有無臺風(fēng)影響下陜西西北渦暴雨特征對比分析

彭 力，趙 強(qiáng)，喬丹楊，張 雄，徐浩天，倪 聞

（1.陜西省銅川市氣象局，陜西 銅川 727031；2.陜西省銅川市中草藥氣象服務(wù)研究中心，陜西 銅川 727031；3.陜西省氣象臺，陜西 西安 710014；4.秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710016；5.陜西省咸陽市氣象局，陜西 咸陽 712000）

引 言

西北渦是高原低渦的一種。受青藏高原下墊面特殊熱力、動(dòng)力條件影響，高原低渦是青藏高原地區(qū)特有的天氣系統(tǒng)。研究表明，非絕熱加熱對高原低渦發(fā)展和演變起到重要作用，高原大地形對高原低渦移動(dòng)和強(qiáng)度變化有很大影響，東移出高原的低渦常引發(fā)下游地區(qū)大范圍災(zāi)害性天氣［1-5］。高原低渦按性質(zhì)及源地分為高原渦、西南渦和西北渦。作為高原低渦的一種，西北渦發(fā)展東移經(jīng)常誘發(fā)西北和華北地區(qū)夏季暴雨甚至大暴雨［6-7］。西北渦出現(xiàn)頻數(shù)較高的區(qū)域位于柴達(dá)木盆地東南部［8］，且移動(dòng)以東北路徑和偏東路徑為主［9］。西北渦生成發(fā)展與高空輻散和副熱帶高壓外圍偏南風(fēng)密切相關(guān)［10-12］，高空槽前正渦度平流、低層侵入的冷空氣以及加熱場對西北渦發(fā)展起主要作用［9，13-14］，高、低空急流的耦合與高原東北部特殊地形為西北渦發(fā)展加強(qiáng)提供了不穩(wěn)定能量和動(dòng)力條件［2，15-17］；此外，對流層上層高位渦下傳有利于低層氣旋性渦度發(fā)展，等熵面傾斜、垂直風(fēng)切變或濕斜壓增加導(dǎo)致西北渦傾斜渦度發(fā)展增強(qiáng)［18-20］，臺風(fēng)遠(yuǎn)距離輸送水汽與能量也是西北渦發(fā)展增強(qiáng)的一個(gè)重要原因［12，20-22］。

陜西地處青藏高原東北側(cè)，以秦嶺為界，南北氣候差異顯著，降水量分布南多北少，陜北長城沿線年平均降水量僅320～460 mm，是陜西降水量最少的地區(qū)，長時(shí)間降水偏少致使陜北旱災(zāi)頻發(fā)，其中夏旱發(fā)生次數(shù)最多。陜西降水多集中于夏季，雨熱同期，若有暴雨發(fā)生時(shí)，旱澇急轉(zhuǎn)，常造成洪澇災(zāi)害。夏季發(fā)展東移的西北渦是影響陜西盛夏暴雨的主要天氣系統(tǒng)之一，當(dāng)西北渦發(fā)展較強(qiáng)，且高低層系統(tǒng)配合較好時(shí)，易造成全省暴雨［23］。近年來陜西多次極端暴雨天氣均由西北渦引起，造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失，如2010年7月23日關(guān)中大暴雨，2013年7月22日、2020年8月5日陜北區(qū)域性大暴雨等。然而，現(xiàn)有的陜西西北渦暴雨特征研究多為某次過程分析，缺乏長時(shí)間序列資料統(tǒng)計(jì)，對不同環(huán)流背景下西北渦暴雨特征的共性及差異還認(rèn)識不足。本文對2010—2020年陜西西北渦暴雨過程時(shí)空分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對有無臺風(fēng)影響下兩類西北渦暴雨過程的環(huán)流背景和氣象要素場進(jìn)行合成，從水汽、動(dòng)力、不穩(wěn)定條件等方面進(jìn)行對比分析，歸納總結(jié)有無臺風(fēng)影響下陜西西北渦暴雨特征的共性和差異，以期為此類暴雨天氣預(yù)報(bào)提供更多參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

陜西省99 個(gè)國家氣象觀測站2010—2020年逐日［20：00（北京時(shí)，下同）至次日20：00］降水量數(shù)據(jù)、中國氣象局提供的逐日08：00 和20：00 高空觀測資料以及歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的第5 代再分析資料（ERA5）（空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率1 h）。

文中附圖涉及地圖基于陜西測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為陜S（2021）023號的陜西省地圖和國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS（2020）4619 號的中國地圖制作，底圖無修改。

1.2 研究方法

暴雨過程定義：3 個(gè)及以上國家氣象觀測站點(diǎn)日降雨量大于等于50 mm，記為一次暴雨過程。選取700 hPa 高空圖上青海柴達(dá)木盆地東部及甘肅東南部97°E—105°E、33°N—38°N 范圍內(nèi)水平尺度大于等于200 km，且能分析出至少一根閉合等高線的低壓，或風(fēng)速大于等于4 m·s-1的氣旋式環(huán)流，記為一次西北渦過程，西北渦東移造成的陜西暴雨過程作為本文篩選暴雨過程的條件。

對2010—2020年陜西西北渦暴雨過程的時(shí)空分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選取過程中西北渦發(fā)展最強(qiáng)時(shí)段前12 h作為暴雨過程環(huán)流場分析時(shí)段，如2010年7月22日20：00 至23日20：00 臺風(fēng)影響下的西北渦暴雨過程，西北渦在23日20：00 發(fā)展最強(qiáng)，對應(yīng)環(huán)流的分析時(shí)段是23日08：00—20：00；針對有無臺風(fēng)影響下兩類西北渦暴雨過程環(huán)流場分析時(shí)段的氣象要素場進(jìn)行區(qū)域時(shí)空平均合成，從水汽、動(dòng)力、不穩(wěn)定條件等方面進(jìn)行對比分析，歸納總結(jié)有無臺風(fēng)影響下陜西西北渦暴雨特征的共性和差異。由于850 hPa高度陜西受地形影響造成虛假數(shù)據(jù)，文中選用800 hPa 高度場對低層大氣特征進(jìn)行分析，并對低層地形造成的虛假數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

鋒生函數(shù)能夠定量分析冷暖空氣交匯處的氣象要素及垂直運(yùn)動(dòng)變化，西北渦降水過程中大氣運(yùn)動(dòng)近似濕絕熱，文中用θse計(jì)算鋒生函數(shù)，公式如下：

式中：F（10-9K·m-1·s-1）為鋒生函數(shù)，F(xiàn)＞0表示鋒生；F1為水平運(yùn)動(dòng)鋒生項(xiàng)；F2為垂直運(yùn)動(dòng)鋒生項(xiàng)。

2 陜西西北渦暴雨統(tǒng)計(jì)特征

統(tǒng)計(jì)（表1）發(fā)現(xiàn)，2010—2020年陜西西北渦暴雨過程共計(jì)21次，其中有臺風(fēng)影響的西北渦暴雨過程9 次，無臺風(fēng)影響的西北渦暴雨過程12 次；西北渦造成的暴雨主要發(fā)生在7—8月，共19 次，9月和10月分別發(fā)生1 次。從西北渦暴雨日數(shù)空間分布［圖1（a）］來看，除西安東部、安康東南部、商洛中部外，其余地市均有暴雨出現(xiàn)，陜北延安和榆林東南部為西北渦暴雨日數(shù)的大值中心，延安北部西北渦暴雨日達(dá)10 d 以上，年平均暴雨日為1.3 d。有臺風(fēng)影響時(shí)西北渦暴雨落區(qū)主要位于陜北、關(guān)中北部與西部、陜南西部［圖1（b）］；無臺風(fēng)影響時(shí)整體雨帶偏南，暴雨落區(qū)較有臺風(fēng)影響時(shí)偏南約2 個(gè)緯度［圖1（c）］，主要位于榆林中東部與延安地區(qū)、關(guān)中及陜南中西部。

圖1 2010—2020年陜西西北渦暴雨日數(shù)（a）及有（b）、無（c）臺風(fēng)影響時(shí)西北渦暴雨日數(shù)空間分布（單位：d）Fig.1 The spatial distribution of rainstorm days caused by northwest vortex （a） and rainstorm days accompanying with （b） and without （c） typhoon in Shaanxi from 2010 to 2020 （Unit：d）

表1 2010—2020年陜西西北渦暴雨過程統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of rainstorm processes caused by northwest vortex in Shaanxi from 2010 to 2020

從西北渦暴雨日最大降水量分布（圖2）來看，西北渦造成的陜西暴雨天氣范圍廣、日雨量大。有臺風(fēng)影響時(shí)，陜北、關(guān)中北部及西部大部分地區(qū)日最大降水量達(dá)100 mm 以上；無臺風(fēng)影響時(shí)，陜西大部分地區(qū)日最大降水量為50～100 mm，有臺風(fēng)影響時(shí)西北渦降水強(qiáng)度比無臺風(fēng)影響時(shí)更大。從西北渦暴雨最大降水量時(shí)間分布（圖略）來看，無論有無臺風(fēng)影響，西北渦暴雨降水時(shí)段主要出現(xiàn)在夜間（20：00—08：00），而白天（08：00—20：00）降水強(qiáng)度明顯小于夜間，體現(xiàn)了西北渦暴雨的夜雨特征。

圖2 2010—2020年有（a）、無（b）臺風(fēng)影響時(shí)陜西西北渦暴雨日最大降水量空間分布（單位：mm）Fig.2 The spatial distribution of daily maximum precipitation during rainstorm processes caused by northwest vortex accompanying with （a） and without （b） typhoon in Shaanxi from 2010 to 2020 （Unit：mm）

3 陜西西北渦暴雨環(huán)流特征

遠(yuǎn)距離臺風(fēng)直接或間接影響低緯度低層暖濕空氣向陜西輸送，為陜西暴雨天氣提供了充沛的水汽和能量［24-27］。2010—2020年臺風(fēng)影響下的陜西西北渦暴雨共9 次，其中8 次臺風(fēng)位于南海海面（105°E—120°E、15°N—25°N）。有臺風(fēng)影響時(shí)，500 hPa［圖3（a）］，西太平洋副熱帶高壓（簡稱“副高”）控制我國中東部地區(qū)，且穩(wěn)定少動(dòng)，副高588 dagpm 線西伸脊點(diǎn)和脊線分別位于113°E 及30°N 附近，位于陜北的短波槽東移，致使短波槽與副高之間氣壓梯度加大，槽前西南風(fēng)風(fēng)速達(dá)12 m·s-1，臺風(fēng)位于南海105°E、20°N 附近，并向西移動(dòng)；700 hPa［圖3（c）］，副高控制華東到四川東部一帶，西北渦中心位于陜北110°E、38°N 附近，正渦度中心達(dá)7×10-5s-1，陜南有低空急流（9 次暴雨中，8 次陜西中南部西南風(fēng)達(dá)到急流標(biāo)準(zhǔn)），西南風(fēng)急流與臺風(fēng)外圍偏南風(fēng)將水汽、能量輸送至西北渦，促使西北渦發(fā)展［12，20-22］；800 hPa［圖3（e）］，陜北存在氣旋性環(huán)流，南海海面至陜西以偏東南氣流為主，陜西假相當(dāng)位溫（θse）達(dá)344～356 K；200 hPa［圖3（g）］，南亞高壓脊線位于32°N，高空急流位于40°N—46°N，陜西處于高空急流軸右側(cè)強(qiáng)輻散區(qū)，輻散中心散度達(dá)（20～25）×10-6s-1，高空強(qiáng)輻散抽吸配合低層氣旋式輻合，有利于西北渦維持、發(fā)展、加強(qiáng)。

無臺風(fēng)影響時(shí)，500 hPa［圖3（b）］，副高控制長江中下游地區(qū)且穩(wěn)定少動(dòng)，588 dagpm 線西伸脊點(diǎn)和脊線分別位于115°E 及28°N 附近，陜北和青藏高原東部分別有短波槽和高原槽東移（12 次無臺風(fēng)影響的西北渦暴雨，均存在短波槽和高原槽影響），但短波槽強(qiáng)度較有臺風(fēng)影響時(shí)偏弱；700 hPa［圖3（d）］，副高控制華東及華南地區(qū)，西北渦中心在109°E、37°N 附近，正渦度中心為5×10-5s-1，其位置相比有臺風(fēng)影響時(shí)偏南約1 個(gè)緯度，且中心強(qiáng)度偏弱。受副高阻擋，四川東部西南風(fēng)風(fēng)速達(dá)10 m·s-1，陜南西南風(fēng)為6 m·s-1（12次暴雨過程中，7次陜南西南風(fēng)未達(dá)到急流標(biāo)準(zhǔn)），高原槽前西南風(fēng)將南海水汽、能量輸送至陜西；800 hPa［圖3（f）］，冷空氣較有臺風(fēng)影響時(shí)更活躍，陜北存在2～4 m·s-1偏北風(fēng)，陜西中南部為偏東南氣流，存在低渦環(huán)流，陜西θse達(dá)336～356 K；200 hPa［圖3（h）］，南亞高壓脊線位于31°N，高空急流位于38°N—45°N，急流中心風(fēng)速達(dá)44 m·s-1，高低空垂直風(fēng)切變較有臺風(fēng)影響時(shí)更大，大氣斜壓性更強(qiáng)，高空急流軸南側(cè)輻散中心散度達(dá)（10～15）×10-6s-1。

圖3 2010—2020年有（a、c、e、g）、無（b、d、f、h）臺風(fēng)影響時(shí)陜西西北渦暴雨500 hPa高度場（實(shí)等值線，單位：dagpm）、風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m·s-1）（a、b），700 hPa高度場（實(shí)等值線，單位：dagpm）、風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m·s-1）和渦度（陰影，單位：10-5 s-1）（c、d），800 hPa假相當(dāng)位溫（實(shí)等值線，單位：K）、風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m·s-1）（e、f），200 hPa高度場（實(shí)等值線，單位：dagpm）、風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m·s-1）和散度（陰影，單位：10-6 s-1）（g、h）Fig.3 The 500 hPa height field （solid contours，Unit：dagpm） and wind field （wind vectors，Unit：m·s-1） （a，b），700 hPa height field （solid contours，Unit：dagpm），wind field （wind vectors，Unit：m·s-1） and vorticity （the shaded，Unit：10-5 s-1） （c，d），800 hPa pseudo-equivalent potential temperature （solid isolines，Unit：K） and wind field （wind vectors，Unit：m·s-1） （e，f），200 hPa height field （solid contours，Unit：dagpm），wind field （wind vectors，Unit：m·s-1） and divergence （the shaded，Unit：10-6 s-1） （g，h） during rainstorm processes caused by northwest vortex with （a，c，e，g） and without（b，d，f，h） typhoon influence in Shaanxi from 2010 to 2020

對比兩類西北渦暴雨環(huán)流形勢，造成陜西暴雨的西北渦距離副高脊線北側(cè)7～8 個(gè)緯度，有臺風(fēng)影響時(shí)，副高偏西偏北，陜西上空西南風(fēng)偏強(qiáng)，西南低空急流結(jié)合副高外圍偏南風(fēng)將臺風(fēng)外圍水汽、能量向西北渦輸送，陜西低層高溫高濕，高空槽前正渦度平流配合高空急流軸右側(cè)強(qiáng)烈輻散抽吸，造成西北渦發(fā)展，西北渦位置偏北，強(qiáng)度偏強(qiáng)；無臺風(fēng)影響時(shí)，副高偏東偏南，陜西上空西南風(fēng)偏弱，高原槽前西南風(fēng)向陜西輸送水汽、能量，陜西低層假相當(dāng)位溫偏小，高空槽前正渦度平流配合高空急流軸右側(cè)輻散抽吸，西北渦發(fā)展加強(qiáng)，位置略偏南，強(qiáng)度偏弱。

4 陜西西北渦暴雨水汽、動(dòng)力、熱力特征

4.1 水汽條件對比

暴雨發(fā)生需要充足的水汽供應(yīng)，暴雨過程中暴雨區(qū)500 hPa以上水汽輻合較弱，水汽主要由700 hPa以下水汽輻合供應(yīng)［6］，低空急流是陜西暴雨水汽輸送的最大貢獻(xiàn)者［28］。從陜西西北渦暴雨低層水汽通量和水汽通量散度（圖4）看出，有臺風(fēng)影響時(shí)，700 hPa 和800 hPa 輸送到陜西的水汽主要來自南海，西南低空急流與副高外圍偏南氣流將臺風(fēng)外圍水汽向北輸送，700 hPa 和800 hPa 陜西比濕分別達(dá)8～10 和12～16 g·kg-1（圖略）。700 hPa［圖4（a）］，強(qiáng)水汽輸送出現(xiàn)在四川東北部至陜西中南部，與低渦前部西南低空急流相對應(yīng)，水汽通量達(dá)8～10 g·hPa-1·cm-1·s-1，強(qiáng)盛的水汽輸送為陜西暴雨區(qū)提供源源不斷的水汽，西北渦中心前側(cè)及關(guān)中西部存在2 個(gè)水汽輻合中心，水汽通量散度分別達(dá)（-15～-10）×10-8、-10×10-8g·hPa-1·cm-2·s-1；受偏東南氣流影響，陜西近地層800 hPa［圖4（b）］水汽輸送較弱，水汽通量為5～8 g·hPa-1·cm-1·s-1，水汽輻合區(qū)位于西北渦中心及關(guān)中西部、陜南西部，西北渦中心水汽通量散度達(dá)-25×10-8g·hPa-1·cm-2·s-1。無臺風(fēng)影響時(shí)，受高原槽和副高外圍偏東南氣流影響，陜西存在兩支水汽輸送帶，一支來自孟加拉灣，另一支來自南海，兩支水汽輸送帶在四川東部匯合向北輸送，700 hPa 和800 hPa 比濕分別達(dá)7～10 和10～15 g·kg-1（圖略）。由于西南風(fēng)風(fēng)速較小，陜西水汽輸送偏弱；700 hPa［圖4（c）］，陜西南部水汽通量僅4～6 g·hPa-1·cm-1·s-1，陜西中南部水汽通量散度為（-5～0）×10-8g·hPa-1·cm-2·s-1；800 hPa［圖4（d）］，陜西水汽通量在5 g·hPa-1·cm-1·s-1以下，受低渦環(huán)流影響，陜西中南部為水汽輻合區(qū)，水汽通量散度為（-15～-10）×10-8g·hPa-1·cm-2·s-1，近地層強(qiáng)烈的水汽輻合為西北渦暴雨提供了有利的水汽條件。

圖4 2010—2020年陜西西北渦暴雨有（a、b）、無（c、d）臺風(fēng)影響時(shí)700 hPa（a、c）、800 hPa（b、d）水汽通量（矢量，單位：g·hPa-1·cm-1·s-1）與水汽通量散度（陰影，單位：10-8 g·hPa-1·cm-2·s-1）分布Fig.4 Spatial distribution of water vapor flux （vectors，Unit：g·hPa-1·cm-1·s-1） and water vapor flux divergence （the shaded，Unit：10-8 g·hPa-1·cm-2·s-1） at 700 hPa （a，c） and 800 hPa （b，d） during rainstorm processes caused by northwest vortex with （a，b） and without （c，d） typhoon influence in Shaanxi from 2010 to 2020

綜合對比兩類暴雨的水汽條件，有臺風(fēng)影響時(shí)，陜西西北渦暴雨水汽輸送主要由700 hPa 提供，800 hPa 水汽輸送相對較弱；無臺風(fēng)影響時(shí)，700、800 hPa的水汽輸送均較弱。兩類暴雨800 hPa的水汽輻合比700 hPa 更強(qiáng)，低層水汽輸送和水汽輻合為陜西西北渦暴雨提供了有利條件。結(jié)合環(huán)流背景場對比來看，有臺風(fēng)影響時(shí)，受低空急流影響，陜西低層水汽輸送更強(qiáng)，比濕更大；無臺風(fēng)影響時(shí)，西南風(fēng)偏弱，水汽輸送偏弱。陜西西北渦暴雨中，近地層水汽輻合更強(qiáng)，可能是近地層地形及摩擦輻合作用導(dǎo)致，下文將進(jìn)一步展開分析。

4.2 動(dòng)力條件對比

有臺風(fēng)影響時(shí)，沿西北渦中心的散度、渦度及垂直速度的緯度-高度剖面［圖5（a）］可見，西北渦正渦度區(qū)主要位于400 hPa 以下，低渦中心700 hPa的正渦度達(dá)7×10-5s-1；低渦南側(cè)35°N—38°N 范圍800 hPa 以下存在強(qiáng)輻合區(qū)，200 hPa 為（10～15）×10-6s-1的輻散區(qū)，近地層偏南風(fēng)沿黃土高原迎風(fēng)坡爬升，在低層氣旋性渦度區(qū)產(chǎn)生摩擦輻合，利于上升運(yùn)動(dòng)形成，低渦南側(cè)低層氣旋式輻合配合高空急流右側(cè)強(qiáng)烈輻散抽吸，35°N—38°N 范圍上升運(yùn)動(dòng)從地面延伸至200 hPa，600～300 hPa 垂直速度達(dá)-3×10-1Pa·s-1。從散度、渦度及垂直速度的經(jīng)度-高度剖面［圖5（b）］看出，低渦的正渦度中心位于110°E附近，108°E—112°E 范圍近地層存在一個(gè)散度為（-15～-10）×10-6s-1的強(qiáng)輻合區(qū)，低渦上空500 hPa和前側(cè)200 hPa 各存在一個(gè)輻散區(qū)，500 hPa 輻散區(qū)散度為（5～10）×10-6s-1，由高空槽前正渦度平流輻散造成，而200 hPa 強(qiáng)輻散區(qū)位于113°E 附近，散度達(dá)（20～25）×10-6s-1，由高空急流右側(cè)強(qiáng)輻散導(dǎo)致；由于200 hPa輻散區(qū)位于低層輻合區(qū)東側(cè)，低層強(qiáng)輻合配合高層強(qiáng)輻散，致使低渦中心上升氣流從低層向高層?xùn)|側(cè)傾斜伸展，低渦東側(cè)600 hPa 和400 hPa各存在一個(gè)上升運(yùn)動(dòng)中心，最大垂直速度達(dá)-3×10-1Pa·s-1，低渦低層偏東風(fēng)沿黃河河谷爬升產(chǎn)生摩擦輻合，進(jìn)一步增強(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng)。

圖5 2010—2020年陜西西北渦暴雨過程有（a、b）、無（c、d）臺風(fēng)影響時(shí)渦度（填色區(qū)，單位：10-5 s-1）、散度（藍(lán)色虛線，單位：10-6 s-1）、垂直速度（黑色實(shí)線，單位：10-1 Pa·s-1）、流場（矢量，經(jīng)向：v，ω×10，緯向：u，ω×10，單位：m·s-1）沿110°E（a）與109°E（c）的緯度-高度剖面，及沿38°N（b）與37°N（d）的經(jīng)度-高度剖面（黑色陰影為地形，下同）Fig.5 The latitude-height profiles along 110°E （a） and 109°E （c） and longitude-height profiles along 38°N （b） and 37°N （d） of vorticity （the color shaded，Unit：10-5 s-1），divergence （blue dashed lines，Unit：10-6 s-1），vertical velocity （black solid lines，Unit：10-1 Pa·s-1） and stream field （vectors，longitude：v，ω×10，latitude：u，ω×10，Unit：m·s-1） during rainstorm processes caused by northwest vortex with （a，b） and without （c，d） typhoon influence in Shaanxi from 2010 to 2020（The black shaded is terrain.the same as below）

無臺風(fēng)影響時(shí)，從散度、渦度及垂直速度的緯度-高度剖面［圖5（c）］看出，西北渦正渦度區(qū)位于500 hPa以下，700 hPa低渦中心渦度達(dá)5×10-5s-1；低渦南側(cè)34°N—37°N范圍800 hPa以下近地層存在一個(gè)散度為（-15～-10）×10-6s-1的強(qiáng)輻合中心，200 hPa存在一個(gè)散度為（10～15）×10-6s-1的輻散區(qū)，近地層偏南風(fēng)沿黃土高原迎風(fēng)坡爬升，產(chǎn)生摩擦輻合，上升運(yùn)動(dòng)不斷加強(qiáng)，34°N—37°N 范圍上升運(yùn)動(dòng)從近地面伸展至200 hPa，400 hPa 上升運(yùn)動(dòng)中心垂直速度達(dá)-3.5×10-1Pa·s-1。從散度、渦度及垂直速度的經(jīng)度-高度剖面［圖5（d）］可見，低渦正渦度中心位于109°E 附近，低渦近地層為輻合區(qū)，散度達(dá)（-15～-10）×10-6s-1，而300～200 hPa 為輻散區(qū)，散度達(dá)（10～15）×10-6s-1，偏東風(fēng)沿黃河河谷爬升，低渦兩側(cè)上升運(yùn)動(dòng)從地面伸展至200 hPa，上升運(yùn)動(dòng)中心與低渦中心重疊，上升氣流相比有臺風(fēng)影響時(shí)更加垂直。

綜上可見，影響陜西暴雨的西北渦具有低層輻合、高層輻散的動(dòng)力特征，低層偏東南氣流在黃土高原、黃河河谷迎風(fēng)坡爬升，在低渦南側(cè)產(chǎn)生摩擦輻合，上升運(yùn)動(dòng)不斷加強(qiáng)，低層強(qiáng)烈的水汽輻合導(dǎo)致強(qiáng)降水產(chǎn)生。比較而言，有臺風(fēng)影響時(shí)，高層強(qiáng)輻散區(qū)位于低層輻合區(qū)東側(cè)，低渦中心上升運(yùn)動(dòng)向東傾斜，低渦附近強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)位于低渦東側(cè)和南側(cè)，易在低渦東側(cè)與南側(cè)產(chǎn)生強(qiáng)降水；無臺風(fēng)影響時(shí)，高層輻散區(qū)與低層強(qiáng)輻合區(qū)相對應(yīng)，低渦中心上升氣流更加垂直，低渦附近強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)位于低渦中心及以南區(qū)域，易造成低渦中心及南部強(qiáng)降水。

4.3 不穩(wěn)定條件及鋒生對比

假相當(dāng)位溫（θse）可以反映大氣溫濕特性，而濕位渦（Moist Potential Vorticity，MPV）能夠表征大氣動(dòng)力、熱力屬性，同時(shí)還考慮了水汽作用，因此θse和濕位渦在暴雨天氣診斷分析中得到廣泛應(yīng)用［29-31］。MPV 由濕正壓項(xiàng)（MPV1）和濕斜壓項(xiàng)（MPV2）組成，MPV1＜0時(shí)，大氣為對流不穩(wěn)定，MPV1＞0時(shí)，大氣為對流穩(wěn)定。陜西西北渦暴雨過程中，低層偏南風(fēng)向陜西輸送水汽和能量，陜西處于θse高能舌區(qū)［圖3（e）和圖3（f）］。有臺風(fēng)影響時(shí)，從θse和MPV1 的緯度-高度剖面［圖6（a）］可見，600 hPa 以下陜西MPV1＜0，陜南與陜北MPV1 分別為-0.5×10-6、-0.2×10-6m2·s-1·K·kg-1，同時(shí)θse隨高度升高而減小，表明伴有臺風(fēng)的西北渦影響下對流層低層大氣對流不穩(wěn)定；θse和MPV1的經(jīng)度-高度剖面［圖6（b）］可知，600 hPa 以下、108°E 以東區(qū)域，MPV1＜0，且θse隨高度升高而減小。臺風(fēng)影響時(shí)，西北渦東側(cè)和南側(cè)對流層低層呈現(xiàn)對流不穩(wěn)定，強(qiáng)上升氣流觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放，易產(chǎn)生大暴雨；陜南距西北渦較遠(yuǎn)，盡管對流不穩(wěn)定更顯著，但低層垂直速度和水汽輻合相比陜西中北部弱，產(chǎn)生的降水也偏弱。無臺風(fēng)影響時(shí)，從θse和MPV1 的緯度-高度剖面［圖6（c）］看到，600 hPa 以下陜西中北部θse隨高度變化不大，MPV1＞0，大氣層結(jié)穩(wěn)定，僅陜南MPV1＜0，θse隨高度升高而減小，存在對流不穩(wěn)定層結(jié)；從θse和MPV1 的經(jīng)度-高度剖面［圖6（d）］可見，西北渦東西兩側(cè)θse隨高度變化不大，MPV1＞0，大氣層結(jié)穩(wěn)定，低渦中心及南部強(qiáng)烈的輻合抬升造成延安以南暴雨天氣，陜北北部由于水汽、動(dòng)力條件較差，產(chǎn)生的降水強(qiáng)度較小，而陜南低層輻合抬升觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生了小范圍大暴雨。

圖6 2010—2020年陜西西北渦暴雨有（a、b）和無（c、d）臺風(fēng)影響時(shí)θse（實(shí)線，單位：K）與濕位渦（MPV1）（虛線，單位：10-6 m2·s-1·K·kg-1）沿110°E（a）及109°E（c）的緯度-高度剖面和沿38°N（b）及37°N（d）的經(jīng)度-高度剖面Fig.6 The latitude-height profiles along 110°E （a） and 109°E （c） and longitude-height profiles along 38°N （b） and 37°N （d） of pseudo-equivalent potential temperature （solid lines，Unit：K） and moist potential vorticity （MPV1） （dashed lines，Unit：10-6 m2·s-1·K·kg-1） during rainstorm processes caused by northwest vortex with （a，b） and without （c，d）typhoon influence in Shaanxi from 2010 to 2020

西北渦暴雨中，陜西處于θse高能舌區(qū)（圖7），甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古冷空氣與低渦南側(cè)暖濕空氣在陜西中北部形成θse密集區(qū)。有臺風(fēng)影響時(shí)，陜北低層為偏南風(fēng)，800 hPa（圖略）僅在低渦南側(cè)強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心36°N 附近存在鋒區(qū)，其中心鋒生強(qiáng)度為70×10-9K·m-1·s-1；700 hPa［圖7（a）］，陜北存在大范圍鋒區(qū)，鋒生強(qiáng)度達(dá)70×10-9K·m-1·s-1，且強(qiáng)鋒區(qū)垂直擴(kuò)展至600 hPa，陜北強(qiáng)鋒區(qū)主要由垂直運(yùn)動(dòng)鋒生項(xiàng)貢獻(xiàn)。對流不穩(wěn)定層結(jié)下，低渦東側(cè)及南側(cè)低層強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，在陜北產(chǎn)生強(qiáng)鋒區(qū)，鋒生進(jìn)一步增強(qiáng)了低渦東南部上升運(yùn)動(dòng)，使得降水強(qiáng)度增大。無臺風(fēng)影響時(shí)，副高偏南，冷空氣活躍，陜北低層為偏北氣流，θse梯度加大，由于大氣層結(jié)穩(wěn)定，800 hPa［圖7（b）］延安、關(guān)中西部、陜南西部產(chǎn)生的鋒區(qū)較為分散，鋒生強(qiáng)度低于20×10-9K·m-1·s-1，造成的降水強(qiáng)度比有臺風(fēng)影響時(shí)偏弱；陜南大氣呈對流不穩(wěn)定，低層上升運(yùn)動(dòng)觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，導(dǎo)致陜南南部出現(xiàn)（20～40）×10-9K·m-1·s-1鋒區(qū)，鋒生進(jìn)一步使上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致陜南南部產(chǎn)生小范圍大暴雨。

圖7 2010—2020年陜西西北渦暴雨過程有臺風(fēng)影響時(shí)700 hPa（a）及無臺風(fēng)影響時(shí)800 hPa（b） θse（實(shí)線，單位：K）和鋒生函數(shù)（陰影，單位：10-9 K·m-1·s-1）分布Fig.7 Spatial distribution of pseudo-equivalent potential temperature （solid lines，Unit：K） and frontgenesis function （the shaded，Unit：10-9 K·m-1·s-1） at 700 hPa under the influence of typhoon （a） and 800 hPa without influence of typhoon （b） during rainstorm processes caused by northwest vortex in Shaanxi from 2010 to 2020

5 有無臺風(fēng)影響時(shí)陜西西北渦暴雨的機(jī)制分析

對比有無臺風(fēng)影響下陜西西北渦暴雨高低空環(huán)流特征，綜合水汽、動(dòng)力、不穩(wěn)定條件等分析，總結(jié)陜西兩類西北渦暴雨的天氣環(huán)流配置見圖8?？梢钥闯?，造成陜西暴雨的西北渦位于副高脊線北側(cè)7～8 個(gè)緯度處，西北渦具有低層輻合、高層輻散的動(dòng)力特征。導(dǎo)致陜西兩類西北渦暴雨落區(qū)和強(qiáng)度不同的原因是高低空影響系統(tǒng)及環(huán)流配置的不同、西北渦垂直運(yùn)動(dòng)特征差異以及大氣溫濕結(jié)構(gòu)的不同。有臺風(fēng)影響時(shí)，南海有臺風(fēng)存在，副高偏西偏北，臺風(fēng)外圍水汽、能量隨著西南低空急流向西北渦輸送，西北渦低層呈對流不穩(wěn)定，高空槽前正渦度平流及高空急流右側(cè)強(qiáng)輻散促使西北渦發(fā)展加強(qiáng)，低渦東側(cè)與南側(cè)低層強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，并在陜北產(chǎn)生強(qiáng)鋒區(qū)，鋒生進(jìn)一步增強(qiáng)了低渦東側(cè)與南側(cè)的垂直運(yùn)動(dòng)，使得降水強(qiáng)度增大，有利于低渦東側(cè)與南側(cè)產(chǎn)生大暴雨。無臺風(fēng)影響時(shí)，副高偏東偏南，西南風(fēng)風(fēng)速較小，水汽輸送較弱，高原槽前西南風(fēng)將孟加拉灣和南海水汽輸送至陜西，西北渦低層大氣層結(jié)穩(wěn)定，高層輻散區(qū)與低層強(qiáng)輻合區(qū)相對應(yīng)，低渦中心南部為強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，冷暖空氣在陜北南部、關(guān)中西部交匯，產(chǎn)生分散性弱鋒區(qū)，有利于低渦中心南部產(chǎn)生暴雨天氣。

圖8 有臺風(fēng)影響（a）與無臺風(fēng)影響（b）時(shí)陜西西北渦暴雨環(huán)流配置Fig.8 The circulation situation configuration for rainstorms caused by northwest vortex with （a） and without （b）typhoon influence in Shaanxi

6 結(jié) 論

本文統(tǒng)計(jì)了2010—2020年陜西西北渦暴雨21個(gè)個(gè)例，從環(huán)流背景、水汽、動(dòng)力、不穩(wěn)定條件等方面對比分析了有無臺風(fēng)影響時(shí)兩類西北渦暴雨的共性和差異，具體結(jié)論如下：

（1）陜西西北渦暴雨主要發(fā)生在7—8月，陜北為西北渦暴雨多發(fā)區(qū)，且強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在夜間，夜雨特征明顯。按有無臺風(fēng)影響，將西北渦暴雨分為2類，有臺風(fēng)影響時(shí)，暴雨落區(qū)相比無臺風(fēng)影響時(shí)偏北約2個(gè)緯度，且降水強(qiáng)度更強(qiáng)。

（2）造成陜西暴雨的西北渦位于副高脊線北側(cè)7～8 個(gè)緯度處，西北渦具有低層輻合、高層輻散動(dòng)力特征，低層偏東南氣流在黃土高原、黃河河谷迎風(fēng)坡爬升，促使西北渦東側(cè)及南側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，近地層摩擦形成強(qiáng)水汽輻合區(qū)，低層水汽輸送和水汽輻合為西北渦暴雨發(fā)生提供了有利條件。

（3）有臺風(fēng)影響時(shí)，伴隨西南低空急流輸送水汽、能量，西北渦影響下陜西低層大氣呈對流不穩(wěn)定，低層輻合配合高層強(qiáng)輻散，低渦東側(cè)和南側(cè)為強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，強(qiáng)上升氣流在陜北觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，形成強(qiáng)鋒區(qū)，鋒生促進(jìn)降水強(qiáng)度增大，產(chǎn)生大暴雨；陜南由于上升運(yùn)動(dòng)和水汽輻合較陜北弱，產(chǎn)生的降水強(qiáng)度也偏弱。

（4）無臺風(fēng)影響時(shí)，西南風(fēng)偏弱，水汽及能量輸送也偏弱，陜西中北部大氣層結(jié)穩(wěn)定，陜南低層為不穩(wěn)定層結(jié)，低層輻合配合高層輻散，低渦中心南部為強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，配合低層分散弱鋒區(qū)，延安以南出現(xiàn)暴雨；陜北北部由于水汽輻合、動(dòng)力抬升偏弱，降水強(qiáng)度較小；陜南南部低層輻合抬升觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生小范圍大暴雨。

陜西西北渦暴雨落區(qū)和強(qiáng)度預(yù)報(bào)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注有無臺風(fēng)影響、副高脊線位置、低層偏南風(fēng)氣流大小、西北渦溫濕結(jié)構(gòu)及垂直運(yùn)動(dòng)特征的差異。陜西南北狹長、地形復(fù)雜，西北渦暴雨主要出現(xiàn)在陜北黃土高原地區(qū)，復(fù)雜地形對西北渦暴雨落區(qū)和強(qiáng)度的影響還有待于下一步做更深入研究分析。