引言

暴雨和强降水是我国各地区经常发生的强天气事件，暴雨和强降水的主要区别是降水量发生的空间和时间尺度的差异，一般将一个观测站24 h降水量超过50 mm的天气现象称为暴雨，而强降水一般是短时天气现象，它们之间既有区别也有联系，但均是中尺度天气。有史记载以来，自公元前206年西汉立国到晚清1840年的两千多年中，较大的致洪暴雨成灾有984次，平均每2 a一次(骆承政和乐嘉祥，1996)。我国近代暴雨的降水量有许多很高的记录，有的达到或接近世界极值，如1935年7月湖北五峰暴雨，连续10 d在10 000 km2面积上，平均10 d总降水量达1 050 mm；新中国成立以来，也发生过多次致洪暴雨过程，如1954年的长江洪水、1963年的海河洪水、1975年河南特大暴雨洪水以及1991、1998年的江淮流域洪水。1975年8月的河南西部特大暴雨过程，暴雨中心5 d的总降水量为1 631 mm，其中林庄出现6 h降水量达630 mm的记录，为当时世界6 h降水之最高值。1977年8月内蒙古毛乌素沙漠的暴雨，暴雨中心10 h降水达1 400 mm，创造当时世界沙漠降水的最高记录(章淹，1991；贺勤和刘正奇，1996；赵思雄等，2004)。除了这些全国性重大暴雨外，区域性暴雨更是频繁可见。在全球气候变化的背景下，近年来，我国各地区干旱和洪涝交替出现，特别是不少地区发生局地暴雨和强降水，洪水灾害严重影响人民生命财产安全，因而研究暴雨和强降水的形成原因及演变规律是人类进行抗灾斗争的必需。

随着气象科学研究的逐步深入，形成暴雨的复杂物理机理逐步被揭示，特别是大气环流中的天气尺度系统，如锋面过程、高低空急流、季风活动、副热带高压和台风影响对于暴雨形成的研究渐趋成熟。已有的分析指出，不同尺度天气系统的相互作用是暴雨产生的重要原因，但是在大尺度锋面过程中，例如梅雨锋有几千公里，锋面暴雨区域只有几十或者几百公里；大尺度低空急流输送的动量、热量和水汽是非均匀的，它与高空急流的耦合引起的暴雨区也是中小尺度的；台风中的暴雨带更是具有中小尺度特征。因而大尺度天气学方法难以解决暴雨的中尺度天气预报问题。20世纪以来，世界范围内开始了将暴雨研究转向发展为中尺度气象学，新中国成立以来，特别是20世纪70年代以来，暴雨和强降水的中尺度天气动力学研究掀开了历史的新篇章(巢纪平和周晓平，1964；章淹，1965；陶诗言，1980；张丙辰，1990；陶诗言等，2001；倪允琪和周秀骥，2004；伍荣生等，2004；赵思雄等，2004)。

经过几代人数十年的努力，我国暴雨和强降水的中尺度天气动力学研究取得长足的进展。中国气象工作者为了解暴雨和强降水的中尺度系统的结构特征、生命史过程，进行了多次中尺度天气试验，对不同区域不同时期的暴雨和强降水的中尺度系统，建立了具有观测基础的天气学模式，也对其中的动力学原因进行了前沿性的不懈探索，为提高暴雨和强降水的准确预报能力，还开展了区域数值模式的试验。在暴雨中尺度研究过程中，值得一提的重要研究成果包括：章淹(1965)的《中尺度天气分析》是我国第一部中尺度天气分析专著；巢纪平和周晓平(1964)的《积云动力学》是我国第一部中尺度动力学专著；叶笃正和李麦村(1965) 的《大气运动中的适应问题》、李麦村(1978)的《重力波对特大暴雨的触发作用》、陶诗言(1980)的《中国之暴雨》、杨大升(1980)的《动力气象学》、杨国祥(1983)的《中小尺度天气学》等专著，为中尺度天气动力学的基础研究开辟了新视野。此外，20世纪80年代，周晓平和武汉暴雨研究所相关研究人员合作研制的暴雨数值模式将中国暴雨预报开启了现代化进程。中国中尺度气象工作者分别在1999年、2004年、2007年、2015年(每4 a一次，2011年遗漏)向国际气象组织的有关方面(IUGG)通报中国中尺度气象研究的进展(Zhou and Lu, 1999；Zhou et al., 2004；Lu et al., 2007；Gao et al., 2015)。

暴雨和强降水发生在中国的所有地方，不同区域暴雨和强降水除受不同天气尺度系统影响外，还受到局地地形、区域环境、水陆分布等影响，因而产生暴雨和强降水的中尺度系统有着显著的差异，如北方气旋和高原东侧的西南涡旋的中尺度系统结构特征和物理机制有着明显区别等。而暴雨和强降水的中尺度天气分析研究需要高分辨率的观测资料作为基础，新中国成立以后，针对暴雨和强降水，气象工作者着重在江淮以南地区进行了多次中尺度观测试验。本文限于篇幅，就我国江淮以南地区的暴雨和强降水的中尺度天气分析的研究进展进行概括，重点是综述对暴雨和强降水有重要影响的α中尺度和β中尺度对流系统的结构特征以及暴雨和强降水的动力学、热力学的物理机制。

1 暴雨和强降水的中尺度试验

1963年至1964年夏，中央气象科学研究所和中国科学院地球物理研究所在长江三角洲地区开展了中国第一次灾害性天气中尺度观测试验，主要对暴雨中尺度天气分析方法、云物理观测及中尺度天气预报的要求和可能性进行了探索。1970年代中期，中央气象科技研究所与湖南省气象局联合主持了湘中地区暴雨临近预报的中尺度试验。1977—1982年，多部门的科学家联合实施了一个为期5 a的合作计划，即“华南前汛期暴雨试验”，这次试验研究揭示了华南前汛期暴雨所具有的暖区暴雨特征以及影响暴雨的环流背景和系统，还对华南暴雨的中尺度特征、地形作用进行了探讨，从而对华南暴雨的认识突破了挪威学派的锋面气旋模式框架(Zhou et al., 1991；周秀骥等，2006)。“75.8”河南特大暴雨以后，国内气象院所和高等院校对其开展了集中攻关研究。1980—1988年，由中国人民解放军总参谋部气象局组织和领导的“华东中尺度天气试验”，获取了梅雨锋、江淮气旋中的暴雨的较高分辨率中尺度资料，第一次在较高分辨率观测资料的基础上，分析得到梅雨锋和江淮气旋暴雨中具有观测研究基础的α中尺度和β中尺度系统的结构特征和生命史过程，并进行了中尺度动力学的分析。1986— 1990年，中国气象局建成了“京津冀地区灾害性天气监测和超临近预报试验基地”，对暴雨和对流性天气进行监测和分析研究以及预报的业务试验。1997— 1998年，中国气象科学研究院与中国科学院大气物理研究所以及广东、福建等省市气象局合作开展了“华南暴雨试验研究”(国家“九五”科技攀登计划)。1998—2003年，中国气象科学研究院等主持了“我国重大天气灾害形成机理和预测理论研究”(国家973项目)。2004—2009中国气象科学研究院与其他单位合作开展了“我国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究”(国家973项目)。两个国家973项目分别对长江中下游梅雨锋暴雨和华南暴雨开展了野外科学试验，基于梅雨锋暴雨和华南暴雨观测个例，重点研究了对暴雨有重要影响的α中尺度和β中尺度对流系统，建立了观测个例的中尺度物理模型。通过试验，建设了具有适应性功能的中尺度观测网，发展了中尺度融合同化分析系统，形成了高时空分辨的再分析气象场，充分应用卫星、雷达遥感资料，发展与观测系统互动的中尺度数值预报模式系统和临近预报系统，建设了四个观测试验区，覆盖了湖北、河南、安徽、江苏、浙江、广西、广东等省市。试验获得了可以表现中尺度强对流系统的三维结构及其演变特征的加密气象观测资料以及云内微物理过程的参数等。试验获取的丰富的β中尺度分辨率的观测资料，为揭示我国南方暴雨β中尺度特征及其环境背景、深入了解β中尺度暴雨系统的结构与机理、对流层低层急流对β中尺度强对流系统的发生、发展和对强降水发生地点、时间与强度的影响，提供了重要的资料保证(黄士松，1986；张丙辰，1990；倪允琪和周秀骥，2004; 张人禾，2006)。

2010年以后，国家科技部持续支持我国暴雨研究，特别是2018年国家重点研究研发计划“重大自然灾害监测预警与防范”对“暴雨的多尺度相互作用机理及预测理论研究”开展了研究，内容包括了基于多种大气探测的暴雨系统动力和云微物理过程的参量综合反演技术，探索暴雨中小尺度对流系统的结构，深化我国季风暴雨的多尺度作用和云微物理过程的认识，建立对流尺度的集合预报试验系统等(罗亚丽，2019)。

2 梅雨锋暴雨的中尺度研究

梅雨锋是我国夏季最主要的天气系统，在卫星云图上，我国长江中下游地区维持着一条稳定持久的非均匀性的层状云雨带，云雨带内有强盛的中尺度对流云团，云雨带随大尺度环流的短期变化有周期性的南北振荡，在地面形势上表现为呈东北-西南方向的准静止锋，在长江中下游地区的梅雨锋温度梯度较小、湿度和位涡梯度较大，低层具有较大的气旋性切变(丁一汇等，1993；Chen et al., 1998；谈哲敏等，2004；赵思雄等，2004；徐双柱等，2018)。基于“华东中尺度天气试验”较高分辨率资料的分析表明，大尺度云雨带中镶嵌着一条或多条α中尺度尺暴雨带。使用降水资料、卫星云图和雷达分析资料发现，在暴雨带中还可能出现多个β中尺度雨团的移动和传播；当有两条雨带时，会出现两条雨带此长彼消的交替变化；与α中尺度雨带相联系的是中尺度切变线，α中尺度雨带的三维结构是具有一个与雨带轴线垂直的滚轴状环流，它与沿基本气流方向垂直传播的惯性重力波有关，条件性对称不稳定提供了发展和传播机制。此外，观测发现中尺度雨带中的中尺度雨团的传播也与惯性重力波有关(Yang et al., 1987a, 1987b；余志豪和陆汉城，1988；张可苏, 1988a, 1988b；Luo et al., 2014)。

梅雨锋的一个主要特征是，它的动力学、热力学三维结构及演变规律和伴随的中尺度对流系统有较大的区域性差异；梅雨锋的另一个主要特征是具有多尺度性，不同尺度的天气系统伴随着梅雨锋，包含有低层涡旋、高低空急流和中尺度对流系统(MCS)，它们之间的相互作用导致了梅雨锋暴雨复杂的形成物理机制(朱乾根，1975；黄士松，1976；高守亭和孙淑清，1984；高守亭和陶诗言，1991；陶诗言等，2004；廖捷和谈哲敏，2005)。

梅雨锋暴雨是与梅雨锋相关的不同尺度天气系统相互作用的结果。在梅雨锋暴雨形成过程中，不同尺度、强度的中尺度对流系统在梅雨锋上产生、发展、移动和组织，在一定的大尺度环流背景和其他的天气系统(例如低涡和高、低空急流等)的共同作用下，导致暴雨的发生(李丽和张耀存，2017)。梅雨锋低层气旋性涡旋(以下简称低涡)，是一类与梅雨期暴雨密切相关的天气系统。根据其来源，可将低涡分为两类:一类是移动性西南涡，它主要在高原东侧形成，形成后沿梅雨锋逐渐东移，有的可到达长江中下游，从而形成暴雨；另一类是局地性低涡，该类低涡主要位于梅雨锋区，是在有利的动力、热力条件下(例如地形、对流性加热等)形成，一般产生在梅雨锋切变线上，移动缓慢，对暴雨的突发性、继发性与持续性起着重要的作用。这类局地性低涡的形成，往往与江淮切变线、中尺度对流系统以及高低空急流等之间存在复杂的相互作用过程有关。研究认为将涡旋性切变线和其上产生的低涡看作是同一系统，认为高、低空正涡度中心的叠加和耦合是低涡持续发展的一种动力学机制，事实上，江淮切变线发展过程可以增强低层辐合和高层辐散，从而促进中尺度低涡不断发展(Dudhia，1993；Grell，1993；孙淑清等，1993；Hong and Pan, 1996；胡伯威和潘鄂芬，1996；朱民等，1998；Trier and Davis, 2000；程麟生和冯伍虎, 2001, 2003；高坤和徐亚梅，2001)。与梅雨锋暴雨系统密切相关的另一类天气系统是高、低空急流。在梅雨锋暴雨发生前通常在梅雨锋南侧有低空急流的出现或者加强，低空急流不仅往北输送暖湿空气，为梅雨锋区的对流产生提供低层不稳定条件，还能诱导出上升运动和位于低空急流北侧的有利于暴雨产生的次级环流。同时，中尺度对流能通过高层西南风动量的向下混合而加强低空急流。在一些梅雨锋中尺度对流系统的发展和成熟期，位于暴雨南侧的低空急流上可出现大的中尺度风速极值中心，该中心被称为中尺度低空急流。暴雨产生后潜热释放诱导出的中尺度低空急流具有很强的非地转性，偏南风中尺度低空急流有利于暖湿空气的传输，它与对流上升运动、高层出流共同作用可以加强天气尺度垂直环流。而MCS发生时，潜热释放在对流层下层导致的中尺度低压引起的气压梯度力变化，可导致暴雨后部(西南侧)的天气尺度低空急流局地加强，由此产生中尺度低空急流，低空对流产生非绝热加热对低空急流、气旋性环流的加强起到重要作用(高守亭和孙淑清，1984；Chou et al., 1990；高守亭和陶诗言，1991；Chen et al., 1998；隆霄和程麟生，2004；周玉淑等，2005)。

多个国家重点基础研究项目获得了更高分辨率资料，利用多源(卫星、多普勒雷达、自动气象站等)观测资料，更加清楚表明:α中尺度雨带中有多个β中尺度对流系统在发展，其中β中尺度对流系统又包含有γ中尺度对流单体不断生消演变。因而梅雨锋暴雨和强降水主要是对流性降水，与中尺度对流系统有关，是α、β、γ中尺度对流系统相互作用的过程。加密的观测试验将梅雨锋暴雨的研究，从锋面大尺度结构分析推进到建立α中尺度雨带变动的环流模型，进而扩展到β中尺度强对流系统的分析，强调了β中尺度对流系统的三维动力学和热力学及其影响的物理过程，且开始注意γ中尺度对流单体组织化的作用。这些中小尺度过程决定了暴雨和强降水的时空分布和强度。利用高分辨率的资料还得到梅雨锋降水不同阶段的中尺度垂直环流不同结构和配置，跨锋面垂直环流和高层非地转垂直环流的发展对对流扰动和暴雨的形成十分重要，降水发展又调整了锋区垂直环流的结构，因而不同天气尺度系统的相互作用是通过垂直环流的调整来实现的(张丙辰，1990；倪允琪和周秀骥，2004；廖捷和谈哲敏，2005；张人禾，2006)。

β中尺度对流系统是组织化积云对流形成的对流风暴，是一类强烈对流系统，在组织化过程中能持续制造新的对流风暴，其水平尺度在几十到几百公里，生命史为几小时到几十小时。其中深厚湿对流系统演变过程的一个重要特征是，在准二维剖面上(垂直于梅雨锋锋面的二维剖面)有一个很强垂直运动的中尺度环流，因此组织化积云对流引起暴雨过程的核心科学问题是，探索中尺度环流如何形成，并如何成为尺度较大、持续时间较长并具有传播云系的深厚湿对流系统。对于两种类型环流结构的对流(垂直对流和倾斜对流)的物理机制的讨论可分为自由对流(或热力不稳定及动力不稳定引起的对流)和强迫对流。自由对流的产生必须在被某种抬升机制激发之前有有效位能的积累，然后不稳定能量被释放。而强迫对流是消耗有效位能的过程，因而强迫对流经常出现在有效位能相对定常的环境大气中，深厚湿对流运动的动力学结构取决于研究对流运动的中尺度运动方程的动力学框架(Zhou and Lu, 1999；Zhou et al., 2004；Lu et al., 2007；Gao et al., 2015)。

梅雨锋暴雨过程中的中尺度垂直环流可能出现的倾斜环流，它们的发生发展受到大尺度环境、环境风垂直切变、干空气侵入、后方入流、边界层锋生、对流激发形成的冷池和凝结潜热释放等诸多条件影响，由条件不稳定、条件性对称不稳定、横波不稳定、绝对动量调整释放的不稳定提供了热力学和动力学不稳定，它们决定了中尺度垂直环流的尺度、结构和形态。梅雨锋面上由锋生激发的非地转环流和由对称性不稳定产生的垂直于锋面的准二维垂直环流具有同等重要的物理意义，两者共同之处是基流满足热成风平衡，而区别在于锋面强迫环流是基流在非地转强迫引起热成风平衡破坏后，为维持热成风平衡而产生的次级环流，可在椭圆方程条件下进行垂直运动的诊断；对称不稳定的垂直环流是非热成风平衡扰动随时间变化的环流，可进行垂直运动发展的判别( 张可苏，1988a，1988b；伍荣生等，2004；Lu et al., 2007；Ming et al.，2018)。

梅雨锋中的暴雨和强降水研究取得了重大进展，但对于中小尺度天气学的研究还停滞在获取资料的现象描述，动力学研究也局限在个别过程，缺少具有统计特征的广泛适用性。

3 华南前汛期暴雨的中尺度研究

预报实践和研究表明锋前暖区暴雨是华南暴雨的重要特征，华南暴雨与中尺度对流系统发生发展有密切关系。前汛期期间，华南地区具有温度高、湿度大、湿层厚、潜在不稳定能量大的特点，加上所在低纬度的科氏参数较小，大气运动的非地转特性较强，我国南部热低压和热低槽受孟加拉湾槽前西南风的影响有利于南部低层浅薄系统的发展。华南暴雨是南下的弱冷空气与来自低纬度暖湿气流共同作用造成的，又与华南地区特定的低纬度地形相结合，它的形成是中低纬度系统相互作用的产物，不同尺度天气系统相互作用对暴雨发生发展具有重要意义，而中尺度对流系统起着更加重要的作用。造成华南暴雨的中尺度系统主要包括:中尺度涡旋(如中低压)，线型辐合系统(如中尺度切变线、中尺度冷锋、中尺度低空急流等)，中尺度波动(风速脉动、重力波等)，这些中尺度系统产生的中尺度对流系统(MCS)是前汛期暴雨的直接原因(李麦村，1979；黄士松等，1986；张庆红等，2000；赵思雄等，2000；周秀骥等，2000；孙建华和赵思雄，2002a，2002b；吴庆丽等，2002；蒙伟光等，2004；周海光，2007；王婷等，2008；夏茹娣和赵思雄，2009)。

(1) 中尺度涡旋，主要包括中尺度低压以及流场上的中尺度辐合涡旋等。许多特大暴雨的产生与中尺度涡旋的生成、停滞打转或者强烈发展有直接联系。研究表明，低涡型暴雨是华南暴雨的一种重要类型，它常发生在对流层低层切变线上，可造成强暴雨过程。“98.7”突发大暴雨过程的研究表明，暴雨的产生与700 hPa上一个β中尺度低涡的生成和强烈发展有关，强散度柱与强涡度柱耦合发展，强上升运动与饱和气柱相耦合，湿静力不稳定与湿对称不稳定共存是该次暴雨中低涡的主要特征。“07.6”广西柳州极端暴雨发生在850 hPa低涡切变线上，暴雨中心对应着β中尺度低涡扰动中心。因此，中尺度低涡是触发暴雨产生的主要中尺度扰动之一。低涡的时空演变与暴雨中心的移动以及降水量的变化相一致。暴雨容易出现在低涡的西南侧，当低涡在某处停滞打转时，更易于形成大暴雨，低涡的稳定维持是持续暴雨产生的主要原因之一。

(2) 中尺度辐合线，是出现在地面或者低层的行星边界层上的辐合线，是触发暴雨的另一类重要的中尺度扰动，很多暴雨过程都伴有一条或多条这一类切变线的活动。沿切变线的降水分布不均匀，强降水主要出现在中高压前缘的切变线附近或明显的辐合处，特别是两条切变线相交的锢囚点附近。切变线与其他降水系统叠加时，更容易产生强降水，一些强降水常常是中尺度涡旋与中尺度切变线共同作用的结果，地形影响下的准静止切变线往往是大暴雨产生的重要系统，低层暖湿急流和弱冷空气相互作用产生的中尺度辐合线，也是产生大暴雨的主要系统。

(3) 中尺度波动，它表现在风场上的风速脉动和气压场上的气压扰动，强风速脉动是暴雨的一种触发机制，它反映了中尺度流场扰动对暴雨的重要性，这种脉动具有重力波特征。华南前汛期暴雨中，主要有两种低层重力波，一种是锋面激发的；另一种是西南低空急流触发的，这种急流型重力波使得边界层强输送引起辐合上升，提供了暴雨的触发条件。

(4) 中尺度低空急流，华南暴雨过程的中低空急流的研究发现，大尺度低空急流轴线上存在尺度较小的波动现象。其振幅强、周期短、与中尺度扰动相联系，水平尺度为几百公里，宽度为几十公里，一般出现在中尺度扰动的东南侧，并随中尺度扰动一起移动。它也是一种中尺度的重力波系，急流轴上发生的重力波系统与中尺度暴雨雨团有十分重要的联系，风速脉动往往与雨锋对应。

(5) 中尺度反气旋，包括雷暴高压、中尺度高压等。其特点是气流是辐散的，辐散气流有小的高压对应，一般尺度为40~50 km，有时可达200 km，生命史约几小时，移动路径与高空引导气流一致，偏东以东为主，常常与干冷中心结合。

这些中尺度天气系统产生或者触发的中尺度对流系统(MCS)，是华南暴雨和强降水的直接原因(伍荣生和谈哲敏，1989；高守亭等，2002；周玉淑等，2005)。例如影响2008年6月的广西致洪暴雨过程是一个准静止的中尺度涡旋，天气尺度的高、低空急流的耦合作用为中尺度涡旋提供了涡旋和垂直环流的环境条件，用分片位涡反演方法诊断分析表明，位涡异常导致了中尺度深厚湿对流。又如对2005年6月广东粤中地区特大持续性暴雨的β中尺度系统分析发现，β中尺度系统是该次广东持续性暴雨的直接制造者，局地喇叭口地形非常有利于β中尺度系统的触发与维持，β中尺度系统发展初期有一些更小的γ中尺度系统的活动，它们形成带状后逐渐发展合并为β中尺度系统，中尺度雨团中心对应着上升运动，而在雨团北侧有弱下沉气流的补偿，引起降水的β中尺度系统多位于锋前暖区的相对更暖区域(Ge et al., 2008, 2011a, 2011b；葛晶晶等，2011)。

4 台风暴雨的中尺度研究

我国是世界上受热带气旋(TC)影响最为严重的国家之一，热带气旋登陆频繁，平均每年我国登陆台风7~8个，是世界上台风登陆最多、灾害最重的国家。登陆台风除带来洪涝灾害外，还带来严重的风灾和暴潮灾害。过去几十年中，我国连续不断地开展了热带气旋的科学试验研究工作，获取了大量地面加密资料和雷达、卫星等资料。试验的共同科学目标是，采集热带气旋内部高低空、热带气旋周围环境以及海面和深海的加密观测资料，以研究热带气旋的异常运动，包括路径摆动、移向突变和双台风回旋等。我国热带气旋研究工作在热带气旋运动尤其是异常运动的机理、热带气旋结构和强度变化机制、热带气旋暴雨以及相应预报方法的研制等方面，均取得了新的成果。热带气旋结构和结构变化是热带气旋研究最基本的领域，也是中尺度气象的基本科学问题，结构变化不仅是结构本身的问题，它还影响到热带气旋的强度变化、路径的偏折、热带气旋暴雨落区和雨强甚至风暴潮的强弱(陈联寿和丁一汇，1979；陈联寿等，2002；陈联寿和孟智勇，2005；端义宏，2005；陆汉城等，2007)。

热带气旋结构和结构变化除了受其能量输送、中尺度强对流活动及其分布等影响外，还受到环境的重要影响，尤其是中纬度环流系统对台风变性等有巨大影响。观测分析表明，深秋季节，冷锋侵入热带或低纬度地区与热带气旋相遇有时会造成热带气旋的空心结构。小股冷空气会侵入热带气旋的内部并造成眼壁、强对流及热带气旋暖心结构的破坏。这是由于冷空气的侵入使热带气旋眼区变得比较稳定，眼壁附近的最大风速突然消失，而在热带气旋与冷锋相接的热带气旋外区由于气压梯度加大而导致风速加强。地形也是影响热带气旋结构变化的一个重要因素。数值研究表明当台风接近台湾岛时，在岛屿的另一侧会诱生涡旋生成。在适当条件下，台风原来的低层中心因地形的阻挡而消失，高层中心移过岛屿，其相应的正涡度中心与低层的诱生涡旋耦合，使诱生涡旋得以发展加强而代替原来的台风(孙子平和丁一汇，1990；林元弼等，1995；王继志和杨元琴, 1995a, 1995b；夏有龙等，1995；徐祥德等，1995；郑祖光等，1996；陈华，2000；余晖和吴国雄，2001；李英等，2005；徐亚梅和伍荣生，2005)。

观测研究表明，热带气旋不仅是一个具有轴对称特性的涡旋型次天气尺度系统，中尺度特征显著，气旋内部的降水回波也不是均匀的，具有清晰的螺旋雨带结构。由于热带气旋对人类所带来的危害主要是强风及热带气旋过境时所带来的强降水，而热带气旋中眼壁和螺旋雨带中的深厚湿对流单体不仅是强降水的源地，通常也是最大风速所在区，因此，近年来热带气旋眼壁和螺旋雨带的结构和传播特征问题一直是热带气旋动力学研究的重点，取得了许多进展，尤其在眼壁和螺旋雨带中尺度波动特征问题上，除了发展经典重力惯性波理论外，还提出了涡旋Rossby波理论，但两种理论均存在着一定局限性(黄瑞新和巢纪平，1980；许秦，1982；Emanuel，1986；Montgomery et al.，1997；罗哲贤和陈联寿，2003；陆汉城等，2004)。

观测事实表明，热带气旋内部的降水回波不均匀分布的螺旋雨带的几何形状类似于几何螺旋线形式，一个典型的热带气旋风暴螺旋雨带结构包括外围区雨带和内区雨带。外围区雨带常见于大尺度对流区内，即位于赤道区并延伸到热带气旋东侧附近。这个对流区就是通常所说的供水带(feeder band)，它为热带湿空气卷入内核区提供了一条管道。迄今为止，对这些供水带或者含有供水带的雨带结构的观测还很少，早期的雷达气象学家在热带气旋的最外缘(距中心750 km)观测到有“先兆雨带”，这些雨带具有细胞状结构，随气旋一起移动，而不是气旋式的围绕在热带气旋周围，可以产生诸如强风、暴雨等恶劣的天气状况。内区雨带通常由以下几部分组成: (1)靠近热带气旋风暴眼的眼壁区，它是由发展异常旺盛的对流云组成，具有某种组织化的环流结构，眼壁随高度略向外倾斜，同时对应存在着与对流相伴的垂直运动和径向运动及切向风速的最大值。眼壁对流环的许多方面类似于热带飑线，但是眼壁云区中没有任何有组织的对流层中层下沉气流，眼壁中几乎全是持续的上升气流，一般5~6 m·s^-1的中尺度上升气流中含有好几个7~ 9 m·s^-1的对流核。需要指出的是，热带眼壁并不是大家通常所认为的环形，而是具有某种多边形结构，有的研究认为是某种波动的叠加结果。(2)贴近眼壁的区域主要是层状云降水组成，这种层状云降水区被认为是由于对流活跃带中碎云片的水平平流的结果。(3)再外侧就是静止和移动的螺旋雨带系统(周仲岛等，1994；陈联寿等，1997；陆汉城等, 2001, 2002；孙建华等，2006；赵坤等，2007)。

实测资料和理论分析均显示，热带风暴内部雨带和眼壁中存在着更小尺度的对流特征，包括多边形眼壁、眼壁内部由于对流或强切变引起的小尺度类波动特征，以及存在于内区螺旋雨带中径向波长约为10 km左右的类似于边界层滚轴状环流的小尺度螺旋特征。利用雷达回波资料分析了热带风暴眼壁和螺旋雨带中的小尺度螺旋结构的特征，认为在热带风暴眼壁及外侧的区域还存在一些尺度更小的螺旋带，这种小尺度雨带一般从眼壁顺时针方向向外伸展，角度在10度左右，雨带宽度在10 km左右，垂直尺度5~7 km，雨带长度100 km，可以维持至少1 h，雨带以接近切向风速的速度绕风暴中心旋转，同时，雨带的径向方向以10 m·s^-1的速度向外传播(Zhong et al., 2010；Guo and Tan, 2017, 2018)。

因此，随着大气探测手段和数值模式的发展，丰富的观测研究和高分辨率的模式输出资料能够更为细致地刻画热带风暴的三维结构和演变特征，发现热带风暴不仅清晰地呈现出多边形眼壁和螺旋雨带的结构，同时在眼壁和螺旋雨带内部降水回波的分布也是不均匀的，镶嵌有许多带状的深厚湿对流单体，这些深厚湿对流单体在随着轴对称基本场运动的同时，自身也存在生成、发展、消亡的生命史过程。这说明即使在热带风暴的非轴对称部分，仍然存在更小尺度上的动量、热量和水汽分布的不均匀。因此，观测和模拟结果均表明，在热带风暴这样一个具有强非地转分量和超梯度流的次天气尺度系统中，其中尺度运动存在着既非纯粹涡旋又非纯粹波动的特征。基于弱非线性理论的研究表明，存在一种物理特性不可分离的混合涡旋Rossby-重力惯性波，这个理论得到国际台风研究领域的认可(Zhong et al., 2009, 2010)。

观测事实与模式大气资料研究还指出，热带风暴内中尺度运动的基本特征是涡散运动共存，即辐合辐散和涡旋运动具有同量级，这就为螺旋云雨带内中尺度扰动的动力学机理研究提供了区别于准地转动力学的新问题。在得到外区雨带、内区雨带、眼壁、眼心等细微结构时，气象工作者对热带风暴螺旋云雨带及与热带风暴内区域性致洪暴雨和强风暴天气密切相关的云雨带内中尺度深厚湿对流系统发生发展的动力学机理和传播特征也越加重视。目前，对热带风暴内中尺度扰动结构特征与传播机制的研究存在着认识上的差异。一种新的研究认为，决定TC尺度的因素可以分为两种:一种是最大风速半径(the Radius of Maximum Wind，RMW)；另一种是强风半径(the Radius of Gale-force Wind)，通常取为17 m·s^-1的风圈半径(R17)。那么，是不是TC强度和尺度之间的相关性真的很弱呢?既然分别使用RMW和R17来描述TC尺度均表现出和TC强度之间较弱的相关性，如果综合两种因子描述TC尺度会不会得到较强的相关性呢? Guo和Tan(2017, 2018)定义了一种新的描述方法，称之为TC的丰满度(TC Fullness，TCF)。TCF定义为R17与RMW组成圆环的环宽占R17的比例。进一步研究TC丰满度与强度变化的关系，结果表明:在TC发展初期丰满度的迅速增加有利于TC的强度加强；TC发展过程中反复达到高丰满度级别对于TC达到较强强度十分重要；在TC发展初期，达到一定级别丰满度并且在之后维持住这种丰满度有利于TC最终发展到最强的强度级别。

一些研究还提出应该准确描述热带气旋中组织化深厚湿对流及与其相联系的强辐合辐散运动。在动力学分析中，垂直运动的诊断是一个比较有争议的问题。以往分析认为，准地转ω方程是应用热成风平衡对准地转涡度方程和热力学方程进行分析后得到的，因此由它诊断的垂直环流是恢复平衡状态的必要条件，因而此时的垂直运动属于平衡系统的一部分。但也由人认为垂直运动是由于非平衡态引起的，是从非平衡到平衡的一个调整过程，因此垂直运动方程应属于非平衡过程。目前的研究工作指出了在中尺度运动分析中的平衡流、非平衡流的区别和差异，平衡流中旋转风分量是主要的，非平衡流主要反映系统的调整变化，该过程伴有快波对能量的频散。因而提出一种弱平衡流(Less-balance)的概念，适用于描述同时包含辐散风和旋转风效应的中尺度运动。同时，提出了基于弱平衡流分析的PV-ω反演方法，在通过PV方程和非线性平衡方程反演得到平衡流场的基础上，利用弱平衡ω方程得出弱平衡条件下的垂直运动和辐散风分量，构成了台风弱平衡条件下的三维流场，更加完整地刻画台风基本涡旋场以及对台风强度和眼墙中云雨带的发展起到重要作用的垂直环流。此时的三维流场既保留了平衡模式中被略去的与深厚湿对流相联系的辐散风分量，又将与重力波频散相联系的垂直运动归于非平衡部分。随着台风中尺度研究的逐步深入，台风暴雨和强降水的物理机制将会更加清楚地被揭示(Zhong et al., 2009；Li et al., 2016；李启华等，2018)。

5 结论和展望

暴雨和强降水的中尺度天气分析研究需要高分辨率的观测资料作为基础，新中国成立以后，针对暴雨和强降水，气象工作者着重在江淮以南地区进行了多次中尺度观测试验，本文就我国江淮以南地区的暴雨和强降水的中尺度天气分析的研究进展进行概括，重点是综述对暴雨和强降水有重要影响的α中尺度和β中尺度对流系统的结构特征以及暴雨和强降水的动力学、热力学的物理机制。

(1) 梅雨锋暴雨和强降水主要是对流性降水，它是在天气尺度系统作用下，与中尺度对流系统生成、发展有关，是在α、β、γ中尺度对流系统相互作用的过程中形成的强天气。加密的观测试验将梅雨锋暴雨的研究，从锋面大尺度结构分析推进到建立α中尺度雨带变动的环流模型，进而扩展到β中尺度强对流系统的分析，强调了β中尺度对流系统的三维动力学和热力学及其影响的物理过程，且开始注意γ中尺度对流单体组织化的作用。这些中小尺度过程决定了暴雨和强降水的时空分布和强度。利用高分辨率的资料还得到梅雨锋降水不同阶段的中尺度垂直环流不同结构和配置，跨锋面的垂直环流和高层非地转垂直环流对对流扰动和暴雨的形成很重要，降水发展又调整了垂直环流的结构，因而不同尺度天气系统的相互作用是通过垂直环流的调整来实现的。

(2) 锋前暖区暴雨是华南暴雨的重要特征，华南暴雨是南下的弱冷空气与来自低纬度暖湿气流共同作用下形成的中尺度对流系统造成的，不同尺度天气系统相互作用及边界层的差异对暴雨发生发展具有重要意义，而中尺度对流系统起着更加重要的作用。造成华南暴雨的中尺度系统主要包括:中尺度涡旋(如中低压)，线型辐合系统(如中尺度切变线、中尺度冷锋、中尺度低空急流等)，中尺度波动(风速脉动、重力波等)，这些中尺度系统产生的中尺度对流系统(MCS)是前汛期暴雨的直接原因。

(3) 热带气旋不仅是一个具有轴对称特性的涡旋型次天气尺度系统，中尺度特征非常显著，具有清晰的螺旋雨带结构。热带风暴内部雨带和眼壁中存在着更小尺度的对流特征，包括多边形眼壁、眼壁内部由于对流或强切变引起的小尺度类波动特征，热带气旋内中尺度运动的基本特征是涡散运动共存，即辐合辐散和涡旋运动具有同量级，这就为螺旋云雨带内中尺度扰动的动力学机理研究提供了区别于准地转动力学的新问题。

(4) 在多次中尺度观测试验基础上，暴雨和强降水的中尺度天气动力学研究取得了重要进展，但是存在一些明显问题，主要是:用天气尺度的理论和概念很难去识别和分析中尺度对流系统；暴雨和强降水的中尺度天气学物理模型的个别特征不具备统计意义；暴雨和强降水的热力学和动力学机理研究缺乏强有力的观测研究的支持。随着大气探测的不断进步，需要充分利用高分辨率的观测资料结合更加精细化的数值模式，在可靠和可比较性的观测分析基础上，建立具有大样本容量和具有统计意义的暴雨和强降水的中尺度天气学物理模型。

以往几次的中尺度科学试验基本是朝着向下尺度(downscale)的中尺度对流系统方向研究的，即研究目标是从α中尺度开始，拓展到β中尺度，继而进行γ中尺度对流系统的研究，但是，它们之间的相互作用研究需要进一步深入。根据中尺度天气动力学的发展趋势，从暴雨和强降水的中尺度天气的启动原理，着眼于分析对流尺度运动触发和发展的非线性动力和热力过程及其中的云物理过程，目标是得到对流尺度运动如何发展和组织化形成向上尺度(upscale)的γ、β、α中尺度的深厚对流系统的物理机制。天气尺度动力学向中尺度动力学和云对流动力学拓展是未来研究的一个可能趋势。

本文是我国暴雨和强降水的中尺度天气动力学研究进展的综述，尽可能引用了暴雨和强降水的中尺度天气动力学研究工作者的文献，所有的工作均是集体的贡献，由于相关文献提供的内容和概念有许多相互交错和覆盖，为了综述的系统性和条理性，没有逐条分开，读者可以根据相关文献进行阅读。