段汀 陳權(quán)亮 廖雨靜

(1 成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610225；2 成都信息工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610225)

引 言

極端暴雨事件是我國(guó)夏季嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一。近年來，學(xué)者們對(duì)極端暴雨事件做了大量研究，如極端暴雨過程中的中尺度對(duì)流及微物理特征[1-4]，極端暴雨過程中大氣環(huán)流異常以及主要影響系統(tǒng)的演變機(jī)制[5-8]。有學(xué)者研究表明強(qiáng)度異常偏強(qiáng)，位置偏北的西太平洋高壓以及南亞高壓的增強(qiáng)與東亞地區(qū)極端強(qiáng)降水事件直接相關(guān)[9]。丁一匯等[10]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。在影響暴雨的天氣系統(tǒng)中，低空急流與暴雨的發(fā)生密切相關(guān)，低空急流不僅是強(qiáng)降水事件的水汽輸送通道，也對(duì)暴雨有觸發(fā)作用[11-16]。極端短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生也常常伴隨著充沛的大氣可降水量和低層高比濕、整層相對(duì)濕度大的環(huán)境場(chǎng)的特征[17-18]。地形在極端暴雨事件中的影響也不容忽視，其輻合抬升對(duì)暴雨的增幅作用十分明顯[19-22]，同時(shí)地形也可作為中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制，有利于中尺度對(duì)流系統(tǒng)的形成，并且由于地形的阻擋作用可以使中尺度對(duì)流系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間維持在特定區(qū)域造成持續(xù)性暴雨[23-24]。

河南省內(nèi)地形復(fù)雜，西部多為丘陵山地，東部為廣闊的平原區(qū)，年內(nèi)降雨量的季節(jié)和區(qū)域分布不均勻。馬月枝等[25]對(duì)豫北一次極端強(qiáng)降水分析表明，太行山前地形輻合線在暴雨區(qū)的發(fā)展和維持以及太行山地形抬升是導(dǎo)致大暴雨產(chǎn)生的重要原因；司福意等[26]發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)引起的一條東海至河南的暖濕氣體輸送通道將水汽輸送至河南地區(qū)并在太行山東麓迎風(fēng)坡喇叭口匯聚，為豫北一次極端強(qiáng)降水事件提供了充足的水汽。在歷史上河南省曾出現(xiàn)多次極端強(qiáng)降水事件，如“75.8”、“82.8”、“96.8”和“18.8”等極端強(qiáng)降水事件，其中河南“75.8”極端強(qiáng)降水造成的特大洪水災(zāi)害世界矚目?！?5.8”極端強(qiáng)降水過程中3 d累計(jì)降水量達(dá)到了1 605 mm，最大小時(shí)降水量達(dá)到189.5 mm·h-1[27]。而今年2021年7月17—22日河南地區(qū)再次爆發(fā)極端強(qiáng)降水過程，在暴雨區(qū)尤其是鄭州市地區(qū)發(fā)生了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇災(zāi)害，同時(shí)致使河南多個(gè)水庫(kù)和多條河流出現(xiàn)超警戒水位，造成了嚴(yán)重的人員以及經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。此次降水過程中有19個(gè)觀測(cè)站日降水量突破歷史極值，較之“75.8”暴雨，“21.7”暴雨在日最大降水量、小時(shí)最大降水量和全省平均降水量上均已超過“75.8”暴雨，已有研究基于觀測(cè)資料對(duì)此次“21.7”極端暴雨事件進(jìn)行了分析[28]，張霞等[29]分析了此次過程中環(huán)境物理量的異常性，但此次過程的主要形成機(jī)制尚不清楚。

現(xiàn)使用2021年7月17—22日河南省119個(gè)國(guó)家級(jí)自動(dòng)觀測(cè)站的逐小時(shí)降水資料來分析此次極端暴雨過程的降水特征；使用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心第五代大氣再分析資料(ERA-5，該套資料垂直方向上1 000～100 hPa共27層，水平分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間間隔1 h)來分析影響此次極端暴雨的形成過程，以及其致災(zāi)機(jī)理，為此類極端暴雨事件的特征和機(jī)理提供參考。

1 極端降水的形成過程

2021年7月17—22日河南省大部分地區(qū)出現(xiàn)暴雨天氣，其中鄭州地區(qū)降水過程主要集中在19—21日，因此本文主要選擇2021年7月19日08時(shí)(北京時(shí)，下同)—21日08時(shí)為此次降水過程的主要分析時(shí)段。此次暴雨過程中全省平均降雨量為155.0 mm。過程降水量最大值出現(xiàn)在鄭州市，達(dá)到732.0 mm超過了鄭州年平均降水量(641 mm)，新密市以及嵩山站過程降水量也超過了500.0 mm(圖1a)。20日是此次降水過程最為嚴(yán)重的時(shí)段，鄭州在20日出現(xiàn)區(qū)域性特大暴雨，單日降水量就達(dá)到624.1 mm。全省共有15個(gè)站在20日單日降水量超過200.0 mm，46個(gè)站降水量超過100.0 mm。過程中，最大小時(shí)雨強(qiáng)也出現(xiàn)在鄭州附近地區(qū)，其中鄭州站最大小時(shí)雨強(qiáng)超過了200.0 mm·h-1，開封站最大小時(shí)雨強(qiáng)超過了100.0 mm·h-1，全省有57個(gè)站點(diǎn)最大小時(shí)雨強(qiáng)超過20.0 mm·h-1，12個(gè)站點(diǎn)最大小時(shí)雨強(qiáng)超過了50.0 mm·h-1(圖1b)，由此可見此次強(qiáng)降水過程存在強(qiáng)度大，范圍集中的特點(diǎn)。

此外，此次降水過程中全省共有10個(gè)站點(diǎn)發(fā)生了5次以上的短時(shí)強(qiáng)降水(小時(shí)降水量大于等于20 mm·h-1)，其中鄭州、登豐和嵩山3個(gè)站在降水過程中發(fā)生了10次以上的短時(shí)強(qiáng)降水。以鄭州站為例(圖1c)，此次降水過程從7月19日開始一直持續(xù)到21日。19日鄭州開始出現(xiàn)降水，但降水強(qiáng)度不大，均未超過20 mm·h-1，20日開始降水開始逐漸加強(qiáng)，20日06時(shí)鄭州逐時(shí)降水量第一次超過20 mm。鄭州強(qiáng)降水時(shí)段主要出現(xiàn)在20日14時(shí)以后，從20日16—23時(shí)，鄭州站連續(xù)8個(gè)時(shí)次降水量超過20 mm，其中20日17時(shí)鄭州小時(shí)降水量達(dá)到了201.9 mm·h-1超過了1975年鄭州“75.8”特大暴雨的歷史紀(jì)錄(189.5 mm·h-1)?？梢园l(fā)現(xiàn)本次強(qiáng)降水過程還存在降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，但強(qiáng)降水時(shí)段集中的特點(diǎn)。

綜上，河南此次極端降水過程主要集中在鄭州及其附近地區(qū)，降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，累積降水量大，但強(qiáng)降水時(shí)段集中，短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度大，反映了此次降水極端性突出的特點(diǎn)。其中20日14時(shí)以后的短時(shí)強(qiáng)降水過程是造成鄭州地區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重的主要原因。

2 大氣環(huán)流背景和影響系統(tǒng)分析

19日08時(shí)200 hPa高度場(chǎng)(圖2a)上，南亞高壓主體位于高原上，1 256 dagpm等高線最東端已到達(dá)95°E，最北到達(dá)34°N，同時(shí)在我國(guó)東海上有1個(gè)低壓中心，河套地區(qū)附近有1個(gè)低槽。低槽和東海上空低壓中心共同作用在我國(guó)中原地區(qū)形成1個(gè)高壓脊，河南位于高空槽前，受高壓脊控制。20日14時(shí)(圖2b)南亞高壓繼續(xù)向東向北移動(dòng)，最東端已達(dá)100°E，河套地區(qū)的高空槽加深位置少動(dòng)，高壓脊隨之發(fā)展，河南地區(qū)依舊處于高壓脊控制范圍?？梢钥闯鲈诮邓^程中，隨著南亞高壓的東伸北抬，河套地區(qū)低槽加深發(fā)展，河南始終位于槽前高壓脊控制范圍內(nèi)，使得高緯度干冷空氣向南入侵，造成了良好的脊上高空輻散條件，有利于低層輻合抬升對(duì)流發(fā)展。

圖2 2021年7月200 hPa高度場(chǎng)(等值線， 單位: dagpm)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢， 單位: m·s-1): (a)19日08時(shí); (b)20日14時(shí)Fig.2 The distribution of 200 hPa geopotential height(contour， unit: dagpm) and wind field (vector, unit:m·s-1) in 2021 at: (a) 08∶00 BST on July 19; (b)14∶00 BST on July 20

19日08時(shí)500 hPa高度場(chǎng)上我國(guó)西部大陸高壓位于青藏高原東部，同時(shí)副熱帶高壓西伸，副高脊線位置偏西偏北，副高勢(shì)力強(qiáng)盛，588 dagpm線西伸至我國(guó)吉林地區(qū)，副高南端是臺(tái)風(fēng)“煙花”形成的低壓系統(tǒng)。河南位于大陸高壓和西太平洋副高之間的低壓區(qū)，由于副高的西伸，沿副高邊緣的東南氣流加強(qiáng)，有利于低層暖濕氣流的輸送。同時(shí)700 hPa風(fēng)場(chǎng)上有氣旋性風(fēng)切變出現(xiàn)在河南南部，鄭州位于東風(fēng)切變北側(cè)(圖3a)。到了20日14時(shí)(圖3b)，我國(guó)西部大陸高壓有所減弱，但位置整體有所東移，同時(shí)副高繼續(xù)加強(qiáng)西伸，588 dagpm線控制范圍擴(kuò)大，臺(tái)風(fēng)“煙花”也繼續(xù)西移。700 hPa風(fēng)場(chǎng)上，河南東部為偏南風(fēng)控制，鄭州地區(qū)東南風(fēng)加強(qiáng)，而河南西部盛行西南風(fēng)，鄭州地區(qū)位于切變線附近。總之在500 hPa高度場(chǎng)上華北地區(qū)呈典型的“東高西低”環(huán)流型，河南處于副高和大陸高壓之間的低壓區(qū)，容易形成低層輻合，高層輻散的高低空配置。同時(shí)這種環(huán)流形勢(shì)雖然沒有典型的經(jīng)向槽形成，但穩(wěn)定少動(dòng)，有利于降水系統(tǒng)的維持，使降水量有明顯增強(qiáng)。而在低緯度西太平洋洋面上為2021年第6號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”，活躍的熱帶低值系統(tǒng)為暴雨提供了源源不斷的水汽。在700 hPa風(fēng)場(chǎng)上，鄭州地區(qū)在降水過程中始終有切變線影響。

7月19日河南省南部850 hPa風(fēng)場(chǎng)上存在氣旋性風(fēng)場(chǎng)切變，一直維持至19日夜間，河南南部由最初的偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，并在豫中地區(qū)出現(xiàn)東南風(fēng)風(fēng)速輻合。在低層925 hPa上河南省盛行偏東風(fēng)，并且低層風(fēng)速逐漸增大，鄭州地區(qū)925 hPa風(fēng)速19日08時(shí)為7 m·s-1，到了19日夜間風(fēng)速增加至13 m·s-1(圖略)。到了7月20日02—08時(shí)，850 hPa上河南省南部偏南風(fēng)進(jìn)一步加強(qiáng)，鄭州為東南風(fēng)控制，切變線北移至鄭州南側(cè)，同時(shí)鄭州地區(qū)風(fēng)速加大，形成低空急流區(qū)，到20日08時(shí)鄭州地區(qū)850 hPa風(fēng)速可達(dá)14 m·s-1(圖4a—b)。低空急流區(qū)從20日白天一直持續(xù)到20日20時(shí)，且急流核中心有逐漸加強(qiáng)并向西移至河南與山西交界處，在14時(shí)和16時(shí)急流中心最大風(fēng)速可超過20 m·s-1，14—18時(shí)鄭州地區(qū)位于低空急流區(qū)入口處，風(fēng)速在14 m·s-1左右，利于輻散，到了20日晚上20時(shí)，鄭州地區(qū)位于低空急流核左側(cè)，有利于對(duì)流活動(dòng)的維持和發(fā)展(圖4c—f)。除了850 hPa低空急流外，20日在鄭州地區(qū)還出現(xiàn)925 hPa超低空急流，20日02時(shí)在河南中部和東部大部分地區(qū)925 hPa出現(xiàn)了風(fēng)速超過8 m·s-1的偏東風(fēng)，鄭州地區(qū)風(fēng)速達(dá)到10 m·s-1，一直到20日20時(shí)鄭州地區(qū)925 hPa風(fēng)速維持在12 m·s-1以上，在16時(shí)鄭州地區(qū)925 hPa風(fēng)速可以超過16 m·s-1(圖4)。整個(gè)暴雨過程鄭州地區(qū)存在深厚的低空急流系統(tǒng)，特別在低層925 hPa上鄭州一直位于超低空急流核左側(cè)，處在正切變渦度區(qū)，同時(shí)低層存在強(qiáng)風(fēng)速輻合，對(duì)對(duì)流的觸發(fā)和維持有重要作用。

圖3 2021年7月500 hPa高度場(chǎng)(等值線， 單位: dagpm)和700 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢， 單位: m·s-1)：(a)19日08時(shí); (b)20日14時(shí)Fig.3 The distribution of 500 hPa geopotential height(contour， unit: dagpm) and 700 hPa wind field (vector, unit:m·s-1) in 2021 at: (a) 08∶00 BST on July 19; (b)14∶00 BST on July 20

圖4 2021年7月20日850 hPa風(fēng)場(chǎng)、850 hPa低空急流區(qū)(陰影， 單位: m·s-1)和925 hPa風(fēng)速(等值線， 單位: m·s-1)：(a)02時(shí);(b)08時(shí);(c)14時(shí);(d)16時(shí);(e)18時(shí); (f)20時(shí)Fig.4 The distribution of 850 hPa wind field and 850 hPa low-level jet(shaded， unit: m·s-1) and 925 hPa wind speed(contour， unit: m·s-1) on July 20， 2021 at: (a) 02∶00 BST; (b)08∶00 BST; (c)14∶00 BST; (d)16∶00 BST; (e)18∶00 BST; (f)20∶00 BST

19日14時(shí)地面圖(圖5a)上，豫中地區(qū)盛行偏東北風(fēng)，在河南省東側(cè)和西南側(cè)則為偏東風(fēng)和偏南風(fēng)，風(fēng)場(chǎng)在河南省南部輻合，鄭州處于偏東北風(fēng)控制下。到了20日早上08時(shí)(圖5b)，鄭州以東的平原地區(qū)盛行東風(fēng)，鄭州南側(cè)為偏東南風(fēng)，北側(cè)為偏東北風(fēng)，地面輻合線北移至鄭州以及鄭州以西的地區(qū)，鄭州地區(qū)地表為偏東風(fēng)。6 h后的20日14時(shí)(圖5c)，地面輻合線繼續(xù)北移至河南山西兩省交界處，北側(cè)偏北風(fēng)加強(qiáng)，鄭州依舊處于地面輻合線控制之下?？梢钥吹綇?9日白天開始至20日晚上，暴雨區(qū)與地面輻合線有很好對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且地面輻合線從南向北移動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間在鄭州地區(qū)附近維持，同時(shí)鄭州地區(qū)盛行風(fēng)向一直與地形正交，極易出現(xiàn)地形輻合抬升觸發(fā)對(duì)流，為強(qiáng)降水的產(chǎn)生和維持提供有利的條件。

綜上，在此次極端降水過程的天氣形勢(shì)下，200 hPa高空槽使得槽后冷空氣南下有利于高空輻散同時(shí)500 hPa上副高西伸和大陸高壓的穩(wěn)定存在使得河南地區(qū)處于低壓區(qū)，形成有利的高空輻散低空輻合的高低空配置。高層天氣系統(tǒng)影響而誘生的低層切變線(或輻合線)也對(duì)暴雨區(qū)的產(chǎn)生維持以及暴雨區(qū)的位置有直接影響。

3 有利的水汽條件

北方持續(xù)性強(qiáng)降水的產(chǎn)生和維持，以及強(qiáng)降水的強(qiáng)弱主要決定于源自熱帶的季風(fēng)水汽輸送帶。由于此次暴雨過程中副熱帶高壓位置偏北，強(qiáng)度偏強(qiáng)，其南側(cè)的臺(tái)風(fēng)“煙花”在偏東氣流的引導(dǎo)下緩慢西移，在副高和臺(tái)風(fēng)的共同作用下副高外圍偏東風(fēng)加強(qiáng)，西太平洋洋面上空的水汽被源源不斷的輸送往大陸。20日是鄭州地區(qū)降水最強(qiáng)時(shí)段， 20日整個(gè)白天，在東南風(fēng)的作用下東南沿海至河南地區(qū)的水汽通道一直維持，水汽被源源不斷的輸送至河南。同時(shí)河南豫中地區(qū)為強(qiáng)水汽輻合中心，大量水汽聚集在豫中地區(qū)(圖6)。異常強(qiáng)的水汽輸送為強(qiáng)降水過程提供了充足的水汽條件。

圖5 2021年7月19—20日地面風(fēng)場(chǎng)、海拔高程(陰影， 單位:m)、地面輻合線位置(棕色實(shí)線): (a)19日14時(shí);(b)20日08時(shí);(c)20日14時(shí)Fig.5 The distribution of surface wind field and altitude (shaded， unit:m) and convergence line(brown soild line) on July 19 to 20， 2021 at: (a)14∶00 BST on July 19; (b) 08∶00 BST on July 19; (c)14∶00 BST on July 20

圖6 2021年7月20日整層積分水汽通量(箭矢，單位: g·m-1·s-1×105)和水汽通量散度(陰影，單位: g·m-2·s-1): (a) 08時(shí); (b) 14時(shí)Fig.6 Integrated water vapor flux (arrow，unit: g·m-1·s-1×105) and water vapor flux divergence(shaded， unit: g·m-2·s-1) on July 20， 2021， at: (a) 08∶00 BST; (b)14∶00 BST

4 低空急流和地形的影響

4.1 低空急流與暴雨的對(duì)應(yīng)關(guān)系

低空急流與此次暴雨的產(chǎn)生和發(fā)展有密切關(guān)系。由鄭州站(34.7°N， 113.65°E)上空垂直風(fēng)廓線高度—時(shí)間剖面(圖7a)可以看出,19日14時(shí)開始，鄭州上空低層風(fēng)速有明顯增強(qiáng)并以偏東風(fēng)為主，此時(shí)鄭州開始出現(xiàn)降水。19日20時(shí)之后的夜間低層風(fēng)速有所減弱，與鄭州19日夜間與20日凌晨降水較少相對(duì)應(yīng)。到了20日白天，鄭州低層風(fēng)速又有一個(gè)突然的增強(qiáng)，在20日08時(shí)鄭州上空925～700 hPa風(fēng)速均超過16 m·s-1，低空急流深厚，極易觸發(fā)對(duì)流活動(dòng)，并且低層強(qiáng)風(fēng)速帶一直持續(xù)到20日晚上，與20日鄭州降水過程增強(qiáng)相對(duì)應(yīng)?？梢姷涂占绷鞯陌l(fā)展與暴雨有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

為了了解過程中低空急流的強(qiáng)度以及其相對(duì)于歷史同期氣候平均態(tài)的偏差，計(jì)算了鄭州地區(qū)低空風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)，公式如下：

，

(1)

在20日16時(shí)暴雨過程最強(qiáng)烈的時(shí)刻，此時(shí)河南大部分地區(qū)低層風(fēng)速相較于歷史氣候態(tài)偏強(qiáng)，鄭州以西至河南山西交界處為風(fēng)速異常中心，與急流中心的位置相對(duì)應(yīng)，中心位置風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)可達(dá)5σ以上。在暴雨過程中鄭州地區(qū)低層風(fēng)速也明顯高于歷史同期水平，850 hPa風(fēng)速其標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)為2σ以上，925 hPa上風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到了3σ(圖7b—c)。

圖7 鄭州(34.7°N， 113.65°E)上空2021年7月18日14時(shí)—21日20時(shí)(a)垂直風(fēng)廓線(單位: m·s-1)和20日16時(shí)(b) 850 hPa和(c) 925 hPa風(fēng)速相對(duì)于歷史氣候態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)Fig.7 Height-time profile of (a)wind profile(unit: m·s-1) from 14∶00 BST on July 18 to 20∶00 BST on July 21，2021 and standard deviation multiples of the wind speed on(b)850 hPa and (c)925 hPa at 16∶00 BST on July 20， 2021

圖8 鄭州(34.7°N， 113.65°E)上空2021年7月18日14時(shí)—21日20時(shí)(a)散度(單位: 10-5s-1)、(b)渦度(單位: 10-5s-1)和(c)假相當(dāng)位溫(單位: K)的高度—時(shí)間剖面Fig.8 Height-time profile of (a)divergence(unit: 10-5s-1)，(b)vorticity(unit: 10-5s-1) and (c)potential pseudo quivalent temperature(unit: K) in Zhengzhou(34.7°N， 113.65°E) from 14∶00 BST on July 18 to 20∶00 BST on July 21， 2021

4.2 對(duì)暴雨有利的動(dòng)力結(jié)構(gòu)和不穩(wěn)定層結(jié)

從鄭州站上空散度(圖8a)和渦度(圖8b)隨時(shí)間的演變可以看出，在18日14時(shí)—19日14時(shí)鄭州上空850～650 hPa為散度正值區(qū)。19日14時(shí)當(dāng)?shù)涂占绷鏖_始發(fā)展時(shí)，鄭州上空轉(zhuǎn)為低層輻合高層輻散的結(jié)構(gòu)，此時(shí)開始鄭州地區(qū)開始出現(xiàn)降水，低層最大輻合中心出現(xiàn)在20日08時(shí)，與鄭州地區(qū)低空急流最強(qiáng)烈的時(shí)刻對(duì)應(yīng)。鄭州上空低層始終維持深厚的正渦度層，并隨時(shí)間發(fā)展至20日02時(shí)出現(xiàn)整層的正渦度柱，渦度大值中心出現(xiàn)在500 hPa以上區(qū)域，到了20日08時(shí)渦度大值中心下移至低層，在鄭州上空相伴出現(xiàn)強(qiáng)的負(fù)散度柱和正渦度柱，對(duì)暴雨的產(chǎn)生和維持十分有利。

綜上，850 hPa低空急流是此次暴雨過程的主要?jiǎng)恿τ|發(fā)機(jī)制，當(dāng)?shù)涂占绷靼l(fā)展時(shí)，鄭州地區(qū)由輻散區(qū)變?yōu)閺?qiáng)輻合區(qū)，并且急流帶來的暖濕氣體在鄭州附近聚集導(dǎo)致鄭州地區(qū)低層高能高濕，變?yōu)槲粍?shì)不穩(wěn)定層結(jié)，為暴雨的發(fā)展提供的有利的條件：層結(jié)不穩(wěn)定和抬升條件，可見低空急流對(duì)本次暴雨有十分重要的作用。

4.3 低空急流在地形抬升下產(chǎn)生的上升氣流

圖9 2021年7月19—21日垂直環(huán)流(箭矢，水平風(fēng)u分量與10倍垂直速度的合成)與散度(陰影，單位: 10-5s-1)沿鄭州(34.7°N)的高度—經(jīng)度剖面(紅點(diǎn)為鄭州所在位置): (a) 19日08時(shí);(b) 19日14時(shí);(c) 19日20時(shí);(d) 20日02時(shí); (e) 20日08時(shí); (f) 20日14時(shí); (g) 20日16時(shí); (h) 20日20時(shí); (i)21日02時(shí)Fig.9 Height-longitude cross-section of vertical circulation(arrow， synthetic circulation of both u component of horizontal wind and 10 times vertical velocity)and divergence(shaded， unit: 10-5s-1) along Zhengzhou(34.7°N) from July 19 to 20, 2021 (red dot is the location of Zhengzhou) at: (a) 08∶00 BST on 19; (b)14∶00 BST on 19;(c) 20∶00 BST on 19;(d) 02∶00 BST on 20; (e) 08∶00 BST on 20; (f) 14∶00 BST on 20; (g)16∶00 BST on 20; (h) 20∶00 BST on 20; (i)02∶00 BST on 21

沿鄭州站點(diǎn)(34.7°N)的散度和垂直環(huán)流高度—經(jīng)度剖面圖表明，19日白天低層盛行偏東氣流，在地形的抬升作用下在111°E東側(cè)出現(xiàn)上升氣流，而后上升氣流移動(dòng)至鄭州上空。在鄭州西側(cè)111°～112°E近地面均出現(xiàn)強(qiáng)輻合中心，強(qiáng)度最高可達(dá)-10×10-5s-1，同時(shí)在19日白天鄭州地面至700 hPa由輻散轉(zhuǎn)為輻合區(qū)。19日14時(shí)，鄭州西側(cè)上空700 hPa出現(xiàn)負(fù)散度中心，強(qiáng)度為-8×10-5s-1，此時(shí)鄭州地區(qū)開始出現(xiàn)降水(圖9a—b)。到了19日20時(shí)(圖9c)，地面偏東氣流增強(qiáng)，鄭州西側(cè)700 hPa負(fù)散度中心也進(jìn)一步加強(qiáng)，同時(shí)伴有強(qiáng)的上升氣流和高空輻散區(qū)。從20日02時(shí)開始(圖9d)，114°E以西的地區(qū)均存在較強(qiáng)的上升氣流，并在近地面出現(xiàn)輻合中心，鄭州上空500 hPa附近出現(xiàn)了強(qiáng)度超過-10×10-5s-1的輻合中心，400 hPa以上為強(qiáng)輻散中心，上升氣流最強(qiáng)支也出現(xiàn)在鄭州上空。到了20日早上08時(shí)(圖9e)，112°E附近低層出現(xiàn)輻散中心，上升氣流減弱轉(zhuǎn)為下沉氣流，而在鄭州地區(qū)強(qiáng)輻合中心較02時(shí)下移至地面至500 hPa區(qū)域，并伴隨極強(qiáng)的上升氣流，對(duì)暴雨的發(fā)展十分有利。20日下午(圖9f—g)，鄭州低空強(qiáng)輻合中心已經(jīng)減弱并轉(zhuǎn)為輻散，但近地面依然存在較強(qiáng)的輻合。此時(shí)鄭州上空依然存在較強(qiáng)的上升氣流且隨高度向東傾斜，同時(shí)整個(gè)負(fù)散度柱也從地面到高空傾斜向上發(fā)展，這可能與暴雨區(qū)上空垂直風(fēng)切變?cè)黾佑嘘P(guān)，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)暴雨過程中鄭州上空垂直風(fēng)切變有明顯增強(qiáng)，20日08—14時(shí)切變風(fēng)速由10 m·s-1增加到23 m·s-1(圖略)。20日20時(shí)開始，可以看到輻散區(qū)主要出現(xiàn)在鄭州以東的區(qū)域，同時(shí)上升氣流也主要在鄭州以東的區(qū)域維持，輻合區(qū)以及上升氣流均隨時(shí)間變化有所加強(qiáng)并且出現(xiàn)隨高度傾斜發(fā)展的特點(diǎn)，低層強(qiáng)輻合區(qū)出現(xiàn)在114°E以東，而鄭州低空輻合區(qū)減弱，表明此時(shí)降水系統(tǒng)開始逐漸向東移出鄭州地區(qū)轉(zhuǎn)而開始影響河南東部地區(qū)(圖9h—i)。

5 結(jié)論

針對(duì)2021年7月19—21日在河南省發(fā)生了罕見的極端暴雨事件。本文分析了其形成過程，并從大尺度環(huán)流形勢(shì)及中尺度天氣系統(tǒng)共同作用，以及暴雨發(fā)生時(shí)動(dòng)力、熱力條件等角度分析了此次降水過程的致災(zāi)機(jī)理，主要結(jié)論如下：

(1)“21.7”極端暴雨過程主要出現(xiàn)在鄭州及其附近地區(qū)，存在累計(jì)降水量大、降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、短時(shí)降水強(qiáng)度大等特點(diǎn)。鄭州站在此次暴雨過程中累計(jì)降水量達(dá)732 mm，超過了鄭州站年平均降水量，在20日17時(shí)鄭州站小時(shí)降水量達(dá)到了201.9 mm·h-1，超過了河南“75.8”極端降水的歷史記錄。

(2)大氣環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定，200 hPa低壓槽有利于冷空氣南下造成輻散，500 hPa副高與大陸高壓對(duì)峙，使河南處于低壓輻合區(qū)，高層存在有利的高空輻散低空輻合配置，加之低層切變線以及地面輻合線在鄭州地區(qū)維持，穩(wěn)定少動(dòng)，為降水的產(chǎn)生以及加強(qiáng)提供了有利的環(huán)境場(chǎng)。

(3)西太平洋副高加強(qiáng)西伸過程中，其南側(cè)的臺(tái)風(fēng)“煙花”隨之西進(jìn)，兩者之間的東南風(fēng)加強(qiáng)，將太平洋上的水汽源源不斷的輸送至河南地區(qū)，加之河南與山西交界處太行山脈的阻擋，水汽在鄭州地區(qū)堆積，為強(qiáng)降水提供了充足的水汽條件。

(4)低空急流的發(fā)展與降水增強(qiáng)過程相對(duì)應(yīng)，是此次強(qiáng)降水過程的主要觸發(fā)因子。低空急流的加強(qiáng)在鄭州地區(qū)形成正渦度柱和低層強(qiáng)輻合柱的動(dòng)力耦合，同時(shí)與地形作用形成地形抬升造成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成了強(qiáng)降水產(chǎn)生的動(dòng)力條件，同時(shí)低空急流將水汽輸送至鄭州地區(qū)，鄭州地區(qū)低層高能高濕，具備較強(qiáng)的不穩(wěn)定條件，在急流的作用下極易觸發(fā)對(duì)流活動(dòng)。