趙強(qiáng)，彭力，李文耀，李靜睿，歐陽(yáng)雨

(1.陜西省氣象臺(tái)，西安 710014；2.秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室災(zāi)害性天氣研究與應(yīng)用中心，西安 710016；3.陜西省銅川市氣象局，銅川 727031；4.陜西省安康市氣象局，安康 725000)

引 言

陜西是西北地區(qū)暴雨最多發(fā)地區(qū)，暴雨往往引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害、局部滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害(張弘等，2011；馬曉華等，2019)。以往針對(duì)陜西暴雨研究表明，中低層急流是暴雨水汽輸送的最大貢獻(xiàn)者和低層輻合的主要?jiǎng)恿?lái)源(趙強(qiáng)等，2017b)；在對(duì)流穩(wěn)定大氣條件下，暖濕空氣沿著冷鋒后部的冷墊爬升，鋒面附近形成垂直次級(jí)環(huán)流，增強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生大范圍的強(qiáng)降水(慕建利等，2014；趙強(qiáng)等，2017b；劉慧敏等，2021)；不穩(wěn)定大氣條件下，冷鋒強(qiáng)迫抬升作用使得低層氣塊上升到自由對(duì)流高度，釋放不穩(wěn)定能量，產(chǎn)生對(duì)流性強(qiáng)降水(王楠等，2018；趙強(qiáng)等，2020，2021，2022)；此外，秦嶺山脈迎風(fēng)坡的強(qiáng)迫抬升作用和地形云物理“播撒-供給”效應(yīng)有助于陜西中南部暴雨的發(fā)生和加強(qiáng)(畢寶貴等，2006；趙強(qiáng)等，2017a)。

陜西暴雨大多發(fā)生在相對(duì)多雨時(shí)段里，具有階段性和集中期的特點(diǎn)，4—5月出現(xiàn)區(qū)域性的暴雨一般范圍較小，頻次較低，平均8 a左右出現(xiàn)一次區(qū)域性暴雨，4月份的區(qū)域性暴雨更為少見(jiàn)，主要位于陜西南部地區(qū)(杜繼穩(wěn)等，2010)。相較于我國(guó)中東部地區(qū)春季暴雨過(guò)程主要環(huán)流形勢(shì)是副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)和西風(fēng)槽的共同作用(童金等，2016；張熙等，2016)，陜西春季暴雨的主要環(huán)流形勢(shì)是南北雙槽型，即高原槽與北支西風(fēng)槽的合并加深以及冷暖空氣的交匯造成的(屈麗瑋等，2016)，低層?xùn)|路冷空氣也是暴雨的重要影響系統(tǒng)(郭莉等，2016)。對(duì)陜西春季與夏季暴雨過(guò)程的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，水汽含量、能量條件以及上升運(yùn)動(dòng)春季暴雨較夏季明顯偏弱，但降水系統(tǒng)維持較長(zhǎng)的時(shí)間是造成區(qū)域性暴雨天氣的主要原因(郭大梅等，2014)。此外，陜西前汛期的暴雨除了關(guān)注西風(fēng)槽系統(tǒng)的輻合外，還應(yīng)關(guān)注低緯系統(tǒng)水汽輸送的影響，低緯熱帶低壓外圍的偏南水汽輸送為暴雨的重要水汽來(lái)源(侯建忠等，2009)。

2021年4月23—24日陜西東南部出現(xiàn)了區(qū)域性暴雨、局地大暴雨過(guò)程，綜合暴雨范圍及強(qiáng)度該過(guò)程被評(píng)定為陜西4月有氣象記錄以來(lái)最強(qiáng)的降雨過(guò)程，多站降雨量超過(guò)4月份日降雨量極值。強(qiáng)降雨造成安康、商洛、秦嶺山區(qū)多地出現(xiàn)塌方及道路損毀情況，安康嵐皋雙河鎮(zhèn)、石門鎮(zhèn)出現(xiàn)泥石流。由于強(qiáng)降雨范圍廣，共有9條河流10站出現(xiàn)洪峰11次，其中金錢河出現(xiàn)超警戒洪峰，旬河安康段、漢江白河段出現(xiàn)洪水。因陜西春季強(qiáng)降雨出現(xiàn)頻次較低，以往針對(duì)陜西春季強(qiáng)降雨的研究較少，因此有必要對(duì)陜西4月這次最強(qiáng)暴雨過(guò)程的成因及極端性進(jìn)行分析，以期為陜西春季暴雨的預(yù)報(bào)預(yù)警提供有益的線索和依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料說(shuō)明

所用資料包括:2021年4月23—24日歐洲中心ERA5再分析資料(空間分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率3 h)；陜西及周邊區(qū)域逐小時(shí)自動(dòng)站氣象資料，氣象要素包括氣壓、溫度、露點(diǎn)、風(fēng)向、風(fēng)速和小時(shí)降雨量；2021年4月23日08時(shí)、20時(shí)安康探空站資料；氣候資料使用歐中心ERA5再分析資料(空間分辨率0.25°×0.25°)，包括1991—2020共30 a的4月23日多年日平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

1.2 研究方法

采用天氣診斷分析方法對(duì)暴雨過(guò)程中的水汽條件、熱力條件及動(dòng)力條件進(jìn)行分析，利用鋒生函數(shù)對(duì)暴雨過(guò)程中的鋒生情況進(jìn)行診斷，并對(duì)鋒生各項(xiàng)的貢獻(xiàn)進(jìn)行分析。此次降水過(guò)程中空氣接近飽和，垂直運(yùn)動(dòng)可以近似看成濕絕熱，以假相當(dāng)位溫(θse)計(jì)算F(鋒生函數(shù))，降雨過(guò)程不考慮非絕熱變化，鋒生函數(shù)F可分解為三項(xiàng)(朱乾根，2007)，分別為：F1(垂直運(yùn)動(dòng)傾斜項(xiàng))，F(xiàn)2(水平輻散項(xiàng))，F(xiàn)3(水平變形項(xiàng)，分為切變變形項(xiàng)和伸縮變形項(xiàng))。F>0表示鋒生，F(xiàn)<0表示鋒消。

式(1)中D為輻合輻散，計(jì)算公式為

式(5)中Esh、Est為切變變形項(xiàng)，計(jì)算公式分別為

2 過(guò)程概況及環(huán)流形勢(shì)

2.1 過(guò)程概況

2021年4月23日08時(shí)—24日08時(shí)(北京時(shí)，下同)陜西東南部出現(xiàn)了區(qū)域性暴雨、局地大暴雨天氣，從陜西加密自動(dòng)氣象站24 h累積降雨量分布圖(圖1a)可見(jiàn)，暴雨區(qū)主要位于陜西東南部的商洛、安康、漢中，雨帶呈東北-西南向分布，陜西全省共375站出現(xiàn)暴雨，4站出現(xiàn)大暴雨，最大累積降雨量在山陽(yáng)十里鋪街道，達(dá)116.9 mm。漢中南部鎮(zhèn)巴星子山林場(chǎng)站逐小時(shí)降雨量變化圖(圖1b)來(lái)看，降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，一天內(nèi)持續(xù)有降雨產(chǎn)生，較強(qiáng)雨強(qiáng)出現(xiàn)在23日上午及24日凌晨，最大小時(shí)降雨量為12.7 mm，由于降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，累計(jì)降雨量達(dá)106.6 mm，此次過(guò)程雨強(qiáng)較夏季暴雨過(guò)程的雨強(qiáng)偏小，但降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成大范圍的暴雨天氣。依據(jù)中國(guó)氣象局關(guān)于區(qū)域性暴雨過(guò)程監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)方法，以一次暴雨天氣過(guò)程中的平均強(qiáng)度、平均范圍和持續(xù)時(shí)間確定其綜合強(qiáng)度指數(shù)(式(9))，該暴雨過(guò)程的綜合強(qiáng)度為陜西省4月歷史上最強(qiáng)的一次，共有18個(gè)國(guó)家觀測(cè)站24 h累積降雨量突破了1961年有觀測(cè)記錄以來(lái)4月份日降雨量歷史極值。

圖1 2021年4月23日08時(shí)—24日08時(shí)陜西24小時(shí)累積降雨量(a,圓圈表示站點(diǎn)降雨量大于100 mm,三角形代表降雨量超過(guò)1961年以來(lái)4月日降雨量極值)以及鎮(zhèn)巴星子山林場(chǎng)逐小時(shí)降雨演變(b)(單位:mm)Fig.1(a)24 h accumulated precipitation(The circle indicates that the station precipitation is greater than 100 mm,and the triangle indicates that the precipitation exceeds the extreme value of the April daily precipitation since 1961)and(b)hourly precipitation evolution of Zhenba Xingzishan Forest Farm from 08∶00 BT 23 to 08∶00 BT 24 April 2021(unit:mm).

式(9)—(11)中，Z為區(qū)域性暴雨過(guò)程綜合強(qiáng)度指數(shù)，Ia為區(qū)域性暴雨過(guò)程的平均強(qiáng)度，Sm,t表示第m站第t天降雨量，T為區(qū)域性暴雨過(guò)程持續(xù)時(shí)間，Aa為區(qū)域性暴雨過(guò)程的平均范圍，Mt表示第t天區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)暴雨站數(shù)。

2.2 暴雨過(guò)程環(huán)流形勢(shì)

23日08—20時(shí)，500 hBa上新疆北部、東北地區(qū)冷渦加深，河套附近高壓脊持續(xù)加強(qiáng)，副高加強(qiáng)并西伸，副高與高原低槽之間的氣壓梯度加大，使得高原槽東移加深，槽前風(fēng)速增大(圖略)。23日20時(shí)(圖2a)，陜西南部上空的西南風(fēng)增大到14~16 m·s-1，槽前西南氣流帶來(lái)正渦度平流促使低層系統(tǒng)發(fā)展增強(qiáng)，槽前西南氣流與河套高壓脊后部東南氣流在甘肅東部-陜西中北部一帶形成東西向切變線。23日08時(shí)(圖略)，低渦前部的切變線位于陜西中部，陜西南部上空為南風(fēng)風(fēng)速輻合區(qū)。23日20時(shí)(圖2b)，高原槽東移加深，700 hBa低渦前部切變線南壓至陜西南部，切變線附近的輻合強(qiáng)度達(dá)到(-100~-80)×10-6·s-1。23日夜間(圖略)，切變線穩(wěn)定維持，切變線附近強(qiáng)的輻合抬升配合急流附近風(fēng)速輻合，陜西南部形成強(qiáng)的動(dòng)力抬升區(qū)。23日20時(shí)850 hBa(圖2c)，西南低渦位于盆地東北部，其前部偏南急流風(fēng)增加到12~14 m·s-1，河南至陜西南部的偏東風(fēng)增加至16~18 m·s-1，位于東南風(fēng)急流前側(cè)的商洛、安康、漢中為風(fēng)速輻合區(qū)，陜西南部上空的輻合強(qiáng)度達(dá)到(-80~-60)×10-6·S-1，同時(shí)華北到陜西東部有東北氣流帶來(lái)冷空氣輸送，陜西南部低層溫度不斷降低，溫度露點(diǎn)差達(dá)到0℃，空氣接近飽和。23日白天到夜間，中層西南暖濕氣流沿著850 hBa以下的冷空氣爬升，冷暖空氣在陜西南部強(qiáng)烈交匯，配合中高層較強(qiáng)的輻合抬升，陜西南部出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣。24日08時(shí)(圖略)，500 hBa高壓脊移至河北北部，陜西南部受高原槽影響，西南風(fēng)減小至6 m·s-1，700 hBa偏南風(fēng)急流消失，低層輻合減弱，降雨強(qiáng)度減小。22日20時(shí)—23日20時(shí)(圖2d)地面天氣圖上，伴隨高原槽加深東移，四川盆地至河套低壓倒槽不斷北伸發(fā)展，23日夜間，東北地區(qū)到渤海的冷空氣以偏東路徑經(jīng)華北侵入陜西東部，與四川盆地低壓前的暖濕空氣在陜西南部交匯，23日20時(shí)，冷暖空氣在陜西南部對(duì)峙，形成了明顯的鞍形場(chǎng)形勢(shì)，這種形勢(shì)有利于低層大氣的鋒生，對(duì)陜西南部強(qiáng)降雨起到加強(qiáng)和維持作用。

圖2 2021年4月23日20時(shí)500 hPa(a,黑色等值線為等高線,單位:dagpm;紅色虛線為等溫線,單位:℃)、700 hPa(b)、850 hPa(c)高空形勢(shì)場(chǎng)(紅色等值線為大于12 m·s-1的等風(fēng)速線;填色為散度,單位:10-6 s-1)以及地面形勢(shì)場(chǎng)(d,黑色等值線為等壓線,單位:hPa;紅色虛線為等溫線,單位:℃;黑色粗斜線為后文中剖面位置)Fig.2 Upper air circulation at(a)500 hPa(Black contour is contour line,unit:dagpm,red dashed line is the isotherm,unit:℃),(b)700 hPa(The red contour is the is wind line greater than 12 m·s-1,and the color is the divergence,unit:10-6 s-1)and(c)850 hPa(same as 700 hPa),and(d)surface circulation situation in 20∶00 BT 23 April 2021(The black contour is the isobar,unit:hPa,the red dashed line is the isotherm,unit:℃,and the thick black diagonal line is the position of the section in the following text).

由2021年4月23日08時(shí)安康探空?qǐng)D(圖3a)可以看出，安康上空大氣濕層深厚，500 hBa以下大氣達(dá)到飽和狀態(tài)，750—500 hBa為西南風(fēng)氣流，低層偏東風(fēng)帶來(lái)冷空氣，750 hBa附近存在鋒面逆溫，850—700 hBa的假相當(dāng)位溫(θse)隨高度增加，700—500 hBa的θse隨高度減小，表明低層為穩(wěn)定層結(jié)，中層存在位勢(shì)不穩(wěn)定；23日08—20時(shí)，陜西南部低層偏東風(fēng)氣流、中層偏南風(fēng)氣流持續(xù)加大，低層溫度不斷降低(圖略)。地面天氣圖上，冷暖空氣在陜西南部交匯對(duì)峙(圖2d)。23日20時(shí)安康探空?qǐng)D上(圖3b)，850—700 hBa鋒面逆溫相比較23日08時(shí)更加明顯，低層穩(wěn)定層結(jié)持續(xù)維持，在穩(wěn)定大氣層結(jié)條件下，中層南風(fēng)氣流在低層冷空氣上爬升，配合低渦切變線造成的輻合抬升，陜南出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣。

圖3 2021年4月23日08時(shí)(a)和23日20時(shí)(b)安康探空站T-ln p圖Fig.3 The T-ln p diagram at Ankang station at(a)08∶00 BT and(b)20∶00 BT on the 23rd April 2021.

3 水汽條件和熱力條件分析

3.1 水汽條件分析

降雨過(guò)程中500 hBa高原槽東移加深，低層西南低渦發(fā)展加強(qiáng)，低渦前部偏南風(fēng)急流持續(xù)增大，23日白天到夜間陜西中南部上空維持著強(qiáng)的水汽輸送和水汽輻合(圖略)。地面到500 hBa的整層水汽通量圖上(圖略)，23日白天到夜間，陜西南部維持著兩支水汽輸送帶，一支來(lái)源于北部灣，經(jīng)云貴高原輸送至陜西南部的西南氣流；另一支源于臺(tái)風(fēng)外圍的水汽，由東海經(jīng)華北、河南輸送至陜西南部的偏東氣流。23日14時(shí)850 hBa水汽通量在四川到陜西南部有強(qiáng)西南風(fēng)輸送，中心值達(dá)15 g·s-1·cm-1·hBa-1，同時(shí)華北到陜西有偏東風(fēng)水汽輸送值并有風(fēng)速輻合，700 hBa上偏南氣流帶來(lái)的水汽輸送達(dá)到18 g·s-1·cm-1·hBa-1。伴隨著強(qiáng)的水汽輸送，22日20時(shí)—23日20時(shí)，安康站700 hBa比濕從5 g·kg-1增加至9 g·kg-1。23日20時(shí)850 hBa偏東風(fēng)不斷增大，偏東氣流帶來(lái)的水汽輸送不斷增加，陜西南部上空的偏東風(fēng)水汽輸送增大到12 g·s-1·cm-1·hBa-1，輻合強(qiáng)度達(dá)(-10~-8)×10-7g·s-1·cm-2·hBa-1。伴隨著低渦東移，700 hBa切變線南移，23日20時(shí)700 hBa上陜西南部上空的水汽輻合中心增大到-10×10-7g·s-1·cm-2·hBa-1。23日夜間，陜西南部上空偏東風(fēng)和偏南氣流的水汽輸送帶維持且伴有明顯的水汽輻合中心，降水區(qū)上空低層長(zhǎng)時(shí)間的水汽輸送和強(qiáng)水汽輻合為暴雨提供了有利水汽條件。

3.2 熱力條件分析

由溫度平流和θse的高度剖面圖(圖4及后文剖面圖均沿圖2d中黑色粗斜線位置制作)可以看出，23日14時(shí)(圖4a)，陜西南部上空850—700 hBa為偏南風(fēng)帶來(lái)的暖濕氣流輸送，暖平流中心位于800 hBa附近，中心強(qiáng)度達(dá)到(30~40)×10-5K·s-1，近地面層為偏東風(fēng)造成的弱冷平流。23日20時(shí)(圖4b)，四川低渦前部偏南風(fēng)暖平流輸送加強(qiáng)，陜西南部存在兩支暖平流輸送，一支由800—700 hBa附近的偏南風(fēng)急流帶來(lái)，中心值達(dá)到50×10-5K·s-1，另一支由850 hBa附近東南風(fēng)帶來(lái)弱的暖平流輸送。同時(shí)，800 hBa到近地面東路冷平流增強(qiáng)，中心值增大到-50×10-5K·s-1，24日02(圖4c)，800—700 hBa持續(xù)為偏南風(fēng)急流造成的暖平流輸送增強(qiáng)，中心值增大到50×10-5K·s-1，低層冷平流進(jìn)一步增強(qiáng)，24日08時(shí)(圖4d)，中層暖平流有所減弱，低層冷平流維持，從θse等值線分布看(圖4c，d)漢中、安康南部850 hBa附近θse等值線較為密集，商洛南部700 hBa附近θse等值線較為密集，θse等值線較為密集的地區(qū)分別對(duì)應(yīng)著陜南低層強(qiáng)鋒生區(qū)。

圖4 2021年4月23日14時(shí)(a)、23日20時(shí)(b)、24日02時(shí)(c)、24日08時(shí)(d)假相當(dāng)位溫(黑色等值線,單位:K)、溫度平流(填色,單位:10-5 K·s-1)和風(fēng)場(chǎng)垂直剖面圖(其中(108°E、32.5°N)對(duì)應(yīng)鎮(zhèn)巴，(110°E、33.5°N)對(duì)應(yīng)山陽(yáng),灰色陰影為地形,下同)Fig.4 The vertical cross section of pseudo-equivalent potential temperature(black contour,unit:K)and temperature advection(shaded,unit:10-5 K·s-1)and wind field at(a)14∶00 BT on 23rd,(b)20∶00 BT on 23rd,(c)02∶00 BT on 24rd,(d)08∶00 BT on 24rd April 2021,where(32.5°N,108°E)corresponds to Zhenba and(33.5°N,110°E)corresponds to Shanyang,the gray shade is the terrain,the same hereafter).

4 暴雨過(guò)程的鋒生分析

降雨過(guò)程中，地面天氣圖為東高西低形勢(shì)，有鞍形場(chǎng)的存在，23日白天到夜間冷暖空氣在陜西南部對(duì)峙(圖2d)，容易造成鋒生。鋒生函數(shù)能夠定量的分析鋒面附近具體氣象要素及垂直運(yùn)動(dòng)變化，廣泛應(yīng)用于大氣要素不連續(xù)界面的診斷研究(Ninomiya，2000；段旭等，2019)。下面利用鋒生函數(shù)、風(fēng)壓場(chǎng)變化，進(jìn)一步分析此次降雨過(guò)程中鋒生對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)的影響以及低層鋒區(qū)移動(dòng)與強(qiáng)降雨位置變化的關(guān)系。

利用θse等值線和鋒生函數(shù)圖對(duì)850 hBa和700 hBa的鋒生進(jìn)行分析(圖略)發(fā)現(xiàn)，23日14時(shí)700 hBa漢中、安康南部出現(xiàn)了明顯鋒區(qū)，鋒區(qū)前部為上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，23日20時(shí)隨著700 hBa偏南風(fēng)急流向北推進(jìn)，陜西南部鋒區(qū)北抬至商洛上空，鋒區(qū)附近維持著強(qiáng)的上升氣流，四川盆地至陜南偏南急流帶來(lái)的水汽輸送使四川東北部到陜西南部θse高達(dá)340 K，850 hBa上河南至陜西南部為偏東路冷空氣，θse冷中心為315 K，四川盆地為340 K的暖中心，θse等值線密集區(qū)位于漢中、安康南部，鋒生函數(shù)F中心值達(dá)到120×10-10K·m-1·s-1。分析發(fā)現(xiàn)，漢中、安康鋒區(qū)主要出現(xiàn)低層850 hBa，而商洛鋒區(qū)出現(xiàn)在700 hBa，24日02時(shí)，商洛上空的鋒區(qū)南移至漢中、安康，對(duì)應(yīng)夜間的強(qiáng)降雨也南移。

下面通過(guò)鋒生函數(shù)、垂直環(huán)流的剖面以及對(duì)鋒生各分項(xiàng)進(jìn)一步分析鋒生的垂直結(jié)構(gòu)。23日14時(shí)(圖5a)θse等值線來(lái)看，鋒區(qū)位于陜西南部，隨著高度向北側(cè)傾斜，漢中、安康上空最強(qiáng)鋒生位于850 hBa附近，強(qiáng)度達(dá)(100~120)×10-10K·m-1·s-1，商洛的鋒生區(qū)高度更高，在800 hBa附近，鋒生強(qiáng)度更弱。從垂直環(huán)流特征看(圖5a流線)，在低層強(qiáng)鋒區(qū)附近冷空氣一側(cè)，近地面為弱下沉氣流，而暖空氣一側(cè)，850 hBa之上從低層到高層存在一支傾斜的上升氣流，最大上升運(yùn)動(dòng)中心位于500 hBa附近，中心值達(dá)到-1.6 Ba·s-1，強(qiáng)上升中心對(duì)應(yīng)漢中南部強(qiáng)降水，小時(shí)降雨量達(dá)12.7 mm。23日20時(shí)(圖5b)，中層偏南急流向北推進(jìn)，低層偏東風(fēng)加大，冷空氣加強(qiáng)，鋒區(qū)向北伸展至112°E、35°N附近，鋒區(qū)伸展厚度及強(qiáng)度都增強(qiáng)，漢中、安康上空鋒生函數(shù)增大到120×10-10K·m-1·s-1以上，鋒區(qū)高度在地面到800 hBa附近，而商洛附近鋒生函數(shù)增大至120×10-10K·m-1·s-1，鋒區(qū)高度在800—700 hBa，陜南上空傾斜上升氣流中的最大上升運(yùn)動(dòng)中心北移至商洛南部，中心強(qiáng)度增大到-2.4 Ba·s-1，對(duì)應(yīng)鋒生及垂直運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)商洛南部的小時(shí)降雨量從3.8 mm增大到了12.4 mm。24日02—08時(shí)(圖5c、d)，陜西南部上空700 hBa偏南風(fēng)減小，暖平流減弱，強(qiáng)鋒區(qū)南退至漢中、安康南部上空，強(qiáng)鋒區(qū)位于850 hBa附近，鋒生函數(shù)減小至(100~120)×10-10K·m-1·s-1，鋒區(qū)上空斜上升氣流中的最強(qiáng)上升中心向南移動(dòng)至漢中、安康南部上空，上升運(yùn)動(dòng)中心強(qiáng)度減小至-0.8~-1.0 Ba·s-1，在此期間，漢中南部的小時(shí)降雨量又一次增大到10 mm以上。分析鋒生函數(shù)、垂直環(huán)流的演變發(fā)現(xiàn)，低層鋒區(qū)的南北移動(dòng)造成強(qiáng)鋒區(qū)在陜西東南停滯少動(dòng)，鋒區(qū)次級(jí)垂直環(huán)流促進(jìn)了降雨區(qū)上空垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展，漢中、安康南部的強(qiáng)鋒生區(qū)主要在850 hBa附近，與850 hBa的冷空氣及切變線對(duì)應(yīng)，而商洛的強(qiáng)鋒生區(qū)高度在750 hBa附近，鋒區(qū)隨高度向北傾斜，鋒面北側(cè)的冷空氣厚度更厚，同時(shí)隨著700 hBa低空急流的北推，在中層形成強(qiáng)鋒區(qū)。

進(jìn)一步分析降雨過(guò)程中鋒生函數(shù)F中各項(xiàng)(F1、F2、F3)對(duì)鋒生變化影響。由垂直運(yùn)動(dòng)造成的傾斜項(xiàng)F1，在低層鋒區(qū)附近值均較小(F1值為20×10-10K·m-1·s-1)，在大氣層結(jié)穩(wěn)定的區(qū)域暖氣團(tuán)上升或冷氣團(tuán)下沉?xí)r對(duì)應(yīng)為鋒消區(qū)。23日14時(shí)，低層鋒區(qū)暖空氣一側(cè)傾斜上升氣流中最大上升運(yùn)動(dòng)中心附近出現(xiàn)較強(qiáng)的鋒消現(xiàn)象(圖6a)；23日20時(shí)，商洛南部500 hBa最大上升運(yùn)動(dòng)中心附近，以及漢中、安康南部低層上升運(yùn)動(dòng)中心附近均出現(xiàn)了鋒消(圖6b)；24日02時(shí)—08時(shí)(圖6c、d)，由垂直運(yùn)動(dòng)造成的傾斜項(xiàng)F1在漢中、安康南部上空造成了明顯的鋒消。

圖6 2021年4月23日14時(shí)(a)、23日20時(shí)(b)、24日02時(shí)(c)、24日08時(shí)(d)垂直傾斜項(xiàng)鋒生F1(填色,單位:10-10 K·m-1·s-1)、假相當(dāng)位溫θse(黑色等值線,單位:K)、風(fēng)場(chǎng)、垂直速度(綠色等值線,單位:Pa·s-1)垂直剖面圖Fig.6 The vertical section of vertical tilt term of frontogenesis function F1(shaded,unit:K·m-1·s-1),pseudo-equivalent potential temperatureθse(black contour,unit:K),wind field,and vertical velocity(green contour,unit:Pa·s-1)at(a)14∶00 BT on 23rd,(b)20∶00 BT on 23rd,(c)02∶00 BT on 24rd,(d)08∶00 BT on 24rd April 2021.

水平輻散項(xiàng)F2代表了θse梯度與散度共同作用造成的鋒生，當(dāng)θse線越密集、輻合越強(qiáng)時(shí)，對(duì)應(yīng)鋒生值越大。由圖7可知，水平輻散項(xiàng)F2造成的強(qiáng)鋒生區(qū)位于θse線較為密集的區(qū)域，且在低層鋒生處值較大，冷暖氣團(tuán)輻合最強(qiáng)的地區(qū)水平輻散項(xiàng)F2達(dá)到(100~120)×10-10K·m-1·s-1。23日14時(shí)(圖7a)，陜西南部上空以風(fēng)速輻合為主，水平輻散項(xiàng)F2造成漢中、安康南部上空的鋒生達(dá)(60~80)×10-10K·m-1·s-1；23日20時(shí)(圖7b)，陜西南部低層偏東風(fēng)急流加強(qiáng)，700 hBa切變線南壓至商洛，850 hBa上漢中、安康南部上空強(qiáng)輻合中心造成漢中、安康南部低層(100~120)×10-10K·m-1·s-1的強(qiáng)鋒生，700 hBa上商洛南部切變線輻合區(qū)造成了(20~40)×10-10·m-1·s-1鋒生；24日02時(shí)，700 hBa切變線南移消失；24日02—08時(shí)(圖7c、d)，漢中、安康南部低層的強(qiáng)鋒生由850 hBa偏東氣流風(fēng)速輻合造成。比較而言，漢中、安康的F2鋒生高度更低，主要與850 hBa的切變線輻合對(duì)應(yīng)，而鋒面北側(cè)冷空氣厚度較厚，強(qiáng)鋒生區(qū)對(duì)應(yīng)800—700 hBa的風(fēng)場(chǎng)輻合。

圖7 2021年4月23日14時(shí)(a)、23日20時(shí)(b)、24日02時(shí)(c)、24日08時(shí)(d)水平輻散項(xiàng)鋒生F2(填色,單位:10-10 K·m-1·s-1)、假相當(dāng)位溫θse(黑色等值線,單位:K)、散度(綠色等值線,單位:10-6 s-1)、風(fēng)場(chǎng)垂直剖面Fig.7 The vertical section of horizontal divergence term of frontogenesis function F2(shaded,unit:10-10 K·m-1·s-1),and pseudo-equivalent potential temperatureθse(black contour,unit:K),divergence(green contour,unit:10-6 s-1)at(a)14∶00 BT on 23rd,(b)20∶00 BT on 23rd,(c)02∶00 BT on 24rd,(d)08∶00 BT on 24rd April 2021.

對(duì)水平變形項(xiàng)導(dǎo)致的鋒生進(jìn)行分析，水平變形項(xiàng)F3導(dǎo)致的鋒生在漢中、安康南部的850 hBa附近具有較大值。23日14—20時(shí)(圖8a、b)水平變形場(chǎng)的模看到鋒面的傾斜結(jié)構(gòu)，鋒面南側(cè)的漢中、安康地區(qū)變形場(chǎng)強(qiáng)度在低層最大，達(dá)到(12~14)×10-5s-1，而鋒面北側(cè)的商洛變形場(chǎng)強(qiáng)度最大在700 hBa附近，對(duì)應(yīng)的水平變形項(xiàng)導(dǎo)致的鋒生F3在漢中、安康南部14時(shí)為(60~80)×10-10K·m-1·s-1，20時(shí)增大到(100~120)×10-10K·m-1·s-1，商洛南部鋒生強(qiáng)度由(20~40)×10-10K·m-1·s-1增大到20時(shí)的(60~80)×10-10K·m-1·s-1。切變變形和伸縮變形項(xiàng)分析表明，陜西南部水平變形項(xiàng)F3導(dǎo)致的鋒生主要以伸縮變形作用為主(圖8c、d)，24日02—08時(shí)，水平變形項(xiàng)F3導(dǎo)致的低層鋒生強(qiáng)度減小至(40~60)×10-10K·m-1·s-1(圖略)，低層鋒生由切變變形和伸縮變形項(xiàng)共同作用導(dǎo)致，正的鋒生主要由伸縮變性項(xiàng)貢獻(xiàn)。

圖8 2021年4月23日14時(shí)(a)、23日20時(shí)(b)水平變形項(xiàng)鋒生F3(填色,單位:10-10 K·m-1·s-1,綠色等值線為變形場(chǎng)的模,單位:10-5s)、假相當(dāng)位溫θse(黑色等值線,單位:K)和風(fēng)場(chǎng)垂直剖面;23日14時(shí)(c)、23日20時(shí)(d)切變變形項(xiàng)鋒生(紅色等值線)和伸縮變形項(xiàng)鋒生(藍(lán)色等值線,填色為總變性項(xiàng)鋒生)垂直剖面Fig.8 The vertical section of horizontal deformation term of frontogenesis function F3(shaded,unit:10-10 K·m-1·s-1,the green contour is themodulus of the deformation field,unit:10-5 s),pseudo-equivalent potential temperatureθse(black contour,unit:K),wind field at(a)14∶00 BT on 23rd，(b)20∶00 BT on 23rd,and of shear deformation term of frontogenesis(red contour)and the expansion deformation term of frontogenesis(blue contour)at(c)14∶00 BT on 23rd,(d)20∶00 BT on 23rd April 2021.

以上分析表明，強(qiáng)鋒區(qū)附近垂直環(huán)流促進(jìn)了降雨區(qū)上空垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展增強(qiáng)，鋒區(qū)有明顯的傾斜結(jié)構(gòu)，隨著高度向北傾斜，低層鋒區(qū)的南北移動(dòng)造成鋒區(qū)附近垂直環(huán)流的南北移動(dòng)，對(duì)降雨起到增幅作用。商洛南部的鋒區(qū)位于700 hBa附近，漢中、安康南部的鋒區(qū)位于850 hBa附近，陜西南部的鋒生主要由水平輻散項(xiàng)F2、水平變形項(xiàng)F3共同作用產(chǎn)生。23日白天，水平變形項(xiàng)F3導(dǎo)致的鋒生主要以伸縮變形作用為主，23日夜間，水平變形項(xiàng)F3導(dǎo)致的鋒生由切變變形和伸縮變形項(xiàng)共同作用。

5 強(qiáng)降水極端性分析

本次陜南強(qiáng)降雨過(guò)程中有多站日降雨量超過(guò)4月份日降雨量極值，下面利用標(biāo)準(zhǔn)化異常(SD)(Junker et al.，2008)對(duì)該過(guò)程的環(huán)流形勢(shì)與歷史同期的異常度做進(jìn)一步診斷。

其中，F(xiàn)為某一變量在一個(gè)時(shí)刻的值；M為該變量歷史同期平均值，σ為變量的歷史同期的氣候標(biāo)準(zhǔn)差，歷史同期取1991—2020年4月23日的多年平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。SD揭示了某一變量偏離氣候態(tài)的程度，常用σ的倍數(shù)表示，SD值越大，表示偏離氣候態(tài)的程度越強(qiáng)，一般當(dāng)要素值偏離氣候標(biāo)準(zhǔn)差3倍以上時(shí)，預(yù)示小概率的極端事件發(fā)生概率高(Junker et al.，2008；楊舒楠和端義宏，2020；田付友等，2021)。

分析2021年4月23日暴雨過(guò)程中日平均850 hBa、700 hBa的風(fēng)場(chǎng)、水汽通量以及500 hBa垂直速度的標(biāo)準(zhǔn)化異常(SD)，探討暴雨過(guò)程水汽輸送及垂直運(yùn)動(dòng)等環(huán)境條件的極端性。700水汽通量(圖9a)在四川盆地東部到陜西南部達(dá)10~15 g·s-1·cm-1·hBa-1，相對(duì)于30 a氣候態(tài)偏大3~4σ，700 hBa風(fēng)場(chǎng)上云南經(jīng)四川到陜西偏南風(fēng)SD達(dá)3σ(圖9c)，說(shuō)明700 hBa偏南風(fēng)較氣候態(tài)異常偏強(qiáng)，造成異常的水汽通量輸送。850 hBa水汽通量(圖9b)SD有兩個(gè)異常帶，一個(gè)是從北部灣經(jīng)貴州、四川到陜南的偏南風(fēng)的異常水汽輸送；一個(gè)是臺(tái)風(fēng)外圍經(jīng)東海、華北到陜西東部的偏東風(fēng)水汽輸送，四川東部到陜南的水汽通量SD達(dá)3~4σ，華北平原到陜西東部的水汽通量SD達(dá)2~3σ，850 hBa風(fēng)場(chǎng)從東海經(jīng)華北到陜西偏西風(fēng)SD達(dá)-3σ(圖9d)，說(shuō)明偏東風(fēng)異常偏強(qiáng)，其帶來(lái)的臺(tái)風(fēng)外圍的水汽輸送和700 hBa偏南風(fēng)異常強(qiáng)的水汽輸送為暴雨提供了充足的水汽供應(yīng)。由于異常偏強(qiáng)的水汽輸送，造成春季水汽含量少的西北地區(qū)的整層水汽含量異常偏高(圖9e)，陜西南部整層水汽含量達(dá)35~40 mm，SD達(dá)2~3σ。500 hBa垂直速度在陜南暴雨區(qū)達(dá)-0.9 Ba·s-1，SD達(dá)-3σ(圖9f)，說(shuō)明上升運(yùn)動(dòng)異常偏強(qiáng)。以上分析表明，700 hBa異常偏南風(fēng)水汽輸送，850 hBa異常偏強(qiáng)的偏南風(fēng)及偏東風(fēng)水汽輸送，造成陜西整層水汽含量異常偏大，同時(shí)由于中層大氣的切變線加上鋒生造成的垂直次級(jí)環(huán)流，使得陜南南部上升運(yùn)動(dòng)較氣候態(tài)異常偏強(qiáng)，造成本次4月份陜西最強(qiáng)的暴雨過(guò)程。

圖9 2021年4月23日700 hPa(a)、850 hPa(b)平均水汽通量,700 hPa(c)、850 hPa(d)風(fēng)場(chǎng),整層水汽含量(e),500 hPa垂直速度(f)的S D(陰影)分布圖(等值線為23日平均對(duì)應(yīng)物理量值,700 hPa風(fēng)場(chǎng)S D為v分量計(jì)算,850 hPa風(fēng)場(chǎng)S D為u分量計(jì)算)Fig.9 S D distribution(shaded)of average water vapor flux at(a)700 hPa,(b)850 hPa),wind field at(c)700 hPa,(d)850 hPa),(e)total water vapor content and(f)500 hPa vertical velocity on 23 April 2021(Contour is the daily average corresponding physical quantity value,700 hPa wind field S D is calculated by v component,850 hPa wind field S D is calculated by u component).

6 結(jié)論與討論

本文對(duì)2021年4月23日陜西東南部4月份極端暴雨過(guò)程進(jìn)行了診斷分析，通過(guò)鋒生各項(xiàng)的診斷分析了變形場(chǎng)鋒生中各項(xiàng)的具體作用，并利用標(biāo)準(zhǔn)化異常(SD)診斷了暴雨極端性的成因，得出主要結(jié)論如下：

(1)500 hBa高原槽東移，槽前強(qiáng)西南氣流帶來(lái)的正渦度平流有利于低層大氣低渦的發(fā)展和維持，700 hBa偏南風(fēng)急流和切變線以及850 hBa的偏東風(fēng)急流和風(fēng)向風(fēng)速的輻合造成水汽在陜南東部強(qiáng)烈的輻合抬升，同時(shí)地面的鞍形場(chǎng)有利于低層大氣的鋒生，增強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，暖濕氣流沿著東路冷墊爬升，形成暴雨天氣。

(2)暴雨過(guò)程水汽輸送強(qiáng)，有兩支強(qiáng)水汽輸送帶，一個(gè)是在700 hBa和850 hBa都存在偏南風(fēng)水汽輸送帶，另外一個(gè)是熱帶氣旋外圍從東海經(jīng)華北到陜西東部的偏東風(fēng)水汽輸送帶，持續(xù)充沛的水汽供應(yīng)使得強(qiáng)降水維持較長(zhǎng)時(shí)間。

(3)中低層大氣存在明顯鋒區(qū)，鋒區(qū)由南向北呈傾斜結(jié)構(gòu)，鋒面南側(cè)的強(qiáng)鋒生區(qū)高度更低，而鋒面北側(cè)冷空氣厚度更厚，強(qiáng)鋒生區(qū)位于800—700 hBa，分項(xiàng)分析發(fā)現(xiàn)鋒生主要由輻合項(xiàng)和水平變形項(xiàng)貢獻(xiàn)，其中水平變性項(xiàng)主要由伸縮變性項(xiàng)為主。

(4)700 hBa、850 hBa超過(guò)3σ的異常偏強(qiáng)偏南風(fēng)水汽輸送以及850 hBa超過(guò)3σ異常偏強(qiáng)的偏東風(fēng)水汽輸送，造成陜西整層水汽含量異常偏大，同時(shí)由于中層大氣的切變線加上鋒生造成的垂直次級(jí)環(huán)流，使得陜西東南部上升運(yùn)動(dòng)較氣候態(tài)異常偏強(qiáng)3σ，造成4月份陜西極端暴雨過(guò)程。

陜西位于西北地區(qū)東部，春季水汽條件一般較差，而該降水過(guò)程暴雨范圍大、強(qiáng)度強(qiáng)，這與兩支氣流的持續(xù)強(qiáng)水汽輸送和輻合有關(guān)，特別是熱帶氣旋外圍偏東風(fēng)的水汽輸送在暴雨水汽輸送中的作用需要進(jìn)一步定量分析。