長江中游梅雨鋒極端暴雨過程中的邊界層中尺度系統主要特征*

周金蓮 張家國 吳 濤 許冠宇 劉希文 王 玨 韓芳蓉

1 武漢中心氣象臺，武漢 430074

2 中國氣象局武漢暴雨研究所，暴雨監測預警湖北省重點實驗室，武漢 430205

提 要： 利用2008—2016年常規觀測、地面自動站和NCEP再分析場資料，結合天氣雷達和氣象衛星等資料，在系統性分析39例梅雨期極端暴雨過程邊界層中尺度天氣系統動力熱力特征的基礎上，研究歸納了三種不同天氣類型下極端暴雨邊界層中尺度天氣系統的發展模型。結果表明：在同一類天氣類型背景下，對應的極端暴雨中尺度天氣系統的發展具有相同的規律，且極端暴雨的產生均與邊界層中尺度天氣系統的強烈發展有密切關系，而長江中游特殊地形在邊界層中尺度系統發生發展中起到重要作用。在有利環流背景和強烈發展邊界層中尺度天氣系統的觸發和組織作用下，中尺度對流系統(MCS)的合并加強、停滯、后向傳播以及對流單體列車效應等是極端強降水產生的重要原因。鋒面氣旋類極端暴雨地面中尺度天氣系統有三種，均由冷式切變線、暖區局地中尺度輻合線和大別山西側MCS出流邊界等交匯發展而來。低渦切變極端暴雨的中尺度天氣系統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烈輻合、局地斜壓性的發展過程等；局地中尺度渦旋的形成與西南渦和長江中游特殊地形密切相關，四川盆地西南渦加強，湘鄂西部二級地形區域渦前強降水的形成是其發展的主要誘因，有利于多支氣流輻合的長江中游馬蹄形地形是其在江漢-洞庭湖平原多發的關鍵因素。弱強迫梅雨鋒暖區極端暴雨中尺度天氣系統的形成發展與大別山西側雷暴冷池逆流和夜間邊界層超低空急流的輻合增強、維持有關。

引 言

受亞熱帶季風、特殊地形等影響，長江中游極端暴雨頻繁，常引發山洪、泥石流和洪澇等災害。許多重大過程的預報與實況均有較大偏差，如2012年7月12日鄂東局地極端暴雨過程，2019年6月5日由邊界層新生的局地中尺度渦旋產生的江漢平原極端暴雨過程，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程等。究其原因，主要還是人們對梅雨鋒極端暴雨邊界層中尺度天氣系統活動規律認識不夠，無法對數值模式降水預報偏差做出有效的訂正。

暴雨是多種尺度天氣系統相互作用的結果(Maddox et al，1979；陶詩言，1980；Bosart, 1984；Ninomiya et al，2003)，是在有利的天氣背景下由特殊組織結構的中尺度對流系統產生的(王曉芳和崔春光，2012)，而這些中尺度對流系統與邊界層中尺度天氣系統發生發展有著密切關系(貝耐芳等，2003；孫建華等，2004；廖移山等，2011；張家國等，2013；2015)。多年來，眾多學者先后研究過長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三類(張家國等，2015;2018；黃小彥等，2020)，本文將圍繞這三類天氣類型開展邊界層中尺度天氣系統活動規律研究。有關長江中游梅雨期低渦切變背景下梅雨鋒暴雨典型個例研究相對較多。高坤和徐亞梅(2001)對1999年6月下旬暴雨過程研究指出，影響長江中下游梅雨鋒暴雨的中尺度擾動多是西南渦前因局地熱力、動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)對該過程研究發現，五個中尺度低壓按其特征可歸納為兩種類型：第一類中尺度低壓往往表現為由長江中上游快速移動到下游地區，并可能在長江中下游顯著發展；第二類則是在長江中游地區局地新生的梅雨鋒中尺度擾動。王智等(2003)研究發現，在東移的α中尺度低渦的東南部邊界層激發出一個β中尺度渦旋，該β中尺度渦旋與一強暴雨區相伴移動。廖移山等(2011)分析發現西南渦前邊界層中尺度渦旋的發展對2011年7月22日襄樊特大暴雨過程發生有重要作用。張家國等(2013)、吳濤等(2017)個例分析認為,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系。孫淑清和杜長萱(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系統，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于武陵山東部長江中游的地理分布特征。另外，還有許多有關中尺度渦旋及中尺度低壓形成發展機理的研究(Ninomiya and Muraki，1986;施曙和趙思雄，1994；翟國慶等，2003；董佩明和趙思雄，2004)，得到十分有意義的結果，但對局地中尺度渦旋易在武陵山東側多發的誘因并不清楚。統計發現，湖北省極端暴雨中鋒面氣旋類型背景占有較大比例(張家國等，2018)，但是鋒面氣旋背景下暴雨過程中尺度系統分析研究較少。張家國等(2013)分析表明在鋒面氣旋背景下鄂東地區極端暴雨的形成與鋒面輻合線、暖區中尺度輻合線和暖區特定地形影響下雷暴出流邊界的結合是導致中尺度輻合增強的原因。1998年7月21—22日長江中游連續2天出現了特大暴雨，程麟生和馮伍虎(2003)、貝耐芳等(2003)從不同角度進行了分析研究，這類暴雨梅雨鋒結構顯著特征是中低層鋒區前傾、天氣尺度垂直運動弱，本文稱之為弱強迫梅雨鋒暖區類極端暴雨。少數典型個例研究表明，湖北省弱強迫梅雨鋒暖區極端暴雨與鋒前暖區白天條件不穩定發展、夜間湖南東部北上的超低空急流的加強以及大別山脈對雷暴冷池影響有密切關系(張家國等，2015；黃小彥等，2020)。這類暴雨發生于中低層鋒區前傾階段，數值模式預報效果較差，是當前天氣預報業務難點。

上述研究加深了人們對長江中游梅雨鋒暴雨中尺度天氣系統機理認識，對暴雨預警預報業務有重要的指導作用。但是其中許多研究還是基于典型個例，缺乏系統性、規律性的總結。而相同天氣背景下中尺度天氣系統的形成和發展是否有共同規律？這既是科學問題，也是預警預報開展中尺度機理分析及數值模式預報訂正的基礎。本文在詳細分析39例梅雨鋒極端暴雨過程邊界層中尺度天氣系統熱力、動力演變過程基礎上，系統性地研究了長江中游梅雨期三類天氣背景下中尺度天氣系統發生發展的規律、可能機制及地形作用，研究歸納出各類天氣背景下極端暴雨邊界層中尺度天氣系統發展模型。

2 資料和研究方法

Maddox et al(1979)認為致洪降水一般為6 h雨量>100 mm，少數>250 mm，山區一般為50～100 mm，俞小鼎(2013)定義極端短時強降水為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個國家常規觀測站1960—2005年逐日降水資料按升序排列，將第99個百分位值的45年平均值定義為該站點的極端暴雨閾值，然后取77個國家常規站點閾值的平均值，得到湖北省平均日極端暴雨閾值為93 mm。鄭永光等(2017)認為降水強度越強的天氣系統時空尺度越小，對于累積時間短的極端強降水研究，必須使用更加稠密的區域自動站降水觀測資料。因此，本文選取2008—2016年梅雨期湖北省區域自動站逐小時降水資料，將滿足3 h雨量≥100 mm、且出現相鄰2個站點以上條件的過程，定義為一個極端暴雨過程。經過篩查，共有39次強降水過程滿足極端暴雨條件。

本文利用常規觀測、地面自動站和NCEP再分析場資料，結合長江中游新一代天氣雷達拼圖和氣象衛星等資料，首先分析每次過程的環流背景和主要影響天氣系統，對每次過程基于具體影響天氣系統三維結構特征進行歸類；其次，分析相同天氣類型下每次極端暴雨過程邊界層中尺度天氣系統的動力、熱力過程以及系統發展與中尺度對流系統加強原因；最后，建立三種不同天氣類型下具有規律性的極端暴雨邊界層中尺度天氣系統發展模型。

3 長江中游梅雨鋒極端暴雨天氣類型、地形及常見的中尺度氣流

天氣尺度系統對中尺度環流的起源和發展起到控制作用(Bosart，1984)，長江中游梅雨鋒極端暴雨的天氣系統主要有鋒面氣旋類、低渦切變類和弱強迫梅雨鋒暖區類(圖1)(張家國等，2018；2015；黃小彥等，2020)，分析每次天氣過程的環流背景，39例極端暴雨過程的天氣類型結果見表1。

表1 長江中游梅雨期極端暴雨天氣類型統計Table 1 Statistical table of extreme rainstorm weather types in Meiyu period over the middle reaches of Yangtze River

張家國等(2018)對鋒面氣旋類和低渦切變類極端暴雨開展了詳細分析。從表1可以看到，鋒面氣旋類極端暴雨占有較大比率(圖1a)，其特點是冷鋒南下冷空氣侵入長江中游地面暖倒槽，在江淮地區有弱的氣旋發展，江淮氣旋與穩定的副熱帶高壓系統共同作用，導致極端暴雨產生。低渦切變類也是長江中游梅雨期重要的極端暴雨天氣型(圖1b)，其主要天氣系統的特征是，四川盆地西南渦發展，長江中下游維持一條東西向的梅雨鋒切變線，其南部為穩定的副熱帶高壓系統，極端暴雨的產生是梅雨鋒西側西南渦擾動發展引起的。弱強迫梅雨鋒暖區類極端暴雨(圖1c)的天氣系統主要由中低層前傾的梅雨鋒、低空急流和副熱帶高壓等構成，該背景下天氣尺度強迫較弱，在數值預報中常常會漏報，極端暴雨一般發生于低層鋒區南側暖濕條件不穩定區域，并伴有雷暴大風天氣。特別強調的是，雖然三種天氣類型具有相對的獨立性，但是有時在一次天氣過程中可能有兩種天氣類型先后出現。

地形在邊界層中尺度天氣系統形成發展中起到重要作用(廖移山等，2011；孫繼松等，2012；張家國等，2013;2015；吳濤等，2017；王玨等，2019)。如圖2所示，長江中游湘鄂兩省為馬蹄形地形。受地形和地理位置的影響，湖北省境內邊界層存在幾支常見中尺度氣流，分別為4支冷氣流(藍色箭頭)和3支暖氣流(紅色箭頭)，這幾支氣流分別出現在不同的天氣系統背景下，從而形成不同位置和不同強度的中尺度輻合系統。在后文中將會提到，這些中尺度輻合系統會觸發熱力對流，也可能與其他系統相遇而加強，在中尺度對流系統發生發展的過程中發揮了重要作用。

圖2 長江中游馬蹄形地形及常見中尺度氣流(黑色實線為湖北省界,灰色實線為長江及其支流,藍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 三種天氣類型下極端暴雨中尺度天氣系統發展模型

4.4 鋒面氣旋類邊界層中尺度天氣系統

研究表明，邊界層中尺度輻合線相交、匯合，或當中尺度輻合系統移入一個有利區域時，輻合就會加強(俞小鼎等，2012)。從鋒面氣旋背景下邊界層中尺度天氣系統形成發展共同特點看，首先，梅雨期偏南暖濕季風氣流推進到長江中游，有利于鄂東低層暖倒槽內中尺度氣流、局地中尺度輻合系統的形成，局地中尺度輻合系統一般位于幕阜山北部；之后，當鋒面天氣系統發展東移南下影響時，冷空氣沿漢江河谷侵入到江漢平原暖倒槽內，與暖區中尺度輻合系統結合，邊界層中尺度天氣系統得到強烈發展并移動緩慢，由此導致極端暴雨產生。統計表明，18例鋒面氣旋類天氣背景下的極端暴雨個例有12例具有這種相同的規律(其余6例出現在鄂西山地)。

鋒面氣旋背景下，邊界層中尺度天氣系統發展分為以下三種類型(圖3)。這三種邊界層中尺度類型是相對獨立的，均可導致極端暴雨的產生，但有時在同一次天氣過程中可先后出現幾種中尺度天氣類型。第一種類形是人字形輻合線Ⅰ型：冷空氣沿漢江河谷南下侵入江漢平原季風倒槽內，冷性輻合線與暖倒槽內幕阜山北部局地中尺度輻合線結合形成人字形輻合系統，中尺度對流系統(MCS)在交匯處發展最為強烈且緩慢移動(圖3a)。第二種類型是中尺度氣旋波型：在人字形輻合線Ⅰ型基礎上，由于西南暖濕氣流強盛，人字形輻合線Ⅰ型易演變成中尺度氣旋波型(圖3b)；若大別山西側有雷暴冷出流匯入中尺度氣旋波中，則會進一步增強低層輻合，MCS常具有渦旋結構、線對流列車效應、移動緩慢等特征，極易導致極端暴雨發生。第三種類型是人字形輻合線Ⅱ型：冷空氣沿漢江河谷南下，冷性輻合線向東南方向移動，同時，暖倒槽內幕府山北部局地中尺度輻合線觸發午后對流系統，在其東移過程中，受大別山阻擋，雷暴冷池逆流導致MCS向西南上風方傳播，此時冷池前方出流邊界與東移的冷性輻合線交匯，導致中尺度系統輻合加強(圖3c)，因MCS合并加強及產生后向傳播而導致極端暴雨產生。

圖3 鋒面氣旋類邊界層三種中尺度天氣系統發展模型(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日夜間鄂東南出現了區域性暴雨、局地特大暴雨過程，暴雨導致通城縣山洪暴發。這次過程是在鋒面氣旋影響下、由人字形輻合線Ⅱ型中尺度天氣系統產生的極端暴雨過程。早在暴雨形成2天前季風暖濕氣流已經到達長江中下游地區，9日08時(北京時，下同)江淮地區有暖倒槽發展，隨著500 hPa高原短波槽東移、低層弱冷空氣南下，20時江淮地區有一個弱鋒面氣旋生成(圖略)。由雷達回波和地面觀測資料(圖4)看出，9日12時由鄂東暖區中尺度輻合線觸發的分散性雷暴移至大別山附近，而后進一步加強成西北—東南向組織化的線狀對流系統，伴隨一個弱的雷暴冷池出現，在其西側地面有一中尺度輻合系統存在；同時，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。到14時，受地形阻擋，大別山附近對流系統雷暴冷出流向西南方向擴展加強，雷達觀測到一些分散性單體沿出流邊界排列；此時與冷鋒輻合線伴隨的線對流系統沿漢江河谷繼續南下，與暖區西移的雷暴出流邊界呈匯合之勢。到18時，兩輻合線交匯成人字形輻合線Ⅱ型，溫度場分布有Ω型特征，雷達觀測到兩個雷暴系統交匯發展成人字形對流回波結構。之后該強對流回波系統緩慢東移，導致鄂東出現極端暴雨天氣。

圖4 2011年6月9日(a)12時，(b)14時，(c)18時，(d)20時地面風場(風羽)、溫度場(虛線，單位：℃)和雷達組合反射率(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 低渦切變類邊界層中尺度天氣系統

分析13個低渦切變類極端暴雨過程的邊界層中尺度天氣系統，發現低渦切變類極端暴雨邊界層中尺度天氣系統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構特征和成因，并歸納出其發生發展的概念模型。

利用NCEP再分析資料，分析局地中尺度渦旋的發生發展過程及其結構特征發現，局地中尺度渦旋源地主要集中于江漢-洞庭湖平原地區(圖5)，這與張敬萍等(2015)的統計結果基本一致；因局地冷空氣侵入渦旋具有β中尺度冷暖鋒結構，斜壓性特征明顯(表2)；邊界層輻合及斜壓性發展與兩個局地冷源的形成有關，一個是在武陵山區西南渦降水形成的冷源，另一個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局地中尺度渦旋發展的概念模型歸納如下(圖6)。該渦旋輻合發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北上的偏南超低空急流；二是渦旋西側由武陵山區向東南的偏西冷氣流，這支局地冷氣流與西南渦的加強和武陵山脈地形抬升作用有關(西南渦在四川盆地加強，渦前西南暖濕氣流在武陵山脈地形抬升作用下，常有較大范圍強降水在山區形成；強降水導致武陵山區局地冷空氣堆積，而后冷空氣沿武陵山南坡、東坡到達江漢-洞庭湖平原地區)；三是梅雨鋒切變線附近降水發展產生的偏北冷氣流，西南渦發展期間，西南暖濕氣流加強，梅雨鋒切變線附近因輻合增強導致鋒面降水發展和局地冷空氣形成。在長江中游馬蹄形地形作用下，三支氣流在江漢-洞庭湖平原形成強烈輻合，導致中尺度渦旋強烈發展。同時，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構特征。雷達觀測發現，在局地中尺度渦旋強烈發展階段，渦旋中心附近MCS常具有氣旋式螺旋對流雨帶被大范圍層狀云包圍的結構特征，對流單體群的渦旋性列車效應極易產生極端暴雨；在斜壓發展階段渦旋東北側暖切變附近線對流列車效應也極易產生極端暴雨。

圖6 低渦切變類局地中尺度渦旋形成發展模型(D1:西南渦,D2:局地中尺度渦旋,藍色虛線圈:冷空氣源,棕色實線: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日長江中游特大暴雨過程就是一個受江漢平原局地中尺度渦旋影響產生極端暴雨的典型例子。暴雨前長江中下游中低層受梅雨鋒暖切變線控制，四川盆地有低渦發展，天氣背景是典型的低渦切變類型(圖略)。

分析NCEP再分析資料可以看到局地中尺度渦旋系統的演變過程(圖7)。6日08時四川盆地有一深厚的西南渦，東部長江中游有暖切變發展，925 hPa上僅在江漢平原有一個弱的渦旋環流存在，說明局地中尺度渦旋開始發展；到14時，925 hPa渦旋環流加強并伸展到850 hPa，此時局地中尺度渦旋形成，尺度約為200 km，而西南渦環流開始減弱。到20時，局地中尺度渦旋東移，尺度變大，強度進一步增強，后側的西南渦環流則基本消失(圖略)。分析溫度場的分布、演變發現，6日08—14時，925 hPa和850 hPa在鄂西武陵山地區(西南渦東北方)有局地冷空氣形成并向東擴展，暖切變北部也有冷區發展，這些局地冷空氣的發展與西南渦前鄂西武陵山地形抬升下降水的形成、以及西南氣流加強暖切變附近降水發展有關。局地冷空氣的形成一是有利于武陵山東側江漢平原多支氣流的輻合加強，二是局地冷空氣與江漢平原的暖濕舌之間構成強的溫度鋒區，有利于局地中尺度渦旋斜壓性發展。

綜合分析地面自動站和雷達觀測資料(圖8)發現，伴隨西南渦的發展，江漢平原近地面有一個局地中尺度渦旋發展的過程。多支冷暖氣流交匯導致渦旋發展的過程十分清晰，渦旋的位置也與NCEP再分析場上十分吻合，局地渦旋發展東移期間，江漢平原有渦旋狀結構的強回波系統逐漸形成，其與地面中尺度渦旋相伴隨。需強調的是，與一般非暴雨渦旋回波不同的是，該渦旋狀結構回波內為對流螺旋雨帶、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時后，渦旋結構回波東移，給東部廣大地區帶來了持續性暴雨。

圖8 2013年6月6日(a)08時，(b)14時，(c)17時，(d)20時地面風場(風羽)、溫度場(虛線，單位：℃)和雷達組合反射率(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 弱強迫梅雨鋒暖區類邊界層中尺度天氣系統

分析8次弱強迫梅雨鋒暖區極端暴雨過程的環境物理條件發現，高CAPE、弱垂直切變、上干(500 hPa 以上)下濕的環境特征明顯(圖略)。在鋒區附近弱的天氣尺度垂直運動環境下，中低層水汽垂直輸送差可能是形成上干下濕環境的重要原因。分析典型過程MCS動態路徑圖(圖9)可見，初始MCS常形成于鄂東幕阜山北部的平原地區，多是由暖區局地中尺度輻合線觸發生成，MCS形成后向下風方移動，在到達大別山西側后折返向上風方移動。極端暴雨、MCS活動地域性特征明顯，多出現在大別山西側，這與其他作者的分析結果一致(張家國等，2015；王玨等，2019)。

圖9 弱強迫梅雨鋒暖區極端暴雨典型個例的MCS移動路徑(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次過程概括的弱強迫梅雨鋒暖區極端暴雨邊界層中尺度天氣系統發展模型。邊界層中尺度天氣系統的發展加強，是夜間超低空急流與MCS在大別山西側形成的穩定維持的雷暴冷池逆流之間強烈輻合的結果。一般地，受暖區局地中尺度輻合線影響，午后在鄂東有局地雷暴發展，向大別山方向移動過程中逐漸發展成組織化的中尺度對流系統。由于大氣環境狀態具有一定的上干下濕、高CAPE等有利因素，雷暴發展旺盛，會產生適度的下沉氣流，當雷暴系統受到大別山阻擋時，雷暴冷池在迎風側積聚形成冷池逆流，并與環境場的西南風形成強烈輻合，導致在MCS上風方觸發新的雷暴，即MCS后向傳播，而后列車效應產生持續性強降水。

2016年6月19日鄂東北特大暴雨發生的天氣背景屬于典型的弱強迫梅雨鋒暖區類。暴雨發生前500 hPa鄂東地區僅殘余一淺槽，850 hPa暖切變線位于其北部的江淮地區，鄂東處于低層西南暖濕氣流前；θse垂直剖面上鋒面前傾結構明顯，特大暴雨出現在梅雨鋒南側不穩定能量大值區域(圖略)。圖11是暴雨期間地面中尺度天氣系統、MCS雷達回波演變的過程。從雷達回波演變看，自18日23時九江九江附近MCS減弱開始，鄂東MCS經歷了23時至19日02時向西傳播(圖11a～11c)、19日02—04時折向東北移動(圖11c，11d)、04—08時準靜止(圖11d，11e)、08—14時再后向傳播四個階段(圖11e，11f)。分析地面自動站風場發現，MCS向西傳播主要是九江附近MCS的雷暴出流沿長江向西北推進引起的，19日02時雷暴出流與幕阜山西側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(圖11c)，02—04時MCS向東北方向移動并逐漸發展成密實的西北—東南向線對流系統，而輻合線少動(圖11d)，鄂東北開始出現短時強降水。分析NCEP再分析資料、多普勒雷達徑向風場和地形特征發現，這一演變過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展有關(圖10b)；04—08時MCS在大別山西側停滯近3 h，導致極端暴雨；08時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，觸發新生單體，MCS后向傳播特征明顯(圖11e，11f)，列車效應在鄂東北產生較大范圍的極端暴雨。

圖10 弱強迫梅雨鋒暖區類中尺度天氣系統發展模型(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，(b)19日01時，(c)19日02時，(d)19日04時，(e)19日08時，(f)19日14時地面風場(風羽)、溫度場(虛線，單位：℃)和雷達組合反射率(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 論

本文系統地分析了39例長江中游梅雨鋒極端暴雨過程邊界層中尺度天氣系統發生發展的動力熱力特征，研究歸納出三類不同天氣背景下梅雨鋒極端暴雨邊界層中尺度天氣系統的發展模型。

鋒面氣旋類背景下，當季風暖濕氣流向北推進到長江中游后，該地區大氣低層常有暖低壓倒槽建立和局地中尺度輻合線形成；當江淮氣旋發展東移帶動冷空氣南下并侵入暖倒槽后，冷性輻合線與暖區局地中尺度輻合線結合，邊界層中尺度輻合得到加強，導致MCS強烈發展，MCS的合并加強及后向傳播導致極端暴雨產生。

低渦切變類背景下，隨著西南渦發展，渦前西南暖濕氣流加強，武陵山區二級地形抬升及梅雨鋒鋒生作用導致武陵山區、梅雨鋒附近降水加強形成局地冷空氣，冷空氣向東、向南擴展，在馬蹄形地形作用下，與東部平原地區西南暖濕氣流匯合導致局地中尺度渦旋強烈發展。武陵山二級地形對西南渦前西南暖濕氣流的抬升作用導致該區域降水得到發展是其東部局地中尺度渦旋發展的主要誘因。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，以后可稱為江漢平原渦。渦旋中心附近MCS常具有氣旋式螺旋對流雨帶被大范圍層狀云包圍的結構特征，對流單體群的渦旋性列車效應極易產生極端暴雨。

弱強迫梅雨鋒暖區類背景下，極端暴雨發生在梅雨鋒中層鋒區附近和低層鋒區南側的暖濕區域，邊界層中尺度天氣系統的形成和發展，與夜間羅霄山脈西側北上加強的超低空急流和大別山西側穩定維持的雷暴冷池逆流之間輻合的強烈發展有密切關系。MCS在大別山西側的停滯、后向傳播以及合并加強是極端暴雨易出現在大別山西側的重要原因。