萬(wàn)軼婧，王東海，2，3，梁釗明，曾智琳

（1. 中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東珠海519082；2. 廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海519082；3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東珠海519082；4. 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

華南位于我國(guó)最南端，是我國(guó)雨季最長(zhǎng)、雨量最豐沛、暴雨最頻發(fā)的地區(qū)之一。每年4～6月為華南地區(qū)第一個(gè)多雨期，這一時(shí)期的降水主要是受西風(fēng)系統(tǒng)和東亞副熱帶季風(fēng)共同影響，并與冷空氣的活動(dòng)有密切聯(lián)系，這一階段被稱為華南前汛期。與其它類型暴雨相比，華南前汛期的暴雨除了常見的典型鋒面降水以外，許多影響嚴(yán)重、范圍小的大暴雨和特大暴雨過(guò)程，尤其是局地性特大暴雨，大都發(fā)生在鋒前的暖區(qū)里，這類暴雨稱為暖區(qū)暴雨［1-2］。根據(jù)廣東一線預(yù)報(bào)員的經(jīng)驗(yàn)，華南暖區(qū)暴雨局地性強(qiáng)，預(yù)報(bào)難度大［3］，截至目前數(shù)值模式無(wú)論是全球模式還是中尺度模式確定性預(yù)報(bào)對(duì)暖區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)能力仍然偏弱，集合預(yù)報(bào)的不確定性也很明顯［4-6］。因此，加強(qiáng)華南暖區(qū)暴雨的研究，提升其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度，具有重要的意義。

華南暖區(qū)暴雨，一般是指產(chǎn)生于距離華南地面鋒線200～300 km 的暖區(qū)里的暴雨，或者是發(fā)生在西南風(fēng)和東南風(fēng)的匯合氣流中，甚至是無(wú)明顯切變的西南氣流里的暴雨［1］。暖區(qū)暴雨一般是在高溫、高濕和不穩(wěn)定的情況下產(chǎn)生的，降水強(qiáng)度較大，一般是冷鋒暴雨強(qiáng)度的3～5倍；降水范圍比鋒面暴雨小，且多呈塊狀，尺度一般為β 中尺度，只有幾十到幾百公里［7］。

前人對(duì)華南暖區(qū)暴雨形勢(shì)背景特征進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)和提煉總結(jié)，何立富等［2］依據(jù)中央氣象臺(tái)預(yù)報(bào)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將暖區(qū)暴雨分為邊界層輻合型、偏南風(fēng)風(fēng)速切變型和強(qiáng)西南急流型3類，大部分暖區(qū)暴雨都發(fā)生在高空槽前，低層受西南氣流影響，對(duì)流層上層位于輻散氣流區(qū)中。苗春生等［8］采用客觀分析方法將華南暖區(qū)暴雨主要影響系統(tǒng)分為兩類輻合線低值系統(tǒng)：偏南向輻合線和西南向輻合線，兩類暴雨均為水汽充沛，條件不穩(wěn)定能量層深厚，這為凝結(jié)潛熱釋放提供了良好的環(huán)境基礎(chǔ)，有利于暴雨區(qū)形成暖心系統(tǒng)，維持暴雨系統(tǒng)強(qiáng)度與增強(qiáng)系統(tǒng)深度。Du and Chen［9］研究認(rèn)為華南沿海暖區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展與邊界層急流、天氣尺度急流的相互作用和日變化特征有密切關(guān)系。丁治英等［10］對(duì)2005～2008 年5、6 月華南暖區(qū)暴雨統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，暖區(qū)暴雨多發(fā)生于850 hPa 低空急流的后部，且均位于南風(fēng)輻合區(qū)中。

暖區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展機(jī)制復(fù)雜，暴雨中的對(duì)流系統(tǒng)難以捕捉，是造成暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)能力差的主要原因。大量的研究［11-14］揭示了暖區(qū)暴雨的觸發(fā)與多種因素相關(guān)，包括諸如非均勻下墊面強(qiáng)迫、大氣內(nèi)部多類不穩(wěn)定熱動(dòng)力、邊界層淺薄冷空氣活動(dòng)、海陸分布和地形等，在這些因素相互作用下，暖區(qū)暴雨的觸發(fā)機(jī)制更加復(fù)雜。此外，許多研究［15-17］也表明有組織發(fā)展的各類中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）是造成暖區(qū)暴雨的直接或主要原因，連續(xù)發(fā)展的MCS、形成“列車效應(yīng)”的線狀對(duì)流系統(tǒng)等有組織的中小尺度對(duì)流系統(tǒng)可直接造成暖區(qū)暴雨。

雖然上面研究從統(tǒng)計(jì)角度已很好總結(jié)出有利于暖區(qū)暴雨發(fā)生的典型環(huán)流背景，觸發(fā)機(jī)制多樣化。然而，暖區(qū)暴雨局地性特征明顯，具體觸發(fā)地點(diǎn)仍需要考量環(huán)境參量因素。此外，研究表明當(dāng)大尺度的影響系統(tǒng)難以識(shí)別時(shí)，“流型識(shí)別法”常常失效，基于雷暴構(gòu)成要素的“配料法”是暴雨潛勢(shì)預(yù)報(bào)的重要思路［18］。鑒于此，許多個(gè)例研究對(duì)暖區(qū)暴雨發(fā)生前的環(huán)境物理參量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析［19-21］。這些研究表明，大部分暖區(qū)暴雨CAPE在1 000 J/kg 以上，K 指數(shù)在32 ℃以上，相對(duì)濕度達(dá)到90%以上，對(duì)流層中低層假相當(dāng)位溫值在335 K以上，但也有個(gè)例對(duì)應(yīng)的物理參量遠(yuǎn)低于上述水平。而且已有的大部分研究偏重關(guān)注CAPE、K 指數(shù)、假相當(dāng)位溫、相對(duì)濕度等少數(shù)幾個(gè)物理參量，對(duì)暖區(qū)暴雨的層結(jié)狀態(tài)特征的認(rèn)識(shí)還不夠全面，難以挖掘具有預(yù)報(bào)指示意義的有效信息。

以上對(duì)暖區(qū)暴雨的環(huán)境參量研究主要基于多個(gè)暖區(qū)暴雨個(gè)例的統(tǒng)計(jì)分析研究，但大多數(shù)研究只針對(duì)一個(gè)個(gè)例進(jìn)行總結(jié)，而且大多選取再分析資料，不足以準(zhǔn)確把握暴雨發(fā)生時(shí)的真實(shí)環(huán)境特征，對(duì)于暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)的指示意義有限。同時(shí)，在多源中尺度觀測(cè)資料逐漸豐富的前提下，仍缺乏對(duì)暖區(qū)暴雨發(fā)生前的環(huán)境場(chǎng)特征定量化統(tǒng)計(jì)研究。目前華南暖區(qū)暴雨這種災(zāi)害性強(qiáng)、影響系統(tǒng)多的天氣仍然是預(yù)報(bào)技術(shù)的難點(diǎn)，了解其真實(shí)的溫濕層結(jié)及環(huán)境參量有利于加深對(duì)暖區(qū)暴雨發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制的理解，提高暖區(qū)暴雨的潛勢(shì)預(yù)報(bào)水平。本文旨在利用探空資料，對(duì)2008～2017年4～6 月的華南暖區(qū)暴雨個(gè)例進(jìn)行研究，從環(huán)境條件及層結(jié)特征的角度出發(fā)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)多達(dá)8種物理參量，研究暖區(qū)暴雨垂直大氣的靜力不穩(wěn)定、水汽、能量和動(dòng)力條件，以期挖掘有參考價(jià)值的預(yù)報(bào)特征，并提取有指示意義的華南暖區(qū)暴雨關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，為預(yù)報(bào)提供一定的借鑒與參考。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)

選取資料主要包括2008～2017 年4～6 月華南地區(qū)12 個(gè)L 波段探空站觀測(cè)資料、國(guó)家級(jí)地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集以及國(guó)家級(jí)地面氣象站逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)集。L 波段高空氣象探測(cè)系統(tǒng)是由我國(guó)自行研發(fā)的高空氣象探測(cè)系統(tǒng)，由GFE（L）1 型二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)和GTS1 型數(shù)字探空儀共同組成，采用二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)測(cè)距體制，能夠連續(xù)自動(dòng)測(cè)定高空氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)向和風(fēng)速等氣象要素，其采樣最大時(shí)間分辨率為1.2 s 的秒級(jí)，比傳統(tǒng)探空數(shù)據(jù)精度更高、定位更準(zhǔn)確，可為暖區(qū)暴雨發(fā)生提供密度更高的觀測(cè)信息［22］。L波段探空資料常規(guī)觀測(cè)時(shí)間為每天08 時(shí)和20 時(shí)（北京時(shí)，下同），部分時(shí)段根據(jù)重大天氣過(guò)程或科學(xué)試驗(yàn)需要進(jìn)行02 時(shí)和14 時(shí)加密觀測(cè)。圖1 給出了探空站點(diǎn)分布及周圍地形示意圖。

圖1 華南地區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of South China area

中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集包括降水量、氣溫、相對(duì)濕度以及地面風(fēng)向風(fēng)速等觀測(cè)要素，觀測(cè)時(shí)間分辨率為24 h，華南地區(qū)有264 個(gè)站點(diǎn)?？紤]暖區(qū)暴雨具有持續(xù)時(shí)間短、降水強(qiáng)度大等特點(diǎn)，國(guó)家級(jí)地面氣象站逐小時(shí)資料用于暖區(qū)暴雨個(gè)例的挑選。

1.2 暖區(qū)暴雨個(gè)例的挑選

基于前人［23-24］對(duì)華南強(qiáng)降水及暖區(qū)暴雨的研究方法首先挑選出華南地區(qū)強(qiáng)降水個(gè)例，若華南地區(qū)264 個(gè)國(guó)家級(jí)觀測(cè)站中出現(xiàn)相鄰3 站或3 站以上（站點(diǎn)之間的距離不超過(guò)100 km）日降水量（20 時(shí)～次日20 時(shí)）大于或等于50 mm 時(shí)，即定義為一個(gè)華南強(qiáng)降水個(gè)例。

基于上述強(qiáng)降水個(gè)例，進(jìn)一步挑選暖區(qū)暴雨個(gè)例。參考黃士松［1］和劉瑞鑫等［24］對(duì)暖區(qū)暴雨個(gè)例的定義，在滿足暴雨個(gè)例的定義前提下，挑選暖區(qū)暴雨個(gè)例：①由于假相當(dāng)位溫θse具良好熱力學(xué)意義，對(duì)鋒區(qū)有非常清晰指示意義［25］，為此以地面θse的密集帶確定為鋒區(qū)位置，發(fā)生在其前側(cè)（南側(cè)）200 km 或以上的強(qiáng)降水確定為暖區(qū)暴雨；②地面不存在明顯的鋒面系統(tǒng)，華南地區(qū)降水區(qū)域?qū)?yīng)低空為一致偏南風(fēng)控制時(shí)發(fā)生的強(qiáng)降水，亦確定為暖區(qū)暴雨。根據(jù)挑選暖區(qū)暴雨個(gè)例的暴雨落區(qū)，判斷暴雨落區(qū)內(nèi)是否有探空站，如有探空站在暴雨落區(qū)內(nèi)，則將該探空站的暖區(qū)暴雨發(fā)生前最臨近一次資料加入暖區(qū)暴雨個(gè)例樣本中，如沒有探空站在暴雨落區(qū)內(nèi)，則去掉此個(gè)例。

按照上述定義標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合逐小時(shí)降水的觀測(cè)資料，從2008～2017 年4～6 月共挑選出華南典型暖區(qū)暴雨過(guò)程54 例。為了突出暖區(qū)暴雨個(gè)例的大氣層結(jié)特征，本文將2008～2017年4～6月12個(gè)探空站的所有觀測(cè)作為氣候態(tài)，以期通過(guò)對(duì)比分析，揭示華南暖區(qū)暴雨的環(huán)境場(chǎng)條件的關(guān)鍵特征。

1.3 分析方法

為探明暖區(qū)暴雨發(fā)生前的環(huán)境場(chǎng)條件和特征，參照基于構(gòu)成要素的預(yù)報(bào)方法（配料法）的主要思路［26-27］來(lái)選取關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)。強(qiáng)對(duì)流主要發(fā)生在條件不穩(wěn)定、一定的水汽條件和適當(dāng)?shù)拇怪憋L(fēng)切變的環(huán)境下。因此，基于靜力不穩(wěn)定、水汽、能量與動(dòng)力條件，選取了8種業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)常用的物理參數(shù)開展統(tǒng)計(jì)分析［28-33］。涉及靜力不穩(wěn)定，使用850 hPa 與500 hPa 溫差（ΔT85）來(lái)表示。水汽條件采用850 hPa 溫度露點(diǎn)差[(T-Td)850]、500 hPa 溫度露點(diǎn)差[(T-Td)500]和大氣可降水量（PWAT）來(lái)代表。表示能量條件的參數(shù)選取對(duì)流有效位能（CAPE）和K 指數(shù)，使用深層垂直風(fēng)切變（SHRL0～6km）和850 hPa以下最大偏南風(fēng)速（U）代表動(dòng)力條件。

通過(guò)箱線圖給出各種關(guān)鍵參數(shù)的分布，并與氣候態(tài)特征進(jìn)行對(duì)比，提取暖區(qū)暴雨發(fā)生的各種關(guān)鍵參數(shù)的閾值，以期構(gòu)建對(duì)暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)有更清晰指示意義的預(yù)報(bào)參數(shù)模型。參考高曉梅等［28］對(duì)魯中地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣環(huán)境參量特征的分析方法，如果采用箱線圖中某參數(shù)的最低值或最高值作為閾值，則可能出現(xiàn)大量的虛警，因此決定采用某關(guān)鍵參數(shù)的25 百分位或75 百分位作為影響華南暖區(qū)暴雨的參數(shù)閾值，在虛警率和漏報(bào)率之間確定一個(gè)折中，25 百分位和75 百分位的選擇總體上看還是相當(dāng)合理的。

將小時(shí)雨量不低于50 mm的暖區(qū)暴雨個(gè)例稱為特強(qiáng)暖區(qū)暴雨，將小時(shí)雨量低于50 mm的個(gè)例稱為普通暖區(qū)暴雨，篩選出特強(qiáng)暖區(qū)暴雨8例，普通暖區(qū)暴雨46 例，以期通過(guò)對(duì)比分析，深入分析暖區(qū)暴雨的環(huán)境特征。

2 華南暖區(qū)暴雨的環(huán)境參量分析

2.1 靜力不穩(wěn)定

大氣靜力穩(wěn)定度在很大程度上決定著降水的性質(zhì)，靜力不穩(wěn)定大氣層結(jié)對(duì)深厚濕對(duì)流的觸發(fā)和發(fā)展起重要作用，甚至決定這對(duì)流發(fā)展強(qiáng)弱以及持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短。在預(yù)報(bào)實(shí)踐中，對(duì)流層中低層的溫度直減率通常用850 和500 hPa 之間的溫差（ΔT85）來(lái)表示，通過(guò)大氣垂直溫度結(jié)構(gòu)特征反映大氣靜力穩(wěn)定度。圖2顯示了暖區(qū)暴雨個(gè)例的ΔT85和氣候態(tài)無(wú)明顯差異，兩者中位數(shù)分別為22.9 ℃和22.5 ℃，均值僅有0.1 ℃差異，暖區(qū)暴雨個(gè)例和氣候態(tài)的ΔT85最小值到最大值范圍分布分別為9～26 ℃和8～35 ℃，但兩者的箱體位置及高度處在接近相同的水平，呈現(xiàn)為弱的條件不穩(wěn)定層結(jié)。因此就ΔT85分布而言，暖區(qū)暴雨的發(fā)生不需要很強(qiáng)的靜力不穩(wěn)定條件，且暖區(qū)暴雨個(gè)例的ΔT85分布特征與氣候態(tài)類似，利用ΔT85無(wú)法判斷是否發(fā)生暖區(qū)暴雨。

2.2 水汽條件

大氣水汽的含量以及飽和程度和垂直分布是影響降水效率和強(qiáng)度的重要因素。圖3a 和b 分別為暖區(qū)暴雨的850 hPa 和500 hPa 溫度露點(diǎn)差箱線圖，分析發(fā)現(xiàn)，暖區(qū)暴雨個(gè)例的850 hPa 溫度露點(diǎn)差介于0.4～8.5 ℃之間，箱體結(jié)構(gòu)窄小，其均值僅為2.0 ℃，表明低層大氣接近飽和狀態(tài)，顯著低于其氣候態(tài)均值（17.9 ℃）。通過(guò)箱體結(jié)構(gòu)及分布對(duì)比發(fā)現(xiàn)，低層（850 hPa）大氣飽和程度對(duì)暖區(qū)暴雨具有一定的指示性，說(shuō)明暖區(qū)暴雨對(duì)低層飽和程度的依賴是比較明顯的，這很大程度上可與氣候態(tài)區(qū)分開。然而，從500 hPa 溫度露點(diǎn)差來(lái)看，由于暖區(qū)暴雨最值離散度很大造成均值偏離箱體，均值代表性較差，故從箱體位置（25～75 百分位）與氣候態(tài)對(duì)比，可見暖區(qū)暴雨在500 hPa（對(duì)流層中層）亦比氣候態(tài)更濕，但整體差異程度略低于低層?？傮w而言，華南暖區(qū)暴雨事件具有“低層高濕”的層結(jié)特征，850 hPa 溫度露點(diǎn)差是暖區(qū)暴雨發(fā)生的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

圖2 華南暖區(qū)暴雨個(gè)例和氣候態(tài)的靜力不穩(wěn)定環(huán)境參量箱線圖線段最高點(diǎn)為統(tǒng)計(jì)最大值，最低點(diǎn)為統(tǒng)計(jì)最小值；箱形上框線為75%四分位值，下框線為25%四分位值，箱內(nèi)線為中位數(shù)值Fig.2 Box and whisker plot of environmental parameter of static instability for warm-sector heavy rainfall and climatology(the highest point of the line is the statistical maximum,the lowest point is the statistical minimum,the box upper frame line is the upper quartile,the lower frame line is the lower quartile,line inside the box indicates the median,×is the average)

圖3 華南暖區(qū)暴雨個(gè)例和氣候態(tài)的水汽條件環(huán)境參數(shù)箱線圖Fig.3 Box and whisker plot of environmental parameters of water vapor condition forwarm-sector heavy rainfall and climatology

從表征氣柱絕對(duì)水汽含量的大氣可降水量（PWAT）（圖3c）來(lái)看，暖區(qū)暴雨個(gè)例的PWAT 介于44～73 mm，25%～75%的范圍為56～64 mm，其均值為60 mm。氣候態(tài)的PWAT 在5～83 mm 之間，25%～75%的范圍為41～60 mm，均值為50 mm。暖區(qū)暴雨的PWAT最小值遠(yuǎn)大于氣候態(tài)的PWAT最小值，暖區(qū)暴雨P(guān)WAT箱體的上下端須更為接近，離散度較氣候態(tài)也明顯要小得多。一些強(qiáng)降水個(gè)例分析表明，大氣可降水量達(dá)到60 mm左右或者以上時(shí)，表明大氣非常暖濕［34］。華南前汛期PWAT 氣候態(tài)均值為50 mm，該值本身是較高的，這與華南緯度較低，環(huán)境水汽本身較充沛有關(guān)。而75%的暖區(qū)暴雨個(gè)例在PWAT 大于56 mm 的條件下發(fā)生，說(shuō)明暖區(qū)暴雨更傾向在較氣候態(tài)更高的PWAT條件下發(fā)生，這是暖區(qū)暴雨產(chǎn)生的關(guān)鍵指標(biāo)之一。因此，臨近預(yù)報(bào)判別暖區(qū)暴雨不但需要關(guān)注低層的水汽，也要重視大氣整層可降水量，足夠大的大氣整層的水汽含量對(duì)是否發(fā)生暖區(qū)暴雨有一定的指示性。

2.3 能量條件

對(duì)流有效位能（CAPE）是反映大氣潛在不穩(wěn)定能量的關(guān)鍵參數(shù)，也是強(qiáng)天氣業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中判斷深厚濕對(duì)流潛勢(shì)的常用重要指標(biāo)。圖4a 為華南暖區(qū)暴雨個(gè)例和氣候態(tài)的CAPE 箱線圖，從圖4a 可知，暖區(qū)暴雨發(fā)生前的CAPE 值離散度較大，其75%、25%四分位值分別為2 127 J/kg 和965 J/kg，中位數(shù)（1 410 J/kg）、均值（1 491 J/kg）都屬于中等強(qiáng)度的CAPE（1 000～2 000 J/kg），可見相較于那些風(fēng)雹為主的強(qiáng)對(duì)流天氣［35-36］，大部分暖區(qū)暴雨并不需要很強(qiáng)的CAPE。從氣候態(tài)來(lái)看，CAPE介于0～7 460 J/kg，箱體較暖區(qū)暴雨個(gè)例的更寬，對(duì)流有效位能分布更為離散，其中位數(shù)（631 J/kg）及均值（1 232 J/kg）雖低于暖區(qū)暴雨個(gè)例，但二者重疊區(qū)間范圍仍然明顯，因此很難單從CAPE 具體數(shù)值判別是否發(fā)生暖區(qū)暴雨。

圖4 華南暖區(qū)暴雨個(gè)例和氣候態(tài)的能量條件環(huán)境參數(shù)箱線圖Fig.4 Box and whisker plot of environmental parameters of energy condition for warm-sector heavy rainfall and climatology

K 指數(shù)是判斷大氣穩(wěn)定度的一個(gè)綜合性指標(biāo)，當(dāng)垂直溫度遞減率越大，累積不穩(wěn)定能量越多，且低空水汽接近飽和時(shí)，層結(jié)不穩(wěn)定越明顯，K 指數(shù)越大。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)（圖4b），暖區(qū)暴雨個(gè)例的K 指數(shù)介于22～42 ℃，均值為36.3 ℃，中位數(shù)為37.0 ℃，氣候態(tài)K 指數(shù)介于0～47 ℃，均值為31.8 ℃，中位數(shù)為33.8 ℃。暖區(qū)暴雨個(gè)例的K 指數(shù)明顯比氣候態(tài)高，考慮到K指數(shù)是由中低層熱力差異項(xiàng)（ΔT85）、低層濕度項(xiàng)（Td850）以及低層飽和程度項(xiàng)（T700-Td700）構(gòu)成三項(xiàng)，而前述分析發(fā)現(xiàn)暖區(qū)暴雨個(gè)例的ΔT85與氣候態(tài)差異很小，表明低層濕度及飽和程度項(xiàng)是造成暖區(qū)暴雨K 指數(shù)較高的關(guān)鍵，這與前述分析得到的暖區(qū)暴雨對(duì)低層大氣飽和程度依賴較高的討論結(jié)果一致?？梢?，判斷暖區(qū)暴雨的潛勢(shì)時(shí)應(yīng)該對(duì)低層高濕的水汽條件予以更多關(guān)注。

2.4 動(dòng)力條件

風(fēng)暴的強(qiáng)弱與環(huán)境水平風(fēng)場(chǎng)的垂直切變大小密切相關(guān)，在給定的濕度、不穩(wěn)定性及抬升觸發(fā)的深厚對(duì)流中，垂直風(fēng)切變對(duì)對(duì)流風(fēng)暴組織和特征的影響最大［37］。強(qiáng)冰雹、F2 級(jí)以上龍卷和區(qū)域性的雷暴大風(fēng)天氣通常出現(xiàn)在明顯的垂直風(fēng)切變環(huán)境下，而對(duì)流性暴雨（短時(shí)強(qiáng)降水）的產(chǎn)生并不需要強(qiáng)的垂直風(fēng)切變作為前提條件［38-39］。Davis［40］研究發(fā)現(xiàn)，降水效率與環(huán)境條件密切相關(guān)，對(duì)流層整層相對(duì)濕度越大，垂直風(fēng)切變?cè)叫。瑢?dǎo)致雨滴越不容易蒸發(fā)，降水效率越高。根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)，華南暖區(qū)暴雨一般發(fā)生在較強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變下［41-42］。參考樊李苗等［29］對(duì)中國(guó)短時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣的風(fēng)切變的分類，將深層（0～6 km）垂直風(fēng)切變SHRL0～6km分為弱（＜12 m/s）、中（12～20 m/s）和強(qiáng)（≥20 m/s）三檔。統(tǒng)計(jì)54 例典型華南暖區(qū)暴雨個(gè)例的深層垂直風(fēng)切變（圖5a），分析發(fā)現(xiàn)暖區(qū)暴雨個(gè)例和氣候態(tài)的深層垂直風(fēng)切變均值分別為13.2 和2.1 m/s，中位數(shù)分別為12.5 和2.0 m/s，25 百分位值到75 百分位值分別為9.0～16.1 和1.2～2.9 m/s，暖區(qū)暴雨事件的箱體更寬，深層垂直風(fēng)切變分布較氣候態(tài)更分散，且箱體位置明顯偏高，可見暖區(qū)暴雨深層垂直風(fēng)切變明顯大于氣候態(tài)，大部分屬于弱到中等強(qiáng)度的深層垂直風(fēng)切變。一定強(qiáng)度的深層垂直風(fēng)切變對(duì)暴雨的組織化和強(qiáng)度非常關(guān)鍵，是暖區(qū)暴雨發(fā)生的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

許多研究都表明暴雨與低空急流的關(guān)系密切。為研究暖區(qū)暴雨與低空急流（U≥12 m/s）的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)了850 hPa及以下層最大偏南風(fēng)速。從圖5b可見，暖區(qū)暴雨個(gè)例和氣候態(tài)的850 hPa 以下最大偏南風(fēng)速25百分位到75百分位的范圍分別為7～14 和7～12 m/s，中位數(shù)分別為11 和9 m/s。暖區(qū)暴雨個(gè)例對(duì)應(yīng)的箱體更寬，氣候態(tài)對(duì)應(yīng)的箱體更窄，但兩者的重疊區(qū)間很大。因此就850 hPa 以下最大偏南風(fēng)速而言，約有一半的暖區(qū)暴雨個(gè)例發(fā)生前伴隨低空急流，低空急流為暴雨發(fā)生提供充足的熱量和水汽，同時(shí)也輸送了大量的不穩(wěn)定能量，但很難單憑850 hPa 以下最大偏南風(fēng)速來(lái)判斷是否發(fā)生暖區(qū)暴雨，需要結(jié)合其它參數(shù)共同判斷。

圖5 華南暖區(qū)暴雨個(gè)例和氣候態(tài)的動(dòng)力條件環(huán)境參量箱線圖Fig.5 Box and whisker plot of environmental parameters of dynamics condition for warm-sector heavy rainfall and climatology

3 華南暖區(qū)暴雨關(guān)鍵參量的提取和閾值定義

3.1 特強(qiáng)暖區(qū)暴雨關(guān)鍵參量

考慮到暖區(qū)暴雨短歷時(shí)性降水強(qiáng)度大的特點(diǎn)，那些產(chǎn)生極端短時(shí)強(qiáng)降水（≥50 mm/h）［43-44］的暖區(qū)暴雨造成的局地洪澇風(fēng)險(xiǎn)更高，為此對(duì)“特強(qiáng)暖區(qū)暴雨”、“普通暖區(qū)暴雨”的關(guān)鍵物理參數(shù)進(jìn)行參數(shù)橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

850 hPa 和500 hPa 溫差（ΔT85）箱線圖（圖6a） 顯示特強(qiáng)暖區(qū)暴雨對(duì)應(yīng)的ΔT85中位數(shù)值為23.3 ℃，和普通暖區(qū)暴雨對(duì)應(yīng)的ΔT85中位數(shù)值（22.9 ℃）相差不大，且二者箱體范圍高度重合，且前文分析得出ΔT85對(duì)暖區(qū)暴雨的發(fā)生的指示性不強(qiáng)，暖區(qū)暴雨發(fā)生前存在較弱的條件不穩(wěn)定，因此還需結(jié)合其他參數(shù)共同判斷是否發(fā)生特強(qiáng)暖區(qū)暴雨。

由850 hPa 溫度露點(diǎn)差分布箱線圖（圖6b）可見，特強(qiáng)暖區(qū)暴雨和普通暖區(qū)暴雨對(duì)應(yīng)的850 hPa溫度露點(diǎn)差中位數(shù)值分別為1.8 和1.7 ℃，相差不大。特強(qiáng)暖區(qū)暴雨和普通暖區(qū)暴雨850 hPa 溫度露點(diǎn)差分布25 百分位到75 百分位數(shù)值的范圍分別為1.5～2.0 和1.4～2.2 ℃，兩者存在部分重合區(qū)間，但特強(qiáng)暖區(qū)暴雨離散度小，普通暖區(qū)暴雨離散度很大，說(shuō)明特強(qiáng)暖區(qū)暴雨的發(fā)生對(duì)對(duì)流層低層水汽條件要求更高，水汽接近飽和，850 hPa 溫度露點(diǎn)差對(duì)特強(qiáng)暖區(qū)暴雨的發(fā)生有一定的指示意義。

圖6c 給出了500 hPa 溫度露點(diǎn)差分布的箱線圖，特強(qiáng)暖區(qū)暴雨的500 hPa 溫度露點(diǎn)差中位數(shù)值（3.5 ℃）箱線圖略高于普通暖區(qū)暴雨對(duì)應(yīng)的500 hPa溫度露點(diǎn)差中位數(shù)值（2.7 ℃），特強(qiáng)暖區(qū)暴雨和普通暖區(qū)暴雨的500 hPa 溫度露點(diǎn)差分布25%到75%范圍分別為2.1～7.0 和1.9～5.0 ℃，而且特強(qiáng)暖區(qū)暴雨與普通暖區(qū)暴雨的500 hPa 溫度露點(diǎn)差離散度相當(dāng)，都比較大。分析大氣可降水量的箱線圖發(fā)現(xiàn)（圖6d），特強(qiáng)暖區(qū)暴雨的大氣可降水量與普通暖區(qū)暴雨差異不大，只是箱體更窄，說(shuō)明在整層水汽含量足夠大的情況下更有利于特強(qiáng)暖區(qū)暴雨發(fā)生。總體來(lái)看，特強(qiáng)暖區(qū)暴雨的發(fā)生對(duì)對(duì)流層中層的水汽條件要求并不高，對(duì)低層的水汽要求更高。

圖6e 為華南特強(qiáng)暖區(qū)暴雨CAPE 箱線圖。由圖6e 可以看出，特強(qiáng)暖區(qū)暴雨的CAPE 分布的中位值為1 768 J/kg，而普通暖區(qū)暴雨的CAPE中位數(shù)值為1 451 J/kg，特強(qiáng)暖區(qū)暴雨對(duì)應(yīng)的CAPE中位數(shù)值偏高。特強(qiáng)暖區(qū)暴雨和普通暖區(qū)暴雨CAPE 對(duì)應(yīng)的25到75百分位值分別為1 428 ～2 196、760 ～2 098 J/kg。由CAPE 的分布可見，特強(qiáng)暖區(qū)暴雨相對(duì)于普通暖區(qū)暴雨具有一定可區(qū)分度，特強(qiáng)暖區(qū)暴雨發(fā)生前對(duì)流有效位能更大，有利于深厚濕對(duì)流的發(fā)展。分析K指數(shù)箱線圖（圖6f）發(fā)現(xiàn)，特強(qiáng)暖區(qū)暴雨的K指數(shù)分布與普通暖區(qū)暴雨存在較大的箱體重疊區(qū)間，中位數(shù)值都在37 ℃左右，差異不大。

圖6 華南特強(qiáng)暖區(qū)暴雨和普通暖區(qū)暴雨的環(huán)境參量箱線圖Fig.6 Box and whisker plot of environmental parameters of significantly strong warm-sector rainfall and normal warm-sector heavy rainfall

圖6g 顯示特強(qiáng)暖區(qū)暴雨深層（0～6 km）垂直風(fēng)切變中位數(shù)在9.3 m/s，而普通暖區(qū)暴雨的中位數(shù)在12.5 m/s，特強(qiáng)暖區(qū)暴雨和普通暖區(qū)暴雨的箱體類似，說(shuō)明特強(qiáng)暖區(qū)暴雨也傾向于發(fā)生在中等至強(qiáng)的強(qiáng)度的深層垂直風(fēng)切變情況下；從850 hPa以下最大偏南風(fēng)速分布的箱線圖可以看出（圖6h），特強(qiáng)暖區(qū)暴雨的850 hPa 以下最大偏南風(fēng)速與普通暖區(qū)暴雨的特征類似，兩者的850 hPa 以下最大偏南風(fēng)速的中位數(shù)分別為12 和10.5 m/s，特強(qiáng)暖區(qū)暴雨的箱體范圍更高，暴雨伴隨低空急流出現(xiàn)的概率更大，但兩者箱體的重疊區(qū)間也較大?？梢钥闯?，特強(qiáng)暖區(qū)暴雨和普通暖區(qū)暴雨的動(dòng)力條件相似，很難通過(guò)深層垂直風(fēng)切變和850 hPa 以下最大偏南風(fēng)速將特強(qiáng)暖區(qū)暴雨從普通暖區(qū)暴雨中凸顯出來(lái)。

3.2 影響華南暖區(qū)暴雨的參數(shù)閾值分析

McNulty［45］指出，了解大氣層結(jié)狀態(tài)特征及環(huán)境條件參量計(jì)算，是制作強(qiáng)風(fēng)暴預(yù)報(bào)時(shí)必須考慮的重要因素，分析暖區(qū)暴雨的層結(jié)結(jié)構(gòu)特征并進(jìn)一步得出影響暖區(qū)暴雨的參量閾值，可為暖區(qū)暴雨的潛勢(shì)預(yù)報(bào)提供有意義的參考信息。從前文的分析中可知，華南暖區(qū)暴雨的判別很難基于單一的物理量或環(huán)境參量來(lái)進(jìn)行，需要結(jié)合多種因素去綜合判斷分析針對(duì)前文所有的物理量或環(huán)境參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)高曉梅等［28］對(duì)魯中地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣環(huán)境參量特征的分析方法，如果采取箱線圖中各個(gè)參數(shù)的最低值或最高值作為影響暖區(qū)暴雨的參數(shù)閾值，很大可能導(dǎo)致很高的虛警率，因此決定采用某參數(shù)的25 百分位值和75 百分位值作為參數(shù)閾值，這樣雖然會(huì)有漏報(bào)，但必須在虛警率和漏報(bào)率之間確定一個(gè)折中，25 百分位和75 百分位的選擇總體上看還是相對(duì)合理的。表1 列出了2008～2017 年4～6 月期間華南54 例暖區(qū)暴雨個(gè)例及8例特強(qiáng)暖區(qū)暴雨個(gè)例的8種參數(shù)的參考閾值。

表1 華南全部暖區(qū)暴雨和特強(qiáng)暖區(qū)暴雨環(huán)境參數(shù)預(yù)報(bào)閾值表（以25或75百分位作為預(yù)報(bào)閾值）Table 1 Forecasting thresholds of environmental parameters for all warm-sector heavy rainfall and significantly strong warm-sector rainfall（with 25/75 percent as the forecasting threshold）

前人總結(jié)的有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生的幾個(gè)條件，包括靜力不穩(wěn)定、垂直風(fēng)切變、初始的抬升觸發(fā)條件和充沛的水汽條件［46］。統(tǒng)計(jì)前文所有環(huán)境參量發(fā)現(xiàn)，華南暖區(qū)暴雨與氣候態(tài)在850 hPa溫度露點(diǎn)差、大氣可降水量、深層垂直風(fēng)切變差別比較明顯，華南暖區(qū)暴雨發(fā)生前，大氣可降水量充沛且對(duì)流層低層水汽接近飽和，結(jié)合一定的抬升條件，大氣能迅速發(fā)生凝結(jié)潛熱釋放加熱大氣，且較高的深層垂直風(fēng)切變有利于對(duì)流組織化，使對(duì)流持續(xù)發(fā)展從而形成暴雨。因此，上述提及的物理參數(shù)可作為判斷是否有暖區(qū)暴雨的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)?；谔娇召Y料統(tǒng)計(jì)分析，如果大氣層結(jié)狀態(tài)滿足以下條件：850 hPa 的溫度露點(diǎn)差≤2.2 ℃、大氣可降水量≥56 mm、深層垂直風(fēng)切變≥9 m/s時(shí)，大氣層結(jié)是有利于產(chǎn)生暖區(qū)暴雨的。

針對(duì)特強(qiáng)暖區(qū)暴雨和普通暖區(qū)暴雨的環(huán)境背景參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)特強(qiáng)暖區(qū)暴雨的850 hPa 溫度露點(diǎn)差有顯著差異，特強(qiáng)暖區(qū)暴雨的發(fā)生更依賴于對(duì)流層低層充沛的水汽條件，異常豐沛的水汽有利于對(duì)流和暴雨的持續(xù)發(fā)展，降雨強(qiáng)度增大，這很可能是特強(qiáng)暖區(qū)暴雨比普通暖區(qū)暴雨降水強(qiáng)度更大的重要原因。當(dāng)大氣環(huán)境滿足850 hPa 的溫度露點(diǎn)差≤2.0 ℃時(shí)，更有利于產(chǎn)生特強(qiáng)暖區(qū)暴雨。

4 結(jié)論

本文結(jié)合了我國(guó)探空資料和地面氣象站數(shù)據(jù)，研究了華南地區(qū)2008～2017年4～6月發(fā)生的54例暖區(qū)暴雨個(gè)例，通過(guò)箱線圖的形式，初步得到一系列關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的分布特征和閾值，再?gòu)?4 個(gè)個(gè)例中選取特強(qiáng)暖區(qū)暴雨個(gè)例，即小時(shí)雨量超過(guò)50 mm 的個(gè)例，和普通暖區(qū)暴雨（小時(shí)雨量不大于50 mm）個(gè)例的相應(yīng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)分析出暖區(qū)暴雨個(gè)例的環(huán)境特征。主要結(jié)論有：

1）在眾多常用的物理參量指標(biāo)中，表征水汽條件的850hPa 溫度露點(diǎn)差、大氣可降水量以及表征動(dòng)力條件的深層垂直風(fēng)切變對(duì)典型華南暖區(qū)暴雨事件的發(fā)生具有較清晰指示意義。華南暖區(qū)暴雨發(fā)生前，大氣可降水量充沛且對(duì)流層低層水汽接近飽和，結(jié)合一定的抬升條件，大氣能迅速發(fā)生凝結(jié)潛熱釋放加熱大氣，并在深層垂直風(fēng)切變的作用下組織化發(fā)展，從而使對(duì)流持續(xù)形成暴雨?；?5 和75 百分位的判別條件，得出華南暖區(qū)暴雨發(fā)生的關(guān)鍵物理參數(shù)的閾值，當(dāng)大氣環(huán)境滿足850 hPa 的溫度露點(diǎn)差≤2.2 ℃、大氣可降水量≥56 mm、深層垂直風(fēng)切變≥9 m/s 時(shí)，有利于產(chǎn)生暖區(qū)暴 雨。850 hPa 和500 hPa 溫 差、500 hPa 溫 度 露 點(diǎn)差、對(duì)流有效位能、K 指數(shù)和850 hPa 以下最大偏南風(fēng)速對(duì)暖區(qū)暴雨的指示意義不大。

2）從上述54 個(gè)暖區(qū)暴雨個(gè)例中選出8 例特強(qiáng)暖區(qū)暴雨個(gè)例與46 例普通暖區(qū)暴雨個(gè)例比較，發(fā)現(xiàn)特強(qiáng)暖區(qū)暴雨事件發(fā)生的環(huán)境條件關(guān)鍵點(diǎn)是更充沛的低層水汽條件，對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)是850hPa溫度露點(diǎn)差，異常豐沛的水汽有利于對(duì)流和暴雨的持續(xù)發(fā)展，降雨強(qiáng)度增大，這很可能是特強(qiáng)暖區(qū)暴雨比普通暖區(qū)暴雨降水強(qiáng)度更大的重要原因。當(dāng)大氣環(huán)境滿足850 hPa 的溫度露點(diǎn)差≤2.0 ℃時(shí)，特強(qiáng)暖區(qū)暴雨發(fā)生的概率更大。對(duì)比特強(qiáng)暖區(qū)暴雨與普通暖區(qū)暴雨發(fā)現(xiàn)，850 hPa 和500 hPa 溫差、500 hPa 溫度露點(diǎn)差、大氣可降水量、對(duì)流有效位能、K 指數(shù)、深層垂直風(fēng)切變和850 hPa 以下最大偏南風(fēng)速的分布特征沒有顯著差異。

本文基于探空資料對(duì)華南暖區(qū)暴雨的環(huán)境場(chǎng)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。暖區(qū)暴雨時(shí)空尺度小，探空資料時(shí)空分辨率較粗，因此可能存在誤差。下一步工作將對(duì)不同天氣類型形成的華南暖區(qū)暴雨進(jìn)行遴選歸類后加以分析，以期利用探空資料的優(yōu)勢(shì)，豐富對(duì)華南暖區(qū)暴雨環(huán)境特征的認(rèn)識(shí)，為華南暖區(qū)暴雨預(yù)報(bào)的改進(jìn)提供有價(jià)值的參考。