2020年7月5—8日長江中下游連續大暴雨特征分析

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，江蘇 南京 210019；3.江蘇省南通市氣象局，江蘇 南通 226006)

0 引言

連續性暴雨是持續時間長、影響范圍廣的災害性天氣，極易造成大范圍嚴重洪澇災害。20世紀90年代以來，我國南方持續性暴雨事件頻繁，暴雨對洪澇的貢獻明顯增大[1-3]。陶詩言[4]研究指出，持續性大暴雨的發生需要有利的大尺度環流條件維持，在緯向環流下，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的暖濕氣流不斷交綏，形成持續性暴雨。暴雨過程是多尺度系統相互作用的結果[5-8]，在有利的大尺度環流背景和天氣系統配置下的中小尺度系統頻繁發生時，往往會產生長時間暴雨。2020年7月5—8日，長江中下地區出現連續大暴雨，湖北東南部、安徽南部、江西北部等地累計雨量達300～500 mm；湖北浠水和黃梅、江西九江和新建、安徽黃山區、黟縣和祁門等多個國家氣象觀測站單日降雨量突破歷史極值。集中強降水導致沿江江南中小河流水位迅猛上漲，誘發多地山洪，高等學校招生全國統一考試安徽歙縣考區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、黃山鎮海橋等多處文物不同程度損毀，此次暴雨造成的巨大財產損失引起了社會各界廣泛關注。

本文利用地面加密降水資料、NCEP 1°×1°的fnl再分析資料和風云4A衛星TBB資料，對2020年7月5—8日長江中下游連續大暴雨過程進行分析，以期提高對暴雨天氣的預報能力。

1 降水的時空特征

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

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

2 大尺度環流形勢

大尺度的環流形勢是暴雨發生發展的背景，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，兩阻高之間巴湖附近為冷中心；季風槽已建立，西太副高西伸至我國華南，脊線位于22°N附近，其西側西南氣流與中高緯東部低渦西側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，有明顯的風向和風速輻合，其南側低空急流強盛，中心最大風速達到16 m·s-1。圖2b給出5日08時—8日08時500 hPa高度場、200 hPa風場和850 hPa全風速的平均圖，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長時間交匯，構成此次連續性暴雨的高空環流背景；長江中下游地區同時處于200 hPa風場的顯著分流區和850 hPa西南急流的北側，高層輻散和低層輻合為降水的發生和加強提供了動力抬升條件。

圖2 7月5日08時500 hPa高度場(實線，單位：dagpm，粗實線代表槽線)、溫度場(虛線，單位：℃)、850 hPa風場切變線(雙實線)和地面準靜止鋒(a)；7月5日08時—8日08時200 hPa風場(箭頭，單位：m·s-1)、500 hPa高度場(細實線，單位：dagpm，粗實線代表槽線)、850 hPa風速場(虛線、陰影，單位：m·s-1)平均圖(b)

3 冷暖空氣與梅雨鋒區

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

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

從113～119°E范圍平均的假相當位溫的時間演變(圖4a)和假相當位溫的垂直剖面(圖4b)可以發現，在暴雨持續期間，長江中下游地區上空從對流層低層至高層均維持著假相當位溫的密集帶，對應著梅雨鋒區，強降水主要發生在鋒區的南側。在30°N附近的344 K等假相當位溫線上下貫通，從高層有一假相當位溫漏斗狀插到低層，干冷空氣強盛，其北側48°N附近還有一冷鋒鋒區，在不同時次的剖面圖同樣表現出類似的結構，不斷向南補充冷空氣；在底層有一假相當位溫“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，使得鋒區得以維持，梅雨鋒區內及鋒區兩側垂直環流的加強和高低空急流耦合，有利于降水的加強。

圖4 113～119°E平均的850 hPa假相當位溫的緯度—時間剖面圖(a)6日08時沿117°E的假相當位溫的高度—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，暖濕氣流為降水區提供了充足的水汽；此外低層維持較大的風切變，有利于對流的組織化發展。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盛，為暴雨的發生提供了觸發條件和能量供應。

4 高低空急流

高空西風急流、低空偏西風急流和邊界層偏南風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[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中方框標識)的平均風速代表850 hPa低空西南急流的強度，由風速和降水量的時間序列(圖1b)可見，低空急流強度和和長江中下游區域降水強度都存在明顯的日變化，6日02時、7日08時和8日02時急流強度達到峰值，與之對應在隨后6日08時、7日14時、8日08時的6 h內區域降水量均出現峰值，由此可見低空急流強度與降水強度具有較好的對應關系，且此次過程中，低空急流的增強早于強降水的出現。

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

4.1 高低空急流耦合與上升運動

進一步分析可見，8日凌晨的區域平均降水強度僅次于6日凌晨，垂直速度的高度時間剖面也表明8日凌晨的上升運動最強且發展得最高(圖3b)，而低空急流最強的時段為6日02—08時和7日02—08時， 8日02—08時低空急流雖也較強，但強度遠不如前2個時段，圖3b中可見低空急流的強度與暴雨兩者之間并不完全對應。為尋找8日凌晨強降水的觸發因子，需要對5—8日的高空急流進一步分析。在整個暴雨過程中，河套地區至黃河下游一帶始終存在1條高空西風急流(圖5)，其中心最大風速超過45 m·s-1，但急流的位置和強度存在變化。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的右側。徐海明等[13]研究指出：“傾斜”高空急流軸出口區右側由于水平風場的分布不均勻勢必出現較強輻散場，誘使暴雨發生發展，因此高空急流軸走向的變化對與暴雨發生發展預報有重要意義。

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

圖6 113～119°E平均的經向風(實線，單位：m·s-1，負值代表北風)、緯向風(點劃線，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；b.6日08時；c.7日08時；d.8日08時

4.2 水汽輸送

中低層風場顯示，西南急流為本次暴雨過程持續輸送水汽。從比濕、水汽通量和水汽通量散度來看(圖7)，5—8日長江中下游地區的850 hPa比濕穩定在14～16 g·kg-1，700 hPa的比濕穩定在8～10 g·kg-1，且西南地區東部到長江中下游始終維持較大的水汽通量值，6日08時的850 hPa水汽通量中心位于鄂東南、大別山區和皖南，其最大值超過20 g·cm-1·hPa-1·s-1。分析水汽通量散度場發現，與風場輻合區相對應，水汽通量輻合中心存在于長江中下游地區，5日、7日和8日850 hPa水汽通量散度中心值達-50×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1，而降水最強的6日的850 hPa水汽通量輻合相對較弱。進一步分析發現，6—8日925 hPa強降水區的水汽通量散度中心值達到-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；b.6日08時;c.7日08時;d.8日08時

5 中尺度對流系統的演變特征

中尺度天氣系統的發生發展是造成本次強暴雨的最主要原因。以7月6日為例，強降水區位于湖北東部—江蘇南部一帶(圖6虛線之間區域)，從FY-4A衛星云圖的TBB圖像中可以看出，5日21時15分大別山區存在對流A，鄂東南—贛西北地區存在對流云團B，鄂西南、江漢有多個對流云生成(圖8a)，此后分散的對流云合并成云團C、D、E(圖8b)，B的北部并入A形成云團AB，D與E合并成云團DE，AB、C、DE的強度和范圍明顯增大，TBB中心值降至低于-60 ℃(圖8c)，6日03時長江中下游已形成西南—東北向的帶狀中尺度對流系統MCS，MCS中云團 C、DE逐漸合并成云團CDE，其上游還有F、G等新的對流不斷觸發并逐漸合并(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”[15-16]，新生單體重復地在其上游形成的MCS作為一個整體幾乎保持靜止，能引起大范圍的持續性降水。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發展，跟隨老對流沿西南—東北方向移動、合并和發展，MCS系統整體穩定少動，云頂最低TBB達到-60 ℃，長江中下游的大范圍降水從凌晨開始加強，直至下午減弱，持續超過12 h。

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

6 結論

①2020年7月5—8日，長江中下游地區出現連續性大暴雨過程，降水量異常偏多，維持時間明顯偏長，降水強度時間分布不均勻。

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

③高低空急流耦合對本次連續性暴雨有重要作用。低空急流強度與降水強度具有較好的對應關系。8日低空急流強度雖然減弱，但在低空急流和“傾斜”的高空急流的動力作用下，長江中下游地區上空存在高層輻散和低層輻合，形成旺盛的強上升運動，為連續性暴雨的發生和維持創造有利條件，8日凌晨的區域平均降水強度僅次于6日凌晨，這也進一步說明高低空急流在本地連續性暴雨過程中有重要作用。

④暴雨發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中尺度對流系統的“列車效應”發展是導致本次大暴雨的直接原因，強降水云團移動緩慢且具有后向傳播的特征，從而引起大范圍的持續性降水。