Plateau Meteorology

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2023 , Vol. 42 >Issue 4: 934 - 948

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00101

Mechanism Analysis of an Abrupt Torrential Rain Event under Weak Synoptic Forcing

  • Mingjuan LI ,
  • Damei GUO ,
  • Dian FENG ,
  • Kuifeng ZHAO ,
  • Jiahuimin LIU ,
  • Liwei QU
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  • Shaanxi Meteorological Observatory，Xi’an 710014，Shaanxi，China

Received date: 2022-05-16

  Revised date: 2022-11-16

  Online published: 2023-07-18

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Mingjuan LI , Damei GUO , Dian FENG , Kuifeng ZHAO , Jiahuimin LIU , Liwei QU . Mechanism Analysis of an Abrupt Torrential Rain Event under Weak Synoptic Forcing[J]. Plateau Meteorology, 2023 , 42(4) : 934 -948 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00101

1 引言

秦岭北麓西安、 渭南等地北侧为渭北塬区， 南依秦岭， 由于秦岭的背风波效应， 此地区年平均降水量低于黄土高原延安以南地区和秦岭南坡（杜继稳等， 2007）。陕西日常天气预报中发现， 由于地形的影响， 西安、 渭南地区暴雨预报难度较大， 尤其是在天气系统强迫的垂直运动不明显弱天气系统强迫下（李琴和邓承之， 2021； 潘留杰等， 2015； 肖现等， 2015）的暴雨， 容易漏报。2021年7月18日西安东北部、 渭南南部等地出现暴雨、 大暴雨， 局地12 h超过140 mm的特大暴雨天气， 且有大于50 mm∙h-1的极端短时强降水（俞小鼎， 2013）并伴有雷电。按照陕西突发性暴雨的定义的三个条件： （1）中心降雨雨强≥30 mm∙（6h）-1， 且≥50 mm∙（12h）-1； （2）暴雨站数≥3个站且连片（利用现有国家气象观测站）； （3）暴雨发生前12 h， 在95°E -110°E， 27.5°N -42.5°N范围内， 500 hPa 无明显低值系统（杜继稳等， 2007）。2021年7月18日的暴雨雨强、 暴雨站数、 500 hPa 环流形势（大陆高压边缘， 无明显低值系统）满足陕西突发性暴雨条件， 为突发性暴雨、 大暴雨。对于此次暴雨， 短期预报时效内欧洲中心全球细网格模式和其他多个中尺度模式漏报， 仅广东中尺度模式报出泾河大暴雨。模式使用中发现， 对于暴雨， 中尺度模式有时会空报， 欧洲中心模式空报较少， 预报员常常参考欧洲中心数值模式。但此次大暴雨天气欧洲中心模式仅预报了中雨以下量级， 预报员在短期时效内只预报了中雨， 而对短时预报由于不清楚暴雨成因， 只能依靠雷达回波发布预警。
对于突发性暴雨的研究， 气象工作者做了一些研究工作。此类暴雨征兆不明显， 局地性强， 雨强大， 降水时段集中， 具有典型的中小尺度特征， 造成的灾害及次生灾害严重， 预报难度大（杜继稳等， 2004）； 与副热带高压、 弱冷空气、 重力波诱发、 中低层锋生的加强有关（刘勇和杜川利， 2006； 谢家旭和李国平， 2021； 邱贵强等； 2018）； 中-β尺度对流云团造成（井喜等， 2008）， β中尺度辐合线和γ小尺度辐合线为触发机制（张楠等， 2018； 唐佳等， 2021）， 冷池驱动对流系统连续传播（徐珺等， 2018）； 地形的作用有重要影响（王丛梅等， 2018； 王婧羽等， 2022）， 中尺度对流系统下山增强， 导致局地强降水（李琴和邓承之， 2021）， 过山气流由于地形海拔高度的变化而产生的地形适应运动， 以爬流运动为主， 绕流运动次之（金妍和李国平， 2021）。
尽管突发性暴雨已经完成了一些研究工作， 但突发性暴雨成因复杂， 预报难度大， 仍需进一步加强研究。本文对2021年7月18日陕西一次突发性大暴雨发生的环流形势、 环境场条件、 中尺度对流系统发展演变及触发机制进行分析， 增强对此类暴雨的认识， 以期为此类天气预报提供参考。

2 数据来源及降水概况

2.1　数据资料

所用资料为高空常规观测及地面逐小时和逐10分钟自动站降水量、 湿度、 温度、 逐5 min风场数据， ERA5（欧洲中期天气预报中心第五代） 0.25°×0.25°逐时大气再分析资料（Hersbach et al， 2018）， FY-2G（风云卫星2G）逐时平均云顶亮温TBB 0.1°×0.1°数据， 西安临潼激光雷达风矢量产品， 泾河C波段的雷达资料和微波辐射计探测的逐2 min水汽密度、 相对湿度。

2.2　降水概况

受短波槽影响， 2021年7月17日02:00（北京时， 下同） -15:00陕北地区出现分散性的短时强降水。17日15:00 -23:00陕北南部至关中北部塬区出现分散性局地短时强降水天气， 最大雨强 64.9 mm∙h-1。17日21:00至18日03:00中尺度对流系统经过秦岭北麓西安东北部、 渭南南部地区减弱， 部分地区出现弱降水， 1 h降水量不超过2 mm。本文研究区域为秦岭北麓西安东北部、 渭南南部［图1（a）， 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］。西安东北部、 渭南南部突发性大暴雨开始于18日04:00， 图1（a）是7月18日04:00 -16:00累积降水量， 按照国家标准GB/T 28592 -2012降水量等级（国家气象中心， 2012）12 h≥30 mm为暴雨， 12 h≥70 mm为大暴雨， 12 h≥140 mm 为特大暴雨， 西安东北部、 渭南南部自动站共104个站出现暴雨， 29个站为大暴雨， 其中国家基本气象站西安泾河降水量达104.3 mm， 1个站为特大暴雨（临潼铁炉）， 降水量达160.8 mm。18日04:00 -11:00 西安东北部地区、 渭南南部地区有多个站点出现 20 mm∙h-1以上的短时强降水并伴有闪电， 18日04:00 -05:00 ［图1（b）］临潼骊山附近有5个站次雨强大于50 mm∙h-1， 最大雨强出现在铁炉， 为71 mm∙h-1［图1（c）］， 18日07:00 -11:00泾河有3个时次雨强大于20 mm∙h-1， 最大雨强为44 mm∙h-1［图1（c）］。可见， 此次突发性大暴雨具有局地性强、 雨强大、 时段集中等明显的中小尺度对流特征。
图1 2021年7月18日04:00 -16:00 大于30 mm降水区域（a， 等值线， 单位： mm）， 18日04:00 -05:00降水量（b， 等值线， 单位： mm）及泾河站、 铁炉站18日05:00 -14:00逐小时雨强（c）

XA为西安， WN为渭南， JH为泾河， LT为临潼； 图（a）、 （b）中阴影为地形（单位： m）

Fig.1 Precipitation larger than 30 mm from 04:00 to 16:00 （a， contour， unit： mm）， precipitation from 04:00 to 05:00 （b， contour， unit： mm）， hourly rain intensity of Jinghe station and Tielu station from 05:00 to 14:00 （c） on 18 July 2021.XA， WN， JH， LT represents Xi’an， Weinan， Jinghe， Lintong， respectively； In Fig.1 （a） and （b）， the shaded is Topography （unit： m）

3 环流形势

2021年7月17日20:00突发性暴雨发生前， 500 hPa ［图2（a）］西太平洋副热带高压偏北偏东， 588 dagpm 控制中国东北东部-朝鲜半岛东部及日本东南部以东地区， 西脊点126.6°E， 41.3°N。中国东海东部及江苏西南部-安徽中南部地区分别有一低压。大陆高压控制中国西部地区， 高压中心位于青海中南部， 588 dagpm控制陕西以西地区， 陕西位于大陆高压边缘偏北气流中， 西安、 渭南暴雨区500 hPa无明显的天气系统， 无强的温度平流， 斜压性弱。分析700 hPa和850 hPa风场和温度线发现， 700 hPa ［图2（b）］陕西为一致的偏北风， 泾河风速4 m·s-1， 850 hPa ［图2（c）］泾河为2 m·s-1的偏东风， 突发性大暴雨区无明显切变线和较大的风速为大暴雨区输送充沛的水汽， 无暖平流。18日03:00突发性大暴雨发生前地面图上（图略）无明显的冷锋或暖锋。可见， 本次大暴雨天气是在弱天气系统强迫下发生的。
图2 2021年7月17日20:00 500 hPa（a）， 700 hPa（b）及 850 hPa（c）环流形势

虚线为温度场（单位： ℃）， 风向杆为风场（单位： m·s-1）， 黑实线为位势高度场（单位： dagpm）， 小黑数字为700 hPa和850 hPa比湿（单位： g·kg-1）

Fig.2 The circulation situation at 500 hPa （a）， 700 hPa （b） and 850 hPa （c） on 17 July 2021.The dotted line indicates temperature field （unit： °C）， wind barb indicates wind field （unit： m·s-1）， black solid line indicates the potential height field （unit： dagpm）， the smaller black number indicates specific humidity （unit： g·kg-1）

4 突发性大暴雨的环境场条件

4.1　探空分析

分析17日20:00泾河站（图3）探空图可知， 对流有效位能（cape）为1775 J·kg-1， 地面到905 hPa温度露点差大于10 ℃， 905~700 hPa温度露点差大于5 ℃， 486 hPa温度露点差为42 ℃， 低层和中层的大气较干。大气抬升凝结高度较高， 距地面1619 m， 0~6 km垂直风切变9 m·s-1， 为弱的垂直风切变， 0°层较高， 位于5.05 km高度处。虽然CAPE值较大， 由于低层大气较干， 抬升凝结高度较高， 并没有触发强对流降水， 18日07:00之前泾河无短时强降水。
图3 2021年7月17日20:00泾河站T-lnp图

Fig.3 T-lnp of Jinghe Station at 20:00 on 17 July 2021

4.2　突发性大暴雨发生前地面弱降水的作用

突发性大暴雨发生前8 h， 17日20:00关中北部出现短时强降水， 17日21:00至18日03:00西安东北部、 渭南地区雷达图为层状云回波， 部分地方出现弱降水， 最大1 h降水量小于2 mm。地面上弱降水使得暴雨区（西安东北部和渭南南部）相对湿度明显增大， 17日20:00 ［图4（a）］暴雨区相对湿度为40%~50%， 18日03:00 ［图4（b）］暴雨区相对湿度大于80%， 骊山附近大于90%。17日23:00至18日03:00气温仍维持在24~28 ℃， 比关中北部、 西部高出2~4 ℃， 露点温度为21~23 ℃， 暴雨区仍为高温高湿区。此外， 暴雨区大气抬升凝结高度大幅度降低， 17日20:00泾河抬升凝结高度距离地面1619 m， 18日03:00仅为310 m， 低的抬升凝结高度使得较弱的抬升即有可能触发对流， 有利于中尺度对流系统的生成（Brooks et al， 2003）， 抬升凝结高度低则云底高度低， 降水蒸发量小， 这对提高降水效率非常有利（孙继松， 2017）。
图4 2021年7月17日20:00（a）和18日03:00（b）地面相对湿度（单位：%）

XA为西安， WN为渭南， JH为泾河， LT为临潼

Fig.4 Relative humidity on surface at 20:00 on 17 （a） and at 03:00 on 18 （b） July 2021.Unit：%.XA， WN， JH， LT represents Xi’an， Weinan， Jinghe， Lintong， respectively

4.3　突发性大暴雨的水汽和能量条件

暴雨的发生需要充沛的水汽条件（Chen et al， 2005； Zhang et al， 2006； 丁一汇， 2015； 张俊兰等， 2021； 陈宏等， 2021； 刘红武等， 2021； 任丽等， 2021； 布和朝鲁等， 2022； 王美月等， 2022； 李生辰等， 2022； 蒋伊蓉等， 2022）， 17日20:00 850 hPa和700 hPa均无较大的风速向暴雨区输送水汽， 泾河探空大气整层可降水量48 mm， 而泾河12 h降水量104 mm， 仅仅靠本地的水汽显然是不够的， 大暴雨区充沛的水汽条件是如何形成的呢？
分析泾河雷达垂直风廓线和临潼激光测风雷达风场可以看出， 大暴雨发生前低层偏东风风速增大并维持较大风速。17日18:30 -20:00临潼激光测风雷达低层偏东风及泾河雷达1.2 km以下的偏东风由原来的2~4 m·s-1逐渐增大至6~10 m·s-1［图5（a）］， 至18日03:30临潼暴雨触发前［图5（b）］低层仍维持着6~8 m·s-1的偏东风。ERA5再分析数据相应时段也可以看到低层维持6~10 m·s-1的偏东风（图略）。
图5 2021年7月17日21:06 -22:05泾河雷达垂直风廓线（a， 单位： m·s-1）和18日01:46-02:16临潼激光测风雷达风场（b， 单位： m·s-1）

Fig.5 Vertical wind profile of Jinghe radar from 21:05 to 22:05 on 17 （a， unit： m·s-1）， and wind field of Lintong laser wind lidar from 01:46 to 02:16 on 18 （b， unit： m·s-1） July 2021

在通常情况下， 湿度的局地变化， 取决于第一项水汽平流和第二项水汽垂直交换， 即水汽的局地变化方程（朱乾根等， 2007）为：
∂ q ∂ t = - V ⋅ ∇ h q - w ⋅ ∂ q ∂ z
式中： q为比湿（单位： g·kg-1）； t为时间（单位： s）； V为水平风的全速度（单位： m·s-1）； w为垂直速度（单位： m·s-1）； z为高度（单位： m）。
从大暴雨附近（109.75°E， 34.75°N）比湿度平流随时间变化剖面［图6（a）］可见， 17日20:00至18日04:00 850 hPa以下比湿平流均为正值， 17日21:00 -23:00比湿平流达到1.2×10-4 g·kg-1·s-1， 根据水汽的局地变化方程可知比湿随着时间增大。沿着34.75°N作比湿和风场垂直剖面可以看到， 17日20:00至18日05:00在大暴雨区附近（109°E -110°E）有6~10 m·s-1低层偏东风向大暴雨区输送比湿， 850 hPa以下比湿逐渐增大， 17日20:00大暴雨区上空（109°E -110°E） 900 hPa比湿均低于14 g·kg-1， 17日23:00增大到16 g·kg-1， 18日03:00 14 g·kg-1伸展到850 hPa［图6（b）］附近， 900 hPa比湿大于16 g·kg-1。可见， 低层偏东风将东侧较大的比湿向暴雨区输送， 低层正的比湿平流增大了大暴雨附近的局地水汽。
图6 2021年7月17日20:00至18日05:00大暴雨区附近（34.75°N， 109.75°E） 比湿平流垂直剖面（a， 单位： ×10-5 g·kg-1·s-1）和18日03:00沿34.75°N风场（矢量， 单位： m·s-1）和比湿场（实线， 单位： g·kg-1）的垂直剖面（b）

阴影为地形

Fig.6 Vertical section of specific humidity advection （unit： ×10-5 g·kg-1·s-1） near the torrential rain area （34.75°N， 109.75°E） from 20:00 on 17 to 05:00 on 18 July 2021 （a）， and vertical section of wind （vector， unit： m·s-1） and specific humidity （solid line， unit： g·kg-1） along 34.75°N at 03:00 on 18 July 2021 （b）.The shaded area is terrain

分析17日20:00至18日04:00云图、 风场和上升运动发现， 大暴雨区有低云覆盖（图略）， 低层有偏东风的辐合［图7（a）］及弱的上升运动（109°E， 34.5°N）［图7（b）］。17日20:00至18日05:00泾河附近（109°E， 34.5°N）水汽垂直交换项随时间变化垂直剖面［图8（a）］表明， 800 hPa以下 - w ∂ q ∂ z均大于0， 18日02:00 -04:00 550 hPa以下 - w ∂ q ∂ z大于0， 850 hPa以下有1.0×10-5 g·kg-1·s-1的比湿平流。根据水汽的局地变化方程可知正比湿平流使得大暴雨区局地水汽增大。分析泾河附近整层可降水量和微波辐射计探测的水汽密度、 相对湿度可见较大的整层可降水量和较厚的湿层。泾河附近整层可降水量［图8（b）］17日20:00为49 mm， 18日05:00增大至55 mm。17日22:00至18日05:00泾河地面至中高层有着较大的水汽密度， 图9（a）可见地面到1 km附近水汽密度均大于13 g·m-3， 7 km以下均大于1 g·m-3。17日22:00至18日05:00泾河地面至中高层有着较大的相对湿度， 地面到7 km相对湿度均大于60% ［图9（b）］。
图7 2021年7月18日03:00 900 hPa风场（矢量， 单位： m·s-1）和散度场（等值线， 单位： ×10-5 s-1）（a）和2021年7月17日20:00至18日05:00（109°E， 34.5°N）上升速度垂直剖面（单位： ×10-2 Pa·s-1）（b）

（a）中阴影为地形

Fig.7 Superposition of wind field （vector， unit： m·s-1） and divergence field （contour， unit： ×10-5 s-1） of 900 hPa at 03:00 on 18 July 2021 （a）， and vertical section of ascending velocity （unit： ×10-2 Pa·s-1） from 20:00 on 17 to 05:00 on 18 July 2021 （b）.In Fig.7（a）， the shaded area is terrain

图8 2021年7月17日20:00至18日05:00大暴雨区（109°E， 34.5°N）水汽垂直交换量垂直剖面（a， 单位： ×10-5 g·kg-1·s-1）和大气整层可降水量（b）

Fig.8 Profile of water vapor exchange of the torrential rain area （109°E， 34.5°N） （a， unit： ×10-5 g·kg-1·s-1） and precipitable amount of total atmosphere （b） from 20:00 on 17 to 05:00 on 18 July 2021

图9 泾河微波辐射计2021年7月17日18:00至18日12:00的水汽密度（a， 单位： g·m-3）和相对湿度（b， 单位：%）垂直剖面

Fig.9 Water vapor density （a， unit： g·m-3） and relative humidity （b， unit：%） of Jinghe microwave radiometer from 18:00 on 17 to 12:00 on 18 July 2021

从大暴雨发生前泾河附近（109°E， 34.5°N）假相当位温和风场随时间变化剖面可知， 低层偏东风向暴雨区输送能量， 17日21:00 850 hPa 假相当位温开始增大， 17日23:00 至18日05:00 ［图10（a）］ 950~850 hPa假相当位温维持在348 K以上。18日03:00泾河附近（109°E， 34.5°N）大气层结不稳定， 对流有效位能为544 J·kg-1［图10（b）］， 理论上最大上升速度 32 m·s-1， 当对流触发时， 对流有效位能的释放为暴雨提供较为强烈的上升运动。
图10 2021年7月17日20:00至18日05:00泾河附近（109°E， 34.5°N）假相当位温（等值线， 单位： K）和风场（矢量， 单位： m·s-1）垂直剖面（a）和T-lnp图（b）

Fig.10 Vertical section of pseudo-equivalent potential temperature （contour， unit： K） and wind field （vector， unit： m·s-1） near Jinghe from 18:00 on 17 to 12:00 on 18 July 2021 （109°E， 34.5°N） （a） and T-lnp （b）

5 中尺度对流系统发生发展演变及触发机制

5.1　中尺度对流系统发生发展演变

本文采用Orlanski （1975）尺度标准和马禹（1997）中尺度对流系统识别办法， 定义云顶亮温TBB -32 ℃以下尺度20~200 km为中-β尺度对流系统。7月18日04:00西安东北部和渭南地区被低云覆盖， 临潼骊山有一TBB -10 ℃对流云生成。18日03:46:41 -03:52:38［图11（a）， （b）］泾河雷达组合反射率因子可见对流单体最先在临潼骊山附近生成， 骊山北侧及附近灞河谷地入口分别有多个中-γ尺度对流单体生成并发展加强。18日05:00［图12（a）］骊山附近对流云发展加强， 形成长轴（小于-32 ℃区域， 下同）约为50 km， TBB中心值高于 -52 ℃， 孤立的中-β尺度对流系统A。06:00 -07:00［图12（b）］中-β尺度对流系统A处于准静止状态， 范围进一步增大， 07:00长轴约100 km。18日04:00 -07:00［图11（c）~（e）］组合反射率因子显示， 骊山及邻近地区有多个中-γ尺度对流单体合并为中-β尺度对流单体， 其周围又有多个中-γ尺度或中-β尺度对流单体触发， 单体结构松散， 组织性差， 中-γ尺度或中-β尺度单体共同形成中-β尺度对流系统。泾河东北侧触发的中-γ尺度或中-β尺度对流单体向西南方向缓慢移动， 造成西安东北部和渭南南部地区短时强降水天气。泾河东南侧触发的中尺度对流系统向东南方向移动， 造成秦岭南部短时强降水（秦岭南部降水本文不研究）。
图11 2021年7月18日泾河雷达组合反射率因子（单位： dBZ）

Fig.11 Composite reflectivity factor of Jinghe Radar on 18 July 2021.Unit： dBZ

图12 2021年7月18日05:00（a）， 07:00（b）， 08:00（c）和11:00（d） TBB分布 （单位： ℃）

Fig.12 Hourly TBB at 05:00 （a）， 07:00 （b）， 08:00 （c） and 11:00 （d） on 18 July 2021.Unit： ℃

18日08:00 TBB图上（图12c）中-β尺度对流系统A分裂成两个TBB中心高于-52 ℃中-β尺度对流系统B和C， 系统B长轴约100 km， 系统C影响秦岭南部（本文不研究）。08:00 -11:00［图12（d）］系统B稳定维持在秦岭北麓西安东北部及渭南南部地区并向四周略有扩展， 长轴增大至120 km， 冷云中心TBB仍高于-52 ℃。07:15:52 -08:33:34组合反射率因子［图11（f）］图表明， 泾河以东地区有多个中-γ尺度对流单体生成， 单体结构松散、 组织性差， 泾河东北的对流单体向西南方向缓慢移动， 07:27:50单体形成一长条状经过泾河， 07:40 -08:40造成泾河降水57.8 mm。09:33:18泾河东北侧仍有对流单体生成， 并在09:57:12 -10:44:57经过泾河上空， 造成11:00的雨强达21.3 mm∙h-1， 11:00之后突发性暴雨区短时强降水基本结束。
沿着图11（b）、 （c）、 （e）中黑色实线作对流单体反射率因子剖面［图13（a）~（c）］发现， 50 dBZ以上的强回波基本在6 km以下， 对流单体有着低质心， 其反射率因子大值中心上下较为一致， 且具有高效率暖云降水特征（孙继松， 2017； 俞小鼎， 2013）。雷达径向风速［图14（a）， （b）］表明， 强降水区域低层为中尺度辐合区， 高层为中尺度辐散区。
图13 2021年7月18日03:52:38（a）， 04:28:28（b）和06:39:58（c）泾河雷达反射率因子垂直剖面（单位： dBZ）

Fig.13 Vertical section of composite reflectivity factor of Jinghe radar at 03:52:38 （a）， 04:28:28 （b） and 06:0039:58 （c） on 18 July 2021.Unit： dBZ

图14 2021年7月18日07:39:47泾河雷达（108.97°E， 34.43°N）1.5°仰角（a）和6.0°仰角（b）径向速度（单位： m·s-1）

Fig.14 Radial velocity of Jinghe radar （108.97°E， 34.43°N） 1.5° elevation （a）， 6.0° elevation （b） at 07:39:47 on 18 July 2021.Unit： m·s-1

以上分析可知， 雷达组合反射率因子图上泾河东北侧不断有对流单体生成并向西南方向缓慢移动， 强回波中心基本在6 km以下， 因此对流系统环境平流方向主要取决于400 hPa以下环境承载风， 沿泾河东北侧（109.5°E， 34.75°N）作风场垂直剖面随时间变化［图15（a）］可以看到， 18日06:00之后800 hPa以下为4~7 m·s-1东北风， 600~550 hPa为4~5 m·s-1西北风， 500~400 hPa为1~2 m·s-1弱西北风， 因此环境承载平均风为东北风， 即： 环境平流方向为西南， 而中-β尺度对流对流系统传播方向为东北向（与平流方向相反）属于后向传播， 系统缓慢向西南方向移动［移动方向为传播和平流的矢量和， 图15（b）］。泾河东北侧中-β尺度对流系统中多个中-γ尺度或中-β尺度对流单体自东北向西南方向缓慢移动， 形成“列车效应”， 造成泾河大暴雨天气。
图15 2021年7月18日05:00 -10:00沿暴雨区中心（109.5°E， 34.75°N）风矢量（矢量）和全风速（等值线）垂直剖面（a， 单位： m·s-1）和突发性暴雨区中-β尺度对流系统传播平流移动示意图（b）

Fig.15 Vertical section of wind （vector） and full wind speed （contour） along the center of the torrential rain area （109.5°E， 34.75°N） from 05:00 to 10:00 on 18 July 2021 （a， unit： m·s-1）， Schematic diagram of propagation and advection of the meso-β scale convective system in an abrupt rainstorm area （b）

5.2　中尺度对流系统的触发机制

以往的暴雨个例研究表明地面辐合线和地形触发对流（谌芸等， 2018； 雷蕾等， 2020）。突发性暴雨发生前存在低云， 低层偏东风弱辐合产生的弱上升运动为暴雨的触发提供弱的抬升条件， 但仅靠弱上升运动是不可能触发强对流的， 那么强对流如何触发的呢？分析地面流场（图16）、 低层风场及地形发现， 地面弱冷空气造成辐合线和骊山对低层偏北风的抬升和灞河谷地狭管效应共同作用触发初始对流， 造成强降水， 并在地面形成冷池， 冷池出流主要在泾河东侧高温高湿区形成地面辐合线， 触发多个新的对流单体。
图16 2021年7月18日03:45（a）， 04:45（b）， 05:45（c）， 07:45（d）地面2 min平均流场（流线）和地面散度场（彩色区， 单位： ×10-4 s-1）

Fig.16 2-minute average wind field （streamline） and divergence field （color area， unit： ×10-4 s-1） on surface at 03:45 （a）， 04:45 （b）， 05:45 （c） and 07:45 （d） on 18 July 2021

18日03:00地面图（图略）我国东部沿海地区位于西太平洋副热带高压东侧的气压梯度中， 自渤海至陕北气压逐渐减小， 关中地区为均压场， 关中东部高温高湿区为东北风， 关中西北部有弱冷空气［图17（a）］， 在弱冷空气作用下， 风向为西北风或偏西风， 关中西北部偏西或西北风与关中东部东北风在西安东北-渭南南部形成地面辐合线。18日03:45［图16（a）］地面图临潼骊山附近有地面辐合线形成， 散度为-2×10-4 s-1， 在109.5°E -110°E， 35°N - 35.5°N无山脉影响也有地面辐合线存在， 但并无对流单体产生， 仅骊山附近出现初始对流单体。可见， 对流的触发除了和地面辐合线有关外， 还与骊山地形的作用有关。骊山海拔1300 m， 低层的偏北风被迎风坡抬升， 06:00 ERA5再分析数据可见骊山迎风坡强迫抬升低层偏北气流这一特征［图17（b）］。此外， 骊山东侧与秦岭的箭欲岭相连， 在西安的东南部形成一个向西开口的喇叭口状灞河谷地， 偏北风进入谷地， 由于狭管效应气流辐合抬升（杜继稳等， 2007）。可见地形抬升、 狭管效应与地面辐合线共同触发初始对流。04:45 -05:45［图16（b）~（d）］， 临潼骊山附近05:00比前一小时气温下降3.2 ℃， 因强降水形成冷池， 地面流场向外出流， 冷池范围不断扩大， 散度场上表现1×10-4~2.5×10-4 s-1辐散区， 冷池出流在四周高温高湿区形成数值为-2.5×10-4~-1×10-4 s-1近似圆圈状辐合线， 触发对流单体。07:45可以看到， 冷池出流在泾河西侧的辐合非常弱， 没有对流单体生成， 而泾河东侧高温、 高湿、 高能区地面辐合线触发多个对流单体。
图17 2021年7月18日03:00地面订正到海拔500 m的温度（a， 单位： ℃）和06:00沿着突发性暴雨区（109.25°N）的经向环流（流线）和垂直上升速度（虚线， 单位： ×10-1 Pa·s-1）（b）

（b）中阴影为地形， 黑色长方体为骊山

Fig.17 Corrected temperature from ground to 500-metre above sea level at 03:00 （a， unit： ℃）， and meridional circulation （streamline） and vertical ascent velocity （dotted line， unit： ×10-1 Pa·s-1） along the torrential rain area （109.25°N） at 06:00 （b） on 18 July 2021.The shaded area is terrain， and the black square is Lishan in Fig.17（b）

6 结论

2021年7月18日秦岭北麓西安东北部、 渭南南部等地出现突发性暴雨、 大暴雨局地特大暴雨天气， 除了广东中尺度模式， 欧洲中心全球模式和多个中尺度模式漏报。为了深入认识此类暴雨的形成机制， 提高其预报准确率并提供有价值的预报思路， 本文利用多种数据对此次天气过程的环流形势、 环境场条件、 中尺度对流系统发生发展演变及触发机制进行分析， 结论如下：
（1） 突发性大暴雨发生前， 500 hPa位于大陆高压边缘， 无明显的冷暖平流， 斜压性弱， 700 hPa、 850 hPa无切变线和暖平流， 风速在2~4 m·s-1， 无较大风速为大暴雨区输送水汽， 地面没有冷锋或暖锋， 此次暴雨是在弱天气系统强迫下发生的。
（2） 大暴雨发生前环境条件有利于大暴雨的发生： 探空图大气0 ℃层较高， 0~6 km垂直风切变弱； 地面弱降水使得抬升凝结高度和云底高度降低， 有利于中尺度对流系统的生成并提高降水效率， 地面为高温高湿区； 雷达风廓线图和激光测风雷达图上， 低层偏东风增大至6~10 m·s-1， 低层增大的偏东风为大暴雨区输送充沛水汽及能量， 大气有一定的对流有效位能； 云图、 ERA5再分析资料及微波辐射计数据发现中低层弱上升运动使得暴雨区有着深厚的湿层和较大的整层可降水量。
（3） 云顶亮温发现突发性大暴雨由准静止孤立的中-β尺度对流系统造成的。雷达回波表明强降水由中-γ尺度对流单体或中-β尺度对流单体造成， 对流单体在弱垂直风切变环境条件下结构松散， 组织性差。单体反射率因子具有低质心和高效率暖云降水特征， 其中心值为上下一致的垂直型结构。
（4） 地面弱冷空气造成的地面辐合线， 与骊山地形抬升、 灞河谷地狭管效应辐合共同作用触发初始对流单体， 产生强降水， 强降水形成冷池， 冷池出流主要在泾河东侧高温高湿区形成地面辐合线， 触发多个新的对流单体。泾河东北侧中-β尺度对流系统后向传播， 其中多个中尺度对流单体自东北向西南方向缓慢移动， 形成“列车效应”， 造成泾河大暴雨天气。
大陆高压边缘弱天气系统强迫下的突发性大暴雨， 需要增强对其形成机制的认识并关注前期弱降水对近地面增湿和抬升凝结高度的影响， 新型测风资料中低层偏东风增大对暴雨区水汽和能量的输送条件， 地面辐合线和地形共同作用触发对流的可能性， 重视中尺度数值模式预报的极值， 综合考虑突发性大暴雨的可能性。

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