“21·7”河南暴雨环境场及云的宏微观特征
时间：2023-03-01 14:35:06 来源：千叶帆 本文已影响人
高 洋 蔡 淼 曹治强 田 林 王 曦
1)(国家卫星气象中心/国家空间天气监测预警中心, 北京 100081)2)(许健民气象卫星创新中心，北京 100081)3)(中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室，北京 100081)4)(中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室，北京 100081)
2021年7月17—23日河南省遭遇了特大暴雨事件，其中郑州站最大小时降水量达到201.9 mm，创下1949年建站以来大陆地区气象观测小时降水量新记录。此次极端降水事件导致河南多地出现严重城市内涝、河流洪水、山体滑坡等多灾并发，城市交通运行中断，全省因灾死亡失踪398人，直接经济损失1200.6亿元。
“21·7”河南暴雨事件发生在异常偏北的副热带高压(以下简称副高)和大陆高压形势背景下，低空急流提供了异常强盛的水汽输送[1-4]，Nie等[5]利用后向轨迹模式发现两个最重要的水汽源分别是我国南方和西北太平洋；
Zhang等[6]也指出此次事件中偏东风较历史同期明显偏强。饶晨泓等[7]利用WRF模式模拟河南暴雨事件表明：台风烟花(2106)与副高相互作用，使得水汽通道打开，导致内陆地区强降水事件的发生，相比于台风烟花(2106)，台风查帕卡(2107)对此次暴雨事件的影响较弱。布和朝鲁等[8]利用轨迹模式发现，7月20日河南以西地区上空发生了对流层顶反气旋式波破碎事件，并与台风协调作用引发河南南侧的强经向水汽通量。除此之外，受地形阻挡影响，低层的东南急流在郑州产生辐合抬升，中高层的动力因子以及低层热力因子的相互配置较好，这些均为河南极端暴雨事件的维持和加强提供了有利条件[9-10]。
极端降水事件一直是预报的重点和难点，针对“21·7”河南暴雨事件，数值模式的预报存在较大不确定性，无论是全球模式还是中尺度模式，对此次河南暴雨落区的预报均存在一定偏差，对降水强度的预报也明显偏弱[11]。由此可见，对于暴雨事件，预报员关注模式结果的同时，也需要通过实时观测资料对数值模式结果进行暴雨落区预估和强度综合研判。
目前针对“21·7”河南暴雨的研究多集中在使用再分析资料讨论环流形势以及天气系统，而再分析资料只能用于暴雨个例的回溯研究，高时空分辨率的实时观测资料才能够客观追踪预警暴雨、强对流等灾害性天气事件。尽管天气雷达已经广泛应用在强对流天气的临近预报业务，但天气雷达捕捉到降雨回波时降水已经发生[12]。卫星观测能够提供全区域、全时次的云图信息，预报员可以掌握暴雨事件的发生、发展及动态变化，这对于订正数值预报有重要的应用价值。此外，随着卫星技术的发展，卫星监测空间分辨率的提高，能够提供更多的云细节信息，这对于了解对流云的宏微观特征有重要意义。截至目前，关于“21·7”河南暴雨的云特征分析工作未见报道，特别是基于卫星资料对此次极端降水过程的环境条件和云的宏微观特征尚未见详细阐述。
近年国内外许多学者利用气象卫星开展极端暴雨事件云宏观结构和微物理特征研究。气象卫星能够实现暴雨云团的发生发展监测[13-14]，同时其提供的云参数产品也被广泛应用于降水事件的研究中。刘健等[15]针对江淮地区的一次暴雨过程指出，FY-1D和NOAA卫星的云光学厚度与地面降水强度密切相关。郑倩等[16]利用CALIPSO卫星资料发现，台风等级越强，其降水云中的光学厚度越大，降水强度越大。周毓荃等[17]利用FY-2C和探空资料发现，云厚大于5 km，云底较低且粒子有效半径较大时，地面易出现降水。傅云飞[18]利用TRMM卫星结合多源观测资料发现暴雨系统强降水区云顶粒子有效半径多在15 μm以上。目前卫星云宏微观参数产品日趋多元化，研究人员基于FY-2E和Himawari-8等国内外多源卫星发现，相较于单一云参数，多种云宏观和微观参数的综合应用，对判断降水的发生和强度有更好的指示意义[19-22]。因此，卫星资料反映的云参数特征与降水关系一直是研究的热点和难点。
我国FY-4A静止气象卫星于2016年12月11日成功发射，不仅能够实现全区域、全时间段的连续观测，高时空分辨率的特点更有利于其捕捉对流云的发展过程，为强对流天气预警和短时临近预报预警提供定量的精细化服务[23]。自2017年起，国家卫星气象中心业务化发布了FY-4A卫星高时空分辨率的云产品，包括云顶高度、云顶温度、云粒子有效半径和云光学厚度等。针对FY-4A多通道扫描成像辐射计(AGRI)的云产品，研究人员利用国外卫星以及地基毫米波雷达开展了大量的精度验证工作，结果均表明：FY-4A AGRI云产品质量可靠，与国际上其他卫星，如日本的Himawari-8以及美国的MODIS，CloudSat，CALIPSO同类云产品精度相当[24-32]。
本文利用FY-4A静止气象卫星和FY-3D极轨气象卫星资料，结合ERA5再分析资料和地面逐小时观测资料，对“21·7”河南暴雨的环境条件、卫星视角下降水云的发展演变过程、降水云宏观结构和微物理特征进行深入分析，揭示风云卫星云参数产品与“21·7”河南暴雨事件降水强度、发生时间的关系，对于展现风云气象卫星在极端暴雨事件中的应用能力、为预报员提供决策参考等均具有重要的意义。
1.1 资 料
本研究选用2021年7月18—23日FY-4A静止气象卫星和FY-3D极轨气象卫星资料，中国区域气象站逐小时降水量资料以及ERA5全球大气再分析资料。其中，FY-4A卫星资料包括AGRI的中层水汽通道(7.1 μm)和长波红外通道(10.8 μm)亮温，以及FY-4A AGRI二级云产品，包括云顶高度、云顶温度和白天云微物理产品(云光学厚度和云粒子有效半径)，时间分辨率约为5 min，空间分辨率为4 km。由于云微物理信息反演受可见光通道影响，目前FY-4A卫星仅提供白天的云微物理特征参量。比湿产品来源于FY-3D卫星，垂直层次分为43层(1013.25 hPa至0.1 hPa)，空间分辨率为16 km，时间分辨率为每日两次(升轨和降轨)。欧洲中期天气预报中心ERA5全球大气再分析资料用于位势高度和风场分析，该资料水平分辨率为0.25°×0.25°，时间间隔为1 h。云光学厚度和降水量关系的气候统计特征分析选用2018—2021年夏季FY-4A卫星云光学厚度产品及同时间段河南省2432个气象站逐小时降水量资料。
1.2 方 法
1.2.1 云参数和气象站降水资料时空匹配方法
在空间匹配上，依据气象站的经纬度信息，选取FY-4A与其对应像素点的云参数产品；
气象站的逐小时降水量资料为1 h累积降水量，选取整点时刻的FY-4A云参数产品与其后1个时次的累积降水量进行时间匹配，如08:00(北京时，下同)的FY-4A云产品匹配08:00—09:00的气象站观测降水量。
1.2.2 云微物理特征分析方法
FY-4A产品能够提供白天云顶的微物理特征，采用文献[33-38]提出的表征对流云垂直增长规律的云顶温度-云粒子有效半径(T-re)关系模型，进一步分析此次河南暴雨对流云团的微物理过程和垂直增长特征。近年国内外学者基于该模型利用MODIS，NOAA-18等卫星资料开展了对流云物理过程的研究[39-44]。该模型将对流云的微物理过程分为5个阶段：①凝结增长区：云底上部，re随高度缓慢增长，-dre/dT斜率较小；
②碰并增长区：高于冻结温度时，re通过碰并过程随高度快速增长，-dre/dT斜率较大；
③雨胚形成区：re保持在20～25 μm之间，由云顶附近上升气流能拖住的最大粒子尺度决定，更大的粒子将会降落至云的中下部并最终从云底以降水的方式下落；
④混合相态区：T<0℃时，受碰并过程和混合相降水形成过程的共同影响，re随高度显著增长；
⑤冰化相态区：T<0℃，云中粒子全部冻结，re超过雨胚形成区或混合相态区，且保持相对稳定。
T-re模型选取的分析区域内需要包含不同云顶温度的对流云，充分反映对流云团不同发展阶段的粒子有效半径和云内温度的特征。针对选定的区域，卫星观测的每个像素点均对应一组T和re，记为1个统计样本。将每隔1℃温度区间的云粒子有效半径从小到大排序，统计不同百分比(25%，50%，75%，90%)的样本量对应的粒子有效半径数值，即可得到T-re模型图。
本文基于FY-4A反演的云顶温度(T)和云粒子有效半径(re)产品探究极端降水事件中对流云的垂直结构和云降水的物理过程。
2021年河南暴雨事件主要集中在7月18—23日，7月18—23日累积降水量如图1所示。雨带主要分布在河南的中部和北部地区，大部分地区5 d累积降水量为400～700 mm；
强降水中心主要分布在安阳、鹤壁、新乡和郑州，部分气象站降水量超过800 mm。其中，5 d最大累积降水量排名前3位的分别为鹤壁市淇滨区科创中心站(1116.2 mm)、郑州市新密白寨(990.2 mm)和新乡市凤凰山(950.3 mm)。7月19—21日逐日降水量较大，是此次极端天气事件降水最强时段。19日大暴雨和特大暴雨区域主要集中在郑州市的西部和南部地区；
20日降水范围和强度均有明显增加，特大暴雨区域位于郑州市和新乡市，其中郑州站日降水量为624.1 mm，新乡市原阳县日降水量为334.1 mm；
21日雨带明显向西北方向移动，主要分布在太行山以东，特大暴雨区域主要位于安阳、鹤壁和新乡，其中最大日降水量出现在鹤壁市科创中心站，为777.5 mm。
图1 2021年7月18—23日累积降水量分布
由降水实况可知，此次河南暴雨是一次极端强降水事件，降水持续时间长和降水强度大，雨带长时间稳定维持在河南省内，且单日降水强度大。
卫星水汽图像上干湿边界特征以及暗区亮度的变化，对天气系统发展有明确指示意义[45-46]。图2为FY-4A水汽通道图像与ERA5再分析资料500 hPa 位势高度分布，2021年7月18—19日水汽暗区位于内蒙古和西北地区中部，表明该区域受大陆高压控制，副高的暗区位于日本及其南部海域，强度弱于大陆高压，自内蒙古东部、华北至西南地区东部存在一条水汽带，河南北部和西部位于水汽带上(图略)。20日副高进一步西伸，大陆高压水汽暗区边界的位置和强度均较为稳定，河南位于两个高压之间的鞍型场内，有利于其上空低涡云系的稳定维持和发展；
21日大陆高压的暗区范围缩小、减弱。水汽图像显示，20日、21日河南上空对流云团白亮，表明对流发展旺盛，这也与图1中这两日降水量偏大对应较好。22日副高西脊线进一步西伸，大陆高压的暗区范围继续缩小、减弱，稳定的鞍型场配置被破坏，此次极端降水事件趋于结束(图略)。图3为FY-3D 850 hPa日平均比湿与ERA5再分析资料850 hPa 风场分布，20日河南北部主要为偏东风，中部和南部为偏南风，这样的风场配置使得河南省位于两股水汽输送带的交汇区域，台风烟花(2106)和台风查帕卡(2107)的水汽汇集到河南省中北部地区，局地比湿在14 g·kg-1以上，这也为20日郑州的极端降水提供了良好的水汽条件。随着台风查帕卡(2107)登陆，21日华南到河南存在明显的西南—东北向的水汽输送带，河南仍然位于湿舌前端。22日随着副高的西伸，台风烟花(2106)的靠近，西南—东北向的水汽输送带被破坏，河南省比湿明显降低，水汽条件变差，此次极端降水事件趋于结束(图略)。
图2 2021年7月20—21日FY-4A水汽通道亮温(灰度)和ERA5 500 hPa位势高度(蓝色等值线，单位：dagpm)
图3 2021年7月20—21日FY-3D 850 hPa日平均比湿(填色)及ERA5 850 hPa风场(矢量)分布
4.1 降水云宏观特征
由降水实况特征及卫星反演环境条件可知，2021年7月20日河南省低涡云系发展较强，日降水量较大。本文重点分析20日河南上空的降水云宏微观结构特征。图4为7月20日河南省对流云团的演变过程，其中冷云区(亮温小于-52℃)的范围用红色等值线标注。13:00对流云团主要覆盖河南中部和北部区域，形成对流复合体，郑州站(图4中黑色圆点)位于其内部。14:00对流云团出现合并，对流复合体内部亮温低值中心的变化表明其内部结构的改变。此时郑州位于冷云区边界，其西南侧有一新生对流云团，强度较强，最低亮温低于-70℃。14:00—15:00该对流云团扩大、发展并与河南北部的对流复合体合并。与此同时，河南南部有多个新生对流云团，随着它们向偏北方向移动，这些对流云团出现合并增强的过程。16:00北部对流复合体与郑州西南侧对流云团合并后继续发展，对流复合体的形态发生明显变化。图4显示，14:00—16:00郑州长时间位于对流云团冷云区边界亮温梯度的大值区，表明该区域上空对流云团云顶纹理丰富，起伏剧烈，对流发展旺盛，非常有利于强降水的发生。地面观测显示，16:00和17:00郑州站1 h累积降水量分别为60.6 mm和201.9 mm。17:00—18:00随着河南南部大量对流云团的涌入、合并，覆盖河南北部的对流复合体出现强度和位置变化，亮温较20日上午明显降低，亮温小于-62℃的冷云盖面积不断扩大，重组后的对流复合体位置偏东，20:00趋于成熟。由此可知，20日对流复合体经历了发展到成熟的过程，午后至傍晚(14:00—18:00)是对流发展阶段，对流复合体经历了结构的重组变化，与地面强降水时间段对应较好。
图4 2021年7月20日13:00—20:00 FY-4A长波红外通道亮温(郑州站以黑色圆点标出,红色实线为亮温-52℃等值线)
图5为7月20日郑州站云顶参数特征随逐小时降水量变化。郑州上空的云顶高度在20日早晨至中午一直维持在12 km以上，云顶高度相对稳定，午后云顶高度迅速降低，16:00—20:00云顶高度不断增加，20:00云顶高度为16.7 km。梁旭东等[4]利用雷达资料分析此次降水云回波特征发现，20日郑州上空的对流发展高度较高，20:00雷达回波区达15 km以上，是非常深厚的对流系统。随后至21日凌晨，云顶高度逐渐下降。由图5a可知，云顶高度和逐小时降水量并无很好的相关关系。图5b显示早晨至午后，郑州上空亮温约为-55℃，下午(14:00—16:00)亮温迅速升高后降低，表明云顶起伏剧烈，是对流发展阶段，结合图4可知，该时间段郑州位于对流云团冷云区边界亮温梯度的大值区；
18:00—20:00随着南侧大量对流云团的涌入，新的对流复合体发展成熟，尽管图5b显示该时间段郑州上空的亮温达到全天最低值，但由于其处于对流成熟阶段，该时间段的逐小时降水量明显低于下午。由此可见，郑州上空对流云的亮温数值及其随时间变化仅反映对流云所处的发展阶段，与降水量的大小无明显相关关系。亮温和云顶高度的变化并不能完全解释郑州16:00—18:00如此极端的降水特征。
图5 2021年7月20日08:00—21日08:00 FY-4A云宏观特征和郑州站逐小时降水量(a)云顶高度和降水量，(b)长波红外通道亮温和降水量
4.2 降水云白天微物理特征
4.2.1 云微物理量的演变特征
图6为郑州站FY-4A白天云微物理量和逐小时降水量的演变特征。图6a郑州云顶粒子有效半径在7月20日一直维持在20～30 μm，超过了14 μm 的降水粒子阈值[33]，但云顶粒子有效半径与逐小时降水量并未体现出很好的对应关系。由云光学厚度随地面小时降水量演变(图6b)可知，20日白天郑州上空的云光学厚度整体超过30，云顶高度整体在9 km以上(图5a)，达到对流云降水的云光学厚度和云顶高度指标阈值[17]，地面也始终观测到超过10 mm的小时降水量。20日08:00—14:00郑州上空的云光学厚度呈现明显增加趋势，其中12:00—14:00云光学厚度不断跃增，13:00光学厚度为122.2，14:00达到极大值为150，15:00为141.6。结合图5a发现，13:00—15:00云顶高度从14.9 km降至11.2 km，光学厚度和云顶高度呈现相反的变化趋势，表明该时段不同对流云团合并过程中云内液态粒子大量合并导致云光学厚度的跃增，是液态水含量显著增加的关键时段。云光学厚度峰值先于降水量峰值出现，这也与其他暴雨事件的研究结果一致[40-41]。16:00与17:00这两个时次强降水的出现，消耗了云中大量液态水，随后郑州上空的云光学厚度骤降，由图6b也可以看到云光学厚度和强降水演变的时间差。
图6 2021年7月20日08:00—21日08:00 FY-4A云微物理特征和郑州站逐小时降水量特征(a)云粒子有效半径和降水量，(b)云光学厚度和降水量
为了进一步验证云光学厚度和1 h累积降水量的关系，基于2018—2021年夏季(6—8月)FY-4A卫星云光学厚度产品和河南省内2432个气象站逐小时降水量资料进行统计。按照1.2节介绍的时空匹配方法，选取卫星整点时次的云光学厚度与对应气象站其后1 h累积降水量进行匹配，经过4年夏季的大量样本统计得出云光学厚度与其后1 h累积降水量的分布情况(图7)。由图7可知，光学厚度的值越大，随后时间内出现较强降水的概率越大，云光学厚度与其后1 h累积降水量存在正相关关系。因此，2021年7月20日郑州14:00和15:00光学厚度与历史统计样本相比异常偏大，提示其后时次出现较强降水的概率较大。
图7 2018—2021年夏季河南省FY-4A 云光学厚度与其后1 h累积降水量箱线图(方框的上边界和下边界分别表示总样本75%和25%比例的数值，方框中实线代表总样本的中位数的数值，上下虚线端点分别表示占总样本90%和10%比例的数值)
由此可知，在云顶高度相对稳定或有所降低的情况下，云光学厚度跃增能够反映云中液态粒子大量合并、云中液态水含量增多的事实，表明对流云团处于迅速发展阶段，云光学厚度的峰值先于降水量峰值出现，而云光学厚度的快速降低表明云中液态水的迅速消耗，地面降水量也有所减小。因此，FY-4A云光学厚度跃增及骤降对于7月20日郑州强降水出现和减弱的时间有重要的预警意义。
4.2.2 云垂直结构和降水形成过程
在相同大气背景条件下，假定对流云的发展经历了各个阶段和相态，使用表征对流云垂直增长规律的T-re模型分析7月20日白天河南省上空对流云团不同发展阶段的微物理过程和垂直结构特征。20日10:00—16:00 FY-4A云顶温度的监测图像(图8)显示，黑色方框中的云区由不同云顶温度的云组成，表示影响河南省的云团包含不同发展高度的对流云，满足T-re模型的分析原则，可以作为代表云区。
图9展示了与图8对应的7月20日10:00，12:00，14:00和16:00分析区域内的对流云团T-re关系，不同颜色的曲线代表不同样本比例的re随云顶温度的变化廓线，灰色虚线为不同温度下的样本量，以50%的中值曲线(蓝色)代表对流云的整体发展和演变情况。20日10:00—12:00影响河南的对流云团具有相似的T-re结构特征。云团的云顶温度最低超过-60℃，-25～10℃间为深厚的雨胚形成区，云粒子有效半径re整体维持在15～20 μm，超过了14 μm 的降水粒子阈值[33]，且粒子谱较窄(25%～90%的样本对应的re数值较为集中，仅相差5 μm)，云中大的降水粒子受重力作用从雨胚形成区降落至云团的中下部，在碰并过程的作用下粒子有效半径有所增长。-45～-25℃温度层内为混合相态区，re随温度的降低显著增长至30 μm左右，该温度范围内云粒子谱明显拓宽，数值范围在15～32 μm。-45℃温度层以上为冰化相态区，re随云顶高度的抬升不再增长。14:00 对流云的T-re结构特征发生变化，re整体减小，雨胚形成区的高度降低至-10℃，-40～-10℃之间为深厚的混合相态区，-40℃以上的冰化相态区内re总体小于30 μm。16:00 对流云团合并，云中的微物理结构特征再次发生变化，re随T的降低基本保持不变。垂直方向上，50%的粒子有效半径中值整体维持在20～25 μm，T-re模型表现为深厚的雨胚形成区和冰化相态区，表明该时段内云中可能有较强的上升气流，大的降水粒子能够被抬升至云团中上部。同时云层底部的粒子有效半径明显增大至30 μm，为全天最大值，说明云中暖区的碰并作用较强，产生大尺度云滴，该时间段河南省整体降水量均有所增强，其中郑州站1 h累积降水量达201.9 mm。
图8 2021年7月20日FY-4A云顶温度(标有数字的黑色方框为T-re图云微物理特征分析所选的代表区域)
图9 图8中所选区域对流云团对应的T-re图(灰色曲线为样本量，对应上横坐标值；
不同颜色的曲线表示不同比例有效样本量下re随T变化)(a)区域1,10:00，(b)区域2,12:00，(c)区域3,14:00，(d)区域4，16:00
Lensky等[34]研究指出，同一云体中未必同时存在5种降水形成过程，实际大气中的对流云也具有不同的T-re关系，这与云团形成的环境背景和所处的发展阶段有关。整体而言，由于7月20日对流云团垂直发展十分深厚，且一直处于降水过程中，故而T-re关系表现为深厚的雨胚形成区、混合相态区和冰化相态区，看不到凝结增长区和碰并增长区。
本文利用风云气象卫星监测资料分析“21·7”河南暴雨的云图特征、水汽输送特征，细致分析此次极端事件降水云的发展演变过程和云的宏微观特征。主要结论如下：
1)“21·7”河南暴雨是一次极端强降水事件，体现在降水持续时间长和单日降水强度大。河南省位于大陆高压与副高之间的鞍型场内，有利于其上空低涡云系的发展和维持，2021年7月20日河南省中北部位于两股水汽输送带的交汇区域，FY-3D产品显示局地比湿在14 g·kg-1以上，为郑州极端降水提供了有利的水汽条件。
2)7月20日河南省上空出现多次对流云团合并和发展，在合并过程中，河南上空对流复合体出现重组和调整，强度和位置变化显著。其中14:00—16:00 郑州市位于对流云团冷云区边界亮温梯度的大值区，表明该时段对流发展旺盛，有利于强降水发生。
3)7月20日12:00—14:00郑州站光学厚度跃增，且在15:00仍维持较大值，表明该时段是云中液态粒子大量合并，云中液态水含量丰富的关键时刻，云光学厚度峰值先于降水量峰值出现，云光学厚度快速降低，表明云中液态水迅速消耗，地面降水量也有所减小。FY-4A云光学厚度跃增及骤降对7月20日郑州强降水出现和减弱的时间有重要的预警意义。
4)7月20日河南省上空对流云团的云粒子有效半径随云顶温度变化(T-re)分析表明：20日河南上空的对流云具有深厚的雨胚形成区，垂直方向上整层粒子有效半径普遍超过14 μm的降水阈值。10:00—12:00对流云团雨胚形成区位于-25℃～10℃范围内，云粒子谱较窄；
14:00雨胚形成区的高度降低至-10～10℃范围；
16:00随着对流云团合并发展，云中上升气流增强，粒子有效半径维持在20～25 μm，雨胚形成区最为深厚，有利于地面强降水的发生。
