“21·7”河南極端降水的遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)作用分析

王 軍， 吳 迪， 王超杰， 席 樂， 劉 磊

(1.許昌市氣象局，河南 許昌 461000； 2.長葛市氣象局，河南 長葛 4615002； 3.河南省氣象臺(tái)，鄭州 450003)

引 言

遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)暴雨引發(fā)的災(zāi)害越來越受到人們的關(guān)注，其產(chǎn)生的災(zāi)害可能超越臺(tái)風(fēng)直接暴雨造成的災(zāi)害[1]。有研究指出，一些暴雨是中低緯西風(fēng)槽、低渦、高低空急流、副熱帶高壓等系統(tǒng)與遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)相互作用的產(chǎn)物[2-7]。充沛的水汽和能量向暴雨區(qū)輸送,是遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)暴雨的重要特征[8-13]。充沛的水汽和能量輸送，使暴雨區(qū)具有對(duì)流不穩(wěn)定、對(duì)稱不穩(wěn)定或斜壓不穩(wěn)定性，有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生[14-15]；暴雨落區(qū)與高能舌區(qū)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系[16]。遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)向西南渦輸送水汽和能量，改變低渦風(fēng)壓場和能量分布，使西南渦發(fā)展引發(fā)暴雨增幅[17-18]。武麥鳳等[19]研究發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)改變西北渦的壓溫濕結(jié)構(gòu)，促使西北渦發(fā)展。遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)與冷空氣共同作用產(chǎn)生暴雨[20-21]。Galarneau等[22]研究指出，遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)暴雨落區(qū)位于200 hPa急流西側(cè)入口區(qū)和925 hPa假相當(dāng)位溫脊區(qū)、700 hPa槽前。

遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)是否作用于內(nèi)陸暴雨過程是預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的關(guān)注點(diǎn)。2021年7月19-22日(簡稱“21·7”)，河南中北部出現(xiàn)區(qū)域性特大暴雨，導(dǎo)致嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[23]。本文利用常規(guī)氣象觀測、中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)定位報(bào)、HYSPLIT模式和歐洲中心ERA5逐小時(shí)再分析等資料，對(duì)遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”在“21·7”特大暴雨過程中的作用進(jìn)行研究分析，以期為此類極端降水預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

1 降水實(shí)況和環(huán)流背景

1.1 降水實(shí)況

根據(jù)河南省國家氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年7月19日08時(shí)-22日08時(shí)，累計(jì)降水量達(dá)250 mm以上的區(qū)域主要分布于鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁、焦作、許昌、安陽、開封、平頂山、周口、漯河、洛陽等地。降水量前五名依次為鄭州的777.0 mm、輝縣的702.1 mm、新密的684.1 mm、鶴壁的618.0 mm和嵩山的615.9 mm。700 mm以上降水中心有2個(gè)，分別位于鄭州附近和豫北西部的輝縣到鶴壁一帶(圖1a)。此次極端降水與雙臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離作用有關(guān)。鄭州的強(qiáng)降水出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”向西移動(dòng)并逐漸增強(qiáng)的過程中，鶴壁的強(qiáng)降水出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)“煙花”進(jìn)一步增強(qiáng)西進(jìn)，而“查帕卡”減弱的過程中(圖1b)。

1.2 12 h降水中心位置演變

“21·7”特大暴雨降水過程主要集中于2021年7月19日08時(shí)-22日08時(shí)。根據(jù)逐12 h降水量統(tǒng)計(jì)，降水初期的19日08-20時(shí)(圖2a)，100 mm以上的降水中心位于鞏義，降水量為123.8 mm；19日20時(shí)-20日08時(shí)(圖2b)，100 mm以上降水范圍擴(kuò)大至許昌和平頂山西北部、鄭州西部、洛陽東部，降水中心位于嵩山，降水量為274.8 mm；20日08-20時(shí)(圖2c)，100 mm以上降水區(qū)域向西北擴(kuò)展至新鄉(xiāng)和焦作南部，降水中心鄭州降水量達(dá)465.8 mm，滎陽、新密降水量超過200 mm；20日20時(shí)-21日08時(shí)(圖2d)，降水中心向東移至開封，降水量為214.0 mm；21日08-20時(shí)(圖2e)，強(qiáng)降水中心北移至湯陰、鶴壁一帶，湯陰降水量達(dá)307.3 mm；21日20時(shí)-22日08時(shí)(圖2f)，強(qiáng)降水中心移至輝縣，降水量為325.0 mm。

1.3 環(huán)流背景

分析各層主要影響系統(tǒng)可知(圖3a)，“21·7”河南極端降水期間，200 hPa南亞高壓呈動(dòng)態(tài)東擴(kuò)增強(qiáng)形勢，其東側(cè)1256 dagpm邊界線從降水初期的97°E附近東移至20日20時(shí)的102°E，21日20時(shí)進(jìn)一步東移至104°E。在南亞高壓動(dòng)態(tài)東擴(kuò)的過程中，其前部的低槽加強(qiáng)發(fā)展，從19日白天開始，河南中西部逐漸轉(zhuǎn)入低槽前西南氣流和輻散場中，持續(xù)到21日夜間。22日08時(shí)，西南氣流減弱并進(jìn)入安徽境內(nèi)，河南的降水趨于結(jié)束。500 hPa高度，中心位于日本中部的副熱帶高壓于19日增強(qiáng)西伸，強(qiáng)降水階段，588 dagpm線西邊界穩(wěn)定維持在120°E附近，河南位于其西側(cè)外圍；同時(shí)，低渦從河南、湖北、安徽三省交界處向西北移動(dòng)，經(jīng)河南西部、山西南部，21日20 時(shí)移至陜西東北部。18日20時(shí)700 hPa的低渦中心位于信陽，東風(fēng)輻合線位于鄭州附近；20日08時(shí)低渦中心移至嵩縣，切變線位于河南西北部并長時(shí)間維持；21日20時(shí)切變線移至陜西北部。850 hPa低渦中心也經(jīng)歷了從河南東南部移至河南西部的過程；低渦外圍或切變線東側(cè)維持一條東南或偏東氣流形成的水汽輸送帶，沿海至河南中北部的急流在19日夜間-21日最為顯著。低空急流最早形成于925 hPa，19日20時(shí)(圖3b)，鄭州風(fēng)速達(dá)16 m·s-1；“煙花”位于東海(129.00°E、24.40°N),“查帕卡”位于廣東南部海面(121.80°E、21.10°N)，這樣的形勢為極端降水的發(fā)生奠定了基礎(chǔ)。

7月18日02時(shí)，“煙花”在臺(tái)灣以東洋面生成，中心風(fēng)速逐漸增強(qiáng)，19日08時(shí)演變?yōu)閺?qiáng)熱帶風(fēng)暴，中心最大風(fēng)速為25 m·s-1,20日14時(shí)升級(jí)為臺(tái)風(fēng)，中心最大風(fēng)速為33 m·s-1,21日08時(shí)，中心最大風(fēng)速為38 m·s-1。“煙花”生成后，移動(dòng)方向?yàn)槲鞅?西西北-西，逐步向大陸方向靠近，19日08時(shí)-21日19時(shí)，移速較大?！安榕量ā庇?月18日14時(shí)在東沙群島以西洋面生成并向西移動(dòng)，19日05時(shí)轉(zhuǎn)向西北移動(dòng)，14時(shí)中心最大風(fēng)速增強(qiáng)至23 m·s-1，并轉(zhuǎn)向北移動(dòng)，17時(shí)升級(jí)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，23時(shí)升級(jí)為臺(tái)風(fēng)。“煙花”和“查帕卡”逐步增強(qiáng)并向西北移動(dòng)，與河南強(qiáng)降水時(shí)段對(duì)應(yīng)。雙臺(tái)風(fēng)攪動(dòng)西太平洋、東海、黃海、南海的水汽，向河南輸送水汽和能量。其中“煙花”位于副熱帶高壓南側(cè)，其與副熱帶高壓之間的東南氣流源源不斷地向河南中北部輸送水汽和能量，成為河南特大暴雨水汽和能量的主要貢獻(xiàn)者。

2 水汽、能量分析

2.1 水汽輸送分析

分析逐小時(shí)水汽通量與風(fēng)場資料可知，19日降水初期，500 hPa上臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”與低渦之間的水汽通道并不顯著；強(qiáng)降水階段(20日00時(shí)-22日08時(shí))，“煙花”西北部弱的偏東風(fēng)氣流與“查帕卡”倒槽的偏東風(fēng)氣流匯合，經(jīng)湖南、湖北向河南中北部輸送水汽，但風(fēng)力較弱。水汽輸送主要集中于700 hPa及以下層次。

2.1.1 925 hPa水汽通量分析

7月19日(圖4a)，從“煙花”倒槽伸向西北的有兩支氣流:一支東南氣流通向河南，另一支偏南氣流通向遼東。之后，通向遼東的氣流逐漸減弱，通向河南的氣流逐漸增強(qiáng)，鄭州及附近地區(qū)的水汽通量值顯著增強(qiáng)。925 hPa水汽通量和風(fēng)場的分析結(jié)果(圖4)表明，自“煙花”伸向河南有一條明顯的水汽輸送帶，19日水汽輸送開始增強(qiáng)。19日14時(shí)(圖4a)，水汽通道的東南風(fēng)風(fēng)速普遍增大到8 m·s-1，水汽通量大于10 g·cm-1·hPa-1·s-1，洛陽到鄭州一帶的水汽通量達(dá)16～18 g·cm-1·hPa-1·s-1；16時(shí)(圖略)，鄭州西部的水汽通量值增大到20 g·cm-1·hPa-1·s-1以上，河南中部大范圍強(qiáng)降水拉開序幕(圖2a)；20時(shí)(圖4b)，急流前端位于河南中部沿黃一帶，最大風(fēng)速達(dá)16 m·s-1，該地區(qū)水汽通量值達(dá)20～24 g·cm-1·hPa-1·s-1的大值區(qū)的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，并維持到夜間，導(dǎo)致降水范圍和量級(jí)均增大(圖2b)。20日08-14時(shí)，鄭州附近水汽通量中心值維持在26 g·cm-1·hPa-1·s-1(圖4c)； 16時(shí)(圖4d)水汽通量中心增強(qiáng)到32 g·cm-1·hPa-1·s-1，鄭州達(dá)28 g·cm-1·hPa-1·s-1，鄭州站16-17時(shí)雨強(qiáng)達(dá)201.9 mm·h-1。20日20時(shí)(圖4e)，水汽通道上最大風(fēng)速達(dá)18 m·s-1，水汽通量增大至20 g·cm-1·hPa-1·s-1以上，且向東向北擴(kuò)展。隨著20日夜間急流軸向東北方向移動(dòng)，水汽通量大值區(qū)也伸向豫東北(圖4e、f)，強(qiáng)降水區(qū)東移到許昌、開封到豫北一帶(圖2d)。21日白天至夜間，水汽通量大值區(qū)維持在豫北(圖4g、h)，降水中心也移至豫北(圖2e、f)。22日水汽通量繼續(xù)減小，豫北降水隨之減弱。綜上所述，“21·7”降水過程中，925 hPa暴雨區(qū)水汽主要來自臺(tái)風(fēng)“煙花”持續(xù)72 h不斷地向河南輸送，水汽通量大值區(qū)與暴雨區(qū)演變具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 2021年7月19日14時(shí)(a)、19日20時(shí)(b)和20日08時(shí)(c)、20日16時(shí)(d)、20日20時(shí)(e)及21日02時(shí)(f)、21日08時(shí)(g)、21日20時(shí)(h)925 hPa水汽通量與風(fēng)場陰影為水汽通量，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1；風(fēng)速單位：m·s-1

2.1.2 850 hPa水汽通量分析

通往河南暴雨區(qū)的水汽通道有兩條：一條源自“煙花”，另一條源自“查帕卡”，以下分析中將與“煙花”之間的通道簡稱為“東支”、與“查帕卡”之間的通道簡稱為“西支”。19日14時(shí)(圖5a)，西支水汽由“查帕卡”東北部經(jīng)江西、湖北安徽交界處進(jìn)入河南，東支水汽由“煙花”西北部經(jīng)江蘇、安徽北部到達(dá)河南，水汽通量大值區(qū)位于河南中西部，中心值為16～18 g·cm-1·hPa-1·s-1。19日20時(shí)(圖5b)，東支東南風(fēng)氣流軸風(fēng)速達(dá)12 m·s-1以上，水汽輸送增強(qiáng)，河南中西部水汽通量中心值達(dá)24～26 g·cm-1·hPa-1·s-1，即19日兩個(gè)通道的水汽輸送都是加強(qiáng)的(表1)。20日08-14時(shí)(圖5c、d)，雙通道輸送的水汽匯聚于鄭州附近，中心值達(dá)24～30 g·cm-1·hPa-1·s-1，東支水汽輸送大于西支的水汽輸送(表1)；到16時(shí)，水汽通量大值中心移至濟(jì)源附近，鄭州到濟(jì)源一帶水汽通量中心值為26～28 g·cm-1·hPa-1·s-1。正是兩支水汽輸送穩(wěn)定且持續(xù)增強(qiáng)，使20日白天鄭州市區(qū)出現(xiàn)465.8 mm的強(qiáng)降水(圖2c)。20日夜間—21日夜間(圖5e、f、g)，水汽通量大值區(qū)移向河南北部；21日06時(shí)位于新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽一帶，中心值維持在26～28 g·cm-1·hPa-1·s-1(圖5h)，西支水汽輸送明顯增強(qiáng)，與東支的接近(表1)。上述分析表明，850 hPa上臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”均參與了河南暴雨區(qū)的水汽輸送，水汽輸送呈現(xiàn)雙通道特征，雙臺(tái)風(fēng)為河南極端降水提供了充沛的水汽，暴雨區(qū)水汽通量值大于24 g·cm-1·hPa-1·s-1，且“煙花”水汽輸送較“查帕卡”的偏多21.5%(表1)。

圖5 2021年7月19日14時(shí)(a)、19日20時(shí)(b)和20日08時(shí)(c)、20日14時(shí)(d)、20日22時(shí)(e)及21日00時(shí)(f)、21日04時(shí)(g)、21日06時(shí)(h)850 hPa水汽通量與風(fēng)場陰影為水汽通量，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1；風(fēng)速單位：m·s-1

表1 2021年7月19-21日850 hPa雙水汽通道平均水汽通量 g·cm-1·hPa-1·s-1

2.1.3 700 hPa水汽通量分析

700 hPa通往河南暴雨區(qū)的水汽通道也有兩條，分別源自“煙花”和“查帕卡”。19日14時(shí)(圖6a)，東支水汽自“煙花”西北部，經(jīng)浙江、安徽進(jìn)入河南；西支水汽自“查帕卡”東北部經(jīng)江西、湖北進(jìn)入河南。兩支水汽在河南東南部交匯后集中向河南中北部輸送。19日20時(shí)(圖6b)，東支水汽輸送帶風(fēng)速增強(qiáng)，水汽通量大值區(qū)匯聚至河南中西部，中心值增大至10～12 g·cm-1·hPa-1·s-1。20日08時(shí)，位于鄭州附近的水汽通量中心值增大至14～16 g·cm-1·hPa-1·s-1(圖6c)。20日下午，水汽通量中心移至河南與山西交界處，鄭州地區(qū)水汽通量值維持在13 g·cm-1·hPa-1·s-1(圖6d、e)。20日夜間(圖6f、g)，水汽通量大值區(qū)位于開封，并向河南北部擴(kuò)展，水汽通量大值中心移至豫北地區(qū)，達(dá)14 g·cm-1·hPa-1·s-1，西支水汽輸送增強(qiáng)。21日白天，水汽通量大值區(qū)向北移至河南與河北交界處，豫北水汽通量趨于減弱，維持在12 g·cm-1·hPa-1·s-1以上(圖6h)。19日西、東兩支水汽輸送量相當(dāng)；20日白天東支大于西支的水汽輸送量，“煙花”貢獻(xiàn)較大；20日夜間-21日白天，西支水汽輸送量強(qiáng)于東支的，“查帕卡”貢獻(xiàn)略大?？傮w看，19-21日“煙花”和“查帕卡”兩者貢獻(xiàn)相當(dāng)(表2)。

925、850 hPa兩層暴雨區(qū)水汽通量值均大于24 g·cm-1·hPa-1·s-1，700 hPa暴雨區(qū)水汽通量值維持在12～16 g·cm-1·hPa-1·s-1，925 hPa、850 hPa水汽輸送強(qiáng)度大于700 hPa的水汽輸送強(qiáng)度。

2.1.4 水汽輻合

由于河南中北部低渦或切變線的維持，強(qiáng)降水區(qū)中低空存在顯著的水汽輻合，850 hPa以下低空水汽輻合更強(qiáng),且其水汽通量散度負(fù)值中心與強(qiáng)降水中心位置接近。以925 hPa為例，7月19日12時(shí)，河南境內(nèi)的水汽通量散度負(fù)值開始增加；18時(shí)水汽通量散度負(fù)值中心增強(qiáng)到-15×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1以上，并逐漸集中于鄭州西部(圖7a)。19日08-20時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)在鄭州附近，降水中心位于鞏義(圖2a)。19日20時(shí)-20日08時(shí)，水汽通量散度小于-10×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1的中心維持在河南中西部，嵩山出現(xiàn)特大暴雨，降水量達(dá)274.8 mm(圖2b)。20日08時(shí)，鄭州附近的水汽通量散度負(fù)值中心達(dá)-20×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1，小于-10×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1的區(qū)域向豫北擴(kuò)展(圖7b)，20日08-20時(shí)強(qiáng)降水?dāng)U展到新鄉(xiāng)和焦作，滎陽、新密降水量超過200 mm，鄭州降水量達(dá)465.8 mm(圖2c)。20日20時(shí)水汽通量散度負(fù)值中心小于-10×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1的區(qū)域向東、向北面積有所擴(kuò)大，20日20時(shí)-21日08時(shí)降水中心東移至開封(圖2d)。21日08時(shí)水汽通量散度負(fù)值中心(-20×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)向北移至豫北西部(圖7c)，21日08-20時(shí)強(qiáng)降水中心北移至湯陰、鶴壁一帶(圖2e)；21日20時(shí)-22日05時(shí)水汽通量散度負(fù)值中心(-20×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)位于新鄉(xiāng)北部到安陽一帶，強(qiáng)降水中心移至輝縣(圖2f)?？梢钥闯?，925 hPa水汽通量散度負(fù)值中心位置的演變與12 h降水中心位置的演變相吻合。

圖6 2021年7月19日14時(shí)(a)、19日20時(shí)(b)和20日08時(shí)(c)、20日14時(shí)(d)、20日16時(shí)(e)、20日20時(shí)(f)、20日23時(shí)(g)及21日14時(shí)(h)700 hPa水汽通量與風(fēng)場陰影為水汽通量，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1；風(fēng)速單位：m·s-1

表2 2021年7月19-21日700 hPa雙水汽通道平均水汽通量 g·cm-1·hPa-1·s-1

2.2 熱力條件

2.2.1 對(duì)流有效位能和K指數(shù)

19日08時(shí)，安徽境內(nèi)對(duì)流有效位能(CAPE)開始增強(qiáng)，大值區(qū)向河南方向伸展；12時(shí)，中心在2000 J·kg-1以上，且呈西北-東南向的帶狀大值區(qū)進(jìn)入河南東部周口境內(nèi)；16時(shí)，3200 J·kg-1的大值中心位于河南周口與安徽阜陽交界處，1200 J·kg-1以上的大值區(qū)伸展到鄭州西部。19日夜間CAPE有所減弱，但河南中部仍然處于CAPE大值區(qū)的前部。20日白天安徽到河南一帶的CAPE再次增強(qiáng)， 3200 J·kg-1以上的中心值位于周口、許昌、漯河3市交界處(圖8a)，16時(shí)鄭州CAPE值為1200 J·kg-1，位于大值區(qū)的前沿，該中心持續(xù)到20日19時(shí)。21日08時(shí)，2400 J·kg-1的CAPE中心位于信陽市新縣，該中心逐漸增強(qiáng)并向北移動(dòng)；15時(shí)(圖8b)CAPE中心位于駐馬店，達(dá)3200 J·kg-1，豫北CAPE值從08時(shí)的200 J·kg-1增加到1200 J·kg-1以上，為豫北的強(qiáng)降水提供了能量和不穩(wěn)定條件，21日08-20時(shí)湯陰降水量達(dá)307.3 mm。19日08時(shí)鄭州K指數(shù)為35.4 ℃，19日20時(shí)-22日08時(shí)鄭州K指數(shù)為38.4～39.2 ℃，22日08時(shí)后下降至36.2 ℃。

2.2.2 低層假相當(dāng)位溫

由于來自南?！安榕量ā焙蜄|南沿海“煙花”外圍的水汽輸送主要集中在700 hPa以下，因此僅分析850 hPa和925 hPa假相當(dāng)位溫θse的演變。從850 hPa逐小時(shí)θse演變發(fā)現(xiàn)，19日有大于344 K的θse大值區(qū)自豫西南和豫東南向北推進(jìn)，暴雨區(qū)位于344～352 K的區(qū)域(圖略)。20日344～352 K的大值區(qū)在河南穩(wěn)定維持，16時(shí)鄭州暴雨區(qū)處于高能舌的邊緣,θse達(dá)344～348 K(圖8c)，22時(shí)隨著“煙花”外圍東南氣流的加強(qiáng)，有348～352 K的高能舌伸向豫中北(圖8d)。21日02時(shí)，豫北暴雨區(qū)θse達(dá)到352～356 K (圖8e)，06時(shí)之后豫北暴雨區(qū)基本對(duì)應(yīng)344～352 K的區(qū)域。22日08時(shí)，強(qiáng)降水區(qū)θse值下降到336 K以下，河南強(qiáng)降水結(jié)束。19-20日850 hPa河南暴雨區(qū)的θse是逐漸增大的，最大達(dá)352～356 K。隨著暖濕氣流的增強(qiáng)，高能舌自南向北擴(kuò)展，覆蓋整個(gè)河南，為20日鄭州及周邊地區(qū)、21日豫北地區(qū)出現(xiàn)的極端強(qiáng)降水提供了有利條件。

圖8 2021年7月20日16時(shí)(a)、21日15時(shí)(b)CAPE和20日16時(shí)(c)、20日22時(shí)(d)及21日02時(shí)(e) 850 hPa假相當(dāng)位溫與風(fēng)場(a)(b)中陰影為CAPE，單位：J·kg-1；(c)(d)(e)中陰影為假相當(dāng)位溫，單位：K；風(fēng)速單位：m·s-1

925 hPaθse場，19日08時(shí)(圖略)，河南中北部θse值為344～348 K，352 K的大值區(qū)位于江西西北部與湖北交界處。沿東南風(fēng)氣流軸，從江浙經(jīng)安徽到河南東南部的θse高值區(qū)呈東南-西北向帶狀，并逐漸增強(qiáng)，中心值超過356 K(圖9a)，不斷向河南延伸(圖9b)。20日08時(shí)(圖9c)，有兩條348～356 K的高θse呈帶狀分別從湖北和安徽向河南匯聚，山東境內(nèi)的冷空氣有增強(qiáng)西伸趨勢；11時(shí)(圖9d)，352～360 K的高θse值仍然從湖北和安徽向河南推進(jìn)；14時(shí)(圖9e)，從湖北和安徽兩個(gè)方向向河南傳送的高θse中心值增強(qiáng)到360 K以上。弱冷空氣從渤海沿黃河侵入河南北部，與伸向河南中部的θse大值區(qū)形成東西向θse線密集帶(圖9f)，促使降水加強(qiáng)[24]。弱冷空氣影響至20日夜間，強(qiáng)降水區(qū)位于θse密集帶附近(圖9g)。21日，隨臺(tái)風(fēng)“煙花”西進(jìn)增強(qiáng)和東南風(fēng)急流向北擴(kuò)展，θse352 K以上大值區(qū)向北移動(dòng)，θse線密集帶轉(zhuǎn)為東北-西南向，有利于強(qiáng)降水中心向北演變(圖9h)，降水中心移至河南北部。22日02時(shí)山東到安徽有冷空氣侵入，θse大值區(qū)移向河南西部，高能舌消失，降水結(jié)束。整個(gè)強(qiáng)降水階段，臺(tái)風(fēng)對(duì)暴雨區(qū)具有顯著的能量輸送特征。

圖9 2021年7月19日14時(shí)(a)、19日17時(shí)(b)和20日08時(shí)(c)、20日11時(shí)(d)、20日14時(shí)(e)、20日16時(shí)(f)、20日20時(shí)(g)及21日02時(shí)(h) 925 hPa假相當(dāng)位溫與風(fēng)場陰影為假相當(dāng)位溫，單位：K；風(fēng)速單位：m·s-1

2.2.3 對(duì)流不穩(wěn)定

選取鄭州國家氣象站和鶴壁國家氣象站，分別作7月19日08時(shí)-20日20時(shí)鄭州(圖10a)和7月20日14時(shí)-22日02時(shí)鶴壁(圖10b)假相當(dāng)位溫、水汽通量的時(shí)間演變圖。由圖10(a)可知，19日白天和20日下午，鄭州上空暖濕層較厚，925 hPa以下θse都大于350 K,中心值達(dá)356-357 K，并且θse隨高度降低，說明大氣層結(jié)是對(duì)流不穩(wěn)定的。19日14時(shí)之后，950-850 hPa 水汽通量值≥20 g·cm-1·hPa-1·s-1，最大值出現(xiàn)在20日上午，達(dá)25 g·cm-1·hPa-1·s-1。深厚的暖濕層、源源不斷的水汽輸送及對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)共存，與中低層切變、低渦共同作用，導(dǎo)致19日、20日鄭州地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨。由于19日已出現(xiàn)強(qiáng)降水(圖2a、b)，不穩(wěn)定能量得以釋放。由圖10(a)可知，20日02-11時(shí)鄭州850 hPa以下基本上為穩(wěn)定層結(jié)，低層θse處于低值時(shí)段，θse小于349 K，最小中心值為347 K。20日11時(shí)之后，隨著近地層?xùn)|南暖濕氣流的加強(qiáng)，θse開始增大，925 hPa以下θse大于350 K，最大達(dá)到356 K，暖濕層再現(xiàn)，對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)也重新建立，特別是20日上午925-850 hPa水汽通量加強(qiáng)到25 g·cm-1·hPa-1·s-1，比19日的水汽輸送更強(qiáng)，與中低層低渦共同作用致20日下午鄭州地區(qū)10多站出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng)超過100 mm·h-1、鄭州站達(dá)201.9 mm·h-1的極端強(qiáng)降水。從圖10(b)可知，20日17時(shí)-21日10時(shí)鶴壁850 hPa以下θse隨高度增大，大氣層結(jié)穩(wěn)定，925 hPa以下θse小于349 K，最小達(dá)342 K。21日10時(shí)之后，低層的θse開始加強(qiáng)，暖濕層到達(dá)925 hPa，θse大于350 K，最大達(dá)到356 K，上干冷下暖濕，大氣層結(jié)從對(duì)流穩(wěn)定轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定，且不穩(wěn)定程度比20日鄭州的還強(qiáng)。從20日夜間開始，925-850 hPa鶴壁水汽通量均大于20 g·cm-1·hPa-1·s-1，中心值達(dá)25 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽輸送量大，與中低層移至豫北的切變線共同作用，對(duì)應(yīng)于21日下午到夜間豫北出現(xiàn)的極端強(qiáng)降水(圖2e、f)。

正因?yàn)楹幽吓c臺(tái)風(fēng)之間長時(shí)間持續(xù)的東南暖濕氣流輸送，使強(qiáng)降水時(shí)段暴雨區(qū)低層一直保持了高溫高濕的狀態(tài)，并保證了不穩(wěn)定能量釋放后對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的重建，使特大暴雨得以連續(xù)出現(xiàn)。

3 水汽來源追蹤

利用HYSPLIT模式,以20、21日極端降水區(qū)中心站鄭州(圖11a)和鶴壁(圖11b)為模擬站點(diǎn)，分別作空氣質(zhì)點(diǎn)后向軌跡追蹤，計(jì)算分析極端降水區(qū)水汽來源和路徑。選取3000 m、1500 m、700 m(對(duì)應(yīng)700 hPa、850 hPa、925 hPa)3個(gè)高度。由于臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”分別產(chǎn)生于18日02時(shí)和18日14時(shí)，選取鄭州后向追蹤48 h、鶴壁后向追蹤54 h，分別獲得其后向軌跡及對(duì)應(yīng)高度。鄭州后向追蹤起始時(shí)間為7月20日20時(shí)，鶴壁后向追蹤起始時(shí)間為7月21日20時(shí)。水汽追蹤顯示，降水前期，鄭州附近的水汽來源:3000 m高度水汽來自我國南部,1500 m高度水汽來自東南沿海,700 m高度水汽來自日本以南洋面。3個(gè)高度水汽來源從高到低、由南向東分布，說明降水前期鄭州700 m高度水汽源自“煙花”，1500 m和3000 m高度水汽源自“查帕卡”和“煙花”，其中1500 m高度水汽來源跡線偏向“煙花”。降水后期，“煙花”進(jìn)一步西進(jìn)，豫西北降水中心鶴壁700 m高度水汽源自“煙花”，1500 m高度水汽跡線偏向“煙花”，3000 m高度水汽源自“查帕卡”和“煙花”。水汽后向軌跡追蹤與3個(gè)層次水汽通道的分析結(jié)論基本一致。

4 結(jié) 論

通過對(duì)“21·7”河南特大暴雨過程遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)的作用分析，得到以下結(jié)論：

(1)此次特大暴雨是南亞高壓、副熱帶高壓、黃淮地區(qū)低渦或切變線和雙臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離水汽能量輸送共同作用造成的罕見極端降水。南亞高壓邊界線東擴(kuò)，日本附近副熱帶高壓穩(wěn)定維持，以及位于河南的中尺度低渦或切變線，為極端降水的發(fā)生奠定了基礎(chǔ)。

(2)臺(tái)風(fēng)“煙花”“查帕卡”與中尺度低渦或切變線之間的低空急流使水汽通道建立并長時(shí)間維持，遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)向暴雨區(qū)源源不斷地輸送水汽和能量，是造成此次極端降水的關(guān)鍵因素。19-21日暴雨區(qū)低層925 hPa的水汽主要來自“煙花”單通道輸送，850 hPa和700 hPa的水汽均源自“煙花”和“查帕卡”雙臺(tái)風(fēng)雙通道輸送。850 hPa“煙花”水汽輸送較“查帕卡”的偏多21.5%；700 hPa雙臺(tái)風(fēng)輸送水汽量整體相當(dāng)，但20日“煙花”水汽輸送貢獻(xiàn)較大。

(3)臺(tái)風(fēng)與河南之間長時(shí)間持續(xù)的東南暖濕氣流輸送，使強(qiáng)降水時(shí)段暴雨區(qū)低層一直保持高溫高濕狀態(tài)。低層高溫高濕，一是加強(qiáng)了暴雨區(qū)的對(duì)流不穩(wěn)定，二是保證了不穩(wěn)定能量釋放后對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的重建，使特大暴雨連續(xù)出現(xiàn)。925 hPa水汽通量大值區(qū)、水汽通量散度負(fù)值中心演變與逐12 h強(qiáng)降水中心演變具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。925 hPa弱冷空氣侵入使暴雨加劇，強(qiáng)降水位于該層假相當(dāng)位溫等值線密集區(qū)。

(4)水汽追蹤顯示，20、21日出現(xiàn)的極端暴雨的暴雨中心鄭州、鶴壁的水汽僅925 hPa的源自臺(tái)風(fēng)“煙花”，850、700 hPa的水汽均源自“煙花”和“查帕卡”。