引言

中国是一个多暴雨的国家，主要原因之一是每年夏季都深受东亚夏季风的影响，夏季风从海上带来的充沛水汽很易造成洪涝灾害。夏季风爆发和盛行期间是我国的雨季或汛期，也是暴雨多发季节。其中持续性暴雨造成的大范围持续严重洪涝灾害给人民生命财产带来重大损失。所以暴雨的研究和预报一直是我国气象工作者的主攻对象之一。经过几代人的努力，在这方面获得了重大的成果。在这个过程中，中国科学家根据季风暴雨的特点，逐步建立了中国自己的暴雨理论，阐明了从大尺度环流到中小尺度系统之间的多尺度相互作用与反馈的过程和物理机制。在此基础上发展了季风气流作用下湿空气动力学。这些成果是对国际上暴雨理论和机制的重要贡献。本文对这方面的成果及其对中国暴雨分析和预报业务的推动将作综合性的评述，以期承上启下，为未来新时期中国暴雨的研究提供创新能力的基础，以争取获得更大的成就。

1 中国暴雨的主要气候特点

暴雨导致的洪水灾害是夏季的主要灾害之一，其中一个关键原因是每年夏季季风气流从海上带来丰沛的水汽和不稳定空气。我国位于世界上著名的季风区，即东亚季风区。在夏季风爆发、盛行和向北推进的时期(图 1)，东亚夏季风主雨带明显跳跃性自南向北移动，在中国地区形成了华南前汛期雨季(4月6日—6月19日)、江淮梅雨季(6月20日—7月14日)和北方雨季(7月15日—8月8日) (图 2)。这三个雨季和地区也是暴雨的多发期与地区(图 3)。因而暴雨频发的地点是与夏季风主雨带的位置和维持时间密切相关的(陶诗言等，1980；王遵娅和丁一汇，2005；丁一汇等，2009)。

三个主要暴雨带之间，大暴雨出现的机会明显减少。中国的暴雨有四个主要特征(丁一汇等，2009)：(1)暴雨主要集中在5—8月汛期期间，例如华北京津冀地区大暴雨日集中出现在7月下旬至8月上旬，即“7下8上”，占全年总降水量的66% (华北暴雨编写组，1982)；长江流域中上游地区，6—8月的暴雨占总频率的71%，而高峰期集中在6月下旬到7月上旬，这就是著名的东亚梅雨季。(2)暴雨强度大、极值高。如果与相同气候区中的其他国家相比，我国暴雨的强度很大，不同时间长度的暴雨极值均很高，如1 h暴雨极值是198.3 mm (河南林庄，1975年8月5日) (表 1)，24 h降水极值是1 248 mm (台湾地区，1963年9月10日)。其中不少时段的极值均打破世界记录，比类似气候区的记录要大得多，如美国的24 h降水极值是983 mm (佛罗里达州) (丁一汇，2005)。(3)暴雨持续时间长。我国暴雨持续的时间从几小时到63 d，有研究认为1986年的梅雨达65 d。暴雨的持续性是我国暴雨的一个明显特征。(4)暴雨的范围大。长江流域的暴雨区面积是全国最大的，雨带多呈东西走向，如1954年与1998年特大持续性暴雨仅600 mm以上的降水量区就覆盖了长江流域的绝大部分地区，1991年的江淮流域特大暴雨面积也覆盖了十几万平方公里。在半湿润半干旱的华北地区，特大暴雨的面积也可达(10~20)×10⁴ km²(如1963年8月)。

由上可见，我国暴雨的主要特点是降水有明显的集中期，暴雨的强度大，持续时间长，并且范围大，尤其以梅雨期江淮暴雨区面积最大。因而常常可造成大范围洪水灾害，尤其是夏季持续性大暴雨是影响中国的主要天气灾害之一。这与同纬度的美国相比不同，美国的暴雨主要由局地性的强对流性降水引起(丁一汇，2005)，它们常常造成突发性洪水，很少产生持续性洪水灾害。

2 中国暴雨理论研究的发展历程

暴雨主要由中尺度系统造成，但中小尺度系统是在天气尺度系统作用下生成和发展的，而天气尺度系统又受到大气环流系统的制约，所以暴雨是时空尺度系统相互作用的产物。气候变化能够改变不同尺度系统的平均状态和变率，因而也能改变暴雨生成和发展的平均状态和变率。在种种情况下，应该进一步研究变化的气候条件下，暴雨生成和发展的条件发生了什么变化，又如何影响暴雨发生的频率、强度和路径。因而暴雨发生条件和机理的研究是一个认识逐步深化和演进的复杂过程。自竺可桢先生1933年发表的《季风与中国之雨量》一文以来的近90 a间，中国暴雨理论研究和预报发展历程大致经历了三个阶段(丁一汇，1998)。

(1) 70年代中期以前：突破气团理论，引入先进的大气环流和天气动力学新观念(赵九章，1955)。这个时期研究的重点是暴雨发生的大尺度环流、水汽来源和输送、天气尺度降水系统和重大暴雨过程的个例分析。根据这些研究，人们对影响中国地区的暴雨的环流型、主要降水系统和大范围强暴雨发生和维持的条件有了基本的认识。其中重要的研究成果包括中国夏半年降水天气系统(谢义炳，1956)，中国的梅雨(陶诗言，1958a，1958b)和1954年长江淮河洪水时期的环境特征(陈汉耀，1957)等。这个时期研究的主要特点突破了气团理论的观念，结合中国实际，以新的大气环流与长波和锋面理论研究了中国暴雨发生的气候背景(尤其是印度季风和东亚季风的作用)，大尺度环流条件与降水天气系统的结构等，从而获得许多新的基础性成果，不但为中国的暴雨研究奠定了正确发展的道路，而且在吸收和创造性地运用国外先进气象理论的基础上大大提升了中国暴雨研究的整体水平，获得许多创新性的成果。

(2) 1970年中期—1990年代初：深入研究历史性重大暴雨个例，建立全国性暴雨协作组和中小尺度基地，研制暴雨数值预报系统。1975年8月5—7日河南发生了特大暴雨(简称“75.8”暴雨)，3 d内在河南南部的局部地区总降水量达1 631 mm，暴雨灾害夺走了该区2万6千多人的生命，经济损失巨大。中国的气象和水文部门从这场及其他的空前的大暴雨与大洪水事件中(如1954年长江大洪水、1958年黄河大洪水、1963年海河大洪水、1991年淮河大洪水和1994年珠江流域大洪水)吸取了经验教训，从全国层面加强了中国暴雨的研究，包括组织了专门的暴雨协作组(如华北、长江中下游、华南前汛期等)。在“七五”期间，通过攻关项目还建立了京、津、冀等4个中小尺度基地，研究工作的重点逐步从天气尺度转向了中尺度。在降水业务预报上研制和运行了全国性的区域降水数值预报模式(LAFS)和武汉的五层有限区暴雨模式(周晓平等，1988)。同时不少台站还研制和使用了暴雨诊断方法和专家预报系统与人机对话系统，使暴雨预报由经验和定性向定量化方向转变，从而把暴雨研究和预报初步带推向一个新的现代化的新台阶。

(3) 1990年代初—2010年代：开展外场观测，研究暴雨的多尺度相互作用机理，建立国家到地方的暴雨监测、预报和研究体系。以“八五”国家攻关项目“台风暴雨灾害性天气监测、预报技术研究”的实施为依托，全面发展和建立暴雨监测、预报、评估和服务系统，在暴雨研究成果向业务应用转化的基础上建立国家级和区域级暴雨监测、预报、评估和服务系统。在这期间，1991年江淮特大暴雨的发生对我国暴雨的研究提出了新的挑战和有力推动。即必须建立以中尺度强降水系统为主要目标的暴雨监测和预报技术，在加深认识中尺度系统在导致致洪暴雨发生的基础上，研制更准确的客观定量暴雨监测与预报系统，和预警并尽可能延长时效。经过5 a的努力，无论是暴雨理论研究还是暴雨预报均取得了重大成果，基本上形成了一个从国家到地方的暴雨监测与预报系统。其中我国自主开发的GRAPES数值模式系统在暴雨预报中发挥了日益重要的作用。这种应对暴雨能力的提高在后来1998年夏季发生在长江全流域超强大暴雨/洪水事件的预报和预警中得到了充分的体现(国家气象局，1998)。

为了更深入认识中国暴雨发生的机理，尤其是对东亚梅雨区和华南前汛期暴雨，在该时期中日合作开展了“淮河能量与水循环试验(GEWEX/HUBEX)” (1996—2000年)和“我国南方致洪暴雨监测与预报的理论和方法研究”(2005—2009年)。通过这两个科学试验以及其他相关的区域性中尺度试验获得了大量现场观测资料。这些多地区、多尺度资料研究对于我国暴雨发生的机制，尤其是对长江流域暴雨发生的中尺度系统生命史、结构及其与暴雨发生的关系，具有极其重要的作用。

需要强调的是，暴雨发生的气候条件因受全球气候变暖与城市化影响也在发生着一定程度的变化，这些人类和自然的气候因子引起的中国区域大城市或超大城市群暴雨强度、类型与发生时间的变化已日益受到人们的关注(Liang and Ding,2017a，2017b)。在这方面，作为暴雨研究和预报的新挑战已成为并将会继续成为我国暴雨研究的一个新领域。

3 中国暴雨机理研究的主要成果

中国对暴雨形成的热力和动力学条件与机理进行了大量研究。在国内甚至国际上均取得了堪称创新性成果。这些成果无论是置于国内研究和国际研究的主流趋势中看，均具有深刻的科学性和前瞻性(丁一汇，2014)，在暴雨研究领域具有深远的影响。概况起来，主要有七个方面：

3.1 暖湿季风输送带及其对中国大暴雨的作用

在中国暴雨的研究中可以发现每一场大暴雨均有暖湿季风水汽输送带的作用，尤其对北方大暴雨的形成。这种暖湿季风输送带，其地面相当位温大于或等于340 K，表征非常暖湿的热带气流源。从大尺度环流观点看，这种季风水汽输送带的形成是热带辐合带(ITCZ)及其关联的夏季风明显加强北推的结果。ITCZ的北推加强了西南和东南季风气流，可为暴雨的发生和持续性加强提供大量的水汽来源，同时ITCZ中的有些低压系统或台风可直接北上带来充沛的水汽和暴雨。一系列研究表明中国的大暴雨均可发现有热带环流的作用(北京大学地球物理系气象专业和河北省气象台，1979)。这个事实与近年来国外发现并强调的来自热带的大气河的存在及其对全球暴雨的作用的事实是一致的(Ralph et al., 2004；Guan and Waliser，2015)。由于ITCZ内常常不止有一个涡旋存在，当一个台风登陆时，如果海上还有低压存在或形成涡旋群，这时涡旋群与北面副热带高压之间形成强偏东气流，这股东风从海上一直延伸到内陆，成为暴雨的主要水汽通道并影响我国东部的大部分地区。最早注意到这一问题是黄士松先生(1944)，后来仇永炎(1950, 1998)、丁一汇(1980)、赵亚民(1994)等均注意到了来自热带地区的持续性水汽输送或台风直接北上与西风槽相互作用对北方大暴雨发生的重要性。“63.8”(1963年8月)与“7.21”(2012年7月21日)暴雨就是明显的例子(陶诗言等，1980；柳艳菊和丁一汇，2014；王靖羽等，2014) (图 4)。可以看到，当ITCZ十分活跃时，其北侧的暖湿季风气流可以迅速北上，携带大量的水汽到达华北，当与北方冷空气(或低槽冷锋)相互作用时，不但可造成不稳定层结和抬升，更重要的是可供应源源不断的水汽。如果大尺度环流稳定或移动缓慢，可造成十分强烈或持续性的大暴雨。最近王小玲等(2016)用综合法研究了华北、长江、华南大暴雨时期水汽输送的通道，进一步证实了中国大暴雨的发生过程中均可观测到水汽是来源于热带的ITCZ。正由于陆地地区暴雨区与海上ITCZ东侧的暖湿季风气流的连接，才能使暴雨区获得源源不断的水汽来源以维持大暴雨的发生(图 5)。

3.2 暴雨的多尺度相互作用与增幅机制

暴雨是各种天气和环流系统相互作用的产物，尤其是特大暴雨或持续性暴雨，均是出现在几种尺度天气系统(行星尺度、天气尺度、中尺度和小尺度)明显有相互作用的情况下。大尺度系统制约和孕育中小系统的发生发展(制约作用)，中小系统产生以后能成长壮大，反过来又能对大尺度系统起作用即反馈作用，这又使整个暴雨系统加强和持续。因而一次大暴雨的生命史是复杂的，既涉及到小扰动发生后在大尺度环境中发生和增长问题，又涉及到小扰动增长后对大尺度场的反馈过程。在数学上，这种不同天气尺度系统相互作用的问题是一种非线性问题，因而是一个很复杂的、包含突变过程的问题。暴雨预报的困难也就在于此(陶诗言等，1980)，无论对持续性或突变性暴雨均是如此。图 6是根据“75.8”暴雨等个例，概括出的暴雨发生时的多尺度天气系统相互作用图(丁一汇等, 1978, 2015；陶诗言等，1980)。在暴雨过程的上述相互作用中有三个问题值得强调：

(1) 暴雨虽然是发生在不同天气尺度系统相互作用下，但暴雨本身是中尺度现象。造成暴雨的天气系统是尺度为25~250 km的中尺度系统。这是由于中尺度系统可以产生很强的上升运动、水汽通量辐合和明显的位势不稳定，其强度一般比天气尺度下大一个量级，它所产生的降水比一般降水强度大1~2个量级，因而中尺度系统是暴雨的制造者。另外，中尺度系统对更小尺度的积云对流活动起明显的组织与增强作用。在这种25~250 km的中尺度系统中又包含有几个长度为2.5~25 km的积雨云单体，新生的单体可以逐次在老单体的右前方发生，形成所谓的“列车效应”，使一场暴雨表现为几次强暴雨峰值依次发生的现象。

(2) 持续2 d以上的暴雨必须考虑行星尺度(3 000~ 8 000 km)系统的作用。行星尺度系统并不直接产生暴雨，但它可以通过制约直接影响暴雨的天气尺度系统的运动(移速、强度与持续性和重要性)间接对暴雨产生作用，而后者可以通过中尺度雨团的集中或连续重现过程造成某一地区的强烈暴雨。这种集中机制是突发性暴雨或连续性暴雨发生的重要机制。

(3) 持续性的大暴雨是发生在上述多尺度系统相互作用的有利条件下，并能形成明显的制约与反馈过程。这是通过中国历次大暴雨个例的详细分析得到的，但这种复杂的制约与反馈过程在暴雨数值预报中很难预测，其原因是反馈或对暴雨的增幅作用，主要是通过暴雨区的强对流产生的非绝热加热作用实现的。图 7表明在“75.8”暴雨期间，暴雨区上空积雨云降雨产生的凝结潜热释放产生了明显的升温与暖心，高空暖心又使高层形成明显的辐散气流和负涡度，并在250—200 hPa层中发展出一个单独的反气旋环流；随着高空暖区的出现在暴雨区以北水平温度梯度增大，根据热成风关系，高空风加强；这支强西南风加速雨区的高空急流流出以及把暴雨和周围多余的热量带走，增强暴雨区层结的位势不稳定和暴雨的垂直环流，从而使暴雨长期维持。“75.8”暴雨过程中这种强烈的反馈作用在其他大暴雨分析中并不多见，正是这种反馈作用，成为维持和增强“75.8”暴雨的条件之一(丁一汇，2015)。

3.3 湿斜压天气动力学和湿位涡不稳定性

一般的斜压不稳定性理论研究的对象是干燥大气，根据这个理论可以很好地解释中纬的西风带天气尺度系统的发生、发展及其与斜压能量转换的关系。但是在东亚季风区，一方面，夏季降水的发生与潮湿季风气流条件密切相关；另一方面，一旦水汽凝结可以产生更强的潜热加热，对大尺度环流场具有明显的反馈作用。因而用湿空气动力学更适合描述东亚季风区的降水过程。谢义炳(1980)系统地研究了湿斜压大气的天气动力学问题。他指出湿斜压不稳定是导致季风区大面积暴雨的天气系统发生的一种重要机制，这个理论的一个主要创新点是，推导了湿空气动力学完整的方程和不稳定判据，并得到在引进湿大气中潜热的影响后，不稳定最大波长由4 000 km缩短至1 000 km左右(次天气尺度系统)。这与东亚季风区的降水是发生在潮湿大气中的情况一致，尤其是与东亚梅雨季暴雨主要由次天气扰动引起的事实一致。这个观点后来由日本学者进一步发展(如Ninomiya)，提出了梅雨的次天气尺度系统。湿斜压动力学得到在湿斜压大气中最不稳定波长L_m与层结因子σ_m成正比

$ {L_\mathit{m}} = - {\left({\frac{a}{{{\theta _{{\rm{se}}}}}}\frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial p}}} \right)^{1/2}}\;, {\sigma _m} = - \frac{\alpha }{{{\theta _{{\rm{se}}}}}}\frac{{\partial {\theta _{{\rm{se}}}}}}{{\partial p}} $

(1)

上式中θ_se是假相当位温，α是大气比容。在季风区，水汽丰富，σ_m远小于干空气的层结${\sigma _m} = \frac{1}{\theta }\frac{{\partial \theta }}{{\partial p}}$(θ是相当位温)，仅为其20%，L_m不到L_d(干空气斜压最不稳定波长)的一半。

在实际天气预报中，雷雨顺等(1978)提出了与湿空气动力学相近的能量天气学的概念，并在业务预报中得到推广和应用。根据湿空气动力学方程组可得到湿位涡守恒定律(吴国雄等，1995)，该定律可以综合反映湿润大气中暴雨形成和发展的条件。另外，湿位涡不稳定判据在暴雨预报中得到较为广泛的应用(李静楠等，2016)，尤其是在江淮流域梅雨降水分析中(王建中等，1995；刘环珠和张绍晴，1996；袁佳双，2000；胡伯威，2003)。

3.4 中国历史大暴雨研究及其灾害影响

我国的气象与水文工作者，除研究中国暴雨的气候与平均环流和天气条件外，还对1917年以来100 a来，我国历史上重大的暴雨洪涝事件做了统计分析，并对其中十几次大暴雨、特大暴雨个例的成因和灾害作了详细的个例分析。据此不仅增加对暴雨发生条件和天气动力学机制的深刻认识，并可从历史的实例中科学总结出规律性的认识以及防灾、抗灾的经验教训，从而可大大提高天气预报员对暴雨预报的水平与防灾意识，增强对可能发生的暴雨事件作出有科学依据的预测能力。这是认识暴雨发生机理、提高预报水平和素质的一种有效途径，即使在数值预报为主要工具的今天，也仍然不失其应用的价值(陶诗言等，1980；丁一汇等, 1993, 1998；丁一汇和张建云，2009)。

由1931—2006年24 h降水量大于200 mm的强暴雨个例分布(图 3)可知，所有这些大暴雨个例均分布在华南、江淮流域和华北三个夏季主雨带内，在以上三个主雨带间暴雨很少出现。由暴雨引起的我国洪涝分布图(图略)与图 3也十分相似。我国遭遇严重暴雨洪涝灾害的年份主要有1931、1935、1954、1963、1975、1991、1994、1998，2003，2012年等。我国有五个易受洪涝灾害的地区，华南每3 a平均1~2次，湖南与江西北部每年2~3次，长江中下游和华东沿海每2~3 a一次，淮河、黄河和流域每2~3 a一次与东北东部的松花江和辽河流域约每7~8 a一次。因而绝大部分我国东部的暴雨是造成我国七大江河流域洪涝的主要原因。在我国西部，暴雨事件和相关的洪涝事件要少得多，严重程度和损失轻得多。根据历史的重大暴雨个例，陶诗言等(1980)总结出我国持续性大暴雨发生的四个基本条件(丁一汇，1998)。陶诗言研究组深入分析了中国历史上12次大暴雨个例的成因，指出暴雨虽然是一种中尺度现象，但不同尺度间有着复杂的相互作用过程，例如对于1954年夏，造成长江大洪水的持续性暴雨是由7个低压扰动由西向东连续通过长江流域造成的，这期间北半球环流形势非常稳定，即一些主要的高空槽、脊系统持续出现在某些特定地区。在这种情况下，地面上的锋区和气旋路径以及相关降水便有集中和稳定的趋势，因而引起严重的持续性暴雨和洪涝。这个观点后来被广泛地应用于我国许多大暴雨的研究。在1980年初，美国的气象学家也提出了形成区域性暴雨的集中机制，但比我国的研究晚了好几年(Caracena et al., 1983)。1931年和1937年的长江中上游大暴雨也具有类似的条件。在上述研究的基础上，概括了我国持续性大暴雨的发生的三个基本条件：(1)大形势稳定；(2)源源不断的水汽输送和向暴雨区辐合；(3)不断的对流不稳定能量的释放和再生重建。

3.5 季节突变和中国的梅雨

梅雨是中国和东亚地区夏季主要雨季之一，它对中国东部旱涝灾害的发生有很重要的影响。1949年以前许多关于梅雨的研究，大都从气团观点出发(竺可桢，1935；赵九章，1935；张丙辰，1949)。从1950年代开始，由于高空和地面资料增多，梅雨的研究开始了一个新时代。其中代表性的工作是陶诗言(1958)、谢义炳(1950)和Yeh等(1959)的研究。他们指出，梅雨实际上是东亚大气环流季节过渡和季节突变的产物。全球大气环流每年6月和9月均存在季节突变现象，这种双模态大气环流变化是全球性的，但亚洲季风从冬到夏的6月季节突变尤为明显。这种6月季节突变表现为三个明显的特征：(1)在6月中旬，冬半年位于喜马拉雅山麓的副热带高空急流迅速北撤；(2)对流层中上部的庞大青藏高压(或南亚高压)及其南部的东风急流建立；(3)同时印度季风爆发，之后，长江流域的梅雨开始。后来Murakami和Ding (1982)利用1979年全球大气研究计划第一期全球观测试验(FGGE)和第一次青藏高原试验资料进一步指出，在印度夏季风爆发两周左右东亚出现强季风雨系，东亚梅雨爆发。后来刘芸芸和丁一汇(2008)详细讨论了印度夏季风的爆发及其与中国长江流域梅雨的遥相关关系。这与Tao和Chen (1987)的研究结果一致。图 8是印度夏季风在印度西南部克拉拉邦爆发后导致梅雨开始的遥相关波列图。两者的相关关系也适用于整个夏季风时期(6—9月)。两者滞后三侯的相关系数对1948—2000年在0.3以上，达到0.01显著性水平。这个结果也表明印度夏季风爆发导致的亚洲热带和中纬度大气环流的大调整，对东亚夏季雨带从华南向江淮地区的北跳及其相关暴雨事件的发生起关键作用。

3.6 气候变化与城市化对城市暴雨的影响

气候变化对全球和中国降水影响主要表现为，降水特征和极端降水事件发生频率的明显变化，如暴雨频率和强度增加，小雨和中雨频率减少(唐永兰等，2019)。同时由于城市化的快速进展，明显改变了土地利用的特征与状况，通过影响地表反照率与感热和潜热(蒸发)通量也影响城市的降水和环境条件，如城市尤其是大城市和超大城市群的温度(如高温热浪)、降水和雷暴、环境污染条件(如周日效应)等，由于城市化效应(如热岛、污染物增加、环境条件改变等)均发生了不同程度的变化。根据最近的研究(Liang 2017a，2017b)，中国沿海和长江经济带的超大城市群(如京津冀、长三角、珠三角、武汉、重庆等)短时(1、3、6 h)暴雨强度、频率和地点均发生了明显的变化。图 9是上海1916—2014年1 h降水最大值的长期变化。由图 9a可知，1950年以前总体上表现为减少趋势，但从1950年以来其增加趋势明显，为每10 a增加2.72 mm·h^-1 (通过0.05信度检验)，其中又以最近30多年(1981—2014年)的增强趋势尤为明显(每10 a增加6.6 mm·h-1) (Liang 2017a，2017b)。另一方面，在近代城市化快速进程中，极端强降水的增强趋势有向城市中心区(上海徐家汇)集中的趋势(图 9b)，强降水中心与城市热岛区的位置十分一致(图 9c、d)。这表明城市热岛对于雨岛的发生具有重要的影响，促使城市极端暴雨的明显增加与向城市中心区的集中。研究表明，上海城市极端降水的增加与向城市中心区集中的现象由三种不同尺度的因子共同造成：(1)自然的气候变化(主要是东亚夏季风的减弱引起的南涝北旱降水格局的变化)引起的年代际主雨带的移动，它改变了城市暴雨发生的背景条件，由此决定城市强暴雨发生的地理分布和长期变化；(2)人类活动(温室气体排放增加)引起的气候变暖的影响，能够增强大气的水汽输送和水汽供应，从而影响城市降水的强度及其长期趋势；(3)城市化效应。它通过影响热平衡、气流场和大气稳定度等增加降水的强度和集中程度。应该指出，现在没有定量确定这三个因子的相对贡献，这有待进一步研究。另外，还需要进一步研究城市化效应如何改变降水类型、频率和暴雨发生时间以及可预报性。

3.7 中尺度天气系统的可预报性与暴雨的外场试验

暴雨的发生是多尺度条件和宏微观物理过程相互作用的结果，在科学上是一个难题。中国气象学家为此奋斗走过了漫长的道路。在20世纪60年代以前，暴雨的研究与预报是大尺度的，真正开始重视和成规模研究中尺度系统是自1978年大连全国暴雨会议以后。在近40 a间重点研究了β中尺度(25~250 km)与α中尺度(250~2 000 km)。这包括中尺度雨带、中尺度雨团、中尺度对流(MCS)、中尺度对流复合系统(MCC)、台风中的螺旋云雨带、飑线、干舌(干入侵)等。对于γ中尺度(几公里至25 km)与对流单体以及其中造雨的微物理过程、参数化问题研究甚少，目前处于初步阶段。至于1 km以下边界层中的大涡与小涡等湍流作用问题，我国目前研究也甚少。对于上述不同尺度系统不同物理机制的相互作用问题研究也不够。因而想要在3~5 d内正确预报暴雨的发生尚需长时间的努力(目前中央气象台暴雨预报技巧分约为0.15)。

许多研究已证明天气尺度系统有一定的预报时间界限，这个界限最长是10~14 d，这是由于不同尺度的波动相互作用引起的非线性增长造成的。理论和数值模拟研究表明，大气作为一种乱流系统，在三维空间能量由小尺度到大尺度的转换比二维乱流空间(空间尺度越大，越接近二维系统)要快得多，因而天气系统的状况越接近三维乱流系统，其固有的可预报性越低。因为中尺度系统的空间尺度是从α中尺度到小尺度，前者大致可看作二维乱流，而后者应可看作是三维乱流，因而中尺度系统在较小尺度一端(如β中尺度，γ中尺度)的可预报性比较大尺度(如α中尺度)更低。总之，中尺度天气系统的可预报性总体上是低的。研究进一步指出，小尺度运动中不可避免的初始不确定性，将向中尺度传播，并能比天气尺度更早地达到中尺度，从而使中尺度系统具有更低的可预报性。因而增加观测密度，从而减少小尺度的不确定性是提高中尺度可预报性的一个关键。但由于这种高密度观测费用极高，从业务上是很难实现的，即使能够实现，也不能保证中尺度天气预报会有明显的提高。

在一个暴雨多发且具有代表性地区进行暴雨或中尺度外场观测试验是目前解决中尺度观测、获取中尺度资料和研究其形成暴雨的机理的一个主要途径。在国际上早在20世纪40年代(如美国的雷暴试验)已开始中尺度外场观测试验。在我国的暴雨研究中，也十分重视中尺度暴雨试验，规模较大的暴雨试验有长达10 a中日合作的“淮河流域暴雨和水文试验(HUBEX/GEWEX)”(1993—2002) (Ding et al., 2001；Fujiyosh and Ding, 2006；Uyeda，2011)与“中国南方降水野外观测试验(SCHeREX)”(2013) (倪允琪等，2013；谈哲敏等，2013)。另外区域性与暴雨相关的其他试验有华南前汛期暴雨试验(黄士松等，1984)、华东梅雨期中尺度试验(张丙辰等，1996)以及近期举行的省级的试验(如四川省的西南涡暴雨试验、湖北省暴雨观测试验和华南暖区暴雨试验等)。

最近Luo等(2019)对历次华南前汛期暴雨计划和外场科学试验进行了总结(表 2)，特别是对内陆地区暖区暴雨中的中尺度系统的发生进行了深入的分析。他们指出，除了与双急流、海陆风锋和沿岸地形有关外，前期对流产生的准静止中尺度流出边界可以连续地触发极端暴雨事件，并且活跃的暖雨微物理过程在其中一些暴雨事件中也起着重要作用。因而深入认识暖雨、结淞和冰相微物理过程的贡献，对暖区暴雨的形成和预报也是十分重要的。

通过国家攻关项目的支持，分别建立了京津冀、长江三角洲、长江中游、珠江三角洲等四个中尺度基地。通过上述一系列不同规模和重点的中尺度试验基地建设，获得了大量关于中国中尺度系统的特征、生命史、结构以及形成暴雨的过程和机理的研究成果，大大促进了我国暴雨研究的重点由天气尺度逐步转向中尺度系统，推动了我国区域暴雨数值预报模式的发展和业务化运行，推动了暴雨预报向定量化、客观化、精细化方向转变，并延长了暴雨预报的时效。在科学上，对中尺度系统形成暴雨的机理和过程得到了许多新的成果，这包括：(1)揭示了中尺度雨团的活动规律及其形成特大暴雨的方式和机理。在暴雨期间有频繁的中尺度雨团生消、移动和强度变化，每个雨团实际上是一个或几个相互邻近的强烈发展的积雨云群，这些积雨云群随着中尺度系统发生、发展和移动，一个地点的暴雨就是这个群中若干中尺度雨团经过某地并发生合并与加强和持续的结果。(2)揭示了江淮梅雨锋和华南前汛期暖区暴雨区中的β中尺度涡旋结构与形成暴雨的机理，尤其是西南涡、大别山地区和华南前汛期暖区涡旋系统与致洪暴雨的关系(“ 75.8”暴雨会战组会战组, 1977a, 1977b；谈哲敏等，2013；Ding et al., 2001)。(3)通过中日合作的HUBEX/ GEWEX试验，得到了长江梅雨期产生的暴雨的三维中尺度对流系统模式(Uyeda，2011)。

4 未来中国暴雨理论研究及其业务预报应用的挑战 4.1 暴雨理论研究的两大目标

(1) 暴雨理论研究的一个主要目标是，为发展新的暴雨形成机理与预报系统提供坚实的理论基础和方法。为解决暴雨或中小尺度暴雨系统的预报，最终目标是构建全球(10 km)-区域(5 km)-云分辨模式(1 km以下)组成的高分辨率、具有包含云微物理过程的云模式的三重嵌套模式系统。1~10 km水平分辨率的区间目前被称为灰色区域。在这个区域，是否或如何使用积云参数化等明显地依赖于分辨率。到1~5 km，将主要依据显示的云模式预报降水，这是目前定量降水与暴雨预报的挑战性问题，即大暴雨预报的核心问题是：正确地预报云从浅到深对流，再到合并成MCS (即中尺度对流系统)的演变过程与在这个过程中通过云微物理过程不同的造雨机制使降水形成和增幅。可以看到，从1975年“75.8”暴雨到2012年“7.21”汛期大暴雨的40 a间，通过艰难的探索在暴雨研究和预报方面取得了重大进展，其中“75.8”暴雨最先为我们提供了极为宝贵的多方面经验与启示。

(2) 暴雨理论研究的第二个主要目标是，提高预报员对暴雨生成和发展的理论认识，并以新的暴雨理论指导其对暴雨预报思路和方法的形成，以能正确运用数值预报的产品发展适合于本地区的区域与局地暴雨预报的方法与评估预报结果，不断改进暴雨预报的技巧和能力。这是暴雨预报能力建设的一个中心问题。目前天气预报已进入数值预报的时代，普遍的认识是为了提高天气预报的准确率，最根本的途径首先是要提高数值预报的能力，暴雨预报的进展也不例外。但暴雨预报的实践表明，暴雨预报仅依靠数值预报尚有相当困难，尤其是对突发性和持续性暴雨的预报，无论在时间上、地点上以及量值上均很难达到社会和公众的需求，例如，中央气象台预报员的统计表明，大雨以上量级的降水预报，预报员的预报常常比各种数值模式的预报具有更高的技巧。这表明天气预报，尤其是暴雨预报在未来一段时间内并不能完全依赖数值预报，而同时必须发挥预报员的作用。即预报员通过掌握的天气与气候的理论知识、经验、资料与信息和其他预报方法，对数值预报的结果进行有效的订正，甚至在必要时进行更改，最后确定更可能符合实际的预报结果。同时这种订正过程也能自觉地增强预报的信心和决策能力。实际上这也是过去提出的人-机对话预报方式在近代天气预报的发展。通俗地说，数值预报加预报员订正是天气预报也是暴雨中、短期预报在未来一定时期内的主要预报方法，要达到完全客观化、自动化与人工智能的时代还要走十分长的路程。尽管如此，数值天气预报仍然是暴雨预报的主要依据。

4.2 暴雨业务预报分析能力有望提高

预报的能力建设中一个重要方面是增强预报员对暴雨形成机理的深入认识。据此才能建立正确的预报思路和方法。一个预报员面对暴雨预报，为增强其能力他(她)应该如何建立正确的预报思路呢？在现阶段，关键是识别和确认暴雨的关键影响系统(尤其是高影响的天气系统)及其与未来暴雨发生时间、地点和降降水量的关联。为了达到这个目的，一个预报员在制作和发布暴雨预报之前可以进行以下六个方面的分析：

(1) 了解气候背景和气候预测以及汛期的主要天气系统概念模型，包括不同种类暴雨出现的概率、条件、时段、演变过程和致灾程度等。一方面，要了解当时的月、季、年气候预测结果，包括主要雨带的位置与异常情况、季风活动和台风生成数及登陆状况的展望等；另一方面，要深入理解汛期主要天气系统概念模型，建立天气系统与暴雨发生条件和暴雨区的联系，以及天气系统一般的演变过程和特点。预报员若这方面的知识储备越多，思路会越开阔，对预报结果的决策会更有信心。

(2) 根据数值预报的环流形势预报进一步分析可能导致暴雨发生的环流型。这需要预报员熟知中国大范围暴雨和区域型暴雨发生的环流型，尤其是对持续性大范围特大暴雨的环流型应有深入了解，这也是中、短期暴雨预报的基础。根据数值预报的环流形势预报，需仔细分析未来的环流演变是否相似于某种暴雨环流型，这包括判断阻塞高压和西风带大槽或冷涡的位置，副热带高压维持、北跳或西进加强，东亚夏季风的强弱脉动和进退等关键环流系统。在这方面，还需了解高空急流的位置与演变，因为它决定了行星锋区与风暴路径的位置以及高低空急流可能的耦合。

(3) 确定和追踪主要影响系统和暴雨区。根据数值预报结果要做到这一点并不难，但关键是分析它的演变过程以及与其相关的暴雨条件的变化，尤其是对高影响天气系统的分析，如锋生、温带气旋的发展、台风登陆与变性、中尺度对流系统的发展(可产生暴雨、雷暴、大风、冰雹等)。预报员应充分利用数值模式的输出结果进行有重点的分析，利用模式输出结果，对主要影响系统和相关暴雨区的诊断、检验与比较(不同模式可能有不同结果)过程，这是一个确定和跟踪预报对象的关键过程。

(4) 基于预报员的经验，利用统计或动力-统计方法和环流方法，以及卫星、雷达、探空等资料对数值预报的分析结果进行适当订正。如计算各种动力和层结不稳定指数、温度平流、涡度平流、ω分布、高低空急流的次级环流以及天气系统发展的方程(位涡方程、Q-向量方程、ω方程、位势倾向方程和地面气压变化方程等)。统计或动力-统计方法中包括数值预报产品释用方法，过去常用的方法是MOS和PP方法。目前MOS方法有了许多改进，它体现了动力与统计的结合，是数值预报产品释用的一个主要方法。通过上述独立的诊断和预报，以及所用数值预报结果的系统性误差，对数值预报结果进行订正，并重新绘制出订正后的主要影响系统和暴雨区的实况和预报图。通过这个过程进一步实现了数值预报与预报员的结合和交互作用，据此可大大提高对主要影响系统和暴雨区预报的认识，增强预报的信心。

(5) 在条件具备的地区和时段进行中尺度分析，尽可能确定主要影响天气系统和相关暴雨区中的高影响地点和时间，使暴雨预报向精细化方向发展。这对超短时预报尤其重要，就目前的条件而言，要利用好五种资料：1)卫星资料。尤其是同步卫星资料，目前中国的双星同步卫星观测对于追踪中尺度强对流系统提供很好的条件，对于主要影响系统中的强暴雨区的判别也提供了一定的依据。卫星云图的中尺度系统识别技术和定量化信息的提取有利于暴雨预报。2)降水资料。中国有比较稠密的降水观测网，尤其是东部地区，并且有每小时观测。自动台站网的建设进一步提供了大范围地区连续的降水观测资料。利用这些降水资料可以进行雨团分析和单站降水时间序列分析，这对于识别中尺度系统(雨团)及其移动和过境时间是较为有用，过去许多中尺度降水系统的演变规律大都是依据雨团分析得到的。3)雷达资料。我国已建立了覆盖比较完整的先进天气雷达网，其中绝大多数为多普勒雷达和多双偏振雷达，且全国基本实现了雷达回波拼图与数字化。雷达资料在监测中尺度系统方面很关键，尤其是对12 h以内的超短时预报更为关键。把雷达、卫星和自动气象站网观测(如可能包括部分风廓线仪和GPS观测)组合在一起，是实现全国或区域中尺度观测的现实途径。它们是互为补充的，高空观测在相当长的时间内不可能从业务上实现中尺度观测。根据THOPEX观测计划，主要在天气的敏感区用专门的落仪探空实现适应性观测，但目前还没有一个国家付诸实现，因而目前主要是选择一些关键探空站进行分析，进而确定暴雨的时间、强度与持续时间。4)地面中尺度综合分析资料。过去这方面的工作表明，它有利于判别造成暴雨的中尺度天气系统，有利于预报员从感性上加深认识暴雨天气系统。中央和省级的台站应进行和维持这种中尺度分析。目前绝大多数图表均是数值预报模式自动生成，但区域中尺度图应成为预报员的一种主要分析图。5)其他特殊观测资料。包括风廓线仪、GPS系统、边界层塔、微波辐射仪、高空商用飞机等观测。这些资料可以有选择的与常规的定时定点观测资料共同使用，目前对这些资料如何用于暴雨分析和预报尚在研究阶段。这些资料在观测时间、空间和要素上具备常规观测资料所没有的优势，随着研究和应用的扩展以及人工智能技术的使用和融入，其必将会发挥更大的作用。

(6) 综上述分析结果，预报员首先应建立明确的预报思路，据此绘制出要求时限的暴雨预报图。预报图应包括主要影响天气系统及其演变状况、相关暴雨区的位置与移动、强暴雨的发生地点与时间、可能降水量，还应注明暴雨可能持续时间以及消失时间等。这种综合预报图有利于预报员梳理思路、进行预报决策和天气会商，它在一定程度上，促使预报员尽可能分析获得的信息，并进行思考和综合判断。预报员必要时可制定一个行之有效的分析流程，在此基础上对暴雨形成便具有深邃的洞察力和较高的决策能力。