2021年河南省一次罕见暴雨过程的降水特征及成因

基于河南省119个国家自动站逐小时降水观测资料、欧洲中期天气预报中心逐小时大气再分析资料（ERA-5）、美国国家环境预报中心（NCEP）再分析资料及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的海温资料对2021年7月17～22日河南省发生的一次历史罕见的极端强降水事件（简称“21·7”暴雨）的降水特征、大气环流和物理量场进行了较为详细的分析，并对比了河南历史上三次暴雨过程。结果表明：（1）“21·7”暴雨过程在1 h最大降水量、3 h最大降水量、6 h最大降水量、1 d最大降水量、3 d最大降水量和过程累计降水量方面均表现出显著极端性。（2）高层南亚高压与东海附近低涡稳定共存，中层副高稳定偏北偏强，与大陆高压形成对峙，使得天气形势稳定，为河南地区极端强降水的发生提供了背景条件。低层西太平洋副热带高压南侧东风气流与台风“烟花”北侧的东风气流相叠加，使得西太平洋到河南地区形成深厚的水汽通道，继而为河南地区极端强降水提供了充沛的水汽。（3）在“21·7”暴雨期间，河南地区水汽通量散度值为负且大部分地区的整层可降水量可达100 mm，整层水汽十分充沛。涡度和垂直速度场的大值区主要出现在太行山东麓临近...     

近海台风对“21·7”河南极端暴雨过程水汽通量和动、热力条件影响的模拟

本文利用WRF模式对近海台风“烟花”及“查帕卡”影响2021年7月19日至21日河南极端暴雨的过程进行数值模拟。控制试验（CTL）对台风路径、强度、大尺度环流形势,以及河南暴雨的强度和空间分布型等均给出合理的模拟,基本再现了本次河南极端暴雨的发展过程。敏感性试验表明,在移除台风“烟花”后,副热带高压系统显著南压并在南侧形成东南风急流,河南地区的南风分量减弱、东风增强,东西方向的水汽输送占主导,有利于降水分布型由CTL试验的南—北向转变为东—西向;另一方面,由于低层东南风急流相较于移除“烟花”前的东风急流偏弱,河南降雨区的局地辐合减弱,水汽通量净流入值较CTL试验降低5.81%,且中纬度冷气团西移减慢,引起局地相当位温梯度减弱,最终导致移除台风“烟花”试验的降雨强度偏弱。移除台风“查帕卡”后,大尺度环流形势几乎未受影响,河南南侧的水汽输送略有减弱,因此强降水分布基本与CTL试验类似,降雨强度略有减小。与台风“烟花”相比,“查帕卡”对河南暴雨的影响较弱。     

郑州“7·20”极端暴雨的水汽输送特征

在亚洲中高纬度“两槽一脊”的稳定环流形势下,西北太平洋副热带高压和台风“烟花”“查帕卡”等共同作用,引导水汽在郑州地区辐合,导致2021年7月19—21日郑州地区出现降水极值超过800 mm的罕见极端暴雨(以下简称为“郑州“7·20”极端暴雨”),造成重大人员伤亡和财产损失。针对此次郑州“7·20”极端暴雨过程,采用HYSPLIT模式追踪其水汽来源和输送特征。结果表明:郑州“7·20”极端暴雨的水汽主要来自北太平洋西部和南海北部,北太平洋西部的水汽受西北太平洋副热带高压和台风“烟花”的共同影响,南海北部的水汽受台风“查帕卡”和“烟花”的共同影响。水汽主要在850 hPa以下高度输送,而来自南海北部的水汽在向北输送的过程中逐渐抬升,临近郑州地区时接近700 hPa。基于HYSPLIT后向追踪的水汽轨迹进行定量计算,得到来自北太平洋西部和南海北部的水汽贡献分别约占73%和27%。     

台风"麦莎"移动路径和影响山东的降雨分析

利用常规气象资料,对台风“麦莎”的移动路径以及影响山东的降雨进行了分析。结果表明:制约台风移动的大尺度环流系统主要是西太平洋副热带高压;台风造成的暴雨区域主要在台风中心北部和东北部,水汽通量辐合区、涡度场、散度场以及θse场都与暴雨区有较好的对应关系。     

“75·8”持续性强降水事件及其大尺度水汽输送特征

首先研究了河南"75·8"强降水事件的极端异常特征,然后从水汽通量的角度定性分析这次事件的水汽输送特征,最后采用了Hysplit模型定量分析了不同源地的水汽来源对河南"75·8"强降水的贡献率。研究表明,1975年8月5-8日在河南省发生的是一次大范围持续性极端降水过程,事件发生期间区域平均降水程度超过其气候平均值3倍标准差。强降水事件是在中高纬度环流异常和台风共同作用下发生的,贝加尔湖以东阻塞高压和副热带高压合并阻挡了7503号台风北上。定量计算结果进一步表明,河南"75·8"强降水的水汽来源与7503号台风具有十分密切的联系。     

台风温比亚(1818)降水及环境场极端性分析

利用多种观测及分析资料对台风温比亚（1818）暴雨过程的降水演变、极端降水特点及环境场物理量特征等进行分析。此次台风暴雨日降水量极端性显著,降水主要分为登陆前后、深入内陆并转向以及冷空气作用和变性3个阶段,其中第2阶段为最强降水时段。受其影响,河南、山东等地多个站点的日降水量突破历史极值。温比亚（1818）最大小时降水量达127.7 mm,其中74个站点小时降水量超过80 mm,短时强降水维持时间长达14 h,高降水效率及长持续时间造成极端降水。对流层中、低层存在标准化异常小于-4倍标准差的异常低压环流,造成极端低层辐合,叠加高空急流和高压边缘的极端高空辐散,动力条件极端性显著,200 hPa辐散和850 hPa辐合均接近或远超1988—2017年日降水量排名前30（HT30）降水日的最大值。受台风东侧水汽输送影响,降水区假相当位温、整层大气可降水量和水汽通量散度无论与气候态相比,还是与HT30降水日相比,均具有显著极端性,且极端水汽维持时间长达30 h。     

河北“23.7”极端暴雨过程特征及成因初探

2023年7月29日—8月1日,河北省发生了致灾严重的极端暴雨事件,气象观测站3 d(72 h)最大累计降水量为1 003.4 mm(邢台临城梁家庄),河北、北京多站突破了历史纪录。利用高空、地面、卫星云图和多普勒天气雷达等观测资料以及ERA5再分析资料,对此次极端暴雨的极端性和成因进行了初步分析。结果表明,此次极端暴雨过程是在对流层高、中、低层以及中、低纬度多尺度大气系统共同作用,并叠加地形影响下产生的。1)中纬度大陆高压东移并与北上西进的副热带高压连通,在河北北部形成稳定的西北—东南向高压坝,台风“杜苏芮”登陆后北上西行到河南境内时,受阻于高压坝,速度减慢,导致台风残涡降水长时间维持。2)台风“杜苏芮”北上自身携带的水汽以及副高南侧的台风“卡奴”远距离输送的水汽,为河北极端暴雨的发生提供了充足的水汽;台风北上减弱过程中结构不变,边界层东北风急流和东南风急流辐合,加上太行山地形的辐合抬升作用,共同为极端降水提供了强盛的动力条件。3)太行山中段的强降水时段集中在29日夜间至30日夜间,主要是减弱台风残涡的螺旋雨带、东到东北风急流在迎风坡抬升以及喇叭口地形、“狭管效应”增强辐合共同作用所致,250 mm以上的强降水出现在太行山东麓300～800 m的迎风坡上,以稳定性、低质心的暖云降水为主。4)与太行山中段的极端降水相比,太行山北段的降水时间更长,主要降水时段集中在29日夜间至31日夜间,250 mm以上的强降水范围更大,既包括北段山脉东麓300～600 m的迎风坡一侧,也包括相邻的东部平原,但迎风坡上的降水强度小于太行山中段迎风坡,而平原地区的降水强度则高于太行山中段迎风坡。强降水主要受与山脉平行的东北急流和东南急流辐合以及地形作用所致,山脉东侧浅山区和平原降水对流性更强。5)此次极端降水的水汽、动力、热力等物理量场都表现出了较强的极端性,偏强2～6倍样本标准差。     

2017年“海棠”台风影响辽宁不同区域极端暴雨成因分析

利用常规观测、NCEP FNL、葵花8号卫星、GNSS反演大气可降水量、智能网格实况产品等资料,分析2017年“海棠”台风造成辽宁西部朝阳地区和东南部岫岩县的极端暴雨成因。结果表明：辽宁西部和东南半岛均出现区域性的极端特大暴雨,岫岩县小时雨强更大,最大雨强达到113 mm·h^-1,对流性降水特征明显。两个区域暴雨过程均受到热带、副热带、西风带系统共同作用,狭长型“海棠”台风沿着副热带高压西侧逐渐北上,并且与西风带短波槽相互作用,导致辽宁西部出现强降水,随后加强的涡旋系统后侧干冷空气与低空暖湿水汽输送带相互作用,导致岫岩县出现极端暴雨过程。热带台风“奥鹿”对副热带高压南落东退起到阻挡作用。两个区域均具有来自于南海的水汽通道,另外东南半岛也受到了“奥鹿”台风北侧水汽输送的影响。朝阳市和岫岩县大气可降水量值长时间接近65 mm和70 mm,异常指数最高达到3.0和2.5,表明此次暴雨水汽条件的极端性。辽宁西部降水期间动力不稳定更强,辐合层由地面伸展到500 hPa,而东南半岛降水期间上干下湿的水汽分布以及更强的冷暖空气交汇,有利于产生对流性降水。两个区域均受到多个中尺度云团的共同影响,朝阳地区初期降水由中γ尺度辐合线触发,后期台风在北上过程中与高空槽后部的干冷空气相互作用,形成的暖锋云系以及冷锋云系导致朝阳地区出现持续性强降水;加强的涡旋后部干空气侵入到暖湿水汽输送带中,配合岫岩县山区地面辐合线稳定不动,不断有积云触发并且直接影响岫岩县,导致岫岩县产生极端对流性暴雨。     

“21·7”河南特大暴雨水汽和急流特征诊断分析

2021年7月中下旬在河南省发生了一场极端强降水过程,暴雨持续时间长,累计降水量大,落区集中,造成了严重的人员伤亡。基于自动站雨量数据和ERA5再分析数据探讨了多尺度系统、急流和地形对水汽的输送和辐合及降水形成的重要作用和影响机制。结果发现:暴雨发生在远距离台风影响的有利环流背景之下,大量来自西太平洋的水汽从边界层和对流层低层进入河南东侧,来自南海的水汽从南侧对流层中低层进入降水区,在低涡、切变线和辐合线的共同作用下,引发强降水。低空急流与边界层急流的耦合形成低层水汽辐合上升中心,地形起到了动力阻挡抬升和热力抬升作用,并与急流综合作用,使强降水呈带状出现在山前,且20日位于豫中,21日在豫北。     

2018年7月四川盆地降水异常特征及成因分析

利用1961—2018年四川站点降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,应用统计和天气学诊断方法,分析了2018年7月四川盆地降水异常特征、大气环流特征、异常降水期间水汽、低值系统与冷暖空气活动等对降水的影响。结果表明：2018年7月四川暴雨频繁出现,较气候均值降水异常偏多,表现在降水日数长、降水量增加显著,降水增加的区域主要在盆地西部。同时,降水异常偏多还表现在日最大降水量和连续降水日数显著增加,大雨量级降水、暴雨及以上量级降水的降水量和降水日数显著增加。大气环流与气候态相比,2018年7月更强、更暖、更偏东的南亚高压和更偏西、偏北的副热带高压,有利于青藏高原及其以东高层大气辐散,使得降水天气系统维持,水汽源源不断地输送到盆地,使得降水发生。2018年7月较气候态有更充沛的水汽聚集,异常水汽输送源地为南海和西太平洋,水汽沿副热带高压南侧输送,该水汽输送带与副热带高压异常偏北、偏西以及热带气旋活动密切相关。大气可降水量和水汽通量大值出现时段与降水过程有较好的对应。2018年7月降水期间,盆地低值系统活动频繁,低层为暖湿气流输送,中层为(弱)冷空气活动,有利于触发盆地降水。     

郑州“7·20”极端暴雨过程中水汽和高低空急流作用机制的数值模拟

针对郑州“7·20”特大暴雨过程,使用CMA-MESO区域模式对此次极端强降水过程中水汽与高低空急流的影响进行了数值试验分析。结果表明,此次暴雨过程较为成功地被中尺度模式模拟再现;暴雨过程中水汽来源主要为台风“烟花”北侧的东南急流携带的来自西太平洋与印度洋的水汽以及台风“查帕卡”北侧东南气流携带的来自南海的水汽;降水及水汽输送对水汽含量十分敏感,水汽含量微小的变化便会使郑州上空气流辐合区强度减弱,水汽累积减少,降水范围向河南北部缩小,降水强度大幅度减弱;低空急流对应的气流辐合区是郑州上空出现强垂直上升运动中心的主要机制,低空急流减弱后,水汽辐合减弱,降水减少,降水中心位置偏西南,高空急流对降水的影响与低空急流相比较小。     

2021年河南“7.20”极端暴雨动、热力和水汽特征观测分析

利用MICAPS观测降水数据、欧洲气象中心ERA5再分析资料和FY-4A卫星云顶亮温数据,对2021年7月20日河南极端暴雨进行综合分析。结果表明,此次暴雨受200 hPa两槽一脊、大陆高压、副热带高压（副高）西伸北抬和台风“烟花”西移、“查帕卡”台风倒槽等多尺度天气系统共同影响,黄淮气旋的西南气流与副高和“烟花”之间的东南气流稳定控制河南地区,边界层急流供应充沛水汽,在太行山和嵩山迎风坡辐合抬升,致使河南暴雨长时间维持,产生极端降水量。西南气流穿过从广东和广西延伸到河南的高湿带,副高和“烟花”引导东南气流经过从东海洋面延伸到河南的相对较弱湿区,这两条水汽输送带在太行山和嵩山地形阻挡下汇合在河南北部,为暴雨供应水汽。丰富的可降水量、水汽过饱和、深厚暖云层以及降水系统较强的水汽消耗率为郑州高降水效率提供有利条件。郑州低层大气经历多次从强层结不稳定到弱层结不稳定的转化,边界层急流引起的垂直风切变和气流辐合对层结稳定度变化有重要影响。黄淮气旋内部中尺度涡旋对河南暴雨发生发展至关重要,不但提供西南气流,还产生较强的位势高度纬向平流,增强边界层急流。嵩山与太行山余脉构成喇叭口地形,边界层急流在嵩山北侧和东侧爬坡,促使山前水汽堆积,激发和加强暴雨。中尺度云团合并小尺度云团,发展成结构密实的孤立云团,稳定少动,对暴雨有重要影响。降水区上空广义湿位涡异常,由于广义湿位涡能够刻画中尺度系统的垂直风切变、涡度以及大气湿斜压性和层结不稳定等动力和热力因素垂直结构特点,所以对中尺度系统和降水落区有一定指示意义。     

“21·7”河南暴雨水汽源地追踪和定量贡献分析

2021年7月19～22日,河南省部分地区出现极端暴雨（简称“21·7”河南暴雨）,造成严重城市内涝和人员伤亡。本文借助降水观测资料和再分析数据,分析了此次暴雨过程的大尺度环流形势,并利用拉格朗日轨迹追踪模式FLEXPART及水汽源区定量贡献分析方法,考察了暴雨过程的水汽源地、输送路径和源区水汽定量贡献。结果表明:此次暴雨期间以及暴雨发生前数天,东亚地区500 hPa环流形势极为稳定,西太平洋副热带高压（简称副高）异常偏北,与北侧高压脊连通、位置少动,欧亚大陆高空槽偏西,东亚中高纬环流显著平直,暴雨过程期间,热带气旋“烟花”和“查帕卡”与副高等持续协同影响,建立明显水汽输送通道,提供充足水汽,河南暴雨区维持显著近地面湿区和高可降水量;向前追踪数天发现,暴雨区目标气块主要来自西北太平洋和中国南海等地,且所处大气高度较低,此外,还有少量气块来自日本海附近和欧亚大陆中部（所处高度相对较高）;定量贡献分析显示,水汽主要来自河南南侧中国中东部大陆（D）和西北太平洋（F）,前者水汽贡献率（52.59%）达后者（25.51%）2倍以上,此外,河南暴雨区（T,3.68%）、中南半岛—中国南海（E,3.32%）和暴雨区北侧亚洲大陆（B,2.28%）也有一定贡献;目标气块在D区域水汽摄取量最大,略高于F区域,但前者沿途损耗率明显低于后者,造成D区域水汽贡献显著高于后者;B区域水汽摄取量略高于E区域,但其沿途损耗和未释放部分占比之和高于后者,导致后者水汽贡献相比略高;此外,T区域也有不可忽视的降水再循环率;延长向前追踪天数后,目标气块轨迹和各源区水汽摄取与贡献率相对变化不大,但所有源区水汽总贡献明显提升,可见,对于类似此次河南极端特大暴雨的强降水过程的水汽来源追踪而言,适当延长追踪天数十分必要。     

基于遥感数据光流场的2021年郑州“7·20”特大暴雨动力条件和水凝物输送特征分析

本文针对2021年7月20日河南省郑州市发生的“7·20”特大暴雨天气过程,主要基于FY-4A静止气象卫星成像仪和地基天气雷达遥感数据,利用光流法分别计算遥感数据图像的光流场（Optical Flow Field）。经与FNL数据水平风和地面风速观测对比表明,气象卫星和雷达光流场可以近似反映大气和云系的高空和低空的运动特征。在此基础上,分析了与暴雨天气过程有关的动力条件和水凝物输送特征。结果显示,在20日午后,存在从华南经河南延伸至华北“西南—东北”走向的水汽和云水输送带,其中对流活动非常明显,并一直延伸至河南中北部的既有云系中,为河南郑州地区特大暴雨的形成提供了有利的水汽和云水输送条件。20日午后至16时（北京时）最强降水发生前,郑州地区低空由辐散转为强烈的气旋状辐合,并且高空的反气旋涡度增强,表明郑州地区整个降水系统上升运动增强。在最强降水发生前,从郑州地区南侧输入的水凝物急剧增加。这些结果表明,郑州地区不仅存在大量水汽输入,同时还有大量水凝物随强对流云输送进入到大范围降水系统的上升运动区,可能极大地加速了水汽转化为云水进而形成降水的微物理过程转化速率,这可能是此次郑州特大暴雨快速增强的主要成因。本文提出的基于遥感数据光流场的分析方法在暴雨短临预报和预警中有显著的应用潜力。     

Synergistic Effect of the Planetary-scale Disturbance,Typhoon and Meso-β-scale Convective Vortex on the Extremely Intense Rainstorm on 20 July 2021 in Zhengzhou

On 20 July 2021, northern Henan Province in China experienced catastrophic flooding as a result of an extremely intense rainstorm, with a record-breaking hourly rainfall of 201.9 mm during 0800–0900 UTC and daily accumulated rainfall in Zhengzhou City exceeding 600 mm(“Zhengzhou 7.20 rainstorm” for short). The multi-scale dynamical and thermodynamical mechanisms for this rainstorm are investigated based on station-observed and ERA-5 reanalysis datasets.The backward trajectory tracking shows that...     

Analysis on Precipitation Efficiency of the “21.7” Henan Extremely Heavy Rainfall Event

A record-breaking heavy rainfall event that occurred in Zhengzhou, Henan province during 19–21 July 2021 is simulated using the Weather Research and Forecasting Model, and the large-scale precipitation efficiency(LSPE) and cloud-microphysical precipitation efficiency(CMPE) of the rainfall are analyzed based on the model results. Then, the key physical factors that influenced LSPE and CMPE, and the possible mechanisms for the extreme rainfall over Zhengzhou are explored. Results show that water v...     

“21.7”郑州极端暴雨的形成过程及致灾机理分析

2021年7月19—21日,郑州地区出现了罕见的极端暴雨天气,过程累计降水量达到了732 mm,引发了严重的城市内涝,造成了巨大的人员和财产损失。利用国家级自动观测站逐小时降水数据和欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析资料(ERA-5)分析了郑州地区"21.7"极端降水过程的降水特征以及其影响系统。结果表明:此次降水过程降水量大,持续时间长,强降水范围集中在郑州及周边地区,强降水时段集中在20日14时以后,其中郑州站20日17时小时降水量达到了201.9 mm·h^-1,超过了历史极值。降水过程中南亚高压东移,郑州位于200 hPa高空槽前,500 hPa副高加强西伸,与大陆高压对峙,郑州位于低压区形成低空辐合高空辐散的高低空配置。郑州低空850 hPa有东南急流发展,产生东风切变线同时伴随着地面辐合线影响郑州地区,东南急流也将西太平洋上的水汽输送至暴雨区,并在地形阻挡作用下在郑州地区汇集。低空急流与强降水在时间上有明显同步,急流在地形作用下产生的辐合抬升也在暴雨区形成强烈的垂直上升运动,对此次极端暴雨的产生和维持有明显的影响。     

“21·7”河南暴雨环境场及云的宏微观特征

利用FY-4A静止气象卫星、FY-3D极轨气象卫星资料和ERA5再分析资料,深入分析“21·7”河南暴雨环境场及云宏微观特征,首次利用FY-4A观测研究此次事件对流云微物理特征。结果表明:“21·7”河南暴雨是一次极端强降水事件,河南省位于大陆高压和副热带高压之间的鞍型场内,有利于其上空低涡云系的发展和维持。2021年7月20日两股水汽输送交汇于河南中北部,为郑州极端降水提供了有利条件。20日14:00—16:00（北京时,下同）郑州长时间位于对流云团冷云区边界亮温梯度大值区,该时段对流发展旺盛;12:00—14:00云光学厚度跃增,且在15:00仍维持较大值,表明该时段云中液态粒子大量合并,液态水含量丰富,光学厚度峰值出现时间先于降水量峰值出现时间,FY-4A云光学厚度跃增且维持较大值对强降水出现时间及量级有重要的预警意义。对流云粒子有效半径（r_e）随温度（T）的增长曲线（T-r_e关系）表明:20日16:00河南上空的雨胚形成区最为深厚,云中不同高度的r_e整体维持在20~25 μm,表明云中上升气流较强,有利于地面强降水发生。