Plateau Meteorology

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2025 , Vol. 44 >Issue 1: 178 - 190

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2024.00051

Comparative Analysis of Rainstorm Triggering Conditions at the Northern and Sorthern Piedmont of the Qinling Mountains

  • Maifeng WU ,
  • Shuting QIAO ,
  • Damei GUO ,
  • Xiaotong REN
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  • 1. Weinan Meteorological Bureau of Shaanxi Province，Weinan 714000，Shaanxi，China
    2. Shaanxi Meteorological Observatory，Xi 'an 710014，Shaanxi，China

Received date: 2023-10-19

  Revised date: 2024-04-02

  Online published: 2024-04-02

Fold

Abstract

A heavy rainstorm process occurring simultaneously at the northern and southern piedmont of the Qinling Mountains from August 21 to 22， 2021 is compared and analyzed to explore the influence mechanism of the triggering conditions at the northern and sorthern piedmont of the Qinling Mountains by using the real-time meteorological observation data， FY-2G satellite cloud images， doppler radar data and ERA5 0.25°×0.25° hourly reanalysis data.The result shows that on the flow field of the northern piedmont of the Qinling Mountains， the westerly system forms a meso-scale cyclonic circulation in the lower troposphere under the special topography of the Qinling Mountains， which triggers heavy rainfall through thermal effects.Convective precipitation is short-lived and its intensity is weak.The enhancement of wet baroclinicity is a signal of the beginning of the rainstorm at the northern Qinling Mountains.The precipitation ends when the wet baroclinicity weakens and the specific humidity of the middle layer decreases.For the southern piedmont of the Qinling Mountains， the formation of mesoscale convergence lines in the lower tropospheric flow field under the effect of topography triggers the rainstorm.The condensation latent heat released by precipitation heats the lower atmosphere and establishes a convective instable structure， together with the cold intrusion in the middle and lower layers， which leads to the enhancement of the upward movement and the precipitation.Under the high temperature and humidity environment， the convective cloud organizes and develops rapidly to form the MCC， which has a high convective intensity， deep convective tropospheric junctions， and powerful hourly rainfall.The timing of the invasion and diffusion of cold air in the lower and middle layers to the ground represent the beginning and end of heavy rain at the sorthern Piedmont of the Qinling Mountains respectively.

Key words： the Qinling Mountains terrain; rainstorm; dynamic effect; thermal action

Cite this article

Maifeng WU , Shuting QIAO , Damei GUO , Xiaotong REN . Comparative Analysis of Rainstorm Triggering Conditions at the Northern and Sorthern Piedmont of the Qinling Mountains[J]. Plateau Meteorology, 2025 , 44(1) : 178 -190 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2024.00051

1 引言

地形对强降水具有显著影响（孙继松， 2005； 廖菲等， 2009； 章翠红等， 2018； 李国平等， 2021）， 华北地区极端暴雨累计降雨量最大区域一般在山区向平原地区的过渡带； 陈双等（2016）发现地形强迫在雷暴上山增强时起主要作用， 地形抬升促进强辐合区的形成， 加剧对流发展， 增强雷暴前方的动力和热力不稳定性。章翠红等（2018）研究发现地形促使冷池出流下山速度加快、 冷池出流厚度升高以及冷池出流与偏东暖湿气流的辐合抬升作用是雷暴新生和加强的重要影响因素。陈炯等（2013）研究表明中国短时强降水时次频率的地理分布同暴雨分布非常相似。地形对风暴系统的影响过程是非常复杂的， 雷暴系统是否能够快速下山以及下山之后是否能够发生组织形态、 传播速度和生消变化等， 不仅与垂直风切变变强、 弱等环境大气特征有关（陈明轩等， 2013； 张家国等， 2015； 易笑园等， 2023； 韦惠红等， 2022）， 也受到低空环境风、 山体和雷暴系统之间复杂的相互作用过程影响（陈明轩等， 2013； 赵宇等， 2017； 徐珺等， 2018； 李桉孛等， 2024）。
秦岭是陕西省中南部渭河与汉江之间的山地， 位于32°N -34°N， 东西绵延400~500 km， 南北宽100~150 km， 是陕西省关中和陕南的分界线， 也是长江和黄河流域的分水岭。已有的研究表明， 地形对秦岭南北麓暴雨有不同的影响。通过地形敏感性试验发现， 大巴山峡口地形将大量暖湿气流向北输送， 在秦岭南侧和东侧的迎风坡上产生强降水， 而峡口两侧由于地形阻挡气流通过， 使其下游地区降水减少； 地形作用使大巴山脉北侧的汉江河谷下游产生附加的东北气流， 东北气流遇大巴山阻挡转为东南气流流向秦岭南坡的喇叭口地形处， 由于狭管效应形成中尺度气旋， 从而使秦岭东南坡和渭河河谷下游强降水增加（毕宝贵等， 2006）。王楠等（2018）的研究表明， 在秦岭北麓， 由于局地热力环流和变压梯度共同作用， 地面风速迅速增大形成超低空强西风带。超低空急流与秦岭地形迎风坡产生水平辐合， 造成气旋性涡度增加， 对迎风坡降水产生增幅作用（王楠等， 2018； 李桉孛等， 2024）； 同时， 超低空偏西风急流增大了急流前方的风速辐合， 为降水区带来低空水汽输送， 但超低空西风较强容易破坏雷暴单体的垂直结构， 又使得降水不能长时间维持（王楠等， 2018）。另外， 秦岭山脉迎风坡的动力爬升和云物理作用有助于陕西中南部暴雨的发生和加强（张雅斌等， 2016）。赵强等（2022）研究认为， 秦岭地形对于对流的移动和传播有明显影响， 在关中北部新生对流南移过程中容易在秦岭北麓沿山维持， 造成暴雨天气， 而在秦岭北麓的地形辐合线上产生新生的对流系统， 其出流边界触发平原地区对流发展， 强降水持续时间较短， 更易产生大范围雷暴大风天气。
以上的研究均为地形对暴雨产生影响的机理分析， 秦岭地形对其南北麓暴雨触发条件的影响机制还鲜有研究。本文选取2021年同时发生在秦岭南北麓， 降水范围广、 小时雨强大的一次暴雨个例， 对比分析秦岭南北麓暴雨触发条件的异同点， 研究秦岭南北麓暴雨强度与地形的关系以及地形对南北麓暴雨触发条件的影响机制， 以期为秦岭南北麓暴雨的预报着眼点以及落区、 量级， 甚至预报预警的发布级别提供更具体的参考依据。

2 秦岭南北麓和使用数据简介

秦岭南麓位于秦岭和大巴山之间［图1（a）］， 包括陕南的汉中、 安康地区和商洛的秦岭山南部分， 长年气候温润， 降水充沛， 位于秦岭南麓西部的汉中盆地有“西北小江南”之称； 秦岭北麓北接渭河， 介于陕北高原与秦岭山地之间， 是渭河的冲积平原， 包括关中的渭南、 西安、 宝鸡等地市南部地区， 该地冬季寒冷干燥， 夏季炎热多雨。秦岭南麓和北麓仅一山之隔， 但气候差异很大， 夏季降水强度也大不相同。本文着重就一次暴雨过程中秦岭对其南北麓暴雨的触发条件进行对比分析， 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）1719号］的中国地图制作， 底图无修改。
图1 秦岭地形海拔（a， 彩色区， 单位： m； 三角为泾河和勉县位置）， 2021年8月21日20:00至22日20:00降水量分布（b， 彩色区， 单位： mm）以及泾河和勉县强降水时段的小时雨量（c， 单位： mm）

Fig.1 Topographic altitude of the Qinling Mountains （a， color area， unit： m， the triangles show the locations of Mianxian and Jinghe respectively）， the distribution of precipitation from 20:00 on 21 to 20:00 on 22 August 2021（b， colore area， unit： mm） and the hourly rainfall during the periods of heavy precipitation at Jinghe and Mianxian （c， unit： mm）

文中使用的资料包括： （1）常规地面观测、 高空探测资料； （2）FY-2G卫星云图、 西安和汉中C波段雷达资料； （3）欧洲中期天气预报中心ERA5全球再分析资料， 水平分辨率为0.25°×0.25°， 时间分辨率为1 h， 垂直方向（1 000~1 hPa）共37层。

3 天气实况和天气形势

3.1　降水量和小时雨强对比分析

2021年8月21 -22日， 陕西出现了当年最强的一次暴雨天气过程， 雨带自北向南呈现向西延伸、 大暴雨范围增大、 雨强增大的特点［图1（b）］。秦岭北麓强降水主要集中在21日23:00（北京时， 下同）至22日05:00［图1（c）］， 最大降水量位于咸阳礼泉143.3 mm。考虑到获取资料全面性， 选取降水量最大的国家气象站泾河（108.98°E， 34.45°N， 站号57131）作为秦岭北麓代表点， 该站8月22日的日降水量达101.9 mm， 突破该站8月的日降水量历史极大值（85.2 mm， 2007年8月8日）， 强降水时段内7 h降雨量达82.2 mm， 最大小时雨强为22日00:00 24.0 mm·h-1［图1（c）］。选取秦岭南麓降水量最大的勉县（106.69°E， 33.15°N， 站号57119）作为代表站， 该站强降水时段为21日23:00至22日03:00， 5 h降水量达202.1 mm， 日降雨量224.1 mm， 最大小时雨强为22日00:00 72.5 mm·h-1［图1（c）］， 分别突破该站日降水量（147.5 mm， 2008年7月21日）和小时雨强极值（59.9 mm·h-1， 1971年7月7日）。
对比泾河和勉县逐小时降水量［图1（c）］可以看出， 秦岭南麓（勉县）共有6 h的小时雨强大于10 mm， 其中有连续4 h的小时降水量≥20 mm； 而秦岭北麓（泾河）有4 h的小时雨强大于10 mm， 仅有1 h的小时雨强≥20 mm。以上分析可知， 本次降水过程中， 无论是降水的激烈程度还是持续时间， 秦岭北麓均弱于秦岭南麓。
根据中国气象局《全国短时临近预报业务规定》定义， 1 h降水量≥20 mm为短历时强降水， 结合陕西省气候中心评价， 该次暴雨过程中秦岭南北麓均伴有短历时强降水， 综合强度达到强等级， 秦岭南麓的过程降水总量和小时雨强更大。那么秦岭山脉在暴雨发生中起到了什么关键作用， 下面首先从秦岭南北麓暴雨的环流形势入手进行分析。

3.2　环流形势分析

2021年8月21日08:00， 500 hPa（图略）欧亚高纬度有宽广的低槽， 中国东北地区有冷涡， 中纬度气流平直且多短波槽活动， 西太平洋副热带高压（简称西太副高， 下同）发展强盛， 西伸脊点位于（80°E， 30°N）附近。南亚大陆高压（简称大陆高压， 下同）盘踞在中国西南地区。21日20:00［图2（a）］， 500 hPa西太副高南压与大陆高压合并后横亘在中国中低纬地区， 宁夏至甘肃南部有短波槽东移。700 hPa中纬度陕西关中和陕南之间有切变线发展， 一支≥12 m·s-1的低空急流经云南、 四川延伸至陕西秦岭以南地区， 急流轴上最大风速达16 m·s-1。850 hPa一支风速≥8 m·s-1、 最大为10 m·s-1的东南风急流经广西、 湖北延伸到秦岭南麓。200 hPa高空黄河以南有一高压中心值达1270 dagpm的大陆高压， 高压中心位于（30°N， 90°E）附近， 风速较小， 但其北部35°N -50°N有沿纬向分布、 风速≥30 m·s-1的高空急流带。
图2 2021年8月21日20:00高空形势配置图（a）和23:00地面形势场（b）

（a）中黑色实线为500 hPa等高线（单位： dagpm）； 红色实线为850 hPa等温线（单位： ℃）； 绿色阴影为200 hPa ≥30 m·s-1的大风速区； 紫色箭头为200 hPa高空急流轴； 棕色粗实线为500 hPa槽线； 棕色双实线为700 hPa切变线； 棕色细箭头为700 hPa低空急流轴； 红色粗箭头为850 hPa低空急流轴； （b）中黑色实线为等压线（单位： hPa）； 红色数字为地面2 m气温（单位： ℃）； 天蓝色锯齿为锋面图中N、 L、 G、 D分别为暖中心、 冷中心、 高压中心、 低压中心； 蓝色实心圆点分别为泾河和勉县位置

Fig.2 Configuration diagram of the upper layer at 20:00 （a） and surface map at 23:00 （b） on 21 August 2021.（a）The black solid line represents the geopotential height of 500 hPa （unit： dagpm）； the red solid line is 850 hPa isotherm （unit： ℃）； the green shaded part is the high wind speed area of 200 hPa， where the wind speed ≥30 m·s-1； the purple arrow is the upper air jet axis of 200 hPa； the brown thick solid line is 500 hPa trough line； the brown double solid line is 700 hPa shear line； the brown thin arrow is 700 hPa low-level jet axis； red thick arrow is 850 hPa low-level jet axis.（b） The black solid line is isobaric line （unit： hPa）； the red number is 2 m temperature （unit： ℃）； the azure sawtooth is the cold front.In Fig.2， N， L， G and D are the warm center， cold center， high pressure center and low pressure center respectively； the blue solid dots show the locations of Jinghe and Mianxian respectively

23:00（图略）500 hPa短波槽移至陕西、 四川、 湖北三省交界处， 槽前较强的西南气流影响陕西中南部。地面上， 亚洲［图2（b）］呈西高东低形势， 蒙古国东部、 新疆南部和四川附近各有一低压中心， 贝加尔湖以西到喀什湖以北是一强大的高压， 甘肃、 宁夏到陕西西部有扩散南下的小高压。地面冷锋从内蒙古东部低压中心延伸至陕西西部小高压前， 之后锋面北缩东移， 也就是说秦岭北麓的降水并非锋面过境诱发， 但锋面东移过程中对秦岭北麓环境场有一定强迫抬升作用。秦岭南麓位于低压环流中， 强降水位于冷暖空气的交界面附近。
因此， 500 hPa短波槽是秦岭南北麓暴雨的共同影响系统， 700 hPa切变线为暴雨提供了强的动力抬升作用， 700 hPa和850 hPa低空急流为暴雨区输送了充沛的水汽。但配置结构上略有不同： 秦岭北麓暴雨区位于700 hPa低空急流的左前方和高空急流轴附近， 高低空急流耦合和地面冷锋的动力强迫为秦岭北麓暴雨的形成提供了充沛的水汽和足够的动力抬升条件； 秦岭南麓暴雨区位于200 hPa强大的南亚高压与低层850 hPa低压区的重叠区域以及700 hPa和850 hPa低空急流大风速核的左前方。上述三个条件耦合使得秦岭南麓低层具有高能高湿的大气环境条件和持续充沛的水汽和能量输送。高低层环流的不同配置是秦岭南北麓暴雨触发条件不同的重要诱因， 也是影响降水强度、 降水性质和持续时间的制约因素， 那么本次秦岭南北麓暴雨的触发条件及其物理机制和对流性质有何不同， 降水强度不同的主要原因又是什么？下面逐一展开分析和讨论。

4 秦岭山脉南北麓暴雨触发条件对比分析

4.1　触发暴雨的中尺度系统对比分析

21日22:00的850 hPa流场［图3（a）］上， 从南方来的偏南气流受到秦岭地形阻挡分为两路， 一路气流继续向北从秦岭东部绕流后转向西北进入秦岭北麓关中地区， 与从东部喇叭口开阔地形流入的东风气流汇合流向西偏南方向， 在陕甘宁三省交汇处遇到相对强劲的西北气流（冷空气）并与之相互作用， 气流在陕西西部改向东南， 再次受到秦岭山脉阻挡后转向东北， 在秦岭北麓形成了明显的气旋性环流（黑色虚线所示）。气旋性环流形成初期［图3（b）］， 后部有明显的暖平流， 南部为冷平流， 23:00气旋性环流南压［图3（c）］， 南部冷平流逐渐被暖平流替代［图3（d）］， 形成相对暖心低压， 22日00:00， 东路回流冷空气在秦岭山脉附近堆积， 气旋性环流中心温度平流减至-6×10-3 ℃·s-1。因此该气旋性环流是流场在盆地地形作用下的产物， 其演变和移动同样受到盆地地形影响。21日22:00的850 hPa流场上， 另一路气流受秦岭阻挡后改向西流入秦岭南麓［图3（a）］， 与翻越巴山的气流汇合到达秦岭南麓西部后， 遇到北部翻越秦岭南下的冷空气， 形成北风与东风的辐合（黑色虚线）。21日23:00［图3（c）］， 随着偏北风的增大辐合进一步增强， 该时次勉县开始出现31.7 mm·h-1的短历时强降水。
图3 2021年8月21日22:00 （上）与23:00 （下）850 hPa风场（a， c， 矢量， 单位： m·s-1）和温度平流（b， d， 等值线， 单位： ×10-3 ℃·s-1）

阴影为海拔（单位： m）， 三角分别为勉县和泾河位置

Fig.3 The wind field of 850 hPa（a， c， vector， unit： m·s-1） and the temperature advection of 850 hPa （b， d， contour， unit： ×10-3 ℃·s-1） at 22:00 （top） and 23:00 （bottom） on 21 August 2021.Shaded represents the elevation （unit： m） and the triangles show the locations of Mianxian and Jinghe respectively

西安多普勒雷达（站址位于泾河）22:32的径向速度（V27号产品）3.4°仰角图［图4（a）］上， 泾河上空出现速度模糊， 有≥15 m·s-1的低空急流［图4（a）］（黑色箭头）， 通过雷达波束与距离和仰角的关系估算（俞小鼎等， 2015）， 这是存在于850~700 hPa的低空急流， 西安和咸阳之间有明显的径向速度辐合［图4（a）］（黑色虚线）。风廓线资料图［图4（c）］上显示从该时次开始， 低层0.6 km高度的风速增大到6 m·s-1以上， 22:44［图4（c）］， 1.2 km高度风速增大到6 m·s-1。分析泾河上空风廓线资料还可得知， 17:33开始地面到1.2 km以下风向呈顺时针旋转有暖平流， 2.1~2.4 km甚至逐渐延伸到3 km附近， 风向呈逆时针旋转有冷平流。泾河站假相当位温θ se随时间变化图［图4（e）］上， 21:00开始， 该站上空中层800~700 hPa ∂θ se /∂z<0， 说明降水开始前， 秦岭北麓上冷下暖的不稳定层结结构已经建立， 后随着中层冷空气入侵， ∂θ se /∂z绝对值增大。当低空急流到达泾河， 并且低空0.6~1.2 km风速迅速增大到6 m·s-1以上时， 降水开始。即低空急流触发了不稳定能量释放和对流性降水产生。
图4 西安（a， c）和汉中（b， d）多普勒雷达的径向速度（a， b， 单位： m·s-1）和风廓线（c， d）资料， 以及泾河（e）与勉县（f）假相当位温随时间的剖面（单位： K）

（a~b）中黑色虚线为辐合线位置， 黑色箭头为低空急流， 黑色三角为泾河和勉县位置

Fig.4 Radial velocity （a， b， unit： m·s-1） and wind profile （c， d） data of doppler radars at Xi'an （a， c） and Hanzhong （b， d）， and pseudo-equivalent potential temperature profiles at Jinghe （e） and Mianxian （f） （unit： K）.The black dotted line （a~b） represents the convergence line， the black arrow represents the low-level rapid， and the black triangles show the locations of the Jinghe and Mianxian respectively

秦岭南麓勉县位于汉中雷达中心西略偏北方向35 km处［图4（b）］（黑色三角）， 22:41汉中雷达2.4°仰角径向速度图（V27产品）上， 勉县附近有明显的径向速度辐合区［图4（b）］（黑色虚线）， 同时强降水发生， 说明秦岭南麓强降水是中尺度辐合线触发产生。雷达风廓线资料［图4（d）］显示， 22:41之前即降水开始前， 汉中低空维持2~4 m·s-1的东风。22:46 -23:15［图4（d）］即降水开始后， 汉中上空0.9 km处东风迅速增大到6 m·s-1， 且近地层垂直风切变增大， 降水强度增大。勉县θ se随时间变化图［图4（f）］可以看出， 21:00前， 该站近地面θ se ≥360 K， 能量条件充沛。23:00即降水开始后， 地面到850 hPa迅速建立起∂θ se /∂z<0的不稳定层结结构。说明中尺度辐合线触发降水后凝结潜热释放继续加热低层大气（这一点在4.3节也得到论证）， 与翻越秦岭不断南压渗透的冷空气相遇， 形成了“上干冷下暖湿”的不稳定层结， 同时降水强度突增， 之后随着冷空气入侵增强， 不稳定度增大［图4（f）］（∂θ se /∂z绝对值更大）， 强降水持续但小时降雨量略有减小， 03:00［图4（f）］， ∂θ se /∂z绝对值开始减小， 降水强度减弱。
分析强降水过程中逐10 min地面风场的演变（图5）， 21日22:30秦岭北麓地面上出现与850 hPa对应的中尺度气旋性环流， 泾河降水增大， 23:10［图5（a）］地面中尺度气旋性环流略有南压东移， 影响秦岭北麓东部大部分地区， 泾河位于气旋性环流的辐合区内， 该时段内泾河出现小时雨强大于20 mm的短历时强降水， 22日00:10［图5（b）］泾河以东风速由4 m·s-1减小为2 m·s-1， 东南风演变为偏东风； 泾河以西风速由6 m·s-1减小到2 m·s-1， 即气旋性环流的辐合略有减弱， 降水减弱。00:20泾河附近风场逐渐转为东北风， 降水再次减弱。01:00［图5（c）］泾河附近的风场形成尺度更小的辐合区， 泾河降水再次增强。03:00［图5（d）］泾河及其附近全部演变为西风， 强降水趋于结束。在秦岭南麓， 23:10［图5（a）］中尺度辐合线位于勉县， 并且与地形线几乎重合， 这也从另一方面证明中尺度辐合线是地形与流场相互作用的产物。22日00:10［图5（b）］到01:00［图5（c）］， 甚至到02:00（图略）， 该辐合线一直维持， 影响秦岭南麓出现持续4 h的短历时强降水。03:00［图5（d）］辐合线移至勉县以东， 勉县转为西北风后， 强降水迅速减弱。
图5 2021年8月21日23:10（a）、 22日00:10（b）、 01:00（c）和03:00（d）地面风场（风羽， 单位： m·s-1）和地形高度（阴影区， 单位： m）

黑色虚线椭圆为中尺度气旋性环流; 黑色虚线为地面辐合线, 黑色圆点为泾河和勉县位置

Fig.5 Surface wind field （vector， unit： m·s-1） and topographic height （the shaded， unit： m） at 23:10 （a） on 21 August 2021， 00:10 （b）， 01:00 （c） and 03:00 （d） on 22 August 2021.The black dashed ellipse represents the mesoscale cyclonic circulation； the black dashed line represents the ground convergence line， and the black dots show the locations of Jinghe and Mianxian respectively

以上分析中可以看出， 触发秦岭南北麓暴雨的环流形势均为秦岭地形作用下形成的中尺度系统： 地形和冷空气共同参与， 在秦岭南麓勉县附近形成中尺度辐合线； 北麓大气流场经秦岭山脉多次阻挡形成中尺度气旋性环流。不同的是秦岭北麓降水前建立对流不稳定层结， 低空急流触发大气不稳定能量释放， 产生降水； 秦岭南麓是中尺度辐合线产生的扰动触发暴雨， 中低层冷空气入侵与降水的正反馈作用耦合导致对流不稳定层结建立和强降水维持。那么流场在特殊地形作用下形成中尺度系统触发暴雨的对流性质有何异同？

4.2　触发秦岭南北麓暴雨对流云团组织方式对比分析

逐小时分析暴雨发生发展过程中FY-2G卫星云图演变情况： 21日19:00（图略）开始， 秦岭南北麓有与700 hPa切变线对应的云系发展东移， 但此时秦岭南北麓暴雨的触发机制尚未建立， 泾河和勉县此时均未产生降水。21日21:00， 秦岭南麓有零散的对流云团生成， 22:00［图6（a）］位于秦岭南麓的对流云团合并增强， 强降水开始。23:00［图6（b）］对流云团快速合并形成直径约为220 km呈圆形结构的中尺度对流复合体（MCC）， 强降水出现在MCC偏冷空气一侧云顶亮温梯度大值区。之后MCC发展东移与四川北部的对流云团合并［图6（c）］形成中β尺度的对流系统（MCS）， 然后东移南压出陕西进入四川和重庆， 给西南地区带来长时间强降水。雷达基本反射率因子图上表现为线状结构后向传播［图6（d）~（f）］， 强降水主要出现在线状对流回波部分， 列车效应是勉县降水总量大的重要原因。
图6 FY-2G卫星红外云图黑体亮温（a~c， 单位： ℃）和汉中2.4°仰角（d~f）、 西安1.5°仰角（g~i）多普勒雷达基本反射率因子（单位： dBz）

Fig.6 Infrared cloud image of FY-2G satellite （a~c， unit： °C） and doppler radar basic reflectivity factor （unit： dBz） for Hanzhong at 2.4° elevation angle （d~f） and Xi'an at 1.5° elevation angle （g~i）

22:00［图6（a）］FY-2G红外卫星云图， 秦岭北麓泾河上空出现东西宽50~60 km， 南北长70~80 km的对流云团， 23:00［图6（b）］对流云团发展， 面积增大但未有明显移动， 与图5（a）中地面中尺度气旋性环流位置重合， 但范围增大， 西安多普勒雷达基本反射率因子图上［图6（g）~（h）］表现为混合性降水回波， 对流性回波比较分散， 小时雨强大于20 mm， 但持续时间短， 22日02:00后逐渐演变为层状云降水回波［图6（i）］， 小时雨强减小， 降水持续。
环流形势部分的分析可知， 秦岭南麓有持续的水汽和能量输送， 近地面高温高湿， 有利于对流发展。因此中尺度辐合线触发对流后， 云团迅速发展合并， 形成雷达回波呈线性组织的MCC， 后向传播和列车效应导致短历时强降水小时雨强、 持续时间长、 降水总量大的特点； 秦岭北麓对流云团是在地面中尺度气旋附近形成的对流单体， 对流强度小、 对流性降水持续时间较短、 小时雨强相对较小， 但层状云降水时间较长。

4.3　触发秦岭南北麓暴雨物理机制对比分析

暴雨出现前， 秦岭南麓近地面到850 hPa为准饱和状态， 21日20:00汉中CAPE值仅93.5 J·kg-1， SI指数0.22 ℃， K指数38.5 ℃， 预报员据此不能判断当日夜间有对流发生。分析相对湿度和凝结潜加热率以及全风速时间演变［图7（a）］得知， 秦岭南麓21日08:00开始850 hPa以下维持弱东风， 20:00的750 hPa附近开始转为北风， 说明该层此时有冷空气入侵， 22:00 750 hPa以下相对湿度减小， 850 hPa转为北风， 低层辐合线移过勉县， 同时降水开始凝结潜热释放， 凝结潜热加热率增大［图7（a）］， 中低层迅速建立并维持∂θ se /∂z<0［图7（c）］强对流不稳定层结结构。这进一步证明， 降水释放的凝结潜热与中层入侵冷空气相遇， 是勉县附近不稳定层结建立的主要原因。值得一提的是， 秦岭南麓降水开始前， 低层湿度接近饱和， 中低层冷空气入侵时间和扩散到地面的时间分别与强降水开始和结束时间对应。所以， 秦岭南麓暴雨持续得益于对流性降水的正反馈作用， 可预报性较差， 但降水前中低层水汽条件充沛， 短临预报中需重点关注地形辐合线建立和冷空气入侵时间。这是由于正反馈机制导致暴雨强度猛然增大一类暴雨的预报着眼点。
图7 2021年8月21日08:00至22日08:00勉县（a）和泾河（b）相对湿度（绿色阴影， 单位： %）和凝结潜热加热率（等值线， 单位： Kcal·h-1）以及全风速（风羽， 单位： m·s-1）的时间演变图， 以及2021年8月22日00:00， 分别沿106.69°E（c， 黑色三角代表南麓勉县位置）、 108.98°E（d， 黑色三角代表北麓泾河位置， d）的 θ se（等值线， 单位： K）和MPV 2（阴影， 单位： PVU）经度-高度剖面图

Fig.7 Temporal evolution of relative humidity （green shaded， unit： %） and condensation latent heat heating rate （contour， unit： Kcal·h-1） and total wind speed （barb， unit： m·s-1） at Mianxian （a） and Jinghe （b）.Longitude-height profiles of θ se （isoline， unit： K） and MPV 2 （color pattern， unit： PVU） along 106.69°E （c， black triangle represents the location of Mianxian） and 108.98°E （d， black triangle represents the location of Jinghe） at 00:00 on 22 August 2021

与秦岭南麓不同， 20:00泾河的CAPE值达到了1 429.7 J·kg-1， SI指数-3.01 ℃， K指数44.3 ℃， 预报员据此可以判断晚上当地有较强的潜势不稳定， 可能出现对流性降水。21日08:00 -17:00［图7（b）］， 低层到高层风向由顺时针旋转逐渐演变为逆时针旋转， 即秦岭北麓降水开始前近地面由暖平流逐渐演变为冷平流。17:00， 地面气温开始下降， 近地面的凝结潜热释放， 凝结潜热加热率逐渐增大。22:00 -23:00， 泾河气温猛降［图8（b）］， 近地层凝结潜热加热率猛增， 850 hPa达到了10 kcal·h-1。湿位涡中表征大气湿斜压性的湿斜压项MPV 2在600~700 hPa由-0.3 PVU（1 PVU=1×10-6 m2·K·s-1·kg-1）演变为-0.9 PVU， 大气的湿斜压性增强， 降水开始。降水最强时段22日00:00湿斜压项（MPV 2）在700 hPa达到-1.2 PVU［图7（d）］， 之后逐渐减弱。湿斜压性增强是秦岭北麓暴雨开始的一个信号， 这与此前（武麦凤等， 2007， 2010）的研究结论一致。图7（d）显示与秦岭南麓相比， 北麓∂θ se /∂z绝对值较小， 不稳定度小。当湿斜压性减弱以及中层比湿减小时， 降水结束。可见气旋性环流主要是通过热力作用触发秦岭北麓暴雨过程。与秦岭南麓降水的预报着眼点不同， 中层冷空气在降水前入侵秦岭北麓， 一般情况下需重点关注强垂直上升运动条件和湿斜压性的建立， 本次过程降水开始前， 还出现地面气温骤降， 这可以补充进秦岭北麓暴雨的预报着眼点中。
图8 2021年8月21日23:00假相当位温单点垂直演变（a， 单位： K）与2 m气温、 小时雨量、 ∆θ se逐小时变化图（b）

Fig.8 Vertical profile of θ se at 23:00 on 21 August 2021 （a， unit： K）and hourly variation of 2 m temperature， hourly rainfall and ∆θ se （b）

强降水时段泾河和勉县假相当位温θ se单点的垂直演变图［图8（a）］可以看出， 两个站点低层和中层均有一个最低θ se， 本文定义低层最小θ se为min1， 中高层最小为min2， ∆θ se min1=θ se（近地面-min1）， ∆θ se min2=θ se（近地面-min2）。计算假相当位温随时间变化情况［图8（b）］得知， 强降雨时段内勉县相对于泾河： 低层θ se更大， 地面到min1的高度更大， ∆θ se min1和∆θ se min2更大， ∂θ se/∂z<0的数值和厚度均更大。说明秦岭南麓不仅低层高温高湿高能， 而且环境的对流不稳定性更强， 这与上面的分析结论一致。当勉县的∆θ se min1和∆θ se min2数值同时骤减（≥2）时， 降水量级减小。秦岭北麓对流弱， ∆θ se min1和∆θ se min2没有明显指示意义。

5 结论

本次暴雨过程中， 秦岭南北麓均位于500 hPa短波槽和700 hPa切变线前， 中低空急流为暴雨区输送了充沛的水汽和动力抬升条件。秦岭山脉对其南北麓低层流场均有阻挡和绕流的作用， 触发秦岭南北麓暴雨的中尺度环流系统均为流场在特殊地形作用下的产物。但存在以下异同：
（1） 秦岭南北麓暴雨对流不稳定结构建立机制不同： 秦岭北麓对流不稳定结构建立于降水前， 有较强的不稳定能量配合， 低空急流和中尺度气旋触发不稳定能量释放产生降水；
秦岭南麓由于中尺度辐合扰动触发暴雨， 降水释放凝结潜热加热低层大气， 与中层入侵的冷空气耦合， 建立对流不稳定结构， 促使降水增强并维持。
（2） 触发秦岭南北麓暴雨的对流云团组织形式不同： 秦岭北麓对流云团在雷达反射率因子上表现为混合性降水回波， 对流强度小， 对流持续时间短， 但后期较强的层状云降水持续时间较长； 秦岭南麓有良好的水汽和能量输送条件， 对流云团形成后迅速组织化合并发展， 形成了MCC， 对流回波的雷达反射率因子呈线状排列， 对流强度大， 对流层结深厚， 对流性强降水持续时间长。
（3） 触发秦岭南北麓暴雨的物理方式不同： 秦岭北麓降水前冷空气入侵， 近地层气温骤降使得大气的湿斜压性显著增强， 气旋性环流通过热力作用触发秦岭北麓暴雨产生影响；
秦岭南麓降水开始后中层冷空气入侵并逐渐扩散到地面， 不稳定扰动产生的动力和热力条件是秦岭南麓暴雨持续的主要原因。
秦岭南麓强降水持续得益于降水的正反馈机制， 可预报性较差。但降水前中低层水汽条件充沛， 地形辐合线的建立在短临预报中有一定的指示意义。中低层冷空气的入侵和扩散到地面的时间分别与强降水的开始和结束时间对应； 秦岭北麓暴雨的预报着眼点为前期热力条件良好， 湿斜压性增强是秦岭北麓暴雨开始的一个信号， 当湿斜压性减弱以及中层比湿减小时， 降水结束。
本文重点分析了一次综合强度达到强等级的暴雨过程， 就秦岭山脉南北麓暴雨的触发机制进行了讨论， 分析尚未全面。后面将继续针对秦岭南北麓暴雨的热力、 动力和水汽条件进行分析， 不断补充完善研究成果。

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