饒晨泓 畢鑫鑫 陳光華 喻自鳳

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029

2 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044

3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

4 中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所, 上海 200032

1 引言

暴雨是影響我國(guó)主要的氣象災(zāi)害之一，通常會(huì)給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。陶詩(shī)言（1980）系統(tǒng)地闡述了中國(guó)暴雨的特點(diǎn)、多尺度系統(tǒng)與暴雨的關(guān)系及暴雨發(fā)生時(shí)的大尺度環(huán)流背景等關(guān)鍵性問題。近年來(lái)隨著觀測(cè)技術(shù)的提高和數(shù)值模式的發(fā)展，眾多學(xué)者對(duì)暴雨發(fā)生的物理機(jī)制和中小尺度動(dòng)力過(guò)程有了更深入的研究（丁一匯, 1994; 高守亭等, 2003; 趙思雄和孫建華, 2013）。

臺(tái)風(fēng)是我國(guó)暴雨形成的強(qiáng)烈天氣系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在直接影響和間接影響兩個(gè)方面。臺(tái)風(fēng)眼墻和內(nèi)外雨帶通常會(huì)造成強(qiáng)烈的降水，即臺(tái)風(fēng)自身的降水可 直 接 導(dǎo) 致 暴 雨（Takahashi and Kawano, 1998;Lonfat et al., 2007）。另外，臺(tái)風(fēng)能夠與其他天氣系統(tǒng)相互作用，在距離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生間接降水（Bosart and Carr, 1978; Ross and Kurihara,1995）。例如，Wang et al.（2009）通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)證明，臺(tái)風(fēng)Songda（0419）外圍環(huán)流中水汽的向北輸送是日本產(chǎn)生強(qiáng)降水的主要原因；孫建華等（2005）將20世紀(jì)90年代華北夏季大暴雨分為5類，對(duì)這5類大暴雨發(fā)生的天氣形勢(shì)的分析強(qiáng)調(diào)了熱帶氣旋（即臺(tái)風(fēng)）和低渦是重要的影響系統(tǒng)，并指出臺(tái)風(fēng)與中緯度系統(tǒng)相互作用對(duì)暴雨的增幅具有重要的作用。副熱帶高壓（簡(jiǎn)稱副高）是重要的中緯度系統(tǒng)之一，已有研究表明，當(dāng)臺(tái)風(fēng)與北部的副高接近時(shí)，臺(tái)風(fēng)與副高之間的氣壓梯度迅速增加，將形成一支很強(qiáng)的東風(fēng)氣流或低空急流，有利于向暴雨區(qū)輸送水汽（陶詩(shī)言, 1980; Schumacher et al.,2011; Schumacher and Galarneau, 2012）。任素玲等（2007）發(fā)現(xiàn)西行臺(tái)風(fēng)在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)在其西北方向激發(fā)出正變高，使副高加強(qiáng)西伸，從而改變內(nèi)陸水汽分布。Wen et al.（2015）通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果顯示臺(tái)風(fēng)“Vincent”（1208）強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，副高明顯東移，有利于東南水汽通道向北延伸，為北京暴雨區(qū)帶來(lái)更多的水汽；而當(dāng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱或移除時(shí)，副高西伸，不利于水汽通道向北延伸。陳淑琴等（2021）的研究表明，臺(tái)風(fēng)“山竹”（1822）與副高之間形成的偏南低空急流是造成我國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)強(qiáng)降水的主要原因。

河南省的地理位置特殊，周圍影響系統(tǒng)和地形條件均比較復(fù)雜，歷史上發(fā)生過(guò)多次嚴(yán)重的極端暴雨事件（“58.7”暴雨研究組, 1987; “75.8”暴雨會(huì) 戰(zhàn) 組, 1997a, 1997b; 李 澤 椿, 2015; 趙 培 娟 等,2019）。丁一匯（2015）在對(duì)河南“75.8”暴雨的研究回顧總結(jié)中指出，“7503”號(hào)臺(tái)風(fēng)深入內(nèi)陸后停滯少動(dòng)，強(qiáng)度維持不消直接造成了極端暴雨的發(fā)生。2021年7月河南省再次經(jīng)歷了一次超歷史記錄的暴雨過(guò)程（簡(jiǎn)稱“21·7”河南極端暴雨），目前已有研究從動(dòng)力、熱力、水汽和大氣環(huán)流的角度對(duì)本次極端暴雨事件進(jìn)行分析，研究結(jié)果初步表明，大氣環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定、水汽和能量供給充足、地形作用明顯以及對(duì)流系統(tǒng)不斷向降水區(qū)積聚、合并及停滯是此次暴雨的基本成因（冉令坤等, 2021; 蘇愛芳等, 2021; 張霞等, 2021; Zhang et al., 2022）。位于西太平洋（簡(jiǎn)稱西太）的臺(tái)風(fēng)“煙花”和南海臺(tái)風(fēng)“查帕卡”同時(shí)存在于極端降水爆發(fā)的時(shí)段，它們對(duì)大尺度環(huán)流結(jié)構(gòu)配置和低緯水汽輸送具有怎樣的貢獻(xiàn)？這將是本研究的關(guān)注點(diǎn)。

考慮到以往對(duì)河南極端強(qiáng)降水的研究大多數(shù)停留在觀測(cè)和診斷分析層面，或涉及的多是造成直接影響的登陸臺(tái)風(fēng)案例。因此，本文將通過(guò)開展數(shù)值試驗(yàn)深入探究?jī)蓚€(gè)臺(tái)風(fēng)對(duì)“21·7”河南極端暴雨的影響，對(duì)比移除臺(tái)風(fēng)的敏感性試驗(yàn)結(jié)果，并分別闡釋臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”在此次“21·7”河南極端暴雨過(guò)程中水汽、動(dòng)力和熱力條件方面的貢獻(xiàn)。期望本研究能加深對(duì)此次極端降水事件的認(rèn)識(shí)，同時(shí)為未來(lái)此類極端天氣的研究和預(yù)報(bào)工作提供一定的參考。

2 數(shù)值模擬方案及效果

2.1 資料介紹

本研究主要使用了以下相關(guān)資料：（1）歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，簡(jiǎn)稱ECMWF）提供的第五代逐小時(shí)高分辨率再分析資料（ERA5，https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysisdatasets/era5 [2021-12-25]），水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向上共38層，最高可達(dá)1 hPa，包含地面層和氣壓層的多個(gè)大氣環(huán)境變量。（2）中國(guó)氣象局（China Meteorological Administration，簡(jiǎn)稱CMA）提供的國(guó)家基本站逐小時(shí)降水觀測(cè)資料以及臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”業(yè)務(wù)觀測(cè)的每3 h中心位置和強(qiáng)度資料。

2.2 模式方案簡(jiǎn)介

本 文 使 用WRF（Weather Research and Forecasting, Version 3.6.1）模式來(lái)模擬臺(tái)風(fēng)“煙花”和臺(tái)風(fēng)“查帕卡”的移動(dòng)發(fā)展過(guò)程，以及“21·7”河南極端暴雨演變過(guò)程，并使用逐小時(shí)的ERA再分析資料形成模式初始場(chǎng)和邊界條件。該模擬使用2層雙向嵌套網(wǎng)格，分辨率為27 km和9 km，格點(diǎn)數(shù)分別為316×256和502×388，垂直積分45層，最高到10 hPa。同時(shí)，模擬采用了WSM 6類冰雹微物理方案，YSU（Yonsei University）邊界層參數(shù)化方案，RRTM長(zhǎng)波輻射方案，Dudhia短波輻射方案，Monin-Obukhov近地面層方案和熱量擴(kuò)散陸面過(guò)程方案等，在模式最外層網(wǎng)格采用了Betts-Miller-Janjic積云參數(shù)化方案。模式從2021年7月19日08時(shí)（北京時(shí)，下同）啟動(dòng)，至21日20時(shí)結(jié)束，共積分60個(gè)小時(shí)。由于ERA資料中臺(tái)風(fēng)“煙花”的中心位置與CMA提供的業(yè)務(wù)觀測(cè)中心存在一定偏差，并且在初始場(chǎng)中強(qiáng)度較弱，因此首先對(duì)模式初始時(shí)刻的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度進(jìn)行了Bogus增強(qiáng)，然后以CMA觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)中心為準(zhǔn)進(jìn)行了重定位。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法介紹

為了深入研究臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”對(duì)“21·7”河南極端暴雨事件的貢獻(xiàn)，除CTL試驗(yàn)外，本文還設(shè)計(jì)了3組敏感性試驗(yàn)分別討論移除臺(tái)風(fēng)“煙花”（NOINFA），移除臺(tái)風(fēng)“查帕卡”（NOCEM）和同時(shí)移除兩個(gè)臺(tái)風(fēng)（NO2TCs）之后對(duì)暴雨發(fā)展過(guò)程的改變及影響機(jī)制的差異。與以往 研 究（Sun and Barros, 2012; McFarquhar et al.,2012; Chen, 2013）類 似，主 要 通 過(guò)Kurihara et al.（1993, 1995）提出的從大尺度環(huán)流場(chǎng)中分解并移除掉臺(tái)風(fēng)相關(guān)非對(duì)稱環(huán)流分量的方法，對(duì)模式初始時(shí)刻的風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、位勢(shì)高度場(chǎng)、氣壓場(chǎng)以及濕度場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)地修改。該方法的基本步驟如下：（1）采用平滑算法將原始場(chǎng)分解為基本場(chǎng)（hB）和擾動(dòng)場(chǎng)（hD）；（2）根據(jù)低層擾動(dòng)風(fēng)在各徑向上切向分量的大小確定臺(tái)風(fēng)半徑rf(θ)，然后對(duì)hD做柱形濾波分離出臺(tái)風(fēng)渦旋環(huán)流（hav），剩余場(chǎng)即為非臺(tái)風(fēng)分量場(chǎng)（hD?hav）；（3）將擾動(dòng)場(chǎng)中的非臺(tái)風(fēng)分量場(chǎng)疊加上基本場(chǎng)即可得到去除臺(tái)風(fēng)渦旋后的環(huán)境場(chǎng)[hE=hB+（hD?hav）]。通過(guò)此方法能有效地從大尺度環(huán)境場(chǎng)中識(shí)別出臺(tái)風(fēng)的非對(duì)稱性環(huán)流結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到濾除臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)貢獻(xiàn)的目的。然而，Arakane and Hsu（2020）研究提及該方法也存在兩方面的局限：（1）在識(shí)別和分離時(shí)未精確考量到臺(tái)風(fēng)傾斜的垂直結(jié)構(gòu)特性；（2）未單獨(dú)考慮移除的臺(tái)風(fēng)環(huán)流場(chǎng)和剩余場(chǎng)的動(dòng)力平衡問題。圖1給出了三組敏感性試驗(yàn)初始環(huán)流場(chǎng)修改前后的變化情況。不難發(fā)現(xiàn)，與臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”相關(guān)的非對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)均有效地從大尺度環(huán)流中被識(shí)別出并移除，且模式初始場(chǎng)的動(dòng)、熱力和水汽分布都進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。

3 天氣過(guò)程概況

2021年7月17～22日，河南出現(xiàn)歷史罕見的極端暴雨，過(guò)程最大累計(jì)降水量達(dá)1122.6 mm，此期間鄭州氣象站最大小時(shí)降雨量高達(dá)201.9 mm，突破中國(guó)大陸小時(shí)降雨量歷史峰值。19～21日是本次強(qiáng)降水過(guò)程最為集中的時(shí)間段，7月19日08時(shí)至20日08時(shí)，強(qiáng)降水主要分布在以鄭州為中心的豫中地區(qū)；20日08時(shí)至21日08時(shí)，強(qiáng)降水仍主要分布在豫中地區(qū)，但強(qiáng)度和范圍相比于前24 h明顯增加；21日08時(shí)之后，豫中強(qiáng)降水趨于減弱，強(qiáng)降水中心移至豫北。

本文選取的研究時(shí)段為2021年7月19日08時(shí)至21日20時(shí)，即為“21·7”河南極端降水事件爆發(fā)并伴隨著兩個(gè)近海臺(tái)風(fēng)活躍的階段。期間，臺(tái)風(fēng)“煙花”的移動(dòng)路徑以偏西行為主，西移過(guò)程中強(qiáng)度不斷增加，于21日11時(shí)達(dá)到強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別，至21日20時(shí)一直維持強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別，中心最低氣壓為955 hPa，中心附近最大風(fēng)速達(dá)14級(jí)（42 m s?1）。同時(shí)，臺(tái)風(fēng)“煙花”在研究時(shí)段內(nèi)移速緩慢，19日11時(shí)至20日02時(shí)期間穩(wěn)定少動(dòng)。另一個(gè)南海臺(tái)風(fēng)“查帕卡”在19日08時(shí)升級(jí)為熱帶風(fēng)暴并維持西北向移動(dòng)，于20日21時(shí)50分在廣東江陽(yáng)登陸，登陸時(shí)強(qiáng)度達(dá)到臺(tái)風(fēng)級(jí)別，中心附近最大風(fēng)力達(dá)12級(jí)（33 m s?1），中心最低氣壓為978 hPa。登陸后繼續(xù)西北行進(jìn)入我國(guó)廣西省。

從環(huán)流形勢(shì)的氣候態(tài)距平場(chǎng)（圖2）來(lái)看，2021年7月19日08時(shí)至21日20時(shí)河南暴雨期間，西太副高的平均位置異常偏西偏北，洋面上存在兩個(gè)顯著的氣旋性低壓環(huán)流距平，分別對(duì)應(yīng)西太臺(tái)風(fēng)“煙花”和較弱的南海臺(tái)風(fēng)“查帕卡”。臺(tái)風(fēng)“煙花”和北側(cè)副高之間的等高線密集，受氣壓梯度力影響，兩者之間偏東風(fēng)距平增強(qiáng)。結(jié)合925 hPa水汽通量距平可見，有明顯強(qiáng)于氣候態(tài)的水汽輸送至內(nèi)陸地區(qū)，東南風(fēng)水汽通量距平沿臺(tái)風(fēng)“煙花”和副高之間的急流區(qū)一直向西延伸至河南，并在有利的地形條件配合下導(dǎo)致大量水汽在局地累積，為極端暴雨的爆發(fā)和維持提供了有利條件。

圖2 2021年7月19日08時(shí)至21日20時(shí)平均的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線，單位：gpm）和距平場(chǎng)（陰影，單位：gpm）、925 hPa水汽通量距平（矢量，單位：20 g s?1 cm?1 hPa?1）。參考?xì)夂驊B(tài)為1981～2010年7月均值；深藍(lán)色邊框表示河南省省界，黑色圓點(diǎn)表示鄭州，紅色和橙色臺(tái)風(fēng)標(biāo)志表示此時(shí)段內(nèi)臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”中心的平均位置，下同F(xiàn)ig. 2 Mean geopotential height (contours, units: gpm), climatological geopotential height anomalies (shadings, units: gpm) at 500 hPa, and 925-hPa moisture flux anomalies (vectors, units: 20 g s?1 cm?1 hPa?1)from 0800 BJT 19 to 2000 BJT 21 July 2021. The reference climate state is the mean in July from 1981 to 2010. The navy border and black dot represent the province boundary of Henan Province and the position of Zhengzhou station. The red and orange typhoon symbols denote the averaged center positions for typhoons In-Fa and Cempaka,respectively, the same below

4 控制試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

4.1 路徑強(qiáng)度對(duì)比

圖3給出臺(tái)風(fēng)“煙花”在實(shí)況和CTL試驗(yàn)中路徑、中心附近最低氣壓和最大風(fēng)速的對(duì)比情況。CTL試驗(yàn)?zāi)M的中心位置、移向和移速總體上與實(shí)況比較接近（圖3a）。臺(tái)風(fēng)“煙花”在前30 h模擬和觀測(cè)的路徑基本吻合；移向變化也得到很好地模擬，臺(tái)風(fēng)中心在20日14時(shí)呈現(xiàn)出向西偏折，與實(shí)況移動(dòng)特征一致；移速在模擬后期較實(shí)況偏快，路徑因此也偏西偏北1°左右。強(qiáng)度模擬方面，CTL試驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)速和最低氣壓的變化趨勢(shì)均與實(shí)況大致吻合（圖3b），整個(gè)過(guò)程的平均誤差在4 m s?1和5 hPa左右。南海臺(tái)風(fēng)“查帕卡”本身環(huán)流較弱、移動(dòng)不明顯，模擬的強(qiáng)度和路徑與實(shí)況基本吻合（圖略）。此外，由于模擬前6 h模式經(jīng)歷spin up過(guò)程，且CTL試驗(yàn)的路徑在最后12 h偏西偏北較多，后續(xù)研究?jī)H關(guān)注2021年7月19日14時(shí)至21日08時(shí)段，也對(duì)應(yīng)河南極端降水發(fā)生時(shí)段。

圖3 臺(tái)風(fēng)“煙花”實(shí)況（CMA，黑線）和模擬（紅線：CTL；藍(lán)線：NOCEM）的（a）路徑以及（b）強(qiáng)度（實(shí)線：中心最低氣壓；虛線：近地面最大風(fēng)速）。圖a中曲線上的四位數(shù)字的前兩位表示日期，后兩位表示時(shí)刻，如2108表示2021年7月21日08時(shí)Fig. 3 (a) Track and (b) intensity of the observed [CMA (China Meteorological Administration), black line] and simulated (red line for CTL experiment and blue line for NOCEM experiment) results for typhoon In-Fa. In Fig. a, the first two numbers in curve represent the date, and the last two numbers represent the hour, for example, 2108 denotes 0800 BJT 21 July 2021. In Fig. b, the minimum sea level pressure (SLP) and maximum wind represent the typhoons intensity plotted by solid and dashed line

4.2 環(huán)流形勢(shì)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比不同時(shí)刻模擬區(qū)域內(nèi)再分析數(shù)據(jù)和CTL試驗(yàn)的大尺度環(huán)流場(chǎng)及濕度場(chǎng)可知，20日08時(shí)（圖4a、b），再分析場(chǎng)的西太副高邊緣（以5880 gpm為準(zhǔn)）與臺(tái)風(fēng)“煙花”外圍環(huán)流相接；CTL試驗(yàn)顯示副高西側(cè)邊緣位于118°E左右，相對(duì)于觀測(cè)略有西伸；位勢(shì)高度大值區(qū)范圍也較觀測(cè)稍有擴(kuò)大。20日20時(shí)（圖4c、d），再分析場(chǎng)的副高西伸增強(qiáng)，CTL試驗(yàn)也有類似的特征，但模擬的副高系統(tǒng)在“煙花”西側(cè)有小部分環(huán)流南落。此外，CTL試驗(yàn)對(duì)于低緯的西南季風(fēng)、臺(tái)風(fēng)“煙花”和副高之間的強(qiáng)東風(fēng)氣流、臺(tái)風(fēng)“查帕卡”的外圍環(huán)流以及大尺度的低層比濕分布給出了合理的模擬效果。

圖4 D01區(qū)域（a、c）再分析數(shù)據(jù)和（b、d）CTL試驗(yàn)的850 hPa風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m s?1）、比濕場(chǎng)（陰影，單位：g kg?1）和500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線，單位：gpm）分布：（a、b）2021年7月20日08時(shí)；（c、d）2021年7月20日20時(shí)。圖b中藍(lán)色矩形框區(qū)域表示D02模擬區(qū)域Fig. 4 Wind (vectors, units: m s?1), specific humidity (shadings, units: g kg?1) at 850 hPa, and 500-hPa geopotential height (contours, units: gpm) in(a, c) the reanalysis data and (b, d) CTL experimental results over region D01 (Domain 01): (a, b) 0800 BJT 20 July 2021; (c, d) 2000 BJT 20 July 2021. The region of D02 (Domain 02) is represented by the blue rectangle in Fig. b

4.3 降水分布對(duì)比

圖5a、b分別給出實(shí)況和CTL試驗(yàn)在19日14時(shí)至21日08時(shí)累計(jì)降水分布情況。實(shí)況和CTL試驗(yàn)的主要降水落區(qū)都位于河南中部及北部，呈現(xiàn)出南—北向降水分布型；累計(jì)降水極大值出現(xiàn)在鄭州站西側(cè)，實(shí)況在此時(shí)段內(nèi)的降水極值為798 mm，模擬較實(shí)況僅偏強(qiáng)5.6 mm。此外，實(shí)況顯示累計(jì)降水超過(guò)400 mm的強(qiáng)降水區(qū)集中分布于省會(huì)鄭州市，在CTL試驗(yàn)中該強(qiáng)降水區(qū)不僅分布于鄭州市，還分布于平頂山市的北部。結(jié)合河南強(qiáng)降水區(qū)逐3 h累計(jì)降水的時(shí)間演變（圖5c）來(lái)看，CTL試驗(yàn)和實(shí)況降雨率的變化趨勢(shì)基本一致，但降雨量整體偏小。綜上所述，CTL試驗(yàn)對(duì)研究時(shí)段內(nèi)臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑和強(qiáng)度、大尺度環(huán)流配置和濕度場(chǎng)的演變、河南暴雨的強(qiáng)度和空間分布型特征都做出了較為合理的模擬，為進(jìn)一步的敏感性試驗(yàn)分析奠定可靠的基礎(chǔ)。

5 敏感性試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 降水分布對(duì)比

圖6給出移除臺(tái)風(fēng)“煙花”、移除臺(tái)風(fēng)“查帕卡”和同時(shí)移除這兩個(gè)臺(tái)風(fēng)環(huán)流后河南地區(qū)19日14時(shí)至21日08時(shí)累計(jì)降水的分布情況。首先，與CTL試驗(yàn)（圖5b）相比，NOINFA（圖6a）的主要降水區(qū)呈現(xiàn)明顯的橫向發(fā)展，降水分布型由南—北向轉(zhuǎn)為東—西向；河南強(qiáng)降水區(qū)研究時(shí)段內(nèi)的區(qū)域平均累計(jì)降水強(qiáng)度由CTL試驗(yàn)的108.14 mm降為105.35 mm；原本位于鄭州市的強(qiáng)降水區(qū)明顯減弱東移。其次，NOCEM（圖6b）與CTL試驗(yàn)結(jié)果相比，降水分布型仍為南—北型，但平頂山市（太行山脈東麓迎風(fēng)坡一側(cè)）的降水強(qiáng)度下降（增強(qiáng)），總體降水強(qiáng)度變化不大。最后，同時(shí)移除兩個(gè)臺(tái)風(fēng)環(huán)流后（圖6c），主要降水落區(qū)集中在太行山脈東麓，降水極值和平均降水強(qiáng)度都較CTL試驗(yàn)有所減弱。

圖5 2021年7月19日14時(shí)至21日08時(shí)河南地區(qū)（a）實(shí)況和（b）CTL試驗(yàn)累計(jì)降水量分布，（c）實(shí)況（黑色）和CTL試驗(yàn)（紅色）河南強(qiáng)降水區(qū)區(qū)域平均的逐3 h累計(jì)降水量時(shí)間演變。圖a、b中黑色虛線矩形框區(qū)域代表強(qiáng)降水區(qū)（33°～37°N，111°～115°E），黑色三角形代表鄭州站Fig. 5 Accumulated precipitation distribution of (a) the observed and (b) CTL experiment over Henan area, (c) time series of the observed (black bars and line) and CTL experiment (red bars and line) for 3-h accumulated precipitation averaged over the heavy rainfall area of Henan from 1400 BJT 19 July to 0800 BJT 21 July 2021. In Figs. a, b, the black dashed rectangle denotes the heavy rainfall area (33°–37°N, 111°–115°E), black triangles represent the location of Zhengzhou station

圖6 （a）NOINFA試驗(yàn)、（b）NOCEM試驗(yàn)和（c）NO2TCs試驗(yàn)的河南地區(qū)42 h（2021年7月19日14時(shí)至21日08時(shí)）累計(jì)降水量分布Fig. 6 Simulated 42-h (from 1400 BJT 19 July to 0800 BJT 21 July 2021) accumulated precipitation from (a) NOINFA, (b) NOCEM, and (c) NO2TC experiments over Henan area

經(jīng)過(guò)后續(xù)對(duì)NO2TCs試驗(yàn)的大尺度環(huán)流場(chǎng)、水汽條件以及動(dòng)、熱力條件的多方面分析發(fā)現(xiàn)（圖略），在初始時(shí)刻同時(shí)移除兩個(gè)臺(tái)風(fēng)后，河南地區(qū)主要受到副高、西南季風(fēng)等大尺度環(huán)流系統(tǒng)的影響。結(jié)合前人研究（蘇愛芳等, 2021; 張霞等, 2021），該組試驗(yàn)顯示的河南降水可能與地形條件及大尺度環(huán)流系統(tǒng)密切相關(guān)，而非單獨(dú)移除兩個(gè)臺(tái)風(fēng)后影響機(jī)制的線性疊加，這與本研究所關(guān)心的臺(tái)風(fēng)對(duì)極端暴雨過(guò)程的影響機(jī)制不同。因此，接下來(lái)只針對(duì)單獨(dú)移除臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”的情況進(jìn)行分析和討論。

5.2 天氣形勢(shì)調(diào)整

相對(duì)于CTL試驗(yàn)（圖7a、b）而言，移除不同的臺(tái)風(fēng)自身環(huán)境場(chǎng)后，大尺度環(huán)流場(chǎng)及其演變有不同程度的調(diào)整。在NOINFA試驗(yàn)中，20日08時(shí)（圖7c），副高明顯南壓（參考“煙花”北側(cè)的5880 gpm），臺(tái)風(fēng)“煙花”和北側(cè)副高之間伸向河南的低空東風(fēng)急流被偏弱的東南風(fēng)氣流取代；同時(shí)，位于副高南側(cè)的干冷氣團(tuán)向西移動(dòng)減緩。20日20時(shí)（圖7d），副高環(huán)流在25°N左右逐漸西伸，在河南東南側(cè)表現(xiàn)為一條廣闊的東南風(fēng)急流帶，而河南南側(cè)受南壓副高的影響，偏南風(fēng)減弱。由于臺(tái)風(fēng)“查帕卡”的環(huán)流尺度較小，因此移除“查帕卡”后，一方面對(duì)大尺度環(huán)流形勢(shì)的影響較?。涣硪环矫鎸?duì)臺(tái)風(fēng)“煙花”的強(qiáng)度和路徑影響較?。▓D3藍(lán)線），導(dǎo)致低緯西南季風(fēng)和“煙花”外圍環(huán)流的發(fā)展得以維持，低空東風(fēng)急流基本與CTL試驗(yàn)類似（圖7e）。20日20時(shí)（圖7f），副高和“煙花”共同向西發(fā)展，兩者之間的東風(fēng)急流帶依舊延伸進(jìn)河南東部，但在河南南側(cè)由于缺少“查帕卡”外圍環(huán)流的配合，偏南風(fēng)氣流較CTL試驗(yàn)略有減弱。整個(gè)過(guò)程中副高南側(cè)的干冷空氣幾乎未受影響?？傊瞥_(tái)風(fēng)“煙花”對(duì)河南降水區(qū)的天氣形勢(shì)產(chǎn)生了較大的影響，而移除臺(tái)風(fēng)“查帕卡”對(duì)其產(chǎn)生的影響則較小。

5.3 水汽輸送條件

以往眾多研究指出，海上臺(tái)風(fēng)在有利的環(huán)流形勢(shì)發(fā)展下往往會(huì)通過(guò)持續(xù)的水汽輸送給內(nèi)陸地區(qū)帶來(lái)顯著的暴雨增幅（丁一匯等, 1978; 孫建華等,2006; Wang et al., 2009; 丁一匯, 2015）。由前文的初步分析可知，移除臺(tái)風(fēng)環(huán)流后，與水汽輸送密切相關(guān)的環(huán)流形勢(shì)發(fā)生了不同程度的調(diào)整（圖7），河南的降水分布和降水量相應(yīng)地也有較大的改變（圖5b、圖6）。因此，本小節(jié)將深入探討移除臺(tái)風(fēng)環(huán)流之后，河南周圍水汽通量輸送的不同特征以及對(duì)降水強(qiáng)度和分布造成的影響。

首先，通過(guò)CTL試驗(yàn)整層（1000～450 hPa）水汽通量積分、低層水汽通量散度（圖8）可知，20日08時(shí)，在低緯西南季風(fēng)、南海臺(tái)風(fēng)“查帕卡”、西太臺(tái)風(fēng)“煙花”和副高系統(tǒng)的共同引導(dǎo)下，河南東側(cè)和南側(cè)的水汽入流為河南地區(qū)提供了源源不斷的水汽，加之局地輻合條件的配合，有利于河南地區(qū)產(chǎn)生降雨（圖8a）。20日20時(shí)（圖8b），隨著“煙花”和副高西移增強(qiáng)，它們之間的東風(fēng)急流一部分向河南東側(cè)輸送水汽，另一部分沿副高西南邊界轉(zhuǎn)為南風(fēng)急流后向河南南側(cè)輸送水汽。此外，臺(tái)風(fēng)“查帕卡”的近海登陸也有利于河南南側(cè)水汽入流的增強(qiáng)。

移除“煙花”環(huán)流之后（圖8c），副高明顯南壓，南側(cè)邊界至25°N附近，低緯西南季風(fēng)和副高南側(cè)的弱東南風(fēng)繼續(xù)為河南地區(qū)提供可觀的水汽供應(yīng)。隨著副高西伸（圖8d），河南東側(cè)的水汽輸送繼續(xù)增強(qiáng)，在鄭州南側(cè)及太行山脈東側(cè)有強(qiáng)烈的低層水汽通量輻合，有利于NOINFA試驗(yàn)里河南強(qiáng)降水區(qū)呈東—西向分布的形成（圖6a）。移除環(huán)流尺度較小的臺(tái)風(fēng)“查帕卡”之后（圖8e、f），對(duì)整體的環(huán)流場(chǎng)影響較小，在“煙花”和北側(cè)副高系統(tǒng)的穩(wěn)定配合下，降水分布型與CTL試驗(yàn)相似。但是河南南側(cè)的水汽流入略有減弱，因此NOCEM試驗(yàn)的累計(jì)降水量略小于CTL試驗(yàn)。

接下來(lái)選取圖8a中緯向（矩形ABCD）和經(jīng)向（矩形AEFG）的水汽輸送通道作為剖面，進(jìn)一步探討臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”對(duì)河南強(qiáng)降水區(qū)水汽輸送的貢獻(xiàn)。由CTL試驗(yàn)的緯向剖面可知，20日08時(shí)（圖9a），水汽在深厚的偏東風(fēng)氣流的引導(dǎo)下自東向西輸送，至125°E左右轉(zhuǎn)為東南氣流后向河南地區(qū)輸送。河南強(qiáng)降水區(qū)呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的輻合（圖略），促進(jìn)上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和大氣不穩(wěn)定能量的聚集，加之水汽條件充沛，有利于降水的產(chǎn)生。20日20時(shí)（圖9d），河南強(qiáng)降水區(qū)低層的水汽通量值明顯增加，配合上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，維持著有利于降水產(chǎn)生的條件。相較于CTL試驗(yàn)而言，移除“煙花”環(huán)流后（圖9b、e），副高西伸南壓，河南強(qiáng)降水區(qū)東側(cè)上空主要為東南氣流，且強(qiáng)度減弱。差值場(chǎng)（圖9c、f）的結(jié)果顯示，河南強(qiáng)降水區(qū)東側(cè)的水汽通量值有所增加，這是因?yàn)殡m然臺(tái)風(fēng)“煙花”被移除，但是來(lái)自熱帶的暖濕水汽仍會(huì)受南壓副高的影響向河南強(qiáng)降水區(qū)補(bǔ)給水汽，部分地彌補(bǔ)了因移除“煙花”而減少的水汽輸送，所以NOINFA試驗(yàn)中河南降水總量雖有減弱但并不十分顯著。此外，降雨區(qū)范圍內(nèi)存在一定程度的散度正異常和北風(fēng)、東風(fēng)異常相配合，一方面表征著NOINFA試驗(yàn)低層輻合有所削弱，從而造成降水強(qiáng)度不及CTL試驗(yàn)；另一方面表征河南地區(qū)700 hPa以下的南風(fēng)分量減小、東風(fēng)分量增強(qiáng)，有利于降水分布型由南—北向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|—西向。

圖8 2021年7月20日08時(shí)（左）、20時(shí)（右）（a、b）CTL試驗(yàn)、（c、d）NOINFA試驗(yàn)和（e、f）NOCEM試驗(yàn)的整層（1000～450 hPa）水汽通量矢量（箭頭）和大?。幱?，單位：102 kg m?1 s?1）、河南地區(qū)800 hPa水汽輻合（粉色等值線，從?40×10?7 kg m?2 s?1 hPa?1開始，每20×10?7 kg m?2 s?1 hPa?1遞增）以及副高位置（5880 gpm黑色等值線）。圓點(diǎn)表示鄭州站位置；圖a中深藍(lán)色虛線框區(qū)域ABCD和AEFG分別為下文研究所指的緯向和經(jīng)向剖面區(qū)域Fig. 8 Horizontal distribution of the deep-layer averaged (1000–450 hPa) water vapor flux vector (arrows) and magnitude (shadings, units: 102 kg m?1 s?1), 800-hPa water vapor flux convergence (pink contours, increase from ?40×10?7 kg m?2 s?1 hPa?1 with a spacing of 20×10?7 kg m?2 s?1 hPa?1) in Henan area, and position of subtropical high (5880-gpm black contours) of the (a, b) CTL, (c, d) NOINFA, and (e, f) NOCEM experiments at 0800 BJT July 2021 (left), 2000 BJT July 2021 (right). The dots represent Zhengzhou station. In Fig. a, the navy dashed boxes (ABCD and AEFG) area give the after-mentioned cross sections

由CTL試驗(yàn)的經(jīng)向剖面（圖9g、j）可知，大量水汽主要是通過(guò)低層偏南風(fēng)氣流和偏東風(fēng)氣流向河南強(qiáng)降水區(qū)輸送，并在35°N附近產(chǎn)生強(qiáng)輻合并在對(duì)流層中低層堆積，這是造成以鄭州市為中心持續(xù)性暴雨發(fā)生的原因之一。移除“煙花”環(huán)流后（圖9h、k），河南強(qiáng)降水區(qū)及其南側(cè)南風(fēng)分量減弱、東風(fēng)分量增強(qiáng)，差值場(chǎng)（圖9i、l）更加明顯地反映了以上的變化特征?？偟膩?lái)說(shuō)，移除“煙花”環(huán)流后，緯向和經(jīng)向水汽輸送通道都會(huì)對(duì)河南強(qiáng)降水區(qū)產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為南風(fēng)分量減弱，東風(fēng)分量增強(qiáng)，降水分布由南—北向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|—西向。差值場(chǎng)（圖9i、l）顯示河南強(qiáng)降水區(qū)北部的水汽通量存在明顯的正差值，這與這兩個(gè)時(shí)刻受到較強(qiáng)的來(lái)自熱帶地區(qū)的暖濕水汽的補(bǔ)給有關(guān)，但是正的水汽通量差值區(qū)基本對(duì)應(yīng)著輻合減弱，因此這些區(qū)域并不十分利于強(qiáng)降水的發(fā)生、發(fā)展。

圖9 2021年7月20日（a–c）08時(shí)、（d–f）20時(shí)垂直水汽通量值（陰影, 單位：g s?1 cm?1 hPa?1）的垂直—緯向（對(duì)矩形ABCD進(jìn)行經(jīng)向平均）分布：（a、d）CTL試驗(yàn)；（b、e）NOINFA試驗(yàn)；（c、f）NOINFA試驗(yàn)與CTL試驗(yàn)的差值場(chǎng)。（g–l）同（a–f），但為對(duì)矩形AEFG進(jìn)行緯向平均后得到的垂直—經(jīng)向分布。風(fēng)矢量（單位：m s?1）是水平風(fēng)場(chǎng)隨高度的分布，紅色矩形表示河南強(qiáng)降水區(qū)（33°～37°N,111°～115°E）Fig. 9 Vertical–zonal (meridional averaging of rectangle ABCD) distribution of vertical water vapor flux magnitude (shadings, units: g s?1 cm?1 hPa?1) at (a–c) 0800 BJT 20 July and (d–f) 2000 BJT 20 July 2021: (a, d) CTL experiment; (b, e) NOINFA experiment; (c, f) differences between NOINFA experiment and CTL experiment. (g–l) As in (a–f), but for the vertical–meridional (zonal averaging of rectangle AEFG) distributions. The wind vectors (units: m s?1) represent the distribution of horizontal winds with height, and the red rectangles denote the heavy rainfall area (33°–37°N,111°–115°E) in Henan area

移除臺(tái)風(fēng)“查帕卡”環(huán)流之后，NOCEM試驗(yàn)緯向剖面（圖10a、c）的水汽通量值和CTL試驗(yàn)（圖9a、d）基本一致；河南強(qiáng)降水區(qū)的南風(fēng)和低層輻合略有減弱，但不及NOINFA試驗(yàn)（圖略）帶來(lái)的影響，對(duì)降水強(qiáng)度和分布的影響較小。NOCEM試驗(yàn)的經(jīng)向剖面（圖10e、g）的特征主要表現(xiàn)為河南強(qiáng)降水區(qū)水汽通量值減弱和南風(fēng)分量減弱。總的來(lái)說(shuō)，臺(tái)風(fēng)“查帕卡”主要通過(guò)向河南強(qiáng)降水區(qū)南側(cè)輸送水汽從而對(duì)本次暴雨過(guò)程產(chǎn)生影響，但是影響程度較弱，且對(duì)降水分布型影響不大。

圖10 2021年7月20日（a、b）08時(shí)、（c、d）20時(shí)垂直水汽通量值（陰影, 單位：g s?1 cm?1 hPa?1）的垂直—緯向（對(duì)矩形ABCD進(jìn)行經(jīng)向平均）分布：（a、c）NOCEM試驗(yàn)；（b、d）NOCEM試驗(yàn)與CTL試驗(yàn)的差值場(chǎng)。（e–h）同（a–d），但為對(duì)矩形AEFG進(jìn)行緯向平均后得到的垂直—經(jīng)向分布。風(fēng)矢量（單位：m s?1）是水平風(fēng)場(chǎng)隨高度的分布，紅色矩形表示河南強(qiáng)降水區(qū)（33°～37°N, 111°～115°E）Fig. 10 Vertical–zonal (meridional averaging of rectangle ABCD) distribution of vertical water vapor flux magnitude (shadings, units: g s?1 cm?1 hPa?1) at (a, b) 0800 BJT 20 July and (c, d) 2000 BJT 20 July 2021: (a, c) NOCEM experiment; (b, d) differences between NOCEM experiment and CTL experiment. (e–h) As in (a–d), but for the vertical–meridional (zonal averaging of rectangle AEFG) distributions. The wind vectors (units: m s?1)represent the distribution of horizontal winds with height, and the red rectangles denote the heavy rainfall area (33°–37°N, 111°–115°E) in Henan area

為了進(jìn)一步定量比較不同試驗(yàn)中到達(dá)河南強(qiáng)降水區(qū)各側(cè)面的水汽收支情況，圖11分別給出了河南東、南、西、北四個(gè)側(cè)面平均的整層水汽通量值以及凈水汽收支的時(shí)間演變。其中，東面和南面為河南強(qiáng)降水區(qū)的水汽流入的通道，兩者的水汽輸送大部分時(shí)間維持在較強(qiáng)的10×107kg s?1～20×107kg s?1（圖11a、b）。對(duì)于NOINFA試驗(yàn)而言，從河南地區(qū)南側(cè)流入的水汽通量值始終比CTL少，這與移除“煙花”后，河南強(qiáng)降水區(qū)南風(fēng)減弱有關(guān)；20日12時(shí)左右，NOINFA試驗(yàn)的河南強(qiáng)降水區(qū)東側(cè)水汽入流超過(guò)CTL試驗(yàn)，東面入流的增強(qiáng)與主要水汽輸送通道及強(qiáng)降水區(qū)呈東—西向分布的特征相對(duì)應(yīng)。NOCEM試驗(yàn)的結(jié)果顯示，來(lái)自東面和南面的平均水汽通量值都略小于CTL試驗(yàn)，這說(shuō)明移除“查帕卡”環(huán)流對(duì)河南強(qiáng)降水區(qū)的水汽供應(yīng)變化影響較小，與前文的累計(jì)降水分布特征（圖6b）保持一致。

圖11 河南強(qiáng)降水區(qū)CTL試驗(yàn)、NOINFA試驗(yàn)、NOCEM試驗(yàn)1000～450 hPa來(lái)自（a）東面、（b）南面、（c）西面、（d）北面的水汽通量值以及（e）NOINFA試驗(yàn)、NOCEM試驗(yàn)與CTL試驗(yàn)凈水汽通量差值垂直積分的時(shí)間演變Fig. 11 Time series of 1000–450 hPa vertical integral of water vapor flux magnitude from CTL experiment, NOINFA experiment, NOCEM experiment for Henan area from the (a) east side, (b) south side, (c) west side, (d) north side, and (e) differences of net water vapor flux magnitude between NOINFA (NOCEM) experiment and CTL experiment

相反地，河南強(qiáng)降水區(qū)的西面和北面則為水汽的流出邊界（圖11c、d），兩側(cè)的平均水汽通量值呈現(xiàn)出不同的時(shí)間演變特征。20日20時(shí)之前以降水區(qū)西面流出為主，基本保持108kg s?1以上的水汽流出，最大的平均水汽通量值約?18×107kg s?1，北面的水汽輸送貢獻(xiàn)在該階段較西面偏弱50%左右。此后，強(qiáng)降水區(qū)北面的水汽流出顯著增強(qiáng)，而西邊界的貢獻(xiàn)逐漸減弱。

最后，結(jié)合河南強(qiáng)降水區(qū)凈水汽通量差值的演變（圖11e）來(lái)看，NOINFA試驗(yàn)和NOCEM試驗(yàn)相對(duì)于CTL試驗(yàn)而言水汽通量值都有所減弱，但是NOINFA試驗(yàn)水汽通量值的減弱量相對(duì)于NOCEM試驗(yàn)更大一些，Nie and Sun（2022）的研究表明副高和臺(tái)風(fēng)“煙花”之間的水汽輸送對(duì)本次降水過(guò)程具有重要影響，這與本文的研究結(jié)果相符。在本次極端暴雨事件小時(shí)降水極值發(fā)生（20日17時(shí)）之前，NOINFA試驗(yàn)和NOCEM試驗(yàn)的水汽凈流入量相對(duì)于CTL試驗(yàn)而言平均每小時(shí)低2×107kg s?1左右，這不利于局地水汽含量的快速累積，這說(shuō)明最強(qiáng)降水時(shí)段的降水強(qiáng)度與近海臺(tái)風(fēng)環(huán)流有一定的聯(lián)系。

圖12進(jìn)一步展示了三組試驗(yàn)中河南強(qiáng)降水地區(qū)四個(gè)側(cè)面在研究時(shí)段內(nèi)時(shí)間平均的水汽收支情況。首先，從凈水汽通量值來(lái)看，相較于CTL試驗(yàn)，NOINFA試驗(yàn)的凈水汽通量值減少了5.81%，而NOCEM試驗(yàn)僅減少了3.23%。其次，相較于CTL試驗(yàn)而言，當(dāng)移除“煙花”后，主要表現(xiàn)為南、西（北、東）面的水汽流入減弱（增強(qiáng)），上述特征的差異較好地解釋了NOINFA試驗(yàn)中河南地區(qū)累計(jì)降水分布型呈東—西向延伸的情況。NOCEM試驗(yàn)的結(jié)果顯示，移除“查帕卡”環(huán)流后，河南強(qiáng)降水區(qū)南面和北面水汽通量的流入和流出量均減少，這與南風(fēng)分量的減弱（圖8e、f）有關(guān)，但是四個(gè)側(cè)面的水汽通量值較小，且凈水汽通量值變化較小，因此NOCEM試驗(yàn)降水分布和強(qiáng)度的變化也較小。

圖12 2021年7月19日14時(shí)至21日08時(shí)河南強(qiáng)降水區(qū)（黑色矩形，33°～37°N, 111°～115°E）1000～450 hPa四個(gè)方向水汽通量值（單位：107 kg s?1）垂直積分的時(shí)間平均。黑色、藍(lán)色和紅色箭頭分別表示CTL試驗(yàn)、NOINFA試驗(yàn)和NOCEM試驗(yàn)Fig. 12 Time average of 1000–450 hPa vertical integral of four-side water vapor flux magnitude (units: 107 kg s?1) for the heavy rainfall area(33°–37°N, 111°–115°E) in Henan area from 1400 BJT 19 July to 0800 BJT 21 July 2021. Black, blue, and red arrows represent the CTL,NOINFA, and NOCEM experiments

5.4 熱力條件

姚秀萍和于玉斌（2005）的研究指出，干冷空氣和暖濕空氣在江淮流域的對(duì)峙導(dǎo)致了局地的持續(xù)性暴雨。孫建華等（2006）的工作主要討論“9608”號(hào)臺(tái)風(fēng)因受高壓阻擋停滯，從而引起弱冷空氣入侵，為局地中尺度對(duì)流系統(tǒng)的建立提供有利條件，最終對(duì)北方特大暴雨過(guò)程產(chǎn)生重要影響。在本次河南極端暴雨過(guò)程中，同樣存在冷暖氣團(tuán)在低層風(fēng)場(chǎng)的引導(dǎo)下隨時(shí)間移動(dòng)形成對(duì)峙的現(xiàn)象，一定程度上增強(qiáng)了河南強(qiáng)降水區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定條件。

前文的分析顯示臺(tái)風(fēng)“煙花”與北側(cè)副高系統(tǒng)在30°N附近形成了強(qiáng)烈的偏東風(fēng)急流，該東風(fēng)急流對(duì)副高南側(cè)低層干冷氣團(tuán)的西移有重要貢獻(xiàn)（圖7）。因此，本文對(duì)研究時(shí)段內(nèi)圖8a所示的矩形ABCD面范圍內(nèi)的相當(dāng)位溫和水平風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行經(jīng)向平均，從而得到相應(yīng)的時(shí)間—緯向分布特征。如圖13a所示，CTL試驗(yàn)中干冷氣團(tuán)沿著該東風(fēng)氣流向河南強(qiáng)降水區(qū)輸送，至河南強(qiáng)降水區(qū)附近轉(zhuǎn)為偏南氣流并與該區(qū)域的暖濕空氣形成對(duì)峙。20日00時(shí)之后，河南強(qiáng)降水區(qū)的冷暖氣團(tuán)出現(xiàn)對(duì)峙，且河南相當(dāng)位溫梯度逐漸增強(qiáng)，有利于局地的熱力不穩(wěn)定性的維持和加強(qiáng)，進(jìn)一步有利于強(qiáng)降水的發(fā)生、發(fā)展。當(dāng)移除臺(tái)風(fēng)“煙花”環(huán)流后（圖13b），東風(fēng)分量減弱，冷氣團(tuán)西移減慢。20日17時(shí)左右河南強(qiáng)降水區(qū)才開始出現(xiàn)較明顯的冷暖氣團(tuán)對(duì)峙現(xiàn)象，且冷暖氣團(tuán)的強(qiáng)度和相當(dāng)位溫梯度均弱于CTL試驗(yàn)，局地不穩(wěn)定條件較差，不利于強(qiáng)降水的形成，從而導(dǎo)致NOINFA試驗(yàn)中河南地區(qū)降雨強(qiáng)度減弱。從相當(dāng)位溫的垂直分布來(lái)看，CTL試驗(yàn)在河南地區(qū)相當(dāng)位溫的垂直梯度大于NOINFA試驗(yàn)，進(jìn)一步說(shuō)明了CTL試驗(yàn)中河南強(qiáng)降水區(qū)的對(duì)流不穩(wěn)定性更強(qiáng)，有利于強(qiáng)降水的發(fā)生（圖略）。移除臺(tái)風(fēng)“查帕卡”后干冷氣團(tuán)的移動(dòng)幾乎不受影響，河南強(qiáng)降水區(qū)的局地?zé)崃l件也未發(fā)生明顯變化（圖略）。

圖13 （a）CTL試驗(yàn)和（b）NOINFA試驗(yàn)850 hPa相當(dāng)位溫（陰影，單位：K）和水平風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m s?1）的時(shí)間—緯向（對(duì)矩形ABCD面進(jìn)行經(jīng)向平均）演變。紅色矩形表示河南強(qiáng)降水區(qū)（33°～37°N, 111°～115°E）Fig. 13 Temporal–zonal (meridional averaging of rectangle ABCD) evolution of equivalent potential temperature (shadings, units: K) and horizontal wind (vectors, units: m s?1) for (a) CTL experiment and (b) NOINFA experiment at 850 hPa. Red rectangles represent the heavy rainfall area(33°–37°N, 111°–115°E) of Henan area

6 結(jié)論與討論

本文利用WRF（V3.6.1）模式，對(duì)近海臺(tái)風(fēng)“煙花”及“查帕卡”影響2021年7月19日08時(shí)至21日20時(shí)河南極端暴雨的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。分別設(shè)計(jì)了移除臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”的敏感性試驗(yàn)來(lái)探討它們?cè)凇?1·7”河南極端暴雨事件中對(duì)水汽輸送以及熱、動(dòng)力條件方面的貢獻(xiàn)，從而揭示近海臺(tái)風(fēng)對(duì)極端暴雨發(fā)生發(fā)展的影響機(jī)制。

CTL試驗(yàn)對(duì)研究時(shí)段內(nèi)臺(tái)風(fēng)“煙花”的移動(dòng)路徑和強(qiáng)度、大尺度環(huán)流配置和濕度場(chǎng)的演變、河南暴雨的強(qiáng)度和空間分布型特征都做出了較為合理的模擬，基本再現(xiàn)了本次河南極端暴雨過(guò)程。本次暴雨過(guò)程的概念模型如圖14所示，19日14時(shí)至21日08時(shí)，伴隨著西太臺(tái)風(fēng)“煙花”緩慢西移增強(qiáng)、副高環(huán)流西伸以及南海臺(tái)風(fēng)“查帕卡”近海登陸，低緯的暖濕水汽在低層?xùn)|風(fēng)急流和偏南風(fēng)急流的共同作用下持續(xù)地向河南地區(qū)輸送，大量水汽堆積并伴隨著強(qiáng)烈的低層水汽通量輻合；同時(shí)，河南東側(cè)不斷有干冷氣團(tuán)入侵，水平位溫梯度增大，大氣不穩(wěn)定能量增強(qiáng)，在上述有利的大氣環(huán)流背景下，河南中部及北部經(jīng)歷了連續(xù)的強(qiáng)降水過(guò)程，并呈現(xiàn)南—北向分布特征。

圖14 “21·7”河南極端暴雨事件過(guò)程概念模型?！癝H”表示西太平洋副熱帶高壓，兩個(gè)臺(tái)風(fēng)標(biāo)志分別表示臺(tái)風(fēng)“煙花”（In-Fa）和臺(tái)風(fēng)“查帕卡”（Cempaka），淺藍(lán)色箭頭表示水汽通量，藍(lán)色和紅色的云團(tuán)分別代表冷氣團(tuán)和暖氣團(tuán)，深藍(lán)色的向上箭頭代表上升運(yùn)動(dòng)Fig. 14 Schematic illustration of the “21·7” Henan heavy rainfall event. “SH” presents the western Pacific subtropical high. Two typhoon symbols denote the typhoons In-Fa and Cempaka. Light blue vector presents water vapor flux. Blue and red clouds represent warm and clod air masses, respectively. Dark blue upward-pointed vector denotes upward motion

移除臺(tái)風(fēng)“煙花”后，西太副高西伸南壓，東南風(fēng)急流沿副高南側(cè)輸送水汽至河南地區(qū)，與CTL試驗(yàn)相比，河南強(qiáng)降水區(qū)的南風(fēng)減弱、東風(fēng)增強(qiáng)，東西方向的水汽通量流入流出占主導(dǎo)，有利于降水分布型由南—北向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|—西向。另一方面，由于東南風(fēng)急流相較于移除“煙花”前減弱，河南強(qiáng)降水區(qū)局地輻合減弱；副高南側(cè)的冷氣團(tuán)西移減慢，局地相當(dāng)位溫梯度減弱；凈水汽通量流入較CTL試驗(yàn)降低了5.81%，降雨強(qiáng)度減弱。但西伸南壓的副高仍可以將暖濕水汽向河南強(qiáng)降水區(qū)輸送，部分地彌補(bǔ)了因移除“煙花”而減少的水汽輸送，所以NOINFA試驗(yàn)中河南降水總量雖有減弱但并不十分顯著。

移除環(huán)流尺度較小的臺(tái)風(fēng)“查帕卡”后，低層偏南風(fēng)急流略有減弱，而對(duì)于西太副高和臺(tái)風(fēng)“煙花”等大尺度環(huán)流系統(tǒng)幾乎未受影響，水汽輸送和低層水汽輻合特征都與CTL試驗(yàn)類似。因此，河南累計(jì)降水量略有降低，降水分布型基本不變。與臺(tái)風(fēng)“煙花”相比，“查帕卡”對(duì)本次“21.7”河南極端暴雨事件的影響偏弱。

本文的研究結(jié)果表明，當(dāng)海上臺(tái)風(fēng)與副高之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，形成明顯的水汽輸送通道后，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)陸地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)降水。此外，低空急流的走向?qū)邓目臻g分布具有一定的指示作用。本次“21.7”河南極端暴雨事件是多尺度天氣系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，而本文僅從近海臺(tái)風(fēng)環(huán)流的角度進(jìn)行模擬分析，其它系統(tǒng)的影響有待未來(lái)進(jìn)一步研究。