“21.7”河南极端暴雨背景下暴雨形成机理及预报方法研究

2025-03-10陈斌昌

科技创新与应用 2025年6期

摘" 要：该文利用多源气象资料，对2021年“21.7”河南极端暴雨过程进行诊断分析。结果表明，中、低纬度区域内的多尺度系统诸如副热带高压、大陆高压系统以及热带气旋（台风）、低涡、低空急流的异常分布并叠加特殊地形作用，是此次极端暴雨的有利环境背景场；水汽通量散度等物理参数对预测暴雨具有显著指示价值；高值水汽通量散度区与辐合中心叠加区域和实际暴雨落区位置之间存在紧密关联，其演变模式能够为暴雨发展过程及落区预报提供重要的参考依据；上下层大气配置形成的抽吸效应对于促进水汽、热量及动量的输送至关重要，同样制约着暴雨系统的发展；假相当位温的垂直分布可用于评估大气不稳定性，低层能量锋区的出现预示着有利于暴雨条件的形成；对流层深厚的湿层、暖云层和不稳定层，以及异常低的LCL，是此次暴雨过程中出现极端雨强的主要因素。

关键词：极端暴雨；低空急流；物理量；暖云层；LCL

中图分类号：P426" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

暴雨天气对飞行的影响一直是航空气象关注的重点，在暴雨中对飞行有重要影响，例如暴雨降低了飞机起飞与着陆时的能见度，在降水区尤其是极端暴雨天气区中飞行能见度极差，还可能产生积冰、颠簸、风切变等威胁飞行安全的天气现象[1]。因此，加大对暴雨形成机理机制及暴雨预报技术的研究，提高暴雨预报的准确率对保障飞行安全有重要意义。目前，得益于各种常规和非常规精确的观测数据、高分辨率数值模型的进步及多种前沿科研成果的引入，暴雨预报技术步入崭新的发展阶段。但由于我国地域辽阔，受季风和多种气候带天气系统的影响，地形地貌多样，暴雨形成机理复杂，数值预报结果往往会存在一定程度的系统性偏差[2]。基于此，本文以“21.7”河南极端暴雨过程为背景，利用EC细网格模式资料、区域自动站资料、micaps探空资料与多物理量综合剖面显示工具等技术手段，从本次极端暴雨的多尺度天气系统的相互作用及机理、地形等复杂下垫面对暴雨影响机制、暴雨极端性成因、物理量参数异常诊断等方面进行探索研究，从而全面分析此次暴雨发生发展机理及机制。旨在加强对典型地区、典型影响系统的暴雨特别是极端性暴雨和局地突发性暴雨个例的分析研究，有助于气象预报科研及业务人员加深对暴雨形成物理机制的认识，提高多源资料综合应用能力，提高短临预报能力，从而可以充分发挥预报员认识当地暴雨机理和积累预报经验的作用。

1" 过程概述

从2021年7月17日开始，河南省境内从太行山以南至南阳盆地区域出现大范围极端强降水天气（图略）。17日8时至21日8时，河南省区域平均降雨量达144.7 mm，包括郑州在内多地市区域1小时降雨量超过100 mm，特别是在20日，郑州气象观测站记录到了此次过程最大小时降雨量（16—17时）高达201.9 mm，部分地区累计降雨量超过当地年平均降雨量（郑州市全年平均降雨量为641 mm），本次极端降水过程最大小时雨强超过河南“75·8特大暴雨”（189.5 mm/h）[3]并造成严重灾情。

2" 环流背景与天气形势分析

20日500 hPa高空图上，此次暴雨期间，环流形势呈现出典型的“东高西低”特征，是华北地区常见暴雨环流形势[4]；环流配置上，副热带高压和大陆高压的强度均较常年偏强，并且位置偏北，副高脊线稳定在40～45 °N之间，其南侧为偏东南气流，河南区域位于其西南侧外围（图1（a））；台风“烟花”和副热带高压间存在强气压梯度力，从而形成东南风低空急流；与此同时，台风“查帕卡”东侧来自印度洋的西南风暖湿气流协同南海及东海的水汽向北输送，遇到副热带高压阻挡，借助东南风低空急流转向西北河南区域方向输送，形成了一条东南风水汽急流输送带，向暴雨区输送水汽。

850～700 hPa存在强的低涡切变系统，低涡系统中心自河南东南部缓慢西移，20日08时移至郑州以西，在豫北地区形成一条暖式切变并长时间维持（图1（b））；在200 hPa对流层高层，豫陕交界附近有一条两高间的、稳定的高空深槽，郑州附近处于其东侧脊区脊线附近，其高空处于强辐散区内（图1（c））。在低层及近地面为较强的偏东-东南气流，受到太行山脉、嵩山山区的地形作用（图1（d）），大量水汽和不稳定能量在山脉迎风坡被迫抬升，激发并增强了山前区域的对流性降水，这种地形效应导致豫北郑州周边的降水量显著增加。

上述分析表明，中、低纬度区域内多尺度天气系统（副高、大陆高压系统、台风、低涡和低空急流）的异常分布，促成了此次极端暴雨事件。台风外围的东南气流为降水提供了充足的水汽来源；中低层的低涡和切变线与低层东南气流在山脉前的辐合抬升作用，以及高层大气的辐散效应，共同创造了有利于暴雨形成的动力条件。暴雨的主要落区集中在低涡前部、暖切变线附近偏北侧的暖区，以及高层强辐散气流下方。

3" 物理量诊断分析

3.1" 水汽条件分析

选取豫北郑州及洛阳（孟津）站的风温湿时间垂直剖面图（图2）可以看到，由于稳定维持的副高阻挡了台风北上，使得水汽供给通道稳定维持，在暴雨开始前豫北郑州—洛阳（孟津）一线已形成大范围深厚湿层环境且低层水汽丰富。此次暴雨过程主要时段（19日20时—20日20时）水汽输送及辐合中心从925 hPa一直延伸至700 hPa，水汽通道上风速为12～16 m·s-1，风向为偏东及东南风（图2（a）、图2（b））。

此次暴雨事件中，850、700 hPa风场和水汽通量散度场的分布清晰地展示了在双台风环流的共同影响下，“烟花”台风北侧与“查帕卡”台风东侧的气旋性暖湿气流合并，形成了低空急流，携带大量水汽向西北方向移动，从洋面一直延伸到内陆地区。这一过程有效地建立了水汽输送通道，并在河南郑州及其周边区域造成了显著的水汽辐合现象。这种强烈的水汽聚集为该地区的暴雨事件提供了充足的水汽来源（图2（c）、图2（d））。20日08时850 hPa，暴雨中心郑州已处于水汽通量散度高值区中心附近，中心值已加强至-200×10-6 g/cm2·hPa·s。上述分析表明，大范围且深厚的高湿环境是造成此次河南极端暴雨过程的有利条件，此次暴雨过程中水汽通量散度高值区（水汽辐合中心）与暴雨落区（郑州113.65 °E附近）有着较好的对应关系。

3.2" 动力条件分析

对2021年7月19日08时至7月22日08时河南暴雨区域中郑州站和洛阳孟津站分别做散度垂直时间剖面（图3），对比可以发现在暴雨发生前和持续期间两地均形成了高层辐散、低层辐合的有利形势场。郑州19日20时—20日20时为强降水时段，20日600～925 hPa高度层为强辐合区，辐合中心位于约700 hPa处，其强度达到了-120×10-5 s-1；而在150～350 hPa区域内，则存在强烈的辐散区，其中心位于250 hPa，强度为180×10-5 s-1，这种垂直方向上的辐合与辐散配置，显著增强了大气的抽吸效应，促进了空气垂直运动和天气系统的活跃发展，是造成此次暴雨过程的有利动力条件。随着700 hPa以下辐合减弱及辐散的加强，21日20时后降水随之减弱（图3（a））。洛阳机场区域（孟津）强降水时段为19日夜间至20日，20日20时后高层辐散明显减弱，降水随之减弱，相比于郑州，洛阳机场区域（孟津）辐合及辐散层发展高度明显相较郑州偏低，中心强度相较郑州偏弱（图3（b）），因此对应其实况暴雨过程降水强度较郑州偏弱。

3.3" 不稳定能量分析

假相当位温θse是表征大气中温、湿的综合特征量。当假相当位温θse随高度降低时，大气层结为对流不稳定，有利于对流天气的发生和发展。

从7月20日θse沿郑州（34.72°N）的纬向垂直剖面（图4）可以看到，19日08时开始郑州区域θse随高度降低，为对流层结不稳定，并且在20日暴雨发生前，在700 hPa以下出现了向上伸展的θse高舌区，中心强度偏强，θse极值大于350 K。同时可以看出，且在暴雨区郑州（113 °E～115 °E）附近上空700 hPa以下为θse等值线密集带即能量锋区，而此能量锋区正是此次暴雨发生的集中区域。可以看到，在暴雨区（113 °E～115 °E）低层一直保持着高温高湿的状态（θse高能舌），这为保证暴雨的持续性创造了有利条件，且θse随高度先减小后增大，表明本次暴雨区域的对流层中低层为对流不稳定层结。

4" 大气层结条件特征

选用郑州探空站的探空数据进一步分析造成此次暴雨过程中小时雨强显著极端性的因素，可以看到，7月20日08时、14时郑州测站的露点曲线与层结曲线近乎重叠（图5（a）、图5（b）），湿层从1 000 hPa一直延伸至400 hPa，湿层极为深厚，对流层整层水汽异常充沛。深厚的湿层能够减少雨滴的蒸发率，而低层大气中的高湿环境则有助于增加暖云层的厚度[5]。在此次暴雨发生前及暴雨期间整层比湿积分（IQ）大于6 500 g/kg，K指数达到40 ℃（表1），在增温增湿的环境下，对流不稳定的能量值显著升高，为极端暴雨的形成和发展提供了充足的水汽和能量支持。通过分析测站层结曲线可以看到，郑州测站在暴雨期间的0 ℃层高度（ZH）一直维持在5 km以上（表1），说明其测站上空存在深厚的暖云层。有研究表明，降水系统中的暖云层越厚，越有利于提高降水效率[6]。并且郑州测站抬升凝结高度（LCL）异常偏低，从20日08时开始LCL均低于950 hPa，导致此次暴雨过程对大气中的抬升条件要求较低。以上均为此次暴雨过程中出现极端雨强以及极其高的降水效率的重要因素。

在此次暴雨过程中，郑州测站20日08及14时对流有效位能（CAPE）偏弱，均小于1 000 J/kg，但在CAPE垂直分布形态上显得相对“瘦高”，对流抑制能量（CIN）接近于0 J/kg，说明测站上空不稳定层较为深厚，这为暴雨过程提供了有利的不稳定条件。21日14时，虽然CAPE值上升至2 800 J/kg以上，偏强，但实况雨强已远不及20日，湿层厚度也较前期有明显减小，沙氏指数SI也由负值转变为正值。相关研究表明，强CAPE条件下，湿空气块会加速穿越暖云层，从而缩短暖云过程形成降水的持续时间，反而造成降水效率的下降，而在CAPE不太大的情况下，如果云底比湿q很大，降水效率很高，反而会产生较大的雨强[7]。总之，雨强大小是取决于降水效率、云底上升气流速度及比湿大小的综合效应。因此，相比于CAPE值的大小，CAPE的垂直分布状况、对流层湿层及LCL和0 ℃层高度的分布状况在暴雨的极端性因素分析中更具参考价值。

5" 结论

本文利用多源资料，对“21.7”河南极端暴雨过程进行天气诊断分析，得到以下结论。

1）中、低纬度区域多尺度系统如副热带高压、大陆高压以及热带气旋（台风）、低涡、低空急流的异常分布并叠加特殊地形的共同作用，是此次极端暴雨过程的有利环境背景形势。

2）水汽通量散度等物理参数对暴雨预测具有显著指示价值，在700、850 hPa上，水汽通量散度高值区与辐合中心的重叠区域与暴雨落区呈现出显著的相关性。这种相关性为预测暴雨的发生、发展以及具体落区和时段提供了重要的依据和支持。

3）高层大气的辐散配合低层辐合形成的有效的抽吸效应，增强了垂直运动，这对水汽、热量和动量的输送及天气系统的演变起到了关键作用，促进了暴雨事件的发生与发展；假相当位温的垂直分布能够有效指出大气的不稳定性，低层能量锋区（高能区）的出现有助于增强大气不稳定度，是暴雨事件发生的有利因素。

4）对流层整层的湿层、深厚的暖云层和不稳定层以及异常低的LCL是造成此次暴雨过程中出现极端雨强的主要因素。

参考文献：

[1] 许杰.降水对飞行安全的影响[J].科技传播，2014，6（1）：144，131.

[2] 李泽椿，谌芸，张夕迪，等.中央气象台暴雨预报业务的发展及思考[J].暴雨灾害，2019，38（5）：407-415.

[3] 丁一汇.论河南“75.8”特大暴雨的研究：回顾与评述[J].气象学报，2015，73（3）：411-424.

[4] 孙军，谌芸，杨舒楠，等.北京721特大暴雨极端性分析及思考（二）极端性降水成因初探及思考[J].气象，2012，38（10）：1267-1277.

[5] 马月枝，张霞，胡燕平.2016年7月9日新乡暖区特大暴雨成因分析[J].暴雨灾害，2017，36（6）：557-565.