程佳佳， 徐國強

(1.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081；2.中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心，北京 100081)

引言

我國暴雨洪水頻發(fā)，除西北個別地區(qū)外，幾乎都有暴雨出現(xiàn)。已有眾多學(xué)者對暴雨的形成和機(jī)理進(jìn)行過深入研究，暴雨形成的必要條件為：充足的水汽輸送、強烈的上升運動及穩(wěn)定的環(huán)流背景。水汽是暴雨形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，暴雨降水量對水汽含量十分敏感[1-3]，整層大氣內(nèi)水汽輻合區(qū)對暴雨落區(qū)有重要的指示作用[4-5]，高低層水汽差異與位勢不穩(wěn)定層結(jié)的建立及重建有重要關(guān)系[6]。王忠東等[5]對比分析了2015年臺風(fēng)“蘇迪羅”與“杜鵑”在相似路徑情況下的暴雨成因，結(jié)果表明臺風(fēng)“蘇迪羅”中充足的水汽輸送是其產(chǎn)生降水的強度與范圍強于“杜鵑”的重要原因之一。沈曉玲和桑明慧[7]通過2018年臺風(fēng)“云雀”與“溫比亞”的對比分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水汽通量輻合高度是否到達(dá)對流中上層對暴雨中心雨量有明顯的影響。

除水汽外，高低空急流對暴雨的發(fā)生發(fā)展也具有重要影響作用，暴雨落區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)在高空急流入口區(qū)右側(cè)、出口區(qū)左側(cè)或低空急流左側(cè)[8]。低空急流對暴雨形成過程中的水汽輸送[9-11]、位勢不穩(wěn)定[6,12]建立及中尺度系統(tǒng)觸發(fā)均有重要作用。陳博和李新峰[13]對臺風(fēng)“溫比亞”進(jìn)行特征分析時發(fā)現(xiàn)，低空急流的長期維持使洋面至臺風(fēng)內(nèi)部的水汽輸送帶穩(wěn)定存在，為暴雨提供了充足的水汽與熱量。高曉梅等[14]通過對常規(guī)氣象資料、雷達(dá)資料及再分析資料的綜合比較，分析了臺風(fēng)“利奇馬”對2019年8月山東極端暴雨的影響，提出低空急流向低空的快速擴(kuò)展與短時強降水的開始有明顯的對應(yīng)關(guān)系，對短時臨近預(yù)報十分重要。孫煒文等[15]從急流角度分析了2014年5月江西中北部地區(qū)的暴雨過程，認(rèn)為超低空、低空急流的加強為暴雨形成提供了能量與水汽條件，急流前端的輻合抬升作用加強了上升運動，超低空急流脈動對降水形成具有促進(jìn)作用。而高空急流的增強與靠近是激發(fā)低空急流的重要機(jī)制[16-18]，其上升支對水汽具有明顯抬升作用[10]。眾多研究[19-21]結(jié)果表明，高低空急流激發(fā)的次級環(huán)流耦合可以加強水汽、動量與熱量的輸送，是觸發(fā)不穩(wěn)定能量的重要機(jī)制，對天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展及降水形成具有明顯的增強作用。

上述研究表明，水汽條件、水汽源地和水汽通道的判定在暴雨預(yù)報中具有十分重要的意義，高低空急流不僅通過急流本身影響暴雨形成的水汽條件，同時急流耦合激發(fā)的次級環(huán)流對暴雨的發(fā)生發(fā)展也具有重要作用。暴雨是在各種尺度天氣和環(huán)流系統(tǒng)共同作用下生成的，這種相互作用是非線性的[6]，在很大程度上造成了暴雨預(yù)報的困難。對于不同類型、不同下墊面及不同環(huán)流背景下的暴雨個例，水汽與高低空急流的影響與作用機(jī)制不盡相同，選取具有典型特征的暴雨過程進(jìn)行細(xì)致的分析研究是十分有意義的。2021年7月18—22日，河南省鄭州市突發(fā)了十分罕見的極端強降水過程，此次暴雨過程降雨量極大、降水極端性突出，為鄭州市帶來了災(zāi)難性的洪水災(zāi)害，造成嚴(yán)重的生命與財產(chǎn)損失。此次極端降水過程是西太平洋副熱帶高壓、青藏高壓、臺風(fēng)“煙花”與“查帕卡”等天氣系統(tǒng)[22]共同作用產(chǎn)生的。已有眾多學(xué)者從不同角度對此次極端降水過程進(jìn)行了細(xì)致的剖析，如利用MICAPS觀測數(shù)據(jù)、ERA5再分析資料以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)綜合分析此次“7.20”降水過程中的動、熱力與水汽特征[23]，或通過 FY-4A 靜止氣象衛(wèi)星成像儀和地基天氣雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)，使用光流法分析動力條件與水凝物的輸送[24]，以及從數(shù)值預(yù)報方面分析ECMWF、GFS與PWAFS等多個模式的預(yù)報偏差與原因[25]。此次特大暴雨過程中的水汽條件與高低空急流在降水形成過程中發(fā)揮的作用及其影響機(jī)制值得深入研究，然而目前使用數(shù)值模式進(jìn)行水汽與急流相關(guān)試驗的研究較少。本文將通過數(shù)值模擬，對此次極端強降水過程進(jìn)行水汽與急流的敏感性試驗，試圖對暴雨過程中的水汽條件與高低空急流的影響機(jī)制有進(jìn)一步的認(rèn)知。

1 暴雨過程概述

1.1 暴雨過程

自2021年7月17日開始，河南省及其周邊地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)持續(xù)性強降水，多處地區(qū)降水等級達(dá)到大暴雨甚至特大暴雨。根據(jù)氣象站觀測數(shù)據(jù)，河南省內(nèi)600余個氣象站24 h累計降水超過250 mm，最大降水量超過720 mm。此次大范圍極端強降水中心位于河南省鄭州市，7月20日16—17時1 h累計降水量達(dá)到201.9 mm，暴雨導(dǎo)致嚴(yán)重的城市內(nèi)澇災(zāi)害，對人民群眾的生命及財產(chǎn)安全造成了極大損害。

1.2 天氣學(xué)成因分析

此次暴雨過程發(fā)生在我國夏季降水集中期，是東亞地區(qū)各種尺度天氣系統(tǒng)共同作用的結(jié)果。在亞洲地區(qū)對流層上層(圖略)，沿海存在深厚低渦，南亞高壓脊線向東伸展，其東西兩側(cè)的105°E與125°E位置處存在兩個南北向的低槽，建立了“兩槽一脊”流型[23]，高緯度冷空氣得以南下深入中原腹地，河南省受西南風(fēng)轉(zhuǎn)西北風(fēng)的反氣旋環(huán)流控制，位于高空急流區(qū)南側(cè)，鄭州市及其周邊地區(qū)上空的對流層上部形成了氣流輻散區(qū)。在對流層中層(圖略)，西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱“副高”)西伸北抬，強度偏強。副高與蒙古高壓包圍下的α尺度黃淮低渦緩慢地向東北方向移動，此過程中逐漸分裂，由此時大氣高層位渦異常、低層有暖鋒式切變且存在大范圍的降水伴隨的凝結(jié)潛熱加熱作用，產(chǎn)生的深厚穩(wěn)定的β中尺度低渦是此次暴雨事件的主要參與者[22]。在對流層低層(圖1)，臺風(fēng)“煙花”與西太平洋副高共同作用，在副高南側(cè)形成明顯的東南風(fēng)急流，至鄭州市上空與穩(wěn)定的切變線相遇，同時在太行山、嵩山等地形的抬升強迫作用下形成氣流輻合區(qū)。鄭州市上空大氣高層輻散、低層輻合，垂直上升運動條件良好，對流發(fā)展旺盛，十分有利于降水形成，天氣系統(tǒng)穩(wěn)定少動，有利于降水長時間維持。

此次極端降水過程是不同高度上的不同天氣系統(tǒng)共同作用產(chǎn)生的，充足且穩(wěn)定的水汽輸送是造成過程降水量極大的主要原因之一。以2021年7月20日08時850 hPa高度層水汽通量與流場分布(圖1)為例，分析此次暴雨過程中水汽源地與水汽通道。此次暴雨過程中副高南側(cè)有臺風(fēng)“煙花”存在，同時臺風(fēng)“查帕卡”在華南地區(qū)登陸。臺風(fēng)“煙花”北側(cè)的東南急流將來自西太平洋及印度洋的水汽源源不斷地輸送至河南省及其周邊地區(qū)。臺風(fēng)“查帕卡”北側(cè)東南氣流登陸后轉(zhuǎn)為偏南氣流，將來自南海洋面的水汽向內(nèi)陸輸送。偏南氣流靠近鄭州市上空時，轉(zhuǎn)為西南氣流，與臺風(fēng)“煙花”帶來的東南氣流匯合，即將來自西太平洋及印度洋的水汽匯集，在鄭州市上空形成水汽輻合區(qū)，為暴雨形成提供了充足的水汽條件，使鄭州地區(qū)低層的對流不穩(wěn)定增強。為研究此次特大暴雨降水過程中水汽含量對水汽輸送以及降水量的影響，設(shè)計了不同水汽含量的敏感性試驗。通過對比不同試驗結(jié)果，分析此次極端降水過程中水汽的作用及其影響機(jī)制。

圖1 2021年7月20日08時850 hPa高度層水汽通量(色階，單位：g·s-1·hPa-1·cm-1)與水平流場(風(fēng)矢，單位：m·s-1；紅色框線區(qū)域為鄭州市，下同)Fig.1 Water vapor flux (color scale, units: g·s-1·hPa-1·cm-1) and horizontal flow field (wind vector, units: m·s-1) at 850 hPa at 08:00 BST 20 July 2021 (the area in the red box is Zhengzhou, the same below)

2 水汽敏感性的數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模式

使用中國氣象局中尺度天氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)(CMA-MESO)進(jìn)行模擬試驗，版本號為CMA-MESO 5.1。該系統(tǒng)使用半隱式-半拉格朗日差分方案及全可壓非靜力平衡格點動力框架，垂直方向上選用地形追隨高度坐標(biāo)及Charney-Philips垂直分層設(shè)計，水平方向上選用球面坐標(biāo)及Arakwawa-C跳點經(jīng)緯度網(wǎng)格。該系統(tǒng)包含微物理、輻射、積云對流等多種物理過程。數(shù)值預(yù)報模式試驗?zāi)M方案如表1所示。

表1 鄭州“7·20”暴雨模擬試驗方案Table 1 Simulation test scheme of “7·20” rainstorm in Zhengzhou

CMA-MESO 5.1模式使用的初始場與背景場源自NCEP/GFS 0.05°×0.05°資料，模式包含云分析系統(tǒng)，所用紅外輻射、總云量、雷達(dá)數(shù)據(jù)來自FY-2G黑體亮溫(black-body temperature，TBB)、FY-2G總云量產(chǎn)品(cloud total amount，CTA)以及國家雷達(dá)觀測站觀測資料。降水實況數(shù)據(jù)為國家氣象信息中心提供的全國氣象站點觀測資料。

2.2 試驗方案設(shè)計

為研究此次暴雨過程中水汽的影響，利用CMA-MESO模式設(shè)計4組水汽敏感性試驗和1組控制試驗。模式模擬時段為北京時間7月20日08時—21日08時，此時段鄭州市單小時降水量最大。4組敏感性試驗將整個預(yù)報區(qū)域內(nèi)自地面至模式層頂范圍內(nèi)的比濕場分別乘以系數(shù)：0.1、0.5、0.7、0.9，分別命名為Exp-0.1、Exp-0.5、Exp-0.7、Exp-0.9。控制試驗中比濕場為實測值，用以研究數(shù)值模式模擬降水效果，簡記為Exp-CTRL。將各組試驗結(jié)果分別與Exp-CTRL作對比，分析在其他場不變的情況下，水汽含量的變化對降水及水汽輸送的影響。

2.3 試驗結(jié)果

2.3.1 降水分析

圖2與圖3分別為2021年7月20日14—20時6 h累計降水與20日08時—21日08時24 h累計降水的實測值、試驗?zāi)M值，可以看出，6 h累計降水實測降水中心最大值為227.4 mm，Exp-CTRL中降水中心模擬最大值為264.2 mm，模擬降水中心最大值偏大；24 h累計降水實測降水中心最大值為573.6 mm，Exp-CTRL中降水中心模擬最大值為550.6 mm，模擬值較為貼近實測值。通過圖2a與圖2b的對比可知，此次降水范圍模擬效果較好，模擬與實測降水均集中在河南省及其周邊地區(qū)，降水中心位于鄭州市。24 h累計降水雨帶呈東南—西北走向，降水集中在河南省中北部地區(qū)，降水中心位于鄭州市，模擬降水中心略偏西，但降水中心最大值位置與實測相差不大，降水中心范圍及強度模擬較為準(zhǔn)確。綜上所述，CMA-MESO模式對此次極端暴雨過程的模擬效果較好，基于此模式的水汽與高低空急流影響的敏感性試驗對比分析結(jié)果對于研究其影響及機(jī)制是有意義的。

圖2 2021年7月20日14—20時實測及預(yù)報的6 h累計降水量(單位：mm；a.實際降水，b. Exp-CTRL，c. Exp-0.1，d. Exp-0.5，e. Exp-0.7，f. Exp-0.9；黑色“”標(biāo)識位置為圖示范圍內(nèi)降水最大值所在位置，下同)Fig.2 6-h accumulated precipitation (units: mm) observed and forecast from 14:00 BST to 20:00 BST 20 July 2021 (a.observed precipitation, b. Exp-CTRL, c. Exp-0.1, d. Exp-0.5, e. Exp-0.7, f. Exp-0.9; black “” indicates location of maximum precipitation in the range shown in the figure, the same below)

圖3 2021年7月20日08時—21日08時實測及預(yù)報的24 h累計降水量(單位：mm；a.實際降水，b. Exp-CTRL， c. Exp-0.1，d. Exp-0.5， e. Exp-0.7， f. Exp-0.9)Fig.3 The same as Fig.2, but for 24-h accumulated precipitation from 08:00 BST 20 to 08:00 BST 21 July 2021

分別對比圖2b與2c、2d、2e、2f可以得出：當(dāng)預(yù)報區(qū)域內(nèi)整體水汽含量降為實際的0.1倍時，河南省及其周邊地區(qū)的降水幾乎全部消失；在Exp-0.5試驗中，僅河南省北部地區(qū)有降水，降水量均在4 mm以下；在Exp-0.7試驗中，河南省西北部及西南部存在降水，其他區(qū)域降水消失，降水中心位于河南省北部，降水量均在25 mm以下，鄭州市內(nèi)降水在4 mm以下；在Exp-0.9試驗中，河南省及其周邊地區(qū)13 mm以上各級降水范圍明顯縮小，降水中心位于鄭州市西側(cè)，最大值為147.8 mm，強度大大降低。隨著水汽含量的減少，河南省及其周邊地區(qū)降水范圍逐漸減小，降水逐漸集中于河南省北部，直至該時段內(nèi)無降水。降水中心強度及位置對水汽響應(yīng)十分敏感，水汽含量發(fā)生微小變化時，降水中心強度便會大幅度減小，中心位置向西北移動。

當(dāng)預(yù)報區(qū)域內(nèi)整層大氣水汽含量減小為實際的0.1倍時，20日08時—21日08時24 h累計降水量(圖3c)均在10 mm以下，遠(yuǎn)小于Exp-CTRL中同時段降水量，降水中心移至河南省北部，其他地區(qū)無降水。與Exp-CTRL相比，Exp-0.5試驗(圖3d)中，僅河南省北部及其以北小部分地區(qū)存在降水，其他地區(qū)無降水，降水量均在100 mm以下，降水集中在河南省北部；Exp-0.7試驗(圖3e)中，河南省西南側(cè)、北部及其以北較大范圍地區(qū)存在降水，降水中心位于鄭州市西北部，降水量均在150 mm以下，降水中心最大值為135.9 mm，與Exp-CTRL相比強度大幅度減小；Exp-0.9試驗(圖3f)中，100 mm以上降水范圍明顯減小，降水中心最大值為325.0 mm，相比于Exp-CTRL減小了41%，降水中心偏西北。

2.3.2 水汽輸送分析

對于一次暴雨過程模擬，初始場的水汽含量對降水預(yù)報的影響不僅在水汽本身，水汽的輸送及輻合輻散對降水范圍和強度也有十分重要的影響。圖4給出了2021年7月20日17時850 hPa高度上水汽通量與水平流場。由圖4a可以看出，來自洋面的東南氣流攜帶大量水汽向內(nèi)陸輸送，到達(dá)鄭州市后，由于地形的阻擋作用，東南氣流北部的部分氣流轉(zhuǎn)為偏西氣流，與東南氣流以及來自印度洋的偏南氣流形成氣流輻合區(qū)，在鄭州市上空累積了大量水汽。Exp-0.1試驗(圖4b)中，與Exp-CTRL相比，河南省及其周邊地區(qū)水平風(fēng)速減小，水汽輸送明顯減弱，鄭州市上空水汽輻合區(qū)消失，水汽輸送集中在河南省西北部山區(qū)之間。通過對比圖4a與4c、4d、4e可以看出，當(dāng)水汽含量減少時，河南省及其周邊地區(qū)水汽輸送強度減弱，鄭州上空的水汽輻合區(qū)強度減小，位置無明顯變化。

圖4 2021年7月20日17時850 hPa高度層上水汽通量(色階，單位：g·s-1·hPa-1·cm-1)與水平流場(風(fēng)矢，單位：m·s-1；a. Exp-CTRL， b. Exp-0.1， c. Exp-0.5， d. Exp-0.7， e. Exp-0.9)Fig.4 Simulated water vapor flux (color scale, units: g·s-1·hPa-1·cm-1) and horizontal flow field (wind vector, units: m·s-1) at 850 hPa at 17:00 BST 20 July 2021 (a. Exp-CTRL, b. Exp-0.1, c. Exp-0.5, d. Exp-0.7, e. Exp-0.9)

綜上所述，降水量對于水汽含量十分敏感，隨著水汽含量的減小，河南省及其周邊地區(qū)降水范圍及強度均減小，降水范圍逐漸向河南省北部地區(qū)縮小，當(dāng)水汽含量降為實際的0.1倍時，降水基本消失。由此可見，水汽含量的微小變化便能使降水中心最大值出現(xiàn)大幅度減小。此外，水汽含量的變化對水汽輸送的影響十分明顯，隨著水汽含量的減小，河南省及其周邊地區(qū)水汽輸送強度減弱，鄭州市上空的氣流輻合區(qū)強度減弱，累積水汽含量減小。

3 急流敏感性的試驗?zāi)M分析

由1.2節(jié)中對此次降水過程的環(huán)流形勢分析可知，高低空急流對高空輻散區(qū)形成、北方冷空氣南下、低層氣流輻合與水汽輸送都有影響。為研究高空急流與低空急流對對流層高低層氣流輻合輻散、對流及降水的影響，設(shè)計了減弱高低空急流的敏感性試驗，通過分別減弱預(yù)報初始場中高空與低空急流區(qū)氣流強度，分析其對降水、高低空氣流以及垂直運動的影響。

3.1 試驗方案設(shè)計

高低空急流對暴雨過程中降水的形成至關(guān)重要，使用CMA-MESO模式針對此次暴雨過程設(shè)計3組敏感性試驗，所用模式及模擬時間與第2部分中相同。Exp-CTRL中模式模擬區(qū)域內(nèi)取真實大氣流場，不改變水平速度。敏感性試驗中選取預(yù)報區(qū)域內(nèi)低空急流或高空急流較為明顯區(qū)域內(nèi)的水平風(fēng)場，使用9點平滑公式(公式(1))對水平風(fēng)速進(jìn)行平滑計算。保證在保留氣流大致趨勢的情況下，削弱低空急流或高空急流的強度，以研究高低空急流對暴雨的影響。

(1)

(1)減弱低空急流(記為Exp-LOW)。根據(jù)2021年7月20日08時實測水平流場，對110°～120°E，31°～38°N，1 000～650 hPa范圍內(nèi)的水平速度進(jìn)行9點平滑，并將平滑后的流場代入數(shù)值模式進(jìn)行模擬，用于研究低空急流對暴雨的影響。

(2)減弱高空急流(記為Exp-HIGH)。將2021年7月20日08時實測水平流場中110°～118°E，32°～38°N，350～100 hPa內(nèi)的水平風(fēng)速取出，進(jìn)行9點平滑計算并以此作為初始場代入模式進(jìn)行模擬，用以研究此次暴雨過程中高空急流的影響。

(3)減弱高低空急流(記為Exp-BOTH)。同時減弱高低空急流，范圍與Exp-LOW、Exp-HIGH試驗中相同，并將平滑后的流場作為初始場進(jìn)行數(shù)值模擬，用以研究高低空急流及其耦合作用對暴雨的影響。

圖5為2021年7月20日08時(即預(yù)報初始場)200 hPa和850 hPa高度上減弱高低空急流后與Exp-CTRL的對比情況。200 hPa高度(圖5a)上，113°E以西地區(qū)為西風(fēng)氣流，至河南省中部氣流增強達(dá)到急流強度，并出現(xiàn)氣流分支，北支位于河南省北部，為偏西南急流，南支位于河南省東南部，為偏西北急流，鄭州市上空對流層上部形成了氣流輻散區(qū)。850 hPa高度(圖5c)上，臺風(fēng)“煙花”與西太平洋副高共同作用，在副高南側(cè)形成明顯的東南風(fēng)急流，至鄭州市地區(qū)上空，與偏南氣流、偏東氣流形成氣流輻合區(qū)。由圖5a與圖5b可以看出，經(jīng)過平滑后的水平流場與Exp-CTRL相比有明顯變化，氣流切變線減弱，河南省北部的西南急流強度明顯變小，鄭州市對流層上層的氣流輻散區(qū)強度大大減弱。850 hPa高度(圖5c與圖5d)上，河南省范圍內(nèi)偏東氣流與偏南氣流轉(zhuǎn)為偏東南氣流，鄭州市上空對流層低層的氣流輻合區(qū)消失，河南省西北部地區(qū)風(fēng)速大大減小。綜上所述，經(jīng)過9點平滑后的水平流場變得更加均勻，急流處風(fēng)速減小，氣流的輻合輻散強度明顯減弱，因此減弱高低空急流的試驗具有可行性。

圖5 2021年7月20日08時200 hPa(a. Exp-CTRL， b. Exp-BOTH)和850 hPa(c. Exp-CTRL， d. Exp-BOTH)水平風(fēng)場(風(fēng)矢，單位：m·s-1)Fig.5 Horizontal wind field (wind vector, units: m·s-1) at 200 hPa (a. Exp-CTRL, b. Exp-BOTH) and 850 hPa (c. Exp-CTRL, d. Exp-BOTH) at 08:00 BST 20 July 2021

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 降水分析

圖6為試驗中2021年7月20日14—20時6 h累計降水。減弱低空急流(圖6b)后，與Exp-CTRL相比降水中心最大值減少42.9 mm，降水中心范圍減小，降水最大值偏西南。減弱高空急流(圖6c)后，降水中心最大值比Exp-CTRL中降水中心最大值減少了11.6 mm，與減弱低空急流對比，減弱高空急流對降水的位置、范圍和強度影響不大。高低空急流均減弱后，降水中心最大值比Exp-CTRL減少46.6 mm，降水中心范圍縮小，最大值位置偏西南。因此，此次暴雨過程減弱高空急流對降水的強度、范圍及位置的影響較小。低空急流對降水影響較為明顯，低空急流減弱后，降水范圍與強度均減小，降水中心位置向西南移動。高低空急流均減弱后對降水的影響與減弱低空急流后模擬結(jié)果類似，對降水的減弱效果更強。

圖6 2021年7月20日14—20時預(yù)報的6 h累計降水量(單位：mm；a. Exp-CTRL， b. Exp-LOW， c. Exp-HIGH， d. Exp-BOTH)Fig.6 6-h accumulated precipitation (units: mm) forecast from 14:00 BST to 20:00 BST 20 July 2021 (a. Exp-CTRL, b. Exp-LOW, c. Exp-HIGH, d. Exp-BOTH)

3.2.2 高低空急流分析

為分析Exp-CTRL中高低空急流的變化，繪制了模擬開始9 h后，即2021年7月20日17時高空(200 hPa)與低空(850 hPa)風(fēng)場分布(圖7a和圖7d)。與200 hPa高度處的初始場(圖5a)相比，模擬開始9 h后，河南省對流層高層的反氣旋性顯著增強，風(fēng)速加大，河南省以北地區(qū)風(fēng)速明顯超過急流級別，39°N附近的風(fēng)速甚至超過了35 m·s-1。鄭州市位于脊線后部，受西南風(fēng)控制。在200 hPa高度處的初始場(圖5a)中，鄭州市上空存在明顯的氣流輻散區(qū)，積分9 h后(圖7a)氣流輻散區(qū)不再明顯。而850 hPa高度依舊存在明顯的氣流輻合區(qū)(圖7d)，但與08時(圖5c)相比，位置向北移動，主要集中于太行山南側(cè)。

圖7b(圖7e)為在初始場中減弱高空(低空)急流試驗中，模擬9 h后的河南省及其周邊地區(qū)上空200 hPa(850 hPa)高度處風(fēng)矢量與Exp-CTRL中相同時間、相同位置處風(fēng)矢量的矢量差及其長度。圖7c與圖7f分別表示在同時減弱高低空急流試驗中7月20日17時河南省及其周邊地區(qū)上空200 hPa與850 hPa高度處與Exp-CTRL的風(fēng)矢量差及其長度。在風(fēng)矢量差圖(圖7b、c和圖7e、f)中，若某個格點處的矢量指向東北方，那么則說明相較于Exp-CTRL，該試驗中相同格點處的南風(fēng)與西風(fēng)增大；若指向西南方向，則南風(fēng)與西風(fēng)減?。蝗糁赶蛭鞅狈较?，則南風(fēng)增大，西風(fēng)減小；若指向東南方向，則南風(fēng)減小，西風(fēng)增大，風(fēng)矢量差長度可以綜合衡量兩試驗中風(fēng)向與風(fēng)速變化程度。從圖7b中可以看出，減弱高空急流后，風(fēng)矢量差長度的變化主要集中于河南省的東部及其以東地區(qū)，變化小于10 m·s-1，鄭州市上空變化不明顯，對應(yīng)降水形態(tài)(圖6c)變化也較小。當(dāng)同時減弱高低空急流后，200 hPa高空急流(圖7c)風(fēng)矢量變化范圍明顯增大，主要變化區(qū)域位于河南省北部及其東北地區(qū)，最大值超過16 m·s-1，這將使高空輻散區(qū)向河南省的東北方向移動。由圖7f可以分析低空急流的變化，鄭州市中西部的風(fēng)矢量差主要以偏西方向為主，鄭州市南部主要以偏北方向為主，說明鄭州市低空的偏東風(fēng)和偏南風(fēng)減弱，而這將導(dǎo)致來自偏東風(fēng)和偏南風(fēng)的水汽輸送減少；與高空急流的變化相適應(yīng)，將導(dǎo)致降水量的減小和降水中心位置東移(圖6d)。當(dāng)單獨減弱低空急流(圖7e)時，鄭州市西部地區(qū)上空有明顯的西南向矢量差，說明此時該地區(qū)南風(fēng)減弱，因此在Exp-LOW試驗(圖6b)中，鄭州市西部的降水中心位置與Exp-CTRL相比顯著偏南。鄭州市東部地區(qū)風(fēng)矢量差方向偏東，因此此時該地區(qū)東風(fēng)明顯減弱，降水中心由112.5°E向東移動至113.5°E(圖6b)。

圖7 2021年7月20日17時200 hPa(a、b、c)與850 hPa(d、e、f)的Exp-CTRL試驗?zāi)M的風(fēng)場(a、d；風(fēng)矢，單位：m·s-1)以及與敏感性試驗?zāi)M的風(fēng)場之差(黑色箭頭，單位：m·s-1，色階表示箭頭長度的大?。籦. Exp-HIGH減去Exp-CTRL，c、f. Exp-BOTH減去Exp-CTRL，e. Exp-LOW減去Exp-CTRL)Fig.7 Wind field (a/d; wind vector, units: m·s-1) simulated by Exp-CTRL test and the difference with the wind fields simulated by sensitivity tests (black arrow, units: m·s-1, color scale indicates the size of the arrow length; b. Exp-HIGH minus Exp-CTRL; c/f. Exp-BOTH minus Exp-CTRL; e. Exp-LOW minus Exp-CTRL) at 200 hPa (a/b/c) and 850 hPa (d/e/f) at 17:00 BST 20 July 2021

3.2.3 垂直速度分析

強烈的上升運動是暴雨形成的基本條件之一，高低層急流的改變必會引起垂直速度發(fā)生變化，以2021年7月20日17時113°E的垂直速度剖面圖(圖8)為例分析高低空急流的變化對此次暴雨過程中垂直速度的影響。從圖8b中可以看出，低空急流減弱后，Exp-CTRL(圖8a)中鄭州市上空存在的垂直上升中心強度大幅度減小，垂直厚度減小，垂直對流明顯減弱。當(dāng)高空急流減弱后(圖8c)，鄭州市及其南北范圍內(nèi)的垂直速度變化并不明顯。高低空急流均減弱后(圖8d)，垂直速度的變化與單獨減弱低空急流的變化是同步的，但與單獨減弱低空急流相比，鄭州市上空對流減弱幅度更大。

圖8 2021年7月20日17時113°E的垂直速度(色階，單位：m·s-1)剖面圖(a. Exp-CTRL， b. Exp-LOW， c. Exp-HIGH，d. Exp-BOTH；“▲”指示鄭州市中心：34.7°N)Fig.8 Simulated vertical velocity (color scale, units: m·s-1) profile along 113°E at 17:00 BST 20 July 2021 (a. Exp-CTRL, b. Exp-LOW, c. Exp-HIGH, d. Exp-BOTH; “▲” indicates that the latitude of the center of Zhengzhou is 34.7°N)

4 結(jié)論與討論

使用數(shù)值預(yù)報模式對2021年“7·20”鄭州市特大暴雨過程進(jìn)行數(shù)值模擬與水汽、高低空急流敏感性試驗，討論此次極端強降水過程中水汽和高低空急流的影響，分析結(jié)果如下：

(1)通過對比6 h和24 h累計降水的數(shù)值模擬結(jié)果與實測值，可得CMA-MESO模式對此次極端強降水過程模擬效果較好。

(2)此次暴雨過程中水汽由東南氣流與偏南氣流輸送并累積至鄭州市上空。臺風(fēng)“煙花”北側(cè)的東南急流將來自西太平洋與印度洋的水汽輸送至河南省及其周邊地區(qū)。臺風(fēng)“查帕卡”北側(cè)東南氣流攜帶南海洋面上的水汽，在登陸后轉(zhuǎn)為偏南氣流，到達(dá)鄭州市上空后轉(zhuǎn)為西南氣流。西南氣流與東南氣流匯合，形成水汽輻合區(qū)，在鄭州市上空累積大量水汽。

(3)降水和水汽輸送對水汽含量十分敏感。隨著水汽含量的減少，河南省及其周邊地區(qū)風(fēng)速減小，氣流輻合區(qū)強度減弱，水汽累積減少，降水強度減小，降水中心逐漸北移至河南省北部，降水范圍向河南省北部縮小。當(dāng)水汽含量有微小的變化時，水汽輸送強度、降水中心范圍及最大值便會出現(xiàn)大幅度減小。

(4)此次極端強降水過程中主要是低空急流對降水產(chǎn)生影響，高空急流的影響與低空急流相比較小。低空東南風(fēng)急流到達(dá)鄭州市地區(qū)上空時，與偏南氣流、偏東氣流形成氣流輻合區(qū)，在低層氣流輻合的強迫下，高層出現(xiàn)輻散區(qū)，在鄭州市上空形成強上升運動中心，為暴雨形成提供了良好的對流條件。低空急流減弱后，鄭州市上空水汽輸送減小，降水中心最大值減小，降水中心位置偏東南，鄭州市上空的垂直上升運動中心強度大幅度減小。

鄭州“7·20”極端暴雨過程是在穩(wěn)定的天氣背景、強烈的輻合上升運動、充沛的水汽輸送及多尺度系統(tǒng)相互作用等多種條件共同影響下產(chǎn)生的。文中主要分析了水汽與高低空急流的作用機(jī)制，但此次特大暴雨事件仍舊存在眾多未知因素，如低空急流的維持機(jī)制、極端降水中關(guān)鍵云微物理過程及復(fù)雜地形下對流系統(tǒng)的觸發(fā)與發(fā)展機(jī)制等。在實際模擬的過程中，針對鄭州“7·20”極端暴雨依舊存在強降水落區(qū)位置預(yù)報不準(zhǔn)確、降水強度估計不足等問題，需要綜合多源觀測資料，使用診斷分析、數(shù)值模擬等多元手段對此次極端降水事件成因進(jìn)行更加深入的細(xì)致剖析，為未來特大暴雨過程的準(zhǔn)確定量預(yù)報提供理論依據(jù)。