河南鄭州“7·20”極端暴雨成因分析

彭瑋怡，薛宇峰，劉春雷

(廣東海洋大學 海洋與氣象學院，廣東 湛江 524088)

0 引 言

隨著氣候變暖，極端天氣事件頻發(fā)，暴雨和短時強降水的致災性增加，極端暴雨事件已成為當今氣象學界的研究熱點。2021年河南鄭州“7·20”極端暴雨事件具有一定的代表性[1-3]，張霞等[4]計算了該事件強降水過程中多個物理量的標準差，顯示該事件具有顯著的極端性；冉令坤等[5]認為鄭州極端暴雨與中尺度渦旋、邊界層急流、降水區(qū)上空廣義濕位渦異常關系密切。2021年7月20日16～17時，鄭州1 h降雨量創(chuàng)記錄達到201.9 mm，造成嚴重的洪澇災害，其成因值得深入分析研究。本文利用多源數(shù)據(jù)對此次鄭州極端強降水的降水特征，大氣環(huán)流，水汽、熱力、動力條件和中尺度系統(tǒng)演變等方面進行綜合分析，旨在探究此類極端暴雨的關鍵成因。

1 研究資料與方法

利用2021年7月19～23日河南省119個國家級氣象站日降水和小時降水資料，衛(wèi)星云頂亮溫(TBB)、NASA全球降水資料(GPM)、ECMWF-ERA5再分析資料，采用天氣診斷分析的方法，探究鄭州“7·20”極端暴雨的成因。其中GPM降水數(shù)據(jù)水平分辨率為1°×1°，時間間隔為0.5 h；TBB資料來自FY-2F衛(wèi)星資料，時間間隔為3 h；ERA5資料水平分辨率為 0.25°，垂直方向37層，時間為逐小時間隔。

2 天氣形勢

2.1 降水實況

注：黑點代表鄭州市(113.39°E，34.43°N)。

2021年7月18～21日，河南省出現(xiàn)連續(xù)性暴雨過程。其中，7月18日，河南省暴雨點較為分散，焦作市北部和新鄉(xiāng)市北部出現(xiàn)大暴雨，如圖1所示。7月19日，強降水中心西移至鄭州市附近，呈中尺度雨團狀，在鄭州市附近停滯并不斷增強；從圖1(c)可看到，20日鄭州強降水中心24 h累計降水量最大達到了600 mm，打破了歷年的降水量紀錄；之后強降水中心逐漸向東北偏北方向移動，21日強降水中心移到了豫北地區(qū)，降水落區(qū)呈東北西南分布，并向河北西部延伸；22日河南降水逐漸減弱，01∶00降水趨于結(jié)束。此次過程屬極端降水事件，具有持續(xù)時間長、小時雨強和累計雨量大、范圍廣、時段集中和極端性突出等特征。

2.2 環(huán)流形勢

在暴雨發(fā)生前期，大氣環(huán)流形勢穩(wěn)定，華北地區(qū)為典型的“西低東高”形勢，2021年7月20日00∶00(UTC，下同)500 hPa短波槽逐漸東移影響中國西部地區(qū)，與此同時，河南省與河北省交界處出現(xiàn)一閉合小低壓，該低壓系統(tǒng)在此處停滯少動。850 hPa的高空，低渦切變線從前期的河南省中西部移至山西與河南的交界處，切變線以南是東南氣流、以北是東北風，在晉豫交界處形成非常強的氣旋性切變，水平輻合強烈(圖2)。

注：填色為渦度(單位：×10-6/s)。

從地面形勢來看，2021年7月17～21日河南省的北部為東北風控制。7月17日安徽省西側(cè)與河南省東側(cè)交界處出現(xiàn)由風場切變產(chǎn)生的黃淮氣旋，地面有弱冷空氣自東北方向進入河南省并到達鄭州附近。隨著東風氣流的推移，7月18日黃淮氣旋持續(xù)緩慢西移，7月19日00∶00黃淮氣旋填塞消亡。20日00∶00黃淮氣旋在鄭州的南側(cè)再次生成，黃淮氣旋在緩慢北抬的過程中同時不斷吸收來自臺風“煙花”和副高偏東氣流相互配合所輸送的水汽，為鄭州附近區(qū)域帶來充足的水汽供應，隨后06∶00黃淮氣旋在地形摩擦下逐漸減弱消亡，此時鄭州也由東北風轉(zhuǎn)為偏東風。由于7月17～20日06∶00弱冷空氣的影響，鄭州地面風主要以東北風為主，因此在7月20日08∶00增強的偏東暖濕氣流在鄭州冷墊抬升形成降水(圖3)。

注：填色為溫度露點差(單位：℃)。

3 物理量場分析

3.1 水汽條件

2021年7月20日00∶00有兩條向河南省輸送水汽的通道開始建立。來自印度洋的強西南季風的水汽輸送帶，輸送水汽流入臺風“查帕卡”和“煙花”，臺風“煙花”北側(cè)與副高南側(cè)的偏東氣流疊加，從而建立起了自東向西通向河南的水汽通道，水汽源源不斷的從西北太平洋輸送至河南省。此外，位于中國南海的臺風“查帕卡”在7月19日夜間升級為臺風強度，并逐漸逼近廣東地區(qū)，臺風“查帕卡”與強盛的西南季風相互配合，導致另一條水汽通道在河南省建立，該通道主要呈南北帶狀分布，經(jīng)南海延伸至河南省，低渦的西南氣流穿過這條高濕區(qū)向河南輸送水汽。這兩條水汽輸送帶于20日00∶00在鄭州附近匯合，使得該地區(qū)整層平均水汽通量達600 kg/(m·s)以上。鄭州位于伏牛山、嵩山的東北方向，太行山脈以南，輸送來的水汽受到喇叭口地形的影響而輻合抬升，在鄭州形成水汽輻合中心，輻合最大值達到了-500×10-7g/(cm2·hPa·s)。7月20日08∶00，隨著東南氣流的持續(xù)推移，水汽輻合大值區(qū)也北移至山西與河南的交界處，受太行山地形影響水汽輻合最大值增大至-600×10-7g/(cm2·hPa·s)。

在垂直剖面圖內(nèi)，鄭州西側(cè)的迎風坡(圖4)，從地面到800 hPa附近都是水汽通量輻合區(qū)，強輻合中心位于地面到850 hPa之間，近地面東風受西側(cè)地形影響，邊界層水汽通量輻合抬升顯著，對流層低層950 hPa以下的偏東風到達鄭州附近因遭遇地形作用轉(zhuǎn)為東北風，受低空切變線的影響，在700 hPa附近形成分散的水汽通量輻合區(qū)。

注：填色為水汽通量散度，×10-7g/(cm2·hPa·s)，黑色區(qū)域為地形。

3.2 不穩(wěn)定條件

3.2.1 大氣層結(jié)穩(wěn)定性

2021年7月20日00∶00鄭州低層是偏東風，中高層是深厚的偏南風，對流層頂轉(zhuǎn)為西南風(圖5)，整層水汽輸送非常好，增溫增濕，K指數(shù)達到39 ℃，邊界層水汽飽和，云底低，氣塊溫度的遞減率小于環(huán)境溫度遞減率，幾乎不需要任何環(huán)境動力抬升就能觸發(fā)對流。鄭州此刻對流有效位能(CAPE)大，不穩(wěn)定能量高，不穩(wěn)定層厚。12∶00鄭州上空仍以偏東風為主，K指數(shù)降為38 ℃，CAPE值迅速減小，由不穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)為層結(jié)穩(wěn)定。由此可見，在鄭州極端暴雨發(fā)生前期，整層都在增溫增濕，水汽異常充沛，對流不穩(wěn)定能量值高，為強降水的形成發(fā)展提供充足的水汽和能量條件。

注：綠色實線為露點曲線，紅色實線為溫度層結(jié)曲線，黑色實線為狀態(tài)曲線。

3.2.2 濕位渦與相當位溫

注：填色為MPV1(單位：1PVU=1×10-6 m2·K·s-1·kg-1)；紅色虛線為相當位溫(單位：K)；黑色陰影為地形。

濕位渦是一個表征動力、熱力作用的綜合診斷物理量，可以較好地表征暴雨發(fā)生發(fā)展的物理機制[6]。采用吳國雄等[7]提供的濕位渦守恒公式，計算了濕位渦的濕正壓項(MPV1)和濕斜壓項(MPV2)，圖6是鄭州暴雨過程不同時刻沿鄭州中心113.2°E所作的MPV1、相當位溫經(jīng)向剖面。2021年7月19日12∶00鄭州以北的區(qū)域上空MPV1為弱的負值，說明該地區(qū)存在弱的對流不穩(wěn)定。之后，MPV1負值區(qū)的絕對值增大且向北延展至鄭州南部，鄭州上空850 hPa至750 hPa的MPV1負值中心達到-0.4PVU，該區(qū)域受暖濕氣流影響，對應此時暴雨中心位于33.4°N附近，在MPV1負值區(qū)偏南處。2021年7月20日00∶00鄭州從地面到400 hPa都處在不穩(wěn)定層結(jié)中，鄭州上空中低層相當位溫差值增大至9K，有顯著的對流不穩(wěn)定。2021年7月20日06∶00鄭州南部800 hPa以下均為MPV1的負值區(qū)，鄭州附近的次大值中心為-0.2PVU，表示低渦帶來的西南暖濕氣流導致該區(qū)域正處于增濕增溫的狀態(tài)。2021年7月20日08∶00鄭州950 hPa以下為MPV1負值區(qū)，強度增至-0.3PVU，來自東海的海洋氣團從邊層持續(xù)不斷向河南入侵，與河南本地大陸暖性氣團在河南中北部相遇，由于兩個氣團的溫濕特性差異明顯且長時間對峙，從而在34°N附近形成θe能量鋒區(qū)，鋒區(qū)向鄭州擴展，同時對應MPV1負值區(qū)的相當位溫等值線也非常密集，相當位溫陡立密集的區(qū)域有利于渦旋的發(fā)展和暴雨的發(fā)生，650 hPa以下為對流不穩(wěn)定層結(jié)，650 hPa以上為弱穩(wěn)定層結(jié)，相當位溫最大差值達到了19 K，此時對流不穩(wěn)定達到了最強，該時刻也是鄭州極端暴雨發(fā)生的時段。2021年7月20日10∶00和21日00∶00可見鄭州上空的對流不穩(wěn)定有所減弱，隨著強降水的發(fā)生，大量釋放不穩(wěn)定能量，河南省大部分地區(qū)MPV1從負值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，同時相當位溫次大值中心北移，雨帶有所北抬，鄭州此次極端暴雨也趨于結(jié)束。

暴雨發(fā)展過程與MPV1負值中心的移動和變化較為一致，降水強度與相當位溫等值線密集帶變化密切相關，所以MPV1負值中心的加強和減弱以及移動方向、相當位溫等值線陡立密集和中低層相當位溫能量鋒匯集區(qū)域均對局地暴雨的預報有很好的指示意義。

濕位渦斜壓項 MPV2主要由水平風的垂直切變和假相當位溫的水平梯度決定，負值越大，其斜壓性越強。2021年7月19日低層大氣濕斜壓性較弱(圖7)，這主要是邊界層偏東風氣流受到地形的影響導致垂直風切變增加的原因。2021年7月20日00∶00開始，鄭州900 hPa以下的MPV2負值區(qū)的絕對值持續(xù)增大，大氣濕斜壓性不斷加強，強降水開始出現(xiàn)。到2021年7月20日08∶00，33.7°N和35.8°N出現(xiàn)MPV2值的兩個大值中心，極端暴雨所在的鄭州上空MPV2值達到-0.5PVU，暴雨中心與MPV2大值中心有所偏離。2021年7月20日10∶00鄭州上空MPV2負值中心有所北移，強度仍然維持，對應降水區(qū)也有所北抬。2021年7月21日00∶00，鄭州附近的負值中心減弱消失，鄭州暴雨結(jié)束。

綜合MPV1與MPV2可見，強降水發(fā)生在MPV1和MPV2的負值中心存在時段，MPV2最大負值區(qū)對暴雨的落區(qū)和移動有一定的指示意義。

3.3 動力條件

注：填色為MPV2(單位：1PVU=1×10-6m2·K·s-1·kg-1)，其他同圖6。

圖8 2021年7月19～21日鄭州多要素時間剖面圖

2021年7月20日00∶00鄭州附近950 hPa到200 hPa之間都維持著正渦度(圖8)，高值中心在600 hPa，最大值達到了24×10-5/s。925 hPa以下低層輻合顯著，達到了-32×10-5/s，而300 hPa附近則出現(xiàn)了40×10-5/s輻散中心，強烈的輻散加劇了對流層高層的抽吸作用，從950 hPa到300 hPa一直維持著極強的上升運動，最大上升速度達到了-50 Pa/s。在7月20日08∶00～09∶00鄭州極端暴雨過程結(jié)束后，正渦度值和負散度值均有所減弱，800 hPa以上由于降水粒子拖曳的作用，有短暫的下沉運動，但是在7月20日10∶00至7月21日又轉(zhuǎn)為較弱的上升運動。由圖9可見，鄭州市位于喇叭口地形處，海拔高度在400 m以上。7月19日，地面盛行的東南風迎面遭遇鄭州西側(cè)的嵩山和北側(cè)的太行山后輻合抬升，垂直速度比較彌散。7月20日00∶00，上升運動的區(qū)域在鄭州區(qū)域逐漸擴大，位于太行山東側(cè)迎風坡的垂直上升運動逐漸加大，7月20日08∶00垂直速度為-8 Pa/s。鄭州中心受到西側(cè)嵩山和北側(cè)太行山輻合抬升氣流的影響，垂直速度也增強至-4 Pa/s。7月20日12∶00太行山迎風坡東側(cè)和鄭州東側(cè)的上升運動減弱。

4 極端暴雨中尺度特征

注：等值線為垂直速度(單位：Pa/s)；填色為地勢高度(單位：m)；星號為鄭州位置。

在衛(wèi)星云圖上，水平尺度在20～200 km之間、生命史在3 h或以上并且云頂亮溫不大于-32 ℃的云團為中尺度對流系統(tǒng)[8]。在2021年鄭州極端暴雨過程中，7月20日00∶00，河南中北部由于東南氣流與西南氣流的匯聚并且遭遇地形動力抬升，有一直徑約400 km、結(jié)構密實、獨立的中尺度云團處于發(fā)展階段(圖10)，此云團由多個β中尺度對流系統(tǒng)和γ小尺度對流系統(tǒng)復合形成中尺度對流復合體。TBB最低中心分散在鄭州附近，最亮處小于-56 ℃，與之對應嵩山為此時的降水中心，降水強度達33.1 mm/h。到7月20日06∶00，中尺度對流系統(tǒng)不斷加強合并緩慢北移，南部多個新生的γ-β對流單體向中尺度對流復合體匯聚，3 h降水落區(qū)與中尺度對流系統(tǒng)的移動較為一致。到7月20日09∶00，鄭州及其東北部TBB小于-56 ℃的冷云蓋范圍擴大，強度加強，最亮處降至-60 ℃，湖北、安徽的新生對流單體在西南氣流的引導下與中尺度對流系統(tǒng)合并加強，該系統(tǒng)長時間在此處停滯，對流發(fā)展旺盛，給鄭州造成了1 h降水量超過200 mm、3 h超過270 mm的極端強降水。12∶00中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展為α中尺度對流系統(tǒng)，高度進一步伸展，TBB小于-56 ℃的冷云蓋范圍持續(xù)擴大，最亮處降為-70 ℃。到7月20日18∶00，該中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展至成熟階段，呈近似圓形并逐漸東移，強降水落區(qū)也隨之東移，強度較中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展階段明顯減弱，7月21日00∶00，中尺度對流系統(tǒng)持續(xù)東移，冷云蓋范圍減小。

逐3 h的TBB亮溫的云團演變與河南省國家自動站3 h降水中心及強度的變化(圖略)對應一致，可見此次鄭州極端暴雨過程是在中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展階段發(fā)生的，而不是在中尺度對流系統(tǒng)的成熟階段發(fā)生，因此多個中尺度云團的合并發(fā)展以及中尺度云團與河南南部多個新生對流單體的合并加強、長時間停滯是導致此次河南極端暴雨的直接原因。

5 結(jié)論與討論

(1) 華北地區(qū)高空典型的“西低東高”環(huán)流形勢長時間的穩(wěn)定維持，河南省高空受高壓脊控制創(chuàng)造強烈氣流輻散的條件。臺風“煙花”北側(cè)的偏東氣流與副高南側(cè)的偏東氣流合并加強，并且與低渦外圍的東南氣流疊加，從低層到對流層中層一致的偏東氣流為此次鄭州極端暴雨提供了充足的水汽條件。對流層低層緩慢東北移的低渦、低渦切變線和地面的黃淮氣旋是本次鄭州極端暴雨的共同參與者。

(2) 此次鄭州暴雨水汽輸送通道有兩條，一條是經(jīng)過東海伸展到河南，副高和臺風“煙花”引導東南氣流穿越該濕區(qū)；另一條受臺風“查帕卡”作用建立的水汽通道主要呈南北帶狀分布，經(jīng)南海延伸至河南。這兩條水汽輸送帶匯合在河南北部，受到嵩山、太行山地形的影響水汽輻合抬升。

(3) 在鄭州極端暴雨發(fā)生前期，鄭州整層增溫增濕，水汽異常充沛，對流不穩(wěn)定能量大。鄭州暴雨發(fā)生在MPV1和MPV2的負值中心存在時段，暴雨的發(fā)生發(fā)展過程與MPV1負值中心的移動和變化較為一致，降水強度與相當位溫等值線密集帶變化密切相關，2021年7月19～21日來自東海的海洋氣團與河南本地大陸暖性氣團在河南中北部相遇且長時間對峙，從而在34°N附近形成θe鋒區(qū)，能量鋒向鄭州擴展的同時形成鄭州暴雨中心。

(4) 鄭州附近喇叭口地形造成強迫擾流及輻合氣流導致鄭州在偏東氣流的影響下地面輻合加強，上升運動在風場入流方向與嵩山方向垂直，風向在與地形垂直的狀況下有利于觸發(fā)對流；且鄭州極端暴雨發(fā)生前期從對流層低層至高層一直維持著強烈的上升運動，促使這次強降水過程得以發(fā)展。

(5) 此次鄭州極端暴雨過程是在中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展階段發(fā)生的，在西南氣流和東南氣流的引導下，多個β中尺度系統(tǒng)的合并發(fā)展以及中尺度系統(tǒng)與河南南部多個新生γ-β對流單體的合并加強是導致此次河南極端暴雨的直接原因。