河南省秋季連續(xù)兩個(gè)暴雨日的鋒生和不穩(wěn)定診斷分析*

賀 哲 竹磊磊 張 霞 王 麗 吳 璐 席 樂

1 中國氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003 2 河南省氣象臺，鄭州 450003 3 河南省氣候中心，鄭州 450003 4 河南省氣象服務(wù)中心，鄭州 450003

提 要： 利用觀測資料和NCEP再分析資料，對2011年9月河南省連續(xù)兩個(gè)秋季暴雨日的鋒生以及穩(wěn)定度進(jìn)行了診斷分析。結(jié)果表明，兩個(gè)暴雨日期間，河南省中北部存在東北—西南向鋒區(qū)，鋒區(qū)呈準(zhǔn)靜止特征。兩個(gè)暴雨日鋒生函數(shù)的相似之處是，在強(qiáng)降水即將發(fā)生之前，鋒區(qū)大部基本都呈現(xiàn)鋒生；在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，高層和低層鋒生加強(qiáng)，但中層600～500 hPa鋒生相對減弱，且400 hPa附近出現(xiàn)鋒消，這主要是由于垂直運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)所造成的；在降水減弱時(shí)段，鋒消區(qū)和高層鋒生區(qū)在高度上均略有下降，與垂直運(yùn)動(dòng)的減弱相對應(yīng)。不同之處在于，第二個(gè)暴雨日夜間對流層中層鋒區(qū)陡立，且鋒生中心更靠近暖區(qū)一側(cè)，這是由于降水的對流性增強(qiáng)，降水效率加大，凝結(jié)潛熱釋放增加所造成的。鋒生函數(shù)各項(xiàng)所起的作用不同，對鋒生貢獻(xiàn)最大的是變形項(xiàng)，而傾斜項(xiàng)則主要起鋒消作用，強(qiáng)降水發(fā)生時(shí),400 hPa的強(qiáng)鋒消中心就是傾斜項(xiàng)貢獻(xiàn)的突出表現(xiàn)。兩個(gè)暴雨日均為慣性穩(wěn)定。第一個(gè)暴雨日對流穩(wěn)定，但具有對稱不穩(wěn)定，因而強(qiáng)降水帶是由對稱不穩(wěn)定的釋放所造成的。第二個(gè)暴雨日在鋒區(qū)700 hPa附近出現(xiàn)了對流不穩(wěn)定與對稱不穩(wěn)定共存的現(xiàn)象，強(qiáng)降水帶由對流-對稱不穩(wěn)定造成，夜間所產(chǎn)生的雷暴具有高架雷暴特征。因而，第一個(gè)暴雨日，鋒區(qū)靠近暖空氣一側(cè)整體呈現(xiàn)為一致的傾斜上升氣流，且鋒生中心、對稱不穩(wěn)定中心與上升運(yùn)動(dòng)中心相伴出現(xiàn)，說明了鋒生的存在為對稱不穩(wěn)定的釋放提供了有利條件。第二個(gè)暴雨日，呈現(xiàn)出明顯的傾斜對流與垂直對流混合的特征，強(qiáng)垂直上升氣流的起點(diǎn)恰好就是對流-對稱不穩(wěn)定區(qū)，而且垂直上升氣流遠(yuǎn)強(qiáng)于第一個(gè)暴雨日的傾斜上升氣流，說明重力對流占主導(dǎo)優(yōu)勢。

引 言

鋒是大氣中常見的天氣系統(tǒng)，鋒生是指鋒的形成或加強(qiáng)的過程。朱鎖風(fēng)和毛秀風(fēng)(1987)指出中國的鋒生可分為北方鋒生帶和南方鋒生帶，分別與高空北支鋒區(qū)和南支鋒區(qū)相對應(yīng)。鋒生導(dǎo)致水平位溫梯度隨時(shí)間增加，破壞熱成風(fēng)平衡，根據(jù)地轉(zhuǎn)偏差與加速度關(guān)系，形成垂直于鋒面且在暖區(qū)上升、冷區(qū)下沉的次級環(huán)流(朱乾根等，2007)，因而鋒生往往伴隨有較強(qiáng)的天氣甚至是災(zāi)害性天氣發(fā)生，因此鋒生一直是氣象工作者所關(guān)注的問題之一(Petterssen，1936；Hoskins and Bretherton，1972；Stone，1966；Thorpe and Emanuel，1985；Blumen and Wu，1995；Schultz and Schumacher，1999；伍榮生和方娟，2001；高守亭和陶詩言，1991；呂克利和徐亞梅，1995；肖慶農(nóng)等，1997；Pan and Wu，2001)。近年來，國內(nèi)也有不少學(xué)者(李英等，2008；韓桂榮等，2005；李娜等，2013；侯俊和管兆勇，2013；郭英蓮等，2014；杜正靜等，2015；張亞男和段旭，2018；段旭等，2019；梁紅麗等，2018；王伏村等，2016；陸琛莉等，2018；鄧承之等，2019；徐亞欽等，2019；徐姝等，2019)對鋒生特征進(jìn)行了分析研究，段旭等(2019)對2008年年初的昆明準(zhǔn)靜止鋒進(jìn)行了診斷分析，認(rèn)為輻合輻散項(xiàng)和水平變形項(xiàng)是鋒生函數(shù)變化的主要貢獻(xiàn)項(xiàng)，其中水平變形項(xiàng)中切變變形作用以鋒生為主，而伸縮變形項(xiàng)在緯向產(chǎn)生鋒生，在經(jīng)向產(chǎn)生鋒消。而非絕熱加熱項(xiàng)和垂直運(yùn)動(dòng)傾斜項(xiàng)則貢獻(xiàn)較小。梁紅麗等(2018)對云南的一次雨雪天氣的鋒生特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為第一次降雪峰值的形成主要是傾斜項(xiàng)作用，第二次降雪峰值則主要是水平變形項(xiàng)和傾斜項(xiàng)作用。李娜等(2013)對北京“7·21”暴雨過程進(jìn)行分析后認(rèn)為鋒生函數(shù)中與垂直運(yùn)動(dòng)相關(guān)的傾斜項(xiàng)在中高層對鋒生有較大貢獻(xiàn)，而變形項(xiàng)和散度項(xiàng)則對低層鋒生有重要貢獻(xiàn)。除此之外，韓桂榮等(2005)、郭英蓮等(2014)、杜正靜等(2015)、張亞男和段旭(2018)、王伏村等(2016)諸多學(xué)者也都對鋒生函數(shù)及其各項(xiàng)的作用進(jìn)行了探討，所得結(jié)論也不盡相同，由此可見，在不同的過程以及不同的層次，鋒生函數(shù)各項(xiàng)所起的作用也略有不同。另外，蒙偉光等(2012)對華南一次局地鋒生進(jìn)行模擬分析研究后認(rèn)為，中尺度鋒生更主要的是由熱力直接觸發(fā)的非地轉(zhuǎn)環(huán)流所驅(qū)動(dòng)，非絕熱項(xiàng)和傾斜項(xiàng)是引發(fā)中尺度鋒生的主要因子，這與大尺度鋒生過程有所不同。

Schultz and Schumacher(1999)認(rèn)為鋒生和濕對稱不穩(wěn)定通常是共存的，濕對稱不穩(wěn)定的釋放所引發(fā)的傾斜對流通常用來解釋鋒區(qū)帶狀降水的產(chǎn)生和發(fā)展(Bennetts and Hoskins，1979)，而鋒生為濕對稱不穩(wěn)定的釋放提供了有利條件。對稱不穩(wěn)定分為干對稱不穩(wěn)定和濕對稱不穩(wěn)定，濕對稱不穩(wěn)定又包括條件對稱不穩(wěn)定和潛在對稱不穩(wěn)定(Schultz and Schumacher，1999)。傳統(tǒng)上通常運(yùn)用Mg-θ剖面圖來診斷對稱不穩(wěn)定，根據(jù)用來表示鋒面次級環(huán)流的Sawyer-Eliassen方程可知，當(dāng)相當(dāng)位渦EPV<0時(shí)，方程的復(fù)數(shù)解將會(huì)導(dǎo)致次級環(huán)流呈指數(shù)性增長，而判據(jù)EPV<0也等同于在y-p平面上等相當(dāng)位溫面的傾角大于地轉(zhuǎn)絕對動(dòng)量面的傾角，二者是條件對稱不穩(wěn)定的等價(jià)判據(jù)(張芳華等，2014)，因而，用濕位渦來診斷對稱不穩(wěn)定也是一種常用的客觀定量的方法。有諸多分析和研究(張芳華等，2014；劉璐等，2015；羅娟等，2018；鄧承之等，2019)均揭示了濕對稱不穩(wěn)定的釋放與鋒區(qū)帶狀降水之間的聯(lián)系。還有一些分析和研究(王文和程麟生，2001；盛春巖和楊曉霞，2002；馮麗莎等，2020)探討了對稱不穩(wěn)定與冬季暴雪之間的聯(lián)系。另外，大氣中還經(jīng)常可以見到對流不穩(wěn)定和對稱不穩(wěn)定共存的現(xiàn)象，Emanuel(1980)和Jascourt et al(1988)將這種情形稱為對流-對稱不穩(wěn)定。Xu(1986)提出了雨帶形成的兩種機(jī)制，分別是“升尺度發(fā)展型”(upscale development)[或稱為“向上尺度發(fā)展型”(程艷紅和陸漢城，2006)、“逆尺度發(fā)展型”(王宗敏等，2014)]和“降尺度發(fā)展型”(downscale development)[或稱為“向下尺度發(fā)展型”(程艷紅和陸漢城，2006)]，而這兩種機(jī)制被認(rèn)為是對流-對稱不穩(wěn)定的形式。王宗敏等(2014)對一次副高外圍對流雨帶進(jìn)行了模擬分析后認(rèn)為在對流發(fā)展時(shí)刻，低層為傾斜上升區(qū)，中高層為垂直上升區(qū)，呈現(xiàn)明顯的傾斜對流和垂直對流混合的特征，體現(xiàn)了對流-對稱不穩(wěn)定的作用。劉洲洋等(2018)在研究冷季高架雷暴時(shí)也指出，條件對稱不穩(wěn)定可以與條件不穩(wěn)定共存。在這種情況下，條件對稱不穩(wěn)定先被觸發(fā)，而由此導(dǎo)致的上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步觸發(fā)了條件不穩(wěn)定。還有諸多學(xué)者(王文和程麟生，2001；陸漢城等，2002；程艷紅和陸漢城，2006；徐文慧和倪允琪，2009；張曉惠和倪允琪，2009；王晨曦等，2018)也都對對流-對稱不穩(wěn)定進(jìn)行了診斷分析。

上述諸多研究大多都是對夏季暴雨或冬季暴雪進(jìn)行分析，而對于秋季強(qiáng)降水乃至暴雨則研究很少。2011年9月，河南省出現(xiàn)了長達(dá)20 d左右的連陰雨天氣，其中還有多次暴雨過程產(chǎn)生，尤其是9月13日08時(shí)至14日08時(shí)以及14日08時(shí)至15日08時(shí)(北京時(shí)，下同)是連續(xù)的兩個(gè)暴雨日，其中第二個(gè)暴雨日局部雨量超過100 mm。由于河南省地處中緯度地區(qū)，如此之強(qiáng)的降水在秋季較為罕見。關(guān)于這兩個(gè)秋季暴雨日，賀哲等(2015)曾經(jīng)進(jìn)行過初步的分析，主要是從水汽、動(dòng)力、熱力等角度進(jìn)行了探討，本文擬從定量診斷鋒生以及穩(wěn)定度狀況的角度出發(fā)，并基于觀測資料以及NCEP 1°×1°分辨率的格點(diǎn)再分析資料，來深入分析秋季暴雨過程中鋒區(qū)以及穩(wěn)定度的特征和演變過程，旨在進(jìn)一步加深對秋季暴雨形成機(jī)理的認(rèn)識。

1 降水實(shí)況與天氣分析

1.1 降水實(shí)況

圖1為2011年9月13日08時(shí)至14日08時(shí)和14日08時(shí)至15日08時(shí)河南省降水量分布。這兩個(gè)暴雨日具有一些相似之處，如:降水強(qiáng)度大、范圍廣，落區(qū)也較為接近，暴雨區(qū)均為東北—西南向狹長帶狀，且都是產(chǎn)生在連陰雨的背景之下。但同時(shí)也有一些不同的特征，如:第一個(gè)暴雨日共有22個(gè)站雨量≥50 mm，且無大暴雨產(chǎn)生，降水量分布相對較為均勻；而第二個(gè)暴雨日共有20個(gè)站達(dá)到暴雨以上級別，其中有兩站雨量超過100 mm，達(dá)到了大暴雨的級別，同時(shí)，在暴雨區(qū)內(nèi)還有個(gè)別站點(diǎn)未達(dá)到暴雨級別，說明降水量分布均勻性不如第一個(gè)暴雨日。另外，第一個(gè)暴雨日省內(nèi)站點(diǎn)逐小時(shí)雨量(圖略)最大值為15.1 mm，無短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生。而第二個(gè)暴雨日中共有8個(gè)站次降水量超過20 mm，達(dá)到了短時(shí)強(qiáng)降水的級別，其中最大值為30.3 mm。云系與地面觀測也表明，14日夜間，河南省黃淮之間大部分測站有對流云發(fā)展，并有27個(gè)站出現(xiàn)雷暴，說明降水的對流性增強(qiáng)。

將13日08時(shí)至15日08時(shí)逐小時(shí)全省各測站降水量進(jìn)行累加，得到逐小時(shí)全省總降水量演變序列(圖2)，從圖2可以清楚地得知，兩個(gè)暴雨日的強(qiáng)降水集中時(shí)段均是在夜間，而白天則是降水較弱的時(shí)段，而且14日夜間的降水總體上要強(qiáng)于13日夜間。

1.2 天氣分析

500 hPa(圖略)高空形勢特征顯示，這兩個(gè)連續(xù)出現(xiàn)的暴雨日，是產(chǎn)生在相同的大氣環(huán)流背景之下。中高緯度，烏拉爾山東側(cè)有阻塞高壓維持并穩(wěn)定少動(dòng)，其中心基本維持在62°N、80°E附近。俄羅斯東部至貝加爾湖地區(qū)為低值區(qū)，貝加爾湖及其以西有橫槽存在，其南側(cè)不斷有短波槽東移并攜帶弱冷空氣擴(kuò)散南下。而在中低緯度，西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)呈東北—西南向帶狀，588 dagpm穩(wěn)定維持在黃淮到江淮地區(qū)，河南省處在副高西北側(cè)，同時(shí)，高原上也有低槽東移，有利于暖濕氣流和冷空氣在河南省上空交匯并持續(xù)較長時(shí)間。另外，在兩個(gè)暴雨日期間，副高西界緩慢向東撤退，這與兩次暴雨落區(qū)有規(guī)律地向東南方向略有移動(dòng)相對應(yīng)。

在海平面氣壓場上(圖略)，過程初始時(shí)刻，13日08時(shí)，河南省處在東北—西南向高壓帶中，該高壓帶從朝鮮半島伸至四川北部。從13日夜間到14日夜間，有弱倒槽向江淮和黃淮地區(qū)發(fā)展，表明暖濕氣流的強(qiáng)度在逐漸加強(qiáng)。

圖1 2011年9月(a)13日08時(shí)至14日08時(shí),(b)14日08時(shí)至15日08時(shí)河南省24 h降水量分布Fig.1 Distribution of observed 24 h precipitation in Henan Province in September 2011(a) from 08:00 BT 13 to 08:00 BT 14， (b) from 08:00 BT 14 to 08:00 BT 15

圖2 2011年9月13日08時(shí)至15日08時(shí)逐小時(shí)河南全省總降水量Fig.2 Hourly total precipitation in Henan Province from 08:00 BT 13 to 08:00 BT 15 September 2011

2 鋒生作用分析

濕等熵面即等相當(dāng)位溫面，相當(dāng)位溫在濕絕熱過程中具有守恒性，在天氣學(xué)診斷分析中可以用濕等熵面密集區(qū)來表示鋒區(qū)。對850 hPa鋒區(qū)進(jìn)行分析可知，從13日08時(shí)起，在河南省中部偏北一帶就存在一個(gè)東北—西南向帶狀等相當(dāng)位溫線密集區(qū)(圖3a)，其北側(cè)為相當(dāng)位溫低值區(qū)，即冷空氣，在山西中部有一322 K的低值中心，鋒區(qū)南側(cè)為相當(dāng)位溫高值區(qū)，即暖空氣，在河南省南部有一舌狀高值區(qū)，其值≥342 K，表明冷暖空氣對峙在河南省中部偏北一帶，且鋒區(qū)北側(cè)為北風(fēng)，南側(cè)為南風(fēng)，表明鋒區(qū)具有逐漸加強(qiáng)的趨勢，即有鋒生作用。到20時(shí)(圖3b)，冷中心從山西中部南壓至山西南部，且中心值降為320 K；而鋒區(qū)南側(cè)河南省南部的相當(dāng)位溫則增大到346 K以上，而且風(fēng)向也由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，因而，等相當(dāng)位溫線變得更為密集，說明鋒區(qū)顯著加強(qiáng)。到14日02時(shí)(圖3c)，342 K與344 K等值線均有所北抬，尤其是在河南省東部北抬更為顯著；另外，河南省西北部的風(fēng)向也由東北風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，與等相當(dāng)位溫線近于垂直，鋒生作用顯著，同時(shí)也表明了有冷空氣向南滲透，因而造成了13日夜間降水加強(qiáng)。14日08時(shí)(圖略)，鋒區(qū)維持但鋒生作用有所減弱。

14日20時(shí)(圖略)，河南省西北部的相當(dāng)位溫值上升至330 K左右，而南部的相當(dāng)位溫值則增大到350 K以上，且344 K線頂端已北抬到山東西南部，這表明冷空氣有一定程度的變性減弱，但暖空氣勢力強(qiáng)盛，并持續(xù)向東北方向移動(dòng)，鋒生作用持續(xù)。到15日02時(shí)(圖3d)，在鋒區(qū)東段，其南側(cè)由西西南風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟衔髂巷L(fēng)，而北側(cè)由西西北風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸憋L(fēng)，鋒區(qū)兩側(cè)的風(fēng)近于對吹，即交角接近180°，輻合強(qiáng)烈，鋒生作用加強(qiáng)，因而造成了鋒區(qū)東段等值線變得更為密集(圖3d中黑色橢圓處)，進(jìn)而在此處造成了局地的短時(shí)強(qiáng)降水(圖4b)。另外，鋒區(qū)呈現(xiàn)出準(zhǔn)靜止的特征，因而造成了雨帶較為穩(wěn)定，使得降水能夠長時(shí)間維持，并產(chǎn)生暴雨。

圖3 2011年9月13日(a)08時(shí),(b)20時(shí),(c)14日02時(shí),(d)15日02時(shí)850 hPa鋒區(qū)和水平風(fēng)場演變(黑色線為等相當(dāng)位溫線，單位：K；圖3d中的橢圓處為鋒區(qū)加強(qiáng)以及短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生的區(qū)域)Fig.3 Evolution of 850 hPa frontal zone and wind at (a) 08:00 BT 13, (b) 20:00 BT 13, (c) 02:00 BT 14, and (d) 02:00 BT 15 September 2011(black line: equivalent potential temperature, unit: K; ellipse: area of intensified frontal zone and short-time heavy rainfall in Fig.3d)

進(jìn)一步分析兩個(gè)暴雨日強(qiáng)降水均發(fā)生在夜間的原因，13日夜間和14日夜間，500 hPa和700 hPa(圖略)，在強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)域，西南氣流相對于白天均有明顯加強(qiáng)，且與西南氣流相伴隨的相當(dāng)位溫值也有所加大，表明暖濕氣流輸送也在增強(qiáng)。而在低層925 hPa(圖略)，鋒區(qū)呈現(xiàn)出顯著的日變化，在夜間均有明顯冷空氣南下，而在鋒區(qū)南側(cè)，東南風(fēng)則加強(qiáng)，與鋒區(qū)接近垂直，因而在夜間鋒生作用顯著，動(dòng)力抬升作用加強(qiáng)，因此強(qiáng)降水產(chǎn)生在夜間，具有顯著的日變化特征。

3 鋒生函數(shù)分析

鋒生強(qiáng)度可以通過鋒生函數(shù)進(jìn)行定量的診斷分析。鋒生函數(shù)(Petterssen，1936；Ninomiya，1984；Chen et al，2007)可以表示為：

(1)

式中右端的四個(gè)強(qiáng)迫項(xiàng)分別為非絕熱加熱項(xiàng)、散度項(xiàng)、變形項(xiàng)和傾斜項(xiàng)，表達(dá)式分別為：

(2)

(3)

(4)

(5)

段旭等(2019)、張亞男和段旭(2018)研究表明非絕熱加熱項(xiàng)作用較小，故將非絕熱加熱項(xiàng)略去，同時(shí)考慮到本文所分析的過程為連陰雨背景下的暴雨過程，空氣濕度較大，θ已不再是保守物理量，因此在以上諸式中用相當(dāng)位溫θe來代替θ。當(dāng)F>0時(shí)對應(yīng)鋒生，F(xiàn)<0時(shí)對應(yīng)鋒消。

由圖2可知，13日夜間和14日夜間分別為強(qiáng)降水集中時(shí)段，而14日02時(shí)和15日02時(shí)又恰好分別為兩個(gè)時(shí)段中降水量最大的時(shí)刻，因而，進(jìn)一步分析14日02—03時(shí)以及15日02—03時(shí)的1 h雨量分布(圖4)，從圖4a可以看出，在14日02—03時(shí)，強(qiáng)降雨中心都集中在河南省沿黃河兩岸的鄭州到蘭考一帶，共有6個(gè)站1 h雨量在8 mm以上，最大值為蘭考的10.9 mm，這一區(qū)域所在位置基本為34°～35°N、113°～115°E。而15日02—03時(shí)(圖4b)，最強(qiáng)降雨中心出現(xiàn)在豫東的民權(quán)縣，1 h雨量達(dá)22.6 mm，成為達(dá)到短時(shí)強(qiáng)降水級別的站點(diǎn)，其所在位置在35°N、115°E附近。因此主要針對13日夜間和14日夜間的鋒生函數(shù)進(jìn)行分析，由于圖4a 的6個(gè)強(qiáng)降水中心雨量分布較為均勻，因此，取其中間位置114°E(圖4a中實(shí)線AB處)做13日夜間相當(dāng)位溫θe以及鋒生函數(shù)的垂直剖面，再沿115°E(圖4b中實(shí)線CD處)做14日夜間相應(yīng)的剖面圖進(jìn)行分析。

在強(qiáng)降水發(fā)生前，13日20時(shí)(圖5a)，在32°N以北有一向北(冷區(qū))傾斜的鋒區(qū)，鋒區(qū)上除900 hPa以下以及700 hPa附近靠近冷空氣一側(cè)出現(xiàn)鋒消外，其余區(qū)域均為鋒生，尤其是800 hPa上下有F≥4×10-9K·m-1·s-1的大值中心。由上文分析可知，鋒生和鋒消通常都與天氣系統(tǒng)以及相當(dāng)位溫的變化有關(guān)，如，700 hPa附近鋒消中心的出現(xiàn)是由于700 hPa 切變線北側(cè)的偏東氣流遠(yuǎn)離鋒區(qū)所造成的(圖略)。到強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)刻，14日02時(shí)(圖5b)，900 hPa以下轉(zhuǎn)為鋒生，除550 hPa和400 hPa附近有局部鋒消處，其他區(qū)域均為鋒生，原位于800 hPa附近強(qiáng)中心上升至700 hPa，而且，低層800 hPa以下和高層300 hPa以上鋒生增強(qiáng)顯著。14日08時(shí)(圖略)，降水有所減弱，鋒生區(qū)與鋒消區(qū)呈現(xiàn)出隨鋒區(qū)下降的趨勢，如700 hPa的鋒生中心再次下降到850 hPa，原位于350 hPa的鋒生中心也下降至300 hPa。

再分析14日夜間的情況。在強(qiáng)降水發(fā)生前，14日20時(shí)(圖5c)，鋒區(qū)整體呈現(xiàn)為鋒生，高、中、低層分別有一高值中心，尤其是600～500 hPa存在著F≥4×10-9K·m-1·s-1的鋒生中心，與13日相比，鋒生中心更靠近暖空氣一側(cè)。根據(jù)鋒區(qū)的演變也可以注意到，對流層中層鋒區(qū)呈現(xiàn)出逐漸陡立的過程，并于14日夜間近于與地面相垂直，根據(jù)吳國雄等(1995)的傾斜渦度發(fā)展理論可知，濕等熵面的陡立區(qū)域是暴雨發(fā)生的重要地區(qū)，因而預(yù)示著14日夜間的降水比13日要顯著加強(qiáng)。到強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)刻，15日02時(shí)(圖5d)，400 hPa附近出現(xiàn)一強(qiáng)鋒消中心，這與14日02時(shí)頗為相似，只是強(qiáng)度更強(qiáng)，達(dá)-8×10-9K·m-1·s-1，分析其原因，此處產(chǎn)生鋒消中心是由于強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，垂直運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)所造成的(參見下文分析)。原位于600～500 hPa的強(qiáng)鋒生中心也有所減弱，但600 hPa以下和350 hPa以上鋒生加強(qiáng)，而14日02時(shí)也同樣存在高層和低層鋒生加強(qiáng)，而中層減弱的情況。15日08時(shí)(圖略)，原位于450～350 hPa的一對鋒消和鋒生中心沿鋒區(qū)下降，但低層仍維持較強(qiáng)鋒生。

圖4 2011年9月(a)14日02—03時(shí),(b)15日02—03時(shí)河南省1 h雨量分布(圖中實(shí)線表示剖面位置)Fig.4 Distribution of hourly precipitation in Henan Province in September 2011(a) from 02:00 BT to 03:00 BT 14, (b) from 02:00 BT to 03:00 BT 15 (black solid line: position of cross-section)

圖5 2011年9月(a)13日20時(shí),(b)14日02時(shí)沿114°E;(c)14日20時(shí),(d)15日02時(shí)沿115°E的相當(dāng)位溫和鋒生函數(shù)垂直剖面(黑色線為等相當(dāng)位溫線，單位：K；紅色線為鋒生函數(shù)等值線，單位：10-9 K·m-1·s-1；圖5b和5d中橫坐標(biāo)34°～36°N的短線為02—03時(shí)降水量≥8 mm所在的區(qū)域；黑色陰影代表地形，下同)Fig.5 Vertical cross-sections of equivalent potential temperature and frontogenetical function at (a) 20:00 BT 13 and (b) 02:00 BT 14 September 2011 along 114°E；and at (c) 20:00 BT 14 and (d) 02:00 BT 15 September 2011 along 115°E(black line: equivalent potential temperature, unit: K; red line: frontogenetical function, unit: 10-9 K·m-1·s-1; short line between 34°N and 36°N on horizontal coordinates in Figs.5b and 5d represents the regions of precipitation ≥ 8 mm from 02:00 BT to 03:00 BT; black shadow: terrain, the same below)

進(jìn)一步分析對流層中層鋒區(qū)逐漸變得陡立的原因。根據(jù)鋒區(qū)以及鋒區(qū)兩側(cè)相當(dāng)位溫值的演變(圖5)可知，在整個(gè)降水過程中，鋒區(qū)北側(cè)500 hPa及其附近有冷空氣緩慢向南推進(jìn)，而低層則有暖濕氣流明顯向北推進(jìn)，因而造成了對流層中層鋒區(qū)逐漸變得陡立。另外由圖5c可知，在14日20時(shí)，500 hPa附近鋒區(qū)θe等值線甚至略向南凸起，表明有一部分冷空氣已經(jīng)南推至暖空氣之上，意味著在對流層中層出現(xiàn)了一定程度的不穩(wěn)定層結(jié)，這種情況一直持續(xù)至15日08時(shí)，這也就解釋了前文所述及的14日夜間降水對流性增強(qiáng)的原因。而對流性降水產(chǎn)生之后，降水效率加大，必然伴隨著更多凝結(jié)潛熱的釋放，對于從低層沿鋒面上升的暖濕空氣具有進(jìn)一步的加熱作用，因而在14日夜間鋒生中心更靠近暖空氣一側(cè)，而相比之下，13日夜間由于降水效率不及14日夜間高，所以鋒生中心的這種位置特征不如14日顯著。

綜上所述，兩個(gè)暴雨日鋒生函數(shù)相似之處是，在強(qiáng)降水即將發(fā)生之前，整個(gè)鋒區(qū)大部基本都呈現(xiàn)鋒生，而在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)刻，高層和低層鋒生加強(qiáng)，但中層600～500 hPa的鋒生減弱，而400 hPa附近出現(xiàn)鋒消，這是由于垂直運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)所造成。在降水減弱時(shí)段，鋒消區(qū)和高層鋒生區(qū)均略有下降，這是與垂直運(yùn)動(dòng)的減弱相對應(yīng)的。不同之處在于，14日夜間對流層中層鋒區(qū)陡立，且鋒生中心更靠近暖區(qū)一側(cè)，這是由于14日夜間降水對流性增強(qiáng)，降水效率加大，凝結(jié)潛熱釋放增加所造成。

4 鋒生函數(shù)各項(xiàng)特征

為了進(jìn)一步分析鋒生函數(shù)的分布特征，分別計(jì)算了鋒生函數(shù)散度項(xiàng)、傾斜項(xiàng)和變形項(xiàng)，以研究各項(xiàng)對鋒生的貢獻(xiàn)。

4.1 散度項(xiàng)

散度項(xiàng)是相當(dāng)位溫梯度與散度的乘積，表示鋒區(qū)強(qiáng)度和鋒區(qū)中輻合輻散狀況，等相當(dāng)位溫線越密集、冷暖氣團(tuán)之間的輻合越強(qiáng)，則鋒生越顯著。13日20時(shí)(圖略)，鋒區(qū)800～450 hPa以及850 hPa以下為散度項(xiàng)負(fù)值區(qū)，即在這兩個(gè)區(qū)域散度項(xiàng)的貢獻(xiàn)是鋒消，而在450 hPa以上則為鋒生，800 hPa附近為局部鋒生區(qū)。到強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，情況發(fā)生顯著變化，14日02時(shí)(圖6a)，整個(gè)鋒區(qū)全部為正值區(qū)，散度項(xiàng)的貢獻(xiàn)呈現(xiàn)為鋒生，且在500 hPa以上和700 hPa以下出現(xiàn)多個(gè)鋒生中心。降水減弱時(shí)段，14日08時(shí)(圖略)，750～500 hPa附近再次轉(zhuǎn)為鋒消，而400 hPa和800 hPa仍有鋒生區(qū)。

14日夜間的情況顯示，14日20時(shí)(圖略)，鋒區(qū)大部均為散度項(xiàng)正值區(qū)，只有800 hPa附近為負(fù)值區(qū)，但鋒生鋒消均較弱。強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，15日02時(shí)(圖6b)，450 hPa和900～800 hPa均出現(xiàn)強(qiáng)鋒生中心，強(qiáng)度分別達(dá)4×10-9K·m-1·s-1和3×10-9K·m-1·s-1以上，表明鋒生顯著加強(qiáng)。降水減弱時(shí)段，15日08時(shí)(圖略)，鋒生明顯減弱，以至于750～550 hPa層次轉(zhuǎn)為鋒消區(qū)，其他區(qū)域?yàn)槿醯匿h生。

綜上所述，無論是13日夜間還是14日夜間，在強(qiáng)降水發(fā)生之前，散度項(xiàng)對于鋒生的貢獻(xiàn)并不強(qiáng)；而到強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，散度項(xiàng)對于鋒生的貢獻(xiàn)表現(xiàn)出顯著的增強(qiáng)，表明此時(shí)有氣流輻合顯著加強(qiáng)以及相當(dāng)位溫梯度加大的趨勢；在降水減弱時(shí)段，散度項(xiàng)也呈現(xiàn)出減弱的趨勢，甚至在中層偏下的區(qū)域還出現(xiàn)了負(fù)的貢獻(xiàn)，表明輻合以及相當(dāng)位溫梯度減弱。

4.2 傾斜項(xiàng)

傾斜項(xiàng)表示沿相當(dāng)位溫梯度方向上，由于垂直速度的水平梯度而產(chǎn)生的鋒生作用。當(dāng)大氣層結(jié)穩(wěn)定時(shí)，?θe/?p<0，若暖氣團(tuán)中有上升運(yùn)動(dòng)(ω<0)，而冷氣團(tuán)中有下沉運(yùn)動(dòng)(ω>0)時(shí)，即鋒區(qū)兩側(cè)存在正環(huán)流時(shí)，將產(chǎn)生鋒消作用，反之為鋒生作用。通過對傾斜項(xiàng)的實(shí)際計(jì)算(圖略)表明，13日20時(shí)，傾斜項(xiàng)在鋒區(qū)大部為負(fù)值區(qū)，呈現(xiàn)為鋒消，僅在900～700 hPa 為鋒生區(qū)。到強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，14日02時(shí)，傾斜項(xiàng)的作用全部為鋒消，且大幅度加強(qiáng)，尤其是400 hPa的強(qiáng)鋒消中心達(dá)-14×10-9K·m-1·s-1，這表明，當(dāng)降水加強(qiáng)時(shí)，暖區(qū)上升，冷區(qū)下沉的正的次級環(huán)流會(huì)產(chǎn)生顯著的鋒消作用。14日08時(shí)，鋒消作用大幅度減弱，而且在900～700 hPa再次轉(zhuǎn)變?yōu)殇h生區(qū)。

圖6 2011年9月(a)14日02時(shí)沿114°E,(b)15日02時(shí)沿115°E相當(dāng)位溫和鋒生函數(shù)散度項(xiàng)的垂直剖面(黑色線為等相當(dāng)位溫線，單位：K；紅色線為鋒生函數(shù)散度項(xiàng)等值線，單位：10-9 K·m-1·s-1)Fig.6 Vertical cross-sections of equivalent potential temperature and divergence term of frontogenetical function (a) along 114°E at 02:00 BT 14 and (b) along 115°E at 02:00 BT 15 September 2011(black line: equivalent potential temperature, unit: K; red line: divergence term of frontogenetical function, unit: 10-9 K·m-1·s-1)

14日夜間的情況顯示，14日20時(shí)，傾斜項(xiàng)在鋒區(qū)大部仍然是鋒消，只在中層650～500 hPa上下有微弱鋒生區(qū)域。強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，15日02時(shí)，鋒區(qū)大部鋒消顯著加強(qiáng)，尤其是500～400 hPa的強(qiáng)鋒消中心達(dá)-10×10-9K·m-1·s-1，無論是在層次還是在強(qiáng)度上與14日02時(shí)都極為相似。另一個(gè)相似之處是在800 hPa以下也都具有較強(qiáng)的鋒消作用。15日08時(shí)，傾斜項(xiàng)所造成的鋒消明顯減弱，但500～450 hPa仍有-5×10-9K·m-1·s-1的鋒消中心。

綜上所述，傾斜項(xiàng)對于鋒生函數(shù)的貢獻(xiàn)總體上呈現(xiàn)為鋒消，這與楊秀莊等(2016)、王伏村等(2016)和張亞男和段旭(2018)所得結(jié)論基本一致。尤其是當(dāng)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，傾斜項(xiàng)所造成的鋒消也大幅度加強(qiáng)，降水減弱時(shí)，鋒消也減弱。而且在強(qiáng)降水時(shí)段，400 hPa附近往往會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極強(qiáng)鋒消中心，上文所提到的總鋒生函數(shù)在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)刻400 hPa的強(qiáng)鋒消中心就是傾斜項(xiàng)貢獻(xiàn)的突出表現(xiàn)。

4.3 變形項(xiàng)

變形項(xiàng)表示水平變形場對鋒生的貢獻(xiàn)，其中包括了切變變形和伸縮變形。對變形項(xiàng)進(jìn)行分析可知，13日20時(shí)(圖略)，在整個(gè)鋒區(qū)，變形項(xiàng)幾乎全部表現(xiàn)為較強(qiáng)的正貢獻(xiàn)。到強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，14日02時(shí)(圖7a)，變形項(xiàng)的鋒生作用進(jìn)一步增強(qiáng)，尤其是在低層和高層加強(qiáng)顯著，其中在900 hPa附近存在6×10-9K·m-1·s-1的鋒生中心。降水減弱時(shí)段，14日08時(shí)(圖略)，變形項(xiàng)呈現(xiàn)出減弱的趨勢。

再分析14日夜間的情況，14日20時(shí)(圖略)，與13日20時(shí)相似，變形項(xiàng)在整個(gè)鋒區(qū)仍然為較強(qiáng)的正貢獻(xiàn)，到強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，15日02時(shí)(圖7b)，同樣也是在高層與低層進(jìn)一步加強(qiáng)，而在15日08時(shí)(圖略)，變形項(xiàng)減弱并不明顯，這與圖2中的降水觀測是相對應(yīng)的，因?yàn)榇藭r(shí)降水只是相對02時(shí)有所減弱，但仍然處于較強(qiáng)的階段，可見變形項(xiàng)對于降水的維持所起的作用是較為顯著的。

綜上所述，在強(qiáng)降水發(fā)生之前，變形項(xiàng)就表現(xiàn)為明顯的正貢獻(xiàn)；強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，變形項(xiàng)進(jìn)一步顯著加強(qiáng)，尤其是在低層和高層，表現(xiàn)得更為明顯。變形項(xiàng)對于降水的維持作用較為顯著。另外，將變形項(xiàng)的數(shù)值以及分布與總鋒生函數(shù)進(jìn)行比較可知，其與總鋒生函數(shù)有較好的吻合，表明在總鋒生函數(shù)各項(xiàng)中，變形項(xiàng)的貢獻(xiàn)最大。

4.4 對比分析

為進(jìn)一步說明鋒生函數(shù)中各項(xiàng)的作用，將鋒區(qū)中鋒生函數(shù)(或稱總鋒生函數(shù))以及各項(xiàng)的格點(diǎn)值進(jìn)行累加并進(jìn)行比較，如圖8所示，對于第一個(gè)暴雨日，強(qiáng)降水發(fā)生前，13日20時(shí)，鋒生主要來自于變形項(xiàng)的貢獻(xiàn)，散度項(xiàng)對于鋒生的貢獻(xiàn)極小，傾斜項(xiàng)起了鋒消的作用；強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，14日02時(shí)，鋒生函數(shù)各項(xiàng)均顯著增大，但仍然是變形項(xiàng)對于鋒生的貢獻(xiàn)最大；降水減弱時(shí)，14日08時(shí)，各項(xiàng)均顯著減小，尤其是傾斜項(xiàng)變得極小，但變形項(xiàng)在總鋒生函數(shù)中仍占有最大的比重。對于第二個(gè)暴雨日(圖8b)，與第一個(gè)暴雨日類似，在強(qiáng)降水發(fā)生前，仍然是變形項(xiàng)起主要作用，而且各項(xiàng)也均是在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)增大，降水減弱時(shí)減?。坏c第一個(gè)暴雨日略有不同的是，變形項(xiàng)在各個(gè)時(shí)段變化幅度不大，這可能與第二個(gè)暴雨日降水的對流性加強(qiáng)有一定的關(guān)系。

圖7 同圖6，但為相當(dāng)位溫和鋒生函數(shù)變形項(xiàng)的垂直剖面Fig.7 Same as Fig.6, but for the vertical cross-sections of equivalent potential temperature and tilting term of frontogenetical function

圖8 2011年9月(a)13日20時(shí)至14日08時(shí)，(b)14日20時(shí)至15日08時(shí)鋒區(qū)中總鋒生函數(shù)和其中各項(xiàng)的比較Fig.8 Comparison of total frontogenetical function and its three terms in September 2011(a) from 20:00 BT 13 to 08:00 BT 14 and (b) from 20:00 BT 14 to 08:00 BT 15

由以上分析可以再次說明，在鋒生函數(shù)各項(xiàng)中變形項(xiàng)不僅是最主要的鋒生貢獻(xiàn)項(xiàng)，而且所起的作用也更早，因而變形場也是最有利的鋒生流場。

另外，根據(jù)式(3)以及式(4)，并對比前文分析可知，在夜間，由于中低層西南暖濕氣流加強(qiáng)，同時(shí)低層有冷空氣補(bǔ)充南下以及鋒區(qū)南北輻合加強(qiáng)，導(dǎo)致散度項(xiàng)以及變形項(xiàng)加大，因而對于鋒生的貢獻(xiàn)也加強(qiáng)，造成了降水具有明顯的日變化特征，并促成了夜間強(qiáng)降水的發(fā)生。

5 不穩(wěn)定特征

慣性不穩(wěn)定的判據(jù)是絕對渦度ζa<0，而在北半球，一般情況下絕對渦度為正值，即大氣通常是慣性穩(wěn)定的(朱乾根等，2007)。對這兩個(gè)暴雨日通過實(shí)際計(jì)算也表明，在鋒區(qū)及其附近，絕對渦度也處處為正，表明是慣性穩(wěn)定的，因而在此不再展開討論。為了更清晰地描述鋒區(qū)的對流以及對稱穩(wěn)定度特征，以下將按日期分別對這兩個(gè)暴雨日進(jìn)行分析。

5.1 第一個(gè)暴雨日(13日08時(shí)至14日08時(shí))

對流穩(wěn)定度可用?θe/?p來判定。當(dāng)?θe/?p>0時(shí)為對流不穩(wěn)定，?θe/?p=0時(shí)為對流中性，?θe/?p<0時(shí)為對流穩(wěn)定。重點(diǎn)關(guān)注強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)的情況。如圖9所示為14日02時(shí)的穩(wěn)定度狀態(tài)，圖中填色區(qū)為?θe/?p<0的區(qū)域，即對流穩(wěn)定區(qū)，顯然整個(gè)鋒區(qū)均為對流穩(wěn)定，特別是在近地面層950 hPa附近有?θe/?p負(fù)值中心，強(qiáng)度達(dá)-28×10-2K·(hPa)-1。圖中橫坐標(biāo)34°～36°N的短實(shí)線為14日02—03時(shí)降水量≥8 mm所在的區(qū)域，即1 h內(nèi)最強(qiáng)降水所在的區(qū)域，圖中顯示強(qiáng)降水落區(qū)位于對流穩(wěn)定的區(qū)域，表明了強(qiáng)降水的產(chǎn)生并非由對流不穩(wěn)定導(dǎo)致。

如前文所述，濕位渦(相當(dāng)位渦EPV)是一種用來診斷對稱不穩(wěn)定的常用的客觀定量方法，當(dāng)EPV<0 時(shí)，為對稱不穩(wěn)定。濕位渦的單位為PVU，1 PVU=10-6m2· K·s-1·kg-1。計(jì)算了暴雨日的濕位渦分布(計(jì)算公式略，可參見相關(guān)文獻(xiàn))，如圖9所示，圖中只顯示了濕位渦≤0的區(qū)域，用紅色等值線表示。14日02時(shí)，濕位渦正值區(qū)僅僅存在于兩處，一處是900 hPa以下的低層，另一處為600 hPa 附近較小的區(qū)域，表明這兩個(gè)區(qū)域?yàn)閷ΨQ穩(wěn)定；而在鋒區(qū)其余部分為濕位渦負(fù)值區(qū)，因而是對稱不穩(wěn)定區(qū)域，其中在700 hPa上下有中心值為-0.4 PVU 的負(fù)值區(qū)(圖中黑色橢圓處)，而這一區(qū)域恰好與強(qiáng)降水的區(qū)域相對應(yīng)，表明13日夜間的強(qiáng)降水是由對稱不穩(wěn)定的釋放所造成的。另外，在鋒區(qū)500 hPa以上的區(qū)域雖然也有強(qiáng)的對稱不穩(wěn)定存在，但由于500 hPa以上水汽含量較少，所以并無對應(yīng)的強(qiáng)降水產(chǎn)生，但是該處強(qiáng)對稱不穩(wěn)定的釋放卻起到了維持強(qiáng)的傾斜上升氣流的動(dòng)力作用，對于強(qiáng)降水的產(chǎn)生具有間接作用。

圖9 2011年9月14日02時(shí)沿114°E的相當(dāng)位溫和穩(wěn)定度的垂直剖面(黑色線為相當(dāng)位溫線，單位：K；填色區(qū)為?θe/?p<0的區(qū)域，單位：10-2K·(hPa)-1；紅色線為濕位渦≤0的等值線，單位：PVU；橫坐標(biāo)34°～36°N的短線為14日02—03時(shí)降水量≥8 mm所在的區(qū)域；橢圓處為與強(qiáng)降水區(qū)所對應(yīng)的對流穩(wěn)定、對稱不穩(wěn)定區(qū))Fig.9 Vertical cross-sections of equivalent potential temperature and stability along 114°E at 02:00 BT 14 September 2011 (black line: equivalent potential temperature, unit: K; colored: area of ?θe/?p<0, unit: 10-2K·(hPa)-1； red line： area of moist potential vorticity ≤0, unit: PVU; ellipse： area of convective stability and symmetric instability corresponding to severe rainfall; short line between 34°N and 36°N on horizontal coordinates represents the region of precipitation ≥8 mm from 02:00 BT to 03:00 BT 14 September 2011)

5.2 第二個(gè)暴雨日(14日08時(shí)至15日08時(shí))

圖10所示為15日02時(shí)的穩(wěn)定度狀態(tài)，填色區(qū)為?θe/?p<0的區(qū)域，即對流穩(wěn)定區(qū)，由圖可知，鋒區(qū)大部仍處于對流穩(wěn)定，但在750～650 hPa靠近暖空氣一側(cè)出現(xiàn)了對流不穩(wěn)定(圖中黑色橢圓處)；圖中紅色等值線表示的是濕位渦≤0的區(qū)域，即對稱不穩(wěn)定區(qū)，而黑色橢圓處同樣也是濕位渦負(fù)值區(qū)，中心強(qiáng)度為-0.6 PVU，存在對稱不穩(wěn)定，恰好與前述的對流不穩(wěn)定區(qū)相重疊，表明此處即為對流-對稱不穩(wěn)定區(qū)。橫坐標(biāo)34°～36°N的短實(shí)線為15日02—03時(shí)降水量≥8 mm所在的區(qū)域，此區(qū)域也與強(qiáng)降水落區(qū)相對應(yīng)，說明強(qiáng)降水的產(chǎn)生就是由對流-對稱不穩(wěn)定所造成的。而與此同時(shí)，由層結(jié)的對流穩(wěn)定度特征也可以反映出，14日夜間所產(chǎn)生的雷暴具有明顯的高架雷暴特征。另外，與14日02—03時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)相比，15日02—03時(shí)的強(qiáng)降水落區(qū)更靠近暖空氣一側(cè)，而且如前所述，15日02—03時(shí)產(chǎn)生了20 mm以上的短時(shí)強(qiáng)降水，表明對流不穩(wěn)定的釋放產(chǎn)生了重力對流以后，所起的作用更為顯著。

6 鋒生、不穩(wěn)定與上升運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

鋒生能夠克服抑制濕對稱不穩(wěn)定釋放的兩個(gè)因子，即窄的濕上升氣流中的湍流擴(kuò)散和寬的干補(bǔ)償下沉氣流對正浮力的抑制，而濕對稱不穩(wěn)定的釋放可導(dǎo)致傾斜對流的產(chǎn)生。許多觀測以及理論研究都證明了濕對稱不穩(wěn)定與鋒生強(qiáng)迫是緊密相聯(lián)的(Schultz and Schumacher，1999)。在降水最強(qiáng)的時(shí)刻上升運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈，圖11a為14日02時(shí)垂直速度ω、相當(dāng)位溫和鋒生函數(shù)分布，紅色線是垂直速度ω，填色區(qū)為鋒生函數(shù)≥1×10-9K·m-1·s-1的區(qū)域。由圖可知，從低層到高層，鋒區(qū)靠近暖空氣一側(cè)為一致的傾斜上升氣流，而且鋒區(qū)上分布有多個(gè)鋒生中心，從近地面到300 hPa，每個(gè)鋒生中心均對應(yīng)有一個(gè)上升速度中心，同時(shí)，再參照前文圖9可知(圖中線條如果太多顯得雜亂不清晰，故未將穩(wěn)定度加入圖11中)，每個(gè)鋒生中心也都對應(yīng)著一個(gè)對稱不穩(wěn)定中心，這與鄧承之等(2019)所認(rèn)為的緯向鋒生效應(yīng)的增強(qiáng)，為濕對稱不穩(wěn)定的增強(qiáng)及維持提供了有利條件有相似之處。鋒生中心、對稱不穩(wěn)定中心與上升運(yùn)動(dòng)中心相伴出現(xiàn)說明了鋒生的存在也為對稱不穩(wěn)定的釋放提供了有利條件。

圖11b為15日02時(shí)垂直速度ω、相當(dāng)位溫和鋒生函數(shù)分布(說明同圖11a)。由圖可知，在對流層中層鋒區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的垂直上升氣流，強(qiáng)中心達(dá)-2.1 Pa·s-1，遠(yuǎn)強(qiáng)于14日02時(shí)，而且垂直上升氣流向上伸展的高度一直達(dá)到300 hPa以上。低層800 hPa以下仍然存在著傾斜上升氣流，呈現(xiàn)出明顯的傾斜對流與垂直對流混合的特征，這與王宗敏等(2014)所得的結(jié)論較為一致。再參照前文圖10可知，垂直上升氣流的起點(diǎn)恰好就是圖10中的黑色橢圓處，也就是對流-對稱不穩(wěn)定區(qū)，而此處也對應(yīng)有鋒生中心，因而垂直上升氣流顯然就是對流-對稱不穩(wěn)定的釋放所產(chǎn)生的，而鋒生對于對流-對稱不穩(wěn)定的釋放也具有有利的作用。這種情形類似于Xu(1986)所提出的對流-對稱不穩(wěn)定的第二種形式，即“降尺度發(fā)展型”(downscale development)，在濕對稱不穩(wěn)定環(huán)境中，鋒區(qū)內(nèi)上升運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生云，進(jìn)而產(chǎn)生凝結(jié)潛熱，凝結(jié)潛熱使中層對流層不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生重力對流，最后由于濕重力不穩(wěn)定能量的釋放導(dǎo)致云帶形成。而這也正如Bennetts and Sharp(1982)和Jascourt et al(1988)以及Schultz and Schumacher(1999)所指出的，由于濕重力對流的增長率和能量釋放比濕傾斜對流要大，所以，重力對流一旦產(chǎn)生，將很快占主導(dǎo)優(yōu)勢。

圖10 同圖9，但為2011年9月15日02時(shí)沿115°E的相當(dāng)位溫和穩(wěn)定度的垂直剖面Fig.10 Same as Fig.9, but for vertical cross-sections of equivalent potential temperature and stability along 115°E at 02:00 BT 15 September 2011

圖11 2011年9月(a)14日02時(shí)沿114°E，(b)15日02時(shí)沿115°E的垂直速度ω、相當(dāng)位溫和鋒生函數(shù)的垂直剖面(紅色線為垂直速度ω，單位：Pa·s-1；黑色線為等相當(dāng)位溫線，單位：K；填色區(qū)為鋒生函數(shù)≥1×10-9 K·m-1·s-1的區(qū)域)Fig.11 Vertical cross-sections of vertical velocity ω, equivalent potential temperature and frontogenetical function(a) along 114°E at 02:00 BT 14 and (b) along 115°E at 02:00 BT 15 September 2011(red line: vertical velocity ω, unit: Pa·s-1; black line: equivalent potential temperature, unit: K; colored: area of frontogenetical function ≥1×10-9 K·m-1·s-1)

7 結(jié) 論

2011年9月13日08時(shí)至14日08時(shí)和14日08時(shí)至15日08時(shí)河南省這兩個(gè)連續(xù)出現(xiàn)的區(qū)域性暴雨日，是產(chǎn)生在相同的大氣環(huán)流背景之下。中高緯度，烏拉爾山東側(cè)有阻塞高壓維持并穩(wěn)定少動(dòng)，貝加爾湖及其以西有橫槽存在，其南側(cè)不斷有短波槽東移并攜帶弱冷空氣擴(kuò)散南下。在中低緯度，西太平洋副高588 dagpm線穩(wěn)定維持在黃淮到江淮地區(qū)，河南省處在副高西北側(cè)；同時(shí)，高原上也有低槽東移，有利于暖濕氣流和冷空氣在河南省上空交匯并持續(xù)較長時(shí)間。本文通過對這兩個(gè)秋季暴雨日的鋒生以及不穩(wěn)定度進(jìn)行診斷分析，得到如下主要結(jié)論：

(1)在兩個(gè)暴雨日期間，河南省中部偏北一帶一直存在一個(gè)東北—西南向鋒區(qū)，鋒區(qū)呈現(xiàn)出準(zhǔn)靜止特征，表明冷暖空氣長時(shí)間對峙在河南省中部偏北一帶，且鋒區(qū)北側(cè)為北風(fēng)，南側(cè)為南風(fēng)，具有一定的鋒生作用。第二個(gè)暴雨日暖濕氣流明顯加強(qiáng)，造成鋒區(qū)東段鋒生更為顯著。兩個(gè)暴雨日強(qiáng)降水均產(chǎn)生在夜間，具有顯著的日變化特征。

(2)兩個(gè)暴雨日鋒生函數(shù)的相似之處是，在強(qiáng)降水即將發(fā)生之前，鋒區(qū)大部基本都呈現(xiàn)鋒生，而在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)刻，高層和低層鋒生加強(qiáng)，但中層600～500 hPa的鋒生相對減弱，而400 hPa附近出現(xiàn)鋒消，這是由于強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，垂直運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)所造成的。在降水減弱時(shí)段，鋒消區(qū)和高層鋒生區(qū)在高度上均略有下降，與垂直運(yùn)動(dòng)減弱相對應(yīng)。不同之處在于，14日夜間對流層中層鋒區(qū)陡立，且鋒生中心更靠近暖區(qū)一側(cè)，這是由于14日夜間降水對流性增強(qiáng)，降水效率加大，凝結(jié)潛熱釋放增加所造成。

(3)對鋒生函數(shù)各項(xiàng)進(jìn)行分析表明:①在強(qiáng)降水發(fā)生之前，散度項(xiàng)對于鋒生的貢獻(xiàn)并不強(qiáng)；強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，散度項(xiàng)對于鋒生的貢獻(xiàn)顯著增強(qiáng)，表明此時(shí)具有氣流輻合顯著加強(qiáng)以及相當(dāng)位溫梯度加大的趨勢；在降水減弱時(shí)段，散度項(xiàng)也呈現(xiàn)出減弱的趨勢，甚至在中層偏下的區(qū)域還出現(xiàn)了負(fù)的貢獻(xiàn)，表明輻合也在減弱。②傾斜項(xiàng)對于鋒生函數(shù)的貢獻(xiàn)總體上呈現(xiàn)為鋒消，尤其是當(dāng)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，傾斜項(xiàng)所造成的鋒消也大幅度加強(qiáng)，降水減弱時(shí)，鋒消也減弱。而且在強(qiáng)降水時(shí)段，400 hPa附近往往會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極強(qiáng)鋒消中心，總鋒生函數(shù)在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)刻400 hPa 的強(qiáng)鋒消中心就是傾斜項(xiàng)貢獻(xiàn)的突出表現(xiàn)。③在強(qiáng)降水發(fā)生之前，變形項(xiàng)就表現(xiàn)為明顯的正貢獻(xiàn)；在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，變形項(xiàng)進(jìn)一步顯著加強(qiáng)。變形項(xiàng)對于降水的維持作用較為顯著。另外，在總鋒生函數(shù)各項(xiàng)中，變形項(xiàng)的貢獻(xiàn)最大，而且所起的作用也更早，因而變形場也是最有利的鋒生流場。

(4)兩個(gè)暴雨日均為慣性穩(wěn)定。第一個(gè)暴雨日對流穩(wěn)定，但具有對稱不穩(wěn)定，因而強(qiáng)降雨帶是由對稱不穩(wěn)定的釋放所造成的。第二個(gè)暴雨日在鋒區(qū)700 hPa附近出現(xiàn)了對流不穩(wěn)定與對稱不穩(wěn)定共存的現(xiàn)象，即強(qiáng)降雨帶是由對流-對稱不穩(wěn)定造成，所產(chǎn)生的雷暴具有明顯的高架雷暴特征。

(5)第一個(gè)暴雨日，鋒區(qū)靠近暖空氣一側(cè)整體呈現(xiàn)為一致的傾斜上升氣流，而且鋒生中心、對稱不穩(wěn)定中心與上升運(yùn)動(dòng)中心相伴出現(xiàn)，說明了鋒生為對稱不穩(wěn)定的釋放提供了有利條件。第二個(gè)暴雨日，呈現(xiàn)出明顯的傾斜對流與垂直對流混合的特征，強(qiáng)垂直上升氣流的起點(diǎn)恰好就是對流-對稱不穩(wěn)定區(qū)，而且垂直上升氣流遠(yuǎn)強(qiáng)于第一個(gè)暴雨日的傾斜上升氣流，說明重力對流一旦產(chǎn)生，將很快占主導(dǎo)優(yōu)勢。