彭瑋怡，薛宇峰，劉春雷

(廣東海洋大學(xué) 海洋與氣象學(xué)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(shí)強(qiáng)降水的致災(zāi)性增加，極端暴雨事件已成為當(dāng)今氣象學(xué)界的研究熱點(diǎn)。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(jì)算了該事件強(qiáng)降水過(guò)程中多個(gè)物理量的標(biāo)準(zhǔn)差，顯示該事件具有顯著的極端性；冉令坤等[5]認(rèn)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(guān)系密切。2021年7月20日16～17時(shí)，鄭州1 h降雨量創(chuàng)記錄達(dá)到201.9 mm，造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，其成因值得深入分析研究。本文利用多源數(shù)據(jù)對(duì)此次鄭州極端強(qiáng)降水的降水特征，大氣環(huán)流，水汽、熱力、動(dòng)力條件和中尺度系統(tǒng)演變等方面進(jìn)行綜合分析，旨在探究此類(lèi)極端暴雨的關(guān)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(gè)國(guó)家級(jí)氣象站日降水和小時(shí)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?dāng)?shù)據(jù)水平分辨率為1°×1°，時(shí)間間隔為0.5 h；TBB資料來(lái)自FY-2F衛(wèi)星資料，時(shí)間間隔為3 h；ERA5資料水平分辨率為 0.25°，垂直方向37層，時(shí)間為逐小時(shí)間隔。

2 天氣形勢(shì)

2.1 降水實(shí)況

注：黑點(diǎn)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(guò)程。其中，7月18日，河南省暴雨點(diǎn)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(qiáng)降水中心西移至鄭州市附近，呈中尺度雨團(tuán)狀，在鄭州市附近停滯并不斷增強(qiáng)；從圖1(c)可看到，20日鄭州強(qiáng)降水中心24 h累計(jì)降水量最大達(dá)到了600 mm，打破了歷年的降水量紀(jì)錄；之后強(qiáng)降水中心逐漸向東北偏北方向移動(dòng)，21日強(qiáng)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(guò)程屬極端降水事件，具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、小時(shí)雨強(qiáng)和累計(jì)雨量大、范圍廣、時(shí)段集中和極端性突出等特征。

2.2 環(huán)流形勢(shì)

在暴雨發(fā)生前期，大氣環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定，華北地區(qū)為典型的“西低東高”形勢(shì)，2021年7月20日00∶00(UTC，下同)500 hPa短波槽逐漸東移影響中國(guó)西部地區(qū)，與此同時(shí)，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(dòng)。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(fēng)，在晉豫交界處形成非常強(qiáng)的氣旋性切變，水平輻合強(qiáng)烈(圖2)。

注：填色為渦度(單位：×10-6/s)。

從地面形勢(shì)來(lái)看，2021年7月17～21日河南省的北部為東北風(fēng)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(fēng)場(chǎng)切變產(chǎn)生的黃淮氣旋，地面有弱冷空氣自東北方向進(jìn)入河南省并到達(dá)鄭州附近。隨著東風(fēng)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(guò)程中同時(shí)不斷吸收來(lái)自臺(tái)風(fēng)“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(lái)充足的水汽供應(yīng)，隨后06∶00黃淮氣旋在地形摩擦下逐漸減弱消亡，此時(shí)鄭州也由東北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。由于7月17～20日06∶00弱冷空氣的影響，鄭州地面風(fēng)主要以東北風(fēng)為主，因此在7月20日08∶00增強(qiáng)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(diǎn)差(單位：℃)。

3 物理量場(chǎng)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(kāi)始建立。來(lái)自印度洋的強(qiáng)西南季風(fēng)的水汽輸送帶，輸送水汽流入臺(tái)風(fēng)“查帕卡”和“煙花”，臺(tái)風(fēng)“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(guó)南海的臺(tái)風(fēng)“查帕卡”在7月19日夜間升級(jí)為臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，并逐漸逼近廣東地區(qū)，臺(tái)風(fēng)“查帕卡”與強(qiáng)盛的西南季風(fēng)相互配合，導(dǎo)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(guò)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(dá)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(lái)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(dá)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(fēng)坡(圖4)，從地面到800 hPa附近都是水汽通量輻合區(qū)，強(qiáng)輻合中心位于地面到850 hPa之間，近地面東風(fēng)受西側(cè)地形影響，邊界層水汽通量輻合抬升顯著，對(duì)流層低層950 hPa以下的偏東風(fēng)到達(dá)鄭州附近因遭遇地形作用轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，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?yàn)榈匦巍?/p>

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(fēng)，中高層是深厚的偏南風(fēng)，對(duì)流層頂轉(zhuǎn)為西南風(fēng)(圖5)，整層水汽輸送非常好，增溫增濕，K指數(shù)達(dá)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(dòng)力抬升就能觸發(fā)對(duì)流。鄭州此刻對(duì)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(fēng)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(jiàn)，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(duì)流不穩(wěn)定能量值高，為強(qiáng)降水的形成發(fā)展提供充足的水汽和能量條件。

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

3.2.2 濕位渦與相當(dāng)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(dāng)位溫(單位：K)；黑色陰影為地形。

濕位渦是一個(gè)表征動(dòng)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(jī)制[6]。采用吳國(guó)雄等[7]提供的濕位渦守恒公式，計(jì)算了濕位渦的濕正壓項(xiàng)(MPV1)和濕斜壓項(xiàng)(MPV2)，圖6是鄭州暴雨過(guò)程不同時(shí)刻沿鄭州中心113.2°E所作的MPV1、相當(dāng)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(fù)值，說(shuō)明該地區(qū)存在弱的對(duì)流不穩(wěn)定。之后，MPV1負(fù)值區(qū)的絕對(duì)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(fù)值中心達(dá)到-0.4PVU，該區(qū)域受暖濕氣流影響，對(duì)應(yīng)此時(shí)暴雨中心位于33.4°N附近，在MPV1負(fù)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(dāng)位溫差值增大至9K，有顯著的對(duì)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(fù)值區(qū)，鄭州附近的次大值中心為-0.2PVU，表示低渦帶來(lái)的西南暖濕氣流導(dǎo)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(fù)值區(qū)，強(qiáng)度增至-0.3PVU，來(lái)自東海的海洋氣團(tuán)從邊層持續(xù)不斷向河南入侵，與河南本地大陸暖性氣團(tuán)在河南中北部相遇，由于兩個(gè)氣團(tuán)的溫濕特性差異明顯且長(zhǎng)時(shí)間對(duì)峙，從而在34°N附近形成θe能量鋒區(qū)，鋒區(qū)向鄭州擴(kuò)展，同時(shí)對(duì)應(yīng)MPV1負(fù)值區(qū)的相當(dāng)位溫等值線也非常密集，相當(dāng)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(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)，650 hPa以上為弱穩(wěn)定層結(jié)，相當(dāng)位溫最大差值達(dá)到了19 K，此時(shí)對(duì)流不穩(wěn)定達(dá)到了最強(qiáng)，該時(shí)刻也是鄭州極端暴雨發(fā)生的時(shí)段。2021年7月20日10∶00和21日00∶00可見(jiàn)鄭州上空的對(duì)流不穩(wěn)定有所減弱，隨著強(qiáng)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(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，同時(shí)相當(dāng)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(guò)程與MPV1負(fù)值中心的移動(dòng)和變化較為一致，降水強(qiáng)度與相當(dāng)位溫等值線密集帶變化密切相關(guān)，所以MPV1負(fù)值中心的加強(qiáng)和減弱以及移動(dòng)方向、相當(dāng)位溫等值線陡立密集和中低層相當(dāng)位溫能量鋒匯集區(qū)域均對(duì)局地暴雨的預(yù)報(bào)有很好的指示意義。

濕位渦斜壓項(xiàng) MPV2主要由水平風(fēng)的垂直切變和假相當(dāng)位溫的水平梯度決定，負(fù)值越大，其斜壓性越強(qiáng)。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(fēng)氣流受到地形的影響導(dǎo)致垂直風(fēng)切變?cè)黾拥脑颉?021年7月20日00∶00開(kāi)始，鄭州900 hPa以下的MPV2負(fù)值區(qū)的絕對(duì)值持續(xù)增大，大氣濕斜壓性不斷加強(qiáng)，強(qiáng)降水開(kāi)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(gè)大值中心，極端暴雨所在的鄭州上空MPV2值達(dá)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(fù)值中心有所北移，強(qiáng)度仍然維持，對(duì)應(yīng)降水區(qū)也有所北抬。2021年7月21日00∶00，鄭州附近的負(fù)值中心減弱消失，鄭州暴雨結(jié)束。

綜合MPV1與MPV2可見(jiàn)，強(qiáng)降水發(fā)生在MPV1和MPV2的負(fù)值中心存在時(shí)段，MPV2最大負(fù)值區(qū)對(duì)暴雨的落區(qū)和移動(dòng)有一定的指示意義。

3.3 動(dòng)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(shí)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(dá)到了24×10-5/s。925 hPa以下低層輻合顯著，達(dá)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(qiáng)烈的輻散加劇了對(duì)流層高層的抽吸作用，從950 hPa到300 hPa一直維持著極強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，最大上升速度達(dá)到了-50 Pa/s。在7月20日08∶00～09∶00鄭州極端暴雨過(guò)程結(jié)束后，正渦度值和負(fù)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(yùn)動(dòng)，但是在7月20日10∶00至7月21日又轉(zhuǎn)為較弱的上升運(yùn)動(dòng)。由圖9可見(jiàn)，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(fēng)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(yùn)動(dòng)的區(qū)域在鄭州區(qū)域逐漸擴(kuò)大，位于太行山東側(cè)迎風(fēng)坡的垂直上升運(yùn)動(dòng)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(qiáng)至-4 Pa/s。7月20日12∶00太行山迎風(fēng)坡東側(cè)和鄭州東側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)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(shì)高度(單位：m)；星號(hào)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(tuán)為中尺度對(duì)流系統(tǒng)[8]。在2021年鄭州極端暴雨過(guò)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(dòng)力抬升，有一直徑約400 km、結(jié)構(gòu)密實(shí)、獨(dú)立的中尺度云團(tuán)處于發(fā)展階段(圖10)，此云團(tuán)由多個(gè)β中尺度對(duì)流系統(tǒng)和γ小尺度對(duì)流系統(tǒng)復(fù)合形成中尺度對(duì)流復(fù)合體。TBB最低中心分散在鄭州附近，最亮處小于-56 ℃，與之對(duì)應(yīng)嵩山為此時(shí)的降水中心，降水強(qiáng)度達(dá)33.1 mm/h。到7月20日06∶00，中尺度對(duì)流系統(tǒng)不斷加強(qiáng)合并緩慢北移，南部多個(gè)新生的γ-β對(duì)流單體向中尺度對(duì)流復(fù)合體匯聚，3 h降水落區(qū)與中尺度對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)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(kuò)大，強(qiáng)度加強(qiáng)，最亮處降至-60 ℃，湖北、安徽的新生對(duì)流單體在西南氣流的引導(dǎo)下與中尺度對(duì)流系統(tǒng)合并加強(qiáng)，該系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間在此處停滯，對(duì)流發(fā)展旺盛，給鄭州造成了1 h降水量超過(guò)200 mm、3 h超過(guò)270 mm的極端強(qiáng)降水。12∶00中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展為α中尺度對(duì)流系統(tǒng)，高度進(jìn)一步伸展，TBB小于-56 ℃的冷云蓋范圍持續(xù)擴(kuò)大，最亮處降為-70 ℃。到7月20日18∶00，該中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展至成熟階段，呈近似圓形并逐漸東移，強(qiáng)降水落區(qū)也隨之東移，強(qiáng)度較中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展階段明顯減弱，7月21日00∶00，中尺度對(duì)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(tuán)演變與河南省國(guó)家自動(dòng)站3 h降水中心及強(qiáng)度的變化(圖略)對(duì)應(yīng)一致，可見(jiàn)此次鄭州極端暴雨過(guò)程是在中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展階段發(fā)生的，而不是在中尺度對(duì)流系統(tǒng)的成熟階段發(fā)生，因此多個(gè)中尺度云團(tuán)的合并發(fā)展以及中尺度云團(tuán)與河南南部多個(gè)新生對(duì)流單體的合并加強(qiáng)、長(zhǎng)時(shí)間停滯是導(dǎo)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(shì)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定維持，河南省高空受高壓脊控制創(chuàng)造強(qiáng)烈氣流輻散的條件。臺(tái)風(fēng)“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(qiáng)，并且與低渦外圍的東南氣流疊加，從低層到對(duì)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(duì)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(guò)東海伸展到河南，副高和臺(tái)風(fēng)“煙花”引導(dǎo)東南氣流穿越該濕區(qū)；另一條受臺(tái)風(fēng)“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(duì)流不穩(wěn)定能量大。鄭州暴雨發(fā)生在MPV1和MPV2的負(fù)值中心存在時(shí)段，暴雨的發(fā)生發(fā)展過(guò)程與MPV1負(fù)值中心的移動(dòng)和變化較為一致，降水強(qiáng)度與相當(dāng)位溫等值線密集帶變化密切相關(guān)，2021年7月19～21日來(lái)自東海的海洋氣團(tuán)與河南本地大陸暖性氣團(tuán)在河南中北部相遇且長(zhǎng)時(shí)間對(duì)峙，從而在34°N附近形成θe鋒區(qū)，能量鋒向鄭州擴(kuò)展的同時(shí)形成鄭州暴雨中心。

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

(5) 此次鄭州極端暴雨過(guò)程是在中尺度對(duì)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(dǎo)下，多個(gè)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(gè)新生γ-β對(duì)流單體的合并加強(qiáng)是導(dǎo)致此次河南極端暴雨的直接原因。