對流層高層冷渦對“21·7”河南持續(xù)性極端暴雨影響分析*

蔡薌寧 陳 濤,2,3 諶 蕓,2,3 符嬌蘭,2 胡 寧,2

1 國家氣象中心，北京 100081 2 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 3 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(珠海)，珠海 519082

提 要： 2021年7月17—22日河南出現(xiàn)歷史罕見持續(xù)性特大暴雨，期間我國東部海區(qū)上空的對流層高層冷渦(upper tropospheric cold low,UTCL)與河南降水幾乎同步增強，對降水天氣形勢發(fā)展存在影響。強降水過程期間河套高空短波槽、黃淮高壓脊、UTCL以及日本海阻塞高壓形成準(zhǔn)靜止波列，環(huán)流系統(tǒng)異常穩(wěn)定，由于UTCL在我國東部海區(qū)上空停滯，導(dǎo)致西風(fēng)急流在河南及其以東地區(qū)形成大尺度持續(xù)性輻散分流。河南暴雨高空輻散區(qū)的建立和增強與UTCL西側(cè)的西北風(fēng)急流增強直接相關(guān)；UTCL東側(cè)急流增強了臺風(fēng)煙花的高層流出，有利于臺風(fēng)加強進(jìn)而影響河南暴雨區(qū)水汽輸送；UTCL引起的高空下沉運動增強了副熱帶高壓的穩(wěn)定性，間接增強了從東部海區(qū)向河南的偏東風(fēng)水汽輸送。UTCL數(shù)值預(yù)報不確定性較大，隨著預(yù)報時效臨近，UTCL環(huán)流中心不斷向偏北方向調(diào)整、強度增強，對應(yīng)河南暴雨落區(qū)有向東調(diào)整的趨勢。集合預(yù)報成員中強、弱UTCL環(huán)流分組對比表明，較強的UTCL環(huán)流有利于增強河南上空的反氣旋性輻散流出，對降水增強較為有利，基于集合預(yù)報敏感性的診斷進(jìn)一步證實了上述結(jié)論。

引 言

“21·7”河南極端暴雨是東亞大氣環(huán)流異常協(xié)同作用下的結(jié)果，涉及高中低層多種類、多尺度天氣系統(tǒng)間的相互作用。此次極端降水過程中出現(xiàn)了以往研究較少、但具有重要影響的對流層高層冷渦(upper tropospheric cold low，UTCL)天氣系統(tǒng)。UTCL是對流層高層大尺度、長生命史的氣旋性環(huán)流系統(tǒng)，對大尺度環(huán)流形勢和上下游天氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性有顯著影響，并與中低層氣旋和冷渦天氣系統(tǒng)有顯著區(qū)別(汪小康等，2022；蘇愛芳等，2022；楊浩等，2022)。Riehl(1948)首先在夏季副熱帶北太平洋和北大西洋的對流層高層發(fā)現(xiàn)了UTCL，指出UTCL增強了對流層高層流出氣流，有利于低空低值系統(tǒng)發(fā)展。Kelley and Mock(1982)研究表明UTCL大致位于 700～100 hPa高度層，下沉氣流占優(yōu)勢。Chen and Chou(1994)統(tǒng)計表明UTCL平均生命史為6.3 d，8月出現(xiàn)頻率最多，10月最少，具有明顯的年際變化和月際變化，并且87%的UTCL在西北部或者南部象限都存在高空急流。Wang et al(2012)系統(tǒng)研究了UTCL的生成歷程，指出UTCL可從西風(fēng)槽切斷冷渦(Palmer,1953)，或從太平洋、大西洋洋中槽中產(chǎn)生(Colton,1973；Thorncroft et al,1993)。Chen et al(2001)研究了1998年7月上旬西太平洋一次長生命史UTCL活動事件，UTCL間接導(dǎo)致西太平洋臺風(fēng)活動中斷，其西側(cè)高空急流與南亞高壓東南側(cè)急流合并，加強了我國長江中下游地區(qū)的高空輻散條件，與1998年7月上旬我國長江中下游極端暴雨過程有顯著相關(guān)。

2021年7月17—22日河南發(fā)生了歷史罕見的特大暴雨，期間UTCL在我國東部海區(qū)上空穩(wěn)定維持，UTCL等高層天氣系統(tǒng)對于大尺度天氣環(huán)流形勢的穩(wěn)定性、河南暴雨區(qū)高空輻散以及高低空急流耦合配置關(guān)系有直接影響，并與臺風(fēng)煙花、西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)以及低層偏東風(fēng)急流等關(guān)鍵暴雨系統(tǒng)存在復(fù)雜相互作用。本文將研究此次河南極端降水過程中UTCL的發(fā)展特征和變化機制，重點分析UTCL對河南暴雨天氣發(fā)展的影響，基于集合預(yù)報分析UTCL天氣系統(tǒng)數(shù)值可預(yù)報性，深化對河南極端暴雨過程中多尺度天氣系統(tǒng)特征和發(fā)展機制的科學(xué)認(rèn)識。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文觀測數(shù)據(jù)主要采用國家氣象信息中心整編全國區(qū)域站降水量觀測、國家衛(wèi)星氣象中心FY-4A衛(wèi)星10.8 μm紅外輻射亮溫和6.25 μm水汽通道云導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。天氣形勢分析診斷基于ERA5(0.25°×0.25°，逐1 h)再分析數(shù)據(jù)。應(yīng)用EC-EPS集合預(yù)報產(chǎn)品(0.5°×0.5°，逐6 h；1個控制成員和50個擾動成員預(yù)報)分析UTCL和河南降水預(yù)報穩(wěn)定性，基于集合分組對比(Schumacher et al，2013)、集合預(yù)報敏感性方法(Torn and Hakim,2008；陳濤等，2019)分析UTCL對河南暴雨天氣過程的可能影響。

2 河南“21·7”極端降水特征和天氣形勢

2.1 降水特征

2021年7月17—22日，河南省出現(xiàn)歷史罕見的特大暴雨，強降水范圍廣、持續(xù)時間長、累計雨量大、短時降雨極強，在累計降水量、日雨量、小時雨量等方面都表現(xiàn)出明顯極端性。19—21日河南省中北部連續(xù)3天出現(xiàn)大暴雨，累計降水量普遍超過400 mm(圖1a)；鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁和安陽等20個國家級氣象站日降水量突破建站以來歷史極值；過程最大降水量1 122.6 mm(鶴壁科創(chuàng)中心站)，鄭州站20日08時至21日08時(北京時，以下皆同)日降水量達(dá)624.1 mm，達(dá)建站以來最大日降水量的3.4倍。從逐時降水特征看(圖1b)，鄭州站降水集中在20日，最大小時降水量達(dá)201.9 mm(20日16—17時)，創(chuàng)下中國大陸地區(qū)國家氣象站逐小時降水量歷史極值；河南北部的鶴壁地區(qū)降水集中在20—21日，最大小時降水量為120.5 mm(21日13—14時)，由于降水時間更長，累計降水量也更大。

圖1 2021年7月(a)17日08時至23日08時區(qū)域自動站累計降水量(填色)，(b)18日08時至22日20時鄭州站和(c)鶴壁科創(chuàng)中心站逐小時降水量(圖1a中“▽”標(biāo)志為日降水量突破建站以來極值站點，方框為降水關(guān)鍵區(qū))Fig.1 (a) Accumulated precipitation (colored) from 08:00 BT 17 to 08:00 BT 23 July, (b, c) hourly precipitation at (b) Zhengzhou Station and (c) Hebi Kechuangzhongxin Station from 08:00 BT 18 to 20:00 BT 22 July 2021(Daily rainfall record-breaking stations are marked with “▽”, and the box is the major rainstorm area in Henan Province in Fig.1a)

2.2 大氣環(huán)流持續(xù)性異常特征

歷史上“75·8”“63·8”極端降水過程都出現(xiàn)在大尺度東風(fēng)氣流穩(wěn)定維持、東部海區(qū)有熱帶氣旋活動的天氣環(huán)流背景下(陶詩言，1980；李澤椿等，2015；丁一匯，2015)，此次河南極端暴雨過程天氣形勢與其有相似之處。河南暴雨過程前東亞中高層天氣環(huán)流形勢出現(xiàn)持續(xù)性異常，7月15日前后副高北跳至日本海，副高西段脊線穩(wěn)定在42°N左右，較氣候平均的副高位置偏北約14個緯距，脊線偏北幅度達(dá)到2倍氣候標(biāo)準(zhǔn)差以上(圖2a)。持續(xù)偏北的副高在其南側(cè)形成寬廣的東風(fēng)氣流區(qū)，將水汽從海區(qū)向我國中東部內(nèi)陸地區(qū)輸送，有利于在太行山等大尺度地形前形成持續(xù)性降水過程。河南強降水過程期間，臺風(fēng)煙花與其北側(cè)副高之間形成顯著氣壓梯度，進(jìn)一步加強了偏東風(fēng)水汽向河南的輸送。我國大陸地區(qū)500 hPa環(huán)流為明顯的“鞍型場”形勢，河南處于“鞍型場”南側(cè)低壓倒槽區(qū)內(nèi)，未受到明顯高空槽、鋒面氣旋等典型中緯度斜壓天氣系統(tǒng)影響，不利于出現(xiàn)典型西風(fēng)帶鋒面暴雨。

200 hPa上顯著位勢高度場距平出現(xiàn)在東亞遠(yuǎn)東地區(qū)50°N附近(圖2b)，高度場異常與東北亞地區(qū)的阻塞形勢有直接關(guān)系。河南暴雨期間，我國東部海區(qū)上空出現(xiàn)穩(wěn)定維持的UTCL系統(tǒng)，平均環(huán)流中心位于35°N、125°E 附近，以200 hPa環(huán)流場上最大風(fēng)速半徑估計，UTCL環(huán)流的水平尺度約1 000 km左右；在UTCL東側(cè)還存在龐大穩(wěn)定的日本海阻塞高壓，其高壓脊北側(cè)高度距平超過250 gpm。由于UTCL以及日本海阻塞高壓系統(tǒng)在東亞東部海區(qū)上空異常穩(wěn)定維持，南亞高壓北側(cè)的西風(fēng)急流在東亞地區(qū)出現(xiàn)大尺度分流，形成有利于持續(xù)性降水過程的高空輻散流場。UTCL作為構(gòu)成高空大尺度穩(wěn)定環(huán)流形勢的重要成員之一，其發(fā)展特征及其對河南暴雨天氣形勢的影響值得進(jìn)一步分析研究。

圖2 2021年7月17—22日(a)500 hPa平均位勢高度場(等值線，單位：gpm)、距平(填色)以及850 hPa風(fēng)場,(b)同圖2a,但為200 hPa位勢高度場、距平以及200 hPa風(fēng)場(圖2a中綠色等值線為7月下旬氣候平均500 hPa高度場，黑色粗?jǐn)嗑€為氣候平均副高脊線位置)Fig.2 (a) Averaged geopotential height (contour, unit: gpm) with height anomaly (colored) at 500 hPa and 850 hPa wind field from 17 to 22 July 2021， (b) same as Fig.2a, but for 200 hPa and 200 hPa wind field(In Fig.2a, green line is climatically averaged 500 hPa geopotential height in the last dekad of July and thick dashed line is for subtropical high ridge)

3 UTCL發(fā)展過程及其對河南暴雨過程的影響

3.1 UTCL發(fā)展過程

此次UTCL的生成與北太平洋中部長波槽切斷過程相關(guān)。7月14日南亞高壓東段在遠(yuǎn)東地區(qū)切斷出一個高壓中心，并逐漸向東北方向的阿留申低壓槽區(qū)移動(圖3a)；同時日本海南部的高壓脊逐漸向北伸展加強，在這兩個高壓的切斷作用下，阿留申長波槽底部逐步切斷出一個閉合高空渦旋，在其北側(cè)高壓系統(tǒng)底部的偏東風(fēng)引導(dǎo)下，緩慢向我國東部海區(qū)移動(圖3b)；16日UTCL移入東海，17—22日以UTCL為中心，UTCL上下游天氣系統(tǒng)異常穩(wěn)定，河套高空槽、黃淮高壓脊、UTCL與日本海阻塞高壓的空間位置基本保持不變，形成較為罕見的準(zhǔn)靜止駐波結(jié)構(gòu)(圖3c,3d)。丁一匯(1994)指出，持續(xù)性大暴雨出現(xiàn)在長波系統(tǒng)穩(wěn)定時期，區(qū)域性特大暴雨的形成一定有穩(wěn)定的天氣環(huán)流形勢配合。此次過程中UTCL生命史長達(dá)9 d，以其為中心的上下游多個天氣系統(tǒng)穩(wěn)定維持，是此次河南極端暴雨過程較為特殊的天氣特征之一。

圖3 2021年7月(a)14日08時，(b)17日08時，(c)19日08時，(d)20日08時200 hPa位勢高度(藍(lán)線，單位：dagpm)和流場(黑線)(紅色、棕色粗?jǐn)嗑€分別為槽線和脊線，紅色風(fēng)羽表示風(fēng)速>25 m·s-1)Fig.3 Geopotential height (blue line, unit: dagpm) and wind stream (black line) at 200 hPa at 08:00 BT of (a) 14, (b) 17, (c) 19 and (d) 20 July 2021(thick red dashed line: trough, brown dashed line: ridge, red wind barb: wind speed over 25 m·s-1)

從200 hPa相對渦度和水平風(fēng)場的經(jīng)度-時間演變特征分析(圖4)，7月19—21日UTCL環(huán)流中心位于125°E附近，有緩慢東移趨勢。19日開始，UTCL相對渦度迅速增強，UTCL中心東西兩側(cè)的急流增強到25～30 m·s-1，其中西側(cè)急流增強更為明顯。與此同時，河南暴雨區(qū)的200 hPa高空輻散、低層850 hPa垂直運動幾乎同步增強，其中高空輻散區(qū)出現(xiàn)在113°～117°E的偏西氣流中，暴雨區(qū)上空高空流出氣流與UTCL西側(cè)急流區(qū)匯合；850 hPa 上升運動在鄭州站附近準(zhǔn)靜止維持，與高空輻散氣流形成明顯耦合關(guān)系并維持將近72 h，長時間維持的有利環(huán)境動力條件是導(dǎo)致河南極端性降水的重要原因之一。

圖4 2021年7月19—21日33°～36°N 緯度平均200 hPa風(fēng)場(風(fēng)羽)和水平散度(填色)經(jīng)度-時間演變(紅色等值線為200 hPa相對渦度，>1.0×10-4 s-1；藍(lán)色等值線為850 hPa垂直速度，<-0.5 Pa·s-1；藍(lán)色實心三角處為鄭州站經(jīng)度113.7°E位置)Fig.4 Zonal-averaged wind (wind barb) and horizontal divergence (colored) between 33°-36°N at 200 hPa from 19 to 21 July 2021 (red contour: relative vorticity above 1.0×10-4 s-1 at 200 hPa, blue contour: vertical velocity below -0.5 Pa·s-1 at 850 hPa, blue solid triangle: longitude of Zhengzhou Station, the same below)

3.2 UTCL對周邊天氣系統(tǒng)的影響

7月20日08時河南中東部高空輻散區(qū)顯著增強(圖5a)，其中向東北方向的高空出流與河套高空槽前的西南氣流相關(guān)，由于19—20日河套高空槽、黃淮高壓脊有所加強，高空槽前的西南風(fēng)增強有利于河南暴雨關(guān)鍵區(qū)上空的輻散流出；而河南暴雨區(qū)上空向東南方向的高空出流分支與UTCL西側(cè)的西北急流匯合，構(gòu)成最主要的高空流出氣流，因此UTCL對其上游河南上空大尺度輻散區(qū)的維持和加強有重要影響。對比同時刻FY-4A云導(dǎo)風(fēng)(圖5b)，河南上空的高空輻散流場、UTCL環(huán)流等天氣系統(tǒng)特征與 ERA5再分析基本一致，但河南暴雨區(qū)上空的云導(dǎo)風(fēng)風(fēng)速較ERA5分析場偏強2～4 m·s-1，UTCL中心西側(cè)和東側(cè)的云導(dǎo)風(fēng)急流較ERA5分析場偏強4～8 m·s-1，位置穩(wěn)定、旋轉(zhuǎn)更強的UTCL通過高空急流的“抽吸”作用，有利于其上游方向河南暴雨區(qū)高空輻散流出、增強。

此外，UTCL對臺風(fēng)煙花的強度、移動路徑也有潛在影響。7月19—21日，臺風(fēng)煙花、UTCL都處于東西兩環(huán)高壓之間的高空深槽區(qū)內(nèi)，臺風(fēng)煙花中高層引導(dǎo)氣流較弱，是導(dǎo)致臺風(fēng)移動緩慢的原因之一，臺風(fēng)在西太平洋暖池區(qū)有充分的回旋加強時間。20日08時FY-4A衛(wèi)星觀測表明(圖5b)，UTCL環(huán)流在下沉氣流控制下一般為少云區(qū)；臺風(fēng)煙花北側(cè)高層流出氣流與UTCL東側(cè)的偏南急流聯(lián)通，建立了優(yōu)越的高層流出條件，有利于臺風(fēng)強度加強。在上述多重因素作用下，19日白天至20日中午“煙花”增強為臺風(fēng)級，在副高南側(cè)東南風(fēng)與“煙花”北側(cè)偏東風(fēng)共同作用下，東海至黃淮地區(qū)建立深厚、穩(wěn)定的東南風(fēng)氣流，為河南強降雨提供了充沛的水汽來源。

圖5 2021年7月20日08時(a)200 hPa位勢高度(等值線，單位：dagpm)，風(fēng)場(風(fēng)羽)和水平散度(填色)，(b)FY-4A 10.8 μm 紅外輻射亮溫(填色)和6.25 μm水汽通道云導(dǎo)風(fēng)Fig.5 (a) Geopotential height (contour, unit: dagpm), wind (wind barb) and horizontal divergence (colored) at 200 hPa, (b) infrared bright temperature (colored) at 10.8 μm and cloud drift wind of 6.25 μm (water vapour) channel from FY-4A at 08:00 BT 20 July 2021

UTCL環(huán)流中心與鄭州基本處于同一緯度，從過鄭州站緯度的垂直剖面分析(圖6)可見，125°E 附近UTCL環(huán)流的正相對渦度區(qū)位于400～150 hPa，環(huán)流中心處于200 hPa，天氣系統(tǒng)在垂直方向基本保持直立，沒有明顯的傾斜結(jié)構(gòu)特征，UTCL兩側(cè)急流風(fēng)速達(dá)28～32 m·s-1。在東部海區(qū)至黃淮內(nèi)陸地區(qū)的110°～130°E間，對流層低層有穩(wěn)定的偏東風(fēng)急流；在河南中部鄭州附近，700 hPa以下有顯著的輻合區(qū)，并有與正相對渦度區(qū)對應(yīng)的中尺度低渦系統(tǒng)，進(jìn)一步增強了水汽聚集和對流組織化程度，強烈的對流上升運動高度達(dá)到200 hPa以上。河南暴雨區(qū)上空500 hPa以上出現(xiàn)強烈輻散，其中200 hPa 附近的高空偏西流出氣流與UTCL西側(cè)的高空急流匯合，建立起低層?xùn)|風(fēng)急流輻合抬升、高空西北急流輻散流出的高低空急流耦合關(guān)系。由于河南暴雨區(qū)上空上下游天氣系統(tǒng)的穩(wěn)定維持，高低空急流耦合關(guān)系從19日夜間建立后，一直維持到21日，造成了河南中部地區(qū)的長時間強降水。

將基站(0，0)所在六邊形網(wǎng)格作為第0層，從內(nèi)向外進(jìn)行網(wǎng)格的分層，由于區(qū)域內(nèi)共有M個蜂窩網(wǎng)格，而第k層中包含6k個網(wǎng)格，故除第0層外，總層數(shù)L滿足3L2+3L+1≥M>3L2-3L+1，則總層數(shù)對于某個網(wǎng)格而言，假設(shè)其中心點坐標(biāo)位置為(xp,yp)，若|yp|則對應(yīng)的層數(shù)kL,k∈N*)；反之，對應(yīng)的層數(shù)

圖6 2021年7月20日08時過鄭州站附近34.75°N垂直剖面的位溫(綠線，單位: K)、相對渦度(紅線，單位：10-5 s-1)、經(jīng)向風(fēng)速(藍(lán)線，單位：m·s-1)和水平散度(填色)(風(fēng)矢量為緯向風(fēng)u和垂直速度w的合成，w放大10倍)Fig.6 Potential temperature (green line, unit: K), relative vorticity (red line, unit: 10-5 s-1), meridional wind speed (blue line, unit: m·s-1) and horizontal divergence (colored) on the vertical cross-section along 34.75°N near Zhengzhou Station at 08:00 BT 20 July 2021(Wind vector is composed by zonal wind and vertical velocity amplified by 10 times)

3.3 UTCL環(huán)流增強特征和機制分析

從19日08時至21日08時，河南暴雨關(guān)鍵區(qū)上空200 hPa輻散有顯著增強趨勢(圖7)；從UTCL環(huán)流平均相對渦度變化特征看，UTCL中心相對渦度由2.4×10-5s-1增強至4.6×10-5s-1，48 h內(nèi)增強了將近1倍，兩者之間時間序列相關(guān)系數(shù)達(dá)0.94，表明UTCL環(huán)流增強與河南暴雨關(guān)鍵區(qū)上空高空輻散之間有較好的相關(guān)性。

圖7 2021年7月18—22日UTCL中心500 km范圍內(nèi)200 hPa區(qū)域平均相對渦度(實線)和降水關(guān)鍵區(qū)平均200 hPa水平散度(虛線)時間演變Fig.7 Temporal evolutions of the 200 hPa area-averaged relative vorticity (solid line) in 500 km range to UTCL center and the 200 hPa averaged horizontal divergence (dashed line) in the key precipitation area from 18 to 22 July 2021

絕熱條件下，天氣系統(tǒng)相對渦度的局地變化取決于相對渦度傾向方程右側(cè)的平流項、垂直輸送項、伸展項(與水平風(fēng)場輻合輻散相關(guān))和傾側(cè)項(Holton，2004)：

平流項 垂直輸送項

(1)

伸展項 傾側(cè)項

式中：ξ為相對渦度，(ξ+f)為絕對渦度，V為水平風(fēng)速矢量，k為垂直方向單位矢量。針對UTCL主要活動區(qū)域內(nèi)診斷相對渦度方程各項，平流項和伸展項的時間-高度演變特征表明(圖8a,8b)，19日夜間開始，300～150 hPa的相對渦度有顯著增強，正相對渦度中心位于200 hPa附近，其中平流項和伸展項高值區(qū)也都集中在200 hPa左右并且符號相反，而垂直輸送項和傾側(cè)項比平流項和伸展項小1個數(shù)量級，因此UTCL相對渦度傾向主要取決于平流項和伸展項的相對大小。在UTCL控制下，400～200 hPa 以下沉運動為主(圖8c)，下沉運動中心位于300 hPa左右，中高層下沉運動對中層500 hPa副高的穩(wěn)定維持較為有利，也間接有利于副高南側(cè)東風(fēng)氣流水汽輸送的穩(wěn)定性；以往對臺風(fēng)個例研究也表明(許映龍等，2015)，大洋槽切斷低渦西移有利于副高的增強西伸。

圖8 2021年7月19—22日30°～40°N、120°～130°E區(qū)域平均(a)相對渦度(等值線，單位：10-5 s-1)和平流項(填色)，(b)水平散度(等值線，單位: 10-5 s-1)和伸展項(填色)，以及(c)垂直運動(等值線，單位：10-2 Pa·s-1)和垂直輸送項(填色)的時間-高度演變Fig.8 Time-height evolutions of (a) relative vorticity (contour, unit: 10-5 s-1) with vorticity advection term (colored), (b) horizontal divergence (contour, unit: 10-5 s-1) with stretching term (colored), (c) vertical velocity (contour, unit: 10-2 Pa·s-1) with vertical transportation term (colored) averaged on the box of 30°-40°N, 120°-130°E from 19 to 22 July 2021

200 hPa 上UTCL環(huán)流控制區(qū)內(nèi)相對渦度方程各項診斷表明(圖9)，式(1)右側(cè)4項之和的診斷相對渦度傾向與實際值誤差不超過10%，在UTCL相對渦度增長較明顯的19日夜間至20日早上，平流項以負(fù)值為主，伸展項以正值為主，伸展項代表的水平風(fēng)場輻合作用對UTCL的渦度增長貢獻(xiàn)最大。

圖9 2021年7月19日20時至20日20時200 hPa UTCL中心附近30°～40°N、120°～130°E相對渦度方程各項時間演變Fig.9 Time evolution of terms in relative vorticity equation averaged on the box of 30°-40°N, 120°-130°E around the center of UTCL circulation at 200 hPafrom 20:00 BT 19 to 20:00 BT 20 July 2021

4 UTCL數(shù)值可預(yù)報性分析

4.1 集合預(yù)報天氣環(huán)流形勢和降水預(yù)報調(diào)整

EC等主流業(yè)務(wù)模式對河南暴雨過程期間UTCL、副高以及臺風(fēng)煙花的路徑和強度都表現(xiàn)出顯著的預(yù)報調(diào)整和預(yù)報不連續(xù)，天氣系統(tǒng)位置、強度不確定性也導(dǎo)致河南暴雨具有高度預(yù)報不確定性。

對比EC-EPS不同起報時刻的20日08時200 hPa 環(huán)流形勢，7月16日20時起報的環(huán)流形勢(圖10a)與ERA5分析場(圖5a)相比，UTCL中心位置偏南、環(huán)流偏弱，位勢高度離散度高值區(qū)位于UTCL環(huán)流中心偏西側(cè)，表明UTCL具有較高預(yù)報不確定性。17日20時起報(圖10c)、18日20時起報(圖10e)的UTCL環(huán)流中心向偏北方向調(diào)整但中心經(jīng)度變動不大，同時位勢高度降低明顯，環(huán)流中心東西兩側(cè)急流有明顯增強。此外，河套地區(qū)高空槽東移略有加快、系統(tǒng)經(jīng)向度增大；日本上空的阻塞高壓也在逐步增強。EC-EPS形勢預(yù)報調(diào)整趨勢整體表現(xiàn)為東亞地區(qū)高空天氣系統(tǒng)振幅和環(huán)流強度增強、系統(tǒng)位相變動不大。

圖10 2021年7月(a,c,e)20日20時200 hPa集合平均風(fēng)場(紅色風(fēng)羽為風(fēng)速>25 m·s-1)、位勢高度場(等值線， 單位：dagpm)和離散度(填色),(b,d,f)20日08時至21日08時累計降水量集合平均(等值線，單位：mm)和離散度(填色)(a,b)16日20時起報，(c,d)17日20時起報，(e,f)18日20時起報Fig.10 (a, c, e) Ensemble-mean wind (red wind barb: wind speed over 25 m·s-1), geopotential height (contour, unit: dagpm) with spread (colored) at 200 hPa at 20:00 BT 20 July; (b, d, f) ensemble-mean precipitation (contour, unit: mm) and spread (colored, red barbs: wind speed over 25 m·s-1) from 08:00 BT 20 to 08:00 BT 21 July from EC-EPS forecast cycles initialized at 20:00 BT of (a, b) 16, (c, d) 17 and (e, f) 18 July 2021

4.2 集合預(yù)報成員分組對比

基于集合成員分組環(huán)流對比，可對比分析UTCL對天氣形勢的影響。以20日08時UTCL中心附近區(qū)域平均相對渦度作為基準(zhǔn)，計算各個成員UTCL區(qū)域平均相對渦度的距平(圖11)，第20、22、36和49號集合成員對應(yīng)較強UTCL環(huán)流，記為C1組；第25、31、45和47號成員對應(yīng)較弱的UTCL環(huán)流，記為C2組。

圖11 2021年7月20日08時EC-EPS(19日20時起報)各成員預(yù)報UTCL區(qū)域平均(30°～40°N、120°～130°E)相對渦度距平(圖上數(shù)字代表集合成員序數(shù))Fig.11 Relative vorticity anomaly averaged on box of (30°-40°N， 120°-130°E) from members of EC-EPS at 08:00 BT 20 initialized at 20:00 BT 19 July 2021(The number on the bar graph represents the corresponding ordinal number of EC-EPS members)

C1與C2組200 hPa高度場差異表明(圖12a)，由于C1組成員中UTCL位勢高度更低、環(huán)流更強，因此UTCL環(huán)流區(qū)對應(yīng)的高度場差值為負(fù)值區(qū)，C1組成員UTCL西側(cè)高空急流較C2組成員平均高出6～14 m·s-1；在河南中北部上空的風(fēng)場差異表現(xiàn)為反氣旋性風(fēng)場，有利于輻散流出。此外，河套地區(qū)高度場差異表明C1組成員中高空槽位置更為偏東，同樣有利于加強河南上空的輻散流出。對比C1、C2組低層850 hPa環(huán)流(圖12b)，由于C1組成員中有較強的UTCL環(huán)流，對應(yīng)中高層有更強的下沉運動，造成我國東部海區(qū)位勢高度場升高，有利于30°N附近的副高增強，因此C1組成員在UTCL環(huán)流中心南側(cè)的低層偏東氣流有所增強，有利于從東部海區(qū)向我國內(nèi)陸黃淮地區(qū)的水汽輸送；河南暴雨關(guān)鍵區(qū)出現(xiàn)了氣旋式環(huán)流異常，有利于C1組預(yù)報出較強降水。

圖12 2021年7月20日08時EC-EPS(19日20時起報)(a)200 hPa和(b)850 hPa上C1組成員平均位勢高度場(等值線，單位：gpm)，以及C1與C2組成員平均高度場差異(填色)和風(fēng)場差異Fig.12 Mean geopotential height (contour, unit: gpm) of C1 group, and geopotential height difference (colored) and wind difference between C1 and C2 groups at (a) 200 hPa and (b) 850 hPa at 08:00 BT 20 initialized at 20:00 BT 19 July 2021 from EC-EPS

4.3 降水預(yù)報集合敏感性分析

在集合預(yù)報空間中，以降水關(guān)鍵區(qū)20日08—20時區(qū)域平均降水量作為預(yù)報目標(biāo)，以200 hPa位勢高度場作為預(yù)報因子，降水預(yù)報對高空形勢的集合預(yù)報敏感性可定義為(王毅等，2020)：

上述公式在集合預(yù)報空間中進(jìn)行計算診斷，其中J為集合成員的關(guān)鍵區(qū)區(qū)域平均降水量，xt為預(yù)報t時刻的200 hPa高度場，cov為協(xié)方差算子，var為方差算子，ESA即為預(yù)報目標(biāo)對t時刻集合預(yù)報變量的敏感性，形式上與相關(guān)系數(shù)一致。20日08時預(yù)報敏感區(qū)分布與天氣系統(tǒng)配置關(guān)系密切(圖13)，在105°E附近的河套短波槽活動區(qū)域，高預(yù)報敏感區(qū)相對槽線位置表現(xiàn)為準(zhǔn)對稱分布，因此關(guān)鍵區(qū)降水與短波槽的空間位置具有較高預(yù)報相關(guān)性。在黃淮高壓脊和UTCL環(huán)流系統(tǒng)附近，高預(yù)報敏感區(qū)與天氣系統(tǒng)環(huán)流中心軸線的空間位置基本一致，因此關(guān)鍵區(qū)降水與對應(yīng)天氣系統(tǒng)波動的強度具有較高預(yù)報相關(guān)性。總體而言，當(dāng)河套短波槽位置偏東、黃淮高壓脊和UTCL環(huán)流經(jīng)向度更大時，有利于河南預(yù)報關(guān)鍵區(qū)出現(xiàn)更強降水，與通過集合預(yù)報UTCL環(huán)流特征分組對比分析的結(jié)論基本一致。

圖13 2021年7月20日08時EC-EPS(19日20時起報)200 hPa集合平均高度場(等值線，單位：dagpm)，風(fēng)場和關(guān)鍵區(qū)降水量集合預(yù)報敏感性(填色)Fig.13 EPS-mean geopotential height (contour, unit: dagpm) and wind at 200 hPa with ensemble sensitivity (colored) at 08:00 BT 20 initialized at 20:00 BT 19 July 2021 from EC-EPS

5 結(jié)論與討論

“21·7”河南極端暴雨過程受多尺度天氣系統(tǒng)的共同影響，其中UTCL對河南暴雨過程中天氣系統(tǒng)的穩(wěn)定維持、高空輻散增強等方面有重要作用，并與副高、臺風(fēng)等天氣系統(tǒng)有復(fù)雜的相互影響，綜合以上分析得出河南極端暴雨概念模型(圖14)及主要結(jié)論，供今后暴雨預(yù)報參考。

(1)概括描述了河南極端暴雨期間的天氣系統(tǒng)配置模型。在臺風(fēng)煙花和副高共同作用下，從東海至黃淮地區(qū)形成持續(xù)性偏東風(fēng)水汽輸送，在河南中西部地形抬升及中尺度低渦等因素共同作用下形成對流活動；暴雨區(qū)對流上升的高空輻散流出氣流與UTCL西側(cè)高空急流匯合，從而構(gòu)成高低空急流的緊密耦合。

(2)此次過程中的UTCL由太平洋中部長波槽擾動切斷、西移形成。19—22日河南極端暴雨過程期間，河套高空短波槽、黃淮高壓脊、UTCL以及日本海阻塞高壓形成準(zhǔn)靜止波列，由于UTCL在我國東部海區(qū)上空停滯，導(dǎo)致高層西風(fēng)在黃淮地區(qū)維持大尺度輻散分流。此外，UTCL東側(cè)急流增強了臺風(fēng)煙花的高層流出，有利于臺風(fēng)加強進(jìn)而影響河南暴雨區(qū)水汽輸送；UTCL引起的高空下沉運動增強了副高的穩(wěn)定性，間接增強了從東部海區(qū)向內(nèi)陸黃淮地區(qū)的偏東風(fēng)水汽輸送。

(3)此次過程中UTCL具有明顯預(yù)報不確定性。連續(xù)3個預(yù)報循環(huán)中UTCL中心經(jīng)度位置變動不大，但環(huán)流強度顯著增強；集合預(yù)報中具有較強UTCL環(huán)流的成員組在河南暴雨區(qū)上空有更清楚的反氣旋環(huán)流，UTCL中心下方對流層低層的偏東風(fēng)也更強，對河南強降水均較為有利；基于集合預(yù)報敏感性的分析進(jìn)一步證實了上述結(jié)論。

圖14 河南“21·7”極端暴雨三維天氣概念模型(黃色箭頭為925 hPa風(fēng)場、藍(lán)線為200 hPa高度場，粉色粗箭頭:顯著氣流,填色和紅色箭頭為過鄭州站34.75°N垂直截面上的正相對渦度和合成垂直風(fēng)場)Fig.14 Concept model for the “21·7” extreme rainstorm event in Henan Province(yellow arrow: horizontal wind on 925 hPa, blue line: geopotential height on 200 hPa, pink thick arrow: dominant airflows; colored and red arrow represent positive relative vorticity and flow vectors on the vertical section along 34.75°N near Zhengzhou Station, respectively)

通過對此次河南極端暴雨期間高空環(huán)流形勢進(jìn)行分析，初步揭示了以往天氣環(huán)流診斷分析和業(yè)務(wù)預(yù)報中關(guān)注較少的UTCL系統(tǒng)的重要作用。但UTCL作為對流層高層的天氣環(huán)流系統(tǒng)，觀測資料較少，預(yù)報不確定性較高，其與上下游、高低層天氣系統(tǒng)之間的復(fù)雜相互作用仍需進(jìn)一步深入分析。