“21?7”河南極端強(qiáng)降水特征及環(huán)流異常性分析

張霞　楊慧　王新敏　申琳　王迪　栗晗

摘要 基于國(guó)家自動(dòng)站及區(qū)域自動(dòng)站降水觀測(cè)資料、歐洲中心大氣再分析資料（ERA5）分析了河南“21·7”過(guò)程的降水特征及環(huán)流和物理量的異常性，并對(duì)比1981年以來(lái)鄭州和鶴壁50 mm以上強(qiáng)降水過(guò)程的物理量特征。結(jié)果表明：1）“21·7”強(qiáng)降水過(guò)程在累計(jì)降水量、強(qiáng)降水覆蓋范圍、日雨量和小時(shí)雨強(qiáng)等方面均表現(xiàn)出顯著極端性，過(guò)程累計(jì)降水量超過(guò)400 mm的站點(diǎn)集中分布在太行山東麓沿山地區(qū)和伏牛山東側(cè)迎風(fēng)坡一側(cè)，與地形關(guān)系十分密切。2）南亞高壓增強(qiáng)東伸，副熱帶高壓異常偏強(qiáng)偏北，低緯度地區(qū)活躍的低值系統(tǒng)等大氣環(huán)流異常，導(dǎo)致了水汽穩(wěn)定持久向河南輸送，太行山和伏牛山沿山一帶水汽輻合偏離氣候態(tài)最強(qiáng)超過(guò)-10σ，表現(xiàn)出顯著極端性。3）“21·7”過(guò)程中，動(dòng)力條件的異常特征十分顯著，200 hPa的輻散中心分別位于伏牛山和太行山東麓沿山一帶，相較歷史氣候態(tài)偏離度達(dá)到2σ～5σ;伏牛山沿山一帶850 hPa渦度偏離氣候態(tài)程度較太行山東麓一帶更大，達(dá)6σ;而700 hPa上升運(yùn)動(dòng)則是太行山東麓一帶極端性更強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)-3σ～-5σ。4）與1981年以來(lái)同區(qū)域暴雨過(guò)程相比，“21·7”過(guò)程中，850 hPa渦度和700 hPa垂直速度的標(biāo)準(zhǔn)差為歷次過(guò)程最大（最?。┗虼未螅ù涡。┱?，對(duì)暴雨極端性有指示意義，地形附近歷次暴雨過(guò)程物理量統(tǒng)計(jì)顯示，伏牛山和太行山東麓的850 hPa輻合及700 hPa垂直速度平均偏離氣候態(tài)超過(guò)3σ（-3σ），且偏離程度與日雨量呈正相關(guān)。

關(guān)鍵詞極端強(qiáng)降水;環(huán)流異常;標(biāo)準(zhǔn)差;地形抬升

近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)極端強(qiáng)降水的研究聚焦于極端強(qiáng)降水的氣候變化特征（高濤和謝立安，2014;孫繼松等，2015）、大氣環(huán)流異常（張玲和智協(xié)飛，2010;陳海山和陳健康，2017;張夢(mèng)珂和金大超，2019）、主要影響系統(tǒng)的演變機(jī)制和環(huán)境場(chǎng)特征（趙洋洋等，2013;雷蕾等，2017;曾智琳等，2018）、中尺度對(duì)流及微物理特征（徐珺等，2018;劉晶等，2019;陳豫英等，2021）等方面，取得了較多成果。對(duì)中國(guó)1951—2010年極端降水事件的研究表明，全球變暖背景下極端降水事件的頻率和強(qiáng)度具有升高趨勢(shì)（高濤和謝立安，2014）。王倩等（2019）認(rèn)為異常偏強(qiáng)、偏北的副熱帶高壓以及增強(qiáng)的南亞高壓與東亞地區(qū)極端降水事件直接相關(guān)。丁一匯等（2020）研究認(rèn)為東亞夏季風(fēng)水汽輸送的強(qiáng)度、影響范圍和持續(xù)性在極端強(qiáng)降水過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用，環(huán)流的異常及其相伴隨的季風(fēng)水汽輸送帶的北推加強(qiáng)，是造成北方持續(xù)性大暴雨的重要原因。孫軍等（2012）診斷了北京2012年“7·21”極端強(qiáng)降水過(guò)程中物理量偏離氣候平均值的程度，發(fā)現(xiàn)大氣可降水量、850 hPa水汽通量、850 hPa全風(fēng)速偏離氣候態(tài)平均程度均達(dá)3σ以上，而850 hPa水汽通量更是達(dá)6σ。王婧羽等（2014）研究發(fā)現(xiàn)2012年北京“7·21”特大暴雨的產(chǎn)生與異常的水汽輸送密切相關(guān)，經(jīng)向水汽輸送在此次暴雨過(guò)程中起主要作用。肖遞祥等（2017）對(duì)四川盆地的23次極端強(qiáng)降水天氣過(guò)程診斷發(fā)現(xiàn)，環(huán)境場(chǎng)具有低層高比濕、整層相對(duì)濕度大、暖云層厚、垂直風(fēng)切變小等特征，850 hPa比濕和假相當(dāng)位溫具有顯著正距平。王叢梅等（2017）研究認(rèn)為太行山地形通過(guò)增強(qiáng)輻合上升運(yùn)動(dòng)、增大垂直風(fēng)切變使雷暴下山加強(qiáng)，是小時(shí)雨量超過(guò)50 mm的極端短時(shí)強(qiáng)降水（俞小鼎，2013）天氣產(chǎn)生的重要原因。

河南省地處中緯度南北氣候過(guò)渡帶，西部為連綿的丘陵山地，東部為廣闊的豫東平原，地形復(fù)雜，暴雨災(zāi)害頻發(fā)，降雨量的季節(jié)和區(qū)域分布極不均勻，暴雨具有強(qiáng)度大、突發(fā)性強(qiáng)、次生災(zāi)害嚴(yán)重等特點(diǎn)。每年的6—8月隨著副熱帶高壓季節(jié)性北抬和南落，河南處于暴雨頻發(fā)時(shí)段。低渦切變線和臺(tái)風(fēng)是造成河南極端強(qiáng)降水事件的主要影響天氣系統(tǒng)（張霞等，2020a），新中國(guó)成立以來(lái)，受臺(tái)風(fēng)影響，河南曾先后出現(xiàn)了“58·7”、“75·8”、“82·8”、“96·8”和“18·8”等極端強(qiáng)降水事件（“58·7”暴雨研究組，1987;丁一匯，2015;趙培娟等，2019），其中“75·8”特大洪水災(zāi)害世界矚目（陶詩(shī)言，1980;李澤椿等，2015）。受低渦切變線影響，2003年、2007年和2020年的7月，淮河上游河南段出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降雨天氣，致使王家壩水位超警并泄洪（張霞，2020b）。

河南省極端強(qiáng)降水的研究成果，集中在對(duì)極端強(qiáng)降水個(gè)例的多尺度天氣系統(tǒng)相互作用、復(fù)雜地形對(duì)強(qiáng)降水的影響及物理量的極端性特征等方面。河南“75·8”特大暴雨成因分析表明，行星尺度環(huán)流的調(diào)整、天氣尺度系統(tǒng)的相互作用、中小尺度系統(tǒng)的劇烈活動(dòng)和有利地形作用這四方面有利條件的配合，構(gòu)成了這次極端特大暴雨過(guò)程（“75·8”暴雨會(huì)戰(zhàn)組，1977a，1977b）。對(duì)2016年“7·9”和“7·19”豫北兩次極端強(qiáng)降水研究表明（馬月枝等，2017），太行山地形的動(dòng)力抬升、山前中尺度地形輻合線的發(fā)展和維持是導(dǎo)致局地特大暴雨的主要原因;遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)登陸促成了一條伸向內(nèi)陸的暖濕氣流輸送帶，并在豫北太行山東麓迎風(fēng)坡喇叭口處匯聚，形成長(zhǎng)達(dá)6 h以上超強(qiáng)水汽輻合傾斜上升運(yùn)動(dòng)，為“7·9”極端強(qiáng)降水的發(fā)生提供了充足的水汽條件（司福意等，2021）。極端強(qiáng)降水的物理量極端性特征方面，張霞等通過(guò)對(duì)1981年以來(lái)河南省13例極端強(qiáng)降水過(guò)程的動(dòng)力、熱力因子診斷，發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)流異常導(dǎo)致環(huán)境場(chǎng)的熱力、動(dòng)力等物理參數(shù)異常是造成暴雨極端性的重要原因（張霞等，2020a）。冀翠華和李姝霞（2021）對(duì)比分析了2000—2016年開封22例暴雨以上降水的動(dòng)力和水汽條件，發(fā)現(xiàn)日雨量最大的2016年“7·19”暴雨過(guò)程中，其700 hPa和850 hPa垂直速度和整層可降水量均為當(dāng)?shù)?000年以來(lái)暴雨過(guò)程之最。楊舒楠和端義宏（2020）發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”極端強(qiáng)降水過(guò)程中存在極端低層輻合和高空輻散，同時(shí)假相當(dāng)位溫、整層可降水量和水汽通量散度均具有顯著極端性。

2021年7月17—22日，河南省出現(xiàn)歷史罕見的極端強(qiáng)降水（簡(jiǎn)稱“21·7”），最大累計(jì)降雨量高達(dá)1 122.6 mm，鄭州國(guó)家站最大1 h降雨量達(dá)201.9 mm。數(shù)值模式和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)對(duì)于此次降水中心預(yù)報(bào)有偏差，對(duì)于降水強(qiáng)度和極端性估計(jì)不足。那么，本次發(fā)生在我國(guó)黃淮地區(qū)的極端強(qiáng)降水具有哪些主要特征？其大氣環(huán)流有何異常？環(huán)境場(chǎng)的水汽、熱動(dòng)力參數(shù)偏離氣候態(tài)達(dá)到什么程度？這些問(wèn)題是本文分析和研究的重點(diǎn)。

1 資料與方法

1.1 資料說(shuō)明

所用資料包括2021年7月17—22日河南省2 611個(gè)區(qū)域自動(dòng)站逐小時(shí)降水觀測(cè)資料、河南省119個(gè)國(guó)家自動(dòng)站建站以來(lái)日降水和小時(shí)降水資料（來(lái)自河南省信息中心）;1951—2021年全國(guó)國(guó)家氣象站1 h降雨量資料（來(lái)自中國(guó)氣象局氣象信息中心），歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心第五代大氣再分析資料（ERA-5，https：//cds.climate.copernicus.eu/），垂直方向1 000～100 hPa 共27層，水平分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間間隔1 h。

使用的地形數(shù)據(jù)來(lái)自航天飛機(jī)雷達(dá)地形探測(cè)任務(wù)（Shuttle Radar Topography Mission，簡(jiǎn)稱SRTM-90 m）數(shù)字高程模型資料（Digital Elevation Mode，簡(jiǎn)稱DEM）。

1.2 方法介紹

1.2.1 環(huán)境場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)計(jì)算

使用環(huán)境場(chǎng)各物理量相對(duì)于歷史同期氣候平均值的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)表征其偏離氣候態(tài)的程度，由于不同時(shí)期環(huán)境場(chǎng)物理量值差異較大，為統(tǒng)一衡量其異常性，去除各物理量的季、月差異，文中的歷史同期氣候平均值均采用了1981—2010年30 a間暴雨日當(dāng)天及其前后兩天共5 d的數(shù)據(jù)參與計(jì)算。

用于計(jì)算環(huán)境場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)公式如下：

其中：k為環(huán)境場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù);X為計(jì)算時(shí)刻的環(huán)境參數(shù)值;為環(huán)境參數(shù)歷史同期氣候平均值;σ為計(jì)算日當(dāng)天及其前后兩天共5 d的氣候態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差。

標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算采用公式（2）取得：

其中：xi為1981—2010年計(jì)算日及其前后兩天共5 d逐日物理量值;意義同式（1）;n為該組數(shù)的個(gè)數(shù)。

1.2.2 副高指數(shù)計(jì)算

文中副高指數(shù)計(jì)算方法如下：

副高脊線位置：取110°～140°E范圍內(nèi)副高體脊線與經(jīng)線交點(diǎn)緯度的平均值作為副高脊線位置。

副高強(qiáng)度指數(shù)：對(duì)平均位勢(shì)高度大于5 880 gpm網(wǎng)格點(diǎn)的位勢(shì)高度值與5 870 gpm之差進(jìn)行累計(jì)，此累計(jì)值為副高強(qiáng)度指數(shù)。

副高指數(shù)的多年平均指采用上述方法計(jì)算的1981—2010年30 a逐日的副高脊線位置和副高強(qiáng)度指數(shù)氣候平均值。

2 “21·7”強(qiáng)降水特征分析

7月17—22日，河南省出現(xiàn)了歷史罕見的特大暴雨，強(qiáng)降雨中心位于鄭州、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作和安陽(yáng)等地，該五地市的累計(jì)平均降水量408～623 mm。最強(qiáng)時(shí)段為19—21日，19日夜里至20日強(qiáng)降雨中心位于鄭州，21日北移至豫北的鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作和安陽(yáng)等地。暴雨過(guò)程具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、累計(jì)雨量大、強(qiáng)降雨范圍廣、短時(shí)雨量極強(qiáng)等特征。全省1/6國(guó)家站日降雨量突破歷史極值，最大累計(jì)降雨量高達(dá)1 122.6 mm，鄭州最大小時(shí)降雨量突破我國(guó)內(nèi)陸氣象數(shù)據(jù)小時(shí)降雨量歷史極值（表1）。

極端強(qiáng)降雨及次生災(zāi)害導(dǎo)致鄭州、鶴壁、新鄉(xiāng)、安陽(yáng)等城市發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇，一些河流、水庫(kù)出現(xiàn)超警水位和保證水位，賈魯河、衛(wèi)河部分河段出現(xiàn)漫堤潰堤，致使一些農(nóng)田和村莊被淹，部分鐵路停運(yùn)、航班取消，造成了嚴(yán)重的災(zāi)害損失。

2.1 強(qiáng)降水階段性演變特征

依據(jù)降水演變特征將“21·7”極端強(qiáng)降水過(guò)程分為四個(gè)階段：第一階段：17日08時(shí)—19日08時(shí)，豫北沿山一帶對(duì)流性降水階段（圖1a）。該階段全省以陣性降水為主，暴雨點(diǎn)較分散，17日11—20時(shí)，大于等于20 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在豫東南信陽(yáng)和豫西南的南陽(yáng)一帶。18日16時(shí)起，豫北太行山沿山一帶不斷有對(duì)流新生、發(fā)展合并，致使該地區(qū)持續(xù)出現(xiàn)強(qiáng)降水，安陽(yáng)、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作累計(jì)降水量達(dá)50 mm以上。該階段全省有98個(gè)氣象站降水量超過(guò)100 mm，最大為新鄉(xiāng)輝縣的萬(wàn)仙山站達(dá)235.7 mm。全省平均降水量為28 mm，鶴壁平均降雨量最大為68 mm。

第二階段：19日08時(shí)—21日08時(shí)，豫中強(qiáng)降水集中階段。隨著低空東風(fēng)急流加強(qiáng)，19日起河南降水加強(qiáng)。19日08時(shí)至21日08時(shí)，河南省淮河以北大部地區(qū)出現(xiàn)暴雨，特大暴雨主要集中在以省會(huì)鄭州為中心的豫中一帶。鄭州地區(qū)連續(xù)兩天持續(xù)特大暴雨，累計(jì)平均降水量達(dá)474 mm，最大降水量出現(xiàn)在鄭州新密縣的白寨站860.8 mm（圖1b），超過(guò)新密站多年平均降水量（新密國(guó)家氣象站年均降水量666 mm）近200 mm。鄭州全市有180個(gè)氣象站降水量超過(guò)250 mm，500 mm以上的氣象站達(dá)104個(gè)，是鄭州有氣象記錄以來(lái)特大暴雨影響范圍最廣的一次降水。該階段是“21·7”過(guò)程中強(qiáng)降水覆蓋范圍最廣時(shí)段，全省2 611個(gè)氣象站的平均降水量達(dá)到了141 mm，近一半站點(diǎn)（1 217個(gè)氣象站，占比46.6%）降水量超過(guò)100 mm。

第三階段：強(qiáng)降水中心移至豫北階段（21日08時(shí)—22日08時(shí)）。21日，豫中強(qiáng)降水趨于減弱，特大暴雨落區(qū)北移到豫北安陽(yáng)、新鄉(xiāng)、焦作、鶴壁四地區(qū)，降水范圍較第二階段明顯縮小，全省平均降水量51 mm。250 mm以上的特大暴雨有139站，均集中在豫北太行山沿山一帶，最大降水量為鶴壁市科創(chuàng)中心站達(dá)777.5 mm（圖1c），超過(guò)鶴壁市歷年年均降水量接近200 mm（鶴壁國(guó)家站年均降水量625 mm），1 h雨強(qiáng)最大為149.9 mm/h（新鄉(xiāng)市牧野鄉(xiāng)）。

第四階段：降水明顯減弱階段（22日08時(shí)—23日08時(shí)）。22日，豫北降水明顯減弱，分散性暴雨和大暴雨分布于豫北太行山東側(cè)沿山一帶和伏牛山區(qū)。全省平均降水量9 mm，全省共103站出現(xiàn)暴雨，其中24站出現(xiàn)大暴雨。

2.2 強(qiáng)降水的極端性特征

本次強(qiáng)降水過(guò)程在累計(jì)降水量、強(qiáng)降水覆蓋范圍、日雨量和小時(shí)雨強(qiáng)等方面均表現(xiàn)出顯著極端性。

17日08時(shí)至23日08時(shí)，河南省2 611個(gè)氣象站中，有1 644站（占63%）降水量超過(guò)100 mm，其中487個(gè)氣象站累計(jì)降水量超過(guò)400 mm，集中在河南省中北部。最大累計(jì)降水量出現(xiàn)在鶴壁市科創(chuàng)中心站1 122.6 mm，是當(dāng)?shù)啬昃邓康慕?倍（鶴壁市年均降水量625 mm）（圖2a），鄭州、輝縣等11個(gè)國(guó)家氣象站過(guò)程雨量超過(guò)本站年降水量的歷年平均值，國(guó)家站中以鄭州站過(guò)程雨量最大，達(dá)820.9 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)該站641 mm的多年平均年降水量，是7月平均月降水量的5.5倍（圖2b）。

統(tǒng)計(jì)顯示，全省119個(gè)國(guó)家氣象站中，鄭州、新密等19站（16%）日降水量突破建站以來(lái)歷史極值;鄭州、輝縣等32站（27%）突破建站以來(lái)最大連續(xù)3 d降水量歷史極值（圖2c），其中鄭州國(guó)家站最大日降水量624.1 mm，達(dá)建站以來(lái)最大日降水量3.3倍（189.4 mm，出現(xiàn)在1972年7月2日），20日16—17時(shí)鄭州站1 h雨強(qiáng)達(dá)201.9 mm（圖2d），刷新了該站建站以來(lái)記錄，居1951年以來(lái)我國(guó)氣象數(shù)據(jù)中1 h降雨量第一位（不含港澳臺(tái)地區(qū)），遠(yuǎn)超第二名江蘇如皋，當(dāng)?shù)? h降雨量為161.9 mm（出現(xiàn)在2019年7月17日，表1）。

與河南省歷史出現(xiàn)的幾次強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)比（表2），“21·7”暴雨除過(guò)程累計(jì)雨量（6 d累計(jì)最大1 122.6 mm）略小于“75.8”暴雨（5 d累計(jì)1 631 mm）外，日最大降水量、全省平均降水量及日雨量破歷史極值站數(shù)均超過(guò)“75·8”、“63·8”等極端強(qiáng)降水過(guò)程。

2.3 地形與強(qiáng)降水關(guān)系

豫北大暴雨與太行山地形關(guān)系密切，栗晗等（2018）對(duì)2016年“7·19”特大暴雨過(guò)程研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)程累計(jì)雨量超過(guò)250 mm的站點(diǎn)分布在太行山東麓臨近地區(qū)，大于500 mm的強(qiáng)降水中心站點(diǎn)海拔均大于300 m?！?1·7”過(guò)程中，強(qiáng)降水分布有類似特征。如圖3a，累計(jì)降水量在400～800 mm（黑圓點(diǎn)）的站點(diǎn)集中分布在太行山東麓臨近地區(qū)和伏牛山東側(cè)迎風(fēng)坡一側(cè)，極個(gè)別站點(diǎn)分布在平原。其中大于等于800 mm（紅圓點(diǎn)）的兩個(gè)強(qiáng)降水中心位于豫北新鄉(xiāng)、鶴壁兩地區(qū)西部緊臨太行山東麓沿山一帶和鄭州西部伏牛山東側(cè)一帶，與地形關(guān)系密切。過(guò)鄭州（圖2b）極值中心同一緯度地區(qū)地形和降水分布可看出，伏牛山東側(cè)迎風(fēng)坡降水量隨海拔高度升高而增強(qiáng)，600 mm以上的強(qiáng)降水多分布于海拔300～400 m高度。過(guò)科創(chuàng)中心（圖2c） 同一緯度地區(qū)地形和降水分布具有相似特征，600 mm以上降水大多出現(xiàn)在太行山東麓迎風(fēng)坡一側(cè)具有一定地形高度處，且以300～900 m 高度最為集中。兩地均有山前迎風(fēng)坡一側(cè)降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其東側(cè)平原地區(qū)的分布特征。

3 大氣環(huán)流及物理量異常度分析

“21·7”河南極端強(qiáng)降水是在南亞高壓東伸、副熱帶高壓異常偏北、低緯的孟加拉灣低壓、南海臺(tái)風(fēng)“查帕卡”和西太平洋臺(tái)風(fēng)“煙花”共同作用下，暖濕氣流自海上穩(wěn)定持續(xù)輸送至河南，并在太行山、伏牛山前輻合抬升，多系統(tǒng)共同作用下形成了這次持續(xù)性罕見的極端強(qiáng)降水。

3.1 大氣環(huán)流異常

200 hPa高空?qǐng)D上，17日08時(shí)（圖略），南亞高壓脊線位于30°N，東脊點(diǎn)伸至105°E，日本海低壓發(fā)展后西移至朝鮮半島附近，我國(guó)華南經(jīng)長(zhǎng)江中下游伸向黃淮一帶為大片暖區(qū)，在暖平流作用下，湖北經(jīng)河南伸向河北南部的高壓脊發(fā)展，與南亞高壓之間形成一低壓槽，且低槽隨高脊發(fā)展而加深。過(guò)程平均200 hPa位勢(shì)高度、風(fēng)場(chǎng)和散度場(chǎng)顯示（圖4a），河南省中西部、北部上空處在高空槽前分流區(qū)中，散度達(dá)4×10-5/s，為明顯輻散區(qū)，高空輻散對(duì)低層系統(tǒng)發(fā)展和上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)十分有利。

“21·7”過(guò)程平均500 hPa高度場(chǎng)上，副熱帶高壓位于我國(guó)東北地區(qū)東部到朝鮮半島附近，貝加爾湖至東北的中高緯地區(qū)為顯著正距平區(qū)，副高位置較常年同期異常偏北（圖4b），副高脊線逐日變化顯示，自7月中旬以來(lái)，副高呈持續(xù)北抬的變化趨勢(shì)，17—22日，副高脊線位于36～42°N，較常年偏北超過(guò)10個(gè)緯距（圖4c），7月以來(lái)，副高強(qiáng)度指數(shù)維持在6 000以上波動(dòng)，較常年同期明顯偏強(qiáng)（圖4d）;而在10～30°N的中低緯地區(qū)，則為一東西帶狀的顯著負(fù)距平區(qū)，該區(qū)域內(nèi)活躍著今年的第6號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”和第7號(hào)臺(tái)風(fēng)“查帕卡”以及孟加拉灣低壓，活躍的熱帶低值系統(tǒng)為河南暴雨的發(fā)生提供了源源不斷的水汽供應(yīng)。

3.2 環(huán)境場(chǎng)物理量異常特征

3.2.1 水汽輸送異常特征

北方持續(xù)性強(qiáng)降雨的發(fā)生和強(qiáng)弱主要決定于源自熱帶的季風(fēng)水汽輸送帶（丁一匯等，2020）。由于異常偏北偏強(qiáng)的副熱帶高壓穩(wěn)定維持，其南側(cè)的臺(tái)風(fēng)“煙花”受偏東氣流引導(dǎo)和7號(hào)臺(tái)風(fēng)“查帕卡”的影響緩慢西行，向臺(tái)灣靠近，在上述環(huán)流共同影響下，“21·7”過(guò)程的水汽輸送和水汽輻合異常加強(qiáng)，持久維持影響河南。圖5a為19日08時(shí)—22日08時(shí)強(qiáng)降水集中時(shí)段1 000～300 hPa整層水汽通量積分，可以看到來(lái)自印度洋的強(qiáng)西南季風(fēng)水汽輸送帶，輸送水汽流入臺(tái)風(fēng)“查帕卡”和“煙花”，使兩臺(tái)風(fēng)長(zhǎng)時(shí)間維持，相互作用，移動(dòng)緩慢，臺(tái)風(fēng)“煙花”與其北側(cè)副熱帶高壓相互作用使副高外圍的偏東風(fēng)加強(qiáng)，沿副高外圍將東南風(fēng)水汽輸送至河南，在太行山和伏牛山前形成強(qiáng)烈輻合。

20日是鄭州地區(qū)降雨最強(qiáng)時(shí)段，20日08時(shí)850 hPa水汽通量顯示（圖5b），河南中部為水汽通量大值區(qū)，中心位于鄭州附近，達(dá)24 g/（cm·hPa·s），隨著低層?xùn)|南風(fēng)增強(qiáng)，該水汽大值中心略西移，穩(wěn)定維持在太行山南麓與伏牛山余脈之間的喇叭口地形處，最大值達(dá)28 g/（cm·hPa·s），該時(shí)段內(nèi)，水汽通量散度輻合區(qū)一直維持在鄭州及其以西伏牛山前（圖略）。

20日23時(shí)起，200 hPa高空槽東北移，低層切變線隨之緩慢東移，水汽輸送大值帶東北移至鄭州以東和豫北一帶，21日08時(shí)，水汽通量大值中心位于太行山前迎風(fēng)坡一側(cè)，中心值達(dá)28 g/（cm·hPa·s）（圖5c），水汽輻合也北抬至太行山東側(cè)沿山一帶（圖略），并在此維持至22日5時(shí)，此時(shí)段強(qiáng)降水中心維持在豫北。

選取19日08時(shí)至21日08時(shí)以鄭州為中心的豫中強(qiáng)降水區(qū)域（112.4°～114.1°E，34.2°～35.2°N）和21日08時(shí)至22日08時(shí)包含科創(chuàng)中心在內(nèi)的豫北強(qiáng)降水區(qū)域（113.6°～114.3°E，35.3°～36.4°N），計(jì)算了700 hPa、850 hPa和925 hPa三層的水汽通量和水汽通量散度逐小時(shí)區(qū)域最大標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)（圖6），用以分析“21·7”過(guò)程水汽輸送和水汽輻合的異常程度。

19日20時(shí)起，豫中的水汽輸送三層標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)均維持在1.5σ以上，尤其是20日白天，水汽輸送和輻合均異常偏強(qiáng)，水汽通量的標(biāo)準(zhǔn)差維持在3σ以上（圖6a），而水汽通量散度標(biāo)準(zhǔn)差自19日08時(shí)起均過(guò)-3σ，20日期間更是維持在-6σ以下（圖6b），異常偏強(qiáng)且持久維持的水汽輸送和水汽輻合是鄭州產(chǎn)生極端暴雨的關(guān)鍵因素。

豫北強(qiáng)降水集中時(shí)段，水汽輸送和水汽輻合同樣具有顯著偏強(qiáng)特征，與豫中不同的是，對(duì)流層中層700 hPa水汽通量的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)大于對(duì)流層下層850 hPa和925 hPa（圖6c），而水汽輻合則反之，以對(duì)流層下層更強(qiáng)，偏離氣候態(tài)程度更大（圖6d），因此，豫北極端強(qiáng)降水與發(fā)展深厚的濕層和對(duì)流層下層水汽輻合異常偏強(qiáng)密切相關(guān)。

3.2.2 動(dòng)力異常特征

分別計(jì)算了豫中和豫北兩個(gè)強(qiáng)降水集中時(shí)段的高層散度、低層渦度和垂直速度等有利降水物理量及其標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)分布（計(jì)算區(qū)域選取同圖6），可以看到，19日08時(shí)至21日08時(shí)豫中強(qiáng)降水階段，河南上空200 hPa為明顯輻散區(qū)，輻散中心位于伏牛山東側(cè)與太行山南麓形成的喇叭口地形區(qū)域，相較歷史氣候態(tài)達(dá)到了2σ～3σ（圖7a1），異常的高空輻散有利于對(duì)流層低層產(chǎn)生強(qiáng)烈輻合，上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，850 hPa渦度場(chǎng)上全省均表現(xiàn)為輻合區(qū)，鄭州以西的伏牛山東側(cè)沿山一帶為強(qiáng)輻合中心，其標(biāo)準(zhǔn)差最大達(dá)到了6σ（圖7b1），850 hPa垂直速度場(chǎng)上，河南省中西部有強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)中心的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)達(dá)-3σ以上（圖7c1）。

豫北強(qiáng)降水集中時(shí)段（21日08時(shí)至22日08時(shí)），河南上空200 hPa上同樣為輻散區(qū)，輻散中心位于太行山東麓與豫北交界的河北省南部，標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)達(dá)3σ～5σ（圖7a2），豫北一帶散度為10×10-5/s，與氣候態(tài)偏離度不高，但對(duì)流層低層850 hPa的輻合中心位于豫北至河北南部，沿太行山呈南北帶狀分布，標(biāo)準(zhǔn)差超過(guò)2σ（圖7b2），此處的上升運(yùn)動(dòng)異常度更大，中心標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)-3σ～-5σ（圖7c2）。綜上分析，豫中和豫北特大暴雨的發(fā)生均與對(duì)流層高層持續(xù)維持的強(qiáng)輻散、低層維持強(qiáng)輻合密切相關(guān)，增強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，將“煙花”外圍和副高南側(cè)輸送至豫中和豫北的水汽抬升至更高層次，形成深厚濕層并長(zhǎng)時(shí)間輻合，利于強(qiáng)降水長(zhǎng)時(shí)間維持從而形成特大暴雨。

3.3 地形與水汽和動(dòng)力條件的關(guān)系

對(duì)兩個(gè)降水集中時(shí)段的水汽和動(dòng)力條件分析表明，以鄭州為中心的豫中和科創(chuàng)中心為中心的豫北特大暴雨的產(chǎn)生，其水汽輻合及動(dòng)力抬升條件異常偏離氣候態(tài)的區(qū)域分布在地形迎風(fēng)坡或喇叭口區(qū)域，強(qiáng)降水分布與地形關(guān)系分析也表明，“21·7”過(guò)程累計(jì)降水量超過(guò)400 mm的站點(diǎn)集中分布在太行山東麓臨近地區(qū)和伏牛山東側(cè)迎風(fēng)坡一側(cè)，與地形關(guān)系十分密切。

3.3.1 “21·7”過(guò)程中地形與水汽的關(guān)系

過(guò)鄭州（34.7°N）站的水汽通量和水汽通量散度剖面顯示，“煙花”臺(tái)風(fēng)外圍及副高南側(cè)的水汽沿東南氣流向內(nèi)陸輸送，伏牛山地形阻擋了對(duì)流層下層水汽而使其在地形迎風(fēng)坡一側(cè)形成輻合，大于12 g/（cm·hPa·s）的水汽通量在地形迎風(fēng)坡處向上伸至700 hPa，濕層深厚，925 hPa和850 hPa上，地形起伏處有多個(gè)水汽輻合中心存在（圖8a1）;強(qiáng)降水集中時(shí)段豫中地形區(qū)域（112.4°～114.1°E，34.2°～35.2°N）和其東側(cè)同緯度平原區(qū)域（114.2～115.4°E，34.2～35.2°N）逐小時(shí)水汽條件變化對(duì)比顯示（圖8 b1、8 c1），地形區(qū)域的水汽輻合強(qiáng)度和伸展高度均明顯高于平原區(qū)域，水汽通量大值區(qū)伸展的高度和中心值具有類似特征。

豫北過(guò)科創(chuàng)中心（35.7°N）的水汽通量和水汽通量散度剖面圖顯示，水汽輸送的大值中心位于太行山前地形高度較低地段，而水汽輻合位置則位于太行山迎風(fēng)坡地形高度稍高區(qū)域，中心在850～925 hPa之間（圖8a2），與稍高地形區(qū)降水強(qiáng)于較低地形區(qū)域，有地形區(qū)域降水強(qiáng)于平原區(qū)的特征相一致。豫北有地形區(qū)與平原區(qū)域相比，有地形區(qū)域的水汽輻合增強(qiáng)、輻合伸展更高的特征較豫中更明顯。

豫中和豫北的逐小時(shí)水汽輸送和水汽輻合變化顯示，兩個(gè)強(qiáng)降水集中時(shí)段，山前迎風(fēng)坡一帶持續(xù)維持強(qiáng)而深厚的水汽輸送和水汽輻合，利于強(qiáng)降水持續(xù)而達(dá)特大暴雨。

3.3.2 “21·7”過(guò)程中地形與動(dòng)力條件的關(guān)系

過(guò)豫中強(qiáng)降水中心的垂直速度剖面顯示，上升運(yùn)動(dòng)中心分布于伏牛山地形前迎風(fēng)坡一側(cè)，最強(qiáng)中心位于600 hPa附近，向上伸展至300 hPa（圖9a1），逐小時(shí)垂直速度變化顯示（圖9b1），強(qiáng)降水集中時(shí)段，伏牛山前對(duì)流層一直維持強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，尤以20日08—20時(shí)期間更強(qiáng)，中心更是超過(guò)了50×10-1Pa/s，而其東側(cè)同緯度平原區(qū)域，上升運(yùn)動(dòng)雖維持，但強(qiáng)度較地形區(qū)域明顯偏弱（圖9c1），因此，無(wú)論小時(shí)雨強(qiáng)、累計(jì)雨量均以地形區(qū)域更強(qiáng)。過(guò)豫北強(qiáng)降水中心的垂直速度剖面顯示，上升運(yùn)動(dòng)中心分布于太行山東麓迎風(fēng)坡一側(cè)，強(qiáng)中心位于700 hPa附近，向上伸展至500 hPa（圖9a2），逐小時(shí)垂直速度變化特征與豫中相似，強(qiáng)降水集中時(shí)段太行山迎風(fēng)坡一側(cè)維持強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，且有地形區(qū)域強(qiáng)于平原區(qū)域的特征（圖9b2、9c2）。與豫中地形區(qū)上升運(yùn)動(dòng)對(duì)比，豫北地形區(qū)域的上升運(yùn)動(dòng)中心更強(qiáng)，但伸展高度較伏牛山前低。

綜上分析，伏牛山和太行山地形對(duì)沿東南氣流輸送至豫中和豫北的水汽起阻擋作用，使水汽在地形迎風(fēng)坡一側(cè)匯聚;加強(qiáng)的東南風(fēng)遇地形抬升，山前上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，使得對(duì)流層下層水汽被上升氣流抬升至對(duì)流層中層，形成深厚濕層，水汽輻合和動(dòng)力上升條件均強(qiáng)于平原地區(qū)，有利于地形處降水增強(qiáng)。

3.3.3 1981年以來(lái)地形附近暴雨以上降水過(guò)程的物理量特征

為了客觀地對(duì)比“21·7”特大暴雨過(guò)程中鄭州和科創(chuàng)中心兩站與歷史上發(fā)生的強(qiáng)降水過(guò)程之間的水汽和動(dòng)力特征差異，也為了發(fā)現(xiàn)地形附近區(qū)域強(qiáng)降水過(guò)程中水汽和動(dòng)力條件的共性特征，本文采用1981—2021年6—8月期間的國(guó)家自動(dòng)站歷史觀測(cè)雨量資料和ERA5再分析數(shù)據(jù)集，選取鄭州站和科創(chuàng)中心最臨近的鶴壁和淇縣站（兩站只要有一站達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)達(dá)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)取雨量最大者）50 mm以上的強(qiáng)降水過(guò)程，計(jì)算了鄭州為中心的豫中強(qiáng)降水區(qū)域（112.4°～114.1°E，34.2°～35.2°N）和包含科創(chuàng)中心的豫北強(qiáng)降水區(qū)（113.6°～114.3°E，35.3°～36.4°N）700 hPa和850 hPa比濕、整層可降水量、200 hPa散度、850 hPa渦度和700 hPa垂直速度等物理量各個(gè)暴雨日的平均標(biāo)準(zhǔn)差最大（垂直速度選最小）倍數(shù)如圖10所示。

1981年以來(lái)，鄭州站6—8月共發(fā)生50 mm以上強(qiáng)降水日數(shù)39 d，“21·7”過(guò)程中，20日降水量達(dá)624.1 mm，排第一位，該日850 hPa的比濕標(biāo)準(zhǔn)差為2.3σ，接近所有過(guò)程的平均值，與同區(qū)域日雨量不足100 mm的過(guò)程相比，極端性并不顯著;而700 hPa的比濕標(biāo)準(zhǔn)差為4.1σ，整層水汽含量標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)7.1σ，二者均遠(yuǎn)大于同區(qū)域暴雨以上降水的平均值，表現(xiàn)出明顯極端性（圖10a），尤其是整層水汽含量，在所有過(guò)程中排在第一位。結(jié)合圖6b，由于地形阻擋和抬升，“21·7”過(guò)程中水汽輻合異常偏強(qiáng)且輻合長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)（圖6b），持久且充沛的水汽輸送和輻合利于強(qiáng)降水長(zhǎng)時(shí)間維持。值得關(guān)注的是這次過(guò)程的動(dòng)力條件，200 hPa散度的標(biāo)準(zhǔn)差偏離氣候態(tài)達(dá)4.5σ，高于暴雨過(guò)程的平均值，850 hPa渦度和700 hPa的垂直速度的標(biāo)準(zhǔn)差分別達(dá)7.8σ和-6.8σ，居所有過(guò)程的第一、二位，動(dòng)力條件的極端性更加顯著（圖10b）。

以鶴壁為代表的豫北，1981年以來(lái)共發(fā)生45 d暴雨日（日雨量大于等于50 mm），“21·7”過(guò)程中，豫北共產(chǎn)生了3個(gè)暴雨日，以21日雨量最大436.1 mm，居1981年以來(lái)首位，其水汽條件特征與鄭州站不盡相同，700 hPa比濕和整層可降水量的標(biāo)準(zhǔn)差分別達(dá)4.4σ和2.9σ，均明顯高于同區(qū)域暴雨過(guò)程的平均值，但并非所有過(guò)程最大者，而850 hPa比濕標(biāo)準(zhǔn)差為1.8σ，較平均值偏低（圖10c）。從水汽條件上，并不能區(qū)分“21·7”過(guò)程與同區(qū)域其他暴雨過(guò)程。 200 hPa散度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)4.2σ，略高于45例暴雨平均值，850 hPa渦度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)7.9σ，僅略低于2016年“7.19”暴雨過(guò)程（8.5σ），居第二位，而700 hPa垂直速度達(dá)-12.6σ，居同區(qū)域所有暴雨個(gè)例首位，動(dòng)力條件的極端性較水汽條件更加顯著，對(duì)極端暴雨更有指示意義。

1981年以來(lái)地形區(qū)域的暴雨過(guò)程物理量平均標(biāo)準(zhǔn)差顯示，影響豫北和豫中極端暴雨的關(guān)鍵因子具有共性特征，即動(dòng)力條件較氣候態(tài)偏離程度較水汽條件更大，100 mm以上的大暴雨過(guò)程，多數(shù)個(gè)例的850 hPa渦度和700 hPa垂直速度強(qiáng)于平均值，這一特征說(shuō)明地形區(qū)域異常增強(qiáng)的動(dòng)力條件更有利于暴雨增強(qiáng)。多個(gè)例物理量異常性分析也同時(shí)顯示出強(qiáng)降水影響因子的復(fù)雜性，并非最極端的降水過(guò)程，其所有物理量偏離氣候態(tài)均達(dá)最大，但異常偏強(qiáng)的降水過(guò)程中，總有一些物理量的表現(xiàn)是最極端的，這一特征應(yīng)在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中引起足夠警惕，多物理量綜合偏離氣候態(tài)程度或可更好將極端暴雨與一般暴雨區(qū)分開來(lái)（張霞等，2020a）。

4 結(jié)論和討論

本文對(duì)“21·7”河南省持續(xù)強(qiáng)降水過(guò)程的降水特征及環(huán)流和物理量的異常性進(jìn)行詳細(xì)分析，并與1981年以來(lái)豫中和豫北相同強(qiáng)降水區(qū)域物理量做對(duì)比，得到如下結(jié)論：

1）“21·7”強(qiáng)降水過(guò)程在累計(jì)降水量、強(qiáng)降水覆蓋范圍、日雨量和小時(shí)雨強(qiáng)等方面均表現(xiàn)出顯著極端性。日最大降水量、全省平均降水量及日雨量破歷史極值站數(shù)超過(guò)“75·8”、“63·8”等新中國(guó)成立以來(lái)河南的極端強(qiáng)降水過(guò)程。過(guò)程累計(jì)降水量超過(guò)400 mm的站點(diǎn)集中分布在太行山東麓臨近地區(qū)和伏牛山東側(cè)迎風(fēng)坡一側(cè)，與地形關(guān)系十分密切。

2）南亞高壓增強(qiáng)東伸，副熱帶高壓異常偏強(qiáng)偏北，低緯度地區(qū)活躍著臺(tái)風(fēng)“查帕卡”、“煙花”和孟灣低壓，來(lái)自印度洋的西南季風(fēng)水汽輸送使“煙花”長(zhǎng)時(shí)間維持，其北側(cè)與副高之間東風(fēng)加強(qiáng)向河南穩(wěn)定持久輸送水汽，在太行山和伏牛山前輻合，導(dǎo)致了豫中和豫北兩個(gè)特大暴雨中心的產(chǎn)生。

3）“21·7”強(qiáng)降水過(guò)程中，豫中和豫北對(duì)流層下層水汽通量散度均表現(xiàn)出輻合持續(xù)偏強(qiáng)、異常偏離氣候態(tài)的極端性特征;而水汽通量波動(dòng)性大，極端特征不如水汽通量散度顯著。伏牛山和太行山東麓沿山一帶的動(dòng)力條件偏離氣候態(tài)程度大，200 hPa散度的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)2σ～5σ;豫中伏牛山沿山一帶850 hPa渦度偏離氣候態(tài)程度較太行山東麓一帶更大，達(dá)6σ，而700 hPa上升運(yùn)動(dòng)則是豫北太行山東麓一帶更極端，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)-3σ～-5σ。

4）1981年以來(lái)豫中和豫北同區(qū)域暴雨以上量級(jí)降水的物理量對(duì)比分析顯示，“21·7”過(guò)程中，850 hPa渦度和700 hPa的垂直速度標(biāo)準(zhǔn)差為歷次過(guò)程最大（最?。┗虼未螅ù涡。┱?，極端性顯著，可明顯區(qū)分同區(qū)域其他暴雨過(guò)程;豫中整層水汽含量居所有暴雨過(guò)程首位，對(duì)暴雨極端性有指示意義，而豫北水汽條件與其他過(guò)程相比排位并不靠前。所選地形附近歷次暴雨過(guò)程的850 hPa渦度和700 hPa的垂直速度平均標(biāo)準(zhǔn)差偏離氣候態(tài)超過(guò)±3σ，且大暴雨以上降水過(guò)程中，多數(shù)個(gè)例的850 hPa渦度和700 hPa垂直速度強(qiáng)于平均值，表明地形區(qū)域動(dòng)力作用的增強(qiáng)與暴雨增幅有明顯正相關(guān)。

本文僅對(duì)“21·7”強(qiáng)降水過(guò)程特征、大氣環(huán)流和環(huán)境物量偏離氣候態(tài)的程度做了較詳細(xì)分析，研究所得可為極端暴雨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)借鑒。然而，鄭州超過(guò)200 mm/h的極端雨強(qiáng)、接近年降水量的日雨量與城市發(fā)展及熱動(dòng)力效應(yīng)有何關(guān)聯(lián)？地形和復(fù)雜下墊面對(duì)暴雨的增幅和影響機(jī)制？極端強(qiáng)降水的可預(yù)報(bào)性及預(yù)報(bào)技術(shù)等等諸多科學(xué)問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)（References）

陳海山，陳健康，2017.東亞夏季風(fēng)指數(shù)的分類及物理特征分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，40（3）：299-309. Chen H S，Chen J K，2017.Classification of East Asian summer monsoon indicesand their basic physical features[J].Trans Atmos Sci，40（3）：299-309.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160323001.（in Chinese）.

陳豫英，蘇洋，楊銀，等，2021.賀蘭山東麓極端暴雨的中尺度特征[J].高原氣象，40（1）：47-60. Chen Y Y，Su Y，Yang Y，et al.，2021.The mesoscale characteristics of extreme rainstorm in the eastern region of Helan mountain[J].Plateau Meteor，40（1）：47-60.doi：10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00012.（in Chinese）.

丁一匯，2015.論河南“75·8”特大暴雨的研究：回顧與評(píng)述[J].氣象學(xué)報(bào)，73（3）：411-424. Ding Y H，2015.On the study of the unprecedented heavy rainfall in Henan Province during 4-8 August 1975[J].Acta Meteorol Sin，73（3）：411-424.doi：10.11676/qxxb2015.067.（in Chinese）.

丁一匯，柳艷菊，宋亞芳，2020.東亞夏季風(fēng)水汽輸送帶及其對(duì)中國(guó)大暴雨與洪澇災(zāi)害的影響[J].水科學(xué)進(jìn)展，31（5）：629-643. Ding Y H，Liu Y J，Song Y F，2020.East Asian summer monsoon moisture transport belt and its impact on heavy rainfalls and floods in China[J].Adv Water Sci，31（5）：629-643.doi：10.14042/j.cnki.32.1309.2020.05.001.（in Chinese）.

高濤，謝立安，2014.近50年來(lái)中國(guó)極端降水趨勢(shì)與物理成因研究綜述[J].地球科學(xué)進(jìn)展，29（5）：577-589. Gao T，Xie L A，2014.Study on progress of the trends and physical causes of extreme precipitation in China during the last 50 years[J].Adv Earth Sci，29（5）：577-589.doi：10.11867/j.issn.1001-8166.2014.05.0577.（in Chinese）.

冀翠華，李姝霞，2021.開封“7·19”大暴雨天氣過(guò)程的極端性分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，44（4）：53-62. Ji C H，Li S X，2021.Analysis on extremity of the “7·19”severe rainstorm process in Kaifeng[J].Meteor Environ Sci，44（4）：53-62.doi：10.16765/j.cnki.1673-7148.2021.04.007.（in Chinese）.

雷蕾，孫繼松，何娜，等，2017.“7·20”華北特大暴雨過(guò)程中低渦發(fā)展演變機(jī)制研究[J].氣象學(xué)報(bào)，75（5）：685-699. Lei L，Sun J S，He N，et al.，2017.A study on the mechanism for the vortex system evolution and development during the torrential rain event in North China on 20 July 2016[J].Acta Meteorol Sin，75（5）：685-699.doi：10.11676/qxxb2017.054.（in Chinese）.

栗晗，王新敏，張霞，等，2018.河南 “7·19” 豫北罕見特大暴雨降水特征及極端性分析[J].氣象，44（9）：1136-1147. Li H，Wang X M，Zhang X，et al.，2018.Analysis on extremity and characteristics of the 19 July 2016 severe torrential rain in the north of Henan Province[J].Meteor Mon，44（9）：1136-1147.doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2018.09.002.（in Chinese）.

李澤椿，諶蕓，張芳華，等，2015.由河南“75·8”特大暴雨引發(fā)的思考[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，38（3）：1-12. Li Z C，Chen Y，Zhang F H，et al.，2015.Consideration by “75·8” extreme heavy rainfall event in Henan[J].Meteorological and Environmental Sciences，38（3）：1-12（in Chinese）.

劉晶，周雅蔓，楊蓮梅，等，2019.伊犁河谷"極端暴雨過(guò)程不穩(wěn)定性及其觸發(fā)機(jī)制研究[J].大氣科學(xué)，43（6）：1204-1218. Liu J，Zhou Y M，Yang L M，et al.，2019.The instability and its trigger mechanism of extreme precipitation event in the Yili river valley on 31 July 2016[J].Chin J Atmos Sci，43（6）：1204-1218.doi：10.3878/j.issn.1006-9895.1901.18155.（in Chinese）.

馬月枝，張霞，胡燕平，2017.2016年7月9日新鄉(xiāng)暖區(qū)特大暴雨成因分析[J].暴雨災(zāi)害，36（6）：557-565. Ma Y Z，Zhang X，Hu Y P，2017.Cause analysis of a warm-sector excessive heavy rainfall event in Xinxiang on 9 July 2016[J].Torrential Rain Disasters，36（6）：557-565.doi：10.3969/j.issn.1004-9045.2017.06.009.（in Chinese）.

司福意，張一平，趙海青，等，2021.豫北“7·9”特大暴雨的形成與極端性探析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，44（1）：65-73. Si F Y，Zhang Y P，Zhao H Q，et al.，2021.Analysis on formation and extremity of the 9 July extreme torrential rain in the north of Henan Province[J].Meteor Environ Sci，44（1）：65-73.doi：10.16765/j.cnki.1673-7148.2021.01.008.（in Chinese）.

孫繼松，雷蕾，于波，等，2015.近10年北京地區(qū)極端暴雨事件的基本特征[J].氣象學(xué)報(bào)，（4）：609-623. Sun J S，Lei L，Yu B，et al.，2015.The fundamental features of the extreme severe rain events in the recent 10 years in the Beijing area[J].Acta Meteorol Sin，（4）：609-623.doi：10.11676/qxxb2015.044.（in Chinese）.

孫軍，諶蕓，楊舒楠，等，2012.北京721特大暴雨極端性分析及思考（二）極端性降水成因初探及思考[J].氣象，38（10）：1267-1277. Sun J，Chen Y，Yang S N，et al.，2012.Analysis and thinking on the extremes of the 21 July 2012 torrential rain in Beijing part Ⅱ：preliminary causation analysis and thinking[J].Meteor Mon，38（10）：1267-1277.doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2012.10.013.（in Chinese）.

陶詩(shī)言，1980.中國(guó)之暴雨[M].北京：科學(xué)出版社：147-161. Tao S Y，1980.Torrential rain in China[M].Beijing：Science Press：147-161.（in Chinese）.

王叢梅，俞小鼎，李芷霞，等，2017.太行山地形影響下的極端短時(shí)強(qiáng)降水分析[J].氣象，43（4）：425-433. Wang C M，Yu X D，Li Z X，et al.，2017.Investigation of extreme flash-rain events on the impact of Taihang mountain[J].Meteor Mon，43（4）：425-433.doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2017.04.004.（in Chinese）.

王婧羽，崔春光，王曉芳，等，2014.2012年7月21日北京特大暴雨過(guò)程的水汽輸送特征[J].氣象，40（2）：133-145. Wang J Y，Cui C G，Wang X F，et al.，2014.Analysis on water vapor transport and budget of the severe torrential rain over Beijing region on 21 July 2012[J].Meteor Mon，40（2）：133-145.doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2014.02.001.（in Chinese）.

王倩，翟盤茂，余榮，2019.2018年7月北半球極端天氣氣候事件及環(huán)流特征分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，42（1）：28-35. Wang Q，Zhai P M，Yu R，2019.Analysis of extreme weather and climate events and circulation characteristics in the Northern Hemisphere in July 2018[J].Trans Atmos Sci，42（1）：28-35.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20181129001.（in Chinese）.

肖遞祥，楊康權(quán)，俞小鼎，等，2017.四川盆地極端暴雨過(guò)程基本特征分析[J].氣象，43（10）：1165-1175. Xiao D X，Yang K Q，Yu X D，et al.，2017.Characteristics analyses of extreme rainstorm events in Sichuan basin[J].Meteor Mon，43（10）：1165-1175.doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2017.10.001.（in Chinese）.

徐珺，畢寶貴，諶蕓，等，2018.“5·7”廣州局地突發(fā)特大暴雨中尺度特征及成因分析[J].氣象學(xué)報(bào)，76（4）：511-524. Xu J，Bi B G，Chen Y，et al.，2018.Mesoscale characteristics and mechanism analysis of the unexpected local torrential rain in Guangzhou on 7 May 2017[J].Acta Meteorol Sin，76（4）：511-524.doi：10.11676/qxxb2018.016.（in Chinese）.

楊舒楠，端義宏，2020.臺(tái)風(fēng)溫比亞（1818）降水及環(huán)境場(chǎng)極端性分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，31（3）：290-302. Yang S N，Duan Y H，2020.Extremity analysis on the precipitation and environmental field of typhoon rumbia in 2018[J].J Appl Meteor Sci，31（3）：290-302.doi：10.11898/1001-7313.20200304.（in Chinese）.

俞小鼎，2013.短時(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)報(bào)的思路與方法[J].暴雨災(zāi)害，32（3）：202-209. Yu X D，2013.Nowcasting thinking and method of flash heavy rain[J].Torrential Rain Disasters，32（3）：202-209.doi：10.3969/j.issn.1004-9045.2013.03.002.（in Chinese）.

曾智琳，諶蕓，王東海，2020.2018年8月華南超歷史極值降水事件的觀測(cè)分析與機(jī)理研究[J].大氣科學(xué)，44（4）：695-715. Zeng Z L，Chen Y，Wang D H，2020.Observation and mechanism analysis for a record-breaking heavy rainfall event over Southern China in August 2018[J].Chin J Atmos Sci，44（4）：695-715.doi：10.3878/j.issn.1006-9895.1906.18265.（in Chinese）.

張玲，智協(xié)飛，2010.南亞高壓和西太副高位置與中國(guó)盛夏降水異常[J].氣象科學(xué)，30（4）：438-444. Zhang L，Zhi X F，2010.South Asian high and the subtropical western Pacific high and its relation to the mid-summer precipitation anomalies over China[J].Sci Meteor Sin，30（4）：438-444.doi：10.3969/j.issn.1009-0827.2010.04.002.（in Chinese）.

張夢(mèng)珂，金大超，2019.2015年夏季東亞和南亞降水異常與熱帶太平洋海溫異常的聯(lián)系及機(jī)理[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，42（5）：745-754. Zhang M K，Jin D C，2019.Relationship of East and South Asia summer precipitation anomalies with tropical Pacific SSTA in 2015 and its mechanisms[J].Trans Atmos Sci，42（5）：745-754.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20190322001.（in Chinese）.

張霞，王新敏，栗晗，等，2020a.基于環(huán)境參數(shù)的極端暴雨指數(shù)構(gòu)建及其應(yīng)用[J].氣象，46（7）：898-912. Zhang X，Wang X M，Li H，et al.，2020a.Construction and application of extreme rainstorm index based on environmental parameters[J].Meteor Mon，46（7）：898-912.doi：10.7519/j.issn.1000-0526.2020.07.003.（in Chinese）.

張霞，趙培娟，張淵萌，等，2020b.淮河上游致洪暴雨對(duì)王家壩水位影響分析及估測(cè)[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，43（4）：1-10. Zhang X，Zhao P J，Zhang Y M，et al.，2020b.Analysis and estimation of the impact of flood-causing rainstorm on the Wangjiaba dam water level in the upper reaches of Huaihe river[J].Meteor Environ Sci，43（4）：1-10.doi：10.16765/j.cnki.1673-7148.2020.04.001.（in Chinese）.

趙培娟，邵宇翔，張霞，2019.相似路徑臺(tái)風(fēng)“摩羯”“溫比亞”登陸后環(huán)境場(chǎng)對(duì)比分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，42（3）：17-28. Zhao P J，Shao Y X，Zhang X，2019.Comparative analysis of the after landed environmental field of the similar track typhoons yagi and rumbia[J].Meteor Environ Sci，42（3）：17-28.doi：10.16765/j.cnki.1673-7148.2019.03.003.（in Chinese）.

趙洋洋，張慶紅，杜宇，等，2013.北京“特大暴雨環(huán)流形勢(shì)極端性客觀分析[J].氣象學(xué)報(bào)，71（5）：817-824. Zhao Y Y，Zhang Q H，Du Y，et al.，2013.Objective analysis of the extreme of circulation patterns during the 21 July 2012 torrential rain event in Beijing[J].Acta Meteorol Sin，71（5）：817-824.doi：10.11676/qxxb2013.066.（in Chinese）.

“75·8”暴雨會(huì)戰(zhàn)組，1977a.河南“75·8”特大暴雨成因的初步分析（一）[J].氣象，3（7）：3-5. “75·8”Rainstorm Battle Group，1977a.Preliminary analysis on the formation of “75·8” torrential rain in Henan（Ⅰ）[J].Meteor Mon，3（7）：3-5（in Chinese）.

“75·8”暴雨會(huì)戰(zhàn)組，1977b.河南“75·8”特大暴雨成因的初步分析（二）[J].氣象，3（7）：6-8. “75·8” Rainstorm Battle Group，1977b.Preliminary analysis on the formation of “75·8” torrential rain in Henan（Ⅱ）[J].Meteor Mon，3（7）：6-8（in Chinese）.

“58·7”暴雨研究組，1987.黃河中游“58·7”大暴雨成因的天氣學(xué)分析[J].大氣科學(xué)，11（1）：100-107. Research Group of “58·7” Heavy Rainfall，1987.A synoptic study of the “58·7” persistent rainstorm over the middle Huanghe （yellow） River[J].Chine J Atmos Sci，11（1）：100-107.

Analysis on characteristic and abnormality of atmospheric circulations of the July 2021 extreme precipitation in Henan

ZHANG Xia1，2，YANG Hui2，WANG Xinmin1，2，SHEN Lin3，WANG Di2，LI Han2

1Henan Key Laboratory of Agrometeorological Support and Applied Technique，CMA，Zhengzhou 450003，China;

2Henan Meteorological Observatory，Zhengzhou 450003，China;

3Yangtze Ecology and Environmental Co.，Ltd.，Wuhan 430062，China

The severe torrential rain attacked Henan province during July 17—22 in 2021 （abbreviation “21·7”） whenever the process total rainfall amount reaches 1 122.6 mm and the hourly rain intensity at Zhengzhou national observation is up to 201.9 mm/h which broke through the meteorological record of hourly rain intensity extreme value in Chinese inland since 1951.The precipitation features and abnormality of atmospheric circulations and the environmental physical quantities were analyzed with the comparative analysis of physical quantities in the process of heavy rain over 50 mm in Zhengzhou and Hebi since 1981 based on the national and regional automatic meteorological observation data and the high resolution European central atmospheric reanalysis （ERA5）.As shown by the results，the “21·7” severe rainfall process presents significant extremes in terms of cumulative precipitation，heavy rainfall coverage，daily rainfall，and hourly rainfall intensity.The eastern foot of Taihang Mountain and the windward slope of eastern Funiu Mountain are the only two locations with accumulated precipitation over 400 mm，which are closely related to topography.Anomalies in atmospheric circulation such as the enhancement and eastward extension of the South Asian high，the northward anomaly of the subtropical high，and the low-value system in low-latitude regions are responsible for the stable and lasting water vapor transport to Henan province.Water vapor convergence along Taihang and Funiu Mountain was below -10σ，showing significant extremes.Dynamic conditions are also apparent in the “21·7” process.With a deviation of 2σ—5σ from the historical climate，the divergence centers are located along the eastern foothills of Taihang Mountain and Funiu Mountain in 200 hPa.The deviation of 850 hPa vorticity from the climate state along Funiu Mountain is higher than that on the eastern foot of Taihang Mountain while the deviation of 700 hPa vertical velocity from the climate is more extreme on the eastern foot.For the same region since 1981，the standard deviation of 850 hPa vorticity and 700 hPa vertical velocity is the largest （least） or the secondary maximum （minimum） in the process of “21·7”，which indicates the extreme rain.In the eastern foot of Taihang Mountain and Funiu Mountain，the deviations of 850 hPa convergence and 700 hPa vertical velocity are consistently greater than 3σ（-3σ） on average，positively correlated with daily rainfall.

extreme precipitation;circulation anomaly;standard deviation;terrain elevation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20210907001

（責(zé)任編輯：劉菲）