王春玲，宗 川，張亞春，崔 力，王 聰，劉 偉

(1.濮陽(yáng)市氣象局，河南 濮陽(yáng) 457000；2.河南省氣象服務(wù)中心，鄭州 450003；3.河南省氣象臺(tái)，鄭州 450003)

引 言

暴雨是我國(guó)夏季主要自然災(zāi)害之一，每年都會(huì)給人民的生命、財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，尤其是突發(fā)性的局地特大暴雨，常常造成城市瞬時(shí)積澇、交通癱瘓，損失更加慘重。多年來(lái)氣象工作者[1-6]從不同的角度對(duì)特大暴雨進(jìn)行了大量研究，并取得了豐碩的研究成果。隨著極端天氣的日益增多，近些年對(duì)突發(fā)性局地強(qiáng)降水的中尺度研究[7-20]亦取得較大進(jìn)展。俞小鼎[7]在對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)報(bào)的思路與方法研究中指出，在有利于強(qiáng)降水的環(huán)境條件下，含有中氣旋或更大尺度渦旋的β中尺度對(duì)流系統(tǒng)會(huì)明顯增大強(qiáng)降水的可能。何立富等[8]對(duì)北京“7·10”暴雨 β中尺度對(duì)流系統(tǒng)分析結(jié)果表明，對(duì)流層中層的短波槽及低層西風(fēng)槽前西南氣流與暖切變線(xiàn)北側(cè)東南氣流的匯合，為其發(fā)生提供了良好的環(huán)境條件。趙培娟等[9]對(duì)7·13鄭州大暴雨成因與可預(yù)報(bào)性分析后認(rèn)為，對(duì)流層底層加強(qiáng)的東風(fēng)氣流提供的水汽輸送和動(dòng)力抬升作用，促進(jìn)了對(duì)流發(fā)展。劉慧敏等[10]通過(guò)對(duì) 2017年7月25日陜北局地特大暴雨過(guò)程的β中尺度特征分析發(fā)現(xiàn)，中尺度低壓的西部和東部分別形成冷性輻合和暖性輻合，不斷觸發(fā)γ對(duì)流單體生成，不同中尺度對(duì)流云團(tuán)的合并導(dǎo)致了降水的強(qiáng)烈發(fā)展。陳雙等[11]在對(duì)北京香山“7·29”γ中尺度短時(shí)局地大暴雨過(guò)程綜合分析結(jié)果表明，較低的抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度使新生雷暴的觸發(fā)不需要太強(qiáng)的輻合抬升機(jī)制。陳豫英等[12]在賀蘭山東麓極端暴雨的中尺度特征中提到，700 hPa東南急流將暖濕水汽輸向暴雨區(qū)，提供了低層高溫、高濕的大氣不穩(wěn)定層結(jié)與動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制。

2021年6月13日12時(shí)—14日08時(shí)，豫北局部地區(qū)出現(xiàn)一次罕見(jiàn)特大暴雨天氣過(guò)程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“6·13”暴雨過(guò)程)，降水中心位于濮陽(yáng)市區(qū)及周邊，其主要特點(diǎn)是強(qiáng)降水范圍小、雨強(qiáng)大、局地性強(qiáng)，伴隨的強(qiáng)降水頻次高、移動(dòng)慢、極端性強(qiáng)，導(dǎo)致濮陽(yáng)市出現(xiàn)嚴(yán)重積澇。濮陽(yáng)市區(qū)平均積水30 cm，華龍區(qū)勝利路街道和黃河路街道部分村莊和小區(qū)積水嚴(yán)重，最深達(dá)120 cm，地下車(chē)庫(kù)被淹。據(jù)濮陽(yáng)市應(yīng)急管理局統(tǒng)計(jì)，此次特大暴雨全市61874人受災(zāi)，緊急轉(zhuǎn)移安置7319人；損壞房屋28戶(hù)48間；農(nóng)作物受災(zāi)4015.07公頃、成災(zāi)1385.65公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失4.247億元。如此罕見(jiàn)的突發(fā)性局地強(qiáng)降水，數(shù)值模式產(chǎn)品預(yù)報(bào)能力非常有限，主觀預(yù)報(bào)量級(jí)也明顯偏小，其環(huán)流配置和中尺度特征及成因值得探討。本文利用常規(guī)觀測(cè)資料、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)產(chǎn)品、區(qū)域自動(dòng)站資料，分析了“6·13”特大暴雨過(guò)程的中尺度特征及成因和大氣層結(jié)、環(huán)境物理量特征，以期提高對(duì)極端特大暴雨物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為今后河南極端暴雨的可預(yù)報(bào)性研究提供參考。

1 資料與方法

本文選用資料包括MICAPS常規(guī)高空和地面實(shí)況資料、鄭州市探空T-lnp圖及層結(jié)物理量值、河南省區(qū)域自動(dòng)站加密觀測(cè)資料、FY-4A紅外云圖、鄭州市多普勒天氣雷達(dá)資料，采用天氣學(xué)、動(dòng)力學(xué)、中尺度分析方法進(jìn)行綜合分析。

2 降水分布特征

2021年6月13日下午到14日凌晨，豫北局地出現(xiàn)一次罕見(jiàn)特大暴雨天氣過(guò)程，100 mm 以上的站點(diǎn)有17個(gè)(含區(qū)域站，濮陽(yáng)市占16個(gè))，其中有3個(gè)站雨量超過(guò)250 mm，均位于濮陽(yáng)市中部(圖1a)。鑒于此，本文重點(diǎn)分析濮陽(yáng)市的降水。13日夜間到14日凌晨濮陽(yáng)市大部分地區(qū)為中到大雨，在市區(qū)及周邊(濮陽(yáng)縣北部、范縣西部、清豐縣東南部)出現(xiàn)暴雨、大暴雨、特大暴雨。全市降水量分布(圖1b)顯示，濮陽(yáng)縣國(guó)家氣象觀測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)濮陽(yáng)站)降水量為145.1 mm，刷新1971年以來(lái)歷史同期極值紀(jì)錄(2000年6月21日降水量119.0 mm)。全市13站出現(xiàn)100.0～250.0 mm的大暴雨，250.0 mm以上的特大暴雨出現(xiàn)在3個(gè)區(qū)域站，分別是華龍區(qū)人民辦站(321.9 mm)、華龍區(qū)龍?jiān)凑?279.2 mm)、濮陽(yáng)縣柳屯站(276.6 mm)。

圖1 2021年6月13日12時(shí)-14日08時(shí)河南省(a)和濮陽(yáng)市(b)降水量分布圖

從小時(shí)雨強(qiáng)分布(圖略)可見(jiàn)，50 mm·h-1以上的強(qiáng)降水站點(diǎn)集中在濮陽(yáng)市區(qū)和濮陽(yáng)縣北部，濮陽(yáng)站雨強(qiáng)為77.8 mm·h-1，華龍區(qū)區(qū)域站雨強(qiáng)為80.3 mm·h-1，人民辦、龍?jiān)春土?個(gè)特大暴雨站點(diǎn)的最大雨強(qiáng)分別達(dá)120.8、125.4、132.8 mm·h-1，均超過(guò)了80 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)[21]。

從濮陽(yáng)市3個(gè)特大暴雨的區(qū)域自動(dòng)站主要降水時(shí)段逐小時(shí)降水量變化圖可知(圖2)，強(qiáng)降水主要集中在13日20時(shí)-14日00時(shí)。其中，13日21-23時(shí)，人民辦站逐小時(shí)降水量分別為75.0、120.8、96.9 mm，龍?jiān)凑局鹦r(shí)降水量分別為46.3、83.4、125.4 mm；13日22時(shí)-14日00時(shí)，柳屯站逐小時(shí)降水量分別為39.9、76.3、132.8 mm。

圖2 2021年6月13日17時(shí)-14日02時(shí)濮陽(yáng)市3個(gè)特大暴雨區(qū)域自動(dòng)站逐小時(shí)降水量變化圖

上述3個(gè)特大暴雨站點(diǎn)的主要降水時(shí)段10 min降水量變化見(jiàn)圖3。人民辦站和龍?jiān)凑疚挥阱ш?yáng)市區(qū)南部，兩站相距約5 km，10 min降水量大于10 mm的強(qiáng)降水，兩站開(kāi)始與結(jié)束時(shí)間一致，強(qiáng)降水發(fā)生在13日20:30—23:10，持續(xù)了160 min；柳屯站位于濮陽(yáng)縣東北部與濮陽(yáng)市區(qū)交界處，較人民辦站偏東18 km，強(qiáng)降水開(kāi)始與結(jié)束時(shí)間較另兩站偏晚1 h，發(fā)生在13日21:30—14日00:10，同樣持續(xù)了160 min。其中，人民辦站和柳屯站分別有6次10 min降水量大于20.0 mm，龍?jiān)凑居?次10 min降水量約30.0 mm。人民辦站、龍?jiān)凑尽⒘驼镜?0 min最大降水量為25.3、30.0、24.4 mm，分別出現(xiàn)在21:20-21:30、22:10-22:20、23:20-23:30。

圖3 2021年6月13日20:00-14日00:30濮陽(yáng)市3個(gè)特大暴雨區(qū)域自動(dòng)站10 min降水量變化圖

3 環(huán)流形勢(shì)背景和影響系統(tǒng)特征

極端強(qiáng)降水是由中小尺度系統(tǒng)直接影響產(chǎn)生的，但都離不開(kāi)一定的環(huán)流背景支持。下面利用常規(guī)天氣圖對(duì)環(huán)流形勢(shì)背景和影響系統(tǒng)特征進(jìn)行分析。

6月13日08時(shí)(圖4a)，500 hPa上，40°N以北歐亞地區(qū)為兩槽一脊型，中緯度多低槽攜帶弱冷空氣東移，河套西北部臨河站到民勤站有一低槽，槽前在東勝站有一個(gè)-10 ℃的冷中心并伴有溫度槽，溫度槽超前于高度槽，濮陽(yáng)市處于584 dagpm線(xiàn)邊沿西南氣流中。700 hPa上，延安、鄭州到阜陽(yáng)有一西南風(fēng)與東南風(fēng)的暖切變線(xiàn)，河北南部為干區(qū)，邢臺(tái)站td=-12 ℃，t-td=23 ℃，鄭州站td=7 ℃,濟(jì)南站td=1 ℃，邢臺(tái)站與相鄰的鄭州站和濟(jì)南站之間td相差分別達(dá)19 ℃和13 ℃，冀、魯、豫三省交界處存在露點(diǎn)溫度中尺度鋒區(qū)，濮陽(yáng)市受露點(diǎn)溫度鋒區(qū)控制，容易產(chǎn)生對(duì)流。850 hPa上，暖切變線(xiàn)位置與700 hPa的接近重合，華北為溫度脊，河北省南部到山東省西部有一個(gè)20 ℃的暖中心，河南為t-td≤2 ℃的飽和高濕區(qū)(鄭州站td=16 ℃)，華北、東北850 hPa與500 hPa溫度差Δt85≥26 ℃，濮陽(yáng)市在熱力不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)。925 hPa上，湖南省北部、河南省東部到山東省西部有一條8～10 m·s-1的西南顯著風(fēng)速帶，濮陽(yáng)市處于其左側(cè)。

13日20時(shí)(圖4b)，200 hPa上，山東省南部到江蘇省北部有大于32 m·s-1的西北風(fēng)急流，濮陽(yáng)處于高空急流入口區(qū)右后側(cè)輻散區(qū)，有利于低層輻合發(fā)展。500 hPa上，河套低槽東移至濮陽(yáng)市西部，溫度槽移過(guò)濮陽(yáng)市，中層有冷空氣擴(kuò)散。700 hPa上，暖切變線(xiàn)東移至邢臺(tái)市、臺(tái)前縣到徐州市，其西側(cè)在四川省東部、陜西省南部到河南省北部有10 m·s-1以上的西南氣流，其中安康站到鄭州站有12～14 m·s-1的西南氣流大風(fēng)速帶發(fā)展，濮陽(yáng)市處于出口區(qū)。850 hPa上，暖切變線(xiàn)東移至邢臺(tái)市、濮陽(yáng)縣到阜陽(yáng)市。切變線(xiàn)西側(cè)西南風(fēng)風(fēng)速達(dá)6～8 m·s-1，東側(cè)南東南風(fēng)風(fēng)速達(dá)10 m·s-1。濮陽(yáng)市處于東側(cè)南東南氣流與700 hPa暖切變線(xiàn)西側(cè)西南氣流疊加區(qū)，兩條暖切變線(xiàn)之間構(gòu)成輻合上升區(qū)，為對(duì)流發(fā)生提供了動(dòng)力條件，有利于β中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展。925 hPa上，南東南大風(fēng)速帶位于河南省東部到山東省西部，濮陽(yáng)市處于低空、超低空南東南氣流大風(fēng)速帶左側(cè)，為多條氣流交匯區(qū)，并且存在明顯的風(fēng)向切變，為對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展壯大提供了有利的輻合條件。08-20時(shí)，500 hPa以下沒(méi)有西南或東南急流，但有西南、東南兩條水汽通道存在。隨著系統(tǒng)東移，濟(jì)南站850 hPa以下偏南風(fēng)增大，風(fēng)向順轉(zhuǎn)，魯西到豫東北低層暖平流加強(qiáng)，使豫東北暖濕氣流輸送增強(qiáng)，加劇了濮陽(yáng)市對(duì)流層低層高溫、高濕環(huán)境場(chǎng)的發(fā)展,為此次強(qiáng)降水提供了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量。

2021年6月13日08時(shí)地面圖上(圖略)，我國(guó)中東部為東高西低形勢(shì)，濮陽(yáng)市處于偏東南氣流中。鄭永光等[22]研究指出，地面露點(diǎn)溫度也可以用來(lái)表征整層大氣的水汽含量，地面露點(diǎn)溫度達(dá)到26 ℃就足以表明大氣非常暖濕，這時(shí)根據(jù)探空資料計(jì)算的大氣可降水量可達(dá)60 mm左右。14時(shí)，濮陽(yáng)市西部t=32 ℃，td為25～26 ℃，高于周邊的，為高溫、高濕區(qū)，有利于對(duì)流發(fā)展及強(qiáng)降水產(chǎn)生。20時(shí)隨著系統(tǒng)東移，地面氣壓呈下降趨勢(shì)，在河北省東部、山東省西部、河南省東北部出現(xiàn)Δp3≥2 hPa的負(fù)變壓區(qū)，濮陽(yáng)市中北部的清豐站和南樂(lè)站Δp3達(dá)-2.1 hPa，有利于輻合線(xiàn)和變壓輻合區(qū)發(fā)展。18-20時(shí)，浚縣、內(nèi)黃縣南部到濮陽(yáng)市區(qū)西部出現(xiàn)明顯降水，致使氣溫比周邊低1 ℃。降水形成的冷池出流與其前部的東南風(fēng)形成地面中尺度輻合線(xiàn)，并在21-23時(shí)維持在濮陽(yáng)縣北部與濮陽(yáng)市區(qū)交界處，輻合抬升加強(qiáng)，使濮陽(yáng)市區(qū)及周邊降水增強(qiáng)。14日02時(shí)，濮陽(yáng)全市轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，風(fēng)速減小，輻合線(xiàn)消失，降水減弱。

綜上，本次強(qiáng)降水過(guò)程的影響系統(tǒng)是500 hPa低槽和中低層暖切變線(xiàn)。500 hPa低槽、700 hPa和850 hPa暖切變線(xiàn)提供了動(dòng)力條件，同時(shí)暖切變線(xiàn)兩側(cè)的西南和東南氣流形成的兩條水汽輸送通道在濮陽(yáng)市匯合，提供了水汽和不穩(wěn)定能量，濮陽(yáng)市區(qū)南部到濮陽(yáng)縣北部形成的地面中尺度輻合線(xiàn)，觸發(fā)并加強(qiáng)了市區(qū)對(duì)流發(fā)展，本地偏高的溫濕環(huán)境場(chǎng)與適宜的高低空系統(tǒng)配置,為對(duì)流性暴雨的發(fā)生、發(fā)展提供了有利的環(huán)流背景。

4 大氣層結(jié)及環(huán)境物理量特征

“6·13”特大暴雨局地性強(qiáng),具有明顯的對(duì)流性特征。為了更準(zhǔn)確地揭示濮陽(yáng)本地的大氣層結(jié)特征，使用13日14、20時(shí)濮陽(yáng)站地面氣壓、溫度、露點(diǎn)溫度對(duì)13日08、20時(shí)鄭州站探空資料進(jìn)行訂正。下面利用距濮陽(yáng)市最近的鄭州探空站13日08、20時(shí)及用14、20時(shí)濮陽(yáng)站地面資料訂正鄭州站的探空資料，分析豫北水汽、能量、氣層穩(wěn)定度等環(huán)境物理量特征。

4.1 鄭州探空資料分析

13日08時(shí)鄭州站探空T-lnp圖(圖5a)顯示：t與td線(xiàn)接近平行，420 hPa以下t-td在3 ℃左右，對(duì)流層中低層濕度接近飽和，690 hPa以下比濕大于8 g·kg-1，氣層絕對(duì)水汽含量大。20時(shí)(圖5b)，比濕大于8 g·kg-1的氣層升高到630 hPa，水汽含量偏大、濕層深厚是顯著的環(huán)境特征；抬升指數(shù)(LI)明顯增強(qiáng)，0-3和0-6 km垂直風(fēng)切變突然增大是另一環(huán)境特征，同時(shí)500 hPa以上有干區(qū)移入,加大了層結(jié)不穩(wěn)定度。

圖5 2021年6月13日08時(shí)(a)和20時(shí)(b)鄭州站探空?qǐng)D

探空物理量值(表1)顯示，13日08-20時(shí)，CAPE由1383.3 J·kg-1加強(qiáng)為3172.3 J·kg-1，對(duì)流有效位能偏大；K指數(shù)維持在較大值,約35 ℃；抬升指數(shù)(LI)由-3.4 ℃降低為-5.3 ℃，說(shuō)明大氣處于極不穩(wěn)定狀態(tài)；925 hPa比濕由14.7 g·kg-1上升至17.0 g·kg-1，850 hPa比濕由13.1 g·kg-1上升到14.6 g·kg-1，空氣絕對(duì)含水量增大；濕層厚度由3.3 km增加到4.4 km；0 ℃層高度由4.9 km伸展至5.1 km，深厚的暖云層和濕層有利于大降水產(chǎn)生；抬升凝結(jié)高度(LCL)由980.3 hPa降低為985.9 hPa，自由對(duì)流高度(LFC)由980.3 hPa降低為988.7 hPa，二者異常偏低并且接近地面，說(shuō)明幾乎不需要環(huán)境動(dòng)力抬升就能成云致雨，這在蘇愛(ài)芳等[1]對(duì)鄭州“7·20”特大暴雨研究中已得到證實(shí)。-20 ℃層高度由8.7 km略降低為8.5 km，溫度垂直遞減率增大，氣層不穩(wěn)定度增加；0-3 km和0-6 km垂直風(fēng)切變20時(shí)突增至15.1 m·s-1、15.7 m·s-1，對(duì)極端強(qiáng)降水起到了促進(jìn)作用。多項(xiàng)物理量值的異常表現(xiàn)為極端強(qiáng)降水提供了有利的環(huán)境條件。

表1 2021年6月13日鄭州站08和20時(shí)探空物理量值

4.2 濮陽(yáng)訂正探空資料分析

用13日14時(shí)和20時(shí)濮陽(yáng)站地面氣壓、溫度、露點(diǎn)溫度訂正的鄭州站08時(shí)和20時(shí)的探空資料(圖5中斜線(xiàn)陰影部分為訂正后的對(duì)流有效位能)顯示，14時(shí)訂正后的對(duì)流有效位能(CAPE)高達(dá)2526 J·kg-1，抬升指數(shù)(LI)為-10.2 ℃，豫北上空能量較大且極不穩(wěn)定。因13日下午濮陽(yáng)出現(xiàn)分散性雷陣雨，部分能量提前釋放，20時(shí)訂正的CAPE值有所下降，但仍達(dá)830.6 J·kg-1，這為強(qiáng)降水區(qū)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展提供了能量基礎(chǔ)，鄭永光等[23]的研究中有此闡述；抬升指數(shù)(LI)大幅增強(qiáng)至-17.3 ℃，表示正的不穩(wěn)定能量面積明顯增大, 出現(xiàn)對(duì)流的可能性在增大；整層可降水量(PW)高達(dá)65 mm，比濕垂直遞減率加大(圖略)，使對(duì)流降水強(qiáng)度加強(qiáng)。

值得注意的是，14時(shí)訂正的T-lnp圖上，低層沒(méi)有明顯的逆溫層，并不利于能量積累，CAPE值很大，抑制能量CIN值為0，這時(shí)只需要非常弱的抬升強(qiáng)迫就能夠產(chǎn)生熱對(duì)流，鄭永光等[22]研究中有此觀點(diǎn)。實(shí)況是13日下午濮陽(yáng)對(duì)流發(fā)展并不旺盛，只出現(xiàn)了分散性雷陣雨。此外，13日10時(shí)起濮陽(yáng)上空云系逐漸增多，12時(shí)左右出現(xiàn)陣雨，影響午后氣溫升高，下午出現(xiàn)的雷雨天氣使部分能量提前釋放。據(jù)此可以推斷，13日夜里發(fā)生的對(duì)流性強(qiáng)降水與地面受熱升溫所產(chǎn)生的午后強(qiáng)對(duì)流形成機(jī)制有區(qū)別。

總之，深厚的濕層和偏高的整層可降水量(PW)、偏低的抬升凝結(jié)高度(LCL)和自由對(duì)流高度(LFC)、偏強(qiáng)的抬升指數(shù)(LI)、中層偏大的垂直風(fēng)切變是顯著的層結(jié)特征，有利的濕度條件支持產(chǎn)生和維持高效率對(duì)流性強(qiáng)降水，導(dǎo)致了本次強(qiáng)降水形成。

5 產(chǎn)生特大暴雨的中尺度特征及成因

此次強(qiáng)降水過(guò)程具有明顯的中尺度特征。據(jù)降水時(shí)空分布特點(diǎn)，本文利用FY-4A紅外云圖和國(guó)家、區(qū)域自動(dòng)站降水量及10 min地面極大風(fēng)速，雷達(dá)產(chǎn)品等資料，分析3個(gè)特大暴雨站點(diǎn)強(qiáng)降水集中時(shí)段，中尺度對(duì)流云團(tuán)和MCS的發(fā)生發(fā)展、中尺度對(duì)流多單體的發(fā)展演變、地面中尺度輻合線(xiàn)的移動(dòng)等系統(tǒng)與強(qiáng)降水形成的關(guān)系。

5.1 對(duì)流云團(tuán)和地面風(fēng)場(chǎng)中尺度分析

從6月13日FY-4A紅外云圖和國(guó)家站及區(qū)域自動(dòng)站10 min地面極大風(fēng)速疊加圖(圖6)可以看到，受500 hPa槽前云系東移影響，13日白天上游地區(qū)不斷有云系東移影響濮陽(yáng)市，19:00(圖略)內(nèi)黃縣南部、濮陽(yáng)市區(qū)西部、濮陽(yáng)縣西北部、滑縣北部有對(duì)流云團(tuán)發(fā)展。20:00(圖6a)，對(duì)流云團(tuán)東移位于濮陽(yáng)市區(qū)、清豐縣南部到濮陽(yáng)縣，龍?jiān)凑靖浇畹驮祈斄翜貫?14 K，在對(duì)流云團(tuán)后部，濮陽(yáng)市區(qū)西南部到內(nèi)黃縣東南部地面出現(xiàn)東北風(fēng)與東南風(fēng)的中尺度輻合線(xiàn)，兩側(cè)風(fēng)速達(dá)4 m·s-1左右。20:30(圖6b)輻合線(xiàn)略向東北伸展，風(fēng)速無(wú)明顯變化，對(duì)流云團(tuán)進(jìn)一步發(fā)展，云頂亮溫降至210 K,并向東移至柳屯站附近，濮陽(yáng)市區(qū)及周邊自西向東降水開(kāi)始增大。21:00(圖6c)地面輻合線(xiàn)穩(wěn)定，兩側(cè)風(fēng)速增大至6 m·s-1，輻合增強(qiáng)，對(duì)流云團(tuán)緩慢東移，同時(shí)在內(nèi)黃縣中部、清豐縣到濮陽(yáng)市區(qū)有新的對(duì)流云發(fā)展。20-21時(shí)，位于濮陽(yáng)市區(qū)西部的人民辦站和龍?jiān)凑? h降水量分別達(dá)75.0和46.3 mm。地面輻合線(xiàn)北側(cè)東北風(fēng)與其南側(cè)東南風(fēng)風(fēng)速大、輻合強(qiáng)的區(qū)域降水明顯，且位于對(duì)流云團(tuán)后部云頂亮溫大梯度區(qū)，即強(qiáng)降水出現(xiàn)在雷暴云后部含水量累積區(qū)，因?yàn)槔妆┰浦星安渴菍?duì)流發(fā)展區(qū)域，上升氣流隨高度向前傾斜，發(fā)展最旺盛的部位位于中部偏前，云頂亮溫最低，雷暴云后部是對(duì)流發(fā)展成熟區(qū)域，通常是大風(fēng)、冰雹、強(qiáng)降水發(fā)生的區(qū)間，與文獻(xiàn)[24]圖示類(lèi)型相似。21:30(圖6d)地面輻合線(xiàn)向東北伸展，兩側(cè)的風(fēng)速維持在6 m·s-1左右，內(nèi)黃縣中部、清豐縣到濮陽(yáng)市區(qū)的對(duì)流云單體東移加強(qiáng)，與濮陽(yáng)縣東北部的對(duì)流云團(tuán)和山東省西南部的對(duì)流云團(tuán)銜接，形成一條西北-東南向的β中尺度對(duì)流云帶，對(duì)流發(fā)展旺盛，云頂亮溫降至205 K(位于柳屯站附近)，濮陽(yáng)市區(qū)、濮陽(yáng)縣北部、清豐縣南部對(duì)流性降水增大。22:00(圖6e)地面流場(chǎng)上，輻合線(xiàn)再次向東北擴(kuò)展為中β尺度，氣流出現(xiàn)氣旋性彎曲，輻合線(xiàn)南側(cè)的東南風(fēng)極大風(fēng)速增大到9.6 m·s-1，北側(cè)的東北風(fēng)極大風(fēng)速為6.3 m·s-1，輻合明顯增強(qiáng)。此時(shí)云頂亮溫為209 K的低中心東移至范縣西部。強(qiáng)輻合對(duì)觸發(fā)新生對(duì)流單體起到關(guān)鍵作用，在云頂亮溫低中心后部的溫度大梯度區(qū)不斷有新對(duì)流云單體發(fā)展，并沿輻合線(xiàn)東移補(bǔ)充，使對(duì)流云帶進(jìn)一步發(fā)展壯大，在輻合線(xiàn)右前方形成近似圓形的β中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)。中尺度對(duì)流系統(tǒng)的形成、發(fā)展與地面中尺度輻合線(xiàn)發(fā)展、700 hPa和850 hPa暖切變線(xiàn)密切相關(guān)，對(duì)流系統(tǒng)覆蓋了濮陽(yáng)市區(qū)大部、清豐縣南部、范縣大部、濮陽(yáng)縣大部，致使21-22時(shí)人民辦站、龍?jiān)凑竞土驼? h降水量分別達(dá)到120.8、83.4和39.9 mm，人民辦站最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在對(duì)流系統(tǒng)后部云頂亮溫大梯度區(qū)、地面輻合線(xiàn)北側(cè)東北氣流中。22:45(圖6f)濮陽(yáng)市區(qū)出現(xiàn)人字形輻合線(xiàn),并伴有完整的中尺度氣旋性環(huán)流，兩輻合線(xiàn)北側(cè)龍?jiān)凑靖浇臉O大風(fēng)速為7 m·s-1左右，中尺度對(duì)流系統(tǒng)略東移，位于濮陽(yáng)市區(qū)中東部到范縣，云頂亮溫210 K低中心仍位于范縣西部。22-23時(shí)，人民辦站、龍?jiān)凑竞土驼? h降水量分別達(dá)到96.6、125.4和76.3 mm，龍?jiān)凑咀畲笮r(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在地面人字形輻合線(xiàn)頂部的東北氣流中、氣旋曲率最大處，同樣是對(duì)流系統(tǒng)后部云頂亮溫大梯度區(qū)。隨著對(duì)流系統(tǒng)的緩慢東移，人民辦站、龍?jiān)凑局饾u轉(zhuǎn)入氣旋性環(huán)流后部(圖略)，降水開(kāi)始減弱；位于氣旋性環(huán)流前部的柳屯站附近東南風(fēng)極大風(fēng)速增大到10.3 m·s-1，局地充沛的水汽輸送和動(dòng)力抬升條件使中尺度對(duì)流系統(tǒng)穩(wěn)定維持，濮陽(yáng)市區(qū)中東部降水強(qiáng)度明顯增大，位置偏東的柳屯站降水再次進(jìn)入強(qiáng)盛期。13日23時(shí)-14日00時(shí)，人民辦站、龍?jiān)凑竞土驼窘邓糠謩e為23.8、19.2和132.8 mm，柳屯站最大小時(shí)雨強(qiáng)發(fā)生在地面人字形輻合線(xiàn)右前方東南氣流大值區(qū)。14日00:00(圖略)，氣旋性環(huán)流閉合線(xiàn)不再完整，濮陽(yáng)市區(qū)東部東南風(fēng)速減小，輻合減弱，中尺度對(duì)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)松弛，強(qiáng)度明顯減弱，云頂亮溫升至215 K。此時(shí)對(duì)流系統(tǒng)主體已進(jìn)入山東省，其后部位于濮陽(yáng)市區(qū)東部、濮陽(yáng)縣東北部、范縣，對(duì)濮陽(yáng)市區(qū)的影響接近尾聲。14日00:23(圖略)輻合線(xiàn)減弱東移，對(duì)流云團(tuán)全部移出強(qiáng)降水區(qū)，濮陽(yáng)市區(qū)降水基本停止。對(duì)流云團(tuán)從濮陽(yáng)市西部移入東部后移出，在濮陽(yáng)市區(qū)影響了4 h之久，在濮陽(yáng)市區(qū)及周邊造成多站次出現(xiàn)80 mm·h-1以上的極端強(qiáng)降水，最大雨強(qiáng)達(dá)到132.8 mm·h-1(柳屯站)。

圖6 2021年6月13日FY-4A紅外云圖和國(guó)家站及區(qū)域自動(dòng)站10 min地面極大風(fēng)速疊加圖

綜上所述，該強(qiáng)降水過(guò)程是因上游(內(nèi)黃縣中南部、清豐縣中南部)及濮陽(yáng)市區(qū)本地不斷有小塊對(duì)流云單體生成，并在緩慢東移中強(qiáng)烈發(fā)展成新的對(duì)流云團(tuán)，由于新生對(duì)流云團(tuán)的不斷合并補(bǔ)充使濮陽(yáng)市區(qū)到濮陽(yáng)縣北部的對(duì)流云團(tuán)發(fā)展壯大，進(jìn)而形成中β尺度對(duì)流系統(tǒng)，并在濮陽(yáng)市中部影響4 h之久所造成的。強(qiáng)降水發(fā)生在中尺度對(duì)流系統(tǒng)后部云頂亮溫大梯度區(qū)。加密自動(dòng)站中尺度分析結(jié)果表明，輻合線(xiàn)、人字形輻合線(xiàn)頂部氣旋曲率最大處及右前方的東南氣流大值區(qū)加大了地面輻合，觸發(fā)并促進(jìn)對(duì)流發(fā)展，對(duì)流云單體發(fā)展、合并、加強(qiáng)并向東傳播，導(dǎo)致降水增強(qiáng)。

5.2 雷達(dá)回波中尺度演變分析

由于強(qiáng)降水發(fā)生在濮陽(yáng)市區(qū)雷達(dá)站附近，考慮到靜錐區(qū)的影響，選用鄭州雷達(dá)組合反射率因子產(chǎn)品對(duì)影響濮陽(yáng)市區(qū)的中尺度對(duì)流多單體進(jìn)行分析。

5.2.1 鄭州雷達(dá)組合反射率因子演變特征

雷達(dá)回波的演變可以更清晰地反映云圖上中尺度對(duì)流系統(tǒng)的細(xì)微變化特征。13日白天濮陽(yáng)市上游地區(qū)不斷有分散性對(duì)流單體發(fā)展東移影響濮陽(yáng)市，并產(chǎn)生陣性降水。20:30(圖7a)，內(nèi)黃縣南部、濮陽(yáng)市區(qū)南部和濮陽(yáng)縣南部分別有對(duì)流單體存在，中心強(qiáng)度為51 dBZ，濮陽(yáng)市區(qū)南部降水開(kāi)始增強(qiáng)。21:12(圖7b)在對(duì)流云團(tuán)后部溫度大梯度區(qū)，受地面輻合線(xiàn)作用，對(duì)流單體得到發(fā)展，濮陽(yáng)市區(qū)南部和濮陽(yáng)縣南部?jī)蓚€(gè)對(duì)流單體發(fā)展合并,形成西北-東南向帶狀對(duì)流多單體，位于濮陽(yáng)市區(qū)南部到濮陽(yáng)縣北部，中心強(qiáng)度為52 dBZ，內(nèi)黃縣南部的對(duì)流單體T1原地加強(qiáng)。21:30(圖7c)內(nèi)黃縣南部的對(duì)流單體T1略向東移，其前沿進(jìn)入清豐縣西南部。在地面輻合線(xiàn)作用下，濮陽(yáng)市區(qū)到濮陽(yáng)縣北部的帶狀對(duì)流多單體強(qiáng)烈發(fā)展并緩慢東移，面積增大，強(qiáng)度增強(qiáng)，大面積回波在50 dBZ以上，中心強(qiáng)度為53 dBZ。人民辦站21:10-21:30連續(xù)2個(gè)10 min降水量分別達(dá)24.8 mm和25.3 mm，龍?jiān)凑竞土驼?1:30-21:40降水量分別為19.7 mm和13.4 mm，降水自西向東依次增強(qiáng)。22:12(圖7d)，內(nèi)黃縣南部的對(duì)流單體T1東移與濮陽(yáng)市區(qū)的帶狀對(duì)流多單體合并，此時(shí)地面輻合線(xiàn)兩側(cè)風(fēng)速增大，輻合加強(qiáng)，在本地高溫、高濕環(huán)境中及地面輻合線(xiàn)作用下，在濮陽(yáng)縣西北部有γ中尺度新對(duì)流單體T2生成，中心強(qiáng)度為58 dBZ。22:18(圖略)，在云圖上中尺度對(duì)流系統(tǒng)后部溫度大梯度區(qū)控制的區(qū)域，新對(duì)流單體T2發(fā)展東移，與濮陽(yáng)市區(qū)帶狀對(duì)流多單體合并，并加強(qiáng)為60 dBZ，形成中β團(tuán)狀對(duì)流多單體。22:36(圖7e)合并后的中β強(qiáng)團(tuán)狀對(duì)流多單體東移，強(qiáng)度多為52～57 dBZ，中心強(qiáng)度達(dá)63 dBZ，其東部已影響到柳屯站。22:10-22:20人民辦站、龍?jiān)凑竞土驼?0 min降水量分別達(dá)20.8、30.0和14.6 mm，龍?jiān)凑?2:50的10 min降水量仍達(dá)29.6 mm。22：50內(nèi)黃縣南部又有新對(duì)流單體T3發(fā)展東移，并在23:00與濮陽(yáng)市區(qū)的中β團(tuán)狀對(duì)流多單體合并，在內(nèi)黃縣南部、濮陽(yáng)市區(qū)西部到濮陽(yáng)縣北部一帶新生的γ中尺度對(duì)流單體，不斷與濮陽(yáng)市區(qū)團(tuán)狀對(duì)流多單體合并，在向東移動(dòng)過(guò)程中具有列車(chē)效應(yīng)和后向傳播特征。23:00(圖7f)，隨著地面氣旋性環(huán)流的東移，柳屯站的東北風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，水汽輸送及輻合加強(qiáng)，柳屯站附近的回波強(qiáng)度達(dá)到52 dBZ，降水再次加強(qiáng)，人民辦站和龍?jiān)凑镜慕邓畡t開(kāi)始減弱。23:30(圖7g)，氣旋性環(huán)流前部東南風(fēng)進(jìn)一步增大,輻合增強(qiáng)，中β強(qiáng)團(tuán)狀對(duì)流多單體中心增強(qiáng)至55 dBZ以上。14日00:00(圖7h)中β強(qiáng)團(tuán)狀對(duì)流多單體回波開(kāi)始減弱，但強(qiáng)度仍在50 dBZ以上。因中β強(qiáng)團(tuán)狀對(duì)流多單體穩(wěn)定滯留在市區(qū)東部，致使柳屯站13日23:10-14日00:10連續(xù)60 min的每10 min降水量均在20 mm以上，23:20-23:30的10 min降水量最大，達(dá)24.4 mm。14日00:23團(tuán)狀對(duì)流多單體移出濮陽(yáng)市區(qū)，濮陽(yáng)市中部的強(qiáng)降水結(jié)束。對(duì)流單體13日20:30從西部移入，14日00:23從東部移出，在濮陽(yáng)市區(qū)影響了約4 h，造成人民辦站、龍?jiān)凑?、柳屯站多次出現(xiàn)10 min降水量大于10 mm的強(qiáng)降水。過(guò)程期間強(qiáng)降水區(qū)對(duì)流單體回波強(qiáng)度多在50 dBZ以上，中心強(qiáng)度達(dá)60 dBZ以上。地面中尺度氣旋性環(huán)流的生成，導(dǎo)致帶狀對(duì)流多單體、中β團(tuán)狀對(duì)流多單體等對(duì)流性降水回波東移緩慢，強(qiáng)降水回波長(zhǎng)時(shí)間滯留在濮陽(yáng)市中部，產(chǎn)生高效率對(duì)流性強(qiáng)降水，造成濮陽(yáng)市區(qū)及周邊局部特大暴雨。

5.2.2 鄭州雷達(dá)回波頂高特征

從鄭州雷達(dá)回波頂高演變(圖略)可以看到，20:06位于濮陽(yáng)市區(qū)西南部的人民辦站回波頂高為14.1 km；21:12該回波頂高上升至14.7 km，龍?jiān)凑净夭敻哌_(dá)14.9 km；21:30柳屯站回波頂高達(dá)到16.0 km；22:12柳屯站回波頂高仍達(dá)15.6 km，22:18該回波南移位于柳屯站以南到文留站西北，近16.0 km的回波頂高在柳屯站附近維持了約50 min；22:36該回波東南移至文留站附近，直到23:24濮陽(yáng)縣東北部王稱(chēng)固站最后一次出現(xiàn)15.0 km的回波頂高為止。20:06-23:24,對(duì)流單體最大回波頂高維持在14.0 km以上。整個(gè)強(qiáng)降水區(qū)域回波頂高在10.0 km以上，最大回波頂高在14.0 km以上，強(qiáng)盛時(shí)達(dá)16.0 km。最大回波頂高與衛(wèi)星云圖上最低云頂亮溫位置相吻合。分析對(duì)應(yīng)降水實(shí)況可知，人民辦站、龍?jiān)凑竞土驼咀畲蠡夭敻叱霈F(xiàn)時(shí)刻均超前于最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)的時(shí)刻。

由以上分析可以看出，過(guò)程前期受對(duì)流多單體影響，后期由于濮陽(yáng)市區(qū)到濮陽(yáng)縣北部不斷有中γ尺度新生對(duì)流單體與帶狀對(duì)流多單體合并加強(qiáng)形成中β強(qiáng)團(tuán)狀對(duì)流多單體且移動(dòng)緩慢，在濮陽(yáng)市中部長(zhǎng)時(shí)間滯留并持續(xù)影響，造成多頻次、高效率對(duì)流性強(qiáng)降水，造成濮陽(yáng)市區(qū)及周邊特大暴雨。

6 結(jié)論與討論

本文利用多種觀測(cè)資料，對(duì)2021年“6·13”濮陽(yáng)特大暴雨過(guò)程的中尺度特征及成因和大氣層結(jié)、環(huán)境物理量特征進(jìn)行了綜合分析，揭示了一些觀測(cè)事實(shí)，得到以下幾點(diǎn)主要結(jié)論：

(1)“6·13”特大暴雨過(guò)程是500 hPa低槽、700 hPa和850 hPa暖切變線(xiàn)及地面中尺度輻合線(xiàn)等系統(tǒng)共同影響所致。500 hPa低槽攜帶冷空氣東移、與700 hPa和850 hPa暖切變線(xiàn)共同為強(qiáng)降水提供動(dòng)力條件；暖切變線(xiàn)兩側(cè)的西南和東南氣流在濮陽(yáng)市匯合，提供了水汽和不穩(wěn)定能量，位于濮陽(yáng)市的地面中尺度輻合線(xiàn)、輻合區(qū)起到觸發(fā)、維持和加強(qiáng)對(duì)流的作用。

(2)深厚的濕層和偏高的整層可降水量、偏低的抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度、極不穩(wěn)定的大氣層結(jié)、中層較大的垂直風(fēng)切變，為濮陽(yáng)市對(duì)流性高效率強(qiáng)降水提供了有利的環(huán)境條件。

(3)強(qiáng)降水發(fā)生在地面中尺度輻合線(xiàn)北側(cè)東北氣流中或人字形輻合線(xiàn)頂部氣旋曲率最大處及右前方的東南氣流大值區(qū)，中尺度輻合線(xiàn)、輻合區(qū)的存在使濮陽(yáng)市區(qū)成為對(duì)流云團(tuán)的觸發(fā)和加強(qiáng)區(qū)域。衛(wèi)星云圖上濮陽(yáng)市區(qū)及上游不斷有小塊對(duì)流云單體生成，并在緩慢東移中，強(qiáng)烈發(fā)展成新對(duì)流云團(tuán)。由于新對(duì)流云團(tuán)的不斷補(bǔ)充，使該地區(qū)對(duì)流云團(tuán)不斷發(fā)展壯大，進(jìn)而形成β中尺度對(duì)流系統(tǒng)，并在濮陽(yáng)市區(qū)持續(xù)影響4 h。強(qiáng)降水位于β中尺度對(duì)流系統(tǒng)后部云頂亮溫大梯度區(qū)。

(4)雷達(dá)回波顯示，過(guò)程前期受中γ尺度對(duì)流單體或中β尺度對(duì)流多單體影響，后期是由于本地不斷有中γ尺度新生對(duì)流單體與帶狀對(duì)流多單體合并加強(qiáng)，形成中β尺度團(tuán)狀對(duì)流多單體，并滯留在濮陽(yáng)市中部，前后持續(xù)影響約4 h，造成多頻次、高效率對(duì)流性強(qiáng)降水，形成特大暴雨。

此次天氣過(guò)程河南降水分布極不均勻，僅在濮陽(yáng)市、南陽(yáng)市、周口市和商丘市出現(xiàn)局地暴雨、大暴雨，尤其是濮陽(yáng)縣出現(xiàn)了極端、超歷史同期極值的強(qiáng)降水。數(shù)值模式對(duì)局地強(qiáng)降水預(yù)報(bào)能力非常有限，預(yù)報(bào)員也很難把握其具體落區(qū)和量級(jí)，極端強(qiáng)降水是日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的難點(diǎn)。本文主要對(duì)極端強(qiáng)降水的中尺度特征及成因和環(huán)境條件等進(jìn)行初步分析，極端暴雨的形成機(jī)理還需要深入研究。通過(guò)數(shù)值模擬、診斷分析等技術(shù)手段可進(jìn)一步揭示極端暴雨的成因，從而提高對(duì)此類(lèi)暴雨的認(rèn)識(shí)。預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中可通過(guò)相似個(gè)例研究其共同特征，局地暴雨、大暴雨和特大暴雨等中尺度指標(biāo)分析，也是今后需要加強(qiáng)研究的內(nèi)容之一。