蘇愛芳 席 樂 呂曉娜 崔麗曼 張 寧

1 中國氣象局(河南)農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，鄭州 450003 2 河南省氣象臺，鄭州 450003

提 要： 利用探空、地面自動站、多普勒雷達(dá)等觀測資料及ERA5再分析產(chǎn)品，對2021年7月17—22日豫北地區(qū)的極端暴雨過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明，極端暴雨過程具有強(qiáng)降水持續(xù)時間長、降水強(qiáng)度極端及地形影響明顯等特征。極端暴雨過程發(fā)生于穩(wěn)定的大尺度天氣形勢下，在日本海高壓西伸及臺風(fēng)煙花(2106號)、查帕卡(2107號)西北行背景下，黃淮低渦外圍加強(qiáng)北上的東南急流/偏南急流為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了異常充足的水汽、能量條件，對流層中低層暖濕平流強(qiáng)迫、疊加地形影響的強(qiáng)動力輻合抬升作用及低空弱冷空氣擴(kuò)散南下是形成強(qiáng)降水的重要條件，而大氣“強(qiáng)-弱-強(qiáng)-弱”的對流不穩(wěn)定層結(jié)特征轉(zhuǎn)化說明強(qiáng)降水過程中存在著兩種互補(bǔ)的物理機(jī)制。不同階段極端短時強(qiáng)降水(小時降水量≥50 mm)對流系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和發(fā)展演變特征不同，但從雷達(dá)回波的垂直分布來看，系統(tǒng)均具有“低質(zhì)心”特征，質(zhì)心強(qiáng)度≥55 dBz且≥50 dBz強(qiáng)回波垂直伸展至5～8 km、持續(xù)時間1 h以上。強(qiáng)降水對流系統(tǒng)在太行山前30 km左右范圍內(nèi)的后向發(fā)展特征明顯，一方面與地面西行偏東風(fēng)/東北風(fēng)在太行山繞流作用下形成的地形輻合線不斷南伸有關(guān)，另一方面也與強(qiáng)降水冷池效應(yīng)促使山前偏北風(fēng)進(jìn)一步發(fā)展南下有關(guān)。

引 言

豫北地區(qū)地處華北南部、太行山東麓，指河南位于黃河以北的區(qū)域，包括安陽、鶴壁、濮陽、新鄉(xiāng)、焦作和濟(jì)源示范區(qū)6個地級市(示范區(qū))(圖1)，歷史上曾遭遇過“63·8”“96·8”等嚴(yán)重的暴雨洪澇災(zāi)害(陶詩言，1980；張文龍和崔曉鵬，2012)。2021年7月下旬，繼20日鄭州極端暴雨災(zāi)害事件后，豫北20日下午至22日連續(xù)出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降水，與17日開始持續(xù)出現(xiàn)的對流性強(qiáng)降水疊加，導(dǎo)致了嚴(yán)重的山洪、泥石流災(zāi)害，中小河流、水庫承擔(dān)了極高風(fēng)險，共產(chǎn)主義渠和衛(wèi)河新鄉(xiāng)、鶴壁段多處發(fā)生決口，大范圍糧田被淹沒，交通、通信、水電設(shè)施等大范圍損毀，人員傷亡嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以百億(簡稱豫北“21·7”極端暴雨過程)。

圖1 河南省行政區(qū)劃及地形(填色)(框內(nèi)為豫北地區(qū)，填色區(qū)為太行山區(qū)，藍(lán)線為黃河河道線)Fig.1 Administrative division of northern Henan(box: the northern Henan, colored area: Taihang Mountains, blue line： Yellow River Channel)

華北暴雨(豫北暴雨屬華北暴雨研究范疇)一直是我國氣象學(xué)者關(guān)注的重點，相關(guān)研究涵蓋了大尺度環(huán)流形勢及中低緯度系統(tǒng)相互作用、水汽輸送、高低空急流、暴雨中尺度系統(tǒng)、復(fù)雜地形等(張文龍和崔曉鵬，2012；趙思雄等，2018)。丁一匯等(1980)歸納了華北暴雨天氣形勢：(1)在東高西低或兩高壓對峙的環(huán)流形勢下，當(dāng)長波槽位于100°～110°E時，對華北暴雨最有利；當(dāng)北面形成高壓壩時，北上臺風(fēng)深入內(nèi)陸受阻或切斷低渦穩(wěn)定少動也會造成暴雨。(2)低渦、暖切變線和低槽冷鋒是造成華北暴雨的主要天氣尺度系統(tǒng)。(3)華北強(qiáng)烈的暴雨大部分出現(xiàn)在兩個或兩個以上天氣系統(tǒng)的相互作用或相互疊加的情況下，暖切變線與低渦相疊加；低槽冷鋒與低渦疊加；(南北或東西方向)低槽合并和加強(qiáng)；高空冷渦與臺風(fēng)或西南渦結(jié)合。(4)大部分暴雨發(fā)生時有低空急流出現(xiàn)。(5)華北地形對暴雨的出現(xiàn)有一定作用。

近年來，東風(fēng)氣流與暴雨的關(guān)系、太行山地形對暴雨的影響以及極端暴雨發(fā)生發(fā)展的中尺度過程成為華北暴雨研究的焦點問題(陶祖鈺和成秋影，1981；徐國強(qiáng)等，1999；孫繼松和楊波，2008；孫繼松等，2012；孫建華等，2005；2013；廖菲等，2009；張文龍和崔曉鵬，2012；諶蕓等，2012；孫軍等，2012；俞小鼎，2012；2013；陳明軒等，2013；Zhong et al,2015；吳慶梅等，2015；閆冠華等，2015；符嬌蘭等，2017；王叢梅等，2017；栗晗等，2018；章翠紅等，2018；Fu et al,2020)。孫繼松和楊波(2008)的研究表明，在太行山東側(cè)為低空東風(fēng)氣流的背景下，當(dāng)垂直于山體的氣流隨高度減小時，地形的作用表現(xiàn)為迎風(fēng)坡上水平輻合造成氣旋式渦度增加，對迎風(fēng)坡降水產(chǎn)生明顯增幅作用，由城市熱島形成的水平溫度梯度可能在靠近城區(qū)的山前迎風(fēng)坡強(qiáng)迫產(chǎn)生相對獨立的中尺度風(fēng)垂直切變，由此產(chǎn)生的低空風(fēng)的垂直切變是維系中尺度對流降水發(fā)生、發(fā)展的重要條件，強(qiáng)降水形成吹向迎風(fēng)坡的風(fēng)與降水強(qiáng)度之間的正反饋現(xiàn)象，對中尺度暴雨的形成起重要作用。俞小鼎(2012)指出北京及其周邊地區(qū)1 000～2 000 J·kg-1的濕對流有效位能(CAPE)、深厚的濕層、強(qiáng)的低空急流、高的地面露點溫度(Td)和異常大的可降水量(PW)等環(huán)境條件有利于北京“7·21”大暴雨的出現(xiàn)，極端降水中尺度對流系統(tǒng)起源于類似熱帶氣旋形態(tài)的中尺度渦旋的發(fā)展，低空急流在太行山東坡被強(qiáng)迫抬升導(dǎo)致新單體不斷在強(qiáng)降水區(qū)西南側(cè)生成，向西南方向的后向傳播和速度更快向東北向平流導(dǎo)致對流單體反復(fù)經(jīng)過同一區(qū)域，形成“列車效應(yīng)”，以及逐漸增加的深層垂直風(fēng)切變導(dǎo)致很多小型超級單體形成，其內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)與環(huán)境垂直風(fēng)切變的相互作用導(dǎo)致更強(qiáng)的上升氣流、更大雨強(qiáng)和更長的對流單體生命史，都有利于極端降水的形成。陳明軒等(2013)的研究表明，在“7·21”極端暴雨過程中，低層動力場和地形強(qiáng)迫對中尺度對流系統(tǒng)(MCS)的觸發(fā)、增強(qiáng)和維持起關(guān)鍵作用，隨著急流加強(qiáng)，強(qiáng)降水區(qū)域呈現(xiàn)與地形走向接近的“西南一東北”向帶狀分布，單體移動具有明顯的“列車效應(yīng)”，而整體則向東偏南緩慢傳播，在傳播前沿(山前)形成強(qiáng)的出流風(fēng)場，低層2 km以下均為深厚的輻合上升區(qū)且進(jìn)一步加強(qiáng)，有利于長時間“列車效應(yīng)”的維持和發(fā)展；出流風(fēng)場與平原地區(qū)近地面偏南風(fēng)交匯，使得在距傳播前沿約50 km的、已經(jīng)存在的一個接近“西西南—東東北”走向的出流邊界明顯增強(qiáng)，在MCS傳播前沿存在較為明顯的0～3 km風(fēng)的強(qiáng)垂直切變，風(fēng)垂直切變與MCS之間存在明顯的正反饋效應(yīng)。

綜合來看，極端暴雨的天氣形勢及其中小尺度過程復(fù)雜，每個過程都值得深入開展研究。豫北“21·7”極端暴雨過程的持續(xù)時間和降水強(qiáng)度都超過北京“7·21”和華北“16·7”過程，產(chǎn)生如此極端降水的系統(tǒng)是怎樣發(fā)展起來的？其天氣背景、中尺度特征及成因是什么？都是非常具有研究價值的問題。本文擬采用常規(guī)探空、地面自動站、多普勒雷達(dá)等觀測資料以及ERA5再分析資料，探究豫北“21·7”極端暴雨過程的特征和成因，旨在為北方極端暴雨預(yù)報預(yù)警提供參考依據(jù)。

1 降水極端性特征分析

文中所用降水資料源于中國氣象局CIMISS數(shù)據(jù)庫，小時降水量是指小時整點降水?dāng)?shù)據(jù)。

2021年7月17日08時至23日08時(北京時，下同)，豫北大部累計降水量超250 mm，太行山區(qū)及其東側(cè)累計降水量超600 mm，尤其安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作等地的沿山地帶局地超800 mm，超過當(dāng)?shù)貒覛庀笥^測站年平均降水量(546～649 mm)，其中鶴壁科創(chuàng)中心站累計降水量達(dá)1 122.6 mm(圖2a)，接近鶴壁市年降水量極值(1 393 mm)、年平均降水量(593 mm)的2倍；安陽、湯陰、鶴壁、淇縣、衛(wèi)輝、焦作、博愛、溫縣等國家級氣象站的日降水量(20日20時至21日20時)突破建站以來的歷史極值。

逐日降水分析表明，17日08時至18日08時豫北地區(qū)降水主要為由南太行山區(qū)分散性對流降水導(dǎo)致的局地暴雨(圖略)，18—21日降水加強(qiáng)(圖2b～2e)：18日08時至19日08時暴雨、大暴雨分布在北部和太行山區(qū)及沿山地帶，輝縣萬仙山站降水量為169 mm；19日08時至20日08時暴雨、大暴雨分布在南部和太行山區(qū)及沿山地帶，焦作溫縣關(guān)白莊站降水量最大為200.5 mm；20日08時至21日08時降水普遍達(dá)大暴雨量級，新鄉(xiāng)南部出現(xiàn)特大暴雨，原陽縣大賓站24 h降水量達(dá)334 mm；21日08時至22日08時為豫北最強(qiáng)降水時段，太行山區(qū)及沿山地帶24 h降水量超600 mm，鶴壁市科創(chuàng)中心站達(dá)777.5 mm，遠(yuǎn)超其附近國家級氣象站淇縣站的日降水量極值(353 mm)。22日08時至23日08時沿山地區(qū)為分散性暴雨、大暴雨(圖2f)，過程趨于結(jié)束。

圖2 2021年7月(a)豫北“21·7”過程累計降水量和(b)19日、(c)20日、(d)21日、(e)22日、(f)23日降水量Fig.2 (a) Accumulated rainfall in northern Henan during the process and (b-f) 24 h accumulated rainfallon (b) 19 July, (c) 20 July, (d) 21 July, (e) 22 July, (f) 23 July 2021

我國中東部地區(qū)小時降水量≥20 mm定義為短時強(qiáng)降水、小時降水量≥50 mm為極端短時強(qiáng)降水(俞小鼎，2013；鄭永光等，2017)。圖3a顯示，18—22日豫北多站次出現(xiàn)極端短時強(qiáng)降水：18日14—20時極端短時強(qiáng)降水出現(xiàn)在安陽、濮陽兩地，20日08時至21日08時極端短時強(qiáng)降水出現(xiàn)在新鄉(xiāng)市南部和東部平原地帶，21日08時至22日08時，極端短時強(qiáng)降水范圍最大、強(qiáng)度最強(qiáng)，降水強(qiáng)度超過100 mm·h-1，主要分布在太行山前30 km左右范圍內(nèi)。極端短時強(qiáng)降水集中出現(xiàn)在18日18—19時、20日13—22時、21日01—02時、21日16—22時和22日03—06時。其中，21日下午到夜里，極端短時強(qiáng)降水范圍最大、強(qiáng)度最強(qiáng)。21日下午的極端短時強(qiáng)降水集中出現(xiàn)在鶴壁西部山前，21日前半夜的極端短時強(qiáng)降水出現(xiàn)在新鄉(xiāng)西部，21日后半夜(22日凌晨)的短時強(qiáng)降水集中出現(xiàn)在安陽西部的山前地區(qū)，即極端短時強(qiáng)降水落區(qū)具有沿山分布特征，且表現(xiàn)為先自北向南移動、再向北移動的特征。選取累計降水量較大的鶴壁科創(chuàng)中心(1 122.6 mm)、新鄉(xiāng)牧野鄉(xiāng)站(935.2 mm)、安陽六十五中站(889.7 mm)的小時降水進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鶴壁科創(chuàng)中心站、新鄉(xiāng)牧野鄉(xiāng)站、安陽六十五中站分別于21日15時、20時、21時和22日05時、06時出現(xiàn)超過100 mm·h-1的極強(qiáng)雨強(qiáng)，牧野鄉(xiāng)站21日20—21時雨強(qiáng)最大，達(dá)149.9 mm·h-1，鶴壁科創(chuàng)中心站的雨強(qiáng)略弱于牧野鄉(xiāng)站，但先后出現(xiàn)4次50 mm·h-1以上、1次100 mm·h-1以上的強(qiáng)降水，15時最大雨強(qiáng)為120.5 mm·h-1，安陽六十五中的雨強(qiáng)峰值出現(xiàn)時間最晚，在22日04—05時，為138 mm·h-1。

圖3 2021年7月(a)18日14時至22日08時豫北極端短時強(qiáng)降水空間分布(陰影，地形高度)和(b)20日02時至22日14時新鄉(xiāng)牧野鄉(xiāng)、鶴壁科創(chuàng)中心和安陽六十五中逐小時降水強(qiáng)度Fig.3 (a) Distribution of extreme short-time heavy precipitation every 6 h from 14:00 BT 18 to 08:00 BT 22 July (shaded, terrain height),(b) series of hourly rainfall intensity from 02:00 BT 20 to 14:00 BT 22 at Muyexiang Station of Xinxiang, Kechuangzhongxin Station of Hebi and Liushiwuzhong Station of Anyang in July 2021

綜合來看，極端暴雨過程具有強(qiáng)降水持續(xù)時間長，極端性強(qiáng)、地形作用明顯等特征，太行山沿山地區(qū)出現(xiàn)過程累計降水量超過當(dāng)?shù)貒覛庀笳練v史年平均降水量、日降水量突破建站以來歷史極值的極端降水。過程前期極端短時強(qiáng)降水較分散，20日下午至22日凌晨范圍明顯增大，強(qiáng)降水首先出現(xiàn)在新鄉(xiāng)中東部平原，然后是鶴壁西部，其次是新鄉(xiāng)西部，最后是安陽西部，表現(xiàn)出自東南向西北移動，然后在沿山地帶自北向南擴(kuò)展，最后又自南向北移動的趨勢，最強(qiáng)降水時段為21日下午至夜里，山前降水雨強(qiáng)超100 mm·h-1。

2 極端暴雨的動力場結(jié)構(gòu)和環(huán)境特征

利用高空和地面觀測資料及ERA5再分析資料(時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°×0.25°)分析豫北極端暴雨的天氣形勢和生成條件。

2.1 動力場的中尺度特征及對流觸發(fā)

鄭州“7·20”極端暴雨形成于南亞高壓增強(qiáng)東伸、臺風(fēng)煙花、查帕卡西行、黃淮低渦發(fā)展及低空東南急流增強(qiáng)北上的過程中(蘇愛芳等，2021；冉令坤等，2021；張霞等，2021；汪小康等，2022；楊浩等，2022)，對比分析發(fā)現(xiàn)，東南急流不斷向西北方向發(fā)展加強(qiáng)、擴(kuò)散南下弱冷空氣及其與太行山相互作用是豫北17—18日暴雨的主要成因，豫北19—20日的大暴雨形成、發(fā)展于鄭州“7·20”特大暴雨相同背景下，而21日特大暴雨是20日強(qiáng)降水落區(qū)北移的結(jié)果，其形成、發(fā)展的天氣形勢具有以下特點：(1)21日08時(圖4a1，4b1，4c1)，200 hPa南亞高壓脊繼續(xù)向東北方向發(fā)展，河套槽南伸，槽上河套東部有低渦發(fā)展，低渦槽前西南/偏西風(fēng)大風(fēng)速軸(最大風(fēng)速達(dá)30 m·s-1)北移，強(qiáng)輻散區(qū)位于豫北東部，沿山地帶為弱輻合區(qū)(圖略)；500 hPa黃淮低渦北移至河套東部低渦對應(yīng)位置，東西向切變線也北抬至冀豫交界處，豫北受切變線南側(cè)偏南氣流影響，但沿山地帶為輻散區(qū)；850 hPa 豫北地區(qū)受兩支氣流影響：一支為源于日本海高壓和“煙花”之間的東南氣流，另一支源自“查帕卡”外圍的偏南氣流，兩支氣流在河南境內(nèi)沿黃河一帶加強(qiáng)為急流(風(fēng)速≥12 m·s-1)并在豫北太行山東側(cè)匯合，與太行山地形相互作用形成強(qiáng)輻合，科創(chuàng)中心站附近中高層強(qiáng)輻散與低層強(qiáng)輻合區(qū)耦合發(fā)展形成中尺度次級環(huán)流，為豫北強(qiáng)降水對流系統(tǒng)的形成發(fā)展提供了有利條件(圖4a1，4b1，4c1)。(2)21日20時，200 hPa河套槽前高壓脊上大風(fēng)速軸向西南方向伸展，安陽西部處于大風(fēng)軸后發(fā)展的輻散區(qū)內(nèi)(圖略)，對應(yīng)500 hPa沿山地帶為強(qiáng)輻散區(qū)，850 hPa 急流向南擺動，急流出口位于新鄉(xiāng)西部，強(qiáng)降水中心由安陽、鶴壁西部南移到新鄉(xiāng)西部，牧野鄉(xiāng)站附近的散度和風(fēng)矢量垂直剖面顯示，此時由環(huán)境動力場形成的低層輻合、中高層輻散減弱(圖4a2，4b2，4c2)，而此時降水強(qiáng)降卻更強(qiáng)，可能與局地對流能量高及對流尺度的動力場結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。隨后，高低空急流減弱逐漸北抬到河北境內(nèi)，豫北強(qiáng)降水落區(qū)北移、過程結(jié)束。在整個過程中，豫北上空500 hPa 和850 hPa等壓線、等溫線稀疏，說明無明顯由溫度變化引發(fā)的鋒生作用，不同時段降水強(qiáng)度和落區(qū)有所差別主要是由不同時段低空輻合、中高層輻散的動力耦合作用強(qiáng)度差異及位置差別所導(dǎo)致。

圖4 2021年7月21日(a1,b1，c1)08時和(a2,b2,c2)20時(a1,a2)500 hPa、(b1,b2)850 hPa的天氣形勢(黑線:等高線，dagpm；紅線:等溫線，單位：℃)、散度場(填色)及風(fēng)場(風(fēng)羽)(:臺風(fēng)位置)，(c1，c2)科創(chuàng)中心站附近散度(填色)、假相當(dāng)位溫θse(等值線，單位：K)和風(fēng)矢的緯向-垂直分布(紅色五角星代表站點位置)，(a3,b3,c3)21日08時(a3)850 hPa渦度(填色)、(b3)925 hPa散度(填色)及(c3)PW異常度(填色)Fig.4 Synoptic charts at (a1, a2) 500 hPa and (b1, b2) 850 hPa at (a1, b1, c1) 08:00 BT and (a2, b2， c2) 20:00 BT 21 July (black line: geopotential height, unit: dagpm; red dashed line: isotherm, unit:℃), divergence (colored) and wind field (barb) (: position of typhoon); (c1, c2) vertical zonal distributions of divergence (colored), θse (contour, unit: K) and wind vector (arrow) along Kechuangzhongxin Station (red star: the position of station); (a3, b3, c3) multiples of the standard deviation of physical quantity relative to climate state divergence: (a3) vorticity (colored) at 850 hPa, (b3) divergence (colored) at 925 hPa and (c3) PW anomaly degree (colored) at 08:00 BT 21 July 2021

此外，21日08時科創(chuàng)中心站和21日20時牧野鄉(xiāng)站上空輻合區(qū)均位于700 hPa以下，正垂直渦度大值區(qū)及垂直上升運動區(qū)從邊界層伸展至400 hPa 附近，輻合、輻散中心強(qiáng)度分別為-5×10-4s-1、7.2×10-4s-1，高層為弱的輻合、輻散結(jié)構(gòu)，且垂直散度場呈現(xiàn)出“+”“-”“+”“-”的耦合特征、低空動力輻合上升運動區(qū)的寬度不足100 km是β中尺度對流系統(tǒng)形成發(fā)展的有利結(jié)構(gòu)，尤其在1 000～400 hPa存在假相當(dāng)位溫θse隨高度減小的對流不穩(wěn)定層結(jié)條件下(圖4c1,4c2)，對流系統(tǒng)更容易發(fā)展。需要關(guān)注的是，21日08時輻散層低、垂直上升運動僅伸展至400 hPa附近，可能由于低空急流水平尺度小、急流與地形相互作用產(chǎn)生的水平輻合尺度也小造成的。張霞等(2021)曾對“21·7”河南極端強(qiáng)降水過程低空動力因子的平均異常度進(jìn)行了分析，指出850 hPa輻合平均偏離氣候態(tài)超過3σ，但若聚焦于豫北強(qiáng)降水中心附近，發(fā)現(xiàn)21日08時沿山區(qū)域的850 hPa正渦度和925 hPa負(fù)散度的異常度更突出，分別為13σ和15σ(圖4a3,4b3)，尤其20—23時，925 hPa垂直上升速度異常度達(dá)7σ(圖略)。

根據(jù)上文的分析，強(qiáng)而持續(xù)的低空輻合抬升是形成極端暴雨關(guān)鍵動力因子。從科創(chuàng)中心站附近風(fēng)場的垂直演變(圖5a)來看，18日17時前后925 hPa出現(xiàn)12 m·s-1超低空急流，安陽、濮陽等地出現(xiàn)極端短時強(qiáng)降水，20日14時后，整層風(fēng)速較前期明顯增大，伴隨著中層?xùn)|南氣流轉(zhuǎn)為偏南急流，豫北地區(qū)南部出現(xiàn)強(qiáng)降水；21日08時至22日08時，850～925 hPa附近的東南急流強(qiáng)盛，中層偏南氣流持續(xù)發(fā)展，風(fēng)隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，暖平流強(qiáng)迫是21日豫北地區(qū)極強(qiáng)降水形成和發(fā)展的重要機(jī)制。21日08時低空溫度平流水平分析(圖5b)顯示，黃淮地區(qū)東南/偏南急流前部為強(qiáng)盛的暖平流帶(中心值達(dá) 70.2×10-5℃·s-1)，而此時500 hPa與925 hPa的差動渦度平流最大達(dá)26×10-9s-2(圖略)，相對于微小的差動渦度平流的強(qiáng)迫作用，東南急流帶來的寬約60 km的中尺度暖平流強(qiáng)迫在極端暴雨過程中的作用明顯，這也是925 hPa強(qiáng)輻合區(qū)較窄的原因之一。另外，21日14時(圖5a)近地層?xùn)|北氣流灌入使豫北沿山附近形成向南的弱冷平流，冷暖平流交匯導(dǎo)致降水加強(qiáng)，盡管此時暖平流和差動渦度平流中心值分別減弱至44×10-5℃·s-1、11.7×10-9s-2，但由強(qiáng)降水帶來的潛熱釋放通量最大值從2×105W·m-2·s-1增至12×105W·m-2·s-1(圖略)，促使上升運動加強(qiáng)，綜合作用下降水強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)、降水效率加大。

圖5 2021年7月(a)18日08時至22日08時科創(chuàng)中心站附近的風(fēng)垂直變化(黑線，≥8 m·s-1的風(fēng)速線)和(b)21日08時的925 hPa溫度平流(填色，單位：10-5 ℃·s-1)及風(fēng)場(風(fēng)羽)Fig.5 (a) Vertical variation of wind field and isotach (black line, ≥8 m·s-1) at Kechuangzhongxin Station from 08:00 BT 18 to 08:00 BT 22 July, (b) temperature advection (colored, unit: 10-5 ℃·s-1) and wind field (barb) at 925 hPa at 08:00 BT 21 July 2021

2.2 熱力環(huán)境條件特征

根據(jù)圖4c3，21日08時河南大部水汽異常偏高，豫北地區(qū)PW的氣候標(biāo)準(zhǔn)差>2σ，選用鄭州、邢臺兩個探空站的探空數(shù)據(jù)計算分析極端強(qiáng)降水發(fā)生時段的PW和靜力穩(wěn)定度特征，發(fā)現(xiàn)17日08時至20日08時鄭州站上空整層可降水量由51 mm增加至67 mm(蘇愛芳等，2021)，20日14時至21日14時整體在62 mm以上，21日20時升至67 mm，超過了北京2012年“7·21”和2016年“7·20”的PW(田付友等，2021)，盡管邢臺站的水汽條件略差，但大部分時次的PW在52～57 mm，尤其21日20時升至63 mm，說明從河南中部到河北南部的PW都很高，可滿足21日豫北強(qiáng)降水的需求。根據(jù)圖6計算環(huán)境能量條件，發(fā)現(xiàn)20日14時受降水影響鄭州CAPE減小至91.5 J·kg-1、LI為0℃，環(huán)境近于中性，中性層結(jié)的飽和濕環(huán)境有利于垂直運動和β中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展(許煥斌和丁正平，1997)，21日白天鄭州有出現(xiàn)少云天氣，高層水汽蒸發(fā)使14時和20時的CAPE增大至3 070 J·kg-1和3 124 J·kg-1， LI分別減小至-6.0℃和-6.3℃，說明大氣異常不穩(wěn)定，高的CAPE可為21日午后豫北沿山地帶強(qiáng)降水的發(fā)生提供支持；邢臺站上空的對流不穩(wěn)定條件較鄭州稍弱，但20日20時極強(qiáng)降水發(fā)生前CAPE也高達(dá) 2 461 J·kg-1、LI為-4.2℃，盡管21日14時和20時降水發(fā)生后變?yōu)橹行詫咏Y(jié)，但也說明21日午后豫北極強(qiáng)降水的發(fā)展可能存在著兩種機(jī)制且為互補(bǔ)關(guān)系，其一是極高的濕對流潛勢環(huán)境條件下發(fā)展起來的，另一種為在中性層結(jié)中由旺盛的垂直運動發(fā)展引發(fā)的。此外，19日20時至22日08時鄭州站的K指數(shù)在38.4～39.1℃，且1 000 hPa 附近假相當(dāng)位溫θse≥80℃(353 K)，尤其21日20時超過90℃；邢臺站的K指數(shù)也在34℃以上，21日20時為37.4℃。需要說明的是，整個過程中兩站的對流抑制能量CIN幾乎為0，加上兩站的抬升凝結(jié)高度LCL接近地面，使得地表水汽很易被抬升、成云致雨，考慮到兩站20—22日0℃層均在5 km 左右，暖云層深厚(暖云層厚度在4.7～5.1 km)，有利于高效率降水的發(fā)生。22日08時，鄭州站的對流潛勢條件仍較好，但低空急流及動力抬升輻合區(qū)減弱、北抬到河北境內(nèi)，豫北強(qiáng)降水過程趨于結(jié)束。

圖6 2021年7月(a)20日14時和(b)21日14時鄭州探空曲線，(c)20日20時和(d)21日20時邢臺站探空曲線(綠線、藍(lán)線、紅線分別表示露點溫度、溫度層結(jié)和狀態(tài)曲線)Fig.6 Observational soundings of Zhengzhou at (a) 14:00 BT 20 and (b) 14:00 BT 21, Xingtai at (c) 20:00 BT 20 and (d) 20:00 BT 21 July 2021(Green, blue, red lines indicate dew point temperature, stratification and state curves, respectively)

總之，日本海高壓西伸、臺風(fēng)煙花、查帕卡西北行、低空急流發(fā)展北抬及異常充沛的能量和水汽條件是豫北極端暴雨的天氣背景，低空東南/偏南風(fēng)急流發(fā)展形成強(qiáng)的暖平流強(qiáng)迫是引發(fā)強(qiáng)降水的重要機(jī)制，太行山地形及邊界層擴(kuò)散南下的弱冷空氣對強(qiáng)降水也起抬升觸發(fā)作用，沿山地帶動力場的水平尺度和垂直結(jié)構(gòu)具有明顯的β中尺度特征，偏低的LCL、深厚的暖云層使得強(qiáng)降水的發(fā)生更為有利。

3 極端短時強(qiáng)降水對流系統(tǒng)的發(fā)展演變

用河南省境內(nèi)雷達(dá)(雷達(dá)站位于濮陽、鄭州、洛陽、商丘、平頂山)反射率拼圖資料和鄭州、濮陽雷達(dá)監(jiān)測產(chǎn)品及地面加密自動站資料，對豫北極端強(qiáng)降水對流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、發(fā)展演變特征及極端短時強(qiáng)降水的觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行分析。

3.1 強(qiáng)降水對流系統(tǒng)的形成發(fā)展和形態(tài)特征

豫北極端短時強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在20日13—22時、21日01—02時、21日16—22時和22日03—06時，各時段強(qiáng)降水中尺度對流系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和發(fā)展演變特征各有不同。

20日13—23時發(fā)生的極端短時強(qiáng)降水主要由低渦云系外圍的螺旋狀MCS引發(fā)。20日08時，鄭州西部受低渦外圍急流影響，螺旋式帶狀中尺度對流系統(tǒng)(MCS)不斷發(fā)展并向東北方向頻散(類似于臺風(fēng)外圍螺旋式MCS)，12:30低渦北部東風(fēng)急流內(nèi)帶狀MCS發(fā)展旺盛(圖7a)，13時在原陽縣北部、MCS西端形成中心強(qiáng)度超過55 dBz的MCS，原陽縣路寨站出現(xiàn)雨強(qiáng)為76.6 mm·h-1的短時強(qiáng)降水。13時后低渦云系北移，受其外圍螺旋式帶狀MCS影響，15—16時安陽滑縣、新鄉(xiāng)原陽、長垣境內(nèi)，21—23時新鄉(xiāng)原陽縣、封丘縣境內(nèi)間斷出現(xiàn)分散性極端短時強(qiáng)降水，其中16時長垣縣佘家站降水強(qiáng)度最強(qiáng)，為84.7 mm·h-1。

21日01—02時極端短時強(qiáng)降水由南北向條狀MCS引發(fā)。條狀對流系統(tǒng)是23時前后由低渦云系外圍發(fā)展的對流云組合形成的，20日23時至21日00時，隨著低渦切變線的北移，豫東地區(qū)低空東南急流轉(zhuǎn)為偏南急流，急流軸左側(cè)對流云發(fā)展旺盛，21日00時前后在開封、許昌東部形成南北向排列的MCS(圖7b)，21日00—02時隨著低空急流北抬、MCS向北收縮，≥50 dBz的強(qiáng)降水回波不斷經(jīng)過新鄉(xiāng)地區(qū)東部，最強(qiáng)回波達(dá)55 dBz，在“列車效應(yīng)”作用下新鄉(xiāng)市東部封丘和長垣兩縣東部連續(xù)出現(xiàn)極端短時強(qiáng)降水，封丘縣尹崗最強(qiáng)達(dá)88 mm·h-1。

圖7 2021年7月(a)20日12:30和(b)21日00:00,(c)15:30,(d)19:30,(e)20:30,(f)22日04：00的雷達(dá)組合反射率(填色)和50 mm·h-1以上的極端短時強(qiáng)降水(藍(lán)點)Fig.7 Distribution of radar composite reflectivity (colored) and extreme short-time heavy precipitation (≥50 mm·h-1, blue dot) at (a) 12:30 BT 20, (b) 00:00 BT 21, (c) 15:30 BT 21, (d) 19:30 BT 21, (e) 20:30 BT 21, (f) 04:00 BT 22 July 2021

21日16—22時和22日03—06時，極端短時強(qiáng)降水由沿山發(fā)展的MCS造成的。21日13時前后，鶴壁境內(nèi)再次有對流云團(tuán)形成并發(fā)展北移，14時在鶴壁西部至安陽中部又形成一長度約60 km的結(jié)構(gòu)緊湊的條狀MCS，其中心強(qiáng)度≥50 dBz，15:30 強(qiáng)度超過60 dBz(圖7c)，受其影響科創(chuàng)中心站出現(xiàn)120.5 mm·h-1強(qiáng)降水。15—20時，低空偏南急流北進(jìn)，沿山MCS向北平移，但表現(xiàn)出明顯的后向發(fā)展特征(Bluestein and Jain，1985)，15時MCS后向發(fā)展至新鄉(xiāng)西部，牧野鄉(xiāng)站附近的對流云發(fā)展旺盛，中心強(qiáng)度≥60 dBz，MCS穩(wěn)定少動給該地區(qū)造成極端強(qiáng)降水。需要關(guān)注的是，21日下午豫南地區(qū)有一弧狀MCS發(fā)展北移，19:30移至鄭州至周口一帶(圖7d)，20—22時其西北端與牧野鄉(xiāng)站附近的MCS合并加強(qiáng)，21時牧野鄉(xiāng)站降水強(qiáng)度達(dá)149.9 mm·h-1(圖7e)；隨后，沿山地區(qū)的MCS收縮北移，弧狀MCS北移至安陽地區(qū)減弱。22日00時沿山減弱向北收縮至鶴壁、安陽西部的MCS上再次有強(qiáng)度≥50 dBz對流云團(tuán)發(fā)展并維持2～3 h，六十五中站05時、06時小時降水強(qiáng)度分別達(dá)138.0 mm·h-1和116.0 mm·h-1。

鶴壁科創(chuàng)中心站的過程累計降水量最大(1 122.6 mm)，最強(qiáng)降水出現(xiàn)在21日15時，雨強(qiáng)達(dá)120.5 mm·h-1；新鄉(xiāng)牧野鄉(xiāng)站的小時雨強(qiáng)最強(qiáng)，21日18時達(dá)149.9 mm·h-1，過程累計降水量為935.2 mm。從雷達(dá)回波時間-高度演變(圖8)來看，兩站的雷達(dá)回波和小時降水具有相似的演變特征，持續(xù)受到強(qiáng)度≥40 dBz的強(qiáng)對流回波影響，強(qiáng)降水系統(tǒng)整體表現(xiàn)為低質(zhì)心結(jié)構(gòu)。比較而言，科創(chuàng)中心站受強(qiáng)度超50 dBz的回波影響頻次較多，有11次，對應(yīng)出現(xiàn)11次短時強(qiáng)降水，且對流發(fā)展較為旺盛，回波頂高在9～12 km，而新鄉(xiāng)牧野鄉(xiāng)站有7個時次受到50 dBz強(qiáng)回波影響，對應(yīng)7次短時強(qiáng)降水。在兩站小時降水峰值出現(xiàn)時，系統(tǒng)表現(xiàn)出相似的旺盛發(fā)展的對流云結(jié)構(gòu)特征(強(qiáng)回波中心≥55 dBz)，但牧野鄉(xiāng)站50 dBz以上強(qiáng)度的回波高度更高，持續(xù)時間更長，兩站出現(xiàn)≥100 mm·h-1強(qiáng)度降水時，≥50 dBz 的強(qiáng)回波持續(xù)時間約80、100 min，且短時出現(xiàn)了≥55 dBz的強(qiáng)中心?？梢?，更加旺盛和持續(xù)的對流系統(tǒng)有利于降水強(qiáng)度的增強(qiáng)，50 dBz強(qiáng)降水回波的形成、持續(xù)60 min以上，且伸展到5 km高度或許可作為小時雨強(qiáng)≥100 mm·h-1的判識指標(biāo)。

3.2 沿山極端強(qiáng)降水對流系統(tǒng)的成因分析

21日下午到夜里，極端短時強(qiáng)降水在沿太行山地區(qū)發(fā)展。14—17時，地形輻合線及其附近的長約60 km、中心強(qiáng)度≥40 dBz的條狀MCS穩(wěn)定維持在山前，此時山前存在由東風(fēng)氣流在西進(jìn)過程中與北方沿山南下的西北風(fēng)或偏北風(fēng)交匯形成的地面輻合線，14時濮陽雷達(dá)徑向風(fēng)(圖0.5°仰角)監(jiān)測顯示，在安陽、鶴壁西部沿山地帶0.8 km左右的高度上仍可監(jiān)測到邊界層輻合線，而該區(qū)域西側(cè)山體最高海拔高度最高在0.5～0.8 km，可見邊界層輻合區(qū)有一定的厚度，一方面是與地形作用形成的輻合有關(guān)，另一方面也可能是由北方擴(kuò)散南下弱冷空氣或降水所致，總體來看由地面伸展至0.8 km附近的邊界層輻合線有利于對流系統(tǒng)的觸發(fā)，14時極端短時強(qiáng)降水首先發(fā)生在安陽、鶴壁西部，然后北擴(kuò),受日變化影響，隨后22℃等溫線西移南壓、山前偏北風(fēng)南侵，導(dǎo)致對流系統(tǒng)后向傳播發(fā)展特征明顯，17時極端強(qiáng)降水系統(tǒng)南移至新鄉(xiāng)西部，這一階段15時極端短時強(qiáng)降水范圍最大，17時落區(qū)最偏南，此時引導(dǎo)氣流為偏南風(fēng)，系統(tǒng)表現(xiàn)為北傳減弱的移動態(tài)勢(圖9a1，9b1)。17—18時，MCS后向發(fā)展到新鄉(xiāng)西部，牧野鄉(xiāng)站附近出現(xiàn)強(qiáng)度≥60 dBz強(qiáng)回波并維持(圖略)，造成該區(qū)域持續(xù)強(qiáng)降水，其中18—19時和19—20時局地雨強(qiáng)分別達(dá)130.1 mm·h-1和131.1 mm·h-1；與此同時，鄭州至周口地區(qū)有一弧狀對流系統(tǒng)形成并發(fā)展北移，其西北端與新鄉(xiāng)西部的對流系統(tǒng)合并(見圖9a2，9a3)，速度場中，20時鄭州附近為一致的偏南風(fēng)，同時新鄉(xiāng)東北部輻合與圖9a2近地面輻合位置接近，偏北風(fēng)繼續(xù)加強(qiáng)南壓，與偏南風(fēng)在新鄉(xiāng)附近輻合加強(qiáng)(圖9b2，9b3)，對即對流層低層南北兩系統(tǒng)的碰并，在碰并區(qū)附近形成強(qiáng)烈的中尺度輻合抬升運動，配合局地強(qiáng)降水產(chǎn)生地面冷池(冷堆)的中尺度強(qiáng)迫抬升效應(yīng)，輻合高度伸展至2 km以上，導(dǎo)致對流系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展，從而產(chǎn)生極端短時強(qiáng)降水(牧野站20—21時小時雨量達(dá)149.9 mm，圖9b3)。隨后弧狀對流系統(tǒng)北移至安陽地區(qū)并減弱為層云。22日00時后新鄉(xiāng)西部沿山地帶仍有對流系統(tǒng)發(fā)展北移，凌晨受山前發(fā)展的帶狀MCS影響，鶴壁、安陽再次出現(xiàn)強(qiáng)降水，地面局地氣旋式環(huán)流的發(fā)展導(dǎo)致降水增強(qiáng)(04—05時六十五中站小時雨量達(dá)138 mm，圖9a4,9b4)。

圖8 2021年7月(a)20日08時至22日08時鶴壁科創(chuàng)中心站,(b)20日20時至22日08時新鄉(xiāng)牧野鄉(xiāng)站雷達(dá)拼圖反射率因子(填色)和小時降水量(黑線)的時間演變Fig.8 The vertical profile of radar reflectivity factor (colored) and time series of hourly rainfall intensity (black line) at (a) Kechuangzhongxin Station from 08:00 BT 20 to 08:00 BT 22 July and (b) Muyexiang Station from 20:00 BT 20 to 08:00 BT 22 July 2021

圖9 2021年7月21—22日極端暴雨過程中典型時刻(a)雷達(dá)組合反射率因子、(b)雷達(dá)徑向速度及地形與同時次地面自動站要素、未來1 h雨量綜合圖(a1，b1)21日14：00，(a2，b2)20：00，(a3，b3)21：00，(a4，b4)22日04:30(圖9b1，9b4：濮陽雷達(dá)0.5°仰角，圖9b2，9b3：鄭州雷達(dá)1.5°和0.5°仰角;圖9a1中●為16時未來1 h雨量，圖9a4，9b4為22日04時未來1 h雨量，其他為該時次；●：50 mm≤1 h雨量<100 mm，●：1 h雨量≥100 mm，━：等溫線， ：地面輻合線，→：近地面流線， ：雷達(dá)站位置)Fig.9 (a) The radar composite reflectivity factor and (b) the radial velocity at a typical time during the extreme rainstorm terrain and simultaneous ground automatic station elements, future 1 h rainfall (a1, b1) 14:00 BT 21, (a2, b2) 20:00 BT 21, (a3, b3) 21:00 BT 21, (a4, b4) 04:30 BT 22 July 2021(Figs.9b1 and 9b4 are the 0.5° elevation angle of Puyang Radar, Figs.9b2 and 9b3 are 1.5° and 0.5° elevation angles of Zhengzhou Radar, respectively; in Fig.9a1● is the future 1 h rainfall at 16:00 BT, Figs.9a4, 9b4 are the next 1 h rainfall at 04:00 BT 22, others for indicated time; ●： 50 mm≤R1 h<100 mm, ●： R1 h≥100 mm, ━: the isotherm, ： convergence line, →： surface streamline, : radar station)

綜合來看，豫北太行山地形的繞流作用使得近地面東風(fēng)氣流在太行山東側(cè)形成新的局地氣旋式環(huán)流，在與邊界層系統(tǒng)相互作用過程中激發(fā)新對流及對流系統(tǒng)的后向發(fā)展，使得極端強(qiáng)降水落區(qū)主要位于太行山前30～50 km范圍內(nèi)，這與王叢梅等(2017)研究結(jié)論一致。另外值得注意的是，在高溫高濕的環(huán)境及有利的大尺度輻合抬升背景下，豫北中尺度地形對地面流場的阻擋擾流激發(fā)的中尺度氣旋式環(huán)流、冷池效應(yīng)及對流系統(tǒng)合并過程是形成100 mm·h-1以上的極端短時強(qiáng)降水的重要因子，需要重點關(guān)注。

4 與華北“16·7”極端暴雨過程的對比

“16·7”與“21·7”極端暴雨過程的對比(表1)表明，“16·7”過程的主要降水時間在2016年7月19日00時至21日08時，極端暴雨范圍大，強(qiáng)降水集中在太行山東麓，局地過程降水達(dá)400～600 mm，河北井陘(379.7 mm)等國家級氣象站的日降雨量突破歷史極值，從過程累計降水量和影響范圍來看,過程強(qiáng)于“96·8”過程、次于“63·8”過程，過程中太行山迎風(fēng)坡處的降水強(qiáng)度約為西部高原和東部平原的3～4倍(徐國強(qiáng)等，1999；符嬌蘭等，2017；趙思雄等，2018)，豫北的強(qiáng)降水集中時間在19日07時到21日08時，安陽西部沿山地帶超400 mm，林州市東馬鞍站24 h降水量最大達(dá)703 mm(超過安陽地區(qū)年平均降雨量582 mm)、過程累計降水量為727 mm，安陽馬家村站降水最強(qiáng)，雨強(qiáng)為137.8 mm·h-1(栗晗等，2018)；而“21·7”極端暴雨過程的強(qiáng)降水主要在河南境內(nèi)，且其持續(xù)時間、累計降水量、24 h降水量及小時降水強(qiáng)度明顯超過“16·7”過程，兩次過程的地形降水特征都很明顯，“21·7”過程沿山地帶鶴壁科創(chuàng)中心站的降水強(qiáng)度為其東部平原地區(qū)的5倍左右，其地形降水增幅作用略高于“16·7”過程。從天氣形勢、影響系統(tǒng)及環(huán)境物理量來看，兩次過程形成于不同的大尺度天氣形勢下，尤其低渦的深厚程度及中低空動力場結(jié)構(gòu)存在明顯不同，“16·7”過程海上無臺風(fēng)活動、低渦深厚、地面有明顯氣旋發(fā)展，中低空東南和西南急流為主要影響系統(tǒng)，黃淮低渦生成于黃淮西部，然后沿太行山自南向北移動，CAPE值略小，而“21·7”過程中海上有臺風(fēng)活動，低空偏東/東南急流為主要影響系統(tǒng)，地面無明顯氣旋發(fā)展，黃淮低渦形成于豫東并先向西南方向移動、填塞，然后在豫西再次形成并緩慢北移，其附近對流不穩(wěn)定能量較高，且具有更低的LCL及更加深厚的暖云層厚度；兩次過程的相似點，低空動力場均異常偏強(qiáng)、水汽條件相當(dāng)，太行山地形作用明顯，由強(qiáng)降水引發(fā)的“冷堆”效應(yīng)對極端短時強(qiáng)降水有促進(jìn)作用(符嬌蘭等，2017；栗晗等，2018；趙思雄等，2018；張雅樂和俞小鼎，2021；蘇愛芳等，2021)。

表1 華北“16·7”極端暴雨過程與“21·7”河南暴雨過程的對比Table 1 Comparative analysis of the July 2016 and the July 2021 extreme torrential rains

總之，兩次過程雖發(fā)生于不同的形勢背景下，但其能量、動力和水汽條件都存在氣候異常性特征?！?1·7” 過程的不穩(wěn)定和濕對流潛勢條件略高于“16·7”過程，低空急流強(qiáng)度與“16·7”過程基本相當(dāng)，雖本次過程中850 hPa渦度異常值高達(dá)13σ，但這可能是采用不同背景數(shù)據(jù)導(dǎo)致，也可能是出于更強(qiáng)的中尺度反饋機(jī)制，如果該機(jī)制成立，則可以推測“21·7”過程中由高的濕對流潛勢所引發(fā)的降水要明顯多于“16·7”過程，這是今后在極端暴雨預(yù)報預(yù)警中需要關(guān)注的問題。

5 結(jié)論與討論

本文利用探空、地面自動氣象站、S波段多普勒雷達(dá)等觀測資料及ERA5再分析產(chǎn)品，對“21·7”豫北極端暴雨的降水特征、極端降水成因等進(jìn)行了分析研究，得到如下主要結(jié)論：

(1)豫北“21·7”特大暴雨過程具有持續(xù)時間長、小時降水量大、極端性強(qiáng)及地形影響明顯等特征，極端強(qiáng)降水主要分布在太行山沿山30 km范圍內(nèi)。

(2)極端暴雨過程發(fā)生于相對穩(wěn)定的大尺度天氣形勢下，在日本海高壓西伸及臺風(fēng)煙花、查帕卡西北行背景下，黃淮低渦外圍加強(qiáng)北上的東南急流/偏南急流為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了異常充足的水汽、能量條件，對流層中低層暖濕平流強(qiáng)迫、疊加地形影響的強(qiáng)動力輻合抬升作用及低空弱冷空氣擴(kuò)散南下是強(qiáng)降水發(fā)生的重要機(jī)制。

(3)在低空急流的作用下，特大暴雨過程發(fā)生時豫北具有較有利于對流性強(qiáng)降水形成的環(huán)境條件，具體表現(xiàn)為高CAPE、異常偏高的PW、明顯偏低的LCL、深厚的暖云層以及強(qiáng)烈發(fā)展的低空急流；低空急流與太行山特殊地形的相互作用有利于對流系統(tǒng)觸發(fā)和再生，從而有利于強(qiáng)降水對流系統(tǒng)的組織和維持。極端短時強(qiáng)降水發(fā)生期間近地層處于高溫高濕的環(huán)境，有利于CAPE的發(fā)展。

(4)強(qiáng)盛的低空急流不僅起對流觸發(fā)作用，而且對MCS上對流云的傳播起引導(dǎo)作用。雷達(dá)分析表明，不同階段極端短時強(qiáng)降水(小時降水量≥50 mm)對流系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和發(fā)展演變特征不同，但從雷達(dá)回波的垂直分布來看，系統(tǒng)均具有“低質(zhì)心”特征，質(zhì)心強(qiáng)度≥55 dBz，且≥50 dBz強(qiáng)回波垂直伸展至5 km以上、持續(xù)時間1 h以上。強(qiáng)降水對流系統(tǒng)在太行山前30 km左右范圍內(nèi)的后向發(fā)展特征明顯，一方面與地面西行偏東風(fēng)/東北風(fēng)在太行山繞流作用下形成的地形輻合線不斷南伸有關(guān)，另一方面也與強(qiáng)降水冷池效應(yīng)促使山前偏北風(fēng)進(jìn)一步發(fā)展南下有關(guān)。

(5)豫北“21·7”過程與“16·7”過程相比，兩次過程發(fā)生于不同的形勢背景下，但其能量、動力和水汽條件都存在氣候異常性特征，“16·7”過程的低渦系統(tǒng)更加深厚，形成后自南向北移動，發(fā)展北上的中低空西南和東南急流共同為極端暴雨的發(fā)生提供有力的水汽、能量輸送及抬升觸發(fā)作用，而“21·7”過程的低渦主要位于低層，低空東南/偏東急流是主要影響系統(tǒng)，且濕對流潛勢條件略高于“16·7”過程。