周金蓮 張家國(guó) 吳 濤 許冠宇 劉希文 王 玨 韓芳蓉

1 武漢中心氣象臺(tái)，武漢 430074

2 中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所，暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430205

提 要： 利用2008—2016年常規(guī)觀測(cè)、地面自動(dòng)站和NCEP再分析場(chǎng)資料，結(jié)合天氣雷達(dá)和氣象衛(wèi)星等資料，在系統(tǒng)性分析39例梅雨期極端暴雨過(guò)程邊界層中尺度天氣系統(tǒng)動(dòng)力熱力特征的基礎(chǔ)上，研究歸納了三種不同天氣類(lèi)型下極端暴雨邊界層中尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)展模型。結(jié)果表明：在同一類(lèi)天氣類(lèi)型背景下，對(duì)應(yīng)的極端暴雨中尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)展具有相同的規(guī)律，且極端暴雨的產(chǎn)生均與邊界層中尺度天氣系統(tǒng)的強(qiáng)烈發(fā)展有密切關(guān)系，而長(zhǎng)江中游特殊地形在邊界層中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展中起到重要作用。在有利環(huán)流背景和強(qiáng)烈發(fā)展邊界層中尺度天氣系統(tǒng)的觸發(fā)和組織作用下，中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)的合并加強(qiáng)、停滯、后向傳播以及對(duì)流單體列車(chē)效應(yīng)等是極端強(qiáng)降水產(chǎn)生的重要原因。鋒面氣旋類(lèi)極端暴雨地面中尺度天氣系統(tǒng)有三種，均由冷式切變線、暖區(qū)局地中尺度輻合線和大別山西側(cè)MCS出流邊界等交匯發(fā)展而來(lái)。低渦切變極端暴雨的中尺度天氣系統(tǒng)主要是邊界層新生于武陵山脈東部江漢-洞庭湖平原的局地中尺度渦旋，尺度為150～300 km，其形成伴隨顯著的邊界層多支氣流的強(qiáng)烈輻合、局地斜壓性的發(fā)展過(guò)程等；局地中尺度渦旋的形成與西南渦和長(zhǎng)江中游特殊地形密切相關(guān)，四川盆地西南渦加強(qiáng)，湘鄂西部二級(jí)地形區(qū)域渦前強(qiáng)降水的形成是其發(fā)展的主要誘因，有利于多支氣流輻合的長(zhǎng)江中游馬蹄形地形是其在江漢-洞庭湖平原多發(fā)的關(guān)鍵因素。弱強(qiáng)迫梅雨鋒暖區(qū)極端暴雨中尺度天氣系統(tǒng)的形成發(fā)展與大別山西側(cè)雷暴冷池逆流和夜間邊界層超低空急流的輻合增強(qiáng)、維持有關(guān)。

引 言

受亞熱帶季風(fēng)、特殊地形等影響，長(zhǎng)江中游極端暴雨頻繁，常引發(fā)山洪、泥石流和洪澇等災(zāi)害。許多重大過(guò)程的預(yù)報(bào)與實(shí)況均有較大偏差，如2012年7月12日鄂東局地極端暴雨過(guò)程，2019年6月5日由邊界層新生的局地中尺度渦旋產(chǎn)生的江漢平原極端暴雨過(guò)程，2020年7月26日由低渦和地形作用引起的湖北建始極端暴雨過(guò)程等。究其原因，主要還是人們對(duì)梅雨鋒極端暴雨邊界層中尺度天氣系統(tǒng)活動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不夠，無(wú)法對(duì)數(shù)值模式降水預(yù)報(bào)偏差做出有效的訂正。

暴雨是多種尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果(Maddox et al，1979；陶詩(shī)言，1980；Bosart, 1984；Ninomiya et al，2003)，是在有利的天氣背景下由特殊組織結(jié)構(gòu)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生的(王曉芳和崔春光，2012)，而這些中尺度對(duì)流系統(tǒng)與邊界層中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展有著密切關(guān)系(貝耐芳等，2003；孫建華等，2004；廖移山等，2011；張家國(guó)等，2013；2015)。多年來(lái)，眾多學(xué)者先后研究過(guò)長(zhǎng)江中游梅雨期暴雨天氣背景特征(丁一匯，1976；張小玲等，2004；Luo et al，2017)，主要有低渦切變、鋒面氣旋和梅雨鋒暖區(qū)三類(lèi)(張家國(guó)等，2015;2018；黃小彥等，2020)，本文將圍繞這三類(lèi)天氣類(lèi)型開(kāi)展邊界層中尺度天氣系統(tǒng)活動(dòng)規(guī)律研究。有關(guān)長(zhǎng)江中游梅雨期低渦切變背景下梅雨鋒暴雨典型個(gè)例研究相對(duì)較多。高坤和徐亞梅(2001)對(duì)1999年6月下旬暴雨過(guò)程研究指出，影響長(zhǎng)江中下游梅雨鋒暴雨的中尺度擾動(dòng)多是西南渦前因局地?zé)崃?、?dòng)力原因在邊界層新生的中尺度渦旋，而西南渦一般很少移出四川盆地。董佩明和趙思雄(2004)對(duì)該過(guò)程研究發(fā)現(xiàn)，五個(gè)中尺度低壓按其特征可歸納為兩種類(lèi)型：第一類(lèi)中尺度低壓往往表現(xiàn)為由長(zhǎng)江中上游快速移動(dòng)到下游地區(qū)，并可能在長(zhǎng)江中下游顯著發(fā)展；第二類(lèi)則是在長(zhǎng)江中游地區(qū)局地新生的梅雨鋒中尺度擾動(dòng)。王智等(2003)研究發(fā)現(xiàn)，在東移的α中尺度低渦的東南部邊界層激發(fā)出一個(gè)β中尺度渦旋，該β中尺度渦旋與一強(qiáng)暴雨區(qū)相伴移動(dòng)。廖移山等(2011)分析發(fā)現(xiàn)西南渦前邊界層中尺度渦旋的發(fā)展對(duì)2011年7月22日襄樊特大暴雨過(guò)程發(fā)生有重要作用。張家國(guó)等(2013)、吳濤等(2017)個(gè)例分析認(rèn)為,湖北省江漢平原特大暴雨與西南渦前武陵山東部的江漢平原新生渦旋有密切關(guān)系。孫淑清和杜長(zhǎng)萱(1996)特別指出，低渦背景下局地新生的中尺度渦旋是梅雨鋒上重要的中尺度擾動(dòng)系統(tǒng)，而西南渦本身很少移出。張敬萍等(2015)的研究揭示了局地中尺度渦旋多發(fā)于武陵山東部長(zhǎng)江中游的地理分布特征。另外，還有許多有關(guān)中尺度渦旋及中尺度低壓形成發(fā)展機(jī)理的研究(Ninomiya and Muraki，1986;施曙和趙思雄，1994；翟國(guó)慶等，2003；董佩明和趙思雄，2004)，得到十分有意義的結(jié)果，但對(duì)局地中尺度渦旋易在武陵山東側(cè)多發(fā)的誘因并不清楚。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，湖北省極端暴雨中鋒面氣旋類(lèi)型背景占有較大比例(張家國(guó)等，2018)，但是鋒面氣旋背景下暴雨過(guò)程中尺度系統(tǒng)分析研究較少。張家國(guó)等(2013)分析表明在鋒面氣旋背景下鄂東地區(qū)極端暴雨的形成與鋒面輻合線、暖區(qū)中尺度輻合線和暖區(qū)特定地形影響下雷暴出流邊界的結(jié)合是導(dǎo)致中尺度輻合增強(qiáng)的原因。1998年7月21—22日長(zhǎng)江中游連續(xù)2天出現(xiàn)了特大暴雨，程麟生和馮伍虎(2003)、貝耐芳等(2003)從不同角度進(jìn)行了分析研究，這類(lèi)暴雨梅雨鋒結(jié)構(gòu)顯著特征是中低層鋒區(qū)前傾、天氣尺度垂直運(yùn)動(dòng)弱，本文稱(chēng)之為弱強(qiáng)迫梅雨鋒暖區(qū)類(lèi)極端暴雨。少數(shù)典型個(gè)例研究表明，湖北省弱強(qiáng)迫梅雨鋒暖區(qū)極端暴雨與鋒前暖區(qū)白天條件不穩(wěn)定發(fā)展、夜間湖南東部北上的超低空急流的加強(qiáng)以及大別山脈對(duì)雷暴冷池影響有密切關(guān)系(張家國(guó)等，2015；黃小彥等，2020)。這類(lèi)暴雨發(fā)生于中低層鋒區(qū)前傾階段，數(shù)值模式預(yù)報(bào)效果較差，是當(dāng)前天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)難點(diǎn)。

上述研究加深了人們對(duì)長(zhǎng)江中游梅雨鋒暴雨中尺度天氣系統(tǒng)機(jī)理認(rèn)識(shí)，對(duì)暴雨預(yù)警預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)有重要的指導(dǎo)作用。但是其中許多研究還是基于典型個(gè)例，缺乏系統(tǒng)性、規(guī)律性的總結(jié)。而相同天氣背景下中尺度天氣系統(tǒng)的形成和發(fā)展是否有共同規(guī)律？這既是科學(xué)問(wèn)題，也是預(yù)警預(yù)報(bào)開(kāi)展中尺度機(jī)理分析及數(shù)值模式預(yù)報(bào)訂正的基礎(chǔ)。本文在詳細(xì)分析39例梅雨鋒極端暴雨過(guò)程邊界層中尺度天氣系統(tǒng)熱力、動(dòng)力演變過(guò)程基礎(chǔ)上，系統(tǒng)性地研究了長(zhǎng)江中游梅雨期三類(lèi)天氣背景下中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的規(guī)律、可能機(jī)制及地形作用，研究歸納出各類(lèi)天氣背景下極端暴雨邊界層中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)展模型。

2 資料和研究方法

Maddox et al(1979)認(rèn)為致洪降水一般為6 h雨量>100 mm，少數(shù)>250 mm，山區(qū)一般為50～100 mm，俞小鼎(2013)定義極端短時(shí)強(qiáng)降水為1 h雨量≥50 mm或3 h雨量≥100 mm的降水事件。本文將湖北省77個(gè)國(guó)家常規(guī)觀測(cè)站1960—2005年逐日降水資料按升序排列，將第99個(gè)百分位值的45年平均值定義為該站點(diǎn)的極端暴雨閾值，然后取77個(gè)國(guó)家常規(guī)站點(diǎn)閾值的平均值，得到湖北省平均日極端暴雨閾值為93 mm。鄭永光等(2017)認(rèn)為降水強(qiáng)度越強(qiáng)的天氣系統(tǒng)時(shí)空尺度越小，對(duì)于累積時(shí)間短的極端強(qiáng)降水研究，必須使用更加稠密的區(qū)域自動(dòng)站降水觀測(cè)資料。因此，本文選取2008—2016年梅雨期湖北省區(qū)域自動(dòng)站逐小時(shí)降水資料，將滿(mǎn)足3 h雨量≥100 mm、且出現(xiàn)相鄰2個(gè)站點(diǎn)以上條件的過(guò)程，定義為一個(gè)極端暴雨過(guò)程。經(jīng)過(guò)篩查，共有39次強(qiáng)降水過(guò)程滿(mǎn)足極端暴雨條件。

本文利用常規(guī)觀測(cè)、地面自動(dòng)站和NCEP再分析場(chǎng)資料，結(jié)合長(zhǎng)江中游新一代天氣雷達(dá)拼圖和氣象衛(wèi)星等資料，首先分析每次過(guò)程的環(huán)流背景和主要影響天氣系統(tǒng)，對(duì)每次過(guò)程基于具體影響天氣系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行歸類(lèi)；其次，分析相同天氣類(lèi)型下每次極端暴雨過(guò)程邊界層中尺度天氣系統(tǒng)的動(dòng)力、熱力過(guò)程以及系統(tǒng)發(fā)展與中尺度對(duì)流系統(tǒng)加強(qiáng)原因；最后，建立三種不同天氣類(lèi)型下具有規(guī)律性的極端暴雨邊界層中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)展模型。

3 長(zhǎng)江中游梅雨鋒極端暴雨天氣類(lèi)型、地形及常見(jiàn)的中尺度氣流

天氣尺度系統(tǒng)對(duì)中尺度環(huán)流的起源和發(fā)展起到控制作用(Bosart，1984)，長(zhǎng)江中游梅雨鋒極端暴雨的天氣系統(tǒng)主要有鋒面氣旋類(lèi)、低渦切變類(lèi)和弱強(qiáng)迫梅雨鋒暖區(qū)類(lèi)(圖1)(張家國(guó)等，2018；2015；黃小彥等，2020)，分析每次天氣過(guò)程的環(huán)流背景，39例極端暴雨過(guò)程的天氣類(lèi)型結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)江中游梅雨期極端暴雨天氣類(lèi)型統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of extreme rainstorm weather types in Meiyu period over the middle reaches of Yangtze River

張家國(guó)等(2018)對(duì)鋒面氣旋類(lèi)和低渦切變類(lèi)極端暴雨開(kāi)展了詳細(xì)分析。從表1可以看到，鋒面氣旋類(lèi)極端暴雨占有較大比率(圖1a)，其特點(diǎn)是冷鋒南下冷空氣侵入長(zhǎng)江中游地面暖倒槽，在江淮地區(qū)有弱的氣旋發(fā)展，江淮氣旋與穩(wěn)定的副熱帶高壓系統(tǒng)共同作用，導(dǎo)致極端暴雨產(chǎn)生。低渦切變類(lèi)也是長(zhǎng)江中游梅雨期重要的極端暴雨天氣型(圖1b)，其主要天氣系統(tǒng)的特征是，四川盆地西南渦發(fā)展，長(zhǎng)江中下游維持一條東西向的梅雨鋒切變線，其南部為穩(wěn)定的副熱帶高壓系統(tǒng)，極端暴雨的產(chǎn)生是梅雨鋒西側(cè)西南渦擾動(dòng)發(fā)展引起的。弱強(qiáng)迫梅雨鋒暖區(qū)類(lèi)極端暴雨(圖1c)的天氣系統(tǒng)主要由中低層前傾的梅雨鋒、低空急流和副熱帶高壓等構(gòu)成，該背景下天氣尺度強(qiáng)迫較弱，在數(shù)值預(yù)報(bào)中常常會(huì)漏報(bào)，極端暴雨一般發(fā)生于低層鋒區(qū)南側(cè)暖濕條件不穩(wěn)定區(qū)域，并伴有雷暴大風(fēng)天氣。特別強(qiáng)調(diào)的是，雖然三種天氣類(lèi)型具有相對(duì)的獨(dú)立性，但是有時(shí)在一次天氣過(guò)程中可能有兩種天氣類(lèi)型先后出現(xiàn)。

地形在邊界層中尺度天氣系統(tǒng)形成發(fā)展中起到重要作用(廖移山等，2011；孫繼松等，2012；張家國(guó)等，2013;2015；吳濤等，2017；王玨等，2019)。如圖2所示，長(zhǎng)江中游湘鄂兩省為馬蹄形地形。受地形和地理位置的影響，湖北省境內(nèi)邊界層存在幾支常見(jiàn)中尺度氣流，分別為4支冷氣流(藍(lán)色箭頭)和3支暖氣流(紅色箭頭)，這幾支氣流分別出現(xiàn)在不同的天氣系統(tǒng)背景下，從而形成不同位置和不同強(qiáng)度的中尺度輻合系統(tǒng)。在后文中將會(huì)提到，這些中尺度輻合系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)熱力對(duì)流，也可能與其他系統(tǒng)相遇而加強(qiáng)，在中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。

圖2 長(zhǎng)江中游馬蹄形地形及常見(jiàn)中尺度氣流(黑色實(shí)線為湖北省界,灰色實(shí)線為長(zhǎng)江及其支流,藍(lán)色箭頭表示地面冷氣流,紅色箭頭表示地面暖氣流，填色為海拔高度；下同)Fig.2 Special topography (horse’s hoof) and common mesoscale airflow in the middle reaches of Yangtze River(black solid line: Hubei Province, grey solid line: the Yangtze River and its tributaries, blue and red arrows: cold and warm surface airflows, colored: altitude; the same below)

4 三種天氣類(lèi)型下極端暴雨中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)展模型

4.4 鋒面氣旋類(lèi)邊界層中尺度天氣系統(tǒng)

研究表明，邊界層中尺度輻合線相交、匯合，或當(dāng)中尺度輻合系統(tǒng)移入一個(gè)有利區(qū)域時(shí)，輻合就會(huì)加強(qiáng)(俞小鼎等，2012)。從鋒面氣旋背景下邊界層中尺度天氣系統(tǒng)形成發(fā)展共同特點(diǎn)看，首先，梅雨期偏南暖濕季風(fēng)氣流推進(jìn)到長(zhǎng)江中游，有利于鄂東低層暖倒槽內(nèi)中尺度氣流、局地中尺度輻合系統(tǒng)的形成，局地中尺度輻合系統(tǒng)一般位于幕阜山北部；之后，當(dāng)鋒面天氣系統(tǒng)發(fā)展東移南下影響時(shí)，冷空氣沿漢江河谷侵入到江漢平原暖倒槽內(nèi)，與暖區(qū)中尺度輻合系統(tǒng)結(jié)合，邊界層中尺度天氣系統(tǒng)得到強(qiáng)烈發(fā)展并移動(dòng)緩慢，由此導(dǎo)致極端暴雨產(chǎn)生。統(tǒng)計(jì)表明，18例鋒面氣旋類(lèi)天氣背景下的極端暴雨個(gè)例有12例具有這種相同的規(guī)律(其余6例出現(xiàn)在鄂西山地)。

鋒面氣旋背景下，邊界層中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)展分為以下三種類(lèi)型(圖3)。這三種邊界層中尺度類(lèi)型是相對(duì)獨(dú)立的，均可導(dǎo)致極端暴雨的產(chǎn)生，但有時(shí)在同一次天氣過(guò)程中可先后出現(xiàn)幾種中尺度天氣類(lèi)型。第一種類(lèi)形是人字形輻合線Ⅰ型：冷空氣沿漢江河谷南下侵入江漢平原季風(fēng)倒槽內(nèi)，冷性輻合線與暖倒槽內(nèi)幕阜山北部局地中尺度輻合線結(jié)合形成人字形輻合系統(tǒng)，中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)在交匯處發(fā)展最為強(qiáng)烈且緩慢移動(dòng)(圖3a)。第二種類(lèi)型是中尺度氣旋波型：在人字形輻合線Ⅰ型基礎(chǔ)上，由于西南暖濕氣流強(qiáng)盛，人字形輻合線Ⅰ型易演變成中尺度氣旋波型(圖3b)；若大別山西側(cè)有雷暴冷出流匯入中尺度氣旋波中，則會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)低層輻合，MCS常具有渦旋結(jié)構(gòu)、線對(duì)流列車(chē)效應(yīng)、移動(dòng)緩慢等特征，極易導(dǎo)致極端暴雨發(fā)生。第三種類(lèi)型是人字形輻合線Ⅱ型：冷空氣沿漢江河谷南下，冷性輻合線向東南方向移動(dòng)，同時(shí)，暖倒槽內(nèi)幕府山北部局地中尺度輻合線觸發(fā)午后對(duì)流系統(tǒng)，在其東移過(guò)程中，受大別山阻擋，雷暴冷池逆流導(dǎo)致MCS向西南上風(fēng)方傳播，此時(shí)冷池前方出流邊界與東移的冷性輻合線交匯，導(dǎo)致中尺度系統(tǒng)輻合加強(qiáng)(圖3c)，因MCS合并加強(qiáng)及產(chǎn)生后向傳播而導(dǎo)致極端暴雨產(chǎn)生。

圖3 鋒面氣旋類(lèi)邊界層三種中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)展模型(a)人字形輻合線Ⅰ型，(b)中尺度氣旋波型，(c)人字形輻合線Ⅱ型Fig.3 Three development paterns of mesoscale weather system in the boundary layer related to frontal cyclone weather type(a) herringbone convergence line Ⅰ, (b) mesoscale cyclonic wave, (c) herringbone convergence line Ⅱ

2011年6月9日夜間鄂東南出現(xiàn)了區(qū)域性暴雨、局地特大暴雨過(guò)程，暴雨導(dǎo)致通城縣山洪暴發(fā)。這次過(guò)程是在鋒面氣旋影響下、由人字形輻合線Ⅱ型中尺度天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的極端暴雨過(guò)程。早在暴雨形成2天前季風(fēng)暖濕氣流已經(jīng)到達(dá)長(zhǎng)江中下游地區(qū)，9日08時(shí)(北京時(shí)，下同)江淮地區(qū)有暖倒槽發(fā)展，隨著500 hPa高原短波槽東移、低層弱冷空氣南下，20時(shí)江淮地區(qū)有一個(gè)弱鋒面氣旋生成(圖略)。由雷達(dá)回波和地面觀測(cè)資料(圖4)看出，9日12時(shí)由鄂東暖區(qū)中尺度輻合線觸發(fā)的分散性雷暴移至大別山附近，而后進(jìn)一步加強(qiáng)成西北—東南向組織化的線狀對(duì)流系統(tǒng)，伴隨一個(gè)弱的雷暴冷池出現(xiàn)，在其西側(cè)地面有一中尺度輻合系統(tǒng)存在；同時(shí)，鄂西北有一條與冷鋒位置走向一致的東北—西南向回波帶，該回波帶沿漢江河谷向東南方向移動(dòng)。到14時(shí)，受地形阻擋，大別山附近對(duì)流系統(tǒng)雷暴冷出流向西南方向擴(kuò)展加強(qiáng)，雷達(dá)觀測(cè)到一些分散性單體沿出流邊界排列；此時(shí)與冷鋒輻合線伴隨的線對(duì)流系統(tǒng)沿漢江河谷繼續(xù)南下，與暖區(qū)西移的雷暴出流邊界呈匯合之勢(shì)。到18時(shí)，兩輻合線交匯成人字形輻合線Ⅱ型，溫度場(chǎng)分布有Ω型特征，雷達(dá)觀測(cè)到兩個(gè)雷暴系統(tǒng)交匯發(fā)展成人字形對(duì)流回波結(jié)構(gòu)。之后該強(qiáng)對(duì)流回波系統(tǒng)緩慢東移，導(dǎo)致鄂東出現(xiàn)極端暴雨天氣。

圖4 2011年6月9日(a)12時(shí)，(b)14時(shí)，(c)18時(shí)，(d)20時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)、溫度場(chǎng)(虛線，單位：℃)和雷達(dá)組合反射率(填色)Fig.4 Surface wind field (barb), temperature field (dashed line, unti: ℃) and composite radar reflectivity (colored) at (a) 12:00 BT, (b) 14:00 BT, (c) 18:00 BT, (d) 20:00 BT 9 June 2011

4.4 低渦切變類(lèi)邊界層中尺度天氣系統(tǒng)

分析13個(gè)低渦切變類(lèi)極端暴雨過(guò)程的邊界層中尺度天氣系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)低渦切變類(lèi)極端暴雨邊界層中尺度天氣系統(tǒng)主要是武陵山脈東部江漢-洞庭湖平原局地新生的中尺度渦旋(共11例)。下面介紹該局地中尺度渦旋的結(jié)構(gòu)特征和成因，并歸納出其發(fā)生發(fā)展的概念模型。

利用NCEP再分析資料，分析局地中尺度渦旋的發(fā)生發(fā)展過(guò)程及其結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)，局地中尺度渦旋源地主要集中于江漢-洞庭湖平原地區(qū)(圖5)，這與張敬萍等(2015)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致；因局地冷空氣侵入渦旋具有β中尺度冷暖鋒結(jié)構(gòu)，斜壓性特征明顯(表2)；邊界層輻合及斜壓性發(fā)展與兩個(gè)局地冷源的形成有關(guān)，一個(gè)是在武陵山區(qū)西南渦降水形成的冷源，另一個(gè)是在江漢平原北部梅雨鋒切變線降水形成的冷源。

圖5 局地中尺度渦旋(D2)初始位置分布Fig.5 Initial location of the local mesoscale vortex (D2)

表2 江漢-洞庭湖平原局地中尺度渦旋基本特征Table 2 The characteristics of local mesoscale vortex in Jianghan-Dongting Lake Plain

低渦切變背景下邊界層內(nèi)局地中尺度渦旋發(fā)展的概念模型歸納如下(圖6)。該渦旋輻合發(fā)展涉及邊界層三支重要的氣流：一是渦旋東南部由羅霄山脈西側(cè)北上的偏南超低空急流；二是渦旋西側(cè)由武陵山區(qū)向東南的偏西冷氣流，這支局地冷氣流與西南渦的加強(qiáng)和武陵山脈地形抬升作用有關(guān)(西南渦在四川盆地加強(qiáng)，渦前西南暖濕氣流在武陵山脈地形抬升作用下，常有較大范圍強(qiáng)降水在山區(qū)形成；強(qiáng)降水導(dǎo)致武陵山區(qū)局地冷空氣堆積，而后冷空氣沿武陵山南坡、東坡到達(dá)江漢-洞庭湖平原地區(qū))；三是梅雨鋒切變線附近降水發(fā)展產(chǎn)生的偏北冷氣流，西南渦發(fā)展期間，西南暖濕氣流加強(qiáng)，梅雨鋒切變線附近因輻合增強(qiáng)導(dǎo)致鋒面降水發(fā)展和局地冷空氣形成。在長(zhǎng)江中游馬蹄形地形作用下，三支氣流在江漢-洞庭湖平原形成強(qiáng)烈輻合，導(dǎo)致中尺度渦旋強(qiáng)烈發(fā)展。同時(shí)，由于邊界層局地冷空氣的參與，渦旋常具有斜壓性冷暖鋒結(jié)構(gòu)特征。雷達(dá)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在局地中尺度渦旋強(qiáng)烈發(fā)展階段，渦旋中心附近MCS常具有氣旋式螺旋對(duì)流雨帶被大范圍層狀云包圍的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)流單體群的渦旋性列車(chē)效應(yīng)極易產(chǎn)生極端暴雨；在斜壓發(fā)展階段渦旋東北側(cè)暖切變附近線對(duì)流列車(chē)效應(yīng)也極易產(chǎn)生極端暴雨。

圖6 低渦切變類(lèi)局地中尺度渦旋形成發(fā)展模型(D1:西南渦,D2:局地中尺度渦旋,藍(lán)色虛線圈:冷空氣源,棕色實(shí)線:850 hPa梅雨鋒切變線；下同)Fig.6 The formation and development model of local mesoscale vortex related to low vortex shear weather type(D1: southwest vortex, D2: local mesoscale vortex,blue dashed circle: cold air source, brown solid line: shear line in 850 hPa on Meiyu front; the same below)

2013年6月6日長(zhǎng)江中游特大暴雨過(guò)程就是一個(gè)受江漢平原局地中尺度渦旋影響產(chǎn)生極端暴雨的典型例子。暴雨前長(zhǎng)江中下游中低層受梅雨鋒暖切變線控制，四川盆地有低渦發(fā)展，天氣背景是典型的低渦切變類(lèi)型(圖略)。

分析NCEP再分析資料可以看到局地中尺度渦旋系統(tǒng)的演變過(guò)程(圖7)。6日08時(shí)四川盆地有一深厚的西南渦，東部長(zhǎng)江中游有暖切變發(fā)展，925 hPa上僅在江漢平原有一個(gè)弱的渦旋環(huán)流存在，說(shuō)明局地中尺度渦旋開(kāi)始發(fā)展；到14時(shí)，925 hPa渦旋環(huán)流加強(qiáng)并伸展到850 hPa，此時(shí)局地中尺度渦旋形成，尺度約為200 km，而西南渦環(huán)流開(kāi)始減弱。到20時(shí)，局地中尺度渦旋東移，尺度變大，強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，后側(cè)的西南渦環(huán)流則基本消失(圖略)。分析溫度場(chǎng)的分布、演變發(fā)現(xiàn)，6日08—14時(shí)，925 hPa和850 hPa在鄂西武陵山地區(qū)(西南渦東北方)有局地冷空氣形成并向東擴(kuò)展，暖切變北部也有冷區(qū)發(fā)展，這些局地冷空氣的發(fā)展與西南渦前鄂西武陵山地形抬升下降水的形成、以及西南氣流加強(qiáng)暖切變附近降水發(fā)展有關(guān)。局地冷空氣的形成一是有利于武陵山東側(cè)江漢平原多支氣流的輻合加強(qiáng)，二是局地冷空氣與江漢平原的暖濕舌之間構(gòu)成強(qiáng)的溫度鋒區(qū)，有利于局地中尺度渦旋斜壓性發(fā)展。

綜合分析地面自動(dòng)站和雷達(dá)觀測(cè)資料(圖8)發(fā)現(xiàn)，伴隨西南渦的發(fā)展，江漢平原近地面有一個(gè)局地中尺度渦旋發(fā)展的過(guò)程。多支冷暖氣流交匯導(dǎo)致渦旋發(fā)展的過(guò)程十分清晰，渦旋的位置也與NCEP再分析場(chǎng)上十分吻合，局地渦旋發(fā)展東移期間，江漢平原有渦旋狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)回波系統(tǒng)逐漸形成，其與地面中尺度渦旋相伴隨。需強(qiáng)調(diào)的是，與一般非暴雨渦旋回波不同的是，該渦旋狀結(jié)構(gòu)回波內(nèi)為對(duì)流螺旋雨帶、外有大片層狀云降水包裹，這可能是暴雨渦旋回波典型特征(吳濤等，2018)。17時(shí)后，渦旋結(jié)構(gòu)回波東移，給東部廣大地區(qū)帶來(lái)了持續(xù)性暴雨。

圖8 2013年6月6日(a)08時(shí)，(b)14時(shí)，(c)17時(shí)，(d)20時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)、溫度場(chǎng)(虛線，單位：℃)和雷達(dá)組合反射率(填色)Fig.8 Surface wind field (barb), temperature field (dashed line, unit: ℃) and composite radar reflectivity (colored) at (a) 08:00 BT, (b) 14:00 BT, (c) 17:00 BT, (d) 20:00 BT 6 June 2013

4.4 弱強(qiáng)迫梅雨鋒暖區(qū)類(lèi)邊界層中尺度天氣系統(tǒng)

分析8次弱強(qiáng)迫梅雨鋒暖區(qū)極端暴雨過(guò)程的環(huán)境物理?xiàng)l件發(fā)現(xiàn)，高CAPE、弱垂直切變、上干(500 hPa 以上)下濕的環(huán)境特征明顯(圖略)。在鋒區(qū)附近弱的天氣尺度垂直運(yùn)動(dòng)環(huán)境下，中低層水汽垂直輸送差可能是形成上干下濕環(huán)境的重要原因。分析典型過(guò)程MCS動(dòng)態(tài)路徑圖(圖9)可見(jiàn)，初始MCS常形成于鄂東幕阜山北部的平原地區(qū)，多是由暖區(qū)局地中尺度輻合線觸發(fā)生成，MCS形成后向下風(fēng)方移動(dòng)，在到達(dá)大別山西側(cè)后折返向上風(fēng)方移動(dòng)。極端暴雨、MCS活動(dòng)地域性特征明顯，多出現(xiàn)在大別山西側(cè)，這與其他作者的分析結(jié)果一致(張家國(guó)等，2015；王玨等，2019)。

圖9 弱強(qiáng)迫梅雨鋒暖區(qū)極端暴雨典型個(gè)例的MCS移動(dòng)路徑(①2010年7月8日，②2012年7月12日，③2012年7月13日，④2016年6月19日)Fig.9 Moving routes of MCS in typical extreme rainstorm cases in the warm sector of the weakly forced Meiyu front weather type (① 8 July 2010， ② 12 July 2012， ③ 13 July 2012， ④ 19 June 2016)

圖10是由8次過(guò)程概括的弱強(qiáng)迫梅雨鋒暖區(qū)極端暴雨邊界層中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)展模型。邊界層中尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)展加強(qiáng)，是夜間超低空急流與MCS在大別山西側(cè)形成的穩(wěn)定維持的雷暴冷池逆流之間強(qiáng)烈輻合的結(jié)果。一般地，受暖區(qū)局地中尺度輻合線影響，午后在鄂東有局地雷暴發(fā)展，向大別山方向移動(dòng)過(guò)程中逐漸發(fā)展成組織化的中尺度對(duì)流系統(tǒng)。由于大氣環(huán)境狀態(tài)具有一定的上干下濕、高CAPE等有利因素，雷暴發(fā)展旺盛，會(huì)產(chǎn)生適度的下沉氣流，當(dāng)雷暴系統(tǒng)受到大別山阻擋時(shí)，雷暴冷池在迎風(fēng)側(cè)積聚形成冷池逆流，并與環(huán)境場(chǎng)的西南風(fēng)形成強(qiáng)烈輻合，導(dǎo)致在MCS上風(fēng)方觸發(fā)新的雷暴，即MCS后向傳播，而后列車(chē)效應(yīng)產(chǎn)生持續(xù)性強(qiáng)降水。

2016年6月19日鄂東北特大暴雨發(fā)生的天氣背景屬于典型的弱強(qiáng)迫梅雨鋒暖區(qū)類(lèi)。暴雨發(fā)生前500 hPa鄂東地區(qū)僅殘余一淺槽，850 hPa暖切變線位于其北部的江淮地區(qū)，鄂東處于低層西南暖濕氣流前；θse垂直剖面上鋒面前傾結(jié)構(gòu)明顯，特大暴雨出現(xiàn)在梅雨鋒南側(cè)不穩(wěn)定能量大值區(qū)域(圖略)。圖11是暴雨期間地面中尺度天氣系統(tǒng)、MCS雷達(dá)回波演變的過(guò)程。從雷達(dá)回波演變看，自18日23時(shí)九江九江附近MCS減弱開(kāi)始，鄂東MCS經(jīng)歷了23時(shí)至19日02時(shí)向西傳播(圖11a～11c)、19日02—04時(shí)折向東北移動(dòng)(圖11c，11d)、04—08時(shí)準(zhǔn)靜止(圖11d，11e)、08—14時(shí)再后向傳播四個(gè)階段(圖11e，11f)。分析地面自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，MCS向西傳播主要是九江附近MCS的雷暴出流沿長(zhǎng)江向西北推進(jìn)引起的，19日02時(shí)雷暴出流與幕阜山西側(cè)北上的偏南暖濕氣流在武漢西部交匯，中尺度輻合線特征明顯，新的MCS位于輻合線東側(cè)(圖11c)，02—04時(shí)MCS向東北方向移動(dòng)并逐漸發(fā)展成密實(shí)的西北—東南向線對(duì)流系統(tǒng)，而輻合線少動(dòng)(圖11d)，鄂東北開(kāi)始出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。分析NCEP再分析資料、多普勒雷達(dá)徑向風(fēng)場(chǎng)和地形特征發(fā)現(xiàn)，這一演變過(guò)程與夜間超低空急流沿淺薄冷墊爬升和大別山地形抬升發(fā)展有關(guān)(圖10b)；04—08時(shí)MCS在大別山西側(cè)停滯近3 h，導(dǎo)致極端暴雨；08時(shí)后雷暴出流在大別山阻擋下向西逆流，出流邊界位于武漢西側(cè)，觸發(fā)新生單體，MCS后向傳播特征明顯(圖11e，11f)，列車(chē)效應(yīng)在鄂東北產(chǎn)生較大范圍的極端暴雨。

圖10 弱強(qiáng)迫梅雨鋒暖區(qū)類(lèi)中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)展模型(a)平面模型，(b)剖面模型Fig.10 Models of mesoscale weather system in the warm sector of weakly forced Meiyu front weather type(a) planar model, (b) profile model

圖11 2016年6月(a)18日23時(shí)，(b)19日01時(shí)，(c)19日02時(shí)，(d)19日04時(shí)，(e)19日08時(shí)，(f)19日14時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)、溫度場(chǎng)(虛線，單位：℃)和雷達(dá)組合反射率(填色)Fig.11 Surface wind field (barb), temperature field (dashed, unit: ℃) and composite radar reflectivity (colored) from at (a) 23:00 BT 18, (b) 01:00 BT 19, (c) 02:00 BT 19, (d) 04:00 BT 19, (e) 08:00 BT 19, (f) 14:00 BT 19 June 2016

5 結(jié) 論

本文系統(tǒng)地分析了39例長(zhǎng)江中游梅雨鋒極端暴雨過(guò)程邊界層中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力熱力特征，研究歸納出三類(lèi)不同天氣背景下梅雨鋒極端暴雨邊界層中尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)展模型。

鋒面氣旋類(lèi)背景下，當(dāng)季風(fēng)暖濕氣流向北推進(jìn)到長(zhǎng)江中游后，該地區(qū)大氣低層常有暖低壓倒槽建立和局地中尺度輻合線形成；當(dāng)江淮氣旋發(fā)展東移帶動(dòng)冷空氣南下并侵入暖倒槽后，冷性輻合線與暖區(qū)局地中尺度輻合線結(jié)合，邊界層中尺度輻合得到加強(qiáng)，導(dǎo)致MCS強(qiáng)烈發(fā)展，MCS的合并加強(qiáng)及后向傳播導(dǎo)致極端暴雨產(chǎn)生。

低渦切變類(lèi)背景下，隨著西南渦發(fā)展，渦前西南暖濕氣流加強(qiáng)，武陵山區(qū)二級(jí)地形抬升及梅雨鋒鋒生作用導(dǎo)致武陵山區(qū)、梅雨鋒附近降水加強(qiáng)形成局地冷空氣，冷空氣向東、向南擴(kuò)展，在馬蹄形地形作用下，與東部平原地區(qū)西南暖濕氣流匯合導(dǎo)致局地中尺度渦旋強(qiáng)烈發(fā)展。武陵山二級(jí)地形對(duì)西南渦前西南暖濕氣流的抬升作用導(dǎo)致該區(qū)域降水得到發(fā)展是其東部局地中尺度渦旋發(fā)展的主要誘因。該渦旋是尺度約為150～300 km的中尺度斜壓性渦旋，因地域性特征明顯，以后可稱(chēng)為江漢平原渦。渦旋中心附近MCS常具有氣旋式螺旋對(duì)流雨帶被大范圍層狀云包圍的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)流單體群的渦旋性列車(chē)效應(yīng)極易產(chǎn)生極端暴雨。

弱強(qiáng)迫梅雨鋒暖區(qū)類(lèi)背景下，極端暴雨發(fā)生在梅雨鋒中層鋒區(qū)附近和低層鋒區(qū)南側(cè)的暖濕區(qū)域，邊界層中尺度天氣系統(tǒng)的形成和發(fā)展，與夜間羅霄山脈西側(cè)北上加強(qiáng)的超低空急流和大別山西側(cè)穩(wěn)定維持的雷暴冷池逆流之間輻合的強(qiáng)烈發(fā)展有密切關(guān)系。MCS在大別山西側(cè)的停滯、后向傳播以及合并加強(qiáng)是極端暴雨易出現(xiàn)在大別山西側(cè)的重要原因。