自2000年以来，在华北平原不同天气形势下，导致强降雨事件期间突发性大暴雨的量化热力学条件

《Atmospheric Research》：Quantified thermodynamic environments conducive to flash heavy rainfalls during persistent heavy rainfall events under different synoptic patterns over North China Plain since 2000

中国华北平原（NCP）自2000年以来亚日尺度及小时级降水极端事件（FHRs）与极端持续强降雨事件（PHREs）显著增加，尤其在经向（MT）和纬向（ZT）环流背景下。基于长期观测和再分析数据，研究发现FHRs的平面分布与热力学环境（CAPE、K指数、SI、Δθe等）密切相关，其中平原区域CAPE和K指数更高，SI、Δθe等地形依赖性指数在MT环流下更强，而其他指数呈现纬度差异。以2021、2023、2025年三次极端PHREs为案例，验证了不同环流下热力学阈值对FHRs的定量预测意义。

　　

徐晓冉|曹杰|陈海山|赵伟|金晓晴

国家气候系统预测与风险管理重点实验室/教育部气象灾害重点实验室/气象灾害预报与评估协同创新中心/南京信息科技大学大气科学学院，南京210044，中国

摘要

自2000年以来，华北平原（NCP）的次日及小时降水极值呈现上升趋势，在这种气候背景下，与异常持续性强降雨事件（PHREs）相关的次日及小时降水极值显著增加，其中还包括破纪录的短时强降雨（FHRs）。这些极端天气事件对京津冀城市群造成了人员伤亡、生态环境破坏和经济损失，并由于对FHRs的预测不准确而引发了公众情绪波动。基于长期观测和再分析数据集，本研究揭示了在经向和纬向天气模式（MT和ZT）下，FHRs的降水、天气环流和热力学环境的定量特征。不同复杂地表条件下的降水表现出显著差异。与气候平均值相比，平原地区的FHRs通常伴随着更强的高层大气环流、增强的低层水汽输送以及更强烈的上升运动。在MT模式下，FHRs期间还存在额外的水汽通道。本文分析了过去25年中40次FHRs的六个指标（CAPE、K指数、SI、Δθe、RH、T-Td）的空间分布，并将其与年度和事件平均值进行了对比。研究发现，CAPE和KI在平原地区的值更大。CAPE、SI和Δθe在两种模式下均表现出明显的地形跟随特征，且MT模式下的幅度更大；而其他三个指标则表现出纬度差异，中位数相似且阈值较为集中。本研究得出了有利于FHRs的热力学指标及其阈值，为改进华北平原不同地理位置、不同强度下FHRs的预测能力提供了定量科学依据。此外，还定量分析了2021年、2023年和2025年7月末三次极端严重FHRs的特征，以应用于最新天气事件的研究。

引言

在全球变暖的背景下，复杂多变的气候系统导致世界各地极端天气和气候事件频繁发生且分布不均（Kunkel等人，1999；Zhou和Yu，2005；Zolina等人，2013；Chen和Zhai，2013；Prein等人，2017；Du等人，2019；Yin等人，2023；Raghuvanshi等人，2025）。在这些极端事件中，降水极值（PEs）对人类安全、生态环境和国家安全构成威胁，因此在科学和社会上受到了更多关注。近几十年来，北美、欧洲和亚洲的观测数据显示，PEs的发生频率和强度显著增加（Freitag等人，2018；Ali等人，2021；Ng等人，2021；Zhang等人，2021；Li等人，2023；Liao等人，2025）。作为世界上暴雨灾害最严重的国家之一，中国自2000年以来经历了次日和小时降水极值的增加，且存在区域差异和十年变化（Chang等人，2020；Yu等人，2023；Tang等人，2021；Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Xie等人，2024）。华北平原（NCP）是中国三大降水区域之一，其降水特征表现为突发性强、可预测性低、强度高且分布极不均匀，这与其特殊的地理位置和地表条件有关。针对日降水极值和次日或小时降水极值的降水特征已进行了深入研究（Cassola等人，2016；Sun，2017；Han等人，2024；Han等人，2025；Li等人，2025），分别探讨了与暴雨（日降水量大于50毫米）和短时强降雨（小时降水量大于20毫米）的关系。最新研究（Wasko等人，2024；Hiraga等人，2025）表明，全球变暖背景下，次日或小时降水极值的增长速度快于日降水极值，这主要是由于热力学过程（如克劳修斯-克拉珀龙关系）和对流组织的变化。此外，对中国FHRs的时空变化的研究显示，NCP地区的FHRs发生频率和强度正在增加（Luo等人，2016；Li等人，2021；Yu等人，2025）。因此，本研究的重点关注21世纪以来NCP地区超出日尺度范围的小时降水极值。

FHRs源于多尺度天气系统之间的复杂相互作用，以及中尺度或风暴尺度结构与强烈天气现象之间的物理关系，是全球性的气象问题。天气模式及其通过环境指标所描述的特征被认为是FHRs的主要成因。从业务预报的角度来看，这些指标有助于对极端天气的预测。Doswell III等人（1996）首次提出了基于有利环境指标的方法。随着数值预报模型及其后处理技术的快速发展，许多气象机构已经开发并应用了有助于预测极端天气的指标和阈值（Tian等人，2015；Wu等人，2023；Salcedo-Sanz等人，2024；Jiang等人，2025；Wang等人，2025）。然而，热力学环境仍存在许多未解决的问题：一方面，不同类型极端天气的指标具有敏感且重叠的阈值（Zhao，2022；Ye等人，2024；Cao等人，2025）；另一方面，即使在最先进的数值模型中，也难以准确预测NCP地区持续性强降雨事件（PHREs）中FHRs的发生时间、强度和位置。

近几十年来，NCP地区发生了多次具有极端FHRs的灾难性事件。例如，2023年7月底的一场破纪录的极端暴雨导致北京平均降水量超过300毫米，最大小时降水量超过111毫米。2025年夏季，海河流域的潮白河因一次极端严重的FHRs刷新了气象记录以来的最大洪水记录。与孤立发生的FHRs相比，NCP地区不同地点、不同强度和持续时间的FHRs更具破坏性。公众对FHRs的准确预报需求尤为迫切，尤其是在京津冀城市群，该地区受到多尺度大气和海洋系统以及城市化等复杂地表因素的影响（Li等人，2020）。以往的研究探讨了经向和纬向天气模式在FHRs中的关键作用（Zhou等人，2023；Liu等人，2022）。然而，大多数研究基于日平均数据集，对FHRs的特征进行了简化处理，主要关注行星尺度和天气模式系统。2021年对NCP地区极端FHRs的最新研究（Lin等人，2024；Lv等人，2025）发现，在相同的天气模式下，环境特征具有相似性。因此，我们的后续研究旨在深入探讨不同天气模式下有利于FHRs的热力学环境指标，并提供2000年后的定量阈值，以进一步应用于FHRs的预测。

研究区域和数据

本研究聚焦于NCP地区PHREs期间的FHRs，延续了我们之前的研究（Zhou等人，2023），同时考虑了气候区和行政区划。研究区域位于北纬34°-44°、东经110°-123°之间，包括京津冀城市群以及山西和内蒙古的部分地区。

2000年至2024年的基于雨量的小时降水数据来自国家气象信息中心

降水特征及相关的天气环流

图1c显示了2000年至2024年间年FHRs发生次数和FHRs期间最大FHR比例的时间变化，以及平均FHR降水量。2007年、2011年、2018年和2021年FHRs期间的最大FHR比例（橙色点）超过了50%。2011年、2021年和2023年的平均降水量（蓝色直方图）超过了110毫米。同时，FHRs发生的空间分布（图1a）显示了...

结论与讨论

由于2000年左右的十年变化以及降水极值增加的气候背景，本研究基于2000年以来的长期小时降水观测数据和ERA5再分析数据，探讨了NCP地区FHRs期间六个热力学环境变量的定量特征。比较分析了平原地区不同地表条件下的差异...

作者贡献声明

徐晓冉：数据可视化、验证、软件开发、方法论设计、数据分析、正式分析、数据整理、初稿撰写。曹杰：数据可视化、验证、项目监督、资源协调、方法论设计、数据分析、资金筹集、正式分析、概念构思、初稿撰写。陈海山：项目监督、资源协调、项目管理、资金筹集。赵伟：资源协调、数据整理。金晓晴：数据验证。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢两位匿名审稿人的宝贵建议，这些建议极大地改进和丰富了本研究的内容。本研究得到了国家自然科学基金（资助编号42475007）和国家重点研发计划（资助编号2022YFF0801600）的支持。同时，我们也感谢南京信息科技大学高性能计算中心的支持。