張霞　楊慧　王新敏　申琳　王迪　栗晗

摘要 基于國家自動站及區(qū)域自動站降水觀測資料、歐洲中心大氣再分析資料（ERA5）分析了河南“21·7”過程的降水特征及環(huán)流和物理量的異常性，并對比1981年以來鄭州和鶴壁50 mm以上強(qiáng)降水過程的物理量特征。結(jié)果表明：1）“21·7”強(qiáng)降水過程在累計降水量、強(qiáng)降水覆蓋范圍、日雨量和小時雨強(qiáng)等方面均表現(xiàn)出顯著極端性，過程累計降水量超過400 mm的站點(diǎn)集中分布在太行山東麓沿山地區(qū)和伏牛山東側(cè)迎風(fēng)坡一側(cè)，與地形關(guān)系十分密切。2）南亞高壓增強(qiáng)東伸，副熱帶高壓異常偏強(qiáng)偏北，低緯度地區(qū)活躍的低值系統(tǒng)等大氣環(huán)流異常，導(dǎo)致了水汽穩(wěn)定持久向河南輸送，太行山和伏牛山沿山一帶水汽輻合偏離氣候態(tài)最強(qiáng)超過-10σ，表現(xiàn)出顯著極端性。3）“21·7”過程中，動力條件的異常特征十分顯著，200 hPa的輻散中心分別位于伏牛山和太行山東麓沿山一帶，相較歷史氣候態(tài)偏離度達(dá)到2σ～5σ;伏牛山沿山一帶850 hPa渦度偏離氣候態(tài)程度較太行山東麓一帶更大，達(dá)6σ;而700 hPa上升運(yùn)動則是太行山東麓一帶極端性更強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)-3σ～-5σ。4）與1981年以來同區(qū)域暴雨過程相比，“21·7”過程中，850 hPa渦度和700 hPa垂直速度的標(biāo)準(zhǔn)差為歷次過程最大（最?。┗虼未螅ù涡。┱撸瑢Ρ┯陿O端性有指示意義，地形附近歷次暴雨過程物理量統(tǒng)計顯示，伏牛山和太行山東麓的850 hPa輻合及700 hPa垂直速度平均偏離氣候態(tài)超過3σ（-3σ），且偏離程度與日雨量呈正相關(guān)。

關(guān)鍵詞極端強(qiáng)降水;環(huán)流異常;標(biāo)準(zhǔn)差;地形抬升

近年來，學(xué)者們對極端強(qiáng)降水的研究聚焦于極端強(qiáng)降水的氣候變化特征（高濤和謝立安，2014;孫繼松等，2015）、大氣環(huán)流異常（張玲和智協(xié)飛，2010;陳海山和陳健康，2017;張夢珂和金大超，2019）、主要影響系統(tǒng)的演變機(jī)制和環(huán)境場特征（趙洋洋等，2013;雷蕾等，2017;曾智琳等，2018）、中尺度對流及微物理特征（徐珺等，2018;劉晶等，2019;陳豫英等，2021）等方面，取得了較多成果。對中國1951—2010年極端降水事件的研究表明，全球變暖背景下極端降水事件的頻率和強(qiáng)度具有升高趨勢（高濤和謝立安，2014）。王倩等（2019）認(rèn)為異常偏強(qiáng)、偏北的副熱帶高壓以及增強(qiáng)的南亞高壓與東亞地區(qū)極端降水事件直接相關(guān)。丁一匯等（2020）研究認(rèn)為東亞夏季風(fēng)水汽輸送的強(qiáng)度、影響范圍和持續(xù)性在極端強(qiáng)降水過程中起著關(guān)鍵的作用，環(huán)流的異常及其相伴隨的季風(fēng)水汽輸送帶的北推加強(qiáng)，是造成北方持續(xù)性大暴雨的重要原因。孫軍等（2012）診斷了北京2012年“7·21”極端強(qiáng)降水過程中物理量偏離氣候平均值的程度，發(fā)現(xiàn)大氣可降水量、850 hPa水汽通量、850 hPa全風(fēng)速偏離氣候態(tài)平均程度均達(dá)3σ以上，而850 hPa水汽通量更是達(dá)6σ。王婧羽等（2014）研究發(fā)現(xiàn)2012年北京“7·21”特大暴雨的產(chǎn)生與異常的水汽輸送密切相關(guān)，經(jīng)向水汽輸送在此次暴雨過程中起主要作用。肖遞祥等（2017）對四川盆地的23次極端強(qiáng)降水天氣過程診斷發(fā)現(xiàn)，環(huán)境場具有低層高比濕、整層相對濕度大、暖云層厚、垂直風(fēng)切變小等特征，850 hPa比濕和假相當(dāng)位溫具有顯著正距平。王叢梅等（2017）研究認(rèn)為太行山地形通過增強(qiáng)輻合上升運(yùn)動、增大垂直風(fēng)切變使雷暴下山加強(qiáng)，是小時雨量超過50 mm的極端短時強(qiáng)降水（俞小鼎，2013）天氣產(chǎn)生的重要原因。

河南省地處中緯度南北氣候過渡帶，西部為連綿的丘陵山地，東部為廣闊的豫東平原，地形復(fù)雜，暴雨災(zāi)害頻發(fā)，降雨量的季節(jié)和區(qū)域分布極不均勻，暴雨具有強(qiáng)度大、突發(fā)性強(qiáng)、次生災(zāi)害嚴(yán)重等特點(diǎn)。每年的6—8月隨著副熱帶高壓季節(jié)性北抬和南落，河南處于暴雨頻發(fā)時段。低渦切變線和臺風(fēng)是造成河南極端強(qiáng)降水事件的主要影響天氣系統(tǒng)（張霞等，2020a），新中國成立以來，受臺風(fēng)影響，河南曾先后出現(xiàn)了“58·7”、“75·8”、“82·8”、“96·8”和“18·8”等極端強(qiáng)降水事件（“58·7”暴雨研究組，1987;丁一匯，2015;趙培娟等，2019），其中“75·8”特大洪水災(zāi)害世界矚目（陶詩言，1980;李澤椿等，2015）。受低渦切變線影響，2003年、2007年和2020年的7月，淮河上游河南段出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降雨天氣，致使王家壩水位超警并泄洪（張霞，2020b）。

河南省極端強(qiáng)降水的研究成果，集中在對極端強(qiáng)降水個例的多尺度天氣系統(tǒng)相互作用、復(fù)雜地形對強(qiáng)降水的影響及物理量的極端性特征等方面。河南“75·8”特大暴雨成因分析表明，行星尺度環(huán)流的調(diào)整、天氣尺度系統(tǒng)的相互作用、中小尺度系統(tǒng)的劇烈活動和有利地形作用這四方面有利條件的配合，構(gòu)成了這次極端特大暴雨過程（“75·8”暴雨會戰(zhàn)組，1977a，1977b）。對2016年“7·9”和“7·19”豫北兩次極端強(qiáng)降水研究表明（馬月枝等，2017），太行山地形的動力抬升、山前中尺度地形輻合線的發(fā)展和維持是導(dǎo)致局地特大暴雨的主要原因;遠(yuǎn)距離臺風(fēng)登陸促成了一條伸向內(nèi)陸的暖濕氣流輸送帶，并在豫北太行山東麓迎風(fēng)坡喇叭口處匯聚，形成長達(dá)6 h以上超強(qiáng)水汽輻合傾斜上升運(yùn)動，為“7·9”極端強(qiáng)降水的發(fā)生提供了充足的水汽條件（司福意等，2021）。極端強(qiáng)降水的物理量極端性特征方面，張霞等通過對1981年以來河南省13例極端強(qiáng)降水過程的動力、熱力因子診斷，發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)流異常導(dǎo)致環(huán)境場的熱力、動力等物理參數(shù)異常是造成暴雨極端性的重要原因（張霞等，2020a）。冀翠華和李姝霞（2021）對比分析了2000—2016年開封22例暴雨以上降水的動力和水汽條件，發(fā)現(xiàn)日雨量最大的2016年“7·19”暴雨過程中，其700 hPa和850 hPa垂直速度和整層可降水量均為當(dāng)?shù)?000年以來暴雨過程之最。楊舒楠和端義宏（2020）發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)“溫比亞”極端強(qiáng)降水過程中存在極端低層輻合和高空輻散，同時假相當(dāng)位溫、整層可降水量和水汽通量散度均具有顯著極端性。

2021年7月17—22日，河南省出現(xiàn)歷史罕見的極端強(qiáng)降水（簡稱“21·7”），最大累計降雨量高達(dá)1 122.6 mm，鄭州國家站最大1 h降雨量達(dá)201.9 mm。數(shù)值模式和業(yè)務(wù)預(yù)報對于此次降水中心預(yù)報有偏差，對于降水強(qiáng)度和極端性估計不足。那么，本次發(fā)生在我國黃淮地區(qū)的極端強(qiáng)降水具有哪些主要特征？其大氣環(huán)流有何異常？環(huán)境場的水汽、熱動力參數(shù)偏離氣候態(tài)達(dá)到什么程度？這些問題是本文分析和研究的重點(diǎn)。

1 資料與方法

1.1 資料說明

所用資料包括2021年7月17—22日河南省2 611個區(qū)域自動站逐小時降水觀測資料、河南省119個國家自動站建站以來日降水和小時降水資料（來自河南省信息中心）;1951—2021年全國國家氣象站1 h降雨量資料（來自中國氣象局氣象信息中心），歐洲中期天氣預(yù)報中心第五代大氣再分析資料（ERA-5，https：//cds.climate.copernicus.eu/），垂直方向1 000～100 hPa 共27層，水平分辨率0.25°×0.25°，時間間隔1 h。

使用的地形數(shù)據(jù)來自航天飛機(jī)雷達(dá)地形探測任務(wù)（Shuttle Radar Topography Mission，簡稱SRTM-90 m）數(shù)字高程模型資料（Digital Elevation Mode，簡稱DEM）。

1.2 方法介紹

1.2.1 環(huán)境場標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)計算

使用環(huán)境場各物理量相對于歷史同期氣候平均值的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)表征其偏離氣候態(tài)的程度，由于不同時期環(huán)境場物理量值差異較大，為統(tǒng)一衡量其異常性，去除各物理量的季、月差異，文中的歷史同期氣候平均值均采用了1981—2010年30 a間暴雨日當(dāng)天及其前后兩天共5 d的數(shù)據(jù)參與計算。

用于計算環(huán)境場標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)公式如下：

其中：k為環(huán)境場的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù);X為計算時刻的環(huán)境參數(shù)值;為環(huán)境參數(shù)歷史同期氣候平均值;σ為計算日當(dāng)天及其前后兩天共5 d的氣候態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差。

標(biāo)準(zhǔn)差的計算采用公式（2）取得：

其中：xi為1981—2010年計算日及其前后兩天共5 d逐日物理量值;意義同式（1）;n為該組數(shù)的個數(shù)。

1.2.2 副高指數(shù)計算

文中副高指數(shù)計算方法如下：

副高脊線位置：取110°～140°E范圍內(nèi)副高體脊線與經(jīng)線交點(diǎn)緯度的平均值作為副高脊線位置。

副高強(qiáng)度指數(shù)：對平均位勢高度大于5 880 gpm網(wǎng)格點(diǎn)的位勢高度值與5 870 gpm之差進(jìn)行累計，此累計值為副高強(qiáng)度指數(shù)。

副高指數(shù)的多年平均指采用上述方法計算的1981—2010年30 a逐日的副高脊線位置和副高強(qiáng)度指數(shù)氣候平均值。

2 “21·7”強(qiáng)降水特征分析

7月17—22日，河南省出現(xiàn)了歷史罕見的特大暴雨，強(qiáng)降雨中心位于鄭州、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作和安陽等地，該五地市的累計平均降水量408～623 mm。最強(qiáng)時段為19—21日，19日夜里至20日強(qiáng)降雨中心位于鄭州，21日北移至豫北的鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作和安陽等地。暴雨過程具有持續(xù)時間長、累計雨量大、強(qiáng)降雨范圍廣、短時雨量極強(qiáng)等特征。全省1/6國家站日降雨量突破歷史極值，最大累計降雨量高達(dá)1 122.6 mm，鄭州最大小時降雨量突破我國內(nèi)陸氣象數(shù)據(jù)小時降雨量歷史極值（表1）。

極端強(qiáng)降雨及次生災(zāi)害導(dǎo)致鄭州、鶴壁、新鄉(xiāng)、安陽等城市發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇，一些河流、水庫出現(xiàn)超警水位和保證水位，賈魯河、衛(wèi)河部分河段出現(xiàn)漫堤潰堤，致使一些農(nóng)田和村莊被淹，部分鐵路停運(yùn)、航班取消，造成了嚴(yán)重的災(zāi)害損失。

2.1 強(qiáng)降水階段性演變特征

依據(jù)降水演變特征將“21·7”極端強(qiáng)降水過程分為四個階段：第一階段：17日08時—19日08時，豫北沿山一帶對流性降水階段（圖1a）。該階段全省以陣性降水為主，暴雨點(diǎn)較分散，17日11—20時，大于等于20 mm/h的短時強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在豫東南信陽和豫西南的南陽一帶。18日16時起，豫北太行山沿山一帶不斷有對流新生、發(fā)展合并，致使該地區(qū)持續(xù)出現(xiàn)強(qiáng)降水，安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作累計降水量達(dá)50 mm以上。該階段全省有98個氣象站降水量超過100 mm，最大為新鄉(xiāng)輝縣的萬仙山站達(dá)235.7 mm。全省平均降水量為28 mm，鶴壁平均降雨量最大為68 mm。

第二階段：19日08時—21日08時，豫中強(qiáng)降水集中階段。隨著低空東風(fēng)急流加強(qiáng)，19日起河南降水加強(qiáng)。19日08時至21日08時，河南省淮河以北大部地區(qū)出現(xiàn)暴雨，特大暴雨主要集中在以省會鄭州為中心的豫中一帶。鄭州地區(qū)連續(xù)兩天持續(xù)特大暴雨，累計平均降水量達(dá)474 mm，最大降水量出現(xiàn)在鄭州新密縣的白寨站860.8 mm（圖1b），超過新密站多年平均降水量（新密國家氣象站年均降水量666 mm）近200 mm。鄭州全市有180個氣象站降水量超過250 mm，500 mm以上的氣象站達(dá)104個，是鄭州有氣象記錄以來特大暴雨影響范圍最廣的一次降水。該階段是“21·7”過程中強(qiáng)降水覆蓋范圍最廣時段，全省2 611個氣象站的平均降水量達(dá)到了141 mm，近一半站點(diǎn)（1 217個氣象站，占比46.6%）降水量超過100 mm。

第三階段：強(qiáng)降水中心移至豫北階段（21日08時—22日08時）。21日，豫中強(qiáng)降水趨于減弱，特大暴雨落區(qū)北移到豫北安陽、新鄉(xiāng)、焦作、鶴壁四地區(qū)，降水范圍較第二階段明顯縮小，全省平均降水量51 mm。250 mm以上的特大暴雨有139站，均集中在豫北太行山沿山一帶，最大降水量為鶴壁市科創(chuàng)中心站達(dá)777.5 mm（圖1c），超過鶴壁市歷年年均降水量接近200 mm（鶴壁國家站年均降水量625 mm），1 h雨強(qiáng)最大為149.9 mm/h（新鄉(xiāng)市牧野鄉(xiāng)）。

第四階段：降水明顯減弱階段（22日08時—23日08時）。22日，豫北降水明顯減弱，分散性暴雨和大暴雨分布于豫北太行山東側(cè)沿山一帶和伏牛山區(qū)。全省平均降水量9 mm，全省共103站出現(xiàn)暴雨，其中24站出現(xiàn)大暴雨。

2.2 強(qiáng)降水的極端性特征

本次強(qiáng)降水過程在累計降水量、強(qiáng)降水覆蓋范圍、日雨量和小時雨強(qiáng)等方面均表現(xiàn)出顯著極端性。

17日08時至23日08時，河南省2 611個氣象站中，有1 644站（占63%）降水量超過100 mm，其中487個氣象站累計降水量超過400 mm，集中在河南省中北部。最大累計降水量出現(xiàn)在鶴壁市科創(chuàng)中心站1 122.6 mm，是當(dāng)?shù)啬昃邓康慕?倍（鶴壁市年均降水量625 mm）（圖2a），鄭州、輝縣等11個國家氣象站過程雨量超過本站年降水量的歷年平均值，國家站中以鄭州站過程雨量最大，達(dá)820.9 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該站641 mm的多年平均年降水量，是7月平均月降水量的5.5倍（圖2b）。

統(tǒng)計顯示，全省119個國家氣象站中，鄭州、新密等19站（16%）日降水量突破建站以來歷史極值;鄭州、輝縣等32站（27%）突破建站以來最大連續(xù)3 d降水量歷史極值（圖2c），其中鄭州國家站最大日降水量624.1 mm，達(dá)建站以來最大日降水量3.3倍（189.4 mm，出現(xiàn)在1972年7月2日），20日16—17時鄭州站1 h雨強(qiáng)達(dá)201.9 mm（圖2d），刷新了該站建站以來記錄，居1951年以來我國氣象數(shù)據(jù)中1 h降雨量第一位（不含港澳臺地區(qū)），遠(yuǎn)超第二名江蘇如皋，當(dāng)?shù)? h降雨量為161.9 mm（出現(xiàn)在2019年7月17日，表1）。

與河南省歷史出現(xiàn)的幾次強(qiáng)降水過程對比（表2），“21·7”暴雨除過程累計雨量（6 d累計最大1 122.6 mm）略小于“75.8”暴雨（5 d累計1 631 mm）外，日最大降水量、全省平均降水量及日雨量破歷史極值站數(shù)均超過“75·8”、“63·8”等極端強(qiáng)降水過程。

2.3 地形與強(qiáng)降水關(guān)系

豫北大暴雨與太行山地形關(guān)系密切，栗晗等（2018）對2016年“7·19”特大暴雨過程研究發(fā)現(xiàn)，過程累計雨量超過250 mm的站點(diǎn)分布在太行山東麓臨近地區(qū)，大于500 mm的強(qiáng)降水中心站點(diǎn)海拔均大于300 m?！?1·7”過程中，強(qiáng)降水分布有類似特征。如圖3a，累計降水量在400～800 mm（黑圓點(diǎn)）的站點(diǎn)集中分布在太行山東麓臨近地區(qū)和伏牛山東側(cè)迎風(fēng)坡一側(cè)，極個別站點(diǎn)分布在平原。其中大于等于800 mm（紅圓點(diǎn)）的兩個強(qiáng)降水中心位于豫北新鄉(xiāng)、鶴壁兩地區(qū)西部緊臨太行山東麓沿山一帶和鄭州西部伏牛山東側(cè)一帶，與地形關(guān)系密切。過鄭州（圖2b）極值中心同一緯度地區(qū)地形和降水分布可看出，伏牛山東側(cè)迎風(fēng)坡降水量隨海拔高度升高而增強(qiáng)，600 mm以上的強(qiáng)降水多分布于海拔300～400 m高度。過科創(chuàng)中心（圖2c） 同一緯度地區(qū)地形和降水分布具有相似特征，600 mm以上降水大多出現(xiàn)在太行山東麓迎風(fēng)坡一側(cè)具有一定地形高度處，且以300～900 m 高度最為集中。兩地均有山前迎風(fēng)坡一側(cè)降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其東側(cè)平原地區(qū)的分布特征。

3 大氣環(huán)流及物理量異常度分析

“21·7”河南極端強(qiáng)降水是在南亞高壓東伸、副熱帶高壓異常偏北、低緯的孟加拉灣低壓、南海臺風(fēng)“查帕卡”和西太平洋臺風(fēng)“煙花”共同作用下，暖濕氣流自海上穩(wěn)定持續(xù)輸送至河南，并在太行山、伏牛山前輻合抬升，多系統(tǒng)共同作用下形成了這次持續(xù)性罕見的極端強(qiáng)降水。

3.1 大氣環(huán)流異常

200 hPa高空圖上，17日08時（圖略），南亞高壓脊線位于30°N，東脊點(diǎn)伸至105°E，日本海低壓發(fā)展后西移至朝鮮半島附近，我國華南經(jīng)長江中下游伸向黃淮一帶為大片暖區(qū)，在暖平流作用下，湖北經(jīng)河南伸向河北南部的高壓脊發(fā)展，與南亞高壓之間形成一低壓槽，且低槽隨高脊發(fā)展而加深。過程平均200 hPa位勢高度、風(fēng)場和散度場顯示（圖4a），河南省中西部、北部上空處在高空槽前分流區(qū)中，散度達(dá)4×10-5/s，為明顯輻散區(qū)，高空輻散對低層系統(tǒng)發(fā)展和上升運(yùn)動增強(qiáng)十分有利。

“21·7”過程平均500 hPa高度場上，副熱帶高壓位于我國東北地區(qū)東部到朝鮮半島附近，貝加爾湖至東北的中高緯地區(qū)為顯著正距平區(qū)，副高位置較常年同期異常偏北（圖4b），副高脊線逐日變化顯示，自7月中旬以來，副高呈持續(xù)北抬的變化趨勢，17—22日，副高脊線位于36～42°N，較常年偏北超過10個緯距（圖4c），7月以來，副高強(qiáng)度指數(shù)維持在6 000以上波動，較常年同期明顯偏強(qiáng)（圖4d）;而在10～30°N的中低緯地區(qū)，則為一東西帶狀的顯著負(fù)距平區(qū)，該區(qū)域內(nèi)活躍著今年的第6號臺風(fēng)“煙花”和第7號臺風(fēng)“查帕卡”以及孟加拉灣低壓，活躍的熱帶低值系統(tǒng)為河南暴雨的發(fā)生提供了源源不斷的水汽供應(yīng)。

3.2 環(huán)境場物理量異常特征

3.2.1 水汽輸送異常特征

北方持續(xù)性強(qiáng)降雨的發(fā)生和強(qiáng)弱主要決定于源自熱帶的季風(fēng)水汽輸送帶（丁一匯等，2020）。由于異常偏北偏強(qiáng)的副熱帶高壓穩(wěn)定維持，其南側(cè)的臺風(fēng)“煙花”受偏東氣流引導(dǎo)和7號臺風(fēng)“查帕卡”的影響緩慢西行，向臺灣靠近，在上述環(huán)流共同影響下，“21·7”過程的水汽輸送和水汽輻合異常加強(qiáng)，持久維持影響河南。圖5a為19日08時—22日08時強(qiáng)降水集中時段1 000～300 hPa整層水汽通量積分，可以看到來自印度洋的強(qiáng)西南季風(fēng)水汽輸送帶，輸送水汽流入臺風(fēng)“查帕卡”和“煙花”，使兩臺風(fēng)長時間維持，相互作用，移動緩慢，臺風(fēng)“煙花”與其北側(cè)副熱帶高壓相互作用使副高外圍的偏東風(fēng)加強(qiáng)，沿副高外圍將東南風(fēng)水汽輸送至河南，在太行山和伏牛山前形成強(qiáng)烈輻合。

20日是鄭州地區(qū)降雨最強(qiáng)時段，20日08時850 hPa水汽通量顯示（圖5b），河南中部為水汽通量大值區(qū)，中心位于鄭州附近，達(dá)24 g/（cm·hPa·s），隨著低層?xùn)|南風(fēng)增強(qiáng)，該水汽大值中心略西移，穩(wěn)定維持在太行山南麓與伏牛山余脈之間的喇叭口地形處，最大值達(dá)28 g/（cm·hPa·s），該時段內(nèi)，水汽通量散度輻合區(qū)一直維持在鄭州及其以西伏牛山前（圖略）。

20日23時起，200 hPa高空槽東北移，低層切變線隨之緩慢東移，水汽輸送大值帶東北移至鄭州以東和豫北一帶，21日08時，水汽通量大值中心位于太行山前迎風(fēng)坡一側(cè)，中心值達(dá)28 g/（cm·hPa·s）（圖5c），水汽輻合也北抬至太行山東側(cè)沿山一帶（圖略），并在此維持至22日5時，此時段強(qiáng)降水中心維持在豫北。

選取19日08時至21日08時以鄭州為中心的豫中強(qiáng)降水區(qū)域（112.4°～114.1°E，34.2°～35.2°N）和21日08時至22日08時包含科創(chuàng)中心在內(nèi)的豫北強(qiáng)降水區(qū)域（113.6°～114.3°E，35.3°～36.4°N），計算了700 hPa、850 hPa和925 hPa三層的水汽通量和水汽通量散度逐小時區(qū)域最大標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)（圖6），用以分析“21·7”過程水汽輸送和水汽輻合的異常程度。

19日20時起，豫中的水汽輸送三層標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)均維持在1.5σ以上，尤其是20日白天，水汽輸送和輻合均異常偏強(qiáng)，水汽通量的標(biāo)準(zhǔn)差維持在3σ以上（圖6a），而水汽通量散度標(biāo)準(zhǔn)差自19日08時起均過-3σ，20日期間更是維持在-6σ以下（圖6b），異常偏強(qiáng)且持久維持的水汽輸送和水汽輻合是鄭州產(chǎn)生極端暴雨的關(guān)鍵因素。

豫北強(qiáng)降水集中時段，水汽輸送和水汽輻合同樣具有顯著偏強(qiáng)特征，與豫中不同的是，對流層中層700 hPa水汽通量的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)大于對流層下層850 hPa和925 hPa（圖6c），而水汽輻合則反之，以對流層下層更強(qiáng)，偏離氣候態(tài)程度更大（圖6d），因此，豫北極端強(qiáng)降水與發(fā)展深厚的濕層和對流層下層水汽輻合異常偏強(qiáng)密切相關(guān)。

3.2.2 動力異常特征

分別計算了豫中和豫北兩個強(qiáng)降水集中時段的高層散度、低層渦度和垂直速度等有利降水物理量及其標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)分布（計算區(qū)域選取同圖6），可以看到，19日08時至21日08時豫中強(qiáng)降水階段，河南上空200 hPa為明顯輻散區(qū)，輻散中心位于伏牛山東側(cè)與太行山南麓形成的喇叭口地形區(qū)域，相較歷史氣候態(tài)達(dá)到了2σ～3σ（圖7a1），異常的高空輻散有利于對流層低層產(chǎn)生強(qiáng)烈輻合，上升運(yùn)動增強(qiáng)，850 hPa渦度場上全省均表現(xiàn)為輻合區(qū)，鄭州以西的伏牛山東側(cè)沿山一帶為強(qiáng)輻合中心，其標(biāo)準(zhǔn)差最大達(dá)到了6σ（圖7b1），850 hPa垂直速度場上，河南省中西部有強(qiáng)上升運(yùn)動，上升運(yùn)動中心的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)達(dá)-3σ以上（圖7c1）。

豫北強(qiáng)降水集中時段（21日08時至22日08時），河南上空200 hPa上同樣為輻散區(qū)，輻散中心位于太行山東麓與豫北交界的河北省南部，標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)達(dá)3σ～5σ（圖7a2），豫北一帶散度為10×10-5/s，與氣候態(tài)偏離度不高，但對流層低層850 hPa的輻合中心位于豫北至河北南部，沿太行山呈南北帶狀分布，標(biāo)準(zhǔn)差超過2σ（圖7b2），此處的上升運(yùn)動異常度更大，中心標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)-3σ～-5σ（圖7c2）。綜上分析，豫中和豫北特大暴雨的發(fā)生均與對流層高層持續(xù)維持的強(qiáng)輻散、低層維持強(qiáng)輻合密切相關(guān)，增強(qiáng)的上升運(yùn)動，將“煙花”外圍和副高南側(cè)輸送至豫中和豫北的水汽抬升至更高層次，形成深厚濕層并長時間輻合，利于強(qiáng)降水長時間維持從而形成特大暴雨。

3.3 地形與水汽和動力條件的關(guān)系

對兩個降水集中時段的水汽和動力條件分析表明，以鄭州為中心的豫中和科創(chuàng)中心為中心的豫北特大暴雨的產(chǎn)生，其水汽輻合及動力抬升條件異常偏離氣候態(tài)的區(qū)域分布在地形迎風(fēng)坡或喇叭口區(qū)域，強(qiáng)降水分布與地形關(guān)系分析也表明，“21·7”過程累計降水量超過400 mm的站點(diǎn)集中分布在太行山東麓臨近地區(qū)和伏牛山東側(cè)迎風(fēng)坡一側(cè)，與地形關(guān)系十分密切。

3.3.1 “21·7”過程中地形與水汽的關(guān)系

過鄭州（34.7°N）站的水汽通量和水汽通量散度剖面顯示，“煙花”臺風(fēng)外圍及副高南側(cè)的水汽沿東南氣流向內(nèi)陸輸送，伏牛山地形阻擋了對流層下層水汽而使其在地形迎風(fēng)坡一側(cè)形成輻合，大于12 g/（cm·hPa·s）的水汽通量在地形迎風(fēng)坡處向上伸至700 hPa，濕層深厚，925 hPa和850 hPa上，地形起伏處有多個水汽輻合中心存在（圖8a1）;強(qiáng)降水集中時段豫中地形區(qū)域（112.4°～114.1°E，34.2°～35.2°N）和其東側(cè)同緯度平原區(qū)域（114.2～115.4°E，34.2～35.2°N）逐小時水汽條件變化對比顯示（圖8 b1、8 c1），地形區(qū)域的水汽輻合強(qiáng)度和伸展高度均明顯高于平原區(qū)域，水汽通量大值區(qū)伸展的高度和中心值具有類似特征。

豫北過科創(chuàng)中心（35.7°N）的水汽通量和水汽通量散度剖面圖顯示，水汽輸送的大值中心位于太行山前地形高度較低地段，而水汽輻合位置則位于太行山迎風(fēng)坡地形高度稍高區(qū)域，中心在850～925 hPa之間（圖8a2），與稍高地形區(qū)降水強(qiáng)于較低地形區(qū)域，有地形區(qū)域降水強(qiáng)于平原區(qū)的特征相一致。豫北有地形區(qū)與平原區(qū)域相比，有地形區(qū)域的水汽輻合增強(qiáng)、輻合伸展更高的特征較豫中更明顯。

豫中和豫北的逐小時水汽輸送和水汽輻合變化顯示，兩個強(qiáng)降水集中時段，山前迎風(fēng)坡一帶持續(xù)維持強(qiáng)而深厚的水汽輸送和水汽輻合，利于強(qiáng)降水持續(xù)而達(dá)特大暴雨。

3.3.2 “21·7”過程中地形與動力條件的關(guān)系

過豫中強(qiáng)降水中心的垂直速度剖面顯示，上升運(yùn)動中心分布于伏牛山地形前迎風(fēng)坡一側(cè)，最強(qiáng)中心位于600 hPa附近，向上伸展至300 hPa（圖9a1），逐小時垂直速度變化顯示（圖9b1），強(qiáng)降水集中時段，伏牛山前對流層一直維持強(qiáng)上升運(yùn)動，尤以20日08—20時期間更強(qiáng)，中心更是超過了50×10-1Pa/s，而其東側(cè)同緯度平原區(qū)域，上升運(yùn)動雖維持，但強(qiáng)度較地形區(qū)域明顯偏弱（圖9c1），因此，無論小時雨強(qiáng)、累計雨量均以地形區(qū)域更強(qiáng)。過豫北強(qiáng)降水中心的垂直速度剖面顯示，上升運(yùn)動中心分布于太行山東麓迎風(fēng)坡一側(cè)，強(qiáng)中心位于700 hPa附近，向上伸展至500 hPa（圖9a2），逐小時垂直速度變化特征與豫中相似，強(qiáng)降水集中時段太行山迎風(fēng)坡一側(cè)維持強(qiáng)上升運(yùn)動，且有地形區(qū)域強(qiáng)于平原區(qū)域的特征（圖9b2、9c2）。與豫中地形區(qū)上升運(yùn)動對比，豫北地形區(qū)域的上升運(yùn)動中心更強(qiáng)，但伸展高度較伏牛山前低。

綜上分析，伏牛山和太行山地形對沿東南氣流輸送至豫中和豫北的水汽起阻擋作用，使水汽在地形迎風(fēng)坡一側(cè)匯聚;加強(qiáng)的東南風(fēng)遇地形抬升，山前上升運(yùn)動增強(qiáng)，使得對流層下層水汽被上升氣流抬升至對流層中層，形成深厚濕層，水汽輻合和動力上升條件均強(qiáng)于平原地區(qū)，有利于地形處降水增強(qiáng)。

3.3.3 1981年以來地形附近暴雨以上降水過程的物理量特征

為了客觀地對比“21·7”特大暴雨過程中鄭州和科創(chuàng)中心兩站與歷史上發(fā)生的強(qiáng)降水過程之間的水汽和動力特征差異，也為了發(fā)現(xiàn)地形附近區(qū)域強(qiáng)降水過程中水汽和動力條件的共性特征，本文采用1981—2021年6—8月期間的國家自動站歷史觀測雨量資料和ERA5再分析數(shù)據(jù)集，選取鄭州站和科創(chuàng)中心最臨近的鶴壁和淇縣站（兩站只要有一站達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，同時達(dá)標(biāo)準(zhǔn)時取雨量最大者）50 mm以上的強(qiáng)降水過程，計算了鄭州為中心的豫中強(qiáng)降水區(qū)域（112.4°～114.1°E，34.2°～35.2°N）和包含科創(chuàng)中心的豫北強(qiáng)降水區(qū)（113.6°～114.3°E，35.3°～36.4°N）700 hPa和850 hPa比濕、整層可降水量、200 hPa散度、850 hPa渦度和700 hPa垂直速度等物理量各個暴雨日的平均標(biāo)準(zhǔn)差最大（垂直速度選最小）倍數(shù)如圖10所示。

1981年以來，鄭州站6—8月共發(fā)生50 mm以上強(qiáng)降水日數(shù)39 d，“21·7”過程中，20日降水量達(dá)624.1 mm，排第一位，該日850 hPa的比濕標(biāo)準(zhǔn)差為2.3σ，接近所有過程的平均值，與同區(qū)域日雨量不足100 mm的過程相比，極端性并不顯著;而700 hPa的比濕標(biāo)準(zhǔn)差為4.1σ，整層水汽含量標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)7.1σ，二者均遠(yuǎn)大于同區(qū)域暴雨以上降水的平均值，表現(xiàn)出明顯極端性（圖10a），尤其是整層水汽含量，在所有過程中排在第一位。結(jié)合圖6b，由于地形阻擋和抬升，“21·7”過程中水汽輻合異常偏強(qiáng)且輻合長時間持續(xù)（圖6b），持久且充沛的水汽輸送和輻合利于強(qiáng)降水長時間維持。值得關(guān)注的是這次過程的動力條件，200 hPa散度的標(biāo)準(zhǔn)差偏離氣候態(tài)達(dá)4.5σ，高于暴雨過程的平均值，850 hPa渦度和700 hPa的垂直速度的標(biāo)準(zhǔn)差分別達(dá)7.8σ和-6.8σ，居所有過程的第一、二位，動力條件的極端性更加顯著（圖10b）。

以鶴壁為代表的豫北，1981年以來共發(fā)生45 d暴雨日（日雨量大于等于50 mm），“21·7”過程中，豫北共產(chǎn)生了3個暴雨日，以21日雨量最大436.1 mm，居1981年以來首位，其水汽條件特征與鄭州站不盡相同，700 hPa比濕和整層可降水量的標(biāo)準(zhǔn)差分別達(dá)4.4σ和2.9σ，均明顯高于同區(qū)域暴雨過程的平均值，但并非所有過程最大者，而850 hPa比濕標(biāo)準(zhǔn)差為1.8σ，較平均值偏低（圖10c）。從水汽條件上，并不能區(qū)分“21·7”過程與同區(qū)域其他暴雨過程。 200 hPa散度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)4.2σ，略高于45例暴雨平均值，850 hPa渦度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)7.9σ，僅略低于2016年“7.19”暴雨過程（8.5σ），居第二位，而700 hPa垂直速度達(dá)-12.6σ，居同區(qū)域所有暴雨個例首位，動力條件的極端性較水汽條件更加顯著，對極端暴雨更有指示意義。

1981年以來地形區(qū)域的暴雨過程物理量平均標(biāo)準(zhǔn)差顯示，影響豫北和豫中極端暴雨的關(guān)鍵因子具有共性特征，即動力條件較氣候態(tài)偏離程度較水汽條件更大，100 mm以上的大暴雨過程，多數(shù)個例的850 hPa渦度和700 hPa垂直速度強(qiáng)于平均值，這一特征說明地形區(qū)域異常增強(qiáng)的動力條件更有利于暴雨增強(qiáng)。多個例物理量異常性分析也同時顯示出強(qiáng)降水影響因子的復(fù)雜性，并非最極端的降水過程，其所有物理量偏離氣候態(tài)均達(dá)最大，但異常偏強(qiáng)的降水過程中，總有一些物理量的表現(xiàn)是最極端的，這一特征應(yīng)在預(yù)報業(yè)務(wù)中引起足夠警惕，多物理量綜合偏離氣候態(tài)程度或可更好將極端暴雨與一般暴雨區(qū)分開來（張霞等，2020a）。

4 結(jié)論和討論

本文對“21·7”河南省持續(xù)強(qiáng)降水過程的降水特征及環(huán)流和物理量的異常性進(jìn)行詳細(xì)分析，并與1981年以來豫中和豫北相同強(qiáng)降水區(qū)域物理量做對比，得到如下結(jié)論：

1）“21·7”強(qiáng)降水過程在累計降水量、強(qiáng)降水覆蓋范圍、日雨量和小時雨強(qiáng)等方面均表現(xiàn)出顯著極端性。日最大降水量、全省平均降水量及日雨量破歷史極值站數(shù)超過“75·8”、“63·8”等新中國成立以來河南的極端強(qiáng)降水過程。過程累計降水量超過400 mm的站點(diǎn)集中分布在太行山東麓臨近地區(qū)和伏牛山東側(cè)迎風(fēng)坡一側(cè)，與地形關(guān)系十分密切。

2）南亞高壓增強(qiáng)東伸，副熱帶高壓異常偏強(qiáng)偏北，低緯度地區(qū)活躍著臺風(fēng)“查帕卡”、“煙花”和孟灣低壓，來自印度洋的西南季風(fēng)水汽輸送使“煙花”長時間維持，其北側(cè)與副高之間東風(fēng)加強(qiáng)向河南穩(wěn)定持久輸送水汽，在太行山和伏牛山前輻合，導(dǎo)致了豫中和豫北兩個特大暴雨中心的產(chǎn)生。

3）“21·7”強(qiáng)降水過程中，豫中和豫北對流層下層水汽通量散度均表現(xiàn)出輻合持續(xù)偏強(qiáng)、異常偏離氣候態(tài)的極端性特征;而水汽通量波動性大，極端特征不如水汽通量散度顯著。伏牛山和太行山東麓沿山一帶的動力條件偏離氣候態(tài)程度大，200 hPa散度的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)2σ～5σ;豫中伏牛山沿山一帶850 hPa渦度偏離氣候態(tài)程度較太行山東麓一帶更大，達(dá)6σ，而700 hPa上升運(yùn)動則是豫北太行山東麓一帶更極端，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)-3σ～-5σ。

4）1981年以來豫中和豫北同區(qū)域暴雨以上量級降水的物理量對比分析顯示，“21·7”過程中，850 hPa渦度和700 hPa的垂直速度標(biāo)準(zhǔn)差為歷次過程最大（最小）或次大（次?。┱?，極端性顯著，可明顯區(qū)分同區(qū)域其他暴雨過程;豫中整層水汽含量居所有暴雨過程首位，對暴雨極端性有指示意義，而豫北水汽條件與其他過程相比排位并不靠前。所選地形附近歷次暴雨過程的850 hPa渦度和700 hPa的垂直速度平均標(biāo)準(zhǔn)差偏離氣候態(tài)超過±3σ，且大暴雨以上降水過程中，多數(shù)個例的850 hPa渦度和700 hPa垂直速度強(qiáng)于平均值，表明地形區(qū)域動力作用的增強(qiáng)與暴雨增幅有明顯正相關(guān)。

本文僅對“21·7”強(qiáng)降水過程特征、大氣環(huán)流和環(huán)境物量偏離氣候態(tài)的程度做了較詳細(xì)分析，研究所得可為極端暴雨預(yù)報業(yè)務(wù)借鑒。然而，鄭州超過200 mm/h的極端雨強(qiáng)、接近年降水量的日雨量與城市發(fā)展及熱動力效應(yīng)有何關(guān)聯(lián)？地形和復(fù)雜下墊面對暴雨的增幅和影響機(jī)制？極端強(qiáng)降水的可預(yù)報性及預(yù)報技術(shù)等等諸多科學(xué)問題值得進(jìn)一步研究。

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Analysis on characteristic and abnormality of atmospheric circulations of the July 2021 extreme precipitation in Henan

ZHANG Xia1，2，YANG Hui2，WANG Xinmin1，2，SHEN Lin3，WANG Di2，LI Han2

1Henan Key Laboratory of Agrometeorological Support and Applied Technique，CMA，Zhengzhou 450003，China;

2Henan Meteorological Observatory，Zhengzhou 450003，China;

3Yangtze Ecology and Environmental Co.，Ltd.，Wuhan 430062，China

The severe torrential rain attacked Henan province during July 17—22 in 2021 （abbreviation “21·7”） whenever the process total rainfall amount reaches 1 122.6 mm and the hourly rain intensity at Zhengzhou national observation is up to 201.9 mm/h which broke through the meteorological record of hourly rain intensity extreme value in Chinese inland since 1951.The precipitation features and abnormality of atmospheric circulations and the environmental physical quantities were analyzed with the comparative analysis of physical quantities in the process of heavy rain over 50 mm in Zhengzhou and Hebi since 1981 based on the national and regional automatic meteorological observation data and the high resolution European central atmospheric reanalysis （ERA5）.As shown by the results，the “21·7” severe rainfall process presents significant extremes in terms of cumulative precipitation，heavy rainfall coverage，daily rainfall，and hourly rainfall intensity.The eastern foot of Taihang Mountain and the windward slope of eastern Funiu Mountain are the only two locations with accumulated precipitation over 400 mm，which are closely related to topography.Anomalies in atmospheric circulation such as the enhancement and eastward extension of the South Asian high，the northward anomaly of the subtropical high，and the low-value system in low-latitude regions are responsible for the stable and lasting water vapor transport to Henan province.Water vapor convergence along Taihang and Funiu Mountain was below -10σ，showing significant extremes.Dynamic conditions are also apparent in the “21·7” process.With a deviation of 2σ—5σ from the historical climate，the divergence centers are located along the eastern foothills of Taihang Mountain and Funiu Mountain in 200 hPa.The deviation of 850 hPa vorticity from the climate state along Funiu Mountain is higher than that on the eastern foot of Taihang Mountain while the deviation of 700 hPa vertical velocity from the climate is more extreme on the eastern foot.For the same region since 1981，the standard deviation of 850 hPa vorticity and 700 hPa vertical velocity is the largest （least） or the secondary maximum （minimum） in the process of “21·7”，which indicates the extreme rain.In the eastern foot of Taihang Mountain and Funiu Mountain，the deviations of 850 hPa convergence and 700 hPa vertical velocity are consistently greater than 3σ（-3σ） on average，positively correlated with daily rainfall.

extreme precipitation;circulation anomaly;standard deviation;terrain elevation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20210907001

（責(zé)任編輯：劉菲）