丁一匯

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陶詩言先生在中國暴雨發(fā)生條件和機(jī)制研究中的貢獻(xiàn)

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(jià)了陶先生對中國暴雨研究的貢獻(xiàn)。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(xué)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(chǎn)不但深刻影響過去和現(xiàn)代兩代人的暴雨研究和業(yè)務(wù)發(fā)展，而且也將繼續(xù)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(xiàn)并結(jié)合現(xiàn)代研究的成果作進(jìn)一步介紹和評價(jià)。主要集中在暴雨發(fā)生的動(dòng)力和熱力條件與機(jī)理方面。全文內(nèi)容包括六個(gè)方面：（1）季節(jié)突變對中國梅雨爆發(fā)的影響；（2）暴雨發(fā)生的多尺度相互作用；（3）暖濕季風(fēng)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(qiáng)對流發(fā)生的物理?xiàng)l件；（6）地形對暴雨的作用

暴雨 季節(jié)突變 多尺度相互作用 暖濕季風(fēng)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(xiàn)做了回顧和評述，指出他在四個(gè)方面對中國暴雨的研究和預(yù)報(bào)做出了重大貢獻(xiàn)：（1）從東亞大型天氣過程和亞洲季風(fēng)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(gè)例，尤其是持續(xù)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(qū)預(yù)報(bào)方法，目前已成為我國業(yè)務(wù)暴雨預(yù)報(bào)方法之一；（4）主編了《中國之暴雨》一書，系統(tǒng)而深入地總結(jié)了中國暴雨的一些主要問題，為推動(dòng)中國暴雨的研究做出了重大貢獻(xiàn)。但是在作者的這篇紀(jì)念短文中對不少重要問題尤其是暴雨發(fā)生的熱力和動(dòng)力條件與機(jī)理方面未做深入的分析。實(shí)際上陶先生在這些方面都做了許多研究，在國內(nèi)甚至國際上都堪稱創(chuàng)新性的成果。今天，我們來評價(jià)陶先生在這方面的貢獻(xiàn)，應(yīng)該置其于國際與國內(nèi)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(yuǎn)程度。這就是本文寫作的動(dòng)機(jī)和目的。在陶詩言先生發(fā)表的眾多關(guān)于暴雨的著作中（丁一匯，1998），最直接代表其思想、觀點(diǎn)和成果的有四篇文章和一本專著，即：“有關(guān)暴雨分析預(yù)報(bào)的一些問題”（陶詩言，1977），“暴雨和強(qiáng)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(qiáng)對流風(fēng)暴發(fā)生的觀測事實(shí)）（Tao and Ding，1981），“A review of recent research on the East Asian summer monsoon in China”（中國東亞季風(fēng)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(jù)這些著作對以下六個(gè)問題進(jìn)行介紹和評價(jià)：（1）季節(jié)突變對中國梅雨爆發(fā)的影響；（2）暴雨發(fā)生的多尺度相互作用；（3）暖濕季風(fēng)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(qiáng)對流發(fā)生的物理?xiàng)l件；（6）地形對暴雨的作用。

2 季節(jié)突變對中國梅雨爆發(fā)的影響。

早在1954年，葉篤正和朱抱真（1954）就強(qiáng)調(diào)，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(xiàn)象。陶詩言和陳隆勛（1957）的研究得到，1956年初夏亞洲大氣環(huán)流也具有跳躍性變化。后來，Yeh et al.（1959）系統(tǒng)地研究了突變現(xiàn)象，明確指出，全球大氣環(huán)流每年6月和10月都存在季節(jié)突變現(xiàn)象。上述結(jié)果清楚地指出了大氣環(huán)流的雙模態(tài)變化和季節(jié)突變現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是全球性的，但亞洲季風(fēng)從冬到夏的6月季節(jié)轉(zhuǎn)變尤其明顯。這種6月季節(jié)突變表現(xiàn)為三個(gè)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(fēng)急流建立；（2）同時(shí)印度季風(fēng)爆發(fā)；（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(yàn)資料的研究進(jìn)一步指出，在1979年6月第一周300 hPa南亞反氣旋迅速發(fā)展，阿富汗與青藏高原邊界區(qū)的300 hPa溫度突然增加，同時(shí)東亞和日本出現(xiàn)強(qiáng)季風(fēng)雨，這大約發(fā)生在印度夏季風(fēng)爆發(fā)前2周左右。通過熱源的計(jì)算表明，亞洲中緯地區(qū)（包括青藏高原）加熱的迅速增加是亞洲季風(fēng)爆發(fā)的必要條件之一。這種季節(jié)突變，根據(jù)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(guān)，并且也在相當(dāng)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(xì)討論了印度夏季風(fēng)的爆發(fā)及其與中國長江流域梅雨的遙相關(guān)關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：印度西南部的克拉拉邦地區(qū)夏季風(fēng)爆發(fā)后兩周左右，中國長江流域梅雨開始，這與Tao and Chen（1987）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。印度夏季風(fēng)爆發(fā)后，形成從印度西海岸經(jīng)孟加拉灣到達(dá)中國長江流域及日本南部地區(qū)的遙相關(guān)型，它在時(shí)間和空間上都不同于盛夏期間印度夏季風(fēng)經(jīng)青藏高原影響中國華北降水的遙相關(guān)型。前者可稱為亞洲夏季風(fēng)的“南支”遙相關(guān)型，主要發(fā)生在季風(fēng)爆發(fā)初期；后者可稱為“北支”遙相關(guān)型，主要形成于亞洲夏季風(fēng)盛期。在“南支”遙相關(guān)型形成的過程中，亞洲季風(fēng)環(huán)流發(fā)生了一系列重要變化：印度夏季風(fēng)爆發(fā)、南亞高壓北進(jìn)、中層爆發(fā)性渦旋出現(xiàn)、低層熱帶西風(fēng)帶不斷加強(qiáng)東傳及西太平洋副高東退北跳。結(jié)果，在印度夏季風(fēng)爆發(fā)后兩周左右，高層南亞高壓控制了整個(gè)亞洲地區(qū)，而在中低層，則形成一條從阿拉伯海經(jīng)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(dá)中國長江流域及日本南部的強(qiáng)西風(fēng)帶，這支強(qiáng)西風(fēng)帶可有利于印度西海岸的季風(fēng)擾動(dòng)能量向下游傳播，產(chǎn)生遙相關(guān)影響。由于副熱帶急流的北跳，在東亞地區(qū)上空形成相互耦合的高、低空西風(fēng)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(qū)右側(cè)和低空急流左側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，因此觸發(fā)了長江流域梅雨的爆發(fā)。實(shí)際上，這種南支遙相關(guān)型不只限于印度夏季風(fēng)爆發(fā)對東亞梅雨季開始的影響，它也適用于整個(gè)夏季季風(fēng)時(shí)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(qū)的候平均降水作了滯后分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，克拉拉邦6～9 月候平均降水與滯后3 候的長江流域相關(guān)性最好。相關(guān)系數(shù)在0.5以上，達(dá)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(guān)外，印度西海岸降水還與孟加拉灣，日本南部地區(qū)呈正相關(guān)分布，而和中印半島、西太平洋地區(qū)呈負(fù)相關(guān)分布，形成從印度西海岸—阿拉伯海經(jīng)孟加拉灣、南海再折向北經(jīng)過中國長江流域以后到達(dá)日本南部地區(qū)的遙相關(guān)分布。此遙相關(guān)型正好與南海夏季風(fēng)建立后源自南半球經(jīng)索馬里越過赤道后經(jīng)南亞和東南亞低緯地區(qū)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(guān)型可能與這條水汽輸送帶中的輻散輻合存在有密切聯(lián)系。最近Watanabe and Yamazaki（2012）也確證了在5月和6月從阿拉伯海經(jīng)過孟加拉灣到菲律賓海定常的Rossby波異常沿印度地區(qū)低層強(qiáng)西風(fēng)帶向東傳播到菲律賓的遙相關(guān)型。

3 暴雨發(fā)生的多尺度相互作用

暴雨是各種尺度天氣和環(huán)流系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物，尤其是特大暴雨或持續(xù)性暴雨都是出現(xiàn)在幾種尺度的天氣系統(tǒng)（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(tǒng)制約和孕育小系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展，小系統(tǒng)產(chǎn)生以后能成長壯大，反過來，又能對大系統(tǒng)起作用，這使整個(gè)暴雨系統(tǒng)能繼續(xù)維持或加強(qiáng)，這既涉及到小擾動(dòng)在大尺度環(huán)境中發(fā)生和增長的問題，又涉及到小擾動(dòng)發(fā)展后對大尺度場的反饋過程。從數(shù)學(xué)上看，這種不同天氣系統(tǒng)相互作用的問題是一種非線 性問題，因而是一個(gè)很復(fù)雜的包含突變過程的問題。暴雨預(yù)報(bào)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(gè)問題值得強(qiáng)調(diào)：（1）暴雨雖然是發(fā)生在不同天氣尺度系統(tǒng)相互作用之下，但暴雨本身是中尺度現(xiàn)象。造成暴雨的天氣系統(tǒng)是尺度為25～250 km的中尺度系統(tǒng)，它對暴雨有兩個(gè)作用；即（a）產(chǎn)生強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，水汽通量輻合和明顯的位勢不穩(wěn)定層，其強(qiáng)度一般要比天氣尺度大一個(gè)量級(jí)。暴雨出現(xiàn)時(shí)，降水強(qiáng)度很大，比一般降水強(qiáng)度大1～2個(gè)量級(jí)。降水強(qiáng)度取決于凝結(jié)函數(shù)（）與上升速度（），在暴雨季節(jié)，的量級(jí)為10，而值的量級(jí)為10～10cm s，因而對暴雨，其強(qiáng)度

更主要取決于的量級(jí)。陶詩言指出，10分鐘的降水量是由單個(gè)積雨云細(xì)胞造成，1小時(shí)降水量是由中尺度天氣系統(tǒng)造成；24小時(shí)降水量是由中間尺度和天氣尺度系統(tǒng)造成；3～10天降水量是由大形勢（長波）調(diào)整造成天氣尺度系統(tǒng)長時(shí)間停滯或重復(fù)出現(xiàn)中間尺度系統(tǒng)的結(jié)果；1～3個(gè)月降水量是由于大氣環(huán)流的長時(shí)間的作用造成（如半球環(huán)流的異常等）。（b）對積云對流活動(dòng)起明顯的組織與增強(qiáng)作用。在這種25～250 km的中尺度系統(tǒng)中包含有幾個(gè)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(fā)生，形成所謂的“列車效應(yīng)”，使一場暴雨表現(xiàn)為幾次強(qiáng)暴雨峰值依次發(fā)生的現(xiàn)象。（2）持續(xù)2天以上的暴雨必須考慮行星尺度（3000～8000 km）天氣系統(tǒng)的作用。行星尺度系統(tǒng)并不直接產(chǎn)生暴雨，但它可以通過制約直接影響暴雨的天氣尺度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，間接對暴雨產(chǎn)生作用。陶詩言（1980）指出，這種制約作用表現(xiàn)在四個(gè)方面：1）影響天氣尺度的移動(dòng)速度，例如，如果下游有高壓脊或副熱帶高壓發(fā)展和穩(wěn)定，可使上游系統(tǒng)（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(tǒng)中的降水增強(qiáng)；2）影響天氣尺度系統(tǒng)的強(qiáng)度變化；3）使影響暴雨的天氣尺度系統(tǒng)能重復(fù)出現(xiàn)，并沿近于類似的路徑移動(dòng)，造成連續(xù)性暴雨。并且還可以通過中尺度雨團(tuán)的集中過程造成強(qiáng)烈的暴雨。他發(fā)現(xiàn)在1973年7月2日20時(shí)（北京時(shí)）到3日02時(shí)北京6小時(shí)降水量達(dá)92.8 mm，這是四個(gè)中尺度擾動(dòng)向北京集中而造成的。這種集中機(jī)制后來在美國德克薩斯州Hill縣的一次突發(fā)性暴雨/洪水的發(fā)生中也出現(xiàn)過（Caracena and Fritsch，1983）；4）造成不同尺度天氣系統(tǒng)間的相互作用，此外，行星尺度天氣系統(tǒng)決定了大范圍雨區(qū)出現(xiàn)的范圍以及暴雨區(qū)的水汽來源或水汽通量。這將在第三節(jié)中詳細(xì)討論。根據(jù)暴雨發(fā)生多尺度相互作用機(jī)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(gè)步驟：

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

對于2天以上的暴雨，行星環(huán)流分布具有十分重要的作用，不但要分析歐亞中高緯環(huán)流是否會(huì)出現(xiàn)有利于暴雨的環(huán)流型（如對長江流域的暴雨是否會(huì)出現(xiàn)兩脊一槽的雙阻環(huán)流型；東亞地區(qū)是否會(huì)出現(xiàn)高—低—高的經(jīng)向環(huán)流異常分布），同時(shí)還要分析亞洲或東亞夏季風(fēng)活動(dòng)的情況（如是否處于活躍期，其季節(jié)內(nèi)振蕩的演變?nèi)绾蔚龋┮约案睙釒Ц邏旱淖兓廴绺备呤欠裎魃欤碧?，并形成東阻型（下游阻擋）形勢］。要特別關(guān)注行星尺度環(huán)流的穩(wěn)定性和出現(xiàn)大范圍調(diào)整的可能性。只有大尺度行星環(huán)流的演變分析清楚了，才能掌握暴雨發(fā)生的背景和可能性。長波穩(wěn)定性指數(shù)的計(jì)算對于診斷大尺環(huán)流的演變是十分有用的（Ding and Reiter,1982）。

（2）識(shí)別和追蹤降水天氣系統(tǒng)的演變

降水天氣系統(tǒng)如鋒面、氣旋、高空槽，臺(tái)風(fēng)、高空冷渦等雖不是直接造成暴雨的天氣系統(tǒng)，但它們是影響中小尺度天氣系統(tǒng)活動(dòng)與造成不穩(wěn)定層結(jié)的主要系統(tǒng)。追蹤它們的移動(dòng)速度、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化以及與其他環(huán)流系統(tǒng)的相互作用對于確定暴雨區(qū)的潛在發(fā)生地區(qū)和強(qiáng)度是十分重要的，如對降水系統(tǒng)的移動(dòng)變化，可考察是否會(huì)受到下游系統(tǒng)的阻擋而變成停滯。主要移動(dòng)方向與引導(dǎo)氣流的偏離有多大等，對于降水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要是分析降水系統(tǒng)內(nèi)主要?dú)饬鞯姆植?，尤其是主要上升氣流的位置（所謂暖輸送帶）。這需要進(jìn)行等熵分析得到等熵面的相對氣流分布。降水天氣系統(tǒng)強(qiáng)度演變的分析有多種方法，關(guān)鍵是考察所關(guān)注的降水天氣系統(tǒng)在未來是減弱還是加強(qiáng)，尤其考慮是否會(huì)有突然或爆發(fā)性發(fā)展（如氣旋發(fā)展，強(qiáng)烈的鋒生，臺(tái)風(fēng)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(gè)重要的方法，位渦（PV）是一個(gè)將熱力和動(dòng)力作用結(jié)合的物理量，可綜合反映降水天氣系統(tǒng)和相關(guān)暴雨的形成和發(fā)展條件。診斷分析表明，當(dāng)PV＞0，大氣對稱穩(wěn)定，PV＜0，大氣對稱不穩(wěn)定，降水系統(tǒng)有可能發(fā)展。相關(guān)的強(qiáng)降水總是位于干位渦比較小的地區(qū)。由于降水系統(tǒng)中有大范圍飽和空氣區(qū)，最好用濕位渦分析（MPV）。如MPV＞0，大氣是濕對稱穩(wěn)定，MPV＜0，大氣是濕對稱不穩(wěn)定，降水系統(tǒng)可能發(fā)展，相關(guān)的強(qiáng)降水總是位于濕位渦負(fù)中心暖氣流一側(cè)。

（3）高低空急流的耦合分析

高低空急流次級(jí)環(huán)流耦合對于天氣系統(tǒng)發(fā)展和降水具有明顯的增強(qiáng)作用。關(guān)于低空急流對暴雨的作用過去已有清楚的認(rèn)識(shí)，但對高空急流（西風(fēng)帶或副熱帶急流和熱帶東風(fēng)急流）及其與低空急流耦合對暴雨的作用認(rèn)識(shí)不夠。降水天氣系統(tǒng)及相關(guān)暴雨區(qū)的發(fā)展經(jīng)常出現(xiàn)在高空氣流入口區(qū)右側(cè)或出口區(qū)左側(cè)以及低空急流左側(cè)，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(fēng)急流中心出口區(qū)）對于診斷降水天氣系統(tǒng)的發(fā)展是很重要的。在華南地區(qū)，有時(shí)會(huì)受到熱帶東風(fēng)急流的影響，在其入口區(qū)右側(cè)是上升運(yùn)動(dòng)的地區(qū)，它對暴雨有明顯的增強(qiáng)作用，這在分析長江以南的暴雨個(gè)例時(shí)需要加以注意。

（4）暴雨觸發(fā)條件的分析

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

（5）上升運(yùn)動(dòng)區(qū)的診斷

垂直運(yùn)動(dòng)的分布與暴雨或強(qiáng)對流區(qū)有明顯的關(guān)系，它不但是暴雨的一種觸發(fā)機(jī)制，而且是暴雨持續(xù)的必要條件。暴雨區(qū)一定是位于上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，但不一定是與上升運(yùn)動(dòng)最大中心一致。診斷垂直運(yùn)動(dòng)的最簡單方法是直接用連續(xù)方程計(jì)算垂直運(yùn)動(dòng)（丁一匯，1989），但根據(jù)這種方法無法分辨是什么原因引起的上升運(yùn)動(dòng)，為此可以用方程進(jìn)行診斷。在方程中，渦度平流和溫度平流都是主要的強(qiáng)迫函數(shù)，它們的垂直變化或水平分布都可以產(chǎn)生明顯的上升運(yùn)動(dòng)，一般認(rèn)為500 hPa或300 hPa強(qiáng)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(yùn)動(dòng)，可以用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)方程，但對副熱帶與熱帶地區(qū)（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(yùn)動(dòng)分布。

（6）水汽輻合和濕層變化的計(jì)算和分析

對于持續(xù)性暴雨，大范圍水汽通量與水汽輻合的計(jì)算尤為重要，它可以確定水汽的來源與可能的暴雨區(qū)，暴雨區(qū)一般與整層（地面－300 hPa）水汽輻合區(qū)及其演變有很好的對應(yīng)關(guān)系，并且隨著水汽輸送輻合的加強(qiáng)，可以分析暴雨區(qū)濕層的變化，濕層的增厚是暴雨發(fā)生的一個(gè)重要先兆條件。對于大范圍水汽輻合的計(jì)算也可用水汽通量流函數(shù)和水汽通量勢函數(shù)計(jì)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(yù)報(bào)中有一條經(jīng)驗(yàn)是：當(dāng)850 hPa和500 hPa達(dá)到337 K以上，同時(shí)從數(shù)值預(yù)報(bào)圖看出，在未來12小時(shí)內(nèi)，如果這個(gè)高值區(qū)是個(gè)上升區(qū)域，則在這個(gè)區(qū)域中，未來12小時(shí)出現(xiàn)大于50 mm的大雨可能性甚大。至于穩(wěn)定度指標(biāo)并不關(guān)鍵。暴雨可能出現(xiàn)在負(fù)值區(qū)或正值區(qū)。前者稱作不穩(wěn)定型大雨，后者稱作穩(wěn)定性大雨。而、同時(shí)達(dá)到337 K以上是個(gè)臨界條件。

（7）大氣層穩(wěn)定度分析

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

位勢不穩(wěn)定層結(jié)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(yīng)具備兩個(gè)條件，即要有明顯的風(fēng)垂直切變和明顯的水汽和溫度差異（即差異大）。如有下沉運(yùn)動(dòng)，這使逆溫層加強(qiáng)，建立強(qiáng)位勢不穩(wěn)定層結(jié)。

在位勢不穩(wěn)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(qiáng)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(wěn)定層結(jié)區(qū)，往往只需要12小時(shí)就可轉(zhuǎn)變?yōu)闃O不穩(wěn)定的層結(jié)。另外當(dāng)熱帶濕空氣迅速從低層向北推進(jìn)時(shí)，在近地面層能形成越來越濕的熱帶空氣層，這時(shí)也能迅速地建立起不穩(wěn)定層來。在有些情況下平流不是造成位勢不穩(wěn)定的主要原因，而是以地面加熱為主，這常出現(xiàn)在夏季長期由熱帶海洋氣團(tuán)控制的地區(qū)或雨后比較濕潤的地區(qū)。為了了解單站的大氣穩(wěn)定度，有時(shí)在熱力學(xué)圖表上分析幾個(gè)代表性臺(tái)站的探空曲線以了解大氣穩(wěn)定度狀況也是很有用的。

（8）中尺度不穩(wěn)定分析

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

4 暖濕季風(fēng)輸送帶對北方大暴雨的影響

在暴雨大尺度環(huán)流型的研究中，陶詩言等（1979）等強(qiáng)調(diào)了中低緯度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用，尤其是低緯環(huán)流系統(tǒng)的作用。他們指出，在我國每一場大暴雨中都可發(fā)現(xiàn)有熱帶環(huán)流系統(tǒng)的作用。例如在1975年75.8和1963年63.8 暴雨期間熱帶輻合區(qū)有明顯的北推。在其他夏季暴雨期間也有類似現(xiàn)象。熱帶輻合區(qū)的北推加強(qiáng)了西南氣流和東南氣流，提供了大量的水汽來源，同時(shí)熱帶輻合區(qū)中的有些低壓系統(tǒng)可直接北上造成暴雨。分析還指出（北京大學(xué)地球物理系氣象專業(yè)，1979），由于熱帶輻合區(qū)常常有不止一個(gè)渦旋存在，當(dāng)一個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)，如果海上還有低壓存在或發(fā)展構(gòu)成渦旋群，這時(shí)渦旋群與北面副熱帶高壓之間形成強(qiáng)偏東氣流，這股東風(fēng)從海上一直延伸到內(nèi)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(qū)。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(shí)值夏秋，倘自龍州經(jīng)北平（京）作一直線，則右邊各地的天氣莫不受有臺(tái)風(fēng)的影響”。后來，仇永炎（1998）先生專門分析了北方盛夏臺(tái)風(fēng)暴雨問題，并給出了臺(tái)風(fēng)與西風(fēng)槽相互作用型。由上可見，北方（如華北）要發(fā)生很強(qiáng)的暴雨，必需有來自熱帶地區(qū)的持續(xù)水汽輸送或臺(tái)風(fēng)直接北上與西風(fēng)槽相互作用。丁一匯（1980b）曾分析過1972年7月27日7203號(hào)臺(tái)風(fēng)在河北北部登陸后造成燕山南麓及北京北部地區(qū)的大暴雨，最強(qiáng)暴雨中心位于燕山南麓的北京棗樹林，三天過程降水量達(dá)518.3 mm（陶詩言，1980）。另一個(gè)例子是1950年8月的一個(gè)臺(tái)風(fēng)（趙亞民，1994；仇永炎，1950），這個(gè)臺(tái)風(fēng)深入北京附近，過程總降水量最大中心在三里河達(dá)484 mm，8月3日24小時(shí)降水量達(dá)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(xiàn)山洪，泥石流，死亡百余人。鐵路中斷，災(zāi)害嚴(yán)重。

當(dāng)熱帶輻合帶十分活躍，其北側(cè)的暖濕季風(fēng)氣流可以迅速北上，攜帶大量的水汽到達(dá)華北，當(dāng)與北方冷空氣相互作用時(shí)，不但可造成不穩(wěn)定層結(jié)，更重要的是可供應(yīng)源源不斷的水汽。如果大尺度環(huán)流穩(wěn)定，可造成十分強(qiáng)烈或持續(xù)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(qū)西南或東南暖濕水汽輸送帶可稱之為季風(fēng)暖濕輸送帶，其地面相當(dāng)位溫值大于或等于340 K。這支暖濕輸送帶在季風(fēng)偏強(qiáng)時(shí)，通常會(huì)向更高的緯度輸送，可以達(dá)到我國的華北及更偏北的地區(qū)。從在2012年北京“7.21”大暴雨（7月20～22日）發(fā)生前，影響華北地區(qū)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(qū)的偏南風(fēng)水汽輸送，前者與中高緯度冷空氣在河套及其以北地區(qū)明顯交匯，形成一個(gè)明顯的水汽通量輻合區(qū)，造成這些地區(qū)降水發(fā)生。7月21日暴雨發(fā)生時(shí)，40°～50°N附近為明顯的東南風(fēng)與西南風(fēng)交匯而成一條西南—東北向的暖濕輸送帶，北京地區(qū)為一顯著的水汽通量輻合區(qū)，輻合區(qū)中心值超過10kg sm。隨著中高緯度地區(qū)低壓系統(tǒng)的東移南下，低壓系統(tǒng)西側(cè)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(qū)暖濕輸送帶左側(cè)交匯。

1963年8月1～10日的華北持續(xù)性大暴雨期間，低空有一條明顯的西南季風(fēng)急流帶經(jīng)中南半島直抵我國華北及內(nèi)蒙古地區(qū)，與之伴隨的也是一條貫穿南北的西南季風(fēng)暖濕輸送帶，同時(shí)受臺(tái)風(fēng)低壓的影響從黃海和西太平洋另有一股東南風(fēng)水汽補(bǔ)充到季風(fēng)暖濕輸送帶中，從而為暴雨的發(fā)生提供了充足的水汽供應(yīng)。從假相當(dāng)位溫的分布可以看出，暴雨期間暴雨地區(qū)為高溫高濕的暖濕空氣控制，其前沿可達(dá)45°N 以北。以上分析表明“63.8”暴雨期間低緯熱帶系統(tǒng)和季風(fēng)環(huán)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(fēng)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(shí)間維持并產(chǎn)生強(qiáng)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(guān)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(guān)系的研究者，并且指出高低空急流的耦合是引起強(qiáng)烈暴雨的關(guān)鍵條件之一。他們概括了三類高—低空急流的關(guān)系。一是高低空急流平行的情況，這常發(fā)生在經(jīng)向型環(huán)流下的暴雨事件中。這時(shí)，云、雨區(qū)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(yùn)動(dòng)場計(jì)算表明：低空輻合上升運(yùn)動(dòng)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(qū)南側(cè)是高空輻散區(qū)。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(qū)域正是高空輻散和低空輻合相配合的地區(qū)。這里也是暴雨區(qū)所在的范圍。陶詩言進(jìn)一步指出，這種模型也適用于中緯度緯向環(huán)流在江淮或黃淮流域引起的持續(xù)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(nèi)外用更多個(gè)例研究的結(jié)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(guān)系的模型推廣用于亞非地區(qū)的熱帶東風(fēng)急流，其與降水或暴雨區(qū)的關(guān)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(diǎn)附近即為暴雨中心；三是暴雨出現(xiàn)在高空兩支急流形成的氣流散開區(qū)下方，低空急流北側(cè)。由于高空氣流散開，北側(cè)又是輻合區(qū)，這種配置有利于暴雨發(fā)生。

6 暴雨和強(qiáng)對流發(fā)生的物理?xiàng)l件

暴雨和強(qiáng)對流天氣與其環(huán)境條件（包括熱力和動(dòng)力的）有密切關(guān)系。大尺度環(huán)境條件不但制約了暴雨和強(qiáng)對流天氣的性質(zhì)和演變過程，而且還可影響對流系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)和組織程度。在大尺度環(huán)境中，有組織的對流系統(tǒng)不是隨機(jī)發(fā)生和分布的，而是出現(xiàn)在一定地區(qū)和時(shí)間內(nèi)，這也是制作中尺度天氣預(yù)報(bào)的依據(jù)。陶詩言等（1979）歸納了暴雨和強(qiáng)對流發(fā)生一般需要滿足的六個(gè)條件，即：（1）有位勢不穩(wěn)定層結(jié)，對雷暴系統(tǒng)還應(yīng)有逆溫層存在；（2）低層有濕舌或水汽輻合；（3）有位勢不穩(wěn)定釋放的機(jī)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(qiáng)雷暴要求有強(qiáng)風(fēng)垂直切變；（6）對于強(qiáng)對流天氣，中空有冷干空氣。目前對于上述條件與暴雨和強(qiáng)對流的關(guān)系雖然有了更多的了解，但對這些物理?xiàng)l件與中尺度系統(tǒng)的發(fā)展在物理上究竟有什么關(guān)系還不十分清楚，對于兩者之間的因果關(guān)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(yīng)該指出，暴雨和強(qiáng)對流系統(tǒng)與大尺度環(huán)境條件之間在其發(fā)展的不同階段，其相互作用的程度是不同的。在發(fā)生和初期發(fā)展時(shí)期，主要決定于大尺度環(huán)境條件的作用，但是暴雨和強(qiáng)對流系統(tǒng)得到強(qiáng)烈發(fā)展后，大尺度環(huán)境條件不但失去了對其制約的作用，反而會(huì)受到對流風(fēng)暴的影響。近年來，Johnson and Mapes（2003）對強(qiáng)對流天氣發(fā)生的中尺度條件進(jìn)行了總結(jié)，分為強(qiáng)天氣發(fā)生的中尺度前提條件，由局地條件、平流條件和動(dòng)力條件組成；中尺度觸發(fā)條件和風(fēng)暴發(fā)展的中尺度作用。在暴雨和強(qiáng)對流發(fā)生的物理?xiàng)l件中，陶詩言等特別強(qiáng)調(diào)了三個(gè)方面的問題：第一是低空急流的作用。許多統(tǒng)計(jì)表明，無論在南方和北方，暴雨與低空急流都有密切的關(guān)系，相關(guān)率達(dá)80%左右。一般暴雨多出現(xiàn)在急流軸的左前方或最大風(fēng)速中心前方。從低空急流的建立到暴雨的發(fā)生，其間平均可有2.5天。因而低空急流分析具有一定的預(yù)報(bào)意義。第二是邊界層的作用。在華南和華北暴雨研究中，發(fā)現(xiàn)在暴雨期間在500 m（約950 mb）水平輻合達(dá)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(dāng)暴雨減弱時(shí)，邊界層的復(fù)合最大值消失，因而邊界層中的動(dòng)量、水汽、熱量輻合對暴雨的貢獻(xiàn)最大。并且在暴雨和強(qiáng)天氣出現(xiàn)前，動(dòng)量、熱量、水汽的積累最先出現(xiàn)在邊界層中，其中邊界層風(fēng)速最大值出現(xiàn)最早。以后再向上輸送。以上結(jié)果說明，邊界層對于位勢不穩(wěn)定層結(jié)的建立、水汽的供應(yīng)和觸發(fā)暴雨的發(fā)生都有重要作用。第三是關(guān)于暴雨與強(qiáng)對流天氣（如冰雹、雷暴、龍卷風(fēng)等）物理?xiàng)l件差異的研究。根據(jù)最近的研究，兩者有不少明顯的差別。根據(jù)暴雨和強(qiáng)對流天氣平均層結(jié)的比較，強(qiáng)對流天氣時(shí)在近地面層有一個(gè)逆溫層或等溫層存在，暴雨則沒有。從750 mb向上強(qiáng)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(qiáng)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(jié)果。強(qiáng)對流天氣的潛在不穩(wěn)定能量層次比暴雨厚，但自由對流高一些。說明強(qiáng)對流天氣需要更強(qiáng)的觸發(fā)條件才能爆發(fā)。但一旦發(fā)生，對流發(fā)展的強(qiáng)度要比暴雨猛烈。邊界層的物理量差別也很大，出現(xiàn)暴雨時(shí)的濕度也遠(yuǎn)較出現(xiàn)強(qiáng)對流時(shí)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(qiáng)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(yīng)以比強(qiáng)對流大二倍的速度向暴雨區(qū)輻合，而對于強(qiáng)對流活動(dòng)，則與空氣柱本身開始時(shí)所含有的水汽量關(guān)系更大。風(fēng)的垂直切變差別也很明顯。暴雨是在弱切變環(huán)境下發(fā)展的，而強(qiáng)對流是在強(qiáng)切變環(huán)境下發(fā)展的。槽前暴雨和強(qiáng)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(fēng)速的不同。強(qiáng)對流系統(tǒng)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(qū)域內(nèi)。強(qiáng)垂直切變是使強(qiáng)對流風(fēng)暴維持的重要條件。

表征氣團(tuán)性質(zhì)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(qiáng)對流的空氣濕度要小得多，可以是變性的極地大陸氣團(tuán)。高層的溫度、濕度差異都十分明顯，強(qiáng)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(qiáng)對流發(fā)生時(shí)有明顯的冷平流。暴雨時(shí)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(fā)生在較深厚的暖濕氣團(tuán)中，暴雨的特征也主要決定于中低層暖濕氣團(tuán)的性質(zhì)及其與冷空氣的水平配置；而強(qiáng)對流天氣主要決定于上層冷空氣（或冷平流）的強(qiáng)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(fā)生中的作用曾作過全面和精辟的總結(jié)（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(dòng)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(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系求出垂直分布，據(jù)此可以算出由地形抬升造成的降水（，是凝結(jié)函數(shù)）。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(qiáng)迫抬升，這種作用也可增強(qiáng)暴雨。許多強(qiáng)暴雨點(diǎn)往往與這種地形有關(guān)。如1975年8月5～7日河南省駐馬店板橋水庫出現(xiàn)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(xiàn)的特大暴雨。他們分別與伏牛山和太行山有密切關(guān)系，其雨量與地形廓線有很好的對應(yīng)關(guān)系。在山地迎風(fēng)坡雨量達(dá)到最大，在背風(fēng)坡雨量迅速減弱。（2）地形對中小尺度系統(tǒng)的影響。地形在一定的氣流或條件下會(huì)生成中小尺度渦旋或切變線。當(dāng)這種系統(tǒng)移出或加強(qiáng)時(shí)，可以造成暴雨。另外在山區(qū)，在一定氣流條件下常常產(chǎn)生靜止的中尺度輻合區(qū)，當(dāng)這種小尺度系統(tǒng)移到山區(qū)時(shí)?？蓪?dǎo)致這些系統(tǒng)有強(qiáng)烈的發(fā)展或組織成強(qiáng)烈的風(fēng)暴，從而造成更嚴(yán)重的天氣。（3）除了上述地形的機(jī)械作用外，地形能通過播撒作用影響中小尺度系統(tǒng)內(nèi)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(jié)構(gòu)過程對暴雨的影響已日益引起人們的關(guān)注。至于這種通過云微物理過程產(chǎn)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(gè)條件：第一需要有播散的質(zhì)點(diǎn)。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(qū)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(dòng)氣流的上升部分較弱而沒有足夠時(shí)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(qū)移入到這片層狀云區(qū)，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(fā)生明顯的相互作用而產(chǎn)生播撒過程。積雨云中前部流入的強(qiáng)上升氣流將攜帶其中的大雨滴向上，通過0°C層后轉(zhuǎn)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(fā)以補(bǔ)充水汽，結(jié)果發(fā)生由過冷水滴向冰晶的迅速轉(zhuǎn)化（這種不穩(wěn)定也被稱為膠性不穩(wěn)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(qū)和砧區(qū)，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(nèi)，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(qiáng)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(qū)山區(qū)的迎風(fēng)面可以觀測到，在梅雨期，臺(tái)風(fēng)季也經(jīng)?？梢杂^測到。它使降水增幅形成暴雨。

8 結(jié)語

在中國暴雨研究和業(yè)務(wù)發(fā)展的每一個(gè)重要階段，陶詩言先生都以其淵博的知識(shí)，豐富的經(jīng)驗(yàn)發(fā)揮了重要的科學(xué)指導(dǎo)作用。在許多方面做出了重要貢獻(xiàn)（丁一匯，1998）。他不但帶領(lǐng)自己的研究隊(duì)伍，腳踏實(shí)地為解決中國暴雨的重要問題做了系統(tǒng)的研究，同時(shí)，堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際，始終站在國內(nèi)外暴雨研究和預(yù)報(bào)發(fā)展的最前沿（Tao and Ding，1981），指導(dǎo)暴雨隊(duì)伍的業(yè)務(wù)發(fā)展。他的科學(xué)思想不但在當(dāng)時(shí)起著重要的作用，即使到今天仍然閃現(xiàn)著科學(xué)的光輝，成為我們后輩研究的基礎(chǔ)和借鑒，并在新的條件和形勢下傳承和發(fā)揚(yáng)光大。

暴雨研究的核心問題是中尺度問題，由于觀測和科學(xué)水平認(rèn)識(shí)的限制，目前仍面臨著重大挑 戰(zhàn)。根據(jù)可預(yù)報(bào)性的研究，小尺度運(yùn)動(dòng)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(dá)到中尺度，從而使中尺度系統(tǒng)具有更低的可預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)性的一個(gè)關(guān)鍵。但由于這種高密度觀測網(wǎng)費(fèi)用極高，從業(yè)務(wù)上是很難實(shí)現(xiàn)的，即使能夠?qū)崿F(xiàn)，實(shí)踐表明，也不能保證中尺度天氣預(yù)報(bào)會(huì)有明顯的提高。但這是否說明中尺度天氣如暴雨和強(qiáng)對流天氣的預(yù)報(bào)是不可能呢？根據(jù)近20年的相關(guān)研究，對于某些重要的中尺度現(xiàn)象的預(yù)報(bào)并不是完全沒有可能。其原因有兩個(gè)：（1）觀測到的大氣運(yùn)動(dòng)波譜由于是根據(jù)時(shí)空平均得到，只代表一種大氣結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)狀況，而許多中尺度事件是高度間斷性出現(xiàn)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(tǒng)如鋒面和熱帶氣旋可具有特有的動(dòng)力結(jié)構(gòu)，它們可阻止能量向較大尺度和較小尺度的轉(zhuǎn)換，對這種具有能量轉(zhuǎn)換比較閉合的特性的中尺度系統(tǒng)可能比原認(rèn)為的亂流系統(tǒng)具有更高的可預(yù)報(bào)性（Ray，1986）。因而提高中尺度天氣可預(yù)報(bào)性的一個(gè)途徑是從動(dòng)力上研究和尋找中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的規(guī)律和特征以確定它們的可預(yù)報(bào)上限。（2）影響大氣中尺度系統(tǒng)演變和特征的第二個(gè)重要因子是邊界強(qiáng)迫作用。許多中尺度天氣事件和現(xiàn)象（如山脈波、海陸風(fēng)、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(guān)，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(shù)值模式中把地面不均勻包括進(jìn)去，就有可能增加由它們強(qiáng)迫產(chǎn)生的中尺度系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性。因而高分辨的具有不均勻下墊面特征的數(shù)值模式（主要是區(qū)域數(shù)值模式）的應(yīng)用十分必要。由上可見，中尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)展可分為兩類：一類是地面不均勻性強(qiáng)迫產(chǎn)生的，另一類是大尺度流場的內(nèi)部影響所致，這一類除鋒面，急流等系統(tǒng)外（由大尺度氣流的切變與形變產(chǎn)生），還包括大尺度氣流產(chǎn)生的不穩(wěn)定區(qū)，如在大尺度對流不穩(wěn)定區(qū)發(fā)展的孤立雷暴和突發(fā)性暴雨。應(yīng)該指出，即使大尺度不穩(wěn)定區(qū)有較明顯的可預(yù)報(bào)性，這種個(gè)別的突發(fā)現(xiàn)象的可預(yù)報(bào)性也可能很低，甚至完全不能預(yù)報(bào)。中尺度天氣預(yù)報(bào)具有較高可預(yù)報(bào)性的條件：（1）預(yù)報(bào)的中尺度現(xiàn)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(chǎn)生和演變而來；（2）天氣尺度預(yù)報(bào)比較準(zhǔn)確，能夠提供較準(zhǔn)確的大尺度氣流和天氣尺度影響系統(tǒng)預(yù)報(bào)，根據(jù)這種好的預(yù)報(bào)至少可以確定中尺度系統(tǒng)和暴雨發(fā)生的潛在地區(qū)和時(shí)間，這是一種很有用的預(yù)報(bào)指導(dǎo)；（3）具有足夠的大尺度氣流在地表不均勻性強(qiáng)迫下產(chǎn)生變化導(dǎo)致中尺度系統(tǒng)生成和演變的知識(shí)。由于天氣尺度預(yù)報(bào)目前在1～3天時(shí)期內(nèi)仍存在顯著誤差，為了使中尺度天氣預(yù)報(bào)具有一定技巧，必須首先改進(jìn)全球天氣尺度的數(shù)值預(yù)報(bào)，尤其是發(fā)展高分辨率的全球模式，并與區(qū)域模式嵌套，同時(shí)使用集合預(yù)報(bào)方法，這是中尺度天氣預(yù)報(bào)提高可預(yù)報(bào)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(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃2012CB417205、2013CB430202，國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目41130960，國家科技支撐計(jì)劃2009BAC51B02

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