席世平，張一平，鄭世林

(1.中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應用技術重點開放實驗室，鄭州 450003；2.河南省氣象服務中心，鄭州450003；3.河南省氣象臺，鄭州 450003；4.河南省氣象局，鄭州 450003)

引 言

我國是一個暴雨天氣多發(fā)的國家。暴雨預報一直是天氣業(yè)務的重點和難點，受到氣象工作者的高度關注。國內外氣象學者針對暴雨做了大量的研究工作，取得了豐碩成果[1-8]。隨著科技進步和業(yè)務能力的提升，我國的暴雨預報準確率逐年提高，但還不能完全滿足防災減災、社會發(fā)展及人民生活水平提高的服務需求。因此，提高暴雨預報質量是當前和今后相當長一段時間科研和業(yè)務工作的重點。暴雨也是河南主要的災害性天氣之一。根據(jù)1971-2000年的氣候分析結果，河南省區(qū)域暴雨(河南區(qū)域暴雨標準為24 h內10個以上連片國家氣象觀測站降水量≥25 mm，其中5站以上雨量≥50 mm)多出現(xiàn)在夏季，集中在7-8月，占年總次數(shù)的78.2%，以7月的最多(占36.3%)；秋季區(qū)域暴雨的次數(shù)明顯減少，其中9月份區(qū)域暴雨僅占年總次數(shù)的7.9%。以往區(qū)域暴雨的研究多集中于夏季汛雨[9-20]，秋季暴雨的相關研究較少。河南的秋季暴雨多由降水持續(xù)時間長形成，且研究成果不多[21-22]，預報員難以把握強降水的落區(qū)。實時業(yè)務中，2012年9月1日夜里河南西南部的區(qū)域暴雨、局地大暴雨和2012年9月7-8日豫南的區(qū)域暴雨、大暴雨預報量級明顯偏小。因此，秋季區(qū)域暴雨、大暴雨的預報對預報員來說仍有相當大的難度。

本文利用常規(guī)氣象觀測資料、衛(wèi)星云圖資料、多普勒雷達資料，從天氣背景、中尺度特征等多個角度對比分析了2012年9月上旬發(fā)生在河南的兩次區(qū)域性大暴雨天氣過程，從天氣學和衛(wèi)星、雷達氣象學等角度揭示了兩次大暴雨的成因和異同點，以期為預報員提供秋季區(qū)域性暴雨、大暴雨的預報關注點，提高秋季暴雨的預報能力，提升氣象服務的精細化水平。

1 降水實況

2012年9月上旬，河南省連續(xù)出現(xiàn)了兩次區(qū)域性暴雨、大暴雨過程。第一次大暴雨出現(xiàn)在9月1日夜里(以下簡稱“9·1”過程)，暴雨落區(qū)為南陽地區(qū)北部、平頂山地區(qū)、許昌地區(qū)西部(圖1a)。9月1日20時-2日08時，10個國家氣象站的降水量≥50 mm，其中方城的降水量為120 mm，魯山的降水量為88 mm，南召的降水量為85 mm。有30個區(qū)域自動站12 h降水量≥100 mm，其中方城拐河鎮(zhèn)的12 h降水量為153 mm，南召石門鄉(xiāng)的12 h降水量為148 mm，南陽榆樹莊的12 h降水量為141 mm，最大雨強為南陽龍王溝站的91.4 mm/h，其次為平頂山鳳鳴園站的62.5 mm/h?！?·1”過程強降水主要出現(xiàn)在1日20時-2日03時，持續(xù)時間較短，降水強度大，伴有雷電和短時強降水。

9月7-8日河南南部再次出現(xiàn)大暴雨(以下簡稱“9·7”過程)，暴雨落區(qū)主要分布在南陽、信陽、駐馬店三地區(qū)(圖1b)。12個國家氣象站24 h降水量≥100 mm，其中鄧州市的24 h降水量為204 mm,固始縣的24 h降水量為201 mm，兩站日降水量分別達到歷史同期最大和次大值。131個區(qū)域自動站24 h降水量≥100 mm，其中5站降水量≥200 mm，最大降水前三位均出現(xiàn)在南陽地區(qū)的鄧州市，依次為張樓鄉(xiāng)的238 mm、市政府的210 mm、鄧州站的204 mm。降水集中出現(xiàn)在7日21時-8日16時，持續(xù)時間較長并伴有雷電。從強降水出現(xiàn)時間和落區(qū)看，可分為兩個階段：第一階段為7日22時-8日02時，強降水主要出現(xiàn)在南陽中西部，最大雨強為鄧州市彭橋鎮(zhèn)的53.0 mm/h，出現(xiàn)在7日23時；第二階段為8日03-15時，強降水產(chǎn)生在南陽東部到信陽、駐馬店一帶，最大雨強為正陽縣彭橋鄉(xiāng)的49.1 mm/h，出現(xiàn)在8日04時。

圖1 2012年9月河南兩次暴雨過程降水量(a)9月1日20時-2日08時降水量，(b)9月7日20時-8日20時降水量

比較來看，“9·1”過程雨帶呈東北-西南向，強降水持續(xù)時間短；“9·7”過程雨帶基本呈東西帶狀分布，強降水持續(xù)時間長。兩次大暴雨過程均出現(xiàn)在河南主汛期之后，有利于水庫蓄水，但由于雨強大，強降水使豫南部分地區(qū)出現(xiàn)農(nóng)田被淹、房屋受損、交通阻斷等洪澇災害，給人們生活出行帶來了嚴重影響。

2 暴雨產(chǎn)生的環(huán)流形勢及影響系統(tǒng)

2012年9月1日20時500 hPa上(圖2a)，呈東北-西南向塊狀的副高控制華東和長江中下游以南地區(qū)，河套伸向四川為一低槽，其后有冷槽伴隨(圖2c)，表明500 hPa低槽未來將東移發(fā)展。700 hPa上(圖2c)，河套東部到重慶有一低槽，其后也有冷槽伴隨，河南大部分地區(qū)位于溫度露點差小于4 ℃的顯著濕區(qū)中。850 hPa上，冷式切變線已移至河南西部，切變線后側有較強的負變溫區(qū)，變溫中心達-3 ℃。925 hPa上，冷空氣已開始影響河南西部，低層近南北向的溫度脊穿過河南，表明邊界層河南處于高溫高濕區(qū)。地面圖上(圖略)，有冷空氣從貝加爾湖南側經(jīng)河套南下，冷鋒于1日17時至2日05時影響河南全省。冷鋒經(jīng)過暴雨區(qū)的時間為1日20時至2日02時，正是強降水集中時段，表明冷鋒對此次暴雨的發(fā)生發(fā)展起到重要作用。2日08時，500 hPa高空圖上(圖略)，低槽東移，副高迅速減弱東退，850 hPa以下河南均受槽后西北氣流控制，降水過程結束。

9月7日20時500 hPa(圖略)，副高呈東西帶狀，主體位于東部海上，其北側588 dagpm線呈準東西向，位于長江中下游一帶，自高原東移發(fā)展的低槽位于河套到四川東部。700 hPa陜南有一低渦，向東伸出的暖切變線影響河南南陽，同時一支西南急流伸向陜南。850 hPa東西向切變線主要位于湖北，其東段影響到河南信陽。8日08時(圖2b、d)，500 hPa低槽已開始影響河南，同時東北地區(qū)南部低槽在東移過程中加深并形成一低渦，低渦后部有較深厚的冷溫槽。700 hPa暖式切變線向東擴至駐馬店，影響河南南部，西南急流向東北擴展，自貴州東南部伸向河南固始，豫南處于低層急流出口區(qū)的左側，且河南南部處于溫度露點差小于4 ℃的濕區(qū)中。850 hPa、925 hPa切變線均明顯北抬，豫南處于東風急流與西南風急流形成的較強切變線中，有利于該區(qū)域水汽輻合及上升運動的加強。地面圖上，7日14時后(圖略)，位于西南地區(qū)的東西向倒槽不斷向東伸展，至8日05時豫南處于該倒槽頂部，受偏東風影響，對降水發(fā)展非常有利。受華北不斷擴散西南下的小股冷空氣影響，08時起地面倒槽開始南壓，信陽附近出現(xiàn)一西北—東南向的中尺度輻合線，受其影響，豫南開始出現(xiàn)大范圍的雷暴和短時強降水天氣。8日20時副高北界明顯南退，低槽東移南壓，中低層輻合系統(tǒng)減弱，地面弱冷空氣進一步南下，豫南降水結束。

綜上所述，兩次大暴雨過程均發(fā)生在中緯度低槽和副高邊緣西南氣流共同影響的環(huán)境場中，但中低層及地面影響系統(tǒng)有差別。“9·1”過程副高為東北-西南向塊狀，各層槽線、冷式切變線經(jīng)向度大且相距較近，地面有冷鋒影響，冷空氣從河套地區(qū)東移南下影響河南，雨帶和冷式切變線的走向一致，呈東北-西南向，屬于鋒面降水過程。而“9·7”過程副高呈東西向帶狀，影響河南的中緯度低槽和暖式切變線基本呈緯向，中低層切變線相距較近，地面冷空氣主要從華北逐漸南下，與中低層切變線共同作用，影響河南南部，雨帶位于暖式切變線附近并與其走向基本一致，屬于切變線降水過程。

3 暴雨形成的環(huán)境條件

由上可知，兩次秋季大暴雨過程是在有利的大尺度環(huán)流形勢下產(chǎn)生的。下面應用探空、NCEP再分析等資料，對兩次過程的水汽、大氣層結穩(wěn)定度、熱力和動力等條件進行分析，進一步揭示其成因，并根據(jù)物理量特征了解和掌握秋季暴雨、大暴雨落區(qū)預報的關鍵點。

3.1 水汽條件

應用6 h間隔、1°×1°的NCEP資料，計算兩次暴雨過程的物理量。從水汽通量(圖略)看，兩次暴雨過程的水汽主要源自南海，由西南或偏南氣流向暴雨區(qū)輸送，水汽通量大值區(qū)與暴雨落區(qū)相吻合(圖3a、b)?！?·1”“9·7”兩次過程水汽輸送最強時，位于暴雨區(qū)上空的水汽通量中心強度分別達到12×10-7～18×10-7g·cm-1·hPa-1·s-1(圖3a)和12×10-7～16×10-7g·cm-1·hPa-1·s-1(圖3b)。兩次暴雨過程的水汽輸送基本相當，且不遜于河南省夏季暴雨所具備的水汽量級[23]。另外，從“9·1”“9·7”大暴雨中心的水汽通量散度演變可以發(fā)現(xiàn)，“9·1”暴雨的水汽輻合主要位于750 hPa以下的中低層(圖3c)，且主要集中在1日14時—2日08時，其中1日14—20時是低層水汽輻合逐漸加強的過程，到1日20時近地層水汽輻合達到最強(-60×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)，為“9·1”過程提供了充分的水汽準備。此后至2日04時，850 hPa一直維持-30×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽輻合中心，為2日01時南陽91.4 mm/h的最大雨強出現(xiàn)提供了強有力的支持。而水汽輻合最明顯的時段恰與最強降水時段吻合。當2日08時水汽輻合明顯減弱時，降水也隨之減弱，即水汽輻合的發(fā)展加強與暴雨的生成和發(fā)展同步，且至關重要。“9·7”暴雨中，水汽輻合區(qū)主要位于500 hPa以下的對流層中低層(圖3d)，且主要集中在7日14時到8日14時，輻合最強時段為7日22時-8日09時，水汽輻合始終維持在-30×10-7～-40×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，其中-40×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1的最強輻合中心出現(xiàn)在8日01-03時的950 hPa。顯然水汽輻合明顯時段與暴雨時段吻合，這也是8日07時鄧州出現(xiàn)最大雨強53.0 mm/h的原因。由上述分析可知，“9·1”與“9·7”暴雨過程的水汽輸送量相當，水汽通量均≥12×10-7g·cm-1·hPa-1·s-1，主要降水時段的水汽輻合強度都≤-30×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，與夏季暴雨產(chǎn)生的條件相當[23]。并且兩次暴雨過程的水汽輻合均有6 h以上的提前量，表明水汽條件很充分，滿足了暴雨產(chǎn)生的需要。但有兩點不同：一是降水前期“9·1”過程的水汽輻合過程的強于“9·7”過程的，因而“9·1”過程的最大雨強較“9·7”過程的大；二是“9·1”過程的水汽輻合的層次僅限于對流層低層，而“9·7”過程暴雨水汽輻合的層次擴展至對流層中低層。兩次暴雨過程中，中低層水汽通道的建立、維持和對流層中低層水汽的大量集中，十分有利于β中尺度對流類系統(tǒng)的發(fā)展。

圖3 2012年“9·1”和“9·7”河南暴雨過程的水汽通量和過大暴雨中心的水汽通量散度(a)9月2日02時925 hPa水汽通量，(b)9月8日08時850 hPa水汽通量，(c)9月1日08時-3日02時水汽通量散度，(d)9月7日08時-9日02時水汽通量散度；(c)(d)中陰影區(qū)量值小于0；水汽通量單位:g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽通量散度單位:g·cm-2·hPa-1·s-1

3.2 熱力及不穩(wěn)定條件

3.2.1K指數(shù)和θse

暴雨多出現(xiàn)在低層高能區(qū)和大氣對流不穩(wěn)定區(qū)[13-18]。根據(jù)NCEP資料，計算了“9·1”“9·7”兩次過程的K指數(shù)和中低層θse。

K指數(shù)計算結果表明，“9·1”暴雨出現(xiàn)前，1日08-14時K≥34 ℃的區(qū)域位于河南西部和南部，K≥38 ℃的強中心位于鄭州和南陽地區(qū)；1日20時暴雨區(qū)K指數(shù)從≥34 ℃增大到38-40 ℃(圖略)。2日02時之后，K≥34 ℃的區(qū)域逐漸東移出暴雨區(qū)，強降水趨于結束。“9·7”暴雨前，7日14時暴雨區(qū)K≥34 ℃，36-38 ℃的區(qū)域僅限于南陽南部和信陽南部。至7日20時，K≥34 ℃的區(qū)域穩(wěn)定維持，而K≥36 ℃的區(qū)域擴大，完全覆蓋暴雨區(qū)(圖略)，并維持至8日02時。8日08時之后，K≥36 ℃的區(qū)域逐漸南壓，20時基本移出河南，強降水結束。由此看來，兩次暴雨過程前大氣集聚了一定的不穩(wěn)定能量，而K≥36 ℃的區(qū)域較好地指示了暴雨的出現(xiàn)及其落區(qū)。

分析“9·1”“9·7”中低層θse演變可知，925 hPa上，9月1日08-14時暴雨區(qū)處于θse≥350 K的高能舌區(qū)；20時隨著西路冷空氣進入河南，高能舌開始東移。2日02時之后高能舌移出暴雨區(qū)。850 hPa上，θse的演變與925 hPa的相似，暴雨出現(xiàn)在θse350-352 K的區(qū)域。700 hPaθse≥344 K的高能舌自西向東移動(圖略)，1日20時-2日02時經(jīng)過暴雨區(qū)?！?·7”暴雨前，隨著南方暖濕氣流的向北推進，850、700 hPa上θse大值區(qū)進入河南南部，暴雨區(qū)θse逐漸增大，到7日20時700 hPa暴雨區(qū)θse達336-340 K，850 hPa則為340-344 K(圖略)。925 hPa上，7日20 時-8日02時，暴雨區(qū)θse達到336-344 K。7日20時之后，有東路冷空氣從北方南下，逐漸深入河南南部，到8日14時，高能區(qū)已南壓至河南省外。

通過以上對兩次暴雨過程θse演變的分析發(fā)現(xiàn)，暴雨前，暴雨區(qū)能量有一個積累增大的過程，并且暴雨區(qū)與θse高值區(qū)有較好的對應。“9·1”過程低層的θse值比“9·7”過程的大。

3.2.2 探空特征

表1為兩次暴雨過程距離強降水中心最近的氣象觀測站的部分探空物理量，“9·1”過程和“9·7”過程距離降水中心最近的氣象觀測站分別取南陽站和武漢站。從表1可以看出，南陽站在1日20時對流有效位能(CAPE)達2270.5 J/kg，K指數(shù)達35 ℃，抬升指數(shù)(LI)為-4.6 ℃；7日20時武漢站CAPE達1814.9 J/kg，K指數(shù)達42 ℃，LI為-4.8 ℃。表明兩次過程大氣層結都很不穩(wěn)定，一旦存在觸發(fā)機制，不穩(wěn)定能量將得以釋放。比較來看，“9·1”過程不穩(wěn)定能量更大，水汽條件和0 ℃層高度等更有利于強降水的產(chǎn)生；“9·7”過程垂直風切變(SHR0-6 km和SHR0-2 km)較大，天氣系統(tǒng)影響時間長，在出現(xiàn)較強降水的同時，更有利于降水的維持和形成大的累積降水。另外，兩次過程850 hPa與500 hPa溫度差為25 ℃，較河南初夏強對流和盛夏強降水的溫度垂直遞減率小[24]，與初秋季節(jié)有關。

表1 2012年9月兩次大暴雨過程南陽站、武漢站探空的物理量

3.3 動力條件

下面分析兩次暴雨過程的垂直速度和散度變化?！?·1”過程：9月1日20時-2日05時暴雨區(qū)上空均為上升運動，暴雨開始時850 hPa垂直速度達到-30～-40 Pa·s-1(圖4a)；過最大雨強中心南陽的垂直散度變化顯示輻合輻散相間出現(xiàn)(圖4c)，850 hPa以下為強輻合，中層(850-600 hPa)為輻散，600-350 hPa再輻合、350 hPa以上強輻散，抽吸作用強，綜合效應使整層保持上升運動?！?·7”過程：7日20時-8日14時暴雨區(qū)上空均為上升運動，其間700 hPa達到-40～-120 Pa·s-1(圖4b)，過最大雨強中心正陽的垂直散度變化顯示550 hPa以下有強烈的輻合，550 hPa以上則為強烈的輻散，因而該時段內整層為明顯的上升氣流(圖4d)。上述分析表明，兩次過程的動力條件均有利于暴雨的產(chǎn)生和維持，但“9·7”過程的動力場垂直結構更有利于產(chǎn)生較大范圍的強降水。

圖4 2012年“9·1”和“9·7”河南暴雨的垂直速度、θse、風矢量及垂直速度和散度時序圖(a)(b)分別為9月1日20時850 hPa和9月8日08時700 hPa垂直速度、θse(色斑)和風矢量，(c)(d)分別為“9·1”南陽和“9·7”正陽垂直速度、散度(色斑)時序圖；垂直速單位：Pa·s-1,θse單位：K，散度單位：s-1

從天氣背景來看，兩次暴雨過程強降水落區(qū)均處在高溫高濕區(qū)內?！?·1”暴雨的動力來自鋒區(qū)和低槽，水汽來源于副高邊緣的西南暖濕氣流；“9·7”暴雨的動力來自低層切變和中層低槽，低層的西南急流提供了水汽條件。由于“9·7”大暴雨的地面暖濕條件和對流不穩(wěn)定條件略遜于“9·1”大暴雨過程的條件，因而其中心雨強較后者的大。在物理量場上，K指數(shù)的大值區(qū)對應著強降水的落區(qū)。兩次過程均達到了38 ℃以上，“9·1”過程的中心值接近40 ℃。850 hPaθse大值區(qū)北側的等值線密集帶和強降水的落區(qū)也呈現(xiàn)較明顯的對應關系，兩次強降水過程落區(qū)均位于340 K等值線偏向高值中心一側，“9·1”過程更是接近350 K。在過程發(fā)生前，從強降水中心附近的探空資料分析中可以明顯看出不穩(wěn)定能量的積累，兩次強降水過程的對流有效位能分別達到了2270.5 J/kg和1814.9 J/kg，而抑制有效位能(CIN)較小且偏向底層，有利于短時強降水的出現(xiàn)。

4 衛(wèi)星云圖產(chǎn)品分析

4.1 對流云團活動特征

9月1日20時地面東南風到達豫西山脈東側遇迎風坡被抬升，與700 hPa低槽云系在此相遇，云系突然增強。其中有對流云團發(fā)展，在南陽西北部與平頂山到南陽北部分別產(chǎn)生一MγCS，分別對應地面1號雨團(南陽市西北部)與2號雨團(南陽地區(qū)北部南召縣)。1日21時至2日00時(圖5a、b)，2個MγCS迅速發(fā)展合并成為MαCS，中心tbb<-65 ℃，2號雨團迅速增強，其水平尺度超過100 km，并維持2個時次，中心最大雨強達63 mm/h。而1號雨團沿MαCS西部邊沿東移至南陽中部；23-00時(圖5b)，MαCS后部，在地形與MCS后向傳播的作用下，在南陽西部又有MγCS生成，并迅速發(fā)展后并入MαCS。受2個云團合并影響，1號雨團增強為強雨團，其中最大雨強達91.4 mm/h。2日02-03時，MαCS發(fā)展成東北-西南向帶狀，位于河南中部到湖北，其TBB低中心向南移到湖北，1號與2號雨團減弱并分散成多個小尺度的雨團。2日04時以后,影響河南的MαCS北部迅速減弱，河南中部與西南部的降水逐漸減小。

圖5 2012年9月1日21時(a)和2日00時(b)TBB與1 h后累計降水量tbb(等值線)單位：℃，降水量(色斑)單位：mm

分析TBB的1 h變化場發(fā)現(xiàn)，短時強降水主要產(chǎn)生在云頂亮溫迅速下降的區(qū)域。如1日22時(圖6a)平頂山地區(qū)南部TBB降溫幅度達到-40 ℃，隨之平頂山市鳳鳴山站出現(xiàn)62.5 mm的1 h降水量；2日00時(圖6b)南陽中部TBB降溫-32 ℃，01時南陽市龍王溝站1 h降水量為91.4 mm。云頂亮溫快速下降，說明云頂高度上升，是云層下部強烈的輻合上升運動所導致，有利降水增幅，均對應強降水產(chǎn)生。

圖6 2012年9月1日22時(a)和2日00時(b)TBB 1 h變化量與1 h后累計降水量tbb(等值線)單位：℃，降水量(色斑)單位：mm

9月7日22時南陽中部有MγCS發(fā)展，23時迅速增長為MβCS。TBB 1 h變化場上(圖略)，南陽南部有-24 ℃的變溫中心，強降水位于負變溫區(qū)內，對應南陽南部有2個30 mm/h以上的強雨團。8日01時，四川東部到陜西南部有東北-西南向的對流云帶強烈發(fā)展，其上有多個對流云團。在高空氣流的引導下，對流云帶北部進入豫西南，使南陽南部出現(xiàn)強降水?！?·7”過程第二降水階段(8日03-15時)信陽的大暴雨是3次MCS的發(fā)展移動經(jīng)過造成的：第1次，8日02時，湖北中部有一發(fā)展強盛的MβCS向北移動，其東北部影響南陽東部到駐馬店南部一線，03-04時正陽縣彭橋鄉(xiāng)降水49.1 mm，為本次降水過程第二階段最大小時雨強；隨后MβCS進入信陽北部，云團結構變松散，呈減弱趨勢，這一時段的強降水是由即將減弱的MβCS移動經(jīng)過時造成的。第2次，06-07時，信陽北部有3個MγCS發(fā)展，呈東西排列；08-09時，MγCS合并為一個云體密實的MβCS，中心亮溫低于-57 ℃，并在固始縣三河尖站造成43 mm/h的雨強；10時以后該云團減弱東移。這次過程是由多個MγCS發(fā)展合并造成。第3次，11時，MβCS的TBB低中心-49 ℃位于湖北，其北部TBB高梯度帶影響信陽；12-13時，MβCS中心亮溫降低到-57 ℃以下，對流加強，云體北部經(jīng)過信陽；14-15時商城城關出現(xiàn)小時雨量42 mm的強降水。14-16時，MβCS減弱并逐漸東移，對信陽的影響基本結束。8日14時TBB 1 h變化場上(圖略)，信陽南部有小于-32 ℃的負變溫中心，強降水位于低中心的北部，最大雨強為42 mm/h。16時以后，隨對流云團移出河南，信陽的降水減弱。

綜上分析，“9·1”暴雨由3個MCS發(fā)展合并所致；“9·7”暴雨主要由東北—西南向的中尺度對流云帶和3個MγCS合并的MβCS及中心位于湖北的MβCS影響產(chǎn)生。強降水均出現(xiàn)在MCS快速發(fā)展與合并時期，且位于tbb<-32 ℃區(qū)域內或低值中心高梯度帶內，梯度越大，降水越強。TBB 1 h負變溫區(qū)與短時強降水落區(qū)有非常好的對應關系，對預報強降水區(qū)域有很好的指示意義。

4.2 衛(wèi)星云圖濕度廓線

為了解MCS內部水汽的分布與降水發(fā)展演變關系，應用衛(wèi)星資料對MCS中部濕度廓線做垂直剖面分析。

9月1日夜里南陽北部到平頂山一帶對流云團發(fā)展迅速。過該對流云團中部33.5°N的濕度廓線剖面(圖略)顯示：1日21時111-115°E間邊界層有3個濕度大值波峰，在高層形成3個濕度大值中心，云團頂部達400 hPa，邊界層有水汽在向此處匯集并有較強的水汽垂直輸送，濕度大值中心對應紅外云圖上正在發(fā)展的3個中γ尺度云團。22時邊界層的大濕度區(qū)逐漸合并，低層的濕度線仍有3個波峰，主要波峰位于113-114°E，到中層波峰向西傾斜，位于112-113°E，高層大濕度區(qū)逐漸合并；大濕度區(qū)由東向西傾斜，南陽北部有較強的斜升水汽輸送，有利于對流云團在此加強與合并。1日23時-2日02時，低層大濕度區(qū)的主要波峰位于112.0-113.5°E，此波峰由邊界層向上伸展至700 hPa，低層由多個分散的水汽垂直輸送轉為統(tǒng)一有組織的垂直水汽輸送，對流云團在此期間發(fā)展強盛；03時后由低層到高層的大濕度區(qū)東移，邊界層的濕度略有減小，水汽輸送減弱，也預示著對流云團將減弱。分析“9·7”過程中沿32°N影響信陽的第3次MCS演變(9月8日11-16時)的濕度廓線垂直剖面(圖略)可看出：8日11時750 hPa以下，濕度廓線的波峰較寬廣，位于113.0-116.5°E，橫跨信陽東西部，500 hPa有大濕度中心，但云體中部700 hPa在114°E以東有一干區(qū)發(fā)展，說明低層水汽含量非常豐富，云體東部上下層水汽輸送有切斷，意味著東部云體要減弱；12-14時云體東部低層濕度明顯減弱，中層的干區(qū)擴大，上下層水汽完全切斷，而西部由低到高層仍然維持較大的濕度，濕度廓線的波峰上部即500 hPa有大濕度中心，正位于信陽上空，云團西部在此期間發(fā)展加強。15-16時中層的干舌向西伸，對流云團減弱，對信陽的影響趨于結束。

由上分析，云圖濕度廓線能較好地反映云團內水汽的垂直輸送，中低層濕度越大，濕層伸展高度越高，說明低層的垂直水汽輸送越強。當云團運動方向一側有干空氣層發(fā)展時，則上下層水汽輸送被切斷，云團將減弱。因此，通過分析云圖濕度廓線，對預測云團未來的發(fā)展有較好的指導作用。

此外，對“9·1”“9·7”暴雨的衛(wèi)星1 h降水估計產(chǎn)品(PRE)分析結果表明，PRE對預報未來1 h穩(wěn)定性降水的落區(qū)有一定的指示意義，但估計的降水量級普遍偏小、強降水中心位置也有偏差。當對流云團移動方向發(fā)生變化時，實況降水區(qū)較PRE估計區(qū)域向云團前進的方向偏離時，易空報強降水區(qū)域。當云團在合并、發(fā)展、減弱時，降水量級的預報與實況相差較遠，沒有可參考性。

5 雷達回波特征分析

南陽、駐馬店兩部新一代天氣雷達(SB)對這兩次大暴雨過程進行了連續(xù)監(jiān)測。“9·1”過程：從南陽雷達1.5°仰角基本反射率因子圖上(圖略)可以看出，1日19時冷鋒到達南陽前，受地面輻合線影響，南陽北部出現(xiàn)零散對流降水回波并逐漸加強；22-23時，南陽西部因冷鋒產(chǎn)生的回波和北部由地面中尺度輻合線激發(fā)的對流回波相結合。2日00-01時，南陽北部(龍王溝附近)對流回波明顯加強(圖7a)，強度約50 dBZ，回波頂高達14-15 km(圖7b)，對流發(fā)展旺盛，導致南陽龍王溝站2日00-01時出現(xiàn)了91.4 mm的強降水。該回波東南方向還出現(xiàn)了明顯的“人”字形出流邊界(圖7a)。結合地面加密風場和雷達平均徑向速度圖可知，該出流邊界是南陽北部附近發(fā)展成熟的強對流回波伴隨強降水出現(xiàn)的下沉氣流和地面冷空氣共同影響所致，特別是南北向出流邊界與西路冷空氣東移有很大關系；另外，出流邊界的出現(xiàn)也表明強回波前側有較強輻合上升運動，有利于回波的發(fā)展和維持。冷鋒降水回波主要出現(xiàn)在鋒后附近，呈南北向帶狀，移動緩慢，其上回波單體逐漸加強并向東北方向移動，發(fā)展成帶狀混合性降水回波(圖略)，形成“列車效應”，造成南陽、平頂山等地出現(xiàn)暴雨和大暴雨。

圖7 2012年9月2日00:09南陽雷達1.5°仰角基本反射率因子(a)和垂直剖面圖(b)(a)中紅圈處為南陽雷達站，紅色箭頭所指處為人字形出流邊界；(b)為沿圖(a)白色線所做剖面

“9·7”過程：7日20時南陽西部逐漸有弱降水回波出現(xiàn)并向東移動(圖略)，隨后逐漸增強；22-23時在南陽南部逐漸形成了45-50 dBZ東西向強回波帶，該回波帶向東擴展并北抬。8日00時后，回波帶南側又有回波生成，并向東北方向移動；02-03時該回波在東部和東西向回波帶合并加強。該回波帶穩(wěn)定維持至05時，使南陽南部出現(xiàn)了40-50 mm/h的強降水，其中7日22-23時鄧州彭橋鎮(zhèn)1 h雨量達53.0 mm。結合前面天氣背景分析可知，此階段低層來自西南和東南的水汽在此附近聚集，地面偏東氣流遇到山脈地形被抬升，形成較強的上升氣流，華北弱冷空氣不斷觸發(fā)新的對流，而后在沿著高空引導氣流向東北方向移動的過程中逐漸加強，形成“列車效應”，并使東西向混合型帶狀降水回波在豫南地區(qū)穩(wěn)定維持。8日05-07時，回波帶在南陽、信陽和駐馬店三地區(qū)穩(wěn)定維持。08時前后，隨著華北冷空氣補充南下和低層切變線略向南壓，降水回波帶緩慢向南移動，湖北省十堰市、襄陽市到大悟縣一帶不斷有塊狀對流回波生成并向東東北方向移動(圖8a)，移動過程中有所加強，在豫南地區(qū)逐漸演變成積層混合性降水回波帶。其中，45-50 dBZ的對流性強回波主要在回波帶的南側，回波頂高達11-12 km(圖8b)。回波帶北側由于冷空氣影響主要為穩(wěn)定性降水。回波帶南側的強對流回波不斷生成后向東北方向移動，使東西向回波帶長時間穩(wěn)定維持的同時，河南南部部分地區(qū)形成降水“列車效應”，導致豫南部分地區(qū)的區(qū)域性大暴雨。

圖8 2012年9月8日07:32駐馬店雷達1.5°仰角基本反射率因子(a)和垂直剖面圖(b)(a)中紅圈處為駐馬店雷達站；(b)為沿圖(a)白色線所做剖面

由以上雷達產(chǎn)品分析可以看出，兩次大暴雨過程降水回波帶與天氣尺度影響系統(tǒng)一致，回波帶的走向和持續(xù)時間是多尺度影響系統(tǒng)作用的結果，回波類型、對流回波的發(fā)展和移動等與熱力不穩(wěn)定層結和中尺度系統(tǒng)密切相關?！?·1”過程回波帶呈徑向分布，降水持續(xù)時間短，降水回波以積云對流降水為主；“9·7”過程回波帶呈緯向分布，降水回波以積層混合降水為主，其中積云降水主要出現(xiàn)在東西向回波的南側，降水持續(xù)時間長。

綜合兩次過程的雷達回波特征發(fā)現(xiàn)，在基本反射率因子圖上均出現(xiàn)了明顯的“列車效應”，對應雨強中心回波均為45-55 dBZ的混合性帶狀回波。不同之處在于“9·1”過程為多個新生小塊對流降水回波在東北移動的過程中逐漸合并加強所造成，在雨強中心有強輻合上升運動配合，對流發(fā)展旺盛，回波頂高達14-15 km；“9·7”過程的第一階段為新生回波東移，并在雨強中心西側受地形作用抬升加強，第二階段以塊狀回波偏東移為主，無明顯合并，故強降水中心較為分散，且回波頂高為11-12 km，低于“9·1”過程的回波頂高。

6 結論與討論

(1)2012年初秋兩次大暴雨過程均發(fā)生在低槽前和副高邊緣西南氣流影響的形勢下，冷鋒、低槽、切變線為暴雨產(chǎn)生提供了動力條件，因中低層影響系統(tǒng)和地面冷空氣南下路徑不同，致使冷暖空氣交匯的方式明顯不同?！?·1”過程主要影響系統(tǒng)為高空槽、中低層冷式切變線和地面冷鋒，副高呈塊狀，雨帶和東北-西南向冷式切變線走向一致，持續(xù)時間較短，雨強較大，屬于鋒面對流降水?！?·7”過程主要影響系統(tǒng)為高空槽、暖式切變線、低空急流，副高呈帶狀，雨帶位于暖式切變線附近并與其走向基本一致，持續(xù)時間較長，累積雨量較大，屬于切變線降水過程。

(2)初秋兩次大暴雨發(fā)生前均有較強的不穩(wěn)定能量積聚，副高邊緣西南暖濕氣流輸送為暴雨提供了水汽和能量，暴雨產(chǎn)生在低層高溫高濕與對流不穩(wěn)定的區(qū)域?！?·7”大暴雨的地面暖濕條件和對流不穩(wěn)定條件略遜于“9·1”大暴雨過程的條件，地面暖濕條件和對流不穩(wěn)定條件的差異造成了中心雨強的不同。

(3)衛(wèi)星云圖產(chǎn)品顯示，強降水產(chǎn)生在MCS快速發(fā)展與合并時期，位于TBB低值中心高梯度帶內，梯度越大，降水越強，強降水區(qū)域與TBB 1 h負變溫區(qū)有非常好的對應，對預報強降水區(qū)域有較好的指示意義。云圖濕度廓線能較好地反映云團內水汽的垂直輸送，中低層濕度越大，濕層伸展高度越高，越有利于強降水。當云團內有干空氣層發(fā)展，上下層水汽輸送被切斷時，云團將減弱。分析云圖濕度廓線對預測云團未來的發(fā)展有較好的指導作用。

(4)兩次大暴雨過程降水回波帶與天氣尺度影響系統(tǒng)一致。回波帶的走向和持續(xù)時間是多尺度影響系統(tǒng)作用的結果，回波類型、對流回波的發(fā)展和移動等與熱力不穩(wěn)定層結和中尺度系統(tǒng)密切相關?！?·1”過程回波帶呈徑向分布，降水持續(xù)時間短，降水回波以積云對流降水為主；“9·7”過程回波帶呈緯向分布，降水持續(xù)時間長，降水回波以積層混合降水為主。兩次暴雨過程中強降水多由發(fā)展旺盛、強度達45-55 dBZ的強對流回波產(chǎn)生，暴雨、大暴雨中心回波具有明顯的“列車效應”。