“21·7”豫北極端暴雨天氣成因分析

靳冰凌， 蘆阿咪， 張 璞， 王福州

(1.中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003；2.鶴壁市氣象局，河南 鶴壁 458030)

引 言

暴雨是我國最常見的災(zāi)害性天氣之一，連續(xù)或極端暴雨常造成內(nèi)澇、中小河流洪水、泥石流等自然災(zāi)害，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來嚴(yán)重威脅。太行山東側(cè)的華北平原為暴雨事件頻發(fā)地區(qū)，該區(qū)域?qū)Ρ┯甑挠^測分析和預(yù)報(bào)預(yù)警一直是國內(nèi)外氣象工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。陶詩言等[1]指出，華北大暴雨常與中低緯度系統(tǒng)的相互作用有關(guān)。孫建華等[2]對20世紀(jì)90年代華北大暴雨過程的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，約74%的華北大暴雨個(gè)例有臺風(fēng)直接或間接影響。在臺風(fēng)遠(yuǎn)距離影響下，華北暴雨往往強(qiáng)度大、效率高，累積雨量大。許多氣象工作者也對大暴雨、特大暴雨的極端性、動(dòng)力因子、水汽輸送等進(jìn)行了研究[3-28]。王君[6]和栗晗[7]等指出，中尺度輻合線的生成、發(fā)展和維持是導(dǎo)致局地特大暴雨的主要原因。孫軍等[8]研究表明，極端降水不僅發(fā)生在高低空、地面等多層系統(tǒng)耦合的背景下，而且具有極高的整層可降水量、強(qiáng)低層水汽輻合等水汽條件。王婧羽[9]、田紅[10]等研究發(fā)現(xiàn)，極端降水與異常水汽輸送具有一定關(guān)系。孫繼松[13]、司福意[14]等的研究表明，地形對暴雨有明顯的增幅作用。陳聯(lián)壽[15]的研究表明，很多強(qiáng)的持續(xù)性暴雨都與臺風(fēng)有關(guān)。

2021年7月17日至23日河南豫北地區(qū)出現(xiàn)歷史罕見的極端特大暴雨(簡稱“21·7”豫北極端暴雨)。本次過程持續(xù)時(shí)間長、累積雨量大、降雨范圍廣、短時(shí)雨量極強(qiáng)、極端性突出。最大降水量1122.6 mm出現(xiàn)在鶴壁市淇濱區(qū)科創(chuàng)中心站，創(chuàng)歷史極值。極端強(qiáng)降水導(dǎo)致豫北出現(xiàn)極其嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，豫北9個(gè)蓄滯洪區(qū)啟用8個(gè)，其中鶴壁6個(gè)蓄滯洪區(qū)全部啟用，這在鶴壁歷史上尚屬首次。本文利用多種常規(guī)和非常規(guī)觀測資料，從天氣尺度背景場、中尺度降水系統(tǒng)、特征物理量診斷、水汽輸送及輻合、地形和風(fēng)場相互作用等方面進(jìn)行分析，以期加深對豫北極端暴雨事件發(fā)生發(fā)展過程的認(rèn)知，提高極端暴雨的預(yù)報(bào)能力。

1 降水實(shí)況

受西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓、南海臺風(fēng)“查帕卡”、西太平洋臺風(fēng)“煙花”及深厚的偏東風(fēng)急流和低渦切變共同影響，2021年7月17日至23日豫北出現(xiàn)極端暴雨，21日08時(shí)至22日08時(shí)是極端強(qiáng)降水集中時(shí)段。由于太行山區(qū)特殊地形對偏東氣流的強(qiáng)輻合抬升作用，強(qiáng)降水中心主要分布在豫北沿太行山的東部一帶。特大暴雨主要出現(xiàn)在鶴壁、新鄉(xiāng)和安陽，本文主要對這三個(gè)地區(qū)的降水及其成因進(jìn)行分析。

7月17日08時(shí)至23日08時(shí)河南鶴壁、新鄉(xiāng)、安陽平均降水量為470.7 mm，呈西多東少分布，三地區(qū)368個(gè)自動(dòng)雨量站中有151個(gè)站點(diǎn)降水量超過500 mm。其中降水量最大的2個(gè)站分別為鶴壁科創(chuàng)中心(1122.6 mm)、新鄉(xiāng)鳳凰山(965.5 mm)。7月21日08時(shí)至22日08時(shí),鶴壁、安陽大部和新鄉(xiāng)西部地區(qū)出現(xiàn)了大暴雨天氣過程(圖1a),大暴雨區(qū)中有一半以上地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，日最大降水量為777.5 mm(鶴壁市科創(chuàng)中心)，創(chuàng)建站以來歷史極值。豫北地區(qū)逐小時(shí)雨量≥50 mm的站點(diǎn)大部分位于太行山東麓迎風(fēng)坡一側(cè)，且大致呈東北西南向帶狀分布(圖1b)。7月21日20-21時(shí),新鄉(xiāng)牧野鄉(xiāng)小時(shí)雨量達(dá)149.9 mm(圖1c)，同日14-15時(shí)鶴壁科創(chuàng)中心小時(shí)雨量達(dá)120.5 mm(圖1d)。此次極端暴雨歷史罕見，不僅持續(xù)時(shí)間長、累計(jì)雨量大，而且范圍廣、落區(qū)重疊、強(qiáng)降水落點(diǎn)集中，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害嚴(yán)重。

圖1 2021年7月21日08時(shí)-22日08時(shí)豫北降水量分布(a)、最大小時(shí)雨量分布(b)、新鄉(xiāng)牧野鄉(xiāng)(c)及鶴壁科創(chuàng)中心(d)逐小時(shí)雨量演變

2 天氣背景和影響系統(tǒng)

此次豫北極端暴雨是由副熱帶高壓、大陸高壓、臺風(fēng)“煙花”等多個(gè)系統(tǒng)共同造成的，東亞大氣環(huán)流異常協(xié)同作用是造成本次極端暴雨的直接原因。“七下八上”是豫北的主汛期，豫北處于副高邊緣，有利于不穩(wěn)定能量聚集，臺風(fēng)“煙花”和“查帕卡”送來了充沛的水汽。雖然“煙花”沒有登陸，但其北側(cè)和副熱帶高壓之間形成的東南氣流，持續(xù)將大量水汽從海上向河南中北部一帶輸送，水汽條件充沛，降水效率極高。

西太平洋副熱帶高壓和大陸高壓分別穩(wěn)定維持在日本海和我國西北地區(qū)，阻擋了上游系統(tǒng)移動(dòng)，導(dǎo)致西風(fēng)帶低值系統(tǒng)在華北、黃淮地區(qū)穩(wěn)定少動(dòng)，長時(shí)間維持，形成豫北極端暴雨天氣。

7月21日08時(shí)至22日08時(shí)為鶴壁、新鄉(xiāng)、安陽特大暴雨出現(xiàn)時(shí)段。7月21日08時(shí)200 hPa，興縣、延安至漢中有一深厚低槽，河南處在槽前西南氣流里；500 hPa低渦中心位于陜西延安附近，700 hPa切變線東段伸展至河南省北部，這種深厚的天氣系統(tǒng)配置極其少見。河南省中北部處于中低層輻合、高層強(qiáng)輻散區(qū)，為極端暴雨形成提供了有利環(huán)流背景(圖2)。

太行山走向呈準(zhǔn)南北向，北高南低，山勢東陡西緩，豫北地區(qū)處在太行山南段東側(cè)，海拔多在1000-1500 m。受深厚的東風(fēng)急流及穩(wěn)定的低渦切變影響，以及河南省太行山區(qū)特殊地形對偏東氣流的強(qiáng)輻合抬升效應(yīng)，強(qiáng)降水區(qū)在豫北沿山地區(qū)穩(wěn)定少動(dòng)，地形迎風(fēng)坡前降水增幅明顯，因此強(qiáng)降水中心主要分布在河南省西北部沿太行山東部地區(qū)(圖1a、b)。

3 地面加密資料分析

分析地面加密自動(dòng)站資料發(fā)現(xiàn)有非常明顯的中尺度特征，地面中尺度氣旋、輻合中心和邊界層輻合線始終存在，降水的各個(gè)階段與地面中尺度氣旋、邊界層輻合線的演變階段相對應(yīng)。20日10時(shí)在汝陽北部地面輻合中心形成，太行山東側(cè)為一致的東北風(fēng)，河南中東部大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)。20日14時(shí)汝陽北部的地面輻合中心向東北移至鞏義南部后形成地面氣旋中心，且中心范圍擴(kuò)大，北側(cè)東北風(fēng)加強(qiáng)，新鄉(xiāng)南部至氣旋中心西北部的東北風(fēng)加大且多站點(diǎn)風(fēng)向趨于一致，有組織程度更加明顯。20日14-17時(shí)鄭州東部至汝陽北部地面輻合線維持，在輻合線上形成3個(gè)側(cè)向排列的地面氣旋中心，對鄭州至汝陽極端強(qiáng)降水的形成及落區(qū)預(yù)報(bào)有一定的指示意義。20日20時(shí)太行山東側(cè)東北風(fēng)減弱，鶴壁轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，21日10時(shí)豫北太行山東側(cè)有東北風(fēng)和東南風(fēng)輻合，出現(xiàn)持續(xù)性降水天氣，輻合線上不斷有弱的輻合中心生成，豫北出現(xiàn)階段性小時(shí)雨量大于20 mm的短時(shí)強(qiáng)降水。

21日10時(shí)開始,鶴壁科創(chuàng)中心、鞏義出現(xiàn)地面輻合中心，兩個(gè)輻合中心之間有明顯的地面輻合線，輻合線東側(cè)為一致的東南風(fēng)(圖略)；14時(shí)(圖3a)鶴壁淇濱區(qū)、新鄉(xiāng)牧野區(qū)和滎陽北部出現(xiàn)地面輻合中心，16時(shí)(圖3b)伴隨地面氣旋的發(fā)展與之對應(yīng)的邊界層輻合線更加明顯且呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，移動(dòng)非常緩慢，大的降水中心出現(xiàn)在地面輻合中心的右側(cè)，14-15時(shí)鶴壁科創(chuàng)中心小時(shí)雨量達(dá)120.5 mm；16-18時(shí)鶴壁淇濱區(qū)、新鄉(xiāng)牧野區(qū)至登封地面輻合線維持，北側(cè)為偏北風(fēng)或東北風(fēng)，南側(cè)為偏東風(fēng)或東南風(fēng)；18時(shí)輻合線略向東擺動(dòng)，在新鄉(xiāng)東南部有地面輻合中心形成，20時(shí)(圖3c)新鄉(xiāng)牧野南部地面輻合中心加強(qiáng)，其北側(cè)有6站風(fēng)速增大到6～8 m/s，強(qiáng)降水出現(xiàn)在輻合中心北側(cè)。地面輻合線北段略向東擺動(dòng)，南段向西擺動(dòng)，19-22時(shí)(圖3d)地面輻合中心不斷形成并維持，且連續(xù)出現(xiàn)在輻合線上。強(qiáng)降水雨帶與輻合線走向一致，多個(gè)小時(shí)雨強(qiáng)中心分布在輻合線冷區(qū)一側(cè)，且雨強(qiáng)中心距輻合中心約20～30 km，其中新鄉(xiāng)牧野鄉(xiāng)小時(shí)雨量達(dá)149.9 mm。22日00時(shí)鶴壁科創(chuàng)中心再次出現(xiàn)一致東南風(fēng)，由于太行山地形抬升對降水的增幅作用，輻合線沿線出現(xiàn)階段性短時(shí)強(qiáng)降水。在此次過程中，地面輻合線為觸發(fā)條件，暴雨過程中的中小尺度特征與地面風(fēng)場輻合密切相關(guān)。風(fēng)場輻合區(qū)出現(xiàn)的時(shí)刻提前于強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)刻，可根據(jù)地面加密風(fēng)場輻合區(qū)位置及其移動(dòng)推斷強(qiáng)降水落區(qū)。

準(zhǔn)靜止地面輻合線起到了增強(qiáng)且穩(wěn)定持久的觸發(fā)對流和加強(qiáng)暖濕氣流輻合抬升的作用。輻合線北側(cè)東北風(fēng)、南側(cè)東南風(fēng)加強(qiáng)，有利于氣旋形成和加強(qiáng)，地面氣旋和輻合線的形成、維持及地面氣旋的加強(qiáng)和減弱，與階段性強(qiáng)降水有很好的對應(yīng)關(guān)系。經(jīng)分析可知，暴雨區(qū)為兩股氣流的匯聚區(qū)，偏東氣流和東南氣流對應(yīng)著暖氣流，而偏北氣流或東北氣流對應(yīng)著冷氣流。地面風(fēng)場輻合，并與中低層切變線疊加，加劇了垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展，從而造成局地強(qiáng)降水。

4 極端暴雨的環(huán)境場特征

一般降水的形成條件有3個(gè):水汽、垂直運(yùn)動(dòng)和云滴增長。暴雨特別是大暴雨的形成，還必須滿足更多的條件，包括充分的水汽供應(yīng)、強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)和較長的持續(xù)時(shí)間。此次豫北極端暴雨天氣過程，與上述3個(gè)條件密不可分。

4.1 垂直速度和散度

垂直運(yùn)動(dòng)在天氣變化中有重要作用，與大氣中的凝結(jié)和降水過程有密切聯(lián)系。在上升過程中，大氣中不穩(wěn)定能量，特別是凝結(jié)潛熱得以釋放，從而形成對流性天氣；垂直運(yùn)動(dòng)造成的水汽、熱量、動(dòng)量等物理量的垂直輸送對天氣系統(tǒng)的發(fā)展有很明顯的反饋?zhàn)饔谩?/p>

考慮到臺風(fēng)外圍水汽輸送路徑為豫北最大過程降水量中心，沿37.0°N、110.0°E至33.5°N、120.0°E制作垂直剖面圖(圖4)。21日00時(shí)850 hPa垂直速度開始增大(圖略)，至04時(shí)，114.3°E上空從地面到200 hPa為整層的上升運(yùn)動(dòng)，并出現(xiàn)兩個(gè)中心：800 hPa上升運(yùn)動(dòng)中心的垂直速度達(dá)-4 Pa/s, 300 hPa上升運(yùn)動(dòng)中心的垂直速度達(dá)-7 Pa/s以上。隨著時(shí)間的推移，21日06時(shí)至15時(shí)900 hPa至400 hPa出現(xiàn)上升運(yùn)動(dòng)大值區(qū)(圖4a)，其中850 hPa至500 hPa上升運(yùn)動(dòng)中心的垂直速度達(dá)-7 Pa/s以上；21日18時(shí)至22日01時(shí)(圖4b)，700 hPa至450 hPa為上升運(yùn)動(dòng)大值區(qū)，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心的垂直速度達(dá)-4 Pa/s以上。從中低層垂直速度場可知，豫北上空(圖中紅框區(qū)域)均處于強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)上升區(qū)。21日，豫北大部分地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，并出現(xiàn)最大小時(shí)雨強(qiáng)。垂直上升運(yùn)動(dòng)能帶來潛熱釋放，潛熱釋放與垂直運(yùn)動(dòng)的正反饋?zhàn)饔眠M(jìn)一步促進(jìn)強(qiáng)降水。從散度場可知，20日23時(shí)開始(圖略)，近地層出現(xiàn)強(qiáng)輻合中心，400 hPa以上出現(xiàn)輻散中心，輻合、輻散中心一直在112.5°E至115.0°E之間；21日06時(shí)以后，輻合、輻散區(qū)位于豫北上空，維持至15時(shí)(圖4c)，16-17時(shí)減弱，18時(shí)開始明顯增強(qiáng)，20-21時(shí)(圖4d)輻合、輻散中心均達(dá)最強(qiáng)，輻合區(qū)位于太行山及其東麓的豫北近地層至600 hPa，輻散區(qū)位于輻合區(qū)上空850 hPa至400 hPa。由于太行山的阻擋作用，山前氣流被強(qiáng)烈抬升，散度場分布形如燃燒的火焰，鶴壁科創(chuàng)中心站上空低層輻合中心達(dá)-10×10-5s-1以上，高層輻散中心達(dá)9×10-5s-1以上。

圖4 2021年7月21日07時(shí)(a、c)、20時(shí)(b、d)垂直速度(a、b)、水平散度(c、d)沿37.0°N、110.0°E至33.5°N、120.0°E的剖面圖圖中紅框區(qū)域?yàn)樵ケ?；垂直速度單位：Pa/s,水平散度單位：10-5s-1

4.2 相當(dāng)位溫

800 hPa以下相當(dāng)位溫高能舌區(qū)從海上“煙花”外圍經(jīng)安徽向豫北伸展，900 hPa以下相當(dāng)位溫在348 K以上(圖略)，其中心值達(dá)356 K(趙玉春等[11]把348 K以上作為暖區(qū)暴雨發(fā)生的條件)，且在800 hPa以下相當(dāng)位溫隨高度迅速降低，對流不穩(wěn)定非常顯著。在高溫、高濕、高能的不穩(wěn)定層結(jié)下，低層配合動(dòng)力觸發(fā)條件，有利于大暴雨產(chǎn)生。陶詩言[12]指出，對持久的暴雨過程來說，低空暖濕的空氣流入很重要，在低空急流的左前方一方面引起水汽的輸送和輻合，另一方面也促進(jìn)對流不穩(wěn)定能量的再生。20日早晨開始，近地層偏東風(fēng)急流持續(xù)加強(qiáng)，在臺風(fēng)“煙花”外圍的北側(cè)，沿副高邊緣在800 hPa以下形成一條完整的伸向河南中北部的偏東風(fēng)暖濕氣流輸送帶，850 hPa風(fēng)速達(dá)16 m/s。低空急流帶來的暖濕氣流對對流有效位能釋放后又迅速增大有重要作用。這次的超低空急流帶來的水汽和能量輸送，是本次極端暴雨產(chǎn)生的主要原因之一。此次過程降水量最大的地區(qū)正處在能量鋒區(qū)的西側(cè)、高能舌的中心高值區(qū)附近?？梢钥闯?0日08-14時(shí)(圖5a、b)，鄭州一帶的高能舌開始建立，14-20時(shí)隨著臺風(fēng)外圍東南氣流的加強(qiáng)，高能量區(qū)面積擴(kuò)大，高能舌鋒區(qū)增強(qiáng)(圖5c)，鄭州附近出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣。21日相當(dāng)位溫的高能區(qū)從08時(shí)開始至14時(shí)有明顯加強(qiáng)(圖5d、e)，大值區(qū)也自西南向豫北推進(jìn)，相當(dāng)位溫354 K區(qū)域14時(shí)至20時(shí)在豫北維持(圖5e、f)，且最強(qiáng)時(shí)段的中心值在14時(shí)最大，達(dá)到366～372 K(圖5e)，豫北上空的高能舌區(qū)也同時(shí)增強(qiáng)，有利于特大暴雨的產(chǎn)生。

4.3 水汽條件

此次豫北極端暴雨水汽來源主要集中在對流層中低層(3000 m以下)。從這一高度層面的流場和水汽輸送看，有3條路徑：一是來自日本海一帶副熱帶高壓南側(cè)偏東風(fēng)水汽通道；二是來自臺風(fēng)“煙花”外圍，從西太平洋經(jīng)華東伸至華北南部的東南水汽通道。三是來自“查帕卡”帶來的北印度洋的西南暖濕氣流伸向華北南部的西南水汽通道，3條水汽通道在河南中北部一帶匯合。通過分析發(fā)現(xiàn)，此次極端暴雨主要來自“煙花”外圍的水汽輸送，東南氣流遇太行山地形抬升導(dǎo)致了水汽冷凝致雨，加之山地地形促進(jìn)了局地對流和短時(shí)強(qiáng)降雨對流云團(tuán)發(fā)展，讓太行山東側(cè)成為此次豫北極端暴雨的中心。

4.3.1 水汽通量

在850 hPa水汽通量圖上(圖6a、b),可以分解出3個(gè)水汽通量大值中心，分別位于臺風(fēng)“煙花”“查帕卡”和河南中西部附近，河南中西部的水汽通量達(dá)34 g·cm-1·hPa-1·s-1，與“煙花”云墻水汽通量相當(dāng)。925 hPa水汽通量圖上，除3個(gè)中心外，可以看到從臺風(fēng)“煙花”外圍直接輸送至河南中北部上空的水汽通道(圖6c、d)，與臺風(fēng)云系強(qiáng)度相當(dāng)?shù)乃吭诤幽现斜辈康貐^(qū)維持并在太行山東麓輻合抬升，在山前造成極端暴雨。河南中北部先后出現(xiàn)2個(gè)水汽通量大值中心，鄭州、焦作、洛陽一帶的大值中心從20日09時(shí)維持至23時(shí)，鶴壁的大值中心從21日01時(shí)維持至22日08時(shí)，長達(dá)31 h。邊界層與臺風(fēng)外圍打通的水汽通道在豫北地區(qū)上空形成極高的降水效率，而持續(xù)的強(qiáng)水汽輸送造成了極端強(qiáng)降水。

4.3.2 絕對濕度

空氣中的水汽含量用絕對濕度表示，它實(shí)際上就是水汽密度，也是大氣干濕程度的一種表示方式。

從相當(dāng)位溫和絕對濕度剖面圖上可以看出(圖略)，19日08時(shí)開始,從海上到太行山東麓有一致的偏東風(fēng)超低空急流，向豫北地區(qū)源源不斷地輸送水汽，絕對濕度在800 hPa以下均大于12 g/kg,900 hPa以下的均大于16 g/kg，像漲潮的海水一樣向太行山東麓一波又一波的輸送。20日14時(shí)至21日02時(shí)，在太行山東麓114°E-120°E出現(xiàn)水汽堆積增厚，800 hPa以下的絕對濕度均大于16 g/kg,21日14時(shí)至22日10時(shí)從地面至650 hPa絕對濕度均大于12 g/kg,并在太行山東側(cè)出現(xiàn)輻合抬升。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，鶴壁科創(chuàng)中心先后出現(xiàn)大于20 mm的長達(dá)14 h的短時(shí)強(qiáng)降水天氣，時(shí)間分別是21日14-20時(shí)、21日23時(shí)-22日00時(shí)、22日02-09時(shí)，其中21日14-15時(shí)出現(xiàn)小時(shí)雨量達(dá)120.5 mm的極端強(qiáng)降水；新鄉(xiāng)牧野鄉(xiāng)在21日19-22時(shí)連續(xù)3 h出現(xiàn)大于50 mm的短時(shí)強(qiáng)降水，其中19-21時(shí)連續(xù)2 h雨強(qiáng)大于100 mm/h，尤其是20-21時(shí)小時(shí)雨量達(dá)149.9 mm。近地層120°E為偏東風(fēng)，117°E為東南風(fēng)，116°E為東南偏南風(fēng)，114.5°E處偏東氣流被山體抬升轉(zhuǎn)為南風(fēng)，700 hPa為西南風(fēng)，源源不斷的水汽隨著東南風(fēng)在太行山東側(cè)匯集輻合翻卷凝結(jié)成云，導(dǎo)致持續(xù)性強(qiáng)降水。

4.3.3 整層可降水量

極端降水不僅發(fā)生在高低空、地面等多層系統(tǒng)相互配合的背景下，而且具有極高的整層可降水量、強(qiáng)低層水汽輻合等水汽條件。

強(qiáng)降水發(fā)生前，大氣整層可降水量高值舌區(qū)由臺風(fēng)“煙花”和“查帕卡”中心相互聯(lián)通(圖7)，并由東海、南海伸向豫中北地區(qū)。19日11時(shí)至22日10時(shí)，河南中北部上空大氣整層可降水量一直維持在60 mm以上。其中，19日18時(shí)許昌附近的大氣整層可降水量達(dá)68 mm，20日06時(shí)再次達(dá)到68 mm，20日18-20時(shí)鄭州東南部地區(qū)的達(dá)70 mm，21日19時(shí)新鄉(xiāng)的達(dá)68 mm。這些時(shí)段的豫中北整層可降水量值幾乎與臺風(fēng)云系的值相當(dāng)。從整層可降水量演變來看，從19日至22日河南省中北部地區(qū)整層水汽非常充沛，有利于持續(xù)性強(qiáng)降水出現(xiàn)。

此次過程200 hPa高空槽從19日20時(shí)開始形成，20日08時(shí)加深發(fā)展，并一直維持至22日08時(shí)。這個(gè)階段500、700 hPa低渦維持，豫北上空一直處在槽前的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，近地層臺風(fēng)外圍一致的東南風(fēng)和偏東風(fēng)暖濕氣流在太行山前匯合，受到地形的抬升作用，在豫北產(chǎn)生暴雨。暴雨的產(chǎn)生釋放凝結(jié)潛熱，再次加熱大氣，使地面輻合系統(tǒng)上空的氣溫增高，高空槽加深，該區(qū)域上升運(yùn)動(dòng)更加強(qiáng)烈。高空槽的加深和低空暖濕平流的正反饋?zhàn)饔?，使河南省西北部地面的輻合線和輻合中心不斷生成和維持，利于暴雨的增強(qiáng)。

5 探空圖分析

從鄭州站探空圖可見(圖略)，豫北特大暴雨發(fā)生前,對流層300 hPa以下從19日20時(shí)至21日20時(shí)一直維持著深厚濕層，300 hPa以下的t-td均≤2 ℃，大部分時(shí)間t-td為0 ℃;21日08時(shí)對流有效位能CAPE值達(dá)606.1 J/kg，21日14時(shí)CAPE升至2600.3 J/kg，21日20時(shí)CAPE值高達(dá)3123.7 J/kg；從20日08時(shí)開始K指數(shù)一直維持在38 ℃以上，SI指數(shù)一直≤-0.3，同時(shí)豫北近地面露點(diǎn)溫度高達(dá)26 ℃，層結(jié)極不穩(wěn)定，易觸發(fā)強(qiáng)對流。21日15-21時(shí)鶴壁科創(chuàng)中心、新鄉(xiāng)牧野鄉(xiāng)出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降水天氣，個(gè)別時(shí)段連續(xù)小時(shí)雨量>50 mm，最大小時(shí)雨量達(dá)149.9 mm。

6 地形對強(qiáng)降水極端性的影響

低層水汽的強(qiáng)輻合與地形關(guān)系密切，暴雨中地形的強(qiáng)迫作用明顯。孫繼松等[13]曾對北京2006-2013年發(fā)生的10次極端暴雨事件進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，地形對暖區(qū)暴雨作用明顯，強(qiáng)降水區(qū)域始終沿著北京燕山和太行山山脈山前地區(qū)。司福意等[14]在對豫北“7·9”特大暴雨的形成與極端性探析中指出,地形對強(qiáng)降水影響的主要體現(xiàn)：一是極強(qiáng)水汽輻合中心的形成和超長時(shí)間擺動(dòng)維持，二是中等以上強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的形成和持續(xù)。豫北地區(qū)位于太行山的東側(cè)，太行山迎風(fēng)坡地形對臺風(fēng)外圍東南暖濕氣流有著阻擋、抬升和匯聚作用。

從極端暴雨發(fā)生前對河南省中北部地區(qū)上空流場和垂直速度的診斷，可以明顯看到偏東氣流在太行山前強(qiáng)迫抬升，上升氣流區(qū)形成(圖4)。從垂直速度剖面圖(圖4a、b)可以看出,平原至山脈的過渡地帶上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，垂直速度中心值達(dá)-7 pa/s以上。

本次極端暴雨過程豫北地區(qū)最大小時(shí)雨量≥50 mm的站點(diǎn)大部分位于太行山東側(cè)迎風(fēng)坡的30到50 km范圍(圖1b)。水汽不斷向太行山東麓積聚，氣流沿山體上坡，山脈對氣流的機(jī)械阻礙，強(qiáng)迫氣流抬升，對降水有促進(jìn)作用。東南風(fēng)、偏東風(fēng)在迎風(fēng)坡上輻合，強(qiáng)降水中心與地形強(qiáng)迫抬升區(qū)關(guān)系密切。由于此次水汽主要來源于東南氣流、偏東氣流、西南氣流，因此豫北地區(qū)太行山東側(cè)較遠(yuǎn)地區(qū)降水明顯偏小。

從散度分布情況可知(圖4c、d)，7月20日開始中低層相鄰的輻合和輻散氣流區(qū)同時(shí)存在，21日00時(shí)開始中低層輻合區(qū)沿山脈坡度出現(xiàn)傾斜，并維持到22日12時(shí)。低層輻合上升、高層輻散下沉，鶴壁上空850-650 hPa左側(cè)為輻合區(qū)、右側(cè)為輻散區(qū)，對流層中層存在閉合環(huán)流，表明太行山對偏東氣流的輻合抬升作用持續(xù)存在并較為明顯。22日00-10時(shí)，地面輻合系統(tǒng)趨于不明顯，但鶴壁科創(chuàng)中心仍出現(xiàn)8個(gè)時(shí)次的短時(shí)強(qiáng)降水，最大小時(shí)雨量達(dá)67.4 mm，說明強(qiáng)降水后期地面無明顯輻合系統(tǒng)后，地形抬升起主要作用，為強(qiáng)對流系統(tǒng)長時(shí)間維持提供了有力支撐。

7 臺風(fēng)的遠(yuǎn)距離作用

臺風(fēng)是造成我國特大暴雨的主要天氣系統(tǒng)之一，很多強(qiáng)烈的持續(xù)性暴雨都與臺風(fēng)有關(guān)[15-19]。陳聯(lián)壽[15]指出,在我國不少著名的特大暴雨中都有臺風(fēng)的間接作用，例如1963年8月上旬海河流域特大暴雨，1975年8月上旬淮河流域特大暴雨，1958年7月中旬黃河中游特大暴雨等。隨著觀測事實(shí)的增多，許多氣象學(xué)者在臺風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨方面的研究取得了很大的進(jìn)展。大量觀測事實(shí)和研究結(jié)果表明，臺風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨是臺風(fēng)與其相鄰的中緯度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。丁一匯等[21]在研究1980年以前的華北暴雨中指出，華北強(qiáng)的暴雨大部分出現(xiàn)在2個(gè)或2個(gè)以上天氣系統(tǒng)的相互作用或相互疊加的情況下，高空冷渦與臺風(fēng)相互作用是其中主要的形式之一。

“21·7”暴雨期間，臺風(fēng)“煙花”和“查帕卡”與副熱帶高壓、大陸高壓相互作用，使大氣環(huán)流形勢向著有利于遠(yuǎn)距離暴雨的形勢調(diào)整，并使大氣環(huán)流形勢穩(wěn)定。500 hPa陜西和山西中部交接帶低渦維持，豫北處在西南和偏東氣流的輻合交匯處，近地層輻合抬升明顯，同時(shí)臺風(fēng)也為“21·7”豫北極端暴雨過程輸送了充沛的水汽。位于廣東西部近海的臺風(fēng)“查帕卡”助推了來自北印度洋的西南季風(fēng)，使其向北來到中原大地。而位于琉球群島東南一帶的“煙花”助推熱帶西太平洋東風(fēng)進(jìn)入豫中及豫北地區(qū)。叢春華等[20]的研究表明,臺風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨能否產(chǎn)生的關(guān)鍵因素在于熱帶氣旋東側(cè)環(huán)流能否將水汽輸送到中緯度槽前?！盁熁ā北眰?cè)和副熱帶高壓南側(cè)形成偏東氣流，持續(xù)向河南中北部輸送，且形成偏東風(fēng)低空急流，大量水汽從海上向河南中北部一帶匯集，形成了充沛的水汽條件。正是這支低空急流向暴雨區(qū)輸送了暖濕不穩(wěn)定能量和水汽，使來自暖洋面的暖濕空氣在暴雨區(qū)輻合和累積，致使低層增溫增濕，進(jìn)而使暴雨區(qū)大氣的層結(jié)狀態(tài)向不穩(wěn)定層結(jié)發(fā)展，降水效率極高。

8 結(jié) 論

2021年7月17日至23日豫北地區(qū)出現(xiàn)歷史罕見的極端特大暴雨，本次過程持續(xù)時(shí)間長、累積雨量大、降雨范圍廣、短時(shí)雨量極強(qiáng)、極端性突出。通過分析得出以下結(jié)論：

(1)副熱帶高壓、大陸高壓、臺風(fēng)、低渦等多個(gè)系統(tǒng)共同作用，為豫北極端暴雨形成提供了有利的背景條件。

(2)暴雨過程中的中小尺度特征與地面風(fēng)場輻合密切相關(guān)。地面中尺度氣旋、輻合中心和邊界層輻合線始終存在，其形成、維持及地面中尺度氣旋的加強(qiáng)和減弱，與階段性強(qiáng)降水有很好的對應(yīng)關(guān)系。風(fēng)場輻合區(qū)出現(xiàn)的時(shí)刻提前于強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)刻，可根據(jù)地面加密風(fēng)場輻合區(qū)位置及其移動(dòng)推斷強(qiáng)降水落區(qū)。

(3)豫北特大暴雨發(fā)生前對流層300 hPa以下一直維持著深厚的高溫、高濕層結(jié)。河南省中北部處于中低層輻合、高層強(qiáng)輻散區(qū)，垂直上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，其造成的水汽、熱量、動(dòng)量等物理量的垂直輸送，促進(jìn)天氣系統(tǒng)發(fā)展。

(4)800 hPa以下相當(dāng)位溫高能舌區(qū)向豫北伸展，近地層偏東風(fēng)急流持續(xù)加強(qiáng)，形成一條完整的偏東風(fēng)氣流輸送帶，是本次極端暴雨產(chǎn)生的主要原因之一。

(5)此次豫北極端暴雨水汽來源主要有3條路徑，其中“煙花”外圍的水汽輸送貢獻(xiàn)最大。絕對濕度在800 hPa以下的均大于12 g/kg，900 hPa以下的均大于16 g/kg，絕對濕度厚度的增加、極高的整層可降水量和邊界層與臺風(fēng)外圍打通的水汽通道，在豫北地區(qū)上空形成極高的降水效率，配合持續(xù)的強(qiáng)水汽輸送造成了極端強(qiáng)降水。

(6)豫北地處太行山東麓，山脈對氣流的機(jī)械阻礙，地形強(qiáng)迫抬升作用使中層出現(xiàn)閉合環(huán)流，造成強(qiáng)降水系統(tǒng)長時(shí)間維持。山脈對降水有明顯的增幅作用，強(qiáng)降水區(qū)域出現(xiàn)在太行山東麓30到50 km范圍，小時(shí)雨強(qiáng)中心出現(xiàn)在太行山東側(cè)迎風(fēng)坡的前部。

(7)臺風(fēng)的遠(yuǎn)距離作用造成有利于極端暴雨產(chǎn)生的天氣背景，同時(shí)其帶來的水汽和暖濕不穩(wěn)定能量從海上向河南中北部一帶匯集，使暴雨區(qū)大氣的層結(jié)極不穩(wěn)定。