2021年4月陕西一次极端暴雨过程的成因诊断

赵强，彭力，李文耀，李静睿，欧阳雨

(1.陕西省气象台，西安 710014；2.秦岭和黄土高原生态环境重点实验室灾害性天气研究与应用中心，西安 710016；3.陕西省铜川市气象局，铜川 727031；4.陕西省安康市气象局，安康 725000)

引 言

陕西是西北地区暴雨最多发地区，暴雨往往引发严重的洪涝灾害、局部滑坡和泥石流等地质灾害(张弘等，2011；马晓华等，2019)。以往针对陕西暴雨研究表明，中低层急流是暴雨水汽输送的最大贡献者和低层辐合的主要动力来源(赵强等，2017b)；在对流稳定大气条件下，暖湿空气沿着冷锋后部的冷垫爬升，锋面附近形成垂直次级环流，增强上升运动，产生大范围的强降水(慕建利等，2014；赵强等，2017b；刘慧敏等，2021)；不稳定大气条件下，冷锋强迫抬升作用使得低层气块上升到自由对流高度，释放不稳定能量，产生对流性强降水(王楠等，2018；赵强等，2020，2021，2022)；此外，秦岭山脉迎风坡的强迫抬升作用和地形云物理“播撒-供给”效应有助于陕西中南部暴雨的发生和加强(毕宝贵等，2006；赵强等，2017a)。

陕西暴雨大多发生在相对多雨时段里，具有阶段性和集中期的特点，4—5月出现区域性的暴雨一般范围较小，频次较低，平均8 a左右出现一次区域性暴雨，4月份的区域性暴雨更为少见，主要位于陕西南部地区(杜继稳等，2010)。相较于我国中东部地区春季暴雨过程主要环流形势是副热带高压(以下简称副高)和西风槽的共同作用(童金等，2016；张熙等，2016)，陕西春季暴雨的主要环流形势是南北双槽型，即高原槽与北支西风槽的合并加深以及冷暖空气的交汇造成的(屈丽玮等，2016)，低层东路冷空气也是暴雨的重要影响系统(郭莉等，2016)。对陕西春季与夏季暴雨过程的对比分析发现，水汽含量、能量条件以及上升运动春季暴雨较夏季明显偏弱，但降水系统维持较长的时间是造成区域性暴雨天气的主要原因(郭大梅等，2014)。此外，陕西前汛期的暴雨除了关注西风槽系统的辐合外，还应关注低纬系统水汽输送的影响，低纬热带低压外围的偏南水汽输送为暴雨的重要水汽来源(侯建忠等，2009)。

2021年4月23—24日陕西东南部出现了区域性暴雨、局地大暴雨过程，综合暴雨范围及强度该过程被评定为陕西4月有气象记录以来最强的降雨过程，多站降雨量超过4月份日降雨量极值。强降雨造成安康、商洛、秦岭山区多地出现塌方及道路损毁情况，安康岚皋双河镇、石门镇出现泥石流。由于强降雨范围广，共有9条河流10站出现洪峰11次，其中金钱河出现超警戒洪峰，旬河安康段、汉江白河段出现洪水。因陕西春季强降雨出现频次较低，以往针对陕西春季强降雨的研究较少，因此有必要对陕西4月这次最强暴雨过程的成因及极端性进行分析，以期为陕西春季暴雨的预报预警提供有益的线索和依据。

1 资料与方法

1.1 资料说明

所用资料包括:2021年4月23—24日欧洲中心ERA5再分析资料(空间分辨率0.25°×0.25°，时间分辨率3 h)；陕西及周边区域逐小时自动站气象资料，气象要素包括气压、温度、露点、风向、风速和小时降雨量；2021年4月23日08时、20时安康探空站资料；气候资料使用欧中心ERA5再分析资料(空间分辨率0.25°×0.25°)，包括1991—2020共30 a的4月23日多年日平均值和标准差。

1.2 研究方法

采用天气诊断分析方法对暴雨过程中的水汽条件、热力条件及动力条件进行分析，利用锋生函数对暴雨过程中的锋生情况进行诊断，并对锋生各项的贡献进行分析。此次降水过程中空气接近饱和，垂直运动可以近似看成湿绝热，以假相当位温(θse)计算F(锋生函数)，降雨过程不考虑非绝热变化，锋生函数F可分解为三项(朱乾根，2007)，分别为：F1(垂直运动倾斜项)，F2(水平辐散项)，F3(水平变形项，分为切变变形项和伸缩变形项)。F>0表示锋生，F<0表示锋消。

式(1)中D为辐合辐散，计算公式为

式(5)中Esh、Est为切变变形项，计算公式分别为

2 过程概况及环流形势

2.1 过程概况

2021年4月23日08时—24日08时(北京时，下同)陕西东南部出现了区域性暴雨、局地大暴雨天气，从陕西加密自动气象站24 h累积降雨量分布图(图1a)可见，暴雨区主要位于陕西东南部的商洛、安康、汉中，雨带呈东北-西南向分布，陕西全省共375站出现暴雨，4站出现大暴雨，最大累积降雨量在山阳十里铺街道，达116.9 mm。汉中南部镇巴星子山林场站逐小时降雨量变化图(图1b)来看，降雨持续时间长，一天内持续有降雨产生，较强雨强出现在23日上午及24日凌晨，最大小时降雨量为12.7 mm，由于降雨持续时间长，累计降雨量达106.6 mm，此次过程雨强较夏季暴雨过程的雨强偏小，但降雨持续时间长，造成大范围的暴雨天气。依据中国气象局关于区域性暴雨过程监测和评价方法，以一次暴雨天气过程中的平均强度、平均范围和持续时间确定其综合强度指数(式(9))，该暴雨过程的综合强度为陕西省4月历史上最强的一次，共有18个国家观测站24 h累积降雨量突破了1961年有观测记录以来4月份日降雨量历史极值。

图1 2021年4月23日08时—24日08时陕西24小时累积降雨量(a,圆圈表示站点降雨量大于100 mm,三角形代表降雨量超过1961年以来4月日降雨量极值)以及镇巴星子山林场逐小时降雨演变(b)(单位:mm)Fig.1(a)24 h accumulated precipitation(The circle indicates that the station precipitation is greater than 100 mm,and the triangle indicates that the precipitation exceeds the extreme value of the April daily precipitation since 1961)and(b)hourly precipitation evolution of Zhenba Xingzishan Forest Farm from 08∶00 BT 23 to 08∶00 BT 24 April 2021(unit:mm).

式(9)—(11)中，Z为区域性暴雨过程综合强度指数，Ia为区域性暴雨过程的平均强度，Sm,t表示第m站第t天降雨量，T为区域性暴雨过程持续时间，Aa为区域性暴雨过程的平均范围，Mt表示第t天区域内出现暴雨站数。

2.2 暴雨过程环流形势

23日08—20时，500 hBa上新疆北部、东北地区冷涡加深，河套附近高压脊持续加强，副高加强并西伸，副高与高原低槽之间的气压梯度加大，使得高原槽东移加深，槽前风速增大(图略)。23日20时(图2a)，陕西南部上空的西南风增大到14~16 m·s-1，槽前西南气流带来正涡度平流促使低层系统发展增强，槽前西南气流与河套高压脊后部东南气流在甘肃东部-陕西中北部一带形成东西向切变线。23日08时(图略)，低涡前部的切变线位于陕西中部，陕西南部上空为南风风速辐合区。23日20时(图2b)，高原槽东移加深，700 hBa低涡前部切变线南压至陕西南部，切变线附近的辐合强度达到(-100~-80)×10-6·s-1。23日夜间(图略)，切变线稳定维持，切变线附近强的辐合抬升配合急流附近风速辐合，陕西南部形成强的动力抬升区。23日20时850 hBa(图2c)，西南低涡位于盆地东北部，其前部偏南急流风增加到12~14 m·s-1，河南至陕西南部的偏东风增加至16~18 m·s-1，位于东南风急流前侧的商洛、安康、汉中为风速辐合区，陕西南部上空的辐合强度达到(-80~-60)×10-6·S-1，同时华北到陕西东部有东北气流带来冷空气输送，陕西南部低层温度不断降低，温度露点差达到0℃，空气接近饱和。23日白天到夜间，中层西南暖湿气流沿着850 hBa以下的冷空气爬升，冷暖空气在陕西南部强烈交汇，配合中高层较强的辐合抬升，陕西南部出现强降水天气。24日08时(图略)，500 hBa高压脊移至河北北部，陕西南部受高原槽影响，西南风减小至6 m·s-1，700 hBa偏南风急流消失，低层辐合减弱，降雨强度减小。22日20时—23日20时(图2d)地面天气图上，伴随高原槽加深东移，四川盆地至河套低压倒槽不断北伸发展，23日夜间，东北地区到渤海的冷空气以偏东路径经华北侵入陕西东部，与四川盆地低压前的暖湿空气在陕西南部交汇，23日20时，冷暖空气在陕西南部对峙，形成了明显的鞍形场形势，这种形势有利于低层大气的锋生，对陕西南部强降雨起到加强和维持作用。

图2 2021年4月23日20时500 hPa(a,黑色等值线为等高线,单位:dagpm;红色虚线为等温线,单位:℃)、700 hPa(b)、850 hPa(c)高空形势场(红色等值线为大于12 m·s-1的等风速线;填色为散度,单位:10-6 s-1)以及地面形势场(d,黑色等值线为等压线,单位:hPa;红色虚线为等温线,单位:℃;黑色粗斜线为后文中剖面位置)Fig.2 Upper air circulation at(a)500 hPa(Black contour is contour line,unit:dagpm,red dashed line is the isotherm,unit:℃),(b)700 hPa(The red contour is the is wind line greater than 12 m·s-1,and the color is the divergence,unit:10-6 s-1)and(c)850 hPa(same as 700 hPa),and(d)surface circulation situation in 20∶00 BT 23 April 2021(The black contour is the isobar,unit:hPa,the red dashed line is the isotherm,unit:℃,and the thick black diagonal line is the position of the section in the following text).

由2021年4月23日08时安康探空图(图3a)可以看出，安康上空大气湿层深厚，500 hBa以下大气达到饱和状态，750—500 hBa为西南风气流，低层偏东风带来冷空气，750 hBa附近存在锋面逆温，850—700 hBa的假相当位温(θse)随高度增加，700—500 hBa的θse随高度减小，表明低层为稳定层结，中层存在位势不稳定；23日08—20时，陕西南部低层偏东风气流、中层偏南风气流持续加大，低层温度不断降低(图略)。地面天气图上，冷暖空气在陕西南部交汇对峙(图2d)。23日20时安康探空图上(图3b)，850—700 hBa锋面逆温相比较23日08时更加明显，低层稳定层结持续维持，在稳定大气层结条件下，中层南风气流在低层冷空气上爬升，配合低涡切变线造成的辐合抬升，陕南出现强降雨天气。

图3 2021年4月23日08时(a)和23日20时(b)安康探空站T-ln p图Fig.3 The T-ln p diagram at Ankang station at(a)08∶00 BT and(b)20∶00 BT on the 23rd April 2021.

3 水汽条件和热力条件分析

3.1 水汽条件分析

降雨过程中500 hBa高原槽东移加深，低层西南低涡发展加强，低涡前部偏南风急流持续增大，23日白天到夜间陕西中南部上空维持着强的水汽输送和水汽辐合(图略)。地面到500 hBa的整层水汽通量图上(图略)，23日白天到夜间，陕西南部维持着两支水汽输送带，一支来源于北部湾，经云贵高原输送至陕西南部的西南气流；另一支源于台风外围的水汽，由东海经华北、河南输送至陕西南部的偏东气流。23日14时850 hBa水汽通量在四川到陕西南部有强西南风输送，中心值达15 g·s-1·cm-1·hBa-1，同时华北到陕西有偏东风水汽输送值并有风速辐合，700 hBa上偏南气流带来的水汽输送达到18 g·s-1·cm-1·hBa-1。伴随着强的水汽输送，22日20时—23日20时，安康站700 hBa比湿从5 g·kg-1增加至9 g·kg-1。23日20时850 hBa偏东风不断增大，偏东气流带来的水汽输送不断增加，陕西南部上空的偏东风水汽输送增大到12 g·s-1·cm-1·hBa-1，辐合强度达(-10~-8)×10-7g·s-1·cm-2·hBa-1。伴随着低涡东移，700 hBa切变线南移，23日20时700 hBa上陕西南部上空的水汽辐合中心增大到-10×10-7g·s-1·cm-2·hBa-1。23日夜间，陕西南部上空偏东风和偏南气流的水汽输送带维持且伴有明显的水汽辐合中心，降水区上空低层长时间的水汽输送和强水汽辐合为暴雨提供了有利水汽条件。

3.2 热力条件分析

由温度平流和θse的高度剖面图(图4及后文剖面图均沿图2d中黑色粗斜线位置制作)可以看出，23日14时(图4a)，陕西南部上空850—700 hBa为偏南风带来的暖湿气流输送，暖平流中心位于800 hBa附近，中心强度达到(30~40)×10-5K·s-1，近地面层为偏东风造成的弱冷平流。23日20时(图4b)，四川低涡前部偏南风暖平流输送加强，陕西南部存在两支暖平流输送，一支由800—700 hBa附近的偏南风急流带来，中心值达到50×10-5K·s-1，另一支由850 hBa附近东南风带来弱的暖平流输送。同时，800 hBa到近地面东路冷平流增强，中心值增大到-50×10-5K·s-1，24日02(图4c)，800—700 hBa持续为偏南风急流造成的暖平流输送增强，中心值增大到50×10-5K·s-1，低层冷平流进一步增强，24日08时(图4d)，中层暖平流有所减弱，低层冷平流维持，从θse等值线分布看(图4c，d)汉中、安康南部850 hBa附近θse等值线较为密集，商洛南部700 hBa附近θse等值线较为密集，θse等值线较为密集的地区分别对应着陕南低层强锋生区。

图4 2021年4月23日14时(a)、23日20时(b)、24日02时(c)、24日08时(d)假相当位温(黑色等值线,单位:K)、温度平流(填色,单位:10-5 K·s-1)和风场垂直剖面图(其中(108°E、32.5°N)对应镇巴，(110°E、33.5°N)对应山阳,灰色阴影为地形,下同)Fig.4 The vertical cross section of pseudo-equivalent potential temperature(black contour,unit:K)and temperature advection(shaded,unit:10-5 K·s-1)and wind field at(a)14∶00 BT on 23rd,(b)20∶00 BT on 23rd,(c)02∶00 BT on 24rd,(d)08∶00 BT on 24rd April 2021,where(32.5°N,108°E)corresponds to Zhenba and(33.5°N,110°E)corresponds to Shanyang,the gray shade is the terrain,the same hereafter).

4 暴雨过程的锋生分析

降雨过程中，地面天气图为东高西低形势，有鞍形场的存在，23日白天到夜间冷暖空气在陕西南部对峙(图2d)，容易造成锋生。锋生函数能够定量的分析锋面附近具体气象要素及垂直运动变化，广泛应用于大气要素不连续界面的诊断研究(Ninomiya，2000；段旭等，2019)。下面利用锋生函数、风压场变化，进一步分析此次降雨过程中锋生对垂直运动的影响以及低层锋区移动与强降雨位置变化的关系。

利用θse等值线和锋生函数图对850 hBa和700 hBa的锋生进行分析(图略)发现，23日14时700 hBa汉中、安康南部出现了明显锋区，锋区前部为上升运动区，23日20时随着700 hBa偏南风急流向北推进，陕西南部锋区北抬至商洛上空，锋区附近维持着强的上升气流，四川盆地至陕南偏南急流带来的水汽输送使四川东北部到陕西南部θse高达340 K，850 hBa上河南至陕西南部为偏东路冷空气，θse冷中心为315 K，四川盆地为340 K的暖中心，θse等值线密集区位于汉中、安康南部，锋生函数F中心值达到120×10-10K·m-1·s-1。分析发现，汉中、安康锋区主要出现低层850 hBa，而商洛锋区出现在700 hBa，24日02时，商洛上空的锋区南移至汉中、安康，对应夜间的强降雨也南移。

下面通过锋生函数、垂直环流的剖面以及对锋生各分项进一步分析锋生的垂直结构。23日14时(图5a)θse等值线来看，锋区位于陕西南部，随着高度向北侧倾斜，汉中、安康上空最强锋生位于850 hBa附近，强度达(100~120)×10-10K·m-1·s-1，商洛的锋生区高度更高，在800 hBa附近，锋生强度更弱。从垂直环流特征看(图5a流线)，在低层强锋区附近冷空气一侧，近地面为弱下沉气流，而暖空气一侧，850 hBa之上从低层到高层存在一支倾斜的上升气流，最大上升运动中心位于500 hBa附近，中心值达到-1.6 Ba·s-1，强上升中心对应汉中南部强降水，小时降雨量达12.7 mm。23日20时(图5b)，中层偏南急流向北推进，低层偏东风加大，冷空气加强，锋区向北伸展至112°E、35°N附近，锋区伸展厚度及强度都增强，汉中、安康上空锋生函数增大到120×10-10K·m-1·s-1以上，锋区高度在地面到800 hBa附近，而商洛附近锋生函数增大至120×10-10K·m-1·s-1，锋区高度在800—700 hBa，陕南上空倾斜上升气流中的最大上升运动中心北移至商洛南部，中心强度增大到-2.4 Ba·s-1，对应锋生及垂直运动的增强商洛南部的小时降雨量从3.8 mm增大到了12.4 mm。24日02—08时(图5c、d)，陕西南部上空700 hBa偏南风减小，暖平流减弱，强锋区南退至汉中、安康南部上空，强锋区位于850 hBa附近，锋生函数减小至(100~120)×10-10K·m-1·s-1，锋区上空斜上升气流中的最强上升中心向南移动至汉中、安康南部上空，上升运动中心强度减小至-0.8~-1.0 Ba·s-1，在此期间，汉中南部的小时降雨量又一次增大到10 mm以上。分析锋生函数、垂直环流的演变发现，低层锋区的南北移动造成强锋区在陕西东南停滞少动，锋区次级垂直环流促进了降雨区上空垂直运动发展，汉中、安康南部的强锋生区主要在850 hBa附近，与850 hBa的冷空气及切变线对应，而商洛的强锋生区高度在750 hBa附近，锋区随高度向北倾斜，锋面北侧的冷空气厚度更厚，同时随着700 hBa低空急流的北推，在中层形成强锋区。

进一步分析降雨过程中锋生函数F中各项(F1、F2、F3)对锋生变化影响。由垂直运动造成的倾斜项F1，在低层锋区附近值均较小(F1值为20×10-10K·m-1·s-1)，在大气层结稳定的区域暖气团上升或冷气团下沉时对应为锋消区。23日14时，低层锋区暖空气一侧倾斜上升气流中最大上升运动中心附近出现较强的锋消现象(图6a)；23日20时，商洛南部500 hBa最大上升运动中心附近，以及汉中、安康南部低层上升运动中心附近均出现了锋消(图6b)；24日02时—08时(图6c、d)，由垂直运动造成的倾斜项F1在汉中、安康南部上空造成了明显的锋消。

图6 2021年4月23日14时(a)、23日20时(b)、24日02时(c)、24日08时(d)垂直倾斜项锋生F1(填色,单位:10-10 K·m-1·s-1)、假相当位温θse(黑色等值线,单位:K)、风场、垂直速度(绿色等值线,单位:Pa·s-1)垂直剖面图Fig.6 The vertical section of vertical tilt term of frontogenesis function F1(shaded,unit:K·m-1·s-1),pseudo-equivalent potential temperatureθse(black contour,unit:K),wind field,and vertical velocity(green contour,unit:Pa·s-1)at(a)14∶00 BT on 23rd,(b)20∶00 BT on 23rd,(c)02∶00 BT on 24rd,(d)08∶00 BT on 24rd April 2021.

水平辐散项F2代表了θse梯度与散度共同作用造成的锋生，当θse线越密集、辐合越强时，对应锋生值越大。由图7可知，水平辐散项F2造成的强锋生区位于θse线较为密集的区域，且在低层锋生处值较大，冷暖气团辐合最强的地区水平辐散项F2达到(100~120)×10-10K·m-1·s-1。23日14时(图7a)，陕西南部上空以风速辐合为主，水平辐散项F2造成汉中、安康南部上空的锋生达(60~80)×10-10K·m-1·s-1；23日20时(图7b)，陕西南部低层偏东风急流加强，700 hBa切变线南压至商洛，850 hBa上汉中、安康南部上空强辐合中心造成汉中、安康南部低层(100~120)×10-10K·m-1·s-1的强锋生，700 hBa上商洛南部切变线辐合区造成了(20~40)×10-10·m-1·s-1锋生；24日02时，700 hBa切变线南移消失；24日02—08时(图7c、d)，汉中、安康南部低层的强锋生由850 hBa偏东气流风速辐合造成。比较而言，汉中、安康的F2锋生高度更低，主要与850 hBa的切变线辐合对应，而锋面北侧冷空气厚度较厚，强锋生区对应800—700 hBa的风场辐合。

图7 2021年4月23日14时(a)、23日20时(b)、24日02时(c)、24日08时(d)水平辐散项锋生F2(填色,单位:10-10 K·m-1·s-1)、假相当位温θse(黑色等值线,单位:K)、散度(绿色等值线,单位:10-6 s-1)、风场垂直剖面Fig.7 The vertical section of horizontal divergence term of frontogenesis function F2(shaded,unit:10-10 K·m-1·s-1),and pseudo-equivalent potential temperatureθse(black contour,unit:K),divergence(green contour,unit:10-6 s-1)at(a)14∶00 BT on 23rd,(b)20∶00 BT on 23rd,(c)02∶00 BT on 24rd,(d)08∶00 BT on 24rd April 2021.

对水平变形项导致的锋生进行分析，水平变形项F3导致的锋生在汉中、安康南部的850 hBa附近具有较大值。23日14—20时(图8a、b)水平变形场的模看到锋面的倾斜结构，锋面南侧的汉中、安康地区变形场强度在低层最大，达到(12~14)×10-5s-1，而锋面北侧的商洛变形场强度最大在700 hBa附近，对应的水平变形项导致的锋生F3在汉中、安康南部14时为(60~80)×10-10K·m-1·s-1，20时增大到(100~120)×10-10K·m-1·s-1，商洛南部锋生强度由(20~40)×10-10K·m-1·s-1增大到20时的(60~80)×10-10K·m-1·s-1。切变变形和伸缩变形项分析表明，陕西南部水平变形项F3导致的锋生主要以伸缩变形作用为主(图8c、d)，24日02—08时，水平变形项F3导致的低层锋生强度减小至(40~60)×10-10K·m-1·s-1(图略)，低层锋生由切变变形和伸缩变形项共同作用导致，正的锋生主要由伸缩变性项贡献。

图8 2021年4月23日14时(a)、23日20时(b)水平变形项锋生F3(填色,单位:10-10 K·m-1·s-1,绿色等值线为变形场的模,单位:10-5s)、假相当位温θse(黑色等值线,单位:K)和风场垂直剖面;23日14时(c)、23日20时(d)切变变形项锋生(红色等值线)和伸缩变形项锋生(蓝色等值线,填色为总变性项锋生)垂直剖面Fig.8 The vertical section of horizontal deformation term of frontogenesis function F3(shaded,unit:10-10 K·m-1·s-1,the green contour is themodulus of the deformation field,unit:10-5 s),pseudo-equivalent potential temperatureθse(black contour,unit:K),wind field at(a)14∶00 BT on 23rd，(b)20∶00 BT on 23rd,and of shear deformation term of frontogenesis(red contour)and the expansion deformation term of frontogenesis(blue contour)at(c)14∶00 BT on 23rd,(d)20∶00 BT on 23rd April 2021.

以上分析表明，强锋区附近垂直环流促进了降雨区上空垂直运动发展增强，锋区有明显的倾斜结构，随着高度向北倾斜，低层锋区的南北移动造成锋区附近垂直环流的南北移动，对降雨起到增幅作用。商洛南部的锋区位于700 hBa附近，汉中、安康南部的锋区位于850 hBa附近，陕西南部的锋生主要由水平辐散项F2、水平变形项F3共同作用产生。23日白天，水平变形项F3导致的锋生主要以伸缩变形作用为主，23日夜间，水平变形项F3导致的锋生由切变变形和伸缩变形项共同作用。

5 强降水极端性分析

本次陕南强降雨过程中有多站日降雨量超过4月份日降雨量极值，下面利用标准化异常(SD)(Junker et al.，2008)对该过程的环流形势与历史同期的异常度做进一步诊断。

其中，F为某一变量在一个时刻的值；M为该变量历史同期平均值，σ为变量的历史同期的气候标准差，历史同期取1991—2020年4月23日的多年平均值和标准差。SD揭示了某一变量偏离气候态的程度，常用σ的倍数表示，SD值越大，表示偏离气候态的程度越强，一般当要素值偏离气候标准差3倍以上时，预示小概率的极端事件发生概率高(Junker et al.，2008；杨舒楠和端义宏，2020；田付友等，2021)。

分析2021年4月23日暴雨过程中日平均850 hBa、700 hBa的风场、水汽通量以及500 hBa垂直速度的标准化异常(SD)，探讨暴雨过程水汽输送及垂直运动等环境条件的极端性。700水汽通量(图9a)在四川盆地东部到陕西南部达10~15 g·s-1·cm-1·hBa-1，相对于30 a气候态偏大3~4σ，700 hBa风场上云南经四川到陕西偏南风SD达3σ(图9c)，说明700 hBa偏南风较气候态异常偏强，造成异常的水汽通量输送。850 hBa水汽通量(图9b)SD有两个异常带，一个是从北部湾经贵州、四川到陕南的偏南风的异常水汽输送；一个是台风外围经东海、华北到陕西东部的偏东风水汽输送，四川东部到陕南的水汽通量SD达3~4σ，华北平原到陕西东部的水汽通量SD达2~3σ，850 hBa风场从东海经华北到陕西偏西风SD达-3σ(图9d)，说明偏东风异常偏强，其带来的台风外围的水汽输送和700 hBa偏南风异常强的水汽输送为暴雨提供了充足的水汽供应。由于异常偏强的水汽输送，造成春季水汽含量少的西北地区的整层水汽含量异常偏高(图9e)，陕西南部整层水汽含量达35~40 mm，SD达2~3σ。500 hBa垂直速度在陕南暴雨区达-0.9 Ba·s-1，SD达-3σ(图9f)，说明上升运动异常偏强。以上分析表明，700 hBa异常偏南风水汽输送，850 hBa异常偏强的偏南风及偏东风水汽输送，造成陕西整层水汽含量异常偏大，同时由于中层大气的切变线加上锋生造成的垂直次级环流，使得陕南南部上升运动较气候态异常偏强，造成本次4月份陕西最强的暴雨过程。

图9 2021年4月23日700 hPa(a)、850 hPa(b)平均水汽通量,700 hPa(c)、850 hPa(d)风场,整层水汽含量(e),500 hPa垂直速度(f)的S D(阴影)分布图(等值线为23日平均对应物理量值,700 hPa风场S D为v分量计算,850 hPa风场S D为u分量计算)Fig.9 S D distribution(shaded)of average water vapor flux at(a)700 hPa,(b)850 hPa),wind field at(c)700 hPa,(d)850 hPa),(e)total water vapor content and(f)500 hPa vertical velocity on 23 April 2021(Contour is the daily average corresponding physical quantity value,700 hPa wind field S D is calculated by v component,850 hPa wind field S D is calculated by u component).

6 结论与讨论

本文对2021年4月23日陕西东南部4月份极端暴雨过程进行了诊断分析，通过锋生各项的诊断分析了变形场锋生中各项的具体作用，并利用标准化异常(SD)诊断了暴雨极端性的成因，得出主要结论如下：

(1)500 hBa高原槽东移，槽前强西南气流带来的正涡度平流有利于低层大气低涡的发展和维持，700 hBa偏南风急流和切变线以及850 hBa的偏东风急流和风向风速的辐合造成水汽在陕南东部强烈的辐合抬升，同时地面的鞍形场有利于低层大气的锋生，增强上升运动，暖湿气流沿着东路冷垫爬升，形成暴雨天气。

(2)暴雨过程水汽输送强，有两支强水汽输送带，一个是在700 hBa和850 hBa都存在偏南风水汽输送带，另外一个是热带气旋外围从东海经华北到陕西东部的偏东风水汽输送带，持续充沛的水汽供应使得强降水维持较长时间。

(3)中低层大气存在明显锋区，锋区由南向北呈倾斜结构，锋面南侧的强锋生区高度更低，而锋面北侧冷空气厚度更厚，强锋生区位于800—700 hBa，分项分析发现锋生主要由辐合项和水平变形项贡献，其中水平变性项主要由伸缩变性项为主。

(4)700 hBa、850 hBa超过3σ的异常偏强偏南风水汽输送以及850 hBa超过3σ异常偏强的偏东风水汽输送，造成陕西整层水汽含量异常偏大，同时由于中层大气的切变线加上锋生造成的垂直次级环流，使得陕西东南部上升运动较气候态异常偏强3σ，造成4月份陕西极端暴雨过程。

陕西位于西北地区东部，春季水汽条件一般较差，而该降水过程暴雨范围大、强度强，这与两支气流的持续强水汽输送和辐合有关，特别是热带气旋外围偏东风的水汽输送在暴雨水汽输送中的作用需要进一步定量分析。