复盘河南“21·7”极端降水的可预报性及对决策气象服务的思考

赵培娟， 胡玉梅， 孔海江， 吕林宜， 席 乐

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，郑州 450003;2.河南省气象台，郑州 450003； 3.济源市气象局，河南 济源 459000； 4.安阳国家气候观象台，河南 安阳 455000；5.河南省大气污染综合防治与生态安全重点实验室，河南 开封，475004)

引 言

《中国气候变化蓝皮书(2021)》[1]指出，全球变暖趋势仍在持续，极端暴雨事件增多增强，且易导致城市暴洪。气象工作者对极端暴雨的研究极为重视。围绕河南“75·8”特大暴雨，丁一汇等[2]从暴雨发生条件及暴雨对环境场的反馈进行了分析；陶诗言[3]从不同尺度环流、暴雨的三维结构和天气学模型、地形作用等方面进行了总结；还有学者从动力分析角度[4]研究；多年后又从数值模拟[5-6]、中尺度集合预报[7]等方面进行了深入研究。

针对2016年7月19-20日河北、河南的华北低涡特大暴雨，栗晗等[8]从降水极端性角度分析发现，太行山地形强迫和华北低涡提供了抬升和水汽条件，地面辐合线的发展和维持及多个中尺度气旋是导致局地特大暴雨的主因。张景等[9]对天气系统热动力结构演变及不稳定特征进行了诊断分析，发现副高北抬造成低涡东移停滞是大暴雨产生的环流背景，700 hPa散度高值区对应降水高值区。针对北京“7·21”极端暴雨，田付友等[10]将其与2016年“7·20”北京特大暴雨作了对比分析，发现热力条件的差异是导致两次极端暴雨过程中短时强降水强度巨大差异的重要原因；一些学者还从观测[11-12]、多普勒雷达资料同化[13]、极端性[14]、成因[15-16]、气溶胶反馈作用[17]、预报欠佳原因[18]、公共气象服务[19]等方面进行了分析。围绕2017年广州“5·7”暖区特大暴雨，伍志方等[20]研究发现，在弱环境条件和动力强迫下，来自海上的偏南风回流，经过城市热岛增暖，与山坡下滑冷气流在山前形成辐合，触发生成对流后，雷暴出流和边界层暖湿气流形成的辐合线可使已减弱的降水单体重新加强产生强降水；陈涛等[21]从数值可预报性方面进行分析发现，降水预报高敏感区分布与关键天气系统的相对强度和位置密切相关；邱学兴等[22]分析了集合卡尔曼滤波同化多普勒雷达径向风观测资料对广州“5·7”特大暴雨预报的影响；陈豫英[23]、覃武[24]等都是从预报偏差及可预报性方面对极端暴雨进行了探讨；也有学者在极端降水的极端性[25]、重现期[26]、时空变化[27-29]和成因[30]等方面进行分析。

杜军等[31]提出预报挑战度和可预报性演变指数，指出过去预报结果的时间演变对预报员或用户决策过程难易程度和成败起了重要作用。关于极端暴雨对城市交通和形成城市洪涝方面，张建云等[32]指出城镇化造成的“热岛效应”“凝结核增强作用”“微地形阻碍作用”会形成城市的“雨岛效应”，使城市暴雨呈现增多趋强的态势；城市化和人类活动引起的下垫面变化，破坏了城市的排水和除涝系统，导致城市洪涝问题越来越突出。孙喆[33]分析了北京中心城区内涝成因后发现，城市建设用地的增加及河道水面的减少，既增加产流规模，也减少消纳雨水的数量，引发内涝；城市内涝程度与不透水表面比率和建设用地比率呈指数正相关关系。Versini等[34]研制了一种道路积水预警系统，可以预测不同程度降水导致的道路淹没点。刘鸣彦等[35]提出一种致洪临界雨量的确定方法。

为了提升灾害性天气的预报能力，孔海江等[36]提出把复盘方法用于天气预报个例研究，一般在灾害性天气出现后，从预报和服务方面对灾害性天气进行复盘[37]。本文亦将从降水演变、环流形势与影响系统、极端降水致灾关键节点及极端降水的可预报性等方面对“21·7”极端暴雨进行复盘，分析极端暴雨及灾害成因，探讨提高极端暴雨预报能力与决策服务的有效方法。

决策气象服务是我国各级决策部门指挥生产、组织防灾减灾、应对气候变化、重大社会保障等的科学决策依据，是一项涉及社会稳定、经济发展和人民生命财产安全的全局性、综合性、前瞻性和高层次的气象服务[38-39]。在气候变暖背景下，极端天气频发，对决策气象服务提出了新的挑战。关于决策气象服务，王明洁等[40]提出重大天气过程动态递进式决策服务——深圳市“31631”模式，即灾害影响前，提前 3 d给出过程风雨预测，提前 1 d给出精细到区的落区预报和灾害性天气影响，提前 6 h 进入临灾精细化气象预警状态，提前 3 h 跟踪给出精细到区的临灾精细化预警产品，提前 1 h 发布精细到街道的风险预警。该模式是把预报技术水平与灾害防范结合较好的一种尝试。

1 “21·7”极端暴雨过程概述及特点

2021年7月18日20时-22日08时，河南省郑州、鹤壁、新乡、安阳等地出现了极端强降水天气过程(图1)，具有降水累计雨量大、持续时间长、短时强降水特征明显、极端性突出的特征。

图1 2021年7月18日20时-22日08时河南省累计降水量

累计雨量大。84 h累计降水量≥600.0 mm的站点有144个，集中在郑州、鹤壁、新乡、安阳、焦作5地市，占该区域总测站的21.5%。其中大于700.0 mm的站点有48个、大于800.0 mm的站点有18个。上述各地市最大降水中心位置分别位于鹤壁市淇滨区科创中心、郑州新密市白寨、新乡市牧野区牧野乡、安阳市北关区六十五中、焦作修武县裴庄，其降水量分别为1023.4 mm、984.8 mm、869.5 mm、828.0 mm和697.0 mm(图1)。

持续时间长。以各地市最大降水中心逐小时降水≥0.1 mm为统计标准，新乡市牧野区牧野乡、焦作修武县裴庄、鹤壁市淇滨区科创中心、郑州新密市白寨、安阳市北关六十五中的降水时间分别为72 h、71 h、69 h、66 h、61 h，即5地市最大降水中心的降水持续时间为61～72 h。

短时强降水特征明显,极端性突出。以受灾较重的郑州、新乡、鹤壁、安阳为例，分析18日20时-22日08时的降水特征发现：(1)短时强降水特征明显，4地市出现小时雨强≥20.0 mm的次数分别达75、73、40和57个时次；(2)雨强强，≥50.0 mm/h的雨强呈多站点、多时次频发(19日17时-22日08时，图 2)：郑州共21个时次，其中3个时次的雨强≥100.0 mm/h，最大为201.9 mm/h；新乡共23个时次，其中2个时次的雨强≥100.0 mm/h，最大为149.9 mm/h；鹤壁共10个时次，其中2个时次的雨强≥100.0 mm/h，最大为130.1 mm/h；安阳共15个时次，其中2个时次的雨强≥100.0 mm/h，最大为138.0 mm/h。(3)极端性突出，郑州站20日16-17时雨强达201.9 mm/h，突破了我国大陆气象观测记录的历史极值(198.5 mm/h,1975年8月5日河南林庄)

图2 2021年7月19日17时-22日08时郑州、新乡、鹤壁、安阳四地市小时雨强时间分布

2 “21·7”极端暴雨过程及可预报性复盘

复盘分析主要依据常规气象资料(高空探测、地面观测)和国家自动气象观测站降水资料，以及郑州、安阳、卢氏、邢台、阜阳、徐州、汉口、宜昌等站的探空资料。

2.1 “21·7”极端降水的可预报性

首先将降水演变与影响系统相结合，分析“21·7”极端降水的可预报性。

2.1.1 降水演变

图 3 为河南及周边2021年7月17日20时-22日08时每隔12 h的降水实况图。图 3中，(a)(b)为R≥5 mm落区，(c)-(i)为R≥20 mm落区。“21·7”降水可分为以下几个阶段：第一阶段(图3a、b)，豫北出现成片降水，豫西和豫南出现弱的分散阵雨。第二阶段(图3c、d)，图3(c)中有两个新生雨区，一个为豫晋交界太行山处，4站R≥50 mm，降水中心位于焦作，降水量为95.5 mm(表1)，另一个为豫东南伸向西北方的分散对流降水，76.0 mm的降水中心位于舞钢；图3(d)中两个新生雨区合并呈西北-东南向，落区扩大，强度加强，降水中心位于巩义，降水量为123.8 mm(表 1)。第三阶段(图3e、f)，20.0 mm以上降水区呈团状，≥100.0 mm的强降水区位于以郑州为中心的中部区域，嵩山和郑州站最大降水量(降水中心均位于郑州地区)分别为274.8和465.8 mm(表 1)。第四阶段(图3g、h、i)，降水区向北、向南扩展，两个降水中心分别位于扶沟和原阳(降水量为296.1 mm、167.0 mm，图3g)。之后成为两个降水区(图3h)，并由团状演变为带状，豫南降水区减弱消失、豫北降水区加强(降水中心位于淇县，降水量为305.4 mm，表 1)；图3(i)上强降水中心移至新乡、鹤壁等地，降水中心位于辉县，降水量为325.0 mm(表 1)，与第三阶段一样，100.0 mm以上的强降水区在新乡、鹤壁等地持续24 h以上。上述分析表明，“21·7”强降水主要出现在第二到第四阶段，该时段内最大雨强也明显加大，特别是20日08时之后最大雨强均超过100.0 mm/h。

图3 河南及周边2021年7月17日20时-22日08时间隔12 h降水实况(a)为17日20时-18日08时，(b)为18日08-20时，(c)为18日20时-19日08时，(d)为19日08-20时，(e)为19日20时-20日08时，(f)为20日08-20时，(g)为20日20时-21日08时，(h)为21日08-20时，(i)为21日20时-22日08时

表1 2021年7月18日20时-22日08时河南省12 h最大降水中心降水量及位置、最大雨强及位置

2.1.2 环流形势与影响系统

对应上述4个降水阶段进行天气学复盘分析。

“21·7”极端降水产生的环流背景(图略)：500 hPa中高纬地区维持稳定的一槽(乌山东部到我国新疆阶梯状低槽)一脊(日本海到我国东北庞大的经向高压)型，中纬度为弱均压场，低纬地区多热带低压活动。第一阶段(18日20时前),受华北低槽影响,豫北有降水，华东地区弱低压环流与其北侧的辐合线西移，给豫东南带来分散性阵雨(图3a、b)。第二阶段(18日20时-19日20时)，18日夜间，辐合线移入河南伏牛山区，豫东南分散对流降水区有所扩展，19日辐合线继续西移进入陕、晋、豫三省交界，致河南西北部出现降水(图3c、d)。第三阶段(19日20时-20日20时)，辐合线进入山西后演变为584 dagpm线的闭合低压环流并稳定维持，此时副高明显西伸，台风“烟花”外围东南气流伸向河南，导致河南中北部(郑州为中心)出现强降水(图3e、f)。第四阶段(20日20时-22日08时)，21日08时低压环流北移减弱，河南北部降水由低压前切变线和西南气流影响所致。20日夜里起强降水区逐渐北移(图3g、h、i)。

中低空系统演变：18日700 hPa低压环流中心位于豫东南，其北侧辐合线西移；850 hPa辐合线较700 hPa的偏东，其东侧的东南气流明显加大(图4a、i)。19日20时，700 hPa低压环流中心西移至南阳和宜昌之间，后减弱消失，辐合线移出河南(图4b、c)。台风“查帕卡”和“烟花”外围的偏南到东南气流沿副高外围进入河南，925-700 hPa河南境内转为一致的东南气流，并且在南京、阜阳到郑州有12～16 m/s的东南到东风的低空和超低空急流，郑州到卢氏间有强的偏东风风速辐合，阜阳与郑州间有强的风向辐合(12～16 m/s的东南与东风，图4j、k)，辐合区与图3(d)中强降水区相对应。20日08时，700 hPa、850 hPa上郑州、卢氏、南阳之间有强中尺度低涡(郑州东南风速达16 m/s、南阳西南风速达10 m/s)生成(图4d、l)，这是由于台风“烟花”和“查帕卡”缓慢北上，在25°N形成一支稳定的偏东气流，加强了江南到华南的高压脊，河南西部位于该高压脊与河套高压坝之间，因气旋性弯曲加强而形成低涡(河南中低空低涡及切变形成的典型形势之一)。“21·7”极端降水的主要天气系统正是这个低涡。20日20时，700 hPa河套高压东退，低涡中心消失(图4e)，21日08时，西南与东南风的切变位于豫晋交界(图4f)；随着台风“烟花”外围的东南急流向西、向北伸展，850 hPa上徐州、阜阳到郑州的东南急流加强，南阳与郑州之间风向呈90°交角(图4m)，豫北中部仍为强辐合区，强降水区呈“圆形”稳定在郑州周围(图3f)；之后随着700 hPa切变逐渐北抬至河南北部，降水区向西、向北扩展。21日受700 hPa切变线和850 hPa沿豫晋太行山走向的辐合线和台风“烟花”“查帕卡”外围伸向河南北部的偏南与东南急流共同作用(图4g、h、n、o、p)，河南北部出现极端强降水(图3g、h、i)。

图4 2021年7月18日20时-22日08时700 hPa(a-h)、 850 hPa(i-p)天气图(a)(i)为18日20时,(b)(j)为19日08时，(c)(k)为19日20时，(d)(l)为20日08时，(e)(m)为20日20时,(f)(n)为21日08时，(g)(o)为21日20时，(h)(p)为22日08时

17-21日极端降水期间海平面气压场(图略)显示：日本经渤海、华北伸向河套地区的东西向高压坝维持，江淮地区维持倒槽，河南处于高压底部与倒槽顶部的偏东或东北气流中，为最有利于河南降水的地面形势。

综上所述，“21·7”极端降水始于500 hPa偏北、偏东的副高与大陆高压间弱的天气尺度强迫下，在台风与副高间偏南、东南急流伸向河南的大尺度环流背景下，由中低层南阳、郑州间产生的中尺度强低涡(风速达10～16 m/s)造成的21世纪以来中国北方地区最大的暴雨。

2.1.3 极端降水的可预报性

通过复盘上述四个主要降水阶段的影响系统和降水实况演变可知，“21·7”极端降水过程主要有三个预报难点：(1)20日08时700 hPa、850 hPa郑州、卢氏、南阳之间强中尺度低涡生成；(2)20日16-17时郑州站201.9 mm/h的极端雨强;(3)21日18时-22日06时豫北降水强度。下面从日常业务的角度简要分析上述难点的可预报性。

2.1.3.1 20日08时中低层中尺度低涡的产生

从19日20时高空观测资料无法预判未来12 h河南有低涡生成，但从降水实况演变图(图3d、e)发现，12 h≥20 mm的降水区由带状转为团状，且19日02时开始，6 h 20 mm以上降水集中出现在郑州附近(图略)，降水中心位于郑州与南阳之间，强度陡增。由此推测，在该时段、该区域出现了有利于降水加强的中尺度辐合系统。FY2H卫星相当黑体亮温(图5a-d)显示，20日02时在南阳北侧出现211 K(-62 ℃)的低值区，之后低值区逐渐向东、向北扩展，06时前低亮温区位于郑州与南阳之间。与此同时红外云图(图略)上，洛阳到南阳一线以东出现大范围对流云团，说明来自海上的东南和偏南气流可能与该区域新生辐合系统相结合，促使对流云系发展旺盛。雷达拼图(图5e-h)上，20日02时降水回波呈明显的旋转特征，旋转回波呈逐渐北抬趋势，强降水回波在旋转中心的右前方，并逐渐向北、向西聚合。特别是雷达光流矢量图(图6)显示，20日02-04时在南阳西北侧出现了一个清晰的中尺度气旋。根据上述实时观测资料，从强降水区形状的变化、云图特征，结合雷达上螺旋回波、风矢等，可以判断20日02：30郑州、卢氏、南阳之间有中尺度低涡形成。作出判断的时刻较该低涡在天气图上出现的时刻提前约6 h。

图5 2021年7月20日01-04时FY2H卫星相当黑体亮温(a-d)和河南省雷达拼图(e-h)(a)(e)为01时，(b)(f)为02时，(c)(g)为03时，(d)(h)为04时

2.1.3.2 20日郑州站201.9 mm/h的极端雨强

20日08时700 hPa、850 hPa上，郑州、南阳间出现了中尺度低涡，预示辐合加强，降水亦加强，考虑受伏牛山阻挡，系统相对稳定，预计20日河南中部降水加强，且维持12～24 h，落区少变。事实上，郑州、南阳间中尺度低涡在生成过程中降水已经加强，19日20时至20日20时河南省内逐时最大雨强基本上都大于50.0 mm/h，且呈增强趋势(图7)，有18站次(17站集中在郑州市区，其中郑州市惠普站连续2 h雨强大于100.0 mm/h)的雨强大于100 mm/h,最早出现在20日16时，并持续3 h，最大雨强为郑州站的201.9 mm/h(16-17时)。

逐小时地面风场上(图略)：20日12时在郑州西南生成一中尺度气旋,之后气旋逐渐向东北方向移动，14时和15时气旋发展达最强，16时明显减弱，17时消失。由该系统造成的最大雨强位置随气旋逐渐向东北方向移动：13时和14时位于新密市柿树湾，分别为86.6 mm/h、92.7 mm/h；15时东北移至新密市白寨，为97.9 mm/h；16时位于郑州市二七区尖岗，为158.0 mm/h；17时郑州站出现了201.9 mm/h的雨强。卫星云图上，14时郑州附近对流云顶亮温最低约-57 ℃，17时降至-65 ℃(图略)，之后开始回升，说明14-17时对流发展最旺盛。雷达拼图上，14-16时郑州附近回波强度为50～60 dBZ，高度超过10 km，之后强回波高度迅速下降。综上，17时之前郑州附近对流发展旺盛，云顶亮温低，回波强度强，结合20日15-16时郑州出现7站连片雨强大于100.0 mm/h、最大雨量为158.0 mm的实况，外推预报未来1 h郑州出现雨强为100.0～150.0 mm/h的降水、未来3 h雨强为100.0～120.0 mm/h的降水的可能性比较大，但预报(预警)未来出现201.9 mm/h雨强的可能性几乎没有。因为： (1)已出现的最大雨强实况为158.0 mm/h；(2)16时地面中尺度气旋已减弱；(3)强回波高度下降，表明对流趋于减弱，降水继续增强的条件在减少。

图6 2021年7月20日02：30(a)、03：30(b)雷达光流矢量图

图7 2021年7月19日20时-20日20时河南省逐小时最大降水量分布

2.1.3.3 豫北切变线降水强度

郑州强降水过后约20 h，即 21日14时到22日06时受中低空切变线影响，强降水区移至豫北。21日14-15时、18-21日和22日04-06时先后有6个时次豫北雨强≥100.0 mm/h，最大值为149.9 mm/h(图 8)。其中：(1)21日14-15时鹤壁市淇滨区科创中心雨量从小于75.0 mm猛增至120.5 mm，(2) 18-21时鹤壁、新乡共15个站连续3 h雨强≥100 mm/h,(3)安阳22日04-06时共7个站连续2 h雨强≥100.0 mm/h(最大值为138.0 mm/h)。20日20时至22日08时700 hPa、850 hPa上，影响郑州的低涡消失后，沿副高西部边缘残留的准东-西向切变线影响豫北地区(为盛夏豫北暴雨常见的影响系统，一般可形成24 h区域性暴雨)，但因其移动较快，尚未出现过极端暴雨的情况。21日13-15时55～60 dBZ强雷达回波沿切变线呈东北-西南走向,位于新乡北部到鹤壁一带(图略)，与之相对应的逐时最大雨强依次为70.0、87.7和120.5 mm/h(鹤壁市淇滨区科创中心)；16-17时回波北移、强度不变，呈南北向稳定在新乡、鹤壁一带，但连续3 h雨强均小于100.0 mm/h。实时监测显示，对流云团、雷达回波均表现为向西北方向(山西境内)移动且减弱。地面逐小时风场上(图略)，21日14时和15时在新乡形成南北向中尺度辐合线，16时后风向辐合趋于减弱，22日00时豫北基本上处于偏东气流中。此外，多家中尺度数值模式预报，中低层切变线南侧的东南风急流辐合区在21日20时移出豫北进入山西，即21日夜间有利于豫北强降水的水汽和辐合条件均在减弱。综上，预报21日晚间和22日凌晨豫北出现多时次、多站点连续大于100.0 mm/h雨强的依据不充分、难度大。

2.2 “21·7”极端降水数值预报的可预报性复盘

应用业务中预报员最常使用的欧洲中心(ECMWF,以下简称EC)细网格数值预报产品(起报时间：北京时08时、20时)，对导致“21·7”极端降水的主要影响系统中尺度低涡和低空、超低空东南急流的预报进行复盘。

2.2.1 850 hPa风场预报

图 9为EC细网格2021年7月17日和18日的08时、20时4个时次分别起报的850 hPa风场预报，其中图9(a)(d)(g)(j)对应的预报时次为19日08时，图9(b)(e)(h)(k)对应的预报时次为 19日20时，图9(c)(f)(i)(l)对应的预报时次为20日08时。与实况场对比可知：17-18日在华东地区产生的辐合线于19日08时移到豫、鄂交界，低压中心位于湖北境内，4个时次均正确预报；19日20时辐合线移出河南，河南境内转为一致的东南气流，预报也较好；从河南东南部伸向豫西太行山的低空东南急流，24-36 h预报与实况相符,48-72 h预报偏差大；但17、18日EC均未报出20日08时出现在郑州西南方向的中尺度低涡，只是提前24-36 h预报河南中西部有东北-西南向辐合线，对于19日20时低空东南急流位置的预报较实况偏西，预报的强辐合区在山西南部。19日08时EC细网格(12-24 h逐3 h)预报(图略)：20日02-08时沿安康到西华一线产生东-西向辐合线，其北侧为12～16 m/s东或东南急流、南侧为8～10 m/s的偏南气流。因此根据EC预报的低空急流、辐合线位置及强度，难以预报出20日出现在郑州附近的极端暴雨，即可预报性低。

2.2.2 “21·7”极端暴雨影响系统配置

比如说在讲授《月光曲》这篇课文的时候，老师可以把清幽的月光照进茅屋的情景通过微课的形式展现在学生面前，使学生情不自禁地走入情境之中，对月光的清幽、景色的美好更加深刻的体会，使学生对语文学习产生浓厚的兴趣。再比如学习《开国大典》这节课的时候，很多学生都没有去过北京，没有见过天安门，只靠课文中的一些插图，很难感受到天安门带给我们的宏伟气势，这就很难把这篇课文教学效率提升上去。而我们通过微课的形式，可以把图片与视频结合起来展现在学生面前，刺激学生的感性认知，从而使学生对课文中的描述理解更加深刻，促使教学目的更加有效地完成。

对2021年7月19日08时EC预报的间隔12 h 500 hPa高度场和间隔6 h 700、850和925 hPa风场(图10)进行分析，检验其对20日08时副高、中尺度低涡和低空急流及超低空急流的预报。

500 hPa高度场(图略)：预报的副高位置与实况偏差较大，其中19日20时588 dagpm线西伸点的位置较实况偏东2个经度左右，20日08时588 dagpm线南界位置较实况偏北约2个纬度。

700 hPa风场预报(图10a1-a4)：20日02时，河南境内为一致东南风；02-08时在陕、晋、豫交界处有中尺度低涡生成，外围风速为4～6 m/s。预报的该低涡较实况偏西2.6个经度且强度远弱于实况(外围风速最大16 m/s)，河南中部有东西向切变线，但强辐合区位置在河南的西部(三门峡、洛阳附近)。

850 hPa风场预报(图10b1-b4)：20日02时，河南境内为一致东南风急流(16 m/s)；08时，河南省内东南急流维持，但急流辐合区位于山西境内，较实况偏西，沿陕、山、豫交界到郑州南部有辐合线，该系统维持至14时，有利于郑州以西地区降水维持，累计雨量大的预报可能性较大，但预报郑州附近特大暴雨的可能性不大。

图9 欧洲中心2021年7月17日08时(a-c)和20时(d-f)及18日08时(g-i)和20时(j-l)起报的850 hPa风场预报(a)(d)(g)(j)为19日08时预报，(b)(e)(h)(k)为19日20时预报， (c)(f)(i)(l)为20日08时预报

图10 欧洲中心2021年7月19日08时起报的700 hPa(a)、850 hPa(b)、925 hPa(c)风场预报(a1)(b1)(c1)为19日20时预报，(a2)(b2)(c2)为20日02时预报，(a3)(b3)(c3)为20日08时预报，(a4)(b4)(c4)为20日14时预报

925 hPa风场预报(图10c1-c4)：19日20时-20日08时，台风“烟花”外围东南气流伸向华东且加强为超低空急流到达河南西部，郑州、南阳一线有辐合线，08时达最强，之后辐合线消失转为偏东气流；到20日14时，超低空急流和辐合系统均消失。依据该形势场很难预报出郑州当日的极端强降水(连续3 h出现小时雨强100.0 mm以上)。

因此，EC数值预报对导致“21·7”极端暴雨的主要影响系统中尺度低涡和低空、超低空东南急流的预报可参考性较低，对极端暴雨预报的指导意义不大。

3 “21·7”极端暴雨灾害成因分析

3.1 累计降水量大且多站次出现短时强降水

“21·7”极端暴雨形成的重灾主要发生在20日12时之后，郑州、新乡、鹤壁等地陆续出现严重的城市内涝、电力和交通中断、中小河流决口、水库超汛限泄洪、农田房屋被淹及人员伤亡等灾害。

2021年7月18日20时-22日08时鹤壁、郑州、新乡三地市平均降水量分别为543.0 mm、531.5 mm、448.2 mm、位居全省前三位，也是致灾最重的地市。全省累计降水量前十位均位于鹤壁、郑州、新乡三地市，其中，鹤壁市淇滨区科创中心最大累计降水量为1023.4 mm，第二为郑州新密市白寨的984.8 mm。短时强降水：郑州第一，一是100.0 mm/h以上的雨强持续时间长达3 h，二是有18站次雨强大于100.0 mm/h，三是郑州站出现突破历史极值的雨强201.9 mm/h；其次为新乡和安阳，均出现连续2 h大于等于100.0 mm/h的雨强，站数分别为12站、7站；鹤壁有两个时次出现大于等于100.0 mm/h的雨强,共4站。多站(次)连续出现雨强超过100.0 mm/h的短时强降水，且落区集中是发生重大灾害的主要原因。

3.2 致灾的关键节点

以郑州为例，分析强降水导致城市积涝和水库超汛限水位的关键节点。

19日14时-21日02时郑州地区193个自动雨量站6 h平均降水量≥40 mm,最大雨强≥65 mm/h，最大降水中心降水量均≥126 mm，落区则随时间由西向东移动。最强时段为20日08-14时和14-20时，6 h平均降水量≥100 mm，最大雨强≥93 mm/h，最大降水中心分别位于巩义和郑州市区(降水量分别为230 mm、439 mm，表 2)。

统计20日08-14时和14-20时郑州市区(30个自动雨量站)6 h平均降水量分别为83 mm和267 mm，最大雨强分别为67.0 mm/h和201.9 mm/h(表略)，表明郑州市区20日下午平均降水量、雨强增幅更大。

表2 2021年7月18日20时-22日08时郑州地区6 h平均降水量、最大雨强和最大降水中心降水量及位置

3.2.1 郑州城市内涝

郑州市区可用自动雨量站30个，积水站点若干(1)郑州市城防办.郑州市城区内涝监测预警系统[EB/OL].[2021-08-27].http://222.143.52.111:19970.(图11a)。通常处理积水的方法是地面只要出现积水,抽水泵就开始工作。“21·7”暴雨导致市区严重积涝的时间是20日16时以后，在此之前，18日20时-20日14时郑州市区平均降雨量为314 mm，雨强≤70 mm/h，20日14时前1-12号积水站点的积水深度基本上小于18 cm，影响很小。但是20日16-18时郑州市连续3 h，共26个自动雨量站(占总站数86.7%)的雨强在80 mm/h以上，17个站的雨强≥100 mm/h(图11b，其中郑州市惠普站连续2 h雨强≥100 mm/h)，基本覆盖了1-12号积水站点，使郑州市区快速积水，19时市内多数地段积水已达齐腰深，金水河、熊耳河等主要河道溢满，一些积水站点抽水泵失去作用。

1、2、3号积水站点周边的郑州市自动雨量站有商鼎路、普惠、聚源路、47中、列子小学、瑞锦小学、北附小，9、10、11号积水站点周边的自动雨量站有白寨、马寨一中、侯寨、尖岗、郑州站、郑州市气象局，4、5号积水站点周边的自动雨量站有中原区、市政府。其中9号积水站点位于郑州市区西南方，11号积水站点位于郑州站附近，1号积水站点位于郑州市区东部。

图11 郑州市部分积水站点分布(a)和2021年7月20日15-18时郑州市区雨强≥100 mm/h的站点分布(b)

下面重点分析1、9、11号3个积水站点周边的平均雨强及附近最大雨强对积水深度的影响。

1号积水站点，位于郑州市区东部，16-17时、17-18时其周边平均雨强达94 mm/h、96 mm/h(最大雨强为125 mm/h)，积水深度增幅为80 cm/h。

9号积水站点，位于郑州市区西南部，14-15时、15-16时其周边平均雨强94 mm/h、143 mm/h(最大雨强158 mm/h)，15时、16时积水深度分别为133 cm/h和150 cm/h，最大积水深度增幅112 cm/h。

11号积水站点，位于郑州市区南部，16-17时其周边平均雨强169 mm/h(最大雨强201.9 mm/h)，17时积水深度157 cm/h，积水深度增幅113 cm/h。

18时之后，由于郑州市区积水增长速度快，抽水泵失去作用，致大部积水站点数据缺失。综上，郑州市区明显积水时段与90 mm/h以上平均雨强的出现时段密切相关。若积水站点附近出现小时雨强≥90 mm/h，则同时次积水站点积水深度增幅≥80 cm/h。因此，将雨强≥90 mm/h视为城市严重内涝致灾的关键节点。

3.2.2 水库水位变化

常庄、尖岗两水库位于郑州市区的西南方向，对郑州城市防汛具有非常重要的意义(2)河南省防汛抗旱指挥部办公室.河南省防汛抗旱指挥系统(综合信息平台)[EB/OL].[2021-08-27].http://10.41.24.3.。常庄水库汛限水位为127.49 m，历史最高水位为128.73 m；尖岗水库汛限水位为150.55 m，历史最高水位为150.43 m。表3为 2021年7月20日尖岗、常庄水库08时水位和13-23时逐小时水位及水位增幅。

据统计，郑州市区20日08-14时平均降雨量为83 mm、最大雨强为67 mm/h，14-20时平均降雨量为267 mm且有18站次小时雨强≥100 mm/h，即下午雨势明显加强，与之相对应，尖岗、常庄两座水库15-19时水位小时增幅为0.30～1.17 m。

尖岗水库水位变化： 20日14时前，水位的5 h(08-13时)增幅为0.27 m，水位以平均0.06 m/h速度升高，升幅较缓；15时后水位升幅加大，17-19时水位升幅增至1.13～1.17 m/h，19时水位达150.46 m，超历史最高水位(150.43 m)0.03 m，20时水位为151.36 m，超汛限水位(150.55 m)0.81 m。

表3 2021年7月20日尖岗、常庄水库08时水位和13-23时逐小时水位及水位增幅 m

常庄水库水位变化：20日13时已超汛限水位(127.49 m)，但14时前水位5 h(08-13时)增幅为0.73 m，水位以平均0.15 m/h的速度缓慢升高，14时后受强降水影响，水位升幅明显加大，18时最大,达0.71 m/h。因15时水位(128.76 m)已超历史最高水位(128.73 m)，为保障郑州城市安全，当天下午常庄水库开闸泄洪。

两座水库水位随雨强增大而快速增长，郑州市内86.7%以上站点雨强≥80 mm/h，且每小时水位增幅大于0.3 m，两座水库达汛限水位，出现险情的关键节点。

4 “21·7”极端降水决策气象服务思考

通过对“21·7”极端降水复盘，知其可预报性较差，因此在短期内很难预报过程雨量、中心强度、最大雨强等，在6 h内也难以准确预报，特别是突破历史极值的雨强，即使按照深圳气象“31631”服务模式，综合已有的各类气象信息，临近时段准确预警的可能性也很小。在此情况下，怎样做好气象服务，尤其是决策服务，有效提高防灾能力，减小灾害损失，是值得思考的问题。结合值班实践，有以下几点思考。

首先，重视加强天气实况分析。“21·7”是河南历史上罕见的极端暴雨，根据复盘，无论短期、短时或临近预报预警，都难以准确报出累计雨量值、极端雨强及大于100 mm/h雨强的持续时间等。那么对于极端天气过程，预报员应该怎样发挥作用，通过何种努力使预报预警更加接近实况并通过决策服务减轻灾害损失的目的？“21·7”给出了这样的启示：如20日下午郑州市区出现多站雨强达100 mm/h以上的强降水，且连续多时次，但是高空地面观测、数值预报均未显示任何有利于如此强降水的预报征兆。当郑州实况已经出现极端暴雨(多站次雨强≥100.0 mm/h)时，预报员应思考在现有条件下，已出现的>100.0 mm/h雨强的降水是否可持续，在影响系统没有大的变化及回波、云团没有明显减弱时，果断作出与实况同量级降水的外推预报，即在临近预警时段延续实况降水量级。20日郑州多时次、多站次100.0 mm/h以上短时强降水的出现，提醒预报员：(1)分析实时加密观测资料，加强服务频次，以弥补不可提前预报的短板；(2)当出现所掌握的预报依据与实况相差偏大时，根据最新实况和预报经验，在短临预警服务中加大降水量级预报。基于这一认识，对21日安阳市特大暴雨的预报预警提前了6 h，为决策层制定抗洪抢险措施、安全转移人员，赢得宝贵时间，将灾害损失降到了最低。因此在短期短时不可预见情况下，加强分析卫星、雷达、地面加密观测等实时信息的同时，特别关注降水实况分析，有助于提高对未来降水量级的认识与判断，在临近预警中提高预报准确率。

其次，把握好致灾关键节点。在“21·7”极端降水中，20日15时郑州市区尖岗站最早出现100.0 mm/h以上雨强(158.0 mm/h)，距离郑州市区大范围积水成灾提前约3 h，距郑州地铁5号线进水逼停列车约3 h，距京广路北段隧道、陇海路隧道中断通行1.5～2.5 h，距尖岗水库超汛限水位5 h;16、17时郑州市区7站雨强≥100.0 mm/h，郑州站雨强达201.9 mm/h，突破历史极值。这种多站点雨强大且持续及超历史极值的情况，预报员从未经历过，预报预警难度极大，预警时效短，致灾的严重程度也难以预估，导致在决策气象服务中很难及早采取有效防御措施。即使预报员加大雨强量级预报、发布暴雨红色预警，依然面临决策服务时效有限及很难对灾情严重性做出预估的问题。因此在气象预报服务实践中，不断积累经验，了解并准确把握致灾关键节点，尽可能加大预警提前量，是决策气象服务获取实效的关键。

另外，递进式决策服务可弥补短期预报不够精准的短板。跟进式天气实况信息滚动发布、适时速报业务，也对弥补极端降水预报能力不足有重要意义。