引言

湖北地处长江中游，梅雨锋暴雨是夏季主要气象灾害之一(孙又欣和伍朝晖，2014)，其伴随的短时强降水、雷暴等强天气，往往会对国民经济和人们生命财产造成巨大损失。长期以来，诸多学者从梅雨锋的天气学定义(郑永光等，2008)、天气分型(周功铤等，2006)、影响系统和环流特征(吕梅和邹力，2010；孙燕等，2012；张春艳等，2012；唐永兰等，2016；杜小玲等，2016；李丽和张耀存，2017)等方面，对梅雨锋暴雨进行了研究。张小玲等(2004)概括出长江流域梅雨锋上主要有三种暴雨，其中β中尺度暴雨是梅雨锋上最常见的一类。赵思雄等(2004)指出梅雨锋暴雨中有多种尺度天气系统相互作用，而中尺度对流系统MCS(Mesoscale Convective System)是梅雨锋暴雨的直接影响系统。

对梅雨锋暴雨而言，MCS的对流组织形式和运动特征对暴雨落区和强度影响很大，诸多学者针对MCS的发生、发展及演变过程做了深入的研究。赵玉春(2011)指出梅雨锋对其附近的对流有一定的组织作用，对流扰动在梅雨锋附近可发展成尺度为100~200 km的中尺度对流系统。王晓芳和崔春光(2012)针对造成长江流域梅雨期暴雨的MCSs进行统计分析，将MCSs回波组织形态分为两大类：线状MCSs和非线状MCSs。张家国等(2013)指出MCS的触发、发展与中尺度气旋扰动有密切关系。吴涛等(2014, 2017)分析了多个强降水过程的MCS演变特征及其形成发展的原因。谌伟等(2017)对比分析了鄂东北一次特大暴雨中两个连续发生的MCSs天气背景、雷达回波特征和地面中尺度系统演变，归纳了MCSs成熟阶段准静止-后向传播结构模型。赵宇等(2017, 2018)对梅雨锋暴雨MCS组织特征和触发条件进行分析。王珏等(2019)归纳出长江中游极端短时强降水MCS的模态，并研究了部分MCS模态的成因。李双君和王孝慈(2019)对TS类MCS的雷达回波特征演变做了详细分析，并指出边界层中尺度辐合线在对流的触发、发展、组织过程中起到重要作用。

地形对MCS的发生发展有着重要的影响。湖北省中部为著名的江汉平原，但其四周地形却极为复杂，针对这一区域地形对MCS演变以及降水的影响研究也由来已久。袁恩国和廖移山(1990)研究了大洪山对中尺度气旋形成的影响，袁恩国等(1991)分析了湖北地形对中尺度系统演变的影响；张家国等(2001)对鄂东一次连续特大暴雨进行中尺度分析，并指出地形对地面β中尺度系统的发生发展起着重要作用。廖移山等(2011)指出襄樊附近复杂地形使低层出现强辐合中心，有利于MCS在该区域的维持和发展。张家国等(2015)指出大别山对雷暴冷池的阻挡作用使对流单体出现后向传播，常在山前产生强降水。苟阿宁等(2019)指出湖北马蹄形向南敞口地形、武汉附近的狭管区、大别山地形抬高冷池出流和幕阜山地形阻挡形成的三支中尺度气流，是对流单体触发、加强的关键因子。黄小彦等(2020)研究了鄂东梅雨期强降水过程中地形对低空急流的影响及其与强降水对流风暴系统的相互作用。

2020年长江中下游地区出现异常梅雨期，降水持续时间长、强度大。2020年7月16日鄂东北出现了一次梅雨期大暴雨过程，多地出现城市内涝，对城市运行、道路交通和人民正常生活等造成较严重影响。本文利用ERA5再分析资料、高空地面探测资料及湖北省雷达资料，重点分析地形影响下此次降水过程鄂东北地区的MCS演变特征和触发机制，进一步了解该地区强降水发生发展的物理机制。

1 资料来源

本文资料时间为2020年7月15日08时—17日08时(北京时，下同)，包括：(1)国家气象中心提供的高空、地面实况观测资料；(2)湖北省多部新一代天气雷达合成的swan拼图资料(水平分辨率0.01°×0.01°，时间分辨率6 min)；(3) ERA5再分析资料(在https://cds.climate.copernicus.eu/获取，水平分辨率0.25°×0.25°，时间分辨率1 h)，包括25层等压面上的高度、温度、风场、相对湿度、比湿、散度、垂直速度等气象要素。

2 降水实况

2020年7月16日鄂东北出现了一次大暴雨过程。图 1是2020年7月16日08时—17日08时累计雨量及陈巷、刘集的逐小时雨量。从图 1a中可见，鄂东北地形复杂，地势高低差距较大，地貌多样，山地、丘陵、平原、岗地兼备。其北侧桐柏山与大别山相连，呈西北—东南向位于湖北、河南、安徽之间，西南侧有尺度更小的大洪山与桐柏山相对，两山之间为狭长的平原地带，俗称“随枣走廊”。从图中雨量分布来看，此次降水过程西北－东南向的雨带覆盖了鄂东北、河南东南部及安徽部分地区，但暴雨区主要集中在鄂东北的随州-广水-大悟-红安-麻城及河南省信阳市南部，其东西长约230 km、南北宽约70 km；100 mm以上的大暴雨区主要出现在广水-大悟-红安，东西长约150 km，南北宽约50 km，具有典型的β中尺度特征；进一步分析发现，150 mm以上的区域位于雨带南侧，集中在广水市陈巷站—大悟县刘集站之间，最大降水中心为刘集站243.1 mm。

分析此次过程不同阶段的雨强，从图 1(b)中可见，降水主要出现在16日08—20时，12 h累计雨量陈巷达193.5 mm、刘集212.1 mm。其中16日10—18时雨强基本维持在10 mm·h^-1以上，降水最强时段为14—15时，尤其是14时陈巷站雨强高达43.3 mm·h^-1，是此次过程的最大雨强。分析整个雨带的发展过程发现(图略)，雨带整体呈稳定少动的特征，但期间各地区各时段的降水强度均有不同。

值得注意的是，图 1(a)中100 mm以上的大暴雨区与桐柏山—大别山西端的山脉走向基本一致，强降水中心位于山脉南侧，这一西北—东南向的地形平均高度在400~500 m之间。结合强降水过程持续时间长、累积雨量大、强降水范围集中的特点，有3个问题值得重点关注：(1)降水长时间持续的原因？(2)为什么大暴雨仅出现在水平尺度约150 km的范围内？(3)为什么大暴雨沿着山脉走向分布，大暴雨的产生与这一特殊地形有什么关系？以下将重点围绕这3个问题来分析和解释。

3 环流背景 3.1 天气系统配置

过程期间200 hPa南亚高压呈东西带状稳定在青藏高原—鄂西南一带，其脊线位于28°N左右，鄂东北位于南亚高压东侧外围的显著分流区。500 hPa上，欧亚中高纬为两槽两脊的双阻型环流，东亚大槽位于日本—朝鲜半岛；西太平洋副热带高压呈东西带状位于海洋上；在中纬川西地区有短波槽东移(图略)。图 2是2020年7月16日08时500 hPa及850 hPa环流形势，从图 2a中可见，16日08时东亚大槽后部的西北气流带动冷空气南下与川西低槽槽前的西西南暖湿气流在鄂东北一带交汇，形成东西走向的气流辐合带，为此次大暴雨提供有力的动力条件。16日20时后川西低槽东移，其辐合带也随之东移至安徽境内。

中低层上，16日08时—20时700 hPa与850 hPa环流相似。从图 2b中可见，西南涡在川东稳定少动，华北小高压位于山东半岛，在华北小高压和副高之间的低值区形成东西向切变线，切变线稳定在鄂东北到江浙一带；西南急流分为东西两段，西段位于西南涡东南侧，东段近似东西向分布于湖北武汉—安徽安庆—浙江杭州，鄂东北大暴雨位于东段急流北侧的正切变涡度区。925 hPa切变线位置较850 hPa略偏南，风速仅4~8 m·s^-1 (图略)。

地面气压场中(图略)，16日08—20时暖低压倒槽稳定控制西南地区至沿江一带，苏皖有冷高压脊携弱冷空气从东北侧侵入暖倒槽中形成梅雨锋，在温度场上表现为低于23 ℃的冷舌自江苏南部、安徽中部伸入湖北中北部。地面梅雨锋在沿江一带略微南北摆动，08—14时稳定在31°N，穿过湖北中部一线。

3.2 垂直环流分析

为进一步阐明此次过程环流演变特征，沿暴雨中心刘集站做物理量垂直剖面分析。图 3是2020年7月16日08时沿114.37°E的经向—垂直剖面及刘集的时间—垂直剖面图，从图 3a中可见700 hPa以下刘集以北31.5° —34°N区域为偏东气流或东南气流，刘集以南为西南气流且850 —650 hPa层风速达12 m·s^-1以上。西南气流和东南或偏东气流在刘集附近辐合，在散度场上表现为刘集附近700 hPa以下为强辐合中心。由于200 hPa南亚高压东侧外围的显著分流作用，刘集上空300—200 hPa形成一个辐散中心。低层强辐合、高层强辐散使刘集上空整层为强上升运动。从比湿来看，中低层西南急流将暖湿空气输送到刘集附近，使其700 hPa及以下形成比湿超过14 g·kg^-1的湿舌。

从图 3b可见，低层强辐合、高层强辐散形成的强上升运动从16日06时持续到17时，早于暴雨持续时段2~3 h。之后影响系统移出大暴雨区，低层辐合中心和高层辐散中心逐渐消失，强上升运动也随之消失，降水减弱。

3.3 层结稳定度

假相当位温θ_se是表征大气温度、压力、湿度的综合特征量，其水平和垂直分布能反映大气的能量分布和层结稳定度。图 4为2020年7月16日06时θ_se沿114.37°E的经向—垂直分布和刘集的探空曲线。从图 4a中可见，θ_se高能舌自南向北延伸至32°N附近，刘集站的暖湿高能区主要集中在900—750 hPa之间，中心值达356 K。刘集站上空850—550 hPa θ_se随高度减小，表明该区域层结存在对流不稳定，而850 hPa以下θ_se随高度增大，是稳定层结。从东北侵入的弱冷空气与南方暖湿气流交汇，在刘集附近30°—32°N近地层形成θse密集分布的能量锋区。由此可见，刘集站中低层存在较大能量和不稳定层结，且近地层有能量锋区，十分有利于对流系统的发展。

利用ERA5再分析资料绘制刘集站的探空曲线变化，分析表明在16日05时前(图略)对流有效位能CAPE在200 J·kg^-1以下，K指数为35~36 ℃。16日06时起CAPE和K指数都有所增大。从图 4b中可见，06时CAPE增大至467 J·kg^-1，K指数增大至38 ℃，整层可降水量达62.7 mm。从垂直风切变来看，900 hPa以下近地层为2~4 m·s^-1的东风，800 hPa为12 m·s^-1的西南急流，0—2 km的垂直风切变约16 m·s^-1，存在显著的动力不稳定。但850 hPa以下有弱逆温层，需要依靠外力将气块抬升至逆温层以上，对流才能触发。

上述分析得知，16日08—20时鄂东北处于200 hPa显著分流区，中低层切变辐合系统位于31.5°—32°N，地面梅雨锋位于31°N附近，地面梅雨锋与中低层切变线形成北倾切变系统稳定维持在鄂东北。这种高层辐散低层辐合的上下配置为此次过程中尺度系统的发生发展和大暴雨的发生提供动力、水汽和不稳定条件，这就解释了降水在16日08—20时持续的原因。

4 β中尺度对流系统的演变过程

将湖北省多部新一代天气雷达数据合成0.01°× 0.01°的swan拼图数据，并通过高分辨率的组合反射率因子资料来分析降水过程中中尺度对流系统MCS的演变。分析过程中雨带的定义参考赵宇等(2018)的方法：雷达组合反射率因子大于35 dBz的带状对流降水区称为雨带。由于雨带之间有分裂和合并现象，因此很难精确定义每个雨带的起始，本文仅粗略划分。当雨带合并时，以最早出现的雨带编号命名合并的新雨带。

下面从MCS的不同阶段来详细分析其触发和演变细节，从而解释为什么大暴雨仅出现在水平尺度约150 km的范围内。

4.1 MCS发展阶段

图 5是2020年7月16日06—12时雷达组合反射率因子。16日06时(图 5a)，多个中尺度对流单体合并，在暴雨区西部(此处提到的西部指暴雨区内部的西部，下文以此类推)形成东西向雨带1，回波中心强度超过45 dBz，雨带1的西侧(此处提到的西侧指雨带的外部西侧，下文以此类推)不断有对流触发。07时(图 5b)，雨带1开始向西南伸展(红色箭头处)，且其西南侧有新对流单体生成。同时在暴雨区西北部有对流单体新生并组织成雨带2。08时(图 5c)，由于雨带西南侧不断有对流单体触发新生并向东北方向移动合并到雨带1、2中，使得雨带1由东西向发展成东北—西南向。此时，雨带2也开始向西南伸展，另外暴雨区西侧新生对流单体又组织成雨带3。09时(图 5d)，雨带1、2、3都发展成东北—西南向雨带，且这3个雨带近乎平行排列，雨带之间间距10~20 km，雨带长约70~90 km。这样，东北—西南向的3个雨带形成长约130 km、宽约80 km的西北—东南向MCS。

10时(图 5e)—12时(图 5f)，雨带发展与07—09时基本一致，即在MCS的西北侧有新雨带生成，同时每个雨带的西南侧又不断有单体新生向东北移入雨带中，使雨带呈东北—西南走向并长时间维持。这样，雨带1—6平行排列形成长约200 km、宽约80 km的西北—东南向MCS。这些雨带沿着MCS自西北向东南移动，不断经过大暴雨区。这一时段雨带也明显发展，其数量增多，回波中心强度加强，沿着MCS的移速减慢，且出现合并现象。由于不断有新生单体向东北移入雨带2和3中，使雨带2、3在陈巷—刘集一带持续影响，同时雨带回波强度在10—12时增强使这一区域雨强增大。

这些东北—西南向短雨带沿着MCS移动的过程类似于Luo等(2014)发现的“列车带效应”。“列车带效应”是指多个平行排列的雨带沿着MCS移动，多个雨带反复影响同一个地区，MCS中的对流元由雨带组成，雨带中又有对流单体在其后部建立，形成对流单体的后向传播，使雨带维持(赵宇等，2018)。这与孙继松等(2013)提到的“列车效应”有些类似，多个对流单体排列成MCS，且这些相对独立的对流单体沿着MCS传播，MCS就像一列沿铁路线缓慢移动的火车，对流单体犹如不同的车厢依次经过某一固定地点。不同的是“列车效应”中对流单体是沿着MCS传播和移动的，单体的传播移动方向与MCS走向一致；而“列车带效应”中虽然雨带是沿着MCS传播和移动的，但每个雨带有其独立的发展过程，雨带中的对流单体传播移动方向与MCS走向并不一致。此次过程中，在MCS发展阶段出现了两种后向传播，一种是对流单体的后向传播，即新生单体不断在雨带西南侧形成；另一种是雨带的后向传播，即新生雨带不断在MCS西侧或西北侧形成。这两种后向传播使MCS在发展阶段形成西北—东南向的“列车带效应”。

4.2 MCS成熟阶段

图 6是2020年7月16日13—15时雷达组合反射率因子，13时(图 6a)，雨带1、2以及雨带4、6合并，雨带西南侧的对流单体后向传播现象消失，而MCS西侧或西北侧仍有新对流触发，MCS的组织形式发生改变。此时发展成熟的雨带3、4对流高度组织化，尤其是雨带4南部陈巷附近的回波强度加强到45~50 dBz，强中心范围明显扩大。14时(图 6b)，雨带3、4合并且南收，使雨带3发展为西北—东南向结构紧密的强雨带；15时(图 6c)，雨带3进一步南收至暴雨区南部。此时段雨带中的单体移动方向与MCS走向一致，对流单体沿着MCS东移形成孙继松等(2013)所说的“列车效应”。对流单体依次经过陈巷—刘集一带，造成该地区持续出现短时强降水，这也是降水最强时段。16时(图略)，MCS仍呈西北—东南向影响暴雨区南部，但强度稍有减弱。

4.3 MCS消亡阶段

图 7是2020年7月16日17—20时雷达组合反射率因子，图中可见，17时(图 7a)—18时(图 7b)，MCS的后向传播现象基本消失，MCS在东移过程中强度进一步减弱，结构逐渐松散，雨带3北侧出现较大范围的层积混合降水回波。此时MCS进入消亡阶段。19—20时(图 7c)，层积混合回波带逐渐移出暴雨区，降水基本结束。

上述分析表明，在MCS发展阶段存在两种后向传播，一种是对流单体的后向传播；另一种是雨带的后向传播。这两种后向传播导致形成多个近乎平行的东北—西南向短雨带，这些短雨带沿着MCS移动形成西北—东南向的“列车带效应”。而在MCS成熟阶段，雨带西南侧的对流单体后向传播现象消失，雨带中单体移动方向和MCS走向一致形成的“列车效应”是其主要影响方式。不同阶段出现的不同传播方式导致雨带和对流单体不断经过并影响鄂东北，使鄂东北的随州—麻城区域内出现大暴雨。

5 复杂地形对MCS触发的影响

在分析MCS的演变过程中发现了两种后向传播方式与此次过程MCS的发生、发展密切相关。鄂东北地貌多样，地势高低起伏，地形十分复杂，下面结合地面加密观测资料和ERA5再分析资料分析复杂地形对MCS的传播方式和对流触发的影响。

5.1 地形强迫对雨带触发的影响

前面3.1节提到此次过程地面有弱冷空气自苏皖一带侵入暖倒槽中。15日20时地面暖倒槽位于湖南中部一带，冷高压脊自苏皖西伸到鄂西北地区。在冷高压脊的控制下，鄂东北以东北风为主，没有明显的气旋性辐合(图略)。16日01—16时地面暖倒槽逐步向北发展至湖北南部，苏皖—鄂西北的冷高压脊减弱东缩，鄂东北处于高压脊和低压槽之间的过渡带。从湖北随州站的海平面气压变化来看，随州15日20时海平面气压为1 005.6 hPa，16日05时下降到1 004 hPa；从随州站与湖南怀化站的海平面气压差来看，15日20时两站气压差为5.3 hPa，16日05时两站气压差下降到1.5 hPa。这说明地面气压场的变化导致作用于鄂东北的气压梯度力有所减弱，地形的强迫作用逐渐显现。

图 8是2020年7月16日05时地面加密站风场和1 000 hPa散度场，从图 8a中可见，桐柏山北侧的偏东气流在桐柏山和大洪山之间的“随枣走廊”受地形强迫转为西北气流，偏东气流和西北气流在桐柏山附近形成气旋性切变。另外，偏东气流在大别山西端的小丘陵间隙中形成东北气流，“随枣走廊”的西北气流和大别山西端的东北气流在陈巷站附近汇合形成β中尺度辐合线。从图 8b中可见，“随枣走廊”存在中心值为-75×10^-6 s^-1的辐合区，这一辐合区正好位于地面气旋性切变与β中尺度辐合线之间。气旋性切变和β中尺度辐合线维持到16日14时左右，而1 000 hPa散度场中的辐合区也维持到16日15时。之后，由于地面暖倒槽进一步向北发展，鄂东北转受暖倒槽东北部的东北气流控制，气旋性切变和β中尺度辐合线消失。

地形强迫作用导致在桐柏山附近形成气旋性切变，在陈巷站附近形成地面β中尺度辐合线。气旋性切变和地面辐合线形成辐合上升运动，有利于不稳定能量释放和对流单体触发新生，导致在MCS西侧或西北侧的“随枣走廊”一带不断形成新生雨带。

5.2 地形阻挡对单体触发的影响

4.1节分析中发现，对流单体后向传播的触发区主要位于113.5°—114.5°E、31°—31.5°N范围内，这一区域为什么会不断触发对流？下面利用ERA5数据加以分析。

图 9是2020年7月16日08时沿113.5°E的经向—垂直剖面图(温度距平是与该图纬度范围内经向平均气温的距平)，图中可见，在32.3°N桐柏山附近700 hPa以下有一支下沉气流，这一下沉气流在近地面对应着负温度距平，且在975 hPa形成-3 ℃的负距平中心。这是由于雨带1、2中的消亡期对流单体和其他零散的消亡期对流单体所产生的冷性下沉运动在近地层形成冷池，冷池受到桐柏山—大别山西端的地形阻挡在此处堆积，有利于925 hPa到地面形成一定厚度的冷堆。31.5°—32.3°N区域的925 hPa到地面以偏北气流为主，冷堆在偏北气流作用下向南流出与南方的暖性偏南气流在山脉南侧汇合。

图 10是2020年7月16日08时和12时925 hPa流场和散度场，从图 10a中可见，16日08时925 hPa31°N以北为东北气流，31°N以南为偏南气流，两支气流在31°N附近汇合，辐合线附近对应负散度区。这两支气流的汇合一方面有利于925 hPa的偏南暖湿气流在偏北冷出流上爬升，增强其辐合上升强度；另一方面冷暖气流交汇使近地层温度锋区加强，有利于热力不稳定的维持。16日12时前，由于偏北冷出流与偏南气流势力相当，冷暖气流交汇稳定维持在山脉南侧31°—31.5°N区域(图略)，有利于这一区域不断有对流单体新生。

从图 10b中可见，12时偏南暖湿气流北推到31.5°— 32°N附近，同时鄂东北地区的东北气流转为偏东气流，冷暖辐合区和负散度区也随之北推到31.5°—32°N。由于辐合区北抬，31°—31.5°N辐合明显减弱，不足以触发新对流，此区域内的单体后向传播现象消失。

综上可见，在鄂东北地形强迫作用下，桐柏山附近形成气旋性切变，陈巷站附近形成β中尺度辐合线，有利于对流在二者之间的辐合区触发，在MCS西侧或西北侧形成新生雨带。而桐柏山—大别山西端的地形阻挡作用有利于925 hPa以下形成冷堆并产生向南的冷出流，与925 hPa的偏南暖湿气流在山脉南侧交汇，在雨带的西南侧不断形成新对流单体。16日12时后由于925 hPa冷暖气流辐合区北抬，单体的后向传播消失。

6 结论

利用多种气象资料对2020年7月16日鄂东北梅雨锋大暴雨过程进行综合分析，主要结论如下：

(1) 此次过程主雨带沿着山脉呈西北—东南向带状分布，且具有持续时间长、累积雨量大、强降水范围集中的特点，β中尺度对流特征明显。

(2) 地面梅雨锋与925—500 hPa层切变辐合系统形成了北倾切变系统，这一切变系统16日白天稳定维持在鄂东北，为此次过程中尺度系统的发生发展和大暴雨的发生提供较好的动力、水汽和热力条件。

(3) MCS发展阶段出现了两种后向传播，即对流单体的后向传播和雨带的后向传播。这两种后向传播导致产生并维持多个近乎平行的东北—西南向短雨带，这些短雨带沿着MCS移动形成西北—东南向的“列车带效应”。而在MCS成熟阶段，雨带中单体移动方向和MCS走向一致而形成的“列车效应”是其主要影响方式。

(4) 在鄂东北复杂地形的强迫作用下，桐柏山附近形成气旋性切变，陈巷站附近形成β中尺度辐合线，二者之间的辐合区有利于对流触发，使MCS西侧或西北侧形成新生雨带；桐柏山—大别山西端的地形阻挡作用使冷堆形成冷出流，加强了925 hPa冷暖气流在山脉南侧辐合，有利于雨带西南侧的对流单体新生。