复杂山地下引发特大暴雨的准静止MCS观测分析

韦惠红，黄小彦，刘文婷，章翠红，周金莲，李康丽，魏凡

(1.武汉中心气象台，武汉 430074；
2.湖北省荆门市气象局，荆门 448000)

暴雨是我国夏季频繁出现的一种灾害性天气，具有持续性、突发性的特点，往往给国民经济和人民生命财产造成巨大损失。长期以来，暴雨强对流天气发生发展机理、预报技术的研究一直受到气象学者和业务人员的重点关注(陶诗言，1980；
丁一汇，1993；
张家国等，2018)。暴雨与地形关系密切，我国夏季各地大到暴雨日频数和雨量分布均受地形影响，其中地形对降水的动力作用，即迎风坡对暖湿气流的抬升作用、喇叭口地形的作用、地形阻滞作用等，对暴雨触发、维持具有显著影响(崔春光等，2002；
刘冀彦等，2013；
吴翠红等，2013)。当垂直于山体的气流随高度减小时，地形作用表现为迎风坡上水平辐合，造成气旋式涡度增加，产生风场切变，对迎风坡降水具有明显的增幅作用(孙继松，2005)。在不同气候和天气条件下，不同大小和形状的地形对降水有不同的增强机制(Smith，1979)。引发地形强降水的天气和中尺度环境包括强的低空急流、强的不稳定气流，陡峭的地形和准静止天气系统(Lin et al.，2001)。中尺度对流系统(MCS)是暴雨的直接制造者，地形通过动力和热力作用影响近地层中尺度系统发展演变，从而对MCS发展、传播产生影响(赵玉春等，2012)。大别山西侧、太行山东侧地形对雷暴冷池的阻挡，使得冷空气在山前堆积形成回流，导致MCS出现后向传播并呈准静止状态，经常在山前一定距离处形成极端强降水(张家国等，2015；
徐姝等，2019)。山地是指海拔高度在500 m以上的高地，是一个多山集中区域(李国平，2016)。山地复杂下垫面热力和动力作用影响暴雨的生消过程，山地降水量分布与地形关系密切，迎风坡及喇叭口地形区雨量偏多，不同高度上雨量分布也有差异(陈明等，1995)。James和Houze(2005)指出，地形对山区降水的增幅作用是一个多尺度过程，中尺度气团在复杂地形作用下可影响大气流场的斜压性。近年来，我国部分山地多次出现暴雨引发的山洪、泥石流、滑坡等重大地质灾害，山地暴雨预报和研究成为气象学者们重点关注的科学问题。由于山地地面和高空观测资料相对缺乏、不完善以及山地复杂下垫面特征，导致利用现有观测资料研究山地降水特征十分困难。以往山地暴雨研究主要集中在天气诊断分析、数值模拟、气候特征统计等方面(周秋雪等，2019；
高珩洲和李国平，2020；
黄楚惠等，2020)，而针对山地MCS相关研究相对较少，特别是山地MCS结构及触发机理研究更少，而MCS演变特征和机理研究则是做好山地极端暴雨预报预警最有效的手段。

恩施州位于湖北省(以下简称湖北或湖北地区)西南山区，全州海拔高度500～3 000 m，局部河谷地形低于500 m，北部为巫山山脉，东南部为武陵山脉，西部为大娄山山脉北延段，全州地势三山鼎立，呈北部、西部和东南部高且逐渐向中、南部倾斜而相对较低的地貌，中部一线从南到北开口逐渐变小，形成向南开口的倒“V”字喇叭口地形，建始峡谷位于恩施喇叭口地形北端(见图1b)。2020年7月26日凌晨至上午，建始峡谷出现极端暴雨过程，6 h内MCS在该峡谷产生超过200 mm的强降水，引发建始县多处滑坡和内涝，导致严重人员伤亡与重大经济损失。为此，本文利用常规观测资料以及天气雷达产品、地面区域自动站资料和ERA5再分析资料等，分析当年7月26日造成建始峡谷特大暴雨的准静止型MCS发生发展的环境条件及其结构和传播特征，期望揭示此型MCS在山地环境下的形成机制，为今后山地暴雨临近预报预警提供有益的参考。

2020年7月25日20时(北京时，下同)—26日20时，湖北西南地区发生特大暴雨(图1a)，南北各有一强降水带，北降水带呈准东西向，位于建始至巴东境内，共6个自动气象观测站(含区域站)出现特大暴雨，站点均位于建始峡谷内，特大暴雨区范围方圆近50 km，呈狭长形，局地性强，建始和头坝堰站24 h累积雨量分别为262.2 mm和358.6 mm，均突破其有气象记录以来日降水量极值。因此，本文主要分析建始峡谷内致灾强降水。这次致灾强降水可分为两个阶段，分别在26日01—08时和26日08—12时(图1c)，茅田、头坝堰、建始3个观测站分别位于建始峡谷北部、中部和南部，3站逐小时雨量变化均表现为双峰型特征，主峰出现在前一阶段，降水中心从北向南发展，依次通过茅田(02—03时)、头坝堰(04—06时)、建始(07—08时)，最大雨强为90.3 mm·h-1(茅田站)；
次峰出现在后一阶段，降水中心从南向北发展，依次通过建始(09时)、头坝堰(10时)和茅田(11时)，最大雨强41.1 mm·h-1(头坝堰站)，相比前一阶段，此阶段最大雨强和累积雨量明显偏小。图1d给出建始峡谷内6个特大暴雨站上述两阶段12 h累积雨量对比图，从中看到，强降水主要出现在第一阶段，头坝堰站第一、二阶段累积降水量分别为269.3 mm和82.4 mm。因此，从致灾性出发，对建始第一阶段降水特征作进一步分析。

图1 2020年7月25日20时—26日20时湖北省累积降水量分布(a,单位:mm)，26日00—08时(黑色数字)雨团移动路径(b，彩线闭合区为雨量超过20 mm·h-1区域，A、B、C、D、E、F分别为茅田、刺竹坪、头坝堰、建始、白杨坪、红瓦屋的位置，填色为地形高度(单位:m))，26日00—12时3个代表站逐小时雨量变化(c,单位:mm)，以及26日01—08时和08—12时两个阶段不同站点累积降水量(d,单位:mm)Fig.1(a)The 24-hour accumulated precipitation(unit:mm)in Hubei province from 20∶00 BT 25 to 20∶00 BT 26 July 2020,(b)the moving path of rain masses from 00∶00 BT to 08∶00 BT 26 July,(c)hourly rainfall(unit:mm)at the three typical stations from 00∶00 BT to 12∶00 BT 26 July,and(d)accumulated precipitation(unit:mm)at the different stations from 00∶00 BT to 08∶00 BT and 00∶08 BT to 12∶00 BT 26 July 2020.In(b)color-filled areas denote terrain height(unit:m),black numbers represent time,closed area formed by color lines is areas with rainfall above 20 mm·h-1,and symbols A,B,C,D,E and F mark Maotian,Cizhuping,Toubayan,Jianshi,Baiyangping and Hongwawu stations,respectively.

雨团活动是造成强降水的直接原因，其发展演变是强降水过程MCS的体现(孙晶等，2007)。建始峡谷第一阶段降水为后向发展传播的MCS产生的中尺度雨团所致，为分析该中尺度雨团，图1b给出25日23时—26日08时叠加了高清地形的建始峡谷及其周边地区逐时雨团活动路径图(其中，彩线闭合区为小时降水量≥20 mm的雨团)。从中看到:中尺度雨团26日00时(指25日23时到26日00时，依此类推)至03时先向西，04—08时再转向西南方向移动，雨团长轴00—01时先为南北向、02—03时转为东西向，04—08时再转为西南—东北向；
26日03—08时，降水中心从北到南先后出现在建始峡谷内，即茅田(A)→刺竹坪(B)→头坝堰(C)→建始(D)→白杨坪(E)，雨团经历了从向南加强—减弱—加强的过程，03—04时雨团迅速向南扩张，04—05时南边界稳定在头坝堰，05时雨团范围最小，06时后雨团南边界南压，范围增大，07—08时雨团南边界稳定在白杨坪，虽其南边界已南压，但头坝堰强降水维持，该站5 h雨强均≥30 mm·h-1。

极端强降水的产生依赖于稳定的环流背景、天气系统之间相互作用和充足的水汽(孙军等，2012)。本次过程主要受稳定少动的副高热带高压(以下简称副高)、东移南压的蒙古低涡和大陆高压共同影响，副高外围增强的西南气流为暴雨提供了充足水汽和不稳定条件。500 hPa天气图上，25日20时(图2a)，高纬地区环流形势维持两脊一槽型，蒙古国有冷涡发展，位于青藏高原的大陆高压和华南的副高对峙，在四川盆地东部形成一条稳定的东北—西南向辐合线，蒙古冷涡底部的西北气流与副高外围的偏西气流在陕南形成一条东北—西南向辐合线，恩施地区处于副高西北侧。随着蒙古冷涡、大陆高压缓慢东移南压，到26日08时(图2b)，冷涡底部与大陆高压东部偏北气流合并增强南下，副高环流和外围西南风维持，大陆高压和副高维持对峙状态；
25日20时—26日08时，两高辐合区内涡度增大(图略)，两高之间辐合增强。25日20时地面图上(图2c)，从贵州到四川盆地东部有西南—东北向低压发展，建始处于低压倒槽东北部，低压从地面伸展到850 hPa附近，青海到川西有地面冷高压发展。26日02时(图略)，冷空气从西北侧进入低压内，锋生作用导致低压发展，低压区大气层结不稳定增强。

图2 2020年7月25日20时(a)和26日08时(b)500 hPa天气图(蓝色等值线为位势高度，单位:dagpm)，以及25日20时地面图(c，等值线为等压线，单位:hPa)与25日20时—26日08时850 hPa辐合线动态变化(d)图a、b、c中，紫色实线箭头为500 hPa流线，棕色实线为槽线，D、G分别为低压、高压中心；
图d中，红色实线箭头为850 hPa流线，双线为切变线；
蓝色三角形为降水中心位置Fig.2 Weather maps((blue contours denote geopotential height,unit:dagpm)at 500 hPa at(a)20∶00 BT on 25 and(b)08∶00 BT on 26 July 2020,and(c)surface synoptic chart(contours denote isobaric lines,unit:hPa)at 20∶00 BT on 25 and(d)dynamic change of convergence lines at 850 hPa from 20∶00 BT on 25 to 08∶00 BT on 26 July 2020.In(a),(b)and(c),purple solid lines with arrow denote streamlines at 500 hPa,brown solid lines denote trough lines,and symbols D and G mark low and high centers,respectively.In(d),red solid lines with arrow denote streamlines at 850 hPa,double lines denote convergence lines,and blue triangle marks the center of precipitation.

图2d是基于ERA5再分析资料绘制的25日20时—26日08时逐3 h的850 hPa辐合线和低涡(D)演变图，结合850 Pa风场资料(图略)分析表明，从西至东分别形成川东低涡辐合线、建始辐合线、江汉平原辐合线，川东低涡辐合线和建始辐合线对极端强降水的产生起关键作用。25日20时—26日08时建始辐合线稳定少动，给建始峡谷强降水提供了稳定的辐合抬升条件。25日23时贵州北部形成低涡，随着两高辐合增强，该低涡北上东移发展，26日08时涡前南风明显增强，恩施探空站850 hPa偏南风增至14 m·s-1，南风发展为强降水区提供了丰富的水汽、不稳定和抬升条件，建始附近MCS在增大南风的作用下发展增强，引发建始第一阶段强降水。此阶段降水在低层辐合线与偏南急流共同作用以及与山地地形的耦合作用下形成，EC全球模式和华东区域模式对此阶段降水预报明显偏弱，而对低涡影响下的第二阶段降水预报较好，因此有必要针第一阶段降水作进一步分析。

恩施站探空图显示，25日20时(图3a)，600 hPa以下为湿层，600—300 hPa为干层，“上干下湿”垂直分布明显，对流有效位能(CAPE)高达3 337 J·kg-1，对流抑制能(CIN)较小，仅37.8 J·kg-1，K指数高达41℃，大气层结非常不稳定，对流一旦被触发就会强烈发展。26日08时(图3b)，中低层南风发展，850 hPa风速增大到14 m·s-1，湿层增厚，恩施地区水汽充足、不稳定能量强，抬升凝结高度(LCL)和自由对流高度(LFC)下降到近地面，表明无需强的动力抬升条件低层水汽就会凝结，且易抬升到LFC，触发CAPE释放，产生强的上升运动(孙继松，2012)。根据云的微物理理论，降水系统中暖云层越厚越有利于形成高降水效率，暖云层厚度由LCL到0℃层高度之间的厚度来估计，从恩施站探空图看到，25日20时—26日08时，暖云层厚度均大于4.5 km，属深厚暖云层(Davis，2001)；
850 hPa露点温度大于18℃，低层水汽几乎饱和，且温度直减率接近但略高于湿绝热直减率，CAPE形状呈狭长型，均有利于高降水效率的产生(俞小鼎，2013)。

图3 2020年7月25日20时(a)和26日08时(b)恩施站探空图Fig.3 Sounding chart at the Enshi station at(a)20∶00 BT on 25 and(b)08∶00 BT on 26 July 2020.

大气可降水量(简称PWV)可表征整层大气的水汽含量，从湖北GPS/MET组网探测的PWV分布图上看到(图略)，7月25日20时，建始附近PWV在50～60 mm之间，26日凌晨略有增大，其最高值达65 mm。以往研究(Tian et al.，2015)指出，PWV达到70 mm是大气中非常极端的水汽条件。相比2016年7月19日荆门极端暴雨过程和北京“7·21”极端暴雨过程PWV达60 mm以上(赵娴婷等，2020；
孙军等，2012)、局部达70 mm，恩施这次过程虽未达到极端水汽条件，但水汽条件也较好。

依据MCS结构和传播特征，产生建始峡谷第一阶段强降水的MCS可分为3个阶段:一是东西向回波带组织形成阶段(7月25日23时—26日02时)；
二是准静止后向传播阶段(26日02—05时)；
三是准静止合并阶段(26日05—08时)。建始峡谷强降水主要发生在MCS准静止阶段(第二、三阶段)。MCS发展高度较低且范围小，26日05时后，受低涡云系东部的高云遮挡，卫星云图上看不到MCS完整的演变特征。因此，本文主要利用恩施雷达资料分析准静止MCS。恩施雷达站海拔高度1.7 km，造成该高度以下雷达产品缺失，给MCS特征分析带来一定困难。

3.1 东西向回波带组织形成阶段

7月25日23时35分(图4a)，鄂西北南部、重庆与恩施交界处有分散对流回波向建始、巴东、宜昌一线聚集，在该地区形成东西向回波带，在承载层平均偏西风作用下，回波带整体呈列车效应向东移动。巫山到建始北部处于副高北部和建始辐合线附近，不断有γ中尺度对流单体(图4a白色圆圈)新生、发展并入回波带西侧；
回波带在东移过程中东段减弱，西段因γ中尺度单体并入，回波较强，局部达55 dBz，受其影响，26日00时巴东中部最大小时雨量为45.3 mm。00时36分(图4b)，回波带西南侧的巴东中部对流单体出现北移(白色圆圈)，与北侧回波带上单体聚集且合并增强，形成紧密团状结构，≥50 dBz强回波范围增大，26日01时 小 时最 大 雨量增 至63.9 mm。01时38分(图4c)，≥50 dBz强回波区向西发展到建始北部，回波中心强度局部达60 dBz。沿强回波发展方向(图4c白色实线)所作的反射率因子垂直剖面图上(图4d)，MCS回波结构的多单体特征明显，新生单体(图中红色圆圈1区)位于强回波区左侧，成熟单体(图中红色圆圈2区)位于强回波区右侧，左侧的新生单体沿风暴承载层偏西风向东移动，并入右侧成熟回波单体；
≥45 dBz强回波高度在5 km以下，由恩施探空资料可知，25日20时和26日08时0℃层均在6 km以下，说明云中粒子主要以水滴为主，低质心的暖云降水结构具有高降水效率，有利强降水的发生。

图4 2020年7月25日23:35(a)与26日00:35(b)、01:38(c)恩施雷达组合反射率因子(图中一个距离圈代表50 km，下同)以及沿图c中白色实线的反射率因子垂直剖面(d)图a、b中白色圆圈表示对流单体，图d中红色圆圈1、2分别表示新生单体和成熟单体Fig.4 Composite reflectivity factor(unit:dBz)from Enshi radar at(a)23∶35 BT on 25 and(b)00∶35 BT and(c)01∶38 BT on 26 July 2020,and(d)the vertical cross sections of reflectivity factor(unit:dBz)along the white solid line in(c).In(a),a distance circle represents 50 km,and the same hereafter.In(a)and(b),the white circles denote convective cells,and in(d)the red circles 1 and 2 denote newborn cell and mature cell,respectively.

影响降水生成和发展的β中尺度系统包括中尺度辐合线、中尺度切变线、中尺度涡旋等，多个中尺度系统相互协同作用导致降水增强(张杰，2006)。由多普勒雷达径向速度产品可以看到中尺度辐合线增强和移动的趋势。从26日00时36分(图5a)恩施雷达0.5°仰角径向速度图上可见，在偏南风环境下，巴东北部有β中尺度偏北风入流区(蓝色圆圈)；
01时38分(图5b)，偏北入流区向西南方向推进(蓝色箭头所示)，偏北风的范围和风速增大，逐渐向建始北部移动，与环境南风形成中尺度辐合线，该辐合线高度3～4 km，位于中层。随着中层辐合线南压，26日01—02时建始北部的MCS西段明显增强，02—03时在辐合线靠近建始北部时其降水迅速增大，03时雨量最大达到90.3 mm，为本次过程最大小时雨量。中层偏北风入侵形成的中尺度辐合线与850 hPa建始辐合线的协同作用，导致MCS西端降水明显增强。

图5 2020年7月26日00∶36(a)和01∶38(b)恩施雷达0.5°仰角径向速度图(单位:m·s-1)(蓝色圆圈和蓝色箭头线分别表示偏北风入流区及其移动方向)Fig.5 Radial velocities(unit:m·s-1)at 0.5°elevation angle from Enshi radar at(a)00∶36 BT and(b)01∶38 BT on 26 July 2020.Blue circle and blue lines with arrow indicate the northerly inflow areas and its moving direction,respectively.

3.2 准静止后向传播阶段

7月26日02时22分(图6a)，位于建始北部≥50 dBz强回波由东西向转为西南—东北向，其西南侧有西南—东北向对流线在建始峡谷内迅速发展。03时48分(图6b)，≥50 dBz强回波区由建始峡谷北部南压到中部，且强回波范围增大，建始峡谷内形成结构紧密的西南—东北向回波带。从南向北沿着中心回波带(图6a、b中白色实线)所作的反射率因子剖面图上，图6c中从南到北分别为新生单体、成熟单体、消亡单体(红色圆圈1、2、3)，新生单体位于最南侧，与成熟单体南侧有一定距离；
图6d中，红色圆圈1、2、3从南到北分别为新生单体、成熟单体、消亡单体，新生单体在紧邻成熟单体的南侧发展。结合环境场分析表明，26日02时，风暴承载层平均风为西南风，新生单体向西南方向传播，与风暴承载层平均风方向相反，具有后向传播特征，建始峡谷内的对流单体发展可能是MCS后向传播引发，前期单体传播以不连续快速后向传播为主，后期后向传播缓慢，MCS呈准静止状态，后向传播和准静止形成的机制见本文第4节分析。从26日03—04时，中尺度雨团迅速南扩(图1b)，雨团降水中心先后由北向南发展，依次造成03时茅田90.3 mm降水、04时刺竹坪61.3 mm降水；
雨团长轴由东西向转为西南—东北向(图1b)，雨团长轴的变化是MCS后向传播的特征之一。

图6 2020年7月26日02∶22(a)和03∶48(b)恩施雷达组合反射率因子，以及分别沿图a、b中白色实线的反射率因子垂直剖面(c,d)(红色圆圈1、2、3分别表示新生、成熟与消亡单体)Fig.6 Composite reflectivity factor(unit:dBz)from Enshi radar at(a)02∶22 BT and(b)03∶48 BT on 26 July 2020,and(c,d)the vertical cross sections of reflectivity factor(unit:dBz)along the white solid line in(a)and(b),respectively.Red circles 1,2 and 3 denote newborn,mature and extinct cells,respectively.

3.3 准静止合并阶段

随着西南涡加强发展、东移，低涡东侧偏南风影响恩施地区，不稳定偏南气流内不断有孤立的对流回波形成、发展，孤立回波单体东北移并入MCS南侧，7月26日05时27分(图7a)，≥50 dBz强回波区缓慢南压到建始峡谷中南部。随着低涡涡旋回波带缓慢移入恩施境内，06时54分(图7b)，涡旋回波带前侧的分散回波单体增多(图7b红色圆圈)，并继续北上与MCS合并，MCS在建始峡谷中南部维持，呈准静止状态。沿雷达径向(图7b白色实线)所作的反射率因子和径向速度剖面图上(图7c、d)，多个对流单体(图7c红色圆圈1、2)先后并入建始回波带，≥45 dBz强回波分布在5 km以下，维持低质心回波结构；
红色圆圈3为成熟单体区，对应径向速度剖面图上2 km以下的小范围偏北入流区(图7d红色圆圈4)，其可能是冷出流形成的偏北气流。此阶段，中尺度雨团沿建始峡谷继续缓慢南移，26日07时和08时中尺度雨团南边界稳定在白杨坪，南风中产生的对流单体与建始峡谷的MCS合并使雨团范围和强度增大，07时和08时白杨坪站小时雨量均超过80 mm。08时后，随着川东低涡涡旋回波带东移进入建始境内，建始峡谷转受涡旋回波带影响，建始峡谷第一阶段降水结束，第二阶段降水开始。

图7 2020年7月26日05:27(a)和06:54(b)恩施雷达组合反射率因子以及沿图b中白色实线的反射率因子(c)和径向速度(d)的垂直剖面(图b中的红色圆圈表示分散回波单体；
图c、d中的红色圆圈1、2分别表示低涡前侧对流单体，红色圆圈3、4分别为MCS成熟单体和冷出流区域)Fig.7 Composite reflectivity factor(unit:dBz)from Enshi radar at(a)05:27 BT and(b)06:54 BT on 26 July 2020,and the vertical cross sectionsof(c)reflectivity factor(unit:dBz)and(d)radial velocities(unit:m·s-1)along the white solid line in(b).In(b)red circles denote echo cells,and in(c)and(d)both red circles 1 and 2 denote convective cells in front of the vortex,red circles 3 and 4 denote the mature cells of the MCS and the cold outflow areas,respectively.

综合上述环流背景和MCS演变分析可知，MCS前期在建始辐合线的组织下形成了稳定的东西向回波带，随着β中尺度偏北风入侵，MCS西段回波增强，降水强度增大；
在准静止后向传播阶段，MCS西南侧即建始峡谷内有对流回波快速发展，具有后向传播特征，MCS演变为西南—东北向，主体MCS在建始峡谷呈准静止态；
准静止合并阶段，加强北抬的低涡前侧不稳定偏南急流中激发出对流回波合并到建始峡谷MCS中，该MCS稳定少动并增强，导致雨强增大。建始峡谷的强降水主要发生在MCS的准静止后向传播阶段和准静止合并阶段。在建始峡谷复杂山地地形背景下，MCS维持准静止态的机制是什么？MCS是如何与低空中小尺度天气系统相互作用的？这种相互作用如何影响MCS传播和发展演变？均是值得深入探讨的问题。

由于恩施州地形复杂，海拔高度落差大，地面加密站点稀疏，观测资料少，且站点海拔高度不同各站之间气象要素很难比较，给中尺度分析带来较大困难。为此，利用有代表性的不同高度的地面区域站资料和雷达风廓线产品等，从冷出流、低空急流和峡谷山地地形三个方面对MCS的后向传播及准静止机制进行探讨。

4.1 冷出流与MCS后向传播

MCS移动主要取决于其风暴承载层平均风速度和传播速度，当风暴承载层风向与传播方向交角大于90°，则称为后向传播，由于后向传播抵消或近似抵消了MCS的平流矢量，导致MCS移动缓慢或呈准静止状态，经常会造成强降水(Schumacher and Johnson，2005)。雷暴冷出流是MCS传播的主导因素之一(陈明轩等，2013)，尤其是峡谷山地对流性暴雨过程中，由于风暴冷出流受到峡谷山地地形的阻挡、引流等作用，地面冷出流对MCS演变的作用机制异常复杂。

4.1 .1冷出流演变

在平原地区可通过影响区域内加密观测站风场、温度场变化分析冷出流的发展，而在山区由于站点的海拔高度不同，冷出流分析难度较大。因此，本文选取建始峡谷中南部从北到南4个海拔高度不同的邻近站点即刺竹坪、头坝堰、建始、白杨坪(图1b中B、C、D、E点)，通过站点逐5 min温度、降水、极大风速和2 min平均风速演变(图8)分析MCS冷出流演变。

图8 2020年7月26日02∶00—04∶00刺竹坪(a)、头坝堰(b)、建始(c)和04∶10—06∶10白杨坪(d)站逐5 min降水(单位:mm)、温度(单位:℃)及2 min平均风((①),风向杆)和极大风(②,风向杆)演变Fig.8 The 5-minute precipitation(unit:mm),temperature(unit:℃)and the 2-minute average wind(①,barbs)and extreme gale(②,barbs)at(a)Cizhuping,(b)Toubayan and(c)Jianshi stations from 02∶00 BT to 04∶00 BT and(d)Baiyangping station from 04∶10 BT to 06∶10 BT on 26 July 2020.

刺竹坪位于建始峡谷中部东侧，海拔高度1 475 m，7月26日02时30—50分，地面温度下降明显，降幅达1.3℃，降温的同时伴有降水发生；
02时30分，2 min平均风由偏南风转为偏北风，02时50分，极大风转为偏北风，03时15分，2 min平均风速和极大风速增大，说明此时冷出流下山增强(图8a)。头坝堰和建始处于建始峡谷底部，前期头坝堰和建始的主导风向为偏北风，但风速较弱。从02时35分开始，头坝堰极大风速和2 min平均风速均缓慢增强，02时35—40分，5 min温度下降了0.3℃，而此时头坝堰仅有微量降水，温度下降应是冷出流到达本站造成的结果；
02时50分，降水开始增大，头坝堰经历了先风速增大、温度下降和后降水发展的过程(图8b)。建始站位于建始峡谷南部，海拔高度比头坝堰略低，02时50分极大风速和2 min平均风速缓慢增大的同时伴有温度缓慢下降，1 h内温度下降了1.0℃，期间建始未出现降水，说明冷出流此时已到达(图8c)。白杨坪位于建始南部13 km处，05时左右，温度下降，风速增大，地面极大风向先后由偏南风转为偏北风，此时冷出流到达(图8d)，因白杨坪2 min平均风数据缺失，图中未给出数据。

地面资料分析结果表明：地面存在一支冷出流沿峡谷从高海拔到低海拔依次通过刺竹坪(02时30分，海拔1 745 m)、头坝堰(02时35分，海拔641 m)、建始(02时50分，海拔609 m)和白杨坪(05时，海拔770 m)。建始峡谷北部强降水引发冷出流，由于山谷地形引导和高海拔落差的共同作用，冷池出流经历了快速下山和平缓移动两个阶段：从高海拔的刺竹坪到低海拔的建始为快速下山阶段，冷出流前沿移速快(20 km距离历时20 min)、风速大(极大风速6～9 m·s-1)；
从低海拔的建始到海拔略高的白杨坪为平缓移动阶段，冷出流前沿移动速度慢(13 km历时130 min)、风速小(极大风速2～4 m·s-1)。在冷出流影响期间，刺竹坪、头坝堰、建始、白杨坪的1 h温度降幅均在1℃左右，温度缓慢下降，说明下山冷出流强度较弱。

4.1.2 MCS后向传播

雷暴冷出流在MCS的发生发展过程中起重要作用，一方面，冷出流是雷暴发展成熟的结果；
另一方面，雷暴冷出流也是雷暴传播的主导因素，冷出流演变的特征是MCS的结构、形态和移动速度的重要影响因子。如第3.1节中的分析表明，建始辐合线是第一阶段(7月25日23时—26日02时)建始北部东西向MCS形成的主要因素。辐合线北侧的干冷气流加强使动力辐合增强，触发不稳定能量释放，MCS西部明显增强，降水强度增大(03时最大雨强90.3 mm·h-1)，同时也产生了冷出流。

冷出流形成于建始北部和建始峡谷东侧半高山以上地区，第4.1.1节中的分析证实了冷出流从高海拔的刺竹坪(海拔1 475 m)快速向下流泻至较低海拔的建始(海拔609 m)后沿峡谷底部缓慢移动至海拔相对较高的白杨坪(海拔770 m)。冷出流在峡谷内向西南方向流动的过程中，在MCS西南侧触发新回波，即MCS向西南方向传播的同时，环境风场偏南急流风速增强、急流增厚(图9c、d)，引导新生MCS快速向东北方向移动，MCS形成传播方向和平流方向完全相反的后向传播结构(见3.2节)。此时，东西向MCS转变成东北—西南向MCS(26日02—04时)，对应的雨团也从东西向转为东北—西南向(图1b)。冷出流在峡谷内向西南方向快速流泻(26日02—03时)，致使MCS向西南方向传播速度大于其向东北方向的平流速度，MCS向西南方向发展移动，与之对应04时雨团的南边界也快速南压(图1b)，改变了MCS和雨团的形态特征；
冷出流在峡谷底部缓慢向南移动(26日03—05时)，MCS的传播速度和平流速度方向相反、大小近乎相等，呈后向传播的准静止特征(见第3.3节)，其南边界南压速度缓慢，雨团的南边界也南压缓慢(图1b)。

4.2 低空急流与MCS演变

低空急流发展对中尺度对流系统的传播和发展起重要作用，低空急流脉动是触发对流的一种重要机制(孙淑清等，1979)。本文利用时间分辨率更高的加密站资料和恩施雷达风廓线产品分析低空急流演变，进而揭示其与MCS演变的关系。

雷达站、杨家湾站(图9b红点1、2)位于恩施喇叭口地形中部，海拔高度分别为1 740 m和1 174 m，其风场变化大致能反映低空偏南气流的演变。因此，分析两站逐小时极大风速(图9a)可知，两站7月26日03时小时极大风速均有一跃增过程，海拔较低的杨家湾站随后风速缓慢增加至08时，最大小时极大风速达6.3 m·s-1，而海拔较高的雷达站05—06时风速出现第二次跃增，06时最大小时极大风速达11.4 m·s-1。恩施雷达风廓线产品可用来分析该站半径30 km范围内的低空平均气流垂直演变，图9c给出恩施雷达26日01—08时风廓线产品整点垂直风(红线区内为风速≥6 m·s-1的大风区)，大风区在01—08时向下、向上扩展，同时风速逐渐增大，最大风速达10 m·s-1；
03时大风速区下边界最低(海拔高度1.8 km)，与地面雷达站风速跃增对应，05时风廓线最低高度偏南风增至最大，达8 m·s-1，海拔较低的杨家湾站同期风速持续加强，可推断03—05时低空急流在建始峡谷有一下沉的过程；
06—08时，中低层偏南风速进一步增大，同时大于10 m·s-1大风轴下边界快速上抬至3 km以上。可见，26日01—08时，中低层偏南风有一加强增厚的过程，03时偏南急流下沉至近地面，05时近地面风速达到最强；
06时后，中低层偏南风速进一步增大，大风轴上抬。

为清晰地揭示MCS发展与低空急流演变的关系，沿低空急流方向从恩施喇叭口中部到建始峡谷北部(图9b中红色虚线)作雷达反射率因子剖面，统计7月26日01—08时剖面上雷达回波强度分别大于30 dBz、40 dBz的逐时平均面积，以其分别表征MCS、强MCS的平均空间尺度变化(图9d)。从中看到，雷达回波大于30 dBz的平均面积持续增大，其中01—03时增速快(斜率大)，04—08时增速缓慢；
雷达回波大于40 dBz平均面积在01—05时持续增大，06—08时开始缓慢减小，其中02—05时增速快(斜率大)。究其原因，MCS和强MCS的发展与低空急流演变密切相关：02—05时低空急流风速加大且大风区下边界下沉，MCS和强MCS均持续发展；
06—08时中低空急流增强但大风轴下边界上升，MCS增速缓慢，但强MCS缓慢减弱。因此，MCS的发展过程与低层急流风速垂直分布密切相关，低层急流的风速增大和大风区下边界下沉有利于MCS和强MCS发展，而低空急流大风轴下边界上升不利于强MCS发展。

图9 2020年7月25日21时—26日08时恩施雷达站(图b中红点1)和杨家湾站(图b中红点2)逐小时极大风速(a,单位:m·s-1)与恩施州地形分布(b)，以及7月26日01—08时恩施风廓线雷达逐时风(c，风向杆)和雷达反射率因子(RF)≥30 dBz、≥40 dBz回波剖面面积(d,单位:km2)的逐时变化

MCS准静止后向传播阶段(26日02—05时)，低空急流的发展、下边界下沉，加强了低层暖湿空气的输送和地形的动力抬升作用，有利于降水增强(刘淑媛等，2003)；
中低层风速随高度减小，有利于在迎风坡上形成气旋性辐合，产生强降水(孙继松，2005)；
近地层急流与从高山下来的冷出流形成对峙，减缓了MCS的传播速度，形成准静止后向传播的MCS，造成长历时强降水(黄小彦等，2020)。MCS准静止合并阶段(26日05—08时)，近地层急流维持，冷出流继续向南缓慢移动，MCS沿建始峡谷向南缓慢传播；
中低层风速增加，急流脉动触发的对流单体快速北移并入准静止MCS，有利于MCS维持发展。

4.3 地形作用

统计1961年以来恩施喇叭口地形内站点(宣恩、来凤、咸丰、恩施、建始，图9b)大暴雨日数分布可知(图略)，大暴雨发生频数与站点所处恩施喇叭口地形内位置有关，建始位于喇叭口地形北部，大暴雨日数最多，为61 d；
恩施位于喇叭口地形中部，大暴雨日数次之，为46 d；
宣恩、来凤、咸丰位于喇叭口地形的南部，大暴雨日数比恩施少，分别为30、29、34 d。从南到北，恩施喇叭口地形内大暴雨日数逐渐增加，北部建始站大暴雨日数比南部宣恩站多1倍。气候统计结果表明，恩施喇叭口地形的北部站点比南部站点更易出现强降水，偏南气流在喇叭口地形的狭管效应下迅速增强，喇叭口地形北部的狭管效应更显著。建始峡谷位于恩施喇叭口地形的北端，从南到北，海拔高度逐渐升高，从建始站到建始北部海拔高度落差在1 km左右，具有迎风坡地形特征。偏南急流在建始迎风坡峡谷地形和恩施喇叭口地形的共同作用下，在建始峡谷内形成更强的峡谷风和辐合上升气流，强降水更易出现。

在建始峡谷内，头坝堰、建始站、白杨坪从北到南分布，头坝堰与建始、建始与白杨坪之间的距离均在10 km左右，建始站冷出流影响时间比头坝堰晚15 min，而白杨坪比建始站晚130 min，为什么冷出流从建始移到白杨坪需要这么长时间呢？分析建始峡谷地形发现，从头坝堰到建始为下坡地形，从建始到白杨坪为上坡地形，白杨坪海拔高度为770 m，位于建始峡谷南部γ中尺度山丘上，比建始站高161 m，建始站比周边海拔高度低，处于γ中尺度盆地内，当冷出流下山进入建始盆地内，较弱的冷出流在盆地内缓慢堆积增厚，当其灌满建始盆地后向南溢出，冷出流才开始影响白杨坪。建始南部山丘对弱冷出流的阻挡和偏南急流与盆地溢出冷出流的对峙，减缓了冷出流向南流泻的速度，这可能是MCS向南延缓传播的一个重要原因。

4.4 准静止MCS演变的概念模型

上述4.1—4.3节通过观测资料分析了冷出流演变、低空急流发展、地形在准静止MCS发展过程中的作用，探讨了MCS在建始峡谷内的形成发展机制。总结准静止MCS的形成机制，沿建始峡谷给出MCS准静止后向传播阶段和准静止合并阶段的概念模型(图10a、b)：(1)准静止后向传播阶段，建始峡谷北部强降水引发冷出流，地形斜坡引导冷出流快速下山，在弱冷出流和地形迎风坡作用下，加强了偏南暖湿气流的被迫抬升，MCS出现后向传播；
偏南气流的加强与下沉既有利于MCS在山前迎风坡上发展，也与近地层南下的冷出流形成辐合线，减缓了冷出流南下的速度。下沉低空急流与冷出流相互作用，在MCS西南方向触发新的回波，新回波加强后在西南风引导下向东北方向平流，形成后向传播的准静止态MCS。图10a中，中低层偏南风随高度减小，沿恩施喇叭口地形北上的低空急流与下山冷出流在建始峡谷山前形成中尺度辐合区，在迎风坡上辐合抬升作用最强，低空急流与弱冷出流、迎风坡地形相互作用是维持准静止后向传播的主要原因。(2)准静止合并阶段，建始盆地冷垫增厚，26日05时冷出流越过建始南部γ中尺度山丘南下，冷出流受到低空急流和建始南部山丘的阻挡南移缓慢，MCS在建始峡谷中南部维持准静止状态；
南方暖区中低空偏南风持续增强增厚，大风轴上抬，其脉动不断触发新的对流单体向东北方向移动并入MCS，MCS得以维持。

图10 准静止后向传播阶段(a)和准静止合并阶段(b)MCS演变的概念模型Fig.10 Conceptual model of the MCS evolution in(a)quasi-stationary backward propagation and(b)quasi-stationary merging stages.

本文利用常规观测、地面区域站、雷达资料和ERA5再分析资料等，结合地形特点，分析了引发鄂西南山地(建始峡谷)特大暴雨的准静止MCS的环流背景、结构演变特征及其形成机制，主要得出以下结论：

(1)受东移南下大陆高压和蒙古冷涡与稳定副热带高压共同影响，MCS在副高北部、低层辐合线附近形成，稳定少动的中低层辐合线和低层低涡前侧偏南急流发展给准静止MCS发展维持提供了有利环境条件。

(2)建始峡谷极端强降水由向后传播的准静止MCS造成，可分为准静止后向传播和准静止合并两个阶段。准静止后向传播阶段，MCS的传播和平流的速度方向相反、大小相近；
准静止合并阶段，主体MCS为准静止后向传播结构，其南侧偏南急流脉动触发的对流回波向北移动合并到主体MCS。

(3)在山谷地形和高海拔落差下，峡谷北侧高山上强降水引发冷出流经历了快速下山和平缓移动两个阶段。冷出流的移动影响了MCS向南传播速度，使得MCS初期快速后向传播、中后期传播速度减缓。

(4)在建始峡谷和恩施喇叭口复杂地形下，冷出流与持续加强、下沉的低空偏南急流相互作用是准静止MCS形成和发展的重要影响因素。准静止后向传播阶段，冷出流沿地形斜坡快速向下流泻，在谷底缓慢南移，加强和下沉的偏南暖湿气流在弱冷出流和地形强迫抬升作用下，对流回波在建始峡谷迎风坡上迅速发展；
MCS出现后向传播，由于后向传播与平流相抵，MCS在建始峡谷表现出准静止特征。准静止合并阶段，冷出流受低空急流和建始南部山丘阻挡而南移缓慢，MCS在建始峡谷中南部维持准静止状态；
中低层偏南急流脉动使不稳定能量增强，在MCS南侧暖区中不断触发的对流单体北移并入MCS。低空急流跃增过程、中低层偏南风垂直分布特征与准静止后向传播阶段、准静止合并阶段对应较好。

(5)恩施喇叭口和建始峡谷地形对准静止MCS形成发展起重要作用。由于峡谷风效应和迎风坡动力抬升作用，低空偏南急流在建始峡谷内汇流，低空偏南急流加强，辐合上升运动加剧，促使MCS增强发展；
建始峡谷北部地形斜坡引导雷暴冷出流向下快速流泻，与山前迎风坡抬升的偏南气流形成辐合区，使得MCS快速后向传播；
建始峡谷南部γ中尺度山丘对下山冷出流的阻挡，使冷出流南压缓慢，MCS传播速度减缓而呈准静止状态。

本文尝试应用不同海拔高度加密站温度和风场变化分析低空中小尺度系统演变，结合复杂山地特点，对于加深对山地暴雨特征及MCS发生发展机制的认识有一定帮助。但由于恩施山地海拔高度落差大，下垫面复杂，地面气象观测站资料较为稀疏，且雷达监测不到近地层降水信息，利用观测分析方法研究山地MCS形成机制非常困难。下一步，将应用有关高分辨率观测资料和数值模拟方法对山地MCS的形成机制进行深入剖析，以期对引发山地极端降水的MCS的活动和结构演变特征有更加全面的了解。