2021 年河南“7.20”極端暴雨動、熱力和水汽特征觀測分析

冉令坤 李舒文 周玉淑 楊帥 馬淑萍 周括 申冬冬 焦寶峰 李娜

1 中國科學院大氣物理研究所，北京 100029

2 中國科學院大學，北京 100049

1 引言

河南地處我國中部，是我國暴雨災害較為嚴重的地區(qū)。河南省地勢西高東低，北、西、南三面被太行山、伏牛山、桐柏山和大別山環(huán)繞，西南部為南陽盆地，由于地形抬升作用，河南暴雨多分布在太行山迎風坡和山區(qū)，具有強度大、持續(xù)時間長、突發(fā)性顯著等特點，經(jīng)常引發(fā)洪澇、泥石流和滑坡等地質(zhì)災害，嚴重威脅人民生命財產(chǎn)安全。1975年8 月河南南部及淮河上游發(fā)生罕見特大暴雨（“75·8”暴雨），最大過程雨量達到1631 mm，造成水庫大壩垮塌，數(shù)十萬人員傷亡（陶詩言,1980）；2007 年三門峽市“7·29”大暴雨引發(fā)洪澇和山體滑坡，造成89 人死亡和失蹤，轉(zhuǎn)移安置5.7 萬人，造成經(jīng)濟損失14.1 億元（任軼, 2013）;2016 年7 月9 日河南北部新鄉(xiāng)地區(qū)發(fā)生特大暴雨，暴雨中心7 h 累計雨量達到420.1 mm，共造成32.90 萬人受災，直接經(jīng)濟損失2.30 億元（徐姝等,2019; 劉冠華和?？〕? 2020）。有研究表明（張遠, 2014），河南暴雨日和大暴雨日數(shù)均呈弱增加的趨勢。

很多學者對導致河南暴雨的多種天氣尺度系統(tǒng)相互作用、中尺度系統(tǒng)活動以及地形效應開展深入研究。河南暴雨主要受到江淮氣旋、江淮倒槽、中低層低槽、鋒面、低渦和切變線等多尺度天氣系統(tǒng)的影響（梁鈺等, 2020）。丁一匯等（1978）研究指出天氣尺度系統(tǒng)為“75·8”暴雨提供有利條件，中尺度系統(tǒng)和地形對觸發(fā)暴雨起著重要作用；暴雨反過來又影響天氣尺度溫壓場和風場分布, 改變后的氣象要素場使暴雨發(fā)展更強烈。蘇愛芳等（2016）指出低渦切變線、西南急流和南下弱冷空氣的共同作用是產(chǎn)生2010 年“8·13”黃淮北部暴雨的主要原因。胡燕平等（2009）分析認為，2008 年7 月22 日河南黃淮地區(qū)暴雨是高低空急流耦合區(qū)內(nèi)西南渦沿切變線移出，弱冷空氣侵入暖倒槽觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放造成的。李博等（2009）分析了2007年6 月19～20 日入梅期首場強降雨，指出該降雨首先產(chǎn)生在湖北、河南南部地區(qū)，隨后迅速北跳至山東南部，500 hPa 橫槽對首場強降水的維持起重要作用，低層渦旋系統(tǒng)沿著鋒生帶在槽前氣流引導下向東北方向移動，致使雨帶北跳。李宏宇等（2006）分析2002 年4 月4～5 日河南省冷鋒降水過程，指出云系存在明顯的“播種供給”云降水機制，鋒區(qū)附近擬降水效率達40%～60%，在積層混合區(qū)擬降水效率可高達70%以上。

中尺度系統(tǒng)是造成暴雨的直接影響系統(tǒng)，人們對中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、發(fā)生發(fā)展動力學問題開展深入研究和探索（矯梅燕等, 2006）。栗晗等（2018）對2016 年“7·19”暴雨過程進行了分析，結(jié)果表明，中尺度輻合線發(fā)展維持、多個地面中尺度氣旋移動造成的列車效應是導致局地特大暴雨的主要原因。牛淑貞等（2001）分析指出2000 年7 月5～6日鄭州特大暴雨具有典型的中尺度擾動及強對流特征。覃丹宇（2010）對中尺度云團形態(tài)進行分析，利用改進Shuman-Shapiro 濾波方法有效地分離出中尺度擾動，結(jié)果表明，近圓形中尺度云團主要由低層中尺度氣旋組織形成，而寬帶狀云團主要由低層中尺度切變線組織產(chǎn)生。孫建華等（2004）對2002 年中國暴雨試驗期間南陽盆地一次中尺度對流系統(tǒng)進行分析和模擬，結(jié)果表明，由于對流層中層正渦度中心的強迫和潛熱釋放產(chǎn)生了氣旋，低層的暖平流可能是低渦東移發(fā)展的原因之一。

河南省西高東低的地形地貌對暴雨觸發(fā)和增幅發(fā)揮重要作用。蔡則怡和宇如聰（1997）利用ETA 坐標有限區(qū)域數(shù)值模式對1975 年8 月河南特大暴雨進行數(shù)值敏感性試驗，結(jié)果表明，暴雨強度對山脈相對高度、陡峭程度和山脈相對位置等非常敏感，地形稍有改變，暴雨強度將減少3/4 以上。馬月枝等（2017）對2016 年7 月9 日新鄉(xiāng)暖區(qū)特大暴雨成因進行綜合分析，結(jié)果表明，太行山地形抬升、中低層低渦和切變線使新鄉(xiāng)上空出現(xiàn)深厚垂直上升運動是暴雨形成的動力機制。研究指出，業(yè)務(wù)數(shù)值模式對“7·21”極端暴雨預報失敗的主要原因可能是預報的低渦和地面倒槽強度和位置有較大誤差（孟智勇等, 2019）。

2021 年7 月17～22 日河南遭遇極端暴雨。7月20 日00 時至21 日00 時（協(xié)調(diào)世界時，下同），鄭州市內(nèi)24 小時降雨量達到624.1 mm，超過2019 年全年降水量（509.5 mm）。鄭州、新鄉(xiāng)、開封、周口、洛陽等10 個國家級氣象觀測站日雨量突破有氣象記錄以來歷史極值。由于暴雨突發(fā)性、極端性和不確定性，再加上業(yè)務(wù)數(shù)值模式對極端降水的模擬預報能力有限，增加了預報難度（王寧等, 2014; 莊瀟然等, 2017; 孟智勇等, 2019）。此次暴雨發(fā)生在多尺度系統(tǒng)相互作用背景下，受臺風、副熱帶高壓（副高）和西北槽共同影響，高、低空急流耦合，中尺度渦旋長期穩(wěn)定徘徊，在鄭州等地引發(fā)持續(xù)強降水，具有一定的典型性和代表性，值得進行分析總結(jié)。為此本文利用多源數(shù)據(jù)，從降水特點、環(huán)境條件和中尺度系統(tǒng)演變等方面對此次河南極端暴雨進行綜合分析，以期厘清動、熱力學特點，歸納科學問題，促進對此次極端降水事件的認識理解，為未來此類極端天氣的分析和預報提供參考。

2 資料說明與降水實況

2.1 資料說明

本文采用的資料包括中國氣象局MICAPS 系統(tǒng)自動站降水觀測數(shù)據(jù)、FY-4A 衛(wèi)星云頂亮溫（TBB）資料和歐洲中期天氣預報中心ERA5 數(shù)據(jù)，其中MICAPS 自動站降水數(shù)據(jù)覆蓋全國范圍，時間間隔1 小時。TBB 亮溫數(shù)據(jù)是FY-4A 衛(wèi)星成像儀全圓盤4KML1 數(shù)據(jù)，由第12 通道掃描成像輻射計0 級源包數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量檢驗、地理定位、輻射定標處理后得到的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，水平分辨率為4 km。ERA5 數(shù)據(jù)是歐洲中期天氣預報中心第五代大氣再分析數(shù)據(jù)，起始時間為 1979 年，并持續(xù)更新至實時5 天以內(nèi)，水平分辨率為0.25°、垂直方向37 層，逐小時間隔（https://confluence.ecmwf.int/display/CKB/ERA5%3A+data+documentation [2020-07-15]）（劉鴻波等, 2021）。

2.2 降水實況

2021 年7 月17～22 日河南中北部出現(xiàn)暴雨、大暴雨和局地特大暴雨，鄭州、鶴壁和新鄉(xiāng)等地局地累計降雨量超過900 mm，強降水中心位于鄭州，最強降水時段出現(xiàn)在20 日。此次過程最早發(fā)生在2021 年7 月17 日00 時河南東北部，隨后加強西移。如圖1 所示，19 日強降水中心移至鄭州附近，呈現(xiàn)中尺度雨團狀，不斷增強，長時間滯留，20日產(chǎn)生創(chuàng)紀錄日降水量；21 日降水中心位于河南東北部，降水落區(qū)成南北向帶狀，向河北西部伸展；22 日河南降水逐漸減弱，20 時降水結(jié)束。

圖1 2021 年7 月（a）18 日，（b）19 日，（c）20 日和（d）21 日24 小時累計降水量分布（單位：mm），棕色線為省界，黑點代表鄭州位置Fig. 1 Distribution of 24-hour cumulative precipitation on (a) July 18, (b) July 19, (c) July 20 and (d) July 21, 2021 (units: mm). The brown line represents the provincial boundary, and the black dot represents the location of Zhengzhou

此次過程屬極端降水事件，具有持續(xù)時間長、小時雨強和累計雨量大、范圍廣、時段集中和極端性突出等特征。河南省境內(nèi)1923 個觀測站降水量大于100 mm，606 個測站大于250 mm；鄭州、嵩山、偃師、新密、伊川和登封等10 個站點突破建站以來日降水量歷史極值。20 日00 時至21 日00時最大降水量出現(xiàn)在鄭州市尖崗，達到696.9 mm，超過鄭州全年平均降水總量；最大小時雨強出現(xiàn)在鄭州本站201.9 mm（20 日08～09 時)，突破了中國大陸有氣象記錄以來小時雨強極值。20 日22 時至21 日22 時安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)和焦作等地出現(xiàn)局地特大暴雨，其中鶴壁市淇濱區(qū)科創(chuàng)中心最大降水量為675.5 mm，新鄉(xiāng)市牧野區(qū)最大小時雨強達到149.9 mm。

3 天氣形勢分析

此次極端暴雨發(fā)生在特殊天氣形勢下，由多尺度天氣系統(tǒng)共同作用造成。西太平洋副高和大陸高壓穩(wěn)定維持在日本海和我國西北地區(qū)，受其阻擋，低壓系統(tǒng)在黃淮和華北地區(qū)徘徊。深厚的東南風低空急流和穩(wěn)定的低渦切變線在太行山區(qū)和嵩山等地形強迫作用下引起輻合抬升，降水系統(tǒng)穩(wěn)定少動，在河南中北部造成長時間降水。

3.1 大尺度環(huán)流

在200 hPa 等壓面上（圖2a），19 日12 時我國中部逐步建立“兩槽一脊”流型，20 日00 時高壓脊頂部位于河北與河南交界處，東西兩側(cè)為南北向低槽，西低槽大約位于105°E，東低槽大約位于125°E；受高壓脊影響，河南地區(qū)存在西南風向西北風轉(zhuǎn)換的反氣旋環(huán)流，位于高空急流區(qū)的南側(cè)，氣流輻散非常顯著。

在500 hPa 等壓面上（圖2b），20 日00 時短波槽影響我國西部地區(qū)。副高南部的臺風“煙花”大約位于（23°N，132°E）。臺風“查帕卡”在廣東陽江登陸，黃淮氣旋位于陜西中部，河南位于黃淮氣旋的東部。副高和臺風“煙花”之間的東南氣流向河南地區(qū)輸送水汽，與西南氣流匯聚在河南鄭州，為暴雨提供動力和水汽輻合條件。

在700 hPa 等壓面上（圖2c），20 日00 時黃淮氣旋位于（33°N～36°N，112°E～115°E），鄭州位于其東北側(cè)，西南氣流（來自“查帕卡”）和東南氣流（來自副高西側(cè)）輻合明顯，鄭州附近東南風速最大為12 m s-1。

受副高和臺風“煙花”影響，20 日00 時 925 hPa等壓面上從東海至河南鄭州存在強勁的東南氣流（圖2d），把洋面水汽輸送到鄭州；同時“查帕卡”偏南氣流穿越水汽高值區(qū)，也向鄭州輸送部分水汽，這兩股輸送水汽的氣流受太行山阻擋，在山前迎風坡（鄭州西部）堆積輻合抬升，促進降水系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展。

圖2 2021 年7 月20 日00 時（協(xié)調(diào)世界時，下同）（a）200 hPa 位勢高度（等值線，單位：m）和風速（填色，單位：m s-1）以及風矢量（風羽，單位：m s-1），（b）500 hPa 位勢高度（等值線；單位：m）和風速（填色，單位：m s-1），（c）700 hPa 位勢高度（等值線，單位：m）和風速（填色，單位：m s-1）以及風矢量（風羽，單位：m s-1）和（d）925 hPa 位勢高度（等值線，單位：m）和水汽比濕（填色，單位：g kg-1）以及風矢量（風羽，單位：m s-1）。紅點代表鄭州位置Fig. 2 (a) 200 hPa geopotential height (isoline, units: m), wind speed (shaded, units: m s-1) and wind vector (wind barb, units: m s-1), (b) 500 hPa geopotential height (isoline, units: m) and wind speed (shaded, units: m s-1), (c) 700 hPa geopotential height (isoline, units: m) and wind speed (shaded,units: m s-1) and wind vector (wind barb, units: m s-1) and (d) 925 hPa geopotential height (isoline, units: m) and water vapor specific humidity(shaded, units: g kg-1) and wind vector (wind barb, units: m s-1) at 0000 UTC 20 July 2021. The red dot represents the location of Zhengzhou

綜上所述，此次暴雨大尺度環(huán)流特點顯著，高空兩槽一脊流型創(chuàng)造高層強烈輻散的動力條件；中層短波槽、西部大陸高壓、東部副高和臺風“煙花”、南部臺風“查帕卡”是主要的天氣尺度影響系統(tǒng)，最重要的是緩慢北移的黃淮氣旋，它是此次暴雨的直接參與者。低層西南氣流與副高和臺風“煙花”之間的東南氣流長時間控制河南地區(qū)，供應充沛水汽。這種高、低空系統(tǒng)配置提供有利的動、熱力和水汽條件，促使河南暴雨長時間維持，產(chǎn)生極端降水量。

3.2 水汽條件

利用ERA5 再分析數(shù)據(jù)計算了整層大氣可降水量（簡稱：PW），如圖3 所示，可降水量高值區(qū)呈南北向帶狀，從廣東和廣西向北伸展，經(jīng)過湖南、江西和湖北，伸展到河南北部，高值中心位于臺風“帕查卡”和河南中部，臺風倒槽和黃淮氣旋的西南氣流穿過這條高濕帶向河南輸送水汽。另一條相對較弱的可降水量高值區(qū)從東海經(jīng)浙江、江蘇和安徽，伸展到河南，副高和臺風“煙花”引導東南氣流穿越該濕區(qū)，向河南輸送水汽。這兩條水汽輸送帶匯合在河南北部，在鄭州附近形成水汽通量輻合中心，為暴雨供應水汽。

圖3 2021 年7 月20 日（a）00 時和（b）12 時大氣可降水量（填色，單位：mm）與850 hPa 風矢量（箭頭，單位：m s-1），（c）00 時和（d）12 時1000～500 hPa 水汽通量的垂直積分（箭頭，單位：10 kg m-1 s-1）及其散度的垂直積分（填色，單位：10-4 kg m-2 s-1）的水平分布。紅點代表鄭州位置Fig. 3 Atmospheric precipitable water (shaded, units: mm) and 850 hPa wind vector (arrow, units: m s-1) at (a) 0000 UTC and (b) 1200 UTC 20 July 2021. 1000-500 hPa vertical integral of water vapor flux (arrow, units: 10 kg m-1 s-1) and its divergence (shaded, unit: 10-4 kg m-2 s-1) at (c) 0000 UTC and (d) 1200 UTC 20 July 2021. The red dot represents the location of Zhengzhou

在垂直剖面內(nèi)（圖4），20 日00 時在鄭州西側(cè)迎風坡從近地面到500 hPa 都為水汽通量輻合區(qū)，強輻合中心位于950 hPa 附近，主要由邊界層東風急流輸送引起。鄭州近地面東風分量比南風分量更強勁，受西側(cè)地形阻擋，邊界層水汽通量輻合抬升，形成水汽通量輻合強中心。由于水汽濕層深厚，水汽輻合層從近地面伸展到550 hPa，為降水持續(xù)發(fā)展源源不斷供應水汽。從流場結(jié)構(gòu)來看，鄭州東側(cè)低層為東風入流，沿鄭州西側(cè)山地迎風坡爬升，在650 hPa 以下從后部流出，低層垂直運動主要由地形強迫抬升產(chǎn)生；在中高層，垂直運動發(fā)展旺盛，一支上升氣流在300 hPa 向后流出，另一支氣流在400～200 hPa 向前流出。這種流場結(jié)構(gòu)與典型強對流的流場結(jié)構(gòu)類似。

圖4 2021 年7 月20 日（a）00 時和（b）08 時沿34.43°N 水汽通量散度（填色，單位：10-7 g cm-2 hPa-1 s-1）和風矢量（箭頭，m s-1）的緯向—垂直分布，其中紅三角代表鄭州位置Fig. 4 Zonal-vertical distribution of moisture flux divergence (shaded, units: 10-7 g cm-2 hPa-1 s-1) and wind vector (arrow, units: m s-1) along 34.43°N at (a) 0000 UTC and (b) 0800 UTC on July 20, 2021, where the red triangle represents the location of Zhengzhou

一般情況下，環(huán)境相對濕度越高、雨滴蒸發(fā)率越小，降水效率越高。20 日08 時強降水開始前（圖5a），鄭州整層相對濕度已經(jīng)飽和，并且部分時段達到過飽和（相對濕度大于100%），在較低溫度下，更容易凝結(jié)，暖云發(fā)展更旺盛。20 日08～09 時隨著強降水的發(fā)生，大量水汽被消耗，低層和高層的相對濕度迅速降低，降到90%以下，但在邊界層急流持續(xù)輸送下，水汽得到快速補充，20 日 10 時相對濕度很快達到并超過飽和。如圖5b所示，20 日08 時鄭州上空暖云（雨水+云水）層非常厚，從近地面垂直伸展到400 hPa。研究表明，暖云層越厚，越有利于高降水效率的產(chǎn)生。

極端暴雨通常具有較高的降水效率。本文采用水汽保留率和水汽消耗率來分析水汽轉(zhuǎn)化效率，這兩個量與降水效率有一定的關(guān)聯(lián)。水汽保留率可表示為當前時刻的可降水量和前一時刻的可降水量與水汽通量散度時間積分之差的比值，即，

如圖5c 和5d 所示，18 日01 時至19 日06 時，鄭州保持較高的水汽保留率和較低水汽消耗率。在19 日06 時至21 日08 時強降水時段，水汽保留率明顯下降，水汽消耗率上升到較高水平，平均接近8%，個別時刻達到20%；21 日08 時至22 日00 時隨著降水減弱結(jié)束，水汽消耗率也逐漸降到較低水平。水汽消耗率與降水效率有一定關(guān)系。水汽消耗主要來自水汽凝結(jié)和凝華；如果降水效率高，那么云水轉(zhuǎn)化和雪融化引起的雨水生成量會增大，需要水汽凝結(jié)補充云水，消耗大量的水汽，導致較高的水汽消耗率。

圖5 2021 年7 月19 日00 時至21 日00 時鄭州（34.43°N，113.39°E）（a）相對濕度、（b）液態(tài)水混合比含量（單位：10-4 kg kg-1）的高度—時間演變和2021 年7 月18 日01 時至22 日00 時（c）水汽保留率、（d）水汽消耗率的時間演變Fig. 5 Height-time evolution of (a) relative humidity, (b) mixing ratio content of liquid water (units: 10-4 kg kg-1) in Zhengzhou (34.43°N, 113.39°E)from 0000 UTC 19 July to 0000 UTC 21 July 2021, and time evolution of (c) water vapor reserved rate, (d) water vapor consumption rate from 0100 UTC 18 July to 0000 UTC 22 July 2021

上述分析表明，西南氣流和東南氣流輸送水汽到河南，在地形阻擋作用下輻合抬升。鄭州低層具有大范圍深厚濕層，可降水量異常偏高，其變化與降水演變有一定關(guān)聯(lián)。流場具有低層東風流入爬坡、高層后部流出和前部流出的典型強對流結(jié)構(gòu)特征。另外，大范圍高濕環(huán)境、深厚暖云層、水汽過飽和以及較高的水汽消耗率是鄭州高降水效率的有利條件。

3.3 不穩(wěn)定條件分析

楊博雷等（2016）研究結(jié)果表明，“7·21”暴雨前期對流層中高層高濕位渦的冷空氣擴散南下，冷空氣到達華北地區(qū)上空時，在有利等熵面的引導下從穩(wěn)定層結(jié)向不穩(wěn)定層結(jié)快速下滑，產(chǎn)生了劇烈的正渦度個別變化，使得低渦得到發(fā)展加強。此次暴雨也存在干冷空氣侵入，影響低層大氣的穩(wěn)定性。在等壓坐標系中位渦可寫為

其中，u和v為緯向和經(jīng)向風速分量， θ為位溫，f0為科氏力參數(shù)。在位渦垂直剖面內(nèi)（圖6a），20日00 時鄭州附近位渦從100 hPa 高層位渦源區(qū)下傳到低層，代表干冷空氣侵入，有利于形成上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)；同時也有利于把高層渦度傳到低層，加強低層渦旋的發(fā)展。從相當位溫垂直分布來看（圖6b），鄭州上空是弱層結(jié)不穩(wěn)定，其南側(cè)低層大氣是強層結(jié)不穩(wěn)定。鄭州925～500 hPa 相當位溫等值線幾乎垂直伸展，表明大氣是近乎中性或者弱不穩(wěn)定層結(jié)。由于飽和濕絕熱過程中氣塊沿著等相當位溫線運動，因此中性層結(jié)非常有利于垂直運動發(fā)展（許煥斌和丁正平, 1997; 李俊等, 2012）。

圖6 2021 年7 月20 日00 時沿113.39°E（a）位渦（單位：PUV）和（b）相當位溫（等值線，單位：K）、層結(jié)穩(wěn)定度?θse/?p（填色，單位：10-4 K Pa-1）的經(jīng)向—垂直分布。紅三角形代表鄭州位置Fig. 6 Meridional-vertical distribution of (a) potential vorticity (units: PUV), (b) equivalent potential temperature (isoline; units: K) and stratification stability ?θse/?p (shaded, units: 10-4 K Pa-1) along 113.39°E at 0000 UTC 20 July 2021. The red triangle represents the location of Zhengzhou

在時間演變上（圖7），鄭州850 hPa 和600 hPa高度保持弱層結(jié)不穩(wěn)定，邊界層內(nèi)穩(wěn)定與強層結(jié)不穩(wěn)定交替出現(xiàn)。7 月18 日00 時至22 日00 時鄭州經(jīng)歷四次強層結(jié)不穩(wěn)定與低層弱層結(jié)不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化。在強降水發(fā)生前期，19 日06 時大氣不穩(wěn)定度明顯增強；隨著強降水發(fā)展，19 日16 時不穩(wěn)定能量逐漸被消耗，大氣趨于弱不穩(wěn)定；當弱不穩(wěn)定度減小到一定程度，降水減弱；20 日10 時不穩(wěn)定度又開始增強，為后續(xù)強降水積蓄能量。

層結(jié)不穩(wěn)定變化可以用層結(jié)穩(wěn)定度傾向方程來解釋（劉璐等, 2015）。該方程可以寫為

在方程（4）中，作為層結(jié)穩(wěn)定度個別變化的強迫項，位勢散度包括垂直切變項和散度項（周圍等,2018）。劉璐等（2015）研究表明臨近暴雨發(fā)生時刻及暴雨初期，大氣低層主要以對流不穩(wěn)定為主。計算結(jié)果表明（圖7），位勢散度在低層存在五個負高值區(qū)，與層結(jié)穩(wěn)定度減弱時段相對應，主要作用是增強層結(jié)穩(wěn)定度；其中散度項的貢獻是削弱不穩(wěn)定層結(jié)，促進穩(wěn)定度增強，這是因為地形阻擋抬升使得近地面始終存在氣流輻合((?u/?x+?v/?y)＜0)，同時低層大氣又是層結(jié)不穩(wěn)定的（?θse/?p＞0），因此散度項(?u/?x+?v/?y)?θse/?p＜0，促使穩(wěn)定度增強。垂直切變項[－(?u/?p)(?θse/?x)－(?v/?p)(?θse/?y)]的高值區(qū)在低層，正負相間，由水平風垂直切變和大氣的斜壓性共同作用造成。除此之外，層結(jié)穩(wěn)定度的水平平流項[－u(?2θse/?x?p)－v(?2θse/?y?p)]在低層900 hPa 以下促使穩(wěn)定度增強，在900～850 hPa 高度附近增強層結(jié)不穩(wěn)定，而垂直平流項[－ω(?2θse/?2p)]則幾乎與水平平流項反位相相關(guān)，二者在對流層中低層大部分相互抵消。

圖7 2021 年7 月18 日00 時至22 日00 時鄭州（34.43°N，113.39°E）（a）相當位溫（等值線，單位：K）以及層結(jié)穩(wěn)定度（填色，單位：10-4 K Pa-1)、（b）層結(jié)穩(wěn)定度局地變化（單位：10-8 K s-1 Pa-1）、（c）水平平流項（單位：10-8 K s-1 Pa-1）、（d）垂直平流項（單位：10-8 K s-1 Pa-1）、（e）垂直風切變強迫項（單位：10-8 K s-1 Pa-1）和（f）散度強迫項（單位：10-8 K s-1 Pa-1）的高度—時間演變Fig. 7 Height-time evolution from 0000 UTC 18 July to 0000 UTC 22 July 2021, over Zhengzhou (34.43°N, 113.39°E): (a) Equivalent potential temperature (isoline, units: K) and stratification stability (shaded, units: 10-4 K Pa-1); (b) local changes of stratification stability (units: 10-8 K s-1 Pa-1);(c) horizontal advection term (units: 10-8 K s-1 Pa-1); (d) vertical advection term (units: 10-8 K s-1 Pa-1); (e) vertical wind shear forcing term (units:10-8 K s-1 Pa-1); (f) divergence forcing term (units: 10-8 K s-1 Pa-1)

3.4 動力抬升條件

20 日00 時至21 日00 時鄭州上空950～350 hPa為氣旋環(huán)流（圖8），近地面900 hPa 以下氣流持續(xù)輻合。20 日00 時垂直運動加強，從地面到200 hPa均為上升運動區(qū)，強上升中心位于550 hPa；20 日08 時由于降水粒子下沉拖曳作用，鄭州上空800 hPa以上垂直運動以下沉為主，伴有輻散，10 時轉(zhuǎn)為上升運動。

圖8 2021 年7 月19 日00 時至21 日00 時鄭州（34.43°N，113.39°E）（a）渦度（單位：單位：10-4 s-1），（b）散度（單位：10-4 s-1）和（c）垂直速度（單位：Pa s-1）的高度—時間演變Fig. 8 Height-time evolution of (a) vorticity (units: 10-4 s-1), (b) divergence (units: 10-4 s-1), and (c) vertical velocity (units: Pa s-1) in Zhengzhou(34.43°N, 113.39°E) from 0000 UTC 19 July to 0000 UTC 21 July 2021

如圖9 所示，20 日08 時500 hPa 在黃淮氣旋內(nèi)部存在多個中尺度渦旋（圖9a），其中鄭州西側(cè)的中尺度渦旋較強。700～850 hPa 湖北至河南中北部存在東北—西南向的切變線，其北端有中尺度渦旋生成發(fā)展，該渦旋非常深厚，從950 hPa 垂直伸展到350 hPa，并且高值區(qū)位于800～540 hPa。在整個強降水時段，切變線和中尺度渦旋在鄭州地區(qū)穩(wěn)定少動，其西南氣流與副高西側(cè)的東南氣流形成輻合區(qū)。925 hPa 鄭州地區(qū)北側(cè)為氣旋性環(huán)流，風速約為12～16 m s-1，達到邊界層急流標準。同時，東北—西南向的太行山與東西向的嵩山形成喇叭口地形（圖9d），氣旋性急流灌入喇叭口地形，遇到地形阻擋，在鄭州西側(cè)山前形成風速輻合（圖9f）；輻合層深厚，從950 hPa 伸展到500 hPa，輻合中心位于迎風坡950 hPa，輻散中心位于350 hPa。這種深厚的中尺度渦旋和輻合層穩(wěn)定存在，有利于垂直運動維持，促使暴雨長時間發(fā)展。

圖9 2021 年7 月20 日00 時（a）200 hPa、（b）500 hPa、（c）700 hPa、（d）925 hPa 風羽和渦度（填色，單位：10-4 s-1）水平分布以及（e）沿34.43°N 渦度（單位：10-4 s-1）和（f）散度（單位：10-4 s-1）的緯向—垂直分布。箭頭代表風矢量（單位：m s-1) ，紅點和紅三角代表鄭州位置，藍色實線代表地形高度（單位：m）Fig. 9 Horizontal distribution of wind barbs and vorticity (shaded, units: 10-4 s-1) at 0000 UTC July 20 2021: (a) 200 hPa; (b) 500 hPa; (c) 700 hPa;(d) 925 hPa. Zonal-vertical distribution along 34.43°N: (e) vorticity (units: 10-4 s-1); (f) divergence (units: 10-4 s-1). The arrow represents the wind vector (units: m s-1), the red dot and triangle represent the location of Zhengzhou, blue lines indicate the terrain height (units: m)

K=(u2+v2)/2

水平動能 [] 分析表明（圖10a），20 日00 時鄭州上空動能高值區(qū)垂直伸展，高、低空動能中心分別位于875 hPa 和175 hPa，分別對應著低空急流和高空急流，二者耦合產(chǎn)生低層輻合和高層輻散的動力抽吸效應，加強上升運動。利用動能傾向方程可分析低空急流的產(chǎn)生機制，在等壓坐標系中，水平動能方程可寫為

圖10 2021 年7 月20 日00 時沿34.43°N（a）K（等值線，單位：m2 s2）和 ?K / ?t（填色，單位：10-3 m2 s）、（b）－u·?φ/?x（單位：10-3 m2 s）、（c）－v·?φ/?y（單位：m2 s）的緯向—垂直分布以及925 hPa（d） φ（單位：m2 s-2）、（e） u（單位：m s-1）和（f）?φ/?x（單位：m s-2）的水平分布（填色）。藍色線為地形高度（單位：m）等值線，紅點和紅三角代表鄭州位置Fig. 10 Latitude-vertical distribution of (a) K (isoline, units: m2 s2) and ?K/?t (shaded, units: 10-3 m2 s), (b)－u·?φ/?x (units: 10-3 m2 s),(c)－v·?φ/?y (units: 10-3 m2 s) along 34.43°N and horizontal distribution (shaded) of (d) φ(units: m2 s-2), (e) u (units: m s-1), and (f) ?φ/?x (unit:m s-2) 925 hPa at 0000 UTC 20 July 2021. Blue lines indicate the terrain height (units: m), and the red dot and triangle represent the location of Zhengzhou

鄭州西部為屬于伏牛山系的嵩山（海拔350～1512 米），與河南西北部太行山余脈（海拔高度1000～1600 m）構(gòu)成喇叭口地形。如圖11 所示，20 日00 時近地面東北氣流和偏東氣流灌入喇叭口地形，在中尺度渦旋（中心位于34.75°N）引導下，氣流在嵩山北側(cè)和東側(cè)爬坡，地形阻擋強迫產(chǎn)生輻合上升運動。20 日09 時中尺度渦旋北移至35°N，引導偏東氣流灌入喇叭口，在底部爬升，強勁東風從嵩山的東側(cè)和北側(cè)爬坡，風速達到8～12 m s-1，使得山前大量水汽和動能堆積，激發(fā)和加強對流發(fā)展，促使降水明顯增幅。

圖11 2021 年7 月20 日（a）00 時和（b）09 時地形追隨坐標系模式面第一層的風矢量（單位：m s-1）。填色代表地形高度（單位：km），紅點代表鄭州位置Fig. 11 Wind vector (units: m s-1) of the first layer on the model plane of the terrain-following coordinates at (a) 0000 UTC and (b) 0900 UTC 20 July 2021. The shaded represents the terrain height (units: km), and the red dot represents the location of Zhengzhou

綜上所述，降水開始前及其期間，高、低空急流耦合加強抽吸效應，中低層切變線和黃淮氣旋內(nèi)部中尺度渦旋發(fā)展，偏東風低空急流遭遇地形阻擋產(chǎn)生強烈持續(xù)的輻合，這些動力條件促使河南鄭州上空長時間存在大范圍深厚上升運動，地形抬升作用在鄭州暴雨中發(fā)揮重要作用。

4 中尺度對流系統(tǒng)的演變特征

此次暴雨有明顯的中尺度對流系統(tǒng)活動，為了揭示中尺度系統(tǒng)特征，利用FY-4A 衛(wèi)星紅外云圖和廣義濕位渦對中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展演變進行分析。

4.1 云團特征

在衛(wèi)星云圖上中尺度對流系統(tǒng)定義為水平尺度在20～200 km 之間、生命史3 h 或以上、云頂亮溫（TBB）小于或等于-32°C 的云團（趙思雄等,2007）。FY-4A 衛(wèi)星TBB 分析表明（圖12），河南省中部和東北部始終存在中尺度對流系統(tǒng)，并經(jīng)歷三次發(fā)展過程，7 月19 日00～20 時、19 日21時至20 日16 時和20 日17 時至21 日12 時。20日00 時西南氣流和東南氣流匯聚在河南中部和東北部，形成強大的結(jié)構(gòu)密實的中尺度云團，呈現(xiàn)獨立團狀，TBB 中心值降至-56°C，穩(wěn)定少動，降水開始明顯增大。20 日09 時湖北和安徽有小云團生成，在西南氣流引導下，向東北方向移動，不斷地匯入河南中尺度云團，使其不斷加強，中心TBB降到-60°C，長時間停滯在河南中北部，造成20日08～09 時鄭州1 h 降水量達到201.9 mm。16 時云團緩慢南移，同時有較強的小云團從西部移入合并，中心TBB 進一步下降到-64°C。21 日00 時云團恢復到孤立結(jié)構(gòu)密實階段，中心移到河南東南部，鄭州脫離其影響。中尺度云團的三次發(fā)展過程類似，都是在經(jīng)歷長達十幾小時緩慢發(fā)展，合并西南方向移入的小尺度云團后，形成尺度較大的孤立、結(jié)構(gòu)密實的中尺度云團。此次暴雨是中尺度云團三次迭代發(fā)展的結(jié)果，云團合并有利于降水增幅，20 日08～09 時鄭州強降水主要發(fā)生在中尺度和小尺度云團合并期間。

圖12 2021 年7 月20 日（a）00 時、（b）09 時、（c）16 時和（d）7 月21 日00 時 FY-4A 云頂亮溫（小于-32 °C，單位：°C）分布。紅點代表鄭州位置Fig. 12 Distribution of FY-4A cloud-top brightness temperature (less than -32°C, units: °C) at (a) 0000 UTC, (b) 0900 UTC, and (c) 0000 UTC 20 July 2021 and at (d) 0000 UTC on 21 July 2021. The red dot represents the location of Zhengzhou

這些中尺度系統(tǒng)在動、熱力學上如何表達刻畫呢？廣義濕位渦是利用廣義位溫定義的位渦，可以綜合描述中尺度系統(tǒng)的動、熱力學特點，其表達式為

其中，φ(T)為凍結(jié)概率函數(shù)，qv為水汽比濕，qs為飽和水汽比濕，k=9為經(jīng)驗指數(shù)（Wang and Huang, 2018）。計算結(jié)果表明（圖13），20 日00 時鄭州附近為廣義位溫高值區(qū)，說明存在較強的潛熱釋放，與降水區(qū)相對應。在垂直結(jié)構(gòu)上，鄭州上空廣義位溫高值柱顯著，從300 hPa 垂直下探到近地面，由于包含凝結(jié)和凍結(jié)過程的潛熱釋放，因此廣義位溫能夠更好地表征降水系統(tǒng)高濕和高溫的熱力狀況，與降水落區(qū)和移動關(guān)系密切。

圖13 2021 年7 月20 日00 時（a）925 hPa 廣義位溫（單位：K）水平分布和（b）沿113.39°E 廣義位溫的經(jīng)向—垂直分布。紅點和紅三角代表鄭州的位置Fig. 13 Generalized potential temperature (units: K) at 0000 UTC 20 July 2021: (a) Horizontal distribution at 925 hPa; (b) meridional-vertical distribution along 113.39°E. The red dot and triangle represent the location of Zhengzhou

如圖14a 和14b 所示，20 日00 時和09 時廣義濕位渦在降水區(qū)上空表現(xiàn)為異常高值區(qū)，從100 hPa 位渦源區(qū)向下延伸到近地面層，在925 hPa形成廣義濕位渦異常中心，主要與邊界層急流垂直風切變、中尺度渦旋和濕斜壓性等密切相關(guān)。高層位渦源與低層廣義濕位渦異常的性質(zhì)不同。由于高層水汽含量很小，廣義位溫退化為位溫，因此100 hPa以上的位渦源主要是位溫垂直梯度和反氣旋環(huán)流的耦合作用造成的。在位渦下傳過程中性質(zhì)發(fā)生改變，由于降水區(qū)上空水汽相變釋放潛熱，廣義位溫變?yōu)橄喈斘粶?，等值線密集，造成降水區(qū)低層廣義濕位渦異常。如圖14c-f 所示，廣義濕位渦的異常區(qū)覆蓋觀測降水落區(qū)，二者對應關(guān)系良好，表明廣義濕位渦對降水區(qū)有一定的指示意義，可以為降水趨勢預報提供參考，這主要是因為廣義濕位渦可以表征降水區(qū)上空中尺度系統(tǒng)的垂直風切變、渦度以及大氣濕斜壓性和層結(jié)不穩(wěn)定等動、熱力垂直結(jié)構(gòu)特點。

圖14 2021 年7 月20 日（a）00 時和（b）09 時沿113.39°E 廣義位渦（單位：PVU）經(jīng)向—垂直分布以及（c）00 時、（b）11 時、（e）13 時和（f）22 時 廣義位渦絕對值的垂直積分（填色，單位：PVU）和觀測1 小時降水量（等值線，單位：mm）的分布。紅點和紅三角代表鄭州的位置Fig. 14 Meridional-vertical distribution of generalized potential vorticity (units: PVU) along 113.39°E on 20 July 2021: (a) 0000 UTC and (b) 0900 UTC. Vertical integration of absolute values of generalized potential vorticity (shaded, units: PVU) and distribution of observed 1-hour precipitation(isoline, units: mm) on 20 July 2021: (c) 0000 UTC; (b) 1100 UTC; (e) 1300 UTC; (f) 2200 UTC. The red dot and triangle represent the location of Zhengzhou

綜上所述，此次暴雨合并小尺度云團后形成孤立、結(jié)構(gòu)密實的中尺度云團。由于降水區(qū)上空較強的潛熱釋放，廣義位溫高值柱顯著。廣義濕位渦在降水區(qū)上空為異常高值，主要與邊界層急流垂直風切變、中尺度渦旋和濕斜壓性等密切相關(guān)。由于廣義濕位渦可以表征降水區(qū)上空動、熱力垂直結(jié)構(gòu)特點，對降水區(qū)有一定的指示意義，可以為降水趨勢預報提供參考。

5 結(jié)論

利用MICAPS 觀測數(shù)據(jù)、ERA5 再分析數(shù)據(jù)和FY-4A 衛(wèi)星云頂亮溫數(shù)據(jù)對2021 年7 月20 日河南極端暴雨的動、熱力和水汽特征進行診斷分析，初步得到以下結(jié)論：

（1） 大尺度環(huán)流特點顯著，高層兩槽一脊環(huán)流型、中層短波槽、西部大陸高壓、東部西伸北抬的副高和西移的臺風“煙花”以及南部剛登陸的臺風“查帕卡”是主要天氣影響系統(tǒng)，中部黃淮氣旋是直接參與者，其西南氣流與副高和“煙花”之間的東南氣流輸送水汽到河南，在地形阻擋作用下輻合抬升。

（2） 降水區(qū)上空濕層非常深厚、可降水量異常偏高，存在水汽過飽和、暖云層深厚、水汽消耗率高的特點，為高降水效率創(chuàng)造有利條件。邊界層內(nèi)弱層結(jié)不穩(wěn)定與強層結(jié)不穩(wěn)定交替出現(xiàn)，位勢散度主要貢獻是增強層結(jié)穩(wěn)定度，低空垂直風切變和氣流輻合輻散對層結(jié)穩(wěn)定度變化有重要影響。

（3）黃淮氣旋內(nèi)部中尺度渦旋發(fā)展，偏東風低空急流遭遇地形阻擋產(chǎn)生強烈持續(xù)的輻合，這些動力條件促使河南鄭州上空長時間維持大范圍深厚上升運動。

（4）孤立、結(jié)構(gòu)密實的中尺度云團合并小尺度云團對暴雨發(fā)展有重要影響。降水區(qū)上空廣義濕位渦異常，由于廣義濕位渦可以表征中尺度系統(tǒng)的垂直風切變、渦度以及濕斜壓性和層結(jié)不穩(wěn)定等動、熱力垂直結(jié)構(gòu)特點，因而廣義濕位渦異常對降水區(qū)有一定的指示意義。

本文著重分析此次暴雨的水汽、不穩(wěn)定和動力條件，但還有一些重要科學問題需要進一步研究，包括：此次暴雨中尺度對流系統(tǒng)長時間維持的機制，多尺度天氣系統(tǒng)相互作用的貢獻，地形和邊界層急流作用以及極端雨強中關(guān)鍵云微物理過程和產(chǎn)生高降水效率的機理等等，這些科學問題需要進一步通過數(shù)值敏感性試驗開展深入研究。