引言

2010年6月17—20日，江西北部出现一次有记录以来罕见连续暴雨过程，该过程是一次典型的梅雨锋暴雨过程。其主要特点是，连续暴雨过程持续时间虽不算太长，只有4天，但降雨强度异常强，过程累计雨量大(图 1)，有6个县市超过400 mm，其中有3个县市超过500 mm, 以金溪县583 mm为最大。尤其19日单日降雨异常大，全省出现31站大暴雨，5站特大暴雨(日雨量为278~329 mm), 单日大暴雨和特大暴雨站数之多均创江西有记录以来历史极值。罕见的强降雨致使赣北出现严重洪涝灾害，并导致抚州市唱凯堤决堤。

对于汛期梅雨锋暴雨已有较多学者进行过研究^[1-19]。其中倪允琪等研究提出梅雨锋暴雨的多尺度物理模型^[1]，提出梅雨锋上α中尺度和β中尺度天气系统的特征和配置关系；陶诗言等^[2]分析了2007年3次梅雨锋暴雨过程的东西向静止锋的动力学和热力学结构特征；吴国雄等^[3]的研究指出，在梅雨锋附近及其南侧暖湿区的北端，是涡旋发展及暴雨发生的重要地区；高坤等^[4-5]将长江中下游梅雨锋低涡扰动分为2类：一类是高原东侧形成，之后沿梅雨锋逐渐东移，到达长江中下游；另一类是在有利的动力、热力条件下在梅雨锋上形成的低涡，移动较慢，两类低涡对发生强暴雨起着重要作用；陈敏等^[6]对一次强降水过程的中尺度对流系统模拟研究得出梅雨锋面对流系统具有中尺度特征，对流层低层有β尺度的低压中心，而在对流雨团顶部形成β尺度的高压，并指出对流层低层的中尺度涡旋对锋前暖区对流系统的发展和维持起到了关键的组织作用；廖捷等^[7]在一次梅雨锋暴雨模拟研究中分析了梅雨锋低涡的发展和演变；江晓燕等^[8]在一次梅雨锋暴雨的β中尺度对流系统发展机理的数值研究中指出，β中尺度天气系统的发展演变伴随了相应的中尺度低空辐合流场和高空辐散流场；何立富等^[9]分析指出低空急流脉动对MαCS发生发展的作用。本文利用常规气象资料、NCEP、FY-2C卫星、雷达、地面加密等资料对本次暴雨过程尤其是6月19日特大暴雨进行成因分析；并利用WAF模式数值模拟进行暴雨中尺度特征分析，揭示特大暴雨的成因和特点，为提高暴雨预报能力提供参考。

1 环流背景形势特征

这次暴雨过程是在非常有利的大尺度环流背景和天气系统影响下产生。500 hPa东亚中高纬为两脊一槽型，东亚大槽经向度较深(图 2)，槽后冷平流引导冷空气南下至长江中下游地区，提供冷空气来源。与此同时，西太平洋副热带高压自太平洋中部西伸至中南半岛，呈带状分布，强大且稳定，副高脊线位于20°N附近，是汛期江西北部出现暴雨带的有利脊线位置。副高北侧盛行强盛西南气流，暖湿气流将水汽向江南北部输送。冷暖交汇带位于江南北部。中低层切变线在江南中北部维持，暴雨带即位于切变线附近。

这次暴雨过程分为两个主要阶段(图 3)，17日02时至18日14时和19日06时至20日20时，其中最强时段即出现5站特大暴雨时段是19日07时至19日20时。第一阶段影响系统主要是500 hPa和700 hPa有一明显低槽东移影响江西，850 hPa配合有切变存在，切变南侧西南急流中心达18 m·s^-1。18日随着低槽切变东移稍南压，强雨区也稍南压至赣中并有所减弱。17—18日在有利的天气系统影响下，赣北赣中沿切变线先后共产生7个β中尺度对流雨团。第二阶段影响系统是在中层切变上先后有2个低涡影响赣北。第1个低涡是19日08时前后在赣东北原地生成，伴随着低涡南侧的辐合上升运动明显加强和中尺度对流系统发展，19日白天在低涡南侧出现了异常强的大暴雨和特大暴雨，期间有3个β中尺度对流云团发展。19日20时850 hPa湖南强低涡主体即第2个低涡东移进入赣北，在低涡南侧伴有较强辐合上升运动，并又继续出现大范围暴雨和大暴雨，期间有2个β中尺度对流云团发展。20日随着低涡东移，切变南压，暴雨区逐渐南压至赣中。21日随着切变减弱，降雨也逐渐减弱。

2 水汽动力条件 2.1 水汽条件

由于副高强盛稳定，其西北侧西南气流也非常强盛。从低层西南风速场看，17—20日从广西、湖南南部至江西南部，持续一支强盛西南气流，850 hPa大风中心值达18~26 m·s^-1，暴雨出现在850 hPa急流轴左前方。17日14时和19日08时即两场强暴雨时段均与西南急流加强中心对应，其中心值分别为26和24 m·s^-1(图 4)。低空强西南急流将低纬海上水汽向江南北部输送，同时导致急流左前侧气旋性辐合增强，是产生大暴雨的重要因素。从水汽通量场可见，17—20日从广西、湖南南部至江西南部，维持强的水汽输送带，对应两段强暴雨时段，其中心值高达36~40 g·(cm·hPa·s)^-1(图 5)，为赣北暴雨区输送充足水汽。从水汽通量散度场也可见(图略)，强暴雨区均与水汽辐合中心值-14×10^-7~-8×10^-7g·cm^-2·(hPa·s)^-1对应，其中-14的中心值也出现在19日08时特大暴雨开始时段。从可降水量场还可见，暴雨区上空可降水量中心值高达72~74 mm(图略)，表明大气整层水汽含量非常高。

将这次暴雨过程主要水汽参数与近年江西汛期其他5次同类型暴雨个例进行对比分析发现(表 1)，2010年6月19日的850 hPa西南风速、水汽通量、水汽通量散度中心值均强于其他5个个例，可见异常强的水汽条件为这次特大暴雨提供了十分有利的水汽来源。

2.2 动力条件

17日14时和19日08时，对应两个主要暴雨时段的850 hPa散度场辐合中心值分别为-6.4×10^-5和-8.2×10^-5 s^-1(图略)，强暴雨区与强辐合中心对应。从850 hPa涡度场看，17—20日江西中北部维持一正涡度带，其中17日08时和19日08时，对应两个暴雨时段的涡度中心值均达10×10^-5 s^-1，暴雨区处在正涡度中心略偏南侧。从垂直速度场可见(图 6)，两个强暴雨阶段与两个强上升运动阶段一一对应，其中17日08时和19日08时强上升中心值分别高达-2.0和-2.2 Pa·s^-1。

总之，异常强盛的水汽条件和辐合上升动力条件是导致这次暴雨强度大的重要原因。

3 中尺度分析 3.1 中小尺度系统发生发展成因分析

众所周知，产生暴雨的直接系统是中小尺度系统。利用风云2C卫星云图、逐小时降水、云顶亮温、雷达等资料进行中尺度分析发现，江西本次暴雨过程先后共有12个β中尺度对流系统沿850 hPa切变南侧发生发展，其尺度约30~150 km，每个β中尺度对流系统发展时，均在TBB图上有云顶亮温中心值为-89~-53℃的低值区对应，并且与强降雨区也相对应。

从19日凌晨至下午的资料分析，赣中北西部有3个β中尺度对流云团生成发展，并对应地面出现强降雨。19日02—08时红外云图上在抚州市中南部有两个β中尺度对流云团生成发展；08时至下午抚州市北部附近又有一β中尺度对流云团生成并强烈发展(图 7a)，TBB最低中心值达-76℃。对应该时段降雨实况是：19日02—04时出现1小时10~20 mm降雨，04—08时出现1小时20~40 mm降雨，08—14时出现1小时40~68 mm降雨。

分析中小尺度对流系统发生发展成因和触发机制有如下几点。(1) 从18日02时至08时，暴雨区南侧850 hPa西南风有一急速增大过程，江西中南部西南风速增幅达4~5 m·s^-1，急流增强有利触发中小尺度扰动系统生成。(2) 分析地面风场发现，18日上半夜，暴雨发生前江西中部以偏南气流为主，19日02时，抚州市中部开始有辐合线生成，04时辐合线加强并略北抬(图 7d)，08时继续北抬至抚州市北部，此后强辐合线一直维持到19日14时，14时之后辐合线南移至抚州市中南部并有所减弱。可见，19日02时辐合线生成后2小时内，辐合线附近开始出现1小时10~20 mm降雨，辐合线生成后2至6小时降雨加强，出现1小时20~40 mm降雨。由此可见辐合线提前于强降雨约2小时左右出现，对强降雨发生具有触发作用。(3) 分析500 hPa图和南昌、金华两站探空资料发现，18日上半夜500 hPa有一低槽移过赣东北，使赣东北处槽后偏北气流中，对应700 hPa赣东北也出现干冷气流，18日20时700 hPa南昌风向由西南风转为东北风，温度露点差也降至36℃(图略)，与赣东北交界的浙江金华站700 hPa温度露点差降至26℃，500 hPa降至43℃。而此时850 hPa仍维持强盛西南暖湿气流。因此700至500 hPa干冷气流导致赣东北大气不稳定层结加剧，为对流系统发展创造有利条件。从表 2还可见，南昌、金华CAPE值在18日20时之前不断加大，18日20时两站分别达1421.7 J·kg^-1和1108.9 J·kg^-1，即暴雨开始前不稳定能量剧增，19日08时暴雨已开始，CAPE值开始下降。(4)19日08时850 hPa赣东北有一β中尺度低涡生成(图 7c)，正涡度中心值达10×10^-5 s^-1，此低涡原地维持至傍晚减弱。(5)18日20时至19日08时，200 hPa反气旋涡度也在加强，负涡度值由-2×10^-5 s^-1加强到-10×10^-5 s^-1，高层辐散抽吸作用也在增强。

综上所述，概括中小尺度对流系统发生发展成因如下:暴雨发生前，19日02至08时850 hPa西南急流急速增大，有利触发中小尺度系统生成发展；中层干冷气流导致赣东北大气不稳定层结加剧，CAPE值达1421.7 J·kg^-1，为强对流系统发展创造有利条件；19日02时地面辐合线生成, 开始出现1小时10~20 mm降雨，04时辐合线加强北抬，暴雨也加强，开始出现1小时20~40 mm降雨；08时前后850 hPa在赣东北又有一β中尺度低涡生成，同时200 hPa反气旋涡度增强，动力抬升作用更趋加强，不稳定能量进一步释放，导致暴雨继续加强，08—14时出现1小时40~68 mm降雨，并有3站6小时大于200 mm。总之，各层有利系统和多种有利因素的共同叠加作用以及系统原地维持少动是触发中小尺度对流系统反复强烈发展和特大暴雨产生的重要原因。

从南昌雷达资料还可见(图 8)，19日凌晨至下午，在南昌东南方维持一西北东南向的狭窄带状(长约150 km，宽约40 km)β中尺度强回波带，强度为40~55 dBz, 最强中心达62 dBz，表明对流强盛。速度图上对应强回波区一直有中尺度辐合线存在。同时，在正速度区中，出现多个更小尺度的逆风区。对应地面辐合线上，强回波不断生成发展，且回波少动，导致强暴雨持续在抚州市北部一带维持。

利用θ_se垂直剖面图还可分析对流不稳定能量的积聚和释放过程。在19日特大暴雨开始前，暴雨区上空存在明显的对流不稳定能量的积聚过程。图 9可见，特大暴雨发生前，18日20时，暴雨区上空(28°~29°N处，即图 9d黑线处)，θ_se分布呈现明显的下暖湿，上干冷的层结(图 9a)，800 hPa以下为暖湿层，800~500 hPa为相对干冷层，形成对流不稳定区，不稳定能量正在聚集。19日02—08时，800~500 hPa层的低值区逐渐向北退，θ_se等值线转竖且密集，根据湿位涡守恒原理^[3]，当暴雨区上空θ_se等值线转为陡立形态，$ \frac{{\partial {\mathit{\theta }_{{\rm{se}}}}}}{{\partial \mathit{p}}} \approx 0$，为湿中性层结，这时由于等熵面θ_se的倾斜，大气水平风垂直切变或湿斜压性的增加能够导致垂直涡度的显著发展，十分有利于上升运动的加强，导致对流发展和强降水发生。

3.2 WRF模式模拟中尺度系统分析

以下针对19日特大暴雨进行模拟分析。采用数值模式为WRF V3.2。模拟诊断分析所用资料包括1°× 1° NCEP/NCAR再分析资料和江西省降水实况资料。模式运行主模式区域和嵌套域水平分辨率分别为30 km×30 km和10 km×10 km，垂直为28层，模式层顶为10 hPa。物理过程选取中，微物理过程采用WSM3方案，积云对流参数化采用Kain-Fritsch方案，网格尺度降水采用显式云雨方案，边界层采用YSU方案，长波和短波辐射采用RRTM方案。主模式域的模式积分时间从6月18日08时到20日20时，嵌套域积分时间从18日20时到19日20时，积分时间不同是为避免出现降水初期的Spin-up问题。

从模拟输出场分析可见，19日特大暴雨的中尺度系统动力热力特征表现非常清晰。并且19日08时前后在赣北北部低层就地生成的β中尺度低涡(或称β中尺度气旋)对19日白天特大暴雨起了至关重要作用。从模拟流场上可清楚看到该低涡形成发展过程，19日04时850 hPa江西至长江以北还是一致西南气流(图 10a)，到19日07时，湖北、安徽南部至九江开始转偏北气流(图 10b)，探空资料显示18日20时至19日08时汉口、安庆和南昌温度分别下降-3、-1和-1℃，温度平流场上赣北北部为-2 ℃·s^-1的冷平流(图略)，08时偏北气流继续向南侵(图 10c)，09时气旋闭合(图 10d)，β中尺度低涡形成，尺度范围约为100~200 km。而此时正是低涡南侧特大暴雨开始时段。该低涡形成后在原地稳定少动，直到19日20左右才有所减弱，以上分析表明该低涡的形成与北侧弱冷空气活动有关。

此外，南侧暖湿气流的加强活跃也是该低涡形成的重要因素。19日01时(图 11a)，江西中部西南气流相对较弱，为10~12 m·s^-1，14 m·s^-1等值线在赣南。01时至09时，西南气流逐渐加强，等值线北推，09时(图 11c)14 m·s^-1等值线北推至28.3°N，使此处等风速线密集。而上节已提到，07—08时正是北侧弱冷空气向南活动时刻。即09时之前的1~6小时南侧西南风向北挺，09时之前的2~3小时北侧弱冷空气向南侵，冷暖气流在08时前后在29°N附近相遇，大气斜压性迅速增大，导致气旋环流发展，β中尺度低涡形成。

山地地形是诱发中小尺度系统发展的因素之一，但这次低涡发展和特大暴雨是发生在赣北平原地区，似乎与地形作用关系不大。因此可初步认为：850 hPa β中尺度低涡的形成主要是南侧暖湿西南急流加强与北侧弱冷空气活动共同作用的结果，冷暖交汇可能是低涡形成的重要原因。这与陈敏等^[6]曾提出“锋面上MCS中不仅有来自锋前的暖湿空气，而且还有来自锋后的冷空气参加对流”的观点相符。

另外须指出，β中尺度低涡维持时间约在19日08时至20时，而5站特大暴雨就出现在这一时段的该低涡南侧，特大暴雨出现时间和地点均与该低涡相对应，因此特大暴雨与该低涡关系很大。

再从模拟输出的其他动力、热力场分布特征看，19日在低涡南侧有一系列更小β中尺度系统发展。图 12a可见，散度场上在28.5°N纬度带上分布有3个40~50 km尺度的强辐合区，这一串东西向的β中尺度强辐合区与大暴雨区对应，其中心值达-8×10^-4s^-1，比天气尺度散度量级(2.2节)高一个量级，为中小尺度系统量级。

图 12b可见，在28.5°N纬度带上有4个30~50 km尺度的强涡度区，这一串东西向的β中尺度强涡度区与大暴雨区对应，其中心值达8×10^-4s^-1，比天气尺度涡度量级(2.2节)高一个量级，为中小尺度系统量级。

图 12c可见，在28.5°N纬度带上有3个30~40 km尺度的强上升区，同样这一串东西向的β中尺度强上升区与大暴雨区对应, 其中心值达-16 Pa·s^-1，比天气尺度上升运动量级(2.2节)高一个量级，为中小尺度系统量级。

图 12d可见，在27.5°~28.5°N纬度带上有一近东西向南北宽为30~40 km的水汽混合比高值区，其上镶嵌有3~4个强中心区，此东西向的β中尺度水汽混合比高值区与大暴雨区对应, 其中心值达2.4 g·kg^-1。

图 12e 850 hPa模拟雷达反射率图看，对应大暴雨区有一带状100 km左右宽的东西向回波，其上有2~3个45~50 dBz的强回波核，也为β中尺度。

以上分析表明，19日特大暴雨直接与中尺度低涡南侧一系列更小β中尺度系统有关，各物理量强中心区均为30~50 km左右, 中心值量级比天气尺度系统高1个量级左右。即从尺度范围和强度量级上均表现为强β中尺度对流系统特征，并且大暴雨区与该强β中尺度对流系统相吻合。

分析200 hPa高层辐散可见，19日特大暴雨区对应的高层辐散系统不是常见的“高空急流入口区右侧”，而是处在“气流分叉”的辐散场中。由图 13a和13b可见，19日04时之前特大暴雨区上空200 hPa为一致偏西风，到06—07时气流开始出现“分叉”，分叉线以北吹西偏南风，分叉线以南吹西北风，分叉线正位于特大暴雨上空。图 13c和13d还可见，200 hPa辐散场也表现为：04时之前大暴雨区上空为-1×10^-4~1×10^-4 s^-1的弱辐合辐散区，7时则对应“分叉线”出现了大于8×10^-4 s^-1的中尺度辐散区，且辐散区与特大暴雨区相对应。以上分析表明中尺度低空强辐合和高空强辐散相耦合，并与特大暴雨落区关系密切。此结果与江晓燕等的“β中尺度天气系统的发展演变伴随了相应的中尺度低空辐合流场和高空辐散流场”的分析结论相一致^[8]。

以下再分析β中尺度低涡的垂直分布演变特征。从图 14可见，19日06时1000 hPa最先出现辐合线，接着07—08时850和900 hPa出现辐合线，随后在该层最先形成中尺度气旋性闭合低涡，然后低涡随时间逐渐向上层发展，近10小时后(19时)发展到550 hPa，而此时低层850和900 hPa低涡又开始减弱，转为气旋性曲率环流。此时段500 hPa一直维持偏西气流，未出现闭合低涡甚至气旋性环流。250~150 hPa层在05—23时均为“分叉气流”辐散场，且“分叉气流”是200 hPa最早出现，并一直是200 hPa最明显。另外，闭合低涡未向下伸展到1000 hPa，950 hPa也只有15—16时2个时次出现闭合低涡。以上分析可见，该中尺度低涡最先在850和900 hPa生成，且在该层次环流最强，随后向上层伸展，低涡顶高伸到550 hPa附近，底部在950 hPa附近；随后低涡减弱也从低层开始；高层“分叉气流”辐散场一致伴随低涡的起止。

综上所述，近地面辐合线持续少动、低层南侧西南急流加强与北侧弱冷空气南侵的共同作用、中尺度低涡形成并维持少动、加上200 hPa中尺度强辐散的叠加，导致低涡南侧出现一串更小β中尺度对流系统强烈发展，并也维持少动，从而产生局部特大暴雨。

4 结论

通过分析得出如下主要结论。

(1) 这次罕见大暴雨是一次典型梅雨锋暴雨过程，是在极为有利的天气形势和影响系统下导致的强β中尺度系统强烈发展所致。500 hPa东亚大槽槽后冷平流引导弱冷空气南下，与强盛稳定的副高西北侧的西南气流汇合，冷暖势力的均衡导致冷暖交汇带在江南北部稳定维持。

(2) 冷暖交汇带的维持和西南暖湿气流异常强盛，使得产生暴雨的水汽、动力、热力条件十分充足，水汽辐合上升运动非常强盛，从而有利于触发中小尺度对流系统的发生发展。由于冷暖势力的均衡又导致强辐合上升区在江南北部相对稳定少动，因而使交汇带上中小尺度对流系统反复发生发展，维持少动，从而导致局部特大暴雨产生。

(3) 由于冷暖交汇带的维持和西南暖湿气流异常强盛，交汇带上各层有利产生暴雨的系统、多种有利暴雨的因素均纷纷“登台亮相”。强盛的水汽和辐合上升运动、低层西南急流加强、中层弱冷空气活动、对流不稳定层结加剧、地面辐合线维持少动、β中尺度强低涡形成并维持、高层强辐散叠加、水平风垂直切变或湿斜压性增加导致垂直涡度的显著发展等因素的共同组合叠加作用导致了大暴雨和特大暴雨发生。

(4) WRF模式模拟分析显示，19日08时前后β中尺度低涡在赣北形成发展与南侧暖湿气流加强北进和北侧弱冷空气南侵有关。该低涡最先在850和900 hPa层生成，随后逐渐向上层发展，最高达550 hPa，低涡在850和900 hPa最强，低涡垂直厚度在550~950 hPa，即只在中低层发展，生成后约10小时在850和900 hPa最先减弱。特大暴雨与该低涡出现的时间和地点较吻合，因此β中尺度低涡非常值得重视。

此外，模拟输出的β中尺度低层辐合和高层辐散、涡度、垂直运动、水汽混合比、模拟雷达反射率等物理量场还显示，在β中尺度低涡南侧出现了一串近东西向排列的30~60 km更小尺度的强对流系统，且该强对流系统与特大暴雨区相吻合。