基于遙感數(shù)據(jù)光流場(chǎng)的2021 年鄭州“7·20”特大暴雨動(dòng)力條件和水凝物輸送特征分析

孫躍 肖輝 ,2 楊慧玲 丁建芳 付丹紅 ,2 郭學(xué)良 馮亮

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院, 北京 100049

3 河南省人工影響天氣中心, 鄭州 450003

1 引言

2021 年7 月20 日，河南省鄭州市出現(xiàn)特大暴雨天氣（簡(jiǎn)稱(chēng)鄭州“7·20”特大暴雨），鄭州市雨量站數(shù)據(jù)顯示最大小時(shí)累計(jì)降水達(dá)到201.9 mm，24 h 累計(jì)降水高達(dá)627.4 mm，最大小時(shí)降水量超過(guò)陸地上小時(shí)累計(jì)降水量的歷史極值，24 h 累計(jì)降水量也遠(yuǎn)超特大暴雨（24 h 累計(jì)250 mm）的定義閾值。由此引發(fā)的鄭州等地市特大洪水和城市嚴(yán)重內(nèi)澇，造成了巨大的人民生命和財(cái)產(chǎn)損失。在此類(lèi)極端降水天氣災(zāi)害尚且無(wú)法被數(shù)值天氣預(yù)報(bào)完全精準(zhǔn)預(yù)測(cè)出來(lái)的背景下，利用現(xiàn)有觀測(cè)、探測(cè)手段對(duì)極端降水案例開(kāi)展特征分析和暴雨形成機(jī)理研究尤為重要。特別是，需要進(jìn)一步結(jié)合極端降水期間的觀測(cè)、探測(cè)數(shù)據(jù)特征，探究基于極端降水形成機(jī)理的極端暴雨短臨預(yù)報(bào)、預(yù)警的新方法。

氣象衛(wèi)星和天氣雷達(dá)是監(jiān)測(cè)大范圍降水天氣過(guò)程的最重要遙感探測(cè)手段。我國(guó)FY-4A 靜止衛(wèi)星于2016 年12 月發(fā)射（Yang et al., 2017），目前已在氣溶膠（祝善友等, 2020）、閃電（黃守友和徐國(guó)強(qiáng), 2020）、洪水（Shao et al., 2020）、森林火災(zāi)（熊得祥等, 2020）等多種要素的監(jiān)測(cè)方面取得了初步應(yīng)用。20 多年來(lái)，我國(guó)地基天氣雷達(dá)組網(wǎng)的建設(shè)也有了極大發(fā)展，并已逐步形成高時(shí)空分辨率的降水天氣監(jiān)測(cè)能力（勾亞彬等, 2014; 李國(guó)翠等, 2014; 孫嬋和徐國(guó)強(qiáng), 2019）。但是，直接基于這些遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展降水天氣動(dòng)力診斷分析與預(yù)報(bào)的研究尚不多見(jiàn)。其原因可能是，一方面，靜止衛(wèi)星并不直接測(cè)量大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力變量；另一方面，靜止衛(wèi)星成像數(shù)據(jù)與天氣雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)在空間精度和連續(xù)性上存在局限性。靜止衛(wèi)星探測(cè)到的不同水平位置的云頂、水汽等高空目標(biāo)可能是位于不同高度的，并且對(duì)這些測(cè)得目標(biāo)的反演高度存在誤差。Liu et al.（2021）的研究顯示，F(xiàn)Y-4A 云頂高度產(chǎn)品存在10-1±2 km 量級(jí)的誤差；譚仲輝等（2019）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，F(xiàn)Y-4A 云頂高度產(chǎn)品對(duì)于冰相云和覆蓋型的云具有更大的誤差。而天氣雷達(dá)受探測(cè)靈敏度和變仰角體掃的掃描方式限制，無(wú)法充分探測(cè)到高空的非降水云。這些因素導(dǎo)致不易依靠單一種類(lèi)天氣遙感數(shù)據(jù)得到傳統(tǒng)天氣分析所需的大范圍水平空間連續(xù)且垂直精細(xì)分層的流場(chǎng)特征。如何進(jìn)一步利用這些遙感探測(cè)數(shù)據(jù)，更好地服務(wù)于極端強(qiáng)降水的短臨預(yù)報(bào)和預(yù)警，便成為亟待解決的問(wèn)題。

近年來(lái)在大氣遙感相關(guān)領(lǐng)域逐步廣泛應(yīng)用的光流法（Optical Flow），為拓展氣象遙感潛力提供了新的可能。光流法最早由美國(guó)學(xué)者Gibson 在1950 年代提出（Horn and Schunck, 1981），其基本假定是圖像中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自身亮度對(duì)應(yīng)的像素值I在相鄰幀中的變化極小，即個(gè)別變化可忽略不計(jì)，這樣，便可以根據(jù)公式

獲得像素值I的局地時(shí)間變化、空間梯度和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)矢量u、v之間的守恒關(guān)系。早期的光流法主要通過(guò)選取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)邊界拖影附近的多個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的式（1）聯(lián)立求解目標(biāo)運(yùn)動(dòng)矢量，但也存在一些問(wèn)題。譬如，對(duì)于含有非均一運(yùn)動(dòng)特征的圖像，如何通過(guò)每個(gè)像素點(diǎn)上的一個(gè)方程求解兩個(gè)未知數(shù)u、v的速度場(chǎng)，以及如何減小個(gè)別變化對(duì)求解的影響。之后，Horn and Schunck（1981）將運(yùn)動(dòng)矢量平滑條件和變分方法引入光流法（H-S 光流法），Lucas and Kanade（1981）引入局部權(quán)重求解（LK 光流法），使得從相鄰幀運(yùn)動(dòng)圖像中可以求解出具有分析價(jià)值的視速度矢量場(chǎng)（稱(chēng)為光流場(chǎng)）。Meinhardt-Llopis et al.（2013）將現(xiàn)代數(shù)字圖像處理中的“金字塔”模型引入到H-S 光流法，并構(gòu)建了可靠性更高的計(jì)算方案，增強(qiáng)了對(duì)圖像中目標(biāo)亮度隨時(shí)空變化的適應(yīng)能力。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和氣象業(yè)務(wù)部門(mén)已經(jīng)有一些基于天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)和所得到的光流場(chǎng)進(jìn)行回波外推短臨預(yù)警的研究和工作如（曹春燕等, 2015; Bechini and Chandrasekar,2017; Woo and Wong, 2017; 田剛等, 2021）。

然而，受多種因素限制，基于遙感數(shù)據(jù)光流場(chǎng)直接進(jìn)行降水系統(tǒng)診斷分析的研究尚不多見(jiàn)。除了受上文所述的靜止氣象衛(wèi)星成像數(shù)據(jù)定高精度和天氣雷達(dá)空間連續(xù)性上局限性的影響，光流法在氣象應(yīng)用中還存在一些原理性的障礙。譬如，光流場(chǎng)作為圖像中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的視速度場(chǎng)，與大氣水平運(yùn)動(dòng)在物理概念上并不一致；大氣和云降水活動(dòng)也并不總能滿(mǎn)足可忽略個(gè)別變化的求解假定條件。但值得注意的是，既然已經(jīng)有了一些基于光流法對(duì)天氣遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行外推分析的成功實(shí)踐，那么，利用光流法求解得到的云系視速度場(chǎng)即光流場(chǎng)也應(yīng)具有近似分析云系水平運(yùn)動(dòng)特征的潛力。盡管通過(guò)靜止氣象衛(wèi)星和天氣雷達(dá)無(wú)法直接獲得精準(zhǔn)三維空間高分辨率的大氣運(yùn)動(dòng)特征，但是，如果使用水平空間和時(shí)間高分辨率的衛(wèi)星和雷達(dá)數(shù)據(jù)得到的光流場(chǎng)分別近似地表征對(duì)流層中高層和低層的大氣水平運(yùn)動(dòng)狀況，是否可以分析出天氣學(xué)原理中對(duì)降水天氣發(fā)展有重要影響的大氣水平運(yùn)動(dòng)高空和低空配置的特征？或者是否可以分析出對(duì)極端降水短臨預(yù)報(bào)和預(yù)警具有一定應(yīng)用價(jià)值的中小尺度物理參量特征？這是很值得研究的科學(xué)問(wèn)題，也是本文所開(kāi)展工作的出發(fā)點(diǎn)之一。

為了使天氣遙感數(shù)據(jù)能夠更充分地被應(yīng)用到鄭州“7·20”特大暴雨的成因分析和先兆研究中，本文利用FY-4A 靜止氣象衛(wèi)星成像儀數(shù)據(jù)和天氣雷達(dá)低仰角組合反射率數(shù)據(jù)這兩種數(shù)據(jù)求解得到光流場(chǎng)，分別表征降水過(guò)程動(dòng)力條件分析中極為關(guān)注的對(duì)流層中高層和低層的大氣運(yùn)動(dòng)特征，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展與此次特大暴雨形成過(guò)程有關(guān)的動(dòng)力條件和水凝物輸送特征綜合分析，進(jìn)而對(duì)強(qiáng)降水形成的機(jī)理進(jìn)行分析，并為極端降水的短臨預(yù)報(bào)和預(yù)警提供基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

2.1.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

衛(wèi)星數(shù)據(jù)采用國(guó)家衛(wèi)星氣象中心發(fā)布的FY-4A 靜止衛(wèi)星多通道輻射掃描成像掃描儀（Advanced Geosynchronous Radiation Imager，簡(jiǎn)稱(chēng)AGRI）4 km 分辨率1 級(jí)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)自2018年3 月12 日起可供用戶(hù)下載。FY-4A 衛(wèi)星位于赤道104.7°E 上空35786 km，數(shù)據(jù)所含14 個(gè)通道（瞿建華等, 2019）的概況如表1 所示。數(shù)據(jù)的掃描范圍存在全圓盤(pán)和中國(guó)區(qū)域兩種模式，一天內(nèi)存在若干指定時(shí)段進(jìn)行15 分鐘一次的全圓盤(pán)掃描，起始時(shí)間（協(xié)調(diào)世界時(shí)）具體包括：24 個(gè)整點(diǎn)、00:15、02:45、03:15、05:45、06:15、08:45、09:15、11:45、12:15、14:45、15:15、17:45、18:15、20:45、21:15 和23:45 共40 次，其他時(shí)間進(jìn)行4 分18 秒一次的中國(guó)區(qū)域掃描。本文取一個(gè)數(shù)據(jù)文件內(nèi)標(biāo)示的觀測(cè)開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間的均值作為該數(shù)據(jù)文件對(duì)應(yīng)的中國(guó)區(qū)域有效時(shí)間。

表1 FY-4A 衛(wèi)星AGRI 4 km 分辨率1 級(jí)數(shù)據(jù)的通道類(lèi)型、波長(zhǎng)范圍、變量及用途概況Table 1 Channel types, wavelength ranges, variables, and applications of satellite FY-4A AGRI (Advanced Geosynchronous Radiation Imager) Level 1 data in a resolution of 4 km

2.1.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)

雷達(dá)數(shù)據(jù)采用國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的鄭州雷達(dá)[站號(hào)Z9371，（34°42’ N，113°41’ E）]的低仰角組合反射率圖像數(shù)據(jù)。該組合反射率為0.5°、1.5°、2.4°共3 層PPI（plan position indicator）的水平空間最大值組合而成，每6 分鐘一組圖像。該圖像數(shù)據(jù)在2021 年7 月20 日17:13（北京時(shí)，下同）至19:53 缺失，經(jīng)確認(rèn)是由于特大暴雨導(dǎo)致鄭州全市大范圍停電而造成觀測(cè)系統(tǒng)停機(jī)。使用該圖像數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)圖像中給定的色標(biāo)對(duì)圖片中的反射率數(shù)值進(jìn)行提取，并根據(jù)圖像中的省、縣界進(jìn)行地理位置校準(zhǔn)，最終得到水平空間分辨率1 km×1 km、數(shù)值分辨率5 dB 的組合反射率數(shù)值。

2.1.3 天氣形勢(shì)與降水觀測(cè)概況數(shù)據(jù)

針對(duì)本次特大暴雨發(fā)生前的天氣形勢(shì)的概況分析，采用NCEP FNL（Final Operational Global Analysis）全球分析場(chǎng)數(shù)據(jù)（鄧偉等, 2009）。該數(shù)據(jù)水平分辨率1°×1°，時(shí)間間隔6 h，相比于再分析數(shù)據(jù)具有更高的時(shí)效性，是用于天氣分析和驅(qū)動(dòng)中尺度天氣模式常用的數(shù)據(jù)之一。

地面雨量數(shù)據(jù)采用國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的鄭州站[站號(hào)57083，（34°43’ N，113°39’ E）]逐小時(shí)累計(jì)降水量。在通過(guò)對(duì)比分析討論光流場(chǎng)可靠性時(shí)還使用了該站的最大風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。河南地區(qū)降水的空間分布采用中央氣象臺(tái)發(fā)布的河南地區(qū)2021 年7 月19 日08 時(shí)至20 日17 時(shí)累計(jì)降水圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)圖像的色標(biāo)范圍和行政邊界提取數(shù)據(jù)后進(jìn)行重新繪制。

2.2 光流法

本文所采用的光流法主要參考Meinhardt-Llopis et al.（2013）介紹的單層H-S 光流法。該方法的最小化目標(biāo)函數(shù)J在平面域Ω上的表達(dá)式如下：

其中，u和v為光流場(chǎng)矢量，Ix、Iy、It分別為圖像灰度值或變量I的x、y方向的空間偏導(dǎo)數(shù)和時(shí)間偏導(dǎo)數(shù)， α為控制光流場(chǎng)平滑程度的參數(shù)，與原圖像變量場(chǎng)量綱一致，Δs2為格距的平方。積分式中前半部分為光流法基本的假設(shè)求解條件，即變量的I個(gè)別變化很?。环e分式中后半部分為H-S 光流法的光滑條件，同時(shí)也是變分求解的必要條件。此處需要說(shuō)明的是，當(dāng)用于求解等時(shí)間間隔圖像的外推問(wèn)題時(shí)，公式中可以不含Δs2項(xiàng)，且所有變量均可以沒(méi)有物理單位，因?yàn)樽罱K解出的光流場(chǎng)u和v的單位可以是“單位格距/圖像時(shí)間間隔”，在外推預(yù)測(cè)時(shí)并不影響結(jié)果。由于本文所使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)存在不等時(shí)間間隔的情況，且主要針對(duì)光流場(chǎng)的特征進(jìn)行分析而不是進(jìn)行圖像外推，因此需確保所有變量具備物理單位并加入Δs2項(xiàng)配平單位。光流場(chǎng)矢量單位為m s-1，移動(dòng)距離單位為m。光流場(chǎng)矢量的迭代求解方案如下：

其中，n為迭代次序號(hào)。在一般求解此問(wèn)題時(shí)通常設(shè)置誤差閾值，當(dāng)相鄰兩次迭代的最小化函數(shù)之差的絕對(duì)值小于該閾值時(shí)退出迭代，但為了避免求解陷入局部最小，本文經(jīng)試驗(yàn)強(qiáng)制完成600 次迭代。uˉ、vˉ、Ix、Iy和It的計(jì)算方案選擇Meinhardt-Llopis et al.（2013）方案。平滑參數(shù) α的取值存在一定的經(jīng)驗(yàn)性和主觀性，其與所用格距、數(shù)據(jù)時(shí)空分布特征和數(shù)據(jù)中的噪聲特性都有關(guān)聯(lián)。當(dāng)取值過(guò)小時(shí)平滑計(jì)算項(xiàng)的權(quán)重過(guò)低，可能導(dǎo)致所求得的光流場(chǎng)矢量空間變化明顯不連續(xù)，不利于據(jù)此開(kāi)展大氣運(yùn)動(dòng)特征分析；當(dāng)取值過(guò)大時(shí)，雖然所得光流場(chǎng)可以保證平滑，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致所求得的光流場(chǎng)矢量的量級(jí)過(guò)小，使其與大氣運(yùn)動(dòng)特征在物理意義上的差距增大。經(jīng)試驗(yàn)，本文針對(duì)4 km 分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)取α2為100 K2，針對(duì)1 km 分辨率的雷達(dá)低仰角組合反射率數(shù)據(jù)取 α2為10 dBZ2。迭代求解結(jié)束后，對(duì)光流場(chǎng)矢量進(jìn)行25×25 格點(diǎn)范圍的中值濾波以便濾除可能出現(xiàn)的異常值。在對(duì)計(jì)算光流場(chǎng)的衛(wèi)星通道選擇上，由于探測(cè)水汽的通道能同時(shí)對(duì)云頂和無(wú)云區(qū)的水汽響應(yīng)，進(jìn)而可以更全面地反演大氣和云系的運(yùn)動(dòng)特征，本文優(yōu)先考慮通道9 和10。在此基礎(chǔ)上，由于通道9 及其他部分遠(yuǎn)紅外通道中存在相比于通道10 更明顯的橫向的隨時(shí)間變化的條紋噪聲，故本文選取通道10 計(jì)算光流場(chǎng)表征高空的運(yùn)動(dòng)特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 天氣形勢(shì)與降水觀測(cè)概況

鄭州自2021 年7 月19 日上午起便出現(xiàn)持續(xù)性降水。其中19 日24 h（19 日08 時(shí)至20 日08 時(shí)）累計(jì)降水量為101.3 mm，20 日24 h（20 日08 時(shí)至21日08 時(shí)）累計(jì)降水量激增到627.4 mm，最大小時(shí)累計(jì)降水量發(fā)生于20 日16～17 時(shí)，高達(dá)201.9 mm，遠(yuǎn)超以往學(xué)者統(tǒng)計(jì)的鄭州降水量歷史極大值（1 小時(shí)87.1 mm，24 小時(shí)173.5 mm；左璇等, 2021）。河南地區(qū)19 日08 時(shí)至20 日17 時(shí)累計(jì)降水量的空間分布（圖1b）顯示，此次降水過(guò)程為覆蓋河南省的大范圍降水過(guò)程。該時(shí)段內(nèi)累計(jì)降水量超過(guò)100 mm 的地區(qū)從河南中部偏西地區(qū)延伸至河南北部，鄭州位于累計(jì)降水量超過(guò)400 mm 的強(qiáng)降水中心的東部。

圖1 2021 年7 月（a）19 日08 時(shí)至21 日08 時(shí)鄭州雨量站觀測(cè)的逐小時(shí)累計(jì)降水量，（b）19 日08 時(shí)至20 日17 時(shí)河南地區(qū)累計(jì)的觀測(cè)降水量，粗黑線圓圈代表鄭州雨量站位置Fig. 1 (a) Hourly accumulated precipitation observed in Zhengzhou rainfall station from 0800 BJT (Beijing time) 19 July to 0800 BJT 21 July 2021,(b) accumulated precipitation observed in Henan Province from 0800 BJT 19 July to 1700 BJT 20 July 2021, the bold black circle represents the location of Zhengzhou rainfall station

FNL 數(shù)據(jù)分析顯示，20 日午后14 時(shí)即特大降雨發(fā)生前，鄭州上空處在200 hPa 高壓脊控制并伴有強(qiáng)烈輻散（圖2a），為強(qiáng)降水系統(tǒng)的發(fā)展和維持提供了非常有利的高空動(dòng)力條件。從中層500 hPa

圖2 2021 年7 月20 日14 時(shí)FNL 數(shù)據(jù)的（a）200 hPa、（b）500 hPa、（c）850 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線，單位：dagpm）、風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)羽，單位：m s-1），（d）500 hPa 以下整層水汽通量（箭頭，單位：103 kg m-1 s-1）、水汽通量散度（陰影，單位：10-4 kg m-2 s-1）。圖中紅圈為鄭州雨量站位置，圖c、d 中黑色粗實(shí)線圈為海拔超過(guò)3000 m 的高原范圍Fig. 2 Geopotential height (contours, units: dagpm) and wind (barbs, units: m s-1) at (a) 200 hPa, (b) 500 hPa, (c) 850 hPa, (d) integrated water vapor fluxes (arrows, units: 103 kg m-1 s-1) and their divergences (shadings, units: 10-4 kg m-2 s-1) below the 500-hPa level from the FNL (Final Operational Global Analysis) dataset at 1400 BJT 20 July 2021. The red circles represent the location of the Zhengzhou rainfall station. The bold black lines in Figs. c and d represent the plateau areas with an altitude of at least 3000 m above sea level

鄭州雨量站小時(shí)累計(jì)降水?dāng)?shù)據(jù)（圖1a）顯示，（圖2b）和低層850 hPa（圖2c）環(huán)流形勢(shì)上可見(jiàn)，2021 年第6 號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”（In-Fa）位于臺(tái)灣以東洋面[約（25°N，130°E）附近]，第7 號(hào)臺(tái)風(fēng)“查帕卡”（Cempaka）位于海南東北部[約（20°N，110°E）附近]。在500 hPa 存在一個(gè)“西南—東北”走向的倒槽（585 dagpm 等值線），鄭州恰好位于該倒槽的頂部偏東側(cè)（圖2b），為在該區(qū)域形成上升運(yùn)動(dòng)和偏南水汽、云水輸送，從而形成大范圍降水系統(tǒng)提供了極為有利的動(dòng)力條件。由850 hPa 形勢(shì)（圖2c）可見(jiàn)，鄭州處于日本海高壓延伸帶的西側(cè)，受臺(tái)風(fēng)“煙花”外圍的東南氣流明顯影響。整層水汽通量圖（圖2d）顯示，鄭州處于與500 hPa 上的585 dagpm 倒槽位置基本一致的水汽輻合帶中，受到南面和東南面水汽輸送的強(qiáng)烈影響，從而為降水系統(tǒng)的發(fā)展和維持提供了極為有利的水汽條件。

3.2 遙感數(shù)據(jù)光流場(chǎng)與其他資料的對(duì)比

如本文引言所述，光流場(chǎng)作為遙感數(shù)據(jù)圖像的視速度場(chǎng)，雖然其本身與大氣水平運(yùn)動(dòng)在物理概念上并不一致，但同時(shí)也具備反映大氣運(yùn)動(dòng)特征的潛力。為了檢驗(yàn)本文計(jì)算得到的遙感數(shù)據(jù)光流場(chǎng)能否合理地表征出對(duì)流層中高層和低層的大氣水平運(yùn)動(dòng)特征，應(yīng)通過(guò)與其他常規(guī)資料進(jìn)行對(duì)比分析和驗(yàn)證。對(duì)于衛(wèi)星光流場(chǎng)，首先需確認(rèn)其代表的大氣運(yùn)動(dòng)高度。取7 月20 日午后14:00 時(shí)，參考FY-4A 的云頂高度產(chǎn)品（圖3a）和云頂氣壓產(chǎn)品（圖3b），可見(jiàn)鄭州上空大范圍云系及周邊云系的云頂核心高度在12 km 以上，氣壓小于200 hPa。大范圍云系的云頂高度向外圍遞減降至不足8 km 高度，但高于400 hPa 的高度。結(jié)合引言中已介紹的衛(wèi)星云頂高度反演10-1±2 km 量級(jí)的誤差范圍，考慮衛(wèi)星光流場(chǎng)應(yīng)對(duì)應(yīng)400～200 hPa 高度范圍的中高層大氣運(yùn)動(dòng)狀況。從衛(wèi)星光流場(chǎng)與FNL 數(shù)據(jù)400～200 hPa高度平均水平風(fēng)的對(duì)比（圖3c）來(lái)看，二者在鄭州上空均為有一定輻散特征的西南風(fēng)，在我國(guó)東部外海臺(tái)風(fēng)“煙花”上空則呈現(xiàn)反氣旋式輻散，大范圍流場(chǎng)矢量大小和方向基本相似，表明本文計(jì)算得到的衛(wèi)星光流場(chǎng)可以近似表征對(duì)流層中高層的大氣運(yùn)動(dòng)狀況。

圖3 2021 年7 月20 日14 時(shí)（a）FY-4A 云頂高度產(chǎn)品、（b）FY-4A 云頂氣壓產(chǎn)品以及（c）FY-4A 通道10 計(jì)算的光流場(chǎng)（藍(lán)色箭頭）和FNL 數(shù)據(jù)400～200 hPa 平均水平風(fēng)（紅色箭頭）。圖中黑色圈為鄭州雨量站位置，下同F(xiàn)ig. 3 (a) Cloud top height products of FY-4A, (b) cloud top pressure products of FY-4A, (c) the optical flow field (blue arrows) derived from FY-4A Channel No.10 and mean horizontal wind field (red arrows) of FNL data within the layer 400-200 hPa at 1400 BJT 20 July 2021. The black circles represent the location of Zhengzhou rainfall station, the same below

對(duì)于雷達(dá)低仰角組合反射率計(jì)算的光流場(chǎng)，由于天氣雷達(dá)的不同掃描仰角和探測(cè)距離對(duì)應(yīng)著不同的高度，且組合反射率的計(jì)算規(guī)則是取不同高度上的最大反射率數(shù)值，因此不易確認(rèn)該數(shù)據(jù)精確對(duì)應(yīng)的高度。但是，考慮到雷達(dá)原始數(shù)據(jù)3 個(gè)低仰角中間層（仰角1.5°）在150 km 距離（約1.35°～1.67°經(jīng)緯距）上的對(duì)應(yīng)探測(cè)高度不足4 km，本文計(jì)算的雷達(dá)光流場(chǎng)應(yīng)對(duì)應(yīng)約3 km 以下的低層大氣運(yùn)動(dòng)特征。從20 日午后14:00 時(shí)的雷達(dá)光流場(chǎng)和FNL數(shù)據(jù)1000～700 hPa 高度層平均水平風(fēng)對(duì)比（圖4a）來(lái)看，二者在鄭州北側(cè)的大范圍偏東風(fēng)和南側(cè)部分東南風(fēng)具有相似之處，但結(jié)合雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)特征（圖4b）可以看出雷達(dá)光流場(chǎng)空間分辨率高并且更加精細(xì)，而FNL 數(shù)據(jù)給出的流場(chǎng)則顯示較大尺度的平滑特點(diǎn)，尤其在一些回波核心周邊雷達(dá)光流場(chǎng)顯示出了更小尺度的輻合或輻散特征。圖4a 中的兩種數(shù)據(jù)還有一個(gè)明顯的不同之處是，F(xiàn)NL 數(shù)據(jù)給出的低層風(fēng)速比雷達(dá)光流場(chǎng)的大很多。為了確認(rèn)兩種數(shù)據(jù)在風(fēng)速大小上的準(zhǔn)確程度，我們?nèi)∴嵵菡镜孛?0 m 高度逐小時(shí)觀測(cè)的最大風(fēng)速，與雷達(dá)光流場(chǎng)在鄭州站附近2 km 范圍以?xún)?nèi)的平均值（雷達(dá)距離鄭州雨量站水平距離不足2 km，可近似地與地面站觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比），以及FNL 數(shù)據(jù)中的10 m風(fēng)插值出鄭州雨量站位置的地面風(fēng)進(jìn)行近地面風(fēng)時(shí)間序列對(duì)比。由風(fēng)速對(duì)比（圖4c）可見(jiàn)，在20 日下午14:00 時(shí)，F(xiàn)NL 數(shù)據(jù)給出近8 m s-1的風(fēng)速，遠(yuǎn)高于站點(diǎn)觀測(cè)和雷達(dá)光流場(chǎng)的近4 m s-1風(fēng)速，說(shuō)明此時(shí)FNL 數(shù)據(jù)確實(shí)存在風(fēng)速偏大的情況。雷達(dá)光流場(chǎng)除了最強(qiáng)小時(shí)降雨階段（16～17 時(shí)前后）與地面觀測(cè)差異較大外，其他時(shí)段與地面觀測(cè)風(fēng)速較一致。再?gòu)娘L(fēng)向?qū)Ρ龋▓D4d）可見(jiàn)，雷達(dá)光流場(chǎng)總體上與地面觀測(cè)的風(fēng)向和變化趨勢(shì)一致性更好，而FNL 數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的風(fēng)向變動(dòng)很小，不能精細(xì)地反映云尺度系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)的局地變化特征。上述對(duì)比表明，本文計(jì)算的雷達(dá)光流場(chǎng)可以近似地表征對(duì)流層低層的大氣運(yùn)動(dòng)狀況。

圖4 2021 年7 月20 日14 時(shí)（a）雷達(dá)低仰角組合反射率光流場(chǎng)（藍(lán)色箭頭）與FNL 數(shù)據(jù)1000～700 hPa 平均水平風(fēng)（紅色箭頭），（b）雷達(dá)低仰角組合反射率（陰影）及光流場(chǎng)（黑色箭頭），（c）2021 年7 月21 日鄭州雨量站附近的雷達(dá)光流場(chǎng)、鄭州雨量站觀測(cè)的10 m 高度處的最大風(fēng)速和FNL 數(shù)據(jù)10 m 高度處的風(fēng)速變化，（d）同c，但為風(fēng)向Fig. 4 (a) The optical flow field (blue arrows) derived from radar low-level composite reflectivity and mean horizontal wind field (red arrows) of FNL data within the layer 1000-700 hPa, (b) radar low-level composite reflectivity (shadings) and optical flow field (black arrows) at 1400 BJT 20 July 2021, (c) time series of radar optical flow field near Zhengzhou rainfall station, maximum 10 m-height wind speed observation at Zhengzhou rainfall station, and 10 m-height wind of FNL data on 21 July 2021, (d) as in Fig. c, but for wind direction

3.3 西南水汽通道和對(duì)流帶

選取與圖2 相近的7 月20 日午后14 時(shí)前后時(shí)次，由FY-4A AGRI 衛(wèi)星數(shù)據(jù)中對(duì)云水和水汽均有響應(yīng)的通道9（圖5a）和通道10（圖5b）數(shù)據(jù)可見(jiàn)，當(dāng)日午后，鄭州上空已覆蓋有一個(gè)范圍較大的云系（圖中淺藍(lán)色），其西南側(cè)銜接含有一系列尺度較小的對(duì)流云塊、呈現(xiàn)“西南—東北”走向的水汽帶，其位置與中低層天氣形勢(shì)圖中的倒槽（圖2b）和水汽輻合帶（圖2d）位置基本重合。再由衛(wèi)星通道4 測(cè)量的短波紅外圖（圖5c）進(jìn)一步觀察該水汽帶中的這些小尺度對(duì)流云塊，發(fā)現(xiàn)這些對(duì)流云具有相對(duì)較高的衛(wèi)星短波紅外探測(cè)值，其明顯高于鄭州上空云系且與“查帕卡”臺(tái)風(fēng)核心區(qū)域的數(shù)值量級(jí)相當(dāng)。這說(shuō)明，上述水汽帶中的這些塊狀云體是發(fā)展深厚的強(qiáng)對(duì)流云，由于它們的云頂和云核心較密實(shí)，使得直接反射太陽(yáng)短波輻射較多。再結(jié)合通道10 計(jì)算得到的光流場(chǎng)（圖5d）可見(jiàn)，上述水汽帶南起臺(tái)風(fēng)“查帕卡”的西側(cè)和北側(cè)區(qū)域，并向東北方向輸送進(jìn)入河南省大部分地區(qū)，軸心正穿過(guò)鄭州地區(qū)，表明鄭州在特大暴雨發(fā)生前處在該“西南—東北”走向的水汽和深對(duì)流云輸送帶軸心上。

同時(shí)注意到，衛(wèi)星與FNL 分析場(chǎng)數(shù)據(jù)（圖2d）顯示臺(tái)風(fēng)“煙花”（位于臺(tái)灣以東約1000 km 的洋面上）的水汽向鄭州輸送特征有所不同。由衛(wèi)星兩個(gè)探測(cè)水汽亮溫的通道（通道9 和10，圖5a、b）數(shù)據(jù)可以看到，在我國(guó)華北、華東海邊直至臺(tái)風(fēng)“煙花”西側(cè)的廣大區(qū)域，亮溫相當(dāng)高，說(shuō)明這些區(qū)域幾乎無(wú)云，水汽也很少。由衛(wèi)星水汽亮溫通道10 反演的高空光流場(chǎng)也沒(méi)有顯示水汽從臺(tái)風(fēng)“煙花”向西北輸送至鄭州地區(qū)的特征，表明至少在20 日午后，位于我國(guó)廣東南部海面上的“查帕卡 ”臺(tái)風(fēng)對(duì)鄭州西南方向的水汽和對(duì)流云的輸送作用更為明顯。

3.4 區(qū)域流場(chǎng)變化特征

選取7 月20 日鄭州站小時(shí)累計(jì)降水最大時(shí)段（16:00～17:00）中的16:30 左右鄭州雨量站附近區(qū)域光流場(chǎng)數(shù)據(jù)，以及在此之前每間隔2 小時(shí)的光流場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析衛(wèi)星和雷達(dá)光流場(chǎng)的時(shí)間變化特征（圖6、圖7）。在20 日上午，鄭州上空大范圍云系在南偏西氣流影響下已具有輻散特征（圖6a），午后鄭州南側(cè)有大量積云單體向北輸送進(jìn)入鄭州上空云系（圖6c），在鄭州小時(shí)降水最強(qiáng)階段（圖6d），高空輻散區(qū)向下游即東北方向移動(dòng)，并且反氣旋式曲率更為明顯，說(shuō)明高空反氣旋式輻散增強(qiáng)。而雷達(dá)光流場(chǎng)顯示，20 日上午低層氣流呈大范圍東偏南風(fēng)（圖7a），從中午開(kāi)始，鄭州南部不斷有強(qiáng)回波單體發(fā)展并向北移動(dòng)（圖7b-d），在鄭州南側(cè)形成輻合。綜上分析表明，利用衛(wèi)星和雷達(dá)低層數(shù)據(jù)計(jì)算的光流場(chǎng)可以表征大氣和云系高空和低空的移動(dòng)特征，并分析出鄭州地區(qū)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)及發(fā)生前處于明顯的“高空強(qiáng)烈輻散、低空強(qiáng)烈輻合”的動(dòng)力場(chǎng)影響中。

圖6 2021 年7 月20 日（a）10:32、（b）12:32、（c）14:32、（d）16:32 鄭州雨量站附近衛(wèi)星光流場(chǎng)（黑色箭頭）。填色為FY-4A AGRI 通道10 亮溫，圖中黑色框范圍為鄭州附近區(qū)域，下同F(xiàn)ig. 6 Optical flow field (black arrows) from FY-4A AGRI at (a) 1032 BJT, (b) 1232 BJT, (c) 1432 BJT, (d) 1632 BJT on 20 July 2021. Color shadings represent the brightness temperature of FY-4A Channel No.10. The black boxes represent the surrounding area of Zhengzhou, the same below

圖7 2021 年7 月20 日（a）10:32、（b）12:32、（c）14:32、（d）16:32 鄭州雨量站附近雷達(dá)光流場(chǎng)（黑色箭頭）。填色為雷達(dá)低仰角組合反射率Fig. 7 Optical flow field (black arrows) from radar at (a) 1032 BJT, (b) 1232 BJT, (c) 1432 BJT, (d) 1632 BJT on 20 July 2021. Color shadings represent low-level radar composite reflectivity

利用鄭州及其周邊地區(qū)（33°～36°N，112°～115°E，跨度約300 km×300 km）的光流場(chǎng)可以進(jìn)一步定量分析渦度和散度這兩個(gè)動(dòng)力特征診斷量隨時(shí)間的變化特征。為了獲得影響鄭州地區(qū)的降水系統(tǒng)總體動(dòng)力特征和變化，對(duì)渦度和散度場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域平均，以減小流場(chǎng)局地?cái)_動(dòng)或數(shù)據(jù)起伏的影響，從而獲得降水系統(tǒng)總體動(dòng)力特征變化（圖8、圖9）。所得到的該3°×3°區(qū)域平均渦度和散度量級(jí)為10-5s-1，與以往學(xué)者使用1°×1°空間分辨率數(shù)據(jù)分析暴雨流場(chǎng)的渦度和散度的量級(jí)基本一致（楊帥和高守亭,2007; 黃治勇等, 2021），表明本文對(duì)光流場(chǎng)的渦度和散度場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域平均所得到的統(tǒng)計(jì)量數(shù)值范圍基本合理。

圖8 2021 年7 月20 日FY-4A AGRI 通道10 計(jì)算的光流場(chǎng)計(jì)算的區(qū)域平均散度和渦度變化。圖中粗虛線為15 點(diǎn)滑動(dòng)平均線，區(qū)域平均范圍為鄭州周邊地區(qū)（圖6 中黑色方框區(qū)，33°～36°N，112°～115°E），下同F(xiàn)ig. 8 Regional average divergence and vorticity of the optical flow field derived from Channel No.10 of FY-4A AGRI data on 20 July 2021. The bold dash lines represent the 15-point moving average. The regional average area covers the surrounding areas of Zhengzhou (black boxes in Fig. 6,33°-36°N, 112°-115°E), the same below

圖9 2021 年7 月20 日雷達(dá)低仰角組合反射率光流場(chǎng)計(jì)算得到的鄭州附近區(qū)域平均散度和渦度變化。平均時(shí)取組合反射率大于0 dBZ 的格點(diǎn)Fig. 9 Regional average divergence and vorticity of optical flow field derived from low-level radar composite reflectivity on July 2021. The regional average is with the radar composite reflectivity over 0 dBZ

圖8 給出了衛(wèi)星光流場(chǎng)計(jì)算的高空輻散和渦度隨時(shí)間的變化，可見(jiàn)，鄭州地區(qū)高空的流場(chǎng)從20日0 時(shí)起就一直處于強(qiáng)烈的輻散狀態(tài)，并且反氣旋渦度（圖8 紅線）不斷增強(qiáng)，直到22 時(shí)強(qiáng)降水開(kāi)始減弱后高空的渦度和散度才趨于消失。這些結(jié)果表明，當(dāng)日鄭州地區(qū)在高空強(qiáng)輻散和強(qiáng)反氣旋渦度作用下一直維持有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步觀察最強(qiáng)小時(shí)降水發(fā)生時(shí)段（20 日16～17 時(shí)）前的高空動(dòng)力參量的變化，發(fā)現(xiàn)從20 日中午12 時(shí)起，雖然高空呈現(xiàn)的輻散有減弱趨勢(shì)，但從下午約14 時(shí)起高空反氣旋渦度出現(xiàn)增強(qiáng)，這說(shuō)明降水系統(tǒng)中的上升運(yùn)動(dòng)并非趨于減弱，而是在增強(qiáng)。此處高空輻散的減弱統(tǒng)計(jì)結(jié)果可能受最強(qiáng)輻散層的高度變化以及云頂主要輻散區(qū)向統(tǒng)計(jì)區(qū)域下游移動(dòng)等多種因素影響。

以與衛(wèi)星光流場(chǎng)類(lèi)似的方式計(jì)算雷達(dá)光流場(chǎng)的區(qū)域平均渦度和散度。此處需指出，光流場(chǎng)在沒(méi)有雷達(dá)回波的區(qū)域?yàn)?，或在回波邊沿外側(cè)呈現(xiàn)很小的值，即光流法并不會(huì)在圖像中沒(méi)有有效目標(biāo)和變化特征的區(qū)域求解出有效的視速度矢量，而這部分結(jié)果也不應(yīng)在區(qū)域平均統(tǒng)計(jì)時(shí)被記入。本文此處取組合反射率大于0 dBZ的格點(diǎn)上的渦度和散度進(jìn)行區(qū)域平均。圖9 顯示了雷達(dá)低仰角光流場(chǎng)表征的散度和渦度隨時(shí)間的變化，7 月20 日從0 時(shí)起到強(qiáng)降水結(jié)束時(shí)，低空呈現(xiàn)強(qiáng)氣旋式渦度發(fā)展，與高空反氣旋相對(duì)應(yīng)，表明當(dāng)日鄭州地區(qū)確有大范圍上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展。低空散度自20 日0 時(shí)起先以明顯輻散為主，這是因?yàn)猷嵵莓?dāng)時(shí)存在持續(xù)性降水（圖1），降水粒子下落引起下沉氣流到達(dá)地面后會(huì)自然引起輻散。但是，低空散度在13～14 時(shí)由正值急劇轉(zhuǎn)為負(fù)值，即低空由輻散急劇轉(zhuǎn)為輻合，并在16～17 時(shí)最強(qiáng)降水發(fā)生前一直保持輻合，與午后高空出現(xiàn)的反氣旋增強(qiáng)現(xiàn)象（圖8）相對(duì)應(yīng)，表明鄭州地區(qū)在20 日午后上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，這為特大暴雨的產(chǎn)生和維持提供了直接的動(dòng)力條件。

3.5 區(qū)域水凝物輸送特征

從3.4 節(jié)看到，鄭州發(fā)生特大暴雨期間南側(cè)有大量強(qiáng)對(duì)流云向北輸送。為了進(jìn)一步討論南側(cè)大量強(qiáng)對(duì)流云向北輸送對(duì)鄭州此次特大暴雨的影響，需要對(duì)區(qū)域的水凝物輸送特征進(jìn)行定量分析。這里取與圖6 所示的鄭州及周邊范圍作為重點(diǎn)研究區(qū)域。首先取南側(cè)邊界（33°N 附近，112°～115°E 范圍），估算水凝物通量隨時(shí)間的變化進(jìn)行討論。由雷達(dá)反射率估算水凝物含量的方案采用于華英等（2007）構(gòu)建的簡(jiǎn)單估算公式：

其中，W為液態(tài)含水量（單位：g m-3），Z為雷達(dá)反射率因子（單位：mm6m-3）。由于本文所使用的雷達(dá)反射率為低仰角的組合反射率，因此，由（5）式僅能得到表征低層中單層積分的水凝物含量最大值。將W與雷達(dá)光流場(chǎng)南北方向分量v相乘，即得到某個(gè)空間點(diǎn)上的水凝物通量估計(jì)值（單位：g m-2s-1）?？紤]到回波單體在空間上的不均勻性，為了更好地表征越過(guò)33°N 線的對(duì)流云向北輸送量的變化情況，取雷達(dá)數(shù)據(jù)每個(gè)經(jīng)度上32.5°～33.5°N 之間單點(diǎn)水凝物通量絕對(duì)值最大的點(diǎn)作為代表，然后沿112°～115°E 積分，最終得到從鄭州區(qū)域南側(cè)邊界的低層單層水凝物向北輸送的凈通量估計(jì)值。

在對(duì)比分析方面，取FNL 分析數(shù)據(jù)中各高度層的云、雨、冰晶、霰和雪團(tuán)等水凝物的混合比之和作為根據(jù)FNL 的水凝物含量數(shù)據(jù)計(jì)算各層水凝物通量，以便與雷達(dá)反演數(shù)據(jù)作對(duì)比。由圖1a 看到，20 日中午以前，降水持續(xù)且相對(duì)平穩(wěn)。從圖10看到，由雷達(dá)低仰角組合反射率和光流場(chǎng)估算的水凝物向北輸送凈通量在00 時(shí)至08 時(shí)基本位于FNL 數(shù)據(jù)500 hPa 和700 hPa 的數(shù)值之間，其中，02 時(shí)和08 時(shí)與FNL 分析數(shù)據(jù)700 hPa 的數(shù)值更接近。這些對(duì)比表明，本文由雷達(dá)低仰角數(shù)據(jù)估算的水凝物通量數(shù)值范圍合理，能夠基本反映對(duì)流層中低層的水凝物輸送情況。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在20日午后至16 時(shí)鄭州最強(qiáng)降水發(fā)生前，由雷達(dá)計(jì)算的水凝物向北凈通量自13 時(shí)起急劇增大（圖10），而由FNL 數(shù)據(jù)計(jì)算的中低各層水凝物通量在14 時(shí)后也有一些增長(zhǎng)趨勢(shì)，但其數(shù)值和增長(zhǎng)程度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雷達(dá)計(jì)算的水凝物通量，并沒(méi)有表現(xiàn)出與20日中午以前明顯不同的數(shù)值變化特征。這表明雷達(dá)數(shù)據(jù)及其光流場(chǎng)所估算的水凝物輸送情況相比于傳統(tǒng)粗時(shí)空分辨率的分析場(chǎng)在極端降水過(guò)程的輸送條件估算上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

采用與圖10 計(jì)算南側(cè)邊界類(lèi)似的方案，進(jìn)一步分析鄭州區(qū)域低層各方向邊界的水凝物輸入情況（圖11a），可見(jiàn)在20 日上午以東邊界水凝物輸入為主，而南邊界的水凝物輸入在午后開(kāi)始增大，在14 時(shí)超過(guò)東邊輸入成為主要貢獻(xiàn)。從低層水凝物的凈輸入情況（圖11b）來(lái)看，鄭州區(qū)域低層從南側(cè)和東側(cè)邊界輸入水凝物，并從西側(cè)和北側(cè)輸出，13 時(shí)起主要受南側(cè)凈輸入影響，低層水凝物總凈通量由負(fù)轉(zhuǎn)正并波動(dòng)上升，直至16～17 時(shí)最強(qiáng)降水時(shí)達(dá)到最大。

圖10 2021 年7 月20 日由雷達(dá)數(shù)據(jù)和FNL 數(shù)據(jù)計(jì)算的鄭州附近區(qū)域低層南側(cè)邊界水凝物向北凈通量Fig. 10 Net northward hydrometeor fluxes derived from radar data and FNL data at low levels at the south boundary of Zhengzhou region on 20 July 2021

圖11 2021 年7 月20 日由雷達(dá)數(shù)據(jù)估算的鄭州附近區(qū)域低層不同方向邊界上水凝物的（a）向內(nèi)正通量、（b）向內(nèi)凈通量Fig. 11 (a) Inward positive fluxes and (b) inward net fluxes of hydrometeor estimated using radar data at low levels at boundaries of different directions transporting into Zhengzhou region on 20 July 2021

為了將水凝物收支和小時(shí)降水變化情況進(jìn)行比較，將水凝物總凈通量按雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率（6 min）進(jìn)行6 min 時(shí)間間隔的線性補(bǔ)插后，計(jì)算出每個(gè)小時(shí)平均的水凝物總凈通量。然后，考慮到雷達(dá)原始數(shù)據(jù)3 個(gè)低仰角中間層（仰角1.5°）在區(qū)域半寬度（1.5°經(jīng)緯度，約150 km）距離上的高度不足4 km，取3 km 作為低層水凝物輸送的層厚度，對(duì)圖11b 中的總凈通量進(jìn)行逐小時(shí)的時(shí)間和高度積分，得到鄭州地區(qū)低層水凝物逐小時(shí)輸送收支情況（圖12）。自13 時(shí)起，鄭州區(qū)域低層水凝物收支由負(fù)轉(zhuǎn)正，在15～16 時(shí)突然增大，數(shù)值2 倍于當(dāng)日此前的正收支數(shù)值，并維持大值到最強(qiáng)降水發(fā)生的時(shí)段（16～17 時(shí)）。此過(guò)程伴隨的地面小時(shí)累計(jì)降水從15 時(shí)不足10 mm 到16 時(shí)近50 mm，再到17 時(shí)超過(guò)200 mm，相比于水凝物輸送的急劇增加存在約1 個(gè)小時(shí)的滯后。

圖12 2021 年7 月20 日由雷達(dá)數(shù)據(jù)估算的鄭州附近區(qū)域低層水凝物輸送收支與鄭州雨量站小時(shí)降水量Fig. 12 Hydrometeor transport budgets at low levels over the Zhengzhou region estimated using radar data and hourly precipitation at Zhengzhou rainfall station on 20 July 2021

進(jìn)一步結(jié)合3.2 節(jié)中7 月20 日午后有大量對(duì)流云向鄭州地區(qū)上空大范圍云系輸送的現(xiàn)象，和3.3 節(jié)中20 日午后云區(qū)上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的特征，可以推斷20 日下午有大量水凝物隨對(duì)流云輸送進(jìn)鄭州地區(qū)大范圍降水系統(tǒng)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)里。注意到，上述一系列物理過(guò)程與我國(guó)學(xué)者提出的積層混合云降水理論（黃美元等, 1986; 洪延超, 1996）存在相似之處。例如，鑲嵌在層狀云飽和環(huán)境中的對(duì)流云的降水效率明顯高于純對(duì)流云（黃美元等, 1986），層狀云的飽和環(huán)境和輻合場(chǎng)可以使鑲嵌其中的對(duì)流云具有較長(zhǎng)的生命期、持續(xù)性高強(qiáng)度降水和間歇性特高強(qiáng)度降水（洪延超, 1996），這些機(jī)制可能是導(dǎo)致此次鄭州特大暴雨的關(guān)鍵原因。

4 結(jié)論與討論

本文針對(duì)2021 年7 月20 日鄭州“7·20”特大暴雨，利用FY-4A AGRI 遙感數(shù)據(jù)和地基天氣雷達(dá)低仰角組合反射率數(shù)據(jù)分別計(jì)算光流場(chǎng)。經(jīng)與FNL 數(shù)據(jù)水平風(fēng)和地面風(fēng)速觀測(cè)對(duì)比，表明本文計(jì)算的光流場(chǎng)具備近似表征大氣和云系的高空和低空運(yùn)動(dòng)特征的能力。在此基礎(chǔ)上，從動(dòng)力場(chǎng)和水凝物輸送方面，對(duì)鄭州強(qiáng)降水發(fā)生的前兆和成因進(jìn)行了分析。

在7 月20 日午后，鄭州受“西南—東北”走向的水汽和強(qiáng)對(duì)流輸送帶控制，與FNL 分析場(chǎng)數(shù)據(jù)中500 hPa 倒槽和整層水汽輻合帶位置基本吻合。該輸送帶南起于南海的臺(tái)風(fēng)“查帕卡”西側(cè)和北側(cè)，一直延伸至鄭州上空的大范圍云系中，這可能是這次鄭州“7·20”特大暴雨產(chǎn)生的重要水汽來(lái)源。

7 月20 日午后至16 時(shí)最強(qiáng)降水發(fā)生前，表征高空流場(chǎng)特征的衛(wèi)星光流場(chǎng)呈現(xiàn)反氣旋渦度增強(qiáng)，而表征低空流場(chǎng)特征的雷達(dá)光流場(chǎng)則由輻散轉(zhuǎn)為強(qiáng)烈的氣旋性輻合，表明鄭州地區(qū)上空整個(gè)降水系統(tǒng)的上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，為特大暴雨的形成提供了極為有利的動(dòng)力條件。

在7 月20 日午后，鄭州地區(qū)受南側(cè)強(qiáng)對(duì)流云輸入的影響，在最強(qiáng)降水發(fā)生前1 小時(shí)水凝物凈輸入急劇增加，并維持到最強(qiáng)降水發(fā)生階段，表明存在大量水凝物隨對(duì)流云輸送進(jìn)入大范圍降水系統(tǒng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，從而極大地加速了水汽轉(zhuǎn)化為云水進(jìn)而形成降水的微物理過(guò)程轉(zhuǎn)化速率，這可能是此次鄭州特大暴雨快速增強(qiáng)的關(guān)鍵成因。

上述這些動(dòng)力條件和水凝物輸送特征在最強(qiáng)降水發(fā)生前1～2 個(gè)小時(shí)就已明顯出現(xiàn)，表明本文所使用的基于遙感數(shù)據(jù)高空和低空光流場(chǎng)分析的方法具備一定的短臨預(yù)報(bào)和預(yù)警價(jià)值，同時(shí)也表明此類(lèi)我國(guó)高時(shí)空分辨率的天氣遙感探測(cè)數(shù)據(jù)具備在降水天氣探測(cè)與預(yù)警方面進(jìn)一步被拓展應(yīng)用的潛力。

未來(lái)還有一些相關(guān)研究工作值得深入開(kāi)展。首先，本文計(jì)算水凝物輸送時(shí)，在雷達(dá)反演含水量、低層高度積分時(shí)使用的是粗略的估計(jì)方法，如果能利用近年來(lái)我國(guó)部分地區(qū)新部署的相控陣雙偏振雷達(dá)，不僅可以利用雙偏振參量更準(zhǔn)確地計(jì)算不同水凝物含量，還可以借助更高時(shí)空分辨率的探測(cè)，最終得到更為準(zhǔn)確的不同高度層上的水凝物輸送特征，以便更好地對(duì)強(qiáng)降水進(jìn)行診斷和預(yù)警。其次，此次特大暴雨過(guò)程和以往積層混合云暴雨過(guò)程在動(dòng)力和微物理過(guò)程方面的異同，需要結(jié)合更多樣的觀測(cè)、探測(cè)數(shù)據(jù)和研究手段進(jìn)行深入討論。第三，衛(wèi)星數(shù)據(jù)沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的7 月20 日午后臺(tái)風(fēng)“煙花”向鄭州地區(qū)輸送水汽的特征，與FNL 分析數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)出的特征不一致。如何更好地解釋這些數(shù)據(jù)中存在的差異并加以利用，值得在未來(lái)進(jìn)一步研究。