摘要：2021年8月11日20時(shí)—12日20時(shí)（北京時(shí)，下同）湖北北部發(fā)生極端降水，24 h 降水量最大達(dá)518.5 mm，1 h降水量最大達(dá)117.9 mm，造成了嚴(yán)重災(zāi)害?；诔Ｒ?guī)氣象觀(guān)測(cè)資料和ERA5再分析資料，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和天氣學(xué)診斷分析法，對(duì)該過(guò)程極端降水的特征及天氣學(xué)成因進(jìn)行初步分析。利用常規(guī)氣象觀(guān)測(cè)資料和ERA5再分析資料，對(duì)2021年8月12日湖北省北部極端降水特征及其中尺度演變特征、環(huán)流形勢(shì)和物理量極端性的天氣學(xué)成因進(jìn)行初步分析。結(jié)果表明：（1）不同區(qū)域降水性質(zhì)不同，總體有累計(jì)降水量大、小時(shí)雨強(qiáng)強(qiáng)、降水時(shí)段集中、極端性突出、致災(zāi)性強(qiáng)等特點(diǎn)。（2）β中尺度對(duì)流云團(tuán)發(fā)展迅速、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、東移速度慢是造成此次極端降水的主要因素。（3）高層南亞高壓、高空急流以及中層副熱帶高壓和低槽是主要影響系統(tǒng)，中低層切變線(xiàn)、低層低渦以及偏東急流是直接參與者。（4）925—850 hPa低渦和偏東急流異常強(qiáng)盛且長(zhǎng)時(shí)間維持，導(dǎo)致低層形成強(qiáng)動(dòng)力輻合中心和強(qiáng)水汽輻合中心，有利于700 hPa以下上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展和維持。偏東急流也有利于低層能量鋒加強(qiáng)南壓以及θse高能區(qū)和對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的建立，促進(jìn)對(duì)流性強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展。（5）925—850 hPa的渦度、垂直速度、比濕和整層可降水量均表現(xiàn)出異常的極端性，且其異常度演變趨勢(shì)與雨強(qiáng)演變趨勢(shì)基本一致。

關(guān)鍵詞：極端降水；偏東急流；中尺度低渦；異常度

中圖法分類(lèi)號(hào)：P458.1+21" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A"" DOI：10.12406/byzh.2022-109

Analysis of characteristics and causes of \"8.12\" extreme precipitation in Hubei Province HE Xiaolu1， HAO Yuanjia1， QI Haixia2， CUI Chunguang2， QIN Youwen1， YANG Tao1， LI Ge1， TANG Jia1

（1.SuiZhou Meteorological Bureau of Hubei Province， SuiZhou 441300;2. Institute of Heavy Rain，China Meteorological Administration，Hubei Key Laboratoryfor Heavy RainMonitoring and Warning Research，Wuhan 430205）

Abstract： Extreme precipitation occurred in northern Hubei， with the maximum precipitation of 518.5 mm in 24 hours and 117.9 mm in 1 hour， causing serious disasters from 20：00 BT on August 11 to 20：00 BT on August 12， 2021. Based on conventional meteorological observa- tion data and ERA5 reanalysis data， the characteristics and synoptic causes of extreme precipitation for the event are preliminarily analyzed using statistical methods and synoptic diagnostic analysis methods. The results are shown below.（1） Although the characteristics of rain are different in different regions， the extreme rainstorm has the characteristics of large accumulated rainfall， strong short-term rainfall， concen- trated precipitation period， strong disaster possibility， and extreme rainfall.（2） The rapid development， long duration and slow eastward move- ment of β-Mesoscale Convective System （MβCS） are the main reasons for the extreme precipitation.（3） The main influence systems are the high level South Asia High （SAH）， the upper jet， the middle level West Pacific Subtropical High （WPSH） and the low trough. The direct par- ticipants are the mid- low level wind shear， mesoscale vortex and easterly jet.（4） The abnormal strength and maintenance of 850-925 hPa mesoscale vortex and easterly jet lead to the formation of strong dynamic convergence center and strong water vapor convergence center in the lower layer， providing continuous vertical upward movement below 700 hPa. The jet also favors the strengthening of energy front and the establishment of high-energy region and low-level instability， which leads to the occurrence and development of convective heavy rain.（5） The precipitable water in the whole layer and the vorticity and the vertical velocity and specific humidity at 925-850 hPa show relatively ab- normal extreme characteristics. In addition， its anomaly evolution trend is basically consistent with the evolution trend of rainfall intensity.

Key words： extreme precipitation; easterly jet; mesoscale vortex; anomaly

引言

全球變暖已成既定事實(shí)，在此背景下極端降水發(fā)生概率和強(qiáng)度明顯增加（高濤和謝立安，2014）。極端降水不僅會(huì)造成河道漫溢、農(nóng)作物被淹、道路被毀，還會(huì)引發(fā)山洪、滑坡、漬澇等次生災(zāi)害，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失，因此引起的社會(huì)關(guān)注度也越來(lái)越高。

湖北地處長(zhǎng)江中游，是典型的季風(fēng)氣候區(qū)，夏季極端降水易發(fā)多發(fā)，且影響極端降水的天氣系統(tǒng)多，物理機(jī)制復(fù)雜。近年來(lái)諸多學(xué)者從氣候?qū)W、天氣尺度系統(tǒng)、中尺度系統(tǒng)、復(fù)雜地形影響等多方面對(duì)湖北的極端降水進(jìn)行了研究。唐永蘭等（2018）分析了1961—2014年湖北極端降水的變化特征，指出鄂西南南部以及鄂東南東部和南部是極端降水的高發(fā)區(qū)。張家國(guó)等（2018）對(duì)2008—2015年湖北省60例極端降水進(jìn)行分析總結(jié)，歸納出長(zhǎng)江中游地區(qū)極端降水天氣類(lèi)型主要有鋒面氣旋、西南渦切變、西南渦-東北氣旋、暖倒槽和登陸臺(tái)風(fēng)5類(lèi)，其中前兩類(lèi)是最主要的極端降水類(lèi)型。李銀娥等（2019，2021）通過(guò)分析2008—2017年5—9月鄂西南區(qū)域的極端降水個(gè)例，發(fā)現(xiàn)大暴雨易出現(xiàn)在有地形輻合和地形抬升的山脈四周，鶴峰附近尤其易發(fā)生極端降水，并選取典型個(gè)例分析了峽谷地形對(duì)極端降水的作用，指出地形強(qiáng)迫抬升使對(duì)流降水強(qiáng)度明顯增大，鋒面層狀降水回波受地形阻擋影響而長(zhǎng)時(shí)間維持。王玨等（2019）利用湖北省2008—2015年62例極端短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例研究歸納出尾隨層狀云、平行層狀云、后向擴(kuò)建類(lèi)、鄰近層狀云類(lèi)、渦旋狀類(lèi)以及層狀云環(huán)繞類(lèi)共6類(lèi)中尺度對(duì)流系統(tǒng)（Mesoscale Con- vective System，MCS）模態(tài)。鐘敏等（2020）選取華中區(qū)域1960—2012年共139例極端降水個(gè)例，對(duì)其降水特征、天氣形勢(shì)及物理量異常度進(jìn)行分類(lèi)對(duì)比研究，并總結(jié)出緯向型、經(jīng)向型、臺(tái)風(fēng)西風(fēng)帶冷槽結(jié)合型和短波槽前低渦暖切型這四種引發(fā)極端降水的主要環(huán)流形勢(shì)。姜玉印等（2020）通過(guò)研究宜昌一次極端短時(shí)強(qiáng)降水成因，指出峽谷地形增強(qiáng)了動(dòng)力抬升條件，山體阻擋有利于降水長(zhǎng)時(shí)間維持。趙嫻婷等（2020）分析了湖北2016年7月18—20日特大暴雨的降水特征、極端性及其環(huán)境場(chǎng)條件，發(fā)現(xiàn)此次過(guò)程降水分為梅雨鋒南側(cè)暖區(qū)降水和梅雨鋒面降水兩個(gè)階段，且都具有較為極端的水汽條件。王孝慈等（2021）分析了湖北省2008—2018年70例引發(fā)極端降水的 MCS 分布特征、移動(dòng)路徑和變化特征，指出引發(fā)極端降水的MCS出現(xiàn)次數(shù)最多月份為6月和7月，多形成于下午至傍晚，夜間尤其是午夜前后成熟，移動(dòng)方向多由生成地開(kāi)始向東或東偏南移動(dòng)。黃治勇等（2021）分析了2020年7月4—8日長(zhǎng)江中游梅雨鋒極端暴雨的物理量特征，指出暴雨中心處于對(duì)流層中低層南風(fēng)和北風(fēng)的過(guò)渡帶，在其南部有明顯偏南風(fēng)急流，而梅雨鋒鋒區(qū)內(nèi)低層風(fēng)速非常弱。張萍萍等（2022）歸納了湖北省南北氣流匯合型、南北槽疊加型這兩類(lèi)典型極端降水的概念模型及氣象因子異常特征。

上述研究揭示了湖北極端降水的形成機(jī)制，歸納總結(jié)出一些典型模型，加深了預(yù)報(bào)員對(duì)極端降水的認(rèn)識(shí)。但不同個(gè)例發(fā)生的原因不盡相同，因此深入分析一些特定地區(qū)的極端降水個(gè)例仍有必要。2021年8月11日20時(shí)—12日20時(shí)（北京時(shí)，下同）湖北北部發(fā)生了極端降水（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“8·12”過(guò)程），24 h累積降水量最大達(dá)518.5 mm，1 h降水量最大達(dá)117.9 mm，造成了嚴(yán)重災(zāi)害。本文利用常規(guī)氣象觀(guān)測(cè)資料和ERA5再分析資料，從降水特征、中尺度演變特征、環(huán)流形勢(shì)和物理量極端性等方面進(jìn)行綜合分析，歸納科學(xué)問(wèn)題，促進(jìn)對(duì)此次極端降水的認(rèn)識(shí)理解，并提出有待深入研究的方向和問(wèn)題，以期為此類(lèi)極端降水的預(yù)報(bào)預(yù)警及防災(zāi)減災(zāi)科學(xué)應(yīng)對(duì)提供更加有力的技術(shù)支撐。

1資料和方法

1.1資料說(shuō)明

本文使用的資料包括：湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心提供的1961—2021年湖北省76個(gè)國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站和2011—2021年柳林區(qū)域氣象觀(guān)測(cè)站（113.23°E，31.53°N，以下簡(jiǎn)稱(chēng)柳林站）的日降水和小時(shí)降水資料；國(guó)家氣象中心提供的2021年8月9—13日高空、地面實(shí)況觀(guān)測(cè)資料以及 FY-4A 衛(wèi)星云頂亮溫（Black Body Temperature，TBB）；2011—2021年歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心第五代大氣再分析數(shù)據(jù)（ERA5再分析資料，在 https：//cds.climate.copernicus.eu 獲取，其水平分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率1 h，包括25層等壓面上的高度、溫度、風(fēng)場(chǎng)、相對(duì)濕度、比濕、散度、垂直速度等氣象要素）。

1.2極端降水的定義

本文根據(jù)氣象觀(guān)測(cè)站的日降水量定義了不同臺(tái)站極端降水閾值。其具體方法是：把1991—2020年≥50 mm的逐日降水量按升序排列，將第95個(gè)百分位的值定義為極端降水閾值，當(dāng)某站某日降水量超過(guò)了該站極端降水閾值時(shí)，就稱(chēng)該站該日出現(xiàn)了極端降水。

對(duì)于極端閾值的確定，本文參照Bonsal方法（楊金虎等，2008），如果某個(gè)氣象要素有n 個(gè)值，將這n 個(gè)值按升序排列x1，x2，…，xm，…，xn，某個(gè)值小于或等于xm的概率為

其中，m 為xm的序號(hào)，n 為某個(gè)氣象要素值的總個(gè)數(shù)。

1.3物理量異常度的計(jì)算

為了研究“8·12”過(guò)程中各物理量偏離暴雨平均狀態(tài)的異常程度，本文以柳林站為代表，選取2011—2021年共26個(gè)暴雨日，以暴雨日前一天20時(shí)至當(dāng)天20時(shí)逐3 h ERA5再分析數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值代表該暴雨日要素值，并參照鐘敏等（2020）的方法，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化距平法計(jì)算氣象因子異常度。公式如下

式（2）和式（3）中x 為要素值，μ為要素平均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，n 為樣本數(shù)。本文中要素平均值μ即代表暴雨平均態(tài)，取26個(gè)暴雨日要素值的平均，樣本數(shù) n 為26。N 表示氣象因子偏離平均值的程度，即異常度，|N|越大表示越異常。一般來(lái)說(shuō)，|N|≥0.5表示較為異常，|N|≥2.5表示明顯異常（張芳等，2022）。

2降水特征

2.1降水過(guò)程概況

2021年8月9—13日，湖北省出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降水天氣過(guò)程，大部地區(qū)過(guò)程累計(jì)降水量100～582 mm，共有5個(gè)縣市139個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過(guò)250 mm，主要位于鄂北中部和鄂西南南部，其中10站超過(guò)400 mm，主要位于襄陽(yáng)宜城、襄陽(yáng)南漳、隨州隨縣及恩施來(lái)鳳。其中8月12日鄂北出現(xiàn)特大暴雨，導(dǎo)致襄陽(yáng)、隨州多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)山洪爆發(fā)，造成共52.5萬(wàn)余人受災(zāi)、28人死亡（襄陽(yáng)宜城4人、隨州隨縣24人），并導(dǎo)致大量道路、橋梁、垱壩、堰塘、渠道等受損，直接經(jīng)濟(jì)損失約12.2億元。

圖1給出2021年8月11日20時(shí)—12日20時(shí)24 h湖北省降水量分布圖，從雨帶分布來(lái)看，100 mm以上大暴雨區(qū)呈西北-東南向狹長(zhǎng)帶狀，分布于鄂北一帶的襄陽(yáng)、隨州、孝感以及武漢，250 mm以上特大暴雨區(qū)主要位于襄陽(yáng)宜城以及隨州隨縣，其中超過(guò)400 mm 的站點(diǎn)有3個(gè)，分別是隨縣柳林站518.5 mm、宜城鶯河站495 mm、宜城朝陽(yáng)寺站463.2 mm。

2.2降水時(shí)空演變特征

圖2給出“8·12”過(guò)程中大暴雨落區(qū)內(nèi)自西向東選取的薤山、朝陽(yáng)寺、柳林、黃陂4個(gè)氣象觀(guān)測(cè)站（圖1中綠三角標(biāo)記）小時(shí)雨強(qiáng)時(shí)間演變圖?？梢钥闯觯麄€(gè)雨帶是自西向東發(fā)展的，薤山站、朝陽(yáng)寺站和柳林站降水開(kāi)始于11日21時(shí)，遠(yuǎn)早于雨帶東部的黃陂站，從降水增強(qiáng)的時(shí)段來(lái)看也是西部明顯早于東部。具體分析每個(gè)區(qū)域的特征可知：雨帶最西部的薤山站降水持續(xù)了24 h，雨強(qiáng)均在20 mm·h-1以下，說(shuō)明雨帶最西部以穩(wěn)定性降水為主，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致累計(jì)降水量大。雨帶中部的朝陽(yáng)寺站和柳林站降水主要集中在11日22時(shí)—12日09時(shí)，期間出現(xiàn)了4～5 h的50 mm·h-1以上極端短時(shí)強(qiáng)降水，尤其是朝陽(yáng)寺站12日06時(shí)出現(xiàn)了過(guò)程最大雨強(qiáng)117.9 mm·h-1，柳林站則是自12日04—08時(shí)持續(xù)5 h雨強(qiáng)超過(guò)50 mm·h-1，其中05—06時(shí)連續(xù)2 h雨強(qiáng)超過(guò)100 mm·h-1，這說(shuō)明雨帶中部以對(duì)流性降水為主，具有小時(shí)雨強(qiáng)強(qiáng)、高強(qiáng)度降水時(shí)間長(zhǎng)、夜雨明顯等特征。雨帶東部的黃陂站降水主要集中在12日08—15時(shí)，期間也出現(xiàn)50 mm·h-1以上極端短時(shí)強(qiáng)降水，說(shuō)明雨帶東部降水也有明顯的對(duì)流性特征，但其雨強(qiáng)較中部小，高強(qiáng)度降水持續(xù)時(shí)間也較中部短。

2.3降水極端性

由于精細(xì)觀(guān)測(cè)資料限制，要了解“8·12”過(guò)程降水強(qiáng)度在湖北省的歷史排位尚有一定困難。本文僅根據(jù)1961—2021年湖北省76個(gè)國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站和2011—2021年柳林站降水資料，對(duì)“8·12”過(guò)程降水的極端性進(jìn)行初步分析和探討。

從國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站日降水量來(lái)分析，“8·12”過(guò)程中湖北省共有6站超過(guò)極端降水閾值，其中宜城和南漳超過(guò)歷史極值，其余4站也排歷史前5（表1）。

從降水中心柳林站來(lái)分析，“8·12”過(guò)程柳林站最大1 h、6 h、12 h 以及24 h 降水量均遠(yuǎn)超該站歷史極值（表2）。而且其最大4 h、6 h、9 h、12 h 降水量分別為373.7 mm、462.6 mm、501.7 mm、515.8 mm，均超過(guò)了湖北省1981—2021年國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站對(duì)應(yīng)歷時(shí)的最大值。

因此，無(wú)論從國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站還是降水中心柳林站來(lái)看，“8·12”過(guò)程具有明顯的極端性。

綜上可見(jiàn)，“8·12”過(guò)程具有累計(jì)降水量大、小時(shí)雨強(qiáng)強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是降水中心柳林站高強(qiáng)度降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降水時(shí)段集中、極端性尤為突出。后文將重點(diǎn)分析此次極端降水的中尺度特征及主要成因。

3中尺度演變特征

高時(shí)空分辨率的氣象衛(wèi)星紅外云圖能夠識(shí)別MCS及其結(jié)構(gòu)，對(duì)流云團(tuán)冷核的演變與地面雨強(qiáng)大值落區(qū)之間有很好的一致性（劉健和蔣建瑩，2013）。下面利用 FY-4A衛(wèi)星觀(guān)測(cè)資料以及地面加密降水量資料來(lái)分析“8·12”過(guò)程的MCS演變特征。

圖3給出“8·12”過(guò)程不同時(shí)次 FY-4A 的 TBB 及地面雨強(qiáng)，分析顯示，此次極端降水是在鄂北β中尺度對(duì)流云團(tuán)影響下發(fā)生的。11日21時(shí)左右（圖略）隨州附近有對(duì)流云團(tuán)發(fā)展，22—23時(shí)（圖3a、d）襄陽(yáng)附近再次新生一個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)，地面有10～30 mm·h-1雨團(tuán)與其對(duì)應(yīng)，局部出現(xiàn)≥50 mm·h-1的站點(diǎn)。12日01時(shí)（圖3b、e），兩個(gè)對(duì)流云團(tuán)合并成較大的橢圓形中尺度對(duì)流云團(tuán)，云團(tuán)中TBB≤-40℃水平尺度約200 km，并伴有明顯γ中尺度云團(tuán)冷核（TBB≤-60℃），云團(tuán)冷核西側(cè)南漳和宜城附近 TBB 梯度非常大，此時(shí)雨團(tuán)范圍增大強(qiáng)度增強(qiáng)且位于上述地區(qū)，最大雨強(qiáng)高達(dá)79 mm·h-1。12日03時(shí)（圖略）對(duì)流云團(tuán)范圍東擴(kuò)，且 TBB梯度大值區(qū)一直維持在南漳、宜城一帶，該地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水也一直持續(xù)，TBB≤-65℃的云團(tuán)冷核移至隨縣附近，隨縣開(kāi)始出現(xiàn)分散的強(qiáng)降水站點(diǎn)。12日05—06時(shí)（圖3c、f），對(duì)流云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng)，在隨州附近形成致密的近圓形結(jié)構(gòu)且TBB≤-65℃的云團(tuán)冷核面積增大，此時(shí)云團(tuán)最具有組織性，結(jié)構(gòu)最完整，相應(yīng)的地面出現(xiàn)成片≥30 mm·h-1的雨團(tuán)，最大雨強(qiáng)達(dá)到117.9 mm·h-1。12日07—10時(shí)（圖略）對(duì)流云團(tuán)緩慢東移并持續(xù)影響隨州，隨州南部出現(xiàn)持續(xù)性短時(shí)強(qiáng)降水。11時(shí)后（圖略）對(duì)流云團(tuán)繼續(xù)以高組織性向東移動(dòng)影響鄂東北，強(qiáng)降水雨團(tuán)也隨之東移，16時(shí)后（圖略）對(duì)流云團(tuán)組織程度減弱，地面雨強(qiáng)也明顯減弱。

因此，鄂北地區(qū)β中尺度對(duì)流云團(tuán)（β-Mesoscale Convective System，MβCS）發(fā)展迅速、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、東移速度慢是造成此次極端降水的主要因素，下面將從天氣影響系統(tǒng)和物理量演變來(lái)分析MβCS發(fā)生發(fā)展的成因。

4天氣學(xué)成因

4.1環(huán)流形勢(shì)

從2021年8月11—12日天氣形勢(shì)分析（圖略），200 hPa南亞高壓1260 dagpm特征線(xiàn)向東伸展至110°E附近，湖北位于高空急流右側(cè)、南亞高壓東側(cè)外圍的輻散氣流區(qū)。500 hPa中高緯維持兩低一高的“Ω”型環(huán)流形勢(shì)，阻塞高壓中心位于120°—130°E 附近，其西側(cè)為切斷低壓，東側(cè)自我國(guó)東北地區(qū)至西北地區(qū)東部為低壓槽區(qū)。副熱帶高壓（以下簡(jiǎn)稱(chēng)副高）控制著湖北及其以南大部地區(qū)，其120°E高壓脊線(xiàn)位于26°N附近，較常年同期位置偏南。北方冷槽東移攜帶冷空氣不斷向南滲透，與副高外圍西南暖濕氣流在湖北一帶交匯，但由于副高外圍西南暖濕氣流風(fēng)速并不強(qiáng)，向湖北輸送的水汽也并不強(qiáng)盛。

從中低層700—925 hPa等壓面上的風(fēng)場(chǎng)（圖4）分析，在500 hPa北支低槽后部冷空氣作用下，在華北地區(qū)形成冷性反氣旋高壓，高壓底部偏東氣流與副高西北部偏南氣流在湖北中部形成一條近似東西向的切變線(xiàn)。11日20—23時(shí)（圖4a、d、g），700 hPa切變線(xiàn)略有北抬且氣旋性切變?cè)鰪?qiáng)，850—925 hPa切變線(xiàn)北側(cè)的偏東氣流加強(qiáng)發(fā)展形成12～14 m·s-1的偏東急流，這支偏東急流的建立使其南側(cè)氣旋性切變也隨之加強(qiáng)，12日03時(shí)（圖4b、e、h）在鄂西北形成中尺度低渦。12日03—17時(shí)（圖4c、f、i），這一中尺度低渦和低渦北側(cè)的偏東急流逐漸東移南壓，影響襄陽(yáng)-隨州-孝感-武漢一帶。700 hPa氣旋性切變的增強(qiáng)以及850 hPa以下中尺度低渦的形成加強(qiáng)了中低層的輻合抬升運(yùn)動(dòng)，850 hPa以下的偏東急流將西太平洋和黃海的水汽源源不斷輸送至低渦附近，為極端降水的發(fā)生提供有利的水汽條件。

將中低層影響系統(tǒng)演變與前文分析的MβCS演變結(jié)合來(lái)看，11日23時(shí)—12日03時(shí)700 hPa切變線(xiàn)加強(qiáng)，850 hPa以下偏東急流和中尺度低渦先后建立發(fā)展，此時(shí)正是 MβCS強(qiáng)烈組織化發(fā)展階段；12日03—17時(shí)由于切變線(xiàn)、偏東急流以及中尺度低渦的長(zhǎng)時(shí)間維持和緩慢東移，MβCS也隨之維持并緩慢東移，這就解釋了 MβCS發(fā)展迅速、長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)且移動(dòng)速度緩慢的原因。

海平面氣壓場(chǎng)上（圖略），我國(guó)整體呈東北高西南低分布特征，有東北路弱冷空氣向南擴(kuò)散。11日白天湖北大部受暖倒槽控制，冷空氣還未進(jìn)入湖北，11日20時(shí)起，東北路地面冷空氣經(jīng)過(guò)南陽(yáng)盆地不斷向南侵入鄂西北，相繼進(jìn)入襄陽(yáng)、隨州、孝感、武漢等地，冷暖空氣在該地區(qū)附近交綏，為極端降水的發(fā)生提供了觸發(fā)條件。

綜上所述，此次極端降水是高層氣流輻散、中低層切變線(xiàn)維持、低層低渦及其北側(cè)偏東急流發(fā)展加強(qiáng)并疊加地面冷空氣向南滲透等因素共同作用的結(jié)果。高層南亞高壓、高空急流以及中層副高、低槽是主要影響系統(tǒng)，中低層切變線(xiàn)、低層低渦以及偏東急流是直接參與者。

4.2低渦和低空急流極端性

鐘敏等（2020）通過(guò)分析華中區(qū)域139例極端降水個(gè)例，歸納出四種不同的典型環(huán)流形勢(shì)，并指出短波槽前低渦暖切型的水汽輻合、風(fēng)場(chǎng)輻合以及正渦度相比其他三類(lèi)，要明顯集中于低層到邊界層?！?·12”過(guò)程環(huán)流形勢(shì)與其歸納的短波槽前低渦暖切型較為相似且低層低渦和偏東急流是其最直接的參與系統(tǒng)，因此重點(diǎn)分析低層低渦和偏東急流的極端性。

圖5為“8·12”過(guò)程850 hPa全風(fēng)速、緯向風(fēng)速以及渦度的異常度分布。分析顯示，“8·12”過(guò)程中850 hPa全風(fēng)速在湖北南部及其以南地區(qū)明顯偏小，其標(biāo)準(zhǔn)化距平小于-1σ，而在鄂西北及河南南部則明顯偏大（圖5a）。925 hPa的異常度分布與850 hPa基本一致（圖略），其原因是本次過(guò)程強(qiáng)降水區(qū)南側(cè)的中低層偏南氣流明顯偏弱，沒(méi)有形成西南急流，而在強(qiáng)降水區(qū)北側(cè)存在一支強(qiáng)盛的偏東急流，較其他暴雨過(guò)程偏東氣流明顯偏強(qiáng)。進(jìn)一步分析850 hPa緯向風(fēng)分量的異常度（圖5b），河南南部到湖北北部的緯向風(fēng)速較暴雨平均值是顯著偏小的，其異常度達(dá)到-1.4σ，足以說(shuō)明此次過(guò)程低層偏東氣流顯著偏強(qiáng)，具有極端性。同時(shí)，從850 hPa渦度場(chǎng)的異常度來(lái)看（圖5c），在鄂北地區(qū)850 hPa渦度明顯偏大，尤其是柳林附近異常度達(dá)到1.4σ。925 hPa也有相似的異常度分布特征（圖略），說(shuō)明此次過(guò)程低層低渦強(qiáng)度明顯偏強(qiáng)且具有極端性。因此，“8·12”過(guò)程低層低渦和偏東急流較一般暴雨過(guò)程顯著偏強(qiáng)，且有一定極端性。

4.3低渦和偏東急流對(duì)極端降水的影響

“8·12”過(guò)程低層低渦和偏東急流異常強(qiáng)盛且長(zhǎng)時(shí)間維持，下面將通過(guò)物理量診斷來(lái)闡明低渦和偏東急流對(duì)極端降水的水汽條件、動(dòng)力結(jié)構(gòu)和不穩(wěn)定層結(jié)影響。

4.3.1水汽輸送及輻合

極端降水的發(fā)生離不開(kāi)充足的水汽供應(yīng)和異常強(qiáng)烈的水汽輻合（廖曉農(nóng)等，2013）。從柳林站2021年8月11—12日的比濕垂直分布演變情況分析可知（圖略），強(qiáng)降水發(fā)生前12 h （11日12時(shí)）850 hPa比濕為15 g·kg-1，925 hPa比濕為17 g·kg-1，已經(jīng)處于相對(duì)較高狀態(tài)，環(huán)境水汽含量高，更有利于形成強(qiáng)降水。強(qiáng)降水臨近時(shí)850 hPa以下比濕有所增大，尤其是925—850 hPa之間增濕最明顯，這與925—850 hPa偏東急流建立的時(shí)間基本吻合，說(shuō)明925—850 hPa偏東急流建立有利于低層增濕；強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)925 hPa以下比濕略有下降，這可能是強(qiáng)降水消耗了大量水汽導(dǎo)致的，但925—600 hPa由于偏東急流和西南氣流持續(xù)輸送水汽，水汽得以補(bǔ)充，比濕略有增大；強(qiáng)降水發(fā)生后700 hPa以下比濕略有減小，700—300 hPa中高層比濕顯著下降。從各層的水汽通量及水汽通量散度分析，水汽供應(yīng)主要集中在中低層700 hPa以下尤其是850 hPa以下（圖略）。圖6是不同時(shí)刻925 hPa比濕、水汽通量以及700 hPa以下累計(jì)水汽通量散度分布圖，分析可知，在11日18時(shí)強(qiáng)降水開(kāi)始前（圖6a），925 hPa上存在一條從東北輸送的水汽通道，將黃海和西太平洋的水汽經(jīng)安徽、河南輸送至鄂西北，但水汽輸送并不強(qiáng)，700 hPa以下水汽通量輻合強(qiáng)度也比較弱。11日20時(shí)—12日08時(shí)降水爆發(fā)期和強(qiáng)盛期（圖6b），隨著邊界層偏東急流和中尺度低渦的建立和加強(qiáng)，925 hPa的水汽通量強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，其大值區(qū)位于豫西南和鄂西北，700 hPa以下水汽通量輻合也明顯增強(qiáng)，強(qiáng)輻合中心位于925 hPa水汽通量大值區(qū)東南側(cè)，與偏東急流出口區(qū)右側(cè)、中尺度低渦東側(cè)的氣旋性輻合區(qū)相對(duì)應(yīng)。12日09—17時(shí)雨帶東部的降水集中期（圖6c），隨著偏東急流東移南擴(kuò)和中尺度低渦東移，925 hPa水汽通量大值區(qū)也逐漸向東向南發(fā)展，水汽通量輻合中心也隨著系統(tǒng)逐漸東移并加強(qiáng)發(fā)展，強(qiáng)降水區(qū)也隨之東移。

綜上可知，“8·12”過(guò)程的水汽輸送、輻合以及增濕區(qū)均集中在中低層尤其是850 hPa以下低層，偏東急流有利于水汽輸送通道形成，且偏東急流出口區(qū)風(fēng)速輻合以及中尺度低渦東側(cè)的氣旋輻合有利于水汽通量強(qiáng)烈輻合。

4.3.2動(dòng)力抬升條件

沿雨帶進(jìn)行垂直剖面，分析其渦度、散度以及風(fēng)矢量的垂直結(jié)構(gòu)（圖7）可知，在11日18時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前（圖7a），雨帶中850 hPa以下以及700—500 hPa以輻合為主，500—300 hPa以輻散為主，對(duì)應(yīng)著400 hPa以下基本為上升運(yùn)動(dòng)，但整體而言輻合輻散以及垂直運(yùn)動(dòng)均較弱。從水平運(yùn)動(dòng)來(lái)看，700 hPa以下基本為東風(fēng)，600 hPa以上為西風(fēng)。在渦度場(chǎng)上則表現(xiàn)為500 hPa以下為正渦度區(qū)，500 hPa以上為負(fù)渦度區(qū)，強(qiáng)度整體不強(qiáng)。11日20時(shí)—12日08時(shí)降水爆發(fā)期和強(qiáng)盛期（圖8b），在111°—113°E 的800 hPa以下形成強(qiáng)輻合區(qū)，700—500 hPa形成強(qiáng)輻散區(qū)，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，低層輻合中層輻散的加強(qiáng)有利于垂直環(huán)流形成和中低層上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，使近地層到600 hPa形成明顯上升運(yùn)動(dòng)區(qū)。渦度場(chǎng)上，600 hPa以下正渦度明顯增大，并在925—850 hPa形成正渦度中心，這與925—850 hPa的中尺度低渦相對(duì)應(yīng)。另外，從緯向風(fēng)分量來(lái)看，700 hPa以下的東風(fēng)分量有所增大，表明低層偏東急流建立和加強(qiáng)。12日09—17時(shí)（圖7c），系統(tǒng)呈東移態(tài)勢(shì)，強(qiáng)輻合區(qū)和強(qiáng)輻散區(qū)及對(duì)應(yīng)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)東移至113°—114°E，其所在高度也有所下降。雖然輻合中心強(qiáng)度基本不變，但輻散中心強(qiáng)度有所減弱，導(dǎo)致上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度也稍有減弱。相應(yīng)的，強(qiáng)降水區(qū)也東移至雨帶東部，其強(qiáng)度較中部有所減弱。

從850 hPa和925 hPa不同時(shí)次的風(fēng)場(chǎng)、散度（圖4）以及渦度（圖略）分布來(lái)看，渦度、散度的強(qiáng)度分布與中尺度低渦以及偏東急流的位置相關(guān)。正渦度中心與中尺度低渦中心位置相對(duì)應(yīng)，而強(qiáng)輻合中心則位于偏東急流出口區(qū)及中尺度低渦的氣旋性輻合切變區(qū)。因此，低層中尺度低渦和偏東急流的穩(wěn)定存在有利于低層的強(qiáng)動(dòng)力輻合以及700 hPa以下強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和維持，為此次極端降水的發(fā)生提供有利的動(dòng)力條件。

4.3.3不穩(wěn)定條件

假相當(dāng)位溫（θse）是綜合表征大氣溫度、壓力和濕度的特征量，能反映大氣能量分布，其水平、垂直分布與 MCS的發(fā)生發(fā)展有很大的關(guān)系（王兩銘和羅會(huì)邦，1980）。從不同時(shí)刻850 hPaθse 的空間分布（圖略）以及沿113.23°E 經(jīng)降水中心柳林站的θse 經(jīng)向垂直剖面圖看到（圖8），11日18時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前（圖8a），在32—34°N河南南部有偏東氣流與偏南氣流交匯形成的能量鋒區(qū)，并垂直延伸到600 hPa附近，850 hPa以下鋒區(qū)強(qiáng)度最強(qiáng)。此時(shí)柳林站上空600 hPa以下θse 隨高度增加基本不變，表明對(duì)流層中低層大氣近乎中性狀態(tài)。11日20時(shí)后，隨著偏東氣流和偏南氣流加強(qiáng)，850 hPa以下θse 大值區(qū)北抬到湖北中北部，中心值也有所增大，表明強(qiáng)降水區(qū)低層處于增溫增濕過(guò)程（圖略）。12日00—08時(shí)降水強(qiáng)盛期（圖8b），偏東急流建立發(fā)展，在其作用下θse 能量鋒區(qū)南壓到湖北北部，鋒區(qū)強(qiáng)度增強(qiáng)，同時(shí)偏東急流輸送水汽使強(qiáng)降水區(qū)低層大氣進(jìn)一步增濕，不穩(wěn)定能量更加積聚，在925 hPa以下形成一個(gè)352 K 的暖濕高能區(qū)，925—850 hPa間θse 隨高度增加而減小，表明對(duì)流層低層大氣層由中性狀態(tài)轉(zhuǎn)為對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)。這一時(shí)段，柳林站近地層形成高能區(qū)，低層形成不穩(wěn)定層結(jié)，同時(shí)還有能量鋒區(qū)，有利于MCS的觸發(fā)和發(fā)展。12日08時(shí)后，偏東急流東移，能量鋒區(qū)和θse 高能區(qū)也隨之東移到鄂東北一帶（圖略），柳林站附近的鋒區(qū)強(qiáng)度有所減弱，不穩(wěn)定層結(jié)抬升到850—600 hPa，850 hPa以下轉(zhuǎn)為穩(wěn)定層結(jié)，對(duì)流不容易觸發(fā)（圖8c）。

由此可見(jiàn)，“8·12”過(guò)程中θse 高能區(qū)、對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的建立以及能量鋒區(qū)的加強(qiáng)與偏東急流的建立維持密不可分。

4.4物理量的極端性及演變特征

前文已分析低渦和偏東急流的異常程度及對(duì)降水的作用，下面將以柳林站為代表，分析“8·12”過(guò)程中水汽和動(dòng)力物理量的極端性及演變特征，進(jìn)一步闡明產(chǎn)生極端降水的原因。

4.4.1動(dòng)力和水汽的異常度

選取不同層次的散度、渦度、垂直速度、比濕以及整層可降水量5個(gè)物理量，將“8·12”過(guò)程與暴雨平均態(tài)進(jìn)行對(duì)比（表3）。結(jié)果表明：從散度來(lái)看，“8·12”過(guò)程與暴雨平均態(tài)均表現(xiàn)出200 hPa輻散和500—925hPa 輻合的特征，其中“8·12”過(guò)程中200 hPa輻散及700 hPa輻合偏弱，850—925 hPa輻合偏強(qiáng)，其異常程度不高。從渦度來(lái)看，“8·12”過(guò)程與暴雨平均態(tài)都表現(xiàn)出200 hPa負(fù)渦度、500—925 hPa正渦度的特征，“8·12”過(guò)程200 hPa負(fù)渦度及850—925 hPa正渦度強(qiáng)度均偏強(qiáng)，尤其是850—925 hPa正渦度異常度達(dá)到1σ以上，說(shuō)明低層正渦度異常偏大。從垂直速度來(lái)看，“8·12”過(guò)程和暴雨平均態(tài)均表現(xiàn)出深厚的上升運(yùn)動(dòng)，但“8·12”過(guò)程最強(qiáng)上升區(qū)位于850—925 hPa，其異常度超過(guò)0.5σ，說(shuō)明“8·12”過(guò)程較一般暴雨過(guò)程的最強(qiáng)上升區(qū)位置偏低，且850—925 hPa上升運(yùn)動(dòng)偏強(qiáng)程度有一定極端性。從水汽條件來(lái)看，“8·12”過(guò)程中比濕和整層可降水量均較暴雨平均態(tài)明顯偏大，其中700—925 hPa的比濕異常度超過(guò)0.8σ，說(shuō)明此次過(guò)程水汽極端性主要集中在中低層。

4.4.2中低層動(dòng)力和水汽的異常度演變特征

上文分析發(fā)現(xiàn)“8·12”過(guò)程整層可降水量和中低層渦度、垂直速度、比濕均有一定極端性，下面進(jìn)一步分析這4個(gè)物理量異常度的時(shí)間演變特征（圖9）。

從水汽條件來(lái)看（圖9a），11日20時(shí)起700—925 hPa比濕以及整層可降水量異常度均在0.5σ以上，其中11日23時(shí)后各物理量異常度均有所升高，并在12日02—08時(shí)達(dá)到峰值1σ左右或以上，12日11時(shí)后均顯著下降。從動(dòng)力條件來(lái)看（圖9b），11日20時(shí)850—925 hPa的渦度和垂直速度異常程度并不明顯，11日23時(shí)起其異常程度顯著增大，垂直速度異常峰值超過(guò)-1σ，出現(xiàn)在12日05—11時(shí)，渦度異常度峰值出現(xiàn)在12日11—14時(shí)，甚至高達(dá)3σ以上。

從水汽、動(dòng)力異常度演變和柳林站雨強(qiáng)演變之間的關(guān)系來(lái)看，11日23時(shí)起水汽、動(dòng)力異常度均增大， MβCS開(kāi)始高度組織化，柳林站雨強(qiáng)逐步增大。但各物理量異常度峰值出現(xiàn)時(shí)間略有不同，水汽條件異常度峰值基本出現(xiàn)在12日05—08時(shí)，與雨強(qiáng)峰值時(shí)間對(duì)應(yīng)較好，動(dòng)力條件異常度峰值除了850 hPa垂直速度與雨強(qiáng)峰值時(shí)間一致外，其余各量較雨強(qiáng)峰值有一定滯后性。

綜上所述，物理量的顯著異常主要集中在低層，尤其是850—925 hPa渦度有強(qiáng)極端性特征，這進(jìn)一步驗(yàn)證了低層低渦和偏東急流對(duì)動(dòng)力條件和水汽條件的影響作用。各物理量異常度演變趨勢(shì)與雨強(qiáng)演變趨勢(shì)基本一致，呈先增后降的單峰型特征，其中水汽物理量及850 hPa垂直速度峰值時(shí)間與雨強(qiáng)峰值時(shí)間對(duì)應(yīng)較好，但925 hPa垂直速度、渦度及850 hPa渦度峰值較雨強(qiáng)峰值有一定滯后性。

5結(jié)論與討論

利用常規(guī)氣象觀(guān)測(cè)資料和 ERA5再分析資料，對(duì)2021年8月12日湖北省北部極端降水特征及其中尺度演變特征、環(huán)流形勢(shì)、主要影響系統(tǒng)和物理量的極端性等進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）降水自西向東發(fā)展，雨帶不同區(qū)域降水性質(zhì)有所不同：中東部以對(duì)流性降水為主，具有累計(jì)降水量大、小時(shí)雨強(qiáng)強(qiáng)、降水時(shí)段集中、極端性突出、致災(zāi)性強(qiáng)等特點(diǎn)；而西部以穩(wěn)定性降水為主，具有降水平穩(wěn)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、累計(jì)降水量大等特點(diǎn)。

（2）結(jié)構(gòu)密實(shí)、橢圓形結(jié)構(gòu)的MβCS云團(tuán)發(fā)展迅速、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、東移速度慢是造成此次極端降水的主要因素，地面強(qiáng)降水雨團(tuán)位置與對(duì)流云團(tuán)冷核西側(cè)的 TBB梯度大值區(qū)相對(duì)應(yīng)。

（3）高層南亞高壓、高空急流以及中層副高、低槽是極端降水的主要影響系統(tǒng)，而中低層切變線(xiàn)、低層低渦以及偏東急流是直接參與者。

（4）925—850 hPa低渦和偏東急流異常強(qiáng)盛且長(zhǎng)時(shí)間維持，導(dǎo)致低層形成強(qiáng)動(dòng)力輻合中心和強(qiáng)水汽輻合中心，有利于700 hPa以下上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展和維持，為極端降水提供有利的動(dòng)力和水汽條件。同時(shí)偏東急流有利于能量鋒加強(qiáng)南壓，急流與偏南氣流輻合有利于不穩(wěn)定能量積聚形成θse 高能區(qū)及低層對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)，有利于對(duì)流性強(qiáng)降水的發(fā)生和維持。

（5）925—850 hPa的渦度、垂直速度、比濕和整層可降水量均表現(xiàn)出較為異常的極端性，且其異常度演變趨勢(shì)與雨強(qiáng)演變趨勢(shì)基本一致。

在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)過(guò)程中，預(yù)報(bào)員已經(jīng)關(guān)注到切變線(xiàn)、中尺度低渦以及偏東急流的發(fā)展演變，但對(duì)降水仍存在強(qiáng)度估計(jì)不足、落區(qū)位置預(yù)報(bào)有偏差等問(wèn)題，究其原因是對(duì)這類(lèi)極端降水的發(fā)生發(fā)展機(jī)制認(rèn)識(shí)不夠。本文主要從環(huán)流背景和物理量診斷等方面對(duì)此次極端降水進(jìn)行分析，結(jié)果表明與以往常見(jiàn)暴雨過(guò)程常在中低層形成西南急流或偏南急流不同，本次過(guò)程中西南氣流明顯偏弱，水汽輸送和動(dòng)力輻合抬升與850 hPa以下低渦及其北側(cè)偏東急流的建立和發(fā)展相關(guān)。但本文對(duì)于本次過(guò)程的研究仍不夠深入全面，如雨帶不同區(qū)域降水性質(zhì)存在差異的原因，地形在MCS 組織發(fā)展過(guò)程的作用及其對(duì)降水強(qiáng)度和落區(qū)的影響，我國(guó)主流的各類(lèi)業(yè)務(wù)模式對(duì)該過(guò)程預(yù)報(bào)偏差大的原因，有待進(jìn)一步開(kāi)研究探討。

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（責(zé)任編輯唐永蘭）