河南“21·7”特大暴雨常规与扰动天气形势分析

钱维宏， 孔海江， 赵培娟， 任静静， 张银意

1 中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室， 广州 510641 2 北京大学大气与海洋科学系， 北京 100871 3 中国气象局·河南省农业气象保障重点实验室， 郑州 450003 4 河南省气象台， 郑州 450003 5 安阳国家气候观象台， 河南安阳 455000 6 连云港市气象局， 江苏连云港 222000

0 引言

河南省作为东亚季风区中的内陆省份，每年的降水主要出现在7月中下旬至8月上旬，省会城市郑州6—8月多年平均降水量在340 mm左右.黄淮气旋是造成河南降水的主要天气过程(杨贵名等，2006；梁钰等，2010；冯伍虎等，2001；苏爱芳等，2016).此外黄淮低涡也可造成河南北中部强降水(张一平等，2013).河南中南部的持续性暴雨则与低槽(低涡)、切变线和台风低压(台风倒槽)有关(孔海江等，2012).

导致河南极端暴雨的天气形势往往与台风活动有关(张少林等，2001；张苏平等，2006)，比较典型的如河南“75·8”特大暴雨(丁一汇等，1978).1975年8月5—7日，河南南部观测到1天、3小时和1小时最大降水量分别为1060.3 mm、495 mm和189.5 mm(丁一汇，2015).这场特大暴雨的直接原因是，1975年3号台风莲娜在福建登陆后，其减弱的热带低压环流，经赣南和湖北，进入河南，在河南南部停滞或徘徊长达20多个小时(丁一汇，2015).总降水量的一半集中在最后6h，成为7日致灾最严重的降水.

时隔46年，2021年7月17—22日，河南省中北部地区再次遭遇罕见的暴雨过程，其中7月19—21日连续3天出现特大暴雨.特大暴雨导致了全省150个县(市、区)1663个乡镇1453.16万人受灾.这次特大暴雨与“75·8”暴雨类似，也是与华东登陆的台风(“烟花”)有关.本文对这次河南中北部特大暴雨开展复盘分析(孔海江，2019)，回顾这次特大暴雨业务的预报，并在进一步分析观测和数值预报信息的基础上，试图回答两个问题：产生特大暴雨的核心天气系统是什么？什么信息对业务预报有作用？

1 资料和方法

分析中使用了区域自动气象站和国家自动气象站的降水观测、卫星云图、雷达回波组合反射率、高空天气图，以及数值模式预报产品等，大部分资料来源气象台站业务平台上可以获得的资料与图像信息.日本葵花卫星真彩色云图来自北京大学大气与海洋科学系.数值预报主要使用欧洲中期天气预报中心(ECMWF, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的分析和未来10天的预报产品.其中本文所用的扰动天气图由北京大学季风与环境组根据欧洲模式产品制作，已在中央气象台和多个省市气象台业务使用(钱维宏，2015).

本文使用扰动分析方法，该方法已经在国内外多种极端天气分析中应用过 (钱维宏，2012a,b；Qian，2017；Qian et al.，2021a，b).它是把年循环的气候态分成365天/年×24个时次/天=8 760个时次的瞬变气候态，包含年循环过程中的逐日变化和日循环过程中的逐时变化.用实况大气变量或模式产品变量减去瞬变气候变量得到瞬时扰动分量.理论上讲，后者与天气异常部分，如暴雨的强度和位置有直接的联系.本文还利用了瞬变扰动分量中涡度扰动与比湿扰动结合的湿涡度扰动(MVA)指标量(Qian et al.，2016).当MVA为正值时，反映大气条件有利于降水，反之不利于降水，其表达式为(钱维宏等，2020；Qian et al.，2021a)

(1)

其中q′为比湿扰动,V′为涡度扰动.

2 特大暴雨过程

日雨量以当日08时(北京时)至次日08时24小时内的累计雨量计算.17日开始，河南省大部分地区出现降水，22日降水逐渐减弱.图1是这次河南中北部出现大降水的7个自动站，从2021年7月17日08时至22日20时的逐小时雨量序列.表1是2021年7月17日08时至2021年7月22日20时河南省小时强降水排序.排在第一位的最大小时降水量是201.9 mm，出现在郑州国家站，时间是20日16—17时.排在第二位的郑州尖岗站位于郑州国家站的西南20 km，小时降水量为158.0 mm，在前10站中出现最早，时间为20日15—16时，比郑州国家站早1个小时.排在第三位的是距郑州国家站80 km东北方的新乡市牧野乡站，149.9 mm的小时强降水出现在21日20—21时.位列第四位的郑州市中原区站的最大小时雨量144.4 mm发生在20日15—16时，在前10站中出现也最早.排在第五位的是在郑州国家站以北170 km的安阳县北关六十五中学站，22日04—05时的小时雨量138.0 mm，在10站中出现的时间最晚.上述小时降水站的时空位置分布大致表明，最大的降水中心是从西南向东北方向，跨越约200 km移动的，最大的峰值降水位于郑州的两个站，时间在20日15—17时.

还有一个特殊的辉县万仙山站，位于郑州国家站北110 km的太行山前，它的降水从17日延续到22日，表现出较多的小时降水峰值，其中最大的2个小时降水峰值36.3 mm和29.1 mm分别出现在19日06—07时和21日22—23时，过程积累降水量761 mm.这种受山脉地形影响较大的特殊站降水变化与郑州至鹤壁之间降水峰值的移动性不同.

河南降水分时段的空间分布给出在图2和图3中.图2a是2021年7月17日08时至23日08时144小时(6天)的累计降水量分布.大于250 mm的降水区域位于河南省的中北部，降水最大轴线呈西南—东北走向.最大的降水1122.6 mm位于轴线东北部的鹤壁市科创中心，另外两个中心在新乡和郑州附近，都达到了900 mm以上.从我国北方6天累计降水量分布看，大于100 mm或250 mm的累计降水区，从河南的中北部，沿太行山以东的河北西部向北延伸(图略).可见，过程总降水分布与太行山山脉地形有关.

由于郑州的最大降水发生在20日的下午，图2b给出了2021年7月20日08时至21日08时24小时内的累计降水量分布，250 mm以上的大暴雨区孤立在以郑州为中心的地区.其中，郑州市尖岗站24小时累计雨量696 mm.大于100 mm的大暴雨区和大于50 mm的暴雨区都以郑州为中心向四周递减.

图1 2021年7月17日08时至22日20时河南省中北部7个大降水站逐小时降水量(mm)序列 (最大小时降水量201.9 mm出现在20日16—17时的郑州国家站)Fig.1 Hourly precipitation (mm) series of seven large precipitation stations in central northern Henan Province from 08∶00 BJT on 17 July to 20:00 BJT on 22 July 2021. The maximum hourly precipitation (201.9 mm) occurred at the Zhengzhou national station from 16∶00 to 17∶00 BJT on 20 July.

表1 2021年7月17日08时—2021年7月22日20时河南省小时雨强排序Table 1 Hourly precipitation intensity rankings in Henan Province from 08∶00 BJT on 17 July 2021 to 20∶00 BJT on 22 July 2021

图2 (a) 2021年7月17日08时至7月23日08时144 h(6天)累计降水量(mm)和 (b) 2021年7月20日08时至7月21日08时24h累计降水量(mm)Fig.2 (a) Cumulative precipitation (mm) for 144h (6 days) from 08∶00 BJT on 17 July to 08∶00 BJT on 23 July 2021, and (b) Cumulative precipitation (mm) for 24 hours from 08∶00 BJT on 20 July to 08∶00 BJT on 21 July 2021

过程性降水开始于18日(图1)，该日最大降水出现在西北的沿山地区，日最大雨量200.5 mm，位于辉县万仙山站，而其南侧的郑州国家站降水只有40 mm(图3a).19日至21日，河南省中北部连续3天出现了特大暴雨.19日强降水中心400.6 mm位于鲁山县四棵树站，其次379.7 mm是在荥阳市环翠峪站，大于100 mm的大暴雨区位于郑州及其西南方向上(图3b).20日强降水出现在以郑州为中心的中北部，日最大雨量659.7 mm在郑州市的侯寨站(图3c).21日强降水中心移至豫北，日最大雨量777.5 mm出现在鹤壁市的科创中心站，表明强降水中心已移过了郑州(图3d).

卫星云图也可以从空间上反映出瞬时降水云系的位置及其随时间的变化.选择中午的卫星真彩色云图，是考虑在阳光下能够较好地反映降水云系的分布特征.图4a中，我国东部大陆及其海上18日14时有四个大的云系.我国东北有一个气旋云系C0，它的尾端有一个松散状分布的对流云系C1，主体在河南上空.此外，在西北太平洋上和南海北部各有一个台风云系C2(烟花)和C3(查帕卡).河南上空的云系C1表明，18日的降水多为局地分散分布.

19日14时(图4b)，东北的气旋云系C0向东北方向移动并与河南上空的云系C1断开.河南的云系C1变得更集中与紧密，表明降水在增强.西北太平洋上的台风C2移向西北，南海的台风云系C3已经影响到了广东沿海.图3b中的大降水分布与图4b中河南上空云系C1的位置基本一致，表明19日08时之后的24小时降水比较稳定.此时，两个台风云系比河南上空的云系明亮.

20日14时(图4c)，河南云系C1的位置与24小时前相比并没有明显的位置移动，只在南部范围收缩，而中心变得更明亮了.此时，烟花C2的台风眼最为清楚，表明台风达到最强.台风查帕卡云系C3已经影响到广东沿海.东北的气旋云系C0已经移出我国，留下的是河南上空的云系与两个台风云系，它们几乎有相同的中心亮度和范围.问题在于，台风能够看到明显的旋转云系，其中心眼处是平静无降水的.但河南上空的云系集中，尚看不出云系中的旋转特征.河南上空云系的稳定形成了20日14时前后这个时段上的强降水.21日14时(图4d)，两个台风的云系亮度有所减弱.C1云系的范围向北有所扩展，覆盖到了河北.这四天中，河南中北部的云系经历了一个前期范围收缩与增强的过程和后期范围扩大与北移的过程.

7月20日上午，雷达回波(图5)稳定维持在平顶山—开封—鹤壁—洛阳围成的区域内，郑州位于中心位置，但强回波中心是多地分散的.正午12时前后，回波从南北两侧收缩，主体集中到了郑州段的黄河两侧.13时30分开始(图5a)，两个强回波集中到了郑州附近.强回波在15时汇聚成了一个中心，位置就在郑州(图5b).15时30分(图5c),郑州上空的回波更为集中，而周围的分散回波在减弱.从15时30分至16时36分(图5d)，位于郑州上空的回波呈现出局地涡旋的特征，主体回波的空心化特征明显，郑州位于空心化涡旋回波的东北侧.这种回波涡旋结构到17时开始减弱(图5e).18时(图5f)，回波的空心化涡旋中心已经不可见.所以，造成20日16—17时郑州强降水的是一个尺度小，旋转非常缓慢的涡旋回波.后面的扰动气流分析会支持涡旋回波的存在.

3 常规天气形势分析

我们从传统天气分析和扰动天气分析两个方面考察.实况天气图和数值预报模式产品能够给我们提供哪些预报特大暴雨的信息.郑州能够在24小时(20日08时至21日08时)内出现624.1 mm的降水，又在16—17时的1个小时中出现201.9 mm的极端降水，说明大气中存在一个较深厚的中小尺度天气系统.在2021年7月20日08时500 hPa、700 hPa、850 hPa和925 hPa层的实况天气图上(图略)，一个呈西南—东北轴向的低压位于郑州的西南侧.在500 hPa上，欧亚高纬度地区的大气环流特征是一槽与两脊的高度场和大尺度西风波动形势，低压槽位于我国新疆及其以北的俄罗斯上空，高压脊位于我国东北及其以北的远东地区.东亚存在“一高三低”的四个天气系统.副高的位置偏北，中心在日本海，而其脊线向西伸展到辽宁.在副高脊线以南，有三个低压系统.台风烟花和台风查帕卡，分别位于台湾岛以东的西北太平洋上和广东的南部近海，而从贵州至河南西部有一个低压环流.

在7月20日08时的700 hPa天气图上(图略)，副高脊线从日本海向西经过华北伸展到新疆北部，形成了东西方向上的高压坝.在副高脊线以南，位于河南省西南部的局地闭合环流在高度场上表现为高压坝南侧的东风波形式.在同时次的850 hPa天气图上(图略)，河南西部上空的东风波形势也很清楚.在7月20日08时的4个气压层上，河南西部上空的风场已呈现出闭合的中尺度环流.来自副高西南侧与两个台风之间大于12 m·s-1的东南风低空急流已经出现在925 hPa上(图略)，其前端从东海指向郑州.20日08时的天气形势表明，郑州低层大气中已经具备了来自东海的水汽辐合条件.

(续图3)

图3 2021年7月4天每个24小时时段的累计降水量(mm)分布(a) 18日08时—19日08时； (b) 19日08时—20日08时； (c) 20日08时—21日08时； (d) 21日08时—22日08时.Fig.3 Distribution of accumulated precipitation (mm) for each 24-hour for the four days of July 2021(a) 08∶00 BJT on 18 July—08∶00 BJT on 19 July； (b) 08∶00 BJT on 19 July—08∶00 BJT on 20 July； (c) 08∶00 BJT on 20 July—08∶00 BJT on 21 July； (d) 08∶00 BJT on 21 July t—08∶00 BJT on 22 July.

图4 2021年7月(a) 18日14时，(b) 19日14时，(c) 20日14时和(d)21日14时，日本葵花卫星真彩色云图. 字母C处指示台风查帕卡和烟花、气旋和东风波对应的云系中心位置Fig.4 True color cloud maps of the Japanese Himawari-8 at 14∶00 BJT on(a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d) 21 July 2021. Letter C indicates the central position of cloud systems corresponding to Typhoon Chapaka and In-fa, cyclone, and easterly wave

图5 2021年7月20日(a)13时30分，(b)15时00分，(c)15时30分，(d)16时36分， (e)17时00分，(f)18时00分雷达回波组合反射率(阴影，5dBZ间隔)Fig.5 Combined radar echo reflectance (shaded, 5dBZ interval) at(a) 13∶30, (b) 15∶00, (c) 15∶30, (d) 16∶36, (e) 17∶00, and (f) 18∶00 BJT on 20 July, 2021

图6 2021年7月20日(a)08时和(b)20时700 hPa高度、风和比湿(阴影，%)分析, 以及欧洲模式(c)提前24 h和(d)提前48 h对20日20时700 hPa高度、风和比湿的预报(来自江苏一体化平台).红虚线为风的切变线，黑虚线为 副高脊线.字母H和L指示高压和低压中心Fig.6 Analysis of 700 hPa geopotential height, wind and specific humidity (shading, %) at(a) 08:00 BJT, and (b) 20∶00 BJT on 20 July 2021 (from the Integration Platform of Jiangsu Provincial Meteorological Observation). (c) and (d) are same as in (b) but the ECMWF model prediction with lead times of 24 and 48 hours. The red dashed line is the wind shear line, and the black dashed line is the ridgeline. The letters H and L indicate the center of high and low pressure

上述天气形势与“75·8”河南最强降水发生时的形势极为相似.1975年8月7日20时，北侧的高压坝阻挡了7503号台风的北上，使其在河南省南部停滞或徘徊长达20多小时(丁一汇， 2015).如果我们把2021年7月20日08时郑州上空的涡旋看成是减弱的台风低压，那它与“75·8”河南省南部暴雨的天气形势是相似的.

7月20日20时，郑州的极端降水峰值已经过去了3个小时，但郑州的小时降水量仍然维持在20 mm以上.与早上比较，晚上的对流层中低层环流形势没有大的变化，只是东亚上空的4个系统位置有了微小的变化(图略).位于日本海的副高位置稍向西北有了移动，台风烟花也向西北缓慢移动了.南海台风查帕卡在之后的21时50分于广东省阳江市江城区沿海登陆.河南上空的低压中心位置也稍许向北移动.925 hPa上，伸向郑州上空的大于12 m·s-1低空急流主体已经北移到了黄海南部，小于4 ℃的温度—露点差覆盖中国东部的区域，表现为东风波的形式，这些地方的湿度和低层环流都满足降水的条件，但范围远大于实况降水区域.21日，500 hPa上的低压中心继续沿太行山向北移动到了石家庄上空.与此对应，降水的中心也向北移动了.可见，低涡位置和强度与特大暴雨相对应.

从2021年 7月20日08时和20时的实况天气图(图略)，我们可以解释图5中回波所呈现出的涡旋特征.就像台风移动的右前方,那里的降水较大.原因是那个方向上副高的存在，使得水汽辐合和气流弯曲下的正涡度较大. 2021年 7月20日20时实况图(图略)中，郑州上空的低压系统缓慢北移的右前方，那里也是偏北副高的位置，所以降水会在郑州附近相对集中.显然，20日郑州的特大暴雨是与这个中尺度东风波系统是有联系的.但它到底有多强？能否提前预报呢？常规天气图分析难以定量地确定特大暴雨的强度和位置.原因是，特大暴雨只与扰动系统的强度和位置有紧密的物理联系.

4 扰动天气形势分析

模式产品及其分析已经成为我国各地预报员判断和制作各种极端天气预报的主要信息来源.除了中国气象局的MICAPS(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Process System)气象信息综合分析处理系统外，各省气象台还建立了自己的预报信息平台.图6a和6b是取自江苏省气象台一体化平台上，来自欧洲模式产品中的2021年7月20日08时和20时700 hPa位势高度、风和比湿的总场分析.欧洲模式分析场是可以与来自河南省气象台的实况天气图(图略)比较的，河南省位于副高南侧的东风波中，但比湿范围宽广，难以与郑州的局地降水对应.欧洲模式还提前24 h和48 h较准确地预报出了20日20时700 hPa上的位势高度、风和比湿空间分布(图6c和6d所示).但预报的比湿和风都难以指示郑州局地极端降水的强度和位置.

图7a和图7b是来自广东省气象台的2021年7月20日08时和20时欧洲模式700 hPa风扰动分析和比湿扰动分析.日本海、我国东北、蒙古国存在多个扰动反气旋中心A，而在西北太平洋和南海各有一个台风扰动系统.中国东部大陆上，东南风扰动气流中的一个波动与比湿扰动对应，位于河南省的中北部.天气预报的价值和难度是要对极端天气做出定性，以及定时、定位和定量的“三定”预报.位于河南中北部的这个东南风的扰动和比湿扰动C1，它的强度和位置以及出现的时间是我们预报极端天气中后“三定”指标中的两个核心信号.这样的信号存在于江苏气象台给出的总场图6中，但难以做到“三定”.只要欧洲模式预报对了总场变量，那么扰动分解法就可以从预报产品中得到未来极端天气发生的信号位置、强度和时间.图7c和图7d中C1位置处的东南风扰动和比湿扰动是欧洲模式提前24 h和提前48 h预报出的可指示郑州极端降水的异常信号.

图7中的一个弱点是，比湿扰动的中心太多了.降水，特别是特大暴雨是动力和水汽条件同时满足时的产物.同时考虑湿度扰动与动力扰动的指标量是湿涡度扰动.图8与图7是由同样资料计算，但图8是绘制的风扰动和湿涡度扰动.湿涡度扰动C1与20日的郑州特大暴雨的位置是对应的，欧洲模式也提前24 h和48 h预报出了这样的湿涡度扰动C1，其中的三个中心分别对应台风烟花和台风查帕卡，以及河南西北部与特大暴雨对应的湿涡度扰动中心C1.可见，郑州的极端降水和两个台风的极端降水是紧密与局地湿涡度扰动对应的(图8).

位于郑州附近涡旋扰动对应的温压场扰动和风扰动的垂直剖面结构给出在图9中.位于700 hPa附近的扰动低压中心L1就是郑州低层大气中的涡旋(图9a和9b).低压系统表现为一个上大下小的漏斗形式，定位了图3中郑州的暴雨区，图4中郑州上空的云系中心和图5中郑州的回波中心.它的对流层上层有一个扰动高压H1，而在对流层中部有一个暖中心W1，近地面有一个冷中心C1.在它的南侧有南海台风扰动温压系统(L3和W3)，而在它的北侧有一个巨大的高压扰动和较强的温度扰动.如果绘制与图9a和图9b同时次的总场垂直剖面，与郑州特大暴雨对应的低层低压扰动漏斗和高层高压温压场扰动中心都是看不到的.

根据扰动系统的静力平衡和地转平衡的关系，由扰动的温压场可以计算出扰动风场(钱维宏等，2015).其结果类似如图9c和图9d所示的直接变量的扰动分解，最大的扰动气流辐合和最大的上升气流就在925～400 hPa深厚的对流层下部(L1处).这个具有强烈扰动的辐合系统，水平直径尚不到2个经纬度，也就是小于200 km，与郑州发生的特大暴雨范围相当.郑州附近的扰动气流辐合和上升气流甚至强于南海的台风.

图7 2021年7月20日(a)08时和(b)20时700 hPa风扰动和比湿扰动(阴影，0.6×10-3 kg·kg-1间隔), 以及欧洲模式(c)提前24h和(d)提前48 h对20日20时700 hPa风扰动和比湿扰动的预报.字母A和C指示反气旋和气旋环流中心Fig.7 700 hPa wind anomaly and specific humidity anomaly (shaded, 0.6×10-3kg·kg-1 interval) at(a) 08∶00 BJT and (b) 20∶00 BJT on 20 July 2021. (c) and (d) are same as in (b) but the ECMWF model prediction with lead times of 24 and 48 hours. The letters A and C indicate the centers of anticyclones and cyclone

综合图9中的扰动温压场和扰动风空间结构，与郑州特大暴雨对应的低层扰动辐合系统与高层扰动辐散系统，它们在空间上是不对称的.低层的高度漏斗对应低层狭窄区域的辐合上升气流，而在上部400～200 hPa层为宽广的高度扰动，对应为位置偏北的扰动风辐散区.高层扰动系统相对低层漏斗系统的位置偏差，原因在于存在与其他扰动系统之间的相互作用.其中的温度扰动在高度扰动与风场扰动之间起到了热力与动力之间的关联作用.

结合图8和图9看出，700 hPa上的湿涡度扰动中心分布在河南省的西北部，主要反映了扰动风的辐合.郑州的局地强降水可能还与局地地形和热力强迫(城市热岛)等因素有关.这些局地因素可能是目前欧洲模式尚难以描述的.但从欧洲模式产品中可以分析出湿度扰动和风扰动的基本信息.图10a给出的是欧洲模式分别从2021年7月15日08时起报到25日08时的10天预报产品中对比湿扰动和风扰动的分解结果.欧洲模式较好地预报出了郑州上空的南风扰动，以及与之配合的对流层深厚的比湿扰动.这样的配置开始于18日，结束于21日早晨，也同样在2021年7月17日20时的起报中反映了出来(图10b).郑州上空正的比湿扰动从15日08时就在850 hPa的边界层中出现，17日抬升到500 hPa，18日与南风扰动一起形成了郑州大降水的开始.这样的配置到21日早晨结束.可见，欧洲中期模式大致能够预示出未来10天内的干湿转换与风扰动的变化联系.

欧洲模式预报产品是短期天气预报业务中被广泛参考的信息之一.河南省气象台能够在15日提前2～3天预报过程局地500 mm日的雨量.它的扰动信息可以在图10的时间剖面中看到，也存在于14日08时(15日08时)欧洲模式提前96小时(72 h)和提前108小时(84 h)预报的18日早晚700 hPa层的风扰动和湿涡度扰动中(图11).郑州上空850和700 hPa上的湿涡度扰动值达到了0.9×10-6s-1.这个值可作为暴雨对应的指标临界值(Qian et al., 2016).在垂直剖面的风扰动和湿涡度扰动分布上(图12)，欧洲模式也在16日20时提前48 h预报了18日20时，17日08时提前54 h预报了19日14时，17日20时提前66 h预报了20日14时，和18日20时提前42 h预报了20日14时，郑州上空的湿涡度扰动正值中心.但是，欧洲模式预报的18日郑州700 hPa上的湿涡度扰动最大，也最深厚，而17—18日的预报强度反而弱了.

图8 2021年7月20日(a)08时和(b)20时700 hPa风扰动和湿涡度扰动(阴影，MVA，0.1×10-6s-1间隔),以及欧洲模式(c)提前24 h和(d)提前48 h对20日08时700 hPa MVA和风扰动的预报. 字母A和C指示反气旋和气旋环流中心Fig.8 700 hPa MVA (shaded, 0.1×10-6s-1 interval) and wind anomalies(a) 08∶00 BJT and (b) 20∶00 BJT on 20 July 2021. (c) and (d) are same as in (b) but the ECMWF model prediction with lead times of 24 and 48 hours. Letters A and C indicate the centers of anticyclones and cyclone

图9 2021年7月20日08时(a)沿34.5°N从105°E—125°E和(b)沿113°E从15°N—45°N随气压(hPa)变化的高度扰动(等值线，1×10 gPm)和温度扰动(阴影，1 ℃间隔)垂直剖面. (c)同(a)，但为北风扰动(等值线，4 m·s-1)和东西方向垂直剖面上的扰动风矢量(垂直速度Pa·s-1放大10倍). (d)同(b)，但为西风扰动(等值线，4 m·s-1)和南北方向垂直剖面上 的扰动风矢量Fig.9 Vertical profiles of geopotential anomalies (contours, 1×10 gpm) and temperature anomalies (shading, 1 ℃ interval) along 34.5°N from 105°E—125°E and (b) along 113.4°E from 15°N—45°N with pressure (hPa) at 08∶00 BJT on 20 July 2021. (c) Same as(a) but for the northerly wind anomalies (contours, 4 m·s-1) and the anomalous wind vector (vertical velocity Pa·s-1 magnified by a factor of 10) on the east-west vertical profile. (d) Same as (b), but for the westerly wind anomalies (contour, 4 m·s-1) and the anomalous wind vector on the vertical profile in the north-south direction

图10 欧洲模式分别从2021年7月(a)15日08时和(b)17日20时起报郑州未来10天的湿度扰动(阴影，0.6×10-3 kg·kg-1间隔)和南风扰动(等值线，4 m·s-1间隔)随气压(1000～100 hPa)和时间(每天4个时次)的变化. 字母S和N为南北风扰动中心. 空白处是当天缺少资料.Fig.10 The profiles of specific humidity anomalies (shading, 0.6×10-3 kg·kg-1 interval) and the southerly wind anomalies (contours, 4 m·s-1 interval) with vertical pressures (1000～100 hPa) and times (4 times per day) based on the ECMWF model prediction started from(a) 08∶00 BJT on 15 July 2021 and (b) 20∶00 BJT on 17 July 2021, respectively. The letters S and N are the centers of the north-south wind anomalies. Blank spaces are missing products for the day.

图11 同图8，但为欧洲模式14日08时(a)提前96h预报18日08时和(b)提前108 h预报18日20时700 hPa风扰动和湿涡度扰动.(c)和(d)同(a)和(b)，但为15日08时提前72 h和提前84 h预报的18日08时和18日20时700 hPa风扰动 和湿涡度扰动Fig.11 Same asFig.10, but for the ECMWF model predictions of 700 hPa MVA and wind anomalies started from 08∶00 BJT on 14 July with lead times of(a) 96 and (b) 108 hours for the forecasts at 08∶00 BIT on 18 July and 20∶00 BJT on 18 July. (c) and (d) are the same as(a) and (b), but started from 08∶00 BJT on 15 July with lead times of(a) 72 and (b) 84 hours for the forecasts at 08∶00 BJT on 18 July and 20∶00 BJT on 18 July 2021

图12 欧洲模式(a)16日20时提前48h预报18日20时，(b) 17日08时提前54 h预报19日14时，(c) 17日20时提前66 h预报20日14时，和(d)18日20时提前42 h预报20日14时沿经度113.63°E剖面上的南风扰动(实线 和虚线，4 m·s-1间隔)和MVA(阴影，0.1×10-6s-1)垂直分布. 字母S和N为南北风扰动中心Fig.12 The ECMWF model predictions of southerly wind anomalies (solid line and dashed line, 4 m·s-1 interval) and MVA (shaded, 0.1×10-6s-1) at the vertical-longitude section along 113.63°E with lead times of (a) 48 hours started from 20∶00 BJT on 16 July for the forecasts at 20:00 BJT on 18 July 2021, (b) 54 hours started from 08∶00 BJT on 17 July for the forecasts at 14∶00 BJT on 19 July 2021, (c) 66 hours started from 20∶00 BJT on 17 July for the forecasts at 14∶00 BJT on 20 July 2021, and (d) 42 hours started from 20∶00 BJT on 18 July for the forecasts at 14∶00 BJT on 20 July 2021. The letters S and N are the centers of north-south wind anomalies

5 认识与讨论

发生在河南中北部的2021年7月(21·7)特大暴雨与发生在河南中南部的1975年8月(75·8)特大暴雨一样，它们都将会载入河南省气象与灾害的历史.对特大暴雨的定时、定位和定量，即所谓的暴雨精准预报，一直是气象部门长期努力的目标.提前做出这种特大降水预报才是最有价值的，因为准确的预报信息的使用才能减少生命财产的损失.我们也一直强调：越强的极端天气越好预报，因为它发生之前的扰动信号(扰动能量)越强，也越早.通过本文对河南21·7特大暴雨的分析，我们给出下列认识与讨论.

(1)与河南75·8特大暴雨的监测比较，今非昔比.河南75·8特大暴雨的监测过程中，没有获得空间完整的气象站观测、卫星云图和雷达回波的相关资料.河南21·7特大暴雨的监测中，覆盖降水区的地面自动气象站可以得到5 min内数公里空间分辨率的降水实况数据.卫星图片可以从空中监测强对流云系每隔几分钟的变化.雷达回波图像可以给出对流单体的瞬时分布，从而可以对未来短时间(几分钟到几小时)内强对流和强降水移动位置做出预警.在这次暴雨发生的过程中，预报员很好地利用了上述实况观测信息，发布了大暴雨和特大暴雨的预警.但是，像这样的极端暴雨，仅仅利用自动站、卫星和雷达等观测资料发布的短时预警信息，对防御重大灾害的提前准备时间仍然是不够的.

(2)特大暴雨属于极端天气，需要扰动天气分析.从本文的分析看，总场变量，如风场和比湿场中包含了与特大暴雨没有直接关系的瞬变气候和与特大暴雨有直接联系的扰动分量.总场天气图中虽然包含有扰动信号，但它难以让预报员分辨出可指示特大暴雨的具体落区和相对强度.只有去掉气候场，风扰动的空间分布和比湿扰动分布特征才能得到放大，从而可指示特大暴雨发生的具体位置和扰动变量之间的配置.特大暴雨是风扰动与比湿扰动，即动力扰动与水汽扰动共同作用的产物，所以湿涡度扰动是强降水发生的综合指标.本文的分析再次表明，湿涡度扰动是强降水发生的一种定量指标.这样的扰动指标已经在多家业务气象台给予过安装.

(3)模式产品的扰动分解是延长预报时效的有用方法.我国的天气预报业务平台上有多种模式滚动预报的短期和中期产品.目前业务平台上显示的多是以总量分布的形式.如果对这些模式产品做扰动分解与显示，那么预报员可以同时看到传统天气图与扰动天气图.后者可以帮助预报员监测和预报暴雨等极端天气可能发生的位置、时间和强度.扰动法与统计法不同的是，扰动指标量越极端对应的降水强度会越极端.当然，前提是这些模式预报的产品是准确和稳定的.具体的模式产品有用时段可以通过扰动系统与事后实况扰动系统的对比分析得到确认.对河南省这样的极端暴雨，能够提前12至24小时得到定时、定位和定量的扰动指标信号，对减少人员和财产损失是极为有用的.所以，气象业务部门对12-36小时的模式预报产品做扰动分解是有必要的.

(4)河南省气象台早在7月15日就提前2—3天预报了18日开始的特大暴雨过程，特别是预报过程局地500 mm的北部山前雨量，与欧洲模式14—16日提前预报的18日河南上空的中尺度扰动系统和湿扰动涡度大值中心，在时间上对应.17—18日对特大暴雨过程的弱化预报也与欧洲模式对当地扰动系统的弱化预报对应.7月19日再次预报局部特大暴雨时，移动缓慢的低涡和对应的大降水已经出现了.从这些预报和服务的过程看，由于观测手段与资料的丰富与模式产品的应用，短期特大暴雨的预报信心和能力明显地比河南省“75·8”特大暴雨时期有了很大的提高.

由于欧洲模式采用的是原始方程组模式，预报的是总场.其中在产品中会出现两种误差，一是分解出的扰动系统随时间延长出现的漂移，二是模式预报的降水普遍偏离在实况降水的东侧和东北侧(Qian et al., 2013).因此，当前一种可取的做法是：认识模式产品的性能，提取模式产品中有效时长预报的扰动系统，建立扰动系统或扰动指标量与极端降水的关系，代替模式的直接降水预报(Qian et al., 2016).此外，气象业务平台上还有两个工作可做：一是相对扰动与绝对扰动天气图；二是历史扰动事件库的建立.本文例子中给出的是绝对扰动天气图，相对扰动天气图会得到扰动变量所在位置处的标准差分布，预报员可以直接看到扰动系统是否达到了与历史可比较的几个标准差的极端天气系统分布(Jiang et al., 2016).建立当地的暴雨历史资料库，同时用再分析资料建立当地的扰动天气系统库，它们与数值预报产品的扰动分解结合，会成为未来极端天气预报平台上的一种强有力的工具.最后回答文章一开始提出的两个问题.产生此次河南省中北部特大暴雨的核心系统是，与“75·8”河南省南部特大暴雨类似，是常规天气图上西北太平洋副高偏北与西部内陆高压之间形成了高压坝，阻挡了东风波(或台风低压)的正常移动.在扰动天气图上是对流层中下部200 km大小的中尺度扰动涡旋，它对应中低层大气中的高度扰动漏斗形与局地强的扰动气流辐合上升气流和湿涡度扰动中心，而高层大气中是受到周围扰动系统影响的位置偏移了的扰动高压辐散系统.短期数值模式产品信息对业务预报有引导和误导的作用.分解得到的中尺度扰动系统和扰动物理量，如湿涡度扰动中心，可作为极端暴雨预报的重要引导信号.但是，模式的预报结果会受到初值、边值条件和模式动力学物理框架的限制，难免会出现预报误差，形成应用过程中的误导.只要模式产品出现误导的次数大大低于正确引导的次数，那么人们就能够从连续滚动的产品预报中鉴别出误导的信息.因此，增加模式历史预报产品的事后效果分析，以确定扰动指标量阈值，是减少模式产品误导和提高模式产品应用效果不可缺少的基础工作.

致谢北京大学的艾阳和梁卓轩同学分别绘制了图1和图9，广州热带所的冯业荣研究员帮助修改与精简了本文。感谢两位匿名审稿人对本文提出的修改建议.