西北東部半干旱區(qū)一次極端特大暴雨的觸發(fā)和維持機(jī)制

沙宏娥，傅 朝，劉維成，徐麗麗，劉 娜，劉新雨，馬繹皓

（1.蘭州中心氣象臺(tái)，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省酒泉市氣象局，甘肅 酒泉 735008）

引 言

甘肅隴東東部的慶陽(yáng)位于黃土高原腹地，屬于暖溫帶季風(fēng)性大陸氣候，地處半干旱半濕潤(rùn)過(guò)渡地帶，夏季降水量自西北向東南呈階梯狀遞增，其北部夏季平均降水量少于200 mm，而東南部超過(guò)300 mm，暴雨日數(shù)也呈現(xiàn)由西北向東南遞增的特征［1］。在全球氣候變暖背景下，近年來(lái)慶陽(yáng)乃至西北干旱半干旱區(qū)暴雨落區(qū)和量級(jí)異?，F(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，如2018年慶陽(yáng)暴雨落區(qū)較常年偏向北部半干旱區(qū)［2］，2019年6月位于干旱區(qū)的酒泉出現(xiàn)極端暴雨［3］且近幾十年來(lái)該區(qū)域極端降水相對(duì)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)［4］等，暴雨或極端強(qiáng)降水事件在干旱半干旱區(qū)不再“罕見(jiàn)”。2022年7月15日，慶陽(yáng)中部出現(xiàn)罕見(jiàn)特大暴雨，降水中心位于中部偏北的慶城縣北部、華池縣西南部、環(huán)縣南部，最大日雨量達(dá)373.2 mm，多站日雨量和小時(shí)雨量突破歷史極值，暴雨造成的洪澇、中小河流洪水及崩塌等給人民生命財(cái)產(chǎn)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、公共基礎(chǔ)設(shè)施等造成重大損失。這次過(guò)程發(fā)生在地面冷鋒前暖區(qū)內(nèi)的弱天氣尺度強(qiáng)迫環(huán)境中，暴雨發(fā)生時(shí)地面冷鋒位于暴雨區(qū)西北方向250 km 左右，是西北地區(qū)少有的且較為典型的暖區(qū)暴雨［5］，降水極端性、中心落區(qū)偏北和暖區(qū)暴雨性質(zhì)等特征與該地區(qū)常見(jiàn)暴雨差異較大，因此開(kāi)展此次極端暴雨事件的觸發(fā)、維持機(jī)制研究，對(duì)提高干旱半干旱區(qū)暴雨和極端降水預(yù)報(bào)與氣象災(zāi)害防御能力有重要意義。

暖區(qū)暴雨概念最早來(lái)源于華南前汛期暴雨研究，通常指發(fā)生在鋒前西南暖濕氣流或西南風(fēng)和東南風(fēng)匯合氣流中的一類暴雨［6］。近年來(lái)，華北、西北等地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一類無(wú)明顯天氣系統(tǒng)強(qiáng)迫觸發(fā)的盛夏暖區(qū)對(duì)流性暴雨［7-8］，與華南暖區(qū)暴雨特征相似，深厚的暖濕氣團(tuán)中溫度梯度小、天氣尺度強(qiáng)迫弱、對(duì)流不穩(wěn)定明顯、觸發(fā)和發(fā)展機(jī)制復(fù)雜是此類暴雨的共同特點(diǎn)［9］。大量研究表明，華南和華東南部暖區(qū)暴雨與西南季風(fēng)爆發(fā)密切相關(guān)，也可伴隨梅雨鋒前的低空西南急流發(fā)生［10-11］，暖區(qū)暴雨和鋒面暴雨可能共存而形成兩條雨帶［12］，地形抬升、海陸風(fēng)效應(yīng)［6］和低空急流附近風(fēng)速脈動(dòng)及其激發(fā)的重力波［13］或風(fēng)速輻合、切變［14-15］及高低空急流耦合［16］是暖區(qū)暴雨觸發(fā)及維持機(jī)制，邊界層急流與地形激發(fā)的深厚中尺度渦旋可引發(fā)極端暴雨［17］。華北暖區(qū)暴雨通常指地面冷鋒系統(tǒng)或?qū)α鲗又懈邔痈衫淇諝馇秩肭鞍l(fā)生在暖區(qū)的降水，多由氣流與山脈迎風(fēng)坡形成的中尺度輻合［18-19］、地面輻合線［20-21］觸發(fā)，中尺度對(duì)流系統(tǒng)（mesoscale convective system，MCS）的后向傳播和列車效應(yīng)［22］以及凝結(jié)潛熱與對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)動(dòng)力正反饋?zhàn)饔茫?3-24］是重要維持機(jī)制。

西北地區(qū)暴雨與夏季風(fēng)和高原季風(fēng)相關(guān)性大［25］，與西太平洋副熱帶高壓及其外圍暖濕氣流輸送密切相關(guān)，暴雨落區(qū)和范圍由水汽輸送通道和冷暖氣流交匯位置大致決定［26-27］，通常發(fā)生在低槽前西南暖濕氣流背景下低層偏北風(fēng)與偏南風(fēng)形成的切變線附近［28］，由700 hPa 切變線、低渦、地面冷鋒或輻合線觸發(fā)［29］。西北暖區(qū)暴雨雖然較少發(fā)生，但因其累積雨量大、降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)降水范圍集中等特點(diǎn)［30-31］，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大隱患。研究表明，西北暖區(qū)暴雨觸發(fā)維持機(jī)制與華北地區(qū)相似［8，31-32］，在南疆西部還曾發(fā)現(xiàn)低層假相當(dāng)位溫θse鋒區(qū)、地面切變線和干線［33］觸發(fā)的暖區(qū)暴雨，低空急流的發(fā)展與維持是對(duì)流系統(tǒng)主要維持機(jī)制［8，30，34］。然而，現(xiàn)有研究成果對(duì)于暖區(qū)暴雨對(duì)流組織過(guò)程、對(duì)流與環(huán)境反饋影響等方面的深入研究較少，多尺度天氣系統(tǒng)綜合影響機(jī)制尚不明晰，是目前制約西北暖區(qū)暴雨時(shí)間、空間、強(qiáng)度精細(xì)化預(yù)報(bào)和極端性預(yù)報(bào)的關(guān)鍵因素，因此也正是本文重點(diǎn)探討的科學(xué)問(wèn)題。

1 資料和方法

1.1 資 料

歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代全球大氣再分析產(chǎn)品（ERA5）的小時(shí)數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.125°×0.125°，垂直方向?yàn)?000～300 hPa 共20 層要素?cái)?shù)據(jù)和對(duì)流有效位能（convective available potential energy，CAPE）數(shù)據(jù)，用于天氣尺度背景與環(huán)境場(chǎng)和物理量診斷分析；國(guó)家氣象觀測(cè)站及區(qū)域氣象觀測(cè)站地面逐小時(shí)數(shù)據(jù)，用于降水實(shí)況和地面中小尺度系統(tǒng)分析；慶陽(yáng)C 波段多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品和國(guó)家氣象信息中心氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)（天擎）的雷電探測(cè)系統(tǒng)閃電定位數(shù)據(jù)（http：//10.1.64.154/cmadaas/），用于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展演變特征分析。

文中附圖涉及的地圖基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS（2019）1711號(hào)的中國(guó)地圖制作，底圖無(wú)修改。

將降水強(qiáng)度大于等于20 mm·h-1的降水定義為短時(shí)強(qiáng)降水［35］，日降水量（R）等級(jí)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)降水量等級(jí)（GB/T 28592—2012），即50≤R＜100 mm 為暴雨、100≤R＜250 mm 為大暴雨、R≥250 mm 為特大暴雨。

1.2 凝結(jié)潛熱加熱率計(jì)算方法

采用地面觀測(cè)降水量估算對(duì)流潛熱分布［36］，其公式如下：

式中：Hcc(J)為估算的凝結(jié)潛熱；R（mm）為降水量；L為常數(shù)2.5×106m2·s-2；g為重力加速度；PB、PT（Pa）分別為云底、云頂氣壓。

暖區(qū)對(duì)流降水云滴凝結(jié)碰并主要發(fā)生在-10 ℃層以下［37］，因此利用ERA5 再分析資料，將-10 ℃層以下、相對(duì)濕度大于80%的最高氣壓層確定為云頂氣壓，抬升凝結(jié)高度以上、相對(duì)濕度大于80%的最低氣壓層確定為云底氣壓，再將凝結(jié)潛熱轉(zhuǎn)換為加熱率，其表達(dá)式如下：

式中：Hc（℃·h-1）為加熱率；cp為水汽比定壓熱容，其值為1.005 J·g-1·℃-1。

2 降水實(shí)況及環(huán)流形勢(shì)

2.1 降水實(shí)況

2022年7月15日00：00—18：00（北京時(shí)，下同），甘肅慶陽(yáng)出現(xiàn)極端降水天氣過(guò)程，暴雨主要集中在慶陽(yáng)中部，15站大暴雨、5站特大暴雨出現(xiàn)在馬蓮河流域慶城北部、華池西南部和環(huán)縣南部（圖1），最大日雨量373.2 mm（慶城翟家河），最大小時(shí)雨量84.9 mm（04：00—05：00，慶城馬嶺）。此次降水過(guò)程由鋒前暖區(qū)降水和鋒面降水組成，大暴雨、特大暴雨發(fā)生在00：00—12：00暖區(qū)降水階段，該階段少數(shù)站點(diǎn)多次發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水，短時(shí)強(qiáng)降水高頻區(qū)、小時(shí)雨量及日雨量大值中心高度重合，多站日雨量和小時(shí)雨量突破歷史極值，具有極端性。

圖1 2022年7月14日20：00至15日20：00慶陽(yáng)市累積降水量（a，彩色圓點(diǎn)，單位：mm；填色為地形高度，單位：m；紅三角為翟家河站）、短時(shí)強(qiáng)降水（填色為最大小時(shí)雨量，單位：mm；圓圈為發(fā)生次數(shù)，三角為最大次數(shù)）分布（b）及15日00：00—13：00代表站小時(shí)降水量演變（c）Fig.1 The distribution of accumulated precipitation（a，color dots，Unit：mm；the color shaded for the terrain height，Unit：m；the red triangle for Zhaijiahe station） and short-term heavy precipitation（the color shaded for maximum hourly precipitation，Unit：mm；the circles for heavy rainfall frequency，the triangle is the maximum frequency）（b） from 20：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 in Qingyang and the evolution of hourly rainfall at representative stations from 00：00 BST to 13：00 BST 15 July 2022（c）

2.2 環(huán)流形勢(shì)

2022年7月14日08：00 至15日08：00，200 hPa南亞高壓中心由111°E西退至102°E附近，甘肅隴東南對(duì)流層高層由高壓脊后顯著正渦度平流輸送區(qū)轉(zhuǎn)為高壓脊前顯著負(fù)渦度平流輸送區(qū)，其輻合效應(yīng)在500 hPa副熱帶高壓（簡(jiǎn)稱“副高”）西北側(cè)588 dagpm等高線陜北境內(nèi)形成波動(dòng)高壓脊，慶陽(yáng)位于該高壓脊西南側(cè)，存在明顯的中層正渦度平流，其輻散效應(yīng)利于700 hPa 寧夏南部暖性低渦穩(wěn)定少動(dòng)。隨著副高加強(qiáng)西伸，700 hPa 高壓中心西移，高低壓系統(tǒng)間梯度增大，導(dǎo)致14日夜間低層西南氣流增強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)了水汽輸送和偏南急流的動(dòng)力擾動(dòng)?？梢?jiàn)，高、中、低層天氣系統(tǒng)配置（圖2）有利于慶陽(yáng)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，特大暴雨發(fā)生在地面冷鋒前約250 km 處的暖區(qū)內(nèi)，天氣尺度斜壓強(qiáng)迫弱、垂直風(fēng)切變小，是典型的暖區(qū)暴雨。

圖2 天氣系統(tǒng)配置示意圖Fig.2 Sketch map of synoptic system configuration

3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)特征

2022年7月14日22：30 開(kāi)始，慶陽(yáng)西部不斷有質(zhì)心反射率因子大于50 dBZ 的對(duì)流單體快速發(fā)展、成熟、減弱消亡，隨著低空急流發(fā)展，分散的對(duì)流單體逐漸組織化，新的單體于低空急流核前部生成，質(zhì)心高度5.0～6.5 km，回波頂高低于10.0 km，且多個(gè)單體隨西南氣流向慶城西北部、華池西南部移動(dòng)，依次經(jīng)過(guò)同一區(qū)域形成列車效應(yīng)（圖略），此為對(duì)流發(fā)展第一階段，持續(xù)至15日02：30。15日00：00—02：30 影響翟家河的多個(gè)對(duì)流單體組合反射率接近40 dBZ，回波頂高約10.0 km（圖3）。

15日03：00 開(kāi)始，慶陽(yáng)東部有對(duì)流單體東移至慶城后快速發(fā)展成中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）（圖4），大于35 dBZ 回波帶呈東北—西南向穩(wěn)定位于慶城東部、華池東南部，MCS 西南部不斷有大于40 dBZ單體新生東移依次經(jīng)過(guò)特大暴雨區(qū)，具有后向傳播特征和列車效應(yīng)，MCS 呈近似準(zhǔn)靜止風(fēng)暴，生命史延長(zhǎng)，強(qiáng)降水累加效應(yīng)明顯，此為對(duì)流發(fā)展第二階段，持續(xù)至15日10：00 左右減弱。該階段對(duì)流單體質(zhì)心反射率因子為40～50 dBZ，質(zhì)心高度為5.0～6.0 km，回波頂高大于18.0 km。與第一階段相比，該階段影響翟家河的對(duì)流單體回波頂高明顯升高，03：00、06：30、08：00 等時(shí)刻多個(gè)對(duì)流單體回波頂高接近20.0 km（圖3），以上特征表明第二階段的MCS是深厚的低質(zhì)心強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)，降水效率高。

圖3 2022年7月15日00：00—11：00翟家河站雷達(dá)回波頂高及組合反射率因子演變Fig.3 The evolution of radar echo top height and composite reflectivity factor over Zhaijiahe station from 00：00 BST to 11：00 BST July 15，2022

圖4 2022年7月15日雷達(dá)組合反射率因子時(shí)間演變（單位：dBZ）（紅色標(biāo)識(shí)為特大暴雨站點(diǎn)，其中三角為翟家河站）Fig.4 The evolution of radar composite reflectivity factor on July 15，2022 （Unit：dBZ）（The red marks are torrential rain stations，among which the triangle is Zhaijiahe station）

研究表明，閃電頻數(shù)與雷暴云發(fā)展強(qiáng)度和雷達(dá)回波頂高呈正相關(guān)［38］，且對(duì)流性暴雨過(guò)程中以負(fù)地閃活動(dòng)為主［39］。此次過(guò)程中，對(duì)流發(fā)展第一階段慶陽(yáng)市未觀測(cè)到閃電活動(dòng)，第二階段閃電活動(dòng)頻繁（圖5），其中15日04：00—05：00 閃電次數(shù)較前一時(shí)次增加6 倍，閃電次數(shù)突增與回波頂高強(qiáng)烈發(fā)展時(shí)間一致，表明該時(shí)段對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)上升氣流增強(qiáng)，強(qiáng)回波發(fā)展高度快速升高，對(duì)流發(fā)展強(qiáng)烈。同時(shí)，閃電活動(dòng)以負(fù)閃為主的特征表明第二階段是對(duì)流性強(qiáng)降水。

圖5 2022年7月15日01：00—11：00慶陽(yáng)平均閃電次數(shù)逐時(shí)演變Fig.5 The hourly variation of mean lightning frequency from 01：00 BST to 11：00 BST July 15，2022 in Qingyang

4 中尺度環(huán)境條件

4.1 低層水汽及輻合特征

500 hPa 副高外圍西南氣流強(qiáng)盛的水汽輸送使甘肅隴東上空形成深厚濕層，翟家河站14日夜間550 hPa以下相對(duì)濕度大于80%，強(qiáng)降雨時(shí)段相對(duì)濕度大于90%［圖6（a）］。700 hPa 偏南氣流將南海水汽向西北輸送途中在云南轉(zhuǎn)向后，經(jīng)四川向西北地區(qū)東部輸送，并在甘肅隴東南達(dá)到最強(qiáng)［圖6（c）］，700 hPa 比濕達(dá)13 g·kg-1（圖略）。850～800 hPa 水汽輻合與對(duì)流發(fā)展、小時(shí)雨量增大相對(duì)應(yīng)［圖6（b）］，是強(qiáng)降雨的水汽主要貢獻(xiàn)層。其中，15日00：00—06：00，750～700 hPa存在水汽輻合區(qū)，水汽補(bǔ)充加劇了水汽輻合抬升的強(qiáng)度和高度。

圖6 2022年7月14日20：00至15日08：00翟家河站相對(duì)濕度（a，單位：%）與水汽通量散度（b，單位：10-7g·hPa-1·cm-2·s-1）的時(shí)間-高度剖面，7月15日05：00 700 hPa水汽通量（c，單位：g·hPa-1·cm-1·s-1）Fig.6 The time-height profiles of relative humidity （a，Unit：%） and water vapor flux divergence （b，Unit：10-7g·hPa-1·cm-2·s-1）over Zhaijiahe station from 20：00 BST July 14 to 08：00 BST July 15，and water vapor flux at 05：00 BST July 15，2022 at 700 hPa （c，Unit：g·hPa-1·cm-1·s-1）

4.2 大氣不穩(wěn)定度

2022年7月15日04：00 對(duì)流有效位能（CAPE）高能中心位于副高控制區(qū)［圖7（a）］，慶陽(yáng)上空對(duì)流有效位能總體不高（CAPE＜300 J·kg-1），符合暖區(qū)暴雨不穩(wěn)定能量特征，有利于低質(zhì)心暖云降水的形成。

強(qiáng)降雨時(shí)段（15日00：00—10：00），層結(jié)不穩(wěn)定性隨時(shí)間變化，CAPE 先緩慢增大后快速減小，地面至550 hPa 條件對(duì)流不穩(wěn)定逐漸發(fā)展并維持，二者“接力”，使大氣不穩(wěn)定度維持10 h 以上［圖7（b）］。14日22：00，CAPE＜100 J·kg-1，這與鋒前暖區(qū)深厚暖氣團(tuán)層結(jié)弱不穩(wěn)定的熱力特征有關(guān)，隨著850 hPa水汽輻合和強(qiáng)降雨出現(xiàn)，對(duì)流層中層以下層結(jié)不穩(wěn)定性增大，CAPE 增大，峰值出現(xiàn)在15日04：00（約170 J·kg-1），這與最大小時(shí)雨量出現(xiàn)時(shí)間和閃電次數(shù)突增、回波頂高強(qiáng)烈發(fā)展等中尺度對(duì)流系統(tǒng)觀測(cè)特征高度一致。隨后700 hPa 假相當(dāng)位溫（θse）增大使對(duì)流層低層不穩(wěn)定性減弱，CAPE 快速減小。另外，15日04：00后700 hPa假相當(dāng)位溫增大可能與伴隨低空急流發(fā)展的“濕舌”向慶陽(yáng)發(fā)展有關(guān)，也可能與強(qiáng)降雨凝結(jié)潛熱釋放有關(guān)。

圖7 2022年7月15日04：00西北地區(qū)東部 CAPE（單位：J·kg-1）分布（a）與翟家河站14日20：00至15日12：00假相當(dāng)位溫（填色區(qū)，單位：℃）的高度-時(shí)間剖面及CAPE隨時(shí)間變化（虛線）（b）Fig.7 The distribution of CAPE （Unit：J·kg-1） at 04：00 BST July 15，2022 over the eastern region of Northwest China （a），the time-height profile of pseudo-equivalent potential temperature （the color shaded，Unit：℃） and the CAPE change with time（the dotted line） from 20：00 BST July 14 to 12：00 BST July 15，2022 at Zhaijiahe station （b）

對(duì)流有效位能最小時(shí)刻（15日06：00），翟家河站地面至550 hPa 為條件對(duì)流不穩(wěn)定（圖8），尤其地面至850 hPa、825～800 hPa 和700～550 hPa 存在3 個(gè)對(duì)流不穩(wěn)定層，而850～825 hPa 和800～700 hPa 存在2 個(gè)?θse?p＜0 的對(duì)流穩(wěn)定層（分別稱為“邊界層對(duì)流穩(wěn)定層”和“低層對(duì)流穩(wěn)定層”），對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展在這一時(shí)段需要?jiǎng)恿椇鲜顾?個(gè)對(duì)流穩(wěn)定層之上。

圖8 2022年7月15日06：00翟家河站假相當(dāng)位溫廓線Fig.8 The profile of pseudo-equivalent potential temperature at 06：00 BST July 15，2022 over Zhaijiahe station

對(duì)于邊界層對(duì)流穩(wěn)定層的厚度和強(qiáng)度，地面輻合引起的上升運(yùn)動(dòng)便可突破而觸發(fā)對(duì)流，而對(duì)于低層對(duì)流穩(wěn)定層的厚度和強(qiáng)度則需要700 hPa 附近更為強(qiáng)烈的動(dòng)力擾動(dòng)來(lái)突破，以下將圍繞低空急流及其對(duì)地面輻合和低層動(dòng)力作用展開(kāi)分析。

5 低空急流在暴雨觸發(fā)和維持中的作用

5.1 低空急流演變

環(huán)流形勢(shì)分析表明，7月14日夜間低空南風(fēng)氣流有加強(qiáng)趨勢(shì)，中層正渦度平流輻散效應(yīng)在低層造成的減壓引導(dǎo)低空急流向甘肅隴東發(fā)展。700 hPa風(fēng)場(chǎng)（圖9）顯示，14日21：00 偏南急流形成，急流核位于隴南東部；15日01：00急流核發(fā)展至隴南東部、天水及平?jīng)鑫鞑浚涂占绷髦饾u轉(zhuǎn)向東北方向發(fā)展，至06：00急流核北抬至隴東南部。

5.2 低空急流與地面輻合線

7月15日凌晨，隨著低空急流向東北方向發(fā)展，急流左側(cè)正渦度平流向甘肅隴東的水汽輸送逐漸增強(qiáng)，其輻散效應(yīng)造成的地面減壓逐漸增強(qiáng)，利于地面輻合線的建立和發(fā)展。地面上，中心位于陜北的高壓底部偏東氣流向西進(jìn)入慶陽(yáng)，東北氣流沿關(guān)中平原和涇河流域北上，兩支氣流在慶陽(yáng)中部輻合，并因低空急流發(fā)展引起的地面減壓而使輻合加強(qiáng)（圖10），低層水汽輻合增強(qiáng)，加之有一定對(duì)流有效位能，上升運(yùn)動(dòng)突破了邊界層對(duì)流穩(wěn)定層，從而觸發(fā)對(duì)流發(fā)展。

圖10 2022年7月14日21：00（a）和15日01：00（b）地面風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m·s-1）、流場(chǎng)（白色箭頭線，為風(fēng)場(chǎng)插值結(jié)果）及地形高度（填色，單位：m）Fig.10 The surface wind field （vectors，Unit：m·s-1），stream field （the white lines with arrow，the result of wind field interpolation） and terrain height （the color shaded，Unit：m） at 21：00 BST July 14 （a） and 01：00 BST July 15，2022 （b）

5.3 低空急流與經(jīng)向、準(zhǔn)緯向雙次級(jí)環(huán)流

7月15日06：00 西南低空急流核北抬至隴東南部［圖9（c）］，700 hPa隴東中部形成正負(fù)渦度平流分界線。為分析低空急流在特大暴雨過(guò)程中的動(dòng)力作用，分別對(duì)急流左側(cè)的特大暴雨區(qū)及急流入口區(qū)右側(cè)與出口區(qū)右側(cè)的渦度、垂直速度特征展開(kāi)討論。從圖11可見(jiàn)，特大暴雨區(qū)700 hPa［圖11（a）］和500 hPa［圖11（b）］因正渦度平流輸送有輻散效應(yīng)，850 hPa［圖11（c）］和地面［圖11（d）］均為輻合區(qū)，對(duì)流層中下層形成下層輻合、中層輻散的正渦度柱（C）；而在低空急流入口區(qū)右側(cè)（A）和出口區(qū)右側(cè)（B），500 hPa 和700 hPa 因負(fù)渦度平流輸送有輻合效應(yīng)，850 hPa 均為輻散，地面上分別對(duì)應(yīng)陜南西部輻散中心和陜北地面高壓，兩區(qū)域?qū)α鲗又邢聦有纬芍袑虞椇?、低層輻散的下沉氣流（?shí)況觀測(cè)該時(shí)段兩區(qū)域均無(wú)降水）。低空急流左側(cè)的正渦度柱（C）與急流入口區(qū)右側(cè)（A）、出口區(qū)右側(cè)（B）的下沉氣流分別形成經(jīng)向次級(jí)環(huán)流和準(zhǔn)緯向次級(jí)環(huán)流（與緯向有一定夾角）［圖11（e）和圖11（f）］。

圖11 2022年7月15日06：00 700 hPa（a）和500 hPa（b）渦度（填色，單位：10-4 s-1）及風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m·s-1）、850 hPa散度（填色，單位：10-4 s-1）及風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m·s-1）（c）和15日04：00地面風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m·s-1）及地形高度（填色區(qū)，單位：m）（d）以及沿107.5°E（e）與沿36.5°N（f）的散度（填色，單位：10-4s-1）及垂直速度（等值線，單位：Pa·s-1）垂直剖面（棕色箭頭為低空急流，紅色矩形區(qū)為低空急流入口區(qū)右側(cè)和出口區(qū)右側(cè)負(fù)渦度平流區(qū)，黑色線包圍區(qū)域?yàn)閼c陽(yáng)市）Fig.11 The 700 hPa （a） and 500 hPa （b） vorticity （the color shaded，Unit：10-4 s-1） and wind field （vectors，Unit：m·s-1） and the divergence （the color shaded，Unit：10-4 s-1） and wind field （vectors，Unit：m·s-1） at 850 hPa （c） at 06：00 BST July 15，2022，the surface wind field （vectors，Unit：m·s-1） and terrain height （the color shaded，Unit：m） at 04：00 BST July 15，2022 （d），the zonal vertical section along 107.5°E （e） and the meridional vertical section along 36.5°N （f） of divergence（the color shaded，Unit：10-4 s-1） and vertical velocity （isolines，Unit：Pa·s-1）（The brown arrow line is low-level jet，and the red rectangular regions are negative vorticity advection areas on the right side of the entrance and the exit of low-level jet，and the area enclosed by black line is Qingyang）

兩支次級(jí)環(huán)流下沉支到達(dá)地面后的輻散氣流成為地面輻合線兩側(cè)氣流的重要補(bǔ)充，輻合線兩側(cè)風(fēng)速差由6 m·s-1增大至14 m·s-1，且風(fēng)向夾角增大。雙次級(jí)環(huán)流動(dòng)力作用使慶陽(yáng)中部地面輻合加強(qiáng)，且上升支氣流穩(wěn)定在慶陽(yáng)中部，在數(shù)小時(shí)內(nèi)達(dá)到或近似平衡，成為突破邊界層對(duì)流穩(wěn)定層和低層對(duì)流穩(wěn)定層、觸發(fā)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展及維持的重要因素。低空急流發(fā)展至隴東、地面輻合加強(qiáng)時(shí)間與小時(shí)雨量快速增大、雷達(dá)回波頂高快速增高、閃電次數(shù)突增時(shí)間高度一致。

6 凝結(jié)潛熱釋放對(duì)暴雨維持的正反饋

7月15日02：00—06：00，由觀測(cè)小時(shí)降水量估算得到的凝結(jié)潛熱加熱率與小時(shí)降水量分布一致，大值中心穩(wěn)定位于慶城東北部，潛熱加熱局地性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)降水凝結(jié)潛熱釋放對(duì)大氣加熱效應(yīng)顯著，與強(qiáng)降水期間500 hPa 溫度脊（圖略）向隴東發(fā)展有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

15日03：00—10：00 潛熱加熱效應(yīng)明顯且持續(xù)（圖12），部分時(shí)次因?qū)α鲝?qiáng)烈發(fā)展產(chǎn)生極端小時(shí)降水而導(dǎo)致加熱率突增，強(qiáng)降雨區(qū)潛熱加熱率累加效應(yīng)明顯，與翟家河站700 hPa假相當(dāng)位溫15日02：00開(kāi)始增大、09：00—10：00達(dá)到最大［圖7（b）］的演變密切相關(guān)。同時(shí)，15日02：00—04：00 850～400 hPa上升運(yùn)動(dòng)顯著加強(qiáng)，這是低空西南急流發(fā)展、地面輻合、CAPE 和逐漸建立的對(duì)流不穩(wěn)定協(xié)同配合的結(jié)果，較小時(shí)雨量和凝結(jié)潛熱加熱率增大提前1 h；06：00 CAPE 顯著減小，低空急流暖濕氣流輸送和凝結(jié)潛熱加熱率累加效應(yīng)使對(duì)流層低層對(duì)流不穩(wěn)定增強(qiáng)，配合增強(qiáng)的地面輻合和雙次級(jí)環(huán)流的動(dòng)力抬升，雨強(qiáng)和凝結(jié)潛熱加熱率再次增大，與前一階段不同，此階段上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)較雨強(qiáng)和凝結(jié)潛熱加熱率增大滯后1 h 左右。以上特征表明，凝結(jié)潛熱與上升運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)降水存在正反饋?zhàn)饔?，?qiáng)降水發(fā)生后，凝結(jié)潛熱加熱是條件對(duì)流不穩(wěn)定加強(qiáng)和維持的重要原因之一，是暴雨維持的有利因素。

圖12 2022年7月15日00：00—14：00翟家河站凝結(jié)潛熱加熱率（虛線）及垂直速度（填色，單位：Pa·s-1）逐時(shí)變化Fig.12 The hourly variation of heating rate of latent heat of condensation （the dotted line） and vertical velocity （the color shaded，Unit：Pa·s-1） over Zhaijiahe station from 00：00 BST to 14：00 BST July 15，2022

此外，潛熱加熱的局地性和累加效應(yīng)使水平方向加熱率梯度增大，位溫梯度隨之增大，局地?zé)崃︿h生效應(yīng)顯著，且強(qiáng)降水期間持續(xù)存在，有利于中尺度輻合加強(qiáng)、上升運(yùn)動(dòng)向更小尺度發(fā)展［40］。潛熱加熱的強(qiáng)度和累加效應(yīng)，一方面，因經(jīng)向、準(zhǔn)緯向雙次級(jí)環(huán)流的存在，上升氣流水平尺度?。é弥谐叨龋?，隨高度傾斜度小，位能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化率高，對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)中尺度上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，利于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展更深厚，同時(shí)增強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)和熱力鋒生效應(yīng)有利于雙次級(jí)環(huán)流進(jìn)一步加強(qiáng)和維持，潛熱加熱與次級(jí)環(huán)流形成正反饋；另一方面，凝結(jié)潛熱加熱率垂直梯度分布利于低層正渦度發(fā)展［33］和地面減壓、輻合加強(qiáng)，與水汽輻合上升運(yùn)動(dòng)形成正反饋，同時(shí)加熱中心低層正渦度不斷發(fā)展，并與其東南部高壓系統(tǒng)間氣壓梯度增大，有利于低空急流向東北方向發(fā)展。

7 結(jié) 論

本文使用多源觀測(cè)資料和ERA5 再分析數(shù)據(jù)，分析2022年7月15日西北半干旱區(qū)甘肅隴東特大暴雨天氣過(guò)程的形成機(jī)制，重點(diǎn)探討暴雨過(guò)程中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)和維持機(jī)制。主要結(jié)論如下：

（1）這次特大暴雨發(fā)生在500 hPa 副高西北側(cè)西南氣流中、地面冷鋒前暖區(qū)內(nèi)，強(qiáng)降水局地性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，具有極端性。

（2）副高外圍西南水汽輸送和對(duì)流層低層水汽輻合為強(qiáng)降水提供充沛水汽，CAPE 與條件性對(duì)流不穩(wěn)定“接力”，使大氣不穩(wěn)定度維持10 h 以上，是本次過(guò)程特點(diǎn)之一，為強(qiáng)降水提供持續(xù)有利的中尺度環(huán)境條件。

（3）環(huán)流形勢(shì)配置為MCS 發(fā)生發(fā)展提供有利背景，地面輻合線和對(duì)流層中低層雙次級(jí)環(huán)流為MCS觸發(fā)和維持提供充足的動(dòng)力抬升條件，而低空急流的建立、加強(qiáng)、維持是地面輻合加強(qiáng)、雙次級(jí)環(huán)流形成和維持的主要原因，這是本次過(guò)程另一特點(diǎn)。另外，凝結(jié)潛熱釋放引發(fā)的熱力和動(dòng)力作用與對(duì)流系統(tǒng)形成正反饋，是MCS發(fā)展、維持的另一重要因素。

（4）深厚且低質(zhì)心的MCS 呈現(xiàn)出后向傳播和列車效應(yīng)特征，加之動(dòng)力抬升的加強(qiáng)維持，使其近似準(zhǔn)靜止風(fēng)暴，降水效率高和累加效應(yīng)是特大暴雨產(chǎn)生的直接原因。

以往隴東暴雨過(guò)程大多發(fā)生在子午嶺西側(cè)，地形強(qiáng)迫抬升對(duì)降水有明顯增幅作用。然而，這次暴雨過(guò)程MCS 在馬蓮河流域長(zhǎng)時(shí)間維持，除了與此地天氣系統(tǒng)發(fā)展維持有直接關(guān)系外，還應(yīng)與地形密切相關(guān)，地形對(duì)降水的影響機(jī)制有待進(jìn)一步探討。