南方比湿特征及其与暴雨的关系

包慧濛，肖 安，李 葳，钱学成

(江西省气象台, 南昌 330046)

引 言

暴雨是我国南方最常见的气象灾害之一，对国民经济、群众生命财产安全有很大的威胁，提高暴雨预报能力一直是气象部门重中之重的业务服务内容。暴雨的发生必须满足以下3个条件：充足的水汽供应、强烈的上升运动和较长的持续时间。其中充足的水汽供应是发生暴雨的先决条件。因此，水汽分析历来是气象工作者在暴雨预报中关注的重点[1-6]。在以往的分析研究中，人们对某一场暴雨或者某一段降水集中期的水汽来源、水汽输送及水汽收支分析较多。如王佳津[7]和胡娅敏[8]等分别对发生在四川、河南的一次暴雨过程的水汽源地和水汽输送特征进行了分析。江虹[9]、许建玉[10]等对2003年淮河流域梅雨期水汽输送特征和水汽收支进行了分析。谢安等[11]对长江中下游地区水汽输送的气候特征进行了研究，发现各月水汽输送有很大的差异。

比湿是水汽与湿空气的质量之比，因其受气压变化引起大气膨胀和收缩影响不大，常用于表征大气中的水汽含量，被广泛应用于暴雨水汽条件研究和日常预报业务中。气象学者[12-16]对江南各省一些月份几次暴雨过程的850 hPa比湿研究发现，江西5、6月两次暴雨过程比湿均超过14 g·kg-1，福建11月一次暴雨过程比湿大于8 g·kg-1，贵州东南部6月一次梅雨锋暴雨过程比湿达18 g·kg-1。曾小团等[17-19]对华南几次暴雨过程的850 hPa比湿研究也发现，广东5月一次暴雨过程比湿为13～14 g·kg-1，广西11月一次暴雨过程比湿达11 g·kg-1，广西汛期6次暴雨过程比湿均在13 g·kg-1以上。以上研究表明，比湿可以用来衡量暴雨发生的水汽条件，不同地区不同季节甚至不同月份，满足暴雨发生水汽条件的比湿值不一样，但上述研究仅限于个例研究，统计意义不大。在日常业务预报中，江西省预报员通常将12 g·kg-1作为暴雨出现时850 hPa的比湿阈值，但并没有任何文献支持，而且有较多反例。如江西省12月850 hPa比湿为10 g·kg-1[14]时就可能出现暴雨，而5月850 hPa比湿为14 g·kg-1[12]时才出现暴雨。因此，12 g·kg-1这个阈值并不能代表各季、各月的暴雨比湿阈值。某一地区年、季、月平均比湿是多少，发生暴雨时年、季、月平均比湿是多少，能否为预报员暴雨预报提供依据，这些问题均需要进行详细的定量研究。

本研究将通过探空观测露点温度转化的比湿序列、ERA_Interim再分析资料及国家站降水资料，以中国南方为研究区域和500、700、850、925 hPa各层比湿为研究对象，对我国南方年、季、月平均比湿、暴雨日平均比湿及暴雨发生时各层比湿增幅特征等问题进行分析和探讨。

1 资料和方法

1.1 资 料

中国南方，指中国东部季风区的南部，主要是秦岭-淮河一线以南区域，东临东海，南临南海。文中选取的研究范围为105°-122°E、20°-33°N，站点数据来自828个国家观测站2001-2017年(图 1a)08时日降水资料和31个国家探空站(图 1b)逐日 08时、20 时(北京时，下同)露点温度资料，格点数据用的是2001-2017年逐日02时、08时、14时、20时ERA_Interim0.25°×0.25°再分析资料，采用双线性插值的方法将格点资料插值到站点上。为排除地形高度对比湿的影响，已剔除 105°-108°E范围内海拔高度大于500 m的站点。

图1 中国南方降水国家站(a)和探空站分布(b)

1.2 方 法

1.2.1 比湿的计算

根据探空资料所提供的各层次大气温度和露点温度差，可以计算出各气压层上的实际水汽压，用于计算各气压层上的比湿。比湿的计算公式如下：

(1)

其中

(2)

式中：q为空气比湿(g·kg-1)，e为水汽压(hPa)，P为某高度上的气压(hPa)，td为某高度上空气的露点温度(℃)；a、b为常数，水面上a为17.269，b为35.86，冰面上a为21.874，b为7.6。

1.2.2 暴雨日比湿的计算

某站08时日降水量≥50 mm认为是该站的暴雨日。为了剔除降水未发生或降水停止时比湿对暴雨日比湿值的影响，再分析资料暴雨日比湿选取的是08时、14时、20时、次日02时、次日08时中最大4个值的平均值。暴雨发生时和发生前比湿差值计算公式如下：

ΔQ=max(Qt_08,Qt_14,Qt_20,Qt+1_02,Qt+1_08)-Qt-1_20

(3)

式中，ΔQ为比湿差值；max()表示取()内元素中的最大值；t表示日期，t表示当天，t+1表示第二天，t-1表示前一天；02、08、14、20表示时次。

2 结果分析

2.1 南方暴雨的空间和时间分布特征

2001-2017年南方年平均暴雨日的空间分布(图略)与徐桂玉等[20]的研究结果相似。我国南方各测站均可出现暴雨。其中，暴雨日最多的是华南地区，依次为广东、广西，两广沿海地区年均暴雨日可达10天；其次是长江中下游地区，依次为福建、江西、湖南、浙江、安徽、湖北。暴雨日数具有明显的季节性变化特征，夏季最多，春季次之，冬季大部分地区的平均暴雨日数小于0.3天。南方6月暴雨最多，月平均暴雨日数高达19天，其次是7月的，最低是2月的，其中1、2、3、10、11、12这6个月的月平均暴雨日数低于5天，其他月的均高于5天。

2.2 再分析资料和探空资料南方比湿对比

有研究表明[21]，90%以上的水汽集中在500 hPa以下大气层，低层比湿对降水的贡献最为重要[22]。本文以ERA_Interim再分析资料和探空资料500、700、850、925 hPa比湿为研究对象，对中低层大气的比湿分布进行研究。由于ERA_Interim再分析资料和探空资料时空分辨率不同，文中挑选相同时刻资料对两者差异进行对比。图2给出了探空资料和ERA_Interim再分析资料08时、20时平均比湿及暴雨日08时、20时、次日08时的平均比湿，可以看到，大部分地区中低层年平均比湿均是ERA_Interim再分析资料的更大，500、700 hPa和850、925 hPa两种资料的差值分别在0.1和0.3 g·kg-1附近。两种资料各层暴雨日年平均比湿差值为0.5 g·kg-1左右，比二者年平均比湿差值略大。因此认为两种资料差异不大，下文均用再分析资料进行分析。

图2 2001-2017年500 hPa(a)、700 hPa(b)、 850 hPa(c)、925 hPa(d)再分析资料、探空资料年平均比湿差值(等值线)和暴雨日年平均比湿差值(阴影)单位:g·kg-1

2.3 南方比湿的年平均特征

为了分析暴雨日年平均比湿的特征，首先对年平均比湿的分布特征进行分析。500、700、850、925 hPa年平均、暴雨日年平均比湿的变化范围分别为1.6～2.0、4.0～6.0、6.0～11.0、8.0～12.0 g·kg-1(图3a1-a4)和4.4～4.8、9.5～10.5、13.5～15.0、15.0～17.0 g·kg-1(图3b1-b4)。从年平均比湿的空间分布来看，500、700 hPa比湿呈西南高、东北低的分布特点，数值自西南向东北逐渐减小；850、925 hPa比湿大致呈南高北低的纬向分布特征，数值随纬度增加而递减[18]。暴雨日年平均比湿500、700 hPa空间分布差异较小，850、925 hPa比湿自西南向东北减小，最大值均位于广西西部，分别达15.0和17.0 g·kg-1；最小值分别位于江西东北部和湖南东部-江西中北部，数值分别为13.5和15.0 g·kg-1。在空间分布上，暴雨日年平均比湿与年平均比湿在925 hPa差值最大，在500 hPa的最小，其次是850 hPa和700 hPa的差值。

图3 2001-2017年500 hPa(a1,b1)、700 hPa(a2,b2)、850 hPa(a3,b3)、925 hPa(a4,b4)年平均比湿(a1-a4)和暴雨日年平均比湿(b1-b4)单位:g·kg-1

日常业务中，江西、湖南等省将12.0 g·kg-1认为是850 hPa暴雨比湿指标，文中统计得出江南中东部850 hPa暴雨比湿指标为13.5g·kg-1，而江南西部则为14.0 g·kg-1。

2.4 南方比湿的季节平均特征

受东亚季风的影响，我国南方水汽季节性差异明显[23]。以850 hPa为例，春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12月-翌年2月)平均比湿变化范围分别为5.0～11.0、12.0～15.0、6.0～10.5、2.5～7.0 g·kg-1(图略)；各季暴雨日平均比湿均比季平均比湿高，分别为11.0～14.5、14.5～16.0、11.5～14.0、6.0～10.0 g·kg-1(图4)。夏季平均比湿最大，冬季的最小，这与我国南方地区东亚季风性气候有关：夏季，源于印度洋的西南季风和西太平洋的东南季风为我国南方带来充足的水汽，使我国南方比湿增加；冬季我国大部分地区盛行寒冷干燥的西北和东北气流，比湿值减少[20]。从季平均比湿的空间分布来看，500 hPa各季平均比湿南北差异不大，700 hPa各季和850、925 hPa夏季平均比湿呈西南高、东北低的分布特点，自西南向东北递减，850、925 hPa春、秋、冬季平均比湿呈纬向分布特征，自南向北递减(图略)。各季暴雨日平均比湿的空间分布与季平均比湿的略有差别，500、700 hPa暴雨日平均比湿空间差异不大。春季和夏季暴雨日平均比湿在850、925 hPa的最大值中心均位于广西西部，分别为14.5、16.0 g·kg-1和16.0、18.0 g·kg-1，自西南向东北减小。秋、冬季850 hPa比湿大值带分别为14 g·kg-1、10 g·kg-1，位于两广南部，自南向北减小；925 hPa大值带位于广东南部和福建东南部，分别为16.0 g·kg-1、10.0 g·kg-1，最小值位于湖南中、北部，数值分别为12.0 g·kg-1、5.0 g·kg-1。

图4 2001-2017年500 hPa(a1,b1,c1,d1)、700 hPa(a2,b2,c2,d2)、850 hPa(a3,b3,c3,d3)、925 hPa(a4,b4,c4,d4)春(a1-a4)、夏(b1-b4)、秋(c1-c4)、冬(d1-d4)暴雨日平均比湿单位:g·kg-1

按季节区分暴雨平均比湿要比年平均更有代表性。以850 hPa为例，江南地区春、秋季暴雨日平均比湿为11.5～3.5 g·kg-1，夏季的为14.5～15.5 g·kg-1，冬季暴雨样本出现较少，统计意义不大。不同季节不同地区暴雨比湿均值也不一样。例如华南地区春、夏、秋季暴雨平均比湿分别为13.0～14.5 g·kg-1、15.0～16.0 g·kg-1、13.0～14.0 g·kg-1，与江南地区有一定差异。

2.5 南方比湿的月平均特征

按照不同地域的气候特征差异，将我国南方分为2个区域[24-25]：25.5°N以南为华南区域(A区)，25.5°N以北为华中-华东区域(B区)，对各层逐月平均比湿和暴雨日平均比湿特征进行分析。整体而言，月平均比湿和暴雨日月平均比湿各月对比结果一致，均是7月的最大，其次是8月、6月的。3、4月500 hPa暴雨日平均比湿小于冬季的，700、850、925 hPa的大于冬季的，而3、4月的平均暴雨总日数大于冬季的(图略)。造成这种结果的原因可能是3、4月冷空气仍然频繁，此时湿度层结多为上干下湿分布特征，造成南方暴雨的是以短时强降水为主的强对流天气。比湿最强(7月)和暴雨最多(6月)的月份不是同一个月，说明水汽充足不一定能出现暴雨，上升运动和持续时间也很重要。总体来说，各区各月各层有着不同的比湿平均值和暴雨日比湿平均值，在数值上是A区的大于B区的。这种区域性差异和月差异与季风环流系统密切相关[11]。

表 1、2中给出了各层各月平均比湿和暴雨日平均比湿的具体数值。以850 hPa为例，A区1、2、12月暴雨日平均比湿为8.2～9.2 g·kg-1，3、11月为11.5 g·kg-1左右，4、10月为13.0 g·kg-1左右，5月为14.2 g·kg-1，6-9月为15.0 g·kg-1左右；B区1、2、12月暴雨日平均比湿为7.3～7.5 g·kg-1，3、11月为9.0～10.1 g·kg-1，4、10月为11.5 g·kg-1左右，5月为12.7 g·kg-1，6-9月为13.9～15.4 g·kg-1。这些数值对这些区域相应月日常业务暴雨预报的水汽条件考虑有一定的指示意义。

表1 2001-2017年华南(A)、华中-华东(B)区域逐月平均比湿 g·kg-1

2.6 暴雨日前后比湿增值特征分析

对一些暴雨个例的研究[26-27]表明，强降水发生时，通常会有明显的水汽输送和水汽辐合，表现为对流层下层(850、925 hPa)比湿明显增大。本文计算了暴雨发生时段和发生前比湿的差值(式3)，分析了暴雨发生时各层比湿是否增加，增加概率大小和增值特征。结果显示(图5a1-a4)：500、700 hPaΔQ<0的比例约为0.1左右，ΔQ≥0的比例约为0.9左右；850、925 hPaΔQ<0的比例为0.25左右，ΔQ≥0的比例大部分为0.75左右。暴雨发生时，500、700 hPa比湿约有90%的概率会增大，850、925 hPa比湿增大的概率略小，但也有75%左右，说明暴雨发生时中层(500、700 hPa)比湿增加的概率要大于低层(850、925 hPa)的增加概率。

表2 2001-2017年华南(A)、华中-华东(B)区域逐月暴雨日平均比湿 g·kg-1

暴雨发生时比湿未增加的原因很多。日常业务中有时会碰到连续性暴雨，比湿变化较小，也有时碰到比湿一直很大，暴雨发生时段即使比湿减小，但仍然达到当月发生暴雨比湿的阈值。为进一步分析暴雨日比湿增幅的特点，将暴雨日比湿增值按照强度划分为[0，2]，(-2,-1]，(-1,0]，(0,1]，(1，2]和(2,+∞)共6个等级，分别记为1-6级。统计各等级暴雨日增值在各区域各月各层中出现的比例发现(图5b1-b4、c1-c4)：整体而言，500、700 hPa研究区域1、2级出现比例非常低，大部分都在0.01及以下，3级出现比例略高，为0.10左右，4、5、6级出现比例则明显增多，为0.20～0.45。850和925 hPa 1级占的比例和500、700 hPa的接近，小于或等于0.01；2、3级占的比例略大于500、700 hPa的占比，分别为0.05左右、0.1～0.2；大部分月份4、5、6级出现比例大于3级出现比例，比湿增值随月份变化较大。分区而言，A区各层次大部分月份均是4级出现比例最大，为0.35～0.40左右，这说明A区湿度整体较好，暴雨日各层增值以0～1.0 g·kg-1出现最多。B区700、850、925 hPa 3-6月6级出现的概率大于其他级别的，达0.35～0.55，其他月份其他级别大部分接近或小于0.25，说明B区3-6月暴雨日比湿增加超过2.0 g·kg-1的概率达35%～55%，对于该区域暴雨的判定是一个很好的信号。

图5 2001-2017年500 hPa(a1,b1,c1)、700 hPa(a2,b2,c2)、850 hPa(a3,b3,c3)、925 hPa(a4,b4,c4)各月暴雨日比湿增值特征(a1-a4)和华南(b1-b4)、华中-华东区域(c1-c4)暴雨日比湿增值等级特征

3 3次暴雨过程比湿阈值分析

3.1 2018年1月6日08时至7日08时华南东部暴雨过程

2018年1月6日08时至7日08时，受低空急流和低层辐合影响，华南地区出现大范围暴雨，24 h最大累积降水达111 mm，位于广东中部。降水影响时段高空槽、850 hPa低涡、急流(16 m/s)位于江淮至江南西部，925 hPa切变由华南中部北抬至华南北部，偏东急流加强至20 m/s，此次过程低层辐合最强的地区为华南东部。

从暴雨时段各层比湿最大值来看(图6a1-a4)，500 hPa比湿大值中心位于华南北部，达4.0 g·kg-1，暴雨区比湿普遍大于3.5 g·kg-1。700 hPa比湿大值中心位于华南东部，达9.5 g·kg-1，大部分暴雨点的比湿大于8.5 g·kg-1。850、925 hPa比湿大值中心位于华南南部，暴雨区比湿大于9.0 g·kg-1。暴雨区各层比湿均大于或接近1月暴雨日平均比湿(500 hPa为2.9 g·kg-1，700 hPa为7.2 g·kg-1，850 hPa为9.2g·kg-1，925 hPa为8.9 g·kg-1)。从暴雨区比湿增值(图6b1-b4)来看，500 hPa大部分大于1.0 g·kg-1；700 hPa部分大于2.0 g·kg-1，部分为1.0～2.0 g·kg-1；850 hPa大部分为1.0～2.0 g·kg-1，部分为0～1.0 g·kg-1；925 hPa部分大于2.0 g·kg-1，部分为1.0～2.0 g·kg-1。500 hPa、700 hPa增湿意味着一定程度的上升运动，850、925 hPa比湿增幅虽然不大，但在暴雨影响时段比湿超过1月暴雨日平均比湿，并且850、925 hPa暴雨区上游是比湿大值中心，这表明有较强的水汽输送。此次天气过程中，华南南部的水汽条件最好，但没有产生暴雨，暴雨落区和500、700 hPa比湿大值区对应较好，这说明暴雨要有上升运动和水汽的配合。

图6 2018年1月6日08时至7日08时500 hPa(a1,b1)、700 hPa(a2,b2)、850 hPa(a3,b3)、925 hPa(a4,b4)最大比湿(a1-a4)和暴雨日比湿增值(b1-b4)

3.2 2018年4月22日08时至23日08时江南北部暴雨过程

2018年4月22日08时至23日08时，受高空低槽、低涡、切变线及地面冷空气影响，湘、赣、鄂交界处出现大范围暴雨，其中湖北南部24 h最大累积降水达247 mm。降水影响期间，850 hPa切变由江苏北部-湖北中部-贵州西北部移至江苏北部-江西北部-贵州南部，切变线北侧最大偏北急流达14 m/s，南侧西南急流达16 m/s。

从暴雨时段各层比湿最大值来看(图 7a1-a4)，500 hPa比湿最大值中心位于江西北部，达4.5 g·kg-1，暴雨区比湿普遍大于3.5 g·kg-1。700 hPa比湿大值中心位于江南中部至华南西北部，达9.0 g·kg-1，大部分暴雨点的比湿大于8.0 g·kg-1。850 hPa、925 hPa比湿大值中心位于江南西部至华南西部，暴雨区两层比湿分别大于12.0 g·kg-1和14.0 g·kg-1。暴雨区各层比湿均大于4月暴雨日平均比湿(500 hPa为2.8 g·kg-1，700 hPa为7.9 g·kg-1，850 hPa为11.1 g·kg-1，925 hPa为11.6 g·kg-1)。从暴雨区比湿增值(图7b1-b4)来看，500 hPa大部分大于2.0 g·kg-1；700 hPa大部分为1.0～2.0 g·kg-1；850 hPa大部分为0～1.0 g·kg-1，部分为1.0～2.0 g·kg-1；925 hPa大部分为0～1.0 g·kg-1，小部分为-1.0～1.0 g·kg-1。此次暴雨过程中，暴雨落区和500 hPa比湿大值及比湿增值大的位置对应较好。

图7 2018年4月22日08时至23日08时500 hPa(a1,b1)、700 hPa(a2,b2)、850 hPa(a3,b3)、925 hPa(a4,b4)最大比湿(a1-a4)和暴雨日比湿增值(b1-b4)

3.3 2017年5月14日08时至15日08时华南暴雨过程

2017年5月14日08时至15日08时，受高空低槽、低涡、切变线影响，华南地区出现暴雨天气，24 h最大累积降水量出现在广西中部(108 mm)。降水影响时段850 hPa切变由云南东南部-贵州北部-重庆西南部移至华南北部，并在广西有低涡生成。

此次过程中(图8a1-a4)，500 hPa比湿最大值中心位于广西中部，达5.0 g·kg-1，暴雨区比湿普遍大于4.5 g·kg-1；700 hPa比湿大值中心位于广西西部，达10.0 g·kg-1，暴雨区比湿大于8.5 g·kg-1。850 hPa、925 hPa比湿大值中心分别位于广西西部、两广交界处，暴雨区比湿分别大于13.0 g·kg-1和14.0 g·kg-1。各层比湿均大于或接近5月暴雨日平均比湿(500 hPa为4.0 g·kg-1，700 hPa为9.2 g·kg-1，850 hPa为14.4 g·kg-1，925 hPa为16.2 g·kg-1)。从暴雨区比湿增值来看(图8b1-b4)，500 hPa、700 hPa大部分大于等于4.0 g·kg-1，850、925 hPa大部分大于2.0 g·kg-1，小部分在1.0～2.0 g·kg-1。各层比湿的增幅都比较大，这意味着低层明显增湿及存在较强的垂直运动。此次暴雨过程中，暴雨落区和各层比湿大值及比湿增值大的地方对应较好。

图8 2017年5月14日08时至15日08时500 hPa(a1,b1)、700 hPa(a2,b2)、850 hPa(a3,b3)、925 hPa(a4,b4)最大比湿(a1-a4)和暴雨日比湿增值(b1-b4)

总体来说，在文中所选1、4、5月的3次暴雨过程中，暴雨区各层比湿均接近或大于暴雨日月平均比湿，比湿增值符合上文分析结果。暴雨落区和500 hPa比湿大值中心、比湿增值大值中心对应最好。

4 结论与讨论

4.1 结 论

文中利用探空观测露点温度转化的比湿序列、ERA_Interim再分析资料及国家站降水资料，研究了近17年我国南方年、季、月平均比湿、暴雨日平均比湿及暴雨日比湿的增幅特征，得到以下结论：

(1)从年平均比湿的空间分布来看，500、700 hPa比湿呈西南高、东北低的分布特点，数值自西南向东北逐渐减小；850、925 hPa大致呈南高北低的纬向分布特征，数值随纬度增加而递减。暴雨日年平均比湿500、700 hPa比湿空间分布差异较小，850、925 hPa比湿自西南向东北减小，最大值均位于广西西部，最小值分别位于江西东北部和湖南东部-江西中北部，不同季节不同地区暴雨日平均比湿是不一样的。

(2)文中统计出南方各月各层暴雨日平均比湿值，以850 hPa为例，华南区域1、2、12月暴雨日平均比湿为8.2～9.2 g·kg-1，3、11月的为11.5 g·kg-1左右，4、10月的为13.0 g·kg-1左右，5月的为14.2 g·kg-1，6-9月的为15 g·kg-1左右；华中-华东区域1、2、12月暴雨日平均比湿为7.3～7.5 g·kg-1，3、11月的为9.0～10.1 g·kg-1，4、10月的为11.5 g·kg-1左右，5月的为12.7 g·kg-1，6-9月的为13.9～15.4 g·kg-1。这些数值对这些区域相应月日常业务暴雨预报的水汽条件考虑有一定的指示意义。

(3)暴雨发生时和发生前，500、700 hPa比湿增加的概率为90%左右，850、925 hPa比湿增加的概率为75%左右。25.5°N以南区域各层暴雨日比湿增值以0～1.0 g·kg-1出现最多，出现概率达35%～40%；25.5°N以北区域3-6月比湿增值超过2.0 g·kg-1的概率达35%～55%。上述数据对于该区域内暴雨的判定有一定的指示意义。

4.2 讨 论

前文统计的暴雨站点并未将台风暴雨和非台风暴雨(剔除台风暴雨后的其他暴雨)进行区分，但广东、广西、福建、浙江等地处沿海区域，夏、秋季易受台风影响，产生大范围暴雨。文中以台风中心200 km范围内的暴雨为台风暴雨标准，计算了各季各层非台风暴雨日平均比湿及其与暴雨日平均比湿的差值(图略，春、冬季差异不大)，可以看到，各层非台风暴雨日平均比湿与暴雨日平均比湿空间分布相似，沿海省份(浙江、福建、广东、广西)两者差值低于0.8 g·kg-1，其他省份低于0.2 g·kg-1。综上所述，台风对暴雨日平均比湿阈值没有明显影响。