基于探空資料的西南區(qū)域暴雨環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計分析

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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)、水汽輸送與收支等方面對暴雨過程進行了診斷分析與數(shù)值模擬[10-13]。

了解暴雨過程的環(huán)境參數(shù)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(guān)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(xiàn)大氣可降水量、850 hPa溫度露點差、深層垂直風切變等參數(shù)的指示意義較好。李琴等[17]發(fā)現(xiàn)集合動力因子預報系統(tǒng)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(shù)值模擬[18-22]，對暴雨的環(huán)境參數(shù)研究也更多采用再分析資料，暴雨發(fā)生時的環(huán)境參數(shù)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(jié)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(tǒng)計10種物理參數(shù)，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(shù)統(tǒng)計分析；③國家級地面氣象站基本氣象要素資料日值數(shù)據(jù)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(shù)(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(shù)分季節(jié)的情況，得出該區(qū)域暴雨發(fā)生的環(huán)境參數(shù)閾值，以期對該區(qū)域暴雨預報參數(shù)模型的建立提供指示。箱線圖利用中位數(shù)、25%分位數(shù)、75%分位數(shù)、上邊界、下邊界等來描述數(shù)據(jù)的整體分布情況。箱體包含了50%的數(shù)據(jù)，箱子寬窄反映數(shù)據(jù)波動程度，箱體越窄則數(shù)據(jù)越集中。箱中黑橫線表示樣本中位數(shù)，“·”代表平均數(shù)，中位數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)

按照暴雨的定義標準，結(jié)合逐小時降水的觀測資料，5—11月逐月暴雨發(fā)生頻數(shù)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(shù)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(nèi)的探空站進行分析；而盛夏季節(jié)暴雨是西南地區(qū)出現(xiàn)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(shù)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(nèi)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(shù)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(tǒng)計最大值，最低點為統(tǒng)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(shù)，黑點為平均值。由圖2a分析發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)先增大后減小的趨勢。三者的中位數(shù)位置均偏向下四分位線，經(jīng)計算，各季節(jié)(T-Td)500≤2 ℃的個例約占該區(qū)域?qū)竟?jié)暴雨個例的52.6%、69.4%和64.0%，(T-Td)500≤2 ℃的個例總數(shù)約占該區(qū)域暴雨個例總數(shù)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(xiàn)，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(shù)位置均與下四分位線重合。經(jīng)計算，各季節(jié)(T-Td)700≤2 ℃的個例約占該區(qū)域?qū)竟?jié)暴雨個例的77.5%、83.5%和84.3%，(T-Td)700≤2 ℃的個例總數(shù)約占該區(qū)域暴雨個例總數(shù)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(xiàn)，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(xiàn)升高的趨勢，三者的中位數(shù)位置均偏向下四分位線，其中初秋與下四分位線重合。經(jīng)計算，各季節(jié)(T-Td)850≤2 ℃的個例約占該區(qū)域?qū)竟?jié)暴雨個例的53.0%、61.2%和74.0%，(T-Td)850≤2 ℃的個例總數(shù)約占該區(qū)域暴雨個例總數(shù)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(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)，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(shù)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(xiàn)，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(xiàn)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(zhì)，層結(jié)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(shù) 沙氏指數(shù)(SI)是反映大氣條件性穩(wěn)定度的指數(shù)。SI的負值越大，表明層結(jié)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(shù)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(jīng)計算，各季節(jié)SI≤0 ℃的個例約占該區(qū)域?qū)竟?jié)暴雨個例的67.9%、72.0%和52.6%，SI≤0 ℃的個例總數(shù)約占該區(qū)域暴雨個例總數(shù)的67.5%，表明該區(qū)域暴雨發(fā)生初期所需沙氏指數(shù)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(shù)(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(guān)鍵參數(shù)。它表示在抬升凝結(jié)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(zhuǎn)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(shù)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(jīng)計算，各季節(jié)CAPE≤1000 J·kg-1的個例約占該區(qū)域?qū)竟?jié)暴雨個例的66.4%、68.5%和77.2%，CAPE≤1000 J·kg-1的個例總數(shù)約占該區(qū)域暴雨個例總數(shù)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(zhuǎn)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(shù)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)逐漸減小的趨勢。三者中位數(shù)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(jié)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(tǒng)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(shù)特征和閾值，結(jié)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(shù)閾值的初步統(tǒng)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(tǒng)地分析環(huán)境參數(shù)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(shù)的認識。