的判据，其中LI是500 hPa环境温度和气块从1 000 hPa绝热上升到500 hPa处的温度差值，负值越大越不稳定。

由龙舟水期间暴雨个例CAPE箱线图（图2a）可知，龙舟水期间暴雨发生前的CAPE值离散度较大，白天暴雨发生前08：00，其25%、75%四分位数分别为448和1 693 J／kg，中位数为1 094 J／kg，均值为1 129 J／kg；夜间暴雨发生前20：00，其25%、75%四分位数分别为483和1 450 J／kg，中位数为764 J／kg，均值为1 025 J／kg。从气候态CAPE箱线图可知，CAPE值介于0～4 327 J／kg，箱体较龙舟水暴雨个例的更宽，离散度更大，08：00和20：00中位数、均值都低于龙舟水暴雨个例，但是二者重叠区间较大，因此难以单从CAPE值判别龙舟水期间是否发生暴雨。

图2 深圳龙舟水期间暴雨个例和气候态能量条件环境参量箱线图

龙舟水期间暴雨个例K指数在08：00和20：00的离散度均较小，08：00其25%、75%四分位数分别为35和38.5℃，中位数为36.9℃，均值为36.2℃；20：00其各分位数（25%分位数34.3℃、75%四分位数38.2℃、中位数36.6℃，均值36.3℃）与08：00相差不大。气候态K指数08：00和20：00离散度明显增大，中位数分别为33.7和33.3℃，均值分别为32.2和31.8℃。龙舟水期间暴雨个例的K指数明显高于气候态，而由2.1节可知龙舟水期间暴雨个例的t850-t500与气候态差异很小，说明大气饱和度是造成龙舟水期间暴雨K指数较高的关键因素，这与2.1节分析得到的龙舟水暴雨对大气饱和度依赖较高的结果一致，由此可见，在进行龙舟水期间暴雨潜势预报时，需多加关注水汽条件。

抬升指数（LI）箱线图（图2c）显示，无论是白天还是夜间暴雨发生前的LI均较气候态略偏低，08：00龙舟水暴雨个例和气候态中位值分别为-2.6和-2.4℃，25%到75%的范围分别为-4.1～-1.9和-3.9～0.05℃；20：00中位值分别为-2.5和-2.2℃，25%到75%的范围分别为-3.5～-1.5℃和-3.6～-0.14℃，但由于龙舟水暴雨个例与气候态LI重叠区间较大，因此无法单凭LI判断是否发生暴雨。

2.3 动力条件

垂直风切变影响对流风暴的组织、结构和演变，冰雹、雷雨大风通常需要较大的垂直风切变，而短时强降水一般不需要强的垂直风切变作为前提条件。SHR3km和SHR6km分别代表0～3和0～6 km垂直风切变。经统计，二者在龙舟水暴雨个例相较于气候态没有明显差异，暴雨发生前的0～3和0～6 km垂直风切变离散度很大，说明其对于是否出现暴雨不敏感（图3）。

图3 深圳龙舟水期间暴雨过程和气候态的动力条件环境参量箱线图

由此可见，大气可降水量PW、（t-td）500、（t-td）850、K指数是深圳龙舟水期间暴雨发生的重要判据。

3 关键环境参数阈值确定

利用探空资料反映强天气出现前本地上空大气温湿结构，计算环境条件参量可为龙舟水暴雨的潜势预报提供重要参考。考虑到如果采用箱线图中的最低值作为预报阈值，会出现大量的虚警，所以采用环境参数分布的25百分位数作为参数阈值［12］。表2列出了1973—2020年深圳龙舟水期间暴雨个例的环境参数阈值。

表2 深圳龙舟水期间暴雨环境参数预报阈值表1）

统计第2章的环境参数发现，龙舟水期间暴雨与气候态在大气可降水量PW、500 hPa温度露点差（t-td）500、850 hPa温度露点差（t-td）850、K指数差别较大，龙舟水暴雨发生前，K指数更大，大气能量条件更好，大气可降水量PW 充足且整层大气接近饱和，水汽条件好，结合一定的抬升条件，有利于暴雨形成。因此，上述环境参数可作为龙舟水期间是否出现暴雨的关键环境参数，对比分析白天和夜间发生暴雨前关键环境参数，发现当08：00大气层结状态满足大气可降水量PW≥62 mm、500 hPa温度露点差（t-td）500≤3.5℃、850 hPa温度露点差（t-td）850≤2.8℃、K指数≥35℃，有利于龙舟水期间白天出现暴雨；当20：00大气可降水量PW≥61 mm、500 hPa温度露点差（t-td）500≤3.1℃、850 hPa温度露点差（t-td）850≤3.4℃、K指数≥34℃，有利于龙舟水期间夜间暴雨发生。

4 结论

本研究利用深圳国家基本气象站雨量数据和香港（45003站）每日08：00和20：00 2个时次实况探空资料，通过1973—2020年龙舟水期间（每年5月21日至6月20日）发生的129例暴雨过程，其中日间暴雨71例、夜间暴雨58例，统计分析物理量特征，得到关键环境参数阈值。主要结论为

1）在多种热力、动力物理量参数中，大气可降水量PW、500 hPa温度露点差（t-td）500、850 hPa温度露点差（t-td）850、K指数是深圳龙舟水暴雨发生与否的重要判据。相较于气候态，暴雨发生前的表征大气能量条件的K指数更大，表征水汽条件的大气可降水量PW 更大，（t-td）500和（t-td）850更小。

2）对比分析白天和夜间发生暴雨前关键环境参量特征，采用25百分位法确定参量阈值。在龙舟水期间，当08：00大气环境满足大气可降水量PW≥62 mm、500 hPa温度露点差（t-td）500≤3.5℃、850 hPa温度露点差（t-td）850≤2.8℃、K指数≥35℃，有利于龙舟水期间白天出现暴雨；当20：00大气环境满足大气可降水量PW≥61 mm、500 hPa温度露点差（t-td）500≤3.1℃、850 hPa温度露点差（t-td）850≤3.4℃、K指数≥34℃，有利于龙舟水期间夜间暴雨发生。