引言

近些年来，随着全球气候变暖，导致大气环流异常。各种极端天气气候事件频发，造成气象灾害损失非常严重，特别是极端降水事件时有发生，它不仅导致土地积水、河道漫溢、农田毁坏、房屋倒塌，还会引发山洪、滑坡、泥石流、渍涝等次生灾害。2016年是典型厄尔尼诺次年，极端降水事件多发，其中湖北省就发生了典型的梅雨期极端降水事件。2016年入梅以来湖北省共出现了多轮区域性强降水，雨强大，范围广，极端性强，导致汛情险、灾情重，影响巨大。据统计，整个汛期湖北省有27县(市)出现极端日降水事件，7站日降水量突破历史极值，3站日降水量达到百年一遇，其中，仅6月30日至7月1日的强降水过程就有3站日降水量突破历史极值。

国内外关于极端降水的研究主要围绕以下三个方面：(1)极端降水的时空分布特征和变化趋势。如钱维宏等(2007)利用多年平均逐日降水资料分析指出我国极端强降水有增多的趋势。杨金虎等(2008)认为中国年极端降水事件的主要模态分布在江淮北部、湖南、四川西南部及西藏和新疆西部地区。李正泉等(2018)利用CMIP5模式对杭州市极端降水趋势进行了评估。(2)极端降水气候或大尺度环流背景影响分析。如Cavazos(1999)认为阿留申低压、北太平洋高压及ENSO可能是巴尔干半岛冬季极端降水的影响因子。Jones(2000)研究发现印度洋的低纬地区发生东风或西风异常、MJO强，则极端降水次数增多。张永领和丁裕国(2005)研究了我国东部极端降水和北太平洋海温的遥相关，发现太平洋海温异常是影响我国降水异常的关键因素之一。江漫和漆良波(2016)对极端台风降水的气候特征进行了分析，建立了极端降水台风综合指数。赵洋洋等(2013)对一次极端降水中环流形势极端性进行了客观分析。肖递祥等(2017)对四川盆地极端暴雨的基本气候特征进行了分析。高荣等(2018)对2016、1998年中国降水极端特征进行了对比分析。(3)极端降水事件的天气学及中尺度系统分析。如针对2012年7月21日北京极端降水事件一些学者做了分析，方翀等(2012)、孙继松等(2012)、谌芸等(2012)分析了此次极端降水过程的中尺度对流条件和特征、太行山脉的地形增幅作用和中尺度环境条件，孙军等(2012)则从降水效率、水汽、上升运动等方面探讨了此次极端降水的成因。另外，符娇兰等(2017)、陈涛等(2017)对2016年7月19日华北极端降水的相关天气特征进行了分析。

综合以上分析发现，学者们对于极端降水的气候方面研究较多，对于极端降水的天气成因方面研究较少，已有的研究主要集中于“7·21”和“7·19”典型个例的研究，而业务上对极端降水的预报无论主、客观方面都还比较欠缺。比如在2016年6月30日至7月1日湖北强极端降水预报过程中，EC和GRAPES全球模式预报降水量级与实况相比均偏小，强降水带偏西，湖北省预报员主观预报降水量级与实况相比偏小，数值模式和主观预报对于这次极端降水可能达到的强度均估计不足。基于此，本文从极端强降水事件中气象因子所呈现的异常特征方面，对2016年梅汛期6月30日至7月1日罕见的极端降水事件进行分析，探讨导致其形成的关键因子，以期为湖北省极端降水过程的预报预警服务提供有力的参考依据。

1 资料及方法

使用资料：2016年湖北省国家气象站和区域气象站日降水资料、高空地面实况资料；气候平均态采用1981—2012年NCEP/NCAR 2.5°×2.5°再分析格点资料。

极端降水阈值采用日降水量≥10 mm的子样本的第95%百分位的日降水量(Bonsal et al, 2001)，气象因子异常度计算方法采用标准化异常度法，公式如下：

$ N = \left( {X - \mu } \right)/\sigma $

式中，N表示因子的异常度，X为要素值，μ为气候平均值，σ为气候标准差，其中实际大气的气候平均和气候标准差根据1981—2012年的NCEP再分析资料，应用21天滑动平均法计算得到(Hart and Grumm, 2001)。标准化过程使要素趋于正态分布，根据Hart and Grumm(2001)对于正态分布要素，N的绝对值达到2.5σ以上意味着要素值发生的频率在5%~16%，可以说是历史上少有，因此可用N值大小判定极端事件中因子的异常特征，当然不同区域N的阈值也有所不同。

2 过程实况及降水极端性分析

2016年6月30日至7月1日，湖北省出现梅雨期最强的一次大范围大暴雨、局地特大暴雨过程，强降水从6月30日15时开始，7月2日08时结束，有156个区域站累积雨量超250 mm(图 1a)，最大雨量达到796.1 mm(位于黄冈红安市)，有37个国家基本站累积雨量超过100 mm，有20个国家基本站24 h雨量达到极端降水标准(日降水量≥10 mm子样本的第95%百分位)，其中有3个站24 h雨量突破1949年以来历史极值(图 1b)，分别是荆门(6月30日272.5 mm)、麻城(6月30日285.2 mm)、江夏(7月1日263 mm)。荆门强降水从6月30日15时开始，7月1日06时减弱，最强时段位于6月30日20时前后，最大6 h雨量达到134 mm；麻城的强降水开始于6月30日20时(图 1c)，1日08时前后出现降水峰值，最大6 h雨量达到196 mm；江夏的强降水开始于7月1日02时前后，一直持续到次日08时，最大6 h雨量为133 mm。该过程中对流类型以短时强降水为主，加密站(麻城天台山)最大小时雨强达到113.5 mm。

3 大尺度背景及天气形势特征

此次极端强降水发生初期(6月30日20时)，在500 hPa高度场上，欧亚中高纬度西风带为两槽一脊型，其中一脊位于贝加尔湖上空，乌拉尔山上空为低压槽，我国东北地区为另一较强的冷涡低槽(图略)，高度场上呈现出负距平，上述环流形势配置有利于东北冷槽后部冷空气南下影响湖北地区。从海平面气压场可看出(图略)，受槽后偏北气流影响，蒙古地区呈现出较常年同期偏强1.5σ的冷高压，冷高压的发展导致湖北北部不断有比常年同期偏强的冷空气扩散南下，同时湖北西南部有弱暖低压发展北上。在中低纬度(图 2a)，副热带高压(以下简称副高)呈东西走向稳定位于华南上空，呈现出范围较大的正距平，表明副高强度较常年同期偏强、面积偏大，有利于副高西侧西南暖湿气流向湖北地区输送。同时高原上有低槽东移，移至湖北西部时出现高度场负距平，表明低槽东移过程中加深，强度较常年同期偏强；到了7月1日08时，北方冷槽与南方高原槽发生结合(图 2c)，导致湖北上空低槽经向度加大，高度场上距平负值进一步增大，南北槽结合导致湖北上空高度场与常年同期相比显著偏低，为此次极端强降水的发生提供了充分的中层动力条件。海平面气压场上湖北中东部暖低压发展强烈，并呈现出低于-2σ的标准化距平(图 2b)，大气不稳定度进一步增加；7月1日白天至2日08时，500 hPa南北槽经历结合之后产生分离(图略)，但是由于高空槽和副高相持，提供了相对稳定的环流形势，同时也为极端降水的产生提供了很好的时间条件。综上可见，异常的高低纬环流形势相互配合并稳定维持，为湖北极端强降水事件提供了有利的环流背景。

在大尺度环流背景的影响下，此次过程中高低层系统相互耦合为极端降水的发生发展创造了很好的环境条件(图 2c)。低层低涡切变东移配合高层显著分流区的形成，有利于出现强烈的垂直上升运动，低空和超低空急流的强盛为极端降水的产生输送了充沛的水汽和不稳定能量，而地面上稳定的梅雨静止锋的形成导致降水持续时间较长，综合来看，极端降水区主要位于500 hPa高空槽前、副高边缘、200 hPa分流区中、低层低涡的右侧以及850和925 hPa急流轴的出口处。

4 气象因子异常特征 4.1 水汽因子

在极端强降水发生过程中，水汽是一个非常重要的因子(孙军等，2012)。根据物理意义和经验，低层大气的南风分量、整层大气可降水量(PW)是对极端强降水事件有指示意义的两个气象因子(杜钧等，2014)。本次过程中水汽来源于副高外围西南急流的输送，从南风距平的演变看，6月30日20时至7月1日08时，对流层低层850 hPa上湖北省中东部出现高于气候平均值2σ以上的南风距平(图 3a)，表明暖湿气流较气候平均态异常偏强，并且这种偏强的态势一直持续到7月1日20时。对应整层可降水量场上，自6月30日20时起，湖北省中东部开始出现>65 mm的可降水量大值区，对应标准化距平超过1σ，局部超过2σ(图 3b)，以荆门站为例，此次过程中PW最大达到65.2 mm，PW异常值最大达到2.18σ。为研究此次过程中PW及其异常值与本地气候值的对比情况，分别选取荆门站1981—2012年日降水量为暴雨以下量级、暴雨、大暴雨、特大暴雨四类样本作为统计对象，利用NCEP再分析资料，计算出荆门站上空气候PW值及其异常值的各种统计数值(图 3c、3d)，通过对比可见，此次过程中荆门上空PW值超过了所有级别降水样本PW的上四分位值，几乎等于特大暴雨的最大值，PW异常值则同样超过所有级别降水样本PW异常值的上四分位值，再次表明了这次过程中水汽的异常性特征。从荆门站逐6 h雨量演变与逐6 h的PW及其异常值演变的对应关系看(图 3e、3f)，PW值在极端降水开始前存在快速增加的趋势，而在极端降水结束后迅速减弱，PW最大值出现的时间与最强6 h降水出现的时间并不吻合，而PW异常值的演变趋势则与6 h降水的演变趋势极为一致，对于极端降水预报指示性更强。因此在极端降水的预报中，既要关注PW值的变化趋势及可能达到的最大值，又要关注PW偏离气候平均值的程度，以及这样一个异常度随时间的演变特征。

4.2 不稳定因子

该极端降水发生的过程中大气中存在非常好的热力不稳定性。从武汉站6月30日20时探空来看(图 4a)，CAPE值达到1660.9 J·kg^-1，属于中等大小的不稳定能量值，7月1日08时CAPE值减弱到758 J·kg^-1，随后数值逐渐减小。K指数也是常用来表征大气稳定度的一个常用指标，K指数的大值区通常与降水大值区吻合较好(张玉峰和张潜玉，2015)。本次过程中K指数从6月30日20时至7月1日14时则维持在39℃以上，从6月30日20时K指数以及异常值的水平情况看(图 4b)，湖北省中东部处于K指数>39℃的大值区中，该区域K指数偏离气候平均值达到了1.5σ以上。同样选取突破历史纪录的站点(江夏站)1980—2012年日降水量位于暴雨以下量级、暴雨、大暴雨、特大暴雨四类样本作为统计对象，利用NCEP再分析资料，计算出江夏站上空气候K指数值及其异常值的各种统计数值(图 4c、4d)，通过对比可见，此次过程中江夏K指数最大值(40℃)超过了所有级别降水样本K指数的上四分位值，几乎接近于所有统计样本的最大值，K指数异常值的最大值(1.61σ)则同样超过所有级别降水样本K指数异常值的上四分位值，表明了这次过程中热力不稳定条件也具有一定的异常性。从江夏站逐6 h雨量演变与逐6 h的K指数及其异常值演变的对应关系看(图 4e、4f)，K指数值在强降水的发生阶段变化较平稳，而K指数异常值则出现明显的2个波动，对应江夏站两个降水时段，因此在极端降水的预报中，关注到K指数异常度可能达到的最大值以及其演变特征也非常重要。此外，这次过程中低层干冷空气的侵入也使得大气不稳定性进一步增强(图略)，导致出现非常强的短时强降水天气。

4.3 动力因子

从以上分析可看出，此次过程中已经具备了较为异常的水汽和不稳定条件，若有某种触发条件导致水汽辐合抬升，并触发不稳定能量的释放，则将会进一步导致极端降水的产生。从图 2c中天气系统的相互配置可看出，本次过程中高低层系统的相互耦合作用非常显著，从6月30日20时至7月1日08时，低层850 hPa低涡切变逐渐东移并辐合加强，从7月1日02时850 hPa切变及散度标准化距平可看出(图 5a)，极端降水落区上空动力辐合较气候平均值偏强1.5σ以上，从200 hPa散度及标准化距平可看出(图 5b)，相对应极端降水落区上空动力辐散较气候平均值偏强0.5σ以上，低层异常强辐合配合高层强辐散，导致了异常强的上升运动(图略)。这样的一个强辐合程度在湖北省气候上排位如何呢？以麻城(突破历史纪录站点之一)为例，此次过程中850 hPa最小散度值达到了-10.1×10^-5 s^-1，散度标准化距平最小值达到了-2.15σ，从同样选取麻城站1980—2012年日降水量位于暴雨以下量级、暴雨、大暴雨、特大暴雨四类样本作为统计对象，通过对比可见(图 5c~5d)，此次过程中麻城上空850 hPa散度最小值低于几乎所有级别降水样本下四分位值，并且达到特大暴雨样本最大值，850 hPa散度异常值的最小值则同样低于所有级别降水样本下四分位值，表明了这次过程中动力辐合条件在历史上具有一定的异常性。从麻城站逐6 h雨量演变与逐6 h的850 hPa散度及其异常值演变的对应关系看(图 5e、5f)，强降水发生时段，两个值均有明显的下降，850 hPa散度的最小值出现在7月1日14时左右，落后于6 h降水最强时段(7月1日08时前后)，而850 hPa散度异常度的最小值则在7月1日08时前后出现一个低谷值，因此应综合利用这两个动力辐合方面的物理量来判断较强降水可能发生的时段。

5 异常气象因子配置图

通过以上分析给出此次极端强降水过程的天气概念模型如下(图 6a)：此次过程属于典型的江淮梅雨锋型强降水过程，500 hPa南北两槽合并后形成经向度较大的低槽，东移过程中受到副高阻挡移动缓慢，中低层有低涡沿着江淮切变线向东移动，低涡东侧有强盛的低空和超低空急流发展，为强降水发生提供了充沛的水汽条件，地面上前期暖低压发展强盛，后期有冷空气南下，形成稳定少动的梅雨静止锋，200 hPa上分流区的形成进一步增强垂直上升运动。

本次过程虽然属于常见的梅雨锋型强降水过程，但是在强降水发生过程中，由于各种气象因子表现出较气候平均值显著偏强的异常特征，因此导致了突破历史极值的强极端降水的产生，图 6b给出此次过程中各种因子的异常度定量配置。在此次强极端降水产生的过程中，极端降水上空200 hPa散度超过气候平均值0.5σ以上；500 hPa高度场上，极端降水区域上空高空槽区域高度场低于气候平均值-0.5σ以上，强降水右侧副高区域高度场超过气候平均值1.0σ以上；环境场因子方面：PW超过气候平均值2.0σ以上，K指数超过气候平均值1.5σ以上，850 hPa散度负值低于气候平均值1.5σ以上；海平面气压场上极端降水上空暖低压低于气候平均值-1.0σ以上，暖低压北侧冷高压高度场高于气候平均值0.5σ以上，综上可见，在此次过程中，水汽因子、不稳定因子、动力因子均表现出一定的异常性和极端性。

6 结论

本文通过对2016年6月30日至7月1日极端强降水事件发生过程中气象因子异常特征进行分析，得出如下结论：

(1) 这是一次由于南北槽结合使得湖北上空低槽经向度加大并东移加强的过程，高度场和海平面气压场均表现为异常偏低。在深厚的低槽的动力引导作用下，低层低涡强烈发展，导致低层动力辐合异常偏强，同时200 hPa分流区的形成导致垂直方向上动力抬升与常年同期相比显著偏强。低层低空急流的强烈发展南风距平表现出明显异常，而副高的稳定少动，则导致降水持续时间较长，进一步促使极端降水量的加大。

(2) 通过对极端强降水站点上空的气象因子异常特征做更深入的分析，发现本次极端降水过程中，突破历史极值的极端降水站点上空水汽因子(PW)、不稳定因子(K指数)和动力因子(850 hPa散度)绝对值均比气候平均值偏高了1.5σ以上，并且超过站点上空1981—2012年日降水量位于暴雨以下量级、暴雨、大暴雨、特大暴雨四类样本个例相关物理量值的上(下)四分位值，因此从气象因子的定量分析来看，同样表现出一定的极端性。

通过以上分析，在今后的极端降水预报业务中，可根据气象因子异常度的相关特征对极端降水可能发生的区域做出事先判断，因此具有一定的实际应用价值。然而在极端降水发生的过程中，除了大尺度和天气尺度气象因子表现出的异常特征之外，中尺度系统的演变特征和地形抬升作用也起到非常重要的作用，在今后的工作中需要做进一步的分析和总结。