引言

暴雨是重要的灾害性天气之一，常常造成内涝、洪水、泥石流等自然灾害，给人民生命财产安全和社会经济发展带来严重威胁，对暴雨的观测分析和预报预警一直是国内外气象工作者关注的焦点。研究表明，暴雨通常是在有利的天气背景和环境条件下产生的。黄明策等(2010)、孙俊等(2014)、杨舒楠等(2017)、赵娴婷等(2016)研究指出低空急流和超低空急流的发展增强和暴雨的发生具有密切的关系。谌芸等(2012)、廖晓农等(2013)研究指出2012年北京“7·21”特大暴雨水汽条件有较强的极端性。王啸华等(2012)、赵金霞等(2012)、栗晗等(2018)研究认为边界层辐合线是对流发生发展的重要因素之一。

早在20世纪80年代，陶诗言(1980)就指出梅雨锋降水是多尺度系统相互作用的结果。中尺度对流系统(MCS)往往是导致暴雨的直接影响系统(张弘和孙伟，2005；何立富等，2006; 梁红丽等，2018)。国内外针对MCS已经开展了很多研究。伍志方等(2018)研究指出在2017年广州“5·7”特大暴雨中，MCS成熟回波垂直结构上均呈低质心暖云降水特点。张楠等(2018)指出“后向传播”机制是雷暴产生强降水的重要成因。郑淋淋和孙建华(2016)通过数值试验研究发现垂直风切变的增强利于对流的组织化且易形成线状。Parker and Johnson (2000)将线状MCS分为3类：层云区位于对流区后部的尾随层状(tailing stratiform, TS)MCS, 层云区位于前部的前导层状(leading stratiform，LS)MCS和层状云平行于对流区的平行层状(parallel stratiform，PS)MCS，且研究指出层云区的形状与受对流层中高层系统相对气流影响的水汽平流有一定的关系。国内王晓芳和崔春光(2012)、王晓芳(2012)对长江中下游地区梅雨期线状MCS的组织类型和环境特征进行了统计分析，指出环境风相对对流线分量的垂直分布是决定线状MCS组织模型的重要因子。

2016年7月18—20日湖北出现特大暴雨过程，过程雨量大，极端事件多发，其中荆门马良站32 h降水达874.6 mm，其6、12、32 h降水均突破历史极值，极为罕见。本文即利用多种常规和非常规观测资料对此次特大暴雨过程的降水特点以及中尺度系统的发生发展特征和环境场条件进行诊断分析，以期对此类极端降水发生发展过程加深认识，为今后的预报提供思路。

1 资料与方法

所用的资料包括NCEP FNL 1°×1°逐6 h再分析资料、国家观测站24 h降水资料、逐1 h降水资料、湖北逐1 h区域自动站风场资料、常规探空资料、多普勒雷达组合反射率资料、单站雷达资料(荆州站)、边界层风廓线雷达探测资料(荆门站)和地基GPS/MET水汽监测资料(湖北)。其中，地基GPS/MET水汽监测资料为大气整层可降水量，是利用湖北省气象局建设接收的GPS/MET站点资料及相关地面资料，通过GAMIT解算软件并采用一定的反演方法(徐桂荣等，2010)计算得到的。国内多名气象工作者对湖北省GPS/MET数据质量进行了检验，指出GPS/MET数据与常规探空资料有较好的相关性，相关系数达0.9以上(王继竹等，2014；付志康等，2017)。

基于多源观测资料，运用诊断分析和对比分析的方法，对2016年7月18—20日特大暴雨过程的降水特点以及中尺度系统的发生发展特征和环境场条件开展了分析研究。

MCS环境风的计算是用荆门风廓线雷达探测的各层次平均风场代表环境风场，将其投影到对流线移向上再减去“对流线”本身的移速，即得到相对于MCS平均风场的垂直分量，正值代表相对于MCS移向向前，负值代表相对于MCS移向向后。将环境风场投影到平行于对流线的方向，即得到相对于MCS平均风场的平行分量。

2 降水概况和环流背景 2.1 降水概况

2016年7月17—20日，湖北地区出现强降水过程，造成鄂东北部、江汉平原北部、鄂西南局部地区出现严重洪涝灾害，倒塌房屋8771间，370万余人受灾，死亡18人，失踪3人，农作物受灾面积为330 980 hm²，直接经济损失达121.6亿元。此次降水过程特点：(1)降水强度大，极端事件多发。7月18—20日72 h累计强降水带呈东北—西南走向，强降水中心位于荆门附近(图 1a)。9站出现极端日降水事件；3站出现连续降水极端事件，其中随州、京山突破历史极值。荆门市沙洋县马良镇32 h(7月19日02时至20日09时)累计雨量为874.6 mm，其6、12、32 h累计雨量均突破了湖北省有气象记录以来的历史极值。(2)高强度降水持续时间长。马良镇20 mm·h^-1以上的强降水持续了8 h，累计雨量为599.8 mm，50 mm·h^-1以上强降水持续了5 h，其中最强小时降水出现在19日06时，达110.6 mm·h^-1(图 1b)。

2.2 天气背景分析

2016年7月18—20日的环流形势场(图 2)显示，在500 hPa上，中高纬度西风槽发展东移，湖北地区主要受到槽前西南气流影响。在700 hPa上，18日20时，西南低涡位于川东，暖切变线位于湖北中部。高假相当位温舌区从西南向东北伸展至湖北境内，其南侧伴随中心16 m·s^-1以上的西南低空急流，至19日14时，高假相当位温舌区范围逐渐扩大，低空急流强度逐渐增强(图略)。可见，湖北地区对流层低层暖湿空气进一步增强。19日20时，低涡暖切东移北抬，湖北地区主要受低涡后部冷切变线的影响。湖北境内高假相当位温舌区逐渐变窄，其北侧假相当位温锋区逐渐南压，西南低空急流伸展至鄂东，范围扩大，中心强度增强至20 m·s^-1以上。综合小时降水和天气形势的演变特征，可以将降水划分为两个阶段：第一阶段(19日01—17时)，为暖区强降水；第二阶段(19日20时至20日09时)，为锋面强降水。两个阶段降水都伴随强盛的低空急流，为强降水的发生输送了充足的水汽和不稳定能量。

3 环境场特征 3.1 水汽条件

充沛的水汽是强降水产生的必要条件，大气可降水量(简称PWV)是表征整层大汽的水汽含量的物理量。从湖北GPS/MET组网探测的PWV分布(图略)来看，7月18日20时，湖北中部大部分地区PWV在60 mm以上，在18日夜间至19日凌晨，马良站附近PWV迅速增加。19日00—23时，马良站附近钟祥GPS监测的PWV维持在67~75 mm (图 3)。研究指出PWV达到70 mm是大气中非常极端的水汽条件(Tian et al，2015)。田付友等(2017)统计指出我国中东部大于80 mm·h^-1的短时强降水天气的PWV均值为59.9 mm。可见，7月18—19日马良站附近水汽条件非常有利于短时强降水的发生。

3.2 探空分析

从7月18日和19日20时的武汉探空(图 4a)来看，两个阶段强降水发生前，低层和高层都趋于饱和。抬升凝结高度和自由对流高度均较低，CAPE值分别为700.9和2237 J·kg^-1，K指数分别为40和41℃。整体上看层结条件都较为有利。通过分析各层风场发现，18日20时，0~6 km垂直风切变为2.3 m·s^-1，为弱垂直风切变。Davis(2001)指出对流层整层相对湿度越大，垂直风切变越小，雨滴越不容易蒸发，降水效率越大。19日20时，0~6 km垂直风切变增强为15.5 m·s^-1，达到中等以上垂直风切变。郑淋淋和孙建华(2016)指出垂直风切变的增强有利于对流组织成线状。

4 第一阶段中尺度特征及形成维持机制 4.1 雷达回波演变特征分析

暖区强降水期间，雷达回波的演变分为3个阶段。

第一阶段为稳定少动的块状回波形成。7月19日01时(图 5a)，马良南侧形成45 dBz以上的对流回波A，分为南北两块，北侧对流回波迅速经过马良站，南侧对流回波西侧和南侧不断有新单体生成并迅速增强至45 dBz后并入强回波。02:12(图略)，原强回波A的南侧对流回波移至马良站上空，之后稳定少动，维持在马良站附近。至03时(图 5b)，回波A中40 dBz以上的强回波已经发展为椭圆形块状回波，且回波中心强度达到55 dBz。04:12(图 5c)，45 dBz以上面积扩大一倍，聚合成一个中心强度55 dBz以上的东北—西南向椭圆形块状回波单体，其西南侧又有新生单体生成并入，50 dBz的强中心逐渐连成一条线，位于强回波的南侧。

第二阶段为具有“穹窿”结构的强单体形成。05时(图 5d)，强回波A进一步发展，成为一个结构密实的圆形块状回波单体，50 dBz以上面积扩大一倍，回波强度达到最强。强单体A稳定维持在马良站，导致马良站出现了最强的2 h降水(05时97.3 mm·h^-1，06时110.6 mm·h^-1)。

荆州单站雷达资料显示，19日04:23，0.5°仰角上，强单体A东南前沿出现了V型缺口(图 6a)，同时在0.5°径向速度场上可以看到出现了中涡旋，旋转速度为12 m·s^-1(图 6b)，1.5°仰角上也可以看到V型缺口(图 6c)，径向速度场显示旋转速度为13.5 m·s^-1(图 6d)。两个仰角上都出现了涡旋，且旋转速度达到了弱中气旋的标准，可判断出现了弱中气旋。弱中气旋的特征维持了两个体扫。在剖面图上(图 6e)，可以看到回波顶高18 km左右，回波中心强度在2 km左右，达62 dBz，回波质心较低，50 dBz以上强回波在7 km以下，19日08时的零度层高度为5190 m，50 dBz回波最大伸展高度仅高于零度层2 km左右，大部分还位于大气零度层以下，具有暖云低质心降水的特征。整体回波呈倾斜结构，45 dBz强回波向南侧倾斜，“穹窿”前方清晰可见弱回波区缺口，45 dBz以上强回波位于“穹窿”区上方。“穹窿”内部回波强度较小，说明此时维持着强盛的上升气流，使得强单体能够长时间维持。

第三阶段为多单体风暴的形成，08时(图 5e)，强回波A已经减弱移出马良站，其西南侧的强回波迅速向东北移动并入回波A，回波A进一步增强，形成东北—西南向椭圆形多单体风暴。09时，40 dBz以上强回波面积扩大至最大(图 5f)，缓慢东移，造成了马良站再次出现94.5 mm·h^-1的强降水。在荆州单站雷达资料显示的剖面图上(图 6g)，可以看到此时对流系统由多个单体构成，中心强度在50 dBz左右。09:53，强回波迅速减弱消散(图略)。

从卫星云图上看(图 5)，第一阶段强降水发生时，云顶亮温呈椭圆形，非对称分布，-50℃的TBB等值线基本上盖住了湖北地区25 dBz以上的大片回波，梯度大值区位于东侧，A作为整个镶嵌在大片层状回波中的一个强单体，位于东侧TBB梯度大值区，TBB低值中心的西北侧，TBB低值中心低于-75℃。

综上所述，可以看出马良站第一阶段的强降水主要由镶嵌在大片层状回波中的强单体A造成，它位于云顶亮温梯度大值区，具有稳定少动、上游新生单体并入的特征，在强盛阶段发展成为嵌有中气旋的强单体。在垂直结构上表现为低质心暖云降水的特点，强盛期具有向南侧倾斜的穹窿结构。

4.2 强雷暴形成维持机制

在第一阶段强降水过程中，强雷暴稳定维持造成了19日马良站03—07时连续5 h小时降水超过50 mm·h^-1。强雷暴的维持与低空急流的发展密切相关。马良站附近荆门风廓线雷达显示(图 7a)，在19日02—08时，1000~2400 m对流层低层一直维持着12 m·s^-1以上的西南急流，且于02时和04时两次出现急流的向上扩展，05时左右向下扩展，出现1000 m以下的超低空急流。马良站位于荆门站的东侧，低空急流出现脉动，湿层的增厚促使强雷暴增强和维持。

强雷暴在马良站附近稳定维持，后向传播也是重要的原因之一。18日23时(图 7b)，沙洋至荆州一带地面风场中东北风和东南风产生辐合，呈东北—西南走向，地面辐合线为初生对流单体的触发提供了动力辐合条件。此时马良站附近为东南风。19日03—07时(图 1b)，马良站一直维持着强降水。04:23荆州雷达径向速度剖面(图 6f)显示，近地层有一定的负速度，延伸至2 km左右。由于荆州站位于强单体的西南方向，表明单体内由于降水拖曳等作用产生了偏北的辐散出流。马良站附近地面的风场可能受到降水辐散出流等影响，由东南风转为东北风，与南侧的东南风形成辐合(图 7c)。在强回波上游(西南侧)不断激发出新生单体。风廓线显示(图 7a)，中层为西南风，受西南引导气流影响，新生单体逐渐东北移并入强雷暴，因此强雷暴在马良站附近稳定少动，且与新单体多次合并，强度得到维持加强。另一方面，1000 km以下为偏南风，3000 km左右逐渐转为偏西风，低层垂直风切变与雷暴偏北风出流的方向配置使得对流容易垂直向上发展，有利于雷暴的加强和维持。

最大小时强降水出现在19日05—06时，强雷暴也发展到最强盛的阶段。在最强小时降水出现之前，19日04:23和04:29，强雷暴中出现了中气旋和穹窿结构。从风廓线随时间的演变上看(图 7a)，19日03：30以后，4000 m以上逐渐由西南风转为偏西风，至04时，已转为偏北风，此时，强单体已经发展成中心强度55 dBz以上的椭圆形块状回波单体，高空转为偏北风，导致垂直风切变增强，利于中气旋结构的出现。中气旋加强了雷暴主体内气流的旋转，旋转的上升运动使得雷暴进一步强烈发展。

5 第二阶段中尺度特征及形成维持机制 5.1 雷达回波演变特征分析

19日22:18(图 8a)，鄂中形成三条平行的东北—西南向对流线A、B、C，逐渐向东北方向移动。19日23:48(图 8b)，东侧的对流线C减弱消失，西侧和中部的对流线发展加强，中心回波强度在50 dBz以上，之后西侧对流线A逐渐合并到中部对流线B中，20日00:48(图 8c)，已经形成了东北—西南向平行层状MCS(PS型MCS)，系统整体呈带状分布，对流线两侧有狭窄的层状回波区。新单体在系统西南侧荆州一带不断产生发展，向东北移动平行并入强对流回波区。系统在01时之前，移动缓慢，整体较稳定地维持在鄂中，01时之后，移动加速。20日02:18(图 8d)，PS型MCS已经移过马良站，45 dBz以上回波断裂成几块，结构变得松散，迅速减弱，转为非线状MCS。20日03:18(图 8e)，在PS型MCS减弱回波的西南侧，有新对流回波D生成，迅速东北向移动，经过马良站后减弱消散。其后非线状MCS中不断有对流回波发展增强并向东北方向移动(图 8f)。

从荆州单站雷达资料看(图 9a)，20日00:45，在雷达径向45°，距雷达25~150 km处是PS型MCS。沿雷达径向45°做剖面图(图 9b)，PS型MCS由多个单体排列组成，最强的单体回波顶高在16 km左右，50 dBz回波伸展高度在4 km左右，强度较第一阶段强雷暴偏弱，19日20时的零度层高度为5643.6 m，主要为暖云降水。

从卫星云图上看(图 8)，第二阶段强降水发生时，云顶亮温呈长椭圆形，对称分布，沿云团长轴两侧的云顶温度梯度大，雷达回波中强对流区对应于TBB低值区，TBB低值中心低于-70℃。两个阶段TBB中心值对比，第一阶段云顶亮温更低，云团发展更为强烈。

综上所述，可以看出马良站第二阶段的强降水主要由PS型MCS和非线状MCS造成，PS型MCS呈东北—西南向带状分布，层状回波分布在对流线两侧，具有前期稳定、后期加速东移、上游新生单体并入对流线的特征，在垂直结构上表现为多个具有低质心暖云结构的对流单体依次排列。值得注意的是，与第一阶段强雷暴中出现的上游新生单体并入比较，PS型MCS中新生单体由于离主体回波有一定的距离，可以在得到足够发展后再被并入系统中，成为一个独立的单体。而强雷暴中的新生单体在刚生成不久后就被强雷暴吸收，合并为强雷暴的一部分，强雷暴得以加强。

5.2 PS型MCS形成维持机制

在第二阶段中，PS型MCS是19日22时至20日02时主要的影响系统，虽然较第一阶段强雷暴的降水强度减少很多，但是5 h累计降水也达到了51.7 mm，其中2个时次出现了10 mm·h^-1以上的强降水。PS型MCS由多个对流单体排成一列，马良站强降水主要是受到MCS对流线和西北侧的层状回波的共同影响。由于有些时次对流单体经过马良站，有些时次层状回波经过马良站，所以造成的马良站最大小时降水仅为23.3 mm·h^-1，较第一阶段强雷暴导致的强降水明显偏小。PS型MCS的形成需要有利的环境风条件，王晓芳和崔春光(2012)研究指出PS型MCS以平行于对流线方向的平均风分量最为显著，且随高度增大。本文运用风廓线雷达探测的水平风的垂直分布，计算了平行于对流线的平行风分量和垂直于对流线的垂直风分量。如表 1所示，从低层到高层相对于对流线的平行风分量都远大于垂直风分量，但是与王晓芳和崔春光(2012)研究不同的是，平行风分量随高度呈现先增大后减小的趋势。

PS型MCS的形成维持需要充足的水汽供应。风廓线显示(图 10a)，19日20时至20日00时，整层都是强盛的西南风。1000 m以下维持15 m·s^-1以上的超低空急流。00时以后，2000 m以上也是一致的西南风，3000 m左右间断出现12 m·s^-1以上的低空急流。整层强盛的西南风，低空西南急流和边界层急流对PS型MCS的形成维持起到了重要作用。

PS型MCS的维持机制主要是新单体在上游荆州地区不断生成，迅速发展增强后并入对流系统。从地面加密风场可以看出，19日22时(图 10b)，南北各存在一条东北—西南向辐合线，北侧辐合线位于荆门，与主体回波位置接近。南侧辐合线位于荆州，与新生单体回波位置接近。至20日00时(图 10c)，北侧辐合线略有东移，底部移近马良站，为PS型MCS主体回波的维持提供了有利的辐合条件。南侧辐合线一直稳定维持在荆州附近，利于为新生单体的持续生成。新生单体在强盛的西南引导气流(图 10a)的作用下并入回波主体，使得PS型MCS发展加强。至20日01时(图略)，北侧辐合线进一步东移，底部已经移过马良站。荆门风廓线图显示，00:48近地面转为西北风，至01:42，1000 m左右也出现偏北气流，并迅速向上扩展，至02:54，2000 m以下都转为西北气流控制，低层由西南风转为西北风，风速较小，说明低层有冷切变经过荆门地区。弱冷空气从低层侵入，可以造成暖湿空气的被迫抬升，导致凝结释放潜热，促进对流的发展。但是由于近地面冷空气的侵入也加速了PS型MCS的东移，至02:18，回波主体已在马良站偏东约50 km处(图 8d)。但是，南侧辐合线仍然稳定在荆州一带，新生单体也一直在荆州一带生成发展，受西南引导气流影响在主体回波西侧发展，不能及时地并入主体回波，PS型MCS迅速减弱消散。

6 结论与讨论

2016年湖北7月18—20日特大暴雨是一次极端降水过程，具有降水强度大，极端性强的特点，本文通过分析多种常规和非常规资料，分析了不同阶段的中尺度系统和环境条件：

(1) 极端降水分为暖区降水和锋面降水两个阶段，暖区降水效率高，高强度降水持续时间长，锋面降水小时降水量峰值相对较小，高强度降水持续时间较短。

(2) 此次过程是在高空槽、低涡切变和低空急流的共同作用下造成的，暖区降水伴随着低空暖湿气流的加强扩展，锋面降水伴随着假相当位温锋区的南压。两个阶段的不稳定条件都非常有利于短时强降水的发生，且都具有较为极端的水汽条件。

(3) 西南低空急流出现脉动，湿层的增厚促使第一阶段强雷暴发展维持。初生对流单体在地面风场辐合的作用下触发，向东北方向移动的同时发展增强为块状强回波。可能受到雷暴偏北出流的影响，马良站附近地面转变为东北风，与南侧的东南风形成辐合，不断在强回波上游激发出新生单体，并向东北方向移动并入强回波，使得强回波稳定少动，强度加强。强盛阶段，强雷暴具有暖云低质心的特征，出现向南倾斜的穹窿结构。低层垂直风切变与雷暴偏北风出流的方向配置使得对流容易垂直向上发展。垂直风切变的增强，促使中气旋结构的出现，中气旋加强了雷暴主体内气流的旋转，旋转的上升运动促进雷暴维持发展。

(4) 环境风从低层到高层相对于对流线的平行风分量都远大于垂直风分量，利于第二阶段PS型MCS生成。PS型MCS呈东北—西南向分布，对流线垂直剖面呈现多单体依次排列的特征。新生单体在系统西南侧地面辐合线的作用下不断生成发展，在西南气流的引导下并入对流线，促使PS型MCS增强维持，移动缓慢。后期，近地面冷空气的侵入加速了PS型MCS主体回波的东移，造成了主体回波与新生单体出现分离，PS型MCS迅速减弱消散。PS型MCS影响期间，马良站受其对流线和西北侧层状回波的影响，小时强降水明显较第一阶段偏弱。

本文仅从天气形势、中尺度特征、环境条件等方面诊断分析了7月18—20日的特大暴雨过程，未能仔细分析马良站东北侧大洪山地形的影响，地形对此次强降水过程的影响还有待于开展数值模拟试验进一步详细研究。