李冬梅+劉婉莉+趙華+陳雪珍+趙建武+周濤

摘 要：2013-07-03山西南部出現(xiàn)區(qū)域性大暴雨，19個縣達到暴雨，其中，8個縣的降水量≥100 mm，1 h最大雨強達54.6 mm。利用常規(guī)氣象觀測資料、地面加密自動站資料、衛(wèi)星云圖資料、雷達資料對此次區(qū)域性大暴雨成因進行分析，結果表明：①此次大暴雨過程發(fā)生在兩槽一脊、副高穩(wěn)定、200 hPa反氣旋的大尺度環(huán)流背景下，超低空急流加強、低層正渦度、強的上升氣流是大暴雨發(fā)生的環(huán)境條件，大暴雨發(fā)生在濕區(qū)梯度鋒上；②大暴雨由午后熱對流產(chǎn)生的暴雨云團和中尺度對流系統(tǒng)造成，熱對流云團發(fā)生在超低空急流左前側、山西南部中條山、王屋山的迎風坡和喇叭口地形收縮處，地形抬升作用觸發(fā)熱對流；中尺度對流系統(tǒng)由4個對流云團組成，地面中尺度渦旋是中尺度對流系統(tǒng)的主要觸發(fā)系統(tǒng)。

關鍵詞：大暴雨；中尺度對流系統(tǒng)；中尺度渦旋；成因

中圖分類號：P458.1+21.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0138-04

暴雨是在有利的大尺度環(huán)流背景下產(chǎn)生的中尺度現(xiàn)象。顧清源等研究低空急流和冷空氣在副高西北側暴雨中觸發(fā)作用和中尺度特征，孫繼松等研究“7.21”北京大暴雨系統(tǒng)的結構演變特征及成因分析，苗愛梅等對山西暴雨過程中MCC與一般云團進行了對比分析，趙桂香對一次阻高背景下地形對晉南特大暴雨的作用進行分析，國內(nèi)外氣象學者對大暴雨的研究取得了豐碩的研究成果，但是，局地大暴雨預報依然是一個普遍性難題。2013-07-03山西南部大暴雨落區(qū)從大尺度環(huán)流背景場上來說，很難提前24 h預報出來，利用常規(guī)氣象資料、地面加密自動站資料、衛(wèi)星云圖資料、雷達資料，對此次大暴雨過程進行深入研究，提煉出大暴雨發(fā)生的中尺度信息和先兆信息，進一步提高大暴雨的預報能力。

1 區(qū)域性大暴雨特征分析

2013-07-03T08：00—2013-07-04T08：00，山西南部的臨汾、長治、晉城、運城等地出現(xiàn)了區(qū)域性暴雨天氣，如圖1所示，雨帶呈東北—西南向，水平尺度200 km，19個縣達到暴雨，其中，8個縣降水量≥100 mm（含縣境內(nèi)區(qū)域站資料），達到大暴雨。強降雨主要集中在山西東南部，最大降水量為晉城市的陽城124.7 mm，其次是運城市的絳縣110.1 mm。

分析大暴雨中心的逐小時降水量，如圖2所示，強降雨分為兩個階段：第一階段發(fā)生在2013-07-03T15：00—T17：00，為午后熱對流，范圍較小，最大雨強為陽城的20.7 mm/h；第二個階段發(fā)生在2013-07-04T01：00—07：00，受β中尺度對流系統(tǒng)影響，最大雨強為絳縣的54.6 mm/h（2013-07-04T02：00）。強降雨造成部分縣市農(nóng)作物受災，房屋倒塌、損毀，城市洪澇，損失嚴重。

此次降水過程表現(xiàn)為強對流特點，降水時間集中、雨強大、局地災害重，大暴雨中心位于山西南部中條山迎風坡和王屋山的喇叭口地形收縮處，由午后熱對流引發(fā)的一般暴雨云團和MβCS造成。

2 區(qū)域性暴雨環(huán)境條件分析

2.1 抬升和垂直風切變條件分析

2013-07-03T08：00，如圖3所示，500 hPa上中緯度地區(qū)為兩槽一脊型，槽區(qū)有明顯的冷低壓中心，分別位于烏拉爾山和我國東北地區(qū)，貝加爾湖南側為一高脊，脊中高原東部的青海湖附近有短波槽生成，副熱帶高壓西伸北抬至30°N，山西南部受東北冷渦底部、副高外圍偏南氣流影響控制。2013-07-03T20：00東北冷渦加深，冷空氣從華北平原向南擴散，同時，高原槽發(fā)展東移與冷渦后部的冷空氣結合，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。

2013-07-03T08：00，700 hPa河套中部有冷暖切變線形成，T20：00隨著東北冷渦得加深，暖切變北側東北風增大，受槽后西北風、槽前西南風、渦后東北風3股氣流影響，冷暖切變線在陜西北部—山西中部交界處加強并形成較強的輻合中心。850 hPa切變線位于山西東南部，為冷渦后部西北風與副高邊緣西南氣流之間切變。200 hPa高原上為高壓脊控制，高空急流呈反氣旋式彎曲，強的高空輻散有利于垂直運動發(fā)展，山西南部大暴雨區(qū)位于高空急流出口區(qū)右側、低層850 hPa切變上。

2013-07-03T08：00，如圖4所示，925 hPa有東北風與西南風的流場輻合，輻合線與850 hPa切變線位置一致，其南側在武漢—阜陽—徐州有一支≥20 m/s的超低空西南急流，T20：00西南急流北進，并出現(xiàn)偏南風分支，南支急流頭位于山西東南部。在急流頭左側水汽輻合和正渦度輸送增強，山西南部大暴雨位于南支急流頭左側200 km處。

地面圖上（2013-07-02T08：00—2013-07-03T08：00）東北地區(qū)地面氣旋發(fā)展加深，河套—華北為弱高壓控制，2013-07-03T14：00，受山西南部暖低壓控制，氣溫升高，午后沿中條山南端迎風坡產(chǎn)生熱對流。2013-07- 03T20：00，如圖5所示，從東北氣旋中心到山西南部受冷鋒影響，激發(fā)中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生暴雨天氣。

2.2 特征物理量分析

2.2.1 不穩(wěn)定度條件

強降雨開始前，山西南部大氣層結處于條件不穩(wěn)定狀態(tài)。2013-07-02T08：00—2013-07-03T08：00，k指數(shù)>40 ℃，SI指數(shù)<-1 ℃，對流穩(wěn)定度指數(shù)IC<-10 ℃，△θse500*-850<-4 ℃。200 hPa以下風隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，深厚的暖平流利于對流有效位能積聚。強降雨臨近（201-07-03T20：00），925 hPa西南急流南支加強，左側氣旋切變和風速輻合增強，造成強的對流不穩(wěn)區(qū)。在山西東南部抬升指數(shù)（LI）增為-2 ℃，如圖6所示，Cape增為1 600 J/kg，如圖7所示。根據(jù)公式計算，在Cape中心可產(chǎn)生56 m/s的垂直上升速度，強度的上升氣流引發(fā)MβCS在中心區(qū)域生成、發(fā)展，從而產(chǎn)生大暴雨。

2.2.2 水汽條件

水汽通量散度場上2013-07-03T08：00（圖略）水汽輻合位于低空急流左前側，最大輻合中心位于925 hPa，在超低空急流左側有-13×10-8 g（cm2·hpa·s）輻合中心，超低空水汽輻合有利于午后對流發(fā)展。2013-07-03T20：00時，如圖8所示，隨著高空槽東移，槽前西南風加大，700 hPa以下山西中南部為水汽通量輻合區(qū)，最大值位于700 hPa。在切變線節(jié)點處有<-30×10-8 g（cm2·hpa·s）的輻合中心，山西南部大暴雨位于-10×10-8 g（cm2·hpa·s）的包圍區(qū)。

在比濕場上，暴雨發(fā)生前（2013-07-03T08：00）低層比濕開始增加，700 hPa以下比濕較大，最大值位于925 hPa比濕>18 g/kg，T20：00濕區(qū)范圍擴大，700 hPa在高原東部—陜西中部為高濕區(qū)，如圖9所示，中心值>14 g/kg，山西中部為干區(qū)，中心值<3 g/kg。干濕中心相差11 g/kg，在山西南部形成西北—東南向的濕度鋒，大暴雨發(fā)生在濕區(qū)梯度鋒上。

2.2.3 動力條件

在渦度場上，暴雨發(fā)生前期低層正渦度增大，如圖10所示，850 hPa為20×10-5 hPa/s，500 hPa以上轉(zhuǎn)為負渦度，300 hPa為-25×10-5 hPa/s，低層正渦度與高層負渦度發(fā)生耦合作用，有利于對流抬升發(fā)展，暴雨區(qū)位于低層正渦度中心的東側。在垂直速度場上，2013-07-03T20：00，如圖11所示，500～250 hPa的垂直速度<-20×10-2 hPa/s，最強上升速度位于400 hpa，值為-39×10-2 hPa/s，而850 hPa為下沉氣流，垂直速度為5×10-2 hPa/s。強的上升氣流出現(xiàn)在較高層次，低層下沉氣流位于對流云后側，有利于觸發(fā)新對流云團生成。

3 中尺度分析

3.1 地面中尺度分析

自動站風場分析，熱對流發(fā)生前3 h（2013-07-03T11：00）垣曲、陽城附近有中尺度輻合線生成。隨著地面氣溫得升高，2013-07-03T14：00，中尺度輻合線上有對流云團生成；2013-07-03T16：00—17：00，如圖12a所示，陽城中尺度輻合線加強為中尺度渦旋，受地形輻合抬升作用，對流加強；2013-07-03T23：00，如圖12b所示，山西中南部東北風加大，同時，絳縣西南側、中條山北端的迎風坡上有中尺度渦旋生成，并維持至2013-07-04T00：00，造成強對流云團在中尺度渦旋處加強為MβCS。2013-07-04T 01：00，如圖12c所示，東北氣流繼續(xù)加強，冷空氣從對流云團后部侵入，抬升作用使新的對流云團生成。

3.2 對流云團和MβCS結構演變

山西南部大暴雨是由午后熱對流形成的暴雨云團和水平尺度為200～300 km的MβCS造成的。利用衛(wèi)星云圖、雷達資料對發(fā)生大暴雨的成因進行詳細分析，揭示了大暴雨的形成過程，為短臨預報提供依據(jù)。

3.2.1 對流云團的演變

2013-07-03T14：00，三門峽雷達回波上（圖13a）沿地面中尺度輻合線有2個回波帶R1、R2生成，分別位于中條山、王屋山迎風坡。2013-07-03T15：00（圖13b）受低空偏南氣流引導，中條山區(qū)形成的對流云帶向北移動，受王屋山地形（海拔2 321 m）阻擋折向東移動，T16：00（圖13c）對流單體在王屋山和太行山交界的喇叭口地形處收縮加強為暴雨云團，回波強度為45 dbz，高度為3.5 km。衛(wèi)星云圖上（圖略）暴雨云團為帶狀結構，水平尺度為100 km，冷云蓋中心TBB值為-40 ℃，<-32 ℃冷云面積5 000 km2。

熱對流云團生成前，山西西南部最高氣溫達38.6 ℃，高溫高濕利于形成強對流天氣。在地形作用下，對流云帶沿王屋山南坡一字排開，列車效應造成陽城出現(xiàn)第一階段的強降雨，3 h累計降水3.2.2 MβCS的演變

MβCS的演變可分為以下三個階段。

3.2.2.1 初生和加強階段

MβCS由對流云團B，C，D組成，初生階段對流云團各自形成并發(fā)展。其中，B和D云團發(fā)展為β中尺度對流云團。2013-07-03T23：00（圖14a）切變線云系移入山西后分裂為2個對流云團——A和B ，其中，A云團外型不規(guī)則，沿700 hPa暖切變向東移動，中心TBB值由-52 ℃提高到-32 ℃，冷云蓋面積減小，2013-07-04T03：00移出山西。在其影響范圍內(nèi)，12 h累計雨量為10～23 mm。B云團受高空氣流引導向東南方向移動，2013-07-03T23：30（圖14b）在越過黃河時，受濕的下墊面影響，對流云團加強為外型呈橢圓形，水平尺度200 km，中心TBB值-55 ℃的對流云團造成山西呂梁發(fā)生13 mm/h的強降雨。C云團為高空槽東移在山西西南部觸發(fā)的對流云團，生成后沿地面輻合線向東北方向移動。D云團為地面東南氣流加強后2013-07-03T21：00在中條山區(qū)再次生成的對流云團，2013-07-03T22：00—T23：00在原地發(fā)展，并向東南方向移動，中心TBB值為-65 ℃，<-52 ℃的冷云蓋面積9 500 km2，造成垣曲縣境內(nèi)出現(xiàn)50 mm/h的強降雨。

3.2.2.2 成熟和合并階段

B，C對流云團在地面中尺度渦旋的強上升氣流作用下加強為MβCS，冷云蓋面積擴大，接近MCC。2013-07-04T00：00，雷達速度圖上（圖略）地面中尺度渦旋處有強的中尺度輻合中心并維持至2013-07-04T00：30。2013-07-04T01：00（圖14c）B云團與對流云團C在地面中尺度渦旋處合并加強，水平尺度為300 km，中心TBB值為-59 ℃，≤-52 ℃冷云區(qū)面積為45 000 km2的MβCS，≤-32 ℃的冷云蓋面積為180 000 km2。2013-07-04T02：00（圖14d）MβCS發(fā)展為橢圓形，近似于MCC，進入成熟期，長軸沿順時針方向傾斜，造成以絳縣為中心的強降雨，最大雨強為54.6 mm/h。其前側的對流云團D，TBB值升高趨于減弱階段；其后側由于地面東北風加強，冷的入流使MβCS后部有新的云團E生成。

3.2.2.3 再生和消亡階段

2013-07-04T03：00（圖14e）D云團減弱消亡，MβCS云團長軸發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，中心值TBB開始升高，其后側E云團冷云蓋面積不斷擴大。2013-07-04T05：00（圖14f）MβCS減弱消亡，E云團發(fā)展為橢圓形，中心TBB值<-52 ℃，影響陽城、絳縣雨強，發(fā)生>15 mm/h的強降雨。2013-07-04T07：00，E云團減弱移出山西，山西降水強度減弱。

影響山西南部出現(xiàn)大暴雨天氣的為中尺度對流系統(tǒng)（MβCS），由4個中尺度對流云團B，C，D，E組成，并在濕區(qū)梯度鋒上發(fā)展、合并、再生。2013-07-03T23：00初生，2013-07-04T01：00—2013-07-04T03：00成熟，成熟持續(xù)時間3 h，水平尺度為300 km，TBB≤-52 ℃的冷云蓋面積為45 000 km2，≤-32 ℃的冷云蓋面積為180 000 km2，2013-07-04T05：00，對流云團E生成，2013-07-04T07：00減弱。MβCS從生成到減弱維持9 h。由于受4個對流云團的影響，大暴雨中心呈現(xiàn)2峰和3鋒，小時雨強大，強降雨發(fā)生在TBB低值中心并呈現(xiàn)明顯的陣性。

4 小結

山西南部大暴雨發(fā)生在兩槽一脊、副高穩(wěn)定、200 hPa反氣旋的大環(huán)流背景下，超低空急流為大暴雨發(fā)生提供了充沛水汽，偏南分支增強了低層氣旋式輻合，東北冷渦后部干冷空氣侵入在山西南部形成濕區(qū)梯度鋒，為暴雨發(fā)生提供了動力條件。大暴雨發(fā)生時，大氣層結條件不穩(wěn)定，低層正渦度、高層負渦度有利于天氣系統(tǒng)的加強，高空輻散的抽吸有利于強降雨的產(chǎn)生，大暴雨發(fā)生前對流有效位能增大、中層水汽輻合增強，大暴雨發(fā)生在濕區(qū)梯度鋒上。

大暴雨是由午后熱對流形成的暴雨云團和水平尺度為200～300 km的MβCS造成的。暴雨云團由午后地形抬升作用引發(fā)，雷達回波上為多個對流單體沿王屋山南端迎風坡東移合并加強；衛(wèi)星云圖上呈帶狀，水平尺度為100 km，冷云蓋中心TBB值為-40 ℃，<-32 ℃的冷云蓋面積為5 000 km2。MβCS在衛(wèi)星云圖上由4個中尺度對流云團組成，是由高空槽東移觸發(fā)的對流系統(tǒng)，成熟期發(fā)展為橢圓形，持續(xù)時間3 h，長軸沿順時針方向傾斜，TBB水平尺度為300 km，<-52 ℃的冷云蓋面積為45 000 km2，<-32 ℃的冷云蓋面積為180 000 km2，接近MCC。強降雨發(fā)生在TBB低值中心。

地面中尺度渦旋是大暴雨發(fā)生的直接影響系統(tǒng)，地面中尺度渦旋產(chǎn)生使地面冷空氣增強，東北風加大，在中條山北端的迎風坡上，較大暴雨發(fā)生提前3 h。地面中尺度渦旋產(chǎn)生的強烈上升氣流是MβCS的主要觸發(fā)機制，在地面中尺度渦旋作用下，對流云團在其中心附近合并、加強，形成54.6 mm/h的強降雨。同時，地面東北風加強使MβCS后部冷的入流加強，促使新的對流云團生成。

參考文獻

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[10]壽紹文.中尺度氣象學[M].北京：氣象出版社，2003.

〔編輯：白潔〕

3.2.2.3 再生和消亡階段

2013-07-04T03：00（圖14e）D云團減弱消亡，MβCS云團長軸發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，中心值TBB開始升高，其后側E云團冷云蓋面積不斷擴大。2013-07-04T05：00（圖14f）MβCS減弱消亡，E云團發(fā)展為橢圓形，中心TBB值<-52 ℃，影響陽城、絳縣雨強，發(fā)生>15 mm/h的強降雨。2013-07-04T07：00，E云團減弱移出山西，山西降水強度減弱。

影響山西南部出現(xiàn)大暴雨天氣的為中尺度對流系統(tǒng)（MβCS），由4個中尺度對流云團B，C，D，E組成，并在濕區(qū)梯度鋒上發(fā)展、合并、再生。2013-07-03T23：00初生，2013-07-04T01：00—2013-07-04T03：00成熟，成熟持續(xù)時間3 h，水平尺度為300 km，TBB≤-52 ℃的冷云蓋面積為45 000 km2，≤-32 ℃的冷云蓋面積為180 000 km2，2013-07-04T05：00，對流云團E生成，2013-07-04T07：00減弱。MβCS從生成到減弱維持9 h。由于受4個對流云團的影響，大暴雨中心呈現(xiàn)2峰和3鋒，小時雨強大，強降雨發(fā)生在TBB低值中心并呈現(xiàn)明顯的陣性。

4 小結

山西南部大暴雨發(fā)生在兩槽一脊、副高穩(wěn)定、200 hPa反氣旋的大環(huán)流背景下，超低空急流為大暴雨發(fā)生提供了充沛水汽，偏南分支增強了低層氣旋式輻合，東北冷渦后部干冷空氣侵入在山西南部形成濕區(qū)梯度鋒，為暴雨發(fā)生提供了動力條件。大暴雨發(fā)生時，大氣層結條件不穩(wěn)定，低層正渦度、高層負渦度有利于天氣系統(tǒng)的加強，高空輻散的抽吸有利于強降雨的產(chǎn)生，大暴雨發(fā)生前對流有效位能增大、中層水汽輻合增強，大暴雨發(fā)生在濕區(qū)梯度鋒上。

大暴雨是由午后熱對流形成的暴雨云團和水平尺度為200～300 km的MβCS造成的。暴雨云團由午后地形抬升作用引發(fā)，雷達回波上為多個對流單體沿王屋山南端迎風坡東移合并加強；衛(wèi)星云圖上呈帶狀，水平尺度為100 km，冷云蓋中心TBB值為-40 ℃，<-32 ℃的冷云蓋面積為5 000 km2。MβCS在衛(wèi)星云圖上由4個中尺度對流云團組成，是由高空槽東移觸發(fā)的對流系統(tǒng)，成熟期發(fā)展為橢圓形，持續(xù)時間3 h，長軸沿順時針方向傾斜，TBB水平尺度為300 km，<-52 ℃的冷云蓋面積為45 000 km2，<-32 ℃的冷云蓋面積為180 000 km2，接近MCC。強降雨發(fā)生在TBB低值中心。

地面中尺度渦旋是大暴雨發(fā)生的直接影響系統(tǒng)，地面中尺度渦旋產(chǎn)生使地面冷空氣增強，東北風加大，在中條山北端的迎風坡上，較大暴雨發(fā)生提前3 h。地面中尺度渦旋產(chǎn)生的強烈上升氣流是MβCS的主要觸發(fā)機制，在地面中尺度渦旋作用下，對流云團在其中心附近合并、加強，形成54.6 mm/h的強降雨。同時，地面東北風加強使MβCS后部冷的入流加強，促使新的對流云團生成。

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[10]壽紹文.中尺度氣象學[M].北京：氣象出版社，2003.

〔編輯：白潔〕

3.2.2.3 再生和消亡階段

2013-07-04T03：00（圖14e）D云團減弱消亡，MβCS云團長軸發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，中心值TBB開始升高，其后側E云團冷云蓋面積不斷擴大。2013-07-04T05：00（圖14f）MβCS減弱消亡，E云團發(fā)展為橢圓形，中心TBB值<-52 ℃，影響陽城、絳縣雨強，發(fā)生>15 mm/h的強降雨。2013-07-04T07：00，E云團減弱移出山西，山西降水強度減弱。

影響山西南部出現(xiàn)大暴雨天氣的為中尺度對流系統(tǒng)（MβCS），由4個中尺度對流云團B，C，D，E組成，并在濕區(qū)梯度鋒上發(fā)展、合并、再生。2013-07-03T23：00初生，2013-07-04T01：00—2013-07-04T03：00成熟，成熟持續(xù)時間3 h，水平尺度為300 km，TBB≤-52 ℃的冷云蓋面積為45 000 km2，≤-32 ℃的冷云蓋面積為180 000 km2，2013-07-04T05：00，對流云團E生成，2013-07-04T07：00減弱。MβCS從生成到減弱維持9 h。由于受4個對流云團的影響，大暴雨中心呈現(xiàn)2峰和3鋒，小時雨強大，強降雨發(fā)生在TBB低值中心并呈現(xiàn)明顯的陣性。

4 小結

山西南部大暴雨發(fā)生在兩槽一脊、副高穩(wěn)定、200 hPa反氣旋的大環(huán)流背景下，超低空急流為大暴雨發(fā)生提供了充沛水汽，偏南分支增強了低層氣旋式輻合，東北冷渦后部干冷空氣侵入在山西南部形成濕區(qū)梯度鋒，為暴雨發(fā)生提供了動力條件。大暴雨發(fā)生時，大氣層結條件不穩(wěn)定，低層正渦度、高層負渦度有利于天氣系統(tǒng)的加強，高空輻散的抽吸有利于強降雨的產(chǎn)生，大暴雨發(fā)生前對流有效位能增大、中層水汽輻合增強，大暴雨發(fā)生在濕區(qū)梯度鋒上。

大暴雨是由午后熱對流形成的暴雨云團和水平尺度為200～300 km的MβCS造成的。暴雨云團由午后地形抬升作用引發(fā)，雷達回波上為多個對流單體沿王屋山南端迎風坡東移合并加強；衛(wèi)星云圖上呈帶狀，水平尺度為100 km，冷云蓋中心TBB值為-40 ℃，<-32 ℃的冷云蓋面積為5 000 km2。MβCS在衛(wèi)星云圖上由4個中尺度對流云團組成，是由高空槽東移觸發(fā)的對流系統(tǒng)，成熟期發(fā)展為橢圓形，持續(xù)時間3 h，長軸沿順時針方向傾斜，TBB水平尺度為300 km，<-52 ℃的冷云蓋面積為45 000 km2，<-32 ℃的冷云蓋面積為180 000 km2，接近MCC。強降雨發(fā)生在TBB低值中心。

地面中尺度渦旋是大暴雨發(fā)生的直接影響系統(tǒng)，地面中尺度渦旋產(chǎn)生使地面冷空氣增強，東北風加大，在中條山北端的迎風坡上，較大暴雨發(fā)生提前3 h。地面中尺度渦旋產(chǎn)生的強烈上升氣流是MβCS的主要觸發(fā)機制，在地面中尺度渦旋作用下，對流云團在其中心附近合并、加強，形成54.6 mm/h的強降雨。同時，地面東北風加強使MβCS后部冷的入流加強，促使新的對流云團生成。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕