引言

梅雨汛期是我国最为重要的雨季，持续性梅雨暴雨往往给长江中下游地区造成严重的洪涝灾害。陶诗言(1980)系统总结了我国梅雨的天气形势特征，分析了历史上持续性、极端性梅雨暴雨过程的天气特点。1998年长江中下游地区出现“二度梅”，持续性强降水在南方地区引发了严重洪涝灾害，中国气象局于2000年后组织了两次“973”项目以及南方暴雨野外观测试验，在南方暴雨中尺度观测分析、多尺度天气特征以及数值预报发展上取得丰富研究成果。丁一汇等(2007)总结了东亚梅雨系统的天气和气候特征，比较了中国梅雨与日本梅雨的特征差异，孙建华和赵思雄(2003)分析了1998年极端梅雨暴雨的异常环流特征，张庆云等(2003)研究了导致长江流域暴雨洪涝的夏季风环流和低频振荡特征。

梅雨锋具有副热带锋和斜压冷锋的混合性质，中国大陆地区的梅雨锋温度梯度较弱，湿度梯度明显并具有很强的低层风场水平切变(Chen and Chang, 1980；Trier et al，1990)，在地形、日变化等中尺度影响因子下，梅雨暴雨形成机制复杂；Chen et al(2006)研究表明对流潜热释放能够导致梅雨锋显著锋生和涡度增长，进一步导致梅雨锋暴雨发展机制的复杂性。张小玲等(2004)将梅雨锋暴雨概括为中尺度对流性暴雨、梅雨锋东部初生气旋引起的暴雨、梅雨锋西段高空低压槽前的持续性暴雨。近年来针对梅雨锋降水形成机制的研究更为深入，Luo et al(2014)分析了梅雨锋对流系统组织结构对降水的影响，Guan et al(2020)和Chen et al (2017)利用多源资料详细分析了梅雨锋降水的日变化特征，指出夜间急流增强与地形的相互作用过程对于梅雨锋降水维持和增强有重要影响，Fu et al(2017)基于数值模拟试验分析了大别山地形对低涡发展和对流系统的影响。

2020年6—7月长江中下游地区出现持续性极端梅雨降水，受强降水影响长江中下游地区出现历史罕见的洪涝灾害(刘芸芸和丁一汇，2020；张芳华等，2020)。根据国家气候中心监测，自2020年6月9日入梅开始(常年为6月14日)至7月31日出梅，梅雨期长达52 d(常年为29 d)，梅雨雨带基本稳定在西南地区东部至江淮地区，强降水天气过程多、间歇时间短、雨区重叠度高、累积雨量大。本文将初步概括2020年极端梅雨降水特征，分析异常强降水基本成因，针对两类梅雨暴雨过程的天气尺度和中尺度特征进行对比分析，进行初步的业务预报检验和预报偏差分析，提出可进一步深入研究的科学问题。

1 数据与方法

分析数据集(表 1)主要采用NCEP/GFS Analy- sis以及ERA5高分辨率再分析数据，实况数据采用从国家气象信息中心获取的中国国家级和区域级气象观测站降水数据集、CMORPH-QPE定量降水估测、全国组网雷达组合反射率以及ECMWF-HR等业务数值预报产品。CMORPH-QPE融合了全国加密自动站、多源卫星反演降水数据，评估结果表明具有较高的准确率(Shen et al，2010)。国家站气候背景采用国家气象信息中心整编的1981—2010年气候背景数据集。

文中使用标准化距平进行异常分析气象因子分析，定义物理量x的气候平均标准差σ为:

$ \sigma {\rm{ = }}\sqrt {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {{{\left({{x_i} - \bar x} \right)}^2}} }}{{N - 1}}} $

式中x为1981—2010年30年同期气候平均，则标准化距平I(无量纲量)为

$ I = \frac{{x - \bar x}}{\sigma } $

标准化距平表达了观测样本与气候平均状况的偏差程度。通常认为，标准化距平超出±0.5σ为“较为异常”，±2.5σ以上可用于判定极端天气事件中因子异常特征。

2 梅雨降水过程时空分布特征 2.1 降水时空分布特征

图 1a为2020年6月1日至7月31日区域观测站累积降水量，主雨带主要集中在贵州、四川、重庆至长江中下游地区，淮河流域到长江中下游流域降水量普遍超过500 mm，其中在长江沿江地区附近出现3个面积较大的超过1 000 mm的强降水区，分别位于①湖北东部到安徽西南部大别山区, ②江西东北部、安徽南部到浙江西部新安江流域, ③湖北西南部到湖南西北部；此外在重庆北部还存在一个面积较小的1 000 mm以上降水中心。安徽黄山、祁门、岳西，以及湖北鹤峰是国家站累积降水量前4名，累积降水量均在1 500 mm以上。强降水中心空间分布与长江中下游地形特征有密切的关系，图 1b表明6—7月累积降水量大于1 000 mm的国家站集中分布在湖北东部至安徽西南部的桐柏山—大别山区、安徽南部皖南山区，湖北西南部鹤峰强降水中心也与鄂西山区地形特征相关。

图 2为2020年6月1日至7月31日长江中下游流域国家站总降水量累积分布，长江流域降水量为550.4 mm，超过1998年同期，成为1961年以来最多。表 2为2020年6—7月长江中下游地区国家站和区域站降水统计，国家站降水量最大值出现在安徽黄山(1 720 mm)，区域站降水量极大值出现在安徽大别山以南的太湖站(2 161 mm)；单日区域站降水量最大值出现在7月7日江西鄱阳莲花山站(538 mm)。

2020年6月区域站累积降水量超过500 mm的降水中心主要分布在华南中北部和长江中下游沿江地区(图 3a)，高正距平区主要出现在长江以北(图 3b)，其中江汉、江淮和沿淮地区的降水量超出常年平均1倍以上，江汉西部、淮北地区部分地区超过2倍以上，6个国家站点降水量距平超出常年3倍以上。与6月相比，7月长江中下游沿江地区降水明显增强(图 4a)，500 mm以上降水区分布与6月降水中心基本重叠、面积扩大；从距平场分析7月长江中下游沿江地区超出常年同期2倍以上的面积显著扩大(图 4b)；湖北东部、江西中北部、安徽南部共13个国家站点降水量超过常年同期3倍以上，表明7月降水具有更强的极端性。

2.2 梅雨降水过程特征

2020年6—7月我国南方地区一共出现11轮强降水过程(表 3)，除6月2—9日华南至江南南部地区的强降水过程外，其余10次过程均集中出现在江淮地区，降水过程空间重叠度高、持续时间长、间隔时间短。从暴雨站次看，最强的两次过程出现在7月4—9日和15—19日，分别对应了长江中下游和淮河流域的最强降水过程。

图 5为我国南方地区6—7月CMORPH-QPE的时间-纬度变化，6月降水过程多以自北向南移动性过程为主，降水带和850 hPa风场切变位置南北振幅较大，降水持续时间相对较短。7月上旬降水集中在长江中下游沿江地区30°N附近，其中7月4—9日长江中下游地区降水过程持续时间长、强度大，在暴雨站次、区域平均雨量特征上均是2020年度最强的梅雨暴雨过程。降水过程发展前都伴随着低空西南风增强和比湿增加，降水区北界与偏南风纬度北界位置基本一致，强降水中心与急流中心的空间位置配合更好。

2.3 降水日变化特征

中国暖季降水具有显著的日变化特征，Yu et al(2007)指出超过6 h的持续性降水过程中最大小时降水量往往出现在清晨，而持续1~3 h的短时降水事件的最大小时降水量往往出现在午后。从2020年6—7月长江中下游地区CMORPH-QPE逐时降水量统计分析(图 6a)，降水存在双峰型分布特征，16—18时左右出现弱的午后降水峰值；20时入夜以后降水减弱，次日02时之后降水又开始增强，降水峰值出现在06—08时左右，强度显著强于午后降水。CAPE逐时变化表现为明显的单峰型分布，17时前后CAPE达到最高值，长江中下游的午后降水峰值与日变化造成的热力不稳定相关。

图 6b表明主降水带上游江南地区(25°~30°N、110°~120°E)850 hPa上低空急流的夜间活动频率显著增高，急流高频时段出现在05时前后。图 6c为江南地区850 hPa扰动风场逐时变化，扰动风场具有显著的惯性振荡特征，22时至次日07时之间为偏南风扰动，05时出现最大的西南风扰动，风场扰动峰值时间较降水峰值提前1~2 h左右，具有一定的预报指示意义。Chen et al(2017)研究表明，中国南方季风气流夜间加速过程对梅雨锋夜间降水的水汽、能量输送和对流发展都有重要作用，但夜间急流加强机制复杂，地形、辐射物理过程以及对流自身反馈作用都影响夜间急流的发展，仍然需要进一步研究。

3 持续性异常强降水的大气环流特征 3.1 大气环流异常特征

2020年6月中高纬度500 hPa鄂霍次克海阻塞高压异常强大(图 7a)，高度场正距平超过80 gpm，两个负距平中心分别位于中亚和远东地区，冷空气活动较为频繁。低纬度西太平洋副热带高压(以下简称副高)脊线位于20°N附近，副高脊线位置与气候平均接近，但副高西脊点明显较气候平均偏西，有利于副高西侧边缘出现较活跃的北上暖湿气流，长江中下游地区较早出现降水过程，这也是2020年梅雨日期开始偏早的原因之一。

7月天气形势特征发生一定变化(图 7b)，75°N以北极地地区受显著正距平控制，极地冷空气在贝加尔湖以北地区形成定常冷涡，中高纬度地区维持稳定的双阻塞高压形势，大尺度经向环流形势有利于冷空气南下活动。低纬度地区副高东段有显著增强北抬，然而副高西段脊线仍然位于20°N附近，较常年偏南2~3个纬距，副高北侧的梅雨锋仍然位于长江中下游地区；由于多次江淮、黄淮气旋入海发展，导致大陆东部海区上出现明显的负距平区。在高中低纬度天气系统的共同作用下，江淮地区6—7月出现异常长时间的梅雨降水以及极端累积降水量。

3.2 水汽输送异常特征

从2020年7月整层积分水汽通量分析(图 8a)，通过来自孟加拉湾—中南半岛和南海的两条水汽通道的汇合输送，从华南到江南形成高水汽通量区，长江中下游地区出现明显的水汽通量辐合，水汽通道特征与Zhou and Yu(2005)研究结果较为一致。从标准化距平分析，长江中下游地区水汽通量达到3 σ以上，有利于形成极端强降水。整层大气可降水含量(PWAT)平均分布(图 8b)表明，长江中下游地区PWAT平均值高于50 mm，在洞庭湖、鄱阳湖地区出现两个60 mm以上的PWAT高值中心，标准化正距平中心达到4 σ以上，环境水汽条件非常有利于强降水产生。

3.3 梅雨锋水平和垂直异常特征

梅雨锋是形成梅雨降水的重要影响天气系统，从2020年7月平均天气形势场分析(图 9)，在华北高压和副高之间形成稳定的东西向江淮低空切变线，江淮地区形成梅雨锋对应的正涡度区和低层辐合区。四川盆地位于青藏高原下游背风坡，盆地内形成定常低涡系统，若有明显的高空槽或者高原槽东移，往往带动低涡系统沿着切变线东移发展，在长江中下游地区形成大范围强降水过程。从850 hPa风场看，华南至江南地区盛行低空西南气流，而梅雨锋以北盛行偏东气流，梅雨锋两侧风场南北风标准化距平在0.5 σ~1 σ，有利于在梅雨锋区造成低层异常辐合和正相对涡度增长。

从长江中下游地区110°~120°E纬向平均的垂直剖面上(图 9b)，江南到江淮地区的600 hPa以下存在显著条件不稳定性，西南低空急流LLJ位于对流层低层850~925 hPa，高西风急流中心位于35°N、200 hPa附近，风速中心超过28 m·s^-1，低纬度地区东风急流中心高度超过100 hPa，在高低空急流的相互作用下，30°N附近能够形成的显著的高层辐散和低层辐合，有利于强梅雨降水的发展(矫梅燕等，2006)。从上升运动标准化距平看，中层上升运动距平在0.75 σ~1 σ，对应了梅雨锋区上的异常强上升运动，图 9c也表明梅雨锋降水峰值中心位于30°N附近的长江中下游沿江地区。

4 两次强梅雨暴雨过程的天气尺度系统特征比较

根据梅雨锋天气形势特征，梅雨锋暴雨可分为两类基本暴雨过程(朱乾根等，2007)，一类是由准静止梅雨锋、江淮切变线引起的强降水过程，降水带呈现准东西向分布并较为稳定；一类为高空槽配合江淮切变线上低涡移动，江淮或者黄淮气旋发展的降水过程，强降水带具有显著空间变化。根据表 3统计，6—7月降水过程共计有49个暴雨日，按逐日主要影响天气系统分析，以准静止梅雨锋活动为主的有29个暴雨日，占总暴雨日数的59%；存在明显低涡和气旋活动特征的有20个暴雨日，占总暴雨日数的41%。以7月5日作为准静止梅雨暴雨过程个例代表，以7月18日江淮气旋暴雨过程作为代表进行分析。

7月5日30°N附近500 hPa环流较为平直(图 10a)，低层850 hPa切变线稳定维持在长江中游沿江地区，暴雨区位于低空切变线附近到西南暖湿急流左前侧位置。降水回波以准东西向带状的层积混合型回波为主(图 10b)，强降水回波单体基本向偏东方向移动，降水强度一般为20~40 mm·h^-1，局地可超过50 mm·h^-1，由于降水带维持稳定、降水时间长，主降水带上34个国家站24 h累计降水量达到100 mm以上。

7月18日30°N附近有较清楚的高空槽(图 11a)，在槽前正涡度平流的作用下，低层切变线上有2个低涡系统发展并相继发展为江淮气旋出海，在气旋移动路径上形成大范围强降水。图 11b表明7月18日20时梅雨锋上形成两个中尺度对流系统(MCS)，MCS-P1和MCS-P2，其中MCS-P1与梅雨锋西段低涡系统相关，整体位于925 hPa切变线以北位置，在南侧的对流边界上存在多条基本平行的西南—东北走向β中尺度线状对流，在“列车效应”作用下局地降水强度可达20~40 mm·h^-1，降水强度时间变化明显。梅雨锋东段的MCS-P2位于925 hPa切变线南侧；强降水回波稳定维持在大别山南麓地区，降水强度可达30~60 mm·h^-1。从CMORPH-QPE降水的经度-时间变化特征看(图 11c)，MCS-P1具有显著的向东移动的特征，生命史超过12 h；而MCS-P2稳定维持，没有显著的移动特征，持续24 h的降水过程导致18日大别山地区降水量达到200~300 mm。

5 长江中下游暴雨预报偏差分析 5.1 TS/Bias评分检验

图 12为2020年6月1日至7月31日国家气象中心定量降水预报和业务数值预报评分，预报检验针对国家气象站。总体看大雨以上主观预报TS评分NMC_QPF有一定优势，其中暴雨TS评分为0.24，较EC降水数值预报高出26.3%。数值模式中NCEP-GFS降水预报TS评分较低，主要与其较低的模式分辨率相关。

从Bias预报检验上看(图 12b)NMC_QPF大雨和暴雨Bias评分较EC数值预报略偏高，表明预报员趋向于强降水预报。两个业务中尺度区域模式GRAPES-3 km和WARMS-9 km尽管具有较高的暴雨TS评分，但Bias均超过2.0，大量级降水空报较为严重。根据各家数值预报的TS和Bias评分来看，EC降水数值预报总体较为均衡可靠。

5.2 梅雨暴雨降水典型预报偏差分析

在短中期定量降水预报中，第一类梅雨暴雨过程中主雨带对持续而稳定，主客观预报都具有较高的预报能力，如在7月4—6日长江中下游地区出现持续稳定的雨带，过程降水的24 h暴雨TS评分达到0.3以上。

第二类梅雨暴雨过程伴随着低涡和气旋系统发展，主雨带具有显著时空变化，短中期数值天气预报具有较高不确定性。如在7月7—8日降水过程中(图 13)，随着华东地区高空槽东移和冷空气南下，降水带出现明显的南落，然而在ECMWF-HR提前2~3 d的预报中，江汉—江淮地区低涡移动偏慢、偏强，伴随有虚假的模式降水—潜热反馈效应，导致低涡中心附近的降水预报明显偏北、偏强。在7月17—19日、23—24日的降水过程中EC数值预报偏差也具有类似特征，0~72 h预报时效的低涡切变系统具有显著的“预报跳跃”(forecast jumpiness)现象(Zsoter et al，2009)，预报偏差与低涡-急流天气系统的预报调整有直接关系，其中关于数值模式初始条件、模式物理过程对预报偏差的影响仍然需要进一步研究。

6 结论与讨论

本文利用多源观测和分析资料，总结了2020年6—7月我国长江中下游地区极端梅雨过程基本特征，初步分析了梅雨天气系统特征和极端降水基本成因。

(1) 2020年6—7月长江中下游地区降水过程多、间隔短，空间重叠度高，长江中下游大部地区降水量较常年偏多1~2倍，安徽大别山区和皖南山区、江西北部等地局部地区偏多3倍以上，强降水中心分布与大别山、皖南山区和鄂西山区地形特征存在显著相关。6月多以移动性降水过程为主，7月上旬梅雨雨带稳定在长江中下游沿江地区，降水强度强、持续时间长，降水极端性更高。梅雨降水夜雨特征明显，07时前后降水强度最高，夜间降水增强与低空急流夜间增强过程相关。

(2) 6—7月大气环流异常特征显著，亚洲中高纬度维持稳定阻塞形势，中纬度地区多冷空气活动，进入7月后副高脊线西段始终维持在20°N左右，没有按照气候规律明显北跳，导致副高北侧的梅雨锋系统稳定维持在长江中下游地区；在来自孟加拉湾和南海地区水汽输送作用下，长江中下游地区整层水汽通量达到3σ以上，有利于出现极端降水过程。在低空西南急流、高空西风急流和东风急流三支气流作用下，江淮地区形成有利于梅雨异常强降水的低空辐合、高空辐散天气形势配置。

(3) 天气尺度上梅雨锋暴雨可分为准静止锋暴雨、气旋锋生暴雨两种类型，分别占暴雨日数的59%和41%；前者以稳定江淮切变线和准东西向雨带为主；气旋锋生暴雨伴随梅雨锋上的江淮或黄淮气旋发展，往往有与梅雨锋低涡伴随的长生命史中尺度对流系统，并具有更复杂的β中尺度对流雨带组织结构。预报检验表明第一类降水过程可预报性较高，而第二类梅雨暴雨过程具有较明显不确定性。初步分析表明在EC数值预报中往往出现低涡急流系统和降水潜热之间的非自然正反馈，导致明显的降水预报偏差。

2020年6—7月长江中下游地区极端梅雨天气气候成因复杂，在持续性梅雨强降水的中长期成因和可预报性、极端暴雨发生发展的中小尺度物理机制、地形和日变化特征对梅雨暴雨过程的影响等方面仍有众多问题需要深入研究。