喻謙花， 呂哲源， 李姝霞， 姚 遠(yuǎn)

(1.開封市氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 開封 475004； 2.開封市氣象局，河南 開封 475004； 3.鄭州市氣象局，鄭州450000)

引 言

極端暴雨常引起嚴(yán)重的洪澇、泥石流等自然災(zāi)害。近年來，我國大城市極端暴雨頻繁發(fā)生，引起城市內(nèi)澇、交通癱瘓等，經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響巨大，受到社會(huì)的普遍關(guān)注。多位學(xué)者對北京市2012年“7·21”和華北2016年“7·20”大暴雨過程[1-5]分析后認(rèn)為，極端降水過程發(fā)生在高層輻散、中低層低渦切變和地面輻合線等高低空系統(tǒng)耦合的背景下。針對廣州市2017年“5·7”極端暴雨過程[6-8]的研究表明，在天氣尺度的動(dòng)力、熱力和水汽條件等極端性不顯著條件下，強(qiáng)降水是由中尺度對流系統(tǒng)直接產(chǎn)生的。濟(jì)南2007年“7·18”大暴雨發(fā)生在大氣層結(jié)十分不穩(wěn)定和高、低空急流耦合的有利大尺度環(huán)流背景下，由強(qiáng)烈發(fā)展的中尺度對流云團(tuán)直接造成；低空強(qiáng)盛的西南急流直抵黃河下游一帶，形成快速水汽輸送通道，使降水得以持續(xù)和加強(qiáng)[9-10]。

衛(wèi)星和雷達(dá)資料已被廣泛應(yīng)用到暴雨形成機(jī)理研究和短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)中[11-14]。李伶杰等[15]綜合分析了南京及周邊地區(qū)2017年6月10日一次破歷史紀(jì)錄的極端性強(qiáng)降水過程的5種近實(shí)時(shí)衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)表明，衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)對中小尺度極端性強(qiáng)降水過程的監(jiān)測有積極效果，但捕捉降水落區(qū)及追蹤降水動(dòng)態(tài)變化的能力尚需改進(jìn)。曾勇等[16]對新疆西部一次極端特大暴雨過程進(jìn)行分析，認(rèn)為中尺度對流云團(tuán)生成后在引導(dǎo)氣流的作用下不斷向北移動(dòng)發(fā)展，是造成暴雨的直接系統(tǒng)。阿邁德·迪狄安·迪阿羅等[17]利用衛(wèi)星雷達(dá)聯(lián)合重構(gòu)的降水場，比衛(wèi)星估計(jì)的降水有更高的精度。劉帆等[18]對陜西關(guān)中地區(qū)一次突發(fā)性暴雨的雷達(dá)回波特征分析認(rèn)為，強(qiáng)回波中心(45～55 dBZ)高度在6 km以下,為低質(zhì)心結(jié)構(gòu),徑向速度圖上零速度線呈“S”型,風(fēng)向輻合輻散和逆風(fēng)區(qū)等特征均有利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。

此外，我國在雙偏振天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)應(yīng)用方面也做了大量研究工作，主要包括冰雹識(shí)別、強(qiáng)雷暴云微物理過程、數(shù)值模擬、強(qiáng)降水監(jiān)測等[19-25]。潘佳文等[26]利用廈門雙偏振雷達(dá)探測數(shù)據(jù)對2018年5月7日發(fā)生在閩南地區(qū)的一次特大暴雨的強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴分析表明，ZDR柱位置與地面雨強(qiáng)中心存在較好的對應(yīng)關(guān)系。張紅梅等[27]對福建西南部一次特大暴雨的雙偏振雷達(dá)特征分析認(rèn)為，大范圍的差分相移率(KDP)指示了強(qiáng)降水的影響時(shí)間和降雨強(qiáng)度。鄭錚等[28]分析了臺(tái)風(fēng)“利奇馬”造成浙江沿海極端強(qiáng)降水的雙偏振雷達(dá)回波演變特征發(fā)現(xiàn)，ZH、ZDR和KDP大值區(qū)一致，有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

2021年7月19-20日，鄭州出現(xiàn)特大暴雨過程(簡稱“7·20”)，發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。據(jù)國務(wù)院災(zāi)害調(diào)查組發(fā)布的調(diào)查報(bào)告顯示，河南省因?yàn)?zāi)死亡失蹤398人，其中鄭州市380人。此次過程降雨強(qiáng)度歷史罕見，預(yù)報(bào)難度極大，是一次非常值得研究和分析的過程。因此,本文利用常規(guī)氣象觀測資料、NCEP 1°×1°再分析資料、FY-2G靜止衛(wèi)星及鄭州和洛陽CIN-RAD/SA雷達(dá)資料，結(jié)合地面逐小時(shí)區(qū)域自動(dòng)站資料，對導(dǎo)致極端暴雨發(fā)生的大尺度環(huán)流背景及強(qiáng)降水發(fā)生期間的中尺度系統(tǒng)特征進(jìn)行分析，并利用衛(wèi)星和雷達(dá)資料，解析天氣系統(tǒng)發(fā)展演變和短時(shí)強(qiáng)降水的對應(yīng)特征，以多角度了解此次極端暴雨的成因。

1 降水實(shí)況

2021年7月19日08時(shí)-21日08時(shí)，鄭州地區(qū)出現(xiàn)歷史罕見的特大暴雨過程(圖1a)，累計(jì)降水量大于250 mm的測站達(dá)174站，其中大于400 mm的為129站，大于600 mm的為31站，最大累計(jì)降水量為新密白寨站的860.8 mm。19日特大暴雨位于鄭州市區(qū)西南部，最大降水量為379.2 mm；20日特大暴雨主要位于鄭州市中部，范圍和強(qiáng)度較19日的增幅明顯，日最大降水量為侯寨的663.9 mm(圖 1b)；1 h最大雨量為鄭州市國家氣象站的201.9 mm(7月20日16-17時(shí)，圖 1c)，突破了我國大陸氣象觀測記錄的歷史極值(198.5 mm，1975年8月5日河南林莊)。由白寨最大累計(jì)降水量逐小時(shí)降水時(shí)序圖可見(圖1c)，鄭州主要降水集中在19日14時(shí)-20日23時(shí)，占過程總降水的80%以上。

圖1 2021年7月19日08時(shí)-21日08時(shí)(a)、20日08時(shí)-21日08時(shí)(b)鄭州市累計(jì)降雨量和19日08時(shí)-21日08時(shí)鄭州國家氣象站和新密白寨站逐小時(shí)降雨量演變(c)

2 環(huán)流背景分析

2.1 環(huán)流背景

2021年7月19-20日500 hPa上(圖2a、b)，西太平洋副熱帶高壓(副高)異常強(qiáng)盛，588位勢什米脊線到達(dá)40°N附近，同時(shí)在青藏高原維持一大陸高壓。河南處于副高和大陸高壓之間的低值區(qū)。低緯地區(qū)第6號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”和第7號(hào)臺(tái)風(fēng)“查帕卡”分別位于西太平洋和南海，臺(tái)風(fēng)外圍水汽分別從東南沿海和南海向河南輸送。200 hPa河南北中部受河套低槽和魯東低渦之間的高壓脊控制；由圖2(b)散度場可以看出，20日08時(shí)河南鄭州上空散度達(dá)到120×10-6/s，較19日的明顯加強(qiáng)，有利于低層輻合系統(tǒng)的發(fā)展。

19日，700 hPa暖切變線和850 hPa倒槽由豫西南伸向豫北，在鄭州上空交匯(圖2c)，形成較強(qiáng)的動(dòng)力抬升作用；850 hPa上，8～10 m/s的偏東顯著氣流將水汽由臺(tái)風(fēng)“煙花”外圍持續(xù)向豫中地區(qū)輸送。20日(圖2d)，850 hPa上，河南西部形成一深厚的低渦，臺(tái)風(fēng)“煙花”外圍水汽通過10～14 m/s的東南和偏南氣流向暴雨區(qū)輸送；由925 hPa水汽通量場也可看出，水汽通量大值區(qū)由臺(tái)風(fēng)“煙花”外圍伸向河南，鄭州附近的水汽通量較19日的明顯增強(qiáng)(圖2d)。

圖2 2021年7月19日14時(shí)(a)、20日08時(shí)(b)500 hPa高度場、500 hPa風(fēng)矢、200 hPa散度及19日14時(shí)(c)和20日08時(shí)(d)700 hPa高度場、850 hPa風(fēng)場、925 hPa水汽通量黑色等值線為位勢高度，黑色箭頭為風(fēng)矢，黑色圓圈為鄭州高空強(qiáng)輻散，紅色實(shí)線為倒槽，D為低渦中心，(a)(b)中色斑為散度，(c)(d)中色斑為水汽通量；位勢高度單位：gpm，風(fēng)速單位：m/s，散度單位：/s，水汽通量單位：g/(cm·hPa·s)

2.2 探空物理量分析

由鄭州探空站資料(表1)可看出，19日08時(shí)降水開始初期，大氣環(huán)境具有較高的CAPE和熱力不穩(wěn)定度，極有利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。20日CAPE較前日的下降，抬升指數(shù)LI增大。鄭州20日14時(shí)加密探空顯示，潛在不穩(wěn)定能量CAPE僅有91.5 J/kg，這是因?yàn)樵?9日的對流性降水過程中，CAPE已由浮力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，但K指數(shù)是持續(xù)增大的，20日14時(shí)達(dá)最大(39.3 ℃)。K指數(shù)計(jì)算公式包含溫度直減率和低層濕度兩個(gè)部分，由t850 hPa-500 hPa變幅較小可以看出，空中無明顯冷平流，K增大的主要原因是低層濕平流持續(xù)輸送。

由于鄭州市區(qū)無地基GPS大氣可降水量(GPS Pwv)資料，選取嵩山站(高山站)和汝州站的GPS Pwv資料進(jìn)行分析,分析結(jié)果見表1。由表1可以看出，19日08時(shí)至20日14時(shí)，GPS Pwv呈持續(xù)上升的趨勢，特別是20日16時(shí)，汝州站GPS Pwv達(dá)到78.3 mm,極端性明顯。

表1 2021年7月19日08時(shí)-20日20時(shí)鄭州探空站環(huán)境參數(shù)和嵩山、汝州站GPS大氣可降水量

2.3 地面加密風(fēng)場中尺度分析

20日地面加密自動(dòng)站風(fēng)場顯示， 01-08時(shí)(圖3a、b)，受地形影響，鄭州西南部維持東北-西南向的中尺度輻合線，使這一區(qū)域近地面水汽聚集和動(dòng)力抬升作用增大，導(dǎo)致鄭州西南部出現(xiàn)強(qiáng)降水。20日08時(shí)和14時(shí)，新密站6 h累計(jì)降水量分別達(dá)113 mm和185 mm。隨后中尺度輻合線東移北伸(圖3c)，13-16時(shí)鄭州中部持續(xù)出現(xiàn)較強(qiáng)的3 h負(fù)變壓，其中15時(shí)鄭州國家氣象站變壓達(dá)到-2.5 hPa，16時(shí)輻合線北部鄭州附近出現(xiàn)中尺度輻合中心(圖3d)，促使地面輻合進(jìn)一步增強(qiáng)，致鄭州國家氣象站出現(xiàn)201.9 mm/h的極端雨強(qiáng)。鄭州中部雨強(qiáng)≥100 mm/h的特強(qiáng)雨團(tuán)與輻合中心對應(yīng)較好。

3 衛(wèi)星云圖分析

19日上午，在河南到華南之間有大范圍低云帶，它的南端與臺(tái)風(fēng)“查帕卡”外圍云團(tuán)相聯(lián)接。在低云帶中，受低空東南急流和切變線影響，鄭州南部形成一條西北—東南向?qū)α髟茙?圖略)；鄭州出現(xiàn)分散的中尺度雨團(tuán)。19日下午可見光云圖上(圖 4a)，對流云帶的東部出現(xiàn)數(shù)條密集云線，持續(xù)向河南中部移動(dòng)。云線排列方向與低層風(fēng)向一致，是低層含水量極高的偏東急流在移動(dòng)中形成的軌跡，能夠清晰反映出水汽持續(xù)輸送的動(dòng)態(tài)。在午后近地面熱力和豐沛的水汽輸送條件下，黃淮到華南區(qū)域?qū)α髋莩时┌l(fā)式增長。紅外云圖上，14-17時(shí)河南到江蘇形成一條NW-SE向?qū)α髟茍F(tuán)帶；經(jīng)過發(fā)展合并，18-22時(shí)形成近3×104km2的帶狀MαCS(圖 4b)，中心最低TBB為-68 ℃。鄭州南部位于MαCS西北部的TBB高梯度帶內(nèi)，有6個(gè)時(shí)次小時(shí)雨強(qiáng)超過50 mm/h。23時(shí)后，該MαCS逐漸減弱。

7月20日00-06時(shí)河南中西部有2個(gè)中β尺度對流云團(tuán)快速發(fā)展合并，形成一個(gè)近1×104km2的MαCS(圖略)。這是因?yàn)橹械蛯蛹訌?qiáng)的東、東南氣流在河南西部山脈迎風(fēng)坡匯合，地形抬升致輻合加強(qiáng)，有利于形成中尺度對流輻合系統(tǒng)。地面圖上(圖略)，該區(qū)域02時(shí)和03時(shí)的3 h變壓均達(dá)-1.6 hPa，對應(yīng)850 hPa和700 hPa出現(xiàn)低渦；中低層強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動(dòng)，促使MβCS在短時(shí)間內(nèi)增強(qiáng)合并，發(fā)展成MαCS。20日07-12時(shí)紅外云圖上(圖 4c)，MαCS逐漸發(fā)展成“塊”狀；可見光云圖上(圖略)，低層表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)清晰的渦旋云系，高層有向四周伸出的短卷云羽，表明整層風(fēng)垂直切變小，有利于濕對流的進(jìn)一步增強(qiáng)。13：30“塊”狀云系在向西北移動(dòng)的同時(shí)，產(chǎn)生后向傳播，在其后部形成一對流云體(圖 4d)，14-16時(shí)發(fā)展成半封閉的螺旋狀彎曲云帶，云帶的曲率中心四周為邊界清晰的稠密云區(qū)(圖 4e、f)。中低層低渦東部強(qiáng)烈的正渦度作用致云系呈螺旋狀發(fā)展，形成半封閉狀的彎曲云帶，其內(nèi)側(cè)TBB梯度高達(dá)61 ℃/60 km。16-18時(shí)鄭州連續(xù)3個(gè)時(shí)次出現(xiàn)100 mm以上的特強(qiáng)雨團(tuán)，都產(chǎn)生在彎曲云帶內(nèi)。

圖4 2021年7月19日15時(shí)可見光云圖(a)及19日20時(shí)(b)、20日10時(shí)(c)、13：30(d)、15時(shí)(e)、16時(shí)(f)紅外云圖(a)中紅色箭頭為云線移動(dòng)方向，(d)(e)(f)中黑色圓圈內(nèi)為云團(tuán)后向傳播產(chǎn)生的對流云體和螺旋彎曲云帶；反照率單位：%，紅外氣溫單位：K

20日18-19時(shí)，位于鄭州上空已變形的渦旋MαCS，與南部的多個(gè)中β尺度對流泡合并，20-22時(shí)發(fā)展成為MCC(中尺度對流復(fù)合體)，-32 ℃冷云蓋面積超過了1×105km2,-52 ℃的面積達(dá)6×104km2(圖略)，并持續(xù)至21日01時(shí)。MCC邊發(fā)展邊向東移動(dòng)，21日23時(shí)左右MCC后部移出鄭州，鄭州的降水明顯減弱。

綜上分析，鄭州此次特大暴雨主要由2個(gè)MαCS和1個(gè)MCC所致。MCS發(fā)展主要分為4個(gè)階段：第一階段為19日上午，在鄭州南部有MβCS發(fā)展，降水以分散的中尺度雨團(tuán)為主。第二階段為19日13-23時(shí)，對流云團(tuán)呈暴發(fā)式增長合并，發(fā)展成為第1個(gè)MαCS，鄭州受其西部高TBB梯度帶影響，出現(xiàn)多個(gè)時(shí)次強(qiáng)雨團(tuán)；可見光云圖有密集云線，能較好地反映水汽持續(xù)輸送動(dòng)態(tài)。第三階段為20日00-18時(shí)，地面中尺度輻合中心的發(fā)展和中低層低渦的形成，促使2個(gè)MβCS快速發(fā)展合并形成第2個(gè)MαCS；隨著低渦氣旋性環(huán)流風(fēng)的增大，MαCS由“帶”狀發(fā)展為“塊”狀，再發(fā)展為螺旋狀半封閉的彎曲云帶，鄭州特強(qiáng)降雨(≥100 mm/h)發(fā)生在螺旋狀彎曲云帶內(nèi)。第4階段為20日19時(shí)-21日08時(shí)，MαCS發(fā)展成為MCC,并持續(xù)至21日早晨，這一階段，鄭州位于MCC后部，降水逐漸減弱。

4 雷達(dá)特征分析

4.1 反射率因子和徑向速度綜合分析

鄭州雷達(dá)站組合反射率因子圖上，19日上午河南中部以層狀云回波為主，降水強(qiáng)度相對稍弱(圖略)。13時(shí)后，受中低空較強(qiáng)東南氣流影響，河南東南部不斷涌現(xiàn)γ或β尺度的絮狀或片狀回波(圖5a)。0.5°-2.4°徑向速度圖上(圖略)，14：42-16：12和18-20時(shí)， 河南東南部上空先后2次出現(xiàn)中心達(dá)-26～-17 m/s的極值區(qū)(圖 5b)，并持續(xù)向鄭州移動(dòng)。地面加密風(fēng)場上(圖略)，13-15時(shí)和17-20時(shí)在開封尉氏一帶有中尺度輻合線發(fā)展，與中低空負(fù)徑向速度極值區(qū)移動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)速輻合共同作用，促使絮狀和片狀回波不斷合并加強(qiáng)，在較強(qiáng)東南氣流引導(dǎo)下，持續(xù)移向鄭州，造成鄭州上空反復(fù)出現(xiàn)≥50 dBZ的積云回波，形成“列車”效應(yīng)，是第二階段強(qiáng)降水產(chǎn)生的主要原因。21-23時(shí)河南東南部出現(xiàn)一西北-東南向?qū)挾燃s50～100 km的層云為主的回波“輸送帶”(圖 5c)，帶內(nèi)回波不斷向鄭州移動(dòng)，致使鄭州上空≥50 dBZ的強(qiáng)回波長時(shí)間維持。20日00時(shí)后，層云回波帶向西北方向收縮，鄭州上空以50 dBZ以下的層云回波為主，降水也較前期有所減弱。

20日03-12時(shí)，鄭州上空長時(shí)間維持大面積層積云混合回波，在原地呈氣旋式旋轉(zhuǎn)，但強(qiáng)回波區(qū)域(≥50 dBZ)相對分散(圖 5d)。對應(yīng)時(shí)段地面加密風(fēng)場上(圖 3)，鄭州西南部有中尺度輻合系統(tǒng)長時(shí)間維持，與中低層逐漸增強(qiáng)的低渦共同作用，促使回波長時(shí)間維持在鄭州上空，并呈氣旋式旋轉(zhuǎn)。13時(shí)后，在鄭州層積云混合回波區(qū)南部出現(xiàn)弱回波缺口，并逐漸發(fā)展成倒“V”狀；同時(shí)分散的積云回波逐漸向鄭州中部聚集。對應(yīng)時(shí)段地面加密風(fēng)場上，鄭州國家氣象站附近形成一中尺度輻合中心(圖 3d)。地面中尺度輻合中心促使近地面水汽大量聚集并強(qiáng)烈抬升。雷達(dá)組合反射率因子圖上(圖5e)，15-16時(shí)，鄭州中部上空強(qiáng)回波發(fā)展成團(tuán)狀強(qiáng)風(fēng)暴，中心達(dá)65 dBZ。0.5°仰角基本反射率圖上(圖略)，團(tuán)狀強(qiáng)風(fēng)暴回波東南部的“V”型弱回波區(qū)尾端已伸至鄭州雷達(dá)站附近；對應(yīng)0.5°徑向速度圖上(圖 5f)，“V”型缺口前側(cè)入流速度達(dá)到16～18 m/s。16-17時(shí)，“V”型缺口尾端持續(xù)指向鄭州，將東部和南部水汽和熱量快速輸送至鄭州，促使風(fēng)暴回波強(qiáng)度長時(shí)間維持在55～65 dBZ，致鄭州7個(gè)區(qū)域站小時(shí)雨量超過100 mm，最大小時(shí)雨量達(dá)201.9 mm。強(qiáng)風(fēng)暴前側(cè)“V”型缺口是風(fēng)暴前強(qiáng)入流所致。由于入流導(dǎo)致的上升氣流太強(qiáng)，使小水滴不能在其中增長為大水滴，因此表現(xiàn)為弱回波區(qū)。在風(fēng)暴的早期和成熟階段，低層進(jìn)入風(fēng)暴的上升氣流主要在弱回波區(qū)或無回波區(qū)中，是強(qiáng)風(fēng)暴最值得注意的特征[29]。

由于鄭州雷達(dá)站觀測靜錐區(qū)影響，僅能觀測到0.9 km以下回波發(fā)展情況。因此，應(yīng)用洛陽雷達(dá)進(jìn)一步分析回波的結(jié)構(gòu)。從洛陽雷達(dá)的組合反射率因子可看出(圖略)，20日16-17時(shí)，鄭州上空團(tuán)狀回波頂高為14～15 km，50 dBZ以上強(qiáng)回波主要分布 8 km以下；從0.5°仰角基本速度圖上(圖略)，可見明

圖5 鄭州雷達(dá)站2021年7月19日15：18組合反射率因子(a)、徑向速度(b)及19日21：42(c)、20日09：42(d)、16時(shí)(e)組合反射率因子和20日16時(shí)0.5°徑向速度(f)(a)中紅色方框內(nèi)為絮片狀回波，(a)(b)中白色雙箭頭為負(fù)徑向速度大值區(qū)和對應(yīng)的強(qiáng)回波，(c)中紅色箭頭為回波移動(dòng)方向，即回波“輸送帶”，(e)中紅色實(shí)線為“V”型弱回波缺口

顯正負(fù)速度對，速度差最大達(dá)25 m/s，3.4°仰角以上有較強(qiáng)的風(fēng)速輻散，由于距離較遠(yuǎn)，未觀測到懸垂回波和中氣旋特征。

20日17-20時(shí)，鄭州雷達(dá)資料缺失。由洛陽遠(yuǎn)距離雷達(dá)觀測顯示，鄭州上空積云團(tuán)狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)回波區(qū)東移至鄭州東部，并逐漸減弱。由地面加密風(fēng)場也可看出(圖略)，中尺度輻合線移至鄭州東部。18時(shí)后，鄭州區(qū)域以≤45 dBZ回波為主。19-22時(shí)，鄭州南部有西北-東南向積云回波逐漸增強(qiáng)并向北移動(dòng)；從鄭州0.5°速度圖上(圖略)，可見較大范圍的逆風(fēng)區(qū)，鄭州東部的開封市觀測到多個(gè)時(shí)次有中氣旋和TVS龍卷渦旋；此階段，鄭州市最大雨強(qiáng)為76 mm/h(19-20時(shí))。23時(shí)以后較強(qiáng)回波帶東移出鄭州，降水較前一時(shí)期明顯減弱。

綜上分析，強(qiáng)回波(≥50 dBZ)在河南中部持續(xù)維持，導(dǎo)致極端降水產(chǎn)生。與低層風(fēng)向一致的絮狀或片狀回波群和層云回波“輸送帶”，及速度圖上與之配合的移動(dòng)大風(fēng)速區(qū)，較好地反映了水汽持續(xù)輸送和急流脈動(dòng)情況，是強(qiáng)回波在鄭州上空長時(shí)間維持的主要原因。風(fēng)暴低層前部出現(xiàn)的“V”型弱反射率回波缺口，入流速度達(dá)到16～18 m/s，促使分散的積云回波向鄭州中部上空聚集形成“團(tuán)”狀強(qiáng)風(fēng)暴。強(qiáng)入流促使于大量水汽和熱量持續(xù)向鄭州匯聚，在地面中尺度輻合線和中低層低渦的作用下，快速被抬升至空中凝結(jié)，是強(qiáng)風(fēng)暴中心回波強(qiáng)度長時(shí)間維持在55～65 dBZ和鄭州極端小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)201.9 mm/h產(chǎn)生的主要原因。

4.2 雙偏振雷達(dá)參數(shù)特征

4.2.1 差分反射率因子ZDR

差分反射率因子ZDR是水平偏振的反射率因子和垂直偏振的反射率因子之比，其比值的大小與降水粒子大小和形狀的扁圓程度密切相關(guān)[30]。正圓形粒子ZDR接近于0 dB，雨滴越大，形狀越扁平，則ZDR越高。本次強(qiáng)降水過程期間，鄭州上空差分反射率因子為1～3 dB。從小時(shí)降水強(qiáng)度40 mm和100 mm的ZDR對比來看，差別不明顯。但ZDR大值區(qū)域?qū)ε袛囡L(fēng)暴發(fā)展有一定指示意義。風(fēng)暴云在快速加強(qiáng)期間，其低層入流一側(cè)ZDR增大明顯，往往出現(xiàn)成片≥2 dB的區(qū)域。如20日13：48 鄭州雷達(dá)站0.5°仰角(圖6a)，新密市西部出現(xiàn)一ZDR≥3 dB的半圓弧，對應(yīng)偏小的KDP。利用洛陽雷達(dá)站0.5°仰角觀測(圖6b)，16：12-16：42鄭州上空的強(qiáng)風(fēng)暴東南部持續(xù)有ZDR強(qiáng)度為2～3 dB的半圓弧，伸展高度達(dá)到2.2 km，對應(yīng)區(qū)域?yàn)榇笾礙DP邊沿的相對小值區(qū)，而在ZDR弧內(nèi)側(cè)則對應(yīng)大的KDP和強(qiáng)回波。表明在風(fēng)暴強(qiáng)入流的上升氣流區(qū)域分布著少數(shù)液態(tài)降水大粒子，而更多的液態(tài)降水粒子主要聚集在上升氣流的前側(cè)。

4.2.2 差分相移率KDP

差分相移率KDP是單位距離的差分相移參量，對識(shí)別強(qiáng)降水區(qū)很有作用，其正值大小和強(qiáng)降水的扁平大雨滴數(shù)量的正相關(guān)性非常好，可以很好地估算液態(tài)含水量，它通常用于強(qiáng)降水估測、冰雹識(shí)別、降水類型識(shí)別等[31-33]。本次過程，鄭州站上空KDP≥0.5°/km的區(qū)域演變與雨團(tuán)發(fā)展對應(yīng)較好。下面針對20日下午最強(qiáng)降雨時(shí)段進(jìn)行詳細(xì)分析。

20日13-15時(shí)，鄭州雷達(dá)1.5°仰角顯示(圖略)，新密市西部連續(xù)5～7個(gè)體掃(每體掃6 min)出現(xiàn)大范圍 KDP ≥1.7°/km的回波，并有≥2.4°/km的連片回波區(qū)，少量3.1°/km以上回波伸展到1.8 km；對應(yīng)區(qū)域最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)93 mm/h。同時(shí)段，新密東部出現(xiàn)大范圍KDP為3.1°/km的回波，并持續(xù)多個(gè)時(shí)次，最大值達(dá)到5.9°/km；對應(yīng)區(qū)域2個(gè)時(shí)次最大降水量分別達(dá)到76 mm和98 mm。15-16時(shí)(圖6c)，鄭州市區(qū)西部被KDP≥1.7°/km的回波覆蓋，并出現(xiàn)大面積的KDP≥2.4°/km的回波，3.1°/km以上回波面積也逐時(shí)次增大，高強(qiáng)的KDP持續(xù)時(shí)長超過30 min，造成鄭州西部出現(xiàn)雨強(qiáng)超過100 mm/h的特強(qiáng)雨團(tuán)。16-17時(shí)，鄭州上空低層出現(xiàn)大范圍KDP≥3.1°/km 的回波；從洛陽雷達(dá)站(圖6d)也可以看出，2.2 km高度也有成片KDP≥3.1°/km的區(qū)域;據(jù)直方圖(圖略)統(tǒng)計(jì)，KDP≥3.1°/km的回波面積最大時(shí)，達(dá)130 km2，最大值達(dá)5.4°/km；對應(yīng)區(qū)域ZDR≥2.5 dB，說明雨滴直徑大而且數(shù)量特別高，造成鄭州國家氣象站201.9 mm/h的極端雨強(qiáng)。17時(shí)以后，低層0.6 km以下，KDP≥3.1°/km的區(qū)域移至鄭州東部，并逐漸減弱。21時(shí)之后，鄭州區(qū)域內(nèi)有分散的KDP為0.5～1.1°/km的回波，對應(yīng)區(qū)域內(nèi)小時(shí)雨量為10～40 mm。

KDP與傳統(tǒng)的反射率因子估算降水相比，對于強(qiáng)降水識(shí)別更為精確。在此次強(qiáng)降水過程中，小時(shí)最大雨量≥40 mm時(shí)，對應(yīng)區(qū)域有連成片的KDP為1.7～2.4°/km的回波。過程期間，雨強(qiáng)達(dá)100 mm/h以上的有3個(gè)時(shí)次，低層對應(yīng)區(qū)域有連成片的KDP≥3.1°/km的回波。同時(shí)，2.2 km高度上有大范圍2.1～3.0°/km的回波。過程最大雨強(qiáng)201.9 mm/h對應(yīng)的區(qū)域，KDP值為3.1～5.5°/km，回波伸展高度超過4 km，并且在同一區(qū)域至少持續(xù)30 min以上。

圖6 2021年7月20日13：48鄭州雷達(dá)站0.5°ZDR(a)、16：30 洛陽雷達(dá)0.5°ZDR(b)、15：30鄭州雷達(dá)站1.5°KDP(c)、16：30 洛陽雷達(dá)0.5°KDP(d) (a)(b)中黑色半圓弧為ZDR半圓弧

5 結(jié) 論

(1)“7·20”極端暴雨發(fā)生期間，500 hPa鄭州處在副高和大陸高壓之間的低值區(qū)，高層200 hPa有強(qiáng)輻散，與中低層低渦、切變線共同作用，為特大暴雨產(chǎn)生提供持續(xù)的動(dòng)力條件；臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”外圍的偏南、東南急流將印度洋、南海、西太平洋水汽持續(xù)向河南輸送，為特大暴雨提供了充沛的水汽條件。19日強(qiáng)降水開始初期，CAPE值大，大氣環(huán)境有較高的潛在不穩(wěn)定能量；20日強(qiáng)降水發(fā)生期間，K指數(shù)持續(xù)上升至39.3 ℃，均有利于對流發(fā)生發(fā)展。而鄭州西南部嵩山站、汝州站GPS Pwv呈持續(xù)上升的趨勢，特別是20日16時(shí)，汝州站GPS Pwv達(dá)到78.3 mm,極端性明顯，反映此時(shí)大氣整層水汽達(dá)到極端。

(2)衛(wèi)星云圖上，鄭州特大暴雨主要由2個(gè)MαCS和1個(gè)MCC所致。在中低層低渦發(fā)展階段，鄭州上空有2個(gè)MβCS發(fā)展合并形成MαCS；隨著低渦氣旋性環(huán)流風(fēng)的增大，MαCS發(fā)展為“塊”狀和半封閉的螺旋狀彎曲云帶，鄭州中尺度特強(qiáng)雨團(tuán)(≥100 mm/h)發(fā)生在螺旋狀彎曲云帶內(nèi)。

(3) 強(qiáng)回波(≥50 dBZ)在河南中部持續(xù)維持，導(dǎo)致極端降水產(chǎn)生。與低層風(fēng)向一致的絮狀或片狀回波群和層云回波“輸送帶”，及速度圖上與之配合的移動(dòng)大風(fēng)速區(qū)，促使強(qiáng)回波在鄭州上空長時(shí)間維持，較好地反映了水汽持續(xù)輸送和急流脈動(dòng)情況。鄭州201.9 mm/h的極端雨強(qiáng)是由“團(tuán)”狀強(qiáng)風(fēng)暴所致，風(fēng)暴前側(cè)低層出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較長的“V”型弱回波強(qiáng)入流缺口，有利于大量水汽和熱量向鄭州匯聚，在地面中尺度低壓和中低層低渦的作用下，被快速抬升至空中凝結(jié)形成極端雨強(qiáng)。

(4)本次強(qiáng)降水過程期間，鄭州上空ZDR為1～3 dB；風(fēng)暴云在快速加強(qiáng)期間，其低層強(qiáng)入流促使大量水汽被快速抬升，形成2～3 dB的ZDR弧，水汽在ZDR弧內(nèi)側(cè)聚集，形成KDP≥3.1°/km和反射率≥55 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)。極強(qiáng)入流促使大量水汽在鄭州上空被抬升，形成高密度和大直徑雨滴聚集區(qū)，是鄭州極端雨強(qiáng)(201.9 mm/h)產(chǎn)生的直接原因。大范圍的強(qiáng)KDP，能很好地反映降水強(qiáng)度。暴雨過程中，小時(shí)最大雨量≥40 mm時(shí)，對應(yīng)區(qū)域KDP值為1.7～2.4°/km；小時(shí)最大雨量≥100 mm時(shí)，KDP ≥3.1°/km的回波連成片，伸展高度超過2.2 km，并持續(xù)30 min以上。

(5)衛(wèi)星云圖與雷達(dá)回波相結(jié)合，能夠很好地解析天氣系統(tǒng)的發(fā)展演變。如在東南風(fēng)急流脈動(dòng)過程中，對應(yīng)衛(wèi)星云圖有與低層風(fēng)向一致的云線發(fā)展，雷達(dá)圖上表現(xiàn)為持續(xù)移動(dòng)的絮狀或片狀回波群；在水汽輸送較強(qiáng)時(shí)段，則形成明顯的層狀云回波“輸送帶”。低渦增強(qiáng)階段，可見光云圖上高層有向四周伸展的卷云羽，中低層云系渦旋特征明顯；對應(yīng)的MαCS發(fā)展為“塊”狀和的螺旋狀彎曲云帶，對預(yù)測超強(qiáng)降水的發(fā)生有指示意義。綜合應(yīng)用ZDR和KDP，利于準(zhǔn)確判斷強(qiáng)降水區(qū)域；在判斷雨強(qiáng)時(shí)，需要綜合分析強(qiáng)度、伸展高度和持續(xù)時(shí)間。