2020年8月黃河下游大暴雨過程中尺度特征分析

李姝霞 王其英 冀翠華 梁鈺

摘 要：利用常規(guī)觀測資料、區(qū)域自動站分鐘和小時(shí)資料、NCEP（美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心）1°×1°再分析資料及衛(wèi)星云圖資料等，對2020年8月3—4日黃河下游一次大暴雨過程的大尺度環(huán)流背景、環(huán)境場、觸發(fā)機(jī)制和中尺度系統(tǒng)等進(jìn)行分析。結(jié)果表明：臺風(fēng)登陸、副熱帶高壓邊緣暖濕氣流加強(qiáng)和冷空氣影響是產(chǎn)生大暴雨的有利環(huán)境場;β中尺度對流系統(tǒng)（MβCS）的形成和維持是造成強(qiáng)降雨的直接原因;強(qiáng)降雨第一階段上升運(yùn)動中心在中高層，是由云體范圍大而孤立的MβCS造成的，地面輻合線、低層冷空氣提供了觸發(fā)機(jī)制，水汽主要來源于副熱帶高壓邊緣和東南沿海;第二階段上升運(yùn)動中心在中低層，徑向垂直環(huán)流的形成使上升運(yùn)動持續(xù)發(fā)展，強(qiáng)降雨是由多個對流云團(tuán)合并而成的MβCS造成的，TBB（云頂亮溫）梯度大，地面輻合線、風(fēng)切變提供了觸發(fā)機(jī)制，水汽主要來源于東南沿海。

關(guān)鍵詞：大暴雨;環(huán)境條件;中尺度對流系統(tǒng);觸發(fā)機(jī)制;黃河下游

中圖分類號：P458.1+21.1;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.005

引用格式：李姝霞，王其英，冀翠華，等.2020年8月黃河下游大暴雨過程中尺度特征分析[J].人民黃河，2021，43（9）：25-31，37.

Analysis of the Mesoscale Characteristics of Heavy Rainstorm Process in the Lower Yellow River in August 2020

LI Shuxia1，2， WANG Qiying1，2， JI Cuihua1，2， LIANG Yu3

（1.Kaifeng Key Laboratory of Meteorological Disaster Prevention and Mitigation， Kaifeng 475000， China;

2.Kaifeng Meteorological Bureau， Kaifeng 475000， China;

3.Henan Meteorological Observatory， Zhengzhou 450003， China）

Abstract： The large-scale circulation background， ambient field， triggering mechanism and mesoscale system of a severe torrential rainfall process with localized extremely severe rainstorm which occurred in the lower Yellow River during 3-4 August 2020 were analyzed in this paper based on the conventional observation data， minutely and hourly data of regional automatic stations， NCEP （U.S. National Environmental Forecast Center） 1°×1° reanalysis data and satellite cloud images. The results show that the typhoon landing， the strengthening of warm-humid airflow at the edge of the subtropical high and the influence of cold air are composed of the favorable ambient fields for producing heavy rainstorm. The formation and maintenance of β mesoscale convective system （MβCS） is the direct cause of the severe rainfall. In the first stage of the severe rainfall， the updraft center is in the middle and upper levels， which is caused by the large and isolated MβCS of clouds. The ground convergence line and low-level cold air provides the trigger mechanism， and the water vapor mainly comes from the edge of the subtropical high and the southeast coastal area of China. In the second stage， the ascending movement center is in the middle and low levels. The formation of radial vertical circulation makes the ascending movement develop continuously. The heavy rainfall is caused by the MβCS formed by the merger of multiple convective cloud clusters. The gradient of TBB （Genting quite black body brightness temperature） is large， the ground convergence line and wind shear provides the trigger mechanism， and the water vapor mainly comes from the southeast coast.

Key words：? torrential rain; environmental conditions; mesoscale convective system; trigger mechanism; Lower Yellow River

黃河下游為地上懸河。河南蘭考位于黃河下游的拐彎處，泥沙易在此堆積抬高河床，阻礙洪水通行，歷史上黃河多次在蘭考附近決口泛濫，給當(dāng)?shù)厝嗣駧砩钪氐臑?zāi)難，2000年以來也有多次強(qiáng)降雨使河道發(fā)生險(xiǎn)情。

關(guān)于暴雨發(fā)生發(fā)展的大尺度環(huán)流背景、中尺度對流系統(tǒng)及物理量場和水汽輸送特征等已有大量的研究，不同地域產(chǎn)生的暴雨既有共性又有很大的不同。邢峰等[1]研究了夏季黃河流域降雨氣候特征及其與大氣環(huán)流的關(guān)系，指出不同時(shí)期黃河流域降雨量與中高緯度阻塞高壓以及西北太平洋副熱帶高壓具有相關(guān)關(guān)系。俞小鼎[2]分析了2012年7月21日北京特大暴雨成因，認(rèn)為臺風(fēng)低壓和副熱帶高壓之間強(qiáng)氣壓梯度導(dǎo)致通向華北地區(qū)的東南風(fēng)、南風(fēng)低空急流建立并加強(qiáng)是特大暴雨發(fā)生的關(guān)鍵條件。何立富等[3]分析了2004年7月10日北京突發(fā)性暴雨過程，認(rèn)為主要影響系統(tǒng)是β中尺度對流系統(tǒng)，在強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)條件下，近地面層偏南風(fēng)與偏東風(fēng)兩支氣流的輻合及冷空氣的侵入導(dǎo)致行星邊界層內(nèi)能量鋒區(qū)加強(qiáng)。畢明玉等[4]研究發(fā)現(xiàn)由切變強(qiáng)迫次級環(huán)流造成的中尺度對流系統(tǒng)上方擾動，可能是中尺度對流系統(tǒng)持續(xù)存在的原因。徐姝等[5]研究了冷池對引發(fā)新鄉(xiāng)“7·9”特大暴雨的中尺度對流系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)由層狀云和對流性降雨產(chǎn)生的冷池出流形成的中尺度溫度梯度導(dǎo)致地面輻合進(jìn)而觸發(fā)了對流，冷池出流與環(huán)境風(fēng)場形成的假相當(dāng)位溫密集帶為對流系統(tǒng)提供不穩(wěn)定能量。薄燕青等[6-8]對暴雨物理量進(jìn)行診斷分析，胡婭敏等[9-11]對暴雨水汽輸送特征進(jìn)行研究，都得到了大量有價(jià)值的信息。另外有一些學(xué)者[12-18]從不同角度對發(fā)生在黃河、淮河、涇河和渭河等流域的暴雨及暴雨對河道防洪的影響進(jìn)行了分析研究。

2020年8月3—4日發(fā)生在黃河下游豫東地區(qū)的大暴雨過程，累計(jì)雨量大，對流性強(qiáng)，預(yù)報(bào)難度大，對該區(qū)域的防汛安全造成很大壓力。為了做到未雨綢繆，應(yīng)完善黃河防洪設(shè)施和城市排水泄洪設(shè)施[19]。在前人研究的基礎(chǔ)上，筆者利用區(qū)域自動站分鐘和小時(shí)資料、NCEP（美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心）1°×1°再分析資料及衛(wèi)星云圖資料等，采用天氣學(xué)分析、物理量診斷、HYSPLIT軌跡模型模擬等方法，對本次大暴雨過程的大尺度環(huán)流背景、中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展及對流觸發(fā)機(jī)制等進(jìn)行分析，探討強(qiáng)降雨發(fā)生的原因，提高此類暴雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，為黃河和城市防汛提供更準(zhǔn)確的氣象服務(wù)。

1 天氣實(shí)況概述

2020年8月3日夜間，黃河下游的豫東地區(qū)出現(xiàn)一次大暴雨天氣過程。強(qiáng)降雨主要發(fā)生在開封東部、商丘西部和周口北部三市交界地區(qū)及新鄉(xiāng)靠近黃河的局部地區(qū)，累計(jì)雨量大，自動站（含區(qū)域站）降雨記錄顯示，最大累計(jì)降雨量出現(xiàn)在蘭考紅廟站，達(dá)到272.1 mm（屬特大暴雨），其次為蘭考閆樓站（214.7 mm）。豫東區(qū)域站和國家基準(zhǔn)站中，累計(jì)降雨量在50～100 mm之間的有64站，100～250 mm之間的有17站，250 mm以上的有1站。強(qiáng)降雨集中在3日20時(shí)—4日2時(shí)和4日2—8時(shí)兩個時(shí)段，具有顯著強(qiáng)對流特征，最大小時(shí)雨量（4日2時(shí)20分—3時(shí)20分，下同）出現(xiàn)在蘭考紅廟站（109 mm/h），其次為民權(quán)龍?zhí)琳荆?07.4 mm/h），紅廟、龍?zhí)琳?0 min最大雨量近25 mm。

2 大尺度環(huán)流背景

大暴雨發(fā)生是多尺度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果[20-22]。2020年8月3—4日大暴雨天氣過程如圖1所示，圖中黑色線條為3日8時(shí)500 hPa環(huán)流形勢及3日20時(shí)588 dagpm線（以下簡稱588線）位置，棕色線條為3日8時(shí)、3日20時(shí)、4日8時(shí)500 hPa槽線位置，黑色箭頭為3日20時(shí)200 hPa分流區(qū)，綠色齒線為3日20時(shí)1 000 hPa顯著濕區(qū)，黑色叉線為3日20時(shí)地面輻合線，綠色陰影區(qū)為3日20時(shí)—4日8時(shí)12 h暴雨、大暴雨區(qū)。大暴雨發(fā)生前，500 hPa歐亞中高緯度維持“兩槽一脊”環(huán)流型，貝加爾湖以南有一深厚低渦，低渦中心南伸為一低槽，2020年第4號臺風(fēng)“黑格比”（熱帶風(fēng)暴級）在臺灣以東洋面上生成，副熱帶高壓（以下簡稱副高）增強(qiáng)，588線西脊點(diǎn)延伸至四川中部，其北界在河南境內(nèi)黃河沿線擺動。豫東地區(qū)處于588線邊緣，大氣呈高溫高濕狀態(tài)，層結(jié)不穩(wěn)定。3日8時(shí)，“黑格比”逐漸向西北方向移動，與中緯度上游系統(tǒng)對氣流形成擠壓作用，使低渦和低槽移動速度明顯減緩，大氣不穩(wěn)定度增大。850 hPa和700 hPa低槽位置相近，較500 hPa偏東偏北。200 hPa暴雨區(qū)上空處在西風(fēng)急流顯著分流區(qū)，輻散形成的抽吸作用有利于中低層輻合上升運(yùn)動。3日20時(shí)，“黑格比”已接近浙江南部沿海，副高減弱，588線西脊點(diǎn)東退至湖北中西部，臺風(fēng)外圍氣流與副高邊緣氣流疊加，大暴雨區(qū)處在588線西北側(cè)。鄭州站探空資料顯示大氣處于飽和狀態(tài)。3日21時(shí)—4日6時(shí)豫東地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雨，4日2時(shí)20分—3時(shí)20分蘭考紅廟站1 h雨強(qiáng)為109 mm/h，3時(shí)30分前后“黑格比”在浙江樂清沿海登陸，臺風(fēng)登陸時(shí)間與豫東降雨集中時(shí)段相對應(yīng)。4日8時(shí)隨著“黑格比”北上，副高東退減弱，低槽東移北縮，豫東地區(qū)強(qiáng)降雨結(jié)束。

地面圖上（圖略），3日8時(shí)河南處于鞍形場中，14時(shí)河南西北部山區(qū)有中尺度輻合線觸發(fā)對流云團(tuán)，20時(shí)河南氣壓場轉(zhuǎn)為東高西低形勢，有利于降雨的產(chǎn)生。隨著“黑格比”西移接近東南沿海，東南暖濕氣流輸送到豫東地區(qū)，中尺度輻合線向東南移至豫東并加強(qiáng)，造成21—22時(shí)蘭考和杞縣強(qiáng)降雨，23時(shí)中尺度輻合線繼續(xù)東移，商丘和周口地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雨。4日2時(shí)有新的輻合線在蘭考生成，致使蘭考4日2—6時(shí)再次出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣。4日8時(shí)臺風(fēng)北上，豫東地區(qū)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，輻合線消失，強(qiáng)降雨結(jié)束。

綜上可知，臺風(fēng)登陸、副熱帶高壓邊緣暖濕氣流加強(qiáng)和冷空氣影響是產(chǎn)生大暴雨的有利環(huán)流背景，地面中尺度輻合線是造成強(qiáng)降雨的影響系統(tǒng)。

3 中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的有利環(huán)境條件

3.1 不穩(wěn)定條件

豫東地區(qū)前期受副高增強(qiáng)影響，高溫高濕，為大暴雨發(fā)生提供了有利的溫濕環(huán)境。分析3日8時(shí)鄭州站探空圖發(fā)現(xiàn)，其上空存在強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)，抬升凝結(jié)高度和自由對流高度均較低，濕層深厚，對流有效位能達(dá)4 609 J/kg，潛在不穩(wěn)定能量特別大;近地面—700 hPa有暖平流輸送，700—500 hPa中高層有冷平流輸送，使風(fēng)暴區(qū)下沉氣流加強(qiáng)，這種配置有利于大氣層結(jié)不穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng);K指數(shù)為31.2 ℃，SI指數(shù)為-3.69 ℃（K、SI指數(shù)用于判斷熱力穩(wěn)定度），近地面對流抑制能量較?。?2.9 J/kg），有利于中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展。3日20時(shí)臺風(fēng)接近浙江沿海，其外圍水汽和能量不斷輸送到豫東地區(qū)，等飽和比濕線與濕絕熱線逐漸接近重合，相比8時(shí)大氣不穩(wěn)定能量變化不大，對流抑制能量進(jìn)一步下降為6.3 J/kg，近地面有冷平流輸送，受中尺度輻合線影響，3日21—23時(shí)第一階段強(qiáng)降雨發(fā)生。分析4日2時(shí)訂正后的蘭考站探空圖發(fā)現(xiàn)，蘭考仍維持大的不穩(wěn)定能量，對流有效位能1 507 J/kg，自由對流高度特別低，觸發(fā)對流需要的外力更小，K指數(shù)為44.1 ℃，SI指數(shù)為-3.0 ℃，中低層垂直風(fēng)切變大，近地面到中層風(fēng)向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，為再次產(chǎn)生強(qiáng)降雨提供了有利的不穩(wěn)定條件。8時(shí)不穩(wěn)定能量迅速減小，已不利于強(qiáng)降雨發(fā)生。

3.2 水汽條件及水汽輸送軌跡

3.2.1 水汽通量與水汽匯聚

利用NECP 1°×1°逐6 h再分析資料，分析豫東大暴雨區(qū)上空水汽輸送及匯聚情況。圖2為3日8時(shí)—5日0時(shí)蘭考站水汽通量、水汽通量散度高度—時(shí)間剖面圖。3日8時(shí)近地面水汽通量大值中心位于950—900 hPa之間，達(dá)20 g/（cmhPas），中高層水汽通量較小，與西北和偏西水汽通道水汽條件較差吻合;20時(shí)中高層水汽通量增大，大值中心位于600—500 hPa，中心值大于10 g/（cmhPas），高空水汽通量的增大有利于對流垂直向上發(fā)展，為第一階段的強(qiáng)降雨輸送了充沛水汽;4日2時(shí)中低層水汽通量迅速增大，700 hPa以下層次大于10 g/（cmhPas），為第二階段強(qiáng)降雨輸送了充足水汽。

3日8—20時(shí)大暴雨區(qū)800 hPa以下以水汽輻散為主（見圖2（b）），其上水汽輻合逐漸加強(qiáng)，3日20時(shí)前后，750—500 hPa之間水汽輻合達(dá)到最強(qiáng)，中心值為-8×10-7g/（cm2hPas），這與王寶鑒等[23]的相關(guān)研究結(jié)論一致，強(qiáng)于張芹等[24-25]研究得到的水汽輻合值。20時(shí)后，低層水汽通量散度逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)值，水汽在大暴雨區(qū)上空低層匯聚，第一階段強(qiáng)降雨開始。4日2時(shí)前后低層水汽匯聚進(jìn)一步增加，1 000—950 hPa水汽通量散度小于-4×10-7g/（cm2hPas），中低層水汽輻合加強(qiáng)、水汽通量大，第二階段強(qiáng)降雨開始。6時(shí)后水汽輻合減弱，水汽通量減小，強(qiáng)降雨結(jié)束。

分析可知，第一階段強(qiáng)降雨出現(xiàn)在臺風(fēng)登陸前近地面、高空水汽通量較大且中層水汽通量快速增大的時(shí)段，同時(shí)存在水汽輻合。第二階段強(qiáng)降雨出現(xiàn)在臺風(fēng)接近登陸時(shí)及登陸后地面到高空水汽通量均較大、近地面有大值中心且低層水汽輻合較強(qiáng)的時(shí)段。

3.2.2 水汽源地和輸送特征

HYSPLIT軌跡模式通常用來追蹤氣流所攜帶粒子或氣體移動方向，也可用于分析水汽的輸送軌跡[26]。應(yīng)用HYSPLIT水汽輸送軌跡模型分析此次暴雨過程的水汽源地及輸送特征可知，3日8時(shí)大暴雨區(qū)還沒有建立來自海上的完整水汽通道，20時(shí)低層來自海上水汽通道已經(jīng)建立（見圖3（a）），850 hPa水汽輸送始于東南沿海，中高層水汽輸送通道始于四川東南部和廣西東北部，水汽通量分析結(jié)果顯示，中高層水汽已增加，與水汽輸送軌跡模擬結(jié)果吻合。4日2時(shí)，500 hPa以下水汽通道均始于東南沿海（見圖3（b）），水汽輸送在不同層次分為兩段：500 hPa上第一段由東南沿海到重慶中北部、第二段由重慶中北部折向偏東方向輸送到豫東地區(qū);700、850 hPa上水汽通道基本一致，第一段從東南沿海到湖南北中部，第二段由湖南北中部折向偏北方向輸送到豫東地區(qū)。4日8時(shí)臺風(fēng)北上，700、500 hPa水汽通道起始點(diǎn)已經(jīng)退到陸地上，850 hPa水汽通道起始點(diǎn)雖然仍在東南沿海，但此時(shí)輸送已很弱，水汽通量減小，降雨趨于減弱。

4 中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制及其演變特征

4.1 中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制

4.1.1 動力觸發(fā)條件

從8月3—4日不同時(shí)刻過暴雨中心沿北緯34.9°所作的垂直速度緯向剖面圖上可見，3日8時(shí)（圖4（a））豫東地區(qū)上空垂直上升運(yùn)動較弱，20時(shí)（圖4（b））高空輻散形成的抽吸作用和地面輻合線的移近使上升運(yùn)動顯著增強(qiáng)，300 hPa以下均為上升運(yùn)動，上升運(yùn)動中心位于700—500 hPa，上升速度為-0.8×10-1? Pa/s，東西兩側(cè)為下沉運(yùn)動，與上升運(yùn)動相比較弱，這種上升運(yùn)動特征有利于中尺度對流系統(tǒng)的形成發(fā)展，此時(shí)對流云團(tuán)已由豫中移入暴雨區(qū)并發(fā)展增強(qiáng)。垂直方向上，低層為弱的東南風(fēng)，中層為弱偏南風(fēng)，500 hPa上為較大的偏西風(fēng)，750—500 hPa之間風(fēng)速差16 m/s，風(fēng)向夾角近90°，風(fēng)切變較強(qiáng)。從低層到高層有暖平流向高空輸送，較強(qiáng)的風(fēng)切變使上升運(yùn)動得以持續(xù)。4日2時(shí)（圖4（c））低層上升運(yùn)動區(qū)向大暴雨區(qū)擴(kuò)展，上升運(yùn)動中心下移至900—750 hPa之間，上升速度仍為-0.8×10-1 Pa/s，400 hPa以上為弱下沉運(yùn)動，這種配置在垂直方向上形成抽吸作用，增強(qiáng)了上升運(yùn)動的強(qiáng)度。大暴雨區(qū)東側(cè)為強(qiáng)的下沉運(yùn)動，下沉速度為1.8×10-1 Pa/s，上升氣流與下沉氣流交界處形成徑向垂直次級環(huán)流（圖4（c）虛線框所示），由于次級環(huán)流的存在，垂直上升運(yùn)動持續(xù)加強(qiáng)，因此暖濕空氣不斷進(jìn)入大暴雨區(qū)上空。4日8時(shí)（圖4（d））豫東地區(qū)600—300 hPa維持弱上升運(yùn)動，中低層已轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動，強(qiáng)降雨結(jié)束。梁鈺等[27]研究表明，夏季暴雨區(qū)水汽垂直速度和不穩(wěn)定度明顯高于春季暴雨的。

4.1.2 輻合線的觸發(fā)作用

利用地面區(qū)域站1 h氣象觀測資料分析地面中尺度輻合線（簡稱輻合線）的發(fā)展變化，3日14時(shí)輻合線在河南西北部生成（圖5（a）黑色點(diǎn)線所示），其經(jīng)過地區(qū)有對流云團(tuán)發(fā)生發(fā)展并產(chǎn)生降雨，20時(shí)輻合線移至開封地區(qū)，輻合線北端后部有中心為3.7 hPa的3 h正變壓，說明有冷空氣影響。20時(shí)輻合線北端850 hPa上有中尺度渦旋存在，冷空氣影響和850 hPa渦旋使地面輻合線增強(qiáng)，中尺度對流系統(tǒng)在其上空發(fā)展。4日0時(shí)輻合線東移減弱，第一階段強(qiáng)降雨天氣減弱結(jié)束。

隨著“黑格比”靠近浙江樂清沿海，其外圍東南暖濕氣流輸送水汽和能量到豫東地區(qū)。4日0時(shí)后在河南新鄉(xiāng)地區(qū)又有輻合線生成發(fā)展，輻合線相對第一階段尺度更小，2時(shí)接近蘭考（圖5（a）藍(lán)色點(diǎn)線），3—5時(shí)移至蘭考并在此加強(qiáng)穩(wěn)定維持，其后側(cè)激發(fā)產(chǎn)生新對流云與前側(cè)云團(tuán)合并，3—4時(shí)輻合線前暴雨區(qū)地面風(fēng)切變大（圖5（b）點(diǎn)線所圍區(qū)域），有利于觸發(fā)并維持中尺度對流系統(tǒng)及強(qiáng)降雨產(chǎn)生，第二階段的強(qiáng)降雨范圍較第一階段減小。由此可知，輻合線穩(wěn)定少動，其后側(cè)不斷生成新的對流云團(tuán)，前側(cè)地面風(fēng)切變大有利于對流發(fā)展和觸發(fā)強(qiáng)降雨。6時(shí)輻合線東移減弱，第二階段強(qiáng)降雨減弱結(jié)束。

4.1.3 冷空氣的觸發(fā)作用

從不同時(shí)刻1 000 hPa溫度平流變化圖上可見：3日8時(shí)（圖略）豫東以弱的暖平流為主;14時(shí)（圖略）河南中部地區(qū)冷平流增強(qiáng)，冷平流中心西部的南北兩側(cè)分別有對流云團(tuán)產(chǎn)生，豫東位于冷平流中心東部，冷平流強(qiáng)度為-4×10-5～-6×10-5 K/s，開始有弱冷空氣影響豫東;20時(shí)（圖6（a））冷平流中心東移，豫東西部地區(qū)冷平流強(qiáng)度增至-6×10-5～-8×10-5 K/s，冷空氣使地面中尺度輻合線移動到該地區(qū)并加強(qiáng);4日2時(shí)（圖6（b）），豫東轉(zhuǎn)為弱暖平流，蘭考處在暖平流的邊沿，以北為冷暖平流的交匯處，促使新的輻合線生成;4日8時(shí)（圖略）豫東地區(qū)再次轉(zhuǎn)為冷平流。從沿北緯34.9°過蘭考所作的溫度平流垂直剖面圖上（圖略）可見，大暴雨出現(xiàn)前，豫東大暴雨區(qū)低層冷平流增強(qiáng)，高空以暖平流為主，3日20時(shí)（圖6（c））豫東大暴雨區(qū)1 000—930 hPa為強(qiáng)的冷平流中心，平流速度為-12×10-5 K/s，700—300 hPa暖平流較強(qiáng)，低層冷空氣加強(qiáng)了抬升作用，觸發(fā)了第一階段強(qiáng)降雨，這與陳紅霞等[28]研究結(jié)果一致。4日2時(shí)，豫東大暴雨區(qū)地面溫度降低，而此時(shí)低層轉(zhuǎn)為暖平流（圖6（d）），1 000—930 hPa為暖平流中心，平流速度為8×10-5 K/s，500—600 hPa轉(zhuǎn)為弱冷平流，這種上干冷下暖濕的不穩(wěn)定形勢為第二階段強(qiáng)降雨形成積累了不穩(wěn)定能量。

由此可見，地面中尺度輻合線、低層冷空氣為第一階段強(qiáng)降雨的產(chǎn)生提供了觸發(fā)機(jī)制，第二階段強(qiáng)降雨觸發(fā)機(jī)制為地面中尺度輻合線和風(fēng)切變。

4.2 中尺度系統(tǒng)特征及其演變分析

將水平尺度在25～250 km之間、生命史3 h或以上、云頂亮溫（TBB）≤-32 ℃的中尺度對流云團(tuán)定義為β中尺度對流系統(tǒng)（簡稱MβCS）。大暴雨的產(chǎn)生與中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生、移動和維持有關(guān)[29]。

4.2.1 第一階段MβCS演變特征及其與強(qiáng)降雨的關(guān)系

利用FY4A紅外云圖TBB資料對此次暴雨過程第一階段中尺度對流系統(tǒng)演變分析發(fā)現(xiàn)，8月3日14時(shí)在河南西北部輻合線附近生成中尺度對流云團(tuán)并迅速發(fā)展成為β中尺度對流系統(tǒng)，即云團(tuán)A。3日20時(shí)云團(tuán)A隨500 hPa引導(dǎo)氣流緩慢向東南移動，與地面中尺度輻合線移動方向一致，云體密實(shí)，中心TBB為-60 ℃;21時(shí)30分云團(tuán)A中心移至豫東西部（圖7（a）），TBB最小值為-75 ℃;22時(shí)TBB最小值為-78 ℃（圖7（b）），在云團(tuán)A的后部，強(qiáng)降雨天氣自西向東移動，蘭考紅廟和民權(quán)龍?zhí)琳? h降雨量超過100 mm。第一階段強(qiáng)降雨大都出現(xiàn)在TBB為-75～-78 ℃的區(qū)域，與地面中尺度輻合線位置吻合。4日0時(shí)云團(tuán)A進(jìn)一步東南移，云體變松散，范圍擴(kuò)大，第一階段強(qiáng)降雨結(jié)束。

4.2.2 第二階段MβCS的演變特征及其與強(qiáng)降雨的關(guān)系

分析第二階段中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展演變發(fā)現(xiàn)，4日0時(shí)后蘭考已處在云團(tuán)A后部邊沿，降雨處于間歇期，2時(shí)地面輻合線移近，蘭考上空又激發(fā)出新的對流云團(tuán)B，云團(tuán)B在原地迅速發(fā)展，2時(shí)30分發(fā)展成MβCS，與云團(tuán)A相比，其范圍小、云體更密實(shí)，2—4時(shí)與地面中尺度輻合線在此階段穩(wěn)定少動相對應(yīng)，中心TBB為-70～-73 ℃，長時(shí)間維持在蘭考紅廟上空，且TBB梯度大，3時(shí)河南中東部有輻合線生成，與輻合線相對應(yīng)3時(shí)30分（圖7（d））、4時(shí)30分（圖7（e））、5時(shí)（圖7（f））、6時(shí)（圖略）不斷有云團(tuán)C、D、E、F生成，從云團(tuán)B西南側(cè)、西側(cè)并入，使云團(tuán)B在豫東地區(qū)上空得到長時(shí)間維持，強(qiáng)降雨得以持續(xù)。2—4時(shí)紅廟區(qū)域站每1 h降雨量均超過50 mm，6時(shí)后云團(tuán)B向東偏北方向移動，云團(tuán)主體移至山東，隨后第二階段強(qiáng)降雨結(jié)束。

5 結(jié) 論

（1）大暴雨區(qū)200 hPa上空處于西風(fēng)急流的顯著分流區(qū)，500 hPa上空中高緯度維持“兩槽一脊”。臺風(fēng)登陸、副熱帶高壓邊緣暖濕氣流加強(qiáng)是8月3—4日大暴雨的有利環(huán)流背景，地面中尺度輻合線和冷空氣及風(fēng)切變是強(qiáng)降雨的觸發(fā)機(jī)制。

（2）有利的環(huán)境條件為大暴雨的發(fā)生提供了能量儲備，抬升凝結(jié)高度和自由對流高度較低，濕層深厚，潛在不穩(wěn)定能量大，對流抑制能量小，降雨效率高。

（3）第一階段強(qiáng)降雨出現(xiàn)在近地面、高層水汽通量較大且中層水汽通量快速增大的時(shí)段，水汽主要來源于副熱帶高壓邊緣和東南沿海;第二階段強(qiáng)降雨出現(xiàn)在低層水汽通量特別大且水汽輻合較強(qiáng)的時(shí)段，水汽主要來源于東南沿海。

（4）MβCS的形成和維持是造成強(qiáng)降雨的直接原因，第一階段暴雨是由云體范圍大、孤立的MβCS造成的，第二階段暴雨是由多個對流云團(tuán)合并而成的云體范圍小的MβCS造成的。

（5）當(dāng)豫東地區(qū)出現(xiàn)臺風(fēng)登陸和副高共同影響的天氣背景時(shí)，需要關(guān)注以下幾點(diǎn)：當(dāng)?shù)厥欠裉幵诟备呶鞅眰?cè)西南暖濕氣流里，是否有高溫高濕的環(huán)境條件和大的不穩(wěn)定能量存在;1 h地面要素變化及中尺度輻合線發(fā)展動態(tài);實(shí)時(shí)監(jiān)測副高邊沿中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，中心TBB值是否較低;低層是否有冷空氣或風(fēng)切變影響。

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