長江中游梅雨鋒極端暴雨過程中的邊界層中尺度系統(tǒng)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(jiān)測預警湖北省重點實驗室，武漢 430205

提 要： 利用2008—2016年常規(guī)觀測、地面自動站和NCEP再分析場資料，結(jié)合天氣雷達和氣象衛(wèi)星等資料，在系統(tǒng)性分析39例梅雨期極端暴雨過程邊界層中尺度天氣系統(tǒng)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(tǒng)的發(fā)展模型。結(jié)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(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)的強烈發(fā)展有密切關系，而長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，中尺度對流系統(tǒng)(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(chǎn)生的重要原因。鋒面氣旋類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。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烈輻合、局地斜壓性的發(fā)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(qū)域渦前強降水的形成是其發(fā)展的主要誘因，有利于多支氣流輻合的長江中游馬蹄形地形是其在江漢-洞庭湖平原多發(fā)的關鍵因素。弱強迫梅雨鋒暖區(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、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(fā)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(chǎn)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(tǒng)活動規(guī)律認識不夠，無法對數(shù)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(tǒng)相互作用的結(jié)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(jié)構(gòu)的中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生的(王曉芳和崔春光，2012)，而這些中尺度對流系統(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(qū)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(tǒng)活動規(guī)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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)為由長江中上游快速移動到下游地區(qū)，并可能在長江中下游顯著發(fā)展；第二類則是在長江中游地區(qū)局地新生的梅雨鋒中尺度擾動。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β中尺度渦旋，該β中尺度渦旋與一強暴雨區(qū)相伴移動。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2011年7月22日襄樊特大暴雨過程發(fā)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(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(fā)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(jié)果，但對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)計發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)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(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)合是導致中尺度輻合增強的原因。1998年7月21—22日長江中游連續(xù)2天出現(xiàn)了特大暴雨，程麟生和馮伍虎(2003)、貝耐芳等(2003)從不同角度進行了分析研究，這類暴雨梅雨鋒結(jié)構(gòu)顯著特征是中低層鋒區(qū)前傾、天氣尺度垂直運動弱，本文稱之為弱強迫梅雨鋒暖區(qū)類極端暴雨。少數(shù)典型個例研究表明，湖北省弱強迫梅雨鋒暖區(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(fā)生于中低層鋒區(qū)前傾階段，數(shù)值模式預報效果較差，是當前天氣預報業(yè)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(tǒng)機理認識，對暴雨預警預報業(yè)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(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？這既是科學問題，也是預警預報開展中尺度機理分析及數(shù)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(tǒng)熱力、動力演變過程基礎上，系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)生發(fā)展的規(guī)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(tǒng)發(fā)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(shù)>250 mm，山區(qū)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(guī)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(guī)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(tǒng)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(qū)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(qū)域自動站逐小時降水資料，將滿足3 h雨量≥100 mm、且出現(xiàn)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(jīng)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(guī)觀測、地面自動站和NCEP再分析場資料，結(jié)合長江中游新一代天氣雷達拼圖和氣象衛(wèi)星等資料，首先分析每次過程的環(huán)流背景和主要影響天氣系統(tǒng)，對每次過程基于具體影響天氣系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)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(tǒng)的動力、熱力過程以及系統(tǒng)發(fā)展與中尺度對流系統(tǒng)加強原因；最后，建立三種不同天氣類型下具有規(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(tǒng)對中尺度環(huán)流的起源和發(fā)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(tǒng)主要有鋒面氣旋類、低渦切變類和弱強迫梅雨鋒暖區(qū)類(圖1)(張家國等，2018；2015；黃小彥等，2020)，分析每次天氣過程的環(huán)流背景，39例極端暴雨過程的天氣類型結(jié)果見表1。

表1 長江中游梅雨期極端暴雨天氣類型統(tǒng)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(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，導致極端暴雨產(chǎn)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(tǒng)的特征是，四川盆地西南渦發(fā)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(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)西南渦擾動發(fā)展引起的。弱強迫梅雨鋒暖區(qū)類極端暴雨(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迫較弱，在數(shù)值預報中常常會漏報，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，并伴有雷暴大風天氣。特別強調(diào)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(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(nèi)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(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度的中尺度輻合系統(tǒng)。在后文中將會提到，這些中尺度輻合系統(tǒng)會觸發(fā)熱力對流，也可能與其他系統(tǒng)相遇而加強，在中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的過程中發(fā)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(tǒng)發(fā)展模型

4.4 鋒面氣旋類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，或當中尺度輻合系統(tǒng)移入一個有利區(qū)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(tǒng)形成發(fā)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(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，當鋒面天氣系統(tǒng)發(fā)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(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)得到強烈發(fā)展并移動緩慢，由此導致極端暴雨產(chǎn)生。統(tǒng)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(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(chǎn)生，但有時在同一次天氣過程中可先后出現(xiàn)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(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)，中尺度對流系統(tǒng)(MCS)在交匯處發(fā)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(cè)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(jié)構(gòu)、線對流列車效應、移動緩慢等特征，極易導致極端暴雨發(fā)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(nèi)幕府山北部局地中尺度輻合線觸發(fā)午后對流系統(tǒng)，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(tǒng)輻合加強(圖3c)，因MCS合并加強及產(chǎn)生后向傳播而導致極端暴雨產(chǎn)生。

圖3 鋒面氣旋類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、局地特大暴雨過程，暴雨導致通城縣山洪暴發(fā)。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(tǒng)產(chǎn)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(jīng)到達長江中下游地區(qū)，9日08時(北京時，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時江淮地區(qū)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(qū)中尺度輻合線觸發(fā)的分散性雷暴移至大別山附近，而后進一步加強成西北—東南向組織化的線狀對流系統(tǒng)，伴隨一個弱的雷暴冷池出現(xiàn)，在其西側(cè)地面有一中尺度輻合系統(tǒng)存在；同時，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(tǒng)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(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。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(tǒng)交匯發(fā)展成人字形對流回波結(jié)構(gòu)。之后該強對流回波系統(tǒng)緩慢東移，導致鄂東出現(xiàn)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(tǒng)

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(tǒng)，發(fā)現(xiàn)低渦切變類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)展與兩個局地冷源的形成有關，一個是在武陵山區(qū)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(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(qū)形成；強降水導致武陵山區(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，梅雨鋒切變線附近因輻合增強導致鋒面降水發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)特征。雷達觀測發(fā)現(xiàn)，在局地中尺度渦旋強烈發(fā)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(jié)構(gòu)特征，對流單體群的渦旋性列車效應極易產(chǎn)生極端暴雨；在斜壓發(fā)展階段渦旋東北側(cè)暖切變附近線對流列車效應也極易產(chǎn)生極端暴雨。

圖6 低渦切變類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(chǎn)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(fā)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(tǒng)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(fā)展，925 hPa上僅在江漢平原有一個弱的渦旋環(huán)流存在，說明局地中尺度渦旋開始發(fā)展；到14時，925 hPa渦旋環(huán)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(huán)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(cè)的西南渦環(huán)流則基本消失(圖略)。分析溫度場的分布、演變發(fā)現(xiàn)，6日08—14時，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、以及西南氣流加強暖切變附近降水發(fā)展有關。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，二是局地冷空氣與江漢平原的暖濕舌之間構(gòu)成強的溫度鋒區(qū)，有利于局地中尺度渦旋斜壓性發(fā)展。

綜合分析地面自動站和雷達觀測資料(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局地中尺度渦旋發(fā)展的過程。多支冷暖氣流交匯導致渦旋發(fā)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(fā)展東移期間，江漢平原有渦旋狀結(jié)構(gòu)的強回波系統(tǒng)逐漸形成，其與地面中尺度渦旋相伴隨。需強調(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(jié)構(gòu)回波東移，給東部廣大地區(qū)帶來了持續(xù)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(qū)類邊界層中尺度天氣系統(tǒng)

分析8次弱強迫梅雨鋒暖區(qū)極端暴雨過程的環(huán)境物理條件發(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動環(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。分析典型過程MCS動態(tài)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(qū)，多是由暖區(qū)局地中尺度輻合線觸發(fā)生成，MCS形成后向下風方移動，在到達大別山西側(cè)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(xiàn)在大別山西側(cè)，這與其他作者的分析結(jié)果一致(張家國等，2015；王玨等，2019)。

圖9 弱強迫梅雨鋒暖區(qū)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(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，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，向大別山方向移動過程中逐漸發(fā)展成組織化的中尺度對流系統(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，會產(chǎn)生適度的下沉氣流，當雷暴系統(tǒng)受到大別山阻擋時，雷暴冷池在迎風側(cè)積聚形成冷池逆流，并與環(huán)境場的西南風形成強烈輻合，導致在MCS上風方觸發(fā)新的雷暴，即MCS后向傳播，而后列車效應產(chǎn)生持續(xù)性強降水。

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迫梅雨鋒暖區(qū)類。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(jīng)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(fā)現(xiàn)，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(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MCS向東北方向移動并逐漸發(fā)展成密實的西北—東南向線對流系統(tǒng)，而輻合線少動(圖11d)，鄂東北開始出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(fā)展有關(圖10b)；04—08時MCS在大別山西側(cè)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(cè)，觸發(fā)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(chǎn)生較大范圍的極端暴雨。

圖10 弱強迫梅雨鋒暖區(qū)類中尺度天氣系統(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，(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(jié) 論

本文系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)生發(fā)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(tǒng)的發(fā)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(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；當江淮氣旋發(fā)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(qū)局地中尺度輻合線結(jié)合，邊界層中尺度輻合得到加強，導致MCS強烈發(fā)展，MCS的合并加強及后向傳播導致極端暴雨產(chǎn)生。

低渦切變類背景下，隨著西南渦發(fā)展，渦前西南暖濕氣流加強，武陵山區(qū)二級地形抬升及梅雨鋒鋒生作用導致武陵山區(qū)、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(qū)西南暖濕氣流匯合導致局地中尺度渦旋強烈發(fā)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(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(jié)構(gòu)特征，對流單體群的渦旋性列車效應極易產(chǎn)生極端暴雨。

弱強迫梅雨鋒暖區(qū)類背景下，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烈發(fā)展有密切關系。MCS在大別山西側(cè)的停滯、后向傳播以及合并加強是極端暴雨易出現(xiàn)在大別山西側(cè)的重要原因。