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全面解析河南郑州暴雨的来龙去脉:这样的暴雨是怎么来的?雨势为什么如此猛烈?

2021-07-22  世界历史网

    自7月18日-20日,河南中北部的强降雨持续了三天之久。其中在20日,以嵩山为中心的河南中部成为了本次强降雨最严重区域,在郑州城区与嵩山北麓巩义、荥阳等地造成严重灾情。

    全国降水实况图(7月22日08时-23日08时)

    这次郑州在内的河南中北部特大暴雨是什么概念?

    对于郑州来说,从多年平均对比,郑州多年平均(取1981-2010年平均)的年总降雨量是640.9毫米。而在19日20时到20日20时,郑州国家气象站雨量达到552.5毫米,这24小时的降雨,相当于多年平均基准的全年雨量六分之五以上。

    除了郑州市区,环嵩山地区的巩义、登封、新密、荥阳、偃师等地降雨也打破了24小时雨量纪录。

    河南省降水分布图

    2021年7月19日12时-2021年7月20日20时

    而从短时极端性来看,16:00-17:00这一个小时里,郑州国家气象站录得201.9毫米强降雨——这更是打破了内陆国家级站点1小时降雨量的观测最大值;而且这样的雨量在全球观测历史里,从未在人口100万以上的大城市出现。

    这样极端的强降雨,即使做好了防范,还是会造成严重灾情。

    这次强降雨是什么天气系统造成的?

    造成这次强降雨的直接系统,是一个出现在对流层中低层的低涡。

    它在气压(或等压面高度)上表现为一个低压中心(低值中心),在风场上表现为气旋式的流场。这样周边的水汽容易汇入这个低涡,同时在低涡中心附近的上升气流作用下抬升,形成强降雨。

    这个低涡的前身在上周末于东部苏鲁沿海一带形成,随后在北侧副热带高压引导下逐渐西移,来到了河南中部一带。

    为什么它移动到河南时才造成强降雨?

    要形成强降雨,除了低涡本身造成的上升运动外,还和水汽来源与输送密切相关——这就和更大的环流形势关系密切了。

    由于大部分水汽集中在对流层中低层(3000m以下),从这一高度层面的流场和水汽输送,造成这次强降雨的水汽输送有三条路径:

    1. 来自日本海一带副热带高压南侧东风的输送;

    2. 来自热带西太平洋的东风,被位于琉球群岛东南一带的第6号台风“烟花”助推,进一步深入中原大地;

    3. 来自北印度洋的西南季风,被广东西部近海的第7号台风“查帕卡”助推,向北来到中原大地。

    图中标注1、2、3三条路径,蓝圈部分为低涡

    从量级上来看,后两条经过台风助推加速的水汽输送更为关键。可以说,正是因为最近数日这两个台风的发展,大幅加强了水汽输送,导致了降雨的显著增强。

    同时,嵩山作为沧海长风跋涉到中原的第一座显著高山,地形直接抬升导致了水汽冷凝致雨,加之山地地形激发了局地剧烈、造成短时强降雨的对流云团,也让嵩山和周边成为了此次强降雨的中心。

    图中红圈部分为强降雨中心

    为什么强降雨持续在这一带不走了?

    因为......造成这个强降雨的低涡……被卡死在特殊的环流形势了。

    前文提及,这个低涡是被日本海一带的副热带高压南侧的东风向西推,从沿海来到了河南中部一带。但是副热带高压连同大陆高压,并不是铁板一块;其中存在大量的局地环流中心。

    于是我们细看就能发现,除了日本海的中心,在内蒙古高原上还有一个高压中心——这下就麻烦了:由于这个低涡在日本海中心的西南侧,会有一个向北推的移动分量;但内蒙古高原的大陆高压中心,又给它一个向西南的分量。

    而且由于低涡离二者都较远,这样的引导都不显著,于是在近乎相反又微弱的引导下(也被称作鞍形场),这个低涡陷入了“涡生迷茫”,只能非常缓慢地向西北推进,也造成了强降雨持续在河南中部稳定。

    这次极端强降雨是否提前做出了预警?

    当然有。

    由于这个低涡与台风的水汽输送造成的强降雨,已在前些日的天气数值预报中大致分析出了,因此河南省是在强降雨前做好了应急预案的。

    可以说,气象局的分析已经做到了可预测部分的极致,但对于局地、特别的极端过程仍然是如今需要解决的难题—然而很不幸,这次的极端过程出现在了嵩山周边的地形影响区和郑州城区。

    卫星直击河南暴雨,有多严重?为什么这么强?

    7月17日以来,河南省出现了历史罕见的极端强降雨天气,大部地区降暴雨或大暴雨。这样的暴雨是怎么来的?雨势为什么如此猛烈?运用卫星影像和地理信息可视化,全面解析这次暴雨的来龙去脉。

    7月20日卫星监测到的气象云图。

    稳定的大气环流

    造成长时间降水

    了解这次暴雨之前,先回顾一个最常见的词汇:副热带高压。

    在天气播报员的口中,副热带高压无疑是出现频率最高的词汇之一。我们熟知的副热带高压,一般是指对我国影响较大的位于北半球西北太平洋上的副热带高压,它常年存在,是一个稳定而少动的暖性深厚系统。

    副热带高压对我国降雨位置的影响。来源:中国气象局气象宣传与科普中心

    西太平洋副热带高压和大陆高压分别稳定维持在日本海和我国西北地区,导致两者之间的低值天气系统在黄淮地区停滞少动,这种稳定的大气环流造成河南中西部长时间出现降水天气。

    7月21日3时-9时,FY-4A静止气象卫星真彩色合成图像。来源:国家卫星气象中心

    台风“烟花”逼近

    水汽条件充沛

    7月18日,今年第6号台风“烟花”在西北太平洋洋面上生成,虽然现在距离我国大约1000公里的距离,但是远程控制了这次河南的暴雨。

    河南处于副高边缘,对流不稳定能量充足,受台风外围和副高南侧的偏东气流引导,大量水汽向我国内陆地区输送,为河南强降雨提供了充沛的水汽来源,降水效率高。

    7月20日近地面风场和水汽示意图,从图中可以看到水汽随着台风气流的方向源源不断吹向大陆,影响着河南当地的降水。

    地势西高东低

    地形降水效应显著

    河南地势西高东低,北、西、南三面有太行山、伏牛山、桐柏山、大别山四大山脉环绕。

    位于河南的太行山脉是整个太行山脉西南段的尾闾部分,构成了山西高原与华北平原天然分界线。从秦岭延伸到河南的伏牛山脉,构成了黄河、淮河和长江三大水系的重要分水岭。

    河南省地形示意图。

    受深厚的偏东风急流及低涡切变天气系统影响,再加上太行山区、伏牛山区特殊地形对偏东气流起到抬升辐合效应,强降水区在河南省西部、西北部沿山地区稳定少动,地形迎风坡前降水增幅明显。

    “列车效应”

    降水积少成多

    在气象学中,有一个词叫“列车效应”。

    火车有很多节车厢,当其经过时,肯定是很多节车厢一节一节地经过。这如同排列成串的对流云降水,每一朵对流云都会产生短时强降水。当多个对流云团依次经过某地时,其所产生的降水量累积起来,就会导致大暴雨,甚至特大暴雨,这是降水“列车效应”的通俗解释。

    这次的降水过程中,中小尺度对流反复在伏牛山前地区发展并向郑州方向移动,也就形成了“列车效应”,导致降水强度大、维持时间长,引起局地极端强降水。

    7月19日-20日河南省降水量实况图。来源:中国天气网

    气象部门提醒,预计未来三天河南降雨持续,致灾风险极高,并且灾害发生有滞后效应,各地需继续做好洪涝、地质灾害等防御以及河堤、库坝等的巡查工作,并防范强降雨对救灾各项工作的不利影响,提前做好卫生防疫工作。

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