江淮梅雨期不同类型暴雨过程锋生特征分析

金小霞 刘梅 李杨 王磊 李驰钦 陈蔚

摘要 利用ERA5再分析资料和江苏省自动站降水量资料，根据运动学锋生原理，分析了2020年江淮梅雨期锋生特征和两类不同性质暴雨锋生的差异，揭示了不同层次锋生与降水的对应关系。研究结果表明：1）2020年梅雨期锋生特征显著，强降水与中低层锋生有较好对应关系，其中形变项占主要贡献，散度项次之，倾斜项最弱。强降水时段总锋生、散度和形变锋生作用叠加。2）江苏地区自北向南锋生特征有差异，强度逐渐减弱，锋生发展高度逐渐降低。不同类型降水锋生特征不同，对流性降水锋生范围偏大、发展层次高、锋生中心偏强，总锋生和各分解项叠加作用显著，稳定性降水锋生特征反之。3）典型过程对流降水“6.28”和稳定性降水“7.11”对比表明：锋区位置相近，锋生作用均出现在江淮切变线附近，锋区、切变线和θse密集带三者对应较好。降水落区有差异，对流性降水过程中，由于干冷空气的显著南压，使得主要降水发生在锋面南侧暖区，与多个次锋生中心相对应;稳定性降水过程中冷暖空气势力相当，降水主要集中在主锋区附近，触发机制和降水性质不同导致降水分布差异。4）两次过程垂直锋区由低到高均有向北倾斜的特征，“6.28”过程锋区南侧有显著暖湿气流输送，锋区内为强烈上升运动，低层辐合高层辐散的环流场使得锋区维持。“7.11”过程垂直上升运动高度偏低，高空没有显著辐散场，对流性较弱。对两类降水垂直锋区的合成分析表明，对流性降水的低层锋生明显强于稳定性降水，由低层锋区造成的抬升触发作用对强降水形成更加有利，同时垂直风场的合成中上升运动也更加强烈。两类降水中，中低层散度和形变锋生由低到高均为先增大后减小，强降水主要由700 hPa以下锋生增强导致，中高层大气基本为锋消作用。

关键词江淮梅雨;锋生函数;暴雨;强对流;垂直锋区

梅雨锋是造成梅雨期降水的重要影响系统，是暖湿的季风气团与相对干冷的中纬度气团之间的锋面（闵锦忠等，2018）。梅雨锋一般维持在江淮一带，但受到低空急流和冷空气等因素的影响，会出现明显的南北摆动特征，雨带也随之摆动（刘梅等，2014;王志毅等，2017），因此梅雨锋的位置决定了主要的暴雨雨带。梅雨锋的产生由多尺度、不同高度天气系统相互作用而形成，包括南亚高压、副热带高压、中纬度西风槽、季风、鋒面气旋及中尺度波动等（郑婧等，2015;金琼等，2020），其中梅雨锋上中尺度对流系统常是造成梅雨锋暴雨的直接系统（王伏村等，2016;赵宇等，2018），暴雨对流系统总是沿着梅雨锋上等相当位温面发展和移动（Cui et al.，2003），当中尺度系统向下游移动，常给受影响地区造成持续的降水天气（苗春生等，2017），另外暖切变型梅雨锋也有利于持续性大暴雨的产生（胡伯威和彭广，1996;胡伯威，1997）。梅雨锋暴雨和梅雨锋之间又存在着强烈的相互作用和正反馈机制，梅雨锋上连续发生的中尺度对流雨团造成的潜热释放对锋生有反馈作用，有利于锋生强度的加强，因此梅雨锋提供了对流云团发展的有利环境，同时对流降水又使得梅雨锋面加强（Chen et al.，1998）。可见，梅雨锋暴雨的发生发展、强度和落区，与梅雨锋的结构、强度和演变特征应当有着密切的关联。

锋生函数可以从动力和热力因子等方面很好的表征梅雨锋的结构、强度和时空演变特征（王建捷和陶诗言，2002），气象工作者通常采用其诊断分析梅雨锋与暴雨的关系。尹东屏等（2010）利用平均场的方法研究了发生暴雨时的梅雨锋结构，发现暴雨发生有明显的锋区，降水量和锋区强度成正比，暴雨发生在锋区中低空急流的北部，锋生函数切变变形场与暴雨的落区重叠，经向锋生函数与南风等风速线密集区相重叠，纬向锋生函数指示了暴雨区的范围。郭英莲等（2014）分析了2011年3次暴雨过程的锋生特征，认为3次过程中层锋生主要由垂直锋生造成，有利于对流不稳定的发生，低层由水平锋生造成，有利于水汽输送和辐合抬升。当中层和低层均有锋生时，有利于降雨强度的加强。同时，锋生的水平和垂直结构及强度对暴雨范围也有显著的影响（张恒德等，2011）。徐亚钦等（2019）分析了2016年的一次典型梅雨，认为强降水区与中低层锋生区有较好的对应关系，在锋区存在低层地转偏差辐合、高层辐散的上升运动，形成次级环流上升支，锋后反之。另外，锋生函数中所包含的不同锋生项对暴雨作用的阐释有显著的不同（冯文等，2023）。孙淑清和杜长萱（1996）认为锋生函数的形变项是一个主要项，它与锋生的维持有直接的关系，而散度锋生则与梅雨锋上的中尺度扰动相关，其正值区与暴雨区相对应。段旭等（2019）认为非绝热加热项对锋面的生消作用较小，但存在显著的日变化，辐合辐散项和水平形变项是锋生函数变化的主要贡献项。李娜等（2013）分析了北京“7.21”暴雨的锋生特征，发现变形项对引发暴雨的低层锋生有重要贡献，锋生能够引发大气动力和热力结构的调整，伴随大气锋生过程的高空急流的加强，带动低层空气辐合，有助于暴雨的加强维持。

在预报业务中，预报员通常分析的是不同层次环流形势和常规水汽、动力物理量，对于锋生的计算分析明显缺乏，而锋生包含了大气水平、垂直运动和热力等因素，与降水有着密切的关联，因此加强锋生的分析和应用，能够帮助预报员更精细地判断降水强度和可能的强降水落区，对认识天气过程发生机理和降水预测均有重要意义。2020年梅雨期江淮地区出现11次暴雨过程，不同类型过程降水性质、强度、分布特点具有明显差异，这种差异和过程期间锋生特征是否具有一定的关系是值得我们深入研究的问题，也是预报员分析判断的依据。为此，本文分析了2020年梅雨期的锋生特征、环流结构及与强降水之间的关系，通过不同类型降水锋生特征的对比，帮助预报员更好地认识锋生形成的特点及其在强降水过程中的作用，为利用锋生特征进行不同类型降水预报和订正提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料

文中所用降水实况数据：1）2020年江苏省常规气象自动站（基本站和加密站共1 365站）雨量资料，包括逐小时降水量和24 h降水量;2）锋生函数计算和形势场分析采用ERA5高分辨率再分析数据，时间分辨率为6 h，水平空间分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向为21层。

1.2 锋生函数计算方法

锋生函数是表征大气水平运动、垂直运动、非绝热变化和摩擦等因素对锋生作用的物理量，可作为定量指标表示大气的动力和热力特征及锋生结构。本文采用Miller锋生计算公式（Miller，1948），将锋生函数分解为4项，在P坐标系下的表达式为：

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表示伸展形变；F=v/x+u/y表示切变形变；θ为位温；ω为垂直速度。

锋生函数描述了水平位温梯度随质点运动的变化率，Fh>0表示锋生，Fh<0表示锋消。由Fh表达式可知，影响锋生的因子有4项，其中T1为非绝热加热项，即非绝热加热梯度产生的锋生作用，在濕绝热条件下，此项可忽略;T2为倾斜项，表示沿已存在的温度梯度方向垂直速度的不同而产生的锋生或锋消，若大气为稳定层结θp<0，当暖气团中有下沉运动而冷气团中有上升运动，冷暖气团温度差异增大，则锋生，反之为锋消。若大气层结不稳定θp>0，则与上述结论相反；T3为散度项，表示在已有的水平温度梯度的情况下，水平辐合（D＜0）或辐散（D＞0）产生的水平温度梯度的增加（或减弱），即锋生或锋消；T4为形变项，即整个水平变形产生的锋生作用。湿对流大气中可用湿位温代替位温进行锋生计算（郭英莲等，2014），本文着重分析总锋生函数Th、倾斜项T2、散度项T3和形变项T4对锋生的作用。

2 2020年江淮梅雨概况及暴雨过程划分

2020年6月9日—7月21日江淮地区经历了1961年以来的最强梅雨（张芳华等，2020），江苏地区梅雨期共43 d，为有气象记录以来第二位，淮河以南地区平均梅雨量582.5 mm，为常年梅雨量的2.5倍，为有气象记录以来第二多值。连续性极端强降水造成江苏省内长江、太湖、淮河流域相继发生洪水，32条河湖、59个站点超警戒水位，造成严峻的防汛抗洪形势。梅雨期降水强度大、持续时间长，夜间雨势增强特征明显，江苏地区共经历了11次暴雨过程，过程间的关键影响系统和暴雨落区存在一定差异，大部分暴雨过程都伴随高空槽、低空急流和切变线，也有一部分过程伴随低涡和地面气旋，暴雨落区主要在江苏南北纬度带上摆动。

首先将11次暴雨过程进行分类，对于24 h累积降水，目前没有一个明确的标准可以划分稳定性降水和对流性降水，主要是由于两者在暴雨生消演变的过程中既可存在水平和垂直空间上的叠加，也可能存在时间的更替，因此可根据两者出现的比例，按照一定的客观标准划分为以稳定性降水为主和以对流性降水为主的暴雨过程。根据苏翔等（2022）的划分方法，采用逐小时站点降水观测数据进行划分，将暴雨（≥50 mm·d-1）站点上的24 h累积降水拆分为逐小时降水，计算其中短时强降水（≥20 mm·h-1）小时数与降水（>0 mm·h-1）小时数的比值r;若r≥5％，则判断为对流性降水（为主）;若r<5％，则判断为稳定性降水（为主）。按此标准，2020年江淮梅雨期暴雨过程可划分为对流性强降水6次和稳定性降水5次（表1）。本文通过两类暴雨过程锋生特征和差异对比，探讨不同类型降水锋生对暴雨强度、区域的影响，为暴雨预报提供订正思路。

3 梅雨期锋生特征分析

首先对梅雨期6月11日—7月24日江苏地区锋生演变特征与降水过程进行对比分析。由于江苏南北跨度较大，锋生特征和降水性质有差异，因此在南北向将江苏地区分为沿淮和淮北地区、江淮之间、沿江和苏南3个区域进行分析，计算范围是117°～121°E、31°～35°N，其中以32°N和33.5°N为南北三个区域的分界线。在图中标出了3个区域中雨（≥10 mm）以上的降水日（图1），并将850 hPa和700 hPa两层的锋生值累加，以此反映中低层锋生和降水的对应关系。

由图可见，2020年梅雨期有较强的锋生特征，锋生强度呈波动变化，降水时段锋生函数及各分解项有显著的增强特征，无降水时段锋生基本为0。从不同区域锋生特征看，沿淮和淮北地区（图1a）锋生强度相比于中南部地区明显偏强，最为明显的锋生过程有3次，分别为6月16日、6月28日和7月11日前后，锋生值达到10×10-9 K·s-1·m-1左右，对应的降水也是最强的。总锋生Fh和各分解项量级基本相当，其中形变项T4在降水时段增强幅度最大，散度项T3次之，倾斜项T2最弱，甚至为锋消。从江淮之间和沿江苏南地区来看（图1b、c），形成强降水所需的锋生强度相对沿淮淮北地区明显偏弱，6月15日沿江苏南和6月28日江淮之间大暴雨过程锋生强度均在5×10-9 K·s-1·m-1，各锋生分解项的贡献与北部地区类似。因此，2020年梅雨期江苏地区自北向南锋生强度减弱，降水过程与锋生增强有较好对应关系，其中形变项对引发暴雨的低层锋生贡献最大，辐合辐散造成的散度锋生贡献次之，倾斜项相对最弱。

进一步分析了不同区域垂直方向的锋生情况（图2），从沿淮和淮北地区（图2a）来看，锋生作用呈现不连续、阶段性的特点，分别在6月17日、6月28日和7月11日前后有3次明显锋生过程，与图1a中相一致，强烈锋生作用与降水对应较好。锋生发展高度从1 000 hPa至500 hPa附近，总锋生函数与散度项、形变项量级相当，在时空分布上有较好的对应关系，在强锋生时段三者几乎重合，造成强降水发生。江淮之间和沿江苏南地区（图2b、c）锋生作用较为连续，强度呈波动特征，降水时段锋生发展高度相比沿淮淮北地区偏低，主要与中低层散度和形变锋生有较好的对应关系。同时，沿江和苏南地区总锋生函数的作用相比于中北部地区明显偏弱，这可能是由于偏南地区冷空气较弱引起。

根据表1对11次暴雨过程的分类，整体分析了两类不同性质暴雨的锋生情况。对流性暴雨主要发生在6月中下旬和7月中旬末—下旬初，从整体的强度看对流性强降水发生时锋生发展的层次较高，从1 000 hPa发展至500～600 hPa，锋生中心强度达3×10-9 K·s-1·m-1，同时总锋生函数、散度项和形变项的叠加作用更大，说明在强对流发生过程中各项的锋生作用均较为显著。稳定性降水主要发生在7月上中旬，这一阶段的锋生强度偏弱，中心值基本在2×10-9 K·s-1·m-1，锋生发展的高度相对偏低，主要维持在中层900～600 hPa，同时降水过程中各锋生项的叠加作用相对较弱。另外，两类降水锋生区域范围也存在一定差异，对流性降水明显时段（6月27—29日、7月21—23日）江苏自南向北均存在明显锋生，且形变锋生自地面到中层均发展旺盛。稳定降水时段（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）锋生区域范围南北跨度明显偏小，近地面形变锋生仅出现在较固定区域内，且发展高度相对较低。

4 不同类型暴雨过程锋生特征对比分析

为了进一步分析对流性强降水和稳定性降水的锋生特征和机制，分别选取了表1中降水强度大且锋生作用显著的两次过程20062720—20062908、20071108—20071220（以下简称“6.28”和“7.11”）作为典型过程进行对比分析。“6.28”对流降水过程中副高势力强盛（图3a），东北冷涡和高空槽携冷空气南下，中低层有西南涡东移影响，且低涡南侧有20 m／s以上西南急流相配合。“7.11”稳定性降水过程发生在副高减弱东退，中纬度西风槽东移的形势下（图3b），中低层有东西向切变维持在江苏中北部地区，切变线南侧为西南急流，整个系统影响过程中，无明显冷空气影响。两次过程均历时36 h，累积雨量和雨强有显著差异，“6.28”暴雨过程（图4a）全省大部累积降水达到50 mm以上，江淮之间100～250 mm，局部超过250 mm以上，整体雨强大范围广，最大雨强42 mm·h-1，超过1／3降水站点雨强在20 mm·h-1以上，达到文中定义的对流性降水标准。

“7.11”过程（图4b）沿淮和淮北地区降水持续时间较长，累积雨量在50 mm以上，部分地区100～250 mm，淮河以南大部分地区雨量较小，全省雨强基本在10 mm·h-1以下，淮北局部站点超过20 mm·h-1，为稳定性降水过程。下文将从锋生作用的角度来分析造成两次过程降水显著差异的成因，以此来初步总结对流性降水和稳定性降水在锋生特征方面的不同。

4.1 水平锋生特征对比分析

假相当位温θse的分布反映了大气温湿特性和湿斜压能量的分布，在“6.28”过程中，降水初期苏北地区有一条自东向西的θse冷带，最低值在324 K，而淮河以南地区为大范围的高温高湿区，θse中心值达到348 K以上。两个温湿特性显著差异的气团在江淮流域对峙，从而形成了该地区θse的密集带即梅雨锋，对应的锋生函数计算结果表明安徽北部至江苏中南部地区有显著的锋生带形成，同时风场上有一条东西向切变系统与锋区相对应，则形成了以θse密集带和东西向切变线为主要特征的江淮梅雨锋。南侧θse大值区所代表的低空西南暖湿急流，将水汽源源不断的输送到锋生带，为梅雨期降水提供水汽和能量。29日02时（图5a），西南急流进一步加强北抬，θse高能区明显北抬范围扩大，同时由于冷涡高空槽携冷空气南下（图3a），θse冷舌范围明显扩大。冷暖气团强烈对峙，形成大范围锋生作用且强度极强，锋生带主要发生在低涡切变系统的东段、西南急流的顶端，锋生中心位于江苏东北部地区达到26×10-9 K以上，同时在主锋面南侧的θse大值区受急流和低层扰动的影响形成多个次锋生中心。

從强降水落区看，主要分为两部分，一部分降水集中在切变线主锋区附近，其余主要发生在梅雨锋南侧的暖区当中，且降水范围大、强度更强，暖区中有利的温度和水汽条件与渗透的冷空气相结合，形成了极不稳定的大气层结，并产生了局地锋生，在切变线、急流等辐合抬升系统的触发下，形成大范围强降水，体现了强对流降水的特点，而锋面附近由于干冷空气的压制，反而强降水站点偏少。

从稳定性降水过程“7.11”来看，华东地区前期为大范围西南暖湿气流，对应θse高能区，θse冷舌位于苏北地区，在苏中地区形成θse密集带，风场上西南急流在苏中地区逐渐转为东南风并形成东西向暖式切变线，切变线与θse密集区相对应产生较强锋生，锋区附近有分散性降水发生。12日02时（图5b），西南急流逐渐加强北抬，θse高能区和切变线也北抬至苏北地区，锋生作用主要发生在切变线上和θse密集带内，三者均为东西走向呈现较好的一致性，且锋生强度明显加强，最大中心超过了16×10-9 K，降水区域相对于“6.28”对流性降水更为集中，1 h降水量大于10 mm的站点与θse密集带和锋区位置有较好的对应关系。

对比两次过程，锋生特征有明显异同点，锋生作用均出现在切变线上和θse密集区内，锋面、切变线和θse密集带三者有较好对应关系。对流性降水锋生作用强度显著大于稳定性降水，且锋面宽度更宽，主要的锋区位于348～332 K，冷暖空气作用明显，锋区内等θse线更为密集梯度更大；稳定性降水的锋区主要位于352～340 K，以暖湿气流为主，等θse线相对稀疏。降水落区有显著差异，对流性降水一部分集中在主锋区附近，其余分散在主锋面南侧的θse高能高湿区内，与多个分散弱锋生中心相对应；稳定降水则更为集中几乎均发生在主锋区附近。降水性质和触发机制的不同导致降水分布不同。

进一步分析了锋生函数各分解项与强降水之间关系（图6），从图中可以看出两次过程锋生函数各分解项量级相当，且范围明显重叠，说明降水过程中各分解项叠加作用明显。其中散度项和形变项形态接近，倾斜项范围偏南，强降水与锋生作用叠加的区域有较好对应关系。根据不同层次水平分解项的分析，发现两次降水过程均与中低层850 hPa以下的锋生作用对应较好，700 hPa锋生作用次之，中高层相对较弱。对比两次过程的不同点发现，“6.28”降水（图6a）主要发生在34.5°N锋面附近及南侧散度项和形变项叠加的区域，主锋区附近强降水相对偏少，对流降水主要集中在切变线锋区南侧的对流不稳定区，反映了强对流天气的特征。此外，有少部分降水站点仅发生在黑色线条对应的倾斜锋生区内，可见沿温度梯度方向垂直速度的不同而引起的倾斜锋生，也可触发强对流天气。“7.11”降水（图6b）过程中，无冷空气影响，对流性弱，强降水基本集中在主锋区内，散度和形变锋生作用叠加的区域。因此，利用锋生进行降水分析时应重点关注各锋生项叠加的区域，同时强对流天气过程中垂直运动对应的倾斜锋生也需关注。

4.2 垂直锋区结构对比分析

进一步分析锋区垂直结构与强降水的关系。“6.28”过程中（图7a）垂直锋区主要位于32°～36°N，从低到高锋区向北倾斜。结合假相当位温可见，锋区南侧850 hPa以下为暖湿空气，500～850 hPa相对干冷，形成低层暖湿高层干冷的不稳定层结，锋区北侧为假相当位温低值区，说明有干冷空气侵入形成锋生，在一定的扰动触发下，导致对流降水发生。在500 hPa以下主锋区，有4个显著的锋生中心，其中最强中心位于800 hPa、33°N附近，与最强降水区相对应，在低层32°N也有一个锋生中心，产生了局地暖区降水，34°N附近的降水则与700 hPa和500 hPa锋生中心相对应。从垂直风场可见，500 hPa以下锋区南侧为一致的偏南气流，垂直运动较小，锋区上则以强烈的上升运动为主，至300 hPa附近形成南北两支辐散气流，在锋区两侧下沉，北支携带冷空气向梅雨锋输送，南支则与梅雨锋上升气流构成经向垂直反环流，加强锋区的上升运动，低层辐合高层辐散的环流场，使得锋区维持。

从“7.11”过程（图7b）的分析可见，34°N低层锋区为垂直分布，中高层逐渐向北倾斜，锋区南侧有显著暖湿气流输送，最强锋生中心位于700 hPa附近且与低层锋生中心相对应，锋生层次较厚，导致区域内强降水发生。锋区北侧假相当位温所代表的冷空气相对较弱，风场上垂直上升运动的高度仅达到500 hPa左右，且高空没有对应的辐散场，因此对流性较弱，降水发生在偏冷的θse中。此次稳定性降水是在1 000～700 hPa显著垂直锋区中形成，中低层锋生作用相叠加，产生了较强降水。

在垂直锋区中各分解项的分析中，将散度项和形变项、倾斜项分为两部分进行分析。从图7中可以看出，各锋生项量级相近，散度项和形变项均呈现向北倾斜的特征，且锋生范围相对集中，倾斜项形态不规则范围较大。“6.28”过程（图8a）中整层大气散度锋生和形变锋生有较好对应关系，在中低层800 hPa以下33.5°N附近，散度锋生和形变锋生最为显著，两者共同作用产生大范围强降水。此外，500 hPa和700 hPa上34.5°N也分别有两个锋生中心相对应，但由于锋生的层次较高，水汽条件和上升运动相对减弱，因此降水较为分散。从对应的倾斜项（图8b）看，降水区整层大气几乎都是倾斜锋消，因此在此次对流性强降水过程中主要是中低层700 hPa以下的散度锋生和形变锋生而产生的，倾斜项为锋消。

从“7.11”过程来看，散度项和形变项（图8c）也对应较好，均有向北倾斜特征，34°N降水区所对应的低层800 hPa以下锋生相对偏弱。700 hPa上有一个较强散度锋生中心和形变锋生中心相对应，但由于是下沉气流，因此没有产生降水。从对应的倾斜项（图8d）来看，34°N降水区在700 hPa以下均为显著的倾斜锋生，从而弥补了散度锋生和形变锋生在中低层的不足，通过累加作用使得总锋生作用加强产生强降水，这与图5b中700 hPa以下总锋生强度较强的计算结果是一致的。因此在此次稳定性降水的过程中主要是800 hPa以下散度锋生和形变锋生，以及700 hPa以下的倾斜锋生共同作用而形成。

综上分析，可以看出降水过程中锋生各项的特征和作用是有所不同的，对流降水和稳定降水，在降水发生发展过程中散度项和形变项有较好的一致性，与降水加强和减弱的变化趋势相对应，這与两项的定义直接相关。而倾斜锋生的变化则有所不同，在对流降水“6.28”过程中为锋消，在稳定降水“7.11”过程中主要为锋生作用，根据倾斜项的定义，在稳定层结中，暖气团中有下沉运动而冷气团中有上升运动，则产生锋生，反之为锋消，若大气层结不稳定，与上述结论相反。因此，倾斜项对于不同的降水类型作用有所不同，在对流性较强的时段可产生锋消作用，在层云稳定降水阶段可能产生锋生作用。

为了更清晰地对比两类不同性质降水的锋生结构差异，进一步将两类降水分别进行合成分析，对流性降水选取了4次过程，分别为：20061208—20061408、20062220—20062320、20062720—20062908、20071720—20071920;稳定性降水选取了3次过程，分别为：20061608—20061808、20070220—20070308、20071108—20071220。通过合成后的锋生强度较典型个例有所减小，但仍可看出两类降水的显著差异，其中对流性降水（图9a）在中低层800 hPa以下锋生更加显著，稳定性降水（图9b）锋生大值区主要在中层800 hPa附近，低层锋生明显偏弱。可见，在对流降水过程中由低层锋区造成的抬升触发作用对强降水形成更加有利，垂直风场的合成也表明在对流降水过程中上升运动更加强烈。

从锋生分解项的合成可以看出，对流性降水（图10a）散度项和形变项具有较好的一致性，低层散度和形变锋生强度较强，中高层逐渐减弱，稳定性降水（图10c）低层锋生偏弱，中层偏强，与图9中的结果一致。倾斜项的合成表明，对流降水和稳定降水没有明显的差异，在散度和形变锋生对应的区域基本以锋消为主。因此，两类降水的锋生分解项的合成表明，强降水的形成主要由中低层散度和形变锋生产生，尤其在对流降水过程中，低层锋生明显强于稳定性降水。

4.3 锋生函数及各分解项在暴雨过程中的贡献

根据两次过程所对应的强降水区即江淮之间和沿淮淮北地区，计算总锋生函数和各分解项的区域平均（图11），从图中可见“6.28”过程（图11a）中低层大气锋生作用明显，散度项和形变项以锋生为主，倾斜项以锋消为主。锋生、锋消均呈双峰型，1 000～700 hPa散度和形变锋生先增大后减小，倾斜锋生和总锋生先减小后增大，呈反位相分布，最大锋生锋消中心均位于850 hPa，达到2.5×10-9 K·s-1·m-1。700 hPa以上散度和形变锋生强度减弱，锋消强度增强，最强锋消达到-3.5×10-9 K·s-1·m-1。因此，此次过程中低层700 hPa以下的散度和形变锋生共同作用使得强降水发生。

從“7.11”过程（图11b）可见，锋生、锋消作用主要出现在500 hPa以下，呈单锋结构。1 000～700 hPa散度和形变锋生迅速增强，总锋生、散度和项形变锋生在垂直方向均维持了较强的锋生厚度，最大值位于700 hPa形变锋生达到3.2×10-9 K·s-1·m-1，倾斜项基本为锋消作用;700 hPa以上散度和形变锋生逐渐减弱，锋消作用逐渐加强，500 hPa以上锋生作用趋近于0。可见，此次稳定性降水过程中1 000～700 hPa散度和形变锋生为主要贡献，中高层大气基本为锋消作用。

5 结论和讨论

根据运动学锋生函数及其分解项的原理，分析了2020年江淮梅雨期锋生作用的时空分布特征和两类不同性质暴雨锋生的差异，阐述了锋生各项与降水的对应关系。并以两个典型个例为代表，对比了锋生特征的异同点。主要结论如下：

1）2020年梅雨期有显著的锋生特征，锋生过程较往年更加频繁，43 d的梅雨期中有3次强锋生过程，分别在6月16日、6月28日和7月11日前后，锋生强度均达到10×10-9 K·s-1·m-1左右，较以往的强降水锋生更加偏强（徐亚钦等，2019），因此这三次过程也造成了日降水量250 mm以上的极端降水，导致梅雨降水总量异常偏多。强降水与中低层锋生有较好对应关系，形变项对引发暴雨的低层锋生有重要贡献，辐合辐散造成的散度锋生贡献次之，倾斜项最弱。强降水时段总锋生、散度和形变项几乎重叠，低层无锋生而中高层有明显锋生时段无降水产生。江苏不同区域锋生强度有显著差异，自北向南锋生强度减弱，沿淮和淮北地区锋生发展高度最高达500 hPa;江淮之间锋生高度在700 hPa，中低层散度锋生和形变锋生发展明显，说明中低层辐合和冷空气锋生在降水中均有明显作用;沿江和苏南地区由于冷空气较弱使得锋生发展强度偏弱。

2）不同性质降水锋生特征差异显著，对流性强降水锋生范围较大，发展层次较高、锋生中心偏强，散度项和形变项叠加作用较大，共同作用使得强降水发生。稳定性降水锋生区南北跨度小、强度偏弱，锋生发展的高度偏低。典型过程对流降水“6.28”和稳定性降水“7.11”对比表明，锋区与影响系统对应位置相近，主要锋区均位于低涡切变线附近，锋区、切变线和θse密集带三者对应较好。“6.28”过程相对于“7.11”过程锋生强度更大，锋面宽度更宽，锋区内等θse线梯度更大。降水分布有显著差异，对流性强降水一部分集中在主锋区附近，一部分位于锋面南侧暖区当中，由于在对流降水过程中，冷空气显著的南压，渗透南下的冷空气与暖区中的水汽相结合，形成了极不稳定的大气层结，在切变线和急流等辐合抬升系统的触发下，形成大范围强降水，而锋面附近由于干冷空气的压制，反而强降水偏少。稳定性降水过程中，冷暖空气势力相当，降水主要集中在主锋区附近。触发机制和降水性质的不同，使得降水分布有显著差异。

3）对垂直锋区和环流结构的分析表明，两次过程垂直锋区由低层到高层均有向北倾斜的特征，锋区南侧为低层暖湿高层干冷的不稳定层结，北侧有干冷空气侵入，锋生作用不断触发不稳定能量释放，导致强降水发生。“6.28”过程中锋区南侧为西南暖湿气流输送，锋区内为强烈上升运动，低层辐合高层辐散的环流场使得锋区维持。“7.11”过程垂直上升运动高度偏低，高空没有显著辐散场，对流性较弱。降水过程中散度和形变锋生叠加作用显著，降水的强弱变化趋势与锋生强度相对应。倾斜项作用有所不同，对流降水“6.28”过程中为锋消，在稳定降水“7.11”过程中主要为弱锋生作用。对两类降水垂直锋区的合成分析也显示出与典型个例一致的特征，对流降水过程中由低层锋区造成的抬升触发作用对强降水形成更加有利，垂直风场的合成中上升运动也更加强烈。强降水的形成主要由中低层散度和形变锋生产生，尤其在对流降水过程中，低层锋生明显强于稳定性降水。

4）锋生函数各分解项定量分析显示，“6.28”过程呈双峰型结构特征，1 000～700 hPa散度和形变锋生先增大后减小，倾斜锋生先减小后增大，850 hPa锋生达到最强，700 hPa以上锋生强度减弱，锋消作用加强，因此700 hPa以下散度和形变锋生在降水过程中占主要贡献。“7.11”过程呈单锋结构，1 000～700 hPa散度和形变锋生迅速增长，总锋生、散度和项形变锋生在垂直方向均维持了较强的锋生厚度，叠加作用使得强降水发生，中高层大气基本为锋消作用。

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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

（責任编辑：袁东敏）