2017, 28 (3): 340-356
暴雨的发生与高低空环流形势合理配置关系密切[1-2]，特别是高低空急流耦合形成的垂直次级环流加强了降雨区的上升运动，是暴雨发生的重要原因[3-6]。朱乾根等[4]通过对1998年发生于武汉附近的一次强暴雨过程分析发现，边界层南风急流、低空西风急流和高空西风急流上下的耦合作用是强暴雨发生的重要原因。张维桓等[7]对一次大暴雨过程中伴随的高低空急流的次级环流进行诊断表明，急流和暴雨之间通过次级环流存在正反馈相互作用。廖移山等[8]对襄樊特大暴雨的诊断分析认为，高空急流及其右侧辐散区的维持有利于低层的上升运动和暴雨的持续。王瑾等[9]对2007年济南“7·18”大暴雨过程的成因进行分析，指出大暴雨发生在大气层结不稳定和高低空急流耦合的有利大尺度环流背景下，低空强劲的西南急流直抵黄河下游一带，不仅与南下的冷空气形成强烈辐合，还将大量水汽和能量输送到该地区，使降水加强。全美兰等[10]通过分析高空急流在北京2012年7月21日暴雨中的动力作用，得出北京“7·21”暴雨的发生与西来的高空急流东移至北京上空有关，高空急流及其散度场与高空急流相伴随的次级环流对“7·21”暴雨的发生起重要的动力作用。
低空急流对水汽和能量的输送改变了大气的湿度、热力条件，高低空急流的耦合也对大气的热力、动力条件有很大改变，而对流涡度矢量和湿热力平流能够综合反映大气的热力及动力条件，能够有效反映中尺度对流系统的发展演变，在对江淮梅雨区暴雨天气过程[11]、四川暴雨过程[12-13]、华北地区及北京暴雨过程[14-15]的分析和预报中的研究表明，对流涡度矢量和湿热力平流参数与暴雨落区有较好的对应关系。
陕西北部地处黄土高原，全年降水量分布不均，降水主要集中在夏季，由于陕北地形地貌主要为黄土丘陵沟壑区，植被差，遇暴雨水土流失严重，暴雨往往引发山洪、滑坡和泥石流等次生灾害，造成严重的人员伤亡和财产损失。2013年和2014年连续两年7月陕北地区出现了区域性暴雨过程，大暴雨造成陕北地区城市内涝，并诱发滑坡、泥石流等地质灾害，对人民生命及财产等造成严重灾害。本文利用常规气象观测资料、NCEP FNL分析资料 (水平分辨率为1°×1°，时间分辨率为6 h)，对这两次暴雨过程中的高低空急流的演变特征、动力特征、高低空急流耦合的垂直运动特征进行诊断分析，并探讨暴雨过程中潜热释放对大气热力场及锋生的影响，利用表征风场、温度场和水汽场相互作用的湿热力平流参数及广义对流涡度矢量对两次暴雨过程进行诊断，探讨大暴雨成因，为陕北地区的急流暴雨天气预报预警提供参考。
1 暴雨概况受东移的高原槽和高低空急流等天气系统的共同影响, 2013年7月21日20:00-22日20:00(北京时，下同) 陕西西部的汉中、陕北南部到关中北部出现暴雨天气过程 (以下简称“0721”过程，图 1a)，暴雨主要集中在陕北南部的延安及关中北部的铜川，共21个站出现暴雨，5个站大暴雨且均发生在延安地区，为历史少见，其中，富县24 h降水量达151.9 mm，创1966年以来日降水量极值，延长为115.7 mm，宜川为110.5 mm，洛川为107.5 mm，甘泉为108.9 mm，最大小时雨量达40 mm。此次暴雨过程强度大、影响范围广、持续时间较长，致使前期降水偏多的延安出现城市内涝，并诱发严重滑坡和泥石流等地质灾害，滑坡塌方达5.92×105 m3，水毁公路路面81.1 km、公路路基223.6 km，桥涵受损238处，直接经济损失达18.9亿元。
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| 图1 陕西日降水量分布图 (单位：mm) (a)2013年7月21日20：00-22日20:00，(b)2014年7月8日20：00-9日20:00 Fig.1 The accumulated precipitation of Shaanxi (unit:mm) (a) from 2000 BT 21 Jul to 2000 BT 22 Jul in 2013, (b) from 2000 BT 8 Jul to 2000 BT 9 Jul in 2014 | |
2014年7月8-9日陕西北部出现大范围暴雨天气过程 (以下简称“0708”过程，图 1b)，影响范围波及15个县区，为2014年入汛以来陕北出现的范围最大、逐小时雨强最大、受灾最严重的一次重大灾害性天气过程。2014年7月8日20：00-9日20：00，陕北共12个站出现暴雨，榆林地区清涧最大，达到98.5 mm。两次暴雨过程主要落区均在陕北，降水范围大，损失严重。
2 暴雨天气形势演变特征2013年7月21日08：00 500 hPa高空图 (图略) 显示，亚洲中高纬度地区上空呈纬向环流形势，多短波槽活动；在巴尔喀什湖附近地区、贝加尔湖到我国东北地区西部为两个宽广的低槽区，中西伯利亚到新疆及东西伯利亚到我国东北地区东部是两个弱高压脊区，高原槽位于青海东部。在中低纬度西太平洋副热带高压 (简称副高) 呈带状分布在我国江南、华南及其以东洋面上，其脊线在25°N、西脊点在100°E附近，位置偏东偏南。21日20:00副高明显西伸北抬加强 (图略)，高原槽向东移动，槽前至副高西侧的西南气流明显加强并控制陕中南地区。22日08:00贝加尔湖低槽中分裂一短波槽东南移并与高原槽同位向相叠置，在河套至四川一带形成经向度约16个纬度的长波槽 (图 2a)，伴随长波槽逼近副高，其间气压梯度显著加大，副高西北侧的西南气流风速加大到12~16 m·s-1，并向北推进至陕北；700 hPa (图 2c) 副高西侧从云贵高原、四川盆地东部到陕中北的西南气流风速也达到12~16 m·s-1(低空急流)，这支暖湿气流将低纬度海洋上的水汽、能量和动量源源不断地输向暴雨区。至此，长波槽所携带的冷空气与副高西北侧的暖湿气流在陕西西部和中北部一带交汇，引发此次暴雨和大暴雨天气过程。由图 2c还可以看出，22日08：00陕西上空700 hPa建立了一低涡切变线，陕北南部的延安位于低涡暖切变线附近，这里是水汽辐合、动力和热力条件最佳地区，有利于强降水发生和发展。该地区700 hPa的正涡度中心值达到10×10-5~15×10-5s-1，揭示了暴雨区上空有很强的垂直上升运动。在暴雨发生期间地面维持东高西低的形势 (图略)，河西地区有低压发展伸向陕西北部，而华北到陕北为高压，东路冷空气作为冷垫，有利于增强大气的斜压不稳定，冷暖空气在陕北交汇，形成暴雨天气。
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| 图2 2013年7月22日08：00(a)、2014年7月8日20：00(b)500 hPa高度场 (等值线，单位：dagpm)、风场及2013年7月22日08：00(c)、2014年7月8日20：00(d)700 hPa高度场 (等值线，单位：dagpm)、风场、涡度场 (阴影) Fig.2 500 hPa height (the contour, unit:dagpm), wind at 0800 BT 22 Jul 2013(a) and 2000 BT 8 Jul 2014(b) with 700 hPa height (the contour, unit:dagpm), wind, vorticity (the shaded) at 0800 BT 22 Jul 2013(c), 2000 BT 8 Jul 2014(d) | |
2014年7月8日08:00 500 hPa (图略) 副热带高压584 dagpm线北边界在延安附近，陕西受西南气流控制，副高外围云贵高原-陕西存在西南风水汽输送通道，中高纬度贝加尔湖以东维持一低压系统，低压中心在内蒙古东部，贝加尔湖到新疆为一横槽，其底部的西北气流向陕北地区输送冷平流，青藏高原上短波槽位于河西地区。20：00(图 2b) 副高584 dagpm线南退至延安以南地区，台风浣熊 (1408) 北上到浙江东部海域，青藏高原上的短波槽东移到宁夏西部-青海东部，贝加尔湖-新疆的横槽略有南压，横槽带来的冷空气与副高外围的暖湿气流交汇于陕北地区，高原低值系统的东移为陕北地区提供了上升运动，有利于陕北地区产生强降水，台风浣熊 (1408) 北上加大了副高和台风之间的气压梯度力，有利于低层偏东急流的加强，低层偏东风也为此次暴雨过程提供了水汽。9日08：00 584 dagpm线继续南撤 (图略)，贝加尔湖以西有弱脊发展，位于东北地区的冷性低压系统逐渐东移，20：00贝加尔湖以西的弱脊发展加强，受脊前西北气流影响，陕北降水逐渐减弱，天气转好。2014年7月8日08：00 700 hPa (图略) 副高外围云贵高原-四川-陕西有偏南风发展，向陕西输送水汽和能量，高原低涡位于宁夏-甘肃东部，20：00(图 2d) 从云贵高原北上的西南风推进到延安，风速维持在4~8 m·s-1，另有一支偏东气流从华东地区向西到达山西西部，同时高原低涡在500 hPa西南风的引导下东移北抬，低涡附近有“人”字形切变线存在，陕北受偏南风和偏东风的暖湿横切变控制，水汽在切变线附近辐合抬升，造成陕北地区的强降水。9日08：00(图略) 高原低涡继续东移，相应切变线也东移到延安东部；20：00高原低涡、切变线东移出陕北地区，降水结束。此次暴雨过程地面主要受西北路冷锋影响，河套北部为高压，华北-陕西关中地区为低压，冷锋从河套北部东移南压，影响陕北地区，暖湿空气沿着锋面及锋后冷空气抬升，给陕北带来区域性的强降水天气。
对比两次过程，暴雨前陕北位于副高外围暖湿气流中，高原槽东移带来冷空气与副高外围暖湿气流结合形成有利的环流条件，副高西北侧形成西南气流，提供了丰沛的水汽、热能和动能，同时两次过程700 hPa在陕北都有低涡切变维持，造成水汽在陕北地区的辐合抬升，形成暴雨。两次过程的不同之处在于“0721”过程中贝加尔湖地区为低槽，其与高原槽叠加，槽加深，而“0708”过程中贝加尔湖地区为横槽，引导地面冷锋东移南下给陕北带来暴雨天气，两次过程地面均有冷空气的参与，其中“0721”过程为东路冷空气影响，而“0708”过程为西北路的冷空气影响，锋面更为显著。
3 高低空急流对暴雨的作用 3.1 高低空急流演变特征高空和低空急流与暴雨关系密切[16-17]，高空急流是指对流层上部风速不低于30 m·s-1的强风速带，急流轴在三维空间中呈准水平，多数轴线呈东西走向，而低空急流是位于600~900 hPa的水平动量集中的气流带，风速不低于12 m·s-1，一般为西南风急流，其两侧有较强的风速水平切变[18]。2013年7月21日08:00 200 hPa (图略)40°N附近有一支高空急流，最大风速中心在河套西部，风速达50 m·s-1，21日20:00 200 hPa高空西风急流东移 (图 3a)，急流中心东移到河套北部到华北地区，超过40 m·s-1的急流中心位于陕东北到晋北，陕北位于高空急流入口区右侧，为正涡度平流及辐散区，高空辐散有利于低层上升运动的增强，暖空气上升，冷空气下沉，形成直接横向环流，广西、贵州到四川的700 hPa西南风开始加大，低空急流开始建立，22日02:00(图略)200 hPa的高空西风急流进一步东移，陕北上空风速达到35~40 m·s-1，陕北位于高空急流入口区的右侧，高空辐散有利于低层西南风的加强及上升运动的增强，在700 hPa上因北支两槽迭合加深、副高西伸增强，两者之间气压梯度变大，导致黔、渝一带西南风风速不低于12 m·s-1，形成低空急流，四川到陕西中南部的西南风速也加大至10 m·s-1左右。22日08:00(图 3b)200 hPa急流区有所东移，而陕北仍位于高空急流入口区的右侧，在中低层黔、渝至陕北的低空急流风速增强达12~16 m·s-1。延安位于高空急流入口区右侧及低空急流左前方，低空急流带来充足的水汽及能量，同时低空急流的左侧辐合抬升也是暴雨的动力来源，高空急流右侧的辐散增强了低层西南风及低层上升运动，高低空急流在延安上空的耦合是该地区产生大暴雨天气的重要原因。22日14：00(图略), 200 hPa上高空急流和中低层低空急流均东移并有所减弱，强暴雨亦随其东移到山西，强度也减弱。
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| 图3 高低空急流演变图 (风矢量、风向杆分别为200 hPa及700 hPa风场，等值线、阴影区分别为200 hPa及700 hPa风速，单位：m·s-1) (a)2013年7月21日20：00，(b)2013年7月22日08：00，(c)2014年7月9日02：00，(d)2014年7月9日08：00 Fig.3 The evolution of upper level and low level jet (the wind vector and the wind direction denote wind at 200 hPa and 700 hPa, the contour and the shaded denote wind speed at 200 hPa and 700 hPa, unit:m·s-1) (a)2000 BT 21 Jul 2013, (b)0800 BT 22 Jul 2013, (c)0200 BT 9 Jul 2014, (d)0800 BT 9 Jul 2014 | |
2014年7月8日08:00 200 hPa (图略)37°~48°N维持强的西风急流，最大风速中心位于河套以北的45°N附近，风速达60 m·s-1，8日20:00高空西风急流北抬至38°N以北，同时急流中心继续维持，9日02:00(图 3c) 位于河套北部45°N附近的的急流中心继续维持，陕北位于高空西风急流南侧的辐散区，有利于低层上升运动的增强，云贵高原到陕北的700 hPa低空西南风开始加大，延安站的西南风达到10~12 m·s-1，9日08:00(图 3d)200 hPa高空西风急流继续稳定维持，河套以北的急流中心风速达到50~55 m·s-1，陕北位于高空急流南侧，高空辐散有利于低层西南风的加强及上升运动的增强，700 hPa上由于副高西与高原槽结合导致气压梯度变大，云贵高原到陕北的西南风风速增大至8~10 m·s-1，在四川东北部及陕北地区风速达到12 m·s-1，陕北位于高空急流南侧及低空西南大风速带的左前方，低空西南大风速带给陕北提供了充足的水汽供应及能量输送，同时低空切变线的辐合抬升也是暴雨的动力来源。9日20：00(图略) 200 hPa高空急流和中低层低空急流均东移并有所减弱，陕北的强降水也随之减弱。
分析两次降水过程中的高低空急流演变特征发现，“0721”过程中200 hPa的高空西风急流在南北方向上变化不大，急流中心维持在40°N附近，在降水增强阶段南压约1个纬距，而急流中心在东西方向上为明显东移的过程，在降水开始前急流中心位于河套西部，之后逐渐东移，在强降水阶段，急流中心东移至华北地区，延安地区位于入口区的右侧辐散区。700 hPa上低空急流的出现时间与强降水出现时间基本一致，对比低空急流位置与降水落区 (图 1a) 可以发现，暴雨出现在低空急流西侧的水汽辐合区，位于急流西侧的陕北南部、关中西部及陕南西部均出现了暴雨天气，低空急流为暴雨区输送了水汽和能量，同时其西侧的切变线带来的水汽辐合是暴雨的直接原因，延安地区在高低空急流耦合作用下，出现了大暴雨的天气。“0708”过程中200 hPa的高空西风急流在暴雨发生前位置南压在陕北地区，在降水增强阶段急流位置北抬，急流中心强度大，位置偏北，陕北一直位于急流南侧的辐散区，低空西南风增强的过程也是降水强度增大的过程，区域性暴雨出现在高空急流南侧及低空西南大风速带的西北侧的辐合区。比较而言，“0721”过程中低空西南风较“0708”过程偏强，同时高空急流的位置更偏南，有利于高低空急流的耦合增强，因此，“0721”过程降水量也更大。
3.2 高低空急流的动力作用“0721”过程暴雨发生前的2013年7月21日20:00，200 hPa急流中心已东移 (图略)，陕北位于急流入口区的右侧辐散区，对应的散度场在陕北有4×10-5s-1的辐散中心，700 hPa的低空急流及切变线位置偏西，在散度场上甘肃东部有辐合中心，由水汽通量及其散度 (图略) 看，水汽输送和水汽辐合也主要位于甘肃东部，水汽辐合的强度也较小，中心强度为-4×10-7~-2×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1，22日02:00 200 hPa急流进一步东移，处于急流右侧的陕北在高层为强辐散中心，散度达4×10-5~12×10-5s-1(图略)，延安地区位于高空辐散大值区中，同时在700 hPa随着低空急流的向北发展，贵州、四川到陕西中部水汽输送明显增强，在延安南部水汽通量达15~20 g·cm-1·hPa-1·s-1, 为暴雨产生提供了充足的水汽条件，延安位于低空急流西北侧的辐合中心，辐合强度达-10×10-5~-8×10-5s-1，高空强辐散和低空强辐合区在延安地区叠加，有利于上升运动的增强，同时水汽通量散度在延安达到-10×10-7~-8×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1，表明低空急流带来的充沛水汽在延安地区辐合并抬升产生强降雨，22日02:00-08:00延安地区出现暴雨，6 h降水量延安为58 mm，延长为75 mm，22日08:00低空急流继续发展，位置略有东移南压，在延安南部有15~20 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量输送 (图略)，在急流西侧有切变线东移，在延安南部及陕南西部有水汽辐合中心，中心值为-8×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1，从高低空的散度配置 (图 4a) 看，高空辐散和低空辐合叠加的区域主要有两个：一个位于延安地区，高空200 hPa存在8×10-5s-1的辐散中心，700 hPa存在-10×10-5~-8×10-5 s-1的辐合中心；另一个位于陕南西部，高空200 hPa存在10×10-5~12×10-5 s-1的辐散中心，700 hPa存在-10×10-5~-8×10-5 s-1的辐合中心，在延安和陕南西部有强水汽输送及水汽辐合，同时高空辐散及低空辐合在此叠加，因此，22日08:00-14:00延安和陕南西部出现了暴雨天气，洛川6 h降水量达73 mm。22日14:00低空急流东移，陕西中北部仍有15 g·cm-1·hPa-1·s-1水汽通量的输送 (图略)，但水汽辐合区东移至山西，陕西北部变为水汽辐散区，因此，陕西降水开始减弱，随着高空急流的东移，高层辐散区也随之东移至山西 (图略)，陕西的高层辐散减弱，低层变为辐散区或弱辐合区，降水减弱，因此，22日14:00-20:00陕西东部仅出现了小到中雨的天气。以上分析发现，此次暴雨过程与高低空急流的关系密切，低空急流为暴雨区提供了充足的水汽供应，同时其左侧的切变线提供了水汽的辐合抬升，高空急流右侧的辐散区叠加在低层的辐合区之上，加大了降水增幅，由降水量也可以看到，暴雨主要出现在低空急流左侧的陕南西部-关中西部-陕北南部一线，而大暴雨主要出现在低空急流左前侧与高空急流耦合的延安地区，水汽辐合在这里达到最强，同时高空辐散与低层辐合的叠加增大了低层的上升运动，是大暴雨产生的重要原因。
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| 图4 高低空散度图 (等值线为200 hPa散度，填色区为700 hPa散度, 单位：10-5 s-1) (a)2013年7月22日08:00，(b)2014年7月9日02:00 Fig.4 The evolution of upper level and low level divergence (the contour denotes divergence at 200 hPa, the shaded denotes divergence at 700 hPa, unit: 10-5 s-1) (a)0800 BT 22 Jul 2013, (b)0200 BT 9 Jul 2014 | |
“0708”过程发生前的200 hPa急流位置偏南，辐散区偏南，辐散大值区位于陕西关中地区，2014年7月8日14：00随着高空急流的北抬，辐散大值区也随之北抬，陕北到河套地区高空辐散值达2×10-5~4×10-5 s-1，但700 hPa的辐合区位于河套地区，位置偏北，陕北出现了对流性降水，9日02：00高空急流继续维持，陕北仍位于高空辐散大值区 (图 4b)，随着700 hPa低涡切变线的东移南压，辐合中心南压到陕北，中心值达到-4×10-5 s-1，700 hPa上水汽通量散度负值中心位于陕北地区 (图略)，中心值为-6×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1，表明水汽在陕北地区强烈辐合，造成了该地的暴雨天气，至9日08：00高空辐散中心向东移动，同时700 hPa切变线减弱东移，辐合中心也随之东移到山西，陕北的降水减弱停止。
分析表明：两次过程暴雨均出现在高空辐散与中低层辐合耦合的区域，暴雨与700 hPa水汽辐合中心相对应。对比两次过程的高低空辐合辐散情况发现，“0721”过程中无论是高空辐散强度还是中低层水汽辐合强度均强于“0708”过程，这也是“0721”过程暴雨强度更大的原因。
3.3 高低空急流耦合的垂直环流高低空急流的耦合可在耦合区域形成垂直次级环流[19-20]，有利于垂直运动的增强和维持，形成强降雨。2014年7月21日20：00低空急流位置偏南 (图略)，对应的低层的辐合在34°N以南地区，在延安地区低层为辐散下沉运动，中层有弱上升运动，22日02：00由于高空急流的东移及低空急流开始向陕北发展 (图略)，700 hPa上低涡切变线也东移影响陕北地区，中低层的强辐合抬升加之与高空急流右侧的辐散区相叠加，延安地区上升运动区增强，从底层至300 hPa附近均为上升运动区，强上升运动中心位于500 hPa附近，达-1.8 Pa·s-1，低空急流带来的水汽在陕北辐合抬升，造成暴雨天气，22日02：00-08：00延安站6 h降水量达58 mm。22日08：00由于高原槽和副高的相互作用，同时强降水造成的凝结潜热释放对低空急流的正反馈作用，低空急流达到最强，位置也北推到陕北地区，由沿垂直于低空急流的方向的剖面 (图 5a) 可以发现，垂直于低空急流的方向存在1个垂直次级环流，其上升支位于低空急流的左前方，下沉支位于低空急流的东南侧，延安正位于急流次级环流的上升运动区，低空急流强迫的次级环流加强了延安上空的垂直运动，有利于暴雨的持续和加强。高空急流为东西向，由沿着垂直于其方向的110°E的垂直环流剖面 (图略) 可以看到，垂直于高空急流的南北方向上存在垂直环流圈，其中上升支位于急流南侧的延安地区，下沉支位于急流北侧的河套地区。以上分析发现，22日08：00低空急流达到最强，位置向北推进，延安位于低空急流的左前侧，同时随着高空急流的东移，延安位于高空急流入口区的右侧，高低空急流的耦合达到最强，高空急流强迫产生的垂直次级环流为南北方向，低空急流强迫产生的垂直次级环流为东南-西北向，陕北地区正位于高低空急流耦合最强区域，上升运动达到最强，延安上空850 hPa到300 hPa为上升运动，最强垂直运动位于500 hPa，上升速度达-2.5 Pa·s-1，强垂直运动造成延安暴雨天气的维持和增强，22日08：00-14：00延安附近地区6 h降水量有9个站超过40 mm，黄陵最大，为73 mm。22日14：00 (图略)36°N附近的上升运动开始减弱，而其西侧及北侧的下沉运动开始增强，垂直环流圈减弱消失，冷空气南压，降水减弱。22日20：00随着低空急流的减弱东移 (图略)，高低空急流的耦合减弱，垂直环流消失，陕北地区转为下沉气流控制，降水结束。
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| 图5 垂直次级环流 (沿图 3b中斜线剖面, 阴影区为地形) (a)2013年7月22日08:00，(b)2014年7月9日02:00 Fig.5 The vertical circulation (profile along the oblique line in Fig.3b, the shaded denotes terrain) (a)0800 BT 22 Jul 2013, (b)0200 BT 9 Jul 2014 | |
2014年7月8日20：00由于高空急流的北抬及西南风的加强开始向陕北发展 (图略)，700 hPa低涡切变线也东移至河套地区，中低层的辐合抬升加之与高空急流右侧的辐散区相叠加，延安地区上升运动区增强，底层到300 hPa附近为上升运动区，强上升中心位于600 hPa附近，达-0.6 Pa·s-1，陕北降水开始增强，9日08：00由于西风槽和副高的相互作用，前期降水的凝结潜热对低空西南气流的正反馈作用，陕北延安的风速达12 m·s-1，由沿着垂直于低空急流的方向剖面 (图 5b) 可以发现，垂直于低空急流的方向存在一个垂直次级环流，其上升支位于低空急流的左前方，下沉支位于低空急流的东南侧，陕北位于急流次级环流的上升运动区，低空急流强迫的次级环流加强了陕北的垂直运动，有利于暴雨的持续和加强。9日20：00垂直次级环流圈减弱，陕北降水减弱。
分析两次暴雨过程的垂直环流情况可以发现，两次暴雨过程均出现了垂直与低空急流方向的西北侧上升、东南侧下沉的垂直次级环流圈，陕北均位于次级环流圈的上升支，增强了上升运动，比较两次过程的次级环流可以看到，“0721”过程的垂直次级环流的上升运动强中心在600 hPa附近，而“0708”过程上升运动强中心在700 hPa附近，这是因为“0708”过程低层的锋面较“0721”过程更强，由锋面触发的上升运动更强。
4 暴雨形成的热力动力诊断分析 4.1 大气热力特征及不稳定性由2013年7月21日20：00延安站的探空图 (图略) 可知，地面到700 hPa为饱和湿层，而700 hPa到500 hPa有干冷空气，这种上干冷、下暖湿的结构有利于延安上空产生对流不稳定，从同时次的相当位温垂直剖面 (图 6a) 也可以看到，地面到700 hPa从陕南到延安有大的相当位温带，中心值达到352 K，表明中低层的西南气流开始向北推进到延安南部，而在500 hPa延安以北地区有相当位温低值中心，中心值为328 K，即在中层500 hPa高原槽后有干冷空气向延安地区输送，中层干冷空气和低层的暖湿空气在延安地区交汇，延安上空中低层相当位温差达到12 K，该地区存在显著的对流不稳定，根据前文的分析，22日02：00 700 hPa低空急流开始发展，切变线也东移，其带来的辐合抬升触发不稳定能量，21日20：00-22日08：00在延安地区出现了暴雨，12 h降水量延安为78 mm，延长为76 mm，甘泉为85 mm，富县达110 mm。随着低空急流的发展及上升运动的增强，低层水汽向上输送，中层的干空气逐渐饱和，22日08：00延安从底层到高层处于饱和状况，湿度条件很好，华北到山西地面为高压控制，青藏高原东部到陕北为低压倒槽，延安位于高压后部，地面为回流东路冷空气，中层为高原槽前的西南气流，暖湿空气沿着低层冷垫爬升，有利于中低层的锋生，增大大气的斜压不稳定，维持强降水，由对应时次的相当位温剖面 (图 6b) 可以看到，36°N (延安) 以南为高相当位温区，中心值为348 K，延安以北中低层有低相当位温区，中心值为332 K，延安为高值相当位温区叠加在低层的低值相当位温区，表明中层的暖湿空气叠加在低层的冷空气上，对流不稳定减弱，而延安上空的850 hPa到700 hPa为等相当位温的密集区，有利于中低层的锋生，产生持续的上升运动，维持强降水。
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| 图6 相当位温沿110°E剖面 (单位：K)(阴影区为地形) (a)2013年7月21日20:00，(b)2013年7月22日08:00，(c)2014年7月8日08:00，(d)2014年7月8日20:00 Fig.6 The profile of the equivalent potential temperature along 110°E (unit:K)(the shaded denotes terrain) (a)2000 BT 21 Jul 2013, (b)0800 BT 22 Jul 2013, (c)0800 BT 8 Jul 2014, (d)2000 BT 8 Jul 2014 | |
延安站2014年7月8日08:00地面到700 hPa为湿层，700 hPa到500 hPa大气相对湿度较小，这种上干冷、下暖湿的结构有利于产生对流不稳定，由相当位温的垂直剖面 (图 6c) 可以看到，从陕南到延安地面到700 hPa有大的相当位温带，中心值达到348 K，表明中低层的西南气流开始向北推进到延安，而在500 hPa延安以北地区有相当位温低值中心，中心值为336 K，说明在中层有干冷空气向延安地区输送，中层干冷空气和低层的暖湿空气在延安交汇，延安上空存在对流不稳定，因此，延安在8日上午出现对流性天气，6 h降水量达32 mm，8日20:00中层大气的湿度显著增大，地面到400 hPa都为饱和湿层，延安上空整层大气达到饱和状态，由相当位温的垂直剖面 (图 6d) 可以看到，700 hPa到500 hPa有352 K大值相当位温中心从33°N以南向陕北地区输送水汽和能量，800 hPa以下河套地区向陕北有冷空气南压，陕北位于相当位温等值线密集带，表明冷锋正在陕北地区附近，锋面抬升中层暖湿气流，产生暴雨天气，9日20:00随着切变线和锋面东移，陕北降水减弱。
两次过程中前期低层湿度较大，中空有干冷空气，大气存在对流不稳定，前期出现了对流性短时强降水，之后随着中层西南急流的发展，中层大气增湿，整层大气饱和，低层冷空气南压，暖湿气流沿着低层冷空气爬升，产生强降水。
4.2 锋生场诊断分析Gao[21]提出了广义位温的概念，引入凝结潜热函数，在一定程度上体现了水汽效应，能更好地反映实际湿大气中的水汽湿度变化，用广义位温能更好地体现水汽及其相变的潜热释放特征对于强降水维持的作用，2013年7月21日20：00-22日08：00延安出现了强降水，凝结潜热释放明显，凝结潜热加热率的计算包括大尺度降水所引发的加热率和积云对流降水引发的加热率，本文大尺度凝结加热率采用饱和法计算，对流降水加热率采用郭晓岚提出的积云对流参数化方案[22-23]。
高低空急流交汇形成的次级环流的上升支与地面锋面垂直环流的上升支相重合，从而在地面锋前形成一深厚的上升运动空气层，能产生强烈的对流活动，而由急流次级环流上升支触发的对流，一旦发展，通过凝结潜热产生的非绝热加热和垂直动量输送等可使急流加强、引起非地转偏差[24]。对两次过程探空图及相当位温的垂直分布分析表明，降水前期存在较强的对流不稳定，之后有锋面东移南压影响，下面通过分析锋生情况分析暴雨成因。
由2013年7月22日08：00沿110°E的凝结潜热加热率的垂直剖面 (图 7a) 可以看到，延安上空有明显的凝结潜热加热，800 hPa到300 hPa存在凝结潜热加热，中心位于650 hPa附近，中心加热率达到0.8 J·kg-1·s-1，由于广义相当位温包含了凝结潜热的作用，因此，可以体现出潜热加热对于热力场分布特征的改变，由广义位温的垂直剖面 (图 7c) 可以看到，延安上空400 hPa到700 hPa有高值广义位温的向下伸展，呈漏斗状的分布，高值区与凝结潜热加热中心相对应，体现了凝结潜热释放的加热作用，在漏斗的两侧中低层有低值广义位温区，因此，漏斗区两侧有明显的广义位温的梯度，即在延安地区的中低层存在热力不连续面，大气湿斜压性显著，有利于锋生。利用王建捷等[25]的锋生函数公式计算锋生函数值分析暴雨过程中锋生情况，从22日08：00 700 hPa的锋生函数分布 (图略) 可以看到，在延安东南部有一高值锋生中心，达20×10-10 K·m-1·s-1, 由锋生函数沿110°E的垂直剖面 (图 7e) 可以看到，在延安地区上空中低层有显著的锋生，850 hPa到500 hPa均存在高空锋生区，最强锋生中心位于600~500 hPa，中心值达40×10-10 K·m-1·s-1，对应前面分析的相当位温场及广义相当位温场垂直剖面，锋生函数高值区与相当位温等值线密集区相对应，700 hPa低空急流的加强及中低层的冷暖空气对峙造成锋生，而低空急流及锋生作用增强了延安上空的垂直次级环流，形成强上升运动，22日08：00-14：00延安南部出现了暴雨天气，6 h降水量洛川为51 mm，富县为58 mm，宜川为50 mm，黄陵为73 mm。
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| 图7 2013年7月22日08:00(a)、2014年7月8日20:00(b) 凝结潜热加热率沿110°E垂直剖面 (单位：J·kg-1·s-1)、2013年7月22日08:00(c)、2014年7月8日20:00(d) 广义位温沿110°E垂直剖面 (单位：K)、2013年7月22日08:00(e)、2014年7月8日20:00(f) 锋生函数沿110°E垂直剖面 (单位：10-10 K·m-1·s-1)(阴影区为地形) Fig.7 The vertical profile of latent heat of condensation heating rate (unit: J·kg-1·s-1) at 0800 BT 22 Jul 2013(a), 2000 BT 8 Jul 2014(b), generalized potential temperature (unit:K) at 0800 BT 22 Jul 2013(c), 2000 BT 8 Jul 2014(d), and the profile of frontogenesis function along 110°E (unit:10-10 K·m-1·s-1) at 0800 BT 22 Jul 2013(e), 2000 BT 8 Jul 2014(f)(the shaded denotes terrain) | |
由2014年7月8日20：00沿110°E的凝结潜热加热率的垂直剖面 (图 7b) 可以看到，陕北上空有明显的凝结潜热加热，从800 hPa到300 hPa存在凝结潜热的加热，中心位于400 hPa附近，中心加热率达到0.25 J·kg-1·s-1。由广义位温的垂直剖面 (图 7d) 可以看到，延安上空500 hPa到700 hPa有高值广义位温的向下伸展，呈漏斗状的分布，高值区与凝结潜热加热中心相对应，在漏斗的两侧中低层有低值广义位温区，因此，漏斗区两侧有明显的广义位温梯度，在延安地区的中低层形成热力不连续面，大气的湿斜压性显著，有利于锋生。8日20：00 700 hPa的锋生函数分布 (图略) 显示，陕北有一高值锋生中心，数值达25×10-10 K·m-1·s-1, 由锋生函数沿110°E的垂直剖面 (图 7f) 可以看到，陕北上空中低层有显著的锋生，900 hPa到600 hPa为高空锋生区，800 hPa到700 hPa的锋生较强，值达到15×10-10~20×10-10 K·m-1·s-1，对应前文分析，锋生函数高值区与相当位温等值线密集区相对应，700 hPa低空西南气流的加强及中低层的冷暖空气对峙造成锋生，增大大气斜压性，产生强降水。
两次暴雨过程中，前期存在对流不稳定，产生了对流性降水，降水产生的凝结潜热释放，增大了中低层的西南急流，同时凝结潜热加热向下伸展，形成中低层陕北的热力不连续面，中低层湿斜压性显著增强，锋生显著，锋生造成的整层饱和大气的抬升造成了强降水的维持，最终产生大暴雨过程。
4.3 动力因子诊断分析Wu等[26]将位温平流的水平梯度与广义位温水平梯度的标量积定义为湿热力平流参数，其表达式为
Gao等[30-31]引入广义对流涡度矢量描述深对流系统的发生发展，等压坐标系下的垂直分量形式为
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(1) |
式 (1) 中，Cz*为对流涡度矢量垂直分量，u，v分别为等压坐标系中纬向、径向速度，ρ为大气密度。由于水汽主要集中在对流层中低层，为了更直观分析对流涡度矢量与降水落区的关系，对Cz*从850 hPa积分至500 hPa, 得到
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(2) |
高守亭[32]及一些学者研究[11-15]表明：对流涡度垂直分量与对流强度的极值分布对应较好，对深对流引发的暴雨落区预报有很好的指示意义。
由前面分析可知，在两次暴雨过程中高低空急流耦合，中层存在锋生及潜热释放造成的热力不稳定情况，大气存在热力和质量不连续的特性，而广义对流涡度矢量及湿热力平流参数能够综合反映风场、温度场及水汽场的相互作用，弥补其他物理量不能反映大气热力及水汽综合作用的问题，下面通过分析降水过程中这两个物理量的特征诊断暴雨成因。
由2013年7月22日02：00湿热力平流参数垂直积分分布 (图略) 可知，延安存在大值中心，中心值达40×10-9(K2·Pa)/(m2·s)，此时，700 hPa的低空急流开始发展，延安以南有高温、高湿的西南气流向北发展，同时延安处于冷暖空气的交汇区，存在较强的对流不稳定能量，湿热力平流参数在延安的高值区反映了冷暖空气的交绥程度，云水含量分布上在延安地区有3 kg·m-2的大值中心，云水含量大值区与湿热力平流参数大值区相叠加，这表明湿热力平流参数反映了热力平流的变化，与云微物理过程密切相关[33-34]，22日02：00-08：00延安出现了暴雨天气。随着低空急流的发展，水汽、能量的输送进一步增强，22日08：00沿着低空急流方向，存在西南-东北向的湿热力平流参数大值带 (图 8a)，其中在延安有40×10-9(K2·Pa)/(m2·s) 的大值中心，在陕南西部有20×10-9(K2·Pa)/(m2·s) 的大值中心，同时湿热力平流参数大值区与云水含量大值区相对应，湿热力平流的分析表明延安地区是冷暖空气交汇最强区域，大气湿斜压性很强，有利于低涡切变线的维持和发展，造成22日08：00-14：00延安南部、陕南西部的暴雨天气。
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| 图8 湿热力平流垂直积分分布 (等值线，单位：10-9(K2·Pa)/(m2·s))(阴影区为云水含量) (a)2013年7月22日08:00，(b)2014年7月9日08:00 Fig.8 The distribution of vertical integration of moist thermodynamic advection (the contour, unit:10-9(K2·Pa)/(m2·s))(the shaded denotes column cloud water) (a)0800 BT 22 Jul 2013, (b)0800 BT 9 Jul 2014 | |
由2014年7月9日02：00湿热力平流参数垂直积分分布 (图略) 可知，在陕北存在大值中心，中心值为2×10-9~4×10-9(K2·Pa)/(m2·s)，陕北以南有高温、高湿的西南气流向北发展，以北地区有冷空气南压，陕北处于冷暖空气的交汇区，湿热力平流参数在延安的高值区反映了冷暖空气的交绥程度，云水含量分布上在延安地区有2 kg·m-2的大值中心，云水含量大值区与湿热力平流参数大值区相叠加，9日08：00沿着低空急流方向，湿热力平流参数存在西南-东北向的大值带 (图 8b)，陕北位于4×10-9~6×10-9(K2·Pa)/(m2·s) 的大值中心，同时云水含量大值区也位于陕北地区，表明大气湿斜压性强，有利于低涡切变线的维持和发展，产生陕北的暴雨天气。
湿热力平流参数大值区与云水含量大值区及暴雨落区对应关系较好，由“0721”过程中沿暴雨中心110°E垂直积分的湿热力平流参数纬度-时间演变 (图略) 可以看到，2013年7月22日02：00，大值中心位于36°N附近，也就是在延安地区，中心值达到50×10-9(K2·Pa)/(m2·s), 而02：00-08：00强降水中心位于延安地区，22日08：00湿热力平流参数的大值区南压至35°N附近，位于延安南部，中心值为30×10-9(K2·Pa)/(m2·s)，而08：00-14：00强降水中心位于延安南部，伴随其大值区的南压，强降水落区也随之南压，而时间演变上，当湿热力平流参数在21日20：00增大时，降水开始增强，在其最强的22日02：00-08：00降水也达到最强，其变化趋势基本上与强降水过程相伴随，当湿热力平流垂直积分的大值中心出现6 h后，该大值区域将产生强降水，该参数对强降水落区预报有一定指示意义。由“0708”过程中湿热力平流参数纬度-时间演变 (图略) 发现，2014年7月8日20:00湿热力平流参数大值中心位于37°~38°N，此时锋面位于河套地区，冷暖空气的交汇偏北，9日02:00湿热力平流参数的大值区南压至陕北的36°~37°N之间，中心值达到4×10-9(K2·Pa)/(m2·s)，同时云水含量在陕北存在2 kg·m-2的大值中心，表明锋面南压到陕北地区，大气湿斜压性增强，随后9日02:00-08:00陕北出现强降水，6 h降水量9个站超过25 mm，延长最大，达40 mm。9日14:00后云水含量及湿热力平流参数在陕北地区都减弱消失，陕北降水随之减弱。
由2013年7月22日02：00广义对流涡度矢量垂直积分分布 (图略) 可知，在延安地区有Cz*的高值中心，值达12×10-4 K·s-1，延安也是云水含量的大值中心，中心水汽含量达到3 kg·m-2，Cz*的高值中心与云水含量的大值中心重合，云水含量高值区有利于云的发展，利于降水增大，22日02：00-08：00延安出现暴雨天气，暴雨出现在Cz*及云水含量的高值叠加中心区域及其北侧的梯度大值区。由22日08：00 Cz*与云水含量分布 (图 9a) 可知，Cz*高值中心东移到延安东部到山西地区，延安东南部Cz*值为14×10-4~18×10-4 K·s-1，同时在陕南西部也存在Cz*高值中心，中心值为8×10-4~10×10-4 K·s-1，云水含量与低空急流位置相对应，呈西南-东北向带状分布，在陕南西部及延安东南呈现大值中心，云含水量为2~2.5 kg·m-2，陕南西部的强降水出现在Cz*大值区和云水含量大值叠加区，而延安东部位于云水含量大值中心和Cz*西侧梯度大值区，延安东部水汽含量充足，有较大的对流涡度矢量，有利于湿对流发展，产生暴雨天气。
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| 图9 广义对流涡度矢量垂直积分分布 (等值线，单位：10-4 K·s-1)(阴影区为云水含量) (a)2013年7月22日08:00，(b)2014年7月9日08:00 Fig.9 The distribution of generalized convective vorticity vector (the contour, unit:10-4 K·s-1)(the shaded denotes column cloud water) (a)0800 BT 22 Jul 2013, (b)0800 BT 9 Jul 2014 | |
由2014年7月9日02:00广义对流涡度矢量垂直积分分布 (图略) 可知，陕北的Cz*值达10×10-4~15×10-4 K·s-1，为高值中心，同时陕北也是云水含量的大值中心，中心水汽含量达到2 kg·m-2，Cz*的高值中心与云水含量的大值中心重合，云水含量高值区有利于云的发展，利于降水增大，9日02：00-08：00也是陕北降水最强时段，由9日08：00 Cz*与云水含量分布 (图 9b) 可知，Cz*高值中心东移到陕北东南部，Cz*为20×10-4~25×10-4 K·s-1，云水含量大值区呈西南-东北向带状分布，陕北上空云含水量为2~2.5 kg·m-2，而陕北云水含量大值中心和Cz*西侧梯度大值区，水汽含量充足，有较大的对流涡度矢量，有利于湿对流的发展，产生了暴雨天气。
分析对流涡度矢量垂直积分时间演变与降水时段的对应关系，由Cz*的时间演变 (图略) 可知，2013年7月21日20：00 Cz*开始发展，22日02：00 Cz*的大值中心位于36°N，即延安北部，此时大降水中心也位于延安北部；22日08：00 Cz*的大值中心南压到35°N附近，即延安南部的富县一带，而随后暴雨中心南压至延安南部，云水含量也是在22日02：00延安北部最大, 为3 kg·m-2，22日14：00后云水含量和Cz*迅速减小，延安暴雨结束。
2014年7月8日20：00 Cz*开始发展，9日02：00 Cz*大值中心位于36°~37°N，云水含量大值中心与Cz*大值区相叠加，此时大降水中心也位于陕北，9日08：00 Cz*的大值中心南压至35°~36°N附近，而随后暴雨中心南压至陕北南部，9日14：00后云水含量和Cz*迅速减小，陕北的暴雨随之减弱。由以上分析发现, Cz*往往与云水含量大值区相对应，其异常增大及减小的时刻对应着降水的增大和减小。
对流涡度矢量的垂直分量主要由广义位温的水平梯度及垂直风切变表示，两次过程的前期西南气流开始加强，水汽输送开始增强，陕北位于高低空急流的耦合区，因此，该地的垂直风切变开始增大，中低层冷暖空气相互作用，同时降水的潜热释放增强了延安地区的热力不连续性，广义位温的水平梯度加大，有明显的锋生，而垂直风切变和锋生作用增大了大气的湿斜压性，形成垂直次级环流造成了暴雨天气，而广义对流涡度矢量很好地描述了高低空急流耦合作用造成了垂直风切变的增大以及中低层的水汽相变的凝结潜热释放增强的锋生作用，在空间和时间上其大值区及附近的梯度大值区与云水含量的大值区相对应，有利于深对流云发展及暴雨的产生，对暴雨预报有参考价值。
5 小结本文对黄土高原两次暴雨过程中的高低空急流的演变特征、热力动力特征、高低空急流耦合的垂直运动特征进行诊断分析，同时揭示了暴雨过程中的潜热释放对大气热力场及锋生的影响，并利用能够综合表征风场、温度场和水汽场的相互作用、能够指示锋面生消特性和大气的湿斜压性的湿热力平流参数及广义对流涡度矢量探讨了暴雨形成的机制，得到以下主要结论：
1) 两次暴雨过程与高低空急流关系密切，高原槽与副高结合形成的西南低空急流为暴雨区提供了充足的水汽供应，暴雨主要出现在低空急流左侧的水汽辐合区，呈带状分布，而大暴雨出现在高低空急流耦合最强的的延安地区，“0721”过程高原低槽更强，低空急流更强，陕北地区水汽辐合强度更大，因此，比“0708”过程强降雨范围更大，强度更强。“0721”过程为东路冷空气影响，“0708”过程为西北路冷锋影响，暖湿空气沿冷空气爬升产生暴雨。
2) 降水的初始阶段，大气存在较强的对流不稳定，中低层切变线触发了对流能量，产生强降水，而强降水释放的凝结潜热加热在暴雨区由中层大气向下伸展，形成了中低层大气的热力不连续面，大气湿斜压性显著增强，锋生显著，低空急流也得到进一步加强，同时锋生作用造成的整层饱和大气的抬升维持了强降水，最终产生了大暴雨过程。“0721”过程前期对流降水更强，降水的凝结潜热释放更大，由此反馈的低空急流更强，由于热力不连续形成的强锋生区在600 hPa附近，“0708”过程中地面冷空气更强，潜热释放更弱，强锋生区在700 hPa附近。
3) 暴雨出现在湿热力平流参数的垂直积分大值中心及南侧的高梯度区，且当大值中心出现6 h后，该区域将产生强降水，因此，该参数对强降水落区预报有一定指示意义。广义对流涡度矢量垂直分量大值区及附近的梯度大值区与强降水区相对应，其变化趋势能够反映出降水的发展和减弱。对比两次暴雨过程，“0721”过程的湿热力平流参数及广义对流涡度矢量的垂直积分的值及梯度更大，因此，该过程降水更强。
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