高琦，姚秀萍

(1.武漢中心氣象臺(tái)，武漢430074；2.中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430205；3.中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京100081；4.長(zhǎng)江流域氣象中心，武漢430074)

引言

2020年長(zhǎng)江中下游地區(qū)入梅時(shí)間早，出梅時(shí)間晚，梅雨期偏長(zhǎng)，期間強(qiáng)降水過(guò)程頻繁。長(zhǎng)江流域出現(xiàn)了大范圍的洪澇災(zāi)害，自6月下旬開(kāi)始，長(zhǎng)江中下游干流江段超警，至8月末方全線退出警戒，洪澇持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)，影響范圍之廣，歷史罕見(jiàn)。

關(guān)于長(zhǎng)江流域梅雨鋒暴雨致洪的成因，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列研究工作(丁一匯，1993；葉篤正等，1996；陶詩(shī)言等，2001；黃榮輝等，2003)。陶詩(shī)言(1980)指出，長(zhǎng)江流域持續(xù)性暴雨的發(fā)生必須有頻繁的北方弱冷空氣活動(dòng)。黃榮輝等(2012)的研究表明，與高空急流相關(guān)的西風(fēng)帶擾動(dòng)頻繁在華北上空活動(dòng)，使得弱冷空氣不斷從北方南下到長(zhǎng)江流域，造成了冷暖空氣在長(zhǎng)江流域交匯，從而導(dǎo)致了20世紀(jì)70年代中后期到90年代初長(zhǎng)江流域多持續(xù)性暴雨。Kato等(1985，1987)的研究表明，中國(guó)大陸上的梅雨鋒是中緯度氣團(tuán)與季風(fēng)氣團(tuán)的交匯區(qū)。張順利等(2002)研究了長(zhǎng)江中下游致洪暴雨的多尺度條件，指出長(zhǎng)江中下游持續(xù)性強(qiáng)降水的環(huán)流條件是：太平洋副熱帶高壓、南海季風(fēng)涌、中、高緯度冷空氣和青藏高原中α尺度對(duì)流系統(tǒng)的最佳組配，當(dāng)這4個(gè)系統(tǒng)同時(shí)處于活躍階段時(shí)，容易形成大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的暴雨。中、高緯度冷空氣的南侵，增強(qiáng)了干濕空氣的對(duì)比，加強(qiáng)了梅雨鋒。崔春光等(2019)認(rèn)為梅雨鋒北側(cè)冷空氣通過(guò)正渦度平流直接向梅雨鋒前中尺度對(duì)流系統(tǒng)的正渦度柱輸送正渦度，梅雨鋒結(jié)構(gòu)的維持是濕物理過(guò)程產(chǎn)生的梅雨鋒的鋒生作用與鋒前中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展形成的一種正反饋過(guò)程。黃偉和陶祖鈺(1995)利用軌跡法研究了梅雨期低層冷空氣的三維運(yùn)動(dòng)，指出冷空氣位于北支鋒區(qū)后方時(shí)為較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)。當(dāng)它從北支鋒區(qū)中脫離后轉(zhuǎn)為上升運(yùn)動(dòng)，隨著梅雨鋒上氣旋的發(fā)展，在梅雨鋒后又轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動(dòng)。高坤和徐亞梅(2001)研究了梅雨鋒低渦相關(guān)的冷空氣的來(lái)源，認(rèn)為來(lái)自低渦偏東或東北方向的冷空氣以進(jìn)入低渦西北象限的最為深厚，而進(jìn)入東北、西南象限的冷空氣較為淺薄。姚秀萍等(2005，2007)的研究表明，中低層30°N以北的正環(huán)流的下沉支是干冷空氣輸送的“載體”，而干冷空氣的侵入(張志剛等，2009；江麗俐等，2011；尹東屏等，2013；苗春生等，2015；趙大軍和姚秀萍，2017)是梅雨濕度鋒形成和維持的一個(gè)重要?jiǎng)恿蜔崃υ颍瑢?duì)于暴雨的加強(qiáng)具有重要作用，低層強(qiáng)烈暖平流配合中層小股弱干冷空氣，形成上干冷下暖濕層結(jié)，有利于不穩(wěn)定建立機(jī)制建立，從而形成暴雨。

上述研究從熱力、動(dòng)力等多角度研究了干冷空氣在暴雨過(guò)程以及梅雨鋒發(fā)展維持中的作用，而在2020年梅汛期暴雨中，是否也存在這樣的特征，又有什么差異？本文利用NCEP/NCAR再分析資料、風(fēng)廓線雷達(dá)資料、實(shí)況觀測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)等，對(duì)2020年長(zhǎng)江中下游梅汛期干冷空氣的空間結(jié)構(gòu)特征、時(shí)間演變特征及對(duì)暴雨維持和加強(qiáng)的作用進(jìn)行研究，以加深對(duì)梅雨鋒暴雨中干冷空氣作用的理解和認(rèn)識(shí)。

1 2020年長(zhǎng)江中下游梅雨期降雨的時(shí)空分布特征

2020年長(zhǎng)江中下游梅雨期自6月9日開(kāi)始，7月31日結(jié)束，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)52 d，較常年偏長(zhǎng)23 d。從梅雨期累積降水空間分布來(lái)看(圖1a)，長(zhǎng)江中下游沿江附近地區(qū)累積降水量普遍在500 mm以上，其中最強(qiáng)降水中心位于湖北東北部、安徽中南部、江西東北部地區(qū)，部分站點(diǎn)降水量可達(dá)1 000～1 500 mm，其中最大降水量出現(xiàn)在黃山站，達(dá)1 589 mm。梅雨期間主要降水過(guò)程有10次，分別在6月9日、6月11—13日、6月15日、6月20—24日、6月27—30日、7月2—3日、7月4—9日、7月10—12日、7月18—19日、7月26—27日。從長(zhǎng)江中下游地區(qū)257站平均降水量及暴雨站數(shù)(圖1b)逐日演變來(lái)看，6月上中旬，長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水過(guò)程頻繁，但范圍較小，降水強(qiáng)度不大，此期間日均超過(guò)50 mm站數(shù)基本在40站以下；6月下旬起梅雨期降水明顯增強(qiáng)，面上日降水量可達(dá)20 mm以上，超過(guò)50 mm站數(shù)可達(dá)40站以上；最強(qiáng)時(shí)段則出現(xiàn)在7月上中旬，其中又以7月7日降水強(qiáng)度最大、暴雨影響范圍最廣；進(jìn)入7月下旬，降水過(guò)程明顯減少，強(qiáng)度減弱，梅雨逐漸結(jié)束。

圖1 2020年長(zhǎng)江中下游梅雨期累積降水分布(a,單位:mm,藍(lán)色線條為長(zhǎng)江流域邊界)及長(zhǎng)江中下游逐日平均降水量(柱狀,單位:mm)及超過(guò)50 mm的站數(shù)(折線)(b)Fig.1(a)The distribution of cumulative precipitation (unit: mm, the blue line shows the boundary of the Yangtze River basin) and (b) the daily averageprecipitation (column, unit: mm) and the number of stations over 50 mm (broken line) during theMeiyu period in the middle and lower reaches of the Yangtze River in 2020.

2 大氣環(huán)流的演變及冷空氣的活動(dòng)

張慶云和陶詩(shī)言(1998)的研究表明，長(zhǎng)江中下游梅雨期異常降水與中高緯阻塞型的建立密切相關(guān)。圖2a為沿60°N的500 hPa高度場(chǎng)緯向時(shí)間演變，用以反映中緯度阻塞高壓的活動(dòng)。從中可見(jiàn)，在2020年長(zhǎng)江中下游梅雨期，中緯度阻塞高壓的活動(dòng)大致可分為四個(gè)階段：第一階段在6月上旬末至6月下旬，阻高(圖2a)在烏拉爾山(60°E)以西地區(qū)建立并穩(wěn)定維持，結(jié)合逐日天氣圖可以看到，貝加爾湖地區(qū)有高壓脊發(fā)展，但強(qiáng)度總體偏弱；第二階段在6月下旬至7月上旬初，烏拉爾山以西阻高逐漸減弱消失，而在貝加爾湖(105°E)附近地區(qū)有“單阻”發(fā)展增強(qiáng)并穩(wěn)定維持，梅雨期的降水逐漸加強(qiáng)；第三個(gè)階段在7月上中旬，在烏拉爾山(60°E)及鄂霍茨克海(140°E)附近地區(qū)有阻塞高壓先后建立，并在7月上中旬發(fā)展為最強(qiáng)，這與梅雨期降水的最強(qiáng)時(shí)段有較好的對(duì)應(yīng)。第四個(gè)階段為7月下旬以后，隨著“雙阻”形勢(shì)的減弱崩潰，梅雨期的降水也呈逐步減弱的趨勢(shì)。

沿80°N的500 hPa高度場(chǎng)的緯向時(shí)間演變(圖2b)可以較好的反映極渦的活動(dòng)特征，從中可見(jiàn)，極渦發(fā)展最為旺盛的時(shí)期在6月上中旬，在6月下旬至7月末，極渦存在階段性的東西擺動(dòng)，但強(qiáng)度總體偏弱。具體而言，6月上中旬，極渦以西移為主，并在移動(dòng)過(guò)程中明顯增強(qiáng)，至6月16日前后達(dá)最強(qiáng)，期間中心高度值528 dagpm的等值線在60°—80°E附近出現(xiàn)。6月下旬至7月上旬，極渦在短暫東移后，再次向西移動(dòng)，但強(qiáng)度明顯減弱。7月中旬至7月下旬，極渦強(qiáng)度無(wú)明顯變化，但處于持續(xù)的東移的過(guò)程中。結(jié)合極渦與降水的演變來(lái)看，極渦的增強(qiáng)減弱與東西移動(dòng)，與降水增強(qiáng)及減弱并不具有一致性特征，因而有必要結(jié)合大尺度環(huán)流的特征進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖2 2020年6—7月500 hPa高度場(chǎng)沿60°N(a)、80°N(b)時(shí)間-經(jīng)度剖面(單位:dagpm)Fig.2 Thelongitude-timecross section for 500 hPaheight(unit:dagpm)from Juneto July 2020 along(a)60°Nand(b)80°N.

鑒于阻塞高壓與降水的演變特征對(duì)應(yīng)的更好，因而對(duì)阻塞高壓發(fā)展的四個(gè)階段的大尺度環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行了合成分析。從第一階段的500 hPa平均高度場(chǎng)及其距平(圖略)可以看出，在6月上旬末至6月下旬中期，亞洲中高緯呈現(xiàn)東西向(緯向排列)的“-+-”的波列，即在巴爾喀什湖附近地區(qū)，有極渦向南伸展的經(jīng)向度較大的低槽發(fā)展，且在對(duì)應(yīng)的極地至巴爾喀什湖地區(qū)表現(xiàn)為明顯的負(fù)距平，貝加爾湖以西地區(qū)為一弱脊控制，我國(guó)東北北部至鄂霍茨克海有低槽發(fā)展，且有明顯的負(fù)距平。在極渦及鄂霍茨克海低槽之間，有一阻高發(fā)展，呈現(xiàn)明顯的正距平，其與鄂霍茨克海負(fù)距平區(qū)、副高及其北側(cè)正距平區(qū)，形成了南北向(經(jīng)向分布)的“+-+”的波列。在第二階段中，極地上空極渦減弱，并由前期的負(fù)距平區(qū)轉(zhuǎn)為正距平，貝湖地區(qū)有異常的高壓脊發(fā)展，并與北美高壓脊共同形成了一條狹長(zhǎng)的穿越極地的正距平區(qū)，鄂霍茨克海附近低槽經(jīng)向度顯著增大，巴爾喀什湖低槽加深，來(lái)自中高緯的冷空氣進(jìn)一步南侵，長(zhǎng)江中下游的降水較前期明顯增強(qiáng)。在第三階段中，亞洲中高緯地區(qū)的烏拉爾山、鄂霍茨克海“雙阻”形勢(shì)形成并穩(wěn)定維持，在亞洲中高緯地區(qū)形成東西向(緯向排列)“+-+”，同時(shí)在亞洲中高緯及我國(guó)東部地區(qū)形成了南北向(經(jīng)向分布)的“+-+”的波列，在這一時(shí)期長(zhǎng)江中下游降水進(jìn)入峰值期。第四個(gè)階段中，“雙阻”形勢(shì)減弱崩潰，副熱帶高壓偏西、偏北、偏強(qiáng)，我國(guó)中東部地區(qū)呈現(xiàn)明顯的正距平，冷空氣的勢(shì)力明顯減弱。綜合四個(gè)階段大尺度環(huán)流的特征，南北向或準(zhǔn)南北向的“+-+”的波列始終維持，但位置略有差異，大氣環(huán)流的這種配置，有利于冷空氣自中高緯地區(qū)南下，與向北推進(jìn)的副高外圍暖濕氣流形成梅雨鋒上持續(xù)的降水。同時(shí)注意到，極渦在降水的第二、三階段明顯減弱，表現(xiàn)為極地附近呈明顯的正距平，繞極地有多個(gè)低值中心發(fā)展的特征。冷空氣在80°N以南地區(qū)的堆積，并隨著中高緯度擾動(dòng)南侵，對(duì)于長(zhǎng)江中下游降水的發(fā)展和增強(qiáng)是較為有利的。

3 干冷空氣特征及其在暴雨過(guò)程中的作用

3.1 與干冷空氣相關(guān)的經(jīng)向風(fēng)的時(shí)間演變特征

從長(zhǎng)江中下游地區(qū)經(jīng)向風(fēng)的演變圖(圖3a、b)表明，梅雨期內(nèi)(6月9日—7月31日)，500 hPa高度上(圖3a)，北風(fēng)存在9次明顯的向南發(fā)展加強(qiáng)的過(guò)程，與降水過(guò)程有較好的對(duì)應(yīng)。偏北氣流的大值中心多位于35°—55°N之間，少數(shù)過(guò)程略偏北，位于55°—60°N之間，偏北氣流的南界可達(dá)30°N以南地區(qū)。在850 hPa高度上(圖3b)，也存在9次偏北氣流向南發(fā)展的過(guò)程，但偏北氣流基本在30°N以北地區(qū)發(fā)展。長(zhǎng)江中下游地區(qū)對(duì)流層中低層盛行偏南氣流，在26°—30°N附近存在等值線密集帶及4～10 m·s-1的正值中心，表明南風(fēng)氣流發(fā)展旺盛，且存在較為明顯的南風(fēng)風(fēng)速輻合。從偏北氣流影響的位置上來(lái)看，500 hPa影響的區(qū)域較850 hPa略偏南。高、低層北風(fēng)風(fēng)速隨高度降低逐漸減小，表明干冷空氣活動(dòng)在對(duì)流層中高層相較于對(duì)流層低層更為活躍。對(duì)比逐日降水量的演變后發(fā)現(xiàn)，每一次30°N以北地區(qū)500 hPa上出現(xiàn)中心強(qiáng)度在6 m·s-1以上的偏北氣流，伴隨經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速零線南壓至26°—32°N之間，疊加于850 hPa的南風(fēng)氣流之上時(shí)，梅雨期降水也隨之顯著增強(qiáng)。

進(jìn)一步分析110°—120°E，28°—32°N上空經(jīng)向風(fēng)垂直剖面的時(shí)間演變特征(圖3c)可以看出，對(duì)流層中低層南風(fēng)發(fā)展旺盛，北風(fēng)的最大風(fēng)速中心位于100—200hPa之間，中心強(qiáng)度可達(dá)6～12 m·s-1，并可向低層伸展至400—600 hPa，其中7月4—9日過(guò)程中，100—200 hPa高度上北風(fēng)的中心強(qiáng)度可達(dá)16 m·s-1以上，而在6月27—30日過(guò)程中，偏北氣流可向下影響到850 hPa。

圖3 2020年6—7月110°—120°E范圍內(nèi)500 hPa(a)、850 hPa(b)平均經(jīng)向風(fēng)的緯度-時(shí)間演變及2020年6—7月(110°—120°E,28°—32°N)范圍內(nèi)平均經(jīng)向風(fēng)高度-時(shí)間剖面(c,單位:m·s-1,填色為北風(fēng))Fig.3 Thelatitude-timecrosssection for meridional wind averaged over 110°-120°Eat(a)500 hPaand(b)850 hPa,and(c)the height-timecrosssection for meridional wind averaged over(110°-120°E,28°-32°N)during June-July of 2020(unit:m·s-1,theshaded region showsnortherly).

3.2 與干冷空氣相關(guān)的三維流場(chǎng)特征

為進(jìn)一步研究干冷空氣在2020年梅雨期暴雨中的動(dòng)力機(jī)制，選取梅雨期中5次降水強(qiáng)度大，影響范圍廣的典型過(guò)程，沿降水最強(qiáng)時(shí)段的降水中心位置作經(jīng)向流場(chǎng)的剖面圖（圖4）。

圖4 沿過(guò)程降水中心(黑色三角)6月13日02∶00時(shí)沿114°E(a)、6月23日08∶00時(shí)沿116°E(b)、6月29日08∶00(c)及7月7日14∶00時(shí)沿114°E(d)、7月19日02∶00時(shí)沿115°E時(shí)(e)的經(jīng)向環(huán)流(流線)和經(jīng)向風(fēng)(填色,單位:m·s-1)的經(jīng)向剖面Fig.4 Themeridional vertical crosssection for themeridional circulation(stream)and themeridional wind(shaded,unit:m·s-1)alongthecenter of precipitation(theblack triangleindicates precipitation center location)for(a)02∶00 BTon 13 Junealong114°E,(b)08∶00 BTon 23 Junealong 116°E,(c)08∶00 BT 29 on Junealong114°E,(d)14∶00 BTon 7 July along114°E,and(e)02∶00 BTon 19 July along115°E.

6月13日02∶00(圖4a，北京時(shí)，下同)，降水中心南側(cè)對(duì)流層中低層南風(fēng)氣流旺盛發(fā)展，其中心位于700 hPa附近，經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速在10 m·s-1以上。降水中心北側(cè)近地面為偏北氣流，經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速約為-4 m·s-1。南北氣流輻合形成了一支自地面至700 hPa高度的由低緯向高緯傾斜的斜升氣，其下沉支在降水中心北側(cè)形成熱力直接環(huán)流(正環(huán)流)。在30°N以北400—500 hPa上，有另一支偏北氣流存在，其一方面下沉，加強(qiáng)了近地面的干冷氣流，另一方面與南側(cè)的偏南氣流輻合，在500—200 hPa高度上形成另一支上升氣流，并在200—100 hPa高度上形成明顯的高空輻散，輻散氣流在降水中心南、北兩側(cè)形成對(duì)稱發(fā)展的南北風(fēng)大值中心，并在降水中心南側(cè)200—300 hPa高度上形成熱力間接環(huán)流(反環(huán)流)。近地面干冷空氣與暖濕氣流形成初始抬升，中層干冷空氣的接力抬升，高空輻散，雨區(qū)南、北兩側(cè)的反、正環(huán)流的上升支，共同為此次暴雨提供了有利的動(dòng)力抬升條件。

6月23日08∶00(圖4b)，降水中心南側(cè)有南風(fēng)發(fā)展，經(jīng)向風(fēng)中心位于700—900 hPa，風(fēng)速為6 m·s-1，北側(cè)近地面有中心風(fēng)速在-4 m·s-1的偏北氣流，南北氣流在降水中心上空600 hPa以下，形成一支上升氣流。在降水中心北側(cè)500 hPa高度上，有一支中心風(fēng)速在-2 m·s-1的偏北氣流發(fā)展，使得偏南氣流在500—200 hPa的高度上再度得到明顯抬升，并在200 hPa以上形成高空輻散氣流。輻散產(chǎn)生的偏北氣流，在降水中心南側(cè)100—200 hPa高度上形成10 m·s-1以上的大值中心，其下方有一支反環(huán)流發(fā)展，其上升支進(jìn)一步加強(qiáng)了雨區(qū)上空的動(dòng)力抬升。

6月29日08∶00(圖4c)，降水中心北側(cè)為深厚的偏北氣流控制，其中心位于200—400 hPa，經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速達(dá)-12 m·s-1以上。降水中心南側(cè)南風(fēng)的大值中心風(fēng)速約為6 m·s-1。南北氣流輻合產(chǎn)生了自地面至300 hPa的垂直上升氣流。與前兩次過(guò)程不同的是，此次過(guò)程在對(duì)流層高層無(wú)明顯的輻散，而是在降水中心南側(cè)形成自300 hPa至近地面的反環(huán)流。

在梅雨期最強(qiáng)降水過(guò)程中的7月7日14∶00(圖4d)，25°—45°N地區(qū)200 hPa高度上為一致的偏北氣流，并且在降水中心南、北兩側(cè)各存在一個(gè)風(fēng)速的大值中心，其中降水中心北側(cè)的偏北氣流中心位于40°N附近100—200 hPa高度上，中心風(fēng)速達(dá)-24 m·s-1，其向下沉發(fā)展至500 hPa高度，疊加于降水中心中低層經(jīng)向風(fēng)速6 m·s-1的南風(fēng)氣流之上，一方面增強(qiáng)了垂直方向上的不穩(wěn)定層結(jié)，另一方面在降水中心上空形成了自地面至300 hPa一致的上升氣流。此外，降水中心南側(cè)反環(huán)流上升支對(duì)于該上升氣流的加強(qiáng)有正貢獻(xiàn)。

7月18日02∶00(圖4e)，干冷空氣主要在降水中心北側(cè)700 hPa以下發(fā)展，經(jīng)向風(fēng)大值中心風(fēng)速達(dá)-8 m·s-1。降水中心南側(cè)低空急流位于850 hPa附近，中心風(fēng)速在12 m·s-1以上。在低空急流的北側(cè)，有一支明顯的垂直上升氣流，其北、南兩側(cè)有反、正環(huán)流發(fā)展，其上升支共同加強(qiáng)了雨區(qū)上空的垂直上升運(yùn)動(dòng)。在冷暖空氣的輻合抬升、高層輻散及正、反環(huán)流的共同作用下，降水得以加強(qiáng)。

從上述個(gè)例中與干冷空氣相伴的三維結(jié)構(gòu)特征表明，梅雨鋒上強(qiáng)降水的發(fā)生，與干冷空氣密切相關(guān)。干冷空氣以偏北氣流形式在近地面及對(duì)流層中層發(fā)展。中高層干冷空氣的存在一方面增強(qiáng)了垂直方向上的“上干冷、下暖濕”的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)，另一方面使得在冷暖空氣在中低層抬升的基礎(chǔ)上，在對(duì)流層中層再度抬升，形成接力效應(yīng)。此外，高空輻散抽吸作用及正、反環(huán)流上升支及次級(jí)環(huán)流則有利于動(dòng)力抬升的進(jìn)一步發(fā)展與增強(qiáng)。

3.3 干冷空氣與梅雨鋒的相互作用

梅雨鋒對(duì)流層中下層鋒面由強(qiáng)假相當(dāng)位溫水平梯度形成(鄭永光等，2007)。圖5給出了2020年梅雨期5次強(qiáng)降雨過(guò)程沿降水中心的假相當(dāng)位溫、垂直速度、風(fēng)場(chǎng)剖面。從6月13日02∶00(圖5a)圖上可以看出，鋒區(qū)位于32°—34°N，隨高度向北傾斜，30°—32°N的對(duì)流層中低層為假相當(dāng)位溫高值區(qū)。鋒區(qū)及其以南為一致的偏南風(fēng)，在鋒區(qū)北側(cè)對(duì)流層中層500 hPa附近有偏北氣流發(fā)展，并伴有假相當(dāng)位溫等值線密集帶的南凸。假相當(dāng)位溫高值區(qū)以上為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，上升運(yùn)動(dòng)中心達(dá)-2.5 Pa·s-1以上，位于假相當(dāng)位溫高值區(qū)及南凸的假相當(dāng)位溫密集帶之間的對(duì)流層中層。從6月23日08:00(圖5b)圖上可以看出，梅雨鋒區(qū)位于30°—31°N，強(qiáng)降水中心位于梅雨鋒的北部邊緣，其以南地區(qū)有假相當(dāng)位溫高值區(qū)發(fā)展，近地面冷空氣楔向南侵入，形成輻合上升，并在700—900 hPa高度上形成中心為-1 Pa·s-1的上升運(yùn)動(dòng)中心，此外，伴隨著中層偏北氣流的發(fā)展，在400 hPa高度上，形成一弱上升運(yùn)動(dòng)次中心。從6月29日08∶00(圖5c)圖上可以看出，強(qiáng)降水中心南側(cè)假相當(dāng)位溫存在兩個(gè)高值中心，分別位于29°N附近的近地面，及30°N附近的對(duì)流層中層。干冷空氣同樣存在近地面和對(duì)流層中層兩個(gè)中心。冷暖空氣輻合，在30°N附近的850 hPa和500 hPa高度上分別形成-1.5 Pa·s-1和-2.5 Pa·s-1的上升運(yùn)動(dòng)中心，且對(duì)流層中層的上升運(yùn)動(dòng)明顯強(qiáng)于對(duì)流層中低層。從7月7日14∶00(圖5d)圖上可以看出，在對(duì)流層中低層，南風(fēng)攜暖濕氣團(tuán)向北發(fā)展至35°N附近。偏北氣流攜干冷氣團(tuán)在對(duì)流層中層南侵，在31°N附近形成自地面至200 hPa的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，上升運(yùn)動(dòng)中心為-5.5 Pa·s-1，位于對(duì)流層中層。從7月19日02∶00(圖5e)圖上可以看出，干冷空氣在對(duì)流層中低層南侵。暖氣團(tuán)一側(cè)，對(duì)流層中低層南風(fēng)急流旺盛發(fā)展，可達(dá)20 m·s-1以上。暖氣團(tuán)在冷氣團(tuán)之上爬升，梅雨鋒區(qū)隨高度向北傾斜。200 hPa高度上，有明顯的高空輻散發(fā)展。在低空輻合、高空輻散的共同作用下，31°N附近自地面至200 hPa形成明顯的上升運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)的中心位于400 hPa，強(qiáng)度約為-5.5 Pa·s-1。

從上述個(gè)例所反映的梅雨鋒暴雨的動(dòng)熱力場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)特征表明，梅雨鋒上的干冷空氣來(lái)自對(duì)流層中層及對(duì)流層低層，二者或同時(shí)出現(xiàn)或單獨(dú)出現(xiàn)，在剖面圖上表現(xiàn)為假相當(dāng)位溫低值區(qū)的南凸及偏北氣流的發(fā)展。上升運(yùn)動(dòng)中心多位于干冷空氣南側(cè)，假相當(dāng)位溫大值區(qū)的上空。當(dāng)對(duì)流層中層、低層干冷空氣同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，往往會(huì)在對(duì)流層中層和低層分別形成上升運(yùn)動(dòng)中心，通過(guò)兩層上升運(yùn)動(dòng)的疊加效應(yīng)，為暴雨提供動(dòng)力條件。

3.4 中高層干冷空氣的演變特征及作用

本文3.1中對(duì)干冷空氣的活動(dòng)特征分析表明，在2020年梅汛期，對(duì)流層中高層的干冷空氣中相較于低層冷空氣更為活躍，因此，下文利用2020年中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所梅雨鋒降水地-空-星基聯(lián)合觀測(cè)試驗(yàn)中咸寧風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析中高層干冷空氣的演變特征及作用。在7月4—9日強(qiáng)降水過(guò)程中，咸寧站最強(qiáng)降雨時(shí)段出現(xiàn)在5日14∶00—22∶00，圖6a為7月5日00∶00—6日00∶00咸寧站的風(fēng)廓線雷達(dá)的演變特征，從圖中可以看到，5日06時(shí)之前(過(guò)程開(kāi)始之前)，咸寧上空5 km以上為平直的西風(fēng)氣流，5 km以下為西南氣流。5日06時(shí)之后，咸寧上空12—16 km高度上的偏西氣流開(kāi)始逐漸轉(zhuǎn)為西北氣流，并且逐漸侵入至對(duì)流中低層，從咸寧站北側(cè)的武漢站T-log P圖(圖6b、c)上也可以看到這種對(duì)流層中高層偏北氣流明顯增強(qiáng)的特征，考慮這種變化與南亞高壓加強(qiáng)東伸后與高空輻散相關(guān)的偏北氣流明顯加強(qiáng)密切相關(guān)。5日18時(shí)—20時(shí)，干冷的西北氣流已經(jīng)向下發(fā)展至5—7 km高度。對(duì)流層中低層(3 km以下)的西南暖濕急流在此期間也逐步增強(qiáng)并向上抬升至5 km左右，5日20時(shí)，對(duì)流層中層700 hPa西南暖濕急流達(dá)到了20 m·s-1以上。中高層干冷空氣的侵入與中低層暖濕氣流的增強(qiáng)發(fā)展，使得咸寧上空對(duì)流不穩(wěn)定顯著增強(qiáng)。在干冷空氣侵入梅雨區(qū)上空后，5日22:00起，在湖北中東部850 hPa上有低渦生成(圖略)，并逐漸東移發(fā)展。在低渦的東南象限，1 h雨強(qiáng)普遍在20～40 mm·h-1，局部達(dá)50 mm·h-1以上。

圖6 2020年7月5日00∶00—7月6日00∶00咸寧站風(fēng)廓線的時(shí)間變化(a)、7月4日08∶00武漢站T-log P圖(b)、7月5日08∶00武漢站T-log P圖(c)Fig.6(a)Theprofilewind at Xianningstation during 00∶00 BTon 5 July to00∶00 BTon 6 July,(b)the T-log P at Wuhan station at 08∶00 BTon 4 July,and(c)the T-log P at Wuhan station at 08∶00 BTon 5 July 2020.

Ninomiya(1986)、Nagata(1984)的研究表明，梅雨鋒主要表現(xiàn)為濕度對(duì)比。沿咸寧站(115°E)以相對(duì)濕度小于60%的區(qū)域?yàn)楦蓞^(qū)(圖7，灰色陰影)做垂直剖面，從逐6 h干濕氣團(tuán)的演變特征可以清晰地看到干冷空氣侵入的過(guò)程。7月5日02∶00(圖7a)在32°N以北地區(qū)500 hPa上空有干冷空氣從高層垂直向下發(fā)展；至7月5日08∶00(圖7b)在32°N以北地區(qū)下降至700 hPa高度，雨帶上空為一致的濕氣團(tuán)控制；在7月5日14∶00—20∶00期間(圖7c、d)，可以看到干冷氣團(tuán)在對(duì)流層中層進(jìn)一步向南發(fā)展增強(qiáng)，同時(shí)來(lái)自雨帶以南的暖濕氣流向北發(fā)展增強(qiáng)，并沿冷氣團(tuán)向上爬升，在雨帶北側(cè)形成明顯的自低層向高層的“濕-干-濕”的位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)，強(qiáng)降水則發(fā)生在這種干濕氣團(tuán)等值線密集帶中。干冷空氣帶來(lái)的擾動(dòng)使得大氣的斜壓性增大，由干冷的下沉氣流與暖濕上升氣流造成輻合的旋轉(zhuǎn)上升，垂直渦度拉伸使輻合進(jìn)一步增強(qiáng)，可進(jìn)一步解釋低渦的生成、維持及降水的增強(qiáng)。

圖7 2020年7月5日02:00(a)、7月5日08∶00(b)、7月5日14:00(c)、7月5日20∶00(d)沿115°E的相對(duì)濕度的經(jīng)向剖面圖(單位：%)Fig.7 Thelatitude-height crosssectionsof relativehumidity(unit:%)along115.5°E.02:00 BT on 7 July,(b)08∶00 BTon 7 July,(c)14∶00 BTon 8 July,and(d)20∶00 BTon 8 July 2020.

4 結(jié)論與討論

本文分析了2020年梅雨期干冷空氣的演變和結(jié)構(gòu)特征及其在暴雨過(guò)程中的作用，得到以下結(jié)論：

(1)梅雨期降雨過(guò)程的演變與中高緯阻塞系統(tǒng)的演變與調(diào)整密切相關(guān)，梅雨期降雨自阻塞高壓在烏拉爾山以西地區(qū)建立開(kāi)始發(fā)展，在“單阻”環(huán)流型下開(kāi)始增強(qiáng)，在“雙阻”環(huán)流型維持的階段，降水達(dá)到最強(qiáng)時(shí)期，在“雙阻”形勢(shì)崩潰后逐漸趨于結(jié)束。南北向的“+-+”波列，有利于冷空氣自中高緯地區(qū)南下，與向北推進(jìn)的西太平洋副熱帶高壓外圍暖濕氣流在長(zhǎng)江中下游地區(qū)遭遇，形成梅雨鋒上持續(xù)的降水。極渦減弱，冷空氣在80°N以南地區(qū)堆積，并隨著中高緯度擾動(dòng)南侵，是降水加強(qiáng)的有利形勢(shì)。

(2)梅雨期間，干冷空氣的活動(dòng)在對(duì)流層中層相較于對(duì)流層低層更為明顯，500 hPa上北風(fēng)存在9次明顯的向南發(fā)展加強(qiáng)的過(guò)程，北風(fēng)加強(qiáng)的時(shí)段與降水過(guò)程有較好的對(duì)應(yīng)。高低層北風(fēng)風(fēng)速隨高度降低逐漸減小。每一次30°N以北地區(qū)500 hPa上出現(xiàn)中心強(qiáng)度在6 m·s-1以上的偏北氣流，伴隨經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速零線南壓至26°—32°N之間，疊加于850 hPa的南風(fēng)氣流之上時(shí)，梅雨期降水也隨之顯著增強(qiáng)。

(3)在2020年梅汛期5次典型暴雨過(guò)程中，均有干冷空氣的參與。梅雨鋒兩側(cè)正、反環(huán)流及次級(jí)環(huán)流上升支的疊加作用，在垂直方向上建立深厚對(duì)流，從而造成強(qiáng)的動(dòng)力抬升；干冷空氣多從對(duì)流層中層、低層侵入，形成相應(yīng)的垂直運(yùn)動(dòng)中心，對(duì)流層中層、低層的接力式抬升，為暴雨提供了有利條件。此外，中高層干冷空氣的下沉及卷入，增強(qiáng)了垂直方向上的“上干冷、下暖濕”的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)。對(duì)流層高層形成南北風(fēng)的輻散，配合中低層輻合區(qū)，加強(qiáng)了動(dòng)力抬升機(jī)制。

(4)從咸寧站風(fēng)廓線雷達(dá)及干濕氣團(tuán)的演變可以清楚看到中高層干冷空氣侵入的過(guò)程，中高層干冷空氣侵入及中低層暖濕氣流的熱力對(duì)比增強(qiáng)，形成了明顯的位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)。結(jié)合干冷空氣侵入后低渦的生成、發(fā)展的觀測(cè)事實(shí)表明，由干冷的下沉氣流與暖濕上升氣流造成輻合的旋轉(zhuǎn)上升，垂直渦度拉伸使輻合進(jìn)一步增強(qiáng)，有利于低渦的生成、維持及降水的增強(qiáng)。