2021年7月大氣環(huán)流和天氣分析*

趙 威 孫 軍

國(guó)家氣象中心，北京 100081

提 要： 2021年7月主要環(huán)流特征為北半球極渦呈偶極型分布且較常年同期偏強(qiáng)，西北太平洋高壓較常年偏西偏北，強(qiáng)度偏強(qiáng)。7月，全國(guó)平均氣溫為23.1℃，較常年同期(21.8℃)偏高1.3℃；全國(guó)平均降水量為124.4 mm，較常年同期(120.6 mm)偏多3.2%。月內(nèi)共有7次強(qiáng)降水過(guò)程，多站降水突破歷史極值，河南出現(xiàn)破紀(jì)錄極端降水。7月共有3個(gè)熱帶氣旋在南海和西北太平洋活動(dòng)，其中2106號(hào)臺(tái)風(fēng)煙花與2107號(hào)臺(tái)風(fēng)查帕卡登陸我國(guó)，登陸個(gè)數(shù)與常年同期持平。華南、江南、新疆及內(nèi)蒙古西部地區(qū)出現(xiàn)大范圍持續(xù)性高溫天氣，多個(gè)站點(diǎn)日最高氣溫突破歷史極值。

1 天氣概況

1.1 降 水

2021年7月，全國(guó)平均降水量為124.4 mm，較常年同期(120.6 mm)偏多3.2%(國(guó)家氣候中心，2021)。如圖1所示，200 mm以上降水量主要分布在京津冀、山西東南部、山東、河南、江蘇、安徽、浙江中北部、上海、黑龍江西部、四川東部、重慶中北部、湖北北部和西部、貴州西南部、云南西北部等地，河南北部降水量超過(guò)400 mm。7月，全國(guó)共有36個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站的日降雨量超出歷史極值，分別位于北京、河南、廣西、貴州、黑龍江、江蘇、內(nèi)蒙古、青海、山東、新疆等地。其中，鄭州站最大日降水量達(dá)624.1 mm(20日08時(shí)至21日08時(shí))，為該站歷史最大日降水量(174.8 mm，2008年7月13日08時(shí)至14日08時(shí))的3.57倍。

圖1 2021年7月全國(guó)降水量分布(單位：mm)

與常年同期相比(圖2)，內(nèi)蒙古東部、黑龍江西部、吉林西部、京津冀、山西東南部、山東中西部、安徽、江蘇、浙江中北部、上海、湖北西部、青海西部、新疆西部等地降水偏多，其中，河南北部與新疆西部等地降水量偏多兩倍以上。新疆中東部地區(qū)、西北地區(qū)東部、東北地區(qū)東部以及江南中南部、華南大部地區(qū)降水量偏少2成至1倍(圖2)。北京、河南、上海、江蘇的月平均降水量為1961年以來(lái)第一高，天津、河北為第二高(國(guó)家氣候中心，2021)。

圖2 2021年7月全國(guó)降水量距平百分率分布(單位：%)

1.2 氣 溫

2021年7月，全國(guó)平均氣溫為23.1℃，較常年同期(21.8℃)偏高1.3℃，為1961年以來(lái)歷史同期第二高(國(guó)家氣候中心，2021)。與常年同期相比(圖3)，全國(guó)大部分地區(qū)氣溫偏高，其中，新疆北部和東部、甘肅大部、寧夏、內(nèi)蒙古西部及黑龍江中東部、吉林中東部等地部分地區(qū)偏高2～4℃。寧夏、吉林、黑龍江月平均氣溫為1961年以來(lái)第一高，新疆為第二高。江南、華南、新疆以及內(nèi)蒙古西部等地出現(xiàn)了15 d以上的高溫日數(shù)，較常年同期偏多5 d以上。

圖3 2021年7月全國(guó)平均氣溫距平分布(單位：℃)

2 環(huán)流特征和演變

2.1 環(huán)流特征

500 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)及距平場(chǎng)(圖4)顯示，北半球極渦呈雙極型分布(圖4a)，極渦中心分別位于喀拉海附近和伊麗莎白女王群島附近，中心強(qiáng)度約為544 dagpm?？傮w而言，北半球中高緯度大氣環(huán)流呈現(xiàn)“四槽三脊”的多波型分布，長(zhǎng)波槽分別位于西西伯利亞平原、阿留申群島附近、北美東部，以及歐洲西海岸。歐亞地區(qū)中高緯度呈現(xiàn)“兩脊一槽”的環(huán)流形勢(shì)，其中兩個(gè)高壓脊分別位于烏拉爾山西側(cè)和東北亞地區(qū)，低槽位于西西伯利亞地區(qū)。與常年同期相比(圖4b)，極區(qū)500 hPa位勢(shì)高度表現(xiàn)為2～10 dagpm的負(fù)距平，北半球極渦強(qiáng)度偏強(qiáng)，中高緯度大部分繞極地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度表現(xiàn)為正距平，其中亞洲北部500 hPa位勢(shì)高度偏高2～10 dagpm，不利于冷空氣東移南下，因此7月我國(guó)北方大部地區(qū)氣溫偏高，尤其是西北地區(qū)。低緯地區(qū)，西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)西段平均脊線位于27°N附近，西伸脊點(diǎn)位于135°E附近，與常年同期相比，位置偏北偏東(羅琪和張芳華，2020；解晉和周寧芳，2019；張夕迪和孫軍，2018)。

圖4 2021年7月北半球500 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)(a)和距平場(chǎng)(b)(單位：dagpm)

2.2 環(huán)流演變與我國(guó)天氣

7月上旬(圖5a)，歐亞大陸上空中高緯度大氣環(huán)流呈現(xiàn)“兩脊兩槽”型的環(huán)流形勢(shì)，兩個(gè)高壓脊分別位于烏拉爾山和東北亞上空，兩個(gè)低槽位于地中海上空與貝加爾湖—華北一帶。低緯地區(qū)，副高脊線較前期明顯北抬，位置偏西，西側(cè)脊點(diǎn)位于我國(guó)西南地區(qū)105°E附近，受副高控制，江南、華南出現(xiàn)高溫天氣。副高外圍偏南氣流帶來(lái)的暖濕空氣與華北上空槽后冷空氣在我國(guó)西南地區(qū)交匯，導(dǎo)致該地區(qū)發(fā)生強(qiáng)降水過(guò)程。另外，由于受到高壓脊的控制，新疆北部地區(qū)出現(xiàn)高溫天氣。

7月中旬(圖5b)，歐亞大陸上空中高緯度大氣環(huán)流轉(zhuǎn)為“兩脊一槽”的環(huán)流形勢(shì)，兩個(gè)高壓脊分別位于東歐平原西部和鄂霍次克海上空，低槽位于巴爾喀什湖附近。副高西側(cè)脊點(diǎn)東退至113°E附近，控制范圍向北大幅擴(kuò)展，高溫范圍也向北擴(kuò)展，在旬中期達(dá)到范圍最大，我國(guó)中東部大部地區(qū)都出現(xiàn)了高溫天氣。與此同時(shí)，位于中亞至北非一帶的大陸高壓也向東大幅伸展至青藏高原上空，深入我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)，與西北太平洋上空的副高形成對(duì)峙。東西兩個(gè)高壓之間為寬廣的低壓區(qū)。兩個(gè)高壓的穩(wěn)定維持為處于低壓區(qū)的華北、華中、西南、西北等地的低渦以及低空切變系統(tǒng)的維持提供了有利條件。7月中旬，我國(guó)共出現(xiàn)三次大范圍的暴雨過(guò)程，影響范圍主要在華北、華中和西南地區(qū)等地。

7月下旬(圖5c)，巴爾喀什湖上空的低槽減弱，貝加爾湖東部出現(xiàn)一個(gè)閉合的低渦中心，該中心對(duì)應(yīng)的低槽向南延伸至內(nèi)蒙古中部。副高退居海上，位于中亞地區(qū)的大陸高壓也明顯西退至70°E以西地區(qū)。我國(guó)中東部處于寬廣的低壓槽區(qū)，臺(tái)風(fēng)煙花和查帕卡相繼登陸。受兩個(gè)臺(tái)風(fēng)影響，浙江、上海、江蘇、安徽、山東等東部沿海省(直轄市)以及華南地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水過(guò)程。

圖5 2021年7月上旬(a)、中旬(b)下旬(c)500 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)(單位：dagpm)

3 主要降水和強(qiáng)對(duì)流過(guò)程

3.1 概 況

2021年7月，我國(guó)主要的強(qiáng)降水過(guò)程共有7次(表1)。7月上半月副高北抬后呈現(xiàn)出階段性的維持，降水主要受副高西北側(cè)西南季風(fēng)氣流和北方冷渦活動(dòng)的影響，呈現(xiàn)出長(zhǎng)江流域及華北、東北多雨帶分布的特征。下半月，伴隨著副高的北抬，主雨帶北移至華北、黃淮地區(qū)，西北太平洋和南海臺(tái)風(fēng)開(kāi)始活躍。在副高、低渦、低空急流等多尺度系統(tǒng)的共同作用下，17—22日，河南等地出現(xiàn)持續(xù)性極端暴雨事件。22—30日，伴隨著臺(tái)風(fēng)煙花的登陸和北上，我國(guó)東部沿海地區(qū)相繼出現(xiàn)暴雨天氣。上述兩次強(qiáng)降水過(guò)程具有累計(jì)雨量大、降水極端性強(qiáng)、短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)段集中、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特征，下文將重點(diǎn)分析上述兩個(gè)過(guò)程。

表1 2021年7月主要降水過(guò)程

3.2 河南極端性強(qiáng)降水過(guò)程分析

7月17—22日，河南中北部、山西東南部、河北中部和西南部等地出現(xiàn)歷史罕見(jiàn)的持續(xù)性極端暴雨。如圖6所示，本次過(guò)程河南中北部大部分地區(qū)累計(jì)降水量超過(guò)200 mm，鄭州局地累計(jì)降水量為800～993.1 mm，鶴壁達(dá)800～1 122.6 mm，新鄉(xiāng)達(dá)800～965.5 mm；最大累計(jì)降水量出現(xiàn)在鶴壁市淇濱區(qū)(1 122.6 mm)。鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁和安陽(yáng)共20個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站日降水量突破建站以來(lái)歷史極值。

圖6 2021年7月17日08時(shí)至22日08時(shí)累計(jì)降水空間分布

本次降水過(guò)程可分為三個(gè)階段，第一階段(17—18日)，如圖7a和7b所示，副高西段脊線抬升至42°N左右，588 dagpm高度線覆蓋了黑龍江、吉林及遼寧的大部分地區(qū)。位于青藏高原上空的大陸性高壓位置偏東偏強(qiáng)，與副高形成東西對(duì)峙的環(huán)流形勢(shì)，兩個(gè)高壓之間寬廣的弱低壓帶上空存在一個(gè)中尺度低渦系統(tǒng)，850 hPa低渦中心位于安徽和河南兩省交界處，有倒槽從低渦中心伸展到河南北部和河北南部，大氣整層可降水量在50～60 kg·m-2。在低渦倒槽、副高外圍和低渦北側(cè)東南暖濕氣流的共同作用，再加上太行山地形的綜合影響，使得強(qiáng)降水出現(xiàn)在河南北部及河北南部一帶。從雷達(dá)回波上來(lái)看(圖略)，對(duì)流云團(tuán)由河南東北部向山西南部移動(dòng)，結(jié)構(gòu)相對(duì)松散。24 h降水強(qiáng)度以分散性暴雨為主，局地有大暴雨。

第二階段(19—21日)，伴隨著大陸高壓的減弱和副高的西伸，原本位于河南東部上空的低渦緩慢西移，中心先進(jìn)入湖北北部一帶，而后進(jìn)入河南西部，強(qiáng)度先減弱后加強(qiáng)，低渦北側(cè)有倒槽切變維持。副高位置穩(wěn)定在日本島—我國(guó)東北地區(qū)，但我國(guó)東北上空的高壓脊減弱，而從日本海伸向我國(guó)華東的副高脊加強(qiáng)。與此同時(shí)，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴煙花移入近海，向西北方向逼近我國(guó)東南沿岸。19日，低渦中心位于湖北北部。在低渦東側(cè)、“煙花”西北側(cè)外圍氣流以及副高外圍西側(cè)外圍氣流的共同影響下，黃淮上空受大范圍偏東風(fēng)與東南風(fēng)控制(圖7c)。在太行山脈至河南西部伏牛山沿線地形的阻擋和抬升作用下，大量的暖濕空氣在河南北部堆積。對(duì)流系統(tǒng)在河南東南部生成，在東南風(fēng)的引導(dǎo)下，向西北方向緩慢移動(dòng)并組織化。20日，河南西部的低渦位置比較穩(wěn)定，但強(qiáng)度明顯增加(圖7d)。強(qiáng)熱帶風(fēng)暴煙花也已增強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)級(jí)別，使其與副高之間的氣壓梯度增加，二者之間的東南風(fēng)增強(qiáng)，形成低空急流。河南北部地區(qū)恰好位于東南低空急流的左前方。從鄭州站20日08時(shí)的探空曲線來(lái)看(圖略)，除700 hPa以下的東南低空急流外，900 hPa以下還存在一支偏東的超低空急流，瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)14～16 m·s-1。在良好的動(dòng)力條件和水汽條件的配合下，大暴雨在河南北部持續(xù)。20日16—17時(shí)，鄭州氣象觀測(cè)站記錄最大小時(shí)降水量達(dá)201.9 mm，突破中國(guó)大陸小時(shí)雨量歷史極值(198.5 mm，河南林莊，1975年8月5日)。21日(圖7e)，河南低渦緩慢向北移動(dòng)并減弱，東南低空急流略有北抬，低渦倒槽也隨之北抬。這使得整個(gè)暴雨帶的影響范圍逐漸向北發(fā)展，擴(kuò)大至河北南部，整個(gè)降雨系統(tǒng)逐漸松散。

第三階段(22日)，副高有所東退(圖7f)，低渦倒槽也逐漸減弱消失。強(qiáng)降水零星分布在河南以及山西境內(nèi)，至此本輪持續(xù)性極端降水過(guò)程趨于結(jié)束?？傮w而言，本次降水過(guò)程受到副高、大陸高壓、低渦、低空急流以及臺(tái)風(fēng)煙花等中低緯多尺度系統(tǒng)的共同作用，并疊加地形的影響，成為與河南“75·8”特大暴雨過(guò)程綜合強(qiáng)度相當(dāng)?shù)奶貜?qiáng)降雨過(guò)程。

3.3 臺(tái)風(fēng)煙花暴雨過(guò)程分析

7月22—30日，副高減弱東退至日本海上空，青藏高原上空的大陸性高壓偏強(qiáng)偏東。臺(tái)風(fēng)煙花位于兩高之間，并向偏北方向移動(dòng)，先后在浙江舟山(7月25日12：30)和平湖沿海(7月26日09：50)登陸，為1949年有氣象記錄以來(lái)首個(gè)在浙江省內(nèi)兩次登陸的臺(tái)風(fēng)?！盁熁ā币苿?dòng)速度緩慢，在我國(guó)陸上滯留時(shí)間為1949年以來(lái)最長(zhǎng)。受“煙花”影響，浙江、上海、江蘇、安徽、山東中西部、河北東部、天津、遼寧西南部及河南商丘和周口等多地出現(xiàn)暴雨，局地有大暴雨。其中，浙江北部和東部、上海、安徽東南部及江蘇南部累計(jì)降水量達(dá)300～600 mm，浙江北部部分地區(qū)累計(jì)降水量達(dá)700～900 mm，最大累計(jì)降水量達(dá)(1 034.3 mm)出現(xiàn)在浙江余姚。

本次過(guò)程分為三個(gè)階段，第一階段(22—23日)，“煙花”中心位置在臺(tái)灣以東的西北太平洋洋面(圖8)，強(qiáng)度為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別，中心風(fēng)速可達(dá)42 m·s-1，整體結(jié)構(gòu)比較對(duì)稱。22日23：00，在副高外圍引導(dǎo)氣流的作用下(圖9a)，“煙花”的移動(dòng)路徑由西行轉(zhuǎn)為西北方向移動(dòng)，受其外圍云系影響，浙江東北部沿海地區(qū)出現(xiàn)暴雨天氣。

第二階段(24—27日)，“煙花”強(qiáng)度減弱為臺(tái)風(fēng)級(jí)別，中心風(fēng)速為40 m·s-1。副高強(qiáng)度進(jìn)一步減弱，西段有所北抬，“煙花”的北向分量加大繼續(xù)向偏北方向移動(dòng)(圖8，圖9b)。受其西側(cè)螺旋雨帶的影響，浙江北部和上海均出現(xiàn)暴雨、局地大暴雨的天氣，浙江沿海出現(xiàn)9～12級(jí)大風(fēng)，局地為13～15級(jí)。此時(shí)，“煙花”主體東側(cè)位于海上的螺旋雨帶上依然存在發(fā)展比較旺盛的對(duì)流云團(tuán)。25日12：30，“煙花”登陸浙江舟山群島。受南海熱帶低壓查帕卡外圍西南季風(fēng)氣流的影響，“煙花”的水汽比較充沛，登陸時(shí)強(qiáng)度維持在臺(tái)風(fēng)級(jí)別，隨后緩慢減弱。從雷達(dá)回波上可以看到(圖略)，“煙花”的本體降水主要位于其北側(cè)和東側(cè)，強(qiáng)降水云團(tuán)主要位于海上。在弱引導(dǎo)氣流的作用下，“煙花”緩慢向西北方向移動(dòng)，強(qiáng)降水落區(qū)向北向西擴(kuò)展至浙江北部、江蘇大部以及安徽的北部和東南部。與此同時(shí)，中緯度低槽逐步加深，形成閉合的冷性渦旋，位于我國(guó)東北地區(qū)上空。高空冷渦東側(cè)的偏南氣流有利于引導(dǎo)“煙花”繼續(xù)北上。

圖8 2021年7月22日08時(shí)至31日08時(shí)累計(jì)降水量(陰影)，以及22—30日臺(tái)風(fēng)煙花移動(dòng)路徑

圖9 2021年7月23日08時(shí)(a)、26日08時(shí)(b)、29日08時(shí)(c)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1)及大氣整層可降水量(陰影，單位：kg·m-2)

第三階段(7月28—30日)，“煙花”已減弱為熱帶低壓，在副高外圍西南氣流的引導(dǎo)下，繼續(xù)北上，并于29日與高空槽結(jié)合。這一階段，“煙花”仍然維持著較為清晰的環(huán)流結(jié)構(gòu)，深對(duì)流出現(xiàn)在其北部和東部。29日，山東半島、江蘇、安徽北部出現(xiàn)暴雨至大暴雨的強(qiáng)降水天氣。30日，“煙花”移入渤海，本輪臺(tái)風(fēng)暴雨過(guò)程趨于結(jié)束。

4 其他災(zāi)害性天氣

4.1 熱帶氣旋活動(dòng)

今年7月，除“煙花”外，西北太平洋與南海洋面上還有兩個(gè)臺(tái)風(fēng)生成，分別是位于我國(guó)南海的“查帕卡”，以及位于日本東京東南方向大約1 490 km處洋面的臺(tái)風(fēng)尼伯特，較常年同期(3.7個(gè))偏少0.7個(gè)(國(guó)家氣候中心，2021)。登陸我國(guó)的臺(tái)風(fēng)為2個(gè)(2106號(hào)“煙花”和2107號(hào)“查帕卡”)，與常年同期(2個(gè))相當(dāng)。

4.2 高溫天氣

7月，我國(guó)高溫天氣主要出現(xiàn)在華南、江南及新疆和內(nèi)蒙古西部地區(qū)，上述大部地區(qū)高溫日數(shù)普遍為10～25 d(國(guó)家氣候中心，2021)。與常年同期相比，華南大部、江南南部、西北地區(qū)東北部及新疆大部等地高溫日數(shù)偏多5～10 d，華南中北部偏多10 d以上。廣西、寧夏高溫日數(shù)均為1961年來(lái)同期最多，新疆、甘肅、廣東分列歷史同期第二至第四多。

致 謝：感謝國(guó)家氣象中心解晉為本文提供月降水量、降水距平百分率和溫度距平資料，感謝國(guó)家氣象中心氣象服務(wù)室提供2021年強(qiáng)降雨過(guò)程紀(jì)要表。