梅雨锋是影响我国南方地区的重要天气系统，它的形成和发展是多尺度系统相配合的条件下产生的，但直接造成暴雨甚至大暴雨的多是中尺度对流云团[1]。因此，对于梅雨锋特征分析、多尺度特征及其降雨研究一直是广大气象学者所关心的问题[2-7]。郑永光在研究中认为，梅雨锋结构的多样性是由于高、低纬度不同尺度的环流系统共同作用下造成的[5]。赵思雄等在对长江流域梅雨锋暴雨机理的分析研究中指出，无论在垂直剖面上还是在水平剖面上，都是按等假相当位温密集带来定义梅雨锋[8]。张小玲[9]的研究表明，梅雨锋主要表现为湿度锋或θse锋，降水主要发生在锋区的南侧，同时梅雨锋区内及锋区两侧垂直环流的加强和高低空急流耦合，对降水的加强有利[10]。总体来说，对于大范围的梅雨锋暴雨天气出现的环流形势、影响因子已经有了很多较为系统的认识，但对于短时暴雨[11](50 mm/6h以上)的研究不多。
本文使用常规观测资料，FY2E卫星TBB资料以及FNL1°×1°再分析资料重点分析短时暴雨出现前后的中尺度云团特征、水汽条件、锋面以及动力特征，试图找出梅雨锋短时暴雨加强的系统特征和影响因子。
2014年6月20日08:00至21日08:00(北京时)赣北、赣北中部出现一次较强的暴雨过程。从24 h降水量分布图中(图略)可看到，整个雨带呈西南—东北走向且范围较为宽广，位于副热带高压5 840 gpm附近(叠加584线)，100 mm以上的降水主要集中在宜春东北部、南昌、上饶北部、景德镇，最强的降水中心为丰城站，达到190.2 mm。从逐6 h降水量分布图(图1)来看，整个雨带位置基本维持不动，从强度来看，21日02:00-08:00时降水强度最强，个别站点(丰城)超过100 mm，小时雨强最大达到56.9 mm(新建)。总之，这次降水过程是梅雨锋上对流性暴雨。
图1 2014年6月20日08:00至21日08:00逐6 h降水量图
这次江西省暴雨强对流天气过程是在有利的环流背景和环境条件下发生的。在500 hPa上(图略)欧亚地区大尺度和天气尺度环流背景呈现出典型的江西暴雨环流特征：1)低纬度西太平洋副热带高压呈带状分布，脊线位置位于21°N附近，西脊点位于122°E左右；2)中高纬呈“两槽一脊”形势，在贝湖的北侧有阻高稳定维持，在其南侧有一切断低涡(中心位于47°N，111°E)，其后部不断有冷空气南下至长江中下游地区；3)中纬地区有短波槽活动，短波槽东移到梅雨锋上空产生扰动，为短时暴雨的发生提空了有利的动力条件。850 hPa上(图略)，西太平洋副热带高压西北侧强盛的西南暖湿气流与低涡后部的偏北气流在江西省的赣北成西南—东北向交汇、对峙，形成强的切变线，产生稳定的梅雨锋辐合带，暴雨位于切变线附近。200 hPa上(图略)，南亚高压加强西伸，主体呈东西向，在东段分裂成多个小高压中心，赣北正处于小高压中心北部高空急流的分流区，其强烈的辐散场为这次暴雨过程提供了有利的高空疏散条件。由此可见，梅雨锋大暴雨发生在各层各系统配合下的有利环境场内，具有典型的梅雨锋环流特征。
2.1 水汽条件分析
充足的水汽供应是暴雨发生的重要物理条件，大气中的水汽大部分集中在对流层低层，水汽通过边界层输送，向暴雨区辐合，给暴雨区提供充足的水汽。水汽通量能反映水汽的传输路径和大小，在21日02:00(图2a)暴雨加强时段，孟加拉湾的低值系统已经非常完整，其东部的气流分两支进入我国，一条向东与南海的偏南风汇合北上，一支向东由中南半岛转为西南风流入江西省，两支水汽通道进入江西省后形成东北—西南走向，宽广连续的水汽通量辐合带，中心最大值>20 g·cm-1·hPa-1，超过江西区域暴雨的阈值，水汽通量大值带位于暴雨带的南侧。在20日14:00、20:00(图略)，水汽源单一，以孟加拉湾的西南风输送为主，南海的水汽供应表现较弱，几乎没有；且呈现多个大值中心，与降水的集中区域没有较好的对应关系。
图2 6月 21日02:00时850 hPa水汽通量、850 hPa水汽通量散度图
对比20日08:00至21日08:00逐6 h的水汽通量散度分布发现，在21日02:00之前江西省都存在多个分散的大值中心，中心最大值为-0.6×10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1；02:00(图2(b))西南急流的加强以及低涡后部甩下的冷空气也明显加强，两者在江西省北部对峙，形成明显的水汽通量辐合带，且中心最大值为-0.8×10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1，与暴雨带中镶嵌的大暴雨带基本重合。从图2(c)给出20日08:00至21日14:00水汽通量散度沿28°N纬向-时间分布来看，116°E附近的水汽通量散度在21日02:00之前对应的值都在-0.2～ -0.4×10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1对应的降水都较小，而在02:00至08:00之间的存在一个水汽通量散度中心，大小为-0.6×10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1，其对应位置出现了了6 h降水量大于100 mm的中心，即水汽辐合中心大值出现时间与最强暴雨时段对应。
分析水汽通量和水汽通量散度表明，02:00之前暴雨区的水汽主要以西南风的形式，由印度夏季风向江西省输送；02:00之后，水汽是由南海夏季风和印度夏季风向北输送，在江西省汇合成东北—西南带状，比02:00之前的水汽源要多。水汽通量散度大值区也由分散性分布转为系统性的带状分布，强度也更强。因此，更加充沛的水汽条件是02:00之后暴雨加强的重要原因之一。
2.2 梅雨锋分析
梅雨锋的概念是冷暖空气的对峙，是暖湿空气北上与北方相对冷的气团之间的交界面。从图3(a)，20日08:00至21日08:00逐6 h平均场的经向剖面来看，此次过程是经典的能量、湿度锋区。锋区在θse等值线的密集区，从近地面伸至400 hPa的锋线近乎平行并向北倾斜，与之配合的高比湿舌伸至400 hPa，湿层深厚；并在400 hPa以下紧靠锋区的南部，高θse舌和高比湿舌相重合，θse等值线呈漏斗状向下伸展，而在低层600 hPa以下θse等值线呈向上凸的舌状，θse随高度减小具有对流不稳定性，表明中低层暖湿空气活跃，有暖湿气流输送；同时高比湿舌、锋区的北部600 hPa附近有θse的低值区，而且比湿在这一区域呈漏斗状向下伸展，表明这一区域为强的干冷空气所控制。暖湿与干冷空气之间的对峙，使得锋区得以维持。
图3 假相当位温(实线:℃)、比湿(阴影:g·kg-1)、温度(虚线:℃)沿116°E的经向剖面图
从逐6 h单个时次场来看(图略)，在低空，锋区的强度和范围的发展都差不多；而在高空却出现了明显的差异，在强降水时段21日02:00至08:00(图3(b))，由于高空低槽东移叠置在低层锋区上加剧了高空锋区发展，使得等θse线向北倾斜贯穿整个对流层的锋区，形成等θse线密集带，大气的斜压性增加，锋生更为强烈，并且伴随着降水的加强；除此之外，从图3中等温线的分布来看，在02:00时28°N附近的近地面层出现了弱的冷温槽，这表明在近地面层有浅薄的冷空气向南侵入暖区，促使锋区南侧的暖湿空气抬升，加剧了不稳定能量的释放，使得这一时刻降水的对流性明显的加强，出现了56.9 mm/h的短时强降水。
2.3 上升运动与经向环流
从逐6 h沿116°E过暴雨区的垂直速度和经向风的经向剖面图(图略)来看，在20日14:00在28°N上空有一上升运动区，垂直伸展到400 hPa,中心最大为-2.0 hPa·s-1，但对应的v分量只有6 m/s，且>4 m/s的偏南风速区分布600 hPa以下；到20日20:00，在28°N南北各分布一个上升运动区，28°N上空为弱的下沉区，对应的v分量为4 m/s；直到21日02:00(图4)，也就是降水开始加强的时刻，在28°N附近出现了上下一致的上升运动区，垂直伸展到200 hPa附近，在700 hPa和300 hPa各出现了一个大值区，分别为-1.2 hPa·s-1和-0.8 hPa·s-1；对应的v分量也相对深厚，>4 m/s的偏南风速区分布在300 hPa以下,中心最大值为12 m/s，在28°N附近急流前端存在明显的风速辐合。
图4 2014年6月21日02:00垂直速度(虚线:hPa·s-1)和v分量(实线:m·s-1)沿116°E的经向剖面
值得注意的是在图4中还可以发现在31°N附近存在下沉运动区，中心值为0.6 hPa·s-1，伸展高度在700 hPa左右；与之配合的v分量也有一个小于0 m/s的大值区，中心位于32°N，值为-8 m/s，向南侵入到29°N，这样在29°N形成一个v分量的密集带，并向北倾斜，表明着冷暖空气在此强烈交绥。从上升运动和v分量的分布来看，暖湿气流在28°N上升，经偏南气流带到31°N附近下沉，再经偏北气流在28°N汇合，即上升气流与其北侧的下沉气流构成次级环流圈。对应此时(图略)在低层，受次级环流下方支的驱动，气流由四周向暴雨区汇合，辐合力量进一步加强，出现了值为-6×10-5 s-1的中心；在高层，受次级环流上方支的驱动，气流由暴雨区向外辐散，200 hPa出现了8×10-5 s-1的强辐散中心。由此可以看出，暴雨区次级环流的存在与高空强辐散、低空强辐合相互耦合，对降水的维持和加强起到了重要的作用。
2.4 地面中尺度辐合特征
梅雨锋短时暴雨，发生在有利的天气尺度背景条件下，一般地面中小尺度系统起了关键作用。区域站数据的高时空分辨率为分析地面中小尺度系统提供了良好的数据支撑。
区域站数据显示，20日20:00(图5(a))在江西中部以南吹偏南风，在江西北部为偏北风，在吉安中西部形成辐合中心并有一条水平尺度为150 km的中β尺度的辐合线相配合，其南侧出现1个中尺度雨团(由一些小尺度的对流性降水细胞所组成的雨团，雨强大于10 mm·h-1)；21日00:00(图5(b))偏南气流北推，形成2个辐合中心，其北侧的偏北风加强，南侧的流线变得更加密集，对应的地面辐合抬升增强，气流的气旋性曲率也明显的加强，此时南侧对应的降水增大；02:00(图5(c))偏北侧的辐合中心消失，偏南侧的则东北移动至南昌南部，中心南侧的偏南风略有减小，降水类型由之前的梅雨锋前暖区降水转变为梅雨锋面降水，降水量明显增大，降水区域由辐合中心南侧转到北侧，和梅雨锋的走向一致；在随后时次内(图5(d))，均表现为辐合中心缓慢地东北移动，降水区域呈带状分布在辐合中心的北侧且小时雨强都较大。以上分析表明，降水类型由梅雨锋前暖区降水转变为梅雨锋面降水造成雨强增大，辐合中心的沿同一方向缓慢移动是累计降水较大的重要原因。
图5 2014年6月20-21日流场(流线)和对应时间后1 h降水(阴影:mm)
3.1 MCS云团TBB云图特征
黑体亮度温度(TBB)是监测大气对流活动的有效手段，通常TBB越低则对流活动越旺盛，也可能产生较强的降水。图6(a)是2014年6月20日20:00 TBB分布，从中可以看出吉安西部、萍乡南部有一α中尺度的对流云团，其中心最低温度达到-70 ℃，其长轴为南北走向，中心附近对应位置(莲花)出现30.2 mm/h的短时强降水。20日20:00-21日00:00云团继续东移至赣中地区，中心强度有所减弱，小于-60 ℃的冷云区范围减小图6(b)，但整个<-32 ℃的范围明显增大，其长轴变为西北—东南走向，并在南昌市北部有一中β尺度的云团生成。01:00(图略)中尺度云团南侧不断有更小尺度的云团生成，其北部云团东移发展成熟，中心TBB值小于-60 ℃，存在冷云区。02:00图6(c)可以清楚地看到云团中最低TBB值<-70 ℃，表明此时对流发展非常旺盛；并与北侧的中β云团合并，冷云区的范围扩大，长轴方向为东北—西南走向，与梅雨锋的走向一致。随后在03:00与04:00冷云区的面积达到最大(图略)，并且在西南部边缘与西北部边缘TBB梯度大值区出现小时雨强大于50 mm的强降水，使得此后移动路径上的区域成为全省的降水中心。21日08:00中尺度云团移出江西省，降水暂时减弱(图6(d))。结合小时雨强R≥25 mm的站点数分布(图7)来看，TBB值较低，小于-60 ℃的冷雨区面积增大(如21日02:00-04:00时)，短时强降雨站数也明显增加，而冷云区面积较小的时段(如20日20:00至21日01:00)，短时强降雨的站数也很少。这表明短时强降雨与对流云团的发展旺盛程度有着密切关系，通常来说冷云区面积扩大、TBB值降低对应着较大范围的短时强降雨，另外TBB梯度大值区易出强度大的短时强降水。
图6 2014年6月20-21日TBB云图(阴影:℃)
图7 6月20日20:00-21日08:00小时雨强 ≥25 mm的站数分布
3.2 MCS云团天气雷达回波特征
暴雨是各种尺度天气系统相互作用的产物，TBB云图上造成这次暴雨的MCS属于α中尺度系统，而多普勒雷达监测到MCS内部的各种β中尺度系统，更能细致地反映MCS的内部结构。
利用多普勒雷达组合拼图资料(图8)对MCS在雷达回波上的特征分析后发现，梅雨锋雨带上为对流和层状混合性的降水回波，对流回波镶嵌在层状回波之中，并未呈现出明显的线状MCS组织化特征，在水平上向上具有明显的多尺度结构特征。
详细分析MCS活动期间的雷达回波特征发现:在第1阶段(图8(a))，MCS降雨回波开始影响赣西，主体呈东北-西南走向，强回波块或带水平分布较为松散，表现为尺度小的强回波体嵌套在尺度大的回波块中，强回波单体沿着平均承载气流向东北方向移动。第2阶段(图8(b)和图8(c))，MCS降水回波移到逐渐与北部相对较弱的回波块结合，并在其南部,切变线南侧的西南急流中不断有尺度较小的对流单体回波生成发展并入主体回波之中，排列成线状，因此南北范围增大，演变成东北东—西南西方向，水平分布也相对集中，组织化结构增强，仍表现为明显的多尺度特征；在线状回波经过的区域，形成短时强降水中心或强降水带。第3阶段(图8(d))，MCS降水回波主体已移至赣东北地区，较之前阶段回波主体南压，表明冷空气南下，切变线南推；回波结构变得更为松散，未出现尺度较大、结构密实的回波块或回波带。由此可见，梅雨锋上MCS在雷达回波上的水平组织结构特征与其在TBB云图上的结构特征存在较大的差异，强回波单体几乎重复沿着相同路径向东北方向移动，因此在移动路径上造成“列车效应”，另外降雨回波上出现的尺度较小的块状回波排列成线状后，给经过的区域造成强的短时强降水。
通过对2014年6月20-21日江西北部短时暴雨的诊断分析和特征分析，得出以下结论。
1)强盛的西南气流与低涡后部甩下的偏北气流在江西北部对峙是造成暴雨带稳定的原因之一。从孟加拉湾、南海的水汽通道，为江西短时暴雨提供了源源不断的水汽条件和不稳定能量，充足的水汽供应、强热力不稳定及强辐合上升运动为短时暴雨的产生提供了良好的环境场条件。实况表明强水汽通量辐合带与暴雨带的位置重合。
图8 2014年6月20-21日组合反色率拼图(阴影:dBz)
2)高空短波槽东移加剧了高空锋区的发展，使得锋生更为明显，深厚的上升运动、偏南气流和强垂直正环流，对低层及近地面的辐合及降水的维持和加强非常有利；近地面层冷空气的楔入，增强了不稳定能量的释放，使短时暴雨区中对流性加强，暴雨发生在高θse舌和高比湿舌的南侧；降水性质转为锋面降水，使得小时雨强加大。
3)MCS云团是造成江西北部短时暴雨的中尺度系统，TBB云图上强梯度带对短时强降水的出现具有较好的指示意义。
4)“列车效应”是造成累计降水量增大的重要原因，尺度小的块状回波排列成线状后带来强短时强降水。
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Diagnostic and Characteristics Analysis of Short-TimeSevere Torrential Rain on Meiyu Front
ZHOU Junhui1，ZHENG Jiangwei2，WANG Xuan2
(1.ERDMO of Jiangxi Meteorological Bureau,330046,Nanchang,PRC;2.Yingtan Meteorological Bureau of Jiangxi,335000,Yingtan,Jiangxi,PRC)
Abstract：By using routine observational data,radar data, satellite data,NCEP FNL(1°×1°)reanalysis data,the severe rainstorm process which happened during 20-21 June 2014 was analyzed in this paper.The results show that:1)The north air flow behind the low-vortex which stands facing the strong south-west air flow in the south causes the rainstorm belt maintain over the northern part of Jiangxi.Sufficient water vapor supply,strong thermal instability and strong converging ascending are the environmental characteristics of severe rainstorm;2)The water vapor channel from the Bay of Bengal and South China Sea provides steady water vapor and unstable energy.The position of the vapor convergence belt coincides with the rainstorm belt;3)The rainstorm area is in the south of the highθse tongue and the high specific humidity tongue.The eastward movement of the short wave trough at high altitude enhances the development of upper air front zone with causing the obvious frontogenesis.The incursion of the cold air in the surface intensifies both the release of instability energy and enhances the convection of the rainstorm area;4)The deep ascending motion and the strong vertical circulation quite favor the maintenance and strengthening of the lower level convergence and the precipitation;5)The strong gradient of MCS on the TBB is consistent with s the short-time rainstorm belt;6)Then “train effect” on the radar mosaic is the most important reason of more accumulated rainfall.The generation of line convective echo has good indication for local strong the short-time rainstorm.
Key words：short-time rainstorm;water vapor channe;frontogenesis;vertical circulation
收稿日期：2016-07-25;
修订日期：2016-09-05
作者简介：周军辉(1990-)，男，本科，助理工程师，从事天气预报技术研究。
基金项目：江西省气象局预报员专项《“2013.6.26-29”连续暴雨过程综合分析》。
doi：10.13990/j.issn1001-3679.2016.05.024
中图分类号：P458.1+21.1
文献标识码：A
文章编号：1001-3679(2016)05-670-08
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