1 引言
陕西省有着复杂的地理环境， 自北向南依次是黄土高原、 关中平原、 秦巴山区， 偏北地区为中温带干旱区， 中部为暖温带半干旱区， 南部为北亚热带半湿润区。在这样独特的地理环境和生态气候环境下， 陕西暴雨不同于中国其他地区， 成因复杂， 预报难度较大。陕西秋季常出现长时间的阴雨天气， 期间出现暴雨往往会引起地质灾害和造成经济损失。能够在短期时效内提前准确预报暴雨对于各级党委政府提前部署、 精准调度、 精准救灾有着重要意义。2019年9月9 -20日陕西出现连阴雨， 其中13日20:00（北京时， 下同）至14日20:00关中大部分地区、 陕南西部出现大范围暴雨天气， 关中南部、 陕南的暴雨与700 hPa低空急流和700 hPa切变线有关， 预报准确， 其发生机理这里不再分析。对于关中北部的铜川、 渭南北部、 咸阳北部、 宝鸡北部等地， 位于700 hPa切变线的北侧， 偏南风分量小， 短期时段预报员认为水汽和能量不足， 不具备暴雨形成的条件， 短期时段暴雨漏报。
暴雨的发生需要充足的水汽条件。对于暴雨区的水汽条件气象工作者进行了大量的研究（魏栋等， 2021； 赵强等， 2021； 刘金卿等， 2021； 陈豫英等， 2021； 邓承之等， 2021； 任丽等， 2021； 张桂莲等， 2021； 郭大梅等， 2020； 张芳丽等， 2020； 曾勇和杨莲梅， 2020； 庄晓翠等， 2020）。尽管气象工作者对暴雨区的水汽条件已做了大量研究， 取得了不少成果， 但实际的预报中， 水汽是否充沛往往很难判断。在现有文献中， 针对陕西关中北部类似情况的秋季暴雨研究较为少见， 因此对于此类暴雨水汽条件和发生的机理有必要进行深入研究。本文利用常规高空地面观测资料和欧洲中心0.25°×0.25°逐3 h预报资料， 对2019年9月13日20:00至14日20:00发生在关中北部暴雨的预报难点、 水汽条件及产生机理进行分析， 以期为此类暴雨预报提供有价值的预报思路。
2 暴雨概况
2019年9月9 -20日陕西省出现连阴雨， 此次持续降水天气特点是雨量大、 降持续时间长、 多暴雨、 秋雨雨量超常年值， 其间发生8起洪涝和2起地质灾害。受灾人口14.4万人， 农作物成灾面积6.42×103 hm2， 绝收面积 2.13×103 hm2， 毁坏耕地253 hm2， 倒塌房屋132户290间， 直接经济损失3.9亿元。这次连阴雨中最后一场大范围的暴雨发生在9月14 -15日， 其中9月13日20:00至14日20:00关中大部分地区、 陕南西部出现大范围暴雨天气。
2019年9月13日20:00至14日20:00， 关中大部分地方、 陕南西部有45个国家观测站监测到暴雨， 其中关中北部12个站， 24 h降水量50.5~65.9 mm（关中北部暴雨为图1 方框内不低于50 mm的降水区）。国家观测站最大1 h雨强7 mm， 从1 h雨强来看， 关中北部暴雨不是强对流暴雨。由于陕南和关中南部暴雨预报较为准确， 不做讨论， 这里主要针对漏报的关中北部暴雨进行研究。文中涉及的地图是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。
3 关中北部暴雨漏报的原因和数值预报产品检验
3.1 环流形势分析和探空分析
2019年9月9日20:00至19日20:00， 陕西一直维持阴雨天气， 其中13日20:00至14日20:00， 关中大部分地方、 陕南西部地区出现大范围的暴雨天气。9月13日20:00， 暴雨开始前， 500 hPa的天气图上（图略）， 我国中高纬度地区为宽广的低压， 西太平洋副热带高压位于我国东部及沿海地区， 588 dagpm在汶川-宁强-安康-商南-郑州-泰安-青岛一带， 湖北东南部-湖南中部-江西北部有592 dagpm的闭合中心， 588 dagpm脊线位于上海宝山-安徽黄山-江西修水-湖南涟源至云南的蒙自一带， 呈西南东北走向。中高纬度宽广的低压底部分裂的西风槽位于宁夏-甘肃东南部［图2 （a）， 方框内关中北部暴雨区与图1 相同］。14日08:00， 暴雨发生时， 西太平洋副热带高压仍稳定维持， 588 dagpm线位于高坪-紫阳-安康-商南-兰考-临沂， 除了西南侧和东北侧588 dagpm线略有东退外， 588 dagpm线在安康和商南地区几乎没变化， 西南东北向的脊线略有北推。592 dagpm闭合中心东退， 且范围缩小， 位于安徽南部及与其南部邻省一带， 宁夏-甘肃东南部西风槽［图2 （b）方框内关中北部暴雨区与图1 同］稳定少动， 略有加深， 携带冷空气东移南下与西太平洋副高外围暖湿气流交汇， 造成此次暴雨天气。
13日20:00， 700 hPa上， 西太平洋副热带高压外围自贵州西部经重庆四川东部至安康地区有一支西南风， 风速为8~12 m·s-1， 汉中地区东南风12 m·s-1， 西安站700 hPa为东北风， 陕南有一横切变线。14日08:00暴雨发生时， 700 hPa西太平洋副热带高压外围西南风增强， 为强劲的西南风低空急流， 四川西部、 重庆安康地区急流达16 m·s-1， 汉中风速增大到18 m·s-1。西安为6 m·s-1的东南风， 在汉中西部、 关中南部有一人字形切变线［图2 （b）］， 关中北部位于人字形横切变的北侧。13日20:00 850 hPa影响陕西降水的锋区位于陕南南部巴山一带， 关中地区为一冷中心， 气温低于12 ℃［图2 （a）］， 关中地区均为西北风。14日08:00 850 hPa锋区南压至陕南-重庆北部， 河北-山西-关中地区为东北转偏东气流［图2 （b）］。
地面图上， 2017年9月13日20:00至14日08:00， 关中北部位于地面冷高压中心附近或冷高压中， 影响关中北部的地面冷锋从陕南南部缓慢南移到重庆北部地区［图2 （a）， （b）］， 关中北部暴雨区距离冷锋240~300 km， 地面维持较低的气温， 没有能量积累。关中地区西安泾河站探空站2019年9月13日20:00暴雨发生前和14日08:00较强的降水开始时大气层结特征： 两个时次均出现锋面逆温， 14日08:00（图3 ）逆温层的高度有所下降， 逆温层在787~734 hPa， 787 hPa以下是深厚的冷垫。从逆温层以上抬升气块， 对流有效位能为0， 大气层结基本是稳定或中性的， 显然并不利于强对流暴雨的发生。
以上分析表明， 14日08:00 500 hPa西太平洋副热带高压比上一时次略有减弱， 地面上关中北部暴雨位于冷锋后240~300 km冷高压中， 且位于700 hPa横切变线的北侧， 中低层是锋面逆温稳定层结， 787 hPa以下是深厚的冷垫， 地面至低层没有能量的积累， 数值模式在陕南局地报出了暴雨， 关中地区报了大雨， 这种情况下短期时段的预报员考虑关中北部水汽、 能量不足， 9月13日16:00发布的13日20:00至14日20:00短期预报中关中北部暴雨漏报， 如果预报员能对其形成机制有深入的了解， 对短期预报可能有更准确的判断。
3.2 欧洲中心细网格数值模式预报产品的检验
欧洲中心细网格数值模式（ECMWF）预报产品水平分辨率0.25°×0.25°， 时间间隔为3 h， 欧洲中心细网格2019年9月13日20:00起报的形势场、 风场、 温度场等预报结果与观测均较吻合（图略）， 图4 （方框内关中北部暴雨区与图1 同）为13日20:00起报的24 h降水量分布图。预报的陕南、 关中大雨雨带、 陕南暴雨区和观测降水量较为一致， 关中地区暴雨预报的范围和量级偏小， 关中北部暴雨区报出了36~46 mm大雨， 这与关中北部观测降水量50.5~65.9 mm比较接近。预报的关中北部逐3 h的总降水量与观测降水量略偏小或接近（图略）， 逐3 h预报的对流性降水几乎为0 mm， 这与关中北部暴雨区中低层没有对流不稳定是一致的， 可见数值预报对降水性质、 时段、 量级和落区上基本符合实际观测情况的。因此可以用欧洲中心细网格数值预报的风场、 温度场等物理量进行计算来分析此次关中北部暴雨天气过程。
4 水汽条件分析
4.1 700 hPa偏南风输送水汽
充足的水汽是暴雨发生的必要条件， 此次暴雨雨强不大， 但持续时间长， 持续的水汽输送对暴雨来说尤为重要， 关中北部与陕北黄土高原接壤， 铜川、 宝鸡北部、 咸阳北部、 渭南北部海拔在500 m以上， 属于渭河以北地区（杜继稳等， 2007）， 低层偏南风由于受秦岭阻挡， 水汽无法输送到关中北部地区。但700 hPa西太平洋副热带高压高外围偏南风能够越过秦岭， 这对关中北部水汽输送十分重要。2019年9月14日08:00关中北部暴雨区700 hPa没有出现偏南风低空急流或较强的偏南风， 关中北部位于700 hPa横切变线的北侧， 看似水汽不足， 为什么关中北部也会出现暴雨呢？随着时间的推移， 是否出现增强的偏南风为关中北部输送水汽？700 hPa切变线随着时间的是否出现变化？
分析2019年9月14日05:00 -14:00逐3 h比湿及南风分量沿109°E（35°N附近为关中北部暴雨区）垂直剖面图发现： 关中北部暴雨区比湿大值中心始终位于700 hPa附近， 可见主要是700 hPa的偏南风为关中北部带来充沛的水汽。14日05:00（图略）， 700 hPa关中北部（35°N附近）比湿7 g·kg-1， 700 hPa南风分量为2 m·s-1， 33.7°N -34.6°N 700 hPa南风分量4~10 m·s-1等值线较为密集。14日08:00［图5 （a）］， 700 hPa比湿7 g·kg-1北移至35.5°N， 700 hPa南风分量4~10 m·s-1等值线密集区位于33.8°N -35.6°N， 35°N 700 hPa南风分量增大到4 m·s-1， 35°N 700 hPa比湿8 g·kg-1。14日11:00（图略）， 700 hPa比湿7 g·kg-1北移至35.6°N， 南风分量密集区风速增大到6~12 m·s-1， 北推至34.3°N -35.7°N， 35°N 700 hPa南风分量增大到6 m·s-1， 35°N比湿大于8 g·kg-1。14日14:00［图5 （b）］， 700 hPa 7 g·kg-1北移至36.1°N， 南风分量8~12 m·s-1等值线密集区位于34.7°N -35.2°N， 35°N 700 hPa比湿仍为8 g·kg-1， 南风分量增大到10 m·s-1。结合700 hPa散度场发现， 南风分量等值线密集区和切变线区域有着较强的辐合（图略）， 这为关中北部强降水提供了较强的水汽辐合条件， 14日08:00 -14:00关中北部109°E附近1 h降水量4~7 mm。
图5 2019年9月14日08:00（a）和14:00（b）沿109°E比湿（虚线， 单位： g·kg-1）及南风分量（实线， 单位： m·s-1）的纬度-高度剖面灰色阴影为地形 Fig.5 Latitide-height cross-section of specific humidity （dotted line， unit： g·kg-1） and south wind component （solid line， unit： m·s-1）along 109°E at 08:00 （a） and 14:00 （b） on 14 September 2019.Shaded area is terrain |
700 hPa风场可以看到， 14日08:00［图6 （a）］陕南中西部有一支偏南风低空急流， 中心值为20 m·s-1， 关中西北部东南风6~8 m·s-1， 切变线位于关中南部。14日11:00（图略）， 低空急流由陕南中西部向东北部缓慢移动， 20 m·s-1移至陕南中部地区， 关中南部偏南风为12 m·s-1， 达到低空急流标准， 偏南风扩展至关中北部， 风速为8~10 m·s-1， 切变线也向东北方向移动至关中中北部地区。14日14:00［图6 （b）］， 低空急流大值中心18 m·s-1移到陕南中东部地区， 12 m·s-1的低空急流向东北方向移至关中南部地区， 偏南风仍缓慢向东北方向伸展， 关中中东部达8~12 m·s-1， 切变线向东北方向移至关中北部地区。14日17:00（图略）700 hPa低空急流大值中心16 m·s-1向东北方向移至陕南东部地区， 关中东北部偏南风速仍在8~10 m·s-1， 切变线仍位于关中北部地区。14日08:00 -17:00 700 hPa伴随着低空急流向东北方向移动， 关中南部出现低空急流、 关中北部偏南风得到加强， 切变线也随之移至关中北部。
可见， 对于关中北部的暴雨， 偏南风输送水汽对其非常重要， 14日08:00西安泾河探空站700 hPa观测到东南风6 m·s-1， 如果能够判断700 hPa西安站上空有偏南风急流、 关中北部的偏南风增强， 预报关中北部暴雨的可能性将增大， 因此700 hPa关中北部偏南风是否能随着时间而增强是准确预报暴雨的关键。
4.2 影响关中北部暴雨区水汽条件的两个间接因子
4.2.1 高低空急流耦合
700 hPa关中北部偏南风能否随时间而增强是准确预报暴雨的关键， 那么偏南风的增强与哪些因子有关呢？低空急流的形成与维持机制与高低空环流的耦合发展有关（朱乾根等， 2007a）， 分析300 hPa高空急流发现， 陕西中南部位于高空急流入口区的右侧辐散区中。14日08:00， 300 hPa辐散中心［图7 （a）］主要位于陕南地区， 中心值最大为2.8×10-4 s-1。700 hPa陕南中部有20 m·s-1的西南急流中心， 沿急流中心（107.25°E）所做的剖面， 分析高低空急流耦合形成的次级环流［图8 （a）］， 可以看到， 陕南暴雨区位于次级环流的上升支， 垂直运动一直到上升到300 hPa。14日14:00， 300 hPa辐散中心［图7 （b）］向东北方向移至陕南地区中东部、 关中东部地区， 中心值最大为1.2×10-4 s-1。由4.1节第三段700 hPa风场分析可知， 700 hPa低空急流大值中心也向东北方向移至陕南中东部地区， 陕南中东部有中心值18 m·s-1的西南急流， 沿陕南中东部西南急流中心（109°E）做高低空急流耦合形成的次级环流的剖面［图8 （b）］， 暴雨区位于次级环流的上升支也向东北方向移至关中地区。
图7 2019年9月14日08:00（a）和14:00（b）700 hPa风场（矢量， 单位： m·s-1）、 300 hPa散度场（等值线， 单位： ×10-5 s-1）分布Fig.7 Distribution of 700 hPa wind field （vector， unit： m·s-1） and 300 hPa divergence （contour， unit： ×10-5 s-1） at 08:00 （a） and 14:00 （b） on 14 September 2019 |
图8 2019年9月14日经向环流（流线）及垂直速度（虚等值线， 单位： Pa·s-1）分布经向环流是由经向风（单位： m·s-1）与垂直速度扩大负10倍合成［单位： ×（-10） Pa·s-1］； 阴影为地形 Fig.8 The distribution of meridional circulation （streamline） and vertical velocities （dotted contour， unit： Pa·s-1） at 08:00 and 14:00 on 14 September 2019.Meridional circulation combined with longitudinal wind （unit： m·s-1） and vertical velocity expands by a factor of minus 10 ［unit： ×（-10） Pa·s-1］.Shaded area is terrain |
高低空急流耦合有利于垂直运动的维持和发展， 其上升运动有利于中低层减压， 西太平洋副热带高压和暴雨区之间的气压梯度进一步加强， 这将会进一步增强700 hPa西南低空急流， 由于西太平洋副热带高压呈东北西南走向， 700 hPa低空急流向东北方向移动， 移动后的低空急流在其前方辐合造成新的暴雨区， 因此低空急流的增强又将导致新的暴雨区的产生， 使得暴雨区也向东北方向移动。低空急流前方辐合， 造成暴雨区减压， 低空急流大值区移至前一时次的低空急流的前侧， 造成700 hPa关中南部地区出现低空急流和关中北部偏南风增强。
4.2.2 凝结潜热加热率
凝结潜热释放也通过影响偏南风增强而间接影响关中北部暴雨区水汽条件。强降水发生时， 整层大气接近饱和， 蒸发量较小， 且地面感热及潜热通量很小， 暴雨区的非绝热加热大部分来自降水凝结潜热的释放和对流云顶的长波辐射降温。采用丁一汇（1989）的方法， 凝结潜热加热率（张雅乐和俞小鼎， 2021）表示为：
式中： 为加热率（单位： K·h-1）； 为垂直速度（单位： hPa·s-1）； 为饱和比湿（单位： kg·kg-1）； 为空气定压比热容， =1004.5 J·（kg·K）-1； =2.5×106 m2·s-2为凝结潜热。
分析关中北部暴雨过程中各层次的的凝结潜热加热率发现， 凝结潜热加热率从700 hPa开始向上增大， 最大位于500~400 hPa， 这里主要分析500 hPa的凝结潜热加热率和700 hPa的风场。
2019年9月14日08:00［图9 （a）］， 500 hPa凝结潜热加热率大值区位于汉中地区， 凝结潜热加热率3 K·h-1自陕南西部汉中伸展至关中北部宝鸡东部地区， 此处凝结潜热释放使得上升运动加强， 造成中低层气压降得更低， 这与西太平洋副热带高压之间的气压梯度加大， 即在汉中-宝鸡东部的以东地区气压梯度力加大， 汉中、 咸阳东侧偏南气流增强， 辐合区、 降水区向东北方向移动。14日11:00［图9 （b）］、 14日14:00［图9 （c）］、 14日17:00［图9 （d）］凝结潜热加热率大值区移到关中北部地区。降水区中低层气流辐合上升， 水汽凝结产生强降水， 释放凝结潜热使得上升运动加强， 中低层气压降得更低， 中低层气压与西太平洋副高之间的气压梯度更大， 偏南风气流加强北移， 700 hPa水汽辐合区北移至关中北部地区， 造成此地区暴雨天气。
5 不稳定机制
从3.1环流形势分析和探空分析可知， 此次关中北部暴雨区位于冷锋后冷高压中， 关中地区泾河站中低层是锋面逆温稳定层结， 中低层以下是深厚的冷垫， 地面能量较低， 对流有效位能是0， 没有对流不稳定， 那么其不稳定机制是什么呢？Bennettsand Hoskins（1979）提出锋面云降水可能与条件性对称不稳定有关， 那么关中北部暴雨是否与条件性对称不稳定有关？
关中北部暴雨区热成风偏西， 分析其暴雨区（35°N附近）沿109°E（14日05:00、 14日08:00）、 110°E（14日11:00、 14日14:00）地转绝对动量和饱和相当位温剖面图发现： 14日05:00［图10 （a）］、 08:00［图10 （b）］ 14日11:00［图10 （c）］、 14日14:00 ［图10 （d）］关中北部暴雨区700~600 hPa偏南风输送水汽和能量造成等饱和相当位温面338 K坡度较大， 同时由于700~600 hPa存在强的垂直风切变（14日08:00泾河站探空观测到700~600 hPa大气层结近乎饱和且有大于20 m·s-1强的垂直风切变）和较强地转风向北的水平切变（图略）（朱乾根等， 2007b）， 使得等地转绝对动量面48 m·s-1的坡度比较小， 等饱和相当位温面338 K的坡度大于等地转绝对动量坡度48 m·s-1面的坡度。可见强降水时段， 700~600 hPa关中北部暴雨区大气是存在条件性对称不稳定的。关中北部位于冷锋后的冷高压中， 当冷锋前侧低层强的偏南暖湿气流沿着锋面爬升至关中北部暴雨区， 辐合上升至700~600 hPa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［图8 （a）， （b）］， 产生较强的降水， 关中北部1 h最大降水量7 mm， 由于持续较长的时间造成关中北部暴雨天气。
图10 2019年9月14日05:00 -14:00地转绝对动量 （虚线， 单位： m·s-1）及饱和相当位温θe （实线， 单位： K）垂直剖面阴影为地形 Fig.10 The meridional vertical cross-section of absolute momentum （ ） （dotted line， unit： m·s-1） and saturation pseudo-equivalent potential temperature （θe ） （solid line， unit： K） from 05:00 to 14:00 on 14 September 2019.Shaded area is terrain |
6 结论
2019年9月13 -14日关中北部出现暴雨天气， 这次暴雨开始时关中北部位于冷锋后地面冷高压中和700 hPa横切变线北侧， 探空图上中低层是锋面逆温稳定层结， 中低层以下是深厚的冷垫， 地面能量较低， 没有对流不稳定， 低层水汽不足， 短期时效内暴雨漏报。为了研究此次暴雨的水汽条件和不稳定机制， 为今后的此类暴雨预报提供有价值的预报思路。对此次暴雨天气过程进行诊断分析， 得到如下结论：
（1） 中高纬度宽广的低压底部分裂的西风槽携带冷空气东移， 与稳定维持的西太平洋副热带高压外围暖湿气流交汇， 为暴雨的发生提供了有利的天气形势。关中北部暴雨发生在地面冷锋后240~300 km冷高压中及700 hPa横切变线北侧， 中低层是锋面逆温稳定层结， 中低层以下有着深厚的冷垫， 这种情况下预报员认为水汽、 能量不足， 暴雨漏报。
（2） 关中北部有较强降水时， 关中北部水汽的大值区集中在700 hPa， 700 hPa随时间而增强的偏南风为其提供了充沛的水汽， 700 hPa比湿大值区、 切变线随着增强的偏南风北移至关中北部， 这为关中北部暴雨提供了有利的水汽辐合条件。关中北部偏南风能否随时间而增强是其暴雨能否发生的关键。
（3） 关中北部水汽是否充沛直接影响因子是中低层的偏南风能否随着时间而增强， 高低空急流耦合和潜热释放通过影响偏南风而间接影响关中北部水汽的条件。暴雨区高低空急流的耦合形成的次级环流上升支有利于低层减压， 西太平洋副热带高压和暴雨区之间的气压梯度进一步加强， 这将使西南低空急流加强并向东北方向移动， 移动后的低空急流在其前方辐合造成新的暴雨区， 这将形成低空急流和暴雨的正反馈， 使得暴雨区和低空急流都向东北方向移动， 造成关中南部地区出现低空急流和关中北部偏南风增强； 凝结潜热释放有利于上升运动， 使得中低层减压， 这同样造成与其东南侧西太平洋副热带高压之间的气压梯度加大导致关中南部形成偏南风急流、 关中北部偏南风增强。
（4） 关中北部暴雨过程中700~600 hPa存在等饱和相当位温面坡度大于等地转绝对动量坡度的条件性对称不稳定区域。当冷锋前侧低层偏南暖湿气流沿着锋面爬升至关中北部辐合上升至700~600 hPa的条件性对称不稳定区域， 出现倾斜对流， 使得降水强度增大， 这也是造成关中北部造成暴雨天气的原因之一。从本次降水过程可知， 在锋面降水中， 若中低层有着较强的偏南暖湿气流输送、 较强的垂直风切变、 地转风向北增大， 则这个的区域可能出现条件性对称不稳定。
（5） 在西太平洋副热带高压南撤东退， 地面冷高压控制的形势下， 预报员通常认为偏南地区水汽、 能量充足， 往往没有考虑到由于高低空急流耦合、 凝结潜热加热的影响导致偏北地区南风将随着时间增强， 以及可能出现的条件性对称不稳定， 出现认知偏差导致暴雨漏报。对于这种冷锋后的锋面暴雨过程， 预报着眼点应考虑到西太平洋副热带高压的走向， 高低空急流耦合、 凝结潜热释放对低空急流及偏南风的影响， 有可能出现的条件性对称不稳定机制， 结合欧洲中心数值模式， 适当将数值模式的降水量调大， 综合考虑暴雨的可能性。