張冰 鄭媛媛 沈菲菲 曾明劍 王元直

(1 中國(guó)氣象局交通氣象重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京 210009；2 南京大氣科學(xué)聯(lián)合研究中心，南京 210009；3 南京氣象科技創(chuàng)新研究院，南京 210009；4 江蘇省氣象科學(xué)研究所，南京 210009；5 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044)

引 言

江淮流域處在中緯度東亞季風(fēng)氣候區(qū)，每年汛期特別是梅雨期多伴有暴雨過(guò)程。針對(duì)梅雨期江淮暴雨已有諸多研究[1-2]。梅雨期暴雨通常是在有利的大尺度形勢(shì)下，低空急流輸送水汽和不穩(wěn)定能量，鑲嵌在云帶中的中尺度對(duì)流系統(tǒng)(Mesoscale Convective System， MCS)是暴雨的直接制造者[3]，大暴雨的產(chǎn)生通常與梅雨鋒上α、β中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展有關(guān)[4]。

暴雨尤其是特大暴雨的產(chǎn)生由多尺度多因素共同作用。中尺度對(duì)流系統(tǒng)是水平尺度在10～2 000 km的具有旺盛對(duì)流運(yùn)動(dòng)的天氣系統(tǒng)，中尺度對(duì)流復(fù)合體(Mesoscale Convective Complex， MCC)由于包含了多個(gè)β中尺度對(duì)流系統(tǒng)，并常引發(fā)“列車效應(yīng)”，易造成持續(xù)強(qiáng)降水，累積降水量較大[5]。針對(duì)鋒面氣旋以及中尺度對(duì)流系統(tǒng)相互作用，吳芳芳等[6]通過(guò)個(gè)例研究發(fā)現(xiàn)MCC在地面可位于鋒面氣旋暖區(qū)內(nèi)，其中高層由于水汽凝結(jié)潛熱釋放加熱形成暖心結(jié)構(gòu)；王堅(jiān)紅等[7]認(rèn)為地形作用加強(qiáng)了鋒面氣旋斜壓性和旋轉(zhuǎn)風(fēng)強(qiáng)度，可對(duì)暴雨產(chǎn)生持續(xù)影響。另有研究表明，低空急流不僅為暴雨區(qū)輸送水汽，且其所帶來(lái)的輻合和不穩(wěn)定能量也是造成強(qiáng)降水的重要原因[8]，低空急流強(qiáng)低層風(fēng)能夠?qū)⑴瘽窨諝庀蛑谐叨葘?duì)流系統(tǒng)發(fā)生區(qū)推進(jìn)，在與降水導(dǎo)致的冷空氣出流的相互作用下，通過(guò)強(qiáng)低層輻合促使暖濕空氣抬升，有利于對(duì)流和強(qiáng)降水的發(fā)生、增強(qiáng)和維持[9-10]。

針對(duì)典型梅雨期暴雨和非典型梅雨期暴雨也有過(guò)不少研究，通常認(rèn)為梅雨鋒正壓結(jié)構(gòu)明顯，其垂直動(dòng)力、熱力結(jié)構(gòu)有準(zhǔn)熱帶系統(tǒng)的特征[11]，梅雨鋒暴雨雨帶中存在有許多β中尺度或γ中尺度強(qiáng)回波帶或回波團(tuán)[12]。姚學(xué)祥等[13]通過(guò)對(duì)34 a的5—7月江淮流域非典型和典型梅雨分析表明，非典型梅雨和典型梅雨的大尺度環(huán)流特征有一定的差別。隆霄等[14]通過(guò)一次非典型梅雨鋒暴雨過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)，此次過(guò)程江淮地區(qū)的暖式切變線不太明顯，與通常的梅雨鋒暴雨江淮切邊線不同。鄭婧等[15]研究了江西一次梅雨鋒短時(shí)暴雨過(guò)程，認(rèn)為此次短時(shí)暴雨鋒面坡度小，鋒區(qū)強(qiáng)度強(qiáng)，對(duì)流層低層鋒面兩側(cè)存在明顯的溫度對(duì)比，與典型梅雨鋒斜壓性弱、坡度陡直、以濕度對(duì)比為主的結(jié)構(gòu)明顯不同。尹東屏等[16]分析了2011年江蘇梅雨期的典型和非典型梅雨鋒暴雨的特征對(duì)比，認(rèn)為非典型梅雨鋒暴雨近地面鋒生明顯弱于典型梅雨鋒暴雨，對(duì)流層中層大氣斜壓性較強(qiáng)。陳旭等[17]分析認(rèn)為1960—2012 年無(wú)論時(shí)間尺度還是空間尺度，江淮梅雨的典型特征(高濕高溫多雨)均愈來(lái)愈弱，而非典型特征(尤其是低濕高溫少雨)則愈加顯著。

何時(shí)進(jìn)入梅雨期是根據(jù)入梅環(huán)流調(diào)整日指標(biāo)并配合有無(wú)明顯降水來(lái)確定的，因此入梅前暴雨和典型梅雨期暴雨的首要區(qū)別就在于它們所處的環(huán)流背景不盡相同，然而在某種程度上它們又有相同或相似之處。由于人們更注重出入梅標(biāo)準(zhǔn)的確定以及何時(shí)出入梅，而對(duì)其本身過(guò)程特點(diǎn)的異同關(guān)注不多，所以對(duì)入梅前暴雨和典型梅雨期暴雨的區(qū)別和聯(lián)系需要進(jìn)一步研究。此外，利用數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)暴雨機(jī)理有許多研究[18-20]，然而基于高分辨模式針對(duì)特大暴雨過(guò)程的模擬分析較少。本文利用模擬區(qū)域范圍大(可把握天氣尺度的系統(tǒng)性變化)、水平分辨率高(可分辨對(duì)流尺度過(guò)程)的數(shù)值模式，對(duì)2017年6月10日江蘇省沿江及蘇南出現(xiàn)的一次入梅前特大暴雨過(guò)程的對(duì)流系統(tǒng)演變、結(jié)構(gòu)及其觸發(fā)維持機(jī)制進(jìn)行分析，并討論了本次特大暴雨與典型梅雨期暴雨的特征異同。

1 資料與模擬方案

采用資料包括：區(qū)域地面加密自動(dòng)站觀測(cè)資料、南京及周邊地區(qū)21部多普勒雷達(dá)基數(shù)據(jù)、FNL 0.25°×0.25°全球分析和預(yù)報(bào)場(chǎng)格點(diǎn)資料、FNL 1°×1°全球分析場(chǎng)格點(diǎn)資料以及FY-2G 黑體輻射亮溫(Blackbody Brightness Temperature， TBB)資料。

采用江蘇省精細(xì)化天氣分析和預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Precision Weather Analysis and Forecasting System， PWAFS)。該系統(tǒng)由WRFv3.5.1模式和同化模塊ARPS3DVAR 5.3.6組成，采用雙重嵌套(圖1)，外區(qū)域(D01)格距9 km，內(nèi)區(qū)域(D02)格距3 km，水平格點(diǎn)數(shù)分別為760×600、960×960；垂直層數(shù)為51層，積分步長(zhǎng)分別為50 s和18 s。模式云微物理過(guò)程采用WAM6方案、長(zhǎng)短波輻射采用RRTMG方案、近地面層選用MM5 Monin-Obukhov方案、陸面過(guò)程采用Unified Noah Land-surface方案、邊界層過(guò)程采用YSU方案、外區(qū)域采用Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案、內(nèi)區(qū)域無(wú)積云參數(shù)化方案。

圖1 模式模擬范圍(外層為9 km格距的大區(qū)域，內(nèi)層為3 km格距的嵌套區(qū)域)

模式初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件采用FNL 0.25°×0.25°全球分析和預(yù)報(bào)場(chǎng)資料，模擬過(guò)程中同化了江蘇省及周邊加密自動(dòng)站觀測(cè)資料以及21部雷達(dá)觀測(cè)資料。模式起報(bào)時(shí)間為2017年6月9日20時(shí)(北京時(shí)，下同)，每半小時(shí)輸出一次預(yù)報(bào)結(jié)果。

2 特大暴雨過(guò)程的降水和大尺度環(huán)流背景

2.1 降水時(shí)空分布

2017年6月9日20時(shí)—11日02時(shí)，安徽和江蘇出現(xiàn)了大范圍強(qiáng)降水，強(qiáng)降水落區(qū)主要在沿江和蘇南一帶。對(duì)逐小時(shí)降水分布情況進(jìn)行分析(圖略)可見(jiàn)，10日02時(shí)，降水雨團(tuán)已從皖南移到蘇皖沿江地區(qū)，04時(shí)降水中心在南京東南部，并繼續(xù)往東南方向移動(dòng)，07時(shí)到太湖一帶同時(shí)在南京北部又產(chǎn)生了新的中尺度雨團(tuán)。08時(shí)位于南京的雨團(tuán)迅速增大，而太湖一帶的雨團(tuán)繼續(xù)往東南方向移動(dòng)，12時(shí)東移入海。之后，在雨帶往東南方向移動(dòng)并消亡的過(guò)程中，其后部不斷有新的雨團(tuán)生成，“列車效應(yīng)”導(dǎo)致了超強(qiáng)降水。圖2為10日02時(shí)—11日02時(shí)實(shí)況降水分布?？梢?jiàn)，強(qiáng)降水帶呈東西走向，其中由9日20時(shí)—10日20時(shí)累積降水統(tǒng)計(jì)可知，句容站(259.9 mm)和金壇站(265.3 mm)出現(xiàn)了特大暴雨，南京站(245.3 mm)和常州站(234.1 mm)為大暴雨，降水量6月歷史同期分別排名為第1、第2、第1和第2。加密自動(dòng)站有7站達(dá)到250 mm，其中常州的北港街道站達(dá)313.7 mm，南京江寧服務(wù)區(qū)站達(dá)484.4 mm。

圖2 2017年6月10日02時(shí)—11日02時(shí)24 h累積降水實(shí)況(單位: mm)

句容站和常州站分別位于此次暴雨過(guò)程的兩個(gè)強(qiáng)降水中心附近，由這兩站逐小時(shí)實(shí)況可知此次過(guò)程降水的東移傾向。圖3為2017年6月10日01—20時(shí)句容、常州觀測(cè)站逐小時(shí)降水情況?？梢?jiàn)，句容站10日07時(shí)小時(shí)降水量為8.3 mm，08時(shí)迅速增大到26 mm，09時(shí)達(dá)到高峰43.7 mm，14時(shí)仍達(dá)到18.8 mm。常州站強(qiáng)降水時(shí)間稍遲于句容站，08時(shí)小時(shí)降水量為7.7 mm，09時(shí)達(dá)到31.3 mm，15時(shí)減弱到12.2 mm。15時(shí)之后兩站又開(kāi)始新強(qiáng)降水過(guò)程。

圖3 2017年6月10日01—20時(shí)句容、常州逐時(shí)降水(單位: mm)

2.2 大尺度環(huán)流背景

2017年6月22日江蘇省淮河以南地區(qū)進(jìn)入梅雨期，入梅日較常年略偏晚，且梅雨季降水總量少、強(qiáng)度小。本次暴雨過(guò)程并非梅雨期降水，而是發(fā)生在梅雨季節(jié)前受江淮氣旋影響導(dǎo)致的一次特大暴雨過(guò)程。9日20時(shí)，200 hPa南亞高壓反氣旋中心位于(23°N，90°E)，1 252北緣線在28°N附近，脊線位置在23°N，較典型梅雨期位置偏南，貝加爾湖以西有深厚的低槽(圖略)，之后逐漸發(fā)展成閉合渦旋，并向東南傾斜延伸到中低層，有利于冷空氣南下和中低層西南氣流維持并交匯于長(zhǎng)江中下游一帶。由2017年6月9日20時(shí)500 hPa形勢(shì)(圖4a)可見(jiàn)，中高緯有3個(gè)低渦，分別為巴爾喀什湖以北的西部冷渦、東蒙冷渦和東北冷渦。低渦之間有兩個(gè)阻塞高壓，一個(gè)位于巴爾喀什湖以東，另一個(gè)位于貝加爾湖附近，由此形成了類似華南前汛期降水的多波型形勢(shì)。副熱帶高壓呈東西走向，120°E處的脊線位置在23°N附近，588線西北邊緣在浙江南部、江西中部和湖南南部一線，584線在蘇皖南部及湖北中南部。東蒙冷渦逐步加深形成切斷低壓，其南部的低槽東移發(fā)展。中緯度地區(qū)西風(fēng)帶較為平直，并伴有高原槽東移。850 hPa重慶、湖北一帶有低渦沿江淮切變線向東北移動(dòng)，并發(fā)展成江淮氣旋。10日08時(shí)(圖4b)，江淮氣旋位于河南、安徽一帶，并繼續(xù)東移入海。此次過(guò)程中副熱帶高壓穩(wěn)定維持，江淮氣旋沿切變線東移導(dǎo)致該區(qū)域特大暴雨。

圖4 (a)2017年6月9日20時(shí)、(b)6月10日08時(shí)500 hPa高度場(chǎng)(等值線，單位: dagpm)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)(鳳羽，單位: m·s-1)

3 模式模擬的降水和風(fēng)場(chǎng)

圖5給出了10日14時(shí)、11日02時(shí)的實(shí)況和模式模擬的12 h累積降水分布。從實(shí)況(圖5a)和模式模擬(圖5b)的10日02—14時(shí)12 h累積降水對(duì)比可以看出，模式模擬雨帶偏東南走勢(shì)和實(shí)況基本一致，模擬的降水量級(jí)也達(dá)到了實(shí)況大暴雨的級(jí)別，但雨帶中心位置比實(shí)況略偏西。模式的10日14時(shí)—11日02時(shí)12 h累積降水模擬雨帶走勢(shì)(圖5d)和實(shí)況(圖5c)類似，但模擬落區(qū)偏南及量級(jí)偏大。模式水平3 km格距具有較高分辨率，能對(duì)降水過(guò)程模擬有較好的刻畫(huà)，但強(qiáng)降水中心量級(jí)偏大，這可能和中尺度模式精細(xì)化預(yù)報(bào)降水特點(diǎn)有關(guān)，如相關(guān)研究分析顯示GRAPES-Meso4.0_3 km模式具有對(duì)強(qiáng)降水的強(qiáng)度預(yù)報(bào)總體偏強(qiáng)的特征[21]。從雷達(dá)組合反射率實(shí)況和小時(shí)累積降水的模擬比較(圖略)看，雷達(dá)回波和降水模擬的大值區(qū)比實(shí)況略偏南，其趨勢(shì)和實(shí)況接近，模擬效果較好。為了定量描述模式降水模擬效果，使用MET (Model Evaluation Tools)檢驗(yàn)工具，利用加密自動(dòng)站資料對(duì)降水模擬進(jìn)行了檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的范圍是(30°～36°N，115.5°～122.5°E)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示：0～24 h的24 h≥0.1 mm、≥10 mm、≥25 mm、≥50 mm和≥100 mm累加降水TS評(píng)分分別為0.91、0.66、0.57、0.47和0.24，ETS評(píng)分分別為0.06、0.20、0.31、0.32和0.17，說(shuō)明模式24 h內(nèi)暴雨和大暴雨模擬效果較好，并且也具有較好的預(yù)報(bào)技巧。

圖5 2017年6月10日02時(shí)—11日02時(shí)實(shí)況和模擬的12 h累積降水(單位：mm)：(a)10日02—14時(shí)實(shí)況；(b)10日02—14時(shí)模擬；(c)10日14時(shí)—11日02時(shí)實(shí)況；(d)10日14時(shí)—11日02時(shí)模擬

高分辨率模式的特點(diǎn)表現(xiàn)在對(duì)中小尺度系統(tǒng)的模擬上，在一定程度能反映中小尺度系統(tǒng)的生消過(guò)程，也是模式模擬能力的體現(xiàn)。圖6中的觀測(cè)場(chǎng)(圖6a、d)是將加密自動(dòng)站的10 m風(fēng)2 min平均觀測(cè)值通過(guò)Cressman插值生成10日08、14時(shí)的格點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)，分析場(chǎng)(圖6b、e)是取自FNL 0.25°×0.25° 10日08、14時(shí)的分析資料。模式12 h模擬10日08時(shí)的10 m風(fēng)場(chǎng)(圖6c)顯示在安徽中西部有明顯風(fēng)向輻合，與自動(dòng)站實(shí)況相吻合，其流場(chǎng)走向和分析場(chǎng)相符。10日14時(shí)，自動(dòng)站實(shí)況顯示在安徽中西部有一地面渦旋，江蘇南部有東西向的地面輻合線，而FNL分析場(chǎng)顯示安徽中部有地面渦旋，江蘇南部無(wú)明顯風(fēng)向輻合線存在。模式18 h預(yù)報(bào)10日14時(shí)風(fēng)場(chǎng)(圖6f)模擬出了安徽中部的地面渦旋和江蘇區(qū)域的東西向地面風(fēng)向輻合線，但輻合線較觀測(cè)偏北。10日00時(shí)，江蘇沿江和蘇南處于降水區(qū)的下游，模擬和實(shí)況的地面風(fēng)場(chǎng)均為一致的偏南風(fēng)，無(wú)明顯輻合(圖略)。從模式模擬10 m風(fēng)場(chǎng)和這兩類實(shí)況風(fēng)場(chǎng)分析顯示，模式地面風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)能力較好。

圖6 2017年6月10日 08時(shí)和14時(shí) 10 m風(fēng)場(chǎng)(鳳羽，單位: m·s-1)：(a)08時(shí)自動(dòng)站觀測(cè)；(b)08時(shí)FNL分析；(c)08時(shí)12 h模擬；(d)14時(shí)自動(dòng)站觀測(cè)；(e)14時(shí)FNL分析；(f)14時(shí)12 h模擬(紅色雙實(shí)線為中尺度輻合線)

模式模擬的500 hPa、700 hPa形勢(shì)場(chǎng)與客觀分析場(chǎng)(FNL 1°×1°全球分析場(chǎng)格點(diǎn)資料)一致性好(圖略)，再?gòu)?2 h、1 h降水、雷達(dá)組合反射率、地面風(fēng)場(chǎng)模擬以及定量降水評(píng)分可知此次模式對(duì)該過(guò)程模擬和實(shí)況較為相符，模式模擬結(jié)果可信。而模式對(duì)過(guò)程描述比單一資料(自動(dòng)站、分析場(chǎng))對(duì)過(guò)程的描述具有更細(xì)致、整體和系統(tǒng)的特點(diǎn)。

上述分析了本次高分辨模式預(yù)報(bào)效果，作為對(duì)比，常用模式和主觀預(yù)報(bào)的情況如何，也值得關(guān)注。在業(yè)務(wù)上經(jīng)常使用的如EC細(xì)網(wǎng)格、GFS和Grapes中尺度模式在9日20時(shí)起報(bào)的10日08時(shí)—11日08時(shí)24 h累積降水，從量級(jí)上看EC較好，Grapes次之，大暴雨量級(jí)范圍較小，GFS最弱，沒(méi)有達(dá)到大暴雨量級(jí)。從降水中心落區(qū)看各預(yù)報(bào)易偏北。對(duì)EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)的穩(wěn)定性分析，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的減小，降水預(yù)報(bào)有逐漸往南調(diào)整的趨勢(shì)。本次特大暴雨過(guò)程，主觀預(yù)報(bào)為沿江及江淮之間暴雨，局部大暴雨，但預(yù)報(bào)落區(qū)仍然偏北。從可預(yù)報(bào)性分析，各模式對(duì)過(guò)程雨帶存在較大的差異，預(yù)報(bào)調(diào)整難度較大。此外針對(duì)江淮氣旋造成的強(qiáng)降水與系統(tǒng)位置關(guān)系、降水持續(xù)性、氣旋發(fā)展情況等等也都是在實(shí)際預(yù)報(bào)中關(guān)心的問(wèn)題。

4 特大暴雨過(guò)程的對(duì)流系統(tǒng)及維持機(jī)制

4.1 鋒面氣旋和中尺度對(duì)流系統(tǒng)的演變

9日20時(shí)，700 hPa河南北部至江蘇東南部存在西北—東南向的鋒區(qū)(等假相當(dāng)位溫θse線密集區(qū))(圖7)，其西南側(cè)的西風(fēng)和西南風(fēng)穿過(guò)鋒區(qū)與東北冷渦后部的東北風(fēng)交匯，鋒區(qū)向上延伸至500 hPa，并向北傾斜；這時(shí)期的鋒區(qū)位置比典型梅雨鋒位置偏北，不同于典型梅雨鋒準(zhǔn)東西走向的形態(tài)。由于處于湖北西北部的氣旋東移形成的鋒面氣旋和強(qiáng)盛的西南風(fēng)導(dǎo)致850 hPa以下低層鋒區(qū)并不明顯。氣旋東移過(guò)程中鋒面南側(cè)的西南風(fēng)逐步加大，形成風(fēng)向和風(fēng)速的輻合。從垂直層上看，20時(shí)氣旋從925 hPa延伸至700 hPa，500 hPa未形成閉合渦旋，氣旋下層閉合程度好于上層，上下層位置傾斜度小，處于陡直狀態(tài)。以TBB溫度≤-52 ℃作為深對(duì)流的標(biāo)準(zhǔn)，這時(shí)深對(duì)流中心在河南南部，范圍較小，位于低渦中心的偏東方向。

圖7 鋒面氣旋和中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變

10日08時(shí)，700 hPa氣旋中心在34°N(圖8)，850 hPa和925 hPa氣旋中心分別在32.5°N和32.2°N。氣旋在向偏東方向移動(dòng)的同時(shí)存在自低層向高層向北傾斜，同時(shí)東移使得鋒區(qū)呈現(xiàn)南北擺動(dòng)，其低層暖濕空氣沿鋒區(qū)向北推進(jìn)。由圖9可以看出，低層垂直風(fēng)切變(700～925 hPa)大值區(qū)位置比中低層垂直風(fēng)切變(500～700 hPa)大值區(qū)偏南，在降水區(qū)域附近，低層垂直風(fēng)切變達(dá)到了12 m·s-1以上，大于中低層垂直風(fēng)切變值，大氣斜壓性增強(qiáng)，存在對(duì)稱不穩(wěn)定，而有研究顯示對(duì)稱不穩(wěn)定對(duì)江淮暴雨的生成機(jī)制影響極大[22]。此時(shí)，深對(duì)流強(qiáng)中心(TBB≤-72 ℃)位于氣旋東南方向，且TBB≤-52 ℃范圍擴(kuò)大達(dá)到1×105km2，屬于MCC范疇。安徽中南部700 hPa低空急流達(dá)到了25 m·s-1，在急流前方，深對(duì)流中心東南側(cè)產(chǎn)生了強(qiáng)降水。

圖8 10日08時(shí)700 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢，單位：m·s-1) 、假相當(dāng)位溫(等值線，單位: K)及相當(dāng)黑體亮溫TBB(陰影區(qū)，單位: ℃)

圖9 10日08時(shí)700～925 hPa風(fēng)切變(陰影區(qū)，單位:m·s-1)和500～700 hPa風(fēng)切變(等值線，單位:m·s-1)

10日14日，氣旋繼續(xù)東移發(fā)展，700 hPa氣旋中心至蘇北一帶，而925 hPa氣旋中心位于安徽中部且閉合性好，氣旋垂直方向上向東北傾斜，大氣維持斜壓性。氣旋北側(cè)的鋒區(qū)隨著氣旋東移其西側(cè)鋒區(qū)逐步南壓。此時(shí)，深對(duì)流區(qū)域移至江蘇東南，仍屬于MCC。降水中心區(qū)域的低層垂直風(fēng)切變(700～925 hPa)在12 m·s-1以上，中低層垂直風(fēng)切變(500～700 hPa)強(qiáng)度明顯弱于低層。對(duì)降水過(guò)程分析可知，中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展區(qū)和低層垂直風(fēng)切變(700～925 hPa)有較好的對(duì)應(yīng)。10日22時(shí)，氣旋東移入海，鋒區(qū)西側(cè)繼續(xù)南壓(圖7)，形成了西南—東北向的類似典型梅雨鋒區(qū)的走向。

可以看出，中低層的鋒面氣旋東移過(guò)程中在垂直層上傾斜發(fā)展，以及中低層風(fēng)速風(fēng)向輻合增強(qiáng)了中尺度對(duì)流系統(tǒng)的斜壓性，大氣對(duì)稱不穩(wěn)定，氣旋東移使得鋒區(qū)南北擺動(dòng)，期間深對(duì)流中心維持在氣旋的東南方向，說(shuō)明此次中尺度對(duì)流系統(tǒng)的演變過(guò)程和鋒面氣旋的傾斜移動(dòng)發(fā)展有著密切聯(lián)系。

4.2 上升運(yùn)動(dòng)和能量場(chǎng)的耦合作用

一般認(rèn)為，當(dāng)對(duì)流層中層為低的假相當(dāng)位溫，上層和下層為高的假相當(dāng)位溫，這種垂直結(jié)構(gòu)有利于對(duì)流的發(fā)生發(fā)展[23]。暴雨的形成、強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展有足夠的垂直上升運(yùn)動(dòng)是其必要條件。圖10為暴雨發(fā)生前期、旺盛、持續(xù)和消亡階段的假相當(dāng)位溫和垂直速度的沿119°E剖面。10日00時(shí)是強(qiáng)降水發(fā)生前期，圖10a顯示鋒區(qū)在700 hPa以上，低層到中高層以偏南風(fēng)主導(dǎo)的暖濕氣流向鋒區(qū)推進(jìn)，鋒區(qū)下方有冷空氣向低層侵入，850 hPa以下是一致的偏南風(fēng)。31.5°N附近(未來(lái)強(qiáng)降水區(qū)域)，中高層上升速度0.5 m·s-1左右，600 hPa為較低假相當(dāng)位溫區(qū)(340 K)，850、500 hPa為較高假相當(dāng)位溫區(qū)(均為344 K左右)，大氣層結(jié)位勢(shì)不穩(wěn)定。

圖10 假相當(dāng)位溫(等值線，單位: K)、垂直速度(陰影，單位: 10-1 m·s-1)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢，單位: m·s-1)沿119°E的垂直剖面：(a)10日00時(shí)；(b)10日09時(shí)；(c)10日14時(shí)；(d)10日20時(shí)

09時(shí)是本次強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的旺盛階段。由圖10b可見(jiàn)，強(qiáng)對(duì)流區(qū)域中低層是假相當(dāng)位溫的密集區(qū)，低層北側(cè)有較低的θse區(qū)，值為342 K，而600 hPa為348 K，450 hPa為344 K。中層為相對(duì)較高的假相當(dāng)位溫區(qū)，呈暖心結(jié)構(gòu)，這與上升運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致不穩(wěn)定能量釋放有關(guān)。垂直上升速度在600～700 hPa達(dá)到最大，超過(guò)3 m·s-1。上升運(yùn)動(dòng)區(qū)的南北向均有較弱的下沉氣流和較低θse區(qū)，而非大范圍一致的上升運(yùn)動(dòng)，上升和下沉運(yùn)動(dòng)相配合形成了中小尺度次級(jí)環(huán)流。此時(shí)的鋒區(qū)已經(jīng)整體下移，前緣接近近地層，強(qiáng)降水落區(qū)在鋒前暖區(qū)位置。暖濕空氣處于鋒區(qū)上方，在800 hPa以上沿著鋒區(qū)向北推進(jìn)，近地面層有偏南風(fēng)穿過(guò)鋒區(qū)，鋒面坡度小并向北傾斜，這與典型梅雨鋒坡度大呈現(xiàn)陡直情況結(jié)構(gòu)有明顯不同。

14時(shí)是強(qiáng)對(duì)流最旺盛階段后的維持階段，降水強(qiáng)度較大但不如09時(shí)，降水中心稍北移。由圖10c顯示，假相當(dāng)位溫有兩處密集區(qū)，一處是在31.6°N附近的中高層密集區(qū)，也是強(qiáng)降水落區(qū)位置，另一處是32.4°N附近的中低層密集區(qū)，位于中低層鋒前。強(qiáng)降水上空假相當(dāng)位溫整體高于09時(shí)，850 hPa為350 K，500 hPa為352 K，500 hPa以上值繼續(xù)偏高，700 hPa以上存在暖心結(jié)構(gòu)，500～200 hPa暖心結(jié)構(gòu)非常明顯，θse水平梯度大、垂直梯度小，對(duì)流有效位能很大程度上得到釋放，導(dǎo)致暖心帶為弱位勢(shì)不穩(wěn)定。暖心強(qiáng)對(duì)流帶和鋒區(qū)之間呈漏斗狀，中低層偏南風(fēng)沿鋒面上升與鋒面北側(cè)冷空氣交匯，中上層北風(fēng)指向暖心區(qū)。從垂直上升運(yùn)動(dòng)看，400 hPa以上為大值區(qū)，達(dá)到5 m·s-1以上，而中下層兼有上升和下沉運(yùn)動(dòng)。垂直上升運(yùn)動(dòng)大值區(qū)位置比09時(shí)高，是強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的結(jié)果。

20時(shí)是系統(tǒng)發(fā)展的消亡階段，119°E除江蘇東南部有較強(qiáng)降水外，其他基本為弱降水。由圖10d可見(jiàn)，中低層受一致的偏北風(fēng)控制，高、低層都出現(xiàn)了較高的假相當(dāng)位溫，中層為較低的假相當(dāng)位溫區(qū)，大氣重新恢復(fù)了位勢(shì)不穩(wěn)定狀況。但各層垂直運(yùn)動(dòng)無(wú)論上升或下沉，都較弱。

從上升運(yùn)動(dòng)和能量場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的前期，大氣整層處于位勢(shì)不穩(wěn)定狀態(tài)，垂直上升速度不大。當(dāng)對(duì)流處于旺盛階段時(shí)，不穩(wěn)定能量持續(xù)釋放，中層是相對(duì)較高的假相當(dāng)位溫區(qū)，存在暖心結(jié)構(gòu)，其垂直上升運(yùn)動(dòng)最大，上升運(yùn)動(dòng)區(qū)的南北向均有下沉氣流，形成中小尺度次級(jí)環(huán)流。旺盛階段后的持續(xù)階段，整層假相當(dāng)位溫增高，且中層仍處于較高的區(qū)域，有明顯的暖心結(jié)構(gòu)，不穩(wěn)定能量繼續(xù)釋放，位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)減弱。垂直上升運(yùn)動(dòng)的大值區(qū)位置較最強(qiáng)時(shí)段偏高，是強(qiáng)對(duì)流持續(xù)發(fā)展的結(jié)果。強(qiáng)對(duì)流的消亡階段，大氣層結(jié)又重新恢復(fù)了位勢(shì)不穩(wěn)定狀態(tài)，但垂直運(yùn)動(dòng)較弱。強(qiáng)對(duì)流能否再次發(fā)生取決于位勢(shì)不穩(wěn)定能量能否再次釋放。

4.3 特大暴雨不同發(fā)展階段的大氣輻合輻散與次級(jí)環(huán)流

圖11為沿119°E作散度和反射率因子(由模擬得到)的垂直剖面，用來(lái)分析此次特大暴雨的動(dòng)力結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)強(qiáng)度特征關(guān)系。暴雨前期10日00時(shí)(圖11a)，32.1°～32.2°N 550 hPa以下有反射率因子為40 dBZ以上的區(qū)域，700 hPa存在散度為-5×10-4s-1的輻合區(qū)A(紅色橢圓形標(biāo)注散度輻合，下同)和600 hPa以上有5×10-4s-1散度的輻散區(qū)B(藍(lán)色橢圓形標(biāo)注散度輻散，下同)，700 hPa輻合區(qū)A的南北兩側(cè)分別有輻散區(qū)C、D。輻合區(qū)A和輻散區(qū)B形成了中層和中高層的輻合輻散配置；輻合區(qū)A和輻散區(qū)C、D形成了中尺度次級(jí)環(huán)流。10日00時(shí)對(duì)流系統(tǒng)還沒(méi)有發(fā)展到一定高度，但這種輻合輻散結(jié)構(gòu)有利于系統(tǒng)強(qiáng)度的維持和增強(qiáng)。

圖11 散度(等值線，單位：10-4 s-1)和模擬反射率(陰影區(qū)，單位: dBZ)沿119°E的垂直剖面:(a)10日00時(shí)；(b)10日14時(shí)

10日14時(shí)為對(duì)流發(fā)展旺盛的持續(xù)階段(圖11b)，31.5°～31.8°N 從低層到300 hPa反射率因子在45 dBZ以上，其中600 hPa附近有60 dBZ以上區(qū)域，對(duì)流發(fā)展到200 hPa，其對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展的高度和強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于10日00時(shí)。在400 hPa處有-15×10-4s-1的散度輻合區(qū)A，200 hPa附近有20×10-4s-1的散度輻散區(qū)B，對(duì)流層頂?shù)妮椛?qiáng)于其下層的輻合，產(chǎn)生“抽吸”作用，促使對(duì)流系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展。輻合區(qū)A的南北兩側(cè)分別有輻散區(qū)C和D，在對(duì)流層形成了中尺度次級(jí)環(huán)流。此外31.7°N處700 hPa南北向分別有輻散區(qū)G、輻合區(qū)F相耦合形成中尺度次級(jí)環(huán)流。這種強(qiáng)烈的中低層輻合高層輻散以及錯(cuò)綜復(fù)雜的中尺度次級(jí)環(huán)流，是旺盛對(duì)流系統(tǒng)能夠維持的動(dòng)力特征。

4.4 大氣邊界層內(nèi)的中尺度系統(tǒng)活躍

特大暴雨的產(chǎn)生除了需要具備中尺度對(duì)流系統(tǒng)維持以及上升運(yùn)動(dòng)和大氣能量場(chǎng)的耦合機(jī)制，大氣邊界層系統(tǒng)對(duì)暴雨的發(fā)生發(fā)展也具有重要作用。邊界層內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的輻合輻散影響著降水的生消，超低空急流配合低空急流加強(qiáng)了低層的水汽輸送和輻合，有利于強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)和強(qiáng)降水的產(chǎn)生。另一方面，低層輻合區(qū)的厚度對(duì)強(qiáng)降水起著決定作用，低層輻合區(qū)發(fā)展越深厚，越容易將暖濕空氣抬升到自由對(duì)流高度( Level of Free Convection， LFC)以上，有效阻止邊界層內(nèi)對(duì)流有效位能(Convective Available Potential Energy， CAPE)的減少，從而非常有利于強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展[24]。

9日21時(shí)暴雨發(fā)生前，安徽中東部、江蘇中南部100 m等高面上為大范圍的南風(fēng)，500 m高度安徽中東部風(fēng)向出現(xiàn)順轉(zhuǎn)，800 m等高面上安徽中東部由10～12 m·s-1西南風(fēng)控制，1 600 m至2 000 m高度層風(fēng)向繼續(xù)順轉(zhuǎn)，蘇皖中南部主要被西南偏西風(fēng)控制(圖略)。蘇南強(qiáng)對(duì)流發(fā)展初期，由10日03時(shí)800 m等高面風(fēng)場(chǎng)(圖12a)可見(jiàn)，江蘇西南部有風(fēng)速輻合，安徽中部有切變線延伸至南京。切變線南側(cè)有12 m·s-1以上的超低空急流，使得急流前方輻合加強(qiáng)。從邊界層風(fēng)的垂直層看，500 m等高面上南風(fēng)風(fēng)速在10 m·s-1以下，100 m層并沒(méi)有南風(fēng)出現(xiàn)；隨著高度的增加，1 200 m等高面上風(fēng)向順轉(zhuǎn)至偏南風(fēng)，且超低空急流區(qū)范圍增大、前移，風(fēng)速增大到15 m·s-1以上，2 000 m等高面上急流前方已達(dá)到南京中部，并在此有風(fēng)速輻合。這次超低空急流底層出現(xiàn)在500 m以上、接近800 m處，急流隨高度增加而增強(qiáng)，其前方的輻合位置隨高度增加向北傾斜，且04時(shí)有渦旋出現(xiàn)(圖12b)，說(shuō)明超低空急流的增強(qiáng)加強(qiáng)了大氣的斜壓性，促進(jìn)了低渦的發(fā)展[25]。

圖12 模擬的800 m高度風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢，單位: m·s-1) 、風(fēng)速(陰影區(qū)，單位: m·s-1) 和實(shí)況小時(shí)累積降水(等值線，紫色粗實(shí)線：10 mm，紅色粗實(shí)線：20 mm，單位: mm)：(a)10日03時(shí)；(b)10日04時(shí)；(c)10日12時(shí)；(d)10日22時(shí)

10日04時(shí)，南京中部出現(xiàn)了20 mm·h-1的強(qiáng)降水，800 m等高面上超低空急流較前一時(shí)次范圍增大、強(qiáng)度更強(qiáng)。在急流前方、降水中心附近對(duì)應(yīng)著γ中尺度低渦發(fā)展，中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)發(fā)展到蘇南一帶。500 m等高面低渦不明顯，100 m等高面風(fēng)場(chǎng)甚至出現(xiàn)了反氣旋的狀態(tài)，這可能是由于強(qiáng)降水拖曳作用以及近地面摩擦層效應(yīng)所引起的。800 m至2 000 m高度層急流持續(xù)增強(qiáng)，風(fēng)向切變加強(qiáng)，低層輻合區(qū)較為深厚，有利于暖濕空氣的抬升。05時(shí)，切變線東段的γ中尺度低渦東移，降水中心隨之移到金壇、常州一帶。06時(shí)500 m等高面上切變線西起安徽中南部附近，東至江蘇南部。800 m等高面上切變線較500 m切變線偏北，東段延伸至南通，大氣斜壓性明顯。強(qiáng)降水中心在800 m等高面切變線以南、γ中尺度渦旋偏東處。之后，沿低層切變線上不斷有γ中尺度渦旋伴隨對(duì)流單體生成且導(dǎo)致降水，并在持續(xù)東移過(guò)程中發(fā)展、消亡。

10日12時(shí)，沿江有4個(gè)強(qiáng)中尺度雨團(tuán)(圖12c)，800 m等高面上，切變線西段位于β中尺度渦旋東側(cè)，氣旋性輻合導(dǎo)致了安徽東部的中尺度雨團(tuán)生成。在江蘇沿江，風(fēng)速和風(fēng)向輻合強(qiáng)烈，安徽南部是一致的超低空西南急流，風(fēng)速大值達(dá)到25 m·s-1以上，而蘇北地區(qū)是東南風(fēng)。沿江、蘇南地區(qū)有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致暖濕空氣集聚，不穩(wěn)定能量大量釋放，配合γ中尺度渦旋的對(duì)流單體東移發(fā)展、消亡，“列車效應(yīng)”明顯，蘇南地區(qū)發(fā)生了特大暴雨。

10日22時(shí)，800 m等高面上，江蘇沿江一帶呈現(xiàn)一致的東北風(fēng)，安徽中部是偏北風(fēng)，安徽東南部和浙江北邊是一致的南風(fēng)，由此形成了β中尺度的單一渦旋(圖12d)。除江蘇南部存在輻合有降水外，大范圍的強(qiáng)降水已經(jīng)結(jié)束。

可見(jiàn)，超低空急流是此次特大暴雨的觸發(fā)機(jī)制。超低空急流的持續(xù)增強(qiáng)，沿低層切變線上不斷有γ中尺度渦旋生成和足夠的低層輻合區(qū)厚度是導(dǎo)致這次特大暴雨過(guò)程的關(guān)鍵因素。

5 結(jié)論

利用FNL 0.25°×0.25°全球分析和預(yù)報(bào)場(chǎng)資料、地面加密自動(dòng)站觀測(cè)資料和21部多普勒雷達(dá)資料對(duì)2017年6月9—10日蘇南一次特大暴雨過(guò)程進(jìn)行了高分辨率數(shù)值模擬。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了降水、地面風(fēng)場(chǎng)等檢驗(yàn)，分析顯示模擬結(jié)果能較客觀反映這次暴雨過(guò)程。利用數(shù)值模擬結(jié)果以及各類觀測(cè)和分析資料，對(duì)這次特大暴雨過(guò)程的對(duì)流系統(tǒng)演變、結(jié)構(gòu)及其觸發(fā)維持機(jī)制進(jìn)行了深入分析，且為了揭示入梅前暴雨過(guò)程可能具有的一般特征，討論了與典型梅雨期暴雨的異同。主要結(jié)論如下：

(1)此次特大暴雨過(guò)程中，鋒面氣旋東移并在垂直層上傾斜發(fā)展，以及中低層風(fēng)速風(fēng)向輻合增強(qiáng)了中尺度對(duì)流系統(tǒng)的斜壓性。初期，鋒區(qū)位置比典型梅雨鋒位置偏北，氣旋東移使得鋒區(qū)南北擺動(dòng)，后期形成了西南—東北向的類似梅雨鋒區(qū)的走向，期間深對(duì)流中心維持在氣旋的東南方向，分析表明鋒面氣旋移動(dòng)對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展有著重要影響。

(2)強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的初期，大氣層結(jié)處于位勢(shì)不穩(wěn)定狀態(tài)，假相當(dāng)位溫和垂直上升速度都不是很大，但符合對(duì)流層中層為低的假相當(dāng)位溫、上層和下層為高的假相當(dāng)位溫的這種有利于對(duì)流發(fā)生發(fā)展的垂直結(jié)構(gòu)。強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的旺盛階段，不穩(wěn)定能量持續(xù)釋放，中層是相對(duì)較高的假相當(dāng)位溫區(qū)，存在暖心結(jié)構(gòu)，其垂直上升運(yùn)動(dòng)最大，上升運(yùn)動(dòng)的南北向均有下沉氣流，形成中尺度次級(jí)環(huán)流。強(qiáng)對(duì)流持續(xù)階段，垂直運(yùn)動(dòng)的上升大值區(qū)較最強(qiáng)時(shí)段位置偏高，有明顯的暖心結(jié)構(gòu)，是強(qiáng)對(duì)流持續(xù)發(fā)展的結(jié)果。過(guò)程中，鋒面坡度小并向北傾斜，這與典型梅雨鋒坡度大呈現(xiàn)陡直情況結(jié)構(gòu)有明顯不同。

(3)邊界層中尺度系統(tǒng)演變特征分析表明，超低空急流是這次特大暴雨的觸發(fā)機(jī)制，特大暴雨的形成與超低空急流的持續(xù)增強(qiáng)、沿低層切變線上不斷有γ中尺度渦旋生成和足夠的低層輻合區(qū)厚度密切相關(guān)。

本文僅對(duì)江淮流域的一次特大暴雨過(guò)程進(jìn)行了初步的分析，其結(jié)論的普適性還需進(jìn)一步觀測(cè)檢驗(yàn)和理論證明。但利用高分辨率數(shù)值模擬并結(jié)合多源觀測(cè)數(shù)據(jù)，為對(duì)天氣過(guò)程的機(jī)理深入分析提供了條件和可能，同時(shí)其成果也可反饋到數(shù)值模式中去，如物理參數(shù)化過(guò)程的改進(jìn)等等，這些在今后的工作中有待進(jìn)一步討論。