金小霞 劉梅 李楊 王磊 李馳欽 陳蔚

摘要 利用ERA5再分析資料和江蘇省自動(dòng)站降水量資料，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)鋒生原理，分析了2020年江淮梅雨期鋒生特征和兩類不同性質(zhì)暴雨鋒生的差異，揭示了不同層次鋒生與降水的對應(yīng)關(guān)系。研究結(jié)果表明：1）2020年梅雨期鋒生特征顯著，強(qiáng)降水與中低層鋒生有較好對應(yīng)關(guān)系，其中形變項(xiàng)占主要貢獻(xiàn)，散度項(xiàng)次之，傾斜項(xiàng)最弱。強(qiáng)降水時(shí)段總鋒生、散度和形變鋒生作用疊加。2）江蘇地區(qū)自北向南鋒生特征有差異，強(qiáng)度逐漸減弱，鋒生發(fā)展高度逐漸降低。不同類型降水鋒生特征不同，對流性降水鋒生范圍偏大、發(fā)展層次高、鋒生中心偏強(qiáng)，總鋒生和各分解項(xiàng)疊加作用顯著，穩(wěn)定性降水鋒生特征反之。3）典型過程對流降水“6.28”和穩(wěn)定性降水“7.11”對比表明：鋒區(qū)位置相近，鋒生作用均出現(xiàn)在江淮切變線附近，鋒區(qū)、切變線和θse密集帶三者對應(yīng)較好。降水落區(qū)有差異，對流性降水過程中，由于干冷空氣的顯著南壓，使得主要降水發(fā)生在鋒面南側(cè)暖區(qū)，與多個(gè)次鋒生中心相對應(yīng);穩(wěn)定性降水過程中冷暖空氣勢力相當(dāng)，降水主要集中在主鋒區(qū)附近，觸發(fā)機(jī)制和降水性質(zhì)不同導(dǎo)致降水分布差異。4）兩次過程垂直鋒區(qū)由低到高均有向北傾斜的特征，“6.28”過程鋒區(qū)南側(cè)有顯著暖濕氣流輸送，鋒區(qū)內(nèi)為強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)，低層輻合高層輻散的環(huán)流場使得鋒區(qū)維持?！?.11”過程垂直上升運(yùn)動(dòng)高度偏低，高空沒有顯著輻散場，對流性較弱。對兩類降水垂直鋒區(qū)的合成分析表明，對流性降水的低層鋒生明顯強(qiáng)于穩(wěn)定性降水，由低層鋒區(qū)造成的抬升觸發(fā)作用對強(qiáng)降水形成更加有利，同時(shí)垂直風(fēng)場的合成中上升運(yùn)動(dòng)也更加強(qiáng)烈。兩類降水中，中低層散度和形變鋒生由低到高均為先增大后減小，強(qiáng)降水主要由700 hPa以下鋒生增強(qiáng)導(dǎo)致，中高層大氣基本為鋒消作用。

關(guān)鍵詞江淮梅雨;鋒生函數(shù);暴雨;強(qiáng)對流;垂直鋒區(qū)

梅雨鋒是造成梅雨期降水的重要影響系統(tǒng)，是暖濕的季風(fēng)氣團(tuán)與相對干冷的中緯度氣團(tuán)之間的鋒面（閔錦忠等，2018）。梅雨鋒一般維持在江淮一帶，但受到低空急流和冷空氣等因素的影響，會(huì)出現(xiàn)明顯的南北擺動(dòng)特征，雨帶也隨之?dāng)[動(dòng)（劉梅等，2014;王志毅等，2017），因此梅雨鋒的位置決定了主要的暴雨雨帶。梅雨鋒的產(chǎn)生由多尺度、不同高度天氣系統(tǒng)相互作用而形成，包括南亞高壓、副熱帶高壓、中緯度西風(fēng)槽、季風(fēng)、鋒面氣旋及中尺度波動(dòng)等（鄭婧等，2015;金瓊等，2020），其中梅雨鋒上中尺度對流系統(tǒng)常是造成梅雨鋒暴雨的直接系統(tǒng)（王伏村等，2016;趙宇等，2018），暴雨對流系統(tǒng)總是沿著梅雨鋒上等相當(dāng)位溫面發(fā)展和移動(dòng)（Cui et al.，2003），當(dāng)中尺度系統(tǒng)向下游移動(dòng)，常給受影響地區(qū)造成持續(xù)的降水天氣（苗春生等，2017），另外暖切變型梅雨鋒也有利于持續(xù)性大暴雨的產(chǎn)生（胡伯威和彭廣，1996;胡伯威，1997）。梅雨鋒暴雨和梅雨鋒之間又存在著強(qiáng)烈的相互作用和正反饋機(jī)制，梅雨鋒上連續(xù)發(fā)生的中尺度對流雨團(tuán)造成的潛熱釋放對鋒生有反饋?zhàn)饔茫欣阡h生強(qiáng)度的加強(qiáng)，因此梅雨鋒提供了對流云團(tuán)發(fā)展的有利環(huán)境，同時(shí)對流降水又使得梅雨鋒面加強(qiáng)（Chen et al.，1998）?？梢姡酚赇h暴雨的發(fā)生發(fā)展、強(qiáng)度和落區(qū)，與梅雨鋒的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和演變特征應(yīng)當(dāng)有著密切的關(guān)聯(lián)。

鋒生函數(shù)可以從動(dòng)力和熱力因子等方面很好的表征梅雨鋒的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和時(shí)空演變特征（王建捷和陶詩言，2002），氣象工作者通常采用其診斷分析梅雨鋒與暴雨的關(guān)系。尹東屏等（2010）利用平均場的方法研究了發(fā)生暴雨時(shí)的梅雨鋒結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)暴雨發(fā)生有明顯的鋒區(qū)，降水量和鋒區(qū)強(qiáng)度成正比，暴雨發(fā)生在鋒區(qū)中低空急流的北部，鋒生函數(shù)切變變形場與暴雨的落區(qū)重疊，經(jīng)向鋒生函數(shù)與南風(fēng)等風(fēng)速線密集區(qū)相重疊，緯向鋒生函數(shù)指示了暴雨區(qū)的范圍。郭英蓮等（2014）分析了2011年3次暴雨過程的鋒生特征，認(rèn)為3次過程中層鋒生主要由垂直鋒生造成，有利于對流不穩(wěn)定的發(fā)生，低層由水平鋒生造成，有利于水汽輸送和輻合抬升。當(dāng)中層和低層均有鋒生時(shí)，有利于降雨強(qiáng)度的加強(qiáng)。同時(shí)，鋒生的水平和垂直結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度對暴雨范圍也有顯著的影響（張恒德等，2011）。徐亞欽等（2019）分析了2016年的一次典型梅雨，認(rèn)為強(qiáng)降水區(qū)與中低層鋒生區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，在鋒區(qū)存在低層地轉(zhuǎn)偏差輻合、高層輻散的上升運(yùn)動(dòng)，形成次級(jí)環(huán)流上升支，鋒后反之。另外，鋒生函數(shù)中所包含的不同鋒生項(xiàng)對暴雨作用的闡釋有顯著的不同（馮文等，2023）。孫淑清和杜長萱（1996）認(rèn)為鋒生函數(shù)的形變項(xiàng)是一個(gè)主要項(xiàng)，它與鋒生的維持有直接的關(guān)系，而散度鋒生則與梅雨鋒上的中尺度擾動(dòng)相關(guān)，其正值區(qū)與暴雨區(qū)相對應(yīng)。段旭等（2019）認(rèn)為非絕熱加熱項(xiàng)對鋒面的生消作用較小，但存在顯著的日變化，輻合輻散項(xiàng)和水平形變項(xiàng)是鋒生函數(shù)變化的主要貢獻(xiàn)項(xiàng)。李娜等（2013）分析了北京“7.21”暴雨的鋒生特征，發(fā)現(xiàn)變形項(xiàng)對引發(fā)暴雨的低層鋒生有重要貢獻(xiàn)，鋒生能夠引發(fā)大氣動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)的調(diào)整，伴隨大氣鋒生過程的高空急流的加強(qiáng)，帶動(dòng)低層空氣輻合，有助于暴雨的加強(qiáng)維持。

在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，預(yù)報(bào)員通常分析的是不同層次環(huán)流形勢和常規(guī)水汽、動(dòng)力物理量，對于鋒生的計(jì)算分析明顯缺乏，而鋒生包含了大氣水平、垂直運(yùn)動(dòng)和熱力等因素，與降水有著密切的關(guān)聯(lián)，因此加強(qiáng)鋒生的分析和應(yīng)用，能夠幫助預(yù)報(bào)員更精細(xì)地判斷降水強(qiáng)度和可能的強(qiáng)降水落區(qū)，對認(rèn)識(shí)天氣過程發(fā)生機(jī)理和降水預(yù)測均有重要意義。2020年梅雨期江淮地區(qū)出現(xiàn)11次暴雨過程，不同類型過程降水性質(zhì)、強(qiáng)度、分布特點(diǎn)具有明顯差異，這種差異和過程期間鋒生特征是否具有一定的關(guān)系是值得我們深入研究的問題，也是預(yù)報(bào)員分析判斷的依據(jù)。為此，本文分析了2020年梅雨期的鋒生特征、環(huán)流結(jié)構(gòu)及與強(qiáng)降水之間的關(guān)系，通過不同類型降水鋒生特征的對比，幫助預(yù)報(bào)員更好地認(rèn)識(shí)鋒生形成的特點(diǎn)及其在強(qiáng)降水過程中的作用，為利用鋒生特征進(jìn)行不同類型降水預(yù)報(bào)和訂正提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

文中所用降水實(shí)況數(shù)據(jù)：1）2020年江蘇省常規(guī)氣象自動(dòng)站（基本站和加密站共1 365站）雨量資料，包括逐小時(shí)降水量和24 h降水量;2）鋒生函數(shù)計(jì)算和形勢場分析采用ERA5高分辨率再分析數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為6 h，水平空間分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向?yàn)?1層。

1.2 鋒生函數(shù)計(jì)算方法

鋒生函數(shù)是表征大氣水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)、非絕熱變化和摩擦等因素對鋒生作用的物理量，可作為定量指標(biāo)表示大氣的動(dòng)力和熱力特征及鋒生結(jié)構(gòu)。本文采用Miller鋒生計(jì)算公式（Miller，1948），將鋒生函數(shù)分解為4項(xiàng)，在P坐標(biāo)系下的表達(dá)式為：

Fh=ddt|SymbolQC@hθ|=T1+T2+T3+T4。? （1）

其中：

T1=-θxxdθdt+θyydθdtSymbolQC@hθ，（2）

T2=-ωxθx+ωyθyθpSymbolQC@hθ，（3）

T3=-12DSymbolQC@hθ，（4）

T4=-12Eθx2+2Fθxθy-Eθy2SymbolQC@hθ。（5）

式（5）中：E=u/x-v/y表示伸展形變；F=v/x+u/y表示切變形變；θ為位溫；ω為垂直速度。

鋒生函數(shù)描述了水平位溫梯度隨質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的變化率，F(xiàn)h>0表示鋒生，F(xiàn)h<0表示鋒消。由Fh表達(dá)式可知，影響鋒生的因子有4項(xiàng)，其中T1為非絕熱加熱項(xiàng)，即非絕熱加熱梯度產(chǎn)生的鋒生作用，在濕絕熱條件下，此項(xiàng)可忽略;T2為傾斜項(xiàng)，表示沿已存在的溫度梯度方向垂直速度的不同而產(chǎn)生的鋒生或鋒消，若大氣為穩(wěn)定層結(jié)θp<0，當(dāng)暖氣團(tuán)中有下沉運(yùn)動(dòng)而冷氣團(tuán)中有上升運(yùn)動(dòng)，冷暖氣團(tuán)溫度差異增大，則鋒生，反之為鋒消。若大氣層結(jié)不穩(wěn)定θp>0，則與上述結(jié)論相反；T3為散度項(xiàng)，表示在已有的水平溫度梯度的情況下，水平輻合（D＜0）或輻散（D＞0）產(chǎn)生的水平溫度梯度的增加（或減弱），即鋒生或鋒消；T4為形變項(xiàng)，即整個(gè)水平變形產(chǎn)生的鋒生作用。濕對流大氣中可用濕位溫代替位溫進(jìn)行鋒生計(jì)算（郭英蓮等，2014），本文著重分析總鋒生函數(shù)Th、傾斜項(xiàng)T2、散度項(xiàng)T3和形變項(xiàng)T4對鋒生的作用。

2 2020年江淮梅雨概況及暴雨過程劃分

2020年6月9日—7月21日江淮地區(qū)經(jīng)歷了1961年以來的最強(qiáng)梅雨（張芳華等，2020），江蘇地區(qū)梅雨期共43 d，為有氣象記錄以來第二位，淮河以南地區(qū)平均梅雨量582.5 mm，為常年梅雨量的2.5倍，為有氣象記錄以來第二多值。連續(xù)性極端強(qiáng)降水造成江蘇省內(nèi)長江、太湖、淮河流域相繼發(fā)生洪水，32條河湖、59個(gè)站點(diǎn)超警戒水位，造成嚴(yán)峻的防汛抗洪形勢。梅雨期降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長，夜間雨勢增強(qiáng)特征明顯，江蘇地區(qū)共經(jīng)歷了11次暴雨過程，過程間的關(guān)鍵影響系統(tǒng)和暴雨落區(qū)存在一定差異，大部分暴雨過程都伴隨高空槽、低空急流和切變線，也有一部分過程伴隨低渦和地面氣旋，暴雨落區(qū)主要在江蘇南北緯度帶上擺動(dòng)。

首先將11次暴雨過程進(jìn)行分類，對于24 h累積降水，目前沒有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)可以劃分穩(wěn)定性降水和對流性降水，主要是由于兩者在暴雨生消演變的過程中既可存在水平和垂直空間上的疊加，也可能存在時(shí)間的更替，因此可根據(jù)兩者出現(xiàn)的比例，按照一定的客觀標(biāo)準(zhǔn)劃分為以穩(wěn)定性降水為主和以對流性降水為主的暴雨過程。根據(jù)蘇翔等（2022）的劃分方法，采用逐小時(shí)站點(diǎn)降水觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，將暴雨（≥50 mm·d-1）站點(diǎn)上的24 h累積降水拆分為逐小時(shí)降水，計(jì)算其中短時(shí)強(qiáng)降水（≥20 mm·h-1）小時(shí)數(shù)與降水（>0 mm·h-1）小時(shí)數(shù)的比值r;若r≥5％，則判斷為對流性降水（為主）;若r<5％，則判斷為穩(wěn)定性降水（為主）。按此標(biāo)準(zhǔn)，2020年江淮梅雨期暴雨過程可劃分為對流性強(qiáng)降水6次和穩(wěn)定性降水5次（表1）。本文通過兩類暴雨過程鋒生特征和差異對比，探討不同類型降水鋒生對暴雨強(qiáng)度、區(qū)域的影響，為暴雨預(yù)報(bào)提供訂正思路。

3 梅雨期鋒生特征分析

首先對梅雨期6月11日—7月24日江蘇地區(qū)鋒生演變特征與降水過程進(jìn)行對比分析。由于江蘇南北跨度較大，鋒生特征和降水性質(zhì)有差異，因此在南北向?qū)⒔K地區(qū)分為沿淮和淮北地區(qū)、江淮之間、沿江和蘇南3個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析，計(jì)算范圍是117°～121°E、31°～35°N，其中以32°N和33.5°N為南北三個(gè)區(qū)域的分界線。在圖中標(biāo)出了3個(gè)區(qū)域中雨（≥10 mm）以上的降水日（圖1），并將850 hPa和700 hPa兩層的鋒生值累加，以此反映中低層鋒生和降水的對應(yīng)關(guān)系。

由圖可見，2020年梅雨期有較強(qiáng)的鋒生特征，鋒生強(qiáng)度呈波動(dòng)變化，降水時(shí)段鋒生函數(shù)及各分解項(xiàng)有顯著的增強(qiáng)特征，無降水時(shí)段鋒生基本為0。從不同區(qū)域鋒生特征看，沿淮和淮北地區(qū)（圖1a）鋒生強(qiáng)度相比于中南部地區(qū)明顯偏強(qiáng)，最為明顯的鋒生過程有3次，分別為6月16日、6月28日和7月11日前后，鋒生值達(dá)到10×10-9 K·s-1·m-1左右，對應(yīng)的降水也是最強(qiáng)的。總鋒生Fh和各分解項(xiàng)量級(jí)基本相當(dāng)，其中形變項(xiàng)T4在降水時(shí)段增強(qiáng)幅度最大，散度項(xiàng)T3次之，傾斜項(xiàng)T2最弱，甚至為鋒消。從江淮之間和沿江蘇南地區(qū)來看（圖1b、c），形成強(qiáng)降水所需的鋒生強(qiáng)度相對沿淮淮北地區(qū)明顯偏弱，6月15日沿江蘇南和6月28日江淮之間大暴雨過程鋒生強(qiáng)度均在5×10-9 K·s-1·m-1，各鋒生分解項(xiàng)的貢獻(xiàn)與北部地區(qū)類似。因此，2020年梅雨期江蘇地區(qū)自北向南鋒生強(qiáng)度減弱，降水過程與鋒生增強(qiáng)有較好對應(yīng)關(guān)系，其中形變項(xiàng)對引發(fā)暴雨的低層鋒生貢獻(xiàn)最大，輻合輻散造成的散度鋒生貢獻(xiàn)次之，傾斜項(xiàng)相對最弱。

進(jìn)一步分析了不同區(qū)域垂直方向的鋒生情況（圖2），從沿淮和淮北地區(qū)（圖2a）來看，鋒生作用呈現(xiàn)不連續(xù)、階段性的特點(diǎn)，分別在6月17日、6月28日和7月11日前后有3次明顯鋒生過程，與圖1a中相一致，強(qiáng)烈鋒生作用與降水對應(yīng)較好。鋒生發(fā)展高度從1 000 hPa至500 hPa附近，總鋒生函數(shù)與散度項(xiàng)、形變項(xiàng)量級(jí)相當(dāng)，在時(shí)空分布上有較好的對應(yīng)關(guān)系，在強(qiáng)鋒生時(shí)段三者幾乎重合，造成強(qiáng)降水發(fā)生。江淮之間和沿江蘇南地區(qū)（圖2b、c）鋒生作用較為連續(xù)，強(qiáng)度呈波動(dòng)特征，降水時(shí)段鋒生發(fā)展高度相比沿淮淮北地區(qū)偏低，主要與中低層散度和形變鋒生有較好的對應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，沿江和蘇南地區(qū)總鋒生函數(shù)的作用相比于中北部地區(qū)明顯偏弱，這可能是由于偏南地區(qū)冷空氣較弱引起。

根據(jù)表1對11次暴雨過程的分類，整體分析了兩類不同性質(zhì)暴雨的鋒生情況。對流性暴雨主要發(fā)生在6月中下旬和7月中旬末—下旬初，從整體的強(qiáng)度看對流性強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)鋒生發(fā)展的層次較高，從1 000 hPa發(fā)展至500～600 hPa，鋒生中心強(qiáng)度達(dá)3×10-9 K·s-1·m-1，同時(shí)總鋒生函數(shù)、散度項(xiàng)和形變項(xiàng)的疊加作用更大，說明在強(qiáng)對流發(fā)生過程中各項(xiàng)的鋒生作用均較為顯著。穩(wěn)定性降水主要發(fā)生在7月上中旬，這一階段的鋒生強(qiáng)度偏弱，中心值基本在2×10-9 K·s-1·m-1，鋒生發(fā)展的高度相對偏低，主要維持在中層900～600 hPa，同時(shí)降水過程中各鋒生項(xiàng)的疊加作用相對較弱。另外，兩類降水鋒生區(qū)域范圍也存在一定差異，對流性降水明顯時(shí)段（6月27—29日、7月21—23日）江蘇自南向北均存在明顯鋒生，且形變鋒生自地面到中層均發(fā)展旺盛。穩(wěn)定降水時(shí)段（6月16—18日、7月2—3日、7月5—7日、7月11—12日、7月14—17日）鋒生區(qū)域范圍南北跨度明顯偏小，近地面形變鋒生僅出現(xiàn)在較固定區(qū)域內(nèi)，且發(fā)展高度相對較低。

4 不同類型暴雨過程鋒生特征對比分析

為了進(jìn)一步分析對流性強(qiáng)降水和穩(wěn)定性降水的鋒生特征和機(jī)制，分別選取了表1中降水強(qiáng)度大且鋒生作用顯著的兩次過程20062720—20062908、20071108—20071220（以下簡稱“6.28”和“7.11”）作為典型過程進(jìn)行對比分析?！?.28”對流降水過程中副高勢力強(qiáng)盛（圖3a），東北冷渦和高空槽攜冷空氣南下，中低層有西南渦東移影響，且低渦南側(cè)有20 m／s以上西南急流相配合?！?.11”穩(wěn)定性降水過程發(fā)生在副高減弱東退，中緯度西風(fēng)槽東移的形勢下（圖3b），中低層有東西向切變維持在江蘇中北部地區(qū)，切變線南側(cè)為西南急流，整個(gè)系統(tǒng)影響過程中，無明顯冷空氣影響。兩次過程均歷時(shí)36 h，累積雨量和雨強(qiáng)有顯著差異，“6.28”暴雨過程（圖4a）全省大部累積降水達(dá)到50 mm以上，江淮之間100～250 mm，局部超過250 mm以上，整體雨強(qiáng)大范圍廣，最大雨強(qiáng)42 mm·h-1，超過1／3降水站點(diǎn)雨強(qiáng)在20 mm·h-1以上，達(dá)到文中定義的對流性降水標(biāo)準(zhǔn)。

“7.11”過程（圖4b）沿淮和淮北地區(qū)降水持續(xù)時(shí)間較長，累積雨量在50 mm以上，部分地區(qū)100～250 mm，淮河以南大部分地區(qū)雨量較小，全省雨強(qiáng)基本在10 mm·h-1以下，淮北局部站點(diǎn)超過20 mm·h-1，為穩(wěn)定性降水過程。下文將從鋒生作用的角度來分析造成兩次過程降水顯著差異的成因，以此來初步總結(jié)對流性降水和穩(wěn)定性降水在鋒生特征方面的不同。

4.1 水平鋒生特征對比分析

假相當(dāng)位溫θse的分布反映了大氣溫濕特性和濕斜壓能量的分布，在“6.28”過程中，降水初期蘇北地區(qū)有一條自東向西的θse冷帶，最低值在324 K，而淮河以南地區(qū)為大范圍的高溫高濕區(qū)，θse中心值達(dá)到348 K以上。兩個(gè)溫濕特性顯著差異的氣團(tuán)在江淮流域?qū)χ?，從而形成了該地區(qū)θse的密集帶即梅雨鋒，對應(yīng)的鋒生函數(shù)計(jì)算結(jié)果表明安徽北部至江蘇中南部地區(qū)有顯著的鋒生帶形成，同時(shí)風(fēng)場上有一條東西向切變系統(tǒng)與鋒區(qū)相對應(yīng)，則形成了以θse密集帶和東西向切變線為主要特征的江淮梅雨鋒。南側(cè)θse大值區(qū)所代表的低空西南暖濕急流，將水汽源源不斷的輸送到鋒生帶，為梅雨期降水提供水汽和能量。29日02時(shí)（圖5a），西南急流進(jìn)一步加強(qiáng)北抬，θse高能區(qū)明顯北抬范圍擴(kuò)大，同時(shí)由于冷渦高空槽攜冷空氣南下（圖3a），θse冷舌范圍明顯擴(kuò)大。冷暖氣團(tuán)強(qiáng)烈對峙，形成大范圍鋒生作用且強(qiáng)度極強(qiáng)，鋒生帶主要發(fā)生在低渦切變系統(tǒng)的東段、西南急流的頂端，鋒生中心位于江蘇東北部地區(qū)達(dá)到26×10-9 K以上，同時(shí)在主鋒面南側(cè)的θse大值區(qū)受急流和低層擾動(dòng)的影響形成多個(gè)次鋒生中心。

從強(qiáng)降水落區(qū)看，主要分為兩部分，一部分降水集中在切變線主鋒區(qū)附近，其余主要發(fā)生在梅雨鋒南側(cè)的暖區(qū)當(dāng)中，且降水范圍大、強(qiáng)度更強(qiáng)，暖區(qū)中有利的溫度和水汽條件與滲透的冷空氣相結(jié)合，形成了極不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，并產(chǎn)生了局地鋒生，在切變線、急流等輻合抬升系統(tǒng)的觸發(fā)下，形成大范圍強(qiáng)降水，體現(xiàn)了強(qiáng)對流降水的特點(diǎn)，而鋒面附近由于干冷空氣的壓制，反而強(qiáng)降水站點(diǎn)偏少。

從穩(wěn)定性降水過程“7.11”來看，華東地區(qū)前期為大范圍西南暖濕氣流，對應(yīng)θse高能區(qū)，θse冷舌位于蘇北地區(qū)，在蘇中地區(qū)形成θse密集帶，風(fēng)場上西南急流在蘇中地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)為東南風(fēng)并形成東西向暖式切變線，切變線與θse密集區(qū)相對應(yīng)產(chǎn)生較強(qiáng)鋒生，鋒區(qū)附近有分散性降水發(fā)生。12日02時(shí)（圖5b），西南急流逐漸加強(qiáng)北抬，θse高能區(qū)和切變線也北抬至蘇北地區(qū)，鋒生作用主要發(fā)生在切變線上和θse密集帶內(nèi)，三者均為東西走向呈現(xiàn)較好的一致性，且鋒生強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，最大中心超過了16×10-9 K，降水區(qū)域相對于“6.28”對流性降水更為集中，1 h降水量大于10 mm的站點(diǎn)與θse密集帶和鋒區(qū)位置有較好的對應(yīng)關(guān)系。

對比兩次過程，鋒生特征有明顯異同點(diǎn)，鋒生作用均出現(xiàn)在切變線上和θse密集區(qū)內(nèi)，鋒面、切變線和θse密集帶三者有較好對應(yīng)關(guān)系。對流性降水鋒生作用強(qiáng)度顯著大于穩(wěn)定性降水，且鋒面寬度更寬，主要的鋒區(qū)位于348～332 K，冷暖空氣作用明顯，鋒區(qū)內(nèi)等θse線更為密集梯度更大；穩(wěn)定性降水的鋒區(qū)主要位于352～340 K，以暖濕氣流為主，等θse線相對稀疏。降水落區(qū)有顯著差異，對流性降水一部分集中在主鋒區(qū)附近，其余分散在主鋒面南側(cè)的θse高能高濕區(qū)內(nèi)，與多個(gè)分散弱鋒生中心相對應(yīng)；穩(wěn)定降水則更為集中幾乎均發(fā)生在主鋒區(qū)附近。降水性質(zhì)和觸發(fā)機(jī)制的不同導(dǎo)致降水分布不同。

進(jìn)一步分析了鋒生函數(shù)各分解項(xiàng)與強(qiáng)降水之間關(guān)系（圖6），從圖中可以看出兩次過程鋒生函數(shù)各分解項(xiàng)量級(jí)相當(dāng)，且范圍明顯重疊，說明降水過程中各分解項(xiàng)疊加作用明顯。其中散度項(xiàng)和形變項(xiàng)形態(tài)接近，傾斜項(xiàng)范圍偏南，強(qiáng)降水與鋒生作用疊加的區(qū)域有較好對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)不同層次水平分解項(xiàng)的分析，發(fā)現(xiàn)兩次降水過程均與中低層850 hPa以下的鋒生作用對應(yīng)較好，700 hPa鋒生作用次之，中高層相對較弱。對比兩次過程的不同點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，“6.28”降水（圖6a）主要發(fā)生在34.5°N鋒面附近及南側(cè)散度項(xiàng)和形變項(xiàng)疊加的區(qū)域，主鋒區(qū)附近強(qiáng)降水相對偏少，對流降水主要集中在切變線鋒區(qū)南側(cè)的對流不穩(wěn)定區(qū)，反映了強(qiáng)對流天氣的特征。此外，有少部分降水站點(diǎn)僅發(fā)生在黑色線條對應(yīng)的傾斜鋒生區(qū)內(nèi)，可見沿溫度梯度方向垂直速度的不同而引起的傾斜鋒生，也可觸發(fā)強(qiáng)對流天氣?！?.11”降水（圖6b）過程中，無冷空氣影響，對流性弱，強(qiáng)降水基本集中在主鋒區(qū)內(nèi)，散度和形變鋒生作用疊加的區(qū)域。因此，利用鋒生進(jìn)行降水分析時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注各鋒生項(xiàng)疊加的區(qū)域，同時(shí)強(qiáng)對流天氣過程中垂直運(yùn)動(dòng)對應(yīng)的傾斜鋒生也需關(guān)注。

4.2 垂直鋒區(qū)結(jié)構(gòu)對比分析

進(jìn)一步分析鋒區(qū)垂直結(jié)構(gòu)與強(qiáng)降水的關(guān)系?！?.28”過程中（圖7a）垂直鋒區(qū)主要位于32°～36°N，從低到高鋒區(qū)向北傾斜。結(jié)合假相當(dāng)位溫可見，鋒區(qū)南側(cè)850 hPa以下為暖濕空氣，500～850 hPa相對干冷，形成低層暖濕高層干冷的不穩(wěn)定層結(jié)，鋒區(qū)北側(cè)為假相當(dāng)位溫低值區(qū)，說明有干冷空氣侵入形成鋒生，在一定的擾動(dòng)觸發(fā)下，導(dǎo)致對流降水發(fā)生。在500 hPa以下主鋒區(qū)，有4個(gè)顯著的鋒生中心，其中最強(qiáng)中心位于800 hPa、33°N附近，與最強(qiáng)降水區(qū)相對應(yīng)，在低層32°N也有一個(gè)鋒生中心，產(chǎn)生了局地暖區(qū)降水，34°N附近的降水則與700 hPa和500 hPa鋒生中心相對應(yīng)。從垂直風(fēng)場可見，500 hPa以下鋒區(qū)南側(cè)為一致的偏南氣流，垂直運(yùn)動(dòng)較小，鋒區(qū)上則以強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)為主，至300 hPa附近形成南北兩支輻散氣流，在鋒區(qū)兩側(cè)下沉，北支攜帶冷空氣向梅雨鋒輸送，南支則與梅雨鋒上升氣流構(gòu)成經(jīng)向垂直反環(huán)流，加強(qiáng)鋒區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)，低層輻合高層輻散的環(huán)流場，使得鋒區(qū)維持。

從“7.11”過程（圖7b）的分析可見，34°N低層鋒區(qū)為垂直分布，中高層逐漸向北傾斜，鋒區(qū)南側(cè)有顯著暖濕氣流輸送，最強(qiáng)鋒生中心位于700 hPa附近且與低層鋒生中心相對應(yīng)，鋒生層次較厚，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)強(qiáng)降水發(fā)生。鋒區(qū)北側(cè)假相當(dāng)位溫所代表的冷空氣相對較弱，風(fēng)場上垂直上升運(yùn)動(dòng)的高度僅達(dá)到500 hPa左右，且高空沒有對應(yīng)的輻散場，因此對流性較弱，降水發(fā)生在偏冷的θse中。此次穩(wěn)定性降水是在1 000～700 hPa顯著垂直鋒區(qū)中形成，中低層鋒生作用相疊加，產(chǎn)生了較強(qiáng)降水。

在垂直鋒區(qū)中各分解項(xiàng)的分析中，將散度項(xiàng)和形變項(xiàng)、傾斜項(xiàng)分為兩部分進(jìn)行分析。從圖7中可以看出，各鋒生項(xiàng)量級(jí)相近，散度項(xiàng)和形變項(xiàng)均呈現(xiàn)向北傾斜的特征，且鋒生范圍相對集中，傾斜項(xiàng)形態(tài)不規(guī)則范圍較大?！?.28”過程（圖8a）中整層大氣散度鋒生和形變鋒生有較好對應(yīng)關(guān)系，在中低層800 hPa以下33.5°N附近，散度鋒生和形變鋒生最為顯著，兩者共同作用產(chǎn)生大范圍強(qiáng)降水。此外，500 hPa和700 hPa上34.5°N也分別有兩個(gè)鋒生中心相對應(yīng)，但由于鋒生的層次較高，水汽條件和上升運(yùn)動(dòng)相對減弱，因此降水較為分散。從對應(yīng)的傾斜項(xiàng)（圖8b）看，降水區(qū)整層大氣幾乎都是傾斜鋒消，因此在此次對流性強(qiáng)降水過程中主要是中低層700 hPa以下的散度鋒生和形變鋒生而產(chǎn)生的，傾斜項(xiàng)為鋒消。

從“7.11”過程來看，散度項(xiàng)和形變項(xiàng)（圖8c）也對應(yīng)較好，均有向北傾斜特征，34°N降水區(qū)所對應(yīng)的低層800 hPa以下鋒生相對偏弱。700 hPa上有一個(gè)較強(qiáng)散度鋒生中心和形變鋒生中心相對應(yīng)，但由于是下沉氣流，因此沒有產(chǎn)生降水。從對應(yīng)的傾斜項(xiàng)（圖8d）來看，34°N降水區(qū)在700 hPa以下均為顯著的傾斜鋒生，從而彌補(bǔ)了散度鋒生和形變鋒生在中低層的不足，通過累加作用使得總鋒生作用加強(qiáng)產(chǎn)生強(qiáng)降水，這與圖5b中700 hPa以下總鋒生強(qiáng)度較強(qiáng)的計(jì)算結(jié)果是一致的。因此在此次穩(wěn)定性降水的過程中主要是800 hPa以下散度鋒生和形變鋒生，以及700 hPa以下的傾斜鋒生共同作用而形成。

綜上分析，可以看出降水過程中鋒生各項(xiàng)的特征和作用是有所不同的，對流降水和穩(wěn)定降水，在降水發(fā)生發(fā)展過程中散度項(xiàng)和形變項(xiàng)有較好的一致性，與降水加強(qiáng)和減弱的變化趨勢相對應(yīng)，這與兩項(xiàng)的定義直接相關(guān)。而傾斜鋒生的變化則有所不同，在對流降水“6.28”過程中為鋒消，在穩(wěn)定降水“7.11”過程中主要為鋒生作用，根據(jù)傾斜項(xiàng)的定義，在穩(wěn)定層結(jié)中，暖氣團(tuán)中有下沉運(yùn)動(dòng)而冷氣團(tuán)中有上升運(yùn)動(dòng)，則產(chǎn)生鋒生，反之為鋒消，若大氣層結(jié)不穩(wěn)定，與上述結(jié)論相反。因此，傾斜項(xiàng)對于不同的降水類型作用有所不同，在對流性較強(qiáng)的時(shí)段可產(chǎn)生鋒消作用，在層云穩(wěn)定降水階段可能產(chǎn)生鋒生作用。

為了更清晰地對比兩類不同性質(zhì)降水的鋒生結(jié)構(gòu)差異，進(jìn)一步將兩類降水分別進(jìn)行合成分析，對流性降水選取了4次過程，分別為：20061208—20061408、20062220—20062320、20062720—20062908、20071720—20071920;穩(wěn)定性降水選取了3次過程，分別為：20061608—20061808、20070220—20070308、20071108—20071220。通過合成后的鋒生強(qiáng)度較典型個(gè)例有所減小，但仍可看出兩類降水的顯著差異，其中對流性降水（圖9a）在中低層800 hPa以下鋒生更加顯著，穩(wěn)定性降水（圖9b）鋒生大值區(qū)主要在中層800 hPa附近，低層鋒生明顯偏弱。可見，在對流降水過程中由低層鋒區(qū)造成的抬升觸發(fā)作用對強(qiáng)降水形成更加有利，垂直風(fēng)場的合成也表明在對流降水過程中上升運(yùn)動(dòng)更加強(qiáng)烈。

從鋒生分解項(xiàng)的合成可以看出，對流性降水（圖10a）散度項(xiàng)和形變項(xiàng)具有較好的一致性，低層散度和形變鋒生強(qiáng)度較強(qiáng)，中高層逐漸減弱，穩(wěn)定性降水（圖10c）低層鋒生偏弱，中層偏強(qiáng)，與圖9中的結(jié)果一致。傾斜項(xiàng)的合成表明，對流降水和穩(wěn)定降水沒有明顯的差異，在散度和形變鋒生對應(yīng)的區(qū)域基本以鋒消為主。因此，兩類降水的鋒生分解項(xiàng)的合成表明，強(qiáng)降水的形成主要由中低層散度和形變鋒生產(chǎn)生，尤其在對流降水過程中，低層鋒生明顯強(qiáng)于穩(wěn)定性降水。

4.3 鋒生函數(shù)及各分解項(xiàng)在暴雨過程中的貢獻(xiàn)

根據(jù)兩次過程所對應(yīng)的強(qiáng)降水區(qū)即江淮之間和沿淮淮北地區(qū)，計(jì)算總鋒生函數(shù)和各分解項(xiàng)的區(qū)域平均（圖11），從圖中可見“6.28”過程（圖11a）中低層大氣鋒生作用明顯，散度項(xiàng)和形變項(xiàng)以鋒生為主，傾斜項(xiàng)以鋒消為主。鋒生、鋒消均呈雙峰型，1 000～700 hPa散度和形變鋒生先增大后減小，傾斜鋒生和總鋒生先減小后增大，呈反位相分布，最大鋒生鋒消中心均位于850 hPa，達(dá)到2.5×10-9 K·s-1·m-1。700 hPa以上散度和形變鋒生強(qiáng)度減弱，鋒消強(qiáng)度增強(qiáng)，最強(qiáng)鋒消達(dá)到-3.5×10-9 K·s-1·m-1。因此，此次過程中低層700 hPa以下的散度和形變鋒生共同作用使得強(qiáng)降水發(fā)生。

從“7.11”過程（圖11b）可見，鋒生、鋒消作用主要出現(xiàn)在500 hPa以下，呈單鋒結(jié)構(gòu)。1 000～700 hPa散度和形變鋒生迅速增強(qiáng)，總鋒生、散度和項(xiàng)形變鋒生在垂直方向均維持了較強(qiáng)的鋒生厚度，最大值位于700 hPa形變鋒生達(dá)到3.2×10-9 K·s-1·m-1，傾斜項(xiàng)基本為鋒消作用;700 hPa以上散度和形變鋒生逐漸減弱，鋒消作用逐漸加強(qiáng)，500 hPa以上鋒生作用趨近于0?？梢?，此次穩(wěn)定性降水過程中1 000～700 hPa散度和形變鋒生為主要貢獻(xiàn)，中高層大氣基本為鋒消作用。

5 結(jié)論和討論

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)鋒生函數(shù)及其分解項(xiàng)的原理，分析了2020年江淮梅雨期鋒生作用的時(shí)空分布特征和兩類不同性質(zhì)暴雨鋒生的差異，闡述了鋒生各項(xiàng)與降水的對應(yīng)關(guān)系。并以兩個(gè)典型個(gè)例為代表，對比了鋒生特征的異同點(diǎn)。主要結(jié)論如下：

1）2020年梅雨期有顯著的鋒生特征，鋒生過程較往年更加頻繁，43 d的梅雨期中有3次強(qiáng)鋒生過程，分別在6月16日、6月28日和7月11日前后，鋒生強(qiáng)度均達(dá)到10×10-9 K·s-1·m-1左右，較以往的強(qiáng)降水鋒生更加偏強(qiáng)（徐亞欽等，2019），因此這三次過程也造成了日降水量250 mm以上的極端降水，導(dǎo)致梅雨降水總量異常偏多。強(qiáng)降水與中低層鋒生有較好對應(yīng)關(guān)系，形變項(xiàng)對引發(fā)暴雨的低層鋒生有重要貢獻(xiàn)，輻合輻散造成的散度鋒生貢獻(xiàn)次之，傾斜項(xiàng)最弱。強(qiáng)降水時(shí)段總鋒生、散度和形變項(xiàng)幾乎重疊，低層無鋒生而中高層有明顯鋒生時(shí)段無降水產(chǎn)生。江蘇不同區(qū)域鋒生強(qiáng)度有顯著差異，自北向南鋒生強(qiáng)度減弱，沿淮和淮北地區(qū)鋒生發(fā)展高度最高達(dá)500 hPa;江淮之間鋒生高度在700 hPa，中低層散度鋒生和形變鋒生發(fā)展明顯，說明中低層輻合和冷空氣鋒生在降水中均有明顯作用;沿江和蘇南地區(qū)由于冷空氣較弱使得鋒生發(fā)展強(qiáng)度偏弱。

2）不同性質(zhì)降水鋒生特征差異顯著，對流性強(qiáng)降水鋒生范圍較大，發(fā)展層次較高、鋒生中心偏強(qiáng)，散度項(xiàng)和形變項(xiàng)疊加作用較大，共同作用使得強(qiáng)降水發(fā)生。穩(wěn)定性降水鋒生區(qū)南北跨度小、強(qiáng)度偏弱，鋒生發(fā)展的高度偏低。典型過程對流降水“6.28”和穩(wěn)定性降水“7.11”對比表明，鋒區(qū)與影響系統(tǒng)對應(yīng)位置相近，主要鋒區(qū)均位于低渦切變線附近，鋒區(qū)、切變線和θse密集帶三者對應(yīng)較好?！?.28”過程相對于“7.11”過程鋒生強(qiáng)度更大，鋒面寬度更寬，鋒區(qū)內(nèi)等θse線梯度更大。降水分布有顯著差異，對流性強(qiáng)降水一部分集中在主鋒區(qū)附近，一部分位于鋒面南側(cè)暖區(qū)當(dāng)中，由于在對流降水過程中，冷空氣顯著的南壓，滲透南下的冷空氣與暖區(qū)中的水汽相結(jié)合，形成了極不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，在切變線和急流等輻合抬升系統(tǒng)的觸發(fā)下，形成大范圍強(qiáng)降水，而鋒面附近由于干冷空氣的壓制，反而強(qiáng)降水偏少。穩(wěn)定性降水過程中，冷暖空氣勢力相當(dāng)，降水主要集中在主鋒區(qū)附近。觸發(fā)機(jī)制和降水性質(zhì)的不同，使得降水分布有顯著差異。

3）對垂直鋒區(qū)和環(huán)流結(jié)構(gòu)的分析表明，兩次過程垂直鋒區(qū)由低層到高層均有向北傾斜的特征，鋒區(qū)南側(cè)為低層暖濕高層干冷的不穩(wěn)定層結(jié)，北側(cè)有干冷空氣侵入，鋒生作用不斷觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，導(dǎo)致強(qiáng)降水發(fā)生?！?.28”過程中鋒區(qū)南側(cè)為西南暖濕氣流輸送，鋒區(qū)內(nèi)為強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)，低層輻合高層輻散的環(huán)流場使得鋒區(qū)維持。“7.11”過程垂直上升運(yùn)動(dòng)高度偏低，高空沒有顯著輻散場，對流性較弱。降水過程中散度和形變鋒生疊加作用顯著，降水的強(qiáng)弱變化趨勢與鋒生強(qiáng)度相對應(yīng)。傾斜項(xiàng)作用有所不同，對流降水“6.28”過程中為鋒消，在穩(wěn)定降水“7.11”過程中主要為弱鋒生作用。對兩類降水垂直鋒區(qū)的合成分析也顯示出與典型個(gè)例一致的特征，對流降水過程中由低層鋒區(qū)造成的抬升觸發(fā)作用對強(qiáng)降水形成更加有利，垂直風(fēng)場的合成中上升運(yùn)動(dòng)也更加強(qiáng)烈。強(qiáng)降水的形成主要由中低層散度和形變鋒生產(chǎn)生，尤其在對流降水過程中，低層鋒生明顯強(qiáng)于穩(wěn)定性降水。

4）鋒生函數(shù)各分解項(xiàng)定量分析顯示，“6.28”過程呈雙峰型結(jié)構(gòu)特征，1 000～700 hPa散度和形變鋒生先增大后減小，傾斜鋒生先減小后增大，850 hPa鋒生達(dá)到最強(qiáng)，700 hPa以上鋒生強(qiáng)度減弱，鋒消作用加強(qiáng)，因此700 hPa以下散度和形變鋒生在降水過程中占主要貢獻(xiàn)?！?.11”過程呈單鋒結(jié)構(gòu)，1 000～700 hPa散度和形變鋒生迅速增長，總鋒生、散度和項(xiàng)形變鋒生在垂直方向均維持了較強(qiáng)的鋒生厚度，疊加作用使得強(qiáng)降水發(fā)生，中高層大氣基本為鋒消作用。

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·ARTICLE·

Analysis of the frontogenesis characteristics of different types of rainstorms in the Jianghuai Meiyu period

JIN Xiaoxia1，LIU Mei1，2，LI Yang1，WANG Lei1，LI Chiqin1，CHEN Wei1

1Jiangsu Meteorological Observatory，Nanjing 210008，China;

2Key Laboratory of Transportation Meteorology，China Meteorological Administration，Nanjing 210009，China

Abstract This study analyzes the frontogenesis characteristics of rainstorms during the Meiyu period in 2020 using ERA5 reanalysis data and the precipitation data from automatic stations in Jiangsu Province.The main results are as follows：1） The characteristics of frontogenesis during the Meiyu period in 2020 are significant.Heavy rain is associated with middle-low frontogenesis，with deformation frontogenesis being the main contributor.2） Heavy rainfall during the Meiyu period can be categorized into two types.Severe convective rainstorms exhibit a larger frontogenesis range，higher development，greater intensity，and more overlap between total frontogenesis and decomposition terms.However，stable rainfall shows opposite characteristics.3） Two typical cases，namely the strong convective rainfall event on “6.28” and the stable rainfall event on “7.11” are selected.Frontogenesis occurs along shear lines and in regions of significant pseudo-equivalent potential temperature gradient.Strong convective rainfall is observed near the main frontal zone and in high-energy zones of pseudo-equivalent potential temperature，indicating the presence of multiple secondary frontogenesis centers.Stable heavy precipitation，on the other hand，is concentrated near the main frontal zone.These different rainfall distributions arise from variations in triggering mechanism and precipitation properties.4） The vertical front zone in both processes tilts northward from low to high.In the “6.28” process，a notable transport of warm and moist airflow is observed on the south side of the frontal zone，with strong upward motion within the frontal zone.In contrast，the “7.11” process exhibits less pronounced features and weaker convection.The magnitude and impact of frontogenesis differ across various precipitation processes and stages.Rainstorms are primarily generated by divergence and deformation frontogenesis，while the tilting term frontolysis in convective precipitation and frontogenesis in stable precipitation.Quantitative analysis of each decomposition term reveals that low-level divergence and deformation frontogenesis initially increase and then decrease in both processes.Deformation and divergence frontogenesis below 700 hPa are the main contributors，while the middle-high atmosphere experiences frontolysis.

Keywords Jianghuai Meiyu;frontogenesis function;rainstorm;severe convection;vertical frontal zone

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20220727001

（責(zé)任編輯：袁東敏）