河南“21.7”極端暴雨的研究進展*

姚秀萍 李若瑩

1.中國氣象局氣象干部培訓學院，北京，100081

2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京，100081

1 引 言

2021 年7 月17 日08 時—22 日08 時（北京時，下同），河南省發生了一次自1975 年以來最強的暴雨事件，被稱為“21.7”極端暴雨。本次事件持續時間長、暴雨范圍廣、降水極端性強，小時降水強度尤為突出。最大小時降水量出現在鄭州，達201.9 mm，打破了中國大陸氣象觀測站的小時降水量紀錄（張霞等，2021）?！?1.7”極端暴雨造成了嚴重的人員傷亡和財產損失，調查①國務院災害調查組.2022.河南鄭州“7·20”特大暴雨災害調查報告.應急管理部，44pp顯示，河南省全省有398 人死亡或失蹤，直接經濟損失超過1200 億元，間接經濟損失約為2444 億元。

通常，“七下八上”（7 月16 日—8 月15 日）時期，西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱西太副高）穩定維持，熱帶地區臺風活動頻繁發生，是華北地區全年最容易發生強降水的時段，許多極端降水事件，如河南1975 年的“75.8”特大暴雨，京津冀2012 年的“7.21”特大暴雨及河南2021 年的“21.7”極端暴雨均發生在該時段（孫建華等，2013；丁一匯，2015；Nie，et al，2022；Rao，et al，2022）。在西風帶異常和中尺度雙臺風系統的作用下，暖濕氣流通過西太副高從多個路徑持續輸送到河南地區，河南西側的太行山和南側的伏牛山有助于氣流的輻合抬升并觸發中尺度對流系統，最終產生了“21.7”極端暴雨（段汀等，2022；靳冰凌等，2022；Gao，et al，2022）。同時，氣候變暖和城市化加快背景下，大氣的水汽含量及其不穩定性增大，使全球極端降水的頻率和強度增強，可能加劇了該過程（高濤等，2014；Hegerl，et al，2019；Huang X W，et al，2022）。

雖然中國已基本建立起現代化的氣象預報業務體系，但暴雨和大暴雨的預報一直是業務預報的難點，2021 年中央氣象臺對暴雨和大暴雨預報的TS 評分分別為0.223 和0.134（數據來源于中央氣象臺網站）。在“21.7”極端暴雨過程中，河南省氣象臺對此次暴雨過程做出了有價值的預報，但是業務預報對暴雨和大暴雨的預報準確率總體偏低，預報降水的最大值區域比實際區域偏西，全球和區域數值天氣預報模式預測的降水最大值位置和強度均存在較大偏差（史文茹等，2021）。研究（張云濟等，2022；朱科鋒等，2022； Luo Y L，et al，2023）發現，“21.7”極端暴雨預報不確定性可能與對不同空間尺度上天氣系統的預測偏差、微物理過程與下墊面效應的認識不足等有關。

“21.7”極端暴雨既具有與過去中國極端暴雨相同的特征，也具有其獨特性，如太平洋的水汽貢獻的顯著增大、影響臺風遠離河南并未登陸等（徐珺等，2022；Chen，et al，2023）。 因而，對“21.7”極端暴雨進行研究可以進一步完善中國極端暴雨的研究成果，尤其是在氣候變暖和城市化加快背景下，更具有研究價值。

關于“21.7”極端暴雨已有不少學者進行了相關研究，為了使今后的學者能快速認識該過程，文中從河南“21.7”極端暴雨的降水特征、影響天氣系統、發生和發展機制、下墊面效應、氣候變化效應和數值模式預報等方面梳理和總結“21.7”極端暴雨的研究進展，并與“75.8”特大暴雨研究成果進行一定對比，給出未來研究的方向。

2 “21.7”極端暴雨的降水特征

“21.7”極端暴雨發生于2021 年7 月17—22 日，持續時間長達6 d，其中河南中部和北部連續4 d 出現大暴雨，鄭州市和新鄉市連續2 d 出現特大暴雨（圖1a）。暴雨覆蓋范圍廣，河南省5.43×104km2面積的累計雨量超過250 mm，287 個氣象觀測站的累計降水量超過500 mm（寶興華等，2022；梁旭東等，2022；錢維宏等，2022；楊浩等，2022）。圖1b 顯示，暴雨落區集中分布在河南中部的鄭州和北部的鶴壁，累計雨量最大值發生在鶴壁科創中心站，為1122.6 mm，其次為鄭州新密白寨觀測站，為993.1 mm（蘇愛芳等，2021；梁旭東等，2022）。暴雨時段集中在19—21 日，河南中部集中時段為19 日08 時—21 日08 時，鄭州的2 d 累計降水最大值達860.8 mm，約占過程累計雨量的87%；河南北部集中時段為20 日08 時—22 日08 時，鶴壁的2 d累計降水最大值達976.0 mm，約為過程總降水量的93%（梁旭東等，2022；施闖等，2022）。

“21.7”極端暴雨代表氣象站的1 h、3 h、6 h、1 d、3 d 最大降水量及過程累計降水量遠超氣候態7 月平均降水，在河南省歷史上典型強降水過程中仍呈現出顯著的極端性（湯彬等，2023），尤其所觀測到的201.9 mm 的小時降水量，刷新了有氣象觀測記錄以來中國大陸小時降水量的紀錄。

除了氣象雨量站的觀測結果外，衛星遙感和天氣雷達監測資料也揭示了“21.7”極端暴雨更精細的特征。對比多種衛星降水產品與氣象雨量站的觀測結果顯示，衛星降水產品能再現暴雨的空間分布特征，但低估了本次暴雨中心的降水量和降水強度峰值（郭鵬等，2022；劉松楠等，2022；朱慧琴等，2022；Gan，et al，2023）。雷達定量降水估測也具有此特征，其中暴雨峰值的最高估測僅為實際降水量的72.3%（李夢迪等，2022；張哲等，2022）。衛星和雷達降水反演算法對衛星遙感和天氣雷達監測資料的精度影響相對較大，低估了本次暴雨中心的降水量和降水強度（李夢迪等，2022；Liu，et al，2022）。

總之，氣象雨量站觀測結果顯示，“21.7”極端暴雨具有持續時間長、降水范圍廣、降水落區和時段集中及降水極端性強的特點；業務預報、數值預報、衛星遙感和天氣雷達監測資料均低估了本次暴雨峰值。

3 影響“21.7”極端暴雨的天氣系統

極端暴雨的形成需要不同尺度天氣系統在特定時、空內的相互作用和互相協同，下面分別介紹影響“21.7”極端暴雨不同尺度（包括大尺度、天氣尺度和中小尺度）天氣系統，從多尺度天氣系統相互作用和協同效應的角度揭示本次極端暴雨的形成原因。

3.1 大尺度環流

“21.7”極端暴雨過程在對流層不同高度上具有特定的環流形勢。如圖2 所示，在對流層高層（200 hPa，圖2a）上，南亞高亞、河套低槽和冷渦構成“兩低一高”的高層環流形勢，其中中國東海海區上空對流層高層冷渦的增強有利于河套低槽槽前的輻散環流增強，引起大范圍的垂直上升運動（梁旭東等，2022；蘇愛芳等，2022；祝傳棟等，2022）。在對流層中層（500 hPa，圖2b），偏北偏強的西太副高和中國東海上空的臺風“煙花”以及中國南海上空的臺風“查帕卡”構成“北高南低”的中層環流形勢，該特征是由西北太平洋季風槽經向位置的異常偏北和西太平洋暖池及印度洋海溫暖異常導致的（Huang S H，et al，2022；湯彬等，2023），其中臺風“煙花”和“查帕卡”分別與河南地區建立低空東風和東南急流（圖2a），低空急流為極端暴雨的發生供應水汽（崔曉鵬等，2022；李威等，2022；謝作威等，2022）。

圖2 2021 年7 月17 日08 時—23 日08 時 （a） 200 hPa 和 （b） 500 hPa 上6 d 平均的位勢高度場分布 （等值線，單位：gpm）及其相對氣候態的標準化異常 （色階） （字母“H”“L”分別表示高、低壓中心，黑色虛線表示槽線，圖2b 中的灰色陰影表示5 km以上地形） （梁旭東等，2022）Fig.2 Distributions of 6 d averaged geopotential height from 08:00 BT 17 to 08:00 BT 23 July 2021 （contour，unit：gpm） and their standardized anomalies （shading） （a.200 hPa，b.500 hPa；letters "H" and "L" denote High and Low，respectively；black dashed curves represent trough axes；gray shadings denote terrain height greater than 5 km in Fig.2b） （Liang， et al，2022）

總之，“21.7”極端暴雨過程的大尺度環流場，在對流層高層和中層分別為“兩高一低”和“北高南低”的配置，為極端暴雨的發生、發展提供有利的環流背景。

3.2 天氣尺度系統

影響“21.7”極端暴雨的主要天氣尺度系統包括高空急流、臺風“煙花”和“查帕卡”以及低空急流，它們協同作用所產生的水汽輻合主導了“21.7”極端暴雨峰值階段（7 月20 日）的降水，是日極端值出現的主要原因（Hsu，et al，2023）。

本次極端暴雨的高空急流由對流層高層冷渦產生，東側急流增強臺風“煙花”的高層輻散，臺風加強，增強暴雨的水汽輸送；西側西北風急流增強兩條高值位渦帶之間的高空輻散環流，激發河南中、低層的中尺度對流系統，并使其向東傾斜，有助于暴雨增幅。高空急流有利于激發對流層中、低層系統，從而間接影響暴雨過程（蔡薌寧等，2022；Zhang，et al，2023）。

臺風“煙花”和“查帕卡”通過供應水汽和與其他系統相互作用，是極端暴雨形成的重要原因之一。臺風“煙花”和“查帕卡”分別構建起東南和偏南的水汽通道，將西北太平洋和中國南海的水汽、能量輸送至河南省上空。臺風“煙花”起主要作用，對“21.7”極端暴雨過程的平均貢獻可達42%，對鄭州市極端降水的貢獻達68.8%（布和朝魯等，2022；崔曉鵬等，2022；王軍等，2022；Yu，et al，2022；Liu X，et al，2023）。臺風“煙花”通過阻礙西太副高南移來增強河南500 hPa 高度上南風和低空急流，使南北向水汽輸送占主導，形成南北向雨帶并加強降水強度（饒晨泓等，2022；于騰飛等，2022）。臺風“查帕卡”通過與臺風“煙花”相互作用，影響彼此的路徑、強度和外部環流，增強南風氣流并有利于黃淮氣旋維持，從而影響本次極端降水的結構和分布（Deng，et al，2022；Xu，et al，2022a，2022b）。

低空急流與暴雨的發生和發展密切相關。動力上，低空急流的出口區可產生輻合，加強上升運動；熱力上，低空急流輸送暖濕空氣，供應水汽并使大氣不穩定增強（程佳佳等，2022；汪小康等，2022；齊道日娜等，2023）?！?1.7”極端暴雨期間，900 hPa以下的邊界層急流與900—700 hPa 的低空急流通過耦合驅動水汽輸送（Liu H Y，et al，2023）。然而，其在河南中部和北部的耦合機制不同：河南中部降水期間，西太副高與低渦形成低空急流，其左側正渦度區與邊界層急流的出口區重合；河南北部降水期間，低渦演變為倒槽并向北移動，低空急流北移，其入口區產生中層輻散，與邊界層急流出口區產生的低層輻合耦合（Luo Y H，et al，2023）。雙低空急流耦合使對流層中、低層建立更深厚的水汽輻合層和上升運動區，有利于極端暴雨的形成和維持。

總之，高空急流的輻散作用、雙臺風供應水汽并與河南上空環流相互作用以及雙低空急流耦合對水汽輻合和上升運動的增強作用，共同為極端暴雨提供有利的水汽條件和動力條件。

3.3 中小尺度天氣系統

天氣尺度系統的影響可以解釋日降水的極端性，而小時降水的極端性則需討論中小尺度天氣系統的作用（徐珺等，2022；Rao，et al，2022）。

天氣雷達觀測和數值模擬結果顯示，“21.7”極端暴雨的關鍵中尺度天氣系統為單一、準靜止和高度組織化的中尺度對流系統（MCS），在衛星云圖上表現為河南上空的中尺度云團不斷與小尺度云團合并形成結構密實、穩定少動的孤立云團（高洋等，2022；齊道日娜等，2022；喻謙花等，2022；Wei，et al，2023）。對流層中、低層深厚的水汽輻合層和上升運動區由雙低空急流的耦合建立，為MCS 的形成提供有利的水汽和動力條件，MCS 周圍的弧形輻合帶將多方向水汽疊加并快速沉降，內部水汽傾斜向東上升，積聚在鄭州市上空，形成了鄭州201.9 mm/h的短時極端強降水（孫躍等，2021；Yin J F，et al，2022a）。MCS 的形成及其產生極端暴雨的動力、熱力機制將在4.1 節中詳細討論。

在有利的大尺度環流背景影響下，高空急流的輻散對對流層中、低層天氣系統有激發作用，臺風“煙花”和“查帕卡”與河南建立起水汽通道，低空急流與邊界層急流耦合，再由中尺度對流系統疊加協同輸送水汽，最終造成“21.7”極端暴雨（圖3）。

圖3 “21.7”極端暴雨期間不同尺度天氣系統相互作用示意 （Yin J F，et al，2022a）Fig.3 Schematic diagram of interaction between multiplescale weather systems （Yin J F，et al，2022a）

4 “21.7”極端暴雨的發生和發展機制

4.1 動力、熱力診斷

自“75.8”特大暴雨以來，利用動力學和熱力學方程診斷暴雨關鍵天氣系統及其環境條件成為揭示極端暴雨發生、發展機制的重要途徑（丁一匯，2015）。

MCS 是“21.7”極端暴雨過程的關鍵天氣系統，其形成及發展的有利環境條件為：對流層高層的天氣尺度擾動主導了高位渦下傳，引起局部較強的上升運動，對流層低層的風垂直切變及氣流輻合主導了大氣的對流不穩定（冉令坤等，2021；Zhao，et al，2023）。

MCS 與其產生的中尺度對流渦旋（MCV）發生耦合，是“21.7”極端暴雨的關鍵發生和發展機制。對流層中層的水平位渦平流增強了對流層低層的水汽輻合，使正渦度的向上輸送和與輻合作用有關的垂直拉伸項加強，從而激發MCS 并產生降水；降水釋放凝結潛熱，通過位溫垂直輸送項加熱對流層中、高層，使高位渦出現在對流層低層（齊道日娜等，2023；Zhang，et al，2023）。同時，MCV 內的強上升運動加強了正渦度的向上輸送和向內水平平流，使MCV 與MCS 發生耦合，二者的耦合增強了對流層低層氣流的垂直運動和凝結潛熱，使對流層低層的高位渦加強，形成了凝結潛熱與對流層低層的高位渦之間的正反饋，促使“21.7”極端暴雨的發生、發展（Fu，et al，2022）。

在強上升運動和對流不穩定的作用下，位溫垂直輸送項控制的凝結潛熱與低空高值位渦形成正反饋，加強了氣旋式渦度的向上輸送和內水平平流，使中尺度對流系統與中尺度對流渦旋發生耦合，是“21.7”極端暴雨發生、發展的關鍵動力、熱力過程。

4.2 微物理過程

“21.7”極端暴雨期間的水汽由動力輸送和微物理過程產生（Yin J F，et al，2022a），動力、熱力機制僅能解釋動力輸送，結合微物理過程能更全面揭示極端暴雨的發生和發展機制（羅亞麗等，2020）。

水汽主要轉化為云水和云冰粒子，然后通過霰粒子的融化和雨水對云水的收集轉化為雨滴，其中前者的貢獻更大（Yin J F，et al，2022b）。在中、高層干冷空氣侵入作用下，水汽過飽和凝結，提高了雨水收集效率，微物理過程產生的水汽與MCS 上升氣流區水平輸送的水汽疊加，最終形成極端暴雨（Yin J F，et al，2022a；Yin L，et al，2023；Zhang，et al，2023）。

分析此過程的地面雨滴譜分布發現，直徑為2—3 mm 的中等粒子對總雨量貢獻最大，達36.7%；降水強度可分為10—100 mm/h 和超過100 mm/h兩類，前者由直徑大于3.0 mm 的粒子決定，后者則需各種尺度粒子的濃度同時增大，這由平原區的深對流系統內部活躍的冰相微物理過程和高效的暖雨碰并過程產生（陳剛等，2022；周丹等，2022）。

受強上升運動和對流不穩定的影響，潛熱釋放與低空高值位渦的反饋作用使中尺度對流系統和中尺度對流渦旋的耦合增強，有利于局地水汽的輻合上升，再通過霰粒子的融化，促使各種尺度粒子增長，最終引發“21.7”極端暴雨并使其發展（圖4）。

圖4 向東傾斜的中尺度渦旋引發“21.7”極端暴雨的機制示意 （Zhang，et al，2022）Fig.4 Schematic diagram showing how the eastwardsloping MCV gave rise to "21.7" extremely torrential rainfall （Zhang，et al，2022）

5 下墊面效應

下墊面效應可分成地形效應和城市化效應，了解它們對“21.7”極端暴雨的影響，有助于提高數值模式預報極端降水的能力（Wang Y J，et al，2022）。

地形效應主要通過動力、熱力和微物理過程影響“21.7”極端暴雨。動力上，河南省西部的山脈迫使輻合的暖濕空氣抬升，加強邊界層急流，有利于MCV 形成；熱力上，太行山、伏牛山和嵩山通過地形的不均勻加熱影響低空急流的日變化（冉令坤等，2021；Luo Y H，et al，2023）；微物理過程上，地形起伏處的對流系統發展高度下降，限制冰相過程，使雨滴平均粒徑減小，降水強度減弱，因而極端暴雨向山脈東側的平原地區集中（陳剛等，2022）。

城市化效應由局地地區和上游城鎮對“21.7”極端暴雨的影響組成，局地城區的熱力擾動和地表粗糙度的增大，促進了上升運動和水汽輻合，使風暴系統位置改變并在主城區停滯，增強了鄭州主城區及其南部、開封西部和許昌西部的降水，最大增量高達304.4 mm，給主城區及其南部帶來更提前和更集中的降水（Huang S H，et al，2022）。鄭州南部、東南部和東部城鎮下墊面的熱力擾動和地表粗糙度增大，促進了上游地區邊界層內及其上方的上升運動和地表摩擦力，使邊界層大氣變干并減小風速，減少了從南邊界和東邊界輸入的水汽和能量，進而削弱了極端暴雨的總雨量（Luo Y L，et al，2023）。

地形效應通過加強邊界層急流及中尺度對流渦旋的強度并限制山脈上空的微物理過程，對極端暴雨的強度和分布產生影響；由于上游城鎮和局地城鎮的共同作用很復雜，城市化效應對“21.7”極端暴雨影響的不確定性較大。

6 氣候變暖對“21.7”極端暴雨的增幅效應

近一個世紀以來全球平均溫度升高了近1℃，全球極端降水的頻率和總量明顯增大（Hegerl，et al，2019），在此背景下，“21.7”極端暴雨平均總降水量增加了約7.5%，其中部分地區高達15%—20%（Wang J，et al，2022）。

氣候變暖可能會通過增強大氣環流對熱帶環流及熱帶海洋的響應和對流的潛熱反饋使“21.7”極端暴雨增幅。西北太平洋季風槽經向位置的異常偏北，使西北太平洋天氣尺度波列向更高緯度傳播（圖5），增強了中緯度緯向環流（Huang S H，et al，2022），使局地的正渦度平流加強，進而加強垂直運動。同時，西太平洋暖池異常偏暖加強了哈得來環流下沉支和越赤道氣流，有助于西北太平洋天氣尺度波列的北傳（湯彬等，2023）。氣候變暖使大氣不穩定增強，可能會加強中緯度緯向環流對西北太平洋季風槽和西太平洋暖池的響應，為降水異常提供更有利的強對流活動條件（Cheng，et al，2022；Peng，et al，2022）。此外，地表溫度的升高能加強地表蒸發，降低感熱通量，使大氣的相對濕度和邊界層高度升高（陳玥等，2023）。因此，大氣的凝結潛熱釋放增強，增大了水平溫度梯度，使風的垂直切變加強，有利于對流組織化，從而使依賴于線狀對流的區域尺度降水增幅（秦漢等，2022）。

圖5 （a） 2021 年7 月19—21 日和 （b） 氣候態在850 hPa 上垂直渦度的水平分布 （藍色和橙色曲線分別為2021 年7 月和氣候態天氣尺度波列的傳播路徑） （Huang S H，et al，2022）Fig.5 Synoptic-scale wave train represented by 850 hPa relative vorticity （a） during 19–21 July 2021 and （b） in climatology （blue curve represents the propagating pathway of the synoptic-scale wave train in July 2021 and orange curve represents the climatological propagating pathway） （Huang S H，et al，2022）

氣候變暖可能增強了中緯度緯向環流對西北太平洋季風槽、西太平洋暖池的響應和對流的組織化，加強局地的上升運動和潛熱反饋，從而使“21.7”極端暴雨增幅，其中區域尺度極端降水的增幅效應比臺站尺度更顯著。

7 數值模式預報

數值模式是預報極端天氣不可或缺的工具，在“21.7”極端暴雨預測中發揮了重要作用。

次季節-季節預報模式成功預測出月尺度上中國“北濕南干”的異常降水模態，全球中期預報模式預報出周尺度上河南暴雨過程，區域中尺度數值模式對日尺度和小時尺度降水極端性預報效果較好，但仍存在預測降水落區偏西、降水強度偏弱的情況，這是由現階段數值模式對天氣系統的移動和強度的模擬有偏差以及對復雜地形動力作用和微物理過程的描述能力不足所致的（史文茹等，2021；李澤椿等，2022；栗晗等，2022；童穎睿等，2022；Yan，et al，2023）。

對流層高層冷渦、西太副高、臺風“煙花”和“查帕卡”路徑及強度的不確定性使日極端降水被低估，而低空急流和黃淮低渦的位置及強度的不確定性使局地水汽輻合和垂直運動的模擬效果不好，進而影響了小時降水量的預報結果（蔡薌寧，2022；Huang Q J，et al，2022 ；Wang X J，et al，2022；Hu，et al，2023）。

對衛星資料如FY-4A 的水汽通道和對流層高層風場進行同化，能改善數值模式的初始場，尤其針對海洋高空風場進行調節，減小了數值模式對日降水和小時降水極值的預報偏差（Xie，et al，2022；Yin R Y，et al，2022；Xu，et al，2023）。數值模式的初始場對天氣系統代表性的差異，使數值模式預報具有不確定性（張云濟等，2022），利用集合預報能估計這種不確定性，提高日降水的預報效果（朱科鋒等，2022）。

然而，小時降水量的可預報性仍較低，因為數值模式尚無法準確預報每一個中小尺度過程。概率匹配平均能進一步改進集合預報的結果，且預報時效越長，改進效果越明顯（劉揚等，2022）。朱科鋒等（2022）提出了一種新的基于鄰域的降水概率預報方法，顯著提升了日降水和小時降水的概率預報效果。

總之，數值預報對“21.7”極端暴雨在日尺度和小時尺度上的降水預報仍存在較大偏差，衛星資料同化和集合預報可以改進數值模式初始場及其對天氣系統的代表性，從而提升預報效果。

8 “21.7”極端暴雨的研究成果與“75.8”特大暴雨的比較

“21.7”極端暴雨與“75.8”特大暴雨雖同樣出現在河南并引發了空前的災難，但在雨帶特征、降水與臺風配置、對流層高層環流與中、高緯度的冷空氣活躍程度上均存在顯著差異（Rao，et al，2022）。Rao 等（2022）已對比了兩次暴雨過程的天氣系統及物理條件，因此文中主要對二者當前的研究成果進行比較。

對于二者的研究成果，主要體現在研究方法、氣候變暖以及城市化背景3 個方面的差別（丁一匯，2015；李澤椿等，2022）：在研究方法方面，觀測資料時、空精度的提高和數值模式技術的改進，使降水和天氣系統特征更加精細，并深化了對極端暴雨期發生和發展機制尤其是微物理過程方面的認知；城市化高速發展改變了下墊面的吸熱能力、儲水能力和粗糙度，城市內澇災害越發嚴重，增加了“21.7”極端暴雨發生期間的下墊面與大氣相互作用過程的復雜性，使極端暴雨機理研究的不確定性增大；在全球顯著變暖的背景下，“21.7”極端暴雨有關研究定量估計了氣候變暖的增幅效應及其影響機制，發現“21.7”極端暴雨可能受到比“75.8”特大暴雨更顯著的熱帶大氣環流和海洋的影響，并具有更強的對流組織化，有利于上升運動和潛熱反饋的加強，可能是“21.7”極端暴雨的小時雨量更極端的原因之一。然而，城市化會加劇局部變暖，氣候變暖和城市化的影響如何區分尚不明確，為今后極端暴雨研究提出了更大的挑戰（嚴中偉等，2020）。

9 結論與討論

回顧了河南“21.7”極端暴雨的研究進展，主要涉及“21.7”極端暴雨的降水特征、影響天氣系統、發生和發展機制、下墊面效應、氣候變暖增幅效應等方面，得出以下結論：

（1）“21.7”極端暴雨的持續時間長、降水范圍廣、降水落區和時段集中及降水極端性強；業務預報、數值模式、衛星遙感和天氣雷達對本次暴雨峰值均存在低估。

（2）在有利的大尺度環流影響下，高空急流的輻散作用，臺風“煙花”和“查帕卡”建立的水汽通道，雙低空急流耦合等，協同產生了“21.7”極端暴雨。

（3）“21.7”極端暴雨的發生和發展機制為：在強上升運動和對流不穩定的影響下，凝結潛熱與低空高值位渦的反饋作用，使中尺度對流系統和中尺度對流渦旋的耦合增強，再通過霰粒子的融化促進各種尺度粒子同時增長。

（4）地形效應通過動、熱力作用及微物理過程影響極端暴雨的強度和分布；城市化效應對“21.7”極端暴雨的影響較為復雜，具有較大不確定性。

（5）氣候變暖可能加強了中緯度緯向環流對熱帶大氣環流和海洋的響應及對流的組織化，進而導致上升運動和潛熱反饋的增強，使“21.7”極端暴雨增幅。

（6）數值預報低估了“21.7”極端暴雨日尺度和小時尺度的降水，衛星資料同化和集合預報可有效提升數值模式的預報效果。

（7）相較于“75.8”特大暴雨的研究成果，由于觀測資料的加密和數值模擬技術的改進，“21.7”極端暴雨具有更精細的降水和中小尺度系統的特征，尤其是云微物理特征；同時，全球氣候顯著變暖使“21.7”極端暴雨表現出中緯度緯向環流對熱帶大氣環流和海洋強迫效應的更強響應，可能增強了“21.7”極端暴雨小時雨量的極端性；而城市化的高速發展也進一步增大了“21.7”極端暴雨機理研究的不確定性。

雖然1975 年的河南特大暴雨過程已經過去將近半個世紀，但它推動了中國暴雨預報從定性預報到定量數值預報的飛躍，而對同樣發生在河南的“21.7”極端暴雨而言，需要進一步深化對多尺度相互作用的認知及提升數值模式的預報能力，尤其對極端事件在中期和短期的預報能力（李澤椿等，2022；Hsu，et al，2023）?；谝陨辖Y論，未來可從以下幾個角度開展對極端暴雨的進一步研究：

（1）改進天氣雷達、衛星遙感技術反演算法，發展多源觀測資料融合分析技術，加強高分辨率資料對極端降水時、空分布特征的精準預測能力，使不同時、空精度的觀測資料能滿足對極端暴雨的監測和預警需求。

（2）在氣候變暖和高速城市化背景下，深入研究多尺度天氣系統相互作用機制，提高對極端暴雨期間對流系統微物理特征變化和形成機制的認知，加強復雜下墊面影響極端暴雨的機理研究，為多尺度數值模式提供更精細的動力學核心和更準確的物理參數化方案。

（3）除了發展數據同化技術改進初值資料和增強對大氣的認識外，考慮初始條件不確定性的集合預報能改進單一確定性的數值預報的預報結果，未來可結合人工智能新方法改進降水概率預報算法，提高集合預報對極端暴雨的可預報性。

（4）結合中外極端降水事件進行對比分析，探討不同地區、不同季節、不同類型的極端降水事件之間的異同點，尤其是氣候變暖和城市化對極端降水事件頻率、強度、持續時間等特征的貢獻，為防災減災措施的制定提供科學依據。

最后，值得說明的是，文中對“21.7”極端暴雨的相關研究進展進行梳理和總結，但未涉及尚未刊出論文的相關研究，梳理過程遺漏難免，歡迎各位讀者一起探討交流。

致 謝：該文得到丁一匯院士的指導，在此特予感謝！