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通讯作者:

王坤,E-mail:wangkun900131@qq.com

引用:郭换换,王坤,2023.基于双偏振雷达和降水现象仪的郑州“7·20”极端强降水微物理特征分析[J].大气科学学报,46(5):713-724.

Quote:Guo H H,Wang K,2023.Analysis of the microphysical characteristics of the “7·20” extremely heavy rainfall in Zhengzhou based on dual-polarization radar and precipitation phenomenon instrument data[J].Trans Atmos Sci,46(5):713-724.

目录contents

    摘要

    利用降水现象仪、双偏振雷达、常规气象观测资料和再分析数据,分析了郑州“7·20”极端强降水过程的微物理特征。此次过程受多尺度天气系统的共同影响,为复杂多变的降水微物理特征提供了有利的环境条件。结果表明,此次过程地面雨滴谱分布随时间存在明显变化,雨滴谱参数分布较广,覆盖了从大陆性对流降水至海洋性对流降水的分布区域。20日16—17时最强降水时段,小粒子数密度显著高于东亚地区普通对流性降水的统计结果和华南地区夏季平均值,且存在大量大粒子,保证了极高的降水效率。双偏振雷达参量的垂直结构反演结果显示,对流系统质心低,具有典型的暖云特征;0 ℃层以上冰相过程相对活跃,0 ℃层以下强烈的暖雨过程,大量的冰相粒子落下并融化和低层高效率的雨滴碰并增长过程,导致各尺度高浓度雨滴的生成,最终形成地面的极端强降水。

    Abstract

    Utilizing datasets from the precipitation phenomenon instrument in Zhengzhou,dual-polarization radars,conventional observations,and China’s First Generation Global Atmosphere and Land Reanalysis data,this study analyzes the microphysical characteristics of the “7·20” extremely heavy rainfall event in Zhengzhou.The occurrence of this extremely heavy rainfall was influenced by multiscale weather systems,creating conducive environmental conditions for the development of complex microphysical characteristics.The results reveal significant changes in raindrop size distributions over time,with raindrop size distribution parameters exhibiting a wide range of values.These parameters encompass distributions typically seen in continental convective precipitation as well as maritime convective precipitation.Notably,the density of small drops exceeded that of common convective precipitation observed in East Asia and South China during the summer.Simultaneously,a large number of large drops existed,contributing to heightened precipitation efficiency,particularly during the most intense precipitation period,which occurred from 16:00 BST to 17:00 BST on July 20th.The dual-polarization radar observations illustrated a low-centroid structure within the convective storm,indicative of warm cloud characteristics.Furthermore,the study highlights the significant role played by intense warm-rain processes beneath the 0 ℃ layer in the formation of this extremely heavy rainfall event.This role involved the melting of numerous ice particles and the facilitation of efficient growth in raindrop size.

  • 暴雨是我国主要灾害性天气,暴雨诱发的城市内涝、山洪、泥石流和滑坡等地质灾害,严重威胁人民的生命财产安全,给国防建设和工农业生产等造成重大损失。暴雨尤其是极端暴雨,一般都伴有极端强降水,其很多都是由中尺度对流系统引起的(周玉淑等,2014; 谌芸等,2018; 雷蕾等,2020)。加强对中尺度对流系统组织结构及其微物理特征的分析研究,可以更好地理解降水形成的物理机制,对改进数值模式中的降水参数化方案,提高定量降水预报技巧具有重要意义(梅钦等,2018; 智协飞等,2020)。

  • 随着我国卫星、新一代天气雷达、降水现象仪等观测设备的布设,对强降水过程的微物理特征分析逐渐增多(周万福等,2018; 冯婉悦等,2021; 曾广宇等,2021)。降水现象仪在地面可以连续观测,从而获得近地面雨滴的雨滴谱分布特征,由此可计算出降水过程中的各种微物理特征量(Kumar and Reddy,2013; 唐继顺等,2021)。双偏振多普勒天气雷达的应用,可以对不同类型对流系统的组织结构进行比较全面的分析,并通过对差分反射率因子、差分相移率及相关系数等偏振参数的分析,得到有关降水粒子的大小、形状、空间取向等微物理信息,从而探究不同类型对流系统的微物理特征及其演变规律(Wang et al.,2016; 曹舒娅等,2021; 宋文婷等,2021)。许多学者将降水现象仪的雨滴谱观测和双偏振雷达观测相结合,做了大量研究工作,主要包括不同降水类型、不同降水系统的微物理特征及其差异,数值模式微物理参数化方案的改善,双偏振雷达数据评估及定量估测降水等(Zhang et al.,2006; Chang et al.,2009; Thompson et al.,2015; Chen et al.,2017; Wen et al.,2017)。Bringi et al.(2003)利用2DVD和RD-69雨滴谱仪及双偏振雷达观测数据,分析了全球多个气候区的降水,将对流性降水归纳为海洋性和大陆性两类,前(后)者雨滴平均粒径较小(大),数浓度较高(低)。Shusse et al.(2009)和Oue et al.(2010)基于双偏振雷达和地面观测,揭示了日本梅雨期间锋面上不同类型对流系统的微物理结构和演变特征。杨忠林(2016)和陈刚(2019)分别研究了我国江淮梅雨期不同尺度降水和华东地区中尺度降水的微物理特征。Zagrodnik et al.(2019)统计分析了中纬度气旋经过山脉时,在气旋不同位置及迎风坡和背风坡条件下降水的微物理特征及其差异。这些研究表明,降水微物理特征随降水系统的类型、地形等变化,且在不同地区、对流系统不同发展阶段及其内部不同区域的微物理特征也存在明显差异。

  • 2021年7月17—22日,河南省出现历史罕见的极端强降水过程,7月20日郑州国家气象站小时降水量201.9 mm,突破我国大陆气象数据小时降水量历史极值(简称郑州“7·20”极端强降水过程)。此次过程发生在我国南北气候过渡带,影响系统复杂,强降水主要分布在地形起伏区域(冉令坤等,2021; 张霞等,2021; 苏爱芳等,2022),为复杂多变的降水微物理特征提供了有利的环境条件。目前国内关于极端强降水过程微物理特征的研究主要集中在我国华南、江淮地区(傅佩玲等,2018; 杨忠林等,2019; 叶朗明等,2021),有研究表明,东亚中纬度地区不同类型降水系统的微物理特征存在显著差异,同一降水过程不同阶段的降水微物理特征也呈现明显变化(Chen et al.,2016; Wu and Liu,2017; Wang et al.,2021)。因此,本文利用降水现象仪观测资料,结合双偏振雷达和常规气象观测资料,分析了郑州“7·20”极端强降水过程的地面雨滴谱分布及空间微物理结构,揭示此次过程的微物理特征,以期为深入开展定量降水估测和数值模拟研究提供参考,也为双偏振雷达在降水预报预警中的进一步应用提供技术支撑。

  • 1 资料和方法

  • 1.1 资料

  • 包括2021年7月17—22日河南省自动气象站日降水资料,郑州站小时和分钟降水资料、分钟降水现象仪资料; 郑州、洛阳和信阳S波段双偏振多普勒雷达数据; 中国第一代全球大气和陆面再分析资料,时间分辨率6 h,空间分辨率34 km,垂直层次64层; CMA热带气旋最佳路径数据集。郑州站降水现象仪资料在7月20日16:46—16:48(北京时,下同)及18:11缺测,郑州雷达数据在17:18—19:48缺测。

  • 降水现象仪粒子尺度测量范围为0.062~24.500 mm,速度测量范围为0.05~20.80 m/s,采样时间为1 min。降水现象仪资料的质控采用去除偏离经验雨滴落速-直径±60%的粒子(Jaffrain and Berne,2011)。由于在小直径时的信噪比很低,质控删除两个最小直径档数据。在自然降水中直径大于8 mm的特大雨滴很少见,也质控删除。按粒径对雨滴做如下分类:0~1 mm为小粒子,1~3 mm为中等尺度粒子,大于3 mm为大粒子(Chen et al.,2019; 唐继顺等,2021)。

  • 1.2 方法介绍

  • 1)雨滴谱相关参量

  • 基于降水现象仪观测的雨滴谱数据,进一步计算得到雨滴谱的相关参量(Bringi et al.,2003; 陈刚,2019),主要包括降水强度R(mm·h-1)、液态水含量LWC(g·m-3)、质量加权平均直径Dm(mm)和标准化截距参数Nw(m-3·mm-1)。

  • 2)粒子相态识别算法

  • 采用Dolan et al.(2013)研发的模糊逻辑双偏振雷达降水粒子识别算法(HID),估计降水域中存在的粒子类型。HID算法可以识别10种降水粒子类型:毛毛雨、雨、大雨滴、冰晶聚合物、冰晶、低密度霰、高密度霰、湿雪、冰雹和垂直向冰晶,该算法可以较好地推断出水凝物的微物理特征。

  • 2 天气背景

  • 2.1 降水实况

  • 受多尺度天气系统的共同影响,2021年7月17—22日河南省出现历史罕见的极端强降水过程(图1)。强降水中心位于郑州、鹤壁、新乡、安阳和焦作等地,最强时段为19日夜里至21日。19日夜里至20日强降水中心位于郑州地区,21日北移至焦作、新乡、鹤壁、安阳等地,22日降水明显减弱并趋于结束。

  • 此次过程河南省1 644站降水量超过100 mm,926站超过250 mm,最大累计降水量达1 122.6 mm; 国家气象站中以郑州站过程雨量最大,达820.5 mm,超过本站641 mm的年平均降水量。河南省19个国家气象站日降水量突破建站以来历史极值,其中7月20日郑州站日降水量最大,达624.1 mm,是建站以来最大日降水量的3.3倍; 20日16—17时郑州站最大小时降水量达201.9 mm(图1e),突破我国大陆气象数据小时降水量历史极值。

  • 图1 河南省2021年7月17日08时—23日08时(a)、7月19日08时—20日08时(b)、7月20日08时—21日08时(c)、7月21日08时—22日08时(d)累计降水量分布(单位:mm; 红色三角代表郑州站位置)及7月20日12—20时郑州站逐小时降水量分布(e; 单位:mm)

  • Fig.1 Distribution of cumulative precipitation (units:mm) in Henan Province: (a) from 08:00 BST on July 17th to 08:00 BST on July 23rd 2021; (b) from 08:00 BST on July 19th to 08:00 BST on July 20th 2021; (c) from 08:00 BST on July 20th to 08:00 BST on July 21st 2021; (d) from 08:00 BST on July 21st to 08:00 BST on July 22nd 2021; and the red triangle represents the location of Zhengzhou. (e) The hourly rainfall at Zhengzhou from 12:00 BST to 20:00 BST on July 20 (units:mm)

  • 2.2 天气形势分析

  • 7 月20日14时,200 hPa上河南位于高空急流右侧,气流辐散显著,有利于低空辐合系统发展(图2a)。500 hPa西太平洋副高偏强偏北,其南侧2106号台风“烟花”处于加强过程中,两者之间的偏东风气流显著加强,2107号台风“查帕卡”在广东阳江登陆,低压系统位于河南西部,且稳定少动(图2b)。700 hPa暖切变线由豫西南伸向豫中,2106号台风“烟花”和2107号台风“查帕卡”将水汽稳定持续的输送到河南,为暴雨的产生提供丰沛的水汽来源(图2c)。925 hPa河南区域比湿均超过14 g/kg,黄河以南地区达到16 g/kg以上(图2d),水汽条件极好。

  • 3 降水过程中郑州站各观测参量的特征分析

  • 此次过程郑州站小时雨强和日降水量等均打破当地历史纪录,因此选择郑州站进行分析。郑州站逐小时降水分析表明,降水主要集中在20日12至20时(图1e),故重点研究该时段内雨滴谱、双偏振雷达各参量及降水量等的变化特征。

  • 3.1 组合反射率因子、雨滴谱和降水量的特征分析

  • 从郑州站水平高度3 km处组合反射率因子和分钟降水量的时间序列(图3a、3c)可以看出,在20日12至15时,郑州站上空的回波强度大部分时段在30~45 dBZ,降水强度相对较弱,45 dBZ以上的强回波持续时间很短,最强回波时段对应出现降水量的两个峰值。15时开始,西部的强回波东移至郑州站上空,降水强度逐渐增强,16—17时,回波强度维持在50~55 dBZ,个别时段达55~60 dBZ,降水强度明显增强,分钟降水量普遍都在2 mm以上,个别时刻达4 mm以上,该时段内降水量出现第三个峰值。

  • 图2 2021年7月20日14时200 hPa(a)、500 hPa(b)、700 hPa(c)位势高度(等值线,单位:dagpm)和风速(阴影,单位:m·s-1)以及风矢量(风羽,单位:m·s-1),925 hPa位势高度(等值线,单位:dagpm)和水汽比湿(阴影,单位:g·kg-1)以及风矢量(风羽,单位:m·s-1)(d)。红色三角代表郑州站位置,红色方块和圆点分别代表2106号台风“烟花”和2107号台风“查帕卡”的中心位置

  • Fig.2 Geopotential height (isoline, units:dagpm) , wind speed (shaded, units:m·s-1) , and wind vector (wind barb, units:m·s-1) at (a) 200 hPa, (b) 500 hPa, and (c) 700 hPa, and geopotential height (isoline, units:dagpm) , water vapor specific humidity (shaded, units:g·kg-1) , and wind vector (wind barb, units:m·s-1) at (d) 925 hPa at 14:00 BST on July 20, 2021.The red triangle represents the location of Zhengzhou; the red square and dot represent the center positions of NO.2106 Typhoon In-Fa and NO.2107 Typhoon Cempaka, respectively

  • 郑州站雨滴谱时间序列(图3b)显示,雨滴的尺度谱随时间存在明显变化。12至15时雨滴谱相对较窄,粒子直径大部分都在4 mm以下。15时开始,雨滴谱谱宽增大,16至17时雨滴谱最宽,各尺度粒子的数密度均明显高于其他时段,小粒子的数密度均在104.3 m-3·mm-1以上,峰值数密度接近105 m-3·mm-1,显著高于东亚地区普通对流性降水的统计结果和华南地区夏季平均值(约为104 m-3·mm-1)(Wen et al.,2016; 叶朗明等,2021)。从分布来看,存在大量的大粒子,数密度在100 m-3·mm-1~102 m-3·mm-1,最大粒子直径达6 mm。正是在这些不同尺度高浓度粒子,尤其是如此高浓度小粒子和大粒子的贡献下,造成该时段201.9 mm的极端强降水。

  • 雨滴谱平均分布(图3d)表明,12—20时降水集中时段,雨滴谱型呈单峰分布,峰值直径在0.4~0.5 mm,峰值直径之后,粒子数密度随直径的增大而减小。

  • 图4给出了郑州站Nw-Dm和LWC-Dm的时间序列,在过程初期,雨强小于20 mm·h-1,表现出层状云降水的Nw-Dm特征。在第一个降水峰值时段(雨强约为96 mm·h-1),表现为大陆性对流降水的Nw-Dm特征。第二个降水峰值时段(雨强大于100 mm·h-1),Nw-Dm分布位于大陆性和海洋性对流降水之间。16—17时,雨强在100~200 mm·h-1时,平均LWC为2.9 g·m-3,log10Nw为3.7~4.2 m-3·mm-1Dm为2~2.6 mm; 雨强大于200 mm·h-1时,平均LWC达4.8 g·m-3,log10Nw为3.7~4.3 m-3·mm-1Dm为2.2~3.0 mm,NwDm同时增大,Nw表现为海洋性对流降水特征,Dm表现为大陆性对流降水特征。过程后期降水强度减弱,NwDm减小,Nw-Dm分布覆盖了从大陆性对流降水至海洋性对流降水的区域。整体来看,降水过程中地面雨滴谱分布存在明显变化,反映出降水微物理特征的复杂性。

  • 图3 2021年7月20日12—20时郑州站水平高度3 km处的组合反射率因子(a; 单位:dBZ)、雨滴谱(b; 黑色虚线从上至下分别表示3 mm、1 mm的粒子直径)、分钟降水量(蓝色柱状,单位:mm)和雨强(粉色实线,单位:mm·h-1)的时间序列(c)及雨滴谱的平均分布(d)

  • Fig.3 Time series of (a) the selected constant altitude Plan Position Indicator scans of radar composite reflectivity at 3-km AGL (units:dBZ) , (b) the raindrop size distributions (the black dashed lines indicate the raindrop diameter of 3 mm and 1 mm from top to bottom, respectively) , and (c) the minutely rainfall (blue column, units:mm) and rain rate (pink line, units:mm·h-1) , and (d) average raindrop size distributions at Zhengzhou from 12:00 BST to 20:00 BST on July 20, 2021

  • 3.2 双偏振雷达各参量垂直结构演变特征

  • 在降水现象仪观测分析基础上,结合双偏振雷达各参量的垂直结构反演结果,进一步分析降水过程中对流微物理结构特征。从雷达回波特征分析(图5a),15:12开始45 dBZ以上的强回波开始影响郑州,持续2 h左右。在此期间对流层0℃层以下反射率因子大部分时段都超过50 dBZ,最大约为57 dBZ,回波主体基本都在9 km以下。在强回波影响时段,ZDR大于1.5 dB,在15:18~16:06 ZDR超过2 dB,最大值超过3.5 dB(图5b),表明在强回波影响期间有大粒子存在,且数目较之前时段增多,与图3b的结论一致。KDP在15:18—17:06一直维持在较高值,0℃层以下普遍在1.1(°)·km-1以上,尤其在15:48—16:54,2 km高度以下KDP在3.1~7(°)·km-1(图5c),这表明低层粒子数目较多,降水效率高,分钟降水量普遍超过2 mm,最大超过4 mm。

  • 图4 2021年7月20日12—20时郑州站Nw-Dm(a)和液态水含量LWC-Dm的时间序列(b)

  • Fig.4 Time series of (a) Nw versus Dm and (b) LWC versus Dm at Zhengzhou from 12:00 BST to 20:00 BST on July 20, 2021

  • 3.3 双偏振雷达参量合成分析

  • 图6为20日12至20时强降水时段郑州对流区域内ZHZDRKDP的平均垂直廓线和频率等值线高度分布。以郑州站为中心,基于强对流单体出现的范围和倾斜程度,选择附近20 km×20 km的范围定义为对流区域。强降水时段为分钟雨强超过20 mm·h-1的时段。

  • 对于影响郑州的对流单体,在-20℃层以上,区域平均ZH值向下逐渐增大(图6a),而ZDR减小(图6b),有研究表明这主要与该高度层以上冰晶的聚并增长作用有关(Rowe et al.,2011)。在-20℃到0℃层之间,ZHZDR均向下迅速增大,这个高度层中凇附、融化和聚并作用均对粒子相态和尺寸有明显作用,大的冰相粒子如霰和冰雹等在该高度层中迅速融化,液相和混合相态粒子数目更多。在0℃层以下,ZHZDRKDP均向地面增大,在最低层达最大,最大区域平均ZH为42 dBZ左右,ZDR达1.2 dB,KDP为0.5(°)·km-1,这表明在较高融化层高度下,活跃的雨滴碰撞合并增长过程,形成了大量大尺寸和高含水量的液相粒子,有利于高降水效率的强降水发生。

  • 分析频率等值线高度图可以看出,ZH在近地面的主体分布(指归一化频率超过30%)的对应数值为32~54 dBZ,0℃层以下超过30 dBZ(图6d),对流质心保持在较低高度,表明对流主体是由液态雨滴组成。0℃层以下ZDRKDP分布相对较宽,ZDR主要分布在0.6~1.5 dB,最大约2 dB左右,KDP主要分布在0~0.7(°)·km-1,最大超过1.5(°)·km-1(图6e、f)。

  • 4 微物理过程分析

  • 为更好地理解影响郑州的对流单体中的微物理特征,采用HID算法对对流单体进行分析。图7为强降水时段郑州站附近对流区域内不同高度上各类型粒子的归一化频率分布,该分布能整体上反映特定高度上占主导地位的粒子类型,降低HID算法误识别的影响。可以看出13 km高度以上,主要分布着冰晶粒子,在13 km高度和-20℃层之间,冰晶聚合物占比最高,表明在这个高度层中冰相粒子的聚合起主要作用。-20℃和0℃层之间,霰粒子占比随高度向下逐渐增加,最大超过50%,表明凇附过程起主要作用。0℃层附近,湿雪占比最高,表明存在明显的融化过程,由于冰相粒子的融化,纯雨出现在0℃层以下。

  • 为定量分析冰相过程和暖雨过程对此次降水的贡献,采用Carey and Rutledge(2000)的方法对液态水含量(LWC)和冰相水含量(IWC)进行反演。如图8所示,在-20℃到0℃层之间,影响郑州的对流单体的IWC随高度向下增大,在5 km左右高度达最大,为0.17 g·m-3,表明冰相过程相对活跃。在0℃层以下,LWC向下迅速增大,在近地面最大达1.88 g·m-3,是0℃层以上最大IWC的10倍以上,表明暖雨过程对最终地面极端强降水的形成起着重要作用。

  • 图5 2021年7月20日12—20时郑州站上空ZH(a; 单位:dBZ)、ZDR(b; 单位:dB)、KDP(c; 单位:(°)·km-1)的时间-高度序列。黑色虚线从上至下分别表示-40℃、-20℃和0℃高度

  • Fig.5 Time-height plots of (a) ZH (units:dBZ) , (b) ZDR (units:dB) , and (c) KDP (units: (°) ·km-1) at Zhengzhou from 12:00 BST to 20:00 BST on July 20, 2021.The black dashed lines indicate the levels of-40℃, -20℃, and 0℃ from top to bottom, respectively

  • 一般认为ZH在暖云层中可以反映降水的强度,ZDR表征雨滴的平均大小,在约3 km高度以下的纯雨层中,ZHZDR的变化可以反映出雨滴数量和大小的变化(Kumjian and Part,2014),可以用来判别如碰并增长、破碎、蒸发和尺寸分选等暖雨过程中的微物理机制。图9为强降水时段纯雨层中郑州站上空ΔZDR和ΔZH的分布,可以看出ΔZDR和ΔZH大多数落在第一象限,表明在融化层以下暖雨过程中雨滴的碰并增长起着重要作用。有少量的ΔZDR和ΔZH落在第四象限,表明蒸发和尺寸分选作用也不可忽视,在低层相对干的环境中,蒸发作用抑制了大雨滴的增长。表示LWC增加的红色标识主要出现在第一象限,这可能是由于雨滴、云滴等通过碰并增长及高空冰相粒子融化导致的。蓝色标识主要出现在Y轴左侧,表明由于雨滴的破碎、蒸发和尺寸分选作用导致LWC减少。

  • 为综合显示郑州“7·20”极端强降水过程的降水微物理特征,图10总结了这次极端强降水过程中对流的微物理结构概念模型。30 dBZ以上的强回波主体在9 km以下,对流质心低,KDP柱在0℃层以下,表明对流系统主体由高浓度的液态雨滴组成。-20℃和0℃层之间存在大量的霰粒子,冰相过程相对活跃,0℃层以下强烈的暖雨过程,大量的冰相粒子落下并融化和低层高效率的雨滴碰并增长过程,导致各尺度高浓度雨滴的生成,最终形成地面的极端强降水。

  • 图6 强降水时段郑州站附近20 km×20 km范围内ZH(a; 单位:dBZ)、ZDR(b; 单位:dB)、KDP(c; 单位:(°)·km-1)的平均垂直廓线及ZH(d)、ZDR(e)、KDP(f)的频率等值线高度分布(单位:%),阴影表示对应数值的归一化频率。黑色虚线从上至下分别表示-40℃、-20℃和0℃高度

  • Fig.6 The vertical average profiles of (a) ZH (units:dBZ) , (b) ZDR (units:dB) , and (c) KDP (units: (°) ·km-1) , and the contoured frequency by altitude diagrams (units:%) of (d) ZH, (e) ZDR, and (f) KDP over the20 km×20 km domain centered in Zhengzhou in periods of heavy precipitation.The shaded colors represent the normalized frequency of occurrence relative to the maximum absolute frequency.The black dashed lines indicate the levels of-40℃, -20℃, and 0℃ from top to bottom, respectively

  • 图7 强降水时段郑州站附近20 km×20 km范围内不同高度上各类型粒子的归一化频率。黑色虚线从上至下分别表示-40℃、-20℃和0℃高度

  • Fig.7 Normalized frequency of occurrence of hydrometeor classification by height over the 20 km×20 km domain centered in Zhengzhou in periods of heavy precipitation.The black dashed lines indicate the levels of-40℃, -20℃, and 0℃ from top to bottom, respectively

  • 图8 强降水时段郑州站附近20 km×20 km范围内平均液态(实线)和冰相(虚线)水含量(单位:g·m-3)的垂直廓线。黑色虚线从上至下分别表示-40℃、-20℃和0℃高度

  • Fig.8 Mean values of liquid (solid line) and ice (dashed line) water content (units:g·m-3) over the 20 km×20 km domain centered in Zhengzhou in periods of heavy precipitation.The black dashed lines indicate the levels of-40℃, -20℃, and 0℃ from top to bottom, respectively

  • 图9 强降水时段纯雨层中郑州站ΔZDR和ΔZH的分布。各象限表征不同类别的暖雨过程,已在图中标识。红色(蓝色)代表从高层到低层的液态水含量增加(减少)

  • Fig.9 Change in ZDR as a function of the change in ZH over the 3 km rain shaft at Zhengzhou in periods of heavy precipitation.The microphysical processes represented by each quadrant are annotated.The red and blue colors of these symbols represent the increase and decrease of the mean LWC values from the higher layer to the lower layer, respectively

  • 5 结论与讨论

  • 此次极端强降水过程受西太平洋副高、中低层低压系统、 2106号台风“烟花”和2107号台风“查帕卡”等多尺度系统的共同影响,为复杂多变的降水微物理特征提供了有利的环境条件。

  • 基于降水现象仪的观测分析表明,地面雨滴谱分布随时间存在明显变化,反映出降水微物理特征的复杂性。过程初期降水强度普遍小于20 mm·h-1Nw-Dm分布表现为层状云降水特征。在第一和第二降水峰值时段,Nw-Dm分布表现为对流性降水特征。16—17时最强降水时段,各尺度粒子数密度均明显增大,小粒子数密度显著高于东亚地区普通对流性降水的统计结果和华南地区夏季平均值,且存在大量大粒子,Nw表现为海洋性对流降水特征,Dm表现为大陆性对流降水特征。上述粒子微物理特征保证了极高的降水效率,使得该时段产生了极端强降水。

  • 结合双偏振雷达参量的垂直结构反演结果,揭示了降水的微物理结构特征。降水过程中30 dBZ以上的强回波主体在9 km以下,对流质心低; 0℃层以下垂直层内,平均ZHZDRKDP均向下增长,在近地层最大,反映了活跃的雨滴碰并增长过程; -20℃和0℃层之间霰粒子的占比逐渐增大,冰相过程相对活跃,0℃层以下强烈的暖雨过程,大量的冰相粒子落下并融化和低层高效率的雨滴碰并增长过程,导致各尺度高浓度雨滴的生成,最终形成地面的极端强降水。

  • 图10 基于双偏振雷达和降水现象仪观测的郑州“7·20”极端强降水过程对流的微物理结构概念模型

  • Fig.10 Conceptual model of the microphysical structure of “7·20” extremely heavy rainfall in Zhengzhou based on the observations of dual polarization radar and precipitation phenomenon instruments

  • 由于观测和分析方法的限制,本文对此次过程发生发展机制的理解有限,许多问题仍需进一步研究。未来可利用中尺度数值模式对此次过程的触发、维持机制和微物理特征进行模拟和分析,加深对极端强降水天气的认识和理解。

  • 参考文献

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