陶詩言先生在中國暴雨發生條件和機制研究中的貢獻

丁一匯

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陶詩言先生在中國暴雨發生條件和機制研究中的貢獻

丁一匯

中國氣象局國家氣候中心，北京100081

作者在1998年慶賀陶詩言先生八十華誕的文集中曾專題闡述和評價了陶先生對中國暴雨研究的貢獻。至今十五年過去了，陶詩言先生雖已于2012年仙逝，但其深邃的科學思想依然閃爍著智慧的火花。他在中國暴雨研究中留下的寶貴遺產不但深刻影響過去和現代兩代人的暴雨研究和業務發展，而且也將繼續影響將來的中國暴雨研究。

本文是對陶詩言先生在中國暴雨的研究中所作的貢獻并結合現代研究的成果作進一步介紹和評價。主要集中在暴雨發生的動力和熱力條件與機理方面。全文內容包括六個方面：（1）季節突變對中國梅雨爆發的影響；（2）暴雨發生的多尺度相互作用；（3）暖濕季風輸送帶對北方大暴雨的影響；（4）高空急流對暴雨的作用；（5）暴雨和強對流發生的物理條件；（6）地形對暴雨的作用

暴雨 季節突變 多尺度相互作用 暖濕季風輸送帶 高空急流

1 引言

在“陶詩言先生與中國暴雨”（丁一匯，1998）一文中，作者對陶詩言先生在中國暴雨研究中的主要貢獻做了回顧和評述，指出他在四個方面對中國暴雨的研究和預報做出了重大貢獻：（1）從東亞大型天氣過程和亞洲季風的變化研究了長江流域梅雨的形成和演變；（2）研究了我國歷史上大暴雨的個例，尤其是持續性大暴雨，提出了暴雨形成過程中多尺度相互作用的概念；（3）提出了暴雨落區預報方法，目前已成為我國業務暴雨預報方法之一；（4）主編了《中國之暴雨》一書，系統而深入地總結了中國暴雨的一些主要問題，為推動中國暴雨的研究做出了重大貢獻。但是在作者的這篇紀念短文中對不少重要問題尤其是暴雨發生的熱力和動力條件與機理方面未做深入的分析。實際上陶先生在這些方面都做了許多研究，在國內甚至國際上都堪稱創新性的成果。今天，我們來評價陶先生在這方面的貢獻，應該置其于國際與國內研究的大形勢和主流趨勢中，只有這樣，才能更鮮明的看出其研究成果的前瞻性和影響的深遠程度。這就是本文寫作的動機和目的。在陶詩言先生發表的眾多關于暴雨的著作中（丁一匯，1998），最直接代表其思想、觀點和成果的有四篇文章和一本專著，即：“有關暴雨分析預報的一些問題”（陶詩言，1977），“暴雨和強對流天氣的研究”（陶詩言等，1979），“Observational evidences of the influence of the Qinghai-Xizang（Tibetan Plateau）on the occurrence of heavy rain and severe convective storms in China”（青藏高原影響中國暴雨和強對流風暴發生的觀測事實）（Tao and Ding，1981），“A review of recent research on the East Asian summer monsoon in China”（中國東亞季風研究的評述）（Tao and Chen，1987），與《中國之暴雨》（陶詩言，1980）。本文即主要依據這些著作對以下六個問題進行介紹和評價：（1）季節突變對中國梅雨爆發的影響；（2）暴雨發生的多尺度相互作用；（3）暖濕季風輸送帶對北方大暴雨的影響；（4）高空急流對暴雨的作用；（5）暴雨和強對流發生的物理條件；（6）地形對暴雨的作用。

2 季節突變對中國梅雨爆發的影響。

早在1954年，葉篤正和朱抱真（1954）就強調，東亞過渡季是一種突然變化的過程。同年，Sutcliffe and Bannon（1954）指出，在地中海和中亞的高空也存在突變現象。陶詩言和陳隆勛（1957）的研究得到，1956年初夏亞洲大氣環流也具有跳躍性變化。后來，Yeh et al.（1959）系統地研究了突變現象，明確指出，全球大氣環流每年6月和10月都存在季節突變現象。上述結果清楚地指出了大氣環流的雙模態變化和季節突變現象。這種現象是全球性的，但亞洲季風從冬到夏的6月季節轉變尤其明顯。這種6月季節突變表現為三個明顯的特征：（1）在6月中旬，冬半年位于喜馬拉雅山南麓的副熱帶高空急流迅速北撤，對流層中上部的龐大青藏高壓（或南亞高壓）及其南部的東風急流建立；（2）同時印度季風爆發；（3）長江流域的梅雨開始。后來，Murakami and Ding（1982）利用1979年FGGE和第一次青藏高原試驗資料的研究進一步指出，在1979年6月第一周300 hPa南亞反氣旋迅速發展，阿富汗與青藏高原邊界區的300 hPa溫度突然增加，同時東亞和日本出現強季風雨，這大約發生在印度夏季風爆發前2周左右。通過熱源的計算表明，亞洲中緯地區（包括青藏高原）加熱的迅速增加是亞洲季風爆發的必要條件之一。這種季節突變，根據IAP-GCM的模擬（曾慶存等，1988），密切與大氣熱源，尤其是潛熱加熱有關，并且也在相當程度上受海陸分布差異和地形影響。

劉蕓蕓和丁一匯（2008）詳細討論了印度夏季風的爆發及其與中國長江流域梅雨的遙相關關系。結果發現：印度西南部的克拉拉邦地區夏季風爆發后兩周左右，中國長江流域梅雨開始，這與Tao and Chen（1987）的統計結果一致。印度夏季風爆發后，形成從印度西海岸經孟加拉灣到達中國長江流域及日本南部地區的遙相關型，它在時間和空間上都不同于盛夏期間印度夏季風經青藏高原影響中國華北降水的遙相關型。前者可稱為亞洲夏季風的“南支”遙相關型，主要發生在季風爆發初期；后者可稱為“北支”遙相關型，主要形成于亞洲夏季風盛期。在“南支”遙相關型形成的過程中，亞洲季風環流發生了一系列重要變化：印度夏季風爆發、南亞高壓北進、中層爆發性渦旋出現、低層熱帶西風帶不斷加強東傳及西太平洋副高東退北跳。結果，在印度夏季風爆發后兩周左右，高層南亞高壓控制了整個亞洲地區，而在中低層，則形成一條從阿拉伯海經印度南部、孟加拉灣和南海，再沿西太平洋副熱帶高壓的西邊界到達中國長江流域及日本南部的強西風帶，這支強西風帶可有利于印度西海岸的季風擾動能量向下游傳播，產生遙相關影響。由于副熱帶急流的北跳，在東亞地區上空形成相互耦合的高、低空西風急流，而長江流域則正好位于高、低空急流之間高空急流入口區右側和低空急流左側的上升運動區，因此觸發了長江流域梅雨的爆發。實際上，這種南支遙相關型不只限于印度夏季風爆發對東亞梅雨季開始的影響，它也適用于整個夏季季風時期（6～9 月）。劉蕓蕓和丁一匯將印度克拉拉邦（Kerala）6月1候至9月6候的降 水與東亞地區的候平均降水作了滯后分析，結果發現，克拉拉邦6～9 月候平均降水與滯后3 候的長江流域相關性最好。相關系數在0.5以上，達到 0.01的顯著性水平。除了與長江流域降水存在顯著的正相關外，印度西海岸降水還與孟加拉灣，日本南部地區呈正相關分布，而和中印半島、西太平洋地區呈負相關分布，形成從印度西海岸—阿拉伯海經孟加拉灣、南海再折向北經過中國長江流域以后到達日本南部地區的遙相關分布。此遙相關型正好與南海夏季風建立后源自南半球經索馬里越過赤道后經南亞和東南亞低緯地區再向北折向中國大陸并伸向西北太平洋的大值水汽輸送帶的位置一致。這說明此遙相關型可能與這條水汽輸送帶中的輻散輻合存在有密切聯系。最近Watanabe and Yamazaki（2012）也確證了在5月和6月從阿拉伯海經過孟加拉灣到菲律賓海定常的Rossby波異常沿印度地區低層強西風帶向東傳播到菲律賓的遙相關型。

3 暴雨發生的多尺度相互作用

暴雨是各種尺度天氣和環流系統相互作用的產物，尤其是特大暴雨或持續性暴雨都是出現在幾種尺度的天氣系統（行星尺度，天氣尺度，中尺度和小尺度）明顯有相互作用的情況下。大尺度系統制約和孕育小系統的發生和發展，小系統產生以后能成長壯大，反過來，又能對大系統起作用，這使整個暴雨系統能繼續維持或加強，這既涉及到小擾動在大尺度環境中發生和增長的問題，又涉及到小擾動發展后對大尺度場的反饋過程。從數學上看，這種不同天氣系統相互作用的問題是一種非線 性問題，因而是一個很復雜的包含突變過程的問題。暴雨預報的困難在很大程度上也就在于此（陶詩言，1980）。在暴雨的上述尺度相互作用中，有兩個問題值得強調：（1）暴雨雖然是發生在不同天氣尺度系統相互作用之下，但暴雨本身是中尺度現象。造成暴雨的天氣系統是尺度為25～250 km的中尺度系統，它對暴雨有兩個作用；即（a）產生強上升運動，水汽通量輻合和明顯的位勢不穩定層，其強度一般要比天氣尺度大一個量級。暴雨出現時，降水強度很大，比一般降水強度大1～2個量級。降水強度取決于凝結函數（）與上升速度（），在暴雨季節，的量級為10，而值的量級為10～10cm s，因而對暴雨，其強度

更主要取決于的量級。陶詩言指出，10分鐘的降水量是由單個積雨云細胞造成，1小時降水量是由中尺度天氣系統造成；24小時降水量是由中間尺度和天氣尺度系統造成；3～10天降水量是由大形勢（長波）調整造成天氣尺度系統長時間停滯或重復出現中間尺度系統的結果；1～3個月降水量是由于大氣環流的長時間的作用造成（如半球環流的異常等）。（b）對積云對流活動起明顯的組織與增強作用。在這種25～250 km的中尺度系統中包含有幾個長度為2.5～25 km的積雨云，新生的單體可以逐次在老單體的右前方發生，形成所謂的“列車效應”，使一場暴雨表現為幾次強暴雨峰值依次發生的現象。（2）持續2天以上的暴雨必須考慮行星尺度（3000～8000 km）天氣系統的作用。行星尺度系統并不直接產生暴雨，但它可以通過制約直接影響暴雨的天氣尺度系統的運動，間接對暴雨產生作用。陶詩言（1980）指出，這種制約作用表現在四個方面：1）影響天氣尺度的移動速度，例如，如果下游有高壓脊或副熱帶高壓發展和穩定，可使上游系統（如高空槽）受阻，移速減慢。這種“東高西低”的東阻型天氣形勢可使系統中的降水增強；2）影響天氣尺度系統的強度變化；3）使影響暴雨的天氣尺度系統能重復出現，并沿近于類似的路徑移動，造成連續性暴雨。并且還可以通過中尺度雨團的集中過程造成強烈的暴雨。他發現在1973年7月2日20時（北京時）到3日02時北京6小時降水量達92.8 mm，這是四個中尺度擾動向北京集中而造成的。這種集中機制后來在美國德克薩斯州Hill縣的一次突發性暴雨/洪水的發生中也出現過（Caracena and Fritsch，1983）；4）造成不同尺度天氣系統間的相互作用，此外，行星尺度天氣系統決定了大范圍雨區出現的范圍以及暴雨區的水汽來源或水汽通量。這將在第三節中詳細討論。根據暴雨發生多尺度相互作用機理，丁一匯和張建云（2009）提出了暴雨形成的診斷分析流程，它包括八個步驟：

（1）首先考察大尺度行星環流的變化，確定在起始時刻和前期環形勢屬于哪一種暴雨的環流型。

對于2天以上的暴雨，行星環流分布具有十分重要的作用，不但要分析歐亞中高緯環流是否會出現有利于暴雨的環流型（如對長江流域的暴雨是否會出現兩脊一槽的雙阻環流型；東亞地區是否會出現高—低—高的經向環流異常分布），同時還要分析亞洲或東亞夏季風活動的情況（如是否處于活躍期，其季節內振蕩的演變如何等）以及副熱帶高壓的變化［如副高是否西伸，北跳，并形成東阻型（下游阻擋）形勢］。要特別關注行星尺度環流的穩定性和出現大范圍調整的可能性。只有大尺度行星環流的演變分析清楚了，才能掌握暴雨發生的背景和可能性。長波穩定性指數的計算對于診斷大尺環流的演變是十分有用的（Ding and Reiter,1982）。

（2）識別和追蹤降水天氣系統的演變

降水天氣系統如鋒面、氣旋、高空槽，臺風、高空冷渦等雖不是直接造成暴雨的天氣系統，但它們是影響中小尺度天氣系統活動與造成不穩定層結的主要系統。追蹤它們的移動速度、結構和強度變化以及與其他環流系統的相互作用對于確定暴雨區的潛在發生地區和強度是十分重要的，如對降水系統的移動變化，可考察是否會受到下游系統的阻擋而變成停滯。主要移動方向與引導氣流的偏離有多大等，對于降水系統的結構主要是分析降水系統內主要氣流的分布，尤其是主要上升氣流的位置（所謂暖輸送帶）。這需要進行等熵分析得到等熵面的相對氣流分布。降水天氣系統強度演變的分析有多種方法，關鍵是考察所關注的降水天氣系統在未來是減弱還是加強，尤其考慮是否會有突然或爆發性發展（如氣旋發展，強烈的鋒生，臺風迅速變性為溫帶氣旋，高空冷渦的向下伸展等），位渦分析是一個重要的方法，位渦（PV）是一個將熱力和動力作用結合的物理量，可綜合反映降水天氣系統和相關暴雨的形成和發展條件。診斷分析表明，當PV＞0，大氣對稱穩定，PV＜0，大氣對稱不穩定，降水系統有可能發展。相關的強降水總是位于干位渦比較小的地區。由于降水系統中有大范圍飽和空氣區，最好用濕位渦分析（MPV）。如MPV＞0，大氣是濕對稱穩定，MPV＜0，大氣是濕對稱不穩定，降水系統可能發展，相關的強降水總是位于濕位渦負中心暖氣流一側。

（3）高低空急流的耦合分析

高低空急流次級環流耦合對于天氣系統發展和降水具有明顯的增強作用。關于低空急流對暴雨的作用過去已有清楚的認識，但對高空急流（西風帶或副熱帶急流和熱帶東風急流）及其與低空急流耦合對暴雨的作用認識不夠。降水天氣系統及相關暴雨區的發展經常出現在高空氣流入口區右側或出口區左側以及低空急流左側，由于低空急流常常是由于高空急流誘生的，所以它們之間的耦合（主要在西風急流中心出口區）對于診斷降水天氣系統的發展是很重要的。在華南地區，有時會受到熱帶東風急流的影響，在其入口區右側是上升運動的地區，它對暴雨有明顯的增強作用，這在分析長江以南的暴雨個例時需要加以注意。

（4）暴雨觸發條件的分析

暴雨的發生需要觸發條件，它的作用是能夠產生最大的抬升力，使氣塊的垂直位移足夠大以能夠到達自由對流高度（FCL）。能夠起到暴雨觸發作用的天氣系統可以是天氣尺度系統或中尺度系統，由于中尺度系統具有更強的上升運動，其觸發作用更有效。中尺度觸發過程可以分成三種條件（Johnson and Mapes，2003）：局地條件、平流條件和動力條件。局地條件有邊界層環流、地形作用等，平流條件有各種輻合線如冷鋒、陣風鋒、海風、湖風、干線（或露點鋒）以及多種邊界線的交叉點，如鋒面相遇，海風與盛行風相遇，弧云線與其他邊界相互作用等；動力條件有重力流、重力波、邊界層水平對流滾軸云等。觸發條件的分析有時是困難的，借助于地面的中分析以及衛星云圖與雷達回波圖可以識別一些中尺度觸發條件。例如根據衛星云圖可以發現在早晨云區的邊界最易在午后引起雷暴活動和對流性降水。

（5）上升運動區的診斷

垂直運動的分布與暴雨或強對流區有明顯的關系，它不但是暴雨的一種觸發機制，而且是暴雨持續的必要條件。暴雨區一定是位于上升運動區，但不一定是與上升運動最大中心一致。診斷垂直運動的最簡單方法是直接用連續方程計算垂直運動（丁一匯，1989），但根據這種方法無法分辨是什么原因引起的上升運動，為此可以用方程進行診斷。在方程中，渦度平流和溫度平流都是主要的強迫函數，它們的垂直變化或水平分布都可以產生明顯的上升運動，一般認為500 hPa或300 hPa強的正渦度平流和對流層下部的暖平流更為重要，對于中緯度天氣尺度運動，可以用準地轉方程，但對副熱帶與熱帶地區（10°N以北）最好用完全的方程。除了方程以外，向量也常用來診斷垂直運動分布。

（6）水汽輻合和濕層變化的計算和分析

對于持續性暴雨，大范圍水汽通量與水汽輻合的計算尤為重要，它可以確定水汽的來源與可能的暴雨區，暴雨區一般與整層（地面－300 hPa）水汽輻合區及其演變有很好的對應關系，并且隨著水汽輸送輻合的加強，可以分析暴雨區濕層的變化，濕層的增厚是暴雨發生的一個重要先兆條件。對于大范圍水汽輻合的計算也可用水汽通量流函數和水汽通量勢函數計算，它們分別可表示水汽的來源和輻合情況。

陶詩言（1980）指出，在日本的暴雨預報中有一條經驗是：當850 hPa和500 hPa達到337 K以上，同時從數值預報圖看出，在未來12小時內，如果這個高值區是個上升區域，則在這個區域中，未來12小時出現大于50 mm的大雨可能性甚大。至于穩定度指標并不關鍵。暴雨可能出現在負值區或正值區。前者稱作不穩定型大雨，后者稱作穩定性大雨。而、同時達到337 K以上是個臨界條件。

（7）大氣層穩定度分析

表征大氣層穩定度的參數有很多，如指數、肖沃特指數、總指數、理查遜數、CAPE等，根據這些指數的計算值可以判斷強對流天氣和暴雨發生的可能性，但是僅計算不穩定指數是不夠的，盡可能利用靜力穩定度方程分析平流過程對大氣層結穩定度的影響。上下層的平流差異愈大，層結的變化愈大。

位勢不穩定層結的建立和重建主要取決于高低層水汽和熱量平流的差異，即高層冷平流，或干空氣平流，低層是暖平流或濕空氣平流，或中低層比上層增暖更明顯。要造成明顯的平流差異應具備兩個條件，即要有明顯的風垂直切變和明顯的水汽和溫度差異（即差異大）。如有下沉運動，這使逆溫層加強，建立強位勢不穩定層結。

在位勢不穩定建立過程中低空急流起著重要作用，它可以迅速帶來暖濕空氣，并且在其前方有強水汽輻合，在邊界層中造成顯著增暖增濕。在這種情況下，以前的穩定層結區，往往只需要12小時就可轉變為極不穩定的層結。另外當熱帶濕空氣迅速從低層向北推進時，在近地面層能形成越來越濕的熱帶空氣層，這時也能迅速地建立起不穩定層來。在有些情況下平流不是造成位勢不穩定的主要原因，而是以地面加熱為主，這常出現在夏季長期由熱帶海洋氣團控制的地區或雨后比較濕潤的地區。為了了解單站的大氣穩定度，有時在熱力學圖表上分析幾個代表性臺站的探空曲線以了解大氣穩定度狀況也是很有用的。

（8）中尺度不穩定分析

中尺度不穩定中最重要的是對稱不穩定（SI），如對飽和空氣可用條件對稱不穩定分析（CSI）。根據SI或CSI分析可以確定中尺度雨帶可能發生的地區與層次。根據上面八個方面的分析，可以給出暴雨區影響系統和綜合概括圖（圖1），從這個概括圖可一目了然地看出影響天氣系統和各種物理因子對所分析暴雨的作用。

4 暖濕季風輸送帶對北方大暴雨的影響

在暴雨大尺度環流型的研究中，陶詩言等（1979）等強調了中低緯度環流系統的相互作用，尤其是低緯環流系統的作用。他們指出，在我國每一場大暴雨中都可發現有熱帶環流系統的作用。例如在1975年75.8和1963年63.8 暴雨期間熱帶輻合區有明顯的北推。在其他夏季暴雨期間也有類似現象。熱帶輻合區的北推加強了西南氣流和東南氣流，提供了大量的水汽來源，同時熱帶輻合區中的有些低壓系統可直接北上造成暴雨。分析還指出（北京大學地球物理系氣象專業，1979），由于熱帶輻合區常常有不止一個渦旋存在，當一個臺風登陸時，如果海上還有低壓存在或發展構成渦旋群，這時渦旋群與北面副熱帶高壓之間形成強偏東氣流，這股東風從海上一直延伸到內陸，成為暴雨的主要水汽通道，并影響我國東部的大部分地區。最早注意到這一問題的是黃士松先生，他在1944年（黃士松，1944）就指出：“時值夏秋，倘自龍州經北平（京）作一直線，則右邊各地的天氣莫不受有臺風的影響”。后來，仇永炎（1998）先生專門分析了北方盛夏臺風暴雨問題，并給出了臺風與西風槽相互作用型。由上可見，北方（如華北）要發生很強的暴雨，必需有來自熱帶地區的持續水汽輸送或臺風直接北上與西風槽相互作用。丁一匯（1980b）曾分析過1972年7月27日7203號臺風在河北北部登陸后造成燕山南麓及北京北部地區的大暴雨，最強暴雨中心位于燕山南麓的北京棗樹林，三天過程降水量達518.3 mm（陶詩言，1980）。另一個例子是1950年8月的一個臺風（趙亞民，1994；仇永炎，1950），這個臺風深入北京附近，過程總降水量最大中心在三里河達484 mm，8月3日24小時降水量達163.9 mm，幾乎等于8月份多年平均值（167.2 mm）。由于來勢猛，永定河水猛漲，出現山洪，泥石流，死亡百余人。鐵路中斷，災害嚴重。

當熱帶輻合帶十分活躍，其北側的暖濕季風氣流可以迅速北上，攜帶大量的水汽到達華北，當與北方冷空氣相互作用時，不但可造成不穩定層結，更重要的是可供應源源不斷的水汽。如果大尺度環流穩定，可造成十分強烈或持續性的大暴雨，“63.8”和“7.21（2012年）”暴雨就是明顯的例子（陶詩言，1980；徐洪雄等，2014）。來自孟加拉灣和南海—西太平洋地區西南或東南暖濕水汽輸送帶可稱之為季風暖濕輸送帶，其地面相當位溫值大于或等于340 K。這支暖濕輸送帶在季風偏強時，通常會向更高的緯度輸送，可以達到我國的華北及更偏北的地區。從在2012年北京“7.21”大暴雨（7月20～22日）發生前，影響華北地區的水汽通道主要有兩支，一支為來自孟加拉灣的西南水汽輸送，另一支為來自西北太平洋及南海地區的偏南風水汽輸送，前者與中高緯度冷空氣在河套及其以北地區明顯交匯，形成一個明顯的水汽通量輻合區，造成這些地區降水發生。7月21日暴雨發生時，40°～50°N附近為明顯的東南風與西南風交匯而成一條西南—東北向的暖濕輸送帶，北京地區為一顯著的水汽通量輻合區，輻合區中心值超過10kg sm。隨著中高緯度地區低壓系統的東移南下，低壓系統西側不斷有來自中高緯度的干冷空氣南下，與來自低緯的暖濕空氣在我國華北地區暖濕輸送帶左側交匯。

1963年8月1～10日的華北持續性大暴雨期間，低空有一條明顯的西南季風急流帶經中南半島直抵我國華北及內蒙古地區，與之伴隨的也是一條貫穿南北的西南季風暖濕輸送帶，同時受臺風低壓的影響從黃海和西太平洋另有一股東南風水汽補充到季風暖濕輸送帶中，從而為暴雨的發生提供了充足的水汽供應。從假相當位溫的分布可以看出，暴雨期間暴雨地區為高溫高濕的暖濕空氣控制，其前沿可達45°N 以北。以上分析表明“63.8”暴雨期間低緯熱帶系統和季風環流也都十分活躍，同樣也有一條明顯的貫穿南北的西南季風暖濕輸送帶，這些特征與“7.21”暴雨期間的特征是十分相似的，這也是“63.8”暴雨在太行山麓長時間維持并產生強降水的主要原因。

5 高空急流對暴雨的作用

雖然早年曾有不少人研究過高空急流與降水的關系，但陶詩言等（1980）是我國最早指出高空急流與降水間有密切關系的研究者，并且指出高低空急流的耦合是引起強烈暴雨的關鍵條件之一。他們概括了三類高—低空急流的關系。一是高低空急流平行的情況，這常發生在經向型環流下的暴雨事件中。這時，云、雨區位于高低空急流軸之間，暴雨的走向與高低空急流軸一致。通過散度和垂直運動場計算表明：低空輻合上升運動中心位于低空急流軸左方和低空急流中心前方；另一方面，高空急流入口區南側是高空輻散區。所以，在高空急流中心右后方和低空急流中心左前方高低空急流軸之間的區域正是高空輻散和低空輻合相配合的地區。這里也是暴雨區所在的范圍。陶詩言進一步指出，這種模型也適用于中緯度緯向環流在江淮或黃淮流域引起的持續性暴雨，并繪制了高空急流對暴雨作用的示意圖。該圖與同期和后來國內外用更多個例研究的結果完全一致（Uccellini and Johnson，1979；丁一匯，2005），后來，將此高空急流與暴雨關系的模型推廣用于亞非地區的熱帶東風急流，其與降水或暴雨區的關系也是正確的（陳樺等，2007）；第二是高低空急流交叉的情況。在交叉點附近即為暴雨中心；三是暴雨出現在高空兩支急流形成的氣流散開區下方，低空急流北側。由于高空氣流散開，北側又是輻合區，這種配置有利于暴雨發生。

6 暴雨和強對流發生的物理條件

暴雨和強對流天氣與其環境條件（包括熱力和動力的）有密切關系。大尺度環境條件不但制約了暴雨和強對流天氣的性質和演變過程，而且還可影響對流系統內部的結構、強度、運動和組織程度。在大尺度環境中，有組織的對流系統不是隨機發生和分布的，而是出現在一定地區和時間內，這也是制作中尺度天氣預報的依據。陶詩言等（1979）歸納了暴雨和強對流發生一般需要滿足的六個條件，即：（1）有位勢不穩定層結，對雷暴系統還應有逆溫層存在；（2）低層有濕舌或水汽輻合；（3）有位勢不穩定釋放的機制（如低空輻合、重力波、密度流、地形等）；（4）常有低空急流和高空急流存在；（5）強雷暴要求有強風垂直切變；（6）對于強對流天氣，中空有冷干空氣。目前對于上述條件與暴雨和強對流的關系雖然有了更多的了解，但對這些物理條件與中尺度系統的發展在物理上究竟有什么關系還不十分清楚，對于兩者之間的因果關系還沒有完全弄清楚。這在很大程度上是受觀測資料的限制。應該指出，暴雨和強對流系統與大尺度環境條件之間在其發展的不同階段，其相互作用的程度是不同的。在發生和初期發展時期，主要決定于大尺度環境條件的作用，但是暴雨和強對流系統得到強烈發展后，大尺度環境條件不但失去了對其制約的作用，反而會受到對流風暴的影響。近年來，Johnson and Mapes（2003）對強對流天氣發生的中尺度條件進行了總結，分為強天氣發生的中尺度前提條件，由局地條件、平流條件和動力條件組成；中尺度觸發條件和風暴發展的中尺度作用。在暴雨和強對流發生的物理條件中，陶詩言等特別強調了三個方面的問題：第一是低空急流的作用。許多統計表明，無論在南方和北方，暴雨與低空急流都有密切的關系，相關率達80%左右。一般暴雨多出現在急流軸的左前方或最大風速中心前方。從低空急流的建立到暴雨的發生，其間平均可有2.5天。因而低空急流分析具有一定的預報意義。第二是邊界層的作用。在華南和華北暴雨研究中，發現在暴雨期間在500 m（約950 mb）水平輻合達最大值，并且水汽、溫度值也很高，冷暖空氣的對比也最明顯。當暴雨減弱時，邊界層的復合最大值消失，因而邊界層中的動量、水汽、熱量輻合對暴雨的貢獻最大。并且在暴雨和強天氣出現前，動量、熱量、水汽的積累最先出現在邊界層中，其中邊界層風速最大值出現最早。以后再向上輸送。以上結果說明，邊界層對于位勢不穩定層結的建立、水汽的供應和觸發暴雨的發生都有重要作用。第三是關于暴雨與強對流天氣（如冰雹、雷暴、龍卷風等）物理條件差異的研究。根據最近的研究，兩者有不少明顯的差別。根據暴雨和強對流天氣平均層結的比較，強對流天氣時在近地面層有一個逆溫層或等溫層存在，暴雨則沒有。從750 mb向上強對流天氣溫度比暴雨的要明顯偏低。到400 mb兩者差8°C。因而7 km以下強對流天氣的遞減率比暴雨大1～3°C km。這是中上層冷空氣作用的結果。強對流天氣的潛在不穩定能量層次比暴雨厚，但自由對流高一些。說明強對流天氣需要更強的觸發條件才能爆發。但一旦發生，對流發展的強度要比暴雨猛烈。邊界層的物理量差別也很大，出現暴雨時的濕度也遠較出現強對流時要大。最大可能降水、整層水汽輻合、水汽垂直輸送等表征水汽含量和水汽來源的量差別也很明顯。暴雨比強對流的整層水汽輻合可大三倍。這表明為了使暴雨維持，水汽應以比強對流大二倍的速度向暴雨區輻合，而對于強對流活動，則與空氣柱本身開始時所含有的水汽量關系更大。風的垂直切變差別也很明顯。暴雨是在弱切變環境下發展的，而強對流是在強切變環境下發展的。槽前暴雨和強對流形勢下平均垂直切變的比較表明，兩者差別十分明顯。造成垂直切變差別大的主要原因在于高空風速的不同。強對流系統多位于高空急流軸附近，而暴雨多位于急流軸以南200～500 km的區域內。強垂直切變是使強對流風暴維持的重要條件。

表征氣團性質的一些物理量差別很顯著。比較，，，，，后可以得到，低空的濕度差異是主要的，溫度差異不大，即暴雨的低空是高溫濕空氣，而強對流的空氣濕度要小得多，可以是變性的極地大陸氣團。高層的溫度、濕度差異都十分明顯，強對流的中層空氣非常干冷，尤其是溫度很低，兩者可差13°C。這是由于在強對流發生時有明顯的冷平流。暴雨時在500 mb以下空氣都是比較潮濕的，上下的溫度差別不大。因而通過上面的分析可得，暴雨主要發生在較深厚的暖濕氣團中，暴雨的特征也主要決定于中低層暖濕氣團的性質及其與冷空氣的水平配置；而強對流天氣主要決定于上層冷空氣（或冷平流）的強度以及它與中低層暖濕空氣的垂直配置。

7 地形對暴雨的作用

陶詩言先生等對于地形在暴雨發生中的作用曾作過全面和精辟的總結（陶詩言，1980；丁一匯和張建云，2009）。他們指出，地形對暴雨有三方面的作用：（1）地形對過山的氣流有動力抬升和輻合作用。近地面地形的上升速度由可以算出，以后再根據經驗關系求出垂直分布，據此可以算出由地形抬升造成的降水（，是凝結函數）。一些特殊的地形如喇叭口狀地形對氣流有明顯的輻合作用，使氣流在這里匯合，從而形成強迫抬升，這種作用也可增強暴雨。許多強暴雨點往往與這種地形有關。如1975年8月5～7日河南省駐馬店板橋水庫出現的特大暴雨（1631 mm）（丁一匯等，1978）和1963年8月上旬河北獐獏站出現的特大暴雨。他們分別與伏牛山和太行山有密切關系，其雨量與地形廓線有很好的對應關系。在山地迎風坡雨量達到最大，在背風坡雨量迅速減弱。（2）地形對中小尺度系統的影響。地形在一定的氣流或條件下會生成中小尺度渦旋或切變線。當這種系統移出或加強時，可以造成暴雨。另外在山區，在一定氣流條件下常常產生靜止的中尺度輻合區，當這種小尺度系統移到山區時常可導致這些系統有強烈的發展或組織成強烈的風暴，從而造成更嚴重的天氣。（3）除了上述地形的機械作用外，地形能通過播撒作用影響中小尺度系統內的造雨過程。這種作用也叫地形對降水的增幅作用。云的微結構過程對暴雨的影響已日益引起人們的關注。至于這種通過云微物理過程產生的地形對降水增幅作用的物理過程目前還沒有完全弄清楚。但不論何種天氣形勢下要造成地形雨必須有兩個條件：第一需要有播散的質點。它們是可以在中層增長以后融化的冰粒，也可以是中層小水滴與低層潮濕空氣中的水滴碰并后增大的大水滴。第二是在山區要有低云存在。這些低云中包含有許多小水滴，它們都是由于擾動氣流的上升部分較弱而沒有足夠時間增長的降水水滴。武田喬男（2005）曾說明這種自然播散對降水增幅作用。由于地形作用，在山前形成大范圍層狀云，其中有許多小雨滴。如果積雨云由海上或其他地區移入到這片層狀云區，可以形成積雨云與層狀云共存的混合云系，兩種不同大小的雨滴將發生明顯的相互作用而產生播撒過程。積雨云中前部流入的強上升氣流將攜帶其中的大雨滴向上，通過0°C層后轉化為冰晶或雪晶，也有一部分成為過冷水滴，由于冰面的飽和水汽壓小于水滴表面的飽和水汽壓，積雨云中的水汽將凝華到冰晶上，使冰晶增長，這使積云雨上部的水汽減少，過冷水滴將蒸發以補充水汽，結果發生由過冷水滴向冰晶的迅速轉化（這種不穩定也被稱為膠性不穩定）。通過這種方式增長的大冰晶一部分隨上升氣流被帶到云區和砧區，在那里下落，通過零度層后變成大水滴，以后又落入到低空的層狀云內，捕獲在此層懸浮的大量小水滴而增長，最后下落到地面成為強降水。積雨云上面的另一部分冰晶則隨后面的氣流直接落入層狀云中，通過碰并過程迅速增長到大雨滴，也使地面降水增加，這種混合云不但在沿海地區山區的迎風面可以觀測到，在梅雨期，臺風季也經常可以觀測到。它使降水增幅形成暴雨。

8 結語

在中國暴雨研究和業務發展的每一個重要階段，陶詩言先生都以其淵博的知識，豐富的經驗發揮了重要的科學指導作用。在許多方面做出了重要貢獻（丁一匯，1998）。他不但帶領自己的研究隊伍，腳踏實地為解決中國暴雨的重要問題做了系統的研究，同時，堅持理論聯系實際，始終站在國內外暴雨研究和預報發展的最前沿（Tao and Ding，1981），指導暴雨隊伍的業務發展。他的科學思想不但在當時起著重要的作用，即使到今天仍然閃現著科學的光輝，成為我們后輩研究的基礎和借鑒，并在新的條件和形勢下傳承和發揚光大。

暴雨研究的核心問題是中尺度問題，由于觀測和科學水平認識的限制，目前仍面臨著重大挑 戰。根據可預報性的研究，小尺度運動中不可避免的初始的不確定性，將向中尺度傳播并能比天氣尺度更早地達到中尺度，從而使中尺度系統具有更低的可預報性。因而增加觀測密度，從而減少小尺度的不確定性是提高中尺度可預報性的一個關鍵。但由于這種高密度觀測網費用極高，從業務上是很難實現的，即使能夠實現，實踐表明，也不能保證中尺度天氣預報會有明顯的提高。但這是否說明中尺度天氣如暴雨和強對流天氣的預報是不可能呢？根據近20年的相關研究，對于某些重要的中尺度現象的預報并不是完全沒有可能。其原因有兩個：（1）觀測到的大氣運動波譜由于是根據時空平均得到，只代表一種大氣結構的統計狀況，而許多中尺度事件是高度間斷性出現的，它們并不一定符合三維亂流的理想譜，某些中尺度天氣系統如鋒面和熱帶氣旋可具有特有的動力結構，它們可阻止能量向較大尺度和較小尺度的轉換，對這種具有能量轉換比較閉合的特性的中尺度系統可能比原認為的亂流系統具有更高的可預報性（Ray，1986）。因而提高中尺度天氣可預報性的一個途徑是從動力上研究和尋找中尺度系統發生發展的規律和特征以確定它們的可預報上限。（2）影響大氣中尺度系統演變和特征的第二個重要因子是邊界強迫作用。許多中尺度天氣事件和現象（如山脈波、海陸風、對流、地形雨、湖生雪暴、沿岸鋒、地形性淺層冷空氣堆）都與下墊面的不均勻性有關，它們包括地形，植被覆蓋與地表特征（反照率、熱容量、水汽源等）。只要在數值模式中把地面不均勻包括進去，就有可能增加由它們強迫產生的中尺度系統的可預報性。因而高分辨的具有不均勻下墊面特征的數值模式（主要是區域數值模式）的應用十分必要。由上可見，中尺度天氣系統的發展可分為兩類：一類是地面不均勻性強迫產生的，另一類是大尺度流場的內部影響所致，這一類除鋒面，急流等系統外（由大尺度氣流的切變與形變產生），還包括大尺度氣流產生的不穩定區，如在大尺度對流不穩定區發展的孤立雷暴和突發性暴雨。應該指出，即使大尺度不穩定區有較明顯的可預報性，這種個別的突發現象的可預報性也可能很低，甚至完全不能預報。中尺度天氣預報具有較高可預報性的條件：（1）預報的中尺度現象主要由大尺度氣流與已知的地表不均勻性之間的相互作用產生和演變而來；（2）天氣尺度預報比較準確，能夠提供較準確的大尺度氣流和天氣尺度影響系統預報，根據這種好的預報至少可以確定中尺度系統和暴雨發生的潛在地區和時間，這是一種很有用的預報指導；（3）具有足夠的大尺度氣流在地表不均勻性強迫下產生變化導致中尺度系統生成和演變的知識。由于天氣尺度預報目前在1～3天時期內仍存在顯著誤差，為了使中尺度天氣預報具有一定技巧，必須首先改進全球天氣尺度的數值預報，尤其是發展高分辨率的全球模式，并與區域模式嵌套，同時使用集合預報方法，這是中尺度天氣預報提高可預報性的必要前提。

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Contributions of Prof. Shiyan Tao to the Study of Formation Conditions and Mechanisms of Heavy Rainfall in China

Ding Yihui

National Climate Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081

The author of the present paper made a special assessment on the contribution of Prof. Tao Shiyan to the study of heavy rainfall in China in 1998. Titled “East Asian Monsoon and Torrential Rain in China”, the assessment was published in the volume of the Collected Papers to coincide with Prof. Tao’s 80th birthday. Although he passed away in 2012, Prof. Tao’s scientific wisdom and concepts continue to enlighten his successors. His valuable heritage in the study of heavy rainfall in China has exerted a profound influence on research and operational development for past and present generations and will continue to influence future research on this topic.

The present paper further evaluates Prof. Tao’s contributions to the study of heavy rainfall in China in the context of recent research achievements in this area, with a particular focus on dynamic and thermal conditions as well as related mechanisms. The paper is structured with the following six sections: (1) seasonal abrupt change and its effect on the onset of the Meiyu season in China, (2) multiple-scale interaction in the occurrence of heavy rainfall, (3) the impact of the warm and moist monsoon conveyor on excessively heavy rainfall in northern China, (4) the role of the upper-level jet in heavy rainfall, (5) physical conditions for the occurrence of heavy rainfall and severe convective storms, and (6) the effect of topography on heavy rainfall.

Heavy rainfall, Seasonal abrupt change, Multiple-scale interaction, Warm and wet monsoonal conveyor, Upper-level jet

1006?9895(2014)04?0616?11

P44

A

10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13226

2013?07?26，2013?10?11收修定稿

國家重點基礎研究發展計劃2012CB417205、2013CB430202，國家自然科學基金重點項目41130960，國家科技支撐計劃2009BAC51B02

丁一匯，男，1938年出生，研究員，主要從事亞洲季風、氣候變化和中國災害性天氣氣候等方面的研究。E-mail: dingyh@cma.gov.cn