趙 強 陳小婷 王 楠 彭 力

1 陜西省氣象臺,西安 710014 2 秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境重點實驗室災害性天氣研究與應用中心,西安 710016 3 陜西省銅川市氣象局,銅川 727031

提 要： 2015—2018年陜西關中出現(xiàn)了4次副熱帶高壓(以下簡稱副高)影響下的強對流天氣，造成局部地質災害和城市內澇，全球模式對短時暴雨出現(xiàn)了漏報。利用ERA5再分析資料(0.25°×0.25°)、地面加密自動站和西安站多普勒天氣雷達等資料，分析此類強對流的環(huán)境場特征和觸發(fā)機制，為預報預警提供思路。分析結果表明：陜西關中副高控制下的強對流往往與高溫天氣并存。對流發(fā)生時低層水汽含量大，可降水量在50 mm以上；相對于副高外圍的系統(tǒng)性暴雨，此類天氣水汽輸送較弱；水汽輸送強弱決定了過程總雨量大小。此類強對流強輻合中心位于地面到800 hPa，相對于系統(tǒng)性暴雨輻合中心位置更低，低層的輻合主要作用是克服對流抑制，釋放不穩(wěn)定能量。對流發(fā)生有利的環(huán)境條件包括：強的位勢不穩(wěn)定層結、低自由對流高度、中等強度對流有效位能、較厚的暖云層。觸發(fā)機制主要是地面冷鋒和低層風場輻合線，上游冷鋒后的降水降溫效應會加大溫度梯度使冷鋒增強，鋒面侵入副高內部高溫、高濕大氣，從而觸發(fā)對流；暖區(qū)對流一般由地面中尺度輻合線觸發(fā)，對流產生的冷池前沿陣風鋒觸發(fā)新生對流。秦嶺地形對對流的移動和傳播有明顯影響，在關中北部新生對流南移過程中容易在秦嶺北麓沿山維持，造成暴雨天氣。而在秦嶺北麓的地形輻合線上新生的對流系統(tǒng)，下山過程中由于勢能向動能轉化，對流系統(tǒng)移速加快，其出流邊界觸發(fā)平原地區(qū)對流發(fā)展，強降水持續(xù)時間較短，更容易產生大范圍雷暴大風天氣。

引 言

副熱帶高壓(以下簡稱副高)背景下，大氣處于高溫、高濕狀態(tài)，水汽和能量條件充沛，對流發(fā)生需要有抬升力使地面氣塊克服對流抑制能量上升到自由對流高度(level of free convection,LFC)以上，即抬升觸發(fā)機制是對流能否產生的關鍵。Wilson and Megenhardt(1997)指出，觸發(fā)對流的中尺度系統(tǒng)主要包括中尺度輻合線、地形和重力波，其中，特別重要的是邊界層中尺度輻合線。同時，地面中尺度輻合線形成物理過程及其對雷暴活動的影響亦非常復雜，輻合線可以觸發(fā)對流，對流系統(tǒng)也可以激發(fā)新的地面輻合線(陳明軒和王迎春，2012；李強等，2019)。王麗榮等(2013)研究指出，有利的天氣系統(tǒng)配合下，地面輻合線才會產生較為強烈的對流天氣，且無論何種類型的輻合線，對流天氣首先出現(xiàn)在輻合線附近。近地面冷池是對流風暴另一個重要的邊界層特征，其出流邊界作為邊界層內的不穩(wěn)定觸發(fā)因子，在對流風暴的局地新生及快速演變中扮演重要角色(陳明軒等，2017)。

研究表明，夏季副高背景下強對流天氣時有發(fā)生，尹紅萍和曹曉崗(2010)對上海地區(qū)副高控制下的強對流天氣進行了總結，指出副高控制下強對流容易出現(xiàn)錯報，對流較易在副高北側發(fā)生，強對流的發(fā)生除需有較好的層結不穩(wěn)定條件外，對抬升條件也有較高要求。張樹民等(2017)發(fā)現(xiàn)500 hPa副高脊線附近也會觸發(fā)強對流天氣，強對流發(fā)生前大氣層結不穩(wěn)定，呈上干下濕狀態(tài)分布，925 hPa切變線和地面輻合線附近的強動力抬升作用觸發(fā)了對流風暴。副高控制下的強對流天氣主要以短時強降水為主，有時伴有雷暴大風(尹紅萍和曹曉崗，2010；張樹民等，2017)。短時強降水主要由深厚濕對流造成，深厚濕對流的產生需要考慮靜力不穩(wěn)定、水汽、抬升觸發(fā)機制三個基本條件(俞小鼎等，2012)。對于天氣尺度系統(tǒng)造成的大范圍穩(wěn)定性降水過程，降水的持續(xù)時間取決于天氣系統(tǒng)的移動速度，即降水區(qū)域上空水汽輻合維持時間的長短；而對于對流降水過程，降水持續(xù)時間則取決于對流系統(tǒng)的尺度、移動速度和傳播特征(孫繼松，2017)。極端短時強降水產生在降水效率高的地區(qū)，可以通過環(huán)境場大致判斷出來，環(huán)境場極高的水汽含量、能量充沛、暖云異常深厚、大的邊界層露點溫度、極低的LFC及垂直風切變小對應的低夾卷率等均有利于提高對流云的降水效率(王玨等，2019；范元月等，2020，狄瀟泓等，2019)。對西北地區(qū)六盤山兩側的強對流暴雨研究發(fā)現(xiàn)，強對流出現(xiàn)在副高588 dagpm線控制范圍內，大氣高溫高濕、層結不穩(wěn)定的環(huán)境條件非常有利于強對流天氣發(fā)生，地面中尺度輻合線觸發(fā)對流，產生短時暴雨天氣(趙慶云等，2018)。

陜西盛夏季節(jié)的區(qū)域性暴雨主要發(fā)生在低空急流左側的水汽輻合區(qū)，高空槽和副高結合，增強氣壓梯度，在副高外圍形成了一條寬而強的西南風水汽輸送通道，將大量的水汽和能量直接輸送到陜西，并在低渦、切變線的輻合作用下形成暴雨，此類天氣水汽輸送強，其不穩(wěn)定機制主要包括斜壓不穩(wěn)定及條件對稱不穩(wěn)定(梁生俊和馬曉華，2012；趙強等，2017)。而對流性強降水過程中水汽輸送弱，本地水汽含量大，比濕垂直梯度大，雨強大，不穩(wěn)定機制主要是位勢不穩(wěn)定(郭大梅等，2020；劉勇等，2016；趙強等，2020)。副高背景下，大氣高溫、高濕，水汽和能量條件充沛，對流在何時、何地、何種機制下觸發(fā)是副高控制下強對流天氣預報的難點?，F(xiàn)有研究顯示，地面冷鋒是陜西短時強降水的重要觸發(fā)機制之一(王楠等，2018；趙強等，2017)，冷鋒侵入不穩(wěn)定區(qū)域，造成不穩(wěn)定能量的釋放，形成短時暴雨天氣。關中地區(qū)短時強降水的垂直環(huán)境配置為“上干下濕”的不穩(wěn)定層結，850 hPa的切變線為強對流提供了初始擾動，地面輻合線觸發(fā)了強對流天氣的發(fā)生，對流產生的陣風鋒又觸發(fā)了新對流的產生(武麥鳳等，2017；張雅斌等，2019)。

關中地區(qū)位于陜西中部(圖1)，北為黃土高原，南為秦嶺山區(qū)，三面環(huán)山,地形復雜。2015—2018年關中地區(qū)都出現(xiàn)了副高背景下的強對流天氣，全球數(shù)值模式對此類對流性強降水預報能力較弱(肖玉華等，2010；董全等,2016)，由于其突發(fā)性和強致災性，給社會經濟及人民生命財產帶來重大威脅?，F(xiàn)有工作多針對短時暴雨的個例分析，缺乏對此類天氣共性及差異性的對比分析，因此本文選取近年來的4次類似天氣過程，診斷此類強對流天氣產生的環(huán)境條件及觸發(fā)機制，分析環(huán)境場及觸發(fā)條件差異對強天氣范圍及類型的影響，以期為此類天氣的短期潛勢預報和臨近預警提供更多參考依據。

1 天氣實況

2015—2018年陜西關中地區(qū)出現(xiàn)4次副高控制下的強對流天氣。2015年8月2日(圖2a, 以下稱為過程1)關中的中西部地區(qū)出現(xiàn)強降水，主要時段為18—23時(北京時，下同)，累計出現(xiàn)49站次短時強降水(1 h降水量>20 mm，下同)，最大1 h降水量高達65.3 mm，臨潼3 h降雨量達80 mm，高陵1 h降水量達47.3 mm，同時出現(xiàn)2站次7級以上大風天氣，最大風力為華山站(26 m·s-1)。2016年8月24日(圖2b,以下稱為過程2)強降水呈帶狀位于關中平原地區(qū)，主要降水時段為25日01—08時，累計出現(xiàn)95站次短時強降水，高陵站25日05時出現(xiàn)最大雨強(57 mm·h-1)，12 h降水量最大為長武站(94 mm)，期間關中地區(qū)華山站出現(xiàn)7級以上大風(18 m·s-1)。2017年7月27日(圖2c,以下稱為過程3)關中西部出現(xiàn)了雷暴大風和短時強降水天氣，主要降水時段為14—23時，累計出現(xiàn)41站次短時強降水，最大小時雨強為18時的岐山站(35.3 mm·h-1)，同時出現(xiàn)了7站次雷暴大風，最大風速為扶風站(22 m·s-1)。2018年7月26日(圖2d,以下稱為過程4)關中東部地區(qū)出現(xiàn)大范圍雷暴大風和短時強降水天氣，強降水主要時段為14—18時，累計出現(xiàn)39站次短時強降水，最大小時雨強為渭南華陰16時的47 mm·h-1，12 h最大降水量出現(xiàn)在渭南官道(60.6 mm)，關中地區(qū)共出現(xiàn)18站次8級以上大風天氣，西安三橋阿房宮站14：35出現(xiàn)極大風速(29 m·s-1)。

對比可以看出，4次過程關中地區(qū)均出現(xiàn)了大范圍短時強降水，過程1和過程2降水持續(xù)時間更長，累計降水量大，關中地區(qū)出現(xiàn)了較大范圍的暴雨天氣，過程3和過程4累計降水量較小，主要以短時強降水和雷暴大風天氣為主。

圖1 陜西省地形圖(填色為海拔高度，黑色粗線范圍為關中地區(qū)，紅色三角形為西安探空站和雷達站所在地，虛線為109°E，方框為圖2實況繪圖范圍)Fig.1 Topographic map of Shaanxi Province (Colored is sea level, thick black line represents Guanzhong Area and dashed line is 109°E, red triangle is the location of sounding station and radar station of Xi’an, box shows the drawing range in Fig.2)

2 大尺度環(huán)境條件分析

2.1 環(huán)流背景

在2015年8月2日08時天氣圖上(圖3a)，東北地區(qū)有一個冷渦，副高強盛并呈帶狀分布，控制中國35°N以南的大部分地區(qū)，700 hPa及850 hPa上甘肅南部存在切變線，在14時500 hPa上(圖略)陜西中南部仍為副高所控制，西安站位勢高度達到590 dagpm，850 hPa上在甘肅東部到關中西部有切變線東移，地面上關中地區(qū)為低壓帶控制，副高控制之下的關中高溫、高濕，關中南部氣溫為37～39℃，露點溫度為22～24℃，大氣不穩(wěn)定能量大，關中西北部風場有東北風和西南風的輻合線，地面到低層的輻合線首先在關中北部觸發(fā)對流，隨后輻合線東南移動，觸發(fā)關中南部不穩(wěn)定大氣的能量釋放，因此產生了短時暴雨天氣。

在2016年8月24日20時天氣圖上(圖3b)，副高強盛呈東西帶狀，控制河套以南中國大陸大部分地區(qū)，588 dagpm線北抬至河套地區(qū)，東北到內蒙古有東北西南向的冷槽，700 hPa河套東部暖脊發(fā)展，陜北地區(qū)存在東北—西南向切變線；850 hPa四川到陜西中部為24～28℃暖脊，內蒙古到河套地區(qū)等溫線密集，風速達到8～10 m·s-1，河套地區(qū)有顯著冷平流輸送，延安站08時6 m·s-1西南風在20時轉為12 m·s-1西北風，說明河套北部有較強的冷空氣向南影響陜西地區(qū)，關中地區(qū)有南風和偏北風形成的切變線。地面圖上20時冷鋒位于關中北部，關中東部氣溫為32～34℃，隨著冷空氣侵入高溫高濕的副高控制區(qū)，不穩(wěn)定能量釋放，產生強對流天氣。

圖2 4次強對流天氣實況(a)2015年8月2日08—20時，(b)2016年8月24日20時至25日08時，(c)2017年7月27日08—20時，(d)2018年7月26日08—20時(填色為12 h降水量，淺藍色為25～50 mm，深藍色為50～100 mm，點值代表小時降水量>20 mm,風向標為出現(xiàn)7級以上大風的站點，紅色十字為西安涇河探空站位置)Fig.2 Observation of four convection cases(a) 08:00-20:00 BT 2 August 2015， (b) 20:00 BT 24 to 08:00 BT 25 August 2016，(c) 08:00-20:00 BT 27 July 2017， (d) 08:00-20:00 BT 26 July 2018(Colored is 12 h accumulated rainfall, light blue is for 25-50 mm and dark blue for 50-100 mm; spot represents 1 h rainfall >20 mm, wind barb is for the station wind speed >17.1 m·s-1, red cross is the location of Xi’an Jinghe Sounding Station)

圖3 4次過程的高空天氣形勢(a)2015年8月2日08時，(b)2016年8月24日20時，(c)2017年7月27日08時，(d)2018年7月26日08時(黑色等值線為500 hPa位勢高度，單位：dagpm;紅色虛線為850 hPa等溫線，單位：℃；風向標為850 hPa風場，單位：m·s-1)Fig.3 Weather conditions of four convection cases at 08:00 BT 2 August 2015 (a), 20:00 BT 24 August 2016 (b), 08:00 BT 27 July 2017 (c), 08:00 BT 26 July 2018 (d)(Black solid line is 500 hPa geopotential height, unit: dagpm; red dashed line is 850 hPa isotherm， unit: ℃； wind barb is 850 hPa wind， unit: m·s-1)

在2017年7月27日08時天氣圖上(圖3c)，副高呈東北—西南向控制黃河以南、長江中下游大部分地區(qū)，脊線位于30°N，西伸脊點達100°E，陜西中南部地區(qū)處于副高控制中。上游西風槽東北—西南向位于河套至青海一線，700 hPa陜北至甘南存在東北—西南向的切變線，后部東北風和前部西南風最大風速均可達14 m·s-1，中層大氣的水汽輻合和冷暖交匯主要位于陜北地區(qū)，使該地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性暴雨天氣，副高在27日20時西伸北抬，關中地區(qū)為副高控制，西安T850-500達到26℃，大氣不穩(wěn)定度高，850 hPa關中地區(qū)存在東西向切變線，14時關中氣溫達36～38℃，冷鋒位于甘肅南部到陜西中部，隨著冷空氣南下，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，造成關中地區(qū)強對流天氣。

在2018年7月26日08時天氣圖上(圖3d)，副高主體呈東北—西南向位于我國東部地區(qū)，陜西東南部地區(qū)受副高控制，副高外圍東北—西南向存在淺槽。700 hPa副高外圍有4～8 m·s-1的西南風，850 hPa陜南至關中有4～6 m·s-1的東南風，向陜西地區(qū)輸送水汽和能量。西安T850-500達到27℃，大氣垂直不穩(wěn)定度高。在26日14時地面圖上(圖略)，關中地區(qū)為低壓控制，氣溫達到了37～38℃，露點溫度在22～24℃，低層溫度高，濕度條件好，秦嶺山區(qū)西南風和東北風的輻合線在午后觸發(fā)對流。

通過以上4次天氣過程分析發(fā)現(xiàn)：副高控制陜西的中南部地區(qū)，關中地區(qū)的最高氣溫在35～39℃，表現(xiàn)出高溫天氣和強對流天氣共存的特點，850 hPa 陜西中南部為暖脊控制，不穩(wěn)定能量強。過程2和過程3的強對流過程中，副高控制關中地區(qū)；而過程1和過程4，對流發(fā)生前受副高控制，之后500 hPa有淺槽向東移動，副高略有東退。從冷空氣強度來看，過程2和過程3的冷空氣較強，850 hPa 有明顯鋒區(qū)，地面有冷鋒，關中地區(qū)的對流主要由冷鋒觸發(fā)，過程1和過程4冷空氣弱，關中地區(qū)為低壓控制，地面的中尺度輻合觸發(fā)對流。

2.2 水汽條件

以下通過比濕、水汽通量及水汽通量散度的垂直變化分析4次過程中水汽特征。2015年8月2日18時(圖4a)，暴雨區(qū)近地面層到750 hPa比濕達14～16 g·kg-1，700 hPa比濕為10 g·kg-1，暴雨區(qū)低層絕對濕度條件好，大氣可降水量達50～55 mm，水汽充沛。在850～600 hPa有西南風的水汽輸送，水汽通量最強值在700 hPa附近，為8～10 g·cm-1·hPa-1·s-1，近地面層到850 hPa附近有-5×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2的水汽輻合，對照天氣圖可以發(fā)現(xiàn)，這是850 hPa切變線和地面輻合線對水汽的輻合抬升，使得氣塊克服對流抑制，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，產生對流，從而造成強降水。

2016年8月25日03時(圖4b)，關中地區(qū)近地面層到850 hPa為比濕高值區(qū)，達到16～18 g·kg-1, 700 hPa比濕為12 g·kg-1,整層水汽含量大，大氣可降水量高達55～60 mm，850～700 hPa有西南風水汽輸送，水汽通量為8～10 g·cm-1·hPa-1·s-1，隨著低層冷鋒的南壓，在關中北部地區(qū)形成西南風和東北風的水汽輻合，輻合中心從地面直到750 hPa，水汽通量散度最大值為-2×10-6g·s-1·hPa-1·cm-2。

2017年7月27日18時(圖4c)，850 hPa以下比濕在16～18 g·kg-1，700 hPa比濕為10 g·kg-1，水汽含量較大，大氣可降水量在55 mm左右。中低層大氣的水汽輸送弱，低層受西北路冷鋒東南移動影響，偏東風和偏西風在關中地區(qū)輻合，在關中北部近地面層形成輻合中心，水汽通量散度為-2×10-6g·s-1·hPa-1·cm-2。

2018年7月26日14時(圖4d)，近地層到850比濕達16 g·kg-1左右，700 hPa比濕為10 g·kg-1，大氣可降水量在50～55 mm，近地面層有偏東風水汽輸送，高層有偏南風水汽輸送，關中地區(qū)水汽通量輻合中心主要位于近地面層，由地面輻合線造成。

在4次過程中關中地區(qū)絕對水汽含量均較高，850 hPa 以下比濕可達16 g·kg-1以上，700 hPa比濕在10～12 g·kg-1，大氣可降水量在50 mm以上，過程2中更是達到了60 mm。從水汽輸送來看，過程1、過程2水汽輸送較強，因此這2次過程總雨量達到暴雨的范圍較大，過程3、過程4主要為短時強降水，暴雨很少，但是相比于副高外圍的區(qū)域暴雨過程來說，水汽輸送相對偏弱，這是由于副高控制下中低層大氣的西南風風速較小造成的。從水汽的輻合來看，強的輻合中心在地面到800 hPa，主要由冷鋒和風場輻合線造成，相對于輻合中心在850～700 hPa的區(qū)域性暴雨來說，輻合中心位置更低，這種低層的輻合克服對流抑制，釋放不穩(wěn)定能量，形成強對流天氣。

2.3 熱力條件

熱力不穩(wěn)定條件是強對流發(fā)生發(fā)展的必要條件，下面對4次過程的熱力不穩(wěn)定條件進行對比分析。2015年8月2日14時(圖5a)，關中平原為“上低下高”的對流不穩(wěn)定區(qū)，近地面到850 hPa為假相當位溫大值區(qū)，達352～356 K，溫度平流整層為弱的暖平流，表明在副高控制之下，關中平原低層環(huán)境條件為高溫高濕，而在600～500 hPa有低值假相當位溫，中心值為336 K，這代表中層有干空氣，中低層假相當位溫的差值達12～16 K，說明了大氣層結具有強的位勢不穩(wěn)定，為對流的發(fā)生提供了有利的熱力環(huán)境。

2016年8月25日02時(圖5b)，假相當位溫在關中地區(qū)隨高度變化而減小，低值中心(348 K)位于600 hPa，低層850 hPa為352～356 K，在副高控制下，隨著冷空氣侵入形成了“上干冷、下暖濕”的位勢不穩(wěn)定層結。另外關中北部到陜北(35°～37°N)的低層有冷鋒帶來明顯冷平流，低層冷空氣侵入高溫高濕的副高控制區(qū)，抬升暖濕空氣，有利于對流的發(fā)生發(fā)展。隨著冷空氣從北部侵入關中地區(qū)，形成鋒區(qū)，在假相當位溫圖上等溫線分布密集，鋒面附近強的輻合上升運動有利于對流的觸發(fā)。

2017年7月27日18時(圖5c)，關中上空存在明顯的假相當位溫“上低下高”的對流不穩(wěn)定，低值中心位于550 hPa，值為344 K，高值中心位于地面到850 hPa,值為 360 K，上下層間假相當位溫差值達12 K，表明強的位勢不穩(wěn)定，同時關中北部在800 hPa 以下有明顯冷平流，中心值達-50×10-5K·s-1，對應地面冷空氣侵入，形成明顯的鋒區(qū)，假相當位溫線密集，冷空氣侵入和鋒生有利于對流觸發(fā)。

2018年7月26日14時(圖5d)，500 hPa假相當位溫為344 K，近地面到850 hPa為360 K，差值達到16 K，大氣不穩(wěn)定度高，從冷平流看，在秦嶺北麓有明顯的冷平流，冷平流下山觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，形成強對流天氣。

以上分析表明，4次過程均存在明顯的位勢層結不穩(wěn)定，滿足強對流天氣發(fā)生的能量條件，同時在低層有明顯的冷平流，有利于對流的觸發(fā)。

2.4 探空分析

2015年8月2日14時西安涇河站的探空圖上(圖6a)，850 hPa與500 hPa的溫差達29℃，K指數(shù)為34℃，SI指數(shù)為-1.77℃，大氣的熱力不穩(wěn)定度強，CAPE值達2 119 J·kg-1，不穩(wěn)定能量強。近地面到800 hPa絕對濕度大，溫度高，從相對濕度看，飽和層較薄，而500 hPa附近有干空氣層，對應500 hPa 高原槽后的干空氣，14時西安站地面溫度達38℃，而850 hPa的溫度為23℃，溫差達15℃，低層大氣接近超絕熱狀態(tài)，極易觸發(fā)對流。

2016年8月24日20時西安涇河站探空圖(圖6b)呈現(xiàn)上干下濕的層結特征，850 hPa與500 hPa的溫差為25℃，K指數(shù)為40℃，SI指數(shù)為1.4℃，CAPE值達1 292 J·kg-1，不穩(wěn)定能量強。從相對濕度看，700～500 hPa為飽和區(qū)，近地面到800 hPa絕對濕度大，溫度高，整層濕度條件好，LFC為707 hPa。從對流條件分析，整層濕度條件好，抬升凝結高度低，有利于強降水的發(fā)生，SI較大，需要較大的抬升力來觸發(fā)對流。

過程3、過程4的對流活動主要發(fā)生在午后至傍晚，早晨的探空代表性不足，因此利用ERA5資料制作對流發(fā)生前2 h西安涇河位置的探空圖做分析。2017年7月27日16時西安涇河站的ERA5資料探空圖(圖6c)，850 hPa與500 hPa的溫差達28℃，K指數(shù)為39℃，SI指數(shù)為-2℃，大氣的熱力不穩(wěn)定度強，CAPE值達1 568 J·kg-1，不穩(wěn)定能量強。近地面到850 hPa絕對濕度大，850 hPa露點溫度為18℃，從相對濕度看，濕層在800～700 hPa附近濕層淺薄，中層大氣和低層大氣都存在干空氣，有利于夾卷作用及降水粒子的蒸發(fā)吸熱而形成地面大風天氣。

2018年7月26日12時西安涇河站的ERA5資料探空圖(圖6d)，850 hPa與500 hPa的溫差達到了27℃，K指數(shù)為42℃，SI指數(shù)為-3℃，大氣熱力不穩(wěn)定度強，CAPE值達到了1 172 J·kg-1，不穩(wěn)定能量較強，近地面到850 hPa絕對濕度大，850 hPa露點溫度為18℃，總體看中層大氣500～300 hPa及近地面層到800 hPa的相對濕度較低，絕對濕度大，隨著午后高溫天氣的出現(xiàn)，對流熱力不穩(wěn)定度大，中層及近地層干空氣有利于對流大風形成。

對比4次過程的探空發(fā)現(xiàn)其共同點是850 hPa和500 hPa的溫差大，均在25℃以上，K指數(shù)在35℃以上，大氣熱力不穩(wěn)定度高，低層絕對濕度大，過程1、過程4的地面到850 hPa的溫差很大，接近超絕熱狀態(tài)，容易觸發(fā)對流，過程2、過程3近低層溫差更小一些，對流觸發(fā)需要的抬升更強。過程2中層大氣存在飽和層，濕層深厚，因此總降水量更大，暴雨的范圍最大，過程1、過程3、過程4中層存在干空氣層，中層干空氣的夾卷作用有利于雷暴大風的產生。

圖6 2015年8月2日14時(a)和2016年8月24日20時(b)西安涇河站探空圖以及2017年7月27日16時(c)和2018年7月26日12時(d)西安涇河的ERA5模式探空(綠線：層結露點溫度線，黑線：層結溫度線，紅線：狀態(tài)曲線)Fig.6 Sounding diagrams at 14:00 BT 2 August 2015 (a), 20:00 BT 24 August 2016 (b) and ERA5 model sounding diagrams at 16:00 BT 27 July 2017 (c), 12:00 BT 26 July 2018 (d) at Xi’an Jinghe Station(green curve: dew point line of atmospheric stratification, balck curve: temperature line of atmospheric stratification, red polyline: state curve)

綜合以上分析，副高控制下的關中強對流天氣，表現(xiàn)出高溫和對流共存的特點，低層水汽條件好，大氣可降水量在50 mm以上，可降水量越大、濕層越深厚、水汽輸送越強則總降水量越強。從水汽的輻合來看，強的輻合中心在地面到800 hPa，較區(qū)域性暴雨的輻合更低，在此類對流暴雨過程中低層輻合的作用主要是觸發(fā)對流、釋放不穩(wěn)定能量。中層干空氣則有利于產生雷暴大風天氣。

3 強對流觸發(fā)機制分析

3.1 2015年8月2日對流觸發(fā)機制

在2015年8月2日14時(圖7a)地面圖上，延安到甘肅南部有中尺度風場輻合線，輻合強度值達-30×10-6s-1，14:10(圖略)沿著輻合線，在延安中部有對流回波的初生，隨后帶狀對流回波隨著輻合線向南移動。16時輻合線南壓，輻合強度增強且中心南移，延安南部到關中北部雷達回波增強，最強回波可達55 dBz。隨著對流的增強，在延安南部到關中北部出現(xiàn)了冷池，1 h降溫(圖7b)達4～6℃，最大降溫幅度達7～8℃，形成等溫線密集帶，1個緯距的溫差達14℃，說明冷池很強，而西安地區(qū)溫度達38℃，強烈的溫差和雷暴出流將觸發(fā)新生對流，地面風場同樣顯示(圖略)，輻合中心進一步南移，關中北部風力加大，出現(xiàn)10～12 m·s-1的偏北風。18時冷中心進一步南壓，等溫線密集帶位于西安北部地區(qū)，風場上關中北部有8～10 m·s-1的偏北風。強的變溫及等溫線密集帶，表明雷暴冷池很強。18時的鋒生函數(shù)、假相當位溫及垂直速度沿109°E的剖面圖顯示(圖7c)，35°N附近的關中北部山區(qū)低層為θse低值中心，關中南部為θse高值中心，低層冷池南壓和關中南部的高溫、高濕空氣交匯，造成近地面到800 hPa西安附近鋒生，中心值為2×10-8K·m-1·s-1。地面到850 hPa為上升運動，而中層500 hPa為弱下沉運動，說明在副高控制下，中層大氣穩(wěn)定，垂直運動主要由于地面輻合線及850 hPa切變線從關中北部向南部移動造成，低層上升運動觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，形成強對流天氣。在18:02的雷達回波圖上(圖略)，冷池前沿的西安北部有陣風鋒出現(xiàn)，18:36(圖7d)陣風鋒移動到雷達站附近，西安北方的弧狀對流云線特征清楚，其東段在西安東北方向觸發(fā)了強對流，回波強度達60 dBz，從回波剖面圖上可以看到(圖略)，50 dBz以上的強回波主要出現(xiàn)在5 km以下，即0℃層以下，呈現(xiàn)低質心特點，主要以降水回波為主，造成高陵出現(xiàn)39.6 mm·h-1的強降水。19時冷池控制了關中西部地區(qū)，強回波在冷池后部偏北風的推動下繼續(xù)東南移動，造成涇河站1 h降水量達49.3 mm，臨潼站1 h降水量達34.3 mm(圖略)。20時西安地區(qū)為冷空氣控制，氣溫在24～26℃，雷達回波轉為30～35 dBz的層狀云降水(圖略)，強降水過程結束。

3.2 2016年8月24日對流觸發(fā)條件

在2016年8月24日20時地面圖上(圖8a)，冷鋒位于山西到甘肅南部一線，甘肅南部地區(qū)有較強降水出現(xiàn)，降水造成的降溫進一步增強了甘肅與陜西西部之間的溫度梯度，使鋒區(qū)進一步增強并向東南方向移動，到8月25日02時(圖略)，甘肅南部的鋒區(qū)向東移動至關中西部，鋒后的偏北風增強，關中西部位于偏北風和東南風的強輻合區(qū),有中尺度對流云團發(fā)展。25日02時(圖8b)地面到750 hPa，關中以北為θse低值中心，為340 K，關中南部θse高值中心達352 K，說明低層冷暖空氣在關中地區(qū)交匯，造成關中地區(qū)鋒生加強，近地面到750 hPa為鋒生區(qū)，最強鋒生在850 hPa附近，中心值達3×10-8K·m-1·s-1。從垂直速度顯示，關中地區(qū)地面至500 hPa為上升運動，最強上升運動在850～750 hPa，達-1.2 Pa·s-1，上升運動大值中心與鋒生最強區(qū)域重疊，說明冷鋒鋒生造成的垂直運動是主要的觸發(fā)機制。25日02時的地面風場(圖8c)，冷鋒后部的偏北風與關中地區(qū)的東南風之間形成輻合線，與輻合線對應25日02：21有帶狀對流發(fā)展(圖8d)，冷鋒后部也有層狀云回波，此后偏北風進入關中地區(qū)，受秦嶺地形的阻擋，逐漸轉為西北到偏西風，偏西風推動帶狀對流自西向東移動，給關中地區(qū)帶來強降水天氣。

圖7 2015年8月2日(a)14:00地面天氣圖(黑色實線為氣壓，單位：hPa；紅色虛線為溫度，單位：℃；紅色粗實線為地面輻合線)，(b)16:00地面溫度(黑色實線，單位：℃)及1 h變溫(填色，單位：℃)，(c)18：00鋒生(填色，單位：10-9 K·m-1·s-1)、假相當位溫(黑色實線，單位：K)和垂直速度(紅色實線，單位：Pa·s-1)沿109°E剖面及(d)18:36西安1.4°反射率因子(填色，單位：dBz；粗黑線為陣風鋒)Fig.7 (a) The ground synoptic chart at 14:00 BT (black solid line： sea level pressure, unit: hPa; red dashed line: 2 m temperature, unit: ℃; red solid line: surface convergence line), (b) 2 m temperature (solid line) and 1 h temperature change (colored, unit: ℃) at 16:00 BT, (c) vertical profiles of pseudo-equivalent potential temperature (black solid line, unit: K), frontogenesis function (colored, unit: 10-9 K·m-1·s-1) and vertical velocity (red solid line, unit: Pa·s-1) along 109°E at 18:00 BT and (d) 1.4° radar reflectivity factor (colored, unit: dBz; black solid line: gust front) at Xi’an Station at 18:36 BT 2 August 2015

3.3 2017年7月27日對流觸發(fā)機制

2017年7月27日14時(圖9a)冷鋒位于甘肅南部到陜西西部地區(qū)，鋒后的偏北風進入關中后受到秦嶺阻擋轉為偏西風，關中東部位于低壓頂端的偏東氣流中，偏西風和偏東風在關中西部地區(qū)交匯，輻合強度增大，14時后關中西部首先出現(xiàn)了孤立的對流單體(圖略)，隨后隨著冷鋒后部偏北風的加強，輻合增強，零散的對流單體逐步合并，形成帶狀對流自西向東移動。18時鋒生函數(shù)、θse及垂直速度分布顯示(圖9b)，關中以北地區(qū)地面到750 hPa為θse低值中心，最小值為340 K，關中南部為高值中心達360 K，低層冷暖空氣在關中地區(qū)交匯，強的鋒生位于關中北部，近地面到750 hPa為鋒生區(qū)，最強鋒生位于800 hPa附近，中心值達4×10-8K·m-1·s-1。關中地區(qū)地面到300 hPa都為上升運動，最強上升運動位于700 hPa附近，達-2 Pa·s-1，上升運動區(qū)位于最強鋒生區(qū)域的暖區(qū)一側，說明對流首先在暖區(qū)的輻合線觸發(fā)，隨后冷鋒鋒生帶來的上升運動在鋒面附近觸發(fā)對流，隨后對流合并增強。27日18時(圖9c)地面偏西風與偏東風之間形成輻合線，與該輻合線對應的18：11(圖9d)雷達回波顯示有帶狀對流發(fā)展，呈弓形特征，對應的徑向速度圖顯示帶狀回波后部有入流的西風急流，速度圖上出現(xiàn)了速度模糊(圖9e)，風速達12～14 m·s-1，前部為偏東風入流，在弓形回波的頂點，徑向速度的垂直剖面上存在中層徑向輻合(圖9f)，實況顯示武功在隨后出現(xiàn)了20 m·s-1的大風天氣。

圖8 2016年8月(a)24日20:00地面天氣圖(黑色實線為氣壓，單位：hPa；紅色虛線為溫度，單位：℃；藍色粗實線為地面冷鋒),(b)25日02:00鋒生(填色，單位：10-9 K·m-1·s-1)、假相當位溫(黑色實線，單位：K)和垂直速度(紅色實線，單位：Pa·s-1)沿108°E剖面，(c)25日02：00 10 m風場(風向桿為地面風場，黑色實線為地面輻合線)及(d)25日02:21西安1.5°反射率因子(填色，單位：dBz；黑色實線為風場輻合線)Fig.8 (a) The ground synoptic chart at 20:00 BT 24 (black solid line： sea level pressure, unit: hPa; red dashed line： 2 m temperature, unit: ℃; blue solid line： cold front), (b) vertical profiles of pseudo-equivalent potential temperature (black solid line, unit: K), frontogenesis function (colored, unit: 10-9 K·m-1·s-1) and vertical velocity (red solid line, unit: Pa·s-1) along 108°E at 02:00 BT 25, (c) 10 m wind (barb) and wind convergence line (thick black line) at 02:00 BT 25 and (d) 1.5° radar reflectivity factor (colored, unit: dBz； black solid line: convergence line) at Xi’an Station at 02:21 BT 25 August 2016

3.4 2018年7月26日對流觸發(fā)機制

在2018年7月26日13時(圖10a)地面圖上，關中地區(qū)為低壓控制，西安南部有東北風和偏南風的輻合線，輻合線南側秦嶺山區(qū)開始有對流新生，對流產生的冷空氣在西安南部山區(qū)造成了4～6℃的降溫，冷池下山過程中，勢能轉化為動能，移動速度加快，冷空氣與西安城區(qū)37～38℃的暖濕空氣交匯，觸發(fā)了劇烈的對流天氣。由14時鋒生函數(shù)、θse分布可見(圖10b)，關中地區(qū)低層為360～364 K的θse大值區(qū)，中層500 hPa上南側秦嶺山區(qū)干冷空氣與關中平原上空的暖空氣造成弱鋒生，中層干冷空氣有利雷暴大風的形成。從垂直速度上(圖10b)看，西南風和東北風的輻合線產生上升運動主要在近地面到850 hPa，最強達到-1.2 Pa·s-1，秦嶺北坡有下沉運動。對流產生的冷池加速下滑，冷空氣造成城區(qū)南部1 h降溫6～8℃，和西安城區(qū)高溫區(qū)形成很大的溫度梯度，30 km溫差達8～10℃(圖10c)。14:01(圖10d)強回波外圍有陣風鋒向西安城區(qū)擴散，隨后觸發(fā)新的對流，同時刻的速度圖上，陣風鋒后側的西南風最大速度達到18 m·s-1(圖略)，隨后陣風鋒快速向北推進，給西安城區(qū)以及關中東部帶來了大范圍的對流天氣，由于陣風鋒移速較快，累積雨量不大，主要以雷暴大風和短時強降水為主。

圖9 2017年7月27日(a)14：00地面天氣圖(黑色實線為氣壓，單位：hPa；紅色虛線為溫度，單位：℃；藍色實線為地面冷鋒)，(b)18：00鋒生(填色，單位：10-9 K·m-1·s-1)、假相當位溫(黑色實線，單位：K)和垂直速度(紅色實線，單位：Pa·s-1)沿108°E剖面，(c)18：00地面溫度場(等值線，單位：℃)及1 h變溫(填色，單位：℃)， (d)18：11西安1.5°反射率因子(單位：dBz)，(e)18：00 3.4°徑向速度(單位：m·s-1)及(f)18:11徑向速度垂直剖面(單位：m·s-1)Fig.9 (a) The ground synontic chart at 14:00 BT (black solid line： sea level pressure, unit: hPa; red dashed line： 2 m temperature, unit: ℃; blue solid line： cold front), (b) vertical profiles of pseudo-equivalent potential temperature (black solid line, unit: K), frontogenesis function (colored, unit: 10-9 K·m-1·s-1) and vertical velocity (red line, unit: Pa·s-1) along 108°E at 18:00 BT, (c) 2 m temperature (solid line， unit: ℃) and 1 h temperature change (colored, unit: ℃) at 18:00 BT, (d) 1.5° radar reflectivity factor (colored, unit: dBz) at 18:11 BT, (e) 3.4° radar velocity (unit: m·s-1) at 18:00 BT and (f) radial velocity profile at 18:11 BT in Xi’an Station on 27 July 2017

對比4次過程的觸發(fā)條件，過程2、過程3由冷鋒觸發(fā)對流，而過程1、過程4的對流由中尺度輻合線觸發(fā)，通過以上的綜合分析給出了2種不同觸發(fā)機制的環(huán)流配置圖(圖11)。2類過程中，關中地區(qū)地面最高氣溫在35℃以上，大氣可降水量為50 mm，大氣處于高溫、高濕狀態(tài)，能量充沛，不同觸發(fā)機制觸發(fā)的對流的區(qū)別在于影響范圍不同以及對流移動方向與秦嶺地形的相互作用有所區(qū)別。由西北路冷鋒觸發(fā)的對流過程，低層大氣鋒生最強的區(qū)域對應大尺度最強上升運動區(qū)，西北路冷鋒進入關中后，受秦嶺阻擋轉為東西向移動，造成關中地區(qū)東西向的帶狀強雨帶，對流范圍大，持續(xù)時間更長。而由中尺度輻合線觸發(fā)的對流新生一類出現(xiàn)在關中北部，另一類有偏東風與秦嶺地形輻合觸發(fā)出現(xiàn)在秦嶺山區(qū)，對流產生后冷池前沿的陣風鋒觸發(fā)關中南部高溫、高濕大氣的新生對流，從關中北部觸發(fā)隨后向南移動造成總降水量更大，原因是受秦嶺地形的阻擋作用，使系統(tǒng)移動緩慢，造成總的降水量更大；而秦嶺山區(qū)觸發(fā)下山向北移動的對流，其移動速度更快，由于冷池在下山過程中勢能向動能轉化造成移速加快，更容易造成關中地區(qū)的大風天氣。

圖10 2018年7月26日(a)13：00地面風場(粗實線為地面輻合線)，(b)14：00鋒生(填色，單位：10-9 K·m-1·s-1)、假相當位溫(黑色實線，單位：K)和垂直速度(紅色實線，單位：Pa·s-1)沿109°E剖面，(c)14：00地面溫度(黑色實線，單位：℃)及1 h變溫(填色，單位：℃)及(d)14:01西安0.4°反射率因子(填色，單位：dBz；粗黑線為陣風鋒)Fig.10 (a) The 10 m wind at 13:00 BT (thick solid line： surface convergence line), (b) vertical profiles of pseudo-equivalent potential temperature (black solid line, unit: K), frontogenesis function (colored, unit: 10-9 K·m-1·s-1) and vertical velocity (red solid line, unit: Pa·s-1) along 109°E at 14:00 BT, (c) 2 m temperature (black solid line， unit: ℃) and 1 h temperature change (colored, unit: ℃) at 14:00 BT and (d) 0.4° radar reflectivity factor (colored, unit: dBz; thick solid line: gust front) at Xi’an Station at 14:01 BT 26 July 2018

圖11 陜西關中在副高影響下由(a)冷鋒觸發(fā)和(b)中尺度輻合線觸發(fā)強對流的環(huán)流配置示意圖Fig.11 Circulation configuration map of severe convection triggered by (a) cold front and (b) mesoscale convergence line under the influence of subtropical high in Guanzhong of Shaanxi

4 結 論

通過對2015—2018年陜西關中地區(qū)4次發(fā)生在副高影響下的強對流天氣進行對比分析，探討此類強對流發(fā)生的環(huán)境特征、觸發(fā)機制的異同，得出以下主要結論：

(1)盛夏陜西關中地區(qū)在受副高控制時，地面高溫、高濕，低層大氣有觸發(fā)條件時容易產生強對流，導致高溫與強對流并存，而大尺度模式預報對此類過程強降水的預報能力有限，在預報中值得被關注和訂正。

(2)副高控制下的對流發(fā)生時低層大氣水汽含量大，大氣可降水量達50 mm以上。相對于副高外圍的系統(tǒng)性暴雨，此類天氣中低層大氣的西南風風速較小，水汽輸送相對較弱。水汽輸送強弱決定了強對流過程中是否伴有暴雨。

(3)此類強對流天氣水汽輻合中心位于地面到800 hPa，相對于系統(tǒng)性暴雨來說，輻合中心位置更低，其主要作用是克服對流抑制，釋放不穩(wěn)定能量。

(4)對流主要是由地面冷鋒和低層大氣的風場輻合線觸發(fā)，冷鋒后的降水降溫效應會加大溫度梯度使得冷鋒增強，鋒面在低層侵入副高內部高溫、高濕大氣，觸發(fā)強對流天氣發(fā)生；沒有明顯冷平流的暖區(qū)對流一般由地面中尺度輻合線觸發(fā)，對流產生的冷池形成陣風鋒在高能大氣中觸發(fā)新生對流。

(5)秦嶺地形對對流的移動和傳播有明顯影響，西北路冷鋒進入關中，鋒后偏西風由于質量的堆積，風速增大，造成的雨帶在秦嶺北麓沿山維持，形成暴雨。關中北部觸發(fā)對流云團向南移動時受到秦嶺阻擋，移速變慢，總雨量增大；而在秦嶺北麓的新生的對流系統(tǒng)，在下山過程中勢能向動能轉化，造成系統(tǒng)移速加快，其出流邊界觸發(fā)平原地區(qū)對流發(fā)展，強降水持續(xù)時間較短，但更容易造成大范圍的雷暴大風天氣。