河南“21·7”特大暴雨過(guò)程中尺度低空急流和低渦的演變特征及成因分析*

孔 期 符嬌蘭 諶 蕓 張 芳 胡 寧

國(guó)家氣象中心，北京 100081

提 要： 利用地面常規(guī)氣象資料、區(qū)域氣象站逐小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)、ERA5再分析資料，分析了2021年7月19—20日河南省特大暴雨過(guò)程中尺度低空急流以及中尺度低渦的發(fā)展演變特征及其形成機(jī)理。研究表明：此次特大暴雨天氣過(guò)程發(fā)生在弱天氣尺度系統(tǒng)強(qiáng)迫的背景下，中尺度低空急流以及中尺度低渦是其直接影響系統(tǒng)。低空急流的建立和發(fā)展與降水的發(fā)生和增強(qiáng)同步，而中尺度低渦出現(xiàn)在低空急流建立后約10 h，隨著低渦發(fā)展增強(qiáng)，低空急流強(qiáng)烈發(fā)展；西太平洋副熱帶高壓的增強(qiáng)西伸與河套弱低壓東移造成的地轉(zhuǎn)風(fēng)加大是低空急流形成的重要原因；偏北變壓風(fēng)的貢獻(xiàn)主要是對(duì)風(fēng)向的改變，使得低空急流以偏東急流為主；低空急流引起的對(duì)流層低層水平輻合及扭轉(zhuǎn)是對(duì)流層中低層低渦發(fā)展的主要原因，對(duì)流層中層垂直上升運(yùn)動(dòng)造成的渦度垂直平流是對(duì)流層中層渦度增強(qiáng)的主要原因。降雨引起的對(duì)流層中層凝結(jié)潛熱加熱是低渦發(fā)展增強(qiáng)的又一重要原因。

引 言

在全球變暖的大背景下，近年來(lái)我國(guó)極端天氣氣候事件頻發(fā)，因強(qiáng)降雨造成的次生災(zāi)害給我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、人們生產(chǎn)生活及財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。造成暴雨的天氣系統(tǒng)有高空槽、低渦、切變線、低空急流等。其中，低渦、低空急流及其與暴雨的關(guān)系一直是暴雨研究的焦點(diǎn)(陶詩(shī)言等，1980；黃士松，1981；孫淑清和翟國(guó)慶，1980；丁一匯，2005；Zhang et al,2000;趙思雄等，2004；Chen et al,2005；2006；張敬萍等，2015；Fu et al,2016；2017；Houze,2018)。根據(jù)影響暴雨的低空急流和低渦空間尺度的不同，可分為天氣尺度、中尺度等類(lèi)型。隨著觀測(cè)資料和數(shù)值模式時(shí)空分辨率不斷提升，近年來(lái)對(duì)與暴雨有關(guān)的中尺度低空急流及低渦發(fā)生發(fā)展機(jī)制研究逐步深入，這部分研究多數(shù)集中在長(zhǎng)江中下游地區(qū)的梅汛期暴雨。沈杭鋒等(2013)對(duì)梅汛期中尺度低渦進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，指出中尺度渦旋發(fā)生發(fā)展中，出現(xiàn)暴雨的比例在70%以上；出現(xiàn)暴雨的中尺度渦旋中，接近80%都出現(xiàn)了低空急流。Chen et al(1998)通過(guò)對(duì)江淮流域梅雨鋒上一次強(qiáng)對(duì)流暴雨過(guò)程的分析表明,暴雨和中尺度急流的發(fā)展幾乎是同時(shí)的。當(dāng)降水產(chǎn)生以后，通過(guò)凝結(jié)潛熱釋放，產(chǎn)生氣柱降壓，使流向低壓區(qū)的氣流加速，從而產(chǎn)生中尺度急流。中尺度急流北側(cè)的強(qiáng)輻合以及對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放進(jìn)一步加強(qiáng)了暴雨，同時(shí)也加強(qiáng)了中尺度急流本身，中尺度急流和暴雨形成正反饋機(jī)制。姜勇強(qiáng)等(2003)通過(guò)分析潛熱釋放造成的氣柱變暖和β中尺度低渦發(fā)生發(fā)展的聯(lián)系，指出在合適的大尺度環(huán)境場(chǎng)中，中尺度低空急流在鞍型場(chǎng)內(nèi)觸發(fā)暴雨，降水凝結(jié)潛熱的釋放加熱大氣，加強(qiáng)了低空正渦度區(qū)，觸發(fā)了β中尺度低渦的形成，β中尺度低渦和降水存在正反饋機(jī)制。傅慎明等(2012)對(duì)梅汛期兩個(gè)東移中尺度渦旋進(jìn)行對(duì)比，指出西南渦是由上而下發(fā)展的，而大別山渦旋是由下而上發(fā)展的，輻合是兩類(lèi)低渦發(fā)生發(fā)展的重要因子，垂直渦度向水平渦度的轉(zhuǎn)化是導(dǎo)致兩類(lèi)渦旋消亡的重要因子。Fu et al(2021)研究了大別山渦旋與低空急流的關(guān)系，指出低空急流產(chǎn)生強(qiáng)烈的低層輻合，并通過(guò)拉伸項(xiàng)和垂直平流項(xiàng)對(duì)低渦的發(fā)展起重要的作用。可見(jiàn)，不同暴雨過(guò)程的中尺度低渦及低空急流的演變特征及發(fā)生發(fā)展機(jī)制不盡相同。已有的這些觀點(diǎn)都豐富了我們對(duì)于低渦暴雨及低空急流影響的認(rèn)識(shí)和理解。

2021年7月17—22日，河南省出現(xiàn)了強(qiáng)降雨過(guò)程，河南中北部連續(xù)四天出現(xiàn)大暴雨。7月19—20日，鄭州和新鄉(xiāng)連續(xù)兩天出現(xiàn)特大暴雨，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。不同于梅汛期區(qū)域性暴雨過(guò)程，此次降水過(guò)程對(duì)應(yīng)的天氣尺度系統(tǒng)較弱，暴雨過(guò)程主要與中尺度低空急流以及中尺度低渦系統(tǒng)相關(guān)。二者的三維結(jié)構(gòu)及演變特征如何？在弱天氣尺度系統(tǒng)強(qiáng)迫的背景下，中尺度低渦和低空急流是如何發(fā)生發(fā)展的？二者又有什么關(guān)系？理解這些問(wèn)題是此次特大暴雨過(guò)程的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

研究所用資料包括中國(guó)氣象局逐小時(shí)加密降水觀測(cè)資料以及地面常規(guī)觀測(cè)資料。診斷分析所用資料為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心開(kāi)發(fā)的新一代再分析資料ERA5,該資料的時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°×0.25°，包括37層等壓面上的高度、溫度、風(fēng)場(chǎng)、相對(duì)濕度、垂直速度等氣象要素(Hersbach et al,2020)。本文所用時(shí)間均為北京時(shí)。

1 暴雨過(guò)程概述

2021年7月17—22日，河南省出現(xiàn)了歷史罕見(jiàn)的極端強(qiáng)降雨(蘇愛(ài)芳等，2022；汪小康等，2022；蔡薌寧等，2022；李超等，2022；楊浩等，2021)，強(qiáng)降雨持續(xù)6 d，河南大部地區(qū)均出現(xiàn)了暴雨或大暴雨，河南中北部累計(jì)雨量達(dá)到了500 mm以上，單站最大累計(jì)降雨量出現(xiàn)在鶴壁，達(dá)到了1122.6 mm。最強(qiáng)降雨時(shí)段集中在19—21日，3天單站最大累計(jì)降雨量達(dá)到1014.3 mm。19日午后，鄭州附近降雨增強(qiáng)，19日和20日兩天持續(xù)強(qiáng)降雨(圖1)。20日，鄭州24 h降雨量為624.1 mm，其中16—17時(shí)，鄭州站最大小時(shí)降雨量達(dá)201.9 mm，突破中國(guó)大陸有觀測(cè)記錄小時(shí)降雨量歷史極值。21日白天鄭州附近降雨減弱，強(qiáng)降雨區(qū)北抬至河南北部。此次強(qiáng)降雨過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、累計(jì)雨量大、短時(shí)降雨極強(qiáng)，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

圖1 2021年7月(a)19日08時(shí)至20日08時(shí)，(b)20日08時(shí)至21日08時(shí)降雨量Fig.1 The observed accumulated precipitation (a) from 08:00 BT 19 to 08:00 BT 20， (b) from 08:00 BT 20 to 08:00 BT 21 July 2021

2 大尺度環(huán)流背景及關(guān)鍵影響系統(tǒng)

7月15日前后，西北太平洋副熱帶高壓北跳至日本海附近，17—22日期間，西段脊線穩(wěn)定在42°N左右，較氣候平均位置明顯偏北約14個(gè)緯距(圖略)。18—19日500 hPa平均環(huán)流形勢(shì)(圖2a)來(lái)看，大陸高壓穩(wěn)定在我國(guó)西北地區(qū)中東部，西北太平洋副熱帶高壓西伸至我國(guó)東北地區(qū)，黃淮及其以南地區(qū)受寬廣弱低壓帶控制，內(nèi)蒙古東部為低槽控制，形成了典型的鞍型場(chǎng)環(huán)流形勢(shì)。19—20日(圖2b)，高空槽東移北收，大陸高壓東移并逐漸與副熱帶高壓打通，西北地區(qū)東部至黃淮西部為低壓倒槽控制。河南正處于低壓倒槽內(nèi)。

圖2 2021年7月(a)18—19日，(b)19—20日500 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)(單位：gpm)Fig.2 The 500 hPa mean geopotential height field (unit: gpm) during (a) 18-19 and (b) 19-20 July 2021

對(duì)流層高層(200 hPa)，高空冷渦長(zhǎng)時(shí)間維持在東海附近，河套地區(qū)高空槽東移加強(qiáng)，形成西北—東南向次天氣尺度高空急流，河南地區(qū)正處于高空急流入口區(qū)的右側(cè)，高空輻散顯著增強(qiáng)(圖3a)。對(duì)流層低層(850 hPa)，16日魯豫皖三省交界處，低渦系統(tǒng)發(fā)展并緩慢向西偏南方向移動(dòng)，18日低渦西移至豫鄂交界處，強(qiáng)度逐步減弱。19日午后，河南境內(nèi)低渦環(huán)流已明顯減弱填塞，僅有弱倒槽逐漸向西移動(dòng)，河南境內(nèi)維持偏東風(fēng)和東南風(fēng)氣旋式切變。19日夜間，850 hPa河南中北部中尺度低空急流建立，并一直在河南境內(nèi)維持，導(dǎo)致河南境內(nèi)降水迅速增強(qiáng)。20日08時(shí)前后，河南西部新生中尺度低渦，低渦東側(cè)的東南風(fēng)和偏東風(fēng)之間的輻合增強(qiáng)(圖3b)，并形成渦旋雨帶，降雨強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，對(duì)流持續(xù)且發(fā)展增強(qiáng)。上述分析表明，河南此次暴雨天氣過(guò)程，對(duì)流層中高層有較為穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì)，對(duì)流層中高層有高空槽或弱低壓東移，其尺度與強(qiáng)度均不及典型的天氣尺度系統(tǒng)，屬于弱天氣尺度強(qiáng)迫，且河南地區(qū)位于高空槽或弱低壓下游偏東的位置。對(duì)流層低層中尺度低空急流和中尺度低渦是暴雨的關(guān)鍵影響系統(tǒng)。因此，對(duì)于該系統(tǒng)的發(fā)展演變及其形成機(jī)制的研究是本文的重點(diǎn)。

圖3 2021年7月20日08時(shí)(a)200 hPa流場(chǎng)、風(fēng)速(填色)和輻散場(chǎng)(紅線，單位:10-5 s-1)，(b)850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)、風(fēng)速(填色)和輻合場(chǎng)(藍(lán)線，單位:10-5 s-1)(紅點(diǎn)：低空急流核)Fig.3 (a) The 200 hPa stream field, wind speed (colored) and divergence field (red line, unit: 10-5 s-1); (b) 850 hPa wind field (barb), wind speed (colored) and convergence field (blue line, unit: 10-5 s-1) at 08:00 BT 20 July 2021(red dot: low-level jet core)

3 低空急流和中尺度低渦的發(fā)展演變

由上所述，河南省本次暴雨天氣過(guò)程與對(duì)流層低層中尺度低空急流及中尺度低渦系統(tǒng)的形成發(fā)展密切相關(guān)。因此，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)7月19—20日期間中尺度低空急流以及中尺度低渦系統(tǒng)的生成發(fā)展演變特征進(jìn)行分析。

3.1 低空急流演變

19日午后，河南中部偏東風(fēng)風(fēng)速逐漸加大，降雨開(kāi)始發(fā)展增強(qiáng)，但是以分散的對(duì)流降雨為主。19日夜間，中尺度低空急流建立，風(fēng)速明顯加強(qiáng)，降雨也隨之增強(qiáng)。19日20時(shí)，在河南南部和湖北交界處有低壓倒槽緩慢自東向西移動(dòng)，倒槽北側(cè)為低空急流，急流核大致位于35°N、113°E附近，風(fēng)速大于16 m·s-1(圖4a)。雨帶位于急流附近，呈西北—東南走向，強(qiáng)降水中心小時(shí)雨強(qiáng)在20～35 mm·h-1左右。此后，倒槽緩慢西移，急流逐漸西移至山西南部，強(qiáng)度有所減弱，20日02時(shí)，急流強(qiáng)度和范圍均減弱。05時(shí)，急流強(qiáng)度和范圍均達(dá)到最小(圖4b)。06時(shí)，隨著河南東側(cè)偏南風(fēng)分量的增強(qiáng)，低空急流增強(qiáng)(圖4c)，河南西部倒槽再次發(fā)展。此時(shí)雨帶呈現(xiàn)螺旋式旋轉(zhuǎn)的特征，有多條中尺度雨團(tuán)或雨帶，分布在倒槽東側(cè)的偏東南氣流中，且以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。20日08—20時(shí)，低空急流再度發(fā)展，此階段低空急流尺度小，僅在200 km左右，強(qiáng)度迅速增強(qiáng)。10—15時(shí)，低空急流風(fēng)速達(dá)到20 m·s-1，降雨從之前的多條帶狀雨帶，逐漸旋轉(zhuǎn)合并加強(qiáng)，雨強(qiáng)達(dá)到了50～80 mm·h-1。16時(shí)，低空急流風(fēng)速增強(qiáng)到22 m·s-1，急流強(qiáng)度達(dá)到最大(圖4f)。此時(shí)河南鄭州附近降雨極強(qiáng)，中尺度雨團(tuán)小時(shí)降雨量在100 mm以上。鄭州站最大小時(shí)降雨量達(dá)201.9 mm，突破中國(guó)大陸有觀測(cè)記錄的小時(shí)降雨量歷史極值。18時(shí)，急流強(qiáng)度逐漸減弱。20時(shí)以后，低空急流尺度范圍增大，約為500 km左右，強(qiáng)度減弱，雨強(qiáng)仍有30～50 mm·h-1，局地達(dá)70～80 mm·h-1。

圖4 2021年7月19—20日850 hPa流場(chǎng)和風(fēng)速(填色，風(fēng)速大于12 m·s-1)(a)19日20時(shí)，(b)20日05時(shí)，(c)20日06時(shí)，(d)20日08時(shí)，(e)20日14時(shí)，(f)20日16時(shí)Fig.4 The 850 hPa stream field and wind speed (colored, wind speed >12 m·s-1) at (a) 20:00 BT 19, (b) 05:00 BT 20, (c) 06:00 BT 20, (d) 08:00 BT 20, (e) 14:00 BT 20 and (f) 16:00 BT 20 July 2021

由上分析可知，河南省強(qiáng)降水與中尺度低空急流密切相關(guān)。河南降水從19日下午開(kāi)始發(fā)展，19日夜間開(kāi)始增強(qiáng)，與低空急流的建立和加強(qiáng)幾乎同步。為了了解低空急流的時(shí)空演變特征，我們選取了強(qiáng)降水區(qū)域中低空急流核所在位置(35°N、113°E)做剖面(見(jiàn)圖3b中紅點(diǎn)標(biāo)注位置)，由圖5可見(jiàn)，低空急流的發(fā)展分為兩個(gè)階段。第一階段：低空急流發(fā)展和建立階段(19日14時(shí)至20日02時(shí))。19日夜間低空急流建立發(fā)展，最強(qiáng)的急流中心位于850 hPa附近，強(qiáng)度為18 m·s-1，急流所在高度位于950～800 hPa，為一致的偏東風(fēng)，20日凌晨風(fēng)速略有減弱。第二階段：低空急流再度加強(qiáng)階段(20日08—20時(shí))。20日白天，低空急流再度強(qiáng)烈發(fā)展，最強(qiáng)的急流位于900 hPa附近，強(qiáng)度達(dá)到22 m·s-1，低層為偏東風(fēng)，而850 hPa以上逐漸轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，急流的伸展高度可以達(dá)到700 hPa附近。從兩個(gè)階段的急流特點(diǎn)來(lái)看，第二階段的急流與中尺度低渦相伴隨，急流強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，并且第二階段的風(fēng)場(chǎng)隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，更有利于暖濕空氣的輸送。

圖5 2021年7月19—21日沿強(qiáng)降水中心所在位置(35°N、113°E)風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，彩色代表風(fēng)速大于12 m·s-1)和比濕場(chǎng)(藍(lán)線，單位：g·kg-1)垂直變化Fig.5 Vertical variations of wind (barb, colored: wind speed >12 m·s-1) and specific humidity (blue line: unit: g·kg-1) along heavy rainfall center (35°N， 113°E) during 19-21 July 2021

3.2 中尺度低渦演變

從各層流場(chǎng)和渦度場(chǎng)分布來(lái)看(圖6)，20日06時(shí)在700～600 hPa首先發(fā)展形成低渦，先于850 hPa(20日07時(shí)生成)，500 hPa以上為一致的西南氣流并有氣旋性彎曲。顯然低渦是從700～600 hPa高度層先發(fā)展起來(lái)，再向上向下發(fā)展。低渦在700 hPa上向西偏北方向移動(dòng)，一直到20時(shí)，維持了近15 h。600 hPa低渦西北移動(dòng)后維持時(shí)間更長(zhǎng)，可能與凝結(jié)潛熱加熱在此層次最大有關(guān)。850 hPa低渦維持的時(shí)間較短，16時(shí)消失，減弱為倒槽，低渦維持約10 h(圖7)。低渦向西北方向移動(dòng)，700～600 hPa低渦移動(dòng)較快，維持時(shí)間較長(zhǎng)，925～850 hPa低渦移動(dòng)慢，維持時(shí)間較短，低渦中心垂直軸線向西北方向傾斜。

圖6 2021年7月20日06時(shí)(a)600 hPa，(b)700 hPa，(c)850 hPa，(d)925 hPa流場(chǎng)和渦度場(chǎng)(填色)Fig.6 The stream field and the vorticity (colored) at (a) 600 hPa, (b) 700 hPa, (c) 850 hPa, (d) 925 hPa at 06:00 BT 20 July 2021

圖7 2021年7月20日中尺度低渦各層移動(dòng)路徑(紫色：925 hPa，07—17時(shí)；藍(lán)色：850 hPa，07—16時(shí)；綠色：700 hPa，06—21時(shí)；紅色：600 hPa，20日06時(shí)至21日03時(shí)。不同顏色的數(shù)字分別對(duì)應(yīng)不同層次08時(shí)、14時(shí)、20時(shí)的低渦位置。紅藍(lán)色方框代表圖11中所選區(qū)域)Fig.7 The paths of the mesoscale vortex at different layers on 20 July 2021(purple: 925 hPa, from 07:00 BT to 17:00 BT; blue: 850 hPa, from 07:00 BT to 16:00 BT; green: 700 hPa, from 06:00 BT to 21:00 BT; red: 600 hPa, from 06:00 BT 20 to 03:00 BT 21. The numbers 08, 14 and 20 in different colors correspond respectively to the positions of the vortex at different levels at 08:00 BT, 14:00 BT and 20:00 BT. Red and blue boxes refer to the areas taken in Fig.11)

中尺度急流與中尺度低渦在降水發(fā)展增強(qiáng)中起到了至關(guān)重要的作用。從區(qū)域平均的風(fēng)速、渦度場(chǎng)與降水量的演變來(lái)看(圖8)，隨著低空急流的發(fā)展和建立(19日20時(shí)前后)，降水開(kāi)始逐漸發(fā)展加強(qiáng)。中尺度低渦的形成(20日06時(shí)前后)出現(xiàn)在低空急流之后，隨著中尺度低渦的發(fā)展增強(qiáng)，低渦北側(cè)的中尺度低空急流進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)伴隨著降水的顯著增強(qiáng)，造成了河南省極端的強(qiáng)降水。隨著低空急流和低渦系統(tǒng)的減弱，降水逐漸減弱。

圖8 2021年7月19—21日區(qū)域平均(34°～36°N、111°～114°E)的(a)風(fēng)速(實(shí)線，單位：m·s-1)、渦度場(chǎng)(填色)和(b)降水量Fig.8 Temporal variation of (a) the wind speed (solid line, unit: m·s-1), vorticity (colored) and (b) precipitation averaged within (34°-36°N, 111°-114°E) during 19-21 July 2021

4 低空急流及低渦的形成機(jī)制

4.1 天氣系統(tǒng)對(duì)低空急流形成的影響

由前述可知，7月19—20日，我國(guó)東部為西太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱副高)控制，而河套東南部為弱低壓系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱河套弱低壓)，副高以及河套弱低壓的東西擺動(dòng)，造成兩者之間氣壓梯度的變化，是低空急流形成的重要原因之一。正如我國(guó)長(zhǎng)江流域及華南地區(qū)的強(qiáng)降水過(guò)程，當(dāng)有低空急流相伴時(shí)，急流的東側(cè)往往是副高，西側(cè)多為低壓系統(tǒng)(如西南渦)，這種高低壓系統(tǒng)的過(guò)渡帶形成了強(qiáng)大的水平氣壓梯度，從而加強(qiáng)了風(fēng)速并有利于低空急流的形成(吳哲珺等，2019；劉鴻波等，2014；許美玲等，2004)。19日夜間開(kāi)始，副高逐漸西伸，5860 gpm等高線西伸脊點(diǎn)位于115°E附近。隨著副高的西伸，水平氣壓梯度加大，風(fēng)速增強(qiáng)，低空急流建立。此時(shí)850 hPa急流核中心風(fēng)速為16 m·s-1以上。20日02時(shí)，副高5860 gpm等高線略有東撤，同時(shí)河套弱低壓發(fā)展加強(qiáng)。此階段，低空急流強(qiáng)度有所減弱。06時(shí)，5860 gpm等高線再度西伸至115°E附近(圖9)，受200 hPa高空槽東移影響，河套弱低壓進(jìn)一步發(fā)展并東移，使得高、低壓系統(tǒng)之間的過(guò)渡帶水平氣壓梯度加大，位于兩者之間的黃淮、江淮等地東南氣流也隨之增強(qiáng)，其中河南為風(fēng)速大值中心，有中尺度低空急流發(fā)展及增強(qiáng)。20日08時(shí)，對(duì)流層低層河南西部中尺度低渦系統(tǒng)已經(jīng)生成并增強(qiáng)發(fā)展，與此同時(shí)，低渦北側(cè)的低空急流迅速增強(qiáng)。10時(shí)，急流中心風(fēng)速達(dá)到了20 m·s-1以上。12時(shí)，副高進(jìn)一步西伸，急流略向西移，風(fēng)速進(jìn)一步增強(qiáng)，16時(shí)風(fēng)速達(dá)到了22 m·s-1以上。18時(shí)之后，河套弱低壓西退至陜西中部，強(qiáng)度減弱，急流強(qiáng)度逐漸減弱。由此可見(jiàn)，副高的增強(qiáng)西伸和河套弱低壓發(fā)展東移對(duì)低空東南氣流的增強(qiáng)及河南境內(nèi)低空急流發(fā)展起到了非常重要的作用。

4.2 地轉(zhuǎn)風(fēng)及地轉(zhuǎn)偏差風(fēng)分析

如上所述，受副高和河南上游河套弱低壓相向移動(dòng)影響，河南附近等高線密集度加大。從計(jì)算的地轉(zhuǎn)風(fēng)可以看出，氣壓梯度的加大導(dǎo)致低壓東側(cè)南風(fēng)或東南風(fēng)明顯加大，這是東南低空急流加大的原因之一。進(jìn)一步分析地轉(zhuǎn)偏差發(fā)現(xiàn)，在河南的中北部有偏北的地轉(zhuǎn)偏差風(fēng)，從而使得實(shí)際上河南北部偏東分量加大，以偏東或東東南急流為主。由于地轉(zhuǎn)偏差的存在，使得實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的輻合中心位于地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度中心的南側(cè)，更有利于在鄭州附近等地產(chǎn)生強(qiáng)的輻合中心(圖10a)。從計(jì)算的850 hPa的24 h變高來(lái)看(圖10b)，20日08時(shí)，24 h負(fù)變高中心達(dá)到了9 gpm，負(fù)變高中心位于河南西部。變高梯度大值區(qū)對(duì)應(yīng)偏東北的非地轉(zhuǎn)風(fēng)，與變高梯度的方向一致。20日10時(shí)，負(fù)變高中心強(qiáng)度達(dá)到了18 gpm，變高梯度有所增強(qiáng)，相應(yīng)的非地轉(zhuǎn)風(fēng)也略有增強(qiáng)。從地面觀測(cè)的24 h變壓場(chǎng)(圖略)亦可以看到強(qiáng)負(fù)變壓中心。因此河南中北部存在較強(qiáng)的變壓風(fēng)，且變壓風(fēng)的方向?yàn)槠珫|北風(fēng)，這與分析的地轉(zhuǎn)偏差風(fēng)較為一致。

圖10 2021年7月20日08時(shí)850 hPa(a)高度場(chǎng)(紅線)和風(fēng)場(chǎng)(b)24 h變高場(chǎng)(單位：gpm)(圖10a中:藍(lán)色、綠色、紅色風(fēng)矢分別代表總風(fēng)場(chǎng)、地轉(zhuǎn)風(fēng)、非地轉(zhuǎn)風(fēng))Fig.10 The 850 hPa (a) geopotential height (red line) and wind field (b) 24 h change of the geopotential height filed (unit: gpm) at 08:00 BT 20 July 2021(vector blue: total wind field, green: geostrophic wind, red: ageostrophic wind)

因此，在整個(gè)低空急流發(fā)展加強(qiáng)階段，地轉(zhuǎn)偏差風(fēng)的貢獻(xiàn)主要是對(duì)風(fēng)向的改變，而對(duì)風(fēng)速動(dòng)能的增加起正貢獻(xiàn)的主要是大尺度地轉(zhuǎn)風(fēng)速的增大。這不同于一般大尺度低空急流的超地轉(zhuǎn)特征，這方面的機(jī)理分析還需要做進(jìn)一步的相關(guān)研究。

4.3 渦度收支分析

由前述可知，中尺度低渦形成后，中尺度低空急流再度發(fā)展，強(qiáng)度迅速增強(qiáng)。中尺度低渦的生成發(fā)展與中尺度低空急流的增強(qiáng)密切相關(guān)。為了進(jìn)一步分析中尺度低渦形成發(fā)展的機(jī)制，我們利用渦度方程，計(jì)算了渦度場(chǎng)的變化(Kirk,2003)。公式如下：

式中：u為緯向水平風(fēng)速，v為經(jīng)向水平風(fēng)速，ω為垂直速度，ζ為渦度，f為科里奧利參數(shù)，β=?f/?y，τx和τy分別為緯向和經(jīng)向的摩擦力。等號(hào)右側(cè)，A項(xiàng)為水平平流項(xiàng)，B項(xiàng)為垂直平流項(xiàng)，C項(xiàng)為水平輻合項(xiàng)，D項(xiàng)為扭轉(zhuǎn)項(xiàng)，E項(xiàng)為摩擦項(xiàng)。中尺度低渦在發(fā)展過(guò)程中各項(xiàng)對(duì)于低渦的發(fā)展起到不同的作用，我們對(duì)A、B、C、D四項(xiàng)取區(qū)域平均，忽略摩擦的影響，即不考慮E項(xiàng)。

由于低渦尺度小且向西北方向移動(dòng)，在低渦的不同階段，選取低渦中心附近區(qū)域計(jì)算區(qū)域平均渦度收支各項(xiàng)的分布(圖11)。低渦生成階段，水平輻合項(xiàng)在對(duì)流層低層使正渦度增加，有利于低層渦旋的發(fā)展。在這段期間內(nèi)，低層輻合對(duì)低渦的發(fā)展起到了重要的作用。20日08時(shí)低層水平輻合項(xiàng)的量值較02時(shí)有很大的增長(zhǎng)，達(dá)到了3.0×10-8s-2。而高層的輻散并沒(méi)有顯著變化。08時(shí)正是低渦形成并強(qiáng)烈發(fā)展階段，這進(jìn)一步說(shuō)明由中尺度低空急流造成的低層輻合增強(qiáng)對(duì)低渦的發(fā)展有重要的作用。對(duì)流層中層，由于強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，垂直渦度平流作用也使得渦度增強(qiáng)。從渦度場(chǎng)的垂直分布來(lái)看，800～700 hPa附近的渦度最強(qiáng)，隨著低渦的生成和發(fā)展，渦度增強(qiáng)。由此可見(jiàn)，在低渦生成階段，對(duì)流層中低層渦度的增長(zhǎng)是由低空急流造成的低層輻合為主要原因，而在對(duì)流層中層以垂直平流的作用為主要原因。

圖11 2021年7月20日區(qū)域平均渦度各項(xiàng)變化及渦度場(chǎng)的垂直分布(a)02時(shí)(低渦形成前，34.5°～35°N、112.5°～113°E)，(b)08時(shí)(低渦形成時(shí)，圖7中紅色方框區(qū)域，34°～34.5°N、112°～112.5°E)，(c)14時(shí)(低渦形成后，圖7中藍(lán)色方框區(qū)域，34.8°～35.3°N、111.5°～112.5°E)Fig.11 Vertical distributions of region-averaped vorticity change and vorticity fieldat (a) 02:00 BT 20 (before the formation of low vertex, 34.5°-35°N, 112.5°-113°E), (b) 08:00 BT 20 July (at the time of low vortex formation) red box in Fig.7 (34°-34.5°N, 112°-112.5°E), (c) 14:00 BT 20 July 2021 (low vertex developed) blue box in Fig.7 (34.8°-35.3°N, 111.5°-112.5°E)

中尺度低渦生成后向西北方向移動(dòng)并強(qiáng)烈發(fā)展，渦度場(chǎng)增強(qiáng)，最強(qiáng)渦度值由08時(shí)的2.5×10-4s-1增強(qiáng)至14時(shí)的4.0×10-4s-1。14時(shí)，對(duì)流層低層850 hPa附近的水平輻合項(xiàng)增強(qiáng)顯著，達(dá)到了6.0×10-8s-2，由此可見(jiàn)，低渦生成之后，伴隨中尺度低渦的發(fā)展，中尺度低空急流強(qiáng)烈發(fā)展，使得低層的輻合顯著增強(qiáng)，進(jìn)而又增強(qiáng)了低層的渦度。另外，垂直平流項(xiàng)仍對(duì)低渦的增長(zhǎng)有正貢獻(xiàn)，但高度有所降低，這也與此時(shí)垂直上升運(yùn)動(dòng)的大值中心高度相一致。

此外，扭轉(zhuǎn)項(xiàng)在此次低渦發(fā)展過(guò)程中也起到了重要的作用，在低渦生成以后，隨著中尺度低空急流的增強(qiáng)，扭轉(zhuǎn)項(xiàng)對(duì)渦度增強(qiáng)的作用也顯著增強(qiáng)，但其作用集中在對(duì)流層低層，這說(shuō)明低空急流造成的風(fēng)速垂直變化，以及低層垂直速度水平分布不均勻，使得水平渦度向垂直渦度的轉(zhuǎn)換。

由此可見(jiàn)，在中尺度低渦發(fā)展過(guò)程中，對(duì)流層中低層主要由水平輻合項(xiàng)起直接作用，同時(shí)扭轉(zhuǎn)項(xiàng)對(duì)中尺度低渦發(fā)展也起到了正貢獻(xiàn)，而這兩項(xiàng)均與低空急流發(fā)展及其垂直結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。而在對(duì)流層中高層，與垂直上升運(yùn)動(dòng)有關(guān)的垂直平流項(xiàng)對(duì)低渦發(fā)展起到了重要的作用。相比較而言，水平平流項(xiàng)的作用很小。

不少研究低渦暴雨的學(xué)者也都診斷過(guò)低渦形成的渦度收支，不同的個(gè)例渦度收支的不同項(xiàng)所起作用不盡相同。例如有學(xué)者研究了大別山低渦暴雨(Fu et al,2021)，指出拉伸項(xiàng)和垂直平流項(xiàng)對(duì)低渦的發(fā)展起重要的作用，而扭轉(zhuǎn)項(xiàng)和水平平流卻抑制低渦的發(fā)展。這與本個(gè)例的研究不完全相同，但是本次個(gè)例中拉伸項(xiàng)和垂直平流項(xiàng)也起到顯著的作用。

4.4 凝結(jié)潛熱加熱的作用

伴隨低空急流和低渦系統(tǒng)發(fā)展出現(xiàn)的強(qiáng)降水，必然產(chǎn)生強(qiáng)烈的凝結(jié)潛熱釋放(胡寧等，2020)。凝結(jié)潛熱的釋放對(duì)于低空急流和中尺度低渦有何作用？我們計(jì)算了凝結(jié)潛熱加熱。

潛熱加熱的計(jì)算公式如下：

式中：Q為潛熱加熱,L為凝結(jié)潛熱，q為比濕，V為水平風(fēng)矢量，ω為垂直速度。

從各層凝結(jié)潛熱的分布來(lái)看，凝結(jié)潛熱的增強(qiáng)和中尺度低渦的發(fā)展增強(qiáng)相伴隨。700 hPa凝結(jié)潛熱的分布來(lái)看(圖12a)，伴隨著降水的增強(qiáng)，低渦環(huán)流北側(cè)凝結(jié)潛熱增強(qiáng)，同時(shí)低渦發(fā)展增強(qiáng)。凝結(jié)潛熱加熱從大氣低層向上，凝結(jié)潛熱加熱增大，至700 hPa 達(dá)到最大，再向上開(kāi)始減小，最大加熱層在700 hPa附近(圖12b)。從凝結(jié)潛熱隨時(shí)間的變化顯示(圖略)，20日08時(shí)之后，對(duì)流層中低層的凝結(jié)潛熱加熱顯著增強(qiáng)，同時(shí)中尺度低渦發(fā)展增強(qiáng)。

圖12 2021年7月20日08時(shí)(a)700 hPa凝結(jié)潛熱加熱(填色)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)分布，(b)沿低渦中心(34°N、112.5°E)凝結(jié)潛熱加熱垂直分布Fig.12 (a) The 700 hPa latent heating (colored) and wind field (barb), (b) vertical profile of latent heating along vortex center (34°N， 112.5°E) at 08:00 BT 20 July 2021

由位渦方程(Hoskins et al,1985)可以推導(dǎo)出位渦演變與加熱率的近似關(guān)系：

式中：q為位渦，g為重力加速度，dθ/dt為加熱率，η為絕對(duì)渦度。由上式可知，當(dāng)加熱率隨高度遞增時(shí)，有正的位渦異常產(chǎn)生，位渦增長(zhǎng)率取決于加熱梯度，一般情況下，加熱水平梯度引起的位渦增長(zhǎng)往往比垂直梯度引起的位渦增長(zhǎng)小一個(gè)量級(jí)。最大加熱層700 hPa之下會(huì)產(chǎn)生正的位渦傾向，因此這也有利于在對(duì)流層中下層低渦的發(fā)展增強(qiáng)。從850 hPa位渦分布(圖13)可見(jiàn)，低渦生成增強(qiáng)時(shí)，850 hPa出現(xiàn)了明顯的正位渦分布,位渦增大時(shí)，中尺度低渦也強(qiáng)烈增強(qiáng)。此外，正位渦異常將會(huì)產(chǎn)生附加的水平氣旋性環(huán)流，使低渦北側(cè)的偏東風(fēng)進(jìn)一步加強(qiáng)，有利于低空急流的增強(qiáng)。

圖13 2021年7月20日(a)02時(shí)(低渦形成前)，(b)08時(shí)(低渦形成時(shí))，(c)10時(shí)(低渦形成后) 850 hPa位渦分布(單位：10-6 m2· s-1·K·kg-1)Fig.13 The 850 hPa PV (unit: 10-6 m2·s-1·K·kg-1) at (a) 02:00 BT 20 (before the formation of low vertex), (b) 08:00 BT 20 (at the time of low vortex formation), (c) 10:00 BT 20 (low vertex developed) July 2021

凝結(jié)潛熱釋放是影響中尺度低渦生成發(fā)展的重要因素之一，本文僅做了初步的診斷，水汽及其凝結(jié)潛熱加熱對(duì)低渦的生成、維持以及結(jié)構(gòu)演變等作用的影響，還需要更為深入和細(xì)致的模擬及研究工作。

綜上所述，副高的西伸以及河套弱低壓東移，兩者相向運(yùn)動(dòng)造成的氣壓梯度的加大導(dǎo)致南風(fēng)或東南風(fēng)明顯加大，這是低空急流建立和發(fā)展的主要原因之一；而因降水造成的負(fù)變壓及副高西伸造成的正變壓使得河南北部具有偏北變壓風(fēng)，該變壓風(fēng)的貢獻(xiàn)主要是對(duì)風(fēng)向的改變，從而使得河南在邊界層低層以偏東急流為主；低空急流的發(fā)展，引起低層輻合增強(qiáng)和渦管扭轉(zhuǎn)，是中尺度低渦生成和發(fā)展重要的原因之一，而垂直上升運(yùn)動(dòng)造成的渦度垂直平流為低渦發(fā)展也提供了重要的動(dòng)力作用；降雨引起的對(duì)流層中層凝結(jié)潛熱加熱是對(duì)流層低層中尺度低渦發(fā)展增強(qiáng)的又一重要原因之一。此外，中尺度低渦的增強(qiáng)，也進(jìn)一步促使了低渦北側(cè)低空急流的迅速增強(qiáng)。

通過(guò)以上分析，針對(duì)中尺度低空急流以及中尺度低渦的特征和形成機(jī)制給出本次河南暴雨的概念模型(圖14)，該個(gè)例在實(shí)際預(yù)報(bào)中極為少見(jiàn)，并不典型。該概念模型與典型的低渦暴雨天氣過(guò)程的高低層配置有較大的差別。

圖14 河南特大暴雨概念模型Fig.14 Conceptual model of severe torrential rain in Henan Province

5 結(jié)論與討論

2021年7月19—20日河南省出現(xiàn)特大暴雨天氣。降水發(fā)生期間，對(duì)流層中高層環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定，中高層為弱天氣尺度強(qiáng)迫，中低層中尺度低空急流和中尺度低渦的形成和發(fā)展增強(qiáng)，是造成強(qiáng)降水的主要影響系統(tǒng)。本文對(duì)中尺度低空急流以及中尺度低渦的發(fā)展演變特征進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步探討了二者的可能形成機(jī)制，結(jié)論如下：

(1)河南極端暴雨發(fā)生在弱天氣尺度系統(tǒng)強(qiáng)迫背景下，其直接影響系統(tǒng)為中尺度低空急流以及中尺度低渦。偏東南風(fēng)低空急流的增強(qiáng)對(duì)暴雨產(chǎn)生起了主要作用，與降水的發(fā)展和增強(qiáng)同步。低空急流主要維持在近地面至700 hPa附近，低層為偏東風(fēng)，850 hPa以上逐漸轉(zhuǎn)為東南風(fēng)。

(2)中尺度低渦的形成出現(xiàn)在低空急流建立后約10 h，低渦首先從700 hPa高度層附近發(fā)展起來(lái)后再向上向下發(fā)展。低渦中心垂直軸線隨高度向西北方向傾斜。隨著中尺度低渦的發(fā)展增強(qiáng)，低渦北側(cè)低空急流強(qiáng)烈發(fā)展，同時(shí)伴隨著降水的顯著增強(qiáng)，造成了河南省鄭州附近的極端強(qiáng)降水。

(3)西太平洋副熱帶高壓西伸以及河套弱低壓東移造成河南境內(nèi)氣壓梯度加大，導(dǎo)致南風(fēng)或東南風(fēng)明顯增強(qiáng)，這是東南低空急流建立和發(fā)展的主要原因之一；而正負(fù)變壓使得河南北部具有偏北變壓風(fēng)，疊加上地轉(zhuǎn)風(fēng)，使得河南在低層以偏東急流為主。地轉(zhuǎn)偏差風(fēng)的貢獻(xiàn)主要是對(duì)風(fēng)向的改變，使河南地區(qū)在低層以偏東急流為主。

(4)低空急流的發(fā)展，引起中低層輻合增強(qiáng)和渦管扭轉(zhuǎn)，是中尺度低渦生成和發(fā)展的重要原因之一，而垂直上升運(yùn)動(dòng)造成的垂直渦度平流為低渦的發(fā)展也提供重要?jiǎng)恿ψ饔?；降雨引起的?duì)流層中層凝結(jié)潛熱加熱是對(duì)流層低層中尺度低渦發(fā)展增強(qiáng)的又一重要原因。

(5)低空急流發(fā)展增強(qiáng)了降水，低空急流加強(qiáng)以及降水凝結(jié)潛熱釋放有利于中尺度低渦發(fā)展加強(qiáng)，低渦的增強(qiáng)又進(jìn)一步促使低空急流和降水的顯著增強(qiáng)，造成了河南極端強(qiáng)降水。中尺度低空急流、中尺度低渦以及暴雨三者之間存在較為復(fù)雜的耦合關(guān)系，三者之間存在相互正反饋的過(guò)程。

本文研究的暴雨過(guò)程在實(shí)際預(yù)報(bào)中極為少見(jiàn)且并不典型，在對(duì)流層中高層僅為弱的高空強(qiáng)迫下，低層中尺度低渦和中尺度低空急流強(qiáng)烈發(fā)展。與典型的梅雨鋒低渦暴雨、華北低渦暴雨等都明顯不同，這些典型的低渦暴雨個(gè)例都是在中高層有明顯的動(dòng)力強(qiáng)迫下，低層的低渦系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展(趙思雄等，2004；2018；雷蕾等，2017；孫軍等，2012；孫建華等，2013)。本次中尺度低渦尺度較小(β中尺度)，類(lèi)似于梅雨鋒上的β中尺度低渦，對(duì)于中尺度低渦不同發(fā)展階段的主要貢獻(xiàn)因子有待做進(jìn)一步細(xì)致的對(duì)比研究。

本文的研究?jī)H限于低空急流以及中尺度低渦形成發(fā)展的機(jī)制分析，而對(duì)于暴雨、低空中尺度急流和β中尺度低渦之間的關(guān)系及物理機(jī)制還有待進(jìn)一步的分析研究。此外，本文主要采用診斷分析方法進(jìn)行定性分析，對(duì)中尺度低空急流和低渦發(fā)展各個(gè)因子之間的相對(duì)重要性還有待深入的模擬研究和敏感性試驗(yàn)。