“21.7”河南極端暴雨背景下暴雨形成機(jī)理及預(yù)報(bào)方法研究

摘" 要：該文利用多源氣象資料，對(duì)2021年“21.7”河南極端暴雨過(guò)程進(jìn)行診斷分析。結(jié)果表明，中、低緯度區(qū)域內(nèi)的多尺度系統(tǒng)諸如副熱帶高壓、大陸高壓系統(tǒng)以及熱帶氣旋（臺(tái)風(fēng)）、低渦、低空急流的異常分布并疊加特殊地形作用，是此次極端暴雨的有利環(huán)境背景場(chǎng)；水汽通量散度等物理參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)暴雨具有顯著指示價(jià)值；高值水汽通量散度區(qū)與輻合中心疊加區(qū)域和實(shí)際暴雨落區(qū)位置之間存在緊密關(guān)聯(lián)，其演變模式能夠?yàn)楸┯臧l(fā)展過(guò)程及落區(qū)預(yù)報(bào)提供重要的參考依據(jù)；上下層大氣配置形成的抽吸效應(yīng)對(duì)于促進(jìn)水汽、熱量及動(dòng)量的輸送至關(guān)重要，同樣制約著暴雨系統(tǒng)的發(fā)展；假相當(dāng)位溫的垂直分布可用于評(píng)估大氣不穩(wěn)定性，低層能量鋒區(qū)的出現(xiàn)預(yù)示著有利于暴雨條件的形成；對(duì)流層深厚的濕層、暖云層和不穩(wěn)定層，以及異常低的LCL，是此次暴雨過(guò)程中出現(xiàn)極端雨強(qiáng)的主要因素。

關(guān)鍵詞：極端暴雨；低空急流；物理量；暖云層；LCL

中圖分類(lèi)號(hào)：P426" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）06-0085-05

Abstract： This paper uses multi-source meteorological data to conduct a diagnostic analysis of the \"21.7\" extreme heavy rain process in Henan in 2021. The results showed that， the abnormal distribution of multi-scale systems in the middle and low latitudes， such as the subtropical high pressure， the continental high pressure system， and tropical cyclones （typhoons）， low vortices， and low-level jet jets， superimposed with special topography， are favorable environmental background fields for this extreme heavy rain; Physical parameters such as water vapor flux divergence have significant indicative value for predicting heavy rain; The divergence area of high-value water vapor flux is closely related to the superposition area of convergence centers and the actual location of heavy rain landing areas. Its evolution model can provide important reference for the development process of heavy rain and the prediction of falling areas; the pumping effect formed by the upper and lower atmospheric configurations is crucial to promoting the transport of water vapor， heat and momentum， and also restricts the development of heavy rain systems; The vertical distribution of pseudo-equivalent potential temperature can be used to assess atmospheric instability. The appearance of low-level energy fronts indicates favorable for the formation of heavy rain conditions; the deep wet layer， warm cloud layers and unstable layers in the troposphere， and abnormally low LCL are the main factors leading to extreme rain intensity during this heavy rain.

Keywords： extreme heavy rain; low-level jet; physical quantity; warm cloud; LCL

暴雨天氣對(duì)飛行的影響一直是航空氣象關(guān)注的重點(diǎn)，在暴雨中對(duì)飛行有重要影響，例如暴雨降低了飛機(jī)起飛與著陸時(shí)的能見(jiàn)度，在降水區(qū)尤其是極端暴雨天氣區(qū)中飛行能見(jiàn)度極差，還可能產(chǎn)生積冰、顛簸、風(fēng)切變等威脅飛行安全的天氣現(xiàn)象[1]。因此，加大對(duì)暴雨形成機(jī)理機(jī)制及暴雨預(yù)報(bào)技術(shù)的研究，提高暴雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率對(duì)保障飛行安全有重要意義。目前，得益于各種常規(guī)和非常規(guī)精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)、高分辨率數(shù)值模型的進(jìn)步及多種前沿科研成果的引入，暴雨預(yù)報(bào)技術(shù)步入嶄新的發(fā)展階段。但由于我國(guó)地域遼闊，受季風(fēng)和多種氣候帶天氣系統(tǒng)的影響，地形地貌多樣，暴雨形成機(jī)理復(fù)雜，數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果往往會(huì)存在一定程度的系統(tǒng)性偏差[2]。基于此，本文以“21.7”河南極端暴雨過(guò)程為背景，利用EC細(xì)網(wǎng)格模式資料、區(qū)域自動(dòng)站資料、micaps探空資料與多物理量綜合剖面顯示工具等技術(shù)手段，從本次極端暴雨的多尺度天氣系統(tǒng)的相互作用及機(jī)理、地形等復(fù)雜下墊面對(duì)暴雨影響機(jī)制、暴雨極端性成因、物理量參數(shù)異常診斷等方面進(jìn)行探索研究，從而全面分析此次暴雨發(fā)生發(fā)展機(jī)理及機(jī)制。旨在加強(qiáng)對(duì)典型地區(qū)、典型影響系統(tǒng)的暴雨特別是極端性暴雨和局地突發(fā)性暴雨個(gè)例的分析研究，有助于氣象預(yù)報(bào)科研及業(yè)務(wù)人員加深對(duì)暴雨形成物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)，提高多源資料綜合應(yīng)用能力，提高短臨預(yù)報(bào)能力，從而可以充分發(fā)揮預(yù)報(bào)員認(rèn)識(shí)當(dāng)?shù)乇┯隀C(jī)理和積累預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)的作用。

1" 過(guò)程概述

從2021年7月17日開(kāi)始，河南省境內(nèi)從太行山以南至南陽(yáng)盆地區(qū)域出現(xiàn)大范圍極端強(qiáng)降水天氣（圖略）。17日8時(shí)至21日8時(shí)，河南省區(qū)域平均降雨量達(dá)144.7 mm，包括鄭州在內(nèi)多地市區(qū)域1小時(shí)降雨量超過(guò)100 mm，特別是在20日，鄭州氣象觀測(cè)站記錄到了此次過(guò)程最大小時(shí)降雨量（16—17時(shí)）高達(dá)201.9 mm，部分地區(qū)累計(jì)降雨量超過(guò)當(dāng)?shù)啬昶骄涤炅浚ㄠ嵵菔腥昶骄涤炅繛?41 mm），本次極端降水過(guò)程最大小時(shí)雨強(qiáng)超過(guò)河南“75·8特大暴雨”（189.5 mm/h）[3]并造成嚴(yán)重災(zāi)情。

2" 環(huán)流背景與天氣形勢(shì)分析

20日500 hPa高空?qǐng)D上，此次暴雨期間，環(huán)流形勢(shì)呈現(xiàn)出典型的“東高西低”特征，是華北地區(qū)常見(jiàn)暴雨環(huán)流形勢(shì)[4]；環(huán)流配置上，副熱帶高壓和大陸高壓的強(qiáng)度均較常年偏強(qiáng)，并且位置偏北，副高脊線穩(wěn)定在40～45 °N之間，其南側(cè)為偏東南氣流，河南區(qū)域位于其西南側(cè)外圍（圖1（a））；臺(tái)風(fēng)“煙花”和副熱帶高壓間存在強(qiáng)氣壓梯度力，從而形成東南風(fēng)低空急流；與此同時(shí)，臺(tái)風(fēng)“查帕卡”東側(cè)來(lái)自印度洋的西南風(fēng)暖濕氣流協(xié)同南海及東海的水汽向北輸送，遇到副熱帶高壓阻擋，借助東南風(fēng)低空急流轉(zhuǎn)向西北河南區(qū)域方向輸送，形成了一條東南風(fēng)水汽急流輸送帶，向暴雨區(qū)輸送水汽。

850～700 hPa存在強(qiáng)的低渦切變系統(tǒng)，低渦系統(tǒng)中心自河南東南部緩慢西移，20日08時(shí)移至鄭州以西，在豫北地區(qū)形成一條暖式切變并長(zhǎng)時(shí)間維持（圖1（b））；在200 hPa對(duì)流層高層，豫陜交界附近有一條兩高間的、穩(wěn)定的高空深槽，鄭州附近處于其東側(cè)脊區(qū)脊線附近，其高空處于強(qiáng)輻散區(qū)內(nèi)（圖1（c））。在低層及近地面為較強(qiáng)的偏東-東南氣流，受到太行山脈、嵩山山區(qū)的地形作用（圖1（d）），大量水汽和不穩(wěn)定能量在山脈迎風(fēng)坡被迫抬升，激發(fā)并增強(qiáng)了山前區(qū)域的對(duì)流性降水，這種地形效應(yīng)導(dǎo)致豫北鄭州周邊的降水量顯著增加。

上述分析表明，中、低緯度區(qū)域內(nèi)多尺度天氣系統(tǒng)（副高、大陸高壓系統(tǒng)、臺(tái)風(fēng)、低渦和低空急流）的異常分布，促成了此次極端暴雨事件。臺(tái)風(fēng)外圍的東南氣流為降水提供了充足的水汽來(lái)源；中低層的低渦和切變線與低層?xùn)|南氣流在山脈前的輻合抬升作用，以及高層大氣的輻散效應(yīng)，共同創(chuàng)造了有利于暴雨形成的動(dòng)力條件。暴雨的主要落區(qū)集中在低渦前部、暖切變線附近偏北側(cè)的暖區(qū)，以及高層強(qiáng)輻散氣流下方。

3" 物理量診斷分析

3.1" 水汽條件分析

選取豫北鄭州及洛陽(yáng)（孟津）站的風(fēng)溫濕時(shí)間垂直剖面圖（圖2）可以看到，由于穩(wěn)定維持的副高阻擋了臺(tái)風(fēng)北上，使得水汽供給通道穩(wěn)定維持，在暴雨開(kāi)始前豫北鄭州—洛陽(yáng)（孟津）一線已形成大范圍深厚濕層環(huán)境且低層水汽豐富。此次暴雨過(guò)程主要時(shí)段（19日20時(shí)—20日20時(shí)）水汽輸送及輻合中心從925 hPa一直延伸至700 hPa，水汽通道上風(fēng)速為12～16 m·s-1，風(fēng)向?yàn)槠珫|及東南風(fēng)（圖2（a）、圖2（b））。

此次暴雨事件中，850、700 hPa風(fēng)場(chǎng)和水汽通量散度場(chǎng)的分布清晰地展示了在雙臺(tái)風(fēng)環(huán)流的共同影響下，“煙花”臺(tái)風(fēng)北側(cè)與“查帕卡”臺(tái)風(fēng)東側(cè)的氣旋性暖濕氣流合并，形成了低空急流，攜帶大量水汽向西北方向移動(dòng)，從洋面一直延伸到內(nèi)陸地區(qū)。這一過(guò)程有效地建立了水汽輸送通道，并在河南鄭州及其周邊區(qū)域造成了顯著的水汽輻合現(xiàn)象。這種強(qiáng)烈的水汽聚集為該地區(qū)的暴雨事件提供了充足的水汽來(lái)源（圖2（c）、圖2（d））。20日08時(shí)850 hPa，暴雨中心鄭州已處于水汽通量散度高值區(qū)中心附近，中心值已加強(qiáng)至-200×10-6 g/cm2·hPa·s。上述分析表明，大范圍且深厚的高濕環(huán)境是造成此次河南極端暴雨過(guò)程的有利條件，此次暴雨過(guò)程中水汽通量散度高值區(qū)（水汽輻合中心）與暴雨落區(qū)（鄭州113.65 °E附近）有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2" 動(dòng)力條件分析

對(duì)2021年7月19日08時(shí)至7月22日08時(shí)河南暴雨區(qū)域中鄭州站和洛陽(yáng)孟津站分別做散度垂直時(shí)間剖面（圖3），對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)在暴雨發(fā)生前和持續(xù)期間兩地均形成了高層輻散、低層輻合的有利形勢(shì)場(chǎng)。鄭州19日20時(shí)—20日20時(shí)為強(qiáng)降水時(shí)段，20日600～925 hPa高度層為強(qiáng)輻合區(qū)，輻合中心位于約700 hPa處，其強(qiáng)度達(dá)到了-120×10-5 s-1；而在150～350 hPa區(qū)域內(nèi)，則存在強(qiáng)烈的輻散區(qū)，其中心位于250 hPa，強(qiáng)度為180×10-5 s-1，這種垂直方向上的輻合與輻散配置，顯著增強(qiáng)了大氣的抽吸效應(yīng)，促進(jìn)了空氣垂直運(yùn)動(dòng)和天氣系統(tǒng)的活躍發(fā)展，是造成此次暴雨過(guò)程的有利動(dòng)力條件。隨著700 hPa以下輻合減弱及輻散的加強(qiáng)，21日20時(shí)后降水隨之減弱（圖3（a））。洛陽(yáng)機(jī)場(chǎng)區(qū)域（孟津）強(qiáng)降水時(shí)段為19日夜間至20日，20日20時(shí)后高層輻散明顯減弱，降水隨之減弱，相比于鄭州，洛陽(yáng)機(jī)場(chǎng)區(qū)域（孟津）輻合及輻散層發(fā)展高度明顯相較鄭州偏低，中心強(qiáng)度相較鄭州偏弱（圖3（b）），因此對(duì)應(yīng)其實(shí)況暴雨過(guò)程降水強(qiáng)度較鄭州偏弱。

3.3" 不穩(wěn)定能量分析

假相當(dāng)位溫θse是表征大氣中溫、濕的綜合特征量。當(dāng)假相當(dāng)位溫θse隨高度降低時(shí)，大氣層結(jié)為對(duì)流不穩(wěn)定，有利于對(duì)流天氣的發(fā)生和發(fā)展。

從7月20日θse沿鄭州（34.72°N）的緯向垂直剖面（圖4）可以看到，19日08時(shí)開(kāi)始鄭州區(qū)域θse隨高度降低，為對(duì)流層結(jié)不穩(wěn)定，并且在20日暴雨發(fā)生前，在700 hPa以下出現(xiàn)了向上伸展的θse高舌區(qū)，中心強(qiáng)度偏強(qiáng)，θse極值大于350 K。同時(shí)可以看出，且在暴雨區(qū)鄭州（113 °E～115 °E）附近上空700 hPa以下為θse等值線密集帶即能量鋒區(qū)，而此能量鋒區(qū)正是此次暴雨發(fā)生的集中區(qū)域?？梢钥吹剑诒┯陞^(qū)（113 °E～115 °E）低層一直保持著高溫高濕的狀態(tài)（θse高能舌），這為保證暴雨的持續(xù)性創(chuàng)造了有利條件，且θse隨高度先減小后增大，表明本次暴雨區(qū)域的對(duì)流層中低層為對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)。

4" 大氣層結(jié)條件特征

選用鄭州探空站的探空數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析造成此次暴雨過(guò)程中小時(shí)雨強(qiáng)顯著極端性的因素，可以看到，7月20日08時(shí)、14時(shí)鄭州測(cè)站的露點(diǎn)曲線與層結(jié)曲線近乎重疊（圖5（a）、圖5（b）），濕層從1 000 hPa一直延伸至400 hPa，濕層極為深厚，對(duì)流層整層水汽異常充沛。深厚的濕層能夠減少雨滴的蒸發(fā)率，而低層大氣中的高濕環(huán)境則有助于增加暖云層的厚度[5]。在此次暴雨發(fā)生前及暴雨期間整層比濕積分（IQ）大于6 500 g/kg，K指數(shù)達(dá)到40 ℃（表1），在增溫增濕的環(huán)境下，對(duì)流不穩(wěn)定的能量值顯著升高，為極端暴雨的形成和發(fā)展提供了充足的水汽和能量支持。通過(guò)分析測(cè)站層結(jié)曲線可以看到，鄭州測(cè)站在暴雨期間的0 ℃層高度（ZH）一直維持在5 km以上（表1），說(shuō)明其測(cè)站上空存在深厚的暖云層。有研究表明，降水系統(tǒng)中的暖云層越厚，越有利于提高降水效率[6]。并且鄭州測(cè)站抬升凝結(jié)高度（LCL）異常偏低，從20日08時(shí)開(kāi)始LCL均低于950 hPa，導(dǎo)致此次暴雨過(guò)程對(duì)大氣中的抬升條件要求較低。以上均為此次暴雨過(guò)程中出現(xiàn)極端雨強(qiáng)以及極其高的降水效率的重要因素。

在此次暴雨過(guò)程中，鄭州測(cè)站20日08及14時(shí)對(duì)流有效位能（CAPE）偏弱，均小于1 000 J/kg，但在CAPE垂直分布形態(tài)上顯得相對(duì)“瘦高”，對(duì)流抑制能量（CIN）接近于0 J/kg，說(shuō)明測(cè)站上空不穩(wěn)定層較為深厚，這為暴雨過(guò)程提供了有利的不穩(wěn)定條件。21日14時(shí)，雖然CAPE值上升至2 800 J/kg以上，偏強(qiáng)，但實(shí)況雨強(qiáng)已遠(yuǎn)不及20日，濕層厚度也較前期有明顯減小，沙氏指數(shù)SI也由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?。相關(guān)研究表明，強(qiáng)CAPE條件下，濕空氣塊會(huì)加速穿越暖云層，從而縮短暖云過(guò)程形成降水的持續(xù)時(shí)間，反而造成降水效率的下降，而在CAPE不太大的情況下，如果云底比濕q很大，降水效率很高，反而會(huì)產(chǎn)生較大的雨強(qiáng)[7]?？傊?，雨強(qiáng)大小是取決于降水效率、云底上升氣流速度及比濕大小的綜合效應(yīng)。因此，相比于CAPE值的大小，CAPE的垂直分布狀況、對(duì)流層濕層及LCL和0 ℃層高度的分布狀況在暴雨的極端性因素分析中更具參考價(jià)值。

5" 結(jié)論

本文利用多源資料，對(duì)“21.7”河南極端暴雨過(guò)程進(jìn)行天氣診斷分析，得到以下結(jié)論。

1）中、低緯度區(qū)域多尺度系統(tǒng)如副熱帶高壓、大陸高壓以及熱帶氣旋（臺(tái)風(fēng)）、低渦、低空急流的異常分布并疊加特殊地形的共同作用，是此次極端暴雨過(guò)程的有利環(huán)境背景形勢(shì)。

2）水汽通量散度等物理參數(shù)對(duì)暴雨預(yù)測(cè)具有顯著指示價(jià)值，在700、850 hPa上，水汽通量散度高值區(qū)與輻合中心的重疊區(qū)域與暴雨落區(qū)呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。這種相關(guān)性為預(yù)測(cè)暴雨的發(fā)生、發(fā)展以及具體落區(qū)和時(shí)段提供了重要的依據(jù)和支持。

3）高層大氣的輻散配合低層輻合形成的有效的抽吸效應(yīng)，增強(qiáng)了垂直運(yùn)動(dòng)，這對(duì)水汽、熱量和動(dòng)量的輸送及天氣系統(tǒng)的演變起到了關(guān)鍵作用，促進(jìn)了暴雨事件的發(fā)生與發(fā)展；假相當(dāng)位溫的垂直分布能夠有效指出大氣的不穩(wěn)定性，低層能量鋒區(qū)（高能區(qū)）的出現(xiàn)有助于增強(qiáng)大氣不穩(wěn)定度，是暴雨事件發(fā)生的有利因素。

4）對(duì)流層整層的濕層、深厚的暖云層和不穩(wěn)定層以及異常低的LCL是造成此次暴雨過(guò)程中出現(xiàn)極端雨強(qiáng)的主要因素。

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作者簡(jiǎn)介：陳斌昌（1994-），男，助理工程師。研究方向?yàn)楹娇諝庀箢A(yù)報(bào)。