中国气象科学研究院、南京信息工程大学合作在大气科学权威期刊《Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society》发文!
短时极端降水容易诱发山洪，对人民生命和财产安全构成严重威胁。由于涉及天气尺度环流、中尺度对流系统 (MCS)、地形和下垫面影响等多尺度因素之间的复杂相互作用，这种灾害天气的预测和应急响应极其困难。2021年7月，受副高和台风远距离水汽输送的影响，河南发生破纪录的暴雨事件。在此过程中，两个MCS的合并在河南新乡产生了153.2 mm的极端小时降水 (EHR)，仅次于被广泛研究的郑州EHR (201.9 mm)。前人研究曾关注过对流碰撞或合并后产生极端降水的过程，而本次个例的有趣之处在于，EHR发生在两个MCS合并之前 (图1) 而非之后。基于多源观测数据和对流可分辨的数值模拟，本研究深入剖析了对流合并过程中对流强度变化和产生EHR的机制。图1 左图为2021年7月21日累积日降水，三角形为新乡EHR位置；右图为EHR发生时 (20时) 合成反射率当天下午，偏东低空急流受南北走向的太行山地形阻挡，在山区以东形成一个强盛的MCS-N，呈现为“后向建立” (back-building) 的发展过程，即对流回波在MCS-N的南部不断增强。与此同时，另一个MCS-S从河南南部快速向北移动。两个MCS各自的冷池 (图2中“C”) 的靠近将之间的暖湿区域挤压成一个暖湿舌的形态 (图2中“W”)。暖湿舌中观测到的10m风显著增大，表明这一区域的低空暖湿输送可能增强。那么，低空暖湿输送和MCS-N的增强，与MCS-S的靠近有什么联系呢？图2 对流合并过程中，合成反射率 (填色)、2 m相当位温 (等值线) 和10 m风速 (箭头)。灰色为地形高度大于800 m的区域分析表明，MCS-S冷池靠近引起的低层大气环境的演变导致了MCS-N上升运动的增强。暖湿舌中的低空偏南风在20时左右经历了超过0.002 m·s⁻²的增长 (图3b)，主要源于MCS-S前部的强东南风造成的动量输送 (图3c) 。偏南风的增强 (图3a) 进一步导致了低层辐合的增强 (图3e) 。为了分析MCS-N对流增强的原因，将其上升运动的垂直加速度分解为动力驱动项和浮力驱动项 (图略)。虽然潜热释放导致的有效浮力驱动了中高层的上升运动，但动力项主要增强了低层的抬升，其中伸展项是主要贡献者，而曲率项和扭曲项是主要消耗项。这表明，由暖湿气流加速引起的低层辐合增强，是MCS-S靠近期间MCS-N增强的关键因素。另外，由于上升气流为微物理过程提供了丰富的水汽，MCS-N中雨水、雪和霰的生成加速 (图3g, h) 与上升运动的增强 (图3d) 一致。水平动量平流和低层辐合的增强，以及上升运动和微物理过程的增强，都发生在近地面位温下降之前 (图3f)，表明动量输送在MCS-N的冷池到达之前就扮演了重要角色。图3 区域平均的各变量的时间-高度分布，a-h分别为经向风速、经向风速的局地变化、经向风动量的水平平流、垂直风速、水平风散度、位温、雨水制造项、雪和霰的制造项。a-f为暖湿区平均，g-h为MCS-N平均为了揭示EHR的主要来源，雨水的局地变化被分解为平流项、云水向雨水的转化、雪和霰向雨水的转化、蒸发项和沉降项 (图4)。该雨水收支的分析表明，在中β尺度上，暖雨过程是MCS-N中降雨产生的主要贡献者。在中γ尺度上，最强烈的微物理过程发生在强上升区，该区域位于极端小时降雨位置的上游。对流层中层和低层的气流将雨水输送到下游，这是EHR产生的直接原因。MCS-N内部的雨水平流贡献了约70%的EHR，局地微物理过程贡献了约30% (图4)。风暴内部的雨水平流导致了"粒径分选"过程，即大雨滴迅速降落到强上升区，而许多小雨滴被低层风向西北方向输送并降落到EHR的位置，这一过程在模拟和观测中均有体现。图4 EHR位置 (左图) 和强上升区 (右图) 的雨水收支。其中Mcld为云水向雨水的转化，Msg为雪和霰向雨水的转化，Hr为水平平流，Msed为沉降。综合以上分析，本次新乡EHR事件的主要机制可以总结如下 (图5)：MCS-S从南部快速北移，接近准静止发展的MCS-N。两个MCS都产生了较强的冷池，将两个MCS之间的暖湿区挤压成“暖湿舌”的形态。MCS-N的向北移动推动了这股暖湿空气，导致暖湿气流显著加速。这一过程在对流合并前增强了MCS-N的低层辐合和上升运动。上升气流加强了生成雨水的微物理过程。这些雨水随后被对流层低层的东南上升气流从强上升区输送到EHR位置。此次EHR事件的形成是局地微物理过程与风暴内部动力输送的综合作用。相较于先前研究，本研究提出了一个崭新的观点：对流合并过程中的冷池能够通过动量平流影响对流系统之间的暖湿输送。这一机制耦合微物理过程，导致了短时强降水事件的发生。然而，在不同的天气背景和对流强度下，对流合并引起降水的过程可能有所不同，这需要在未来基于统计分析展开进一步研究。
上述研究工作已在2026年1月发表在大气科学权威期刊《Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society》上，第一作者为中国气象科学研究院高小雨副研究员，通讯作者为南京信息工程大学罗亚丽教授，文章合作者还包括中国气象科学研究院尹金方研究员和吴翀副研究员。 论文信息 >
https://doi.org/10.1002/qj.70115
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