王哲雯

（1.中國(guó)氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003；2.駐馬店市氣象局，河南 駐馬店 463000）

暴雨是中國(guó)主要的氣象災(zāi)害，具有明顯的突發(fā)性、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降水強(qiáng)度大等特點(diǎn)，易引發(fā)不同程度的洪澇和地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失［1］。河南省處于青藏高原東側(cè)中緯度地區(qū)，也是受暴雨影響較嚴(yán)重的地區(qū)，其地形復(fù)雜，西部丘陵多發(fā)山洪、暴雨，東部平坦低洼，易發(fā)洪澇［2］。每年6—8 月，隨著西太平洋副熱帶高壓（以下簡(jiǎn)稱西太副高）西伸北抬，西南季風(fēng)加強(qiáng)且向北延伸，與西風(fēng)帶中東移南下的低值系統(tǒng)在河南省交匯產(chǎn)生暴雨［3］。中華人民共和國(guó)成立以來(lái)，河南省發(fā)生過(guò)多起極端暴雨事件。1975 年8 月7503 號(hào)臺(tái)風(fēng)在河南省移動(dòng)受阻，產(chǎn)生迅猛、集中的強(qiáng)降水，最大過(guò)程雨量1 631 mm，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失［4］。2007 年7 月，受西太副高、貝加爾湖高壓和低空急流的共同作用，豫西突發(fā)暴雨，導(dǎo)致山體滑坡、房倒屋塌、近百人死亡［5，6］。

河南省極端降水的多尺度時(shí)空變化通常與低渦、切變線、鋒面、西太副高、西南季風(fēng)等天氣系統(tǒng)密切相關(guān)，而由于地形等區(qū)域強(qiáng)迫的影響，降水的具體落區(qū)和發(fā)生發(fā)展等多表現(xiàn)出明顯的日變化特征［7，8］。在全球氣侯變暖背景下，西太副高、東亞夏季風(fēng)等諸多天氣氣候系統(tǒng)存在明顯的年代際變化［9-11］，極端降水等災(zāi)害性天氣日益增多，造成的損失和影響也呈明顯上升趨勢(shì)［12-14］。2021 年7 月17—22 日河南省發(fā)生極端暴雨（稱作“21·7”河南極端暴雨），此次降水過(guò)程具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、累積雨量大、短時(shí)雨強(qiáng)大、極端性強(qiáng)等突出特點(diǎn)，其中鄭州市8 個(gè)國(guó)家站日降水量突破建站以來(lái)歷史極值。針對(duì)此過(guò)程，數(shù)值模式和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)與實(shí)際降水落區(qū)和極端性方面均存在一定偏差，反映出當(dāng)前極端暴雨精準(zhǔn)預(yù)報(bào)的難度系數(shù)較大、對(duì)極端降水過(guò)程的產(chǎn)生機(jī)制和發(fā)生發(fā)展特征認(rèn)識(shí)不足等問(wèn)題。蘇愛芳等［15］和張霞等［16］對(duì)“21·7”河南極端暴雨過(guò)程的環(huán)流異常特征和基本成因等進(jìn)行了探討，本研究則主要分析此次極端暴雨的日變化過(guò)程，揭示降水和相關(guān)物理量的時(shí)空演變特征，旨在為此類極端強(qiáng)降水的可預(yù)報(bào)性研究提供一定的參考依據(jù)。

1 資料來(lái)源

本研究所使用的資料包括2021 年7 月18—23日河南省121 個(gè)國(guó)家級(jí)氣象自動(dòng)站的逐小時(shí)降水資料（來(lái)自中國(guó)氣象局氣象信息中心）；同時(shí)間段的歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European centre for mediumrange weather forecasts，ECMWF）第五代大氣再分析資料（ERA-5，https：//cds.climate.copernicus.eu/），水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向從1 000 hPa 至10 hPa 共17 層，時(shí)間間隔1 h。本研究中各地市的區(qū)域日降水量指該地市全部國(guó)家站日降水量的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 “21·7”河南極端暴雨過(guò)程概況

“21·7”河南極端暴雨過(guò)程的強(qiáng)降水階段自7 月18 日起，7 月22 日后明顯減弱。18 日降水主要分布于豫西豫北沿山一帶，19—20 日降水集中于豫中地區(qū)，21 日降水中心明顯移至豫北，22 日降水減弱。7 月18 日8：00 至23 日8：00 累計(jì)降水量如圖1 所示，該輪降水有2 個(gè)顯著的大值中心，分別位于豫中鄭州市附近和豫北新鄉(xiāng)-鶴壁一帶。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，鶴壁市科創(chuàng)中心站累計(jì)降水量高達(dá)1 116.2 mm，位居第一，鄭州市白寨站次之，累計(jì)降水量987.2 mm；河南省有173 個(gè)站點(diǎn)累計(jì)降水量超過(guò)600.0 mm，1/3 以上站點(diǎn)降水量在250.0 mm 以上。此外，河南省有41 個(gè)站點(diǎn)小時(shí)雨強(qiáng)大于100.0 mm/h，鄭州站7 月20 日16：00—17：00 雨強(qiáng)達(dá)201.9 mm，突破歷史極值，造成嚴(yán)重災(zāi)情。

圖1 河南省2021 年7 月18 日8：00 至23 日8：00 累計(jì)降水量

河南省18 個(gè)地市區(qū)域日降水量達(dá)到峰值的時(shí)間有所不同（圖2）。降水大值區(qū)新鄉(xiāng)市和鄭州市的日降水量均在7 月20 日達(dá)到峰值，而鶴壁市日降水量峰值出現(xiàn)在7 月21 日，表明降水演變有區(qū)域性差異，且降水落區(qū)有明顯的北移趨勢(shì)。同時(shí)，這3 個(gè)地市在該過(guò)程中均有3 個(gè)暴雨日（日降水量≥50 mm），強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、累積量較大。

圖2 2021 年7 月17 日8：00 至22 日8：00 河南省18 個(gè)地市日降水量時(shí)間序列

2.2 極端暴雨的日變化特征

由于地形等復(fù)雜因素的存在，極端暴雨通常具有顯著的多時(shí)空尺度特征［17-19］。其中，暴雨過(guò)程的整體特征與大尺度天氣系統(tǒng)變化相關(guān)，而具體的降水落區(qū)和發(fā)生時(shí)間等特征常受到區(qū)域性強(qiáng)迫的影響，呈顯著的日變化特征［7，8，20-22］。針對(duì)此次河南極端暴雨過(guò)程進(jìn)行初步分析，河南省121 個(gè)國(guó)家站降水總量具有明顯日變化特征，即呈傍晚（14：00—20：00）和清晨（2：00—8：00）雙峰型結(jié)構(gòu)，過(guò)程中發(fā)生的極端短時(shí)強(qiáng)降水基本都處于2個(gè)區(qū)間段內(nèi)（圖3）。

圖3 河南省2021 年7 月17 日8：00 至24 日8：00 共121 個(gè)國(guó)家站逐小時(shí)降水量總和的時(shí)間序列

對(duì)河南省內(nèi)降水做經(jīng)向平均（31°—37°N），結(jié)果如圖4 所示。7 月19 日8：00 之前強(qiáng)降水落區(qū)沿緯向分布較散且強(qiáng)度相對(duì)較弱；19 日20：00 至20 日20：00 降水集中于112.0°—113.5°E，雨強(qiáng)明顯增大；隨后20 日20：00 至21 日8：00 左右強(qiáng)降水區(qū)東移至113.5°—115.0°E，強(qiáng)度略微減弱；21 日8：00 至22 日8：00 強(qiáng)降水中心略有西移，維持在114° E 附近，同時(shí)雨強(qiáng)再次加大；之后降水明顯減弱。與強(qiáng)降水落區(qū)的東西向變化不同，經(jīng)向平均（110°—170°E）的降水在35°—36°N 緯度帶內(nèi)始終維持，可能是造成豫北極端降水量的原因之一（圖5）。19 日20：00 起強(qiáng)降水區(qū)逐漸北縮，20 日20：00 后向北發(fā)展、雨強(qiáng)增大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)至22 日8：00。 此外，圖4 和圖5 上均有散落的短時(shí)強(qiáng)降水區(qū)，表明該過(guò)程局地強(qiáng)對(duì)流多發(fā)。總體來(lái)說(shuō)，這次暴雨主要發(fā)生在豫中北地區(qū)，強(qiáng)降水落區(qū)移動(dòng)緩慢、局地維持時(shí)間長(zhǎng)、短時(shí)強(qiáng)對(duì)流性質(zhì)明顯，20 日20：00 后朝東北向移動(dòng)，后期集中于豫北114°E 附近。

圖4 河南省2021 年7 月18 日8：00 至23 日8：00 31°—37°N平均降水的經(jīng)度-時(shí)間演變

圖5 河南省2021 年7 月18 日8：00 至23 日8：00 110°—117°E 平均降水的時(shí)間-緯度演變

2.3 中低層大氣環(huán)流演變

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，“21·7”河南極端暴雨的日變化過(guò)程與中低層環(huán)流形勢(shì)的演變有著密切聯(lián)系（圖6）。7 月20 日8：00 500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)上，30°N 以南廣東沿海和臺(tái)灣島東側(cè)洋面存在一弱一強(qiáng)2 個(gè)氣旋式環(huán)流，分別對(duì)應(yīng)2107 號(hào)臺(tái)風(fēng)“查帕卡”和2106 號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”；30°N 以北受異常北抬的西太副高和位于中國(guó)西北地區(qū)的大陸高壓控制。雙臺(tái)風(fēng)和兩高對(duì)峙的環(huán)流形勢(shì)使得河南省低空東南風(fēng)急流異常強(qiáng)盛，在豫西地區(qū)形成低渦切變，對(duì)豫中地區(qū)強(qiáng)降水的形成十分有利（圖6a）。7 月20 日20：00，海上西太副高位置依然維持偏北，但有所東退，臺(tái)風(fēng)“煙花”北上，內(nèi)陸低渦隨之向東北移動(dòng)，低空偏南、東南風(fēng)急流在豫北一帶輻合，強(qiáng)降水向豫北地區(qū)轉(zhuǎn)移（圖6b）。7 月21 日8：00，臺(tái)風(fēng)“煙花”北側(cè)偏東氣流依然強(qiáng)盛，西太副高略有西進(jìn)，河南省上空850 hPa 偏南風(fēng)與東南風(fēng)氣流輻合區(qū)西移北抬，低渦切變減弱消失（圖6c）。7 月21 日20：00，海上副高北抬東退，“煙花”穩(wěn)定維持，豫東、豫北一帶低空東南急流顯著，但河南省低空偏南風(fēng)明顯減弱，降水開始有所減弱（圖6d）。

圖6 2021 年7 月20—21 日4 個(gè)時(shí)次的500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線和填色；單位：gpm）和850 hPa 風(fēng)場(chǎng)（矢量；單位：m/s）

2.4 相關(guān)物理量變化

暴雨的日變化過(guò)程通常伴隨著相關(guān)物理量場(chǎng)的變化，從暴雨生成維持所需要的水汽條件和暴雨的觸發(fā)機(jī)制垂直運(yùn)動(dòng)條件來(lái)看，各變量均呈現(xiàn)與強(qiáng)降水較一致的演變特征（圖7 至圖9）。整個(gè)降水過(guò)程（112°—115°E）7 月18—22 日低層925 hPa 比濕基本都在16 g/kg 以上，濕層深厚；7 月20 日20：00 之前比濕大值區(qū)偏西，隨后東移，21 日8：00 起有所增大，21 日20：00 后強(qiáng)降水區(qū)比濕明顯減弱。低空850 hPa 南風(fēng)分量于20 日20：00 后增強(qiáng)至10 m/s 以上且大值區(qū)東移，21 日8：00 后稍有減弱但依然維持在8 m/s，21 日20：00 起減小至4 m/s以下。與之幾乎相反，850 hPa 東風(fēng)分量在20 日20：00 之前最大可達(dá)8 m/s；20 日20：00 至21 日8：00 減小至3～4 m/s，而此時(shí)南風(fēng)分量較大，有利于來(lái)自海洋的水汽向北推進(jìn)；21 日8：00 后東風(fēng)再次加強(qiáng)至4～5 m/s，使得水汽輻合區(qū)略微西移。

圖7 河南省2021 年7 月18—23 日31°—37°N 平均925 hPa 比濕（a）及850 hPa 經(jīng)向（b）/緯向（c）風(fēng)的經(jīng)度-時(shí)間演變

結(jié)合925 hPa 水汽通量及其散度場(chǎng)也得到同樣的驗(yàn)證，海上西太副高西南側(cè)和臺(tái)風(fēng)“煙花”北側(cè)的東南風(fēng)急流強(qiáng)盛，形成強(qiáng)大的水汽通道，向河南省中、北部地區(qū)不斷輸送暖濕氣流，給暴雨的形成提供充沛水汽（圖8）。

圖8 2021 年7 月20—21 日4 個(gè)時(shí)次925 hPa 水汽通量［矢量；單位：g/（hPa·m·s）］及其散度場(chǎng)（填色；單位：10-12g·hPa·m2/s）

強(qiáng)降水過(guò)程中高層輻散區(qū)和低層輻合區(qū)匹配較好，通過(guò)抽吸作用，上升運(yùn)動(dòng)大值區(qū)自20 日20：00 起東移至113.5°—115.0°E 區(qū)，且強(qiáng)度維持至21 日20：00，之后有所減弱（圖9）。充足的水汽供應(yīng)加上強(qiáng)烈輻合上升運(yùn)動(dòng)條件，配合一定的能量，三者的演變對(duì)于強(qiáng)降水的形成維持和強(qiáng)度、落區(qū)的變化有重要影響。

圖9 河南省2021 年7 月18—23 日31°—37°N 平均200 hPa（a）/850 hPa（b）散度和500 hPa 垂直速度（c）的經(jīng)度-時(shí)間演變

3 小結(jié)

“21·7”河南極端暴雨過(guò)程有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、累計(jì)雨量大、短時(shí)降雨強(qiáng)、降雨極端性突出且致災(zāi)性強(qiáng)等特點(diǎn)，由于地形等復(fù)雜因素的影響，該過(guò)程河南省降水總量呈現(xiàn)傍晚（14：00—20：00）和清晨（2：00—8：00）雙峰型結(jié)構(gòu)，強(qiáng)降水的日變化特征顯著。主要結(jié)論如下。

1）極端暴雨主要發(fā)生在河南省中、北部地區(qū)，強(qiáng)降水落區(qū)移動(dòng)緩慢、局地維持時(shí)間長(zhǎng)，短時(shí)強(qiáng)對(duì)流性質(zhì)明顯。7 月19 日8：00 至20 日20：00 強(qiáng)降水中心位于豫中地區(qū)，之后朝東北向移動(dòng)，21 日8：00 左右略向西移、集中于豫北114°E 附近。

2）強(qiáng)降水的日變化過(guò)程與中低層環(huán)流形勢(shì)的演變有密切聯(lián)系。受2106 號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”、2107 號(hào)臺(tái)風(fēng)“查帕卡”和中緯度異常北抬的西太副高及大陸高壓影響，低渦切變?cè)邳S淮地區(qū)停滯少動(dòng)，導(dǎo)致強(qiáng)降水持續(xù)；而西太副高西進(jìn)東退及雙臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流的變化，使得低空偏南風(fēng)和東南風(fēng)急流在豫北中部的輻合區(qū)位置發(fā)生變化，從而對(duì)強(qiáng)降水的日變化起到一定調(diào)控作用。

3）各物理量場(chǎng)的分析結(jié)果表明，強(qiáng)降水的日變化過(guò)程與來(lái)自海洋的水汽輸送和局地上升運(yùn)動(dòng)變化一致。西太副高西南側(cè)和臺(tái)風(fēng)“煙花”北側(cè)的東南風(fēng)急流強(qiáng)盛，形成強(qiáng)大的水汽通道，向河南中、北部地區(qū)不斷輸送暖濕氣流，給暴雨的形成提供充沛水汽；配合局地較強(qiáng)輻合、抬升條件和不穩(wěn)定能量，進(jìn)而影響極端降水的強(qiáng)度和落區(qū)變化。