梅雨强降水过程中锋面结构扰动特征及成因

doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20250102001

梅雨强降水过程中锋面结构扰动特征及成因

doi: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20250102001

黄乾^1,2 ，闫慧耀²

1. 南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室，江苏南京 210044

2. 南京信息工程大学大气物理学院，江苏南京 210044

基金项目: 国家重点研发计划项目（2024YFC3000170）；国家自然科学基金项目（42030612）

Characteristics and mechanisms of frontal structure disturbances during a heavy rainfall event in the Meiyu season

HUANG Qian^1,2 ， YAN Huiyao²

1. Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorology Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044 , China

2. School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044 , China

摘要

利用ERA5再分析资料、中国地面气象台站的逐日降水观测资料和中国区域逐小时降水量融合产品，分析了2020年6月27日—7月1日一次持续性强降水过程中梅雨锋结构的扰动特征及与降水的联系。结果表明：此次强降水事件中，雨带经历了复杂的南北扰动过程，梅雨锋的切变类型随之变化，从暖式切变引起的北抬到冷式切变锋生导致的迅速南落，最终演变为静止锋式切变。降水主要发生于850 hPa锋区南侧的暖区，具有深对流性质，降水强度与范围受梅雨锋切变类型的影响，暖式切变型对应更强和更大范围的降水。低层锋生区对未来1 h降水具有指示作用。不同类型的锋生在非绝热加热和形变项等作用下，呈现出不同的垂直结构特征。此次过程形变项和非绝热加热项对锋生贡献最大，暖式切变型锋生在非绝热加热作用下，随高度略呈南倾；冷式切变型锋生在形变项和非绝热加热作用下，随高度向北倾斜；准静止锋式锋生在非绝热加热和形变项作用下，呈现出高低空一致的结构。形变项取决于伸缩变形分量，非绝热加热则与降水区对应，主要位于锋区偏暖空气一侧，与雨区北侧产生强烈的热力差异，进一步加强了锋生，这可能是强降水过程得以维持的重要机制。

关键词

梅雨锋 / 强降水 / 锋生 / 形变项 / 非绝热加热

Abstract

As a key component of the East Asian summer monsoon system, the Meiyu front is frequently associated with severe weather events, including heavy precipitation.Understanding its structural evolution and disturbance characteristics is crucial for improving precipitation forecasts during the Meiyu period.This study investigates a persistent heavy rainfall event that occurred from 27 June to 1 July 2020.Utilizing ERA5 reanalysis data, daily gridded precipitation observations from Chinese meteorological stations, and hourly merged precipitation products over China, we analyze the structural disturbances of the Meiyu front and their relationship with precipitation.Results show that during this prolonged rainfall event, the Meiyu rainband exhibited pronounced north-south oscillations, accompanied by corresponding changes in the frontal shear structure.The front evolved from a warm-shear-induced northward lifting to a rapid southward retreat driven by cold-shear frontogenesis, eventually developing into a quasi-stationary shear front.Precipitation mainly occurred in the warm sector south of the 850 hPa frontal zone, characterized by deep convective activity.Both the intensity and spatial extent of precipitation were strongly influenced by the frontal shear type, with the warm-shear regime producing broader and more intense rainfall.The low-level frontogenesis region served as a reliable precursor for precipitation in the subsequent hour, and different frontogenesis types exhibited distinct vertical structural features modulated by diabatic heating and deformation effects.

During the evolution of the frontal system, the deformation and diabatic heating terms were the dominant contributors to frontogenesis.Under the influence of diabatic heating, warm-shear frontogenesis displayed a slight southward tilt with height, whereas cold-shear frontogenesis, affected by both deformation and heating, tilted northward.In contrast, the quasi-stationary frontogenesis maintained a vertically coherent structure throughout the troposphere.The deformation term was primarily governed by stretching deformation, while diabatic heating was concentrated on the warm side of the frontal zone, coinciding with the main precipitation area.This heating generated a pronounced thermal contrast across the front, further enhancing frontogenesis and sustaining the heavy rainfall process.

Keywords

Meiyu front / heavy precipitation / frontogenesis / deformation term / diabatic heating

1 资料和方法 1.1 资料 1.2 梅雨锋区和锋生函数 2 强降水事件及锋区特征 2.1 2020年梅雨期降水特征 2.2 梅雨锋锋面结构与降水的关系 3 强降水过程中梅雨锋锋生特征及成因 3.1 低层锋生特征 3.2 锋生垂直结构 4 结论和讨论

在梅雨季节，江淮地区频繁遭受强降水引发的严重洪涝灾害，对区域经济发展及人民生命财产安全构成重大威胁（丁一汇等，2007）。值得注意的是，2020年江淮地区经历了一次异常持久的超强梅雨过程，其持续时间之长、降水强度之大均突破历史极值，导致该区域遭遇了前所未有的洪涝灾害（Ding et al.，2021）。梅雨锋作为强降水的主要天气系统，其结构特征直接影响降水的时空分布和强度变化（刘建勇等，2012; 赵宇等，2018）。因此，深入揭示梅雨锋的三维结构特征及其动力-热力过程，对于提高强降水预报准确率和防灾减灾能力具有重要的科学意义。

梅雨锋的锋区结构具有独特性，主要体现在锋面两侧的温度差异并不显著，然而湿度差异却极为显著，从而形成相当位温锋（王建捷和陶诗言，2002；柳俊杰等，2003）。此外，尽管梅雨锋属于准静止锋，但在降水过程中，却展现出频繁的南北扰动，在形态上则常见暖式切变型、冷式切变型以及准静止切变型之间的转换（Hu et al.，2021，2022；Wang et al.，2022）。区别于典型的冷锋和暖锋，众多研究指出，在垂直方向上，梅雨锋存在随高度北倾、南倾以及非倾斜的垂直结构（郑永光等，2007，2008；赵玉春等，2011）。梅雨锋上强烈的上升运动有利于触发低层不稳定能量的释放，加强垂直锋区的垂直环流，有利于降水的发生，所以暴雨系统总是沿着梅雨锋发展移动（陈涛等，2020）。

锋生函数可以从动力和热力因子方面表征梅雨锋的结构、强度和时空演变特征，对于降水的强度和范围具有一定的预报指示意义，气象工作者通常用其诊断梅雨锋与暴雨的关系（徐亚钦等，2019；金小霞等，2023）。尹东屏等（2010）发现暴雨发生时有更为明显的梅雨锋区，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。段旭等（2019）认为非绝热加热项对锋面的生消作用较小，散度项和形变项是锋生函数变化的主要贡献项。李娜等（2013）通过分析北京“7.21”暴雨，发现形变引起的气流汇合可以动态驱动温度和湿度等值线靠近，意味着形变在锋生中起着关键作用。Yang et al.（2015）提出了一个新的形变锋生函数，尤其考虑了动力因子的作用，发现其能够更好模拟梅雨锋并且对雨带有着较好的覆盖作用。Wang et al.（2022）通过研究梅雨锋与降水之间的变化特征，发现非绝热项和倾斜项在锋区走向倾斜时会产生强烈的锋生作用，随后形成东西向带状梅雨锋结构。

针对2020年破纪录梅雨，众多研究已从天气尺度扰动（如低空急流、短波槽及冷空气影响）以及外强迫（如海温异常等）等角度深入剖析了降水的物理机制（赵俊虎等，2021；何春杨等，2024）。然而，在更精细的时空尺度上，关于梅雨锋上持续性强降水与梅雨锋结构之间的具体关联，仍有待进一步探索。因此，本文深入分析了2020年一次强降水过程中梅雨锋结构特征及与雨带位置和强度的关系，同时利用锋生函数讨论了锋面扰动的决定因子。

1 资料和方法

1.1 资料

1）中国地面气象台站的逐日降水站点观测数据。2）降水格点观测资料CN05.1，水平分辨率为0.25°×0.25°（吴佳和高学杰，2013）。3）中国区域逐小时降水量融合产品（以下简称CMORPH），水平分辨率为0.1°×0.1°（沈艳等，2013）。该数据相对于CN05.1数据具有更高的时空分辨率，能够更好地展示小时尺度降水的对流特征。4）欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的ERA5逐小时再分析资料，要素包括比湿、温度、高度场、风速等，水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向为36层（Hersbach et al.，2020）。该数据用于梅雨降水的天气形势分析，以及用于相当位温和锋生函数等物理量的诊断。5）国家卫星气象中心提供的风云四号A星卫星遥感亮温数据，时间间隔为15 min，空间分辨率为4 km×4 km。该数据用于区分降水云类型。

1.2 梅雨锋区和锋生函数

本文选用Li et al.（2018）的方法定义梅雨锋区：等压面层相当位温（θ_e）的经向梯度大于4×10^-5 K·m^-1，延伸超过10°经度的区域。同时将锋区内相当位温经向梯度的大小定义为梅雨锋的锋面强度。

锋生函数是量化锋生强度的物理量，涉及水平运动、垂直运动、非绝热变化和摩擦等因子，共同作用导致锋的形成或加强。本研究采用p坐标系下Miller锋生计算公式（Miller，1948）：

T = \frac{d}{d t} |\nabla θ_{e}| = T_{1} + T_{2} + T_{3} + T_{4} \circ

(1)

其中，

T_{1} = - \frac{\frac{\partial θ_{e}}{\partial x} \frac{\partial}{\partial x} (\frac{d θ_{e}}{d t}) + \frac{\partial θ_{e}}{\partial y} \frac{\partial}{\partial y} (\frac{d θ_{e}}{d t})}{|\nabla θ_{e}|},

(2)

T_{2} = - \frac{(\frac{\partial w}{\partial x} \frac{\partial θ_{e}}{\partial x} + \frac{\partial w}{\partial y} \frac{\partial θ_{e}}{\partial y}) \frac{\partial θ_{e}}{\partial p}}{|\nabla θ_{e}|},

(3)

\begin{matrix} T_{3} = - \frac{1}{|\nabla θ_{e}|} \cdot \\ \{\frac{1}{2} [{(\frac{\partial θ_{e}}{\partial x})}^{2} - {(\frac{\partial θ_{e}}{\partial y})}^{2}] (\frac{\partial u}{\partial x} - \frac{\partial v}{\partial y}) + \frac{\partial θ_{e}}{\partial x} \frac{\partial θ_{e}}{\partial y} (\frac{\partial v}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y})\}, \end{matrix}

(4)

T_{4} = - \frac{1}{2 |\nabla θ_{e}|} [{(\frac{\partial θ_{e}}{\partial x})}^{2} + {(\frac{\partial θ_{e}}{\partial_{y}})}^{2}] (\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y}) 。

(5)

式（1）中：T为锋生函数，T＞0表示锋生，T＜0表示锋消。影响锋生的主要因子包括其右端四项。T₁为非绝热加热项，即锋面两侧非绝热加热梯度产生的锋生作用；T₂为倾斜项，表示沿已存在的温度梯度方向垂直速度梯度产生的锋生或锋消；T₃为形变项，其中

\frac{\partial u}{\partial x} - \frac{\partial v}{\partial y}

为伸缩变形，

\frac{\partial v}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y}

为切变变形；T₄为散度项，表示在温度梯度方向的水平辐合（辐散）产生的水平温度梯度的增加（减弱）（徐亚钦等，2019；金小霞等，2023）。

2 强降水事件及锋区特征

2.1 2020年梅雨期降水特征

根据国家气候中心监测，2020年江淮梅雨期起止时间为6月1日—8月2日。图1给出了2020年江淮梅雨期累积降水空间分布和时间演变情况。首先将CMORPH格点数据插值到站点上，对比CMORPH对站点降水的再现能力，发现两者在空间分布、量级上都较为接近（图1a、b）；CN05.1格点数据得到的降水主要集中在28°~32°N附近，存在两个超过1 300 mm的降水大值中心（图1c）。具有较高分辨率的CMORPH数据在对梅雨期内总降水量和强降水区位置上有较强的描述能力（图1d），与CN05.1观测数据一致，两者空间相关系数达0.971。图中黑框区域（110°~122°E，28°~34°N）为传统梅雨区域（胡娅敏等，2008）。

图12020年江淮梅雨期累积降水量（单位：mm；a.站点观测；b.CMORPH插值到站点的结果；c.CN05.1格点数据；d.CMORPH格点数据）以及江淮地区梅雨区平均降水量逐日演变（e; 单位：mm·d^-1；实线：CMORPH，点线：CN05.1）。c、d中黑框为江淮流域梅雨区（110°~122°E，28°~34°N）

Fig.1Accumulated precipitation during the2020 Jianghuai Meiyu period (units: mm) : (a) station observations, (b) CMORPH interpolated to stations, (c) CN05.1 gridded data, and (d) CMORPH gridded data. (e) Daily evolution of basin-averaged precipitation over the Meiyu region (units: mm·d^-1; solid line:CMORPH, dashed line:CN05.1) .The black boxes in panels (c) and (d) denote the Jianghuai Meiyu basin domain (110°—122°E, 28°—34°N)

进一步分析CMORPH数据对降水逐日演变的再现能力。对比江淮地区（图1c、d中黑框）梅雨期内区域平均日降水量（图1e），发现CN05.1和CMORPH数据在降水的时间演变上有高相关的对应关系，相关系数达0.988。但在个别时刻，CMORPH刻画的降水略低于CN05.1。两套数据中，梅雨期日降水量在不同时间段均呈现出显著波动特征，其中最强的两次过程出现在6月末（6月26日—7月1日）和7月中旬（7月17—20日）。两次过程区域日平均降水量最大值均超过25 mm·d^-1。

2.2 梅雨锋锋面结构与降水的关系

梅雨期降水异常与梅雨锋强度密切相关。图2展示了梅雨期锋区强度空间分布以及2020年锋区异常特征。结果表明，2020年梅雨锋呈现显著的纬向分布特征（图2a），其空间分布形态与1991—2020年气候态基本一致（图2b）。值得注意的是，2020年梅雨锋强度显著强于气候态（图2c），锋区异常的强中心位于30°~34°N。这一异常特征可能是导致2020年梅雨期降水极端性事件频发的重要原因。

图22020年梅雨期内锋区强度（a）、1991—2020年30 a梅雨期平均锋区强度（b）以及2020年锋区强度异常（c）（单位：10^-5 K·m^-1）

Fig.2Intensity of the frontal zone during the Meiyu period for (a) 2020, (b) the30-year climatological mean (1991—2020) , and (c) the2020 anomaly (units: 10^-5 K·m^-1)

本研究主要针对伴随锋区且变率较大的强降水事件进行分析，因此还需要对降水事件进行进一步的筛选。图3a、b分别给出了6月末（6月26日至7月1日）和7月中旬（7月17日至7月20日）两次强降水事件中850 hPa锋区强度和降水量的时间-纬度剖面（110°~122°E平均）。从梅雨锋扰动特征出发（图3a），在2020年6月27日21时（世界时，下同；以下简称2721），梅雨锋区强盛，降水强度最强；此后，锋区北抬，在6月28日22时（以下简称2822）到达最北位置；之后迅速南撤，在6月30日00时（以下简称3000），重新达到锋区和降水峰值。计算降水峰值所在纬度与梅雨锋强度峰值所在纬度间的相关系数，以此表征梅雨锋扰动与降水扰动之间的关联，发现相关系数可达0.56，表明梅雨锋位置移动与雨带位置变化间的强烈相关性。在第二个事件中（图3b），尽管降水强度强，但其北侧并无明显锋区，说明该事件不是典型的锋面降水，因此在接下来的研究中，主要分析发生于6月末与锋面直接联系的强降水事件。

图3c为6月26日—7月1日累计降水量，可见降水主要集中于长江中下游地区，过程总降水量极值超过300 mm，除30°N以北存在明显雨带外，在30°N以南也存在一条弱雨带，在其他区域还存在一些分散降水。CMORPH给出的降水逐时演变（图3d）表明，在该次持续性降水过程中，降水强度在小时尺度表现出多次波动的现象，过程降水存在3个极大值，这可能是对流活动反复触发的结果。

图4给出了6月26日—7月1日强降水事件中3个典型时刻850 hPa锋区强度及降水分布。在2721时刻（图4a），锋区位置在31°N以北区域（图中黑框区域，112°~122°E、31°~36°N），锋区强度较强，强降水区域位于锋区南部的西南气流中，锋区呈现明显的暖式切变，略呈西北-东南走向；在2822时刻（图4b），存在两个中心，分别位于33°~34°N和30°~31°N。考虑到偏北的中心已经东移入海，降水观测数据的缺失不利于分析降水与锋面扰动的关系，因此不作赘述。南部中心（图中黑框区域，111°~116°E、29°~31.5°N）是由锋生作用形成的新生锋区，与降水有较好的对应关系，呈现出冷式切变特征，东北-西南走向，与其他两个时次共同构成了暖式、冷式和静止锋式3种切变类型；在3000时刻（图4c），上述锋区强度增强、南压（图中黑框区域，113°~122°E、28.5°~30.5°N），同时雨带南落至28°N附近。锋区上为西北风和西南风的汇合，锋区纬向特征明显。

图4d—f为上述3个时刻的亮温分布。强锋区南侧亮温较低，强中心低于223 K，其中2721时刻，亮温低于201 K。黄勇等（2013）研究认为，亮温低于201 K时为深对流云，201~223 K时为产生暴雨的对流云。因此，在此次强降水过程中，对流活动旺盛，结合图3d，可以认为，强对流本身的局地性和突发特性可能是降水扰动的原因之一。

3 强降水过程中梅雨锋锋生特征及成因

3.1 低层锋生特征

强降水过程常与梅雨锋的低层锋生关系密切。进一步分析850 hPa锋生函数与强降水之间的关系（图5）发现，未来1 h降水位于锋生区域南侧，一般来说，锋生强度越强，未来1 h降水越强烈。在2721时刻（图5a），锋生作用最强，结合图3b可知，该时刻锋区和锋生大值区均呈西北-东南走向；在2822时刻（图5b），锋生大值区略呈东北-西南走向；而在3000时刻（图5c），北侧的强锋生区并无显著降水，在28°~30°N之间存在一条东西走向相对较弱锋生区，对应了纬向的降水区。

图36月26日—7月1日（a）和7月17—21日（b）逐小时降水强度（灰色阴影；单位: mm·h^-1）和850 hPa锋区强度（等值线；单位：10^-5K·m^-1）的纬度-时间剖面（110°~122°E平均）以及6月26日—7月1日累计降水量（c; CMORPH; 单位：mm）和区域平均降水量逐小时演变（d; CMORPH; 单位：mm·h^-1）。a中三条黑色实线分别代表6月27日21时（2721）、6月28日22时（2822）以及6月30日00时（3000）

Fig.3Latitude-time cross-sections of hourly precipitation (shadings; units: mm·h^-1) and 850 hPa frontal zone intensity (contours; units: 10^-5 K·m^-1) averaged over 110°—122°E during (a) 26 June—1 July and (b) 17—21 July. (c) Accumulated precipitation (CMORPH; units: mm) and (d) hourly evolution of regionally averaged precipitation (CMORPH; units: mm·h^-1) during26 June—1 July.The three black solid lines in panel (a) denote2100 UTC 27 June (2721) , 2200 UTC 28 June (2822) , and 0000 UTC 30 June (3000)

为分析锋生成因，图6给出了非绝热加热项T₁（图6a1—c1）、倾斜项T₂（图6a2—c2）、形变项T₃（图6a3—c3）以及散度项T₄（图6a4—c4）在3个时刻的水平分布。对于2721时刻，非绝热加热项与总锋生函数分布高度一致，贡献明显最大，次之为倾斜项以及形变项；在2822时刻，非绝热加热项和形变项均对总锋生为正贡献，但倾斜项则为负贡献，不利于锋生；在3000时刻，850 hPa总锋生主要取决于形变项。可见，形变项在三个时刻均有较大正贡献，进一步的分析表明，形变项中的伸缩项强度显著强于切变项（图略）。

3.2 锋生垂直结构

进一步围绕锋面结构与降水配置较好的区域（图4中黑框所示）分析锋生垂直特征。图7a—c给出锋区强度和总锋生函数的纬度-高度剖面。图7a表明，在2721时刻，锋区和锋生大值区主要位于600 hPa以下，尤其是900 hPa附近，随高度略向南倾斜，且未来1 h降水强度偏强，雨区位置在锋生区南部；在2822时刻（图7b），对流层低层和中层分别存在两个锋区和锋生大值区，未来1 h降水区域与低层锋生区域重合，锋区和锋生均随高度向北倾斜；在3000时刻（图7c）出现了两个锋生大值区，35°N的锋生大值区对应的锋区结构较弱，距离降水区以及未来降水区均较远，因此主要分析南部锋区强度和锋生都较强的30°N附近区域，该区域与未来1 h降水相对应的最强锋区位于700~600 hPa，锋生区域主要位于800 hPa，降水位于锋生区南部。图7还表明，锋区强度和锋生强度均较大的区域对于未来降水具有更强的指示意义。其中在暖式切变型锋生和冷式切变型锋生时刻，垂直经向环流更为强烈。从水汽条件来看，2721时刻（图7d），水汽条件最为充沛，2822时刻（图7e），比湿大值中心位置偏南，而在3000时刻（图7f），比湿大值中心位置最靠南侧，在未来1 h降水大值区，均存在较深厚的湿层，配合锋生共同形成了降水的必要条件。同时，在图7c中，35°N附近的锋生大值区，水汽条件明显不足，限制了降水的生成。

图4850 hPa锋区强度（等值线; 单位：10^-5 K·m^-1）、风场（风羽）及降水强度（灰色阴影；单位：mm·h^-1）（a—c；黑色框标出锋面结构与强降水高相关性区域：a.112°~122°E、31°~36°N；b.111°~116°E、29°~31.5°N；c.113°~122°E、28.5°~30.5°N）以及为对应时刻的亮温分布（d—f；填色，单位：K）：（a、d）2721；（b、e）2822；（c、f）3000

Fig.4(a—c) 850 hPa frontal intensity (contours；units: 10^-5K·m^-1) , wind field (barbs) , and precipitation rate (shadings；units: mm·h^-1) .Black boxes denote regions of strong coupling between frontal structure and heavy precipitation: (a) 112°—122°E，31°—36°N; (b) 111°—116°E，29°—31.5°N; (c) 113°—122°E，28.5°—30.5°N. (d—f) Corresponding brightness temperature distributions (shadings; units: K) ： (a, d) 2721； (b, e) 2822； (c, f) 3000

图5850 hPa总锋生函数（灰色阴影; 单位：K·s^-1·m^-1）和未来1 h降水量大于10 mm区域（粗黑实线）（斜线部分表示灰色阴影数值小于0）：（a）2721；（b）2822；（c）3000

Fig.5Total frontogenesis function at 850 hPa (gray shadings; units: K·s^-1·m^-1) and areas with 1-hour accumulated precipitation exceeding10 mm (thick black contours) at (a) 2721, (b) 2822, (c) 3000.Hatched regions indicate negative values of the frontogenesis function

图8给出了锋生函数右端各项的纬度-高度剖面图以及关键的影响因子，可见，在2721时刻（图8a1—a4），非绝热加热导致两个锋生大值区，主要在对流层低层的900 hPa附近和600 hPa附近，其中600 hPa附近的锋生区位于900 hPa锋区南侧，这可能是锋区强度以及总锋生函数随高度向南倾斜的主要原因。此外形变项是800 hPa附近锋生的主要因子，伸缩变形大值区与形变项中心吻合。尽管散度项随高度向北倾斜，但其强度较弱。倾斜项的强度也相对较弱，仅在近地面能够加强锋生。

图6850 hPa锋生函数各项（灰色阴影; 单位：K·s^-1·m^-1）和未来1 h降水量大于10 mm区域（粗黑实线）。a1—a4分别表示2721时刻非绝热加热项T₁、倾斜项T₂、形变项T₃以及散度项T₄；b1—b4同a1—a4，但为2822时刻；c1—c4同a1—a4，但为3000时刻。其中斜线部分表示灰色阴影数值小于0

Fig.6Components of the850 hPa frontogenesis function (gray shadings; units: K·s^-1·m^-1) and areas with 1-hour accumulated precipitation exceeding10 mm (thick black contours) .Panels (a1—a4) , (b1—b4) , and (c1—c4) show the diabatic heating term (T₁) , tilting term (T₂) , deformation term (T₃) , and divergence term (T₄) at 2721, 2822, and 3000, respectively.Hatched regions indicate negative values

在2822时刻（图8b1—b4），非绝热加热、形变项和散度项均随高度向北倾斜，从而导致总锋生函数和锋区随高度的向北倾斜。其中形变项作用最强，非绝热加热贡献次之，散度项和倾斜项的贡献较弱。

在3000时刻（图8c1—c4），600 hPa以下，非绝热加热在35°N附近以及29°N附近分别引起锋生，其中在29°N的锋生区南侧对应更为明显的降水。非绝热加热项的锋生作用主要体现在800~600 hPa，这主要是因为其南部为非绝热加热，与其北侧形成较大梯度。倾斜项和形变项在28°N附近都对应锋生作用，其中形变项有最大正贡献。

总体来说，在对应不同切变类型的3个时刻，形变项和非绝热加热项都具有较大贡献。非绝热加热项随高度的分布情况决定了锋面和锋生的垂直结构，形变项的分布则与伸缩形变密切相关。

4 结论和讨论

本文选择2020年6月26日到7月1日发生在江淮地区的一次伴随强烈扰动特征的持续性强降水过程，分析了其对应的梅雨锋锋面结构，揭示了不同阶段锋生成因。主要结论如下。

1）在此次强降水事件中，雨带南北扰动，梅雨锋经历了由暖式切变引起的北抬、冷式切变锋生导致的迅速南落，最终逐渐演变为静止锋式切变的过程。

2）降水区域主要位于850 hPa锋区南侧的暖区，具有强烈的深对流性质。在梅雨锋结构变化过程中，梅雨锋附近的降水随着梅雨锋不同切变类型所分布的位置和强度也存在不同，其中伴随暖式切变的梅雨锋结构所产生的降水强度更强、范围更广，这源于更加充沛的水汽条件。

3）低层锋生区对未来1 h降水具有较强的指示意义。此次强降水过程中，暖式切变型锋生在非绝热加热作用下，随高度略呈南倾；冷式切变型锋生在形变项作用下，随高度向北倾斜；准静止锋式锋生在非绝热加热和形变项作用下，呈现出高低空一致的结构。

图7纬度-高度剖面：（a—c）2721、2822和3000时刻的锋面强度（等值线; 单位：10-5 K·m-1）、经向环流（箭矢; 经向风单位：m·s^-1，垂直速度乘以-1，单位：10^-1 Pa·s^-1）、总锋生函数（灰色阴影；单位：K·s^-1·m^-1）及未来1 h降水量（黑色粗实线；单位：mm）。其中（a）为112°~122°E平均，（b）为111°~116°E平均，（c）为113°~122°E平均。（d—f）对应时刻和区域的比湿分布（单位：kg·kg^-1）。其中斜线部分表示灰色阴影数值小于0

Fig.7Latitude-height cross-sections of (a—c) frontal intensity (contours；units: 10^-5 K·m^-1) , meridional circulation (vectors；meridional wind units: m·s^-1, vertical velocity multiplied by-1, units:10^-1 Pa·s^-1) , total frontogenesis function (grey shadings; units: K·s^-1·m^-1) , and 1-hour accumulated precipitation (thick black line; units: mm) at 2721, 2822, and 3000, respectively.Sections are averaged over (a) 112°—122°E, (b) 111°—116°E, and (c) 113°—122°E. (d—f) Corresponding specific humidity distributions (units:kg·kg-1) at the same times and longitudes.Hatched regions indicate negative values

从整体来看，此次强降水从暖式切变到冷式切变，最终演变为静止锋式切变的过程中，梅雨锋的切变类型和锋生机制的变化直接影响了降水的时空分布和强度变化。暖式切变阶段偏南气流为强降水的爆发提供了充沛的动力和水汽条件，并进一步加强锋区强度；冷式切变阶段则导致锋区的南移和新生锋区的形成，降水区域随之南落，而静止锋式切变阶段的形成则标志着降水过程的逐渐稳定。

本文主要从热力学锋生角度强调了非绝热加热和形变项在强降水过程低层锋生扰动中的作用。然而值得注意的是，强降水过程中的非绝热加热必然会影响高低层的气压场、涡度、散度变化，从而可能间接影响锋生，并进一步反馈至降水，这中间的物理过程值得进一步探究。

图82721时刻非绝热加热（等值线; 单位：J·kg^-1·s^-1）以及非绝热加热项T₁（灰色阴影; 单位：K·s^-1·m^-1）的纬度-高度剖面（a1）；2721时刻垂直环流（箭矢; 经向风单位：m·s^-1，垂直速度乘以-1，单位：10^-1 Pa·s^-1）、相当位温（等值线; 单位：K）以及倾斜项T₂（灰色阴影）的纬度-高度剖面（a2）；2721时刻伸缩变形（等值线; 单位：10^-5s^-1）和形变项T₃（灰色阴影）的纬度-高度剖面（a3）；2721时刻散度（等值线; 单位：10^-5s^-1）以及散度项T₄（灰色阴影）的纬度-高度剖面（a4）。b1—b4以及c1—c4同a1—a4，但分别为2822时刻以及3000时刻。黑色粗实线表示未来1 h降水量（右侧纵坐标，单位：mm）；斜线部分表示灰色阴影数值小于0

Fig.8Latitude-height cross-sections illustrating components of the frontogenesis function: (a1) diabatic heating (contours; units: J·kg^-1·s^-1) and diabatic heating term T₁ (shadings; units: K·s^-1·m^-1) ; (a2) vertical circulation (arrows; meridional wind units: m·s^-1, vertical velocity multiplied by-1, units:10^-1 Pa·s^-1) , equivalent potential temperature (contours; units: K) , and tilting term T₂ (shadings) ; (a3) stretching deformation (contours; units: 10^-5s^-1) and deformation term T₃ (shadings) ; (a4) divergence (contours; units: 10^-5s^-1) and divergence term T₄ (shadings) .Panels (b1—b4) and (c1—c4) correspond to the same variables at 2822 and 3000, respectively.The thick black line represents the1-hour future precipitation (right ordinate; units: mm) .Hatched areas indicate negative values

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图22020年梅雨期内锋区强度（a）、1991—2020年30 a梅雨期平均锋区强度（b）以及2020年锋区强度异常（c）（单位：10^-5 K·m^-1）

Fig.2Intensity of the frontal zone during the Meiyu period for (a) 2020, (b) the30-year climatological mean (1991—2020) , and (c) the2020 anomaly (units: 10^-5 K·m^-1)

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图22020年梅雨期内锋区强度（a）、1991—2020年30 a梅雨期平均锋区强度（b）以及2020年锋区强度异常（c）（单位：10^-5 K·m^-1）

Fig.2Intensity of the frontal zone during the Meiyu period for (a) 2020, (b) the30-year climatological mean (1991—2020) , and (c) the2020 anomaly (units: 10^-5 K·m^-1)

图(8)

引用本文

黄乾，闫慧耀,2026.梅雨强降水过程中锋面结构扰动特征及成因[J].大气科学学报,49(2):359-369.

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Huang Q, Yan H Y,2026.Characteristics and mechanisms of frontal structure disturbances during a heavy rainfall event in the Meiyu season[J].Trans Atmos Sci,49(2):359-369.DOI：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20250102001.(in Chinese).

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图22020年梅雨期内锋区强度（a）、1991—2020年30 a梅雨期平均锋区强度（b）以及2020年锋区强度异常（c）（单位：10^-5 K·m^-1）

Fig.2Intensity of the frontal zone during the Meiyu period for (a) 2020, (b) the30-year climatological mean (1991—2020) , and (c) the2020 anomaly (units: 10^-5 K·m^-1)

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