鄭州“7.20”極端暴雨天氣的基本觀測(cè)分析

蘇愛芳 ,呂曉娜 ,崔麗曼,李周,席樂(lè),栗晗

(1.中國(guó)氣象局(河南)農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國(guó)氣象科學(xué)院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 100081；3.河南省氣象臺(tái)，鄭州 450003)

引言

暴雨既可是長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間降水的累積效應(yīng)，也可由短時(shí)強(qiáng)降水造成，我國(guó)的暴雨過(guò)程尤其是致災(zāi)性極端暴雨過(guò)程一般都伴有極端性的短時(shí)強(qiáng)降水天氣，例如2007年7月18日濟(jì)南特大暴雨、2012年7月21日北京特大暴雨、2016年7月19日華北特大暴雨、2018年5月3日廣州特大暴雨等(楊曉霞等，2008；諶蕓等，2012；符嬌蘭等，2018；栗晗等，2018；徐珺等，2018)。

充沛的大氣可降水量是形成暴雨或極端短時(shí)強(qiáng)降水的必要條件(孫繼松，2017)。田付友等(2017)統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)極端短時(shí)降水的發(fā)生需要異常充足的水汽，不小于80 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水的整層可降水量的高概率密度區(qū)大致為55～70 mm，925 hPa和850 hPa強(qiáng)輻合是強(qiáng)降水發(fā)生的最重要的動(dòng)力抬升條件。鄭永光等(2017)指出，地面露點(diǎn)溫度達(dá)到26 ℃時(shí)說(shuō)明地表非常暖濕，這種情況下利用探空資料計(jì)算的整層可降水量一般在60 mm以上，有利于極端短時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn)。對(duì)華北極端暴雨而言，喇叭口地形、迎風(fēng)波地形強(qiáng)迫，增強(qiáng)風(fēng)速輻合是極端強(qiáng)降水的外強(qiáng)迫條件(諶蕓等，2012；孫軍等，2012，2017；符嬌蘭等，2018；栗晗等，2018)。徐珺等(2018)對(duì)廣州“5.7”極端強(qiáng)降水進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，地形輻射降溫疊加城市熱島在山前形成高溫度梯度區(qū)的熱動(dòng)力強(qiáng)迫，是廣州極端強(qiáng)降水的重要成因之一。孫繼松等(2015)對(duì)北京地區(qū)近10 a的極端暴雨進(jìn)行了研究，指出長(zhǎng)生命周期的單體或多單體組織合并的中尺度對(duì)流系統(tǒng)形成的暴雨中心一般位于北京西部山前地區(qū)或中心城區(qū)，這種分布與低空偏東氣流的地形強(qiáng)迫作用或城市強(qiáng)迫作用有關(guān)；“列車效應(yīng)”對(duì)應(yīng)的多單體中尺度對(duì)流系統(tǒng)形成的極端暴雨事件往往與兩類不同屬性的降水過(guò)程有關(guān)，即鋒前暖區(qū)對(duì)流過(guò)程和鋒面附近的對(duì)流過(guò)程，其降水分布往往平行于低空急流軸或鋒面。對(duì)流單體停滯、反復(fù)生消或多單體有組織性的合并、“列車效應(yīng)”常導(dǎo)致降水的增強(qiáng)(Doswell et al.,1986；俞小鼎等，2012)。綜合來(lái)看，近年來(lái)我國(guó)氣象工作者對(duì)極端暴雨、極端短時(shí)強(qiáng)降水開展了較為深入的研究工作，尤其對(duì)北京、廣州等大型城市的致災(zāi)性極端暴雨更為關(guān)注。

鄭州市已發(fā)展為人口超千萬(wàn)、GDP過(guò)萬(wàn)億的大型城市，2021 年7 月18 日08 時(shí)—22 日08 時(shí)(北京時(shí)，下同)受連續(xù)大暴雨及特大暴雨(稱為“鄭州‘7.20’極端暴雨天氣過(guò)程”)影響，出現(xiàn)了嚴(yán)重山洪、城市內(nèi)澇災(zāi)害，道路損毀、交通中斷、地下空間被淹，多區(qū)域出現(xiàn)斷電斷水?dāng)嗑W(wǎng)。由于降雨強(qiáng)度大，險(xiǎn)情、災(zāi)情發(fā)展迅速：20日下午16時(shí)，京廣快速路隧道瞬間水量上升，導(dǎo)致200余輛車擁堵被淹；傍晚，地鐵5號(hào)線列車因雨水溢至軌道迫停，數(shù)百名乘客被困，致14 人遇難；水庫(kù)、河流水位暴漲，20 日中午，鄭州西南部山洪匯集流入常莊水庫(kù)，造成水庫(kù)水位超警戒線1.9 m、引發(fā)多處管涌，給城市安全和南水北調(diào)干渠安全造成嚴(yán)重威脅；下午17時(shí)，市區(qū)主要排洪河道賈魯河多處出現(xiàn)潰堤險(xiǎn)情；晚上，城市南部郭家咀水庫(kù)出現(xiàn)漫壩、潰壩風(fēng)險(xiǎn)。截至8月1日18時(shí)，洪水導(dǎo)致103個(gè)水庫(kù)超汛限，市政道路損毀2 730 處，干線公路損毀1 190 處，農(nóng)村道路損毀6 415處，倒塌房屋5.28萬(wàn)間，農(nóng)作物受損11.15×104hm2、絕收2.90×104hm2，受災(zāi)人口188.49萬(wàn)人，遇難292人、失蹤47人，直接經(jīng)濟(jì)損失532億元。其中，因洪水、泥石流導(dǎo)致189 人遇難，因房屋倒塌導(dǎo)致54 人遇難，因地下室、車庫(kù)、地下管廊等地下空間溺亡39人(包括地鐵5號(hào)線14人遇難，京廣路隧道6人遇難)。

鄭州市地處我國(guó)南北氣候過(guò)渡帶以及山地、丘陵到平原的地貌過(guò)渡地帶(圖1a)，復(fù)雜的天氣系統(tǒng)及地形、城市效應(yīng)均有可能對(duì)鄭州降水造成明顯影響?？v觀此次極端暴雨天氣的預(yù)報(bào)過(guò)程，精準(zhǔn)預(yù)報(bào)預(yù)警方面仍存在較大難度，究其原因是對(duì)于極端天氣過(guò)程的形成機(jī)理還存在認(rèn)識(shí)不清的問(wèn)題。本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)、地面自動(dòng)站和多普勒雷達(dá)等多種資料，針對(duì)過(guò)程的基本天氣特征進(jìn)行分析，旨在為此類嚴(yán)重致災(zāi)性極端大暴雨的機(jī)理和可預(yù)報(bào)性延伸研究提供參考依據(jù)。

圖1 鄭州市行政區(qū)劃和站點(diǎn)分布圖(a,▲:累積降水量最大值出現(xiàn)處)和鄭州市2021年7月18日08時(shí)—22日08時(shí)(b)、7月19日08時(shí)—20日08時(shí)(c)、7月20日08時(shí)—21日08時(shí)(d)累計(jì)降水量圖(單位:mm)Fig.1 Zhengzhou administrative division and station distribution(a,▲:The place where the maximum accumulated rainfall appears),and the accumulated precipitation in Zhengzhou in different periods(unit:mm):(b)08∶00 BT 18-08∶00 BT 22 July 2021,(c)08∶00 BT 19-08∶00 BT 20 July 2021,and(d)08:00 BT 20-08∶00 BT 21 July 2021.

1 降水特征

2021 年7 月18—22 日鄭州地區(qū)出現(xiàn)罕見極端強(qiáng)降水天氣。鄭州地區(qū)(193 個(gè)自動(dòng)站，其中包括8 個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站，見圖1a)平均降水量達(dá)527.4 mm，全市有107站累計(jì)降水量超過(guò)500 mm，有53站超鄭州地區(qū)年平均降水量(641 mm)。最大累計(jì)降水量出現(xiàn)在新密白寨，達(dá)985.2 mm，鄭州國(guó)家氣象站(以下簡(jiǎn)稱為“鄭州站”)累計(jì)降水量為817.3 mm(圖1b)。全市連續(xù)4 d 出現(xiàn)暴雨及以上量級(jí)降水，其中19 日和20 日連續(xù)兩天出現(xiàn)區(qū)域性大暴雨、特大暴雨(圖1c、d)，8 個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站的日降水量全部突破建站以來(lái)歷史極值，二七區(qū)侯寨站20日的日降水量高達(dá)663.9 mm，單日降水已超過(guò)鄭州地區(qū)年平均降水總量，鄭州站的單日降水量也達(dá)624.1 mm (20 日08 時(shí)—21 日08 時(shí))、24 h 降水量最大值為645.6 mm，出現(xiàn)在20日04時(shí)—21日04時(shí)。

逐小時(shí)降水分析表明，18日08時(shí)—22日08時(shí)，鄭州市193 個(gè)氣象觀測(cè)站普遍出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水(≥20 mm·h-1)。鞏義、新密、滎陽(yáng)和登封北部、二七區(qū)西部的短時(shí)強(qiáng)降水頻次均在10次以上，其中鄭州西部山區(qū)新密和鞏義境內(nèi)的短時(shí)強(qiáng)降水頻次最高，新密白寨站和鞏義竹林站分別達(dá)到20和19次。鄭州大部還出現(xiàn)了大于50 mm·h-1的極端小時(shí)強(qiáng)降水，主城區(qū)(二七區(qū)、金水區(qū)、中原區(qū)、管城區(qū))的短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度達(dá)100 mm·h-1以上。其中，18日19時(shí)—19日20時(shí)，鄭州地區(qū)小時(shí)降水強(qiáng)度普遍在50 mm·h-1以下；19 日20 時(shí)—20 日12時(shí)，降水加強(qiáng)，鄭州西部的新密、登封、滎陽(yáng)、鞏義四市和新鄭西部出現(xiàn)了≥50 mm·h-1的較強(qiáng)小時(shí)強(qiáng)降水，強(qiáng)降水峰值分別出現(xiàn)在20 日01 時(shí)登封的西燕村站(64 mm·h-1)和09 時(shí)滎陽(yáng)石板溝站(76 mm·h-1)；20 日12—19時(shí)，強(qiáng)降水區(qū)東擴(kuò)、主城區(qū)降水進(jìn)入最強(qiáng)時(shí)段，15—18 時(shí)中原區(qū)、二七區(qū)、管城區(qū)、金水區(qū)(包括鄭東新區(qū))先后有12站次出現(xiàn)超過(guò)100 mm·h-1的極端短時(shí)強(qiáng)降水；20日20時(shí)—22日08時(shí)，鄭州轄區(qū)內(nèi)雖仍有短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生，但強(qiáng)度較前期明顯減弱(圖略)。進(jìn)一步分析鄭州站和新密白寨站逐小時(shí)降水分布，發(fā)現(xiàn)18日夜間兩站就開始出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，前者在20日16―17時(shí)小時(shí)降水極強(qiáng)，達(dá)到201.9 mm·h-1，但過(guò)程期間的短時(shí)強(qiáng)降水頻次相對(duì)少(11 次)，且主要集中出現(xiàn)在20日14―23時(shí)；白寨站短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻次為19次，強(qiáng)降水表現(xiàn)出階段性特征，最強(qiáng)降水出現(xiàn)在20日14―15時(shí)，為97.9 mm·h-1，弱于鄭州站(圖2)。

圖2 2021年7月18日20時(shí)—21日08時(shí)鄭州國(guó)家站和新密白寨站逐小時(shí)降水量時(shí)序圖Fig.2 The hourly rainfall at Zhengzhou national station and Baizhai station from Xinmi from 20∶00 BT 18 to 08∶00 BT 21 July 2021.

綜上，此次極端暴雨過(guò)程具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、累計(jì)降水量大、短時(shí)降水強(qiáng)度強(qiáng)、極端性突出等特征。過(guò)程中不同區(qū)縣(市)的短時(shí)強(qiáng)降水頻次分布不均，總體表現(xiàn)為西高東低特征。西部、西南部短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻繁，但降水強(qiáng)度弱于主城區(qū)；主城區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水頻次低、但雨強(qiáng)極端?？傊嵵菸鞑可絽^(qū)的高頻次短時(shí)強(qiáng)降水和20 日下午主城區(qū)的極強(qiáng)短時(shí)強(qiáng)降水是導(dǎo)致鄭州地區(qū)嚴(yán)重山洪、城區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害的主要原因。

2 天氣形勢(shì)和影響系統(tǒng)

下面依次分析對(duì)流層高層至地面各主要層次的天氣形勢(shì)及關(guān)鍵影響系統(tǒng)的發(fā)展演變情況。

首先，分析200 hPa的天氣形勢(shì)演變(圖3a)。17日20時(shí)，烏拉爾山東部為低槽區(qū)，南亞高壓(1 256 dagpm為其特征等高線)位于青藏高原上空，1 256 dagpm 等高線東伸至104°E 附近，我國(guó)東海上空有一中心值為1 232 dagpm 的低渦(或稱“低壓”)，河套附近有一低槽，黃淮地區(qū)受河套槽前高壓脊控制。17 日20 時(shí)—21 日20 時(shí)，烏拉爾山東部大槽收縮東移，南亞高壓17 日20 時(shí)—19 日20 時(shí)西退、19 日20 時(shí)—21 日20 時(shí)東北進(jìn)，沿海低渦17—19 日緩慢西移靠近我國(guó)東部沿海、20 日20 時(shí)前后在125°E 附近減弱為低槽、21日在125°E 的遼寧上空再次發(fā)展成低渦系統(tǒng)，可見沿海低值系統(tǒng)強(qiáng)盛、但西進(jìn)受阻，河套低槽17日20時(shí)—20日20 時(shí)加深發(fā)展、位置少動(dòng)，黃淮地區(qū)持續(xù)受槽前高壓脊控制。另外，18 日、19 日臺(tái)風(fēng)“煙花”(2106 號(hào))和“查帕卡”(2107號(hào))先后在臺(tái)灣東部海面上和我國(guó)南部沿海形成，其中臺(tái)風(fēng)“煙花”與沿海低渦幾乎同位相共存，導(dǎo)致東部沿海地區(qū)低值系統(tǒng)整體勢(shì)力加強(qiáng)。從20 日08 時(shí)天氣形勢(shì)(圖3b)可知，南亞高壓東伸至100°E 附近，沿海低渦、臺(tái)風(fēng)“煙花”西行受阻，河套槽加深發(fā)展，控制黃淮中西部的高壓脊也隨之發(fā)展，脊上分流輻散增強(qiáng)，有利于低空輻合系統(tǒng)發(fā)展。綜上可知，17 日20 時(shí)—21 日20 時(shí)，中緯度地區(qū)高空形勢(shì)整體穩(wěn)定并在20日08時(shí)“對(duì)峙”態(tài)勢(shì)達(dá)到最強(qiáng)。21日08 時(shí)后，隨著南亞高壓東伸北抬，中高緯度低槽繼續(xù)收縮東移，我國(guó)東北地區(qū)東部高壓脊發(fā)展，沿海低渦北移到遼寧境內(nèi)，河套低槽收縮東移，控制黃淮中西部的高壓脊及強(qiáng)輻散區(qū)也隨之北抬影響豫北和華北地區(qū)。

圖3 2021年7月17日20時(shí)(a)、20日08時(shí)(b)200 hPa高度場(chǎng)和17日20時(shí)—21日20時(shí)天氣系統(tǒng)的演變(黑實(shí)線代表高度場(chǎng),單位:dagpm;棕實(shí)線代表低槽;1 256 dagpm等高線代表南亞高壓;為臺(tái)風(fēng);紅色數(shù)字“17—21”代表日期,對(duì)應(yīng)當(dāng)天20時(shí)天氣系統(tǒng)的位置,黑、紅、粉、蘭、綠加粗線分別指示17日20時(shí)、18日20時(shí)、19日20時(shí)、20日20時(shí)、21日20時(shí)1 256 dagpm等高線;D(G)代表低(高)壓中心;黑箭矢代表低渦和臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)方向;●代表鄭州站，下同)Fig.3 (a)Geopotential height field at 200 hPa at 20∶00 BT 17 July and the evolution of the weather system from 20∶00 BT 17 to 20∶00 BT 21 July,and(b)geopotential height field at 200 hPa at 08∶00 BT 20 July 2021(Solid black line denote potential height,unit:dagpm;Solid brown lines denote the low trough;1 256 dagpm contours denote the South Asian high;:typhoons;Number‘17-21’means the date corresponding to the location of the weather system at 20∶00 that day,black,red,pink,blue,green bold lines denote the line‘1 256 dagpm’at 20∶00 BT 17,20∶00 BT 18,20∶00 BT 19,20∶00 BT 20,20∶00 BT 21 July,respectively;D(G):low(high)pressure center;Black arrows denote the moving direction of the low vortex and typhoons;●:Zhengzhou Station.Same hereafter).

分析500 hPa 天氣形勢(shì)(圖4a)發(fā)現(xiàn)，17 日20時(shí)，與200 hPa烏拉爾山東部的大槽對(duì)應(yīng)，新疆西北部有一低槽，我國(guó)西部大陸高壓位于青藏高原北部并東伸到西北地區(qū)東部，日本高壓較強(qiáng)盛(達(dá)592 dagpm)，588 dagpm脊線西伸至吉林西南部(127°E)，整體來(lái)看副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱為“副高”)位置偏北、勢(shì)力強(qiáng)盛，與200 hPa海上低渦系統(tǒng)對(duì)應(yīng)，500 hPa海上副高東南側(cè)也存在低壓系統(tǒng)，說(shuō)明東海低渦系統(tǒng)深厚,強(qiáng)盛的副高和深厚的沿海低渦系統(tǒng)有利于天氣形勢(shì)的穩(wěn)定；在此背景下，蒙古國(guó)東部到山西中部有一低槽，黃淮地區(qū)處于“兩高”之間的低壓區(qū)內(nèi)，安徽省沿淮地區(qū)有低渦形成。分析副高演變趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，17 日20 時(shí)—21 日20 時(shí)新疆低槽加深發(fā)展、東移，大陸副高西退并迅速減弱，海上副高17 日20 時(shí)—20 日20 時(shí)西伸、20 日20 時(shí)—21 日20時(shí)穩(wěn)定略東退，18日20時(shí)—21日20時(shí)臺(tái)風(fēng)“煙花”、“查帕卡”西行，中緯度低槽收縮東移，安徽境內(nèi)的低渦先西南移、后轉(zhuǎn)向西北再轉(zhuǎn)向偏北方向移動(dòng)，21 日20 時(shí)移至陜西東北部，即受較為穩(wěn)定的天氣形勢(shì)影響，低渦連續(xù)4 d 的活動(dòng)范圍均在黃淮中西部地區(qū)。值得關(guān)注的是，20 日08 時(shí)(圖4b)低渦移至河南西部時(shí)，200 hPa河套槽下方，即內(nèi)蒙古東部、河套地區(qū)、四川盆地分別有三個(gè)反氣旋(高壓)環(huán)流，與西伸的海上副高形成對(duì)峙形勢(shì)，在“兩高”對(duì)峙及臺(tái)風(fēng)西行背景下，鄭州站500 hPa東南風(fēng)風(fēng)速增大到14 m·s-1且維持近12 h，有利于鄭州地區(qū)局地輻合抬升作用的加強(qiáng)和持續(xù)。此外，從圖4b 溫度場(chǎng)分析來(lái)看，黃淮中西部受溫度脊控制，無(wú)明顯鋒區(qū)和冷暖空氣活動(dòng)，也有利于天氣形勢(shì)的穩(wěn)定。

圖4 2021年7月17日20時(shí)(a)、20日08時(shí)(b)500 hPa高度場(chǎng)(黑實(shí)線,單位:dagpm)及17日20時(shí)—21日20時(shí)副高(加粗線為588 dagpm等高線,不同顏色對(duì)應(yīng)不同時(shí)次,同圖3)、低渦(D)、臺(tái)風(fēng)()演變(D(G):低(高)氣壓中心;L(N):低(高)溫度中心)Fig.4 The geopotential height field at 500 hPa(the solid black line,unit:dagpm)at(a)20∶00 BT 17 and(b)08∶00 BT 20 July and the evolution of the subtropical high(the bold line:588 dagpm,different colors correspond to different times,same as Fig.3),the low vortex(D)and typhoons()from 20∶00 BT 17 to 20∶00 BT 21 July 2021.D(G):low(high)air pressure center and L(N):low(high)temperature center.

下面分析700 hPa 和850 hPa 黃淮地區(qū)低渦和切變線的活動(dòng)情況。17 日20 時(shí)，700 hPa 低渦位于豫皖交界處，18日20時(shí)移至信陽(yáng)西部，此時(shí)鄭州由位于東風(fēng)切變線西側(cè)轉(zhuǎn)至切變線附近，由東北風(fēng)10 m·s-1轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)6 m·s-1，19日20時(shí)低渦填塞、東風(fēng)切變線繼續(xù)西行，鄭州站東風(fēng)加大到8 m·s-1；20日08時(shí)豫西地區(qū)再次形成低渦，鄭州站由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，風(fēng)速達(dá)16 m·s-1，20日20時(shí)后，切變線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至東北至西南向，鄭州上空轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)、風(fēng)速為12 m·s-1，21 日20時(shí)，西南氣流發(fā)展，切變線繼續(xù)旋轉(zhuǎn)呈東西向，并北抬至山陜中部。由于探空站稀疏，17—21日是否為同一個(gè)低渦或者每個(gè)時(shí)次是否均有低渦(例如，19 日08時(shí)、20日20時(shí)分析不出閉合低渦系統(tǒng)，只能分析出切變線)對(duì)鄭州強(qiáng)降水起作用還不能確定，但總體來(lái)看，低渦外圍或切變線東側(cè)的東風(fēng)、東南風(fēng)急流是鄭州極端強(qiáng)降水的主要影響系統(tǒng)(圖5a)。850 hPa 的影響系統(tǒng)與700 hPa 相似，18 日20 時(shí)—20 日20 時(shí)(圖5b)，鄭州受低渦或切變線東側(cè)的偏東到東南氣流影響，20日08 時(shí)東南風(fēng)風(fēng)速加大至14 m·s-1。值得關(guān)注的是，此時(shí)海上副高、臺(tái)風(fēng)“煙花”西行過(guò)程中，兩個(gè)系統(tǒng)之間的東南氣流與黃淮低渦外圍或切變線東側(cè)的東南氣流疊加，形成一條源于海上的連續(xù)的東南氣流水汽輸送帶，這條東南氣流水汽輸送向上伸展到700 hPa、向下延展至地表附近，深厚的東南氣流不僅可以為鄭州強(qiáng)降水提供充足的水汽，而且也可能是導(dǎo)致鄭州東風(fēng)或東南風(fēng)加強(qiáng)、形成急流的重要原因。

圖5 2021年7月17日20時(shí)—21日20時(shí)700 hPa影響系統(tǒng)和風(fēng)場(chǎng)演變(a,:切變線;顯著流線)、20日08時(shí)850 hPa高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)演變(b,黑實(shí)線為高度場(chǎng),單位:dagpm;:850 hPa流線)。粉色、黑色、藍(lán)色分別為19日20時(shí)、20日08時(shí)、20日20時(shí)風(fēng)場(chǎng)Fig.5 The evolution of weather system and wind field(a,:the shear line,:the significant streamline)at 700 hPa from 20∶00 BT 17 to 20∶00 BT 21 July,the geopotential height field and wind field(b,the solid black line,unit:dagpm;:the streamline at 850 hPa)at 850 hPa at 08∶00 BT 20 July 2021.Pink,black and blue represent wind field at 20∶00 BT 19,20∶00 BT 20,20∶00 BT 21,respectively.

海平面氣壓場(chǎng)分析(圖6)表明，18 日20 時(shí)—21 日20時(shí)，鄭州處于東北高、西南低的氣壓場(chǎng)里。18日20時(shí)—20 日08 時(shí)有東北風(fēng)引導(dǎo)冷空氣擴(kuò)散南下，20 日08 時(shí)在河南的西部、北部形成降幅超過(guò)1.0 ℃的24 h顯著降溫區(qū)；從1 007.5 hPa 等壓線的演變來(lái)看，18 日20 時(shí)—20 日08 時(shí)，沿海高壓呈緩慢西進(jìn)南壓趨勢(shì)，20 日08 時(shí)1 007.5 hPa 等壓線南移至黃河以南地區(qū)。20 日08—20 時(shí)，隨著黃淮中部高空偏南氣流發(fā)展，河南中東部地面暖倒槽略發(fā)展，1 007.5 hPa 等壓線位置穩(wěn)定、略北抬。隨著21 日20 時(shí)高空偏南氣流進(jìn)一步發(fā)展，1 007.5 hPa 等壓線明顯北抬至豫北地區(qū)。綜合來(lái)看，18日20時(shí)冷空氣南下后，19日20時(shí)—21日08時(shí)1 007.5 hPa等高線在約50 km范圍內(nèi)活動(dòng)，地面形勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，尤其20 日08 時(shí)后冷暖空氣在鄭州附近交綏，為鄭州20日白天的極強(qiáng)降水提供了觸發(fā)條件。

3.2.2 耕地地力等級(jí)行政區(qū)劃特征分析 將耕地地力等級(jí)分布結(jié)果與行政區(qū)劃相疊加，根據(jù)耕地地力等級(jí)行政區(qū)域分布的數(shù)據(jù)庫(kù)，按照權(quán)屬字段進(jìn)行檢索得到各等級(jí)記錄，統(tǒng)計(jì)出一至六級(jí)地在膠東半島地區(qū)具體分布狀況，見表4。

圖6 2021年7月20日08時(shí)海平面氣壓場(chǎng)(黑實(shí)線,單位:hPa)和18日20時(shí)—21日20時(shí)1 007.5 hPa等壓線演變(:移動(dòng)方向)Fig.6 Sea level pressure field(the black solid line,unit:hPa)at 08∶00 BT 20 July and the movement of the line 1 007.5 hPa from 20∶00 BT 18 to 20∶00 BT 21 2021(:the moving direction).

綜上，南亞高壓與沿海深厚低渦共存、中層海上副高與河套高壓(反氣旋環(huán)流)對(duì)峙及地面冷暖空氣交綏，導(dǎo)致天氣形勢(shì)穩(wěn)定，為鄭州持續(xù)性降水的發(fā)生提供了背景條件。高層河套低槽加深、黃淮中西部高壓脊發(fā)展，有利于低層黃淮低渦、切變線及河套附近反氣旋環(huán)流的發(fā)展和維持。鄭州短時(shí)強(qiáng)降水開始于18日20 時(shí)前后，即切變線西移到鄭州附近、地面有冷空氣擴(kuò)散南下之時(shí)；極強(qiáng)降水發(fā)生于南亞高壓東伸、沿海低渦西進(jìn)受阻、中層海上副高及臺(tái)風(fēng)西進(jìn)、地面冷暖空氣對(duì)峙的過(guò)程中，鄭州站700 hPa和850 hPa附近強(qiáng)盛的東南風(fēng)、東風(fēng)急流為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力抬升條件，而海上副高、臺(tái)風(fēng)“煙花”西進(jìn)過(guò)程中，其外圍的東南風(fēng)與黃淮地區(qū)東南氣流疊加，形成深厚的水汽通道為鄭州強(qiáng)降水提供了豐沛水汽。

3 能量和水汽條件

為深入探討極強(qiáng)降水發(fā)生的可能原因，從能量和局地水汽條件方面對(duì)鄭州強(qiáng)降水的成因進(jìn)行分析。極端暴雨發(fā)生前期，副高位置整體偏北，河南處于副高南側(cè)的高溫高濕環(huán)境中。鄭州探空(表1)表明，17日20時(shí)—20 日08 時(shí)，對(duì)流有效位能(CAPE)為600 J·kg-1以上，尤其18日20時(shí)降水加強(qiáng)前，CAPE達(dá)2 866.9 J·kg-1，K 指數(shù)普遍在35 ℃以上，19 日20 時(shí)開始K 指數(shù)≥38 ℃；從抬升指數(shù)(LI)來(lái)看，除了強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段(20日14 時(shí)和20 時(shí))在0 ℃以上，其余大部分在-2.1 ℃以下，說(shuō)明大氣處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。從水汽條件來(lái)看，從18日開始整層可降水量(PW)多在60 mm以上，在19日20時(shí)—21日20時(shí)更是高達(dá)67～69 mm，地面露點(diǎn)溫度最高在25～26 ℃，滿足極端短時(shí)強(qiáng)降水的水汽條件(田付友等，2017；鄭永光等，2017)。同時(shí)，由于邊界層飽和，抬升凝結(jié)高度(LCL)接近地表，自由對(duì)流高度(LFC)也較低，在極強(qiáng)降水發(fā)生的19日20時(shí)—20日20時(shí)，LCL、LFC高度相同且接近地面，說(shuō)明云底低，蒸發(fā)小，氣塊溫度遞減率小于環(huán)境溫度遞減率，幾乎不需要環(huán)境動(dòng)力抬升就能成云致雨。另外，值得關(guān)注的就是垂直風(fēng)切變對(duì)強(qiáng)降水的貢獻(xiàn)，18 日20 時(shí)，0—1 km、0—3 km垂直風(fēng)切變較前期明顯加大，降水也隨之增強(qiáng)，19日20時(shí)0—1 km和0—6 km的垂直風(fēng)切變分別增加到13 m·s-1和11 m·s-1，20日08時(shí)三個(gè)高度的垂直風(fēng)切變繼續(xù)增大，分別達(dá)到15 m·s-1、15 m·s-1、16 m·s-1，對(duì)應(yīng)著20 日午后鄭州出現(xiàn)了極強(qiáng)短時(shí)強(qiáng)降水，20 日20時(shí)后垂直風(fēng)切變逐漸減小，降水也趨于減弱。值得關(guān)注的還有，鄭州站20日14時(shí)加密探空分析顯示，0—3 km垂直風(fēng)切變?cè)鰪?qiáng)至17 m·s-1，如此強(qiáng)的垂直風(fēng)切變極為罕見，或許對(duì)16—17時(shí)鄭州站極強(qiáng)降水具有重要作用。對(duì)于云底高度較高的大陸性強(qiáng)降水云或者具有傾斜結(jié)構(gòu)的對(duì)流云而言，弱垂直風(fēng)切變有利于降水效率的增加(Davis，2001；孫繼松，2017)，然而對(duì)于過(guò)程中水汽飽和度高、云底高度低的深厚暖云而言，強(qiáng)垂直風(fēng)切變或許起到了動(dòng)力抬升及促使強(qiáng)降水系統(tǒng)維持的作用。

表1 2021年7月17日08時(shí)—21日20時(shí)鄭州探空物理量及其未來(lái)12 h降水量(R12)Table 1 Sounding physical quantities at Zhengzhou station from 08∶00 BT 17 to 20∶00 BT 21 July 2021 and the precipitation over the next 12 h.

可見，19日20時(shí)，強(qiáng)降水發(fā)生前期，鄭州上空水汽異常充沛，對(duì)流不穩(wěn)定能量也較高，為強(qiáng)降水的形成發(fā)展提供足夠的水汽和能量條件，而發(fā)展加強(qiáng)的中低層垂直風(fēng)切變又可為強(qiáng)降水的形成提供了觸發(fā)和維持機(jī)制。

4 地形影響

鄭州市臨近區(qū)域北部有太行山、西部有秦嶺余脈(伏牛山系)，地勢(shì)表現(xiàn)為西南高、東北低、呈階梯狀下降的態(tài)勢(shì)。其中，西部、西南部的中低山為嵩山、箕山，二者呈東西向近于平行地展布在西部中間地帶和西南部邊緣。嵩山海拔高度一般為500～1 200 m(登封、新密和鞏義、滎陽(yáng)的自然分界線)，最高峰海拔1 512.4 m；箕山海拔高度一般為500～800 m(鄭州市西南部邊界)；中低山前部為丘陵，丘陵前面為傾斜(崗)平原，沖積平原廣泛分布于東部地區(qū)(圖7a)。已有研究表明，太行山和伏牛山地形會(huì)給河南省及鄭州市的降水帶來(lái)明顯影響(張寧和蘇愛芳，2017；栗晗等，2019；蘇愛芳等，2020)，但嵩山對(duì)于鄭州降水的影響研究尚不充分。

圖7 2021年7月18日08時(shí)—20日20時(shí)地形(填色,單位:m)和925 hPa風(fēng)場(chǎng)(a)及20日15時(shí)地面形勢(shì)場(chǎng)(b，紅實(shí)線和黃虛線分別為等溫線、等露點(diǎn)溫度線,單位:℃)(圖a中風(fēng)羽顏色赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫分別代表18日08和20時(shí)、19日08和20時(shí)、20日08、14和20時(shí); :圖a中為切變線,圖b中為地面輻合線; :顯著流線)Fig.7 (a)Terrain(shaded,unit:m)and the wind field at 925 hPa,and(b)the ground field at 15∶00 BT 20(the red solid line and the yellow dashed line are the isotherm and the dew point temperature,respectively,unit:℃).The color red,orange,yellow,green,cyan-blue,blue and purple denote 08∶00 BT and 20:00 BT 18,08∶00 BT and 20∶00 BT 19,and 08∶00 BT,14∶00 BT,20∶00 BT 20 July,respectively in Fig.a. :the shear line in Fig.a and the ground convergence line in Fig.b. :the significant streamline.

分 析18 日08 時(shí)—21 日08 時(shí)925 hPa 風(fēng)場(chǎng)演變(圖7a)，發(fā)現(xiàn)鄭州探空站各時(shí)次風(fēng)均具有偏東風(fēng)分量，且主要降水時(shí)段風(fēng)速不小于8 m·s-1，19日20時(shí)和20日08時(shí)出現(xiàn)超低空東風(fēng)急流，風(fēng)速分別達(dá)16 m·s-1和14 m·s-1，對(duì)于東風(fēng)氣流而言，嵩山可形成“迎風(fēng)坡”效應(yīng)，尤其對(duì)于超低空東風(fēng)急流，抬升作用將更加顯著，且在山谷地帶可能還會(huì)存在“狹管”效應(yīng)，這可能是鄭州西部從18 日20 時(shí)開始持續(xù)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的重要原因。另外，極強(qiáng)降水發(fā)生前的20 日14 時(shí)鄭州站為偏東風(fēng)8 m·s-1，20時(shí)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)10 m·s-1，說(shuō)明20日下午到夜里在鄭州附近及其以西地區(qū)邊界層有冷空氣擴(kuò)散，可對(duì)強(qiáng)降水起一定的觸發(fā)作用。

詳細(xì)分析鄭州站極強(qiáng)降水(20日16—17時(shí)降水量為201.9 mm)發(fā)生前的15時(shí)地面自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)和溫度、濕度發(fā)現(xiàn)，在嵩山東北部沿山地區(qū)存在輻合線，該輻合線由來(lái)自于豫南的偏南風(fēng)經(jīng)嵩山東側(cè)山谷轉(zhuǎn)向?yàn)槲髂巷L(fēng)與嵩山東北部的偏東風(fēng)匯合形成，輻合線東北側(cè)為高溫高濕區(qū)、南側(cè)嵩山上為低溫、低露點(diǎn)溫度區(qū)，輻合線附近為等溫線和等露點(diǎn)溫度線密集區(qū)，即中尺度鋒區(qū)。另外，受北方擴(kuò)散南下冷空氣影響，在鄭州西北部和嵩山西北部分別還有兩條由偏北風(fēng)和偏東風(fēng)交匯形成的輻合線，尤其嵩山西北部的輻合線，為南下東北風(fēng)遇嵩山山谷轉(zhuǎn)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)后形成一條西北至東南走向的輻合線，這兩條輻合線隨后東南移，與嵩山東北側(cè)的中尺度鋒區(qū)對(duì)1 h后主城區(qū)的極強(qiáng)降水起到了重要觸發(fā)作用(圖7b)?？梢?，嵩山地形對(duì)冷空氣南下路徑、輻合線的走向都有一定的影響，還需要關(guān)注這兩條輻合線對(duì)鄭州沿山地區(qū)強(qiáng)降水系統(tǒng)的組織和維持機(jī)制。

5 強(qiáng)降水的雷達(dá)回波特征

利用河南省鄭州、洛陽(yáng)、商丘、南陽(yáng)、三門峽、駐馬店、信陽(yáng)、平頂山、濮陽(yáng)九部多普勒雷達(dá)的拼圖產(chǎn)品(組合反射率、反射率)分析強(qiáng)降水對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展演變和結(jié)構(gòu)特征。

圖8給出河南7月18日20時(shí)—20日14時(shí)間隔6 h及鄭州極強(qiáng)降水發(fā)生前的河南省組合反射率拼圖。從中可見，由于18日20時(shí)前后，河南上空低層?xùn)|風(fēng)氣流較弱，在大氣對(duì)流不穩(wěn)定能量較高的情況下，形成大范圍分散性對(duì)流回波，鄭州地區(qū)東部的對(duì)流系統(tǒng)回波強(qiáng)度達(dá)50 dBz以上，并在東風(fēng)氣流的驅(qū)動(dòng)下自東向西移動(dòng)、影響鄭州地區(qū)。19日08—20時(shí)，隨著東風(fēng)氣流加強(qiáng)，開封境內(nèi)開始不斷有對(duì)流系統(tǒng)(強(qiáng)度超過(guò)50 dBz)形成并向西移至鄭州西部，在鄭州西部停滯后減弱。19日20 時(shí)前后，隨著低空東南急流的建立，急流軸附近形成東南至西北走向的帶狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)，帶狀對(duì)流系統(tǒng)上有強(qiáng)降水單體形成發(fā)展、向西北方向移動(dòng)，到鄭州西部明顯減弱后向西擴(kuò)展。20日02時(shí)開始，隨著豫西低渦系統(tǒng)的形成發(fā)展，低渦南部的偏南氣流加強(qiáng)(南陽(yáng)站850 hPa偏南風(fēng)風(fēng)速8 m·s-1)，在顯著偏南氣流附近，即南陽(yáng)中部到平頂山、鄭州兩地區(qū)西部形成南北向帶狀對(duì)流系統(tǒng)；20日08時(shí)，東南至西北向的對(duì)流系統(tǒng)仍較強(qiáng)盛，南北向?qū)α飨到y(tǒng)減弱；午后，即14時(shí)后，南北向?qū)α飨到y(tǒng)再次發(fā)展加強(qiáng)，不斷有強(qiáng)度≥50 dBz的強(qiáng)降水回波自南向北移動(dòng)，在鄭州上空與來(lái)自于東南方向的強(qiáng)降水回波合并，對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)一步增強(qiáng)并在鄭州主城區(qū)停滯3 h。俞小鼎(2013)指出高降水效率降水系統(tǒng)的回波強(qiáng)度一般45～50 dBz 之間，這類系統(tǒng)只需持續(xù)30 min～1 h 就可導(dǎo)致局地暴雨甚至大暴雨，可見，對(duì)流系統(tǒng)不斷向鄭州地區(qū)積聚、合并及停滯是鄭州極端暴雨的直接原因。

圖8 2021年7月18日20時(shí)—20日20時(shí)河南省組合反射率(單位:dBz)拼圖(a:18日20∶00,b:19日02∶00,c:19日08∶00,d:19日14∶00,e:19日20∶00,f:20日02∶00,g:20日08∶00,h:20日14∶00,i:20日16∶00, :回波移動(dòng)方向)Fig.8 The radar mosaic of Henan Province from 20∶00 BT 18 July to 16∶00 BT 20 July 2021.(a:20∶00 BT 18,b:02∶00 BT 19,c:08∶00 BT 19,d:14∶00 BT 19,e:20∶00 BT 19,f:02∶00 BT 20,g:08∶00 BT 20,h:14∶00 BT 20,i:16∶00 BT 20. :the echo moving direction.

圖9 給出7 月19 日20 時(shí)—21 日08 時(shí)新密白寨站和鄭州站的雷達(dá)反射率(拼圖數(shù)據(jù))和小時(shí)降水演變，從圖9a可見，白寨站的降水可分為兩個(gè)階段，第一階段為19 日20 時(shí)—20 日12 時(shí)，其間該站連續(xù)受到回波強(qiáng)度45 dBz 以上的低質(zhì)心強(qiáng)降水單體影響，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)8 次短時(shí)強(qiáng)降水；第二階段為20 日13—19 時(shí)，該站持續(xù)受強(qiáng)降水回波影響，回波加強(qiáng)至55 dBz，14—15 時(shí)出現(xiàn)了98 mm·h-1的極端短時(shí)強(qiáng)降水。鄭州國(guó)家站(圖9b)表現(xiàn)出與白寨站不同的回波和降水特征，20 日14—17 時(shí)回波發(fā)展旺盛，尤其14—16時(shí)，55 dBz強(qiáng)回波高度超過(guò)10 km，隨后迅速下降，其對(duì)流發(fā)展高度明顯高于白寨站，鄭州站16－17 時(shí)出現(xiàn)的201.9 mm·h-1極強(qiáng)降水與旺盛發(fā)展的對(duì)流系統(tǒng)關(guān)系密切。

圖9 2021年7月19日20時(shí)—21日08時(shí)新密白寨站(a)和鄭州站(b)組合反射率和小時(shí)降水量演變Fig.9 The evolution of combined reflectivity and hourly precipitation of(a)Baizhai station from Xinmi and(b)Zhengzhou national station from 20∶00 BT 19 to 08∶00 BT 21 July 2021.

6 結(jié)論與討論

本文基于基本觀測(cè)資料分析，總結(jié)鄭州“7.20”極端強(qiáng)降雨的基本成因，得出的主要結(jié)論如下：

(1)大氣環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定，動(dòng)力觸發(fā)強(qiáng)。高層南亞高壓和沿海深厚低渦共存、中層西太平洋副高與大陸高壓對(duì)峙、地面冷暖空氣交綏，導(dǎo)致對(duì)流層中低層的低渦、切變線在黃淮地區(qū)盤旋、移動(dòng)緩慢，為極端暴雨形成提供了較為穩(wěn)定的背景條件，低層強(qiáng)盛的東南、東風(fēng)急流及地面輻合線、中尺度鋒及近地層擴(kuò)散南下冷空氣等為強(qiáng)降水提供了動(dòng)力觸發(fā)作用。

(2) 水汽充沛、能量高。西太平洋副高西進(jìn)過(guò)程中，其南側(cè)的東南氣流、西行臺(tái)風(fēng)“煙花”北側(cè)的東南氣流和黃淮東風(fēng)切變線東側(cè)的東南氣流疊加，形成連貫的水汽通道，有利于大量水汽輸送到內(nèi)陸地區(qū)，為鄭州強(qiáng)降水提供足夠的水汽；而7 月中旬河南處于副高邊緣，對(duì)流不穩(wěn)定能量高，抬升凝結(jié)高度、自由對(duì)流高度低，有利于極高降水效率的出現(xiàn)。

(3)地形作用明顯。鄭州處于黃淮低渦外圍、切變線東側(cè)偏東風(fēng)、東南氣流里，邊界層?xùn)|風(fēng)在西進(jìn)過(guò)程中受嵩山地形阻擋作用，地形抬升有利于降水加強(qiáng)；同時(shí)，嵩山地形對(duì)其北側(cè)的地面風(fēng)場(chǎng)、濕度和溫度場(chǎng)都有影響，有利于中尺度輻合線和鋒區(qū)的形成，這些中尺度系統(tǒng)也可起到抬升觸發(fā)和組織對(duì)流的作用。

(4)對(duì)流系統(tǒng)在鄭州聚集、合并、停滯利于降水增強(qiáng)及強(qiáng)降水的維持。在穩(wěn)定天氣形勢(shì)下，隨著東風(fēng)/東南風(fēng)急流的發(fā)展，急流附近形成強(qiáng)降水對(duì)流系統(tǒng)；對(duì)流系統(tǒng)上的強(qiáng)降水回波不斷向鄭州方向移動(dòng)，并在此聚集、停滯、合并，導(dǎo)致鄭州強(qiáng)降水維持時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)流系統(tǒng)的合并、停滯導(dǎo)致短歷時(shí)降水強(qiáng)度達(dá)到極端。

在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)過(guò)程中，預(yù)報(bào)員已經(jīng)關(guān)注到天氣形勢(shì)的穩(wěn)定和低渦、切變線的發(fā)展演變，但對(duì)降水的強(qiáng)度估計(jì)不足、對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)的位置預(yù)報(bào)有偏差，究其原因是對(duì)此類極端暴雨的形成機(jī)制還存在認(rèn)識(shí)不清的問(wèn)題。本文僅基于基本的氣象觀測(cè)資料，從天氣學(xué)角度對(duì)極端暴雨過(guò)程進(jìn)行了初步分析和成因解釋，實(shí)際仍有諸多問(wèn)題值得深入開展研究，如：導(dǎo)致天氣形勢(shì)如此穩(wěn)定的氣候背景和機(jī)制是什么？導(dǎo)致極強(qiáng)短時(shí)強(qiáng)降水的中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)、組織機(jī)制及云微物理機(jī)制是什么？嵩山地形在組織、觸發(fā)對(duì)流及降水增幅等方面的具體作用如何？不同天氣尺度系統(tǒng)是如何相互作用的，環(huán)境物理量場(chǎng)的異常性達(dá)到什么程度，臺(tái)風(fēng)“查帕卡”外圍風(fēng)場(chǎng)是否對(duì)鄭州東南急流的加強(qiáng)起間接作用，以及“查帕卡”和“煙花”兩個(gè)臺(tái)風(fēng)對(duì)于大尺度天氣形勢(shì)的穩(wěn)定、黃淮低渦西移及暴雨區(qū)的水汽供給究竟如何起作用？都值得深入研究。綜合應(yīng)用多源資料，采用數(shù)值模擬、診斷分析等多種手段，針對(duì)上述問(wèn)題開展深入研究，尤其給出客觀定量的研究結(jié)果，必會(huì)對(duì)此類極端天氣事件的預(yù)報(bào)預(yù)警及防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)對(duì)提供更加有力的技術(shù)支持。