“21·7”河南暴雨環(huán)境場及云的宏微觀特征

高 洋 蔡 淼 曹治強(qiáng) 田 林 王 曦

1)(國家衛(wèi)星氣象中心/國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心, 北京 100081)2)(許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心，北京 100081)3)(中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標(biāo)重點開放實驗室，北京 100081)4)(中國氣象局云降水物理與人工影響天氣重點開放實驗室，北京 100081)

引 言

2021年7月17—23日河南省遭遇了特大暴雨事件，其中鄭州站最大小時降水量達(dá)到201.9 mm，創(chuàng)下1949年建站以來大陸地區(qū)氣象觀測小時降水量新記錄。此次極端降水事件導(dǎo)致河南多地出現(xiàn)嚴(yán)重城市內(nèi)澇、河流洪水、山體滑坡等多災(zāi)并發(fā)，城市交通運行中斷，全省因災(zāi)死亡失蹤398人，直接經(jīng)濟(jì)損失1200.6億元。

“21·7”河南暴雨事件發(fā)生在異常偏北的副熱帶高壓(以下簡稱副高)和大陸高壓形勢背景下，低空急流提供了異常強(qiáng)盛的水汽輸送[1-4]，Nie等[5]利用后向軌跡模式發(fā)現(xiàn)兩個最重要的水汽源分別是我國南方和西北太平洋；Zhang等[6]也指出此次事件中偏東風(fēng)較歷史同期明顯偏強(qiáng)。饒晨泓等[7]利用WRF模式模擬河南暴雨事件表明：臺風(fēng)煙花(2106)與副高相互作用，使得水汽通道打開，導(dǎo)致內(nèi)陸地區(qū)強(qiáng)降水事件的發(fā)生，相比于臺風(fēng)煙花(2106)，臺風(fēng)查帕卡(2107)對此次暴雨事件的影響較弱。布和朝魯?shù)萚8]利用軌跡模式發(fā)現(xiàn)，7月20日河南以西地區(qū)上空發(fā)生了對流層頂反氣旋式波破碎事件，并與臺風(fēng)協(xié)調(diào)作用引發(fā)河南南側(cè)的強(qiáng)經(jīng)向水汽通量。除此之外，受地形阻擋影響，低層的東南急流在鄭州產(chǎn)生輻合抬升，中高層的動力因子以及低層熱力因子的相互配置較好，這些均為河南極端暴雨事件的維持和加強(qiáng)提供了有利條件[9-10]。

極端降水事件一直是預(yù)報的重點和難點，針對“21·7”河南暴雨事件，數(shù)值模式的預(yù)報存在較大不確定性，無論是全球模式還是中尺度模式，對此次河南暴雨落區(qū)的預(yù)報均存在一定偏差，對降水強(qiáng)度的預(yù)報也明顯偏弱[11]。由此可見，對于暴雨事件，預(yù)報員關(guān)注模式結(jié)果的同時，也需要通過實時觀測資料對數(shù)值模式結(jié)果進(jìn)行暴雨落區(qū)預(yù)估和強(qiáng)度綜合研判。

目前針對“21·7”河南暴雨的研究多集中在使用再分析資料討論環(huán)流形勢以及天氣系統(tǒng)，而再分析資料只能用于暴雨個例的回溯研究，高時空分辨率的實時觀測資料才能夠客觀追蹤預(yù)警暴雨、強(qiáng)對流等災(zāi)害性天氣事件。盡管天氣雷達(dá)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在強(qiáng)對流天氣的臨近預(yù)報業(yè)務(wù)，但天氣雷達(dá)捕捉到降雨回波時降水已經(jīng)發(fā)生[12]。衛(wèi)星觀測能夠提供全區(qū)域、全時次的云圖信息，預(yù)報員可以掌握暴雨事件的發(fā)生、發(fā)展及動態(tài)變化，這對于訂正數(shù)值預(yù)報有重要的應(yīng)用價值。此外，隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星監(jiān)測空間分辨率的提高，能夠提供更多的云細(xì)節(jié)信息，這對于了解對流云的宏微觀特征有重要意義。截至目前，關(guān)于“21·7”河南暴雨的云特征分析工作未見報道，特別是基于衛(wèi)星資料對此次極端降水過程的環(huán)境條件和云的宏微觀特征尚未見詳細(xì)闡述。

近年國內(nèi)外許多學(xué)者利用氣象衛(wèi)星開展極端暴雨事件云宏觀結(jié)構(gòu)和微物理特征研究。氣象衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)暴雨云團(tuán)的發(fā)生發(fā)展監(jiān)測[13-14]，同時其提供的云參數(shù)產(chǎn)品也被廣泛應(yīng)用于降水事件的研究中。劉健等[15]針對江淮地區(qū)的一次暴雨過程指出，F(xiàn)Y-1D和NOAA衛(wèi)星的云光學(xué)厚度與地面降水強(qiáng)度密切相關(guān)。鄭倩等[16]利用CALIPSO衛(wèi)星資料發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)等級越強(qiáng)，其降水云中的光學(xué)厚度越大，降水強(qiáng)度越大。周毓荃等[17]利用FY-2C和探空資料發(fā)現(xiàn)，云厚大于5 km，云底較低且粒子有效半徑較大時，地面易出現(xiàn)降水。傅云飛[18]利用TRMM衛(wèi)星結(jié)合多源觀測資料發(fā)現(xiàn)暴雨系統(tǒng)強(qiáng)降水區(qū)云頂粒子有效半徑多在15 μm以上。目前衛(wèi)星云宏微觀參數(shù)產(chǎn)品日趨多元化，研究人員基于FY-2E和Himawari-8等國內(nèi)外多源衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，相較于單一云參數(shù)，多種云宏觀和微觀參數(shù)的綜合應(yīng)用，對判斷降水的發(fā)生和強(qiáng)度有更好的指示意義[19-22]。因此，衛(wèi)星資料反映的云參數(shù)特征與降水關(guān)系一直是研究的熱點和難點。

我國FY-4A靜止氣象衛(wèi)星于2016年12月11日成功發(fā)射，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)全區(qū)域、全時間段的連續(xù)觀測，高時空分辨率的特點更有利于其捕捉對流云的發(fā)展過程，為強(qiáng)對流天氣預(yù)警和短時臨近預(yù)報預(yù)警提供定量的精細(xì)化服務(wù)[23]。自2017年起，國家衛(wèi)星氣象中心業(yè)務(wù)化發(fā)布了FY-4A衛(wèi)星高時空分辨率的云產(chǎn)品，包括云頂高度、云頂溫度、云粒子有效半徑和云光學(xué)厚度等。針對FY-4A多通道掃描成像輻射計(AGRI)的云產(chǎn)品，研究人員利用國外衛(wèi)星以及地基毫米波雷達(dá)開展了大量的精度驗證工作，結(jié)果均表明：FY-4A AGRI云產(chǎn)品質(zhì)量可靠，與國際上其他衛(wèi)星，如日本的Himawari-8以及美國的MODIS，CloudSat，CALIPSO同類云產(chǎn)品精度相當(dāng)[24-32]。

本文利用FY-4A靜止氣象衛(wèi)星和FY-3D極軌氣象衛(wèi)星資料，結(jié)合ERA5再分析資料和地面逐小時觀測資料，對“21·7”河南暴雨的環(huán)境條件、衛(wèi)星視角下降水云的發(fā)展演變過程、降水云宏觀結(jié)構(gòu)和微物理特征進(jìn)行深入分析，揭示風(fēng)云衛(wèi)星云參數(shù)產(chǎn)品與“21·7”河南暴雨事件降水強(qiáng)度、發(fā)生時間的關(guān)系，對于展現(xiàn)風(fēng)云氣象衛(wèi)星在極端暴雨事件中的應(yīng)用能力、為預(yù)報員提供決策參考等均具有重要的意義。

1 資料與方法

1.1 資 料

本研究選用2021年7月18—23日FY-4A靜止氣象衛(wèi)星和FY-3D極軌氣象衛(wèi)星資料，中國區(qū)域氣象站逐小時降水量資料以及ERA5全球大氣再分析資料。其中，F(xiàn)Y-4A衛(wèi)星資料包括AGRI的中層水汽通道(7.1 μm)和長波紅外通道(10.8 μm)亮溫，以及FY-4A AGRI二級云產(chǎn)品，包括云頂高度、云頂溫度和白天云微物理產(chǎn)品(云光學(xué)厚度和云粒子有效半徑)，時間分辨率約為5 min，空間分辨率為4 km。由于云微物理信息反演受可見光通道影響，目前FY-4A衛(wèi)星僅提供白天的云微物理特征參量。比濕產(chǎn)品來源于FY-3D衛(wèi)星，垂直層次分為43層(1013.25 hPa至0.1 hPa)，空間分辨率為16 km，時間分辨率為每日兩次(升軌和降軌)。歐洲中期天氣預(yù)報中心ERA5全球大氣再分析資料用于位勢高度和風(fēng)場分析，該資料水平分辨率為0.25°×0.25°，時間間隔為1 h。云光學(xué)厚度和降水量關(guān)系的氣候統(tǒng)計特征分析選用2018—2021年夏季FY-4A衛(wèi)星云光學(xué)厚度產(chǎn)品及同時間段河南省2432個氣象站逐小時降水量資料。

1.2 方 法

1.2.1 云參數(shù)和氣象站降水資料時空匹配方法

在空間匹配上，依據(jù)氣象站的經(jīng)緯度信息，選取FY-4A與其對應(yīng)像素點的云參數(shù)產(chǎn)品；氣象站的逐小時降水量資料為1 h累積降水量，選取整點時刻的FY-4A云參數(shù)產(chǎn)品與其后1個時次的累積降水量進(jìn)行時間匹配，如08:00(北京時，下同)的FY-4A云產(chǎn)品匹配08:00—09:00的氣象站觀測降水量。

1.2.2 云微物理特征分析方法

FY-4A產(chǎn)品能夠提供白天云頂?shù)奈⑽锢硖卣?，采用文獻(xiàn)[33-38]提出的表征對流云垂直增長規(guī)律的云頂溫度-云粒子有效半徑(T-re)關(guān)系模型，進(jìn)一步分析此次河南暴雨對流云團(tuán)的微物理過程和垂直增長特征。近年國內(nèi)外學(xué)者基于該模型利用MODIS，NOAA-18等衛(wèi)星資料開展了對流云物理過程的研究[39-44]。該模型將對流云的微物理過程分為5個階段：①凝結(jié)增長區(qū)：云底上部，re隨高度緩慢增長，-dre/dT斜率較??；②碰并增長區(qū)：高于凍結(jié)溫度時，re通過碰并過程隨高度快速增長，-dre/dT斜率較大；③雨胚形成區(qū)：re保持在20～25 μm之間，由云頂附近上升氣流能拖住的最大粒子尺度決定，更大的粒子將會降落至云的中下部并最終從云底以降水的方式下落；④混合相態(tài)區(qū)：T<0℃時，受碰并過程和混合相降水形成過程的共同影響，re隨高度顯著增長；⑤冰化相態(tài)區(qū)：T<0℃，云中粒子全部凍結(jié)，re超過雨胚形成區(qū)或混合相態(tài)區(qū)，且保持相對穩(wěn)定。

T-re模型選取的分析區(qū)域內(nèi)需要包含不同云頂溫度的對流云，充分反映對流云團(tuán)不同發(fā)展階段的粒子有效半徑和云內(nèi)溫度的特征。針對選定的區(qū)域，衛(wèi)星觀測的每個像素點均對應(yīng)一組T和re，記為1個統(tǒng)計樣本。將每隔1℃溫度區(qū)間的云粒子有效半徑從小到大排序，統(tǒng)計不同百分比(25%，50%，75%，90%)的樣本量對應(yīng)的粒子有效半徑數(shù)值，即可得到T-re模型圖。

本文基于FY-4A反演的云頂溫度(T)和云粒子有效半徑(re)產(chǎn)品探究極端降水事件中對流云的垂直結(jié)構(gòu)和云降水的物理過程。

2 降水實況特征

2021年河南暴雨事件主要集中在7月18—23日，7月18—23日累積降水量如圖1所示。雨帶主要分布在河南的中部和北部地區(qū)，大部分地區(qū)5 d累積降水量為400～700 mm；強(qiáng)降水中心主要分布在安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)和鄭州，部分氣象站降水量超過800 mm。其中，5 d最大累積降水量排名前3位的分別為鶴壁市淇濱區(qū)科創(chuàng)中心站(1116.2 mm)、鄭州市新密白寨(990.2 mm)和新鄉(xiāng)市鳳凰山(950.3 mm)。7月19—21日逐日降水量較大，是此次極端天氣事件降水最強(qiáng)時段。19日大暴雨和特大暴雨區(qū)域主要集中在鄭州市的西部和南部地區(qū)；20日降水范圍和強(qiáng)度均有明顯增加，特大暴雨區(qū)域位于鄭州市和新鄉(xiāng)市，其中鄭州站日降水量為624.1 mm，新鄉(xiāng)市原陽縣日降水量為334.1 mm；21日雨帶明顯向西北方向移動，主要分布在太行山以東，特大暴雨區(qū)域主要位于安陽、鶴壁和新鄉(xiāng)，其中最大日降水量出現(xiàn)在鶴壁市科創(chuàng)中心站，為777.5 mm。

圖1 2021年7月18—23日累積降水量分布

由降水實況可知，此次河南暴雨是一次極端強(qiáng)降水事件，降水持續(xù)時間長和降水強(qiáng)度大，雨帶長時間穩(wěn)定維持在河南省內(nèi)，且單日降水強(qiáng)度大。

3 環(huán)境場特征

衛(wèi)星水汽圖像上干濕邊界特征以及暗區(qū)亮度的變化，對天氣系統(tǒng)發(fā)展有明確指示意義[45-46]。圖2為FY-4A水汽通道圖像與ERA5再分析資料500 hPa 位勢高度分布，2021年7月18—19日水汽暗區(qū)位于內(nèi)蒙古和西北地區(qū)中部，表明該區(qū)域受大陸高壓控制，副高的暗區(qū)位于日本及其南部海域，強(qiáng)度弱于大陸高壓，自內(nèi)蒙古東部、華北至西南地區(qū)東部存在一條水汽帶，河南北部和西部位于水汽帶上(圖略)。20日副高進(jìn)一步西伸，大陸高壓水汽暗區(qū)邊界的位置和強(qiáng)度均較為穩(wěn)定，河南位于兩個高壓之間的鞍型場內(nèi)，有利于其上空低渦云系的穩(wěn)定維持和發(fā)展；21日大陸高壓的暗區(qū)范圍縮小、減弱。水汽圖像顯示，20日、21日河南上空對流云團(tuán)白亮，表明對流發(fā)展旺盛，這也與圖1中這兩日降水量偏大對應(yīng)較好。22日副高西脊線進(jìn)一步西伸，大陸高壓的暗區(qū)范圍繼續(xù)縮小、減弱，穩(wěn)定的鞍型場配置被破壞，此次極端降水事件趨于結(jié)束(圖略)。圖3為FY-3D 850 hPa日平均比濕與ERA5再分析資料850 hPa 風(fēng)場分布，20日河南北部主要為偏東風(fēng)，中部和南部為偏南風(fēng)，這樣的風(fēng)場配置使得河南省位于兩股水汽輸送帶的交匯區(qū)域，臺風(fēng)煙花(2106)和臺風(fēng)查帕卡(2107)的水汽匯集到河南省中北部地區(qū)，局地比濕在14 g·kg-1以上，這也為20日鄭州的極端降水提供了良好的水汽條件。隨著臺風(fēng)查帕卡(2107)登陸，21日華南到河南存在明顯的西南—東北向的水汽輸送帶，河南仍然位于濕舌前端。22日隨著副高的西伸，臺風(fēng)煙花(2106)的靠近，西南—東北向的水汽輸送帶被破壞，河南省比濕明顯降低，水汽條件變差，此次極端降水事件趨于結(jié)束(圖略)。

圖2 2021年7月20—21日FY-4A水汽通道亮溫(灰度)和ERA5 500 hPa位勢高度(藍(lán)色等值線，單位：dagpm)

圖3 2021年7月20—21日FY-3D 850 hPa日平均比濕(填色)及ERA5 850 hPa風(fēng)場(矢量)分布

4 降水云宏微觀特征

4.1 降水云宏觀特征

由降水實況特征及衛(wèi)星反演環(huán)境條件可知，2021年7月20日河南省低渦云系發(fā)展較強(qiáng)，日降水量較大。本文重點分析20日河南上空的降水云宏微觀結(jié)構(gòu)特征。圖4為7月20日河南省對流云團(tuán)的演變過程，其中冷云區(qū)(亮溫小于-52℃)的范圍用紅色等值線標(biāo)注。13:00對流云團(tuán)主要覆蓋河南中部和北部區(qū)域，形成對流復(fù)合體，鄭州站(圖4中黑色圓點)位于其內(nèi)部。14:00對流云團(tuán)出現(xiàn)合并，對流復(fù)合體內(nèi)部亮溫低值中心的變化表明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變。此時鄭州位于冷云區(qū)邊界，其西南側(cè)有一新生對流云團(tuán)，強(qiáng)度較強(qiáng)，最低亮溫低于-70℃。14:00—15:00該對流云團(tuán)擴(kuò)大、發(fā)展并與河南北部的對流復(fù)合體合并。與此同時，河南南部有多個新生對流云團(tuán)，隨著它們向偏北方向移動，這些對流云團(tuán)出現(xiàn)合并增強(qiáng)的過程。16:00北部對流復(fù)合體與鄭州西南側(cè)對流云團(tuán)合并后繼續(xù)發(fā)展，對流復(fù)合體的形態(tài)發(fā)生明顯變化。圖4顯示，14:00—16:00鄭州長時間位于對流云團(tuán)冷云區(qū)邊界亮溫梯度的大值區(qū)，表明該區(qū)域上空對流云團(tuán)云頂紋理豐富，起伏劇烈，對流發(fā)展旺盛，非常有利于強(qiáng)降水的發(fā)生。地面觀測顯示，16:00和17:00鄭州站1 h累積降水量分別為60.6 mm和201.9 mm。17:00—18:00隨著河南南部大量對流云團(tuán)的涌入、合并，覆蓋河南北部的對流復(fù)合體出現(xiàn)強(qiáng)度和位置變化，亮溫較20日上午明顯降低，亮溫小于-62℃的冷云蓋面積不斷擴(kuò)大，重組后的對流復(fù)合體位置偏東，20:00趨于成熟。由此可知，20日對流復(fù)合體經(jīng)歷了發(fā)展到成熟的過程，午后至傍晚(14:00—18:00)是對流發(fā)展階段，對流復(fù)合體經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)的重組變化，與地面強(qiáng)降水時間段對應(yīng)較好。

圖4 2021年7月20日13:00—20:00 FY-4A長波紅外通道亮溫(鄭州站以黑色圓點標(biāo)出,紅色實線為亮溫-52℃等值線)

圖5為7月20日鄭州站云頂參數(shù)特征隨逐小時降水量變化。鄭州上空的云頂高度在20日早晨至中午一直維持在12 km以上，云頂高度相對穩(wěn)定，午后云頂高度迅速降低，16:00—20:00云頂高度不斷增加，20:00云頂高度為16.7 km。梁旭東等[4]利用雷達(dá)資料分析此次降水云回波特征發(fā)現(xiàn)，20日鄭州上空的對流發(fā)展高度較高，20:00雷達(dá)回波區(qū)達(dá)15 km以上，是非常深厚的對流系統(tǒng)。隨后至21日凌晨，云頂高度逐漸下降。由圖5a可知，云頂高度和逐小時降水量并無很好的相關(guān)關(guān)系。圖5b顯示早晨至午后，鄭州上空亮溫約為-55℃，下午(14:00—16:00)亮溫迅速升高后降低，表明云頂起伏劇烈，是對流發(fā)展階段，結(jié)合圖4可知，該時間段鄭州位于對流云團(tuán)冷云區(qū)邊界亮溫梯度的大值區(qū)；18:00—20:00隨著南側(cè)大量對流云團(tuán)的涌入，新的對流復(fù)合體發(fā)展成熟，盡管圖5b顯示該時間段鄭州上空的亮溫達(dá)到全天最低值，但由于其處于對流成熟階段，該時間段的逐小時降水量明顯低于下午。由此可見，鄭州上空對流云的亮溫數(shù)值及其隨時間變化僅反映對流云所處的發(fā)展階段，與降水量的大小無明顯相關(guān)關(guān)系。亮溫和云頂高度的變化并不能完全解釋鄭州16:00—18:00如此極端的降水特征。

圖5 2021年7月20日08:00—21日08:00 FY-4A云宏觀特征和鄭州站逐小時降水量(a)云頂高度和降水量，(b)長波紅外通道亮溫和降水量

4.2 降水云白天微物理特征

4.2.1 云微物理量的演變特征

圖6為鄭州站FY-4A白天云微物理量和逐小時降水量的演變特征。圖6a鄭州云頂粒子有效半徑在7月20日一直維持在20～30 μm，超過了14 μm 的降水粒子閾值[33]，但云頂粒子有效半徑與逐小時降水量并未體現(xiàn)出很好的對應(yīng)關(guān)系。由云光學(xué)厚度隨地面小時降水量演變(圖6b)可知，20日白天鄭州上空的云光學(xué)厚度整體超過30，云頂高度整體在9 km以上(圖5a)，達(dá)到對流云降水的云光學(xué)厚度和云頂高度指標(biāo)閾值[17]，地面也始終觀測到超過10 mm的小時降水量。20日08:00—14:00鄭州上空的云光學(xué)厚度呈現(xiàn)明顯增加趨勢，其中12:00—14:00云光學(xué)厚度不斷躍增，13:00光學(xué)厚度為122.2，14:00達(dá)到極大值為150，15:00為141.6。結(jié)合圖5a發(fā)現(xiàn)，13:00—15:00云頂高度從14.9 km降至11.2 km，光學(xué)厚度和云頂高度呈現(xiàn)相反的變化趨勢，表明該時段不同對流云團(tuán)合并過程中云內(nèi)液態(tài)粒子大量合并導(dǎo)致云光學(xué)厚度的躍增，是液態(tài)水含量顯著增加的關(guān)鍵時段。云光學(xué)厚度峰值先于降水量峰值出現(xiàn)，這也與其他暴雨事件的研究結(jié)果一致[40-41]。16:00與17:00這兩個時次強(qiáng)降水的出現(xiàn)，消耗了云中大量液態(tài)水，隨后鄭州上空的云光學(xué)厚度驟降，由圖6b也可以看到云光學(xué)厚度和強(qiáng)降水演變的時間差。

圖6 2021年7月20日08:00—21日08:00 FY-4A云微物理特征和鄭州站逐小時降水量特征(a)云粒子有效半徑和降水量，(b)云光學(xué)厚度和降水量

為了進(jìn)一步驗證云光學(xué)厚度和1 h累積降水量的關(guān)系，基于2018—2021年夏季(6—8月)FY-4A衛(wèi)星云光學(xué)厚度產(chǎn)品和河南省內(nèi)2432個氣象站逐小時降水量資料進(jìn)行統(tǒng)計。按照1.2節(jié)介紹的時空匹配方法，選取衛(wèi)星整點時次的云光學(xué)厚度與對應(yīng)氣象站其后1 h累積降水量進(jìn)行匹配，經(jīng)過4年夏季的大量樣本統(tǒng)計得出云光學(xué)厚度與其后1 h累積降水量的分布情況(圖7)。由圖7可知，光學(xué)厚度的值越大，隨后時間內(nèi)出現(xiàn)較強(qiáng)降水的概率越大，云光學(xué)厚度與其后1 h累積降水量存在正相關(guān)關(guān)系。因此，2021年7月20日鄭州14:00和15:00光學(xué)厚度與歷史統(tǒng)計樣本相比異常偏大，提示其后時次出現(xiàn)較強(qiáng)降水的概率較大。

圖7 2018—2021年夏季河南省FY-4A 云光學(xué)厚度與其后1 h累積降水量箱線圖(方框的上邊界和下邊界分別表示總樣本75%和25%比例的數(shù)值，方框中實線代表總樣本的中位數(shù)的數(shù)值，上下虛線端點分別表示占總樣本90%和10%比例的數(shù)值)

由此可知，在云頂高度相對穩(wěn)定或有所降低的情況下，云光學(xué)厚度躍增能夠反映云中液態(tài)粒子大量合并、云中液態(tài)水含量增多的事實，表明對流云團(tuán)處于迅速發(fā)展階段，云光學(xué)厚度的峰值先于降水量峰值出現(xiàn)，而云光學(xué)厚度的快速降低表明云中液態(tài)水的迅速消耗，地面降水量也有所減小。因此，F(xiàn)Y-4A云光學(xué)厚度躍增及驟降對于7月20日鄭州強(qiáng)降水出現(xiàn)和減弱的時間有重要的預(yù)警意義。

4.2.2 云垂直結(jié)構(gòu)和降水形成過程

在相同大氣背景條件下，假定對流云的發(fā)展經(jīng)歷了各個階段和相態(tài)，使用表征對流云垂直增長規(guī)律的T-re模型分析7月20日白天河南省上空對流云團(tuán)不同發(fā)展階段的微物理過程和垂直結(jié)構(gòu)特征。20日10:00—16:00 FY-4A云頂溫度的監(jiān)測圖像(圖8)顯示，黑色方框中的云區(qū)由不同云頂溫度的云組成，表示影響河南省的云團(tuán)包含不同發(fā)展高度的對流云，滿足T-re模型的分析原則，可以作為代表云區(qū)。

圖9展示了與圖8對應(yīng)的7月20日10:00，12:00，14:00和16:00分析區(qū)域內(nèi)的對流云團(tuán)T-re關(guān)系，不同顏色的曲線代表不同樣本比例的re隨云頂溫度的變化廓線，灰色虛線為不同溫度下的樣本量，以50%的中值曲線(藍(lán)色)代表對流云的整體發(fā)展和演變情況。20日10:00—12:00影響河南的對流云團(tuán)具有相似的T-re結(jié)構(gòu)特征。云團(tuán)的云頂溫度最低超過-60℃，-25～10℃間為深厚的雨胚形成區(qū)，云粒子有效半徑re整體維持在15～20 μm，超過了14 μm 的降水粒子閾值[33]，且粒子譜較窄(25%～90%的樣本對應(yīng)的re數(shù)值較為集中，僅相差5 μm)，云中大的降水粒子受重力作用從雨胚形成區(qū)降落至云團(tuán)的中下部，在碰并過程的作用下粒子有效半徑有所增長。-45～-25℃溫度層內(nèi)為混合相態(tài)區(qū)，re隨溫度的降低顯著增長至30 μm左右，該溫度范圍內(nèi)云粒子譜明顯拓寬，數(shù)值范圍在15～32 μm。-45℃溫度層以上為冰化相態(tài)區(qū)，re隨云頂高度的抬升不再增長。14:00 對流云的T-re結(jié)構(gòu)特征發(fā)生變化，re整體減小，雨胚形成區(qū)的高度降低至-10℃，-40～-10℃之間為深厚的混合相態(tài)區(qū)，-40℃以上的冰化相態(tài)區(qū)內(nèi)re總體小于30 μm。16:00 對流云團(tuán)合并，云中的微物理結(jié)構(gòu)特征再次發(fā)生變化，re隨T的降低基本保持不變。垂直方向上，50%的粒子有效半徑中值整體維持在20～25 μm，T-re模型表現(xiàn)為深厚的雨胚形成區(qū)和冰化相態(tài)區(qū)，表明該時段內(nèi)云中可能有較強(qiáng)的上升氣流，大的降水粒子能夠被抬升至云團(tuán)中上部。同時云層底部的粒子有效半徑明顯增大至30 μm，為全天最大值，說明云中暖區(qū)的碰并作用較強(qiáng)，產(chǎn)生大尺度云滴，該時間段河南省整體降水量均有所增強(qiáng)，其中鄭州站1 h累積降水量達(dá)201.9 mm。

圖8 2021年7月20日FY-4A云頂溫度(標(biāo)有數(shù)字的黑色方框為T-re圖云微物理特征分析所選的代表區(qū)域)

圖9 圖8中所選區(qū)域?qū)α髟茍F(tuán)對應(yīng)的T-re圖(灰色曲線為樣本量，對應(yīng)上橫坐標(biāo)值；不同顏色的曲線表示不同比例有效樣本量下re隨T變化)(a)區(qū)域1,10:00，(b)區(qū)域2,12:00，(c)區(qū)域3,14:00，(d)區(qū)域4，16:00

Lensky等[34]研究指出，同一云體中未必同時存在5種降水形成過程，實際大氣中的對流云也具有不同的T-re關(guān)系，這與云團(tuán)形成的環(huán)境背景和所處的發(fā)展階段有關(guān)。整體而言，由于7月20日對流云團(tuán)垂直發(fā)展十分深厚，且一直處于降水過程中，故而T-re關(guān)系表現(xiàn)為深厚的雨胚形成區(qū)、混合相態(tài)區(qū)和冰化相態(tài)區(qū)，看不到凝結(jié)增長區(qū)和碰并增長區(qū)。

5 結(jié) 論

本文利用風(fēng)云氣象衛(wèi)星監(jiān)測資料分析“21·7”河南暴雨的云圖特征、水汽輸送特征，細(xì)致分析此次極端事件降水云的發(fā)展演變過程和云的宏微觀特征。主要結(jié)論如下：

1)“21·7”河南暴雨是一次極端強(qiáng)降水事件，體現(xiàn)在降水持續(xù)時間長和單日降水強(qiáng)度大。河南省位于大陸高壓與副高之間的鞍型場內(nèi)，有利于其上空低渦云系的發(fā)展和維持，2021年7月20日河南省中北部位于兩股水汽輸送帶的交匯區(qū)域，F(xiàn)Y-3D產(chǎn)品顯示局地比濕在14 g·kg-1以上，為鄭州極端降水提供了有利的水汽條件。

2)7月20日河南省上空出現(xiàn)多次對流云團(tuán)合并和發(fā)展，在合并過程中，河南上空對流復(fù)合體出現(xiàn)重組和調(diào)整，強(qiáng)度和位置變化顯著。其中14:00—16:00 鄭州市位于對流云團(tuán)冷云區(qū)邊界亮溫梯度的大值區(qū)，表明該時段對流發(fā)展旺盛，有利于強(qiáng)降水發(fā)生。

3)7月20日12:00—14:00鄭州站光學(xué)厚度躍增，且在15:00仍維持較大值，表明該時段是云中液態(tài)粒子大量合并，云中液態(tài)水含量豐富的關(guān)鍵時刻，云光學(xué)厚度峰值先于降水量峰值出現(xiàn)，云光學(xué)厚度快速降低，表明云中液態(tài)水迅速消耗，地面降水量也有所減小。FY-4A云光學(xué)厚度躍增及驟降對7月20日鄭州強(qiáng)降水出現(xiàn)和減弱的時間有重要的預(yù)警意義。

4)7月20日河南省上空對流云團(tuán)的云粒子有效半徑隨云頂溫度變化(T-re)分析表明：20日河南上空的對流云具有深厚的雨胚形成區(qū)，垂直方向上整層粒子有效半徑普遍超過14 μm的降水閾值。10:00—12:00對流云團(tuán)雨胚形成區(qū)位于-25℃～10℃范圍內(nèi)，云粒子譜較窄；14:00雨胚形成區(qū)的高度降低至-10～10℃范圍；16:00隨著對流云團(tuán)合并發(fā)展，云中上升氣流增強(qiáng)，粒子有效半徑維持在20～25 μm，雨胚形成區(qū)最為深厚，有利于地面強(qiáng)降水的發(fā)生。