李 超 崔春光 徐慧燕 王曉芳 李 艷 汪小康 許發(fā)雷 高 媛

1 中國氣象局武漢暴雨研究所,暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點實驗室,武漢 430205 2 蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,蘭州 730000 3 杭州師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,杭州 311121

提 要： 針對河南“21·7”特大暴雨的極端降水天氣過程，利用FNL大氣再分析資料、國家基準(zhǔn)站降水觀測數(shù)據(jù)和高分辨率的數(shù)值模擬結(jié)果，開展了暴雨多尺度系統(tǒng)協(xié)同作用下水汽輸送、收支及轉(zhuǎn)化特征對極端降水的影響機(jī)制研究。結(jié)果表明：通過強(qiáng)盛穩(wěn)定的臺風(fēng)煙花與中高緯穩(wěn)定的大氣環(huán)流形勢共同影響下建立的遠(yuǎn)距離水汽輸送通道，使海上的水汽源源不斷地被輸送到內(nèi)陸極端降水區(qū)。在局地中尺度低值系統(tǒng)產(chǎn)生的動力輻合和迎風(fēng)坡地形的阻擋作用的共同影響下，遠(yuǎn)距離輸送到極端降水區(qū)附近的水汽被有效地匯聚在極端降水區(qū)附近，并且依靠低層水汽動力輻合機(jī)制，使局地匯聚的水汽被進(jìn)一步輸送至對流層中高層，以此促進(jìn)對流的發(fā)展。在對流上升運(yùn)動和迎風(fēng)坡地形抬升作用的共同影響下，通過增強(qiáng)氣流的垂直上升運(yùn)動，使更多的水汽被輸送到對流層中高層，促使水汽向云冰粒子和雹粒子的凝華轉(zhuǎn)換過程增強(qiáng)，最終導(dǎo)致降水效率得到顯著提升，降水效率在地形迎風(fēng)坡處顯著增強(qiáng)表征的水汽向雨水的高效轉(zhuǎn)化，對極端降水的演變起到了極好的指示作用。上述研究不僅系統(tǒng)性揭示了暴雨多尺度系統(tǒng)影響下極端降水區(qū)內(nèi)局地水汽的主要來源與消耗過程，而且從水汽診斷的角度加深了對極端降水發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識。

引 言

河南省境內(nèi)下墊面地形復(fù)雜，每年在強(qiáng)盛的亞洲夏季風(fēng)、東移西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)以及局地天氣系統(tǒng)的共同影響下，極易誘發(fā)致災(zāi)性極強(qiáng)的降水天氣過程。2021年7月20日的河南省區(qū)域性特大暴雨過程(簡稱“21·7”特大暴雨)就是在上述背景條件下發(fā)生的，此次降水過程的實況降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，此次暴雨過程共導(dǎo)致600余個站降水超過250 mm，7月20日鄭州市6 h累計降水達(dá)到382 mm，24 h累計降水高達(dá)624.1 mm，最大小時雨強(qiáng)甚至達(dá)到201.9 mm·h-1，該單小時降水量數(shù)值刷新了中國大陸區(qū)域內(nèi)的小時累計降水的觀測記錄(蔡薌寧等，2021；楊浩等，2021)。因此，無論就降水強(qiáng)度而言，還是就達(dá)到特大暴雨標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域范圍而言，均表明此次特大暴雨過程具有顯著的極端性降水特征(冉令坤等，2021；Yin et al，2022；蘇愛芳等，2021；蘇愛芳等，2022；張霞等，2021；汪小康等，2022；孔期等，2022)。

盧萍等(2009)指出水汽條件對于暴雨的發(fā)生發(fā)展有重要影響，暴雨的強(qiáng)度、最大降水發(fā)生時間極大地依賴于初始水汽場條件，冉令坤等(2021)、Yin et al(2022)、張霞等(2021)圍繞此次極端暴雨過程的大量初步研究結(jié)果證實，極端降水的發(fā)生發(fā)展與水汽的輸送、收支及轉(zhuǎn)化之間存在密切的聯(lián)系。根據(jù)實況衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此次極端暴雨持續(xù)期間，發(fā)展強(qiáng)盛的臺風(fēng)煙花一直在東海海面穩(wěn)定維持，而Stohl et al(2008)、徐洪雄等(2014)、單磊等(2014)、王婧羽等(2014)圍繞臺風(fēng)遠(yuǎn)距離誘發(fā)暴雨的研究結(jié)果證實，海面穩(wěn)定維持的臺風(fēng)產(chǎn)生的遠(yuǎn)距離水汽輸送有利于局地強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展。此外水汽在極端降水區(qū)域內(nèi)凈收支的演變，以及水汽的局地變化、垂直輸送以及輻合輻散作用也被證實對局地降水的演變會產(chǎn)生重要的影響(王婧羽等，2014；李啟華等，2018；陳紅專等，2019)。此外，中尺度地形作用被證實同樣對水汽的局地分布和演變有重要影響，迎風(fēng)坡地形產(chǎn)生的阻擋作用有利于迎風(fēng)坡前的對流層低層產(chǎn)生水汽輻合(徐國強(qiáng)等，1999；王宇虹等，2015)，繼而有利于局地強(qiáng)降水的出現(xiàn)和增強(qiáng)。而此次極端降水落區(qū)主要位于河南省西部的山地向平原過渡的區(qū)域，由此可以預(yù)見河南省西部的中尺度地形對于局地降水的增幅也會產(chǎn)生重要的影響。被匯聚在極端降水區(qū)內(nèi)的水汽通過相應(yīng)的水汽凝結(jié)或凝華過程，最后轉(zhuǎn)化為雨水下落至地面，上述水汽轉(zhuǎn)化成雨水的過程可以通過降水效率這一物理量進(jìn)行定量化的診斷，例如崔曉鵬(2009)通過熱帶西太平洋地區(qū)降水效率的診斷結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水汽輻合是對流降水最主要的水汽源，而局地大氣變干則是層狀降水最主要的水汽源。而Shen et al(2021)通過降水效率方程(Sui et al，2007)的定量化診斷結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水汽的蒸發(fā)、水汽的局地變化以及水汽的輻合輻散作用在降水的不同階段對降水的貢獻(xiàn)作用存在顯著差異。上述降水效率的相關(guān)研究表明通過降水效率的診斷有助于進(jìn)一步揭示水汽的消耗和轉(zhuǎn)化過程。

已有的研究從多個方面證實了有利的水汽條件對于局地強(qiáng)降水的出現(xiàn)和維持有著重要的影響，然而過去的研究主要關(guān)注水汽輸送、水汽區(qū)域收支和水汽動力輻合等局地水汽的產(chǎn)生過程，尤其對暴雨發(fā)生時的水汽來源過程和水汽在強(qiáng)降水區(qū)有效匯聚的動力過程有了較為全面的認(rèn)識，但對于水汽轉(zhuǎn)化和水汽消耗過程的研究較少，導(dǎo)致對局地水汽影響降水演變機(jī)制的認(rèn)識仍然存在許多不足之處。針對上述不足之處，本文在充分揭示水汽輸送、水汽收支和水汽動力輻合等過程對局地降水影響的基礎(chǔ)上，通過降水效率的診斷分析，進(jìn)一步揭示了水汽的轉(zhuǎn)化和消耗過程對局地降水演變的影響機(jī)制。本文針對此次河南“21·7”特大暴雨過程，從水汽的來源、輸送和消耗等各個過程開展水汽診斷研究，試圖更加系統(tǒng)深入地揭示水汽影響極端降水演變的機(jī)理。

1 資料和方法

1.1 原始數(shù)據(jù)

本文所用原始資料主要包括：時間分辨率為6 h，空間分辨率為1°×1°，垂直方向為41層的FNL大氣再分析資料，河南省及其周邊省份的國家標(biāo)準(zhǔn)氣象站和區(qū)域自動加密站的逐小時降水觀測資料。

1.2 中尺度數(shù)值模式參數(shù)設(shè)置

由于FNL再分析資料時空分辨率的限制，本文在開展中尺度水汽收支以及云微尺度的降水效率的診斷分析時需要依賴更高時空分辨率的資料。因此利用FNL再分析資料，開展了從2021年7月19日00時(世界時)至2021年7月21日00時(世界時)降水過程的高分辨率WRF數(shù)值模擬，其中開展WRF數(shù)值模擬時設(shè)置的主要參數(shù)如表1所示。

表1 開展WRF模擬的相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters for WRF simulation

1.3 水汽輸送、水汽區(qū)域收支及降水效率的具體計算方法

此外，本文主要研究河南“21·7”特大暴雨過程中多尺度系統(tǒng)協(xié)同作用下的水汽輸送、收支及轉(zhuǎn)化特征。在研究不同尺度系統(tǒng)對水汽的作用時采取的研究方法存在一定差異，詳細(xì)研究方法分別如下：

在研究大尺度環(huán)流系統(tǒng)對水汽的影響時，主要關(guān)注大尺度環(huán)流系統(tǒng)對水汽的遠(yuǎn)距離輸送作用，通過水汽通量的分布來反映水汽的遠(yuǎn)距離輸送作用，具體計算方法如下：

單層水汽通量的計算方法為

Q=q×V

(1)

式中：q代表比濕，V代表各個氣壓層的風(fēng)速矢量。

整層水汽通量的計算方法為

(2)

式中：ps代表地面氣壓，g代表重力加速度。

在研究中尺度低值系統(tǒng)和局地中尺度地形對水汽的作用時，主要通過研究水汽的區(qū)域收支特征反映上述系統(tǒng)的作用，具體計算方法如下(丁一匯，2005)：

邊界積分的水汽輸送表示為

(3)

(4)

式中：lat1、lat2分別代表北邊界、南邊界所在的緯度，lon1、lon2分別代表西邊界與東邊界所在的經(jīng)度，Qu、Qv分別代表緯向水汽通量矢量與經(jīng)向水汽通量矢量，F(xiàn)u代表穿過東邊界與西邊界的水汽通量，F(xiàn)v代表穿過南邊界與北邊界的水汽通量。

區(qū)域內(nèi)的凈水汽收支表示為

Ds=∑(Fu,Fv)=FI-FO

(5)

式中：FI代表水汽輸入，F(xiàn)O代表水汽輸出。

在研究水汽通過相關(guān)云微物理過程轉(zhuǎn)化為雨水時，試圖通過降水效率來定量化刻畫水汽向與雨水轉(zhuǎn)化的效率，降水效率的具體計算方法如下(Sui et al，2007；Xu et al，2017)：

基于云微物理過程的降水效率表示為

(6)

其中

QWVOUT=H(PLADJ)PLADJ+H(PIADJ)PIADJ+

H(PSDEP)PSDEP+H(PGDEP)PGDEP

(7)

QCM=QCMC+QCMR+QCMI+QCMG+QCMS

(8)

式中：Pr代表單位時段內(nèi)的降水率，QWVOUT代表水汽凝華或凝結(jié)過程導(dǎo)致的單位時段內(nèi)水汽含量的變化，QCM代表示總水凝物含量在單位時段內(nèi)的變化；QCMC、QCMR、QCMI、QCMG、QCMS分別代表云水粒子、雨滴粒子、云冰粒子、霰粒子、雪粒子單位時段內(nèi)含量的局地變化。PLADJ、PIADJ、PSDEP、PGDEP分別代表水汽凝結(jié)成云水粒子過程，水汽凝華成云冰粒子過程，水汽凝華成雪粒子過程，水汽凝華成霰粒子過程。H(e)代表Heaviside函數(shù)，當(dāng)e>0時，H(e)=1，當(dāng)e≤0時，H(e)=0。

2 觀測與數(shù)值模擬結(jié)果評估

2.1 實況背景環(huán)流場特征分析

通過分析河南“21·7”特大暴雨發(fā)生主要時段內(nèi)的大尺度環(huán)流形勢場(圖1c，1d)發(fā)現(xiàn)，由于東海海面上發(fā)展旺盛的臺風(fēng)煙花以及副熱帶高壓北抬發(fā)展等因子的共同作用，導(dǎo)致中高緯度帶地區(qū)出現(xiàn)并維持“西低東高”的阻塞環(huán)流形勢。上述深厚且穩(wěn)定維持的阻塞環(huán)流形勢，使得中高緯度帶內(nèi)處于上游地區(qū)的長波槽無法繼續(xù)向東移動發(fā)展，這對于整個中高緯度帶內(nèi)大氣環(huán)流形勢的穩(wěn)定維持起到了重要的推動作用。

圖1 2021年7月20日(a,c,e,g)02時與(b,d,f,h)14時(a，b)200 hPa、(c，d)500 hPa等壓面大尺度環(huán)流形勢場(等值線:位勢高度，單位: 0.1 gpm；填色：實際位勢高度與2001—2020年7月同期的20年月平均位勢高度之間的距平)，以及(e，f)850 hPa、(g，h)925 hPa等壓面中尺度環(huán)流形勢場(風(fēng)矢：風(fēng)場；紅色等值線：位勢高度，單位:gpm；陰影：地形遮擋；填色：風(fēng)場散度；紅色實心圓點:鄭州觀測站所處位置)Fig.1 The observation of the large scale background atmospheric circulation at (a， b) 200 hPa and (c, d) 500 hPa (black contour: geopotential height, unit: 0.1 gpm; colored: anomaly between observation and annual average geopotential height of every July during the recent twenty years from 2001 to 2020), and the mesoscale background atmospheric circulation at (e, f) 850 hPa and (g, h) 925 hPa (vector: horizontal wind; red contour: geopotential height, unit: gpm; shaded: topographical coverage; colored: wind of divergence; red dot: location of Zhengzhou Station) at (a, c, e, g) 02:00 BT and (b, d, f, h) 14:00 BT 20 July 2021

進(jìn)一步分析河南“21·7”特大暴雨發(fā)生主要時段內(nèi)的中尺度環(huán)流場特征(圖1e，1h)發(fā)現(xiàn)，極端降水區(qū)附近上空的對流層低層850 hPa等壓面的低值系統(tǒng)最初以風(fēng)場氣旋式切變形式(圖1e)出現(xiàn)，之后逐漸發(fā)展加強(qiáng)，直至轉(zhuǎn)變?yōu)殚]合的低渦環(huán)流形式(圖1f)，并且上述中尺度低值系統(tǒng)在穩(wěn)定的大尺度環(huán)流背景形勢影響下，在河南省中西部附近地區(qū)維持穩(wěn)定少動的狀態(tài)。此外，由于河南省西部地形迎風(fēng)坡對偏東氣流的阻擋作用，使得處于地形迎風(fēng)坡一側(cè)極端降水區(qū)內(nèi)的對流層低層925 hPa風(fēng)場出現(xiàn)顯著輻合特征(圖1g，1h)。不難看出，上述呈現(xiàn)阻塞形勢的大尺度環(huán)流條件以及迎風(fēng)坡地形阻擋作用，為中尺度低值系統(tǒng)在極端降水區(qū)附近的發(fā)展加強(qiáng)和穩(wěn)定維持提供了十分有利的環(huán)境場條件。

2.2 模擬結(jié)果評估

鑒于此次河南“21·7”特大降水過程具有顯著的局地極端降水特征(Yin et al，2022；冉令坤等，2021；蘇愛芳等，2021a；2021b；張霞等，2021；汪小康等，2021)，僅依靠再分析資料無法有效揭示降水系統(tǒng)的中小尺度結(jié)構(gòu)演變特征，因此需要進(jìn)一步開展更高時空分辨率的數(shù)值模擬，而在利用數(shù)值模擬結(jié)果開展降水機(jī)制診斷前，有必要首先對模擬結(jié)果進(jìn)行簡單評估，以證實數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。數(shù)值模擬效果評估分別圍繞最強(qiáng)降水時段內(nèi)逐小時累計降水和局地水平風(fēng)場兩個方面進(jìn)行。

圖2選取了最強(qiáng)降水時段內(nèi)20日16時和19時(北京時，下同)的逐小時降水分布的實況和模擬結(jié)果，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，降水的實況和模擬保持了較好地一致性，模擬與實況的局地強(qiáng)降水中心均位于河南省鄭州市附近，而且模擬的強(qiáng)降水中心位置相較于實況降水也呈現(xiàn)出穩(wěn)定少動的特征，有利于鄭州市區(qū)域內(nèi)過程累計降水量的持續(xù)增加。圖3選取了2021年7月20日00時至21日00時強(qiáng)降水主要落區(qū)范圍內(nèi)(圖2a,2b中虛線方框所示區(qū)域)的區(qū)域面積平均降水強(qiáng)度隨時間演變的實況(圖3a)和模擬(圖3b)結(jié)果，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，就區(qū)域平均降水強(qiáng)度隨時間演變特征而言，模擬出的區(qū)域平均的最強(qiáng)降水強(qiáng)度相較于實況偏小10 mm·h-1左右，此外模擬的最強(qiáng)降水出現(xiàn)時刻由實況中的16—17時向后推遲至18—19時。

圖2 2021年7月20日(a,b)16時與(c,d)19時對應(yīng)的(a，c)逐小時降水實況(站點降水)和(b，d)模擬降水(格點降水)對比(圖2a,2b中虛線方框為逐小時降水強(qiáng)度采取面積平均的區(qū)域;陰影：地形)Fig.2 Comparison between (a, c) the gauge-observed precipitation and (b, d) the simulated precipitation of hourly accumulated precipitation at (a, b) 16:00 BT and (c, d) 19:00 BT 20 July 2021(dotted box: average area of hourly precipitation intensity area in Figs.2a, 2b； shaded: terrain)

圖3 2021年7月20日(a)實況和(b)模擬的強(qiáng)降水主要落區(qū)附近(圖2中虛線方框)的區(qū)域面積平均逐小時降水強(qiáng)度隨時間的演變Fig.3 Comparison between (a) observed and (b) simulated precipitation intensity in temporal variation of the regional average (The range to calculate the regional average is marked out with the dashed rectangle box in Fig.2) on 20 July 2021

圖4選取了最強(qiáng)降水時段內(nèi)20日14時與20時對流層低層850 hPa等壓面上局地水平風(fēng)場的實況和模擬結(jié)果。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，雖然模擬的850 hPa等壓面上局地水平風(fēng)場相較于實況在河南省中南部的南風(fēng)分量偏大，但是總體而言局地水平風(fēng)場的實況和模擬結(jié)果仍然保持了較好的一致性，具體表現(xiàn)為，模擬結(jié)果較準(zhǔn)確地反映了對流層低層局地水平風(fēng)場在強(qiáng)降水區(qū)附近的氣旋性輻合特征(圖4中的紅色橢圓標(biāo)記處)。

圖4 2021年7月20日(a,b)14時與(c,d)20時850 hPa等壓面局地水平風(fēng)場(風(fēng)矢)的(a，c)實況和(b，d)模擬對比(實況基于FNL再分析資料中的風(fēng)場數(shù)據(jù)，模擬基于模式的輸出結(jié)果；虛線橢圓：風(fēng)場出現(xiàn)顯著氣旋性切變區(qū)域)Fig.4 Comparison between (a, c) the gauge-observed precipitation and (b, d) simulated precipitation corresponding to horizontal wind at 850 hPa isobaric surface (vector) at (a, b) 14:00 BT and (c, d) 20:00 BT 20 July 2021(Observation is based on the FNL reanalysis wind data and simulation based on the model output, dashed ellipse circle indicates area having significant cyclonic shear in wind field)

綜上所述，模擬結(jié)果不僅較好地反映了局地強(qiáng)降水的分布形態(tài)，也較準(zhǔn)確地捕捉到了對流層低層局地水平風(fēng)場的演變特征，因此該模擬結(jié)果具有較高的可靠性，其結(jié)果能進(jìn)一步地應(yīng)用于后續(xù)降水機(jī)制診斷研究。

3 水汽輸送、收支及轉(zhuǎn)化機(jī)制的診斷分析

3.1 大尺度水汽輸送特征

根據(jù)式(1)和式(2)分別計算了極端降水出現(xiàn)時段內(nèi)850 hPa等壓面的單層水汽通量和整層水汽通量積分，計算結(jié)果如圖5所示。從圖中水汽輸送通量分布可以看出，無論就850 hPa單層等壓面水汽通量還是整層積分的水汽通量而言，由于受到穩(wěn)定強(qiáng)盛的臺風(fēng)煙花以及中高緯穩(wěn)定的阻塞環(huán)流形勢的共同影響，總共建立了三條從海上到內(nèi)陸地區(qū)的水汽輸送通道，依靠這些水汽通道，海洋上的水汽分別沿西南、西北和東北三個方向源源不斷地向內(nèi)陸地區(qū)輸送。其中出現(xiàn)極端降水的區(qū)域正好位于東南—西北方向的這條水汽輸送通道上，此外極端降水的主要落區(qū)(圖5中紅色方框所示)附近還出現(xiàn)了水汽通量的大值中心。綜合上述特征，可以進(jìn)一步分析得出，依靠上述穩(wěn)定建立的水汽輸送通道，使得大量海洋上的水汽能被遠(yuǎn)距離地輸送到極端降水落區(qū)附近，繼而為極端降水發(fā)生發(fā)展提供充足的水汽供給。

圖5 2021年7月20日(a，c)08時與(b，d)14時的(a，b)850 hPa單層等壓面與(c，d)整層積分的水汽通量(矢量：水汽通量矢量，單位: kg·m-1·s-1；填色：水汽通量標(biāo)量，單位: kg·m-1·s-1；整層積分包含從地面到700 hPa等壓面之間的所有等壓面層；紅色方框：極端降水主要落區(qū))Fig.5 (a, b) The 850 hPa water vapor flux and (c, d) vertical integration from surface to 700 hPa at (a, c) 08:00 BT and (b, d) 14:00 BT 20 July 2021(vector： water vapor flux vector, unit: kg·m-1·s-1； colored： water vapor flux scalar, unit: kg·m-1·s-1; red box： falling area of extrem precipitation)

3.2 中尺度水汽區(qū)域收支及水汽輻合特征

圍繞極端降水主要落區(qū)(圖6a)的區(qū)域水汽收支特征，根據(jù)式(3)～式(5)，計算2021年7月20日00時至21日00時極端降水主要落區(qū)范圍內(nèi)的水汽凈收支隨時間的演變，結(jié)果如圖6b所示。通過分析上述區(qū)域水汽收支結(jié)果發(fā)現(xiàn)，區(qū)域水汽收支的演變特征與極端降水區(qū)對應(yīng)的區(qū)域平均降水隨時間的演變特征存在一定差異，這主要是因為計算極端降水區(qū)范圍內(nèi)水汽收支結(jié)果僅能從水汽的角度反映出背景環(huán)流場為極端降水的發(fā)生和維持提供的水汽條件，而局地極端降水的演變還受到除水汽以外的局地環(huán)境場動力和熱力條件的影響。盡管存在上述差異，區(qū)域水汽收支結(jié)果還是較好地反映出極端降水出現(xiàn)前(15時之前)，區(qū)域內(nèi)的水汽收支為負(fù)，而在極端降水出現(xiàn)后(15時之后)，區(qū)域內(nèi)的水汽收支由負(fù)轉(zhuǎn)正，且不斷增加的演變特征，這說明背景環(huán)流場為區(qū)域內(nèi)水汽由凈流出轉(zhuǎn)為凈流入提供了有利的環(huán)境場條件，這對于降水的發(fā)生和維持起到了重要的推動作用。盡管區(qū)域水汽收支的演變與區(qū)域平均降水的演變并非完全同步，但當(dāng)水汽供給有負(fù)轉(zhuǎn)正并開始迅速增加時，區(qū)域平均降水也在此時開始出現(xiàn)顯著增強(qiáng)，所以水汽的演變對局地降水的演變具有一定的指示意義。

圖6 2021年7月20日(a)極端降水落區(qū)與(b)落區(qū)內(nèi)水汽通量凈收支隨時間的演變(圖6a中方框代表極端降水落區(qū)的東、西、南、北四個邊界截面，朝內(nèi)箭頭代表水汽的流入，朝外箭頭代表水汽的流出)Fig.6 (a) The extreme precipitation area temporal variation of (b) water vapor flux budget in Fig.6a on 20 July 2021(In Fig.6a, dashed rectangle box denotes the vertical section in the directions of east, west, south and north, the inner red arrow vector denotes the inflow of water vapor, the outer red arrow vector denotes the outflow of water vapor)

此后，為了進(jìn)一步研究局地中尺度地形在局地水汽輻合過程中所起的作用，有針對性地開展了極端降水落區(qū)內(nèi)的區(qū)域平均水汽通量散度隨時間演變的地形敏感性試驗(局地地形高度降低的敏感性試驗區(qū)域范圍為32°～36°N、109°～114°E的矩形區(qū)域，該區(qū)域在圖7中用黑色虛線方框表示)，最終該敏感性試驗結(jié)果(圖8)表明顯著降低局地中尺度地形高度相較于保留局地中尺度地形時，對流層低層850 hPa以下的水汽通量輻合強(qiáng)度顯著減弱，對流層低層850 hPa以下的水汽通量出現(xiàn)強(qiáng)輻合的時間顯著縮短，最強(qiáng)水汽通量輻合的高度也進(jìn)一步降低，從而證實局地中尺度地形對于對流層低層的水汽輻

圖7 河南省及其周邊區(qū)域地形(填色：地形高度，虛線方框：開展局地地形敏感性試驗時將局地地形高度乘以0.1的主要區(qū)域范圍)Fig.7 The topographical distribution around Henan Province (colored: topographical height, the black dashed rectangle box: topographical sensitivity experiment region where the topographical altitude is reduced to one-tenth of the original)

圖8 2021年7月20日08時至21日02時極端降水落區(qū)范圍內(nèi)(圖6a)的區(qū)域平均水汽通量散度(填色，等值線，單位：kg·m-2·s-1)的垂直分布的地形敏感性試驗結(jié)果(a)保留局地地形的控制試驗，(b)代表將局地地形高度乘以0.1的敏感性試驗Fig.8 The result of sensitivity experiment on the vertical distribution of regional average water vapor flux divergence (contour, colored, unit: kg·m-2·s-1) across the extreme precipitation area (a) control experiment retaining the topographical height, (b) sensitivity experiment decreasing ten times of the topographical height during 08:00 BT 20 to 02:00 BT 21 July 2021

合起到了重要的促進(jìn)作用。此外陳紅專等(2019)指出低層水汽通量輻合的增強(qiáng)有利于水汽的垂直輸送，也有利于對流活動的增強(qiáng)。綜上所述，在穩(wěn)定少動的中尺度低值天氣系統(tǒng)對應(yīng)的輻合風(fēng)場影響下，極端降水區(qū)域內(nèi)水汽的凈收支增加，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)水汽含量的進(jìn)一步增加。在河南省西部山脈的迎風(fēng)坡地形阻擋作用下，水汽在迎風(fēng)坡前的對流層低層出現(xiàn)輻合，通過對流層低層的水汽輻合產(chǎn)生的動力機(jī)制，使低層匯聚的水汽被進(jìn)一步輸送到對流層中高層，以此促進(jìn)對流的發(fā)展和降水的增強(qiáng)。中尺度低值系統(tǒng)和局地地形的共同作用導(dǎo)致的局地水汽輻合和垂直輸送為對流和極端降水的發(fā)生發(fā)展提供了極其有利的局地水汽條件。

3.3 云微物理尺度水汽轉(zhuǎn)化特征

降水無論就對流的時間尺度還是空間尺度而言，均可通過云微物理過程產(chǎn)生，因此水汽的凝結(jié)或凝華過程對降水的演變必定會產(chǎn)生重要的影響，而降水效率作為一個重要的定量化診斷指標(biāo)，可用于評估在對流系統(tǒng)作用下水汽轉(zhuǎn)化為雨水過程中的轉(zhuǎn)化效率(Sui et al，2007)。本文通過分析極端降水持續(xù)期間降水效率的分布特征，從云微物理過程角度進(jìn)一步揭示了局地水汽通過相關(guān)云微物理過程轉(zhuǎn)化為地面降水的這一主要的水汽消耗機(jī)制。

按照式(6)～式(8)，計算得出了極端降水持續(xù)期間的小時降水效率，首先對比極端降水持續(xù)時間內(nèi)代表性時刻20日17時與19時的降水強(qiáng)度及其對應(yīng)小時降水效率的水平空間分布特征(圖9)，之后進(jìn)一步對比了對應(yīng)時刻的降水強(qiáng)度、小時降水效率以及局地風(fēng)場在極端降水落區(qū)內(nèi)的沿34.43°N 的緯向垂直分布特征(圖10)。

圖9 2021年7月20日(a，b)17時，(c，d)19時極端降水持續(xù)期間代表性時刻的(a，c)小時降水效率以及(b，d)降水強(qiáng)度的空間分布(圖9a,9c中，紅色圓點：鄭州站，紅線：圖12與圖13緯向剖面位置)Fig.9 Spacial distribution of (a, c) the precipitation efficiency (colored) and (b, d) corresponding hourly precipitation intensity (colored) at (a, b) 17:00 BT and (c, d) 19:00 BT 20 July 2021(in Figs.9a, 9c, red dot： Zhengzhou Station, red line： location of the vertical profile shown in Fig.12 and Fig.13)

圖10 2021年7月20日(a，b，c)17時，(d，e，f)19時極端降水持續(xù)期間代表性時刻的(a，d)降水強(qiáng)度，(b，e)小時降水效率以及(c，f)局地風(fēng)場沿34.43°N(鄭州站本站所處緯度)的緯向垂直剖面(陰影：地形剖面；橢圓：兩個時段內(nèi)有顯著變化的區(qū)域，下同)Fig.10 The vertical latitudinal profile along 34.43°N of (a, d) hourly precipitation intensity, (b, e) precipitation efficiency and (c, f) local wind field at (a, b, c) 17:00 BT and (d, e, f) 19:00 BT 20 July 2021(shaded： topographical profile； ellipse: significant changes in two periods, the same below)

通過小時降水效率與降水強(qiáng)度的分布(圖9)對比可以看出，局地強(qiáng)降水中心附近出現(xiàn)了降水效率的最大值中心，局地強(qiáng)降水中心附近的降水效率甚至超過90%，此外，在降水較少或沒有降水的區(qū)域，降水效率普遍在10%以下。降水強(qiáng)度與小時降水效率之間極好的對應(yīng)性，一方面表明降水效率對局地強(qiáng)降水的演變有較好的指示意義，另一方面說明極端降水發(fā)生區(qū)域出現(xiàn)了水汽向降水的高效轉(zhuǎn)化過程。因此可以通過進(jìn)一步分析降水效率的演變機(jī)制來揭示極端降水發(fā)生機(jī)制。

通過降水效率(圖10b，10e)、降水強(qiáng)度(圖10a，10d)的緯向剖面對比可以發(fā)現(xiàn)，在靠近西側(cè)迎風(fēng)坡地形時，降水強(qiáng)度出現(xiàn)顯著的增強(qiáng)特征，降水效率相應(yīng)呈現(xiàn)顯著的增加趨勢，在迎風(fēng)坡地形區(qū)附近的小時降水效率最高可達(dá)95%以上，通過分析局地風(fēng)場的垂直分布發(fā)現(xiàn)，由于受到迎風(fēng)坡地形抬升作用的影響，迎風(fēng)坡地形附近的垂直上升運(yùn)動被顯著增強(qiáng)(圖10c，10f)。因此局地中尺度地形作用除了有利于局地水汽在地形迎風(fēng)坡前側(cè)出現(xiàn)有效輻合外，其產(chǎn)生的地形抬升作用通過增強(qiáng)垂直上升運(yùn)動，間接促進(jìn)降水效率的提升，繼而促進(jìn)局地水汽向降水的高效轉(zhuǎn)化，最終導(dǎo)致地面降水強(qiáng)度的增加。

為了進(jìn)一步揭示圖10中導(dǎo)致降水效率在迎風(fēng)坡地形和對流活動影響下出現(xiàn)顯著空間分布差異的可能機(jī)制，以及降水中心位于地形不同區(qū)域時對應(yīng)降水效率出現(xiàn)顯著差異的可能機(jī)制，進(jìn)一步詳細(xì)分析了影響降水效率的關(guān)鍵水汽凝結(jié)過程(PLADJ)、凝華過程(PIADJ、PSDEP、PGDEP)及總水凝物含量(QCM)的緯向垂直分布特征(圖11)，研究結(jié)果表明當(dāng)局地強(qiáng)降水中心位于迎風(fēng)坡地形附近時(20日17時)，水汽凝結(jié)過程(PLADJ)在遠(yuǎn)離迎風(fēng)坡地形區(qū)域時維持相對較高的轉(zhuǎn)換水平，而在靠近迎風(fēng)坡地形區(qū)域時維持相對較低的轉(zhuǎn)換水平，表明迎風(fēng)坡地形對水汽的暖云轉(zhuǎn)化過程促進(jìn)作用不明顯，相反水汽凝華過程(PIADJ、PSDEP、PGDEP)在遠(yuǎn)離迎風(fēng)坡地形區(qū)域時維持較低的轉(zhuǎn)化水平，而在靠近迎風(fēng)坡地形區(qū)域時轉(zhuǎn)化水平得到顯著增強(qiáng)，尤其是水汽向云冰粒子的轉(zhuǎn)換過程(PIADJ)和水汽向雹粒子的轉(zhuǎn)換過程(PGDEP)的增強(qiáng)特征更加明顯，表明迎風(fēng)坡地形對以PIADJ與PGDEP為主的水汽的冰云轉(zhuǎn)化過程起到了重要的促進(jìn)作用。上述特征的出現(xiàn)主要?dú)w結(jié)于迎風(fēng)坡地形抬升作用以及強(qiáng)降水中心附近對流活動產(chǎn)生的劇烈垂直上升運(yùn)動，通過將更多水汽垂直輸送到對流層中高層，繼而增強(qiáng)水汽的的冰云轉(zhuǎn)化過程(Houze，2012)。而根據(jù)水凝物濃度(QCM)緯向分布看出，迎風(fēng)坡地形作用對水凝物濃度(QCM)變化的影響非常有限。此外，當(dāng)局地強(qiáng)降水中心位于山頂附近時(20日19時)，其降水效率相較于局地強(qiáng)降水中心位于迎風(fēng)坡地形附近時呈現(xiàn)略微降低的變化趨勢，對應(yīng)水汽向云冰粒子的轉(zhuǎn)化過程以及水汽向雹粒子的轉(zhuǎn)化過程呈現(xiàn)出顯著減弱的變化趨勢，風(fēng)場的緯向垂直分布在20日17時與19時的對比結(jié)果表明，伴隨降水中心由迎風(fēng)坡地形附近移至地形山頂處，迎風(fēng)坡地形對850 hPa以下對流層低層氣流的抬升作用被顯著削弱(圖10c，10f的虛線橢圓標(biāo)記)，導(dǎo)致水汽向?qū)α鲗痈邔拥拇怪陛斔妥饔靡蚕鄳?yīng)減弱，使得強(qiáng)降水中心附近PIADJ與PGDEP過程也呈現(xiàn)顯著減弱的變化趨勢。綜上所述，降水效率的診斷結(jié)果表明此次極端降水過程在降水強(qiáng)度增強(qiáng)期間具有顯著冰云轉(zhuǎn)換特征，而降水效率在地形迎風(fēng)坡處的顯著增強(qiáng)與地形迎風(fēng)坡抬升作用促使更多水汽被輸送到對流層中高層后向云冰粒子和雹粒子轉(zhuǎn)換過程增強(qiáng)有密切聯(lián)系。

圖11 2021年7月20日(a，b，c，d，e)17時，(f，g，h，i，j)19時極端降水持續(xù)期間代表性時刻影響降水效率的整層垂直積分后的(a，f)水汽凝結(jié)過程(PLADJ)、(b，c，d，g，h，i)凝華過程(PIADJ、PSDEP、PGDEP)和(e，j)總水凝物含量(QCM)沿34.43°N的緯向垂直剖面(單位：g·kg-1)(陰影：地形剖面)Fig.11 The vertical latitudinal profile along 34.43°N of vertically integrated of (a, f) water vapor condensation process (PLADJ), (b, c, d, g, h, i) desublimation process (PIADJ,PSDEP,PGDEP), and (e, j) total hydrometeor content (QCM) (unit： g·kg-1)at (a, b, c, d, e) 17:00 BT and (f, g, h, i, j) 19:00 BT 20 July 2021(shaded: topographical profile)

為了證實地形對降水效率的影響，本文針對鄭州站的小時降水效率與降水強(qiáng)度開展了相應(yīng)的局地中尺度地形敏感性試驗(圖12)以及沿鄭州市所在緯度的緯向風(fēng)場剖面敏感性試驗(圖13)，局地中尺度地形高度降低的敏感性試驗區(qū)域范圍同圖6a 保持一致。敏感性試驗結(jié)果表明，當(dāng)移除局地迎風(fēng)坡地形后，鄭州站的極端降水強(qiáng)度被顯著削弱，對應(yīng)的降水效率也被顯著削弱，表明局地迎風(fēng)坡地形作用確實對降水效率的增強(qiáng)起到了促進(jìn)作用。進(jìn)一步分析上述特征出現(xiàn)的原因，發(fā)現(xiàn)一方面迎風(fēng)坡地形對低層水汽的阻擋對低層的水汽輻合產(chǎn)生了積極的影響，另一方面迎風(fēng)坡地形抬升作用通過增強(qiáng)垂直上升運(yùn)動，使更多的水汽被輸送到對流層更高的高度上，而水汽向冰相粒子轉(zhuǎn)換過程的增強(qiáng)有利于云中更多的冰相粒子的形成，考慮到此次極端降水過程具有顯著的冰云降水特征，冰相粒子含量的增加為冰相粒子下落融化時提供更多的冰相粒子源，最終導(dǎo)致地面降水強(qiáng)度的增加，上述水汽向冰相粒子轉(zhuǎn)換的過程作為影響降水效率的關(guān)鍵云微物理過程，其演變對降水效率的增強(qiáng)起到了決定性的作用，而位于迎風(fēng)坡地形區(qū)域的鄭州市，其降水效率增強(qiáng)表征的水汽向地面降水的高效轉(zhuǎn)換對局地降水的演變起到了極好的指示作用。綜上所述，局地迎風(fēng)坡地形作用確實對降水效率的增強(qiáng)起到了重要的促進(jìn)作用。

圖12 2021年7月20日08時至21日02時極端降水持續(xù)期間鄭州站的(a)小時降水效率與(b)降水強(qiáng)度局地地形敏感性試驗結(jié)果(黑色折線：保留局地地形的控制試驗結(jié)果，灰色折線：將局地地形高度乘以0.1的敏感性試驗結(jié)果)Fig.12 The result of sensitivity experiment on the (a) precipitation efficiency and (b) hourly precipitation intensity at Zhengzhou Station during 08:00 BT 20 to 02:00 BT 21 July 2021(black polygonal line： results of control experiment retaining the topographical height, grey polygonal line: results of sensitivity experiment that decreasing ten times the topographical height)

圖13 2021年7月20日(a，c)17時，(b，d)19時極端降水持續(xù)期間代表性時刻沿34.43°N(圓點：鄭州站位置)的風(fēng)場(風(fēng)矢)緯向垂直剖面(a，b)控制試驗，(c，d)敏感性試驗(陰影：地形剖面)Fig.13 The wind section (vector) along 34.43°N abstract from (a, b) control experiment and (c, d) sensitivity experiment (dot: Zhengzhou Station) at (a, c) 17:00 BT and (b, d) 19:00 BT 20 July 2021(shaded: topographical profile)

4 結(jié)論與討論

本文針對2021年7月20日河南省的區(qū)域性特大暴雨過程，重點圍繞極端降水的演變特征，利用大氣再分析資料、國家基準(zhǔn)站降水觀測數(shù)據(jù)和高分辨率的數(shù)值模擬結(jié)果，系統(tǒng)性研究了多尺度系統(tǒng)協(xié)同影響下的水汽特征對極端降水演變的影響機(jī)制，并全面揭示了極端降水區(qū)內(nèi)水汽的主要產(chǎn)生和消耗過程，得到的主要研究結(jié)論如下：

(1)異常穩(wěn)定的大尺度阻塞環(huán)流形勢，極端降水區(qū)附近加強(qiáng)且穩(wěn)定維持的中尺度低值系統(tǒng)，以及有利的中尺度地形動力條件的共同作用，為此次極端降水的發(fā)生和持續(xù)提供了良好的環(huán)境場條件。

(2)在海上穩(wěn)定維持的臺風(fēng)煙花、北抬的副熱帶高壓以及中高緯度長波槽的共同作用下，建立了三條從海洋到內(nèi)陸地區(qū)的穩(wěn)定水汽輸送通道，而極端降水的落區(qū)正好位于其中的一條東南—西北向的水汽輸送通道上。

(3)極端降水落區(qū)內(nèi)水汽凈收支在降水持續(xù)期間的逐漸增長，以及在地形迎風(fēng)坡前對流層低層產(chǎn)生的強(qiáng)烈水汽輻合，為對流和極端降水的發(fā)生發(fā)展提供了極其有利的局地水汽條件。

(4)降水效率的診斷結(jié)果表明降水效率對極端降水的演變有較好的指示意義，而相關(guān)云微物理過程的進(jìn)一步診斷研究發(fā)現(xiàn)，通過迎風(fēng)坡地形抬升作用增強(qiáng)氣流的垂直上升運(yùn)動，使更多的水汽被垂直輸送到對流層中高層，繼而促使水汽向云冰粒子和雹粒子的凝華轉(zhuǎn)換過程增強(qiáng)，最終導(dǎo)致降水效率得到顯著提升。

綜上所述，河南“21·7”特大暴雨多尺度系統(tǒng)通過系統(tǒng)間的協(xié)同作用，為極端降水的發(fā)生發(fā)展提供了有利的水汽條件，此后對流活動和迎風(fēng)坡地形抬升作用的影響，降水效率得到顯著增強(qiáng)，降水效率增強(qiáng)表征的局地水汽向地面降水轉(zhuǎn)化效率的提高，最終有效地闡釋了地形迎風(fēng)坡前出現(xiàn)極端降水的發(fā)生機(jī)理。相較于過去研究中較多關(guān)注水汽的來源以及水汽在局地降水區(qū)內(nèi)的輻合等一系列水汽來源過程，本文通過降水效率診斷對水汽轉(zhuǎn)化為雨水這一水汽消耗過程開展了更加深入的研究，從而對極端降水發(fā)生期間水汽的產(chǎn)生和消耗的整個過程有了更加全面系統(tǒng)的認(rèn)識。然而，本文的研究也存在一些不足之處，例如在分析大尺度水汽輸送時，僅定性分析了大尺度環(huán)流形勢建立的遠(yuǎn)距離水汽輸送對極端降水演變的影響，而忽略了研究氣候態(tài)下環(huán)流形勢的異常產(chǎn)生的氣候態(tài)下的水汽輸送異常導(dǎo)致極端降水出現(xiàn)的可能物理機(jī)制。此外，在分析極端降水持續(xù)期間降水效率的增強(qiáng)特征時，僅關(guān)注了地形迎風(fēng)坡抬升作用對降水效率中關(guān)鍵水凝物轉(zhuǎn)化過程的影響，而忽視了其他環(huán)境場條件對上述云微物理過程的影響研究。上述研究不足之處，有待針對極端降水的云微物理過程和云內(nèi)環(huán)境場條件的數(shù)值模擬能力和觀測能力進(jìn)一步提升后，再完善相關(guān)研究。