引言

2020年长江中下游地区入梅时间早，出梅时间晚，梅雨期偏长，期间强降水过程频繁。长江流域出现了大范围的洪涝灾害，自6月下旬开始，长江中下游干流江段超警，至8月末方全线退出警戒，洪涝持续时间之长，影响范围之广，历史罕见。

关于长江流域梅雨锋暴雨致洪的成因，国内外学者开展了一系列研究工作(丁一汇，1993；叶笃正等，1996；陶诗言等，2001；黄荣辉等，2003)。陶诗言(1980) 指出，长江流域持续性暴雨的发生必须有频繁的北方弱冷空气活动。黄荣辉等(2012)的研究表明，与高空急流相关的西风带扰动频繁在华北上空活动，使得弱冷空气不断从北方南下到长江流域，造成了冷暖空气在长江流域交汇，从而导致了20世纪70年代中后期到90年代初长江流域多持续性暴雨。Kato等(1985, 1987) 的研究表明，中国大陆上的梅雨锋是中纬度气团与季风气团的交汇区。张顺利等(2002)研究了长江中下游致洪暴雨的多尺度条件，指出长江中下游持续性强降水的环流条件是：太平洋副热带高压、南海季风涌、中、高纬度冷空气和青藏高原中α尺度对流系统的最佳组配，当这4个系统同时处于活跃阶段时，容易形成大范围、长时间的暴雨。中、高纬度冷空气的南侵，增强了干湿空气的对比，加强了梅雨锋。崔春光等(2019)认为梅雨锋北侧冷空气通过正涡度平流直接向梅雨锋前中尺度对流系统的正涡度柱输送正涡度，梅雨锋结构的维持是湿物理过程产生的梅雨锋的锋生作用与锋前中尺度对流系统的发展形成的一种正反馈过程。黄伟和陶祖钰(1995)利用轨迹法研究了梅雨期低层冷空气的三维运动，指出冷空气位于北支锋区后方时为较强的下沉运动。当它从北支锋区中脱离后转为上升运动，随着梅雨锋上气旋的发展，在梅雨锋后又转为下沉运动。高坤和徐亚梅(2001)研究了梅雨锋低涡相关的冷空气的来源，认为来自低涡偏东或东北方向的冷空气以进入低涡西北象限的最为深厚，而进入东北、西南象限的冷空气较为浅薄。姚秀萍等(2005, 2007)的研究表明，中低层30°N以北的正环流的下沉支是干冷空气输送的“载体”，而干冷空气的侵入(张志刚等，2009；江丽俐等，2011；尹东屏等，2013；苗春生等，2015；赵大军和姚秀萍，2017)是梅雨湿度锋形成和维持的一个重要动力和热力原因，对于暴雨的加强具有重要作用，低层强烈暖平流配合中层小股弱干冷空气，形成上干冷下暖湿层结，有利于不稳定建立机制建立，从而形成暴雨。

上述研究从热力、动力等多角度研究了干冷空气在暴雨过程以及梅雨锋发展维持中的作用，而在2020年梅汛期暴雨中，是否也存在这样的特征，又有什么差异？本文利用NCEP/NCAR再分析资料、风廓线雷达资料、实况观测降水数据等，对2020年长江中下游梅汛期干冷空气的空间结构特征、时间演变特征及对暴雨维持和加强的作用进行研究，以加深对梅雨锋暴雨中干冷空气作用的理解和认识。

1 2020年长江中下游梅雨期降雨的时空分布特征

2020年长江中下游梅雨期自6月9日开始，7月31日结束，持续时间长达52 d，较常年偏长23 d。从梅雨期累积降水空间分布来看(图 1a)，长江中下游沿江附近地区累积降水量普遍在500 mm以上，其中最强降水中心位于湖北东北部、安徽中南部、江西东北部地区，部分站点降水量可达1 000~1 500 mm，其中最大降水量出现在黄山站，达1 589 mm。梅雨期间主要降水过程有10次，分别在6月9日、6月11—13日、6月15日、6月20—24日、6月27—30日、7月2—3日、7月4— 9日、7月10—12日、7月18—19日、7月26—27日。从长江中下游地区257站平均降水量及暴雨站数(图 1b)逐日演变来看，6月上中旬，长江中下游地区降水过程频繁，但范围较小，降水强度不大，此期间日均超过50 mm站数基本在40站以下；6月下旬起梅雨期降水明显增强，面上日降水量可达20 mm以上，超过50 mm站数可达40站以上；最强时段则出现在7月上中旬，其中又以7月7日降水强度最大、暴雨影响范围最广；进入7月下旬，降水过程明显减少，强度减弱，梅雨逐渐结束。

2 大气环流的演变及冷空气的活动

张庆云和陶诗言(1998)的研究表明，长江中下游梅雨期异常降水与中高纬阻塞型的建立密切相关。图 2a为沿60°N的500 hPa高度场纬向时间演变，用以反映中纬度阻塞高压的活动。从中可见，在2020年长江中下游梅雨期，中纬度阻塞高压的活动大致可分为四个阶段：第一阶段在6月上旬末至6月下旬，阻高(图 2a)在乌拉尔山(60°E)以西地区建立并稳定维持，结合逐日天气图可以看到，贝加尔湖地区有高压脊发展，但强度总体偏弱；第二阶段在6月下旬至7月上旬初，乌拉尔山以西阻高逐渐减弱消失，而在贝加尔湖(105°E)附近地区有“单阻”发展增强并稳定维持，梅雨期的降水逐渐加强；第三个阶段在7月上中旬，在乌拉尔山(60°E)及鄂霍茨克海(140°E)附近地区有阻塞高压先后建立，并在7月上中旬发展为最强，这与梅雨期降水的最强时段有较好的对应。第四个阶段为7月下旬以后，随着“双阻”形势的减弱崩溃，梅雨期的降水也呈逐步减弱的趋势。

沿80°N的500 hPa高度场的纬向时间演变(图 2b) 可以较好的反映极涡的活动特征，从中可见，极涡发展最为旺盛的时期在6月上中旬，在6月下旬至7月末，极涡存在阶段性的东西摆动，但强度总体偏弱。具体而言，6月上中旬，极涡以西移为主，并在移动过程中明显增强，至6月16日前后达最强，期间中心高度值528 dagpm的等值线在60°—80°E附近出现。6月下旬至7月上旬，极涡在短暂东移后，再次向西移动，但强度明显减弱。7月中旬至7月下旬，极涡强度无明显变化，但处于持续的东移的过程中。结合极涡与降水的演变来看，极涡的增强减弱与东西移动，与降水增强及减弱并不具有一致性特征，因而有必要结合大尺度环流的特征进行进一步分析。

鉴于阻塞高压与降水的演变特征对应的更好，因而对阻塞高压发展的四个阶段的大尺度环流形势进行了合成分析。从第一阶段的500 hPa平均高度场及其距平(图略)可以看出，在6月上旬末至6月下旬中期，亚洲中高纬呈现东西向(纬向排列)的“-+-”的波列，即在巴尔喀什湖附近地区，有极涡向南伸展的经向度较大的低槽发展，且在对应的极地至巴尔喀什湖地区表现为明显的负距平，贝加尔湖以西地区为一弱脊控制，我国东北北部至鄂霍茨克海有低槽发展，且有明显的负距平。在极涡及鄂霍茨克海低槽之间，有一阻高发展，呈现明显的正距平，其与鄂霍茨克海负距平区、副高及其北侧正距平区，形成了南北向(经向分布)的“+-+”的波列。在第二阶段中，极地上空极涡减弱，并由前期的负距平区转为正距平，贝湖地区有异常的高压脊发展，并与北美高压脊共同形成了一条狭长的穿越极地的正距平区，鄂霍茨克海附近低槽经向度显著增大，巴尔喀什湖低槽加深，来自中高纬的冷空气进一步南侵，长江中下游的降水较前期明显增强。在第三阶段中，亚洲中高纬地区的乌拉尔山、鄂霍茨克海“双阻”形势形成并稳定维持，在亚洲中高纬地区形成东西向(纬向排列“) +-+”，同时在亚洲中高纬及我国东部地区形成了南北向(经向分布)的“+-+”的波列，在这一时期长江中下游降水进入峰值期。第四个阶段中，“双阻”形势减弱崩溃，副热带高压偏西、偏北、偏强，我国中东部地区呈现明显的正距平，冷空气的势力明显减弱。综合四个阶段大尺度环流的特征，南北向或准南北向的“+-+”的波列始终维持，但位置略有差异，大气环流的这种配置，有利于冷空气自中高纬地区南下，与向北推进的副高外围暖湿气流形成梅雨锋上持续的降水。同时注意到，极涡在降水的第二、三阶段明显减弱，表现为极地附近呈明显的正距平，绕极地有多个低值中心发展的特征。冷空气在80°N以南地区的堆积，并随着中高纬度扰动南侵，对于长江中下游降水的发展和增强是较为有利的。

3 干冷空气特征及其在暴雨过程中的作用 3.1 与干冷空气相关的经向风的时间演变特征

从长江中下游地区经向风的演变图(图 3a、b)表明，梅雨期内(6月9日—7月31日)，500 hPa高度上(图 3a)，北风存在9次明显的向南发展加强的过程，与降水过程有较好的对应。偏北气流的大值中心多位于35°—55°N之间，少数过程略偏北，位于55°—60°N之间，偏北气流的南界可达30°N以南地区。在850 hPa高度上(图 3b)，也存在9次偏北气流向南发展的过程，但偏北气流基本在30°N以北地区发展。长江中下游地区对流层中低层盛行偏南气流，在26°—30°N附近存在等值线密集带及4~10 m·s^-1的正值中心，表明南风气流发展旺盛，且存在较为明显的南风风速辐合。从偏北气流影响的位置上来看，500 hPa影响的区域较850 hPa略偏南。高、低层北风风速随高度降低逐渐减小，表明干冷空气活动在对流层中高层相较于对流层低层更为活跃。对比逐日降水量的演变后发现，每一次30°N以北地区500 hPa上出现中心强度在6 m·s^-1以上的偏北气流，伴随经向风风速零线南压至26°—32°N之间，叠加于850 hPa的南风气流之上时，梅雨期降水也随之显著增强。

进一步分析110° —120°E，28°—32°N上空经向风垂直剖面的时间演变特征(图 3c)可以看出，对流层中低层南风发展旺盛，北风的最大风速中心位于100— 200 hPa之间，中心强度可达6~12 m· s^-1，并可向低层伸展至400—600 hPa，其中7月4—9日过程中，100—200 hPa高度上北风的中心强度可达16 m·s^-1以上，而在6月27—30日过程中，偏北气流可向下影响到850 hPa。

3.2 与干冷空气相关的三维流场特征

为进一步研究干冷空气在2020年梅雨期暴雨中的动力机制，选取梅雨期中5次降水强度大，影响范围广的典型过程，沿降水最强时段的降水中心位置作经向流场的剖面图（图 4）。

6月13日02∶00 (图 4a，北京时，下同)，降水中心南侧对流层中低层南风气流旺盛发展，其中心位于700 hPa附近，经向风风速在10 m·s^-1以上。降水中心北侧近地面为偏北气流，经向风风速约为-4 m·s^-1。南北气流辐合形成了一支自地面至700 hPa高度的由低纬向高纬倾斜的斜升气，其下沉支在降水中心北侧形成热力直接环流(正环流)。在30°N以北400—500 hPa上，有另一支偏北气流存在，其一方面下沉，加强了近地面的干冷气流，另一方面与南侧的偏南气流辐合，在500—200 hPa高度上形成另一支上升气流，并在200—100 hPa高度上形成明显的高空辐散，辐散气流在降水中心南、北两侧形成对称发展的南北风大值中心，并在降水中心南侧200—300 hPa高度上形成热力间接环流(反环流)。近地面干冷空气与暖湿气流形成初始抬升，中层干冷空气的接力抬升，高空辐散，雨区南、北两侧的反、正环流的上升支，共同为此次暴雨提供了有利的动力抬升条件。

6月23日08∶00 (图 4b)，降水中心南侧有南风发展，经向风中心位于700—900 hPa，风速为6 m·s^-1，北侧近地面有中心风速在-4 m·s^-1的偏北气流，南北气流在降水中心上空600 hPa以下，形成一支上升气流。在降水中心北侧500 hPa高度上，有一支中心风速在-2 m·s^-1的偏北气流发展，使得偏南气流在500— 200 hPa的高度上再度得到明显抬升，并在200 hPa以上形成高空辐散气流。辐散产生的偏北气流，在降水中心南侧100—200 hPa高度上形成10 m·s^-1以上的大值中心，其下方有一支反环流发展，其上升支进一步加强了雨区上空的动力抬升。

6月29日08∶00 (图 4c)，降水中心北侧为深厚的偏北气流控制，其中心位于200—400 hPa，经向风风速达-12 m· s^-1以上。降水中心南侧南风的大值中心风速约为6 m·s^-1。南北气流辐合产生了自地面至300 hPa的垂直上升气流。与前两次过程不同的是，此次过程在对流层高层无明显的辐散，而是在降水中心南侧形成自300 hPa至近地面的反环流。

在梅雨期最强降水过程中的7月7日14∶00 (图 4d)，25°—45°N地区200 hPa高度上为一致的偏北气流，并且在降水中心南、北两侧各存在一个风速的大值中心，其中降水中心北侧的偏北气流中心位于40°N附近100—200 hPa高度上，中心风速达-24 m·s^-1，其向下沉发展至500 hPa高度，叠加于降水中心中低层经向风速6 m·s^-1的南风气流之上，一方面增强了垂直方向上的不稳定层结，另一方面在降水中心上空形成了自地面至300 hPa一致的上升气流。此外，降水中心南侧反环流上升支对于该上升气流的加强有正贡献。

7月18日02∶00 (图 4e)，干冷空气主要在降水中心北侧700 hPa以下发展，经向风大值中心风速达-8 m·s^-1。降水中心南侧低空急流位于850 hPa附近，中心风速在12 m·s^-1以上。在低空急流的北侧，有一支明显的垂直上升气流，其北、南两侧有反、正环流发展，其上升支共同加强了雨区上空的垂直上升运动。在冷暖空气的辐合抬升、高层辐散及正、反环流的共同作用下，降水得以加强。

从上述个例中与干冷空气相伴的三维结构特征表明，梅雨锋上强降水的发生，与干冷空气密切相关。干冷空气以偏北气流形式在近地面及对流层中层发展。中高层干冷空气的存在一方面增强了垂直方向上的“上干冷、下暖湿”的对流不稳定层结，另一方面使得在冷暖空气在中低层抬升的基础上，在对流层中层再度抬升，形成接力效应。此外，高空辐散抽吸作用及正、反环流上升支及次级环流则有利于动力抬升的进一步发展与增强。

3.3 干冷空气与梅雨锋的相互作用

梅雨锋对流层中下层锋面由强假相当位温水平梯度形成(郑永光等，2007)。图 5给出了2020年梅雨期5次强降雨过程沿降水中心的假相当位温、垂直速度、风场剖面。从6月13日02∶00 (图 5a)图上可以看出，锋区位于32°—34°N，随高度向北倾斜，30°—32°N的对流层中低层为假相当位温高值区。锋区及其以南为一致的偏南风，在锋区北侧对流层中层500 hPa附近有偏北气流发展，并伴有假相当位温等值线密集带的南凸。假相当位温高值区以上为上升运动区，上升运动中心达-2.5 Pa·s^-1以上，位于假相当位温高值区及南凸的假相当位温密集带之间的对流层中层。从6月23日08:00 (图 5b)图上可以看出，梅雨锋区位于30°— 31°N，强降水中心位于梅雨锋的北部边缘，其以南地区有假相当位温高值区发展，近地面冷空气楔向南侵入，形成辐合上升，并在700—900 hPa高度上形成中心为-1 Pa·s^-1的上升运动中心，此外，伴随着中层偏北气流的发展，在400 hPa高度上，形成一弱上升运动次中心。从6月29日08∶00 (图 5c)图上可以看出，强降水中心南侧假相当位温存在两个高值中心，分别位于29°N附近的近地面，及30°N附近的对流层中层。干冷空气同样存在近地面和对流层中层两个中心。冷暖空气辐合，在30°N附近的850 hPa和500 hPa高度上分别形成-1.5 Pa·s^-1和-2.5 Pa·s^-1的上升运动中心，且对流层中层的上升运动明显强于对流层中低层。从7月7日14∶00 (图 5d)图上可以看出，在对流层中低层，南风携暖湿气团向北发展至35°N附近。偏北气流携干冷气团在对流层中层南侵，在31°N附近形成自地面至200 hPa的上升运动区，上升运动中心为-5.5 Pa·s^-1，位于对流层中层。从7月19日02∶00 (图 5e)图上可以看出，干冷空气在对流层中低层南侵。暖气团一侧，对流层中低层南风急流旺盛发展，可达20 m· s^-1以上。暖气团在冷气团之上爬升，梅雨锋区随高度向北倾斜。200 hPa高度上，有明显的高空辐散发展。在低空辐合、高空辐散的共同作用下，31°N附近自地面至200 hPa形成明显的上升运动，上升运动的中心位于400 hPa，强度约为-5.5 Pa·s^-1。

从上述个例所反映的梅雨锋暴雨的动热力场的垂直结构特征表明，梅雨锋上的干冷空气来自对流层中层及对流层低层，二者或同时出现或单独出现，在剖面图上表现为假相当位温低值区的南凸及偏北气流的发展。上升运动中心多位于干冷空气南侧，假相当位温大值区的上空。当对流层中层、低层干冷空气同时出现时，往往会在对流层中层和低层分别形成上升运动中心，通过两层上升运动的叠加效应，为暴雨提供动力条件。

3.4 中高层干冷空气的演变特征及作用

本文3.1中对干冷空气的活动特征分析表明，在2020年梅汛期，对流层中高层的干冷空气中相较于低层冷空气更为活跃，因此，下文利用2020年中国气象局武汉暴雨研究所梅雨锋降水地-空-星基联合观测试验中咸宁风廓线雷达数据，重点分析中高层干冷空气的演变特征及作用。在7月4—9日强降水过程中，咸宁站最强降雨时段出现在5日14∶00—22∶00，图 6a为7月5日00∶00—6日00∶00咸宁站的风廓线雷达的演变特征，从图中可以看到，5日06时之前(过程开始之前)，咸宁上空5 km以上为平直的西风气流，5 km以下为西南气流。5日06时之后，咸宁上空12—16 km高度上的偏西气流开始逐渐转为西北气流，并且逐渐侵入至对流中低层，从咸宁站北侧的武汉站T-logP图(图 6b、c)上也可以看到这种对流层中高层偏北气流明显增强的特征，考虑这种变化与南亚高压加强东伸后与高空辐散相关的偏北气流明显加强密切相关。5日18时—20时，干冷的西北气流已经向下发展至5—7 km高度。对流层中低层(3 km以下)的西南暖湿急流在此期间也逐步增强并向上抬升至5 km左右，5日20时，对流层中层700 hPa西南暖湿急流达到了20 m·s^-1以上。中高层干冷空气的侵入与中低层暖湿气流的增强发展，使得咸宁上空对流不稳定显著增强。在干冷空气侵入梅雨区上空后，5日22:00起，在湖北中东部850 hPa上有低涡生成(图略)，并逐渐东移发展。在低涡的东南象限，1 h雨强普遍在20~40 mm·h^-1，局部达50 mm·h^-1以上。

Ninomiya (1986)、Nagata (1984)的研究表明，梅雨锋主要表现为湿度对比。沿咸宁站(115°E)以相对湿度小于60%的区域为干区(图 7，灰色阴影)做垂直剖面，从逐6 h干湿气团的演变特征可以清晰地看到干冷空气侵入的过程。7月5日02∶00 (图 7a)在32°N以北地区500 hPa上空有干冷空气从高层垂直向下发展；至7月5日08∶00 (图 7b)在32°N以北地区下降至700 hPa高度，雨带上空为一致的湿气团控制；在7月5日14∶00—20∶00期间(图 7c、d)，可以看到干冷气团在对流层中层进一步向南发展增强，同时来自雨带以南的暖湿气流向北发展增强，并沿冷气团向上爬升，在雨带北侧形成明显的自低层向高层的“湿-干-湿”的位势不稳定层结，强降水则发生在这种干湿气团等值线密集带中。干冷空气带来的扰动使得大气的斜压性增大，由干冷的下沉气流与暖湿上升气流造成辐合的旋转上升，垂直涡度拉伸使辐合进一步增强，可进一步解释低涡的生成、维持及降水的增强。

4 结论与讨论

本文分析了2020年梅雨期干冷空气的演变和结构特征及其在暴雨过程中的作用，得到以下结论：

(1) 梅雨期降雨过程的演变与中高纬阻塞系统的演变与调整密切相关，梅雨期降雨自阻塞高压在乌拉尔山以西地区建立开始发展，在“单阻”环流型下开始增强，在“双阻”环流型维持的阶段，降水达到最强时期，在“双阻”形势崩溃后逐渐趋于结束。南北向的“+-+”波列，有利于冷空气自中高纬地区南下，与向北推进的西太平洋副热带高压外围暖湿气流在长江中下游地区遭遇，形成梅雨锋上持续的降水。极涡减弱，冷空气在80°N以南地区堆积，并随着中高纬度扰动南侵，是降水加强的有利形势。

(2) 梅雨期间，干冷空气的活动在对流层中层相较于对流层低层更为明显，500 hPa上北风存在9次明显的向南发展加强的过程，北风加强的时段与降水过程有较好的对应。高低层北风风速随高度降低逐渐减小。每一次30°N以北地区500 hPa上出现中心强度在6 m·s^-1以上的偏北气流，伴随经向风风速零线南压至26°—32°N之间，叠加于850 hPa的南风气流之上时，梅雨期降水也随之显著增强。

(3) 在2020年梅汛期5次典型暴雨过程中，均有干冷空气的参与。梅雨锋两侧正、反环流及次级环流上升支的叠加作用，在垂直方向上建立深厚对流，从而造成强的动力抬升；干冷空气多从对流层中层、低层侵入，形成相应的垂直运动中心，对流层中层、低层的接力式抬升，为暴雨提供了有利条件。此外，中高层干冷空气的下沉及卷入，增强了垂直方向上的“上干冷、下暖湿”的对流不稳定层结。对流层高层形成南北风的辐散，配合中低层辐合区，加强了动力抬升机制。

(4) 从咸宁站风廓线雷达及干湿气团的演变可以清楚看到中高层干冷空气侵入的过程，中高层干冷空气侵入及中低层暖湿气流的热力对比增强，形成了明显的位势不稳定层结。结合干冷空气侵入后低涡的生成、发展的观测事实表明，由干冷的下沉气流与暖湿上升气流造成辐合的旋转上升，垂直涡度拉伸使辐合进一步增强，有利于低涡的生成、维持及降水的增强。