秦巴山脈“4·23”區(qū)域性暴雨的若干異常特征*

王曉芳 李山山 汪小康 李 超 楊 浩 崔春光 祁海霞

中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430205

提 要： 利用逐小時(shí)降水、雷達(dá)、FY-4A衛(wèi)星等觀測(cè)資料及ERA5逐時(shí)再分析資料，分析了2021年4月23日秦巴山脈大范圍區(qū)域性暴雨過(guò)程的中尺度特征、水汽和環(huán)流異常特征，結(jié)果表明，該次暴雨過(guò)程范圍大，多站降水量突破歷史同期極值，且大巴山區(qū)出現(xiàn)了山地突發(fā)性暴雨事件。500 hPa秦巴山脈異常的“東高西低”環(huán)流形勢(shì)維持使得青藏高原至陜西間的氣壓梯度力增大，中層西風(fēng)氣流增強(qiáng)。中低層多尺度天氣系統(tǒng)的疊加作用是造成該次暴雨的背景動(dòng)力條件，西南低渦前方的東南氣流一方面與北側(cè)偏東風(fēng)形成的切變線為暴雨發(fā)生提供了環(huán)境場(chǎng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)，另一方面將西南氣流和偏南氣流帶來(lái)的水汽輸送到秦巴山脈匯聚。同期近海臺(tái)風(fēng)和東北冷渦活動(dòng)相關(guān)聯(lián)的環(huán)流導(dǎo)致東北路徑的水汽輸送異常強(qiáng)(貢獻(xiàn)達(dá)到30%)，成為本次暴雨過(guò)程水汽來(lái)源的獨(dú)特之處。與歷史同期比，偏南通道和東北通道的水汽路徑上比濕都是異常的正距平，說(shuō)明暴雨期水汽來(lái)源豐沛。暴雨過(guò)程主要由西南低渦前方的一個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng)造成，大巴山區(qū)迎風(fēng)坡對(duì)氣流的地形抬升與環(huán)境場(chǎng)偏南氣流的輻合上升疊加，對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)，降水強(qiáng)度大且突發(fā)性強(qiáng)；而秦嶺山區(qū)近地面是偏東風(fēng)在山前輻合抬升，中層為西南引導(dǎo)氣流的環(huán)境場(chǎng)上升運(yùn)動(dòng)，比大巴山區(qū)降水期的上升運(yùn)動(dòng)弱，主要以層云降水為主，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，累計(jì)降水量大。異常環(huán)流條件下多尺度系統(tǒng)相互作用、異常水汽輸送結(jié)合地形影響是秦巴山脈暴雨發(fā)生的主要原因。

引 言

暴雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害是我國(guó)主要的自然災(zāi)害，特別是在地形復(fù)雜的西部山地，暴雨尤其是突發(fā)性暴雨引發(fā)山洪帶來(lái)的滑坡、泥石流、塌方等次生災(zāi)害，有時(shí)是毀滅性的災(zāi)難，如2010年8月8日舟曲特大泥石流事件(趙玉春和崔春光，2010;曲曉波等，2010)。牛若蕓等(2018)統(tǒng)計(jì)表明我國(guó)西北和西南地區(qū)每年均約有3次區(qū)域性暴雨發(fā)生，而四川東北部大巴山到陜南秦嶺山區(qū)位于西部山地東部，秦巴山脈一方面是暴雨多發(fā)地，另一方面地勢(shì)陡峭，地表多石質(zhì)土壤，遇有暴雨沖刷，極易誘發(fā)山洪及其次生災(zāi)害(陸本燕等，2011；黃楚惠等，2020)。

西部山區(qū)暴雨的發(fā)生與東亞夏季風(fēng)活動(dòng)有密切關(guān)系(王寶鑒等，2004；黃玉霞等，2017)，強(qiáng)夏季風(fēng)年,到達(dá)東亞夏季風(fēng)西北影響區(qū)的水汽通量顯著增加,該區(qū)降水偏多, 弱夏季風(fēng)年則反之。臺(tái)風(fēng)活動(dòng)也往往造成西部山區(qū)暴雨的發(fā)生，侯建忠等(2006)統(tǒng)計(jì)陜西極端暴雨與臺(tái)風(fēng)活動(dòng)相關(guān)率達(dá)到87%，并指出近海臺(tái)風(fēng)活動(dòng)對(duì)陜西暴雨過(guò)程的低層水汽和能量輸送、高層300 hPa高空急流作用是關(guān)鍵。四川(包括大巴山區(qū))極端暴雨事件的39%與臺(tái)風(fēng)活動(dòng)有關(guān)(肖遞祥等，2017)。上述表明近海臺(tái)風(fēng)活動(dòng)帶來(lái)的充沛水汽是秦巴山脈暴雨發(fā)生發(fā)展的有利條件，此外追蹤不同高度水汽輸送路徑、源地及其貢獻(xiàn)表明西北暴雨過(guò)程還存在異常的隨西風(fēng)氣流的西路水汽輸送和繞高原的東路水汽輸送(陶健紅等，2016；孔祥偉等，2021)。陳棟等(2007)進(jìn)一步研究表明，在四川盆地東西兩側(cè)為高壓、南北為低壓控制的“鞍”型環(huán)流背景條件下，一方面可以使盆地低渦迅速聚集、合并發(fā)展，另一方面受地形阻擋和西伸的西太平洋副熱帶高壓作用在四川盆地東部形成向北的急流輻合帶，同時(shí)由于兩支氣流輸送大量的水汽，暖濕空氣在川東地區(qū)形成高溫高濕的輻合區(qū)。

黃玉霞等(2019)指出復(fù)雜地形區(qū)域是西北東部日暴雨極值的大值區(qū)，如秦嶺山區(qū)南麓佛坪—寧陜是暴雨日極值大于550 mm的中心，關(guān)中以北坡地是日暴雨極值中心，這些暴雨中心常位于山脈南側(cè)坡地到平原的過(guò)渡帶上，與氣流在山脈迎風(fēng)坡輻合抬升作用有關(guān)。畢寶貴等(2006)通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，秦嶺使大巴山、漢江河谷和陜北降水增加，對(duì)降水的影響通過(guò)地形產(chǎn)生的垂直次級(jí)環(huán)流來(lái)實(shí)現(xiàn)，降水增加的幅度隨地形高度呈正相關(guān)。此外,秦巴山脈暴雨過(guò)程常常伴隨青藏高原低值系統(tǒng)東移(傅慎明等，2011；李國(guó)平和張萬(wàn)誠(chéng)，2019)和西南低空急流的影響(肖紅茹等，2021)。在有利大尺度天氣背景下，西南低渦環(huán)流、切變線等天氣系統(tǒng)輻合環(huán)流激發(fā)的MCS是造成秦巴山脈暴雨發(fā)生的關(guān)鍵(孫建華等，2015)。

2021年4月23日陜西南部的關(guān)中—秦巴山脈出現(xiàn)了一次區(qū)域大范圍的暴雨過(guò)程，該次強(qiáng)降水引發(fā)陜西省內(nèi)9條河流出現(xiàn)11次洪峰，國(guó)道縣(鄉(xiāng))道路發(fā)生了多處塌方、小面積泥石流，交通中斷。本文主要對(duì)這次秦巴山脈大范圍區(qū)域性暴雨過(guò)程進(jìn)行降水特征、多尺度影響系統(tǒng)、水汽輸送、地形可能影響等展開分析。

1 資料和方法

本文所用資料：國(guó)家和區(qū)域站逐小時(shí)降水、雷達(dá)拼圖、FY-4A衛(wèi)星等觀測(cè)資料，以及水平分辨率為0.25°×0.25°、垂直25層的ERA5再分析資料。

方法：?jiǎn)握酒萍o(jì)錄的降水量根據(jù)陜西國(guó)家觀測(cè)站4月歷史同期數(shù)據(jù)對(duì)比挑出的最大值，也稱之為單站降水極值。距平場(chǎng)算法：用1979—2021年ERA5逐時(shí)再分析資料合成4月00—23時(shí)的位勢(shì)高度、風(fēng)、濕度等物理量的平均值作為氣候值，再用2021年4月23日逐時(shí)物理量值與氣候值進(jìn)行差值分析得到物理量的距平。中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)識(shí)別方法，根據(jù)國(guó)家氣象中心Zheng et al(2008)基于面積重疊法(Arnaud et al，1992)開發(fā)的衛(wèi)星云圖MCS識(shí)別追蹤系統(tǒng)——SatImage Viewer,識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)為：MCS云團(tuán)低于-52℃，冷云覆蓋面積≥5×104km2,持續(xù)時(shí)間大于6 h，面積最大時(shí)偏心率大于0.7。水汽軌跡聚類采用基于拉格朗日方法的HYSPLIT后向軌跡模式，這里后向追蹤5 d。

2 秦巴山脈強(qiáng)降水特征

2021年4月21—26日，秦巴山脈特別是陜西省南部出現(xiàn)了持續(xù)性降水天氣，其中23日08時(shí)至24日08時(shí)陜西關(guān)中及其南部的秦嶺、大巴山出現(xiàn)了2021年首場(chǎng)區(qū)域性大范圍暴雨天氣(圖1a),陜西省關(guān)中地區(qū)為零散站點(diǎn)暴雨，暴雨成片區(qū)主要分布在漢中東部、商洛和安康地區(qū)，其中商洛市山陽(yáng)縣十里鋪街道站降水量最大(116.9 mm)，23日09—10時(shí)最大小時(shí)降水量為20 mm(圖1d)，陜西省內(nèi)降水時(shí)間長(zhǎng)、雨強(qiáng)小。與陜西相鄰的四川東北部、湖北西北部、河南西部等地也均有成片的暴雨區(qū),并有多站3 h降水量超過(guò)50 mm，具有突發(fā)性，如四川省富順縣五間房村站24 h降水量超過(guò)90 mm，其中23日06—09時(shí)3 h超過(guò)57 mm,07—08時(shí)小時(shí)降水量為24 mm(圖1c)，達(dá)到了山地突發(fā)性暴雨事件標(biāo)準(zhǔn)(Chen et al,2021)，對(duì)流性降水明顯,可見(jiàn)此次大范圍長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的暴雨過(guò)程中含有山地突發(fā)性暴雨事件。

圖1 2021年4月23日08時(shí)至24日08時(shí)(a)24 h累計(jì)降水量，(b)24 h降水量超過(guò)歷史極值站點(diǎn)填圖 (陰影為地形高度);(c)四川富順縣五間房村站，(d) 陜西山陽(yáng)縣十里鋪街道站小時(shí)降水量演變Fig.1 Precipitation from 08:00 BT 23 to 08:00 BT 24 April 2021 (a) 24 h accumulated rainfall, (b) distribution of stations with 24 h accumulated rainfall exceeding historical extremes (shadow: topography height), (c, d) evolution of hourly rainfall at (c) Wujianfangcun Station in Fushun County of Sichuan and (d) Shilipu Street Station in Shanyang County of Shaanxi

盡管陜西境內(nèi)23日強(qiáng)降水對(duì)流弱，但為關(guān)中—陜南4月歷史上最強(qiáng)區(qū)域性暴雨過(guò)程，共有18個(gè)國(guó)家站24 h降水量突破4月歷史極值(圖1b)，陜西東南部破歷史極值站點(diǎn)降水均超過(guò)50 mm，關(guān)中地區(qū)則在40～51 mm，可稱之為陜西南部4月極端強(qiáng)降水過(guò)程。

3 暴雨過(guò)程多尺度天氣系統(tǒng)的疊加作用

為了解23日暴雨過(guò)程的成因，這里先分析多尺度影響系統(tǒng)、水汽條件。23日08時(shí)500 hPa西太平洋副熱帶高壓因受臺(tái)風(fēng)舒力基影響較同期明顯要偏西偏北(圖2a)，中高緯度為強(qiáng)大的蒙古高壓，它穩(wěn)定維持期間與副熱帶高壓形成南北幾乎打通的高壓壩。位于青藏高原東北部的低渦東偏南移動(dòng)過(guò)程中與該高壓壩間的氣壓梯度不斷增大，使得低渦東南部西南風(fēng)加大，其大值區(qū)正好位于四川北部；同時(shí)正渦度平流隨高原低渦東移輸送至四川北部—陜南一帶，有利于盆地中低層低渦環(huán)流加深發(fā)展。在海平面氣壓圖上(圖2b)陜西處在東高西低形勢(shì)下，有利于西南地區(qū)地面低壓向其東北的陜西南部擴(kuò)展。

中低層700 hPa存在一支從青藏高原南側(cè)經(jīng)云貴高原到達(dá)大巴山南側(cè)的西南風(fēng)急流，也形成了包括盆地、陜西省在內(nèi)整個(gè)高原東側(cè)的氣旋性環(huán)流(圖2c)。850 hPa，四川盆地出現(xiàn)了西南低渦(圖2d)，秦巴山脈為偏南風(fēng)急流和偏東風(fēng)急流的匯合，輻合明顯，急流中心最大風(fēng)速達(dá)20 m·s-1，且中低層濕度增大；此外由偏東氣流和西南低渦前方的偏南氣流形成的切變線正好位于秦巴山脈，為暴雨的發(fā)生提供了良好的動(dòng)力條件。

由圖2c,2d看到，在秦巴山脈對(duì)流層中低層除了切變線外，還存在三個(gè)與暴雨過(guò)程有關(guān)的低值系統(tǒng)：盆地西南低渦、東北冷渦、近海臺(tái)風(fēng)。通過(guò)這些系統(tǒng)形成了兩條強(qiáng)的水汽輸送通道(圖2d)：一是700 hPa和850 hPa上來(lái)自孟加拉灣和南海的偏南風(fēng)急流水汽輸送；二是850 hPa和925 hPa上的偏東風(fēng)急流，它由多尺度天氣系統(tǒng)形成：925～850 hPa(圖略)在山東半島發(fā)展的低渦與近海臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流相關(guān)聯(lián)，即臺(tái)風(fēng)外圍東側(cè)氣流向北運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與山東半島低渦環(huán)流相融合，通過(guò)該低渦氣旋性旋轉(zhuǎn)，臺(tái)風(fēng)外圍偏南氣流在渤海灣轉(zhuǎn)向西南方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)河南后又轉(zhuǎn)為偏東氣流向西匯合到陜南地區(qū)。由于環(huán)流相互影響，洋面上水汽輸送氣流通過(guò)近海臺(tái)風(fēng)和東北冷渦環(huán)流相關(guān)聯(lián)依次旋轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)急流、偏東風(fēng)氣流、北風(fēng)急流，最后在東北冷渦西南側(cè)北風(fēng)急流一部分轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)急流，從而將海洋上充沛水汽通過(guò)不同風(fēng)向急流成功輸送到陜西南部地區(qū)(圖2d)，上述過(guò)程是這次暴雨過(guò)程水汽輸送較為特殊之處。

圖2e,2f進(jìn)一步給出了23日08時(shí)和14時(shí)相對(duì)濕度、相當(dāng)位溫、經(jīng)向風(fēng)和垂直運(yùn)動(dòng)合成環(huán)流的垂直分布。在23日08—14時(shí)秦巴山脈對(duì)流層低層800～700 hPa存在一條弱的相當(dāng)位溫鋒區(qū)(31°～35°N)，鋒區(qū)隨時(shí)間向北移動(dòng)。08時(shí)降水主要位于大巴山南側(cè)，此時(shí)可以看到偏南風(fēng)沿大巴山南坡爬坡上升運(yùn)動(dòng)顯著(圖2e)，且濕層深厚，相對(duì)濕度大于90%的厚度從地面延伸至350 hPa，同時(shí)在200 hPa 高度也存在一相對(duì)濕度大值中心。14時(shí)以后，鋒區(qū)北移，相對(duì)濕度大值區(qū)也北移至秦嶺一帶，濕度體現(xiàn)了與大巴山南坡類似的變化，但高濕區(qū)范圍減小，特別是200 hPa高度濕度大值區(qū)偏北。由相當(dāng)位溫垂直分布看到，大巴山和秦嶺降水期間基本是相對(duì)穩(wěn)定的層結(jié)，但分別在600～500 hPa和600～400 hPa厚度層出現(xiàn)了不穩(wěn)定層，厚度較薄。

4 秦巴山脈南北降水差異和降水過(guò)程的中尺度特征

利用風(fēng)云衛(wèi)星TBB資料識(shí)別23日暴雨過(guò)程主要由一個(gè)MCS活動(dòng)造成(圖3)，MCS維持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)19 h，在700 hPa西南引導(dǎo)氣流影響下向東北移動(dòng)，最后在河南西北部消失(圖3a)。MCS隨時(shí)間偏心率漸漸變小，有效半徑增加，結(jié)合圖3c～3f中TBB分布可知云系范圍隨時(shí)間擴(kuò)大，沿東西方向明顯拉長(zhǎng)，云頂TBB隨時(shí)間先增加，到23日17時(shí)開始降低后又增加，這表示開始時(shí)刻在大巴山南側(cè)山坡上形成的MCS呈現(xiàn)為準(zhǔn)圓形、對(duì)流強(qiáng)、面積小，是一個(gè)發(fā)展較強(qiáng)的對(duì)流系統(tǒng)。在MCS移動(dòng)到大巴山北側(cè)后TBB升高，對(duì)流屬性明顯減弱，東西方向最大有效半徑可達(dá)155 km，呈現(xiàn)出以穩(wěn)定降水為主的大范圍層狀云系，其中在23日18—20時(shí)范圍最大(圖3b)。

圖2 2021年4月23日08時(shí)(a，b，c，d，e)和14時(shí)(f)天氣形勢(shì) (a)500 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1)和位勢(shì)高度場(chǎng)(綠線，單位：dagpm)，(b)海平面氣壓場(chǎng)(單位：hPa)， (c)700 hPa風(fēng)場(chǎng)，(d)850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽,單位：m·s-1)和相對(duì)濕度(填色)、 (e)沿109°E的流場(chǎng)(v和w)、相對(duì)濕度(淺藍(lán)色陰影)、相當(dāng)位溫(紫色線，單位：K)垂直剖面 (粗黑線為大巴山山坡區(qū)域)，(f)同圖2e，但為14時(shí)，沿110°E的剖面(粗黑線為漢水河谷區(qū)) (圖2a～2d中紅色或黑色實(shí)線為陜西省界)Fig.2 The weather situation at (a, b, c, d, e) 08:00 BT and (f) 14:00 BT 23 April 2021 (a) 500 hPa wind field (barb, unit: m·s-1) and geopotential height field (green line, unit: dagpm), (b) sea level pressure field (unit: hPa), (c) 700 hPa wind field, (d) 850 hPa wind field (barb, unit: m·s-1) and relative humidity (colored), (e) meridional vertical cross-section of relative humidity (light blue shadow), equivalent potential temperature (purple line, unit: K) for v and w along 109°E of (thick black line: the hillside area of Daba Mountain), (f) same as Fig.2e, but at 14:00 BT along 110°E (thick black line: the Hanshui River Valley Area) (The red or black solid lines in Figs.2a-2d are the provincial boundaries of Shaanxi Province)

圖3 2021年4月23—24日FY-4A衛(wèi)星資料分析 (a)追蹤MCS軌跡(陰影為地形高度),(b)MCS云系逐時(shí)最小TBB、有效半徑、偏心率變化,(c～f)不同時(shí)次TBB分布Fig.3 Analysis of FY-4A satellite data in 23-24 April 2021 (a) MCS trajectory tracking (shadow: terrain height), (b) hourly minimum TBB, effective radius, and eccentricity change of the MCS, (c-f) TBB distribution at different times

23—24日秦巴山脈暴雨過(guò)程中還有另一個(gè)MCS活動(dòng)過(guò)程，從23日01時(shí)開始在大巴山南坡上生成，向東移動(dòng)主要影響川東北和湖北地區(qū)降水(圖3a)，這是另一個(gè)對(duì)流活動(dòng)降水過(guò)程,此處不做詳細(xì)介紹。

在秦嶺相對(duì)集中降水時(shí)段，圖3a顯示MCS云系質(zhì)心位于湖北西北部、河南西部等地，即秦嶺山區(qū)東南部，這也解釋了秦嶺山區(qū)降水云系對(duì)流性較弱，主要是大范圍層云(圖3c～3f)，其中鑲嵌少量對(duì)流(圖4d～4i)，帶來(lái)局地小時(shí)強(qiáng)降水，如出現(xiàn)在與地形有關(guān)的秦嶺南坡陜西山陽(yáng)縣部分區(qū)域站的降水(圖1d)。此外，23日13時(shí)開始在秦巴山脈北側(cè)關(guān)中地區(qū)的氣旋性環(huán)流輻合形成的較弱云系開始發(fā)展并東移，與低層偏東急流進(jìn)入秦嶺和大巴山之間河谷，風(fēng)速輻合明顯，使得東北移動(dòng)的西南低渦云系增強(qiáng)，云團(tuán)進(jìn)一步發(fā)展，下午與關(guān)中發(fā)展東移云團(tuán)在秦嶺山區(qū)匯合，秦嶺南坡降水增強(qiáng)，表現(xiàn)出了一些局地對(duì)流云特征(圖4f～4h)。

23日暴雨過(guò)程主要分為兩個(gè)階段：一是23日02—10時(shí)大巴山區(qū)域降水階段，二是23日10時(shí)到24日03時(shí)秦嶺山區(qū)及其以南河谷區(qū)域降水階段，此階段包含了關(guān)中一帶降水時(shí)段：23日14—23時(shí)。下文分兩個(gè)階段進(jìn)一步分析秦嶺山區(qū)南北降水過(guò)程的中尺度特征。

4.1 大巴山南坡降水中尺度特征和地形影響

第一階段的強(qiáng)降水落區(qū)主要位于大巴山區(qū)南側(cè)的迎風(fēng)坡，降水首先在大巴山南側(cè)坡地發(fā)展，小時(shí)雨強(qiáng)大于15～20 mm的降水出現(xiàn)在23日06—10時(shí)(圖5a,5b)，強(qiáng)降水落區(qū)站點(diǎn)成片且集中，即具有顯著的對(duì)流特征。從組合反射率因子拼圖看，此階段山前MCS的回波呈現(xiàn)明顯的組織化特征(圖4a～4c)，大于45 dBz的強(qiáng)對(duì)流單體呈線狀緯向排列在大巴山南坡上，新對(duì)流單體主要在山脈坡前被激發(fā)并向北即山脈方向移動(dòng)，相對(duì)弱的層狀回波隨引導(dǎo)氣流漸漸向大巴山山脊方向擴(kuò)展(圖4c)。

圖4 2021年4月23日06—22時(shí)不同時(shí)刻的雷達(dá)組合反射率因子(填色)拼圖 (陰影為地形高度，下同)Fig.4 Composite reflectivity (colored) of Doppler radar from 06:00 BT to 22:00 BT 23 April 2021 (shadow: terrain height, same below)

在此階段大巴山區(qū)域700 hPa為明顯的偏南暖濕氣流(圖2c)， 850 hPa風(fēng)速超過(guò)12 m·s-1的偏南風(fēng)和偏東氣流構(gòu)成切變線。最大濕度層位于800 hPa 高度以下，強(qiáng)降水發(fā)生前，局地比濕最大，濕層厚(圖5c)。平行切變線垂直流場(chǎng)和濕度場(chǎng)分布(圖5c)，對(duì)流低層偏南氣流在迎風(fēng)坡前發(fā)生氣旋性切變轉(zhuǎn)為偏東氣流，一部分偏東氣流越過(guò)山脈，在近地面沿山坡做下沉運(yùn)動(dòng)(圖5c中108.5°～107°E處)，一部分遇到低層切變線區(qū)域輻合上升氣流作上升運(yùn)動(dòng)。垂直于大巴山的合成環(huán)流，中低層偏南風(fēng)急流帶來(lái)了的暖濕水汽在大巴山山坡前匯聚(圖5d)，地形高處地面溫度較坡前平地低，于是濕潤(rùn)的暖氣流沿地形冷下墊面上升，從而切變線南側(cè)上升運(yùn)動(dòng)更加容易發(fā)展；同時(shí)山前偏南風(fēng)受到大巴山地形阻擋，風(fēng)速明顯減弱，又進(jìn)一步加強(qiáng)了大巴山山坡上的輻合上升運(yùn)動(dòng)，地形抬升作用顯著，利于地形坡地激發(fā)新對(duì)流，隨著上升運(yùn)動(dòng)對(duì)流垂直發(fā)展增強(qiáng)，從而云系變厚，受到700 hPa以上的西南氣流引導(dǎo)向北運(yùn)動(dòng)，這就形成了圖4a～4c中新對(duì)流在山前激發(fā)，成熟的強(qiáng)對(duì)流回波位于山坡，弱的層云回波位于山脊，強(qiáng)降水主要在大巴山南側(cè)山坡上發(fā)展。

4.2 秦嶺—關(guān)中地區(qū)降水中尺度特征和地形影響

23日11時(shí)以后小時(shí)降水大于5 mm的落區(qū)漸漸向北即秦嶺發(fā)展，降水先在秦嶺和大巴山之間的漢水河谷集中增強(qiáng)，小時(shí)降水量大多為5～15 mm，強(qiáng)度較第一階段明顯減弱，對(duì)流弱，層云回波占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但隨著降水向秦嶺南坡發(fā)展，出現(xiàn)了一些散點(diǎn)強(qiáng)對(duì)流回波，少數(shù)站點(diǎn)小時(shí)降水量超過(guò)20 mm(圖6a,6b)，此階段小時(shí)雨強(qiáng)雖小，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，約有17 h，從而累計(jì)降水量大，導(dǎo)致多個(gè)國(guó)家站突破歷史同期極值，暴雨區(qū)范圍明顯比第一階段大(圖5a，5b)。

23日11時(shí)(圖4d)，雷達(dá)拼圖顯示一條帶狀回波在大巴山和秦嶺之間的漢水河谷發(fā)展，之后組織性強(qiáng)的回波主要在秦嶺東南側(cè)坡地上發(fā)展維持。14時(shí)>關(guān)中地區(qū)弱對(duì)流發(fā)展，回波主體隨時(shí)間向南擴(kuò)展與漢水河谷向北移動(dòng)的回波漸漸融合，到19時(shí)形成中間強(qiáng)回波、南北弱回波的大范圍回波結(jié)構(gòu)，并覆蓋了秦嶺山區(qū)，大于40 dBz的回波零散分布，回波組織性差。新的強(qiáng)回波單體仍在南側(cè)和東側(cè)激發(fā)，并向秦嶺山區(qū)移動(dòng)(圖4d～4i)。

圖5 2021年4月23日(a，c)07時(shí)，(b，d)09時(shí)的(a，b)小時(shí)降水(填色)， (c)沿32°N u和w,(d)沿107.5°E v和w的合成流場(chǎng)(矢量，單位：m·s-1) 和比濕垂直分布(填色)Fig.5 (a, b) Distribution of hourly precipitation, (c, d) vertical movement and specific humidity (colored): (c) along 32°N u and w composite flow field (vector, unit: m·s-1)， (d) along 107.5°E v and w composite flow field (vector, unit: m·s-1) on 23 April 2021 (a, c) 07:00 BT, (b, d) 09:00 BT

此階段850 hPa因西南低渦和東北冷渦穩(wěn)定增強(qiáng)發(fā)展，與其相關(guān)聯(lián)的環(huán)流在漢水河谷形成了偏東風(fēng)急流(圖6c)。近地層925 hPa上一股較強(qiáng)的東北氣流，因秦巴山脈地形屏障，進(jìn)入狹窄的漢水河谷地帶，風(fēng)速迅速增大至10 m·s-1(圖6d),形成了邊界層急流 (Du and Chen,2019)，邊界層急流和低空急流的存在及其帶來(lái)的暖濕水汽為河谷對(duì)流單體激發(fā)、回波發(fā)展提供了極為有利的動(dòng)力和水汽條件。沿強(qiáng)降水帶的風(fēng)場(chǎng)和濕度場(chǎng)垂直剖面表明，在強(qiáng)降水落區(qū)東側(cè)近地層110°～111°E附近偏東氣流的上升運(yùn)動(dòng)較明顯(圖6e，6f)，且河谷上升運(yùn)動(dòng)比秦嶺坡前強(qiáng)。偏東氣流在秦嶺南側(cè)迎風(fēng)坡爬升運(yùn)動(dòng)主要在近地層至750 hPa，地形影響顯著。

5 氣候變化背景下的水汽異常輸送

5.1 背景場(chǎng)和比濕異常特征

用1979—2021年ERA5逐時(shí)再分析資料合成4月00—23時(shí)各物理量的平均值作為氣候值，計(jì)算2021年4月23日逐時(shí)物理量值與氣候值的差值，進(jìn)一步分析其暴雨過(guò)程環(huán)流異常和水汽異常的特征。

500 hPa中高緯環(huán)流“兩槽一脊”型，中高緯度高度距平場(chǎng)呈現(xiàn)為明顯的東部正距平，西部特別是巴爾喀什湖槽區(qū)顯著的負(fù)距平，進(jìn)一步加深了“東高西低”環(huán)流型，增大了高低壓之間的氣壓梯度，導(dǎo)致環(huán)流場(chǎng)上低壓環(huán)流加強(qiáng)、高原及南側(cè)西風(fēng)氣流增大，這有利于陜西暴雨的高空環(huán)流配置。在我國(guó)東北地區(qū)有氣旋性環(huán)流距平，說(shuō)明東北冷渦存在且發(fā)展較強(qiáng)，在低渦西側(cè)的反氣旋性環(huán)流及其南側(cè)的偏東氣流也逐漸增強(qiáng)，同時(shí)，青藏高原南側(cè)的氣旋性環(huán)流也顯示暴雨過(guò)程伴隨著更強(qiáng)的南支槽活動(dòng)。這兩支異常環(huán)流是暴雨水汽輸送通道的關(guān)鍵影響因素(圖7a)。

圖6 2021年4月23日(a)16時(shí)和(b)18時(shí)的小時(shí)降水，(c)14時(shí)850 hPa低空急流以及(d)14時(shí)925 hPa邊界層 急流,(e)沿圖6a、(f)沿圖6b中虛線做u和w剖面的流場(chǎng)(矢量，單位：m·s-1)和比濕垂直(填色)分布Fig.6 (a, b) Hourly precipitation at (a) 16:00 BT and (b) 18:00 BT, (c) the 850 hPa low-level jet at 14:00 BT, (d) the 925 hPa boundary layer jet at 14:00 BT, (e, f) the flow field (vector, unit: m·s-1) in the cross-sections of u and w and specific humidity vertical distribution (colored) along the dashed line in (e)Fig.6a and (f)Fig.6b respectively, on 23 April 2021

中低層，西南低渦和臺(tái)風(fēng)區(qū)域均為高度場(chǎng)負(fù)距平，東北冷渦強(qiáng)度相對(duì)偏弱。風(fēng)場(chǎng)距平上，除了臺(tái)風(fēng)舒力基區(qū)域異常風(fēng)速正距平大外，在東北冷渦外圍東北氣流、西南低渦東部偏南風(fēng)風(fēng)速正距平均超過(guò)8 m·s-1,這些正異常風(fēng)速出現(xiàn)，導(dǎo)致秦巴山脈水汽的異常輸送，為暴雨發(fā)生提供良好的水汽來(lái)源輸送通道。南側(cè)異常的偏南風(fēng)與北側(cè)異常的偏東風(fēng)，在增加水汽輸送的同時(shí)，也在陜西尤其是陜西中南部形成了強(qiáng)的風(fēng)切變和輻合。除此之外，臺(tái)風(fēng)的出現(xiàn)，導(dǎo)致距平場(chǎng)在臺(tái)灣以東洋面出現(xiàn)了強(qiáng)的氣旋性渦旋環(huán)流異常，其北側(cè)的偏東氣流則有利于暴雨的水汽供應(yīng)(圖7b)。

除了中層和低層環(huán)流的顯著異常以外，引發(fā)此次暴雨的另一個(gè)重要原因是低層水汽含量的異常。4月23日，陜西尤其是中南部地區(qū)及其西側(cè)出現(xiàn)了強(qiáng)度超過(guò)0.005 kg·kg-1的水汽含量正偏差，其強(qiáng)度可與海上的臺(tái)風(fēng)環(huán)流場(chǎng)中的水汽含量正偏差相當(dāng)，且這種正偏差在降水過(guò)程中始終維持，為暴雨的發(fā)生提供了重要的水汽條件(圖7c)。

圖7 2021年4月23日08時(shí)(a) 500 hPa平均位勢(shì)高度(填色)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1)距平，(b)850 hPa 平均位勢(shì)高度(填色)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，紅線為風(fēng)速距平值，單位：m·s-1)距平，(c) 850 hPa比濕距平Fig.7 (a) The 500 hPa average geopotential height anomaly (colored) and wind field anomaly (barb, unit: m·s-1), (b) 850 hPa average geopotential height anomaly (colored) and wind field anomaly (barb, red line: wind speed anomaly, unit：m·s-1) and (c) 850 hPa specific humidity anomaly at 08:00 BT 23 April 2021

5.2 水汽異常輸送特征

采用HYSPLIT后向軌跡模式模擬4月23日暴雨過(guò)程水汽軌跡，并與歷史同期4月陜西秦巴山脈水汽輸送對(duì)比，模擬時(shí)段選取1982—2021年4月23—24日(其中2021年4月23—24日為此次暴雨過(guò)程，其他年份同期作為氣候態(tài)的對(duì)比時(shí)段)，初始場(chǎng)水平分辨率為1°×1°，模擬區(qū)域根據(jù)降水分布特點(diǎn)，同時(shí)考慮地形差異，由于水汽輸送多集中在對(duì)流層中低層，因此,選取地面以上1 000 m作為模擬的初始高度。模擬空氣塊后向追蹤5 d的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，每6 h輸出一次軌跡點(diǎn)的位置。

水汽軌跡聚類表明，此次暴雨過(guò)程中離地1 km高度有4條水汽輸送通道，以貢獻(xiàn)多少排序依次為西南路徑、東北路徑、東南局地路徑、西北路徑。來(lái)自西南和東南暖濕區(qū)域的水汽仍是重要的水汽來(lái)源，占56%，軌跡條數(shù)合計(jì)占50%。另一條重要水汽路徑來(lái)自東北方向，水汽貢獻(xiàn)為30%，由于該路徑從西太平洋向北，經(jīng)過(guò)渤海后轉(zhuǎn)向西南，因此水汽有所耗損，軌跡條數(shù)占32%。而偏西路徑由較干旱的中亞地區(qū)以及經(jīng)青藏高原東側(cè)到達(dá)暴雨區(qū)，水汽和軌跡條數(shù)貢獻(xiàn)分別為14%和18%(圖8a)。同期氣候態(tài)的水汽輸送路徑顯示，最大水汽貢獻(xiàn)來(lái)自東偏南方向，達(dá)到39%，西南路徑其次，為24%，另外兩條水汽路徑均來(lái)自西北方向，分別為15%和22%，均不經(jīng)過(guò)青藏高原。此次暴雨過(guò)程與氣候態(tài)相比，一條來(lái)自東海的水汽輸送路徑是其獨(dú)特的水汽來(lái)源，貢獻(xiàn)達(dá)到30%(圖8a)。

圖8 (a)2021年4月23—24日暴雨過(guò)程和(b)同時(shí)期1982—2021年氣候平均態(tài)的水汽輸送軌跡聚類通道分析 (上面數(shù)字表示通道水汽百分率，下面數(shù)字表示通道軌跡條數(shù)百分率)Fig.8 Water vapor transport trajectory cluster channel analysis for (a) the torrential rain process in 23-24 April 2021 and (b) the average climate state during the same period from 1982 to 2021 (The upper and lower figures indicate the percentage of water vapor in the channel, the number of channel trajectories percentage, respectively)

綜上所述，此次暴雨過(guò)程的水汽輸送異常表現(xiàn)為：一是近海臺(tái)風(fēng)舒力基和東北冷渦環(huán)流相互作用帶來(lái)的東北水汽通道，增加了秦巴山脈降水過(guò)程中的水汽條件;二是較干的西風(fēng)水汽通道通過(guò)青藏高原向東輸送，與高原槽東移影響相關(guān)，而氣候態(tài)上西北兩條路徑均不經(jīng)過(guò)高原地區(qū)。

6 結(jié) 論

本文利用逐小時(shí)降水、雷達(dá)、FY-4A衛(wèi)星等觀測(cè)資料，及ERA5逐時(shí)再分析資料，分析了2021年4月23日秦巴山脈大范圍區(qū)域性暴雨過(guò)程的降水特征、多尺度影響系統(tǒng)、水汽異常輸送、地形影響，得到以下結(jié)論：

(1)2021年4月23日秦巴山脈暴雨過(guò)程出現(xiàn)較早，范圍大，陜西南部地區(qū)超過(guò)歷史同期極值，在大巴山前的強(qiáng)降水達(dá)到山地突發(fā)性暴雨事件標(biāo)準(zhǔn)。暴雨過(guò)程主要由西南低渦前方的一個(gè)MCS活動(dòng)造成，降水由南向北發(fā)展，第一階段大巴山脈降水主要位于四川東北部、湖北西北部等地，對(duì)流較強(qiáng)，小時(shí)雨強(qiáng)大。第二階段主要位于陜南、河南，降水對(duì)流性弱，以層狀云的穩(wěn)定性降水為主。

(2)多尺度天氣系統(tǒng)的疊加。23日500 hPa秦巴山脈異常的“東高西低”環(huán)流形勢(shì)造成秦巴山脈到其西部青藏高原間的氣壓梯度力增大，中層西風(fēng)氣流增強(qiáng)。中低層同時(shí)存在高原槽東移、西南低渦、近海臺(tái)風(fēng)和東北冷渦等多個(gè)天氣系統(tǒng)疊加影響。西南低渦前方的東南氣流與北側(cè)的偏東風(fēng)形成的切變線為暴雨發(fā)生提供了環(huán)境場(chǎng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)。近海臺(tái)風(fēng)和東北冷渦相關(guān)聯(lián)的環(huán)流導(dǎo)致漢水河谷的偏東急流、西南低渦東側(cè)的偏南風(fēng)急流為暴雨過(guò)程帶來(lái)了充足的水汽。

(3)水汽的異常輸送。較早出現(xiàn)的臺(tái)風(fēng)舒力基活動(dòng)與東北冷渦環(huán)流作用，帶來(lái)的低層來(lái)自臺(tái)風(fēng)外圍氣流經(jīng)東北冷渦環(huán)流，從黃渤海地區(qū)向陜南輸送，該水汽輸送占30%，而歷史同期這條水汽輸送通道的貢獻(xiàn)并不重要。其次來(lái)自孟加拉灣和南海的低層水汽在內(nèi)陸地區(qū)匯合，由發(fā)展強(qiáng)盛的西南低渦前方的東南氣流輸送到秦巴山脈匯聚，西南路徑和東南路徑水汽輸送合占56%。

(4)地形對(duì)強(qiáng)降水的增幅作用明顯。大巴山脈迎風(fēng)坡對(duì)氣流的地形抬升與環(huán)境場(chǎng)偏南氣流的輻合上升疊加，上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，將低層充足的水汽垂直輸送至高層，對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)，小時(shí)降水強(qiáng)度大，突發(fā)性強(qiáng)。而秦嶺山區(qū)近地面是偏東風(fēng)在山前輻合抬升，中層為西南引導(dǎo)氣流的環(huán)境場(chǎng)上升運(yùn)動(dòng)，比大巴山區(qū)降水期的上升運(yùn)動(dòng)弱，主要以層云降水為主，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，累計(jì)降水量大。