“21·7”河南特大暴雨水汽和急流特征診斷分析*

汪小康 崔春光 王婧羽 楊 浩 周 文

中國氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點實驗室，武漢 430205

提 要： 2021年7月中下旬在河南省發(fā)生了一場極端強降水過程，暴雨持續(xù)時間長，累計降水量大，落區(qū)集中，造成了嚴(yán)重的人員傷亡?；谧詣诱居炅繑?shù)據(jù)和ERA5再分析數(shù)據(jù)探討了多尺度系統(tǒng)、急流和地形對水汽的輸送和輻合及降水形成的重要作用和影響機制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：暴雨發(fā)生在遠(yuǎn)距離臺風(fēng)影響的有利環(huán)流背景之下，大量來自西太平洋的水汽從邊界層和對流層低層進入河南東側(cè)，來自南海的水汽從南側(cè)對流層中低層進入降水區(qū)，在低渦、切變線和輻合線的共同作用下，引發(fā)強降水。低空急流與邊界層急流的耦合形成低層水汽輻合上升中心，地形起到了動力阻擋抬升和熱力抬升作用，并與急流綜合作用，使強降水呈帶狀出現(xiàn)在山前，且20日位于豫中，21日在豫北。

引 言

河南省地處黃淮西部地貌過渡區(qū)，既有太行山脈、伏牛山脈、桐柏山-大別山脈，又有南陽盆地和黃淮海平原，自北向南從暖溫帶半濕潤區(qū)向北亞熱帶氣候過渡，自西向東由丘陵山地向平原氣候過渡，天氣影響系統(tǒng)復(fù)雜，降水時空分布不均勻(栗晗等，2018；張建忠，2015；侯春梅等，2008)。河南省暴雨具有鮮明的季節(jié)性和地域性特征，全省夏季(6、7、8月)年均暴雨日為1.72 d，暴雨量為139.4 mm，占全年暴雨量的75%，貢獻了夏季總降水量的36%?？臻g分布來看，暴雨日數(shù)和暴雨量總體從東向西、從南向北遞減。但是，豫北地區(qū)為相對大值地區(qū)，尤其是持續(xù)2天的暴雨，豫北和鄭州地區(qū)是高頻中心(汪小康等，2018)。與暴雨分布有所不同，黃河以北的太行山東側(cè)(新鄉(xiāng)、安陽、鶴壁地區(qū))是河南省短時強降水的頻發(fā)區(qū)之一，其中7月頻次最高，部分地區(qū)可達年均1次。針對這個區(qū)域內(nèi)短時強降水的日變化分析發(fā)現(xiàn)，小時降水量呈明顯的雙峰型結(jié)構(gòu)，其中下午峰值出現(xiàn)在17—21時(王婧羽等，2019)。

造成河南省日極值降水最重要的系統(tǒng)是臺風(fēng)，河南省的臺風(fēng)暴雨既可以發(fā)生在臺風(fēng)登陸階段也可能發(fā)生在臺風(fēng)還遠(yuǎn)在海面上的階段。登陸臺風(fēng)的典型影響個例如“75·8”暴雨，1975年8月7503號臺風(fēng)妮娜深入內(nèi)陸，受豫西山地地形影響，在河南省移動受阻停滯且持續(xù)不消，在伏牛山的迎風(fēng)面造成了過程降水量1 631 mm(8月4—8日)和日降水1 060.3 mm(河南泌陽縣林莊)的強降水(丁一匯，2015；譚燕和陳德輝，2008)。2018年18號臺風(fēng)溫比亞深入內(nèi)陸以后，其北側(cè)螺旋雨帶持續(xù)發(fā)展，造成河南商丘睢縣和拓城縣8月16—21日累計降水量分別達到544 mm和522 mm(高拴柱，2020)。叢春華等(2012)將臺風(fēng)遠(yuǎn)距離降水定義為: (1)降水發(fā)生在臺風(fēng)范圍之外；(2)該降水與臺風(fēng)存在著內(nèi)在的物理聯(lián)系。遠(yuǎn)距離臺風(fēng)影響的個例有：2000年7月5日河南新鄉(xiāng)延津縣日降水量達492.2 mm，是受臺風(fēng)啟德的偏東氣流影響，此時臺風(fēng)還遠(yuǎn)在菲律賓和我國南海上空。今年7月河南特大暴雨發(fā)生時，臺風(fēng)煙花還在西北太平洋上，屬于遠(yuǎn)距離臺風(fēng)影響。

穩(wěn)定的水汽輸送是臺風(fēng)暴雨產(chǎn)生的重要條件(Lee et al，2011)，這樣的水汽輸送往往與低空急流有關(guān)。對于臺風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨，臺風(fēng)外圍環(huán)流向暴雨區(qū)輸送能量和水汽更是降水強度的關(guān)鍵因素(叢春華等，2011)。孫建華等(2005)研究發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)與低槽(低渦)遠(yuǎn)距離作用型臺風(fēng)暴雨約占華北暴雨個例總數(shù)的32.2%；此類遠(yuǎn)距離臺風(fēng)的作用主要是為臺風(fēng)東側(cè)東南低空急流提供水汽輸送。

地形對臺風(fēng)暴雨具有顯著的增幅作用?！?5·8”暴雨過程中地形對水汽可能起到兩方面的作用，即強迫抬升和輻合作用，小地形雨強增幅約為23 mm·h-1，相當(dāng)于總降水的1/4～1/3(“75·8”暴雨會戰(zhàn)北京組，1979；丁一匯等，1978)。對0908號臺風(fēng)莫拉克的研究表明，臺灣西南部陡峭地形直接導(dǎo)致了臺風(fēng)莫拉克降水增幅(Fang et al，2011)，地形坡度、水平風(fēng)強度、西南上坡氣流內(nèi)對流層中低層水汽含量是影響降水落區(qū)及強度的主要因素(Xie and Zhang,2012)。

歷史上我國出現(xiàn)過多次非常嚴(yán)重的極端降水過程，如河南“75·8”大暴雨，死亡人數(shù)超過2.6萬，直接經(jīng)濟損失近百億元(丁一匯，2015)。氣象工作者從天氣學(xué)和動力學(xué)等方向研究了此次致災(zāi)暴雨，總結(jié)了暴雨的天氣學(xué)模型(丁一匯，2015)； 揭示了不同尺度環(huán)流和天氣系統(tǒng)的相互作用(丁一匯，2014)；發(fā)現(xiàn)了不同尺度的地形對暴雨的增幅作用，診斷了潛熱反饋對強上升運動的重要作用等(丁一匯等，1978)。2012年7月21日，北京出現(xiàn)了24 h 降水量460 mm 的特大暴雨，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。針對“7·21”暴雨的深入研究，揭示了不同層次系統(tǒng)之間的耦合對降水強度的重要作用(諶蕓等，2012；孫軍等，2012)，以及局部地形和水汽條件對降水落區(qū)和強度的顯著影響(王寧等，2014；王宇虹等，2015)。2016年7月18—20日，河南省發(fā)生了一次大范圍強降水過程，豫北地區(qū)最大過程降水量達到732 mm。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)強降水與低渦發(fā)展的正反饋過程是降水維持的重要機制(雷蕾等，2017)，高低空系統(tǒng)的耦合以及中低緯度系統(tǒng)的相互作用是過程累計降水量大的主要原因(趙思雄等，2018)。這些針對極端降水過程的研究工作大大推動了中國暴雨機理研究和預(yù)報模式研發(fā)的進展。

2021年7月中下旬在河南省的中部、西部和北部發(fā)生了一場極端強降水過程(以下簡稱“21·7”河南暴雨)，即使與歷史上的極端降水過程相比，河南此次特大暴雨的極端性仍非常顯著，持續(xù)時間長，累計雨量大，暴雨落區(qū)集中，最大過程降水量出現(xiàn)在鶴壁科創(chuàng)中心，6天累計降水量達到1 122.6 mm，最大日降水也出現(xiàn)在科創(chuàng)中心，為777.5 mm，最大小時雨強為201.9 mm·h-1，于20日17時出現(xiàn)在鄭州國家站，僅僅小時極值雨量就遠(yuǎn)超過歷史平均河南省7月總降水量(約175 mm)，日極值降水量更是超過河南省年均總降水量(約750 mm)，多站次破歷史紀(jì)錄，暴雨和洪澇造成了多人死亡和失蹤(蘇愛芳等，2021；2022；楊浩等，2022)。本文從降水多尺度影響系統(tǒng)、急流和地形對水汽來源、輸送和輻合的影響角度，分析此次強降水的極端性和落區(qū)集中的原因，以期能夠?qū)O端暴雨的成因研究和預(yù)報技術(shù)研發(fā)產(chǎn)生一定的啟發(fā)作用。

1 資料和方法

本文所用資料包括：(1)降水資料：全國范圍內(nèi)國家站及自動站日降水量和小時降水量，由國家氣象信息中心提供；(2)ERA5 再分析資料(水平分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 h，垂直方向為25層)，網(wǎng)址https:∥cds.climate.copernicus.eu/，包含溫壓濕風(fēng)等氣象要素。資料時段均為2021年7月17日08時至23日08時(北京時，下同)。表1給出了主要降水時段(19日08時至21日20時)、降水范圍內(nèi)、不同高度上的探空觀測數(shù)據(jù)與ERA5 再分析數(shù)據(jù)的溫度、位勢高度、風(fēng)場和濕度場。對比結(jié)果可以清晰地看出，如將最近站點上的探空資料作為真值，ERA5再分析數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確地再現(xiàn)了此次強降水過程大氣的溫壓濕風(fēng)信息，能夠作為研究降水機制的可靠數(shù)據(jù)。

表1 探空觀測數(shù)據(jù)與ERA5再分析資料對比Table 1 The comparison between sounding data and ERA5 reanalysis data

水汽輸送特征分析中用到了水汽后向分析方法，所用水汽后向追蹤公式為：

(1)

式中：Qs表示通道水汽貢獻率，qlast表示通道上最終位置的比濕，m表示通道所包含軌跡條數(shù)，n表示軌跡總數(shù)。目標(biāo)區(qū)域為暴雨落區(qū)(“21·7”河南暴雨為33°～36°N、112°～115°E，“75·8”暴雨為32°～35°N、112°～115°E)，后向水汽追蹤5 d，表征水汽來源地。

2 降水實況和環(huán)流形勢背景

2.1 降水極端性

“21·7”河南暴雨區(qū)域性強降水從17日開始，持續(xù)到22日，全省2 647個站6天累計降水量平均達到224.1 mm，累計過程降水量大于250 mm的面積達到全省1/3，超過“75·8”暴雨，有179個站超過600 mm，800 mm以上站點達到30個(圖1a)。強降水落區(qū)集中在太行山東南側(cè)、伏牛山東北側(cè)的鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁和安陽地區(qū)，地市平均降水量前三位為：鶴壁(588.1 mm)、鄭州(532.3 mm)和新鄉(xiāng)(467.4 mm)。

圖1 2021年7月(a)17—22日6天累計降水量；(b)19日，(c)20日，(d)21日降水量(棕色和綠色陰影為地形高度)Fig.1 (a) Accumulated rainfall from 17 to 22 July and (b, c, d) the daily precipitation on (b) 19, (c) 20, (d) 21 July 2021(Brown and green shadow means topographic height)

“21·7”河南暴雨最強降水時段出現(xiàn)在19—21日，19日(圖1b)大暴雨(日降水超過100 mm)集中在鄭州及其周邊地區(qū)，特大暴雨(日降水超過250 mm)主要發(fā)生在鄭州市區(qū)西側(cè)和南側(cè)的滎陽市、鞏義市和新密市。20日(圖1c)降水范圍與19日基本一致，但降水強度明顯增強，特大暴雨覆蓋了鄭州大部和新鄉(xiāng)中西部，400 mm以上的超強降水主要集中在鄭州市區(qū)及其西側(cè)的滎陽市和鞏義市。21日(圖1d)雨帶明顯北移，強降水范圍轉(zhuǎn)移到焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁和安陽，其中400 mm以上的超強降水區(qū)面積超過20日。

2.2 降水環(huán)流形勢

針對河南省暴雨過程環(huán)流背景開展的統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)和西風(fēng)槽是最重要的影響系統(tǒng)，2005—2016年,12年中河南省共發(fā)生暴雨241 d，臺風(fēng)影響占到了102 d，這其中遠(yuǎn)距離臺風(fēng)影響有74 d，遠(yuǎn)超登陸臺風(fēng)(28 d)。根據(jù)對流層中層的環(huán)流特征，遠(yuǎn)距離臺風(fēng)影響河南暴雨可以分為三種類型，其中高壓型合成的環(huán)流形勢(圖2a)為：貝加爾湖地區(qū)受高壓控制，中緯度表現(xiàn)為多波動的西風(fēng)氣流，河南省西部為西風(fēng)槽，東側(cè)受副熱帶高壓(以下簡稱副高)外圍環(huán)流控制。此時，臺風(fēng)一般位于菲律賓以東洋面上，沿副高外圍移動的臺風(fēng)北側(cè)繞流是暴雨的重要水汽通道，另一條水汽來源于印度洋、孟加拉灣，穿越中南半島到達我國中部地區(qū)。

“七下八上”是傳統(tǒng)的北方主汛期。2021年受北美洲“熱穹頂”事件的上下游效應(yīng)影響，7月13日西太平洋副高提前大幅北抬，控制了東北、日本海上空；17—22日(極端降水發(fā)生期間，圖2b)平均副高脊線位置位于38°N，較常年平均偏北12～14個緯距；與此同時，蒙古高原長時間維持的高壓中心又阻擋了上游系統(tǒng)東移，導(dǎo)致西風(fēng)帶低值系統(tǒng)在華北、黃淮地區(qū)長時間維持。河南暴雨發(fā)生時，臺風(fēng)煙花遠(yuǎn)在西北太平洋上，屬于遠(yuǎn)距離臺風(fēng)影響。

圖2 (a)2005—2016年遠(yuǎn)距離臺風(fēng)高壓型合成環(huán)流形勢，(b)2021年7月17—22日平均環(huán)流形勢(圖2a中，黑線為500 hPa高度場，藍(lán)虛線為200 hPa南壓高壓范圍，灰色陰影為地形高度；紅色為暴雨范圍,單位:mm；黃虛線為水汽輸送通道，綠線為河南省界。圖2b中,填色為500 hPa高度場，黑線為200 hPa南亞高壓范圍，藍(lán)線為河南省界)Fig.2 (a) The synthetic circulation situation of long-distance typhoon high pressure type from 2005 to 2016, (b) averaged circulation situation from 17 to 22 July 2021(In Fig.2a, black line is geopotential height at 500 hPa; blue dashed line represents the 200 hPa South Asia high; gray shadow means topographic height; red shadow depicts the range of torrential rain; yellow dashed line shows the transport path of water vapor and green line marks out the boundary of Henan Province.In Fig.2b, colored represents 500 hPa geopotential field; black line depicts the range of 200 hPa South Asia high, and blue line is the boundary of Henan Province)

將2021年“21·7”河南暴雨發(fā)生時的槽脊和環(huán)流形勢場與遠(yuǎn)距離臺風(fēng)影響高壓型的合成環(huán)流形勢相對比發(fā)現(xiàn)，兩者非常相似，降水主要發(fā)生在河南省的西部和北部。暴雨期間，對流層中層中高緯貝加爾湖附近為高壓脊，巴爾喀什湖附近為低壓槽，中低緯在40°E和 140°E分別有高壓中心，河南為低壓中心，其西側(cè)還有一個高壓脊，河南位于兩高之間(圖2b)。環(huán)流形勢上看(圖3)，對流層中層河南位于東西兩個高壓反氣旋環(huán)流之間，受中尺度的低壓氣旋環(huán)流影響，對流層低層19—20日氣旋性切變中心在河南中西部和中北部；20—21日河南北部為西南、偏南、東南氣流輻合區(qū)。異常偏北且穩(wěn)定維持的副高南側(cè)建立了穩(wěn)定的水汽輸送通道，加之切變線和輻合線的水汽集中作用，使得低層 700 hPa上，河南中部、西部和北部始終維持接近飽和的相對濕度，引發(fā)強降水。

“21·7”河南暴雨時，臺風(fēng)本體并未登陸，遠(yuǎn)距離臺風(fēng)對強降水的主要作用是強盛穩(wěn)定的臺風(fēng)外圍環(huán)流對水汽的巨大輸送能力，這次極端降水過程巨量的水汽來源于何處，如何被輸送至中原大地，又是為何降水中心20日在鄭州、21日在豫北？本文從引發(fā)強降水的直接原因——大量的水汽輻合的影響因素出發(fā)，研究急流如何加強水汽的輸送和輻合，以及地形對水汽輻合的影響，初步診斷此次降水的成因。

3 水汽輸送特征

3.1 水汽后向追蹤特征

遠(yuǎn)距離臺風(fēng)影響高壓型的合成環(huán)流形勢顯示，暴雨有兩條重要的水汽路徑，除了沿副高外圍移動的臺風(fēng)北側(cè)的繞流水汽輸送以外，還有一條來自印度洋、孟加拉灣，穿越中南半島到達我國中部的水汽通道(圖2a)。我們對著名的“75·8”暴雨和2021年的“21·7”河南暴雨進行了水汽后向追蹤(圖4)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“75·8”暴雨過程(圖4b)出現(xiàn)了3條水汽路徑，但來自孟灣和南海地區(qū)的南側(cè)路徑水汽輸送占到一半，來自西太平洋地區(qū)的經(jīng)由黃海和東海進入的水汽貢獻了另外一半，這與合成水汽路徑類似?！?1·7”河南暴雨(圖4a)則與兩者差異顯著，雖然同為3條主要水汽輸送路徑，但其中兩條來自西太平洋的水汽輸送通道貢獻了82%的水汽(東南向通道2和偏東向通道3)，占比則明顯偏大；南側(cè)水汽輸送通道僅貢獻了18%(南向通道1)，且追蹤5天時水汽來源主要為南海，與“75·8”過程比明顯偏短，顯示南側(cè)水汽源地貢獻小，水汽輸送速度慢。

圖3 2021年7月(a)17—22日平均的500 hPa高度場(填色)和流場；(b)19日，(c)20日，(d)21日的700 hPa相對濕度(填色)，相當(dāng)位溫(紅線，單位：K)和水平風(fēng)場(矢量箭頭)(綠線為河南省界)Fig.3 (a) Averaged 500 hPa geopotential field (colored) and flow field from 17 to 22, (b, c, d) the 700 hPa relative humidity (colored), equivalent potential temperature (red line, unit: K), and horizontal wind field (vector arrow, unit: m·s-1) on (b) 19, (c) 20, and (d) 21 July 2021(Green line marks out the boundary of Henan Province)

圖4 (a) “21·7”河南暴雨，(b)“75·8”暴雨水汽后向追蹤路徑(1,2,3分別表示南向、東南向、偏東向水汽輸送通道)Fig.4 Backward tracking paths of water vapor in (a) the July 2021 and (b) the August 1975 severe torrential rain in Henan Province(1， 2, 3 represent south, southeast, eastern paths of water vapor, respectively)

3.2 不同邊界水汽通量特征

水汽后向追蹤的結(jié)果顯示暴雨水汽的主要來源是西太平洋，南海地區(qū)也有貢獻，我們進一步研究這些水汽在到達河南省時的主要入流邊界和入流高度層。圖5a給出了包含河南省降水范圍(32°～37°N、110°～116°E)的東西南北四個邊界的整層平均的水汽通量時間演變特征，由圖可見，東邊界和南邊界為主要水汽輸入邊界，北邊界和西邊界始終維持水汽流出。18—19日東邊界的水汽輸入占主導(dǎo)，19日02時南邊界水汽由負(fù)轉(zhuǎn)正，且迅速增強，由于北邊界和西邊界的流出大致抵消了東邊界的流入，所以南邊界的水汽增強引發(fā)了總水汽流入的增加，水汽顯著入流的時段出現(xiàn)在19—21日，與強降水時段一致，22日之后，南邊界和東邊界水汽輸入均明顯減弱，強降水隨著減弱。

圖5 2021年7月(a)18日08時至22日08時不同方向邊界整層累計的水汽通量的時間演變；(b)19日08時,(c)20日16時和(d)21日20時不同方向邊界累計的水汽通量垂直分布Fig.5 (a) The time evolution of the vertical accumulated water vapor flux on different boundaries from 08:00 BT 18 to 08:00 BT 22 July; (b, c, d) vertical distribution of water vapor flux accumulated on different boundaries at (b) 08:00 BT 19, (c) 16:00 BT 20, and (d) 20:00 BT 21 July 2021

圖5b～5d給出了強降水開始時刻(19日08時)、豫中降水最強時刻(20日16時)和豫北降水最強時刻(21日20時)各個邊界水汽通量的垂直分布特征。研究發(fā)現(xiàn)東邊界和南邊界水汽輸入集中度和高度明顯不同，東邊界(橘色線)水汽輸入中心位于邊界層內(nèi)的950 hPa層附近，峰值從強降水開始的55×107g·hPa-1·s-1逐漸增加到接近100×107g·hPa-1·s-1，但水汽入流始終僅出現(xiàn)在600 hPa以下，集中在邊界層和對流層低層；而南邊界(紫色線)峰值小于東邊界，量值從15×107g·hPa-1·s-1逐漸增加到接近50×107g·hPa-1·s-1，但高度更高，厚度更大，對流層中低層均有水汽流入，中心在700～850 hPa。

3.3 不同高度水汽輸送特征

圖6顯示了不同高度層上的水汽輸送特征，對比圖4a可見，降水的3條水汽路徑位于不同的高度，其中1號南側(cè)水汽輸送路徑高度最高，受“煙花”西側(cè)氣流和“查帕卡”東側(cè)氣流共同影響，緩慢運動到“查帕卡”北側(cè)后，經(jīng)由偏南氣流從河南南部進入強降水區(qū)，產(chǎn)生輻合。2號和3號均為東側(cè)水汽輸送路徑，2號水汽路徑為對流層低層內(nèi)的“煙花”西北側(cè)水汽從東南方向進入強降水區(qū)，3號則為“煙花”北側(cè)和副高南側(cè)強的水汽通量由邊界層內(nèi)從偏東方向進入強降水區(qū)。

圖6 2021年7月19—21日平均(a)700 hPa，(b)850 hPa，(c)925 hPa層水汽通量(矢量箭頭)及量值(填色，單位：g·cm-1·s-1·hPa-1)Fig.6 Water vapor flux (vector arrow) and value (colored, unit: g·cm-1·s-1·hPa-1) at (a) 700 hPa, (b) 850 hPa, and (c) 925 hPa averaged from 19 to 21 July 2021

研究發(fā)現(xiàn)“21·7”河南暴雨主要水汽來源是西太平洋，受臺風(fēng)煙花西側(cè)和北側(cè)氣流及副高南側(cè)的偏東氣流影響，另一個重要水汽源地是南海，受臺風(fēng)煙花和查帕卡的共同作用。輸送至中原地區(qū)的水汽，一部分從東側(cè)邊界層和對流層低層內(nèi)進入強降水區(qū)，另一部分從南側(cè)對流層中低層進入強降水區(qū)。充沛的水汽供應(yīng)和顯著的水汽流入為強降水的發(fā)生奠定了基礎(chǔ)。

4 低空急流和地形作用

在充沛的水汽輸送背景下，降水發(fā)生在何時，又落在哪里，常與低空急流密切相關(guān)，低空急流尤其是邊界層急流又常與地形密切相關(guān)。如圖1中填色所示，河南省地處黃淮西部地貌過渡區(qū)，整體來看西高東低，其北部西鄰太行山，西部有海拔約1 000 m左右、西北—東南走向的伏牛山，而東部為黃淮海平原。

4.1 急流耦合對降水的影響

18日河南中北部開始出現(xiàn)8～10 m·s-1的東南氣流；19日(圖7a)在太行山南側(cè)，伏牛山東北側(cè)出現(xiàn)12 m·s-1以上的偏東風(fēng)低空急流；20日(圖7b)急流范圍向北擴大，強度增加，東側(cè)向海面擴展，與“煙花”西側(cè)氣流相連接，打通水汽通道；21日(圖7c)急流位置向北移動，范圍收縮至豫北和河北南部，但強度再次增強，出現(xiàn)超過16 m·s-1的東南風(fēng)急流中心。

圖7 2021年7月(a)19日，(b)20日，(c)21日850 hPa低空急流分布(紅色風(fēng)向桿：<12 m·s-1的水平風(fēng);橙色風(fēng)向桿：12～14 m·s-1的水平風(fēng)；紫色風(fēng)向桿：>14 m·s-1的水平風(fēng))Fig.7 Distribution of low level jet at 850 hPa on (a) 19, (b) 20, and (c) 21 July 2021(red barb: <12 m·s-1; orange barb: 12～14 m·s-1, purple barb: > 14 m·s-1)

圖8給出了最強兩天降水(20日和21日)的急流分布特征，與低空急流(紅色箭頭)的分布和演變類似，邊界層內(nèi)也存在一支生成于山前，并逐漸加強同時向北擴展的急流(黑色箭頭)，與低空急流不同的是，邊界層內(nèi)的急流偏東風(fēng)分量更大。Du and Chen(2019)利用高分辨率數(shù)值模擬了華南地區(qū)雙低空急流過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個急流之間存在耦合作用，邊界層急流出口區(qū)存在低層輻合，而低空急流導(dǎo)致中層輻散，從而引發(fā)兩急流高度層之間的強烈上升運動。此次暴雨過程中，受西側(cè)山地地形的阻擋，輻合和上升運動中心同樣出現(xiàn)在邊界層急流的出口區(qū)，兩支急流重合的地方對應(yīng)兩高度層之間的垂直上升運動(填色)，且兩者速度越大，上升運動越強。對比圖8a和8b中低空急流和圖1c和1d中強降水的位置，可以發(fā)現(xiàn)兩者位置有很好的對應(yīng)關(guān)系。這顯示低空急流與邊界層急流的耦合及其產(chǎn)生的上升運動是“21·7”河南暴雨過程局地強降水形成的直接原因，但是雖然急流輻合區(qū)和強降水都發(fā)生在山前，具體位置卻不同，20日位于豫中，21日則出現(xiàn)在豫北。

圖8 2021年7月(a，c)20日，(b，d)21日(a，b)900 hPa垂直速度(填色，負(fù)值為上升)，850 hPa低空急流(紅色矢量箭頭)和925 hPa邊界層急流(黑色矢量箭頭)；(c，d)950 hPa層水平散度(填色，負(fù)值為輻合),高度場(紅線，單位：gpm)和水平風(fēng)(矢量箭頭)(灰色陰影在圖8a,8b中為750 m及以上、在圖8c,8d中為500 m及以上的地形高度覆蓋范圍)Fig.8 (a, b) Vertical velocity at 900 hPa (colored, negative value means rising), low level jet at 850 hPa (red vector arrow), and boundary level jet at 925 hPa (black vector arrow)， (c, d) horizontal divergence (colored, negative value： convergence), geopotential height (red line, unit: gpm) and horizontal wind (vector arrow ) on (a, c) 20 and (b, d) 21 July 2021(Grey shadow marks out the area with topographic height at 750 m in Figs.8a, 8b and 500 m in Figs.8c, 8d)

4.2 地形降水作用機制

結(jié)合低空急流與河南省及周邊地區(qū)的地形分布(圖8)可以發(fā)現(xiàn)，20日急流尤其是邊界層急流偏東風(fēng)為主，于是在太行山和伏牛山東坡及兩山之間形成了急流輻合區(qū)和上升運動大值區(qū)；21日急流轉(zhuǎn)為東南向，與地形相關(guān)聯(lián)的輻合和上升運動更多地發(fā)生在豫北地區(qū)的太行山東坡。這就一定程度上解釋了局地降水中心的成因，為何兩天強降水中心的具體位置有顯著差異。

“21·7”河南暴雨過程中地形對氣流和降水的影響有動力和熱力兩個方面。熱力抬升作用方面(圖9)，降水區(qū)東側(cè)和南側(cè)邊界層和對流層低層內(nèi)空氣非常溫暖濕潤，氣流在向西和向北輸送的過程中，被西側(cè)和北側(cè)的山地阻擋上升，使得暖濕空氣在山前堆積，山前相當(dāng)位溫增大，形成一個高溫高濕的近中性的層結(jié)，這里非常有利于大暴雨的形成(伍紅雨和楊康權(quán)，2011；孫軍等，2012；陳元昭等，2016；陳傳雷等，2017)。動力抬升機制方面(圖10)，由于太行山和豫西山地高度都較高(主體在500 m以上，圖8c和8d中灰色陰影所示)，且范圍很大，對氣流起到明顯的阻擋作用(圖10a和10d)，迫使氣流在山前輻合上升(圖10b～10f)，甚至可以在垂直風(fēng)向上形成次級環(huán)流(圖10c)，并且這種阻擋抬升作用同時表現(xiàn)在偏東氣流(圖10a～10c)和偏南氣流(圖10d～10f)兩個方面。在大地形熱力抬升和動力阻擋抬升的共同作用下，強降水最終呈現(xiàn)沿地形在迎風(fēng)坡一側(cè)出現(xiàn)帶狀分布的特征。

圖9 2021年7月20日(a)沿34.75°N 和(b)沿113.65°E的相當(dāng)位溫(填色)和垂直流場(垂直速度擴大10倍顯示)Fig.9 Equivalent potential temperature (colored) and vertical flow field (vertical velocity multiplied by 10) along (a) 34.75°N and (b) 113.65°E on 20 July 2021

圖10 2021年7月(a)19日、(b)20日沿34.75°N，(c) 21日沿35.5°N，(d)19日、(e)20日和(f)21日沿113.65°E的水平散度場(填色，負(fù)值為輻合)及垂直流場(垂直速度擴大10倍顯示)Fig.10 Horizontal divergence (colored, negative value： convergence) and vertical flow field (vertical velocity multiplied by 10) along 34.75°N on (a) 19 and (b) 20 July, along (c) 35.5°N on 21 July， along 113.65°E on (d) 19, (e) 20 and (f) 21 July 2021

5 結(jié)論與討論

2021年7月中下旬河南中部、西部和北部的大范圍地區(qū)發(fā)生了持續(xù)性極端強降水過程，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。文章重點關(guān)注直接引發(fā)降水的水汽，研究了水汽從何而來，系統(tǒng)如何影響水汽的輸送，急流如何加強水汽的輸送和輻合，以及地形對水汽輻合的影響。主要結(jié)論如下：

(1)“21·7”河南暴雨極端性體現(xiàn)在持續(xù)時間長、累計降水量大、暴雨落區(qū)集中等方面，最強降水20日出現(xiàn)在豫中，21日位于豫北。強降水發(fā)生在遠(yuǎn)距離臺風(fēng)高壓型環(huán)流背景條件下，中緯度槽脊形勢穩(wěn)定，副高明顯偏北，副高南側(cè)臺風(fēng)煙花北側(cè)建立起了穩(wěn)定的水汽輸送通道，受中尺度的低壓氣旋環(huán)流影響，配合切變線和輻合線的水汽集中作用，河南中部、西部和北部始終維持接近飽和的相對濕度。

(2)暴雨水汽主要來自西太平洋，臺風(fēng)煙花西側(cè)和北側(cè)及副高南側(cè)水汽路徑貢獻了82%，南海也是重要水汽源地。強降水區(qū)東邊界的水汽供應(yīng)穩(wěn)定，但高度較低，主要集中在邊界層和對流層低層內(nèi)，南邊界的水汽流入量與區(qū)域水汽總流入量和降水量相關(guān)性更高，其量值小于東邊界，但高度較高，厚度更大，出現(xiàn)在對流層中低層和邊界層內(nèi)。

(3)在充沛的水汽供應(yīng)和顯著的水汽流入的條件下，低空急流與邊界層急流的耦合形成低層水汽輻合中心和上升中心；大地形對山前的暖濕空氣起到了動力阻擋抬升和熱力抬升作用，并與急流綜合作用，使得強降水呈帶狀出現(xiàn)在山前，且20日位于豫中，21日在豫北地區(qū)。

賀曉露等(2020)研究發(fā)生在鄂東北一次暴雨過程發(fā)現(xiàn)，桐柏山、大洪山和大別山地形使得鄂東北近地面和邊界層內(nèi)的氣流發(fā)生了繞流和爬升，在山后形成局地輻合，導(dǎo)致對流系統(tǒng)和降水的生成與發(fā)展。而“21·7”河南暴雨過程的研究卻發(fā)現(xiàn)，這里的地形對氣流起到阻擋抬升的作用，迫使大范圍強降水出現(xiàn)在山前。對比兩者地形發(fā)現(xiàn)，鄂東北地形范圍較小，且高度在500 m以下，而河南西北的太行山和豫西山地主體高度都在500 m以上，且范圍很大，那么這種地形條件的差異在降水位置差異的形成中占據(jù)了多大的貢獻？我們未來計劃通過更多相關(guān)個例的研究回答這個問題。