齊道日娜 何立富 王秀明 陳 雙

1)(中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院， 北京 100081) 2)(國家氣象中心， 北京 100081)

引 言

極端暴雨事件發(fā)生概率較氣候平均態(tài)顯著偏小，且具有罕見的降水量和極高的致災(zāi)性，常導(dǎo)致重大災(zāi)害，是氣象學(xué)界的研究熱點(diǎn)。隨著氣候變暖，很多地區(qū)降水氣候態(tài)趨向極端化走勢(shì)，極端天氣事件發(fā)生頻數(shù)明顯增多[1-4]；我國夏季極端降水事件具有地域性特征，北方暴雨與南方暴雨在天氣尺度系統(tǒng)配置、中低緯度系統(tǒng)相互作用和水汽輸送特征等方面均存在顯著差異[5-7]。對(duì)于我國北方地區(qū)極端強(qiáng)降水過程的環(huán)流配置，研究多采用主觀分型方法，環(huán)流型大致可劃分為4～6類[8-9]；采用客觀分型方法研究認(rèn)為，穩(wěn)定經(jīng)向型與臺(tái)風(fēng)影響型的聚類比例最高[10-11]。不同環(huán)流型的極端暴雨過程對(duì)應(yīng)的鋒面動(dòng)力學(xué)特征、大氣層結(jié)穩(wěn)定度、水汽輸送通道以及高低空急流耦合等方面存在明顯差異，部分觀測(cè)事實(shí)表明：引發(fā)北方極端暴雨的最主要影響系統(tǒng)是低渦和臺(tái)風(fēng)，歷史上造成重大自然災(zāi)害的“63·8”華北特大暴雨[12]、2012年“7·21”北京極端暴雨[13]以及2016年“7·20”北京特大暴雨[14]均與低渦系統(tǒng)的發(fā)展和移動(dòng)有關(guān)；登陸臺(tái)風(fēng)造成的極端暴雨事件更為頻繁，遠(yuǎn)距離極端暴雨甚至影響東北和華西地區(qū)[15-19]。歷史罕見的1975年8月河南特大暴雨事件(“75·8”暴雨)主要受7503號(hào)臺(tái)風(fēng)活動(dòng)影響[20]。雷雨順[21]總結(jié)華北地區(qū)經(jīng)向型大暴雨的環(huán)流特征認(rèn)為，暴雨區(qū)北部和東部雙阻塞高壓所構(gòu)成的穩(wěn)定環(huán)流形態(tài)是經(jīng)向型特大暴雨長時(shí)間維持的主要能量來源。對(duì)2012年“7·21”北京特大暴雨事件分析指出，斜壓系統(tǒng)發(fā)展、對(duì)流不穩(wěn)定加強(qiáng)、水平濕斜壓增大和凝結(jié)潛熱加熱等是驅(qū)動(dòng)此次極端暴雨的重要因素，充沛的水汽更多來自偏南季風(fēng)暖濕輸送帶[22-24]；此次降水過程由暖區(qū)降水和鋒面降水組成，極端降水成因在于極為充沛的水汽、對(duì)流不穩(wěn)定及低質(zhì)心高效率的對(duì)流系統(tǒng)[25-27]。數(shù)值模擬和觀測(cè)分析對(duì)北上臺(tái)風(fēng)極端暴雨事件的相關(guān)研究也取得一定進(jìn)展[28-31]，臺(tái)風(fēng)頂端與外圍冷空氣結(jié)合導(dǎo)致動(dòng)力場(chǎng)和熱力場(chǎng)的非對(duì)稱分布與極端強(qiáng)降水的落區(qū)密切相關(guān)；邊界層急流持久的水汽輸送、深厚暖云層和大粒徑降水粒子分布以及垂直風(fēng)切變小均有利于極端暴雨的產(chǎn)生。此外，對(duì)極端暴雨過程中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)及傳播、多尺度系統(tǒng)特征以及地形作用等方面相關(guān)研究表明：極端暴雨中的列車效應(yīng)多發(fā)生在緩慢移動(dòng)的季風(fēng)低壓區(qū)，鋒前暖區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的中尺度輻合線以及邊界層925 hPa偏南暖濕氣流脈動(dòng)是極端強(qiáng)降水過程中列車效應(yīng)形成的原因[32-38]。在目前預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，集合預(yù)報(bào)極端天氣指數(shù)的釋用技術(shù)是預(yù)報(bào)極端強(qiáng)降水較為可行的方法[39-41]。

2021年7月17—22日河南省出現(xiàn)歷史罕見的極端強(qiáng)降水事件，全省20多個(gè)縣(市)日降水量突破歷史極值，鶴壁地區(qū)過程降水量達(dá)1122.6 mm，鄭州站最大小時(shí)降水量(201.9 mm)突破中國大陸地區(qū)歷史極值。此次極端強(qiáng)降水過程造成河南多地出現(xiàn)特大洪澇災(zāi)害，部分水利工程受損，城市運(yùn)行和交通等受到嚴(yán)重影響，出現(xiàn)重大人員傷亡與經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。

“7·20”河南極端暴雨發(fā)生在中心位于日本海附近強(qiáng)盛的西北太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)與位于我國西北東部至內(nèi)蒙古中西部的大陸高壓之間鞍型場(chǎng)弱背景條件下，與歷史上發(fā)生在低渦、低槽或深入內(nèi)陸的臺(tái)風(fēng)等典型天氣系統(tǒng)影響下的極端降水過程顯著不同。此次極端暴雨事件發(fā)生在500 hPa兩個(gè)反氣旋高壓南側(cè)之間的弱低壓區(qū)，類似沿海地區(qū)的東風(fēng)波系統(tǒng)，中緯度斜壓系統(tǒng)對(duì)其影響微弱。低層無明顯低空急流和低渦系統(tǒng)發(fā)展，僅表現(xiàn)為偏東風(fēng)與一支顯著東南風(fēng)氣流形成的東風(fēng)切變線。由于天氣背景和影響系統(tǒng)呈現(xiàn)出非典型性弱環(huán)境場(chǎng)特征，導(dǎo)致此次過程可預(yù)報(bào)性偏低。國內(nèi)外主流業(yè)務(wù)數(shù)值模式在中期時(shí)段(4～10 d)對(duì)影響系統(tǒng)和暴雨落區(qū)的預(yù)報(bào)極不穩(wěn)定，僅在短期時(shí)段預(yù)報(bào)體現(xiàn)出可用性，但強(qiáng)度明顯偏弱(日最大降水量為130～150 mm)、落區(qū)明顯偏西，盡管中國氣象局中央氣象臺(tái)提前3 d對(duì)此次過程暴雨落區(qū)做出較準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，并參考高分辨率中尺度模式將24 h降水量極值的預(yù)報(bào)訂正到300 mm，但與實(shí)況(777.5 mm)相比仍不足一半，且對(duì)過程降水量和極端性明顯低估，導(dǎo)致對(duì)災(zāi)害影響程度的預(yù)判嚴(yán)重不足。由此可見，此次發(fā)生在弱環(huán)境條件下非典型性影響系統(tǒng)產(chǎn)生的極端暴雨仍有很多科學(xué)問題需要深入探究。

本文利用逐小時(shí)和分鐘降水資料、FY-4A 衛(wèi)星高分辨率紅外TBB(temperature of black body)資料、多普勒天氣雷達(dá)資料和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5再分析資料對(duì) “7·20”河南極端持續(xù)性暴雨過程獨(dú)特的背景條件、影響系統(tǒng)熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)和發(fā)展維持機(jī)制、中尺度對(duì)流系統(tǒng)精細(xì)結(jié)構(gòu)及發(fā)生發(fā)展等方面進(jìn)行深入探討，揭示此次極端強(qiáng)降水產(chǎn)生的天氣動(dòng)力學(xué)成因，為進(jìn)一步提高業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)能力、減輕災(zāi)害損失提供參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

本文所用診斷分析資料是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的1979—2021年7月19—21日ERA5逐時(shí)再分析資料[42]，氣象要素包括位勢(shì)高度、溫度、緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、垂直速度和比濕，水平分辨率為0.25°×0.25°，1000 hPa至100 hPa共21層。本文所用觀測(cè)資料包括2021年7月18—22日地面區(qū)域自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料、鄭州站分鐘降水量觀測(cè)資料、FY-4A氣象衛(wèi)星逐小時(shí)高分辨率TBB資料和中國區(qū)域逐5 min加強(qiáng)觀測(cè)資料、鄭州和洛陽多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)資料。

1.2 方 法

對(duì)于極端降水事件，其環(huán)流形勢(shì)和要素場(chǎng)的極端性常用標(biāo)準(zhǔn)化異常(Ds)[43]表示，即由距平大于標(biāo)準(zhǔn)差一定倍數(shù)的值表示：

Ds=(F-M)/σ。

(1)

式(1)中，Ds為標(biāo)準(zhǔn)化異常(表示變量場(chǎng)偏離氣候態(tài)的程度)，F(xiàn)為變量場(chǎng)某一時(shí)刻的值，M為變量場(chǎng)某一時(shí)刻的多年平均(1979—2020年)，σ為變量場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)差。一般將Ds≥3視為具有極端性。

利用ω方程可對(duì)低層系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展進(jìn)行診斷對(duì)比分析，有利于區(qū)分各物理過程對(duì)降水過程發(fā)展的貢獻(xiàn)，本文采用不考慮非絕熱加熱的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)ω方程[44]：

(2)

式(2)中，κ為層結(jié)穩(wěn)定度參數(shù)，f為地轉(zhuǎn)參數(shù)，p為氣壓，Vg為地轉(zhuǎn)風(fēng)，ζg為相對(duì)渦度，φ為位勢(shì)高度。方程等號(hào)右側(cè)第1項(xiàng)為渦度平流項(xiàng)，第2項(xiàng)為溫度平流項(xiàng)。

水平變形對(duì)特定環(huán)流型鋒區(qū)發(fā)展和維持起重要作用，取假相當(dāng)位溫θse為氣象參數(shù)，p坐標(biāo)系中水平變形鋒生函數(shù)FG[44]：

(3)

2 極端強(qiáng)降水實(shí)況和鄭州站分鐘降水特征

2021年7月18—22日河南中北部、山西東南部以及河北西南部沿太行山東側(cè)等地出現(xiàn)強(qiáng)降水。特別是河南中北部連續(xù)4 d出現(xiàn)持續(xù)性暴雨，大部地區(qū)累積降水量為200～400 mm，其中鄭州、許昌、平頂山、新鄉(xiāng)、焦作、鶴壁、安陽等地達(dá)500～700 mm。此次強(qiáng)降水過程是一次極端暴雨事件，極端性主要體現(xiàn)在過程總降水量、日降水量和小時(shí)降水強(qiáng)度等方面。7月18—22日累積降水量(圖1a，時(shí)間為北京時(shí)，下同)極值中心主要分布在鄭州、新鄉(xiāng)和鶴壁，降水量超過800 mm，最大累積降水量位于鶴壁市淇濱區(qū)，過程降水量達(dá)1122.6 mm。對(duì)于24 h降水量(圖1b)，此次過程有20個(gè)站日降水量突破歷史極值，其中5個(gè)站超過600 mm，鶴壁最大局地日降水量達(dá)777.5 mm。此次過程極端性在鄭州更加凸顯，全市共有10個(gè)站過程降水量超過當(dāng)?shù)啬昶骄邓?。鄭州站最大日降水量?24.1 mm，為歷史最大日降水量(184.1 mm)的3.39倍。

由鄭州站小時(shí)降水量實(shí)況(圖1c)可知，最強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)在7月20日白天至夜間；24 h內(nèi)有10個(gè)小時(shí)降水強(qiáng)度超過20 mm·h-1；最強(qiáng)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在15:00—18:00，小時(shí)降水強(qiáng)度分別為60 mm·h-1，201.9 mm·h-1和49 mm·h-1，其中16:00—17:00降水量達(dá)201.9 mm，超過中國大陸地區(qū)小時(shí)降水量歷史極值。由7月20日15:00—17:59鄭州站午后最強(qiáng)3 h短時(shí)強(qiáng)降水逐分鐘實(shí)況監(jiān)測(cè)(圖1d)可知，15:30—17:30鄭州站分鐘降水量為1 mm以上；15:50—17:10分鐘降水量約為2 mm，其對(duì)應(yīng)的5 min降水量超過10 mm；在小時(shí)降水最強(qiáng)的16:00—17:00，分鐘降水量為3～4.7 mm， 5 min降水量達(dá)13～21 mm?？梢姡嵵菡痉昼娊邓?5 min 降水精細(xì)分布與最大小時(shí)降水強(qiáng)度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，極端小時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn)與持續(xù)高強(qiáng)度的分鐘降水密不可分。

圖1 2021年7月18—22日強(qiáng)降水監(jiān)測(cè)(a)18日08:00—22日08:00累積降水量，(b)20日08:00—21日08:00累積降水量，(c)19日08:00—22日08:00鄭州站逐小時(shí)降水量，(d)20日15:00—17:59鄭州站逐分鐘降水(柱狀)和5 min累積降水時(shí)序圖(藍(lán)色實(shí)線)Fig.1 Monitoring of heavy rainfall from 18 Jul to 22 Jul in 2021(a)the accumulative rainfall from 0800 BT 18 Jul to 0800 BT 22 Jul，(b)the rainfall from 0800 BT 20 Jul to 0800 BT 21 Jul,(c)hourly rainfall of Zhengzhou Station from 0800 BT 19 Jul to 0800 BT 22 Jul,(d)minutely rainfall(the column) and accumulative rainfall in 5 minutes(the blue solid line) of Zhengzhou Station from 1500 BT to 1759 BT on 20 Jul

3 鞍型場(chǎng)環(huán)流系統(tǒng)配置及異常特征

由500 hPa高度場(chǎng)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)及其標(biāo)準(zhǔn)化異常分布(圖2)可知，2021年7月19日08:00副高發(fā)展強(qiáng)盛且呈方頭狀形態(tài)，位置顯著偏北；其中心位于日本海附近，588 dagpm西脊線伸至吉林東北部，同時(shí)覆蓋青藏高原東部至西北地區(qū)的大陸高壓中心位于內(nèi)蒙古中部，強(qiáng)度較副高偏弱。標(biāo)準(zhǔn)差分布顯示，兩個(gè)高壓強(qiáng)度未達(dá)到極端性標(biāo)準(zhǔn)。河南處在副高與大陸高壓之間的穩(wěn)定鞍型場(chǎng)背景下，極端暴雨事件主要影響系統(tǒng)為500 hPa“兩高”之間的弱低壓區(qū)，中緯度斜壓系統(tǒng)影響并不明顯；在低緯度地區(qū)，臺(tái)風(fēng)煙花(2106)(簡稱臺(tái)風(fēng)煙花)位于臺(tái)灣島以東洋面(132°E)，沿西偏北方向向東海南部海域移動(dòng)，強(qiáng)度緩慢加強(qiáng)。就標(biāo)準(zhǔn)差而言，臺(tái)風(fēng)煙花中心強(qiáng)度具有較強(qiáng)極端性特征；850 hPa上，來自華東沿海的東南風(fēng)氣流與偏東風(fēng)在河南中東部形成偏東風(fēng)切變線，低層偏東氣流的加強(qiáng)，不但有利于切變線輻合抬升的加強(qiáng)，也為極端暴雨事件提供來自東部海區(qū)持續(xù)充沛的水汽輸送。7月20日08:00副高明顯西伸，588 dagpm線抵達(dá)華東沿海至東北地區(qū)中部；位于華西地區(qū)至內(nèi)蒙古中部的大陸高壓則穩(wěn)定少動(dòng)；由于長時(shí)間處在“兩高對(duì)峙”的穩(wěn)定鞍型場(chǎng)背景，導(dǎo)致850 hPa上偏東風(fēng)切變線系統(tǒng)長時(shí)間在河南中西部停滯少動(dòng)；臺(tái)風(fēng)煙花已加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)并繼續(xù)緩慢向東海海域靠近；由于副高明顯西伸和臺(tái)風(fēng)煙花加強(qiáng)西行及相互作用，二者之間氣壓梯度加大導(dǎo)致低層850 hPa上偏東風(fēng)氣流持續(xù)加強(qiáng)，東南支氣流風(fēng)速達(dá)到8～14 m·s-1，使位于河南中西部的低層切變線也明顯加強(qiáng)，同時(shí)河南西部伏牛山和南太行山東側(cè)的迎風(fēng)坡地形條件的阻擋及動(dòng)力抬升，也有利于低層切變線系統(tǒng)持續(xù)長時(shí)間維持和加強(qiáng)。21日08:00副高進(jìn)一步加強(qiáng)西伸，588 dagpm線西脊側(cè)進(jìn)入山東半島西部，西環(huán)大陸高壓強(qiáng)度減弱；臺(tái)風(fēng)煙花加強(qiáng)西移，移速加快，逐漸向臺(tái)灣島北部海域逼近； 850 hPa上，來自臺(tái)風(fēng)煙花北側(cè)和副高西側(cè)的偏東風(fēng)持續(xù)加強(qiáng)，在河南北部形成一支強(qiáng)勁的東南風(fēng)氣流(風(fēng)速為10～16 m·s-1)，驅(qū)使位于河南西部的偏東風(fēng)切變線緩慢向北推進(jìn)。切變線東側(cè)強(qiáng)勁偏東氣流的加強(qiáng)以及河南西北部伏牛山和南太行山東側(cè)的迎風(fēng)坡地形條件，導(dǎo)致河南極端強(qiáng)降水區(qū)進(jìn)一步向河南北部和河北西南部發(fā)展。

圖2 2021年7月19—21日500 hPa位勢(shì)高度(等值線，單位：dagpm)與標(biāo)準(zhǔn)化異常(填色)及850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)Fig.2 500 hPa geopotential height(the contour,unit:dagpm) with its standardized anomaly(the shaded) and 850 hPa wind(the barb) from 19 Jul to 21 Jul in 2021

由此可見，在此次河南極端暴雨過程中，位置異常偏北的副高與西側(cè)大陸高壓之間的穩(wěn)定鞍型場(chǎng)配置有利于暴雨區(qū)上空500 hPa弱低壓區(qū)的長時(shí)間維持和穩(wěn)定少動(dòng)；緩慢西行且強(qiáng)度呈現(xiàn)極端性的臺(tái)風(fēng)煙花與持續(xù)西伸加強(qiáng)的副高之間相互作用導(dǎo)致低層?xùn)|南風(fēng)氣流持續(xù)加強(qiáng)并向西推進(jìn)，不但有利于河南中北部地區(qū)低層偏東風(fēng)切變線系統(tǒng)的輻合加強(qiáng)，也為極端暴雨事件提供來自東部海區(qū)持續(xù)充沛的水汽輸送。

4 極端強(qiáng)降水中尺度特征

4.1 極端強(qiáng)降水過程對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展及結(jié)構(gòu)演變

利用FY-4A氣象衛(wèi)星高分辨率TBB觀測(cè)資料，可以直觀展示“7·20”河南極端強(qiáng)降水中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展及結(jié)構(gòu)演變。圖3是2021年7月20日08:00—21日05:00逐3 h FY-4A氣象衛(wèi)星TBB演變，對(duì)比河南逐3 h自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)降水量觀測(cè)(圖略)可以看到，“7·20”河南極端暴雨主要由穩(wěn)定覆蓋在河南中北部上空的對(duì)流復(fù)合體產(chǎn)生，20日白天至夜間，伴隨中尺度對(duì)流復(fù)合體內(nèi)部多個(gè)中小尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的合并及河南南部新生對(duì)流系統(tǒng)的匯入，該中尺度對(duì)流復(fù)合體經(jīng)歷了完整的發(fā)生發(fā)展和成熟階段，其發(fā)展加強(qiáng)階段與極端暴雨強(qiáng)度也有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由圖3可知，7月20日上午為中尺度對(duì)流復(fù)合體發(fā)生階段，河南中北部強(qiáng)降水區(qū)上空被一近似圓形結(jié)構(gòu)的中尺度對(duì)流復(fù)合體覆蓋，直徑約為400～500 km，對(duì)流發(fā)展不旺盛，TBB為-57～-32℃。該復(fù)合體內(nèi)部存在多個(gè)發(fā)展較強(qiáng)的β中尺度系統(tǒng)和γ中尺度系統(tǒng)(TBB約為-60℃)，3 h降水量超過20 mm的強(qiáng)降水區(qū)與這些中尺度系統(tǒng)分布對(duì)應(yīng)較好，強(qiáng)降水中心(50～70 mm)位于鄭州以西地區(qū)； 20日午后，隨著黃淮地區(qū)潛在不穩(wěn)定條件改善，中尺度對(duì)流復(fù)合體內(nèi)部β中尺度對(duì)流系統(tǒng)不斷合并加強(qiáng)，且中尺度對(duì)流復(fù)合體南側(cè)的河南南部地區(qū)和該復(fù)合體東側(cè)的山東境內(nèi)不斷有對(duì)流單體新生并持續(xù)向其匯入，導(dǎo)致圓形結(jié)構(gòu)的中尺度對(duì)流復(fù)合體結(jié)構(gòu)逐步遭到破壞；隨著對(duì)流系統(tǒng)不斷合并加強(qiáng)，在對(duì)流系統(tǒng)合并區(qū)域，14:00和17:00對(duì)應(yīng)3 h 降水逐漸增強(qiáng)并東移至鄭州附近，部分地區(qū)3 h累積降水量達(dá)50～120 mm，其中14:00—17:00鄭州站3 h最大累積降水量超過270 mm。20:00隨著中尺度對(duì)流復(fù)合體內(nèi)部兩個(gè)β中尺度對(duì)流系統(tǒng)合并及南側(cè)對(duì)流單體的大舉并入，在鄭州東側(cè)形成強(qiáng)烈發(fā)展的α中尺度對(duì)流系統(tǒng)，該α中尺度對(duì)流系統(tǒng)水平尺度約為200 km，冷云蓋最低TBB由約-62℃快速加強(qiáng)至-79～-72℃，深對(duì)流發(fā)展旺盛；但其3 h累積降水量明顯減小，最大降水中心不足75 mm?？梢娢绾笾涟硎侵谐叨葘?duì)流復(fù)合體發(fā)展階段，對(duì)應(yīng)此次極端降水最強(qiáng)時(shí)間段，也與極端小時(shí)降水在時(shí)間上吻合。此后，隨著河南南部對(duì)流云系的大舉并入，20日夜間為中尺度對(duì)流復(fù)合體成熟階段，位于河南上空的中尺度對(duì)流復(fù)合體強(qiáng)盛冷云蓋(TBB不高于-62℃)范圍明顯擴(kuò)大，逐漸演變?yōu)楦采w河南北部的圓形中尺度對(duì)流復(fù)合體，并逐漸緩慢向偏東方向移動(dòng)，強(qiáng)降水落區(qū)也隨之向鄭州以東地區(qū)推進(jìn)，3 h累積降水量約為20～90 mm。可見，在中尺度對(duì)流復(fù)合體成熟階段，盡管冷云蓋范圍增大、云頂亮溫明顯降低，但降水強(qiáng)度較中尺度對(duì)流復(fù)合體發(fā)展階段明顯減弱，可能與對(duì)流系統(tǒng)頂部的輻射冷卻有關(guān)[45]。

圖3 2021年7月20日08:00—21日05:00 FY-4A氣象衛(wèi)星TBB圖像Fig.3 TBB images of FY-4A from 0800 BT 20 Jul to 0500 BT 21 Jul in 2021

為進(jìn)一步分析7月20日16:00鄭州極端短時(shí)強(qiáng)降水(1 h降水量為201.9 mm)發(fā)生過程，采用FY-4A氣象衛(wèi)星高分辨率觀測(cè)資料分析其影響系統(tǒng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)及演變。20日16:15—16:38(圖略)鄭州位于東北—西南走向的兩個(gè)β中尺度對(duì)流系統(tǒng)連接部，兩個(gè)β中尺度對(duì)流系統(tǒng)水平尺度約為50 km×30 km，且?guī)缀蹯o止不動(dòng)；與此同時(shí)，河南南部亦有多個(gè)中小尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展且移動(dòng)緩慢，對(duì)鄭州降水未產(chǎn)生直接影響；從時(shí)間演變可知，鄭州極端短時(shí)強(qiáng)降水的直接系統(tǒng)是位于鄭州東北部和其西南部的兩個(gè)β中尺度對(duì)流系統(tǒng)。16:23后，位于其西南部的β中尺度對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部不足千米尺度的γ中尺度對(duì)流系統(tǒng)急劇發(fā)展加強(qiáng)，冷云蓋最低亮溫TBB由-62℃快速加強(qiáng)至-72℃；此后，該γ中尺度對(duì)流系統(tǒng)穩(wěn)定少動(dòng)，長時(shí)間維持深厚對(duì)流；直至16:38，其西南側(cè)仍有更小尺度對(duì)流系統(tǒng)并入加強(qiáng)?？梢?，鄭州極端小時(shí)降水強(qiáng)度主要由位于其西南側(cè)的β中尺度對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)展強(qiáng)盛的γ中尺度對(duì)流系統(tǒng)直接產(chǎn)生，該對(duì)流系統(tǒng)水平尺度約幾百米，其近乎停滯不動(dòng)的時(shí)間接近1 h。

4.2 鄭州極端小時(shí)降水風(fēng)暴尺度系統(tǒng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)

由7月20日16:00—17:00間隔12 min的雷達(dá)拼圖組合反射率因子時(shí)間演變(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，16:00河南中北部被大片對(duì)流回波區(qū)覆蓋，對(duì)應(yīng)FY-4A氣象衛(wèi)星觀測(cè)到的中尺度對(duì)流復(fù)合體；對(duì)流回波區(qū)內(nèi)部有多個(gè)β中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展，其最南邊的β中尺度對(duì)流風(fēng)暴正位于鄭州市，其最大反射率因子為50 dBZ，而河南南部則是分散的對(duì)流單體回波區(qū)；自16:12位于河南南部的分散對(duì)流單體快速加強(qiáng)北移，隨著強(qiáng)對(duì)流單體并入，不但導(dǎo)致河南中北部對(duì)流回波區(qū)強(qiáng)度增強(qiáng)，也使位于鄭州的β中尺度對(duì)流風(fēng)暴顯著加強(qiáng)，并表現(xiàn)出弓狀回波形態(tài)，其寬度約為20～30 km，鄭州位于弓狀回波的頂端，其最大組合反射率因子超過55～60 dBZ；由于南部地區(qū)對(duì)流單體持續(xù)不斷向偏北方向移動(dòng)和并入(16:24)，導(dǎo)致鄭州附近弓狀回波強(qiáng)度持續(xù)維持在55～60 dBZ；16:36—17:00隨著南側(cè)強(qiáng)對(duì)流單體進(jìn)一步并入，弓狀回波持續(xù)維持在鄭州附近，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所改變，3個(gè)強(qiáng)風(fēng)暴單體的串聯(lián)發(fā)展維持弓狀回波結(jié)構(gòu)。可見16:00—17:00尺度為20～30 km的弓狀回波穩(wěn)定維持在鄭州附近，回波強(qiáng)度持續(xù)為55～60 dBZ，對(duì)應(yīng)16:00—17:00鄭州分鐘降水觀測(cè)(圖1d)，除了少數(shù)時(shí)段其分鐘降水量約為2 mm，大部分時(shí)段分鐘降水量維持在3～4.7 mm，5 min降水量在16:15—16:30為13 mm，其余45 min內(nèi)5 min降水量高達(dá)15～21 mm。上述分析表明，該弓狀強(qiáng)回波區(qū)的持續(xù)造成鄭州城區(qū)201.9 mm的極端小時(shí)強(qiáng)降水。

圖4 2021年7月20日16:00—17:00雷達(dá)拼圖組合反射率因子演變Fig.4 The evolution of radar combined reflectivity factor from 1600 BT to 1700 BT on 20 Jul 2021

由7月20日午后洛陽雷達(dá)反射率因子垂直剖面(圖5)可以看到， 20日16:00—17:00距離洛陽大約70 km的鄭州地區(qū)始終維持低質(zhì)心強(qiáng)盛對(duì)流回波區(qū)，大于30 dBZ 的回波頂高接近10 km高度。16:18強(qiáng)度在50～55 dBZ的強(qiáng)回波質(zhì)心高度位于6 km 以下，其低層最強(qiáng)回波在3 km高度以下，最大反射率因子為55～60 dBZ；16:54鄭州上空強(qiáng)回波質(zhì)心強(qiáng)度仍維持在50～55 dBZ，高度略有下降，約為5 km。探空觀測(cè)顯示，午后鄭州上空0℃高度在4700～4800 m，而強(qiáng)回波質(zhì)心高度在5～6 km，可見16:00—17:00具有深厚的暖云層，強(qiáng)回波質(zhì)心高度也反映對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)極大的液態(tài)水含量和極高的降水效率。

圖5 2021年7月20日16:18(a)和16:54(b)洛陽雷達(dá)反射率因子及沿AB的垂直剖面Fig.5 Reflectivity factors of Luoyang radar with cross-section along AB at 1618 BT 20 Jul(a) and 1654 BT 20 Jul(b) in 2021

由洛陽雙偏振雷達(dá)觀測(cè)(圖略)可知，7月20日16:00—17:00鄭州附近存在明顯與對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)上升氣流位置有關(guān)呈柱狀分布的差分反射率，同時(shí)存在與液態(tài)水含量有關(guān)呈柱狀分布的差分相移率，融化層以下最大回波超過55 dBZ，表明深厚的暖云層和高效率降水粒子可能是造成此次極端降水的微物理特征。

5 河南極端強(qiáng)降水影響系統(tǒng)維持與加強(qiáng)機(jī)制

5.1 影響系統(tǒng)熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征

假相當(dāng)位溫和緯向風(fēng)垂直速度的垂直分布(圖6)顯示，2021年7月20日白天至夜間，河南極端暴雨區(qū)對(duì)應(yīng)的對(duì)流層中低層θse鋒區(qū)穩(wěn)定維持在河南中西部113°～114°E附近，θse鋒區(qū)隨高度呈現(xiàn)明顯的垂直分布，顯示出清晰的中性層結(jié)特征。從θse垂直分布和相應(yīng)的合成風(fēng)場(chǎng)可以看到，在強(qiáng)勁偏東氣流引導(dǎo)下，來自華東近海海洋氣團(tuán)從邊界層不斷侵入河南地區(qū)，與河南本地大陸暖性氣團(tuán)在河南中北部交匯，兩股溫濕特性差異明顯的氣團(tuán)長時(shí)間對(duì)峙，導(dǎo)致在113°～114°E附近形成θse鋒區(qū)。從θse隨高度分布看到，鋒區(qū)附近θse在850 hPa以下隨高度減小，為對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)；850 hPa至500 hPa高度，為深厚的中性層結(jié)；500 hPa以上為弱穩(wěn)定層結(jié)。對(duì)應(yīng)的緯向垂直速度分布顯示，暖濕氣流在對(duì)流層低層觸發(fā)抬升后，不穩(wěn)定能量強(qiáng)烈釋放導(dǎo)致上升運(yùn)動(dòng)急劇加強(qiáng)，在700 hPa至300 hPa之間的中高層緯向垂直速度可達(dá)3～6 Pa·s-1，強(qiáng)烈上升氣流可穿透對(duì)流層頂，高空輻散向偏東方向形成明顯的次級(jí)環(huán)流，下沉支進(jìn)入副高內(nèi)部。同時(shí)凝結(jié)潛熱釋放使θse鋒區(qū)中性層結(jié)長時(shí)間維持并形成正反饋。20日14:00和20:00鄭州西部山前地形抬升作用使低層出現(xiàn)強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致θse鋒區(qū)略有西移。

圖6 2021年7月20—21日沿鄭州站所在緯度的假相當(dāng)位溫(等值線，單位：K)、垂直速度(填色)及緯向風(fēng)(單位：m·s-1)與垂直速度(單位：10-2 m·s-1)合成場(chǎng)(箭頭)剖面(黑色三角形為鄭州站所在經(jīng)度位置，藍(lán)色虛線為0 ℃等溫線)Fig.6 Cross-section of θse(the contour,unit:K), vertical velocity(the shaded) and the combination(the arrow) of zonal wind(unit：m·s-1) and vertical movement(unit：10-2m·s-1) along Zhengzhou Station from 20 Jul to 21 Jul in 2021(the black triangle is the longitude position of Zhengzhou Station,the blue dotted line refers to 0℃)

5.2 影響系統(tǒng)維持加強(qiáng)機(jī)制

圖7為7月19—21日中層500 hPa弱低壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及正渦度平流的演變過程,500 hPa正渦度平流分布區(qū)。由圖7可以看到，500 hPa低壓區(qū)位置穩(wěn)定少動(dòng)，其結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整。19日08:00—20:00低壓系統(tǒng)主要表現(xiàn)為東風(fēng)倒槽，鄭州位于倒槽東側(cè)東南氣流中，正渦度平流主要分布在倒槽頂端及其東側(cè)。隨著倒槽東南風(fēng)氣流的加強(qiáng)，500 hPa正渦度平流也隨之加強(qiáng)到5×10-9～1.5×10-8s-2；20日08:00—20:00低壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，北側(cè)倒槽減弱為偏南風(fēng)切變，正渦度平流主要分布在低壓環(huán)流東部，大值區(qū)位于強(qiáng)偏南風(fēng)切變曲率附近；鄭州處在西南風(fēng)和東南風(fēng)切變曲率最大處，其附近正渦度平流大值中心可達(dá)2.5×10-8～3.5×10-8s-2。21日08:00—20:00低壓系統(tǒng)緩慢加強(qiáng)北抬，其東側(cè)偏南風(fēng)明顯加大，導(dǎo)致偏南風(fēng)切變隨之北抬，正渦度平流也加強(qiáng)北抬到河南北部、河北西南部及山西東南部一帶(不低于5×10-8s-2)。上述分析表明:19—21日伴隨500 hPa弱低壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變，其東風(fēng)倒槽頂端和偏南風(fēng)切變氣旋式曲率最大處，正渦度平流不斷增強(qiáng)，其變化過程與極端暴雨過程維持加強(qiáng)密切相關(guān)。

圖7 2021年7月19—21日500 hPa高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(箭頭)和正渦度平流(填色)分布Fig.7 The height(the contour,unit:dagpm),wind(the arrow) and positive vorticity advection(the shaded) at 500 hPa from 19 Jul to 21 Jul in 2021

圖8為925 hPa暖平流在此次極端暴雨中的演變過程。由圖8可知，7月19日08:00—21日08:00隨著東部地區(qū)東南風(fēng)氣流不斷加強(qiáng)和大范圍向河南推進(jìn)，925 hPa 暖平流區(qū)也不斷加強(qiáng)。19日08:00—20日08:00暖平流區(qū)域主要位于河南中北部，且暖平流強(qiáng)度緩慢加強(qiáng)，由0.3 K· h-1加強(qiáng)至0.8 K· h-1；20日20:00—21日20:00伴隨河南東南和南部地區(qū)的東南氣流進(jìn)一步加強(qiáng)， 位于河南中北部地區(qū)的925 hPa 暖平流輸送也急劇加強(qiáng)，最大強(qiáng)度達(dá)0.5～1.5 K· h-1，且暖平流區(qū)緩慢向偏西和偏北擴(kuò)展。

圖8 2021年7月19—21日925 hPa假相當(dāng)位溫(等值線，單位：K)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)疊加暖平流(填色)分布Fig.8 θse(the contour,unit:K),wind(the barb) and warm advection(the shaded) at 925 hPa from 19 Jul to 21 Jul in 2021

分析表明：“7·20”河南極端暴雨維持和加強(qiáng)與中高層動(dòng)力因子以及低層熱力因子密切相關(guān)，高低層熱動(dòng)力條件的合理配置，特別是500 hPa正渦度平流和低層925 hPa暖平流在鄭州中北部同步加強(qiáng)且相互疊加對(duì)極端暴雨的維持和加強(qiáng)更為關(guān)鍵。

由此次過程極端強(qiáng)降水區(qū)(33.5°～36°N，112.5°～115°E)上空水平散度及變形鋒生垂直分布隨時(shí)間變化(圖9)可知，7月19—21日強(qiáng)降水區(qū)維持低層輻合和高層輻散。低層輻合主要發(fā)生在850 hPa以下的邊界層內(nèi)，高層輻散多發(fā)生在300 hPa以上高空，最強(qiáng)輻散中心位于200 hPa附近。低層輻合最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在19日夜間至21日白天，輻合中心強(qiáng)度大約為-6×10-5～-3.5×10-5s-1，最強(qiáng)輻合中心多位于邊界層925 hPa。對(duì)應(yīng)的高層輻散也在20日前后最為強(qiáng)勁，且輻散層從500 hPa直抵對(duì)流層頂，最大散度達(dá)5×10-5～8×10-5s-1，顯示強(qiáng)勁高空輻散和次級(jí)環(huán)流抽吸作用有助于強(qiáng)降水區(qū)垂直上升運(yùn)動(dòng)維持；同時(shí)低層輻合高層輻散近乎相接的散度場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)不但有利于上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，也為凝結(jié)潛熱的釋放提供正反饋機(jī)制。從暴雨區(qū)上空變形鋒生時(shí)間演變(填色區(qū)所示)看，水平變形鋒生作用在19日夜間逐漸加強(qiáng)，且發(fā)生在700 hPa 之下；20日白天至夜間鋒生作用最為顯著，強(qiáng)度為1×10-9～3×10-9K·m-1·s-1，極值中心位于925 hPa，與鄭州極端暴雨過程在時(shí)間上十分吻合。盡管21日鋒生作用仍較明顯，但大值中心垂直高度抬升至850 hPa，可能與低層切變北抬、在太行山東側(cè)迎風(fēng)坡地形產(chǎn)生的強(qiáng)降水區(qū)北移有關(guān)?？梢姶舜芜^程水平變形鋒生作用隨時(shí)間的演變與低層輻合、高層輻散的時(shí)間變化密切相關(guān)。水平變形鋒生可能也是500 hPa弱低壓系統(tǒng)和低層偏東風(fēng)切變線維持發(fā)展的動(dòng)力機(jī)制。

圖9 2021年7月19—22日暴雨區(qū)域(33.5°～36°N，112.5°～115°E)平均散度(等值線，單位：10-5 s-1)和水平變形鋒生項(xiàng)(填色)時(shí)間-高度剖面Fig.9 Time-pressure cross-section of divergence(the contour,unit:10-5 s-1) and deformation frontogenesis of heavy rainfall area-averaged(33.5°-36°N,112.5°-115°E) from 19 Jul to 22 Jul in 2021

5.3 異常強(qiáng)盛的邊界層急流水汽輸送

7月19—21日隨著中心位于日本海附近的副高不斷西伸，以及臺(tái)風(fēng)煙花不斷加強(qiáng)西偏北行，兩者間氣壓梯度不斷加大導(dǎo)致850 hPa高度以下偏東氣流逐漸加強(qiáng)，邊界層925 hPa東南風(fēng)在20日白天至夜間更為強(qiáng)勁，在河南中北部存在風(fēng)速大于12～18 m·s-1急流區(qū)，顯示來自華東近海強(qiáng)盛的東南風(fēng)為河南極端暴雨提供充沛的水汽和熱力條件。為分析此次過程水汽輸送的極端性，計(jì)算925 hPa風(fēng)場(chǎng)距平、水汽通量距平及標(biāo)準(zhǔn)化異常(圖10)。由圖10可以看到，20日08:00—20:00華東沿海至河南東南風(fēng)距平和水汽通量異常輸送呈明顯增強(qiáng)趨勢(shì)，水汽通量距平從0.15 kg·kg-1·m·s-1增大到0.35 kg·kg-1·m·s-1，河南中北部強(qiáng)降水區(qū)持續(xù)處在水汽通量距平大值區(qū)(0.3～0.4 kg·kg-1·m·s-1)，偏東風(fēng)風(fēng)速距平保持10～14 m·s-1且在鄭州附近形成明顯偏東風(fēng)風(fēng)速輻合和風(fēng)向切變，強(qiáng)烈的動(dòng)力輻合及河南西部地形的抬升作用有利于異常強(qiáng)盛水汽的輻合。標(biāo)準(zhǔn)差分布顯示，河南西北部地區(qū)水汽通量距平為3～6倍標(biāo)準(zhǔn)差，表明此次過程水汽輸送在鄭州附近地區(qū)呈顯著的極端性，水汽條件可能是導(dǎo)致河南出現(xiàn)極端強(qiáng)降水的原因之一。21日02:00隨著來自華東地區(qū)925 hPa偏南風(fēng)分量加大，位于河南北部的偏東風(fēng)倒槽向北推進(jìn)，水汽輸送通量距平有所減弱，大值區(qū)(0.25～0.30 kg·kg-1·m·s-1)位于河南東北部和河北西南部。

圖10 2021年7月20—21日925 hPa風(fēng)場(chǎng)距平(風(fēng)羽)、水汽通量距平(填色)和水汽通量標(biāo)準(zhǔn)化異常(等值線，Ds≥3，間隔為1)(灰色區(qū)域表示地形高于700 m)Fig.10 Wind anomalies(the barb),moisture flux anomalies(the shaded) and moisture flux standardized anomalies(the contour，Ds≥3，the interval is 1) at 925 hPa from 20 Jul to 21 Jul in 2021(the gray denotes the topography higher than 700 m)

6 結(jié)論與討論

研究表明：

1) “7·20”河南強(qiáng)降水過程是一次極為典型的極端暴雨事件，它發(fā)生在位置異常偏北的副高與大陸高壓之間穩(wěn)定的鞍型場(chǎng)背景下，持續(xù)西伸加強(qiáng)的副高和西行臺(tái)風(fēng)煙花之間相互作用，不但有利于河南中北部暴雨區(qū)上空500 hPa弱低壓系統(tǒng)長時(shí)間維持和低層偏東風(fēng)切變線系統(tǒng)的輻合加強(qiáng)，也為極端暴雨事件提供了來自東部海區(qū)持續(xù)充沛的水汽輸送。

2) “7·20”河南極端暴雨主要由水平尺度約300 km呈近乎圓形結(jié)構(gòu)的中尺度對(duì)流復(fù)合體產(chǎn)生，其長時(shí)間維持與內(nèi)部多個(gè)β中尺度對(duì)流系統(tǒng)的合并以及外圍東南側(cè)暖濕區(qū)新生單體的持續(xù)并入所引發(fā)的列車效應(yīng)有關(guān)。鄭州極端小時(shí)強(qiáng)降水(201.9 mm·h-1)主要由位于其西南側(cè)的β中尺度對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)展極為強(qiáng)盛的水平尺度約幾百米的γ中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生，其近乎停滯不動(dòng)的時(shí)間接近1 h；雷達(dá)上表現(xiàn)為幾乎靜止的β中尺度弓狀回波，接近5 km左右高度的強(qiáng)回波質(zhì)心垂直結(jié)構(gòu)反映該對(duì)流系統(tǒng)的極高降水效率。

3) 來自華東近海海洋屬性氣團(tuán)在低層偏東氣流引導(dǎo)下持續(xù)不斷侵入河南地區(qū)，與大陸暖性氣團(tuán)在河南中北部交匯，兩股溫濕特性存在差異的氣團(tuán)長時(shí)間對(duì)峙導(dǎo)致在113°～114°E區(qū)域形成假相當(dāng)位溫鋒區(qū)。邊界層風(fēng)場(chǎng)的動(dòng)力輻合觸發(fā)強(qiáng)烈對(duì)流，使得強(qiáng)降水區(qū)上空θse鋒區(qū)長時(shí)間處于中性層結(jié)。同時(shí)高空輻散的系統(tǒng)配置導(dǎo)致強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)突破對(duì)流層頂，其高層輻散氣流在副高附近構(gòu)成次級(jí)環(huán)流下沉支。

4) 診斷分析表明，河南極端暴雨過程與中高層的動(dòng)力因子以及低層熱力因子的合理配置密切相關(guān)。中層500 hPa低壓區(qū)氣旋式曲率附近明顯的正渦度平流，低層偏東風(fēng)切變線附近明顯的水平變形鋒生作用和邊界層925 hPa偏東氣流持續(xù)的暖平流輸送，以及邊界層偏東急流極端強(qiáng)盛的水汽輸送在鄭州中北部地區(qū)同步加強(qiáng)且相互疊加對(duì)極端暴雨的維持和加強(qiáng)更為關(guān)鍵。

本文利用多源資料對(duì)“7·20”河南極端暴雨過程特殊的弱環(huán)境場(chǎng)背景、中尺度系統(tǒng)精細(xì)結(jié)構(gòu)以及影響系統(tǒng)熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)和發(fā)展維持機(jī)制等進(jìn)行較為深入的分析，有助于更好理解此次過程的發(fā)生發(fā)展和極端性特征。但由于“7·20”河南極端暴雨發(fā)生在鞍型場(chǎng)弱背景條件下，其主要影響系統(tǒng)為500 hPa弱低壓，低層輻合系統(tǒng)僅表現(xiàn)為偏東風(fēng)切變線, 與歷史上由深厚低渦低槽或深入內(nèi)陸臺(tái)風(fēng)等典型系統(tǒng)產(chǎn)生的極端降水在成因方面明顯不同，還需要從更多層面分析其復(fù)雜的鋒生物理機(jī)制。