高琦，姚秀萍

(1.武漢中心氣象臺，武漢430074；2.中國氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測預警湖北省重點實驗室，武漢430205；3.中國氣象局氣象干部培訓學院，北京100081；4.長江流域氣象中心，武漢430074)

引言

2020年長江中下游地區(qū)入梅時間早，出梅時間晚，梅雨期偏長，期間強降水過程頻繁。長江流域出現(xiàn)了大范圍的洪澇災(zāi)害，自6月下旬開始，長江中下游干流江段超警，至8月末方全線退出警戒，洪澇持續(xù)時間之長，影響范圍之廣，歷史罕見。

關(guān)于長江流域梅雨鋒暴雨致洪的成因，國內(nèi)外學者開展了一系列研究工作(丁一匯，1993；葉篤正等，1996；陶詩言等，2001；黃榮輝等，2003)。陶詩言(1980)指出，長江流域持續(xù)性暴雨的發(fā)生必須有頻繁的北方弱冷空氣活動。黃榮輝等(2012)的研究表明，與高空急流相關(guān)的西風帶擾動頻繁在華北上空活動，使得弱冷空氣不斷從北方南下到長江流域，造成了冷暖空氣在長江流域交匯，從而導致了20世紀70年代中后期到90年代初長江流域多持續(xù)性暴雨。Kato等(1985，1987)的研究表明，中國大陸上的梅雨鋒是中緯度氣團與季風氣團的交匯區(qū)。張順利等(2002)研究了長江中下游致洪暴雨的多尺度條件，指出長江中下游持續(xù)性強降水的環(huán)流條件是：太平洋副熱帶高壓、南海季風涌、中、高緯度冷空氣和青藏高原中α尺度對流系統(tǒng)的最佳組配，當這4個系統(tǒng)同時處于活躍階段時，容易形成大范圍、長時間的暴雨。中、高緯度冷空氣的南侵，增強了干濕空氣的對比，加強了梅雨鋒。崔春光等(2019)認為梅雨鋒北側(cè)冷空氣通過正渦度平流直接向梅雨鋒前中尺度對流系統(tǒng)的正渦度柱輸送正渦度，梅雨鋒結(jié)構(gòu)的維持是濕物理過程產(chǎn)生的梅雨鋒的鋒生作用與鋒前中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展形成的一種正反饋過程。黃偉和陶祖鈺(1995)利用軌跡法研究了梅雨期低層冷空氣的三維運動，指出冷空氣位于北支鋒區(qū)后方時為較強的下沉運動。當它從北支鋒區(qū)中脫離后轉(zhuǎn)為上升運動，隨著梅雨鋒上氣旋的發(fā)展，在梅雨鋒后又轉(zhuǎn)為下沉運動。高坤和徐亞梅(2001)研究了梅雨鋒低渦相關(guān)的冷空氣的來源，認為來自低渦偏東或東北方向的冷空氣以進入低渦西北象限的最為深厚，而進入東北、西南象限的冷空氣較為淺薄。姚秀萍等(2005，2007)的研究表明，中低層30°N以北的正環(huán)流的下沉支是干冷空氣輸送的“載體”，而干冷空氣的侵入(張志剛等，2009；江麗俐等，2011；尹東屏等，2013；苗春生等，2015；趙大軍和姚秀萍，2017)是梅雨濕度鋒形成和維持的一個重要動力和熱力原因，對于暴雨的加強具有重要作用，低層強烈暖平流配合中層小股弱干冷空氣，形成上干冷下暖濕層結(jié)，有利于不穩(wěn)定建立機制建立，從而形成暴雨。

上述研究從熱力、動力等多角度研究了干冷空氣在暴雨過程以及梅雨鋒發(fā)展維持中的作用，而在2020年梅汛期暴雨中，是否也存在這樣的特征，又有什么差異？本文利用NCEP/NCAR再分析資料、風廓線雷達資料、實況觀測降水數(shù)據(jù)等，對2020年長江中下游梅汛期干冷空氣的空間結(jié)構(gòu)特征、時間演變特征及對暴雨維持和加強的作用進行研究，以加深對梅雨鋒暴雨中干冷空氣作用的理解和認識。

1 2020年長江中下游梅雨期降雨的時空分布特征

2020年長江中下游梅雨期自6月9日開始，7月31日結(jié)束，持續(xù)時間長達52 d，較常年偏長23 d。從梅雨期累積降水空間分布來看(圖1a)，長江中下游沿江附近地區(qū)累積降水量普遍在500 mm以上，其中最強降水中心位于湖北東北部、安徽中南部、江西東北部地區(qū)，部分站點降水量可達1 000～1 500 mm，其中最大降水量出現(xiàn)在黃山站，達1 589 mm。梅雨期間主要降水過程有10次，分別在6月9日、6月11—13日、6月15日、6月20—24日、6月27—30日、7月2—3日、7月4—9日、7月10—12日、7月18—19日、7月26—27日。從長江中下游地區(qū)257站平均降水量及暴雨站數(shù)(圖1b)逐日演變來看，6月上中旬，長江中下游地區(qū)降水過程頻繁，但范圍較小，降水強度不大，此期間日均超過50 mm站數(shù)基本在40站以下；6月下旬起梅雨期降水明顯增強，面上日降水量可達20 mm以上，超過50 mm站數(shù)可達40站以上；最強時段則出現(xiàn)在7月上中旬，其中又以7月7日降水強度最大、暴雨影響范圍最廣；進入7月下旬，降水過程明顯減少，強度減弱，梅雨逐漸結(jié)束。

圖1 2020年長江中下游梅雨期累積降水分布(a,單位:mm,藍色線條為長江流域邊界)及長江中下游逐日平均降水量(柱狀,單位:mm)及超過50 mm的站數(shù)(折線)(b)Fig.1(a)The distribution of cumulative precipitation (unit: mm, the blue line shows the boundary of the Yangtze River basin) and (b) the daily averageprecipitation (column, unit: mm) and the number of stations over 50 mm (broken line) during theMeiyu period in the middle and lower reaches of the Yangtze River in 2020.

2 大氣環(huán)流的演變及冷空氣的活動

張慶云和陶詩言(1998)的研究表明，長江中下游梅雨期異常降水與中高緯阻塞型的建立密切相關(guān)。圖2a為沿60°N的500 hPa高度場緯向時間演變，用以反映中緯度阻塞高壓的活動。從中可見，在2020年長江中下游梅雨期，中緯度阻塞高壓的活動大致可分為四個階段：第一階段在6月上旬末至6月下旬，阻高(圖2a)在烏拉爾山(60°E)以西地區(qū)建立并穩(wěn)定維持，結(jié)合逐日天氣圖可以看到，貝加爾湖地區(qū)有高壓脊發(fā)展，但強度總體偏弱；第二階段在6月下旬至7月上旬初，烏拉爾山以西阻高逐漸減弱消失，而在貝加爾湖(105°E)附近地區(qū)有“單阻”發(fā)展增強并穩(wěn)定維持，梅雨期的降水逐漸加強；第三個階段在7月上中旬，在烏拉爾山(60°E)及鄂霍茨克海(140°E)附近地區(qū)有阻塞高壓先后建立，并在7月上中旬發(fā)展為最強，這與梅雨期降水的最強時段有較好的對應(yīng)。第四個階段為7月下旬以后，隨著“雙阻”形勢的減弱崩潰，梅雨期的降水也呈逐步減弱的趨勢。

沿80°N的500 hPa高度場的緯向時間演變(圖2b)可以較好的反映極渦的活動特征，從中可見，極渦發(fā)展最為旺盛的時期在6月上中旬，在6月下旬至7月末，極渦存在階段性的東西擺動，但強度總體偏弱。具體而言，6月上中旬，極渦以西移為主，并在移動過程中明顯增強，至6月16日前后達最強，期間中心高度值528 dagpm的等值線在60°—80°E附近出現(xiàn)。6月下旬至7月上旬，極渦在短暫東移后，再次向西移動，但強度明顯減弱。7月中旬至7月下旬，極渦強度無明顯變化，但處于持續(xù)的東移的過程中。結(jié)合極渦與降水的演變來看，極渦的增強減弱與東西移動，與降水增強及減弱并不具有一致性特征，因而有必要結(jié)合大尺度環(huán)流的特征進行進一步分析。

圖2 2020年6—7月500 hPa高度場沿60°N(a)、80°N(b)時間-經(jīng)度剖面(單位:dagpm)Fig.2 Thelongitude-timecross section for 500 hPaheight(unit:dagpm)from Juneto July 2020 along(a)60°Nand(b)80°N.

鑒于阻塞高壓與降水的演變特征對應(yīng)的更好，因而對阻塞高壓發(fā)展的四個階段的大尺度環(huán)流形勢進行了合成分析。從第一階段的500 hPa平均高度場及其距平(圖略)可以看出，在6月上旬末至6月下旬中期，亞洲中高緯呈現(xiàn)東西向(緯向排列)的“-+-”的波列，即在巴爾喀什湖附近地區(qū)，有極渦向南伸展的經(jīng)向度較大的低槽發(fā)展，且在對應(yīng)的極地至巴爾喀什湖地區(qū)表現(xiàn)為明顯的負距平，貝加爾湖以西地區(qū)為一弱脊控制，我國東北北部至鄂霍茨克海有低槽發(fā)展，且有明顯的負距平。在極渦及鄂霍茨克海低槽之間，有一阻高發(fā)展，呈現(xiàn)明顯的正距平，其與鄂霍茨克海負距平區(qū)、副高及其北側(cè)正距平區(qū)，形成了南北向(經(jīng)向分布)的“+-+”的波列。在第二階段中，極地上空極渦減弱，并由前期的負距平區(qū)轉(zhuǎn)為正距平，貝湖地區(qū)有異常的高壓脊發(fā)展，并與北美高壓脊共同形成了一條狹長的穿越極地的正距平區(qū)，鄂霍茨克海附近低槽經(jīng)向度顯著增大，巴爾喀什湖低槽加深，來自中高緯的冷空氣進一步南侵，長江中下游的降水較前期明顯增強。在第三階段中，亞洲中高緯地區(qū)的烏拉爾山、鄂霍茨克?！半p阻”形勢形成并穩(wěn)定維持，在亞洲中高緯地區(qū)形成東西向(緯向排列)“+-+”，同時在亞洲中高緯及我國東部地區(qū)形成了南北向(經(jīng)向分布)的“+-+”的波列，在這一時期長江中下游降水進入峰值期。第四個階段中，“雙阻”形勢減弱崩潰，副熱帶高壓偏西、偏北、偏強，我國中東部地區(qū)呈現(xiàn)明顯的正距平，冷空氣的勢力明顯減弱。綜合四個階段大尺度環(huán)流的特征，南北向或準南北向的“+-+”的波列始終維持，但位置略有差異，大氣環(huán)流的這種配置，有利于冷空氣自中高緯地區(qū)南下，與向北推進的副高外圍暖濕氣流形成梅雨鋒上持續(xù)的降水。同時注意到，極渦在降水的第二、三階段明顯減弱，表現(xiàn)為極地附近呈明顯的正距平，繞極地有多個低值中心發(fā)展的特征。冷空氣在80°N以南地區(qū)的堆積，并隨著中高緯度擾動南侵，對于長江中下游降水的發(fā)展和增強是較為有利的。

3 干冷空氣特征及其在暴雨過程中的作用

3.1 與干冷空氣相關(guān)的經(jīng)向風的時間演變特征

從長江中下游地區(qū)經(jīng)向風的演變圖(圖3a、b)表明，梅雨期內(nèi)(6月9日—7月31日)，500 hPa高度上(圖3a)，北風存在9次明顯的向南發(fā)展加強的過程，與降水過程有較好的對應(yīng)。偏北氣流的大值中心多位于35°—55°N之間，少數(shù)過程略偏北，位于55°—60°N之間，偏北氣流的南界可達30°N以南地區(qū)。在850 hPa高度上(圖3b)，也存在9次偏北氣流向南發(fā)展的過程，但偏北氣流基本在30°N以北地區(qū)發(fā)展。長江中下游地區(qū)對流層中低層盛行偏南氣流，在26°—30°N附近存在等值線密集帶及4～10 m·s-1的正值中心，表明南風氣流發(fā)展旺盛，且存在較為明顯的南風風速輻合。從偏北氣流影響的位置上來看，500 hPa影響的區(qū)域較850 hPa略偏南。高、低層北風風速隨高度降低逐漸減小，表明干冷空氣活動在對流層中高層相較于對流層低層更為活躍。對比逐日降水量的演變后發(fā)現(xiàn)，每一次30°N以北地區(qū)500 hPa上出現(xiàn)中心強度在6 m·s-1以上的偏北氣流，伴隨經(jīng)向風風速零線南壓至26°—32°N之間，疊加于850 hPa的南風氣流之上時，梅雨期降水也隨之顯著增強。

進一步分析110°—120°E，28°—32°N上空經(jīng)向風垂直剖面的時間演變特征(圖3c)可以看出，對流層中低層南風發(fā)展旺盛，北風的最大風速中心位于100—200hPa之間，中心強度可達6～12 m·s-1，并可向低層伸展至400—600 hPa，其中7月4—9日過程中，100—200 hPa高度上北風的中心強度可達16 m·s-1以上，而在6月27—30日過程中，偏北氣流可向下影響到850 hPa。

圖3 2020年6—7月110°—120°E范圍內(nèi)500 hPa(a)、850 hPa(b)平均經(jīng)向風的緯度-時間演變及2020年6—7月(110°—120°E,28°—32°N)范圍內(nèi)平均經(jīng)向風高度-時間剖面(c,單位:m·s-1,填色為北風)Fig.3 Thelatitude-timecrosssection for meridional wind averaged over 110°-120°Eat(a)500 hPaand(b)850 hPa,and(c)the height-timecrosssection for meridional wind averaged over(110°-120°E,28°-32°N)during June-July of 2020(unit:m·s-1,theshaded region showsnortherly).

3.2 與干冷空氣相關(guān)的三維流場特征

為進一步研究干冷空氣在2020年梅雨期暴雨中的動力機制，選取梅雨期中5次降水強度大，影響范圍廣的典型過程，沿降水最強時段的降水中心位置作經(jīng)向流場的剖面圖（圖4）。

圖4 沿過程降水中心(黑色三角)6月13日02∶00時沿114°E(a)、6月23日08∶00時沿116°E(b)、6月29日08∶00(c)及7月7日14∶00時沿114°E(d)、7月19日02∶00時沿115°E時(e)的經(jīng)向環(huán)流(流線)和經(jīng)向風(填色,單位:m·s-1)的經(jīng)向剖面Fig.4 Themeridional vertical crosssection for themeridional circulation(stream)and themeridional wind(shaded,unit:m·s-1)alongthecenter of precipitation(theblack triangleindicates precipitation center location)for(a)02∶00 BTon 13 Junealong114°E,(b)08∶00 BTon 23 Junealong 116°E,(c)08∶00 BT 29 on Junealong114°E,(d)14∶00 BTon 7 July along114°E,and(e)02∶00 BTon 19 July along115°E.

6月13日02∶00(圖4a，北京時，下同)，降水中心南側(cè)對流層中低層南風氣流旺盛發(fā)展，其中心位于700 hPa附近，經(jīng)向風風速在10 m·s-1以上。降水中心北側(cè)近地面為偏北氣流，經(jīng)向風風速約為-4 m·s-1。南北氣流輻合形成了一支自地面至700 hPa高度的由低緯向高緯傾斜的斜升氣，其下沉支在降水中心北側(cè)形成熱力直接環(huán)流(正環(huán)流)。在30°N以北400—500 hPa上，有另一支偏北氣流存在，其一方面下沉，加強了近地面的干冷氣流，另一方面與南側(cè)的偏南氣流輻合，在500—200 hPa高度上形成另一支上升氣流，并在200—100 hPa高度上形成明顯的高空輻散，輻散氣流在降水中心南、北兩側(cè)形成對稱發(fā)展的南北風大值中心，并在降水中心南側(cè)200—300 hPa高度上形成熱力間接環(huán)流(反環(huán)流)。近地面干冷空氣與暖濕氣流形成初始抬升，中層干冷空氣的接力抬升，高空輻散，雨區(qū)南、北兩側(cè)的反、正環(huán)流的上升支，共同為此次暴雨提供了有利的動力抬升條件。

6月23日08∶00(圖4b)，降水中心南側(cè)有南風發(fā)展，經(jīng)向風中心位于700—900 hPa，風速為6 m·s-1，北側(cè)近地面有中心風速在-4 m·s-1的偏北氣流，南北氣流在降水中心上空600 hPa以下，形成一支上升氣流。在降水中心北側(cè)500 hPa高度上，有一支中心風速在-2 m·s-1的偏北氣流發(fā)展，使得偏南氣流在500—200 hPa的高度上再度得到明顯抬升，并在200 hPa以上形成高空輻散氣流。輻散產(chǎn)生的偏北氣流，在降水中心南側(cè)100—200 hPa高度上形成10 m·s-1以上的大值中心，其下方有一支反環(huán)流發(fā)展，其上升支進一步加強了雨區(qū)上空的動力抬升。

6月29日08∶00(圖4c)，降水中心北側(cè)為深厚的偏北氣流控制，其中心位于200—400 hPa，經(jīng)向風風速達-12 m·s-1以上。降水中心南側(cè)南風的大值中心風速約為6 m·s-1。南北氣流輻合產(chǎn)生了自地面至300 hPa的垂直上升氣流。與前兩次過程不同的是，此次過程在對流層高層無明顯的輻散，而是在降水中心南側(cè)形成自300 hPa至近地面的反環(huán)流。

在梅雨期最強降水過程中的7月7日14∶00(圖4d)，25°—45°N地區(qū)200 hPa高度上為一致的偏北氣流，并且在降水中心南、北兩側(cè)各存在一個風速的大值中心，其中降水中心北側(cè)的偏北氣流中心位于40°N附近100—200 hPa高度上，中心風速達-24 m·s-1，其向下沉發(fā)展至500 hPa高度，疊加于降水中心中低層經(jīng)向風速6 m·s-1的南風氣流之上，一方面增強了垂直方向上的不穩(wěn)定層結(jié)，另一方面在降水中心上空形成了自地面至300 hPa一致的上升氣流。此外，降水中心南側(cè)反環(huán)流上升支對于該上升氣流的加強有正貢獻。

7月18日02∶00(圖4e)，干冷空氣主要在降水中心北側(cè)700 hPa以下發(fā)展，經(jīng)向風大值中心風速達-8 m·s-1。降水中心南側(cè)低空急流位于850 hPa附近，中心風速在12 m·s-1以上。在低空急流的北側(cè)，有一支明顯的垂直上升氣流，其北、南兩側(cè)有反、正環(huán)流發(fā)展，其上升支共同加強了雨區(qū)上空的垂直上升運動。在冷暖空氣的輻合抬升、高層輻散及正、反環(huán)流的共同作用下，降水得以加強。

從上述個例中與干冷空氣相伴的三維結(jié)構(gòu)特征表明，梅雨鋒上強降水的發(fā)生，與干冷空氣密切相關(guān)。干冷空氣以偏北氣流形式在近地面及對流層中層發(fā)展。中高層干冷空氣的存在一方面增強了垂直方向上的“上干冷、下暖濕”的對流不穩(wěn)定層結(jié)，另一方面使得在冷暖空氣在中低層抬升的基礎(chǔ)上，在對流層中層再度抬升，形成接力效應(yīng)。此外，高空輻散抽吸作用及正、反環(huán)流上升支及次級環(huán)流則有利于動力抬升的進一步發(fā)展與增強。

3.3 干冷空氣與梅雨鋒的相互作用

梅雨鋒對流層中下層鋒面由強假相當位溫水平梯度形成(鄭永光等，2007)。圖5給出了2020年梅雨期5次強降雨過程沿降水中心的假相當位溫、垂直速度、風場剖面。從6月13日02∶00(圖5a)圖上可以看出，鋒區(qū)位于32°—34°N，隨高度向北傾斜，30°—32°N的對流層中低層為假相當位溫高值區(qū)。鋒區(qū)及其以南為一致的偏南風，在鋒區(qū)北側(cè)對流層中層500 hPa附近有偏北氣流發(fā)展，并伴有假相當位溫等值線密集帶的南凸。假相當位溫高值區(qū)以上為上升運動區(qū)，上升運動中心達-2.5 Pa·s-1以上，位于假相當位溫高值區(qū)及南凸的假相當位溫密集帶之間的對流層中層。從6月23日08:00(圖5b)圖上可以看出，梅雨鋒區(qū)位于30°—31°N，強降水中心位于梅雨鋒的北部邊緣，其以南地區(qū)有假相當位溫高值區(qū)發(fā)展，近地面冷空氣楔向南侵入，形成輻合上升，并在700—900 hPa高度上形成中心為-1 Pa·s-1的上升運動中心，此外，伴隨著中層偏北氣流的發(fā)展，在400 hPa高度上，形成一弱上升運動次中心。從6月29日08∶00(圖5c)圖上可以看出，強降水中心南側(cè)假相當位溫存在兩個高值中心，分別位于29°N附近的近地面，及30°N附近的對流層中層。干冷空氣同樣存在近地面和對流層中層兩個中心。冷暖空氣輻合，在30°N附近的850 hPa和500 hPa高度上分別形成-1.5 Pa·s-1和-2.5 Pa·s-1的上升運動中心，且對流層中層的上升運動明顯強于對流層中低層。從7月7日14∶00(圖5d)圖上可以看出，在對流層中低層，南風攜暖濕氣團向北發(fā)展至35°N附近。偏北氣流攜干冷氣團在對流層中層南侵，在31°N附近形成自地面至200 hPa的上升運動區(qū)，上升運動中心為-5.5 Pa·s-1，位于對流層中層。從7月19日02∶00(圖5e)圖上可以看出，干冷空氣在對流層中低層南侵。暖氣團一側(cè)，對流層中低層南風急流旺盛發(fā)展，可達20 m·s-1以上。暖氣團在冷氣團之上爬升，梅雨鋒區(qū)隨高度向北傾斜。200 hPa高度上，有明顯的高空輻散發(fā)展。在低空輻合、高空輻散的共同作用下，31°N附近自地面至200 hPa形成明顯的上升運動，上升運動的中心位于400 hPa，強度約為-5.5 Pa·s-1。

從上述個例所反映的梅雨鋒暴雨的動熱力場的垂直結(jié)構(gòu)特征表明，梅雨鋒上的干冷空氣來自對流層中層及對流層低層，二者或同時出現(xiàn)或單獨出現(xiàn)，在剖面圖上表現(xiàn)為假相當位溫低值區(qū)的南凸及偏北氣流的發(fā)展。上升運動中心多位于干冷空氣南側(cè)，假相當位溫大值區(qū)的上空。當對流層中層、低層干冷空氣同時出現(xiàn)時，往往會在對流層中層和低層分別形成上升運動中心，通過兩層上升運動的疊加效應(yīng)，為暴雨提供動力條件。

3.4 中高層干冷空氣的演變特征及作用

本文3.1中對干冷空氣的活動特征分析表明，在2020年梅汛期，對流層中高層的干冷空氣中相較于低層冷空氣更為活躍，因此，下文利用2020年中國氣象局武漢暴雨研究所梅雨鋒降水地-空-星基聯(lián)合觀測試驗中咸寧風廓線雷達數(shù)據(jù)，重點分析中高層干冷空氣的演變特征及作用。在7月4—9日強降水過程中，咸寧站最強降雨時段出現(xiàn)在5日14∶00—22∶00，圖6a為7月5日00∶00—6日00∶00咸寧站的風廓線雷達的演變特征，從圖中可以看到，5日06時之前(過程開始之前)，咸寧上空5 km以上為平直的西風氣流，5 km以下為西南氣流。5日06時之后，咸寧上空12—16 km高度上的偏西氣流開始逐漸轉(zhuǎn)為西北氣流，并且逐漸侵入至對流中低層，從咸寧站北側(cè)的武漢站T-log P圖(圖6b、c)上也可以看到這種對流層中高層偏北氣流明顯增強的特征，考慮這種變化與南亞高壓加強東伸后與高空輻散相關(guān)的偏北氣流明顯加強密切相關(guān)。5日18時—20時，干冷的西北氣流已經(jīng)向下發(fā)展至5—7 km高度。對流層中低層(3 km以下)的西南暖濕急流在此期間也逐步增強并向上抬升至5 km左右，5日20時，對流層中層700 hPa西南暖濕急流達到了20 m·s-1以上。中高層干冷空氣的侵入與中低層暖濕氣流的增強發(fā)展，使得咸寧上空對流不穩(wěn)定顯著增強。在干冷空氣侵入梅雨區(qū)上空后，5日22:00起，在湖北中東部850 hPa上有低渦生成(圖略)，并逐漸東移發(fā)展。在低渦的東南象限，1 h雨強普遍在20～40 mm·h-1，局部達50 mm·h-1以上。

圖6 2020年7月5日00∶00—7月6日00∶00咸寧站風廓線的時間變化(a)、7月4日08∶00武漢站T-log P圖(b)、7月5日08∶00武漢站T-log P圖(c)Fig.6(a)Theprofilewind at Xianningstation during 00∶00 BTon 5 July to00∶00 BTon 6 July,(b)the T-log P at Wuhan station at 08∶00 BTon 4 July,and(c)the T-log P at Wuhan station at 08∶00 BTon 5 July 2020.

Ninomiya(1986)、Nagata(1984)的研究表明，梅雨鋒主要表現(xiàn)為濕度對比。沿咸寧站(115°E)以相對濕度小于60%的區(qū)域為干區(qū)(圖7，灰色陰影)做垂直剖面，從逐6 h干濕氣團的演變特征可以清晰地看到干冷空氣侵入的過程。7月5日02∶00(圖7a)在32°N以北地區(qū)500 hPa上空有干冷空氣從高層垂直向下發(fā)展；至7月5日08∶00(圖7b)在32°N以北地區(qū)下降至700 hPa高度，雨帶上空為一致的濕氣團控制；在7月5日14∶00—20∶00期間(圖7c、d)，可以看到干冷氣團在對流層中層進一步向南發(fā)展增強，同時來自雨帶以南的暖濕氣流向北發(fā)展增強，并沿冷氣團向上爬升，在雨帶北側(cè)形成明顯的自低層向高層的“濕-干-濕”的位勢不穩(wěn)定層結(jié)，強降水則發(fā)生在這種干濕氣團等值線密集帶中。干冷空氣帶來的擾動使得大氣的斜壓性增大，由干冷的下沉氣流與暖濕上升氣流造成輻合的旋轉(zhuǎn)上升，垂直渦度拉伸使輻合進一步增強，可進一步解釋低渦的生成、維持及降水的增強。

圖7 2020年7月5日02:00(a)、7月5日08∶00(b)、7月5日14:00(c)、7月5日20∶00(d)沿115°E的相對濕度的經(jīng)向剖面圖(單位：%)Fig.7 Thelatitude-height crosssectionsof relativehumidity(unit:%)along115.5°E.02:00 BT on 7 July,(b)08∶00 BTon 7 July,(c)14∶00 BTon 8 July,and(d)20∶00 BTon 8 July 2020.

4 結(jié)論與討論

本文分析了2020年梅雨期干冷空氣的演變和結(jié)構(gòu)特征及其在暴雨過程中的作用，得到以下結(jié)論：

(1)梅雨期降雨過程的演變與中高緯阻塞系統(tǒng)的演變與調(diào)整密切相關(guān)，梅雨期降雨自阻塞高壓在烏拉爾山以西地區(qū)建立開始發(fā)展，在“單阻”環(huán)流型下開始增強，在“雙阻”環(huán)流型維持的階段，降水達到最強時期，在“雙阻”形勢崩潰后逐漸趨于結(jié)束。南北向的“+-+”波列，有利于冷空氣自中高緯地區(qū)南下，與向北推進的西太平洋副熱帶高壓外圍暖濕氣流在長江中下游地區(qū)遭遇，形成梅雨鋒上持續(xù)的降水。極渦減弱，冷空氣在80°N以南地區(qū)堆積，并隨著中高緯度擾動南侵，是降水加強的有利形勢。

(2)梅雨期間，干冷空氣的活動在對流層中層相較于對流層低層更為明顯，500 hPa上北風存在9次明顯的向南發(fā)展加強的過程，北風加強的時段與降水過程有較好的對應(yīng)。高低層北風風速隨高度降低逐漸減小。每一次30°N以北地區(qū)500 hPa上出現(xiàn)中心強度在6 m·s-1以上的偏北氣流，伴隨經(jīng)向風風速零線南壓至26°—32°N之間，疊加于850 hPa的南風氣流之上時，梅雨期降水也隨之顯著增強。

(3)在2020年梅汛期5次典型暴雨過程中，均有干冷空氣的參與。梅雨鋒兩側(cè)正、反環(huán)流及次級環(huán)流上升支的疊加作用，在垂直方向上建立深厚對流，從而造成強的動力抬升；干冷空氣多從對流層中層、低層侵入，形成相應(yīng)的垂直運動中心，對流層中層、低層的接力式抬升，為暴雨提供了有利條件。此外，中高層干冷空氣的下沉及卷入，增強了垂直方向上的“上干冷、下暖濕”的對流不穩(wěn)定層結(jié)。對流層高層形成南北風的輻散，配合中低層輻合區(qū)，加強了動力抬升機制。

(4)從咸寧站風廓線雷達及干濕氣團的演變可以清楚看到中高層干冷空氣侵入的過程，中高層干冷空氣侵入及中低層暖濕氣流的熱力對比增強，形成了明顯的位勢不穩(wěn)定層結(jié)。結(jié)合干冷空氣侵入后低渦的生成、發(fā)展的觀測事實表明，由干冷的下沉氣流與暖濕上升氣流造成輻合的旋轉(zhuǎn)上升，垂直渦度拉伸使輻合進一步增強，有利于低渦的生成、維持及降水的增強。