1 引言
暴雨带来降水的同时， 往往造成洪涝和各种次生灾害， 因此暴雨的机理分析和预报一直是气象工作者关注的重点（Doswell III et al， 1996； 任丽等， 2018； 许建玉， 2018； 宋雯雯等， 2018； 赵庆云等， 2018； 傅朝等， 2019； 朱平等， 2019； 常煜， 2019； 程晓龙等， 2019； 戴泽军等， 2019； 王华等， 2019； 张兰等， 2019； 裴坤宁等， 2019； 何光碧等， 2019； 高珩洲等， 2020； 刘金卿等， 2020； 张芳丽等， 2020）， 目前暴雨的机理研究大多是针对夏季暴雨， 但秋季也会出现致灾暴雨， 气象工作者对少量的个例进行了研究， 杨晓霞等（2006）对山东秋季暴雨进行分析， 认为暴雨前都有低空偏南风急流向暴雨区输送。刘勇等（2013）对陕西中南部一次秋季连阴雨中区域性暴雨分析表明持续强劲的东路冷空气和西南暖湿气流为区域性暴雨天气提供了有利的环流背景。刘勇等（2016）指出， 低层充沛的水汽条件、 较强的锋区和水汽辐合是秋季区域性暴雨产生的主要原因。郁淑华（2004）对一次华西秋季大暴雨进行分析指出暴雨区在对流层低层有较强的水汽辐合， 暴雨是在深厚的水汽层内且低层有较强水汽辐合中产生的。
以上秋季暴雨个例针对北方和西北地区， 都提出了水汽的重要性， 对陕西秋季暴雨预报有一定的参考价值， 但陕西地区秋季暴雨个例研究较少， 加上天气形势千变万化， 秋季暴雨预报准确率仍有待于进一步的提高。根据秋季暴雨的参考文献， 暴雨区上空700 hPa或以下有西南暖湿气流输送水汽， 秋季暴雨基本不会漏报， 如果情况不是这样会不会出现暴雨呢？2017年9月陕西一次秋季连阴雨过程的后期出现了大雨、 暴雨， 这次暴雨就是在其上空700 hPa及以下没有西南暖湿气流的输送， 看似水汽不足的情况下发生的。这种大雨、 暴雨天气， 如果前期没有降水， 不至于造成严重灾害， 但连阴雨前期有降水量的积累， 连阴雨后期如果还有大雨、 暴雨天气， 极易在山区引发滑坡、 山洪和泥石流等次生灾害。因此准确预报连阴雨天气结束前的暴雨天气， 对于防灾减灾具有重要的意义， 秋季暴雨的发生机理仍需要进一步的深入研究。
2 降水实况和预报情况
2017年9月23-27日陕西中南部发生一次连阴雨天气过程， 西安、 咸阳、 渭南、 汉中、 安康、 商洛等6市25个县（区）37.7万人受灾， 7人死亡， 3人失踪， 直接经济损失16.4亿元。其中26日20:00（北京时， 下同）至27日20:00关中地区、 陕南部分地区出现大雨、 暴雨天气。西安地区55个观测站雨量超过50 mm， 最大雨量为蓝田玉山80.6 mm［图1， 文中涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2019）4508号和审图号为GS（2019）3082号的标准地图制作， 底图无修改］。从暴雨区的雨强来看， 27日02:00 -05:00雨强最大， 1 h雨强在8~10 mm。关中地区降水落区的呈西南走向（图1南部暴雨落区属于陕南， 中部暴雨落区属于关中西安地区， 这里只讨论西安地区的暴雨）。
2017年9月23 -25日秋季连阴雨环流形势符合常规的预报模型， 低层西南暖湿气流为其提供了水汽， 预报准确。但26日20:00至27日20:00， 连阴雨结束前关中地区大雨、 暴雨， 只预报了小雨。分析26日20:00常规观测资料发现， 陕南地区850 hPa和700 hPa安康地区分别为4 m·s-1东北风和12 m·s-1的偏南风， 700 hPa偏南风为陕南降水带来水汽， 且在850 hPa安康东南部有着明显的切变， 陕南出现了暴雨， 预报也准确。但关中西安地区， 850 hPa 4 m·s-1的北风、 700 hPa 2 m·s-1的东北风， 27日08:00不管是850 hPa还是700 hPa均为北风， 没有偏南风带来水汽， 而且对流有效位能CAPE为0 J·kg-1， 在这种情况下， 预报员通常认为水汽能量不足。那么此次过程为什么关中地区会出现大雨， 西安出现暴雨天气呢？利用常规地面高空观测资料、 西安多普勒天气雷达观测资料以及欧洲中心细网格2017年9月26日20:00起报的0.25°×0.25°逐3 h预报资料， 对2017年9月26日20:00至27日20:00发生在关中西安地区暴雨天气过程和产生机理进行分析， 以期为此类暴雨预报提供有价值的思路。
3 环流形势和探空分析
3.1 环流形势
3.1.1 高空环流形势
2017年9月23日20:00， 500 hPa新西伯利亚至巴尔喀什湖为一长波槽， 西太平洋副热带高压西伸， 588 dagpm脊线位于25°N， 588 dagpm线位于长江附近。24日08:00至26日08:00， 巴尔喀什湖地区的长波槽底部不断分裂短波槽东移， 与西太平洋副热带高压外围暖湿气流在陕西中南部交汇， 造成此地区的连阴雨天气过程。26日20:00， 贝加尔湖以东至外兴安岭及黑龙江为一深厚的低涡， 低涡底部不断分裂短波槽东移， 青海东部、 陕西西南部与甘肃交界处分别有一短波槽， 高原中东部有偏南风。西太平洋副热带高压稳定少动， 588 dagpm脊线仍维持在25°N， 588 dagpm线位于长江以北。27日08:00， 外兴安岭低涡缓慢东移南压， 西太平洋副热带高压仍稳定维持， 588 dagpm线略有南压， 位于长江地区， 青海东部短波槽东移与陕西西南部短波槽合并， 在陕西西南部甘肃东南部地区形成一西风槽。
26日20:00， 700 hPa关中等温线较为密集， 锋区位于关中地区， 自贵州经四川东部、 重庆至安康地区西太平洋副热带高压外围有一支风速为10~12 m·s-1的西南风， 西安地区为2 m·s-1东北风， 安康以北、 汉中西部分别有一切变线（图2）。850 hPa长江以北等温线较为密集， 锋区前沿位于长江地区， 冷高压的前部已南压到陕南地区， 陕南均为东北风， 西安地区为4 m·s-1的偏北风（图2）。27日08:00， 700 hPa自贵州经四川东部、 重庆至安康地区西太平洋副热带高压外围仍有一支风速为10~12 m·s-1的偏南风， 锋区略有南压， 仍位于在关中、 陕南地区， 陕南安康地区仍存在切变线， 西安地区由原来的2 m·s-1东北风增大到4 m·s-1的偏北风。850 hPa锋区南压至长江以南地区， 陕南仍为东北风， 西安地区为4 m·s-1的偏北风。总的来说， 700 hPa、 850 hPa西安站东北或偏北风并不能为西安地区的暴雨带来水汽和能量。
图2 2017年9月26日20:00 850 hPa风场、 温度场及高低空主要天气系统配置棕色单实线为500 hPa槽线, 蓝线为地面冷锋, 红线(红数值)为850 hPa温度场, 红色双实线为700 hPa切变线， 黑数字为850 hPa位热高度 Fig.2 The 850 hPa wind field, temperature field and configuration of major weather systems at high and low level at 20:00 on 26 September 2017.Brown line represents 500 hPa trough, blue line is for surface cold front, red line （red number） is for 850 hPa temperature, red double solid line is for 700 hPa shear line, black number is 850 hPa geopotential height |
3.1.2 地面形势
2017年9月26日20:00， 地面图上蒙古国中西部地区有一冷高压， 高压中心值1040 hPa， 冷空气从蒙古国南下， 冷锋已移至长江中下游地区， 西安暴雨区距冷锋后300~400 km区域内（图2）。受冷锋后冷气团控制， 西安地区降水前气温偏低， 气温在17~19 ℃。
以上分析可见， 除了500 hPa高空西风槽为西安的暴雨提供了有利的天气形势外， 西安地区暴雨发生在冷锋的后部300~400 km区域内， 地面气温较低， 不利于高温高湿能量的积累； 冷锋后部西安地区850 hPa、 700 hPa均为偏北或东北风， 无法为其带来水汽； 从水汽和能量来看， 都不利于暴雨的发生。
3.2 探空分析
分析西安探空站2017年9月26日20:00暴雨发生前的层结特征（图3）。从图3中可以看出， 西安站850~406 hPa温度露点差均为1 ℃， 400~ 363 hPa温度露点差为2 ℃， 这表明整层大气接近饱和。920~850 hPa，气温直减率γ大于湿绝热直减率γs且小于干绝热直减率γd（γd>γ>γs）， 大气是条件不稳定的， 920 hPa温度露点差3 ℃， 942~920 hPa是逆温层， 地面至942 hPa是中性层结。由于地面到850 hPa关中地区被冷高压控制， 没有辐合， 大气没有饱和， 因此这个层次的条件不稳定不会转化成真正的不稳定。850~644 hPa γ基本上都小于γs， 大气层结是绝对稳定的， 644~400 hPa γ接近γs， 大气接近中性。
进一步计算表征层结稳定度条件的物理量（表略）。西安站对流有效位能（CAPE）值为0 J·kg-1。K指数28 ℃、 SI指数6.84以及对流不稳定指数850 hPa与500 hPa假相当位温之差为-17 K， 从这些表征层结稳定性条件的参数来看， 大气层结是稳定的， 并不利于强对流暴雨的发生。
俞小鼎等（2010）认为0~6 km垂直风切变的值为15~20 m·s-1时属于中等强度垂直风切变， 超过20 m·s-1为强垂直风切变。0~6 km西安探空26日20:00垂直风切变为14 m·s-1， 27日08:00西安探空垂直风切变为15 m·s-1， 可见西安探空0~6 km垂直风切变接近或属于中等强度垂直风切变。
4 物理机制分析
4.1 欧洲中心细网格数值预报产品的检验
4.2 水汽条件分析
从以上环流形势分析可以看出， 850 hPa、 700 hPa偏北风是无法为西安的暴雨区带来水汽的， 那么降水区的水汽来自哪里呢？
从2017年9月26日20:00 700 hPa比湿场和风场的叠加［图5（a）］可以看到， 陕南南部地区比湿较大， 在10 g·kg-1以上， 陕南地区10~12 m·s-1的西南风为其暴雨区输送充沛的水汽。陕北地区比湿较小为4 g·kg-1， 西安地区为东北风2 m·s-1， 比湿在8 g·kg-1左右， 显然2 m·s-1东北风不可能为西安地区大雨、 暴雨区输送大量的水汽。沿着108.5°E作比湿和南风分量经向垂直剖面［图5（b）］可以看到， 冷锋锋面自南向北逐渐倾斜， 34°N -35°N附近700~550 hPa比湿值在6~8 g·kg-1， 西安以南地区西太平洋副热带高压外围700 hPa有一支西南风带来暖湿气流， 暖湿气流在锋面上爬升， 西南风带来的水汽被冷锋锋面强迫抬升至西安上空。可见， 西安地区的水汽仍来自西太平洋副热带高压外围西南暖湿气流。由于前期一直维持连阴雨天气， 整层大气接近饱和， 700 hPa以下比湿仍在8 g·kg-1以上， 中低层接近饱和， 中高层输送水汽至暴雨区上空， 冷锋锋面自南向北逐渐倾斜， 陕南西太平洋副热带高压外围700 hPa有一支偏南风带来暖湿气流， 暖湿气流被锋面强迫爬升， 为暴雨区上空带来了水汽。
图5 2017年9月26日20:00 700 hPa比湿场（实线, 单位: g·kg-1）和风场（矢量, 单位: m·s-1）的叠加图（a）和沿着108.5°E比湿（虚线, 单位: g·kg-1）及南风分量（实线, 单位: m·s-1）垂直剖面（b）灰色阴影为地形 Fig.5 700 hPa specific humidity field （solid line, unit: g·kg-1） and wind field （vector, unit: m·s-1） （a） and the vertical cross section of specific humidity （dotted line, unit: g·kg-1） and south wind （solid line, unit: m·s-1） along 108.5 °E （b） at 20:00 on 26 September 2017.The grey shaded color area is terrain |
4.3 条件性不稳定和雷达回波
从以上西安站的探空可以看出， 整层大气几乎饱和。当对流层深层大气处于几乎饱和的情况下， 俞小鼎等（2016）给出了条件性对称不稳定的判据： ， 在垂直于热成风方向（或深层风垂直切变矢量的方向）的横截面内饱和相当位温 的坡度大于地转绝对动量 的坡度。此次过程热成风方向为偏西， 沿经向作地转绝对动量和饱和相当位温的垂直剖面图， 来比较饱和相当位温 的坡度与地转绝对动量 的坡度。
从2017年9月26日23:00沿108.5°E， 27日02:00， 05:00， 08:00沿109.25°E地转绝对动量和饱和相当位温的经向剖面［图6（a）~（d）， 地转绝对动量用虚线表示， 饱和相当位温用实线表示］中可以大致判断出26日23:00至27日08:00西安地区（33.4°N -34.5°N）上空600~400 hPa有饱和相当位温等值线坡度大于绝对动量坡度， 大气是条件性对称不稳定的。
图6 2017年9月26日23:00至27日08:00地转绝对动量（Mg, 虚线, 单位: m·s-1）和饱和相当位温（ *, 实线, 单位: K）沿经向垂直剖面阴影为地形 Fig.6 The meridional vertical cross-section of absolute momentum （Mg, dotted line, unit: m·s-1) and saturation pseudo-equivalent potential temperature ( *, solid line, unit: K) from 23:00 on 26 to 08:00 on 27September 2017.The grey shaded color area for terrain |
从公式中可以看出， 饱和相当位温 垂直剖面坡度越大， 越有利于条件性对称不稳定的形成。本次暴雨过程中， 分析温度平流发现， 大气有着较强的斜压性。26日23:00［图7（a）］暴雨区34°N附近上空600~500 hPa存在较强的暖平流， 量值为8×10-4 K·s-1。说明大气有着较强的斜压性， 较强的暖平流使得此处的饱和相当位温增大， 导致和其上层饱和相当位温值的差距缩小， 因此饱和相当位温面在此处坡度增大， 大气层结接近中性。27日02:00 -08:00［图7（b）~（d）］暴雨区34°N附近上空600~500 hPa仍存在量值为4×10-5~16×10-5 K·s-1暖平流， 600~400 hPa饱和相当位温面坡度增大， 大气层结接近中性。
地转绝对动量垂直坡度越小越有利于条件性对称不稳定的形成。吕美仲等（2004）给出地转绝对动量公式： ， 其中： f为地转参数； ug为地转风， fy的值只和纬度有关， 同一纬度值相同， 若地转风ug随着高度不变， 则地转风绝对动量沿经向剖面坡度为90°， 这时很难出现条件性对称不稳定。可见地转风绝对动量坡度取决于地转风随着高度的变化， 也就是说地转风绝对动量坡度变小取决于大气的斜压性。因为条件性对称不稳定由饱和相当位温坡度和地转绝对动量坡度共同决定， 因此当饱和相当位温垂直剖面坡度大， 即大气层结接近中性， 有一定的垂直风切变时， 即地转动绝对动量面坡度小于饱和相当位温面坡度时， 便形成条件性对称不稳定。分析暴雨区（33.4°N -34.5°N）地转绝对动量剖面图发现： 26日23:00， 饱和相当位温等值线（344 K）在600~400 hPa处坡度几乎垂直， 大气层结接近中性， 地转绝对动量等值线（60~70 m·s-1）的坡度小于饱和相当位温等值线（344 K）的坡度， 说明地转绝对动量在600~400 hPa处有一定的垂直风切变。27日02:00 -08:00， 饱和相当位温等值线（344 K）在500~400 hPa处坡度几乎垂直， 大气层结接近中性， 500~400 hPa仍有一定垂直风切变， 地转绝对动量等值线（60~70 m·s-1）的坡度小于饱和相当位温等值线（344 K）的坡度， 此处大气是条件性对称不稳定的。
当锋面强迫中低层暖湿空气倾斜向上爬升至西安暴雨区中高层条件性对称不稳定区域， 大气在惯性稳定区域和对流稳定区（或中性）会出现加速， 即出现倾斜对流， 产生较强的降水， 这与26日23:00至27日08:00 1 h雨强5~10 mm·h-1相对应。可见条件性对称不稳定是此次暴雨的不稳定机制。
Markowski et al（2010）指出： 条件性对称不稳定导致的雨带或雪带几乎沿着热成风排列， 与热成风夹角通常不超过15°。因此从雷达回波特征也可以进一步印证不稳定的机制。西安雷达组合反射率因子表明， 西安地区在26日23:00至27日08:00 降水回波呈现出数个平行带状回波（图8）， 其走向为西西南向， 回波中心强度多在30~45 dBz。平行带状走向与0~6 km风切变矢量西西南风平行， 因此这种平行带状降水回波应由条件性对称不稳定产生的倾斜对流所致。
经向环流可以清楚地看到大气的倾斜上升运动， 用垂直速度ω（单位： Pa·s-1）和经向风v（单位： m·s-1）合成经向环流， 由于ω正值为下沉运动， 且量级远小于经向风v， 故把ω×（-30）与经向风合成得到26日23:00至27日08:00经向环流图（图9）， 从图9可以看出， 西安附近暴雨区域（33.4°N -34.5°N）600~400 hPa对应条件性对称不稳定区域均为倾斜上升运动， 导致倾斜对流发展， 产生较强降水。西安26日23:00至27日08:00雷达反射率因子剖面上回波顶高在7~9 km（图10）。Ec细网格模式资料计算的条件对称不稳定毕竟与实况不可能完全一致， 但总的来说， 条件性对称不稳定与倾斜上升运动、 雷达回波有着较好的对应关系。
图9 2017年9月26日23:00至27日08:00垂直速度扩大负30倍（单位: Pa·s-1）和经向风（单位: m·s-1）经向环流阴影为地形 Fig.9 The meridional circulation of vertical velocities [unit: ×（-30）Pa·s-1] and longitudinal wind (unit: m·s-1)from 23:00 on 26 to 08:00 on 27 September 2017.The area of shaded grey color represent for terrain |
5 结论
（1） 本次暴雨是在连阴雨后期冷锋后的锋面上产生的， 西安地区850 hPa、 700 hPa均为偏北风， 无法为其带来水汽； 西安暴雨区距地面冷锋后部300~400 km， 地面气温较低， 不利于高温高湿能量的积累； 但由于前期一直维持连阴雨天气， 整层大气接近饱和， 500 hPa高空西风槽为西安的暴雨提供了有利的天气形势， 冷锋锋面自南向北逐渐倾斜， 陕南地区西太平洋副热带高压外围700 hPa有一支偏南风带来暖湿气流， 暖湿气流在锋面上爬升， 为西安地区上空带来了水汽。
（2） 通过诊断饱和相当位温、 地转绝对动量表明西安地区暴雨的不稳定机制是条件性对称不稳定。西安以南地区700 hPa西太平洋副热带高压外围有一支偏南风带来的暖湿气流在锋面上爬升至条件性对称不稳定区域， 产生倾斜对流。
（3） 0~6 km中等强度的垂直风切变、 中高层暖平流表明大气有较强的斜压性， 较强的暖湿气流使得西安地区的饱和相当位温增大， 导致和其上层饱和相当位温值的差距缩小， 饱和相当位温线在此处坡度增大， 大气层结接近中性。中等强度的垂直风切变有利于地转绝对动量维持较小的垂直坡度。地转绝对动量坡度小于饱和相当位温坡度时， 即形成条件性对称不稳定。
（4） 雷达回波组合反射率因子表明： 条件性对称不稳定区域， 降水回波呈现出数个平行带状回波， 与0~6 km风切变矢量西西南风平行， 回波中心强度多在30~45 dBz， 回波顶高在7~9 km。不稳定与倾斜上升运动及回波高度有着较好的对应关系。
（5） 在秋季的降水预报中， 冷锋已过境， 当0~6 km探空接近中等强度或属于为中等强度垂直风切变， 850 hPa、 700 hPa为弱的偏北风， 中高层有暖平流且大气接近饱和， 有利于条件性对称不稳定的发生， 容易产生倾斜对流， 造成暴雨天气。