2020年7月4—8日长江中游极端暴雨特征分析

黄治勇，王婧羽，周文

（1.中国气象局干部培训学院湖北分院，武汉430074；2.中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室，武汉430205）

引 言

我国将“梅雨”定义为从6月中旬到7月中旬江淮流域的雨季(Tao and Chen，1987；丁一汇等，2007)。梅雨雨季的开始也标志着北半球夏季风在东亚地区的爆发(叶笃正和黄荣辉，1996；张耀存和况雪源，2008)。我国6—7月大部分旱涝灾害是由梅雨异常引起的(Chen and Chang，1980；Fu et al.,2016a；Li et al.,2016)。关于梅雨特别是梅雨锋暴雨的研究一直备受关注。有关研究表明(陶诗言等，2001；陶诗言等，2004；倪允琪等，2004；赵思雄等，2004；Zhang et al.,2008；江丽俐等，2009；张春艳等，2012；Fu et al.,2016b)，从大尺度环流背景上看，梅雨锋雨带一般位于在副热带高压(以下简称副高)西侧或北侧边缘，而梅雨锋暴雨则发生在梅雨锋和江淮切变线附近，暴雨区水汽主要来自沿副高边缘的东南季风和来自孟加拉湾的西南季风的输送。梅雨锋暴雨发生发展过程中常伴随α中尺度低压系统(如低涡)，此类低压系统主要有两种:一是水平尺度500～1 000 km、生命史大约1 d的低压系统，这种低压常与暴雨中心相联系；二是江淮气旋，水平尺度达1 000 km以上，生命史可达数日，常引发较大范围的连续暴雨。张文建等(2004)、程明虎等(2004)、倪允琪等(2004)以及Yasunari和Miwa(2006)研究发现，梅雨锋上一些尺度为200～500 km的α中尺度对流系统(MαCS)也常引发暴雨，这些MαCS中存在20～200 km的β中尺度对流体和对流线。朱乾根等(2001)、赵思雄等(2004)、梅士龙和管兆勇(2008)、高守亭等(2008)、袁媛等(2017)对梅雨锋的研究表明，梅雨锋由假相当位温(θse)密集带构成，其在长江中下游地区一般表现为双锋梅雨锋系。梅雨锋的维持机制较为复杂，一般认为是梅雨锋锋生作用与锋前中尺度对流系统发展形成的一种正反馈过程。另外，西风带系统在向梅雨锋输送冷空气的同时，直接向锋前中尺度对流系统输送正涡度。由于梅雨形成受季风、水汽等诸多因子影响，丰梅年和少梅年大尺度环流特征、热力、动力和梅雨锋结构等方面都存在显著差异，常导致长江中下游不同地区梅雨锋降水持续时间和降水强度不一(丁一汇等，2007；杜银等，2008；王芬等，2017；赵晓琳和牛若芸，2019)。迄今为止，对梅雨锋及梅雨锋暴雨的认识还有许多不足，有待进一步加深。2020年7月4—8日，长江中游地区发生一次明显的持续性大暴雨过程，湖北和安徽两省多地累计降水量破有气象记录以来历史同期纪录。本文利用多普勒天气雷达、气象卫星、自动气象站等监测数据及NCEP再分析资料，分析了这次梅雨锋暴雨的发生发展演变过程，对中尺度系统演变和梅雨锋上温度、湿度、涡度、垂直速度等分布特征进行了探讨，以期进一步加深对梅雨锋暴雨的认识，为相关研究及暴雨预警提供参考。

1 降水实况

2020年7月4—8日，长江中游地区发生一次大范围暴雨过程。这次暴雨过程从4日凌晨自贵州东北部和湖北西部开始发生，然后向东部地区扩展，8日上午基本结束，持续时间超过4 d。其中，4日强降水主要位于贵州东北部、湖南西北部、湖北南部和东部、安徽南部和江西北部，5日和6日强降水仍在上述地区维持，且强度增大，7日雨带南移，长江中游暴雨趋于结束。从4日08时(北京时，下同)—8日08时自动气象观测站(含区域站)累计雨量分布图(图1a，见上页)上看出，湖南西北部、湖北南部和东部、安徽南部、江西北部地区4 d累计雨量普遍超过300 mm，其中湖北东部、安徽南部、江西北部的部分地区累计雨量超过450 mm，湖北东部局地累计雨量超过700 mm(黄冈市巴河站1 006.8 mm、丰山站810.8 mm，洪湖市燕窝站727.3 mm，武汉市乌龙泉站704.9 mm)。武汉区域气候中心统计资料显示，武汉、黄冈和洪湖市多年平均降水量约为1150～1 450 mm，其中6—8月降水量约占全年降雨量的40%。可见，这次持续暴雨过程具有持续时间长、覆盖范围广、暴雨落区集中、累计雨量大的特点。

图1 2020年7月4日08时—8日08时长江中游地区累积雨量(单位:mm)分布(a，其中数字1—4分别表示巴河、丰山、燕窝、乌龙泉站)，以及巴河(b1)、丰山(b2)、燕窝(b3)、乌龙泉(b4)四站逐小时雨量(单位:mm)变化Fig.1(a)Accumulated precipitation (unit: mm) in the middle reaches of the Yangtse River and the hourly rainfall (unit: mm) at (b1) Bahe, (b2) Fengshan,(b3) Yanwo and (b4) Wulongquan intensive AWSs from 08∶00 BT 4 to 08∶00 BT 8 July 2020. In (a) the numbers 1-4 mark Bahe,Fengshan, Yanwo and Wulongquan stations, respectively.

从4日08时—8日08时巴河、丰山、燕窝和乌龙泉等4站逐小时雨量分布图(图1b，见上页)上看，降水主要分为3个时段，即4日08—15时、5日05时—6日16时、7日06时—8日05时。第1时段降水强度最小、持续时间最短，第2时段降水强度最大、持续时间最长，3个时段间隔时间均不超过12 h。其中，1 h最大雨量为88.3 mm(乌龙泉站，6日05时)，3 h最大雨量为178.9 mm(燕窝站，6日01—03时)。可见，这次持续暴雨过程具有对流性特点。

2 大尺度环流形势分析

2020年7月4日20时天气图显示，200 hPa南亚高压向东伸展至105°E附近，长江中下游地区处于高空急流入口区右侧(图2)。500 hPa中高纬度维持“两槽一脊”的“Ω”型环流形势(图2a)，其中阻塞高压脊位于100°E附近，其西侧为一切断低压，东侧东西伯利亚至我国东北地区为一低压槽区，槽底以阶梯槽形式向南伸至长江中下游地区。赤道西太平洋副高控制着长江以南大部地区，其120°E高压脊线位于25°N附近。700 hPa(图2b)和850 hPa低空急流自广西北部经湖南向东北方向伸展至长江沿线，在低空急流左侧和北侧有一条切变线位于贵州东北部、湖南北部、湖北中部、安徽南部和江苏中部。地面图上(图略)，自西南地区向东北延伸的暖低压与华北地区高压之间形成的准静止锋位于长江江南沿江地区。

从天气系统演变上看(图2c—h)，500 hPa中高纬度“Ω”型环流形势始终维持，副高588 dagpm线虽有所东缩，但120°E高压脊线位置维持在21°—23°N；700 hPa和850 hPa切变线位置基本未动，地面准静止锋南北摆动幅度不超过100 km。在此期间，500 hPa东北地区低槽连续多次分裂出小槽向南移动至长江沿线，伴随低空急流每一次增强，对应长江中游地区暴发一次暴雨。7日08时，500 hPa阻塞高压脊崩溃，副高东移南退，长江中游地区暴雨逐渐结束。

图2 2020年7月4日20时(a,b)、5日20时(c,d)、6日20时(e,f)、7日20时(g,h)的天气影响系统(a、c、e、g)与700 hPa水平风场(b、d、f、h)图a、c、e、g中，实线为500 hPa位势高度，单位:gpm；填色区为200 hPa风速，单位:m·s-1；风向杆为850 hPa风速大于等于12 m·s-1风场。图中上下两条绿色实线分别表示黄河和长江Fig.2(a,c,e,g)Configuration of main synoptic systemsand(b,d,f,h)horizontal wind field at 700 hPaat(a,b)20∶00 BT 4,(c,d)20∶00 BT 5,(e,f)20∶00 BT 6 and(g,h)20∶00 BT 7 July 2020.In(a),(c),(e)and(g),solid linesdenotegeopotential height(unit:gpm)at 500 hPa,color-filled areasdenotewind speed(unit:m·s-1)at 200 hPa,wind barbsdenotethe850 hPawind that isgreater than or equal to12 m·s-1.Thesolid green linesin all figuresmark the Yangtze River and the Yellow River.

综上分析表明，这次持续暴雨是在500 hPa中高纬度“Ω”型环流和低纬度副高稳定的大尺度环流背景下发生的；长江中游地区正好处于200 hPa高空急流出口区右侧、500 hPa副高北侧、700 hPa和850 hPa低空急流出口区左侧以及地面准静止锋附近。

3 中尺度对流系统的演变特征

分析此次暴雨过程前后FY-2卫星红外云图演变可知(图略)，7月4—8日在长江中下游地区沿江淮切变线维持一条近东西向云带，其中有多个不均匀对流云团自西向东移动。从对应的华中区域多普勒天气雷达回波演变看，一条混合型带状回波随云团移动。选取上述4站雨强最大时段的组合反射率因子图分析梅雨锋云系中的对流演变特点，具体选取7月6日01—06时华中区域雷达网组合反射率因子拼图(图3)。

从图3中可见，降水回波呈带状分布，自西向东移动，南北摆动幅度很小，且强度超过30 dBz的回波南北宽度最窄处仅约100 km、最宽处不到300 km，而强度超过35 dBz的回波南北宽度更小，这也是暴雨带很窄的主要原因。带状回波中有多个对流单体，移动速度缓慢，形成“列车效应”，使得鄂东地区连续出现大暴雨甚至特大暴雨。

图3 2020年7月6日01∶00(a)、02∶00(b)、03∶00(c)、04∶00(d)、05∶00(e)、06∶00(f)华中区域雷达回波组合反射率因子拼图(单位:dBz)Fig.3 Radar mosaic of compositereflectivity factor(unit:dBz)in central Chinaat(a)01∶00 BT,(b)02∶00 BT,(c)03∶00 BT,(d)04∶00 BT,(e)05∶00 BTand(f)06∶00 BTon 6 July 2020.

图4给出7月6日01—06时沿燕窝站(113.98°E，30.09°N)、乌 龙 泉 站(114.32°E，30.26°N)、巴 河 站(115.02°E，30.43°N)、丰山站(115.39°E，30.65°N)距离最近的直线(图4a)所作的雷达回波组合反射率垂直剖面图。从中看到，6日01时(图4b)，这条直线(代表暴雨中心区域)上空在0℃层以下出现多个强度为30～35 dBz的回波单体，燕窝站附近弱回波高度超过18 km，其它三站附近弱回波高度约为12 km。02—03时(图4c、d)，暴雨中心上空雷达回波反射率垂直分布结构与01时基本相似，只是在乌龙泉站和丰山站附近2—4 km高度层分别出现45 dBz以上强回波。04时(图4e)，暴雨中心上空6 km及以下回波强度明显增大，燕窝站、乌龙泉站和丰山站附近都出现了45 dBz以上强回波，其中丰山站附近2 km以下层出现超过50 dBz强回波。从回波顶高上看，04时超过30 dBz强回波在8～10 km，弱回波顶高普遍都在14～16 km，乌龙泉站附近弱回波顶高超过了18 km。05—06时(图4f、g)，这种回波顶高、强度大、质心低的状态一直维持。

图4 2020年7月6日04时华中区域雷达组合反射率因子(a)以及当日01时(b)、02时(c)、03时(d)、04时(e)、05时(f)和06时(g)沿图a中黑色实线的反射率因子垂直剖面图图a中的黑色实线为距离燕窝站(A)、乌龙泉站(B)、巴河站(C)和丰山站(D)最近的线段Fig.4(a)Radar composite reflectivity factor (unit: dBz) in central China at 04∶00 BT on 6 July 2020, and vertical cross sections of reflectivity factor(unit: dBz) along the black solid line in (a) at (b) 01∶00 BT, (c) 02:00 BT, (d) 03∶00 BT, (e) 04∶00 BT, (f) 05∶00 BT and (g) 06∶00 BT at the same day.The black solid line in (a) is the nearest one to Yanwu station (A), Wulongquan station (B), Bahe station (C) and Fengshan station (D).

4 梅雨锋特征

为了分析梅雨锋内的温度、湿度、风、假相当位温(θse)等气象要素的分布特征，以最强降水时段内的5日20时和6日02、08和14时为代表，沿暴雨中心所在地巴河站(115.02°E，30.43°N)附近，采用NCEP 1°×1°再分析资料，分别作经向和纬向剖面图。由于这次梅雨锋暴雨带呈东西走向，纬向剖面图体现的是梅雨锋内气象要素特征。根据该站逐小时降水量分布，分别以5日20时代表梅雨锋暴雨初期、6日02时代表梅雨锋暴雨爆发期、6日08时代表梅雨锋暴雨强盛期、6日14时代表梅雨锋暴雨减弱期。

4.1 不稳定和“干侵入”

为了分析此次暴雨过程中梅雨锋内温湿特征及大气层结状态，以巴河站(115.02°E，30.43°N)为代表，沿115°E经向作风、假相当位温和相对湿度的垂直剖面见图5。从中可见，7月5日20时(图5a)，巴河站(30°N)上空850 hPa以下层θse随高度增加而明显减小，850 hPa以上层θse随高度增加而基本不变，这说明对流层低层大气层结处于不稳定状态。6日02时(图5b)和08时(图5c)，即暴雨爆发期和强盛期，30°N上空θse垂直分布演变显示，不稳定大气层厚度明显增加，600 hPa以下层大气层结处于不稳定状态。到6日14时(图5d)，即暴雨减弱期，不稳定大气层厚度再次减小至800 hPa层以下。

图5 2020年7月5日20时(a)和6日02时(b)、08时(c)、14时(d)沿115°E的经向风(填色区，单位:m·s-1)、假相当位温(黑色实线，单位:K)和相对湿度(绿色实线，单位:%)经向剖面图(箭头表示干侵入)Fig.5 Meridional cross section of radial wind(unit:m·s-1),pseudo-equivalent potential temperature(unit:K)and relativehumidity(unit:%)along 115°Eat(a)20∶00 BT 5 and(b)02∶00 BT,(c)08∶00 BTand(d)14∶00 BT 6 July 2020.Downward hollow arrowsdenotedry air intrusion.

另从巴河站(30°N)附近θse密集区即梅雨锋区演变看，5日20时暴雨初期，θse密集区呈近垂直分布，且θse差16℃，说明梅雨锋区非常明显，巴河站处于θse密集区南侧的大值区中。随着巴河站暴雨爆发(6日02时)到暴雨减弱(6日14时)，θse密集区始终维持垂直分布，并逐渐向南移动，但θse差维持在约16℃，且暴雨中心始终处于θse密集区南侧的大值区中。

从相对湿度演变看，自巴河站(30°N)上空对流层内相对湿度始终维持在约90%，表现为明显的“高湿”特征。另从南北向风速与相对湿度的综合演变看，35°N以北自对流层顶有干冷空气向南侵入至梅雨锋附近，“干侵入”特征十分明显。同时，南北向风速分布在整个暴雨过程中，巴河站上空处于南风和北风的过渡带，其南部为南风，北侧为北风，其中最大南风风速超过12 m·s-1，说明对流层低层有明显偏南风急流，而梅雨锋锋区内，风速仅为0～2 m·s-1。

从7月5—6日不同时刻沿30°N的纬向风、假相当位温、相对湿度纬向剖面图上可见(图略)，5日20时巴河站(115°E)上空750 hPa以下层θse随高度增加而略微减小，700 hPa以上层θse随高度增加而基本不变，这说明对流层低层大气层结处于弱不稳定状态或中性状态。从6日02、08、24时115°E上空θse垂直分布演变看，这种对流层低层θse随高度增加而略微减小、对流层中上层θse随高度增加而基本不变的状态始终维持，大气层结不稳定区处于暴雨中心的东侧边缘，说明这种纬向梅雨锋内大气层结处于弱不稳定或中性状态。

另从115°E附近θse密集区即梅雨锋区演变看，5日20时和6日02时即暴雨初期及爆发期，115°E附近θse梯度仅为4℃，说明梅雨锋区并不明显。而从暴雨强盛期开始到暴雨减弱期即6日00—24时，θse变得更为密集，梯度增大到12℃，密集区主要位于800—700 hPa层，且呈垂直状态，说明纬向梅雨锋从建立到稳定维持，梅雨锋区内纬向θse梯度经历了逐渐加强的过程。

从相对湿度分布演变上看，自105°—130°E附近600 hPa以下层相对湿度始终维持在约90%，体现出明显的“高湿”特征。这种梅雨锋内自东向西相对湿度“高湿”分布特征正好与这次暴雨过程中梅雨锋呈纬向分布相一致。另外，从东西向风速与相对湿度的综合演变看，从暴雨开始到减弱过程中并没有“干侵入”特征，这是因为此次暴雨过程中梅雨锋呈纬向分布，干冷气流主要是自北向南侵入。

4.2 散度、涡度和垂直速度

图6给出7月5—6日不同时刻过巴河站附近沿30°N的散度、垂直速度、涡度纬向剖面图。从中看到，暴雨初期(图6a)，巴河站上空700 hPa以下层存在辐合，最大辐合中心位于950—900 hPa，强度约-1×10-5s-1，700 hPa以上层为辐散，最大强度接近3×10-5s-1；上升运动几乎为0。主要的低层辐合、高层辐散与上升运动区位于巴河站西侧1～2经距，此时暴雨主要发生在贵州北部和鄂西。另外，在500 hPa以下层存在在正涡度，最大正涡度中心位于600 hPa层，强度约4×10-5s-1。从6日02时开始(图6b)，巴河站上空低层辐合和高层辐散均明显增强，辐合层高度明显上升，垂直速度也增大至-2 Pa·s-1，巴河站暴雨开始爆发。到6日08时即巴河站暴雨进入强盛期(图7c)，辐合层高度达到400 hPa、强度超过-5×10-5s-1，高层辐散强度超过5×10-5s-1，垂直速度超过-16 Pa·s-1，且出现一个非常明显正涡度柱向上伸展至300 hPa，这说明在梅雨锋暴雨期间存在正涡度向锋前输送。6日14时(图6d)，这种低层强烈辐合、高层强烈辐散的状态仍维持，但位置移至115°E以东，正涡度柱也移至115°E以东，巴河站降水开始减弱。由不同时刻沿115°E过巴河站附近的散度和垂直速度经向剖面图(图略)可知，这次暴雨过程中，暴雨中心巴河站上空经历了低层辐合、高层辐散与垂直速度由弱增强的过程。最后，随着上升运动中心南移，巴河站降水减弱。

图6 2020年7月5日20时(a)和6日02时(b)、08时(c)、14时(d)沿30°N的散度(填色区，单位:10-5 s-1)、垂直速度(黑色长虚线，单位:Pa·s-1)和涡度(蓝色实线，单位:10-5 s-1)纬向剖面图(其中左下方的空白区为地形遮蔽区)Fig.6 Zonal crosssection of divergence(color-filled areas,unit:10-5 s-1),vertical wind speed(black dashed lines,unit:Pa·s-1)and vorticity(blue solid lines,unit:10-5 s-1)along30°Nat(a)20∶00 BT 5 and(b)02∶00 BT,(c)08∶00 BTand(d)14∶00 BT 6 July 2020.The blank areas at the bottom left in the figures are the masked terrain areas.

4.3 温度和比湿

图7为此次暴雨强盛期的7月6日08时分别沿30°N和115°E过巴河站附近所作的温度和比湿纬向和经向垂直剖面图。图7a显示，在105°—120°E之间(正好是梅雨带所在位置)，700 hPa以下层温度水平梯度非常小，这说明对流层低层水平温度梯度非常弱或几近消失。但在115°E及其西侧1～2个经度范围内的1 000—950 hPa层温度较东西两侧温度低，说明梅雨锋区低层存在一个相对低温区。从图7b上能更清楚看到这一特征，30°N上空900—600 hPa层温度水平梯度接近于0，而1 000—900 hPa层温度较南北两侧低2～4℃。可见，梅雨锋的对流层低层跨越梅雨锋的水平温度梯度非常小，且梅雨锋区低层存在一相对低温区。另外，从图7a可知，在105°—120°E之间的对流层低层，存在一定的比湿水平梯度，尤其以850 hPa以下层更明显，其中950 hPa以下层比湿较105°E附近大10 g·kg-1。从梅雨锋南北两侧的比湿大小对比来看(图7b)，梅雨锋附近(30°N附近)自500 hPa以下层均存在一定的比湿水平梯度，且越到底层比湿水平梯度。相对而言，梅雨锋北侧的比湿水平梯度更明显，950 hPa以下层比湿差超过16 g·kg-1；南侧在850 hPa以下层比湿水平梯度很小，接近于0，但850 hPa以上层比湿差也有4～6 g·kg-1。这说明此次暴雨过程中，梅雨锋的对流层低层跨越梅雨锋的水平温度梯度非常小，但是存在一定水平比湿梯度，且梅雨锋北侧的水平比湿梯度比较大。

5 结论与讨论

2020年7月4—8日长江中游持续大暴雨过程是在500 hPa中高纬度为稳定的“Ω”型环流形势背景下发生的，具有持续时间长、覆盖范围广、暴雨落区集中、累积雨量大、对流性强等特点。本文利用多普勒天气雷达、气象卫星、自动气象站等监测数据及NCEP再分析资料，分析了其演变特点和梅雨锋上的物理量特征，得到如下结论：

(1)近东西向云带在长江中下游地区稳定维持，混合型带状回波随云带上多个对流云团东移是这次持续大暴雨过程形成的直接原因。强度超过30 dBz的强回波带南北宽度仅约100～300 km，南北摆动幅度很小，对流单体回波顶高、强度大、质心低以及“列车效应”等原因，使得暴雨落区集中且强度大。

(2)这次暴雨过程中梅雨锋自下而上接近垂直状态，暴雨中心上空表现出明显的高温高湿特征。梅雨锋内对流层低层特别是850 hPa以下层大气层结不稳定，且不稳定层结高度与暴雨强度存在一定的对应关系。在35°N以北自对流层顶有干冷空气向南侵入到梅雨锋附近，“干侵入”特征十分明显。

(3)这次暴雨过程中，暴雨中心上空经历了低层辐合、高层辐散及垂直速度由弱增强的过程，且有正涡度向梅雨锋前输送。另外，暴雨中心处于对流层中低层南风和北风的过渡带，在其南部有明显偏南风急流。梅雨锋锋区内低层风速仅为0～2 m·s-1。

(4)梅雨锋的对流层低层跨越梅雨锋的水平温度梯度非常小，且梅雨锋区低层存在一相对低温区。但是梅雨锋附近存在一定水平比湿梯度，且梅雨锋北侧的水平比湿梯度比较大。

本文对2020年7月4—8日长江中游暴雨过程的梅雨锋特征的分析表明，此次暴雨发生在500 hPa中高纬度稳定的“Ω”型环流形势下，对流单体回波顶高、强度大、质心低以及“列车效应”是此次过程暴雨强度大的重要原因。与以往大多数梅雨锋暴雨不同的是，此次暴雨过程中梅雨锋锋区接近垂直状态，锋区内大气不稳定层结位于850 hPa层以下，并有正涡度向梅雨锋锋前输送。然而，关于此次过程，仍有一些问题有待深入分析，如对于引发此次持续大暴雨过程的中尺度对流系统的触发机制、大别山地形对暴雨发生发展的作用以及与非典型梅雨锋暴雨(如“98·7”长江流域暴雨)发生发展机制的异同等，这将成为下一步相关工作的重点研究内容。