引言

一些研究表明(陶诗言，1980; 丁一汇等, 1978, 薛秋芳等, 1997, 余志豪等，2008; 孙建华等，2015; 王淑莉等，2015; 支树林等，2015)，暴雨是一种中尺度现象，是几种不同尺度天气系统相互作用的结果，其发生、发展受到大尺度环境条件的制约，而本身的强度和出现地点又与中尺度扰动有十分密切的关系，暴雨出现后反过来又影响大尺度气象要素的分布。孙淑清等(1979;1980)研究了大尺度、中尺度低空急流与暴雨发生的关系指出:低空急流附近有无暴雨发生与其本身结构特征有关，除了低空要有强风速带, 还要具备有利于暴雨发生的热力和动力条件。伍志芳等(2006)和何彩芬等(2006)研究指出暴雨通常与中尺度系统密切相关，在有利的环境场中，中尺度系统的停滞或缓移往往会产生暴雨，当中小尺度的对流扰动在适当的天气背景下快速有效地将富含水汽的气流组织起来并在短时间内将能量释放则会导致短时暴雨。程麟生等(2000)对中纬度中尺度对流系统的研究做了较为全面的综述。廖移山等(2006)通过数值模拟分析研究了发生在河南的一次特强暴雨β中尺度流场的发展机理，指出对流层低层非地转涡度的强烈发展是β中尺度气旋形成的重要原因。徐珺等(2014)对北方一次暖区大暴雨强降水成因分析表明，天气及以下尺度的抬升条件，如地面辐合线、925和850 hPa切变和低空急流出口区的风速辐合等均可导致强降水，降水落区一般位于低层多层风速辐合的叠置区。

随着新一代天气雷达网、区域自动气象站的布设、大气监测和遥感技术的广泛应用，使产生局地暴雨天气系统活动的监测能力得到较大提高，这对揭示暴雨的发生、发展有很大作用。如陈永仁等(2013)研究发现，短时强降雨通常由MCS中的深对流特征造成，水平尺度多为β中尺度或更小的γ中尺度系统，具有云顶亮温低、雷达反射率因子大和垂直累积液态水含量高等特点。王啸华等(2012)指出，短时暴雨的中尺度特征在云图TBB资料上表现为对流云团合并后强度和范围显著增强，移速缓慢，TBB梯度大值区停留; 在地面风场上体现为南移的中尺度辐合线与局地生成的中尺度辐合中心合并，使得地面风场辐合显著增强。杜倩等(2013)研究表明，在局地要素满足暴雨发生的必要条件下，监测卫星多通道亮温的急剧下降，可作为重要指标提前2~3 h预警强降雨的发生。郭虎等(2008)和慕建利等(2011)对暴雨的中小尺度特征分析指出，近地面辐合对大暴雨落区和强降雨的发生具有重要作用。李晓容等(2012)对发生在江苏沿江地区的一次大暴雨过程进行诊断和中尺度分析表明，地面中尺度辐合系统与雨团的发生发展关系十分密切，且对雨团的发生发展具有一定的预示作用。盛日锋等(2011)对济南“7.18”大暴雨进行的中尺度分析表明，边界层中尺度辐合中心或辐合线的生成和发展，是这次大暴雨产生的启动机制，大暴雨的分布与地面辐合线的走向基本一致，并随其移动而移动。

本文利用河南省区域自动站逐时资料、FY-2C卫星逐时TBB资料、多普勒雷达资料以及1°×1°的NCEP再分析等资料，详细分析2012年7月7—8日发生在河南东部商丘地区的这次大暴雨过程。以揭示造成此次大暴雨的中尺度对流系统的活动特征，并通过对对流系统活动环境场条件的分析，加深对局部大暴雨形成机理的认识。

1 暴雨概况

2012年7月7日08时至8日08时(北京时，下同)，河南东部商丘地区出现大暴雨过程，强降水主要集中在7日11—14时、7日18时至8日08时两个时段，均为对流性降水。经统计:在商丘地区177个自动雨量站中，110站降水量≥50 mm，56站降水量≥100 mm，有4站降水量超过250 mm均集中在虞城谷熟附近(图 1)。此次过程出现1个特大暴雨中心(364 mm，虞城谷熟)和3个大暴雨中心(商丘新城222 mm、永城城厢184 mm和宁陵逻岗168 mm)(图 1)。最大雨强达94 mm·h^-1(商丘郭村)，其次为81 mm·h^-1(永城城关)和79 mm·h^-1(虞城谷熟)。从强降水的演变来看，第一个时段最强的降水出现在商丘东南部永城城厢，历时短而强(图 2)，由1个强雨团活动产生; 第二个时段强降水由两个强雨团活动产生，这两个雨团均产生于商丘西北部，在自西北向东南移动过程中，先后经过中西部, 形成宁陵逻岗、商丘新城和虞城谷熟3个暴雨中心(图 1、图 2)。综上，此次降水的特点是强度大、短时强降水持续时间长和降水时段集中，造成京九铁路商丘车站附近4个区间遭受水害影响，十几对列车晚点; 大暴雨使商丘地区几十万人受灾，造成了严重的经济损失。

2 环流形势演变特征和主要影响系统

7月5—6日，欧亚中高纬度为两槽一脊的环流型，两槽分别位于贝加尔湖西部和日本海，我国华北为高压脊; 贝加尔湖西部有一深厚稳定的低涡，自低涡中心南伸的低槽到达我国青海; 副热带高压呈东西带状，稳定控制浙江、福建两省，河南处于副热带高压边沿受西南暖湿气流影响，中低层湿度不断增大，有利于不稳定能力累积。7日08—20时，贝加尔湖西部低涡减弱东北移，其中心南伸的低槽随之收缩东移至华北，槽底伸至河南北部; 副热带高压略有东退南压，河南处在华北低槽底部与副热带高压外围，槽后南下的冷空气与副热带高压西北边沿暖湿气流在河南上空交汇，形成有利于暴雨产生的环流背景。

由图 3a可见，7日08时700和850 hPa高空图上，35°N附近即商丘北部有东西向暖式切变线，850 hPa有一支风速≥12 m·s^-1的偏南风急流伸展到安徽北部，商丘地区位于低空急流出口区的左前方，风向切变与较强的风速辐合在商丘一带形成有利的辐合上升条件。850 hPa上T_d≥18℃的区域由我国西南部伸向河南(图 3a，绿色细线)，且商丘地区位于700和500 hPa上T-T_d≤2℃的区域(图 3a, 绿色齿线), 水汽通量散度显示，河南东部到安徽北部为水汽辐合区(图略); 应用11和14时地面温度与露点温度对距商丘地区最近的徐州站进行探空订正，并与08时比较发现:该站对流有效位能08时为477 J·kg^-1，11时增大到1020 J·kg^-1，即08—11时3 h对流有效位能增幅达543 J·kg^-1，表明大气不稳定能量迅速增加, 对应着商丘地区第一阶段(11—14时)的强降水。14时强降水结束，能量得到释放，对流有效位能减小至297 J·kg^-1。7日20时(图 3b)850和700 hPa的切变线略向南压，更加接近商丘，850 hPa低空急流维持且商丘仍处于T_d≥18℃的高湿区和700、500 hPa上(T-T_d)≤2℃的区域，水汽近于饱和，且湿层深厚; 同时，暴雨区处于500 hPa 24 h负变温区、850 hPa 24 h正变温区，∂θ_se/∂z < 0变大，大气层结更趋不稳定。由上，商丘位于700和850 hPa切变线南侧与低空急流出口区左侧辐合区及对流不稳定区中，表明大气环境场非常有利于对流性降水的发生发展。8日08时，500 hPa低槽减弱东移，中低层切变线消失，此次强降水过程结束。

7日08时地面图上，四川生成一低压，其逐渐加强并向东扩展而控制了河南，河南处在倒槽之中，暴雨期间商丘地区处于该倒槽顶部，地面辐合较明显，有利于强降水发生。

3 中尺度分析 3.1 中尺度雨团活动特征

首先分析雨团的活动，牛淑贞等(2006)将相邻3站1 h雨量≥10 mm称为一中尺度雨团; 胡雯等(2009)将逐时雨量大于10 mm、生命史大于2 h、空间尺度不超过200 km的雨团，定义为中尺度雨团; 慕建利等(2011)将在30 km²的范围内，连续2 h有2站或以上降水量≥10 mm·h^-1的降水定义为中尺度雨团，其中25 mm≤1 h降水量＜50 mm的降水称为强雨团，1 h降水量≥ 50 mm的降水称为特强雨团。综合以上参考文献，本文将中尺度雨团定义为:水平尺度20 km以上，连续2 h雨强≥10 mm的降水区(以下简称雨团)和雨强≥40 mm·h^-1的降水区(以下简称强雨团)。据此分析，整个暴雨过程共出现6个中尺度雨团，其中1~3号雨团(图 4a)持续时间较短，雨强相对小，对此次大暴雨贡献不大。而4号雨团(图 4a)是第一阶段商丘东南部大暴雨的主要成因，其产生于商丘永城，与安徽北部移来的雨团合并后加强为强雨团，并在永城附近维持2 h(图 4a)，造成永城城厢的大暴雨; 7日傍晚到夜里，第二阶段的强降水由5、6号雨团活动产生(图 4b)，这两个雨团在商丘西北部形成，在商丘中部的移动路径相近，均自西北向东南方向移动; 5号雨团17时出现在商丘西北部，生命史为9 h，其中强雨团持续5 h; 6号雨团00时出现在商丘西北部，生命史为8 h，其中强雨团持续4 h; 2个雨团先后经过宁陵逻岗、商丘新城和虞城谷熟，是3个大暴雨中心形成的主要贡献者。

3.2 MCS分析

对FY-2C逐小时红外卫星云图及黑体辐射亮温(TBB)分析发现，在α中尺度的冷云罩下降水分布极不均匀，出现强降水的区域多为β或γ尺度。7日05时，副热带高压(584 dagpm线)边沿，在河南中部许昌有一γ中尺度的对流云团生成，09—10时该云团向东北方向移动，并发展成β中尺度(图略)，其东北部影响到商丘，在商丘中西部出现分散的中尺度雨团(即地面1、2、3号雨团，图 5a)。11—14时，河南东部有MγCS生成并与其东侧由安徽北部移向河南的MβCS合并，形成一MαCS，表现为西北—东南向的椭圆带状，其小于-52℃的面积约9万km²(图 5b), 12—13时MαCS的TBB低值中心位于商丘永城上空，温度达-69℃以下，云团发展达到最强，对应着4号雨团的形成与发展，13—14时4号雨团带来的降水达到鼎盛，永城城厢1 h雨强达72.5 mm。并且强降水与-69℃ β中尺度TBB低中心几乎重合, 15—17时，MαCS减弱为MβCS，第一阶段的强降水结束。18时在商丘地区西北部有MβCS强烈发展，其中心TBB降至-70℃以下，随着MβCS向东南方向移动，第二阶段的强降水开始。当新生MβCS的TBB梯度密集区移经商丘中西部时致该处降水猛增(5号雨团轨迹)。20:30—23:00，商丘上游西北方又有新的对流云团生成，并与位于商丘中部对应5号雨团的MβCS合并，使之发展成为MαCS，两云团合并处TBB梯度增大(图 5c)，▽TBB/0.5°E达到42℃，对应地面1 h降水量达79 mm(虞城谷熟); 23时到00时商丘中部TBB梯度减小，由5号雨团产生的降水逐渐减弱。此时在MαCS西部并入的云团开始强烈发展，00—01时商丘西部TBB值迅速下降32℃，致MαCS尾部的TBB梯度加强，▽TBB/0.5°E达到50℃，商丘西部的宁陵逻岗降水量由0.7 mm·h^-1猛增到39.6 mm·h^-1; 8日00—05时(图 5d)，MαCS继续向东南方向移动，其尾部梯度最密集带由西北向东南移动经过商丘中西部(6号雨团)，致商丘新城03时1 h降水量58.4 mm, 虞城谷熟04时1 h降水量78.5 mm。06时以后，云体南移对商丘的影响逐渐消失。

利用0.5°×0.5° TBB格点资料，将商丘境内及周边邻近7个格点值的变化与相对应站点1 h后短时强降水实况进行了分析，得出TBB变化与短时强水间的关系(表 1~表 3)，如表 1~表 3所示，雨强50 mm以上的降水出现前1~2 h，与之对应的TBB 1 h降幅都在30℃以上，最大可达46℃。而在前面的分析中可知，此次强降水过程的第二个集中时段，强降水发生在TBB的密集带即梯度区，为此统计分析了雨强与TBB梯度间的关系(表 4)。由表 4可见，▽TBB/0.5°E在34~58℃时，对应的1 h雨强最小33.9 mm, 最大达94.3 mm。在这次过程中，当▽TBB/0.5°E≥34℃，并且TBB≤-63℃时，出现50 mm·h^-1降水量的几率达到72%，30 mm·h^-1降水量的几率达到90%。因此当TBB强度增强或梯度增大时对强降水的出现有很好的指示意义，可以作为短时强降水的临近预报指标。

这次大暴雨过程由MαCS的活动造成，伴随着其生成—增强—减弱，MαCS的形成是由多次MγCS、MβCS合并发展的结果，而这些MγCS、MβCS系统发生于商丘的不同区域，经移动、发展加强后影响商丘。强降水多发生在云顶亮温低值中心偏向温度梯度最大的区域，TBB梯度与降水强度成正比。当MCS发展成熟时强降水发生在中尺度对流云团TBB低值中心附近; 降水的猛烈增强多发生在MCS合并加强时期，同期TBB值下降迅猛，当▽TBB/1 h≤-31℃时，1~2 h后易产生50 mm·h^-1以上的强降水。当TBB强度变化达到1 h内下降30℃以上或梯度达到在34℃/0.5°E时，预示较强的降水产生。

3.3 触发机制

由上述分析可见, 造成短时强降水的中尺度对流系统活动多为γ或β尺度, 它们影响的只是MαCS覆盖下很小的区域。为探索冷云盖下形成大暴雨的中尺度对流云团的产生及其演变规律，从而进一步判断中尺度对流云团可能出现及影响的区域，应用多普勒雷达资料，结合地面1 h风场进行分析，以判定中尺度对流产生的关键因素及触发机制。

如上所述，大尺度天气形势和环境场为中尺度对流系统的生成提供了有利的环境条件，但是中尺度对流系统发生最关键的因素是触发条件(陶诗言，1980)。地面的中尺度辐合可能在对流系统的连续发展过程中有更加直接的触发作用(张晓美等，2009)。对河南强对流天气的分析得出，提前1~3 h出现的地面中尺度辐合线是对流性天气发生的触发机制(吴蓁等，2008)。

第一阶段强降水产生在7月7日11—14时，位于商丘东部永城。从地面逐时风场上可以看到，11时(图 6a)，永城西部边界有一β中尺度辐合线，对应雷达反射率因子图上，11:04(图 7a)该辐合线西端有γ中尺度的回波生成，回波沿辐合线向东移动，逐渐与位于辐合线南部的回波回并，强度增强，11:28回波区域增大，中心达50 dBz。12时(图 6b)β中尺度辐合线演变为东北—西南向，其东侧东风由2 m·s^-1增大到4 m·s^-1，辐合加强，与此同时，在永城东部出现一γ中尺度辐合线。对应雷达反射率因子图上(图 7b)，γ中尺度辐合线附近回波发展迅速，并与β中尺度辐合线上回波合并，在永城上空形成β中尺度的块状强回波区，回波中心强度达55 dBz以上，持续影响永城近2 h，致永城城厢12—14时降水量达143 mm，最大雨强达81 mm·h^-1。由此，永城西边β中尺度辐合线和中东部γ尺度辐合线为第一阶段强降水的触发机制。

7日傍晚到夜里，是第二个强降水时段，商丘地区自西向东出现了宁陵逻岗、商丘新城和虞城谷熟3个大暴雨中心。从这一时段的地面风场可以看到，17时，商丘地区西部有一β中尺度辐合线(图略)，19时，该辐合线东移至商丘市，辐合线发展延伸，由商丘市区东北伸向其南部(图略); 20时该辐合线中部出现气旋性辐合(图 6c); 21时加强为气旋性辐合中心，其两侧的辐合线减弱消失(图略); 22时辐合中心加强并向北移动，在谷熟附近形成β中尺度气旋性涡旋(图 6d)。与之相对应雷达回波显示，20:29商丘市区辐合线南端出现回波，回波沿辐合线向东移动并迅速发展，21:17(图 7c)回波移至地面辐合中心处，中心强度增至55 dBz，大于45 dBz的块状强回波在虞城谷熟一带持续影响近14个体扫; 径向速度图上(图略)，21:05商丘市区东南部有中气旋产生，该中气旋随地面中尺度涡旋向北移动，持续达9个体扫。可以看出，地面中尺度辐合线的出现与β中尺度气旋性涡旋的形成，触发对流并使其强烈发展，致谷熟21—23时降水量达136 mm，形成大暴雨中心。

23时，商丘地区西部再次出现β中尺度辐合线，8日00时(图 6e)，该辐合线向东北方向扩展，位于民权中部到睢县北部。23时雷达显示，在睢县北部有多个γ中尺度的弱降水回波沿β中尺度辐合线形成; 00:18(图 7d)回波沿辐合线不断增强，中心达到55 dBz，之后该强回波带缓慢向东移动，影响宁陵逻岗，致逻岗00—02时降水量达71.1 mm。8日02时(图 6f)该辐合线移过宁陵逻岗，其中段出现辐合中心，风场呈气旋式旋转。对应雷达回波上，影响逻岗的回波带随辐合线向东移动，并随地面辐合中心的产生而增强，中心达60 dBz，径向速度图上(图略)，8日01:36宁陵东南部出现中气旋，并持续7个体扫; 02—03时，大片块状强回波区维持在辐合中心附近(图 7e)，造成商丘新城02—03时1 h降水量为58.4 mm·h^-1，商丘郭村达94 mm·h^-1。8日03时以后，强回波随地面辐合中心东移，缓慢经过虞城谷熟，致谷熟04时降水量78.5 mm·h^-1。04时以后随着地面中尺度辐合中心消失，降水趋于减弱。由上分析可知，在商丘地区出现的多个地面中尺度辐合系统是第二阶段强降水的触发机制。地面中尺度辐合系统使其附近地面暖湿气流辐合抬升，触发对流强烈发展。而对流回波的移动与加强与地面中尺度辐合系统的演变相对应。

3.4 地面中尺度辐合系统的形成

地面中尺度辐合系统在此次强降水中起着非常关键的作用，并对局地强降水具有较好的指示性。下面尝试通过地面加密资料分析，寻找中小尺度辐合系统形成的可能原因。

冷暖平流的不均匀，致使地面气温升高或降低，形成中尺度温度梯度，进而造成地面辐合或辐散。利用地面1 h加密资料计算温度平流与温度，分析其变化场发现:地面中尺度辐合系统生成之前，该区域不断有暖平流输送。如7日10时，永城西边界有暖平流输送且中心值达60×10^-6 K·s^-1，11时该区暖平流继续增强、范围增大，中心值达120×10^-6 K·s^-1(图 8a)，随后该地有β中尺度辐合线生成(图 6a); 同时在永城中东部有暖平流区，中心值达90×10^-6 K·s^-1，随之该地出现γ中尺度的辐合线(图 6b)。分析09—11时温度变化(图略)，地面中尺度辐合线附近都有1~1.5℃的升温。7日傍晚第二阶段强降水，主要是由7日17与23时在商丘地区西部两次出现的地面中尺度辐合线自西北向东南移动过程中产生，由图 2可以看出，最强降水产生在7日21—23时和8日02—04时，由3.3节分析是由两个中尺度辐合中心触发产生; 温度平流场上发现，7日20时商丘中部有一暖平流中心60×10^-6 K·s^-1，20—22时变温场上，中尺度辐合中心区有1℃左右的升温; 7日23至8日01时，商丘中部偏西地区的辐合中心附近持续有暖平流，至8日01时暖平流中心值达到210×10^-6 K·s^-1，造成该地区短时间内升温达到2℃。暖平流导致局地温度上升，引起地面气压下降，温压场不平衡，在气压梯度力的作用下，该处地面空气辐合上升，触发对流强烈发展，导致局地短时强降水。

由上分析，在商丘地面陆续出现的暖平流，所引起的局地升温，是这次过程地面中尺度辐合系统形成的主要原因。而地面中尺度辐合系统对暴雨落区和强度有较好的指示意义, 通常强降水出现在辐合系统形成后的1~2 h内。

将对流云团、雷达回波与地面加密风场对比后得出:MCS范围明显大于雷达强回波区域，而MCS范围下雷达强回波的发展和中气旋的产生与地面中尺度扰动及强降水区域有很好对应关系。

4 结论

(1) 500 hPa低槽与中低层东西向切变线和低空西南急流相互配合、共同作用是此次大暴雨形成的大尺度环境条件。地面热力不均匀导致的局地升温是此次地面中度辐合系统生成的主要原因，而地面中尺度辐合系统的发生发展触发了中小尺度对流系统的发生发展，导致了局部大暴雨的产生。

(2) 多个中尺度雨团的活动形成了4个大暴雨中心，暴雨中心的出现与MαCS的生成—增强—减弱过程相伴，每次降水的强烈增幅都发生在MCS合并加强时期。强降水多发生在云顶亮温低值中心偏向温度梯度最大的区域，TBB梯度与降水强度成正比，当▽TBB/0.5°E≥34℃，并且TBB≤-63℃时，产生50 mm·h^-1的几率达到72%，30 mm·h^-1的强降水几率达到90%。当MCS发展成熟时强降水发生在中尺度对流云团TBB低值中心附近; 降水的猛烈增强发生在MCS合并加强时期，这个时期TBB值下降迅猛，当TBB在1 h内降低31℃以上时，1~2 h后该地将出现雨强为50 mm的短时强降水。

(3) 对流回波沿地面中尺度辐合系统移动、发展并加强，强降水出现在辐合系统形成后的1~2 h内，因此地面中尺度辐合系统对暴雨落区和强度有较好的指示意义。根据中小尺度对流云团的TBB强度及变幅，可提前1~2 h预报短时强降水。