岳如畫，湯劍松，王 坤

(1.安徽省黃山市氣象局，安徽 黃山 245000；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210019；3.江蘇省南通市氣象局，江蘇 南通 226006)

0 引言

連續(xù)性暴雨是持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣的災(zāi)害性天氣，極易造成大范圍嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。20世紀(jì)90年代以來，我國南方持續(xù)性暴雨事件頻繁，暴雨對洪澇的貢獻(xiàn)明顯增大[1-3]。陶詩言[4]研究指出，持續(xù)性大暴雨的發(fā)生需要有利的大尺度環(huán)流條件維持，在緯向環(huán)流下，從寬廣的西伯利亞低槽中分裂東南下的冷空氣與副熱帶高壓西側(cè)的暖濕氣流不斷交綏，形成持續(xù)性暴雨。暴雨過程是多尺度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果[5-8]，在有利的大尺度環(huán)流背景和天氣系統(tǒng)配置下的中小尺度系統(tǒng)頻繁發(fā)生時(shí)，往往會產(chǎn)生長時(shí)間暴雨。2020年7月5—8日，長江中下地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)大暴雨，湖北東南部、安徽南部、江西北部等地累計(jì)雨量達(dá)300～500 mm；湖北浠水和黃梅、江西九江和新建、安徽黃山區(qū)、黟縣和祁門等多個(gè)國家氣象觀測站單日降雨量突破歷史極值。集中強(qiáng)降水導(dǎo)致沿江江南中小河流水位迅猛上漲，誘發(fā)多地山洪，高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試安徽歙縣考區(qū)語文科目考試被迫延期舉行，洪水造成包括襄陽古城墻、婺源彩虹橋、黃山鎮(zhèn)海橋等多處文物不同程度損毀，此次暴雨造成的巨大財(cái)產(chǎn)損失引起了社會各界廣泛關(guān)注。

本文利用地面加密降水資料、NCEP 1°×1°的fnl再分析資料和風(fēng)云4A衛(wèi)星TBB資料，對2020年7月5—8日長江中下游連續(xù)大暴雨過程進(jìn)行分析，以期提高對暴雨天氣的預(yù)報(bào)能力。

1 降水的時(shí)空特征

2020年7月5—8日(4日20時(shí)—8日20時(shí)，下同)累計(jì)降水量大值區(qū)位于長江中下游沿江和江南北部一帶，最大雨量達(dá)到400～500 mm(圖1a)。本文選取長江中下游包括岳陽、黃石、屯溪、景德鎮(zhèn)等98個(gè)站點(diǎn)(圖1a中圓圈標(biāo)識)的平均降水量進(jìn)行分析。5—8日長江中下游地區(qū)降水持續(xù)偏多(圖1b)，區(qū)域平均日降水量超過40 mm；其中6—7日降水量最多，降水量中心持續(xù)位于鄂東北、鄂東南、大別山區(qū)和皖南山區(qū)，區(qū)域平均日降水量超過60 mm。此次連續(xù)性暴雨降水強(qiáng)度分布不均勻，其中6日02—08時(shí)的強(qiáng)度最大，區(qū)域平均6 h降水量超過25 mm，其次為7日08—14時(shí)和8日02—08時(shí)，區(qū)域平均6 h降水量超過20 mm； 8日14時(shí)之后伴隨著雨帶南壓，長江中下游的降水強(qiáng)度也隨之減弱。

圖1 2020年7月5—8日長江中下游總降水量分布(a)和區(qū)域平均逐6 h降水量的時(shí)間序列(b)(虛線為逐日降水量，單位：mm；實(shí)線為108～114°E，24～28°E平均850 hPa風(fēng)速，單位m·s-1)

2 大尺度環(huán)流形勢

大尺度的環(huán)流形勢是暴雨發(fā)生發(fā)展的背景，我國長江中下游梅雨期降水尤為顯著。圖2a為本次暴雨過程初始天氣形勢，7月5日08時(shí)500 hPa亞洲中高緯度為雙阻型，西阻高位于里海附近，東阻高位于貝加爾湖西側(cè)，兩阻高之間巴湖附近為冷中心；季風(fēng)槽已建立，西太副高西伸至我國華南，脊線位于22°N附近，其西側(cè)西南氣流與中高緯東部低渦西側(cè)的偏北氣流在長江中下游匯合，有利于鋒生并來帶充沛水汽；850 hPa東西向存在一切變線從四川東部伸至安徽南部，有明顯的風(fēng)向和風(fēng)速輻合，其南側(cè)低空急流強(qiáng)盛，中心最大風(fēng)速達(dá)到16 m·s-1。圖2b給出5日08時(shí)—8日08時(shí)500 hPa高度場、200 hPa風(fēng)場和850 hPa全風(fēng)速的平均圖，由圖可見5—8日南支槽前暖濕氣流與北方冷空氣在長江中下游地區(qū)長時(shí)間交匯，構(gòu)成此次連續(xù)性暴雨的高空環(huán)流背景；長江中下游地區(qū)同時(shí)處于200 hPa風(fēng)場的顯著分流區(qū)和850 hPa西南急流的北側(cè)，高層輻散和低層輻合為降水的發(fā)生和加強(qiáng)提供了動力抬升條件。

圖2 7月5日08時(shí)500 hPa高度場(實(shí)線，單位：dagpm，粗實(shí)線代表槽線)、溫度場(虛線，單位：℃)、850 hPa風(fēng)場切變線(雙實(shí)線)和地面準(zhǔn)靜止鋒(a)；7月5日08時(shí)—8日08時(shí)200 hPa風(fēng)場(箭頭，單位：m·s-1)、500 hPa高度場(細(xì)實(shí)線，單位：dagpm，粗實(shí)線代表槽線)、850 hPa風(fēng)速場(虛線、陰影，單位：m·s-1)平均圖(b)

3 冷暖空氣與梅雨鋒區(qū)

分析沿113～119°E的 850 hPa風(fēng)場和溫度場的緯度—時(shí)間剖面圖(圖3a)可以發(fā)現(xiàn)，850 hPa上30°N附近一直存在較明顯的偏南風(fēng)，隨著7月5日開始中高緯較強(qiáng)北風(fēng)攜帶冷空氣南下，與偏南氣流在這此處交匯，形成持續(xù)強(qiáng)降水；8日起南北風(fēng)的交匯帶略有南撤，對應(yīng)主雨帶南壓，此時(shí)850 hPa的北風(fēng)已較弱，但低層受到冷空氣的不斷滲透， 925 hPa風(fēng)場30°N一帶在8日仍有南北風(fēng)的交匯(圖略)，而從經(jīng)向風(fēng)的高度—時(shí)間剖面圖(圖3b)可以更清楚地看到，高層北風(fēng)不斷向低層發(fā)展，到8日晚已接近地面，對應(yīng)這一帶強(qiáng)降水暫歇。

圖3 113～119°E平均的850 hPa經(jīng)向風(fēng)(等值線，負(fù)值代表北風(fēng)，單位：m·s-1)和溫度場(陰影，單位：℃)的緯度—時(shí)間剖面圖(a)；113～119°E，28～32°E平均的經(jīng)向風(fēng)(等值線，負(fù)值為北風(fēng)，單位：m·s-1)和垂直速度(陰影，單位：hPa·s-1)的高度—時(shí)間剖面圖(b)

從113～119°E范圍平均的假相當(dāng)位溫的時(shí)間演變(圖4a)和假相當(dāng)位溫的垂直剖面(圖4b)可以發(fā)現(xiàn)，在暴雨持續(xù)期間，長江中下游地區(qū)上空從對流層低層至高層均維持著假相當(dāng)位溫的密集帶，對應(yīng)著梅雨鋒區(qū)，強(qiáng)降水主要發(fā)生在鋒區(qū)的南側(cè)。在30°N附近的344 K等假相當(dāng)位溫線上下貫通，從高層有一假相當(dāng)位溫漏斗狀插到低層，干冷空氣強(qiáng)盛，其北側(cè)48°N附近還有一冷鋒鋒區(qū)，在不同時(shí)次的剖面圖同樣表現(xiàn)出類似的結(jié)構(gòu)，不斷向南補(bǔ)充冷空氣；在底層有一假相當(dāng)位溫“反漏斗狀”上凸，有暖濕氣流輸送。暖濕與干冷空氣之間的對峙，使得鋒區(qū)得以維持，梅雨鋒區(qū)內(nèi)及鋒區(qū)兩側(cè)垂直環(huán)流的加強(qiáng)和高低空急流耦合，有利于降水的加強(qiáng)。

圖4 113～119°E平均的850 hPa假相當(dāng)位溫的緯度—時(shí)間剖面圖(a)6日08時(shí)沿117°E的假相當(dāng)位溫的高度—緯度剖面圖(b，單位：K)

4日晚間(圖略)和5日早晨(圖略)的安慶站探空圖顯示，濕層十分深厚，暖濕氣流為降水區(qū)提供了充足的水汽；此外低層維持較大的風(fēng)切變，有利于對流的組織化發(fā)展。5日早晨武漢站的探空(圖略)顯示，低空西南急流和高空西北急流十分強(qiáng)盛，為暴雨的發(fā)生提供了觸發(fā)條件和能量供應(yīng)。

4 高低空急流

高空西風(fēng)急流、低空偏西風(fēng)急流和邊界層偏南風(fēng)高低空急流對暴雨的形成和維持有重要作用[9-10]。許多研究指出降水的日變化與急流的日變化有關(guān)[11-12]。7月5—8日這次暴雨過程中，高低空始終有急流維持(圖5)。用113～119°E，24～28°E(圖5a中方框標(biāo)識)的平均風(fēng)速代表850 hPa低空西南急流的強(qiáng)度，由風(fēng)速和降水量的時(shí)間序列(圖1b)可見，低空急流強(qiáng)度和和長江中下游區(qū)域降水強(qiáng)度都存在明顯的日變化，6日02時(shí)、7日08時(shí)和8日02時(shí)急流強(qiáng)度達(dá)到峰值，與之對應(yīng)在隨后6日08時(shí)、7日14時(shí)、8日08時(shí)的6 h內(nèi)區(qū)域降水量均出現(xiàn)峰值，由此可見低空急流強(qiáng)度與降水強(qiáng)度具有較好的對應(yīng)關(guān)系，且此次過程中，低空急流的增強(qiáng)早于強(qiáng)降水的出現(xiàn)。

圖5 5—8日850 hPa急流(箭頭)、500 hPa高度場(實(shí)線，間隔4 dagpm)和200 hPa風(fēng)速(陰影，單位：m·s-1a.5日08時(shí)；b.6日08時(shí);c.7日08時(shí);d.8日08時(shí)

4.1 高低空急流耦合與上升運(yùn)動

進(jìn)一步分析可見，8日凌晨的區(qū)域平均降水強(qiáng)度僅次于6日凌晨，垂直速度的高度時(shí)間剖面也表明8日凌晨的上升運(yùn)動最強(qiáng)且發(fā)展得最高(圖3b)，而低空急流最強(qiáng)的時(shí)段為6日02—08時(shí)和7日02—08時(shí)， 8日02—08時(shí)低空急流雖也較強(qiáng)，但強(qiáng)度遠(yuǎn)不如前2個(gè)時(shí)段，圖3b中可見低空急流的強(qiáng)度與暴雨兩者之間并不完全對應(yīng)。為尋找8日凌晨強(qiáng)降水的觸發(fā)因子，需要對5—8日的高空急流進(jìn)一步分析。在整個(gè)暴雨過程中，河套地區(qū)至黃河下游一帶始終存在1條高空西風(fēng)急流(圖5)，其中心最大風(fēng)速超過45 m·s-1，但急流的位置和強(qiáng)度存在變化。從位置來看，6—8日110°E附近200 hPa高空急流軸(簡稱西部急流)中心的位置從40°N南部遷移至40°N北部；而120°E附近高空急流軸(簡稱東部急流)中心的位置則略有南落，致使整個(gè)高空急流軸線不斷“傾斜”，呈西北—東南向，從而使得長江中下游處于高空急流出口區(qū)的右側(cè)。徐海明等[13]研究指出：“傾斜”高空急流軸出口區(qū)右側(cè)由于水平風(fēng)場的分布不均勻勢必出現(xiàn)較強(qiáng)輻散場，誘使暴雨發(fā)生發(fā)展，因此高空急流軸走向的變化對與暴雨發(fā)生發(fā)展預(yù)報(bào)有重要意義。

從剖面圖可以看出，高空急流右側(cè)存在明顯輻散(圖6)，5—6日113～119°E上空平均的最大輻散強(qiáng)度維持在(3～5)×10-5s-1，6日后高層北風(fēng)分量顯著增加，而西風(fēng)分量相比之下顯著減少，高空最大輻散強(qiáng)度增至(5～7)×10-5s-1。從平面圖亦可以看出，高空急流傾斜的同時(shí)，急流西部風(fēng)速增大而東部風(fēng)速減小，從而使得長江中下游處于高空急流出口區(qū)的右側(cè)(圖5)。這種低層輻合、高層強(qiáng)輻散的配置，十分有利于上升運(yùn)動的發(fā)展[14]，8日長江中下游地區(qū)高空輻散明顯增強(qiáng)，相應(yīng)的垂直運(yùn)動十分旺盛，暴雨落區(qū)與強(qiáng)上升運(yùn)動區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖6 113～119°E平均的經(jīng)向風(fēng)(實(shí)線，單位：m·s-1，負(fù)值代表北風(fēng))、緯向風(fēng)(點(diǎn)劃線，單位：m·s-1)、垂直速度(虛線，單位：Pa·s-1)和散度(陰影，單位：10-5s-1)的緯度—高度垂直剖面圖(a.5日08時(shí)；b.6日08時(shí)；c.7日08時(shí)；d.8日08時(shí)

4.2 水汽輸送

中低層風(fēng)場顯示，西南急流為本次暴雨過程持續(xù)輸送水汽。從比濕、水汽通量和水汽通量散度來看(圖7)，5—8日長江中下游地區(qū)的850 hPa比濕穩(wěn)定在14～16 g·kg-1，700 hPa的比濕穩(wěn)定在8～10 g·kg-1，且西南地區(qū)東部到長江中下游始終維持較大的水汽通量值，6日08時(shí)的850 hPa水汽通量中心位于鄂東南、大別山區(qū)和皖南，其最大值超過20 g·cm-1·hPa-1·s-1。分析水汽通量散度場發(fā)現(xiàn)，與風(fēng)場輻合區(qū)相對應(yīng)，水汽通量輻合中心存在于長江中下游地區(qū)，5日、7日和8日850 hPa水汽通量散度中心值達(dá)-50×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1，而降水最強(qiáng)的6日的850 hPa水汽通量輻合相對較弱。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，6—8日925 hPa強(qiáng)降水區(qū)的水汽通量散度中心值達(dá)到-60×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1(圖略)，由此可見，長江中下游始終存在充足的水汽輸送和較強(qiáng)的水汽輻合，且超低空水汽輻合對本次暴雨維持起到重要作用。

圖7 5—8日850 hPa水汽通量(箭頭，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1)、水汽通量散度(陰影，單位：10-8g·cm-2·hPa-1·s-1)和比濕(虛線，單位：g·kg-1)(a.5日08時(shí)；b.6日08時(shí);c.7日08時(shí);d.8日08時(shí)

5 中尺度對流系統(tǒng)的演變特征

中尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展是造成本次強(qiáng)暴雨的最主要原因。以7月6日為例，強(qiáng)降水區(qū)位于湖北東部—江蘇南部一帶(圖6虛線之間區(qū)域)，從FY-4A衛(wèi)星云圖的TBB圖像中可以看出，5日21時(shí)15分大別山區(qū)存在對流A，鄂東南—贛西北地區(qū)存在對流云團(tuán)B，鄂西南、江漢有多個(gè)對流云生成(圖8a)，此后分散的對流云合并成云團(tuán)C、D、E(圖8b)，B的北部并入A形成云團(tuán)AB，D與E合并成云團(tuán)DE，AB、C、DE的強(qiáng)度和范圍明顯增大，TBB中心值降至低于-60 ℃(圖8c)，6日03時(shí)長江中下游已形成西南—東北向的帶狀中尺度對流系統(tǒng)MCS，MCS中云團(tuán) C、DE逐漸合并成云團(tuán)CDE，其上游還有F、G等新的對流不斷觸發(fā)并逐漸合并(圖8d)。這種新單體形成和移動過程被稱為“后部建立”和“列車效應(yīng)”[15-16]，新生單體重復(fù)地在其上游形成的MCS作為一個(gè)整體幾乎保持靜止，能引起大范圍的持續(xù)性降水。7月6日長江中下游一帶的MCS中，新對流總是從老對流的西側(cè)發(fā)展，跟隨老對流沿西南—東北方向移動、合并和發(fā)展，MCS系統(tǒng)整體穩(wěn)定少動，云頂最低TBB達(dá)到-60 ℃，長江中下游的大范圍降水從凌晨開始加強(qiáng)，直至下午減弱，持續(xù)超過12 h。

圖8 FY-4A衛(wèi)星云圖TBB圖像(a.5日21時(shí)15分；b.6日00時(shí)15分；c.6日01時(shí)30分；d.6日03時(shí)

6 結(jié)論

①2020年7月5—8日，長江中下游地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)性大暴雨過程，降水量異常偏多，維持時(shí)間明顯偏長，降水強(qiáng)度時(shí)間分布不均勻。

②本次連續(xù)性大暴雨過程是在大尺度調(diào)整的背景下產(chǎn)生的。阻高崩潰帶動中高緯度的中高層冷空氣持續(xù)南下，在長江流域與北上的暖濕氣流交匯，使得鋒區(qū)得以維持，有利于大范圍持續(xù)性的暴雨產(chǎn)生和發(fā)展。

③高低空急流耦合對本次連續(xù)性暴雨有重要作用。低空急流強(qiáng)度與降水強(qiáng)度具有較好的對應(yīng)關(guān)系。8日低空急流強(qiáng)度雖然減弱，但在低空急流和“傾斜”的高空急流的動力作用下，長江中下游地區(qū)上空存在高層輻散和低層輻合，形成旺盛的強(qiáng)上升運(yùn)動，為連續(xù)性暴雨的發(fā)生和維持創(chuàng)造有利條件，8日凌晨的區(qū)域平均降水強(qiáng)度僅次于6日凌晨，這也進(jìn)一步說明高低空急流在本地連續(xù)性暴雨過程中有重要作用。

④暴雨發(fā)生過程中長江中下游始終有西南氣流輸送的充足水汽，且超低空水汽輻合對本次暴雨的維持有重要作用。

⑤中尺度對流系統(tǒng)的“列車效應(yīng)”發(fā)展是導(dǎo)致本次大暴雨的直接原因，強(qiáng)降水云團(tuán)移動緩慢且具有后向傳播的特征，從而引起大范圍的持續(xù)性降水。