暴雨是夏季发生的主要气象灾害之一，具有突发性强、降水量集中且发生发展机制复杂等特点，常伴有雷暴、大风和冰雹等强对流天气。极端性降水天气容易引发山洪、泥石流、城市内涝、农田渍涝和滑坡等次生衍生气象灾害，给农业生产、生命财产安全等带来损害[1]。近年来，较多研究者对极端降水、暴雨等气象进行了深入研究。肖雨霞等[2]对贵州习水某次特大暴雨天气过程的成因进行了分析，发现低涡切变和地面辐合线在该地长时间稳定维持是此次特大暴雨的主要原因；张凌云等[3]分析指出，地面辐合线是触发暴雨的一项重要机制，迎风坡抬升和喇叭口地形对暴雨有重要的增幅作用；陈绍河等[4]研究表明，山区大暴雨的出现和低层西南急流、地面中尺度辐合线密切相关。
本文以2020年6月27日发生在湖北宜昌夷陵区的一次暴雨强对流过程为例，从大气环流形势、物理量诊断等角度分析强对流天气成因，为后期实际预报服务工作提供参考。
1 材料与方法
1.1 研究区基本情况
湖北宜昌夷陵区位于长江西陵峡畔、长江中上游的分界处，属鄂西山区向江汉平原的过渡地带。（110°51′8″~111°39′30″）E，（30°32′33″~31°28′30″）N。海拔高度500 m以下，以中亚热带季风气候为主，平原、丘陵、岗地和山区交错分布。受地势影响，该地气候垂直差异较大。
1.2 数据来源及天气实况
研究数据来源于夷陵国家基本气象站6月27日常规地面和高空气象观测资料、逐日和逐小时地面气象自动观测站（包括国家站和区域站）资料和多普勒雷达资料。通过Micaps 4软件得出高空观测天气实况，6月27日8：00起，研究区普降暴雨到大暴雨，局部特大暴雨，部分站点降水量超过200 mm。据统计，27日8：00至28日8：00，全区累计降水量大于50 mm的有25站，大于100 mm的有17站。其中最大累计降水量199 mm，发生在鄢家河站；最大小时雨强56.7 mm（27日11：00—12：00），发生在小溪塔街道仓屋榜站，降水相对集中，导致城区内涝严重。
1.3 研究指标与方法
1.3.1 大气环流形势分析
通过天气实况，分析27日暴雨天气过程的环流形势，包括中纬度低槽、西南急流、副热带高压和低涡切变等强度，以及其位置变化情况，以展现当时暴雨天气的环流特征。
1.3.2 物理量诊断分析
利用高空气象观测站的T-logP探空结果、地面自动站的湿度及露点温度数据，分析暴雨天气过程的大气环境特征。通过分析环境条件、水汽条件、动力条件和持续时间等物理量特征，来判断此次暴雨天气过程的形成原因。
1.3.3 雷达回波分析
利用多普勒雷达资料，通过PUP软件得出雷达拼图，以实时雷达拼图分析系统的实况路径和回波强度变化。回波越强，代表该地区发生的强对流天气越强烈。
1.3.4 EC数值预报检验
通过ECMWF（European centre for medium-range weather forecasting）细网格模式、全球中期数值预报系统（Global/regional assimilation and prediction system，GRAPES-GFS）模式与NCEP（National centers for environmental prediction）模式3种模式，对27日暴雨天气过程进行检验，在3种模式下预报得出此次过程的量级及强度。
2 结果与分析
2.1 大气环流形势
27日8：00，500 hPa极端暴雨天气环流形势如图1A所示。中高纬为两槽一脊形势，两槽分别位于乌拉尔山以东和贝加尔湖以东，脊位于贝加尔湖附近，青藏高原西侧有大槽分裂出来的小槽东移，槽后有偏北气流引导冷空气南下[5-6]；受河套地区高压脊阻挡，其西部低槽移动缓慢。副高脊线稳定维持在20° N附近，中纬度低槽受副高阻挡移动缓慢，至27日20：00维持在重庆—贵州一带，中纬度低槽与副高位置接近，气压梯度大，使得低空急流发展强烈。700~925 hPa低空急流和超低空急流强劲，且急流轴位置接近，上游怀化站850 hPa西南风强度达到20 m/s，水汽输送集中，为本次强降水过程提供大量水汽和不稳定能量。与中纬度低槽相配合的中低层为明显的低涡切变，700和850 hPa低涡中心位置近乎重合，均位于川东，研究区位于暖切南侧的暖区。200 hPa高空急流强盛，急流核位于山西—河北一带，强度达72 m/s，研究区位于高空急流入口区右侧，高空辅散、低空辅合，强烈的辐散抽吸作用有利于低层低值系统发展，进而使得研究区气流的上升运动维持并加强。
27日20：00，500 hPa极端暴雨天气环流形势如图1B所示。槽前处于西南气流正涡度平流，低层暖湿西南急流加强北推。随着副高逐渐西伸北抬，中纬度低槽略微北抬，低涡仍位于川东，但其东部暖切位置向东扩展，低空急流轴东移且范围变得更加宽广，最强的辐合区及水汽输送区均东移，研究区动力和水汽条件减弱，降水强度减弱。27日夜间，冷切南压，低空急流再次发展，研究区出现中雨，局部暴雨。
本次降水是一次发生在副高外围，由高空槽东移、中低层切变线、低空急流和梅雨锋共同作用形成的梅雨期特大暴雨过程，强而窄的水汽输送带为研究区集中强降水输送了大量的水汽和不稳定能量，高空急流的辐散抽吸作用使降水的动力条件进一步加强。
2.2 物理量诊断
2.2.1 环境条件
27日8：00和20：00宜昌站物理量诊断情况如表1所示。27日8：00，850 hPa露点温度18.0 ℃，比湿达15.25 g/kg，达到宜昌地区出现暴雨的水汽标准。K指数39.3 ℃，沙氏（SI）指数-0.7 ℃，说明大气层结具有一定的不稳定性；0 ℃（温度为0 ℃时的气层，也称零度层）层高度5.5 km，抬升凝结高度0.5 km，暖云层深厚，因此降水以暖云为主，降水效率高。对流有效位能（Convective available potential energy，CAPE）值208.3 J/kg，适当的对流有效位能为气流上升运动提供能量，且可使水汽基本处于暖云层高度，有利于提高降水效率。0～6 km垂直风切变15 m/s，为中等强度垂直风切变，有利于出现多单体风暴等较强对流。因此，27日上午，宜昌地区水汽条件充沛，湿层深厚，暖云层深厚，有利于出现高降水效率的强降水天气。
表1 27日8：00和20：00宜昌站物理量诊断情况 |
| K指数/℃ | CAPE/（J/kg） | SI指数/℃ | 0~6 km垂直风 切变/（m/s） | 850/700 hPa 比湿/（g/kg） | 850 hPa露 点/℃ | 700 hPa露点/℃ | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 8：00 | 39.3 | 208.3 | -0.7 | 15 | 15.25/10.7 | 18.0 | 9.6 |
| 20：00 | 38.6 | - | 0.7 | - | 14.96/12.9 | 17.7 | 12.4 |
|
2.2.2 水汽条件
水汽在极端暴雨中发挥十分重要的作用，大的水汽通量是出现暴雨的必要条件之一。此次极端暴雨过程的水汽通道从南海经广西、湖南西部进入研究区，27日12：00前，850 hPa低空急流强度达20 m/s，水汽通量最大，达30 g/（s·hPa·cm）；随后逐渐加强并缓慢朝东北扩大范围，为研究区强降水提供了充沛的水汽条件[7-8]。该日上午强降水中心与850、925 hPa的水汽辐合中心良好对应，下午与700 hPa的水汽辐合中心良好对应[9]。大气中，水汽一般聚集在低层，尤其是行星边界层，因此，上午水汽辐合中心基本上在行星边界层，水汽更为充沛，对应的雨强更大；下午水汽辐合中心集聚位置相对较高，水汽含量相对较弱，雨强有所减弱。
2.2.3 动力条件
在暴雨形成过程中，动力因子是重要的触发机制之一，须具备强烈的抬升运动才能形成暴雨，并促进对流天气的发生发展。27日上午，研究区位于高空急流中心右后侧以及低空急流中心左前方，此区域形成了高空辐散、低空辐合的高低空配置，有利于对流层中低层形成强烈的上升运动，进一步促进了暴雨天气的发生和发展。
2.2.4 持续时间
降水时长与直接造成降水的中尺度对流系统（Mesoscale convective system，MCS）移动有关，如果单体移动方向和传播方向相反，那么MCS的移动就比较缓慢。12：00前，研究区西南方向不断有对流单体生成，然后受高空西南气流引导朝东北方向移动，对流单体反复经过研究区，形成明显的“列车效应”，从而造成强而集中的降水[10]。27日8：00，MCS生成于850 hPa切变线南侧，低空急流轴左前侧、水汽辐合区内。“列车效应”的形成与影响系统的东移速度变慢有关。在此次极端暴雨过程中，中纬度西风槽和中高纬冷槽势力均较弱，受东部强盛副高的阻挡，移速相对较慢。此外，有利的水汽输送条件、动力抬升条件和中尺度环境条件均在宜昌附近聚集，使研究区对流单体不断生成，并最终形成“列车效应”。
2.3 雷达回波
通过分析雷达回波发现，9：00—12：00雷达回波受高空西南气流引导，从西南向东北平移，形态较为分散，但在移动过程中不断合并发展；同时后部又有新生单体生成，移向与前方单体一致。因此，在宜昌城区西南部不断有回波生成，并朝东北方向移动，新旧单体移向一致，重复经过研究区，形成明显的“列车效应”[11]。强降水集中在9：00—12：00，此时研究区附近雷达回波范围较大，从南部至西南部均存在45~55 dBz的强回波，且强回波维持近3 h。城区附近回波受静锥区影响，未观测到更高的反射率因子，此时回波质心较低，45 dBz以上的强回波基本位于0 ℃层高度以下6 km以内，属于热带海洋型强降水回波。16：00之后，受第二波强回波东移影响，雷达回波呈弓形，强度达到60 dBz，且强回波范围较大。17：00回波断裂为南北两段，其中北段维持弓状回波并东移，影响研究区降水；南段在经过宜昌城区时，55~60 dBz回波维持近1 h，且西南部不断有新回波生成，出现“列车效应”。
2.4 EC数值预报检验
此次极端暴雨过程中，雨带呈东北—西南向，大暴雨带横跨恩施—宜昌中部—随州。从降水落区看，NCEP模式对雨带落区位置预报效果较好，而对研究区大暴雨落区预报稍偏北，东部大暴雨中心未预报。ECMWF细网格模式对湖北大暴雨落区预报偏西，基本预报出研究区北部的暴雨和东北部的大暴雨，而西南部和宜昌城区的大暴雨未见预报。GRAPES-GFS模式将强降水落区预报在鄂北，鄂西南的大暴雨带未预报，研究区北部的大到暴雨成功预报，而南部低估。因此，对此次极端暴雨过程的预报，NCEP模式对落区和量级的预报效果较好，基本上正确预报了雨带位置及强度，但量级稍低，这可能是因为该模式对暖区暴雨的预报低估。
3 结论
通过对2020年6月27日研究区一次暴雨天气过程的特征及成因进行分析，探讨其预报难点，得到如下结论。（1）此次降水主要环流形势由中高纬高空槽东移形成，槽后偏北气流引导冷空气南下，700 hPa形势场上有低空西南急流存在，南下冷空气和西南暖湿气流共同影响下形成此次强降水过程。在地面形势场上，地面冷锋促进了暴雨天气的形成。（2）在此次暴雨天气期间，研究区水汽通道较好，比湿值较高，水汽层结较深厚，为暴雨天气的发生提供了丰富的水汽条件。（3）雷达回波移速缓慢，降水持续时间长，新旧单体移向一致，重复经过研究区，造成“列车效应”，导致暴雨出现。（4）NCEP模式的预报效果较好，基本正确预报了雨带位置及强度。本研究为农业生产过程中的天气预报服务质量提升提供参考。