引言

低空急流从20世纪30年代开始引起气象学者的关注^[1]。Bleeker等^[2]通过天气分析发现落基山脉东部低空南风急流和美国中西部夏季降水有密切联系。Arakawa^[3]根据探空资料分析提出低空急流的建立与低层大气逆温层结构有关。Browning等^[4]发现冷锋前常伴有一至数支低空急流，他们认为这是地面摩擦和锋前温度梯度随高度递减的综合效应。Chen^[5]提出锋前低空急流主要由高空急流入口处的热成风调整引起，锋前对流只对低空急流起加强作用。陶诗言等^[6]研究了低空急流与暴雨的关系，指出暴雨同低空急流的相关率达70 %以上，暴雨发生在急流左前端，距急流2~3纬度。倪允琪等^[7]研究指出，西南季风为梅雨锋暴雨提供水汽输送及西南急流，对形成梅雨锋起重要作用。魏建苏等^[8]在分析1991年夏季江淮地区出现持续性大暴雨过程中低空急流的构造、作用及高低空配置等后，指出低空急流的阶段性增强及高低空急流轴的移动与大暴雨有密切关联。徐双柱等^[9]、何立富等^[10]、尹洁等^[11]的研究均证实，低空急流及低空急流脉动对MCS和暴雨发生发展具有重要作用。

早期国外对低空急流的观测分析主要依赖于有限的常规探空资料^{[3, 4]}。为了获得更详细的三维急流结构，Whiteman等^[12]利用加密探空资料来分析低空急流气候特征。Song等^[13]利用多年风廓线和声雷达资料讨论低空急流年际变化。Banta等^[14]结合激光雷达、声雷达和铁塔观测资料对低空急流的时空变化特征进行详细研究。Cook等^[15]利用高分辨率北美区域再分析资料研究加勒比海地区低空急流的水动力特征及其与降水过程的联系。Du等^[16]利用上海地区青浦站风廓线雷达资料对该地区2008—2009年暖季低空急流的气候特征进行统计研究，揭示了该地区低空急流的类型、时间演变特征及其与降水事件的统计关系。

高山气象站属国家基本天气站同时又是国家基本气候站，其积累的观测记录资料，是研究相应高度上气象状况的重要气象依据。位于拔海1 500 m、3 000 m左右的高山气象站的天气报告，又是相当于850、700 hPa等压面的重要气象情报，天气预报员常常把高山站作为分析低空急流变化的指标站。国内在高山站风变化与暴雨关系方面有过一些研究，如林中鹏等^[17]研究指出，九仙山高山站风速急增与辐合辐散同下游地区强降水的发生和强度变化有一定对应关系；董佩明等^[18]通过对黄山高山站风资料的分析，认为低空西南急流和其上大风速中心与中尺度低压扰动与暴雨发生演变有密切关系；叶成志等^[19]利用年平均和季平均资料分析南岳山风与NCEP资料850 hPa风的相关性，并用2个个例分析了南岳山风对湖南暴雨的指示作用。低空急流对我国长江流域及其降水有很大影响，高山站风场与低层850 hPa风场基本一致，可用来表征低空急流关键特征。庐山国家基本气象站，坐落在庐山北部牯岭地区东西谷之间的牯牛背山顶之巅，海拔1 165 m。南岳山国家基本气象站位于喜阳峰，在南岳72峰中为第二高峰，海拔1 265 m。这两个高山气象站的高度大致相当于850 hPa。它们的温压湿变化尤其是风的演变对于长江流域暴雨预报有很好的指示作用，长江流域的预报员经常将其作为关注低空急流变化的指标站，预报暴雨的发生、发展。本文在分析长江流域梅雨锋暴雨的环流特征基础上，通过统计分析和典型个例分析的方法，定量化、系统性地研究南岳山、庐山高山站逐小时风演变对长江流域梅雨锋暴雨的指示作用，以期弥补当前每日2次的探空资料时间分辨率无法满足暴雨精细化预报的缺陷。

1 资料与方法

本文使用的分析资料包括:南岳高山站、庐山高山站2005—2013年风场观测资料，湖北、湖南、安徽、江西省2005—2013年4—9月气象要素观测资料。上述资料均通过质量控制，并经过资料均一性检验。南岳高山站资料引入采用报表实有观测次数，日观测次数2005—2013年为24次(冬季结冰时，日观测次数由24次改为8次)，期间无缺测记录。此外为考察资料代表性和分析主要影响系统，分别使用了1990—2009年NCEP/NCAR全球再分析资料(2.5°×2.5°)和2010— 2013年NCEP分析资料(1.0°×1.0°)。

2 长江流域梅雨锋暴雨的环流形势特征

长江流域梅雨锋暴雨一般发生于每年的6月中下旬到7月中旬这段时间。这段时间的天气形势特征表现为副高稳定缓慢北移，西风带环流亦有显著的变化，由初夏以移动性系统为主转为多阻塞性系统，500 hPa亚欧中高纬上空常出现两高一低形势，即乌拉尔山东侧和我国东北至俄国滨海省为稳定的高压脊，两高之间在贝加尔湖以西为低压槽区；副热带高压脊线在20°N附近，控制我国东南沿海。

在对于1990—2010年6月中旬至7月中下旬长江流域梅雨期暴雨过程进行分析后发现，长江流域梅雨锋暴雨主要有两种类型天气形势：第一种类型是在500 hPa亚洲中高纬度带(40°—60°N)呈两高一低形势(图 1，简称两高一低形势)，即乌拉尔山东侧和我国东北至俄国滨海省各存在一个高压脊，两高之间位于贝加尔湖以西为低压槽区，从贝加尔湖以西的低槽区不断有分裂小槽南下影响长江中下游地区。700 hPa在30°N有切变线，低涡沿切变线东移。切变线南侧有较强的西南风急流，暴雨发生在低涡切变线附近，其强度与低空急流强弱相对应。1991年长江中下游梅雨期暴雨就是这种形势。第二种类型是中高纬度带(40°—60°N)内多波动(简称多波动形势)，在亚洲40°— 60°N内，可见2~3个低槽东移(图 2)，经我国西北东部和华北上空时，冷空气沿槽后西北气流南下到长江流域与暖湿空气相遇造成暴雨，其在700 hPa上与第一类相似。2010年长江中下游梅雨期暴雨就是这种形势。一般而言，这两类暴雨发生时，副高脊线的平均位置在22°—25°N附近，控制长江以南上空。对于长江流域历史上三次著名梅雨锋暴雨过程：1991年6月30日—7月10日(简称“91.7”)，1998年7月20日至30日(简称“98.7”)，2010年7月7—15日(简称“10.7”)，进行分析后发现，“98.7”暴雨过程低空急流最强，急流中心更靠近暴雨区，“91.7”、“10.7”暴雨过程低空急流相似，急流集中在湖南北部一带。西南低空急流对低层不稳定能量的触发有重要作用。不稳定能量的触发有利于低层大气对流的发生、发展; 随着暖湿气流的抬升，低空急流会进一步加强，低空急流的强度、位置与暴雨发生的强度、位置密切相关。

综合以上所述，长江流域梅雨锋暴雨的环流形势在中高纬度表现不尽相同，即冷空气移动的强度、路径存在不同的方式，但在中低纬度的表现却是一致的，即中低层存在强烈的偏南风低空急流，低空急流持续的时间、强度与暴雨发生地有较好的对应关系。

3 高山站风场对长江流域梅雨锋暴雨的指示性

每年6—7月长江流域常常发生梅雨锋暴雨。大气中持续维持充沛的水汽是产生梅雨锋暴雨的必要条件之一。研究表明，形成长江流域梅雨锋暴雨的水汽主要是由偏南风低空急流或高风速带输送而来。850 hPa偏南风急流是水汽和动量的集中带，对急流左前方强降水发生发展具有重要作用。南岳、庐山高山站位于850 hPa高度层附近，通过对于南岳山、庐山观测资料的统计分析可以建立起高山站资料对于长江流域梅雨锋暴雨预报的指标。

统计分析发现，南岳山、庐山逐小时风观测资料可以完整展现低空偏南风急流的演变，并且与梅雨锋暴雨有较好对应关系。通过2005—2013年6—7月南岳山、庐山逐小时风观测分析，当南岳山偏南风显著增大到12 m·s^-1以上，庐山偏南风显著增大到8 m·s^-1以上，对应长江流域出现区域性暴雨过程。如果南岳山偏南风低于12 m·s^-1，庐山偏南风低于8 m·s^-1，长江流域出现区域性暴雨的概率较低。进一步分析发现，南岳山、庐山逐小时风速连续增大不同的阈值，与短时暴雨发生地有较好的相关性。

3.1 南岳山风场对长江流域梅雨锋暴雨的指示性

对于2005—2013年6—7月南岳山逐小时风观测统计发现，当南岳山偏南风风速连续3 h在18~24 m·s^-1后2~8 h，梅雨锋雨带呈现近东西向集中在30°N附近的湖北东南部和安徽南部，尤其是满足该条件后2 h，短时暴雨高频次中心出现在鄂东南(图 3)。

当南岳山偏南风风速出现连续3 h在14~18 m·s^-1后2~8 h，梅雨锋雨带呈现东北-西南向集中沿长沙、武汉、合肥一线，安徽北部是暴雨高发中心，另外在湖北西南部还有一个降水中心(如图 4)。其出现暴雨的频次大小是其他情况下的2倍以上。

当南岳山偏南风风速出现连续3 h在12~14 m·s^-1后2~8 h，梅雨锋雨带呈现东东北—西西南向集中在湖南西北部—湖北东部和安徽中部一线(图 5)，其出现暴雨的频次大小与南岳山偏南风风速出现连续3 h在18~ 24 m·s^-1的情况相类似，鄂东北是暴雨高发中心。

对比图 3—5可以看出，当南岳山偏南风风速出现连续3 h在14~18 m·s^-1后2~8 h，其下游长江流域出现大范围暴雨的频次最高，并且是其他情况出现暴雨的频次2倍以上，说明大尺度天气系统对于长江流域的暴雨形成也起到重要的作用，南岳山偏南风风速在14~18 m·s^-1时最有利于在长江流域发生暴雨。

3.2 庐山风场对长江流域梅雨锋暴雨的指示性

对于2005—2013年6—7月庐山逐小时风统计发现，当庐山偏南风风速连续3 h在10~12 m·s^-1后2~8 h，梅雨锋雨带呈现西南-东北向位于湘西北-鄂东北-皖中一线(图 6)，鄂东北和安徽中部是暴雨高发中心。

当庐山偏南风风速出现连续3 h在8~10 m·s^-1后2~8 h，梅雨锋雨带呈现近东西向位于湘西北—鄂南-皖南一线(如图 7)，湖北东部和安徽南部是暴雨高发中心，其暴雨频次也是其他情况两倍以上。

对比图 6—7可以看出，当庐山偏南风风速出现连续3 h在8~10 m·s^-1后2~8 h，对应长江流域发生暴雨的频次最高。进一步从许多实例分析发现，庐山在长江流域暴雨过程中以东南风居多，并且出现大于12 m·s^-1的过程很少，预报员经常把庐山站风向、风速变化与低层暖切变线相关联。庐山偏南风风速在8~ 10 m·s^-1时最有利于在长江流域发生暴雨。

综合以上所述，南岳山、庐山逐小时偏南风连续3 h维持不同大小与梅雨锋雨带有较好的对应关系，并且有2~8 h的预报提前量。南岳山偏南风风速在14~18 m·s^-1，庐山偏南风风速在8~10 m·s^-1时最有利于在长江流域发生暴雨，这可为预报员进行暴雨落区预报提供一定的的参考依据。

4 实例分析

选取一次较典型的长江流域梅雨锋暴雨过程进行分析。2016年6月30日—7月2日，位于长江流域中游的湖北省出现了梅雨锋暴雨。连续3 d出现暴雨到大暴雨天气，暴雨到大暴雨区域由30日的鄂西南地区向东发展到江汉平原、鄂东北和鄂东南北部，上述部分地区还出现雷电、大风等强对流天气。小时最大雨强位于鄂东北的红安县天台山为113 mm。6月30日08时—7月3日08时累计雨量显示，湖北省有16县市250~500 mm、27县市100~250 mm，最大雨量出现在麻城为433 mm。这是一次比较典型的长江流域梅雨锋暴雨过程，通过对比南岳山、庐山逐小时偏南风的变化与暴雨发生时间和地点关系，比较好地吻合了前面所述的南岳山、庐山风场对于暴雨预报的指示性。

2016年6月30日20时500 hPa亚欧中高纬是两槽一脊形势，贝加尔湖东西两侧各有一个冷涡稳定维持，高压脊位于贝加尔湖上空。这种形势类似于前述第二种类型的长江流域梅雨锋暴雨形势。6月30日20时850 hPa从湖北西北到重庆地区有一气旋式切变线，在重庆与贵州北部存在西南涡。从江南到华南的广阔地区有12~16 m·s^-1偏南风急流维持。7月1日08时，850 hPa切变明显加强东移到鄂东北至江汉平原，切变线以南地区的偏南风急流加大到20~24 m·s^-1，急流最大风速轴出现在鄂东南到湘西北部一线，且持续维持到7月3日08时，湖北省东北部始终处在急流轴左侧，为这次暴雨过程提供了充分水汽和动力条件。这次暴雨过程是在副热带高压外围偏南风急流和850 hPa切变线共同作用下产生的。图 8给出了2016年6月30日—7月3日暴雨过程的中低层平均风场。从图中可见：(1)暴雨区的水汽主要来自孟加拉湾，经西南季风输送，在青藏高原中转和聚集后向其东部地区输送；(2)暴雨区位于850 hPa西南低空急流前沿，有明显的风速辐合；(3)从水汽通量散度平均场来看，暴雨区与低层水汽通量辐合中心对应关系较好。

文中将湖北省划分为五个区（鄂西北(NW)、鄂西南(SW)、江汉平原(JiangHan)、鄂东北(NE)和鄂东南(SE))。对湖北逐时分区的面雨量(图 9)进行分析发现，2016年6月30日—7月2日，湖北省内强降雨共分为两个阶段，第一个阶段降雨较强，从6月30日白天持续到7月1日白天，主要位于鄂东北，其次是江汉平原和鄂西南，第二阶段主要在2日，降雨较第一阶段有所减弱，较强降雨出现在鄂东北、江汉平原和鄂东南。

从南岳、庐山高山站逐时风场演变来看，自6月30日08时到7月3日08时(共72 h)，南岳山、庐山均为持续偏南风，尤其是南岳山出现大于12 m·s^-1的强劲偏南风，该条件利于长江流域出现流域性暴雨^[20]，持续偏南风的出现也决定了此次过程中东部降水多于西部。6月30日09—11时，南岳山偏南风速持续3 h达12~14 m·s^-1，5 h后，鄂东北、鄂西南和江汉平原出现强降水。30日20时开始的12 h内，南岳山偏南风速始终在14 m·s^-1以上，23时—7月1日01时(2 h后)，鄂东北和江汉平原均出现3 h大于等于20 mm的短时强降水，且鄂东北和江汉平原的强降水在南岳山偏南风速超过18 m·s^-1以后的2 h后达到最强。1日08时，南岳山偏南风速由07时的16.2 m·s^-1减小到13.3 m·s^-1，7 h后(1日15时)第一阶段强降水明显减弱并趋于停止。庐山逐时偏南风达8 m·s^-1以上的时间与湖北第一阶段降水开始加强的时间基本同步，但偏南风达到12 m·s^-1以上的时间(1日01时)较鄂东北和鄂西南降雨达到最强的时间(1日04时)有4 h左右的提前指示作用。

对于第二阶段较强降雨，鄂东北和江汉平原是第一阶段降水在1日夜间出现间歇后于2日06时前后再度发展加强，南岳山偏南风再度增大到14 m·s^-1以上的时刻(1日23时)较其提前了7 h；而鄂东南的降雨与第一阶段界限不清楚，这也说明南岳山12 m·s^-1以上的偏南风有利于鄂东南地区降雨的维持。

5 结论

根据以上分析可以得到以下几点结论：

(1) 长江流域梅雨锋暴雨在500 hPa主要有两种类型天气形势，其共同点表现为在850 hPa切变线南侧有较强的偏南风急流，暴雨发生的强弱与低空急流强弱相对应，急流强则暴雨强。

(2) 南岳山、庐山逐小时风观测资料可以完整展现低空偏南风急流的演变，并且与梅雨锋暴雨有较好对应关系。当南岳山偏南风显著增大到12 m·s^-1以上，庐山偏南风显著增大到8 m·s^-1以上，对应长江流域出现区域性暴雨过程。

(3) 南岳山、庐山逐小时偏南风连续3 h维持不同大小与梅雨锋雨带落区有较好的对应关系，并且有2~ 8 h的预报提前量，南岳山偏南风风速在14~18 m·s^-1，庐山偏南风风速在8~10 m·s^-1时最有利于在长江流域发生暴雨。