鄭州“7·20”特大暴雨極端性成因分析

張入財(cái)， 田金華， 陳超輝， 李振鋒， 付偉基，周洪亮， 陳紅霞， 王琨鴻

(1.中國(guó)人民解放軍78127部隊(duì)，成都 610031； 2.鄭州市氣象局，鄭州 450007；3.國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073； 4.中國(guó)人民解放軍63898部隊(duì)，河南 濟(jì)源 459000；5.中國(guó)人民解放軍96606部隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471000； 6.洛陽(yáng)市氣象局, 河南 洛陽(yáng) 471000)

引 言

2021年7月18-22日鄭州地區(qū)出現(xiàn)罕見極端強(qiáng)降水天氣[1-2]。極端降雨在鄭州市造成了災(zāi)難性洪水，因?yàn)?zāi)死亡失蹤380人，直接經(jīng)濟(jì)損失409億元。鄭州及附近地區(qū)在20日降水量猛增，16-17時(shí)鄭州國(guó)家站出現(xiàn)了201.9 mm的極端小時(shí)雨量，突破我國(guó)大陸氣象觀測(cè)記錄歷史極值(198.5 mm,1975年8月5日河南林莊)。這次極端強(qiáng)降水是在西太平洋副熱帶高壓、中國(guó)西部的青藏高壓、東海的“煙花”臺(tái)風(fēng)和南?！安榕量ā迸_(tái)風(fēng)共同作用下發(fā)生的。但是，業(yè)務(wù)數(shù)值模式和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)對(duì)于此次降水中心預(yù)報(bào)有偏差，對(duì)于降水強(qiáng)度和極端性估計(jì)不足[3]。

河南的極端強(qiáng)降水事件主要是由低渦、切變線和臺(tái)風(fēng)造成的[4]?！?5·8”特大洪水災(zāi)害世界矚目[5-6]，2018年8月“溫比亞”給河南造成的影響是近40年來最大的，其日降水強(qiáng)度僅次于“75·8”臺(tái)風(fēng)暴雨的降水強(qiáng)度[7]；受低渦切變線影響，2003年、2007年和2020年7月，淮河上游河南段出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降雨天氣，致使王家壩水位超警戒并泄洪[8]。遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)登陸促成了一條伸向內(nèi)陸的暖濕氣流輸送帶,并在豫北太行山東麓迎風(fēng)坡喇叭口處匯聚，形成長(zhǎng)達(dá)6 h以上的超強(qiáng)水汽輻合傾斜上升運(yùn)動(dòng)，為極端強(qiáng)降水的發(fā)生提供了充足的水汽條件[9]。衛(wèi)星云圖產(chǎn)品顯示，強(qiáng)降水產(chǎn)生在MCS快速發(fā)展與合并時(shí)期，位于TBB低值中心高梯度帶內(nèi)，梯度越大，降水越強(qiáng)[10]。400 hPa附近的高位渦中心下傳至近地面，激發(fā)中尺度系統(tǒng)發(fā)展，是引發(fā)極端降水的重要機(jī)制[11]。針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)的暴雨極端事件，已有業(yè)內(nèi)專家從多尺度診斷分析、環(huán)境場(chǎng)特征等不同角度進(jìn)行了較為深入細(xì)致的廣泛研究分析[12-17]。

1 資料與方法

1.1 資料說明

文中使用的多源觀測(cè)資料：(1)中國(guó)探空觀測(cè)資料和地面國(guó)家觀測(cè)站資料，用于環(huán)流形勢(shì)和對(duì)流環(huán)境條件分析；(2)河南省2611個(gè)區(qū)域自動(dòng)站逐小時(shí)觀測(cè)降水資料(鄭州市193個(gè)站)；(3)洛陽(yáng)SA雙偏振天氣雷達(dá)VCP21模式下逐6 min體掃資料；(4)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心第五代大氣再分析資料(ERA-5，水平分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間間隔1 h)，用于環(huán)流分析及物理量診斷。

1.2 CSI條件對(duì)稱不穩(wěn)定診斷分析

確定CSI區(qū)域的方法是使用相當(dāng)位渦(EPV),計(jì)算公式為

(1)

(2)

當(dāng)EPV<0，并且大氣是對(duì)流穩(wěn)定的，則大氣是對(duì)稱不穩(wěn)定的。

1.3 等熵面水汽輸送診斷方法

等熵面上的水汽分析能清晰、直觀地描繪天氣系統(tǒng)中的氣塊運(yùn)動(dòng)和三維氣流，包括垂直運(yùn)動(dòng)和水汽輸送。等熵面上的垂直運(yùn)動(dòng)可由下式來計(jì)算：

(3)

式(3)中右邊的第一項(xiàng)表示局部氣壓趨勢(shì)，這是壓強(qiáng)對(duì)時(shí)間的局部導(dǎo)數(shù)，解釋了在固定位置上等熵面垂直運(yùn)動(dòng)的原因。為了診斷對(duì)流層低層的垂直運(yùn)動(dòng)，通常選擇在研究區(qū)域上空850-700 hPa層之間的等熵面是最有用的。等熵面上氣壓與風(fēng)場(chǎng)的分布有助于了解氣流的升降，與等壓面分析相比，等熵面上的分析更能直觀地判斷降水落區(qū)，預(yù)報(bào)效果優(yōu)于等壓面分析結(jié)果。

(4)

(5)

2 降水特征分析

2021年7月17日08時(shí)-23日08時(shí)，河南安陽(yáng)、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作、鄭州、開封、平頂山等地累積降雨量普遍在250.0 mm以上(圖1a)，最大雨量1122.6 mm出現(xiàn)在鶴壁淇濱區(qū)科創(chuàng)中心，鄭州新密市白寨氣象站的降雨量次之，為993.1 mm。主要降雨時(shí)段集中在19日20時(shí)-20日20時(shí)(圖1b)，該時(shí)段有172個(gè)站的雨量達(dá)到特大暴雨量級(jí)，最大的為鄭州市二七區(qū)尖崗的681.0 mm，鄭州站為552.5 mm。鄭州市為此次極端暴雨天氣事件的中心。此次極端暴雨具有雨量大、范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、短時(shí)雨強(qiáng)大、降雨極端性突出等特點(diǎn)。從20日小時(shí)雨量(圖1c)及分鐘雨量(圖1d)可知，15-18時(shí)3 h降雨量達(dá)310.8 mm，16-17時(shí)1 h降雨量達(dá)201.9 mm，15:48-17:07的80 min降雨量達(dá)245.2 mm，平均每分鐘雨量為3 mm，可見降水效率特別高且非常集中。

圖1 河南省2021年7月18日08時(shí)-22日08時(shí)累積降雨量(a)、19日20時(shí)-20日20時(shí)降雨量(b)及鄭州站7月20日逐小時(shí)(c)、逐分鐘(d)降雨量變化

3 大尺度環(huán)流背景及中尺度影響系統(tǒng)分析

3.1 大尺度環(huán)流形勢(shì)分析

由18日08時(shí)-20日14時(shí)500 hPa環(huán)流形勢(shì)演變(圖略)可看出，西部大陸高壓、東部副熱帶高壓和臺(tái)風(fēng)“煙花”、南部臺(tái)風(fēng)“查帕卡”是主要的天氣尺度影響系統(tǒng)，最重要的是大陸高壓、副熱帶高壓包圍的緩慢北移的黃淮氣旋，它是此次特大暴雨的直接參與者。在上述系統(tǒng)的共同作用下，黃淮氣旋在穩(wěn)定少動(dòng)中略向西北方向移動(dòng)，致使河南出現(xiàn)了極端暴雨事件。

3.2 中尺度影響系統(tǒng)分析

利用歐洲中心ERA-5 0.25°×0.25°再分析資料，對(duì)鄭州7月20日特大暴雨及201.9 mm/h的極端小時(shí)雨強(qiáng)的中尺度影響系統(tǒng)進(jìn)行追蹤分析。

19日20時(shí)500 hPa圖上，陜西、河南交界處有一個(gè)500 km左右的α中尺度低渦C(圖2a)，鄭州地區(qū)為一致的東南偏南風(fēng)，低層850 hPa處在東南急流和偏東北急流的暖鋒式切變線[20]附近，受此影響，19日白天出現(xiàn)38個(gè)站點(diǎn)的大暴雨。19日夜里至20日，蒙古高壓穩(wěn)定少動(dòng)，副高繼續(xù)西伸，在上下游系統(tǒng)擠壓下，低渦C明顯向東北方向移動(dòng)，形狀由圓形演變?yōu)闁|北-西南向的橢圓形。20日08時(shí)(圖2b)，蒙古高壓底部有冷空氣侵入低渦C的南側(cè)，在洛陽(yáng)附近分裂出中尺度低渦C1，形成人字形切變，此時(shí)鄭州附近的東南風(fēng)速明顯增大到14 m/s，該時(shí)段鄭州范圍內(nèi)降水顯著增強(qiáng)，大于250 mm的站點(diǎn)數(shù)量由10個(gè)站躍增到44個(gè)站。

20日08-12時(shí)，低渦C1呈現(xiàn)穩(wěn)定少動(dòng)態(tài)勢(shì)，有弱的干冷空氣從低渦C1西北部侵入(圖2c，藍(lán)色箭頭為冷空氣方向)；16-17時(shí)(圖2d、e)，低渦C1強(qiáng)度略減弱，但干冷空氣侵入增強(qiáng)，干冷空氣沿低渦C1南部的偏西氣流侵入到鄭州西南部(圖2d、e中的紅色箭頭)，形成了有利于鄭州附近強(qiáng)對(duì)流發(fā)生、發(fā)展的背景條件，造成15-18時(shí)3 h降雨量達(dá)310.8 mm、16-17時(shí)小時(shí)雨量達(dá)201.9 mm的特大暴雨；18時(shí)(圖2f)，鄭州以東的大部分地區(qū)已轉(zhuǎn)為西南急流，降水強(qiáng)度減小。

3.3 中尺度對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)和雷達(dá)回波演變特征

高時(shí)空分辨率衛(wèi)星、雷達(dá)資料的運(yùn)用已成為揭示中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展機(jī)制，提高特大暴雨預(yù)報(bào)能力中必不可少的數(shù)據(jù)支撐因素[21-22]。

從FY-4A云頂亮溫TBB演變可以看出，20日08-12時(shí)，β中尺度低渦C1在洛陽(yáng)地區(qū)穩(wěn)定少動(dòng)，TBB云圖上有大片對(duì)流云區(qū)位于低渦C1東部，位置少動(dòng)。12:30,在鄭州西南方向汝州附近新生成了TBB在-36 ℃以上的小尺度對(duì)流云團(tuán)(圖3a中箭頭所指)，對(duì)流活動(dòng)較弱；14:30,隨著低渦C1的進(jìn)一步發(fā)展，汝州對(duì)流云團(tuán)迅速發(fā)展,TBB達(dá)-60 ℃以下(圖3b)，對(duì)流活動(dòng)加強(qiáng)，鄭州西南部地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)降水；15:30-18:30(圖3c-f),在低渦C1東南部一致的西南氣流東北移動(dòng)過程中，快速發(fā)展構(gòu)成東北-西南向的帶狀云帶，16:30左右發(fā)展到最強(qiáng)盛階段(圖3d)。由可見光云圖疊加TBB和小時(shí)雨量圖發(fā)現(xiàn)，14:30可見光云圖上云團(tuán)發(fā)展并不強(qiáng)烈(圖3g)，疊加14-15時(shí)雨量尚未出現(xiàn)≥160 mm的降水，但16:30可明顯看出云團(tuán)發(fā)展旺盛，首次出現(xiàn)≥160 mm的降水，鄭州位于低于-64 ℃的TBB大值中心上沖對(duì)流云砧的后部(西南部，圖3h)，導(dǎo)致鄭州出現(xiàn)了1 h降雨量達(dá)201.9 mm的大暴雨；18時(shí)后對(duì)流明顯減弱。

以上利用衛(wèi)星資料分析了中尺度對(duì)流云團(tuán)云頂亮溫發(fā)展演變的特征，下面用分辨率更高的雷達(dá)資料對(duì)中尺度對(duì)流云團(tuán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征作進(jìn)一步分析。

從洛陽(yáng)多普勒雙偏振雷達(dá)組合反射率和速度圖(圖略)演變來看，20日08-15時(shí)，在大片30～35 dBZ回波逆時(shí)針緩慢旋轉(zhuǎn)向東北方向移動(dòng)的過程中，有強(qiáng)回波在氣旋東南部的汝州附近生成，并向鄭州以西的滎陽(yáng)移動(dòng)。15:00，鄭州位于滎陽(yáng)50～55 dBZ

較強(qiáng)回波的東部邊緣，15:30位于滎陽(yáng)東南部的強(qiáng)回波旋轉(zhuǎn)北上,并出現(xiàn)60 dBZ的強(qiáng)中心，開始影響鄭州，12 min后，即15:48再次出現(xiàn)強(qiáng)中心。由16-17時(shí)的回波演變可看出，>50 dBZ的大片回波鑲嵌多個(gè)>55 dBZ的強(qiáng)中心的橢圓狀回波，緩慢移動(dòng),滯留在鄭州上空，主體自南向北旋轉(zhuǎn)北上，造成鄭州201.9 mm的小時(shí)強(qiáng)降雨。17時(shí)以后回波主體東移減弱，降水強(qiáng)度明顯減小。

分析1.5度仰角的速度圖發(fā)現(xiàn)，15時(shí)開始在滎陽(yáng)、鄭州交界處有輻合，最大速度達(dá)-7 m/s，之后該輻合區(qū)自西向東緩慢東移影響鄭州，16時(shí)開始速度明顯增大到-11.5 m/s，維持到17時(shí)，此時(shí)出現(xiàn)-19.5 m/s的偏東風(fēng)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正速度。氣流的強(qiáng)烈輻合使對(duì)流單體在鄭州地區(qū)劇烈發(fā)展，導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降雨的發(fā)生。該時(shí)段正是鄭州此次強(qiáng)降雨過程的極值點(diǎn)。

4 導(dǎo)致這次特大暴雨發(fā)生的極端性成因分析

4.1 有利的大尺度對(duì)流環(huán)境條件

4.1.1 對(duì)流、對(duì)稱不穩(wěn)定

條件對(duì)稱不穩(wěn)定是大氣穩(wěn)定狀態(tài)和條件不穩(wěn)定狀態(tài)之間的中間紐帶，大氣在穩(wěn)定、不穩(wěn)定之間相互演變過程中均通過條件對(duì)稱不穩(wěn)定來實(shí)現(xiàn)。對(duì)流、對(duì)稱不穩(wěn)定環(huán)流的形成與不穩(wěn)定的配置有關(guān)。當(dāng)?shù)蛯訛闂l件不穩(wěn)定而高層疊加深厚的條件對(duì)稱不穩(wěn)定時(shí)，低層出現(xiàn)垂直上升氣流，高層出現(xiàn)范圍較廣的傾斜上升氣流，對(duì)稱不穩(wěn)定能量釋放產(chǎn)生中尺度云帶。分析EPV(圖略)可知，20日08-20時(shí)鄭州上空中低層(900-600 hPa)為EPV<0區(qū)域，表明存在對(duì)稱不穩(wěn)定，且該層出現(xiàn)范圍較廣的傾斜上升氣流；對(duì)流層上部存在逆溫層，具有較強(qiáng)的對(duì)流穩(wěn)定性(?θe/?p<0)，對(duì)流層中部(850-500 hPa)為中性層結(jié)(?θe/?p≈0)，對(duì)流層低層(1000-850 hPa)暖濕空氣活躍，表現(xiàn)為對(duì)流不穩(wěn)定(?θe/?p>0)。

4.1.2 充沛的水汽及大尺度上升運(yùn)動(dòng)

水汽主要來自“煙花”外圍東南氣流及“查帕卡”東側(cè)的偏南氣流的輸送。從308 K等熵面(約相當(dāng)于800 hPa等壓面的高度)上的等壓線、等比濕線及風(fēng)場(chǎng)的演變特征來看，19日20時(shí)，在強(qiáng)降水發(fā)生前，河南西南部比濕為12～15 g/kg，河南南部為東南風(fēng)，鄭州處在東南偏東急流中，且東南急流從840 hPa等壓線向790 hPa等壓線穿越(圖4a中黃色箭頭處)。20日08時(shí)，在鄭州的西南方向有明顯的氣旋生成，西南偏南氣流和東南偏東氣流在鄭州地區(qū)存在明顯的匯流(圖4b中黃色箭頭所指)，鄭州處于該氣旋頂部的東南風(fēng)急流中，該急流從等壓線大值的820 hPa向低值的770 hPa穿越，存在明顯的爬升過程(等熵面風(fēng)場(chǎng)由氣壓高值區(qū)向低值區(qū)穿越)，為暴雨產(chǎn)生提供了豐沛水汽和上升運(yùn)動(dòng)。由此說明19日夜里隨著“查帕卡”北上和“煙花”西進(jìn)，在中低層形成了水汽持續(xù)輸送和上升運(yùn)動(dòng)條件。

4.2 中尺度低渦快速發(fā)展且移動(dòng)緩慢

低渦的發(fā)展加強(qiáng)是這次大暴雨的直接影響系統(tǒng)。對(duì)比分析20日08時(shí)、16時(shí)500 hPa位勢(shì)高度、

圖4 2021年7月19日20時(shí)(a)、20日08時(shí)(b)等熵面的風(fēng)場(chǎng)、氣壓和比濕等熵面θ=308 K，風(fēng)速單位：m/s,氣壓?jiǎn)挝唬篽Pa,比濕單位：g/kg；為鄭州站

圖5 2021年7月20日08時(shí)(a)、16時(shí)(b)500 hPa位勢(shì)高度和矢量及矢量散度，08時(shí)(c)、13時(shí)(d)FY-4A云頂亮溫和850 hPa流場(chǎng)及矢量散度，14時(shí)(e)、16時(shí)(f)FY-4A云頂亮溫和矢量及矢量散度位勢(shì)高度單位：矢量單位：矢量散度單位：10-18 m·kg-1·s-1,云頂亮溫單位：℃；為鄭州站

4.2.2 高低空位渦異常使中尺度低渦加強(qiáng)

分析中低層(900-700 hPa)位渦特征，發(fā)現(xiàn)中尺度低渦與其有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。19日08時(shí)(圖6a),河南與湖北交界處有一個(gè)中尺度低渦生成，對(duì)應(yīng)有一個(gè)強(qiáng)度為1 PVU的正位渦中心，鄭州處在低渦外圍的偏東氣流中；19日20時(shí)(圖6b)，低渦緩慢向西北方向移動(dòng)，強(qiáng)度減弱。20日08時(shí)(圖6c)，低渦移至洛陽(yáng)市區(qū)，強(qiáng)度再次加強(qiáng)，位渦中心強(qiáng)度由1PVU迅速增大到1.5 PVU，在低渦的第一、第四象限形成了空間尺度較小的偏南與偏東急流的匯合區(qū)，鄭州位于急流匯合區(qū)；20日14時(shí)(圖6d)，低渦向西北方向移動(dòng)到洛陽(yáng)西部，強(qiáng)度加強(qiáng)，位渦中心增大到2.0 PVU，位渦與加強(qiáng)的低渦基本重合，鄭州地區(qū)東南風(fēng)急流明顯增大，并處于暖式切變線附近，自此開始，降水強(qiáng)度明顯增大，16-17時(shí)，鄭州出現(xiàn)了201.9 mm的極端小時(shí)雨量；17時(shí)之后，低渦迅速減弱，至20時(shí)低渦中心消失(圖6e)，位渦中心也減小到1PVU，鄭州處于一致的東南風(fēng)急流中，鄭州地區(qū)的降水逐漸減弱。21日08時(shí)(圖6f)，低渦北移，并再次加強(qiáng)，影響新鄉(xiāng)出現(xiàn)強(qiáng)降水。鄭州為一致偏南氣流，降水明顯減小。

圖6 2021年7月19日08時(shí)(a)、20時(shí)(b)和20日08時(shí)(c)、14時(shí)(d)、20時(shí)(e)及21日08時(shí)(f)中低層(900-700 hPa)的位渦、850 hPa風(fēng)場(chǎng)和比濕黑色等值線為位渦，單位：1 PVU=10-6 m2·K·s-1·kg-1；風(fēng)速單位：m/s；綠色陰影為比濕，單位：g/kg;為鄭州站

從以上分析可以看出，伴隨著中尺度低渦的快速發(fā)展、緩慢移動(dòng)，在7月20日08時(shí)至21日08時(shí)，給鄭州站24 h帶來了624.1 mm的極端降雨量。下面從位渦高低空的演變特征來分析促使中尺度低渦快速發(fā)展的原因。

圖7是經(jīng)過鄭州的位渦、位溫與風(fēng)的剖面圖，其中19日20時(shí)(圖7a)代表低渦初始生成階段，對(duì)流層高層系統(tǒng)發(fā)展強(qiáng)盛，而對(duì)流層中低層位渦擾動(dòng)尚不明顯。對(duì)流層高層108°-110°E為位渦高值區(qū)(棕色箭頭處，這是由于平流層下部干冷空氣沿等熵面下傳所造成的)，對(duì)應(yīng)300 hPa為冷槽。20日08時(shí)高層位渦明顯加強(qiáng)東移并向下伸展至600 hPa附近，在108°-110°E處生成漏斗狀位渦異常區(qū)(圖7b中棕色箭頭處)，另外在其下游東南部的鄭州地區(qū)，在對(duì)流層中低層也有明顯的位渦異常區(qū)(圖7b中桔黃色箭頭處)。14時(shí)高層位渦進(jìn)一步向下滲透的同時(shí)，不斷向東南發(fā)展，與此相對(duì)應(yīng)，鄭州地區(qū)對(duì)流層中低層的位渦異常明顯增強(qiáng)，出現(xiàn)了大片位渦大值區(qū)(圖7c)。對(duì)應(yīng)濕度場(chǎng)(圖略)分析結(jié)果表明，在大值位渦區(qū)中，高層相對(duì)濕度很小，中低層相對(duì)濕度很大，達(dá)到80%以上，表明這是兩塊性質(zhì)不同的位渦大值區(qū)。由位渦方程可知，位渦的局地變化是由等熵面上的平流過程、非絕熱過程及湍流摩擦過程造成的，此次過程中，高層大值位渦主要是由于平流層的干冷空氣沿等熵面下傳造成的，而中低層大值位渦區(qū)是由邊界層湍流摩擦和氣旋上升運(yùn)動(dòng)區(qū)中的潛熱釋放造成的。中低層大值位渦區(qū)中心位于900 hPa以上，說明中低層位渦的增強(qiáng)主要由于凝結(jié)潛熱釋放過程所致，因此，該位渦異常就成為直觀地描述凝結(jié)潛熱效應(yīng)的有效工具，使隱蔽的不可見凝結(jié)潛熱轉(zhuǎn)化為中低層位渦異常的直觀圖像，揭示出凝結(jié)潛熱釋放過程對(duì)氣旋的快速發(fā)展的促進(jìn)作用。20日20時(shí)在鄭州西北部(氣旋所在位置)，高層及中低層位渦大值區(qū)上下貫通為一略向西北傾斜的高值位渦柱(圖7d中紅色箭頭處)。通過以上對(duì)等壓面位渦的分析可知，在氣旋的發(fā)展過程中，高層位渦異常向下注入，對(duì)氣旋加深所起的作用是顯著的。

圖7 2021年7月19日20時(shí)(a)和20日08時(shí)(b)、14時(shí)(c)、20時(shí)(d)位渦、位溫和風(fēng)沿40°N、106°E至29°N、120°E的剖面圖藍(lán)色等值線為位渦，單位：1 PVU=10-6m2·K·s-1·kg-1;黑色等值線為位溫，單位：K；風(fēng)速單位：m/s;為鄭州站

綜合以上氣旋在不同階段位渦和位溫場(chǎng)演變特征的分析可以看出，當(dāng)發(fā)展并東移南下的高空冷渦低槽移近低層暖鋒式切變區(qū)上空時(shí)，就會(huì)促使低層鋒區(qū)擾動(dòng)發(fā)展，進(jìn)而促成氣旋的初始生成，主要是由于斜壓擾動(dòng)發(fā)展所致，此時(shí)潛熱釋放的作用尚不明顯。在氣旋發(fā)展階段，斜壓擾動(dòng)發(fā)展仍然是氣旋發(fā)展的主要機(jī)制，但凝結(jié)潛熱釋放明顯增強(qiáng)，這兩種物理過程相互作用，共同導(dǎo)致氣旋的快速發(fā)展[23]。

4.2.3 高層強(qiáng)迫對(duì)加速對(duì)流發(fā)展起著關(guān)鍵作用

對(duì)流層頂(1.5 PV面高度)下降有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生。分析20日16：15的6.2 μm衛(wèi)星水汽圖像(圖8a)發(fā)現(xiàn)，有動(dòng)力干暗區(qū)的存在，位于鄭州西北部的淺灰色區(qū)域(青綠色虛線所示)為PV異常區(qū)域。在位渦的剖面(圖8b)中，棕色和黃色箭頭所指的區(qū)域中也清晰地揭示出了1.5 PV等值線向下伸展，說明位于鄭州西北部的高層PV異常的強(qiáng)迫是導(dǎo)致鄭州強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的重要因素。

中高層干冷空氣侵入，增強(qiáng)了大氣的不穩(wěn)定性。16:15水汽圖像中的干暗區(qū)，標(biāo)志著干空氣的存在，說明在中高層可能有干冷空氣侵入；在500 hPa環(huán)流和相對(duì)濕度(圖8e)中的藍(lán)色箭頭處，可以看到有濕度小于75%的相對(duì)干空氣從低渦環(huán)流的西北部向鄭州附近的相對(duì)濕度為95%的大濕度區(qū)侵入。在剖面圖上，鄭州上空有一干舌(圖8c中的綠色箭頭處)從200 hPa向500 hPa伸展，表明PV異常區(qū)(圖8b中黃色箭頭處)有干冷空氣侵入到低層的濕空氣上空，低層濕空氣被高空干空氣層覆蓋，特別有利于深對(duì)流單體的快速生長(zhǎng)。在中低層中尺度系統(tǒng)的共同作用下，有干冷空氣侵入的鄭州產(chǎn)生了對(duì)流單體的氣旋式弧線狀組織形態(tài)。干冷空氣帶來的擾動(dòng)使大氣的斜壓性增大，由干冷的下沉氣流與暖濕的上升氣流造成對(duì)流及輻合旋轉(zhuǎn)上升，垂直渦度拉伸使輻合進(jìn)一步加強(qiáng)，降水得以維持和增強(qiáng)。

圖8 2021年7月20日16時(shí)等1.5 PVU位渦面氣壓和FY-4A 6.2 μm通道水汽亮溫(a)和沿圖(a)白色線的位渦(b)、相對(duì)濕度和假相當(dāng)位溫θse(c)、垂直于剖面的風(fēng)速(d)、散度(f)的水平-高度剖面及500 hPa流線、風(fēng)場(chǎng)、相對(duì)濕度(e)(a)中白色斜線為圖(b)(c)(d)(f)的垂直剖線，(c)中藍(lán)色、紅色等值線分別為相對(duì)濕度、假相當(dāng)位溫，(e)中綠色陰影為相對(duì)濕度；水汽亮溫單位：K，氣壓?jiǎn)挝唬篽Pa，位渦單位：1 PVU=10-6 m2·K·s-1·kg-1，相對(duì)濕度單位為百分號(hào)，假相當(dāng)位溫單位：K，風(fēng)速單位：m/s，散度單位：10-5s-1；為鄭州站

圖8(d)為垂直于剖線(圖8e中的紅色線段)的風(fēng)速剖面圖，鄭州位于800 hPa附近12 m/s東北急流(桔黃色箭頭處)的左側(cè)。在200-300 hPa之間有一垂直于剖面的16 m/s的西南大風(fēng)速帶(藍(lán)色箭頭處)，鄭州位于該大風(fēng)速帶的右側(cè)。鄭州位于低空東北急流的左側(cè)、高空西南大風(fēng)速帶的右側(cè)，有較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生發(fā)展。

圖8(f)為沿剖線(圖8e中的紅色線段)的散度垂直剖面，由圖8(f)可看出，鄭州上空800-700 hPa高度上有一輻合區(qū)(粉色箭頭處)，在400-300 hPa高度上有一輻散區(qū)(棕色箭頭處)，顯示了鄭州低層有輻合、高層有輻散的耦合，十分有利于鄭州強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展和維持。

從以上分析可以看出，高層強(qiáng)迫對(duì)加速對(duì)流發(fā)展起著關(guān)鍵作用。因此，鄭州地區(qū)發(fā)生的強(qiáng)烈的深對(duì)流天氣，與高層強(qiáng)迫密切相關(guān)。

5 總結(jié)與討論

本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、區(qū)域氣象自動(dòng)站觀測(cè)資料、FY-4A云頂亮溫資料和6.2 μm衛(wèi)星水汽圖像、洛陽(yáng)雙偏振天氣雷達(dá)資料及ERA-5 0.25°×

(1)雙臺(tái)風(fēng)建立了良好的水汽輸送通道，水汽條件充沛。從20日08時(shí)到20時(shí)≥12 g/kg比濕的分布可以看出，鄭州強(qiáng)降水水汽的輸送主要來自“查帕卡”臺(tái)風(fēng)外圍偏南氣流和副高與“煙花”之間的偏東氣流，大量水汽向我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)輸送，為河南強(qiáng)降雨提供了充沛的水汽來源。同時(shí)暖濕氣流的增強(qiáng)，使鄭州低層對(duì)流不穩(wěn)定性增強(qiáng)。

(2)深厚穩(wěn)定的低渦是河南極端暴雨事件的主要影響系統(tǒng)。在北上臺(tái)風(fēng)“查帕卡”、西進(jìn)臺(tái)風(fēng)“煙花”、西伸加強(qiáng)的副熱帶高壓及中心位置穩(wěn)定少動(dòng)的蒙古高壓共同作用下，蒙古高壓和副熱帶高壓包圍的α中尺度黃淮低渦在向東北方向移動(dòng)的過程中發(fā)生分裂,在高空位渦異常、低層明顯的暖鋒式切變及大尺度降水產(chǎn)生的凝結(jié)潛熱作用下，在洛陽(yáng)附近生成了深厚穩(wěn)定的β中尺度低渦。該中尺度低渦是鄭州極端暴雨事件的主要影響系統(tǒng)。

(4)凝結(jié)潛熱的釋放對(duì)低渦的發(fā)展有著十分重要的作用。中低層位渦異常的直觀圖像成為描述隱蔽的不可見凝結(jié)潛熱效應(yīng)的有效工具，使隱蔽的不可見凝結(jié)潛熱表現(xiàn)成為中低層位渦異常的直觀圖像，簡(jiǎn)潔地揭示出凝結(jié)潛熱釋放過程對(duì)低渦快速發(fā)展的促進(jìn)作用。

本文著重分析了產(chǎn)生此次特大暴雨大尺度環(huán)境的水汽、不穩(wěn)定和動(dòng)力條件及引發(fā)此次特大暴雨的中尺度低渦發(fā)生、發(fā)展的機(jī)理，但還需要進(jìn)一步研究以下問題：(1)高空位渦異常對(duì)中低層中尺度低渦發(fā)生發(fā)展的定量分析；(2)低空急流的形成和維持機(jī)理；(3)極端雨強(qiáng)中關(guān)鍵云微物理過程和產(chǎn)生高降水效率的機(jī)理等。這些問題需要進(jìn)一步通過數(shù)值敏感性試驗(yàn)開展深入研究。