引言

沙澧河位于淮河流域上游的河南省中部，不仅是淮河流域的主要支流，也是河南省的重要防洪河道。沙河上游及其支流北汝河、澧河上游，都是河南省的暴雨中心，每年的7、8月份是沙澧河流域的主要降水集中时段，也是暴雨和大暴雨的多发季节，洪水来量大，往往造成流域内洪水和淮河流域的洪水。进入21世纪以来，沙澧河流域的大暴雨发生越来越频繁，“00.7”、“04.7”大暴雨、特大暴雨，均造成了沙澧河流域严重的洪涝。对2004年7月沙澧河流域出现的特大暴雨，杨克明^[1]等利用NCEP再分析资料计算的锋生函数、螺旋度、非绝热加热等物理参数进行了天气学和动力学诊断分析。胡燕平^[2]等应用常规、加密气象资料及卫星云图资料从影响系统、中尺度雨团、MCC演变等方面对其进行了成因分析。

2007年7月4—15日沙澧河流域10天之内连续出现了两场大暴雨过程，这种现象在历史上是非常罕见的。因降水过程持续且降水强度大，两场大暴雨过程均造成沙澧河流域水位不同程度的上涨，但澧河上游的燕山水库于2007年建成并投入使用，有效地发挥了拦洪蓄洪作用，使得沙澧河流域有惊无险，大暴雨过程平稳渡过。可是，这两场大暴雨却给下游淮河流域的防汛形势造成了很大的压力，淮河出现了仅次于1954的大洪水。对于淮河流域的暴雨，许多学者进行了研究^[3-8]，但研究区域多集中在河南省淮河干流以及安徽省的淮河流域，主要针对河南省黄淮之间淮河流域的重要组成部分，即沙澧河流域的暴雨研究几乎是空白，因此有必要对沙澧河流域的暴雨做进一步分析研究。

本文在采用常规观测资料、自动站资料、卫星云图资料分析2007年7月沙澧河流域两场大暴雨过程的环流背景与影响系统基础上，进一步运用NCEP1°×1°再分析资料计算垂直螺旋度和湿位涡等物理量，对这两场大暴雨进行诊断对比分析，探讨两次过程的动力和热力学机制，以期发现流域大暴雨形成的规律及成因，为今后流域大暴雨提供预报思路。

1 过程概况

2007年7月河南省连续出现了两次大范围降水过程，第一次过程出现在7月4日20时到5日20时(简称“0705”)，降水集中在黄淮之间，大暴雨位于河南东南部的沙澧河流域中东部(图 1a)，主要降水时段集中在4日夜间，12小时最大降水量为155mm；第二次过程出现在7月13日20时到14日20时(简称“0714”)，大暴雨位于河南中南部的沙澧河流域南部(图 1b)，主要降水时段集中在14日白天，12小时最大降水量为128mm。

2 环流形势和影响系统对比

从两场大暴雨过程的环流形势和影响系统综合图来看(图 2)，两次过程的500hPa中高纬均为两槽一脊的环流形势，但低纬东部沿海系统存在差异较大：“0705”过程副热带高压北界位于30°N，西脊点达110°E附近，青藏高原东部有一弱的南支槽位于105°E附近。在500hPa小槽和副高之间的700hPa建立一支西南低空急流，甘肃和陕西交界处有一低涡，并伴有人字形切变线，其中暖切变位于陕南到河南中部。200hPa的40°N附近维持一条西北东南向的高空急流，急流核中心风速达52m·s^-1，沙澧河流域处于高低空急流耦合区内，有利于上升运动的强烈发展(图 2a)。地面在西北地区有冷空气堆积，青藏高原东部到四川盆地为一低压倒槽，沙澧河流域位于倒槽顶部。大暴雨发生期间，5日00时在河南东部生成一条南北向的中尺度辐合线(图 3a)，随着西北冷高压前的弱冷空气逐渐向东南方向推进，冷暖空气在河南中部交汇，中尺度辐合线两侧的沙澧河流域中东部出现大暴雨。“0714”过程副高明显偏弱，主体位于130°E以东，台风低压位于台湾以东洋面并逐渐向西北方向移动，14日08时贝加尔湖低槽南部的河套地区出现一低涡，沿低涡中心有一经向度较大的低槽，随着低槽逐渐东移，沙澧河流域的西南气流明显加强。700hPa和850hPa在湖北北部均存在一个低涡，暖切变位于湖北中部一带，随着东西向切变转为东北西南向，低涡逐渐沿切变移向沙澧河流域(图 2b)。地面在东北地区维持一高压，台风低压倒槽伸至河南南部，14日14时在河南南部产生一个中尺度辐合中心，伴有中尺度辐合线(图 3b)。随着台风低压转向东移，冷空气沿华北向西南地区侵入，在中尺度辐合中心北部的辐合线两侧出现了大暴雨。

以上分析可见，两次大暴雨过程的影响系统存在较大差异：“0705"大暴雨是南支槽、副高、切变线、高低空急流以及西路弱冷空气、倒槽、中尺度辐合线共同影响产生；“0714"大暴雨是西风槽、低涡切变线以及东路冷空气、中尺度辐合线共同影响产生。

从两次过程的红外卫星云图资料分析来看(图略)，“0705”大暴雨期间存在明显的中尺度对流云团，对应的T_BB低值区呈带状分布在沙澧河流域，随着中尺度对流云团的发展加强，5日02时强降水增幅期显示出中尺度对流复合体的特征，5日04到06时中尺度对流复合体发展成熟，并稳定位于沙澧河流域东部，造成大暴雨。T_BB值低于220K的区域与100mm的大暴雨区相对应，T_BB值低于200K的中心与大暴雨中心相对应。“0714”过程的中尺度对流系统明显偏弱，大暴雨期间只有分散的弱对流云团生成，与之对应的T_BB值在240K左右。

3 垂直螺旋度分析

螺旋度是一个动力因子，用来衡量风暴入流气流的强弱及沿入流方向的涡度分量大小的参数，从物理本质上反映了流体涡管扭结的程度，其大小反映了旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度，研究表明螺旋度对暴雨是一个相关性较强的参数^[9-12]。实际工作中，常用垂直方向上的螺旋度进行诊断分析^[10-12]，尤红等^[12]对广东特大暴雨垂直螺旋度分析发现，中低层正、高层负垂直螺旋度中心和强度的变化对特大暴雨有明显的影响。

3.1 垂直螺旋度的水平分布特征和流域大暴雨落区的关系

分析两次过程各等压面上垂直螺旋度的水平分布特征演变发现，700hPa上垂直螺旋度的分布与天气系统和暴雨区有较好的对应(图 4)。两场大暴雨发生前，河南中部34°N以南地区正的垂直螺旋度均很小，“0705”过程开始前，34°N、110°E有一个2×10^-7hPa·s^-2的垂直螺旋度中心；大暴雨开始时，该中心向偏东方向移动到34°N、113°E，并逐渐加强至3.5×10^-7hPa·s^-2，与700hPa低涡中心相对应，长轴与切变线走向一致；大暴雨期间(图 4a)该中心继续向偏东方向移动到34°N、116°E，并激增至23×10^-7hPa·s^-2，流域东部的大暴雨中心位于正垂直螺旋度中心西部约2个经距处，正是由于正垂直螺旋度中心自西向东移动并迅速加强的过程中，影响并造成沙澧河流域中东部的大暴雨。“0714”过程开始前，在湖北、安徽、河南三省交界处有一个4.5×10^-7hPa·s^-2的正垂直螺旋度中心，位于700hPa低涡的东侧。大暴雨期间(图 4b)，正垂直螺旋度中心逐渐向西北方向移动到32°N、114°E，强度稍减弱为4×10^-7hPa·s^-2，与700hPa低涡中心相重叠；随后，该中心继续向偏北方向移动到33°N、114°E，并逐渐加强到5×10^-7hPa·s^-2，流域南部的大暴雨中心处于正垂直螺旋度中心附近。以上分析表明，由于两次过程的正垂直螺旋度中心移动方向不同，造成了两次过程大暴雨区域位置及大暴雨中心位置的差异。

3.2 垂直螺旋度的剖面特征

从两次过程大暴雨中心的垂直螺旋度时间-高度剖面图(图 5)中可以看出，“0705”过程(图 5a)开始前，500hPa以下的中低层为正垂直螺旋度，高层为负垂直螺旋度，4日20时大暴雨开始时中低层正垂直螺旋度开始迅速增强，同时400hPa以上负垂直螺旋度也开始增强；5日02时正垂直螺旋度在700hPa达到最强，中心值为13×10^-7hPa·s^-2，此时300hPa上负垂直螺旋度也达到最强，中心值为-3×10^-7hPa·s^-2，中低层辐合高层辐散的配置，有利于上升运动的强烈发展，造成该时段降水的增强。5日02时到08时，随着中低层正、高层负垂直螺旋度逐渐减弱，流域降水强度也趋于结束。“0714”过程(图 5b)在13日08时正垂直螺旋度开始增强，中心位于550hPa附近；随后正值中心随时间逐渐减弱下传，14日08到14时大暴雨发生时，600hPa以下的正垂直螺旋度逐渐加强；14日20时正垂直螺旋度在780hPa达到最强，中心值为6×10^-7hPa·s^-2，正垂直螺旋度加强的时段刚好和沙澧河流域的降水集中段相对应；14日20时到15日08时，中低层正垂直螺旋度逐渐减弱时，该时段流域降水也逐渐减弱。

由此可见，“0705”过程中低层正、高层负垂直螺旋度强度变化和“0714”过程正垂直螺旋度的强弱变化与沙澧河流域的降水强度均有很好的对应。不同点在于，“0705”过程的中低层正垂直螺旋度中心强度明显大于“0714”过程，且高层有负垂直螺旋度中心相配合，而“0714”过程从低层到高层则为一致的正垂直螺旋度区域。由此说明，“0705”过程的动力作用比“0714”过程更有利于上升运动的加强和发展，为流域强降水的发生提供了更强大的动力条件，造成“0705”过程12小时更大的降水量。

4 湿位涡及对称不稳定分析

湿位涡不仅表征了大气热力和动力属性，还考虑了水汽的作用，所以对湿位涡进行诊断，可以寻求各热力、动力和水汽条件与降水的关系，从而揭示降水发生发展的物理机制^[9]。近年来，湿位涡较多地应用于暴雨诊断分析^[13-15]。

4.1 假相当位温的垂直分布

从两场大暴雨发生期间相当位温的经向垂直剖面(图 6)来看，“0705”过程开始时，θ_se陡峭密集线位于33~34°N的暴雨区，暴雨区上空700hPa以下的中低层θ_se随高度减小，为对流不稳定区，500hPa以上θ_se随高度增大，为对流稳定区。5日02时(图 6a)，暴雨区上空高层的θ_se高值区呈漏斗状伸向低层到达850hPa附近，对流不稳定区集中在850hPa以下，暴雨区950hPa以下的θ_se 密集带非常陡峭，几乎与等压面垂直，暴雨中心出现在θ_se陡峭密集区内。随后暴雨区上空700hPa以下仍转为对流不稳定区。“0714”过程开始时，θ_se密集区位于暴雨区南部，同时在500hPa有冷空气向南侵入，暴雨区上空600hPa以下θ_se随高度增大，为对流稳定区，600~500hPa之间为弱的对流不稳定区，500hPa以上为对流稳定区。14日14时(图 6b)，中高层冷空气进一步南侵并到达暴雨区近地层，其上空600hPa以下仍为对流稳定区，600~500hPa之间仍为弱的对流不稳定区，随着暴雨区北部的冷空气进一步加强，暴雨区上空的对流稳定区伸展到500hPa附近。以上分析表明，两次过程的对流稳定度存在明显的不同，“0705”大暴雨过程的中低层大气为对流不稳定，而“0714”大暴雨过程的中低层大气则为对流稳定。

4.2 湿位涡正压项MPV₁的垂直分析

文献[16-17]指出，在北半球，当大气是对流不稳定时，有湿位涡正压项MPV₁＜0；对流稳定时，有MPV₁>0。从两次过程MPV₁的经向垂直剖面图(图 6)中可以看出，“0705”过程开始前, 对流层高层39°N以北有低相对湿度的MPV₁高值带向对流层低层倾斜南伸，中低层位于750hPa、34°N的MPV₁中心强度为0.6PVU，暴雨区上空850hPa以下为对流不稳定区。大暴雨开始时MPV₁高值带进一步向南向下侵入近地层，900hPa、34°N和950hPa、33°N均有一个中心强度为1.0PVU的MPV₁正值区，暴雨区南部33°N、850hPa的MPV₁负值中心强度达-1.0PVU，暴雨区中低层处于MPV₁负值区边缘。这种高层冷空气以“干侵入”的形式向下入侵到中低层，减弱低层大气的稳定度导致低层气旋性涡度的显著增长，非常有利于上升运动的发展，同时迫使中层暖空气抬升，促使对流不稳定能量释放，造成流域大暴雨。5日02时(图 6c)，低层的两个高位涡中心合并加强，中心强度达2.2PVU，850hPa的MPV₁负中心减弱南压，随着对流不稳定能量近一步释放，暴雨区中低层大气转为对流稳定。

“0714”过程开始前对流层高层37°N以北也有低相对湿度的MPV₁高值带向对流层低层倾斜延伸，低层位于925hPa、31°N的MPV₁中心强度达1.8PVU，暴雨区975hPa以下为浅薄的对流不稳定区域，975~550hPa之间为MPV₁正值区控制的对流稳定区，而在550~400hPa的中高层为MPV₁负值区控制的对流不稳定区。大暴雨开始时暴雨区上空中高层的对流不稳定逐渐加强，32°N的MPV₁负值中心强度达-0.6PVU，同时高度下降到600hPa。14日14时(图 6d)，暴雨区上空950hPa以下的MPV₁负值有所增强，在34°N出现-0.4PVU的中心，中低层仍为对流稳定区，中层的对流不稳定进一步增强，位于32°N、600hPa的MPV₁负值中心强度达-1.4PVU，造成该时段降水的增幅。14日20时暴雨区上空950hPa以下的MPV₁负值逐渐减弱，中层的MPV₁负值中心逐渐南压，强降水也趋于结束。

以上分析可见，两场大暴雨过程都有“干侵入”发生，“0705”过程“干侵入”刚好到达暴雨区的近地层，从而造成暴雨区上空中低层对流不稳定的维持，而“0714”过程的“干侵入”明显偏南，将一部分暖湿空气限制在边界层，造成边界层内浅薄的对流不稳定和不稳定能量的进一步积聚，此外，将另一部分暖湿空气抬升到中层，造成中层的对流不稳定，有利于水汽和能量向高层输送，造成降水的增幅。

4.3 对称不稳定分析

在大气稳定度分析中，常用湿位涡分析条件性对称不稳定，当MPV＜0时为对称不稳定，MPV＞0时为对称稳定。在不稳定、中性或弱的对流稳定大气中，均可以出现对称不稳定^[9]。

分析两次过程MPV沿暴雨中心的时间-高度演变(图 7)发现，两次过程MPV演变的共同点是在整个强降水期间对流层低层均为MPV＞0的对称稳定区，不同点是“0705”大暴雨期间825~650hPa之间的中低层为MPV＜0的对称不稳定区，中心强度为-0.2PVU，而“0714”过程的对称不稳定区在650hPa以上的中层，出现层次比“0705”过程明显偏高，且中心强度达-0.4PVU，比“0705”过程的对称不稳定明显偏强。

以上分析表明：“0705”过程中低层大气不仅处于对流不稳定状态，同时存在对称不稳定，既可有垂直对流，又可有倾斜对流发生，有利于强降水发生。而“0714”过程中低层大气处于对流稳定状态，边界层和中层存在明显的对流不稳定，同时中层还存在较强的对称不稳定，垂直涡度得到较大增长，导致上升运动的加强和水汽的垂直输送，有利于降水增幅。

5 两场大暴雨的特征对比

综合以上分析，得出两场大暴雨过程的影响系统及物理量特征差异(见表 1)。

6 结论及预报着眼点

通过沙澧河流域不同影响系统下产生的大暴雨过程的动力机制对比分析，得出如下结论和预报着眼点：

(1) 两场大暴雨是由不同的影响系统造成的：“0705”过程发生在副高西北边缘的不稳定区域内，高、低空急流相互耦合，造成中尺度对流系统的发展加强，弱冷空气侵入暖倒槽触发不稳定能量释放，中尺度辐合线附近出现了大暴雨；“0714”过程是在500hPa槽前西南气流引导下低涡沿切变线移出，随着东北冷空气的侵入，流域出现了大暴雨。

(2) 700hPa等压面上正垂直螺旋度中心的移向和强度变化与降水落区及趋势变化有很好的对应关系，大暴雨出现在正垂直螺旋度中心移动的前方，对流域大暴雨的落区有一定的指示意义。中低层正、高层负垂直螺旋度的配置更为大暴雨的产生提供了更有利的动力条件。

(3) 当对流层高层有“干侵入”向对流层低层倾斜延伸到暴雨区附近时，暴雨区的中低层对流不稳定和对称不稳定共存，既可有垂直对流，又可有倾斜对流发生，有利于强降水发生。当“干侵入”到达对流层低层的位置偏南时，对流不稳定和对称不稳定出现在较高的层次，垂直涡度得到较大增长，导致上升运动的加强和水汽的垂直输送，造成降水的增幅。

致谢：本文承蒙兰州大学的杨德保副教授、河南省气象局李平高工的指导，以及国家气象中心的张芳华与河南省气象局范学峰的帮助，在此深表感谢！