2025年季风期间，对印度沿海大都市地区偶发的强烈降雨事件进行诊断：多平台观测数据、大气驱动因素及模型预测能力分析

《Atmospheric Research》：Diagnosing cloudbursts over Indian megacities near land-sea boundary during the 2025 Monsoon: Multi-platform observations, atmospheric drivers and model predictability

　　加尔吉·拉克希特|德比吉特·保罗|索米亚乔蒂·贾纳|萨尔韦什·杜贝|杜什曼塔·兰詹·帕塔纳伊克|帕尔塔萨拉蒂·穆科帕德亚伊
印度气象 department, 地球科学部, 印度政府, 新德里 110003, 印度

**摘要**
本研究对2025年8月30日至31日袭击金奈和2025年9月22日至23日袭击加尔各答的两次灾难性、短时极端降雨/雷暴事件进行了统一的多平台分析。利用INSAT-3DS的高分辨率观测数据、全球降水测量（GPM）微波成像仪和S波段多普勒天气雷达，以及ERA5再分析算法和Python灵活对象跟踪器（PyFLEXTRKR），全面分析了这些强对流事件（降雨强度超过100毫米/小时）的微物理和动力学过程。观测证据表明，这两个事件都是由深对流驱动的，其特征是云顶冷却迅速（云顶亮度温度低于200K）、深对流核心明显，以及水汽载荷延伸至冻结层以上。一种新的诊断框架结合了垂直涡旋水分通量分析，显示出不同的动力学特征：加尔各答事件表现出强烈的对流层“水分泵送”机制，而金奈事件则表现出较浅的、间歇性的涡旋传输和相对较弱的海陆边界垂直耦合。与1980-2024年的气候数据进行对比分析后发现，这两个事件都发生在与中层大气相对湿度、总 column 水汽和水分通量积聚异常相关的湿润大气环境中。这些异常现象表明，这些中尺度对流系统（MCSs）在有利于深对流的条件下形成，突显了长期气候异常对极端降雨发生的关键作用。本研究重点关注这两个近期发生的、记录详尽的事件，这些事件通过多个独立的观测平台得到了详细记录，为了解海陆边界地区雷暴生成的中尺度对流系统的结构和动力学提供了宝贵的见解。此外，对四个全球预报系统（ECMWF-IFS、NCEP-GFS、UKMO和GFS-T1534）的系统评估显示，这些系统在24小时和48小时预测时存在识别这些极端事件强度、结构和定位方面的持续不足。这些发现突显了沿海城市极端天气预测能力的关键缺陷，并表明改进次网格尺度涡旋水分传输过程的表示方法可能是减少此类事件预报误差的关键途径。

**引言**
气候变暖无疑加剧了全球水文循环，导致强降水事件的频率、强度和持续时间普遍增加。IPCC第六次评估报告高度确信，在大多数陆地区域，短时极端降雨事件已经增强，这一趋势预计在温室气体持续作用下会持续（IPCC，2021年）。观测研究证实了这些预测：全球降水分布的上尾部发生了显著变化，最近几十年内99百分位日降雨事件的频率增加了约10-20%（Myhre等，2019年）。自20世纪初以来，近75%的陆地地区降水变异性也有所加剧（Pendergrass等，2017年）。在这个背景下，印度季风区已成为极端水文气候事件加剧的热点区域（Mohan和Rajeevan，2017年；Kim和Bae，2020年）。长期数据显示，自20世纪中叶以来，印度短时强降雨事件显著增加（Goswami等，2006年；Sai Kranthi等，2025年），同时卫星时代印度中部地区的极端降水事件频率增加了三倍（Roxy等，2017年）。这些趋势归因于大气水分含量的增加、对流不稳定性的增强以及大尺度季风动力学的变化，这些变化受到快速城市化的影响（Ajayamohan和Rao，2008年；Mukherjee等，2018年；Rajeswari等，2021年；Mishra等，2022年）。因此，加尔各答、金奈和孟买等沿海大城市面临复合灾害的严重风险（Dasgupta等，2013年；Mohanty等，2023年；Rajeswari等，2021年）。极端降雨与潮汐回水效应、海平面上升和地面沉降的相互作用对城市基础设施构成严重威胁，亟需重新评估这些人口密集地区的洪水风险管理（Dhiman等，2019年）。

**中尺度对流系统（MCSs）**是印度季风带内主要的中尺度对流模式，占热带降雨量的半以上（Houze Jr，2004年；Feng等，2021年；Rakshit等，2024年；Paul等，2025年）。这些系统由孟加拉湾和阿拉伯海的深层水分输送提供热力学驱动，经常产生超过80-100毫米/小时的局部降雨强度（Virts和Houze Jr，2016年；Jana等，2025年）。Muetzelfeldt等（2025年）的最新分析确定了这种MCSs发起和强化的三个关键环境前兆：高总 column 水汽、湿润的中层大气以及强烈的垂直积分水分通量积聚。在对流谱的极端上尾部，是“雷暴”，即降雨强度达到100毫米/小时以上的独特高强度事件，通常局限于较小的空间范围（约20-30平方公里）。虽然传统上认为这些事件与喜马拉雅山脉的地形锚定有关（Dimri等，2017年），但这些事件的定义和分类仍存在争议，特别是在区分真正的雷暴与其他强降雨事件时（Geberemariam，2025年）。根据印度气象部门（IMD）的操作实践和先前文献，雷暴被定义为在约20-30平方公里的有限区域内降雨强度达到100毫米/小时的事件（Dimri等，2017年），本文研究的两起事件也据此进行分类。

越来越多的证据表明，沿海城市环境现在能够维持雷暴对流；然而，仍存在重要的知识空白。2005年7月26日在孟买发生的雷暴在印度气象文献中有详细记录，相关研究分为描述性分析和数值模拟。Jenamani等（2006年）和Jenamani与Bhan（2008年）的初步研究提供了事件特征的基本诊断描述。在此观测基础上，后续研究采用了多种高分辨率建模框架来评估预测准确性：Kumar等（2008年）和Deb等（2008年）使用了WRF模型，Deb等（2008年）进一步结合了巴西区域大气建模系统（BRAMS），Sahany等（2010年）应用了先进区域预测系统（ARPS）。尽管这些研究尝试了不同的模型配置和物理过程组合来捕捉该事件，但尚未阐明雷暴系统内的云结构和三维机制。基于观测的研究主要关注了天气形势，很少探讨可能促成系统形成的中间尺度系统的结构及其演变。由于目前缺乏明确的雷暴假设，印度此类事件的预测仍处于初期阶段。特别是缺乏关于水汽垂直演变的多传感器记录，以及对沿海边界层如何影响MCS动力学的理解有限，这阻碍了准确诊断。解决这些观测缺陷和知识空白对于提高高影响短时水文气象灾害的短期预报至关重要。

**2025年季风晚期**，加尔各答（9月22日至23日）和金奈北部（8月30日至31日）发生了两次异常的短时极端降雨事件，这两个地区都位于日益脆弱的复合水文气象灾害高风险区域。IMD的地表测量数据显示，加尔各答在3小时内降雨量约为180-186毫米，24小时总降雨量达到251.4毫米，创下自1888年以来9月第三高的日降雨记录。详细的地站级分析进一步凸显了事件的严重性，多个地点的降雨量超过了280毫米，根据IMD地表观测，2025年9月22日21至23日期间出现了强烈的对流爆发。在金奈，Meenambakkam和Nungambakkam观测站连续记录到每小时降雨强度超过100毫米，事件总降雨量在230-270毫米之间，属于1943年气候记录以来最强烈的短时降雨事件之一。这些数值突显了2025年事件的特殊性，表明需要在更广泛的背景下研究印度季风区的降水极端现象。

需要强调的是，本研究的目的不是确定金奈或加尔各答地区雷暴事件的统计频率、长期趋势或气候特征。相反，重点是这两个近期发生且观测详尽的事件，它们为研究极端降雨产生的物理机制提供了独特的机会。这些事件的独特性不仅体现在其强度上，还在于详细的、多传感器的观测数据集，这些数据集有助于准确描述对流结构、微物理过程和水分传输机制。这类以事件为中心的诊断研究对于提高机制理解至关重要，尤其是在更广泛的气候学框架下捕捉局部对流极端现象时面临的内在挑战。尽管公众讨论中广泛将其称为“雷暴”，但这两个事件代表了不同的动力学和对流机制，表明影响印度沿海/陆海边界城市走廊区域的极端降雨系统具有多样性。重要的是，这两个事件都发生在高分辨率数值模型（ECMWF-IFS、NCEP-GFS、UKMO和GFS-T1534）和业务化临近预报工具难以预测降雨强度和空间定位的地区，这揭示了在复杂陆海界面上的中尺度可预测性的持续缺陷。这些事件的社会后果进一步强调了它们的重要性：这两个城市都是高暴露、低洼的沿海大城市，即使是短暂的非持续性极端降雨也会导致快速降雨洪水、排水系统不足和密集建筑物的损坏（Aziz等，2024年）。尽管印度极端降雨事件已得到广泛研究，但结合雷达、卫星微物理、热力学诊断和详细动力学预算的系统化多传感器评估仍有限，尽管气候变化对季风降雨特征的影响正在加速。因此，本研究首次对2025年加尔各答和金奈的极端事件进行了统一的多平台分析。数据来自GPM GMI、INSAT-3DS、多普勒天气雷达（DWR）和IMD地表降雨，结合了基于ERA5的动力学和热力学场。具体来说，使用PyFLEXTRKR算法追踪了中尺度对流系统（MCSs）的时空演变和生命周期（Feng等，2021年）。此外，通过垂直涡旋通量散度诊断阐明了次网格尺度的水分传输机制。最后，评估了业务化全球预报系统的预测能力。

**研究创新点**
本研究的新颖之处在于同时应用统一的多平台方法对同一季风季节的两个不同沿海大城市事件进行了分析。虽然Dutta等（2024年）记录了大规模海洋水分输送和对流尺度模型在雷暴事件中的作用，但本研究在此基础上：（i）整合了独立的观测平台（INSAT-3DS、GPM-GMI GPROF、S波段DWR、IMD地表观测、IMD-GPM合并分析）来描述3D云结构、微物理和地表降雨；（ii）应用PyFLEXTRKR算法进行客观的MCS生命周期跟踪；（iii）引入垂直涡旋水分通量诊断框架来量化次网格尺度的水分输送并对比两种动力学机制；（iv）首次系统地比较了四种先进的全球数值天气预报模型对印度沿海大城市雷暴事件的预测能力。这些贡献显著推进了对印度陆海边界地区极端降雨生成机制的理解。通过在这个综合框架内分析这两个事件，实现了以下目标：
- 识别了具有不同水分传输机制的不同天气形势和中间尺度环境如何在陆海边界附近的大城市产生高影响短时降雨；
-研究了大气水分预处理、MCS组织过程和微物理强化在塑造事件强度中的作用；
- 阐明了现有预报系统未能捕捉这些极端事件的具体动力学原因；
- 得出了对改进临近预报、短期预测和气候适应性城市规划的启示。

**结论**
这项比较分析显著提升了我们对印度陆海边界地区快速強化对流和极端降雨现象的理解。随着气候变暖，这类事件变得更加频繁，但对业务化预报来说仍然是一个持续的挑战。

**地点气象**
加尔各答位于湿润的、低洼的恒河三角洲平原上，距离孟加拉湾沿岸约120公里（图1）。9月下旬，该地区通常受到退缩的西南季风影响，地表相对湿度较高（通常超过75%），边界层温度较高（约28-30°C）。其平坦的地形、密集的城市化和有限的排水能力使得该城市极易受到短时强降雨引发的快速地表洪水的影响。金奈位于...观测数据和再分析结果表明，利用INSAT-3DS的热红外通道1（TIR-1）获得的云顶亮温（CTBT）数据，研究了2025年8月30日至31日金奈和2025年9月22日至23日加尔各答极端降雨事件期间深层对流的演变过程。TIR-1窗口通道（10.3–11.3微米）的空间分辨率为约4公里，时间采样间隔为30分钟，能够实现对中尺度对流系统的连续监测。

本研究通过结合印度气象部门（IMD）的小时雨量测量数据以及多种传感器诊断工具，探讨了2025年金奈（8月30日至31日）和加尔各答（9月22日至23日）两次晚季极端降雨事件的时空演变特征。在金奈事件期间，降雨量在8月30日15:30至20:30 UTC之间突然增强（图2）。例如Manali（第19分区）和新Manali Town（第15分区）等站点在短时间内记录到了超过250毫米的降雨量，达到峰值。

研究表明，2025年晚季，两场罕见的雷暴极端降雨事件影响了金奈和加尔各答这两座大城市。通过整合卫星观测数据、多普勒天气雷达测量结果、ERA5再分析数据、基于PyFLEXTRKR的对流系统追踪信息以及全球模型预报，研究人员对极端对流系统的微物理结构、动力演变及其在陆海边界附近的可预测性获得了新的认识。

作者声明：在准备本手稿的过程中，作者们未收到任何资金、资助或其他形式的支持。

未引用的参考文献：
Houze, 2014
LeMone, 1983
Mapes and Houze, 1995
Moncrieff, 1992
Romatschke and Houze Jr, 2011
Rosenfeld et al., 2008
Saikranthi et al., 2024
Yanai et al., 1973
Zipser et al., 2006

利益冲突声明：作者们没有需要披露的财务或非财务利益相关关系。

致谢：作者感谢印度气象部门（IMD）及气象局局长M. Mohapatra博士为这项研究工作提供的支持，同时也对浦那印度理工学院（IITM）主任对该研究的鼓励表示衷心的感谢。