河南“21·7”特大暴雨過程中尺度低空急流和低渦的演變特征及成因分析*

孔 期 符嬌蘭 諶 蕓 張 芳 胡 寧

國家氣象中心，北京 100081

提 要： 利用地面常規氣象資料、區域氣象站逐小時觀測數據、ERA5再分析資料，分析了2021年7月19—20日河南省特大暴雨過程中尺度低空急流以及中尺度低渦的發展演變特征及其形成機理。研究表明：此次特大暴雨天氣過程發生在弱天氣尺度系統強迫的背景下，中尺度低空急流以及中尺度低渦是其直接影響系統。低空急流的建立和發展與降水的發生和增強同步，而中尺度低渦出現在低空急流建立后約10 h，隨著低渦發展增強，低空急流強烈發展；西太平洋副熱帶高壓的增強西伸與河套弱低壓東移造成的地轉風加大是低空急流形成的重要原因；偏北變壓風的貢獻主要是對風向的改變，使得低空急流以偏東急流為主；低空急流引起的對流層低層水平輻合及扭轉是對流層中低層低渦發展的主要原因，對流層中層垂直上升運動造成的渦度垂直平流是對流層中層渦度增強的主要原因。降雨引起的對流層中層凝結潛熱加熱是低渦發展增強的又一重要原因。

引 言

在全球變暖的大背景下，近年來我國極端天氣氣候事件頻發，因強降雨造成的次生災害給我國經濟社會發展、人們生產生活及財產安全帶來了嚴重威脅。造成暴雨的天氣系統有高空槽、低渦、切變線、低空急流等。其中，低渦、低空急流及其與暴雨的關系一直是暴雨研究的焦點(陶詩言等，1980；黃士松，1981；孫淑清和翟國慶，1980；丁一匯，2005；Zhang et al,2000;趙思雄等，2004；Chen et al,2005；2006；張敬萍等，2015；Fu et al,2016；2017；Houze,2018)。根據影響暴雨的低空急流和低渦空間尺度的不同，可分為天氣尺度、中尺度等類型。隨著觀測資料和數值模式時空分辨率不斷提升，近年來對與暴雨有關的中尺度低空急流及低渦發生發展機制研究逐步深入，這部分研究多數集中在長江中下游地區的梅汛期暴雨。沈杭鋒等(2013)對梅汛期中尺度低渦進行分類統計，指出中尺度渦旋發生發展中，出現暴雨的比例在70%以上；出現暴雨的中尺度渦旋中，接近80%都出現了低空急流。Chen et al(1998)通過對江淮流域梅雨鋒上一次強對流暴雨過程的分析表明,暴雨和中尺度急流的發展幾乎是同時的。當降水產生以后，通過凝結潛熱釋放，產生氣柱降壓，使流向低壓區的氣流加速，從而產生中尺度急流。中尺度急流北側的強輻合以及對流不穩定能量的釋放進一步加強了暴雨，同時也加強了中尺度急流本身，中尺度急流和暴雨形成正反饋機制。姜勇強等(2003)通過分析潛熱釋放造成的氣柱變暖和β中尺度低渦發生發展的聯系，指出在合適的大尺度環境場中，中尺度低空急流在鞍型場內觸發暴雨，降水凝結潛熱的釋放加熱大氣，加強了低空正渦度區，觸發了β中尺度低渦的形成，β中尺度低渦和降水存在正反饋機制。傅慎明等(2012)對梅汛期兩個東移中尺度渦旋進行對比，指出西南渦是由上而下發展的，而大別山渦旋是由下而上發展的，輻合是兩類低渦發生發展的重要因子，垂直渦度向水平渦度的轉化是導致兩類渦旋消亡的重要因子。Fu et al(2021)研究了大別山渦旋與低空急流的關系，指出低空急流產生強烈的低層輻合，并通過拉伸項和垂直平流項對低渦的發展起重要的作用。可見，不同暴雨過程的中尺度低渦及低空急流的演變特征及發生發展機制不盡相同。已有的這些觀點都豐富了我們對于低渦暴雨及低空急流影響的認識和理解。

2021年7月17—22日，河南省出現了強降雨過程，河南中北部連續四天出現大暴雨。7月19—20日，鄭州和新鄉連續兩天出現特大暴雨，造成重大人員傷亡和財產損失。不同于梅汛期區域性暴雨過程，此次降水過程對應的天氣尺度系統較弱，暴雨過程主要與中尺度低空急流以及中尺度低渦系統相關。二者的三維結構及演變特征如何？在弱天氣尺度系統強迫的背景下，中尺度低渦和低空急流是如何發生發展的？二者又有什么關系？理解這些問題是此次特大暴雨過程的關鍵科學問題。

研究所用資料包括中國氣象局逐小時加密降水觀測資料以及地面常規觀測資料。診斷分析所用資料為歐洲中期天氣預報中心開發的新一代再分析資料ERA5,該資料的時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°×0.25°，包括37層等壓面上的高度、溫度、風場、相對濕度、垂直速度等氣象要素(Hersbach et al,2020)。本文所用時間均為北京時。

1 暴雨過程概述

2021年7月17—22日，河南省出現了歷史罕見的極端強降雨(蘇愛芳等，2022；汪小康等，2022；蔡薌寧等，2022；李超等，2022；楊浩等，2021)，強降雨持續6 d，河南大部地區均出現了暴雨或大暴雨，河南中北部累計雨量達到了500 mm以上，單站最大累計降雨量出現在鶴壁，達到了1122.6 mm。最強降雨時段集中在19—21日，3天單站最大累計降雨量達到1014.3 mm。19日午后，鄭州附近降雨增強，19日和20日兩天持續強降雨(圖1)。20日，鄭州24 h降雨量為624.1 mm，其中16—17時，鄭州站最大小時降雨量達201.9 mm，突破中國大陸有觀測記錄小時降雨量歷史極值。21日白天鄭州附近降雨減弱，強降雨區北抬至河南北部。此次強降雨過程持續時間長、累計雨量大、短時降雨極強，造成重大人員傷亡和財產損失。

圖1 2021年7月(a)19日08時至20日08時，(b)20日08時至21日08時降雨量Fig.1 The observed accumulated precipitation (a) from 08:00 BT 19 to 08:00 BT 20， (b) from 08:00 BT 20 to 08:00 BT 21 July 2021

2 大尺度環流背景及關鍵影響系統

7月15日前后，西北太平洋副熱帶高壓北跳至日本海附近，17—22日期間，西段脊線穩定在42°N左右，較氣候平均位置明顯偏北約14個緯距(圖略)。18—19日500 hPa平均環流形勢(圖2a)來看，大陸高壓穩定在我國西北地區中東部，西北太平洋副熱帶高壓西伸至我國東北地區，黃淮及其以南地區受寬廣弱低壓帶控制，內蒙古東部為低槽控制，形成了典型的鞍型場環流形勢。19—20日(圖2b)，高空槽東移北收，大陸高壓東移并逐漸與副熱帶高壓打通，西北地區東部至黃淮西部為低壓倒槽控制。河南正處于低壓倒槽內。

圖2 2021年7月(a)18—19日，(b)19—20日500 hPa平均位勢高度場(單位：gpm)Fig.2 The 500 hPa mean geopotential height field (unit: gpm) during (a) 18-19 and (b) 19-20 July 2021

對流層高層(200 hPa)，高空冷渦長時間維持在東海附近，河套地區高空槽東移加強，形成西北—東南向次天氣尺度高空急流，河南地區正處于高空急流入口區的右側，高空輻散顯著增強(圖3a)。對流層低層(850 hPa)，16日魯豫皖三省交界處，低渦系統發展并緩慢向西偏南方向移動，18日低渦西移至豫鄂交界處，強度逐步減弱。19日午后，河南境內低渦環流已明顯減弱填塞，僅有弱倒槽逐漸向西移動，河南境內維持偏東風和東南風氣旋式切變。19日夜間，850 hPa河南中北部中尺度低空急流建立，并一直在河南境內維持，導致河南境內降水迅速增強。20日08時前后，河南西部新生中尺度低渦，低渦東側的東南風和偏東風之間的輻合增強(圖3b)，并形成渦旋雨帶，降雨強度進一步增強，對流持續且發展增強。上述分析表明，河南此次暴雨天氣過程，對流層中高層有較為穩定的環流形勢，對流層中高層有高空槽或弱低壓東移，其尺度與強度均不及典型的天氣尺度系統，屬于弱天氣尺度強迫，且河南地區位于高空槽或弱低壓下游偏東的位置。對流層低層中尺度低空急流和中尺度低渦是暴雨的關鍵影響系統。因此，對于該系統的發展演變及其形成機制的研究是本文的重點。

圖3 2021年7月20日08時(a)200 hPa流場、風速(填色)和輻散場(紅線，單位:10-5 s-1)，(b)850 hPa風場(風羽)、風速(填色)和輻合場(藍線，單位:10-5 s-1)(紅點：低空急流核)Fig.3 (a) The 200 hPa stream field, wind speed (colored) and divergence field (red line, unit: 10-5 s-1); (b) 850 hPa wind field (barb), wind speed (colored) and convergence field (blue line, unit: 10-5 s-1) at 08:00 BT 20 July 2021(red dot: low-level jet core)

3 低空急流和中尺度低渦的發展演變

由上所述，河南省本次暴雨天氣過程與對流層低層中尺度低空急流及中尺度低渦系統的形成發展密切相關。因此，本節重點對7月19—20日期間中尺度低空急流以及中尺度低渦系統的生成發展演變特征進行分析。

3.1 低空急流演變

19日午后，河南中部偏東風風速逐漸加大，降雨開始發展增強，但是以分散的對流降雨為主。19日夜間，中尺度低空急流建立，風速明顯加強，降雨也隨之增強。19日20時，在河南南部和湖北交界處有低壓倒槽緩慢自東向西移動，倒槽北側為低空急流，急流核大致位于35°N、113°E附近，風速大于16 m·s-1(圖4a)。雨帶位于急流附近，呈西北—東南走向，強降水中心小時雨強在20～35 mm·h-1左右。此后，倒槽緩慢西移，急流逐漸西移至山西南部，強度有所減弱，20日02時，急流強度和范圍均減弱。05時，急流強度和范圍均達到最小(圖4b)。06時，隨著河南東側偏南風分量的增強，低空急流增強(圖4c)，河南西部倒槽再次發展。此時雨帶呈現螺旋式旋轉的特征，有多條中尺度雨團或雨帶，分布在倒槽東側的偏東南氣流中，且以逆時針方向旋轉。20日08—20時，低空急流再度發展，此階段低空急流尺度小，僅在200 km左右，強度迅速增強。10—15時，低空急流風速達到20 m·s-1，降雨從之前的多條帶狀雨帶，逐漸旋轉合并加強，雨強達到了50～80 mm·h-1。16時，低空急流風速增強到22 m·s-1，急流強度達到最大(圖4f)。此時河南鄭州附近降雨極強，中尺度雨團小時降雨量在100 mm以上。鄭州站最大小時降雨量達201.9 mm，突破中國大陸有觀測記錄的小時降雨量歷史極值。18時，急流強度逐漸減弱。20時以后，低空急流尺度范圍增大，約為500 km左右，強度減弱，雨強仍有30～50 mm·h-1，局地達70～80 mm·h-1。

圖4 2021年7月19—20日850 hPa流場和風速(填色，風速大于12 m·s-1)(a)19日20時，(b)20日05時，(c)20日06時，(d)20日08時，(e)20日14時，(f)20日16時Fig.4 The 850 hPa stream field and wind speed (colored, wind speed >12 m·s-1) at (a) 20:00 BT 19, (b) 05:00 BT 20, (c) 06:00 BT 20, (d) 08:00 BT 20, (e) 14:00 BT 20 and (f) 16:00 BT 20 July 2021

由上分析可知，河南省強降水與中尺度低空急流密切相關。河南降水從19日下午開始發展，19日夜間開始增強，與低空急流的建立和加強幾乎同步。為了了解低空急流的時空演變特征，我們選取了強降水區域中低空急流核所在位置(35°N、113°E)做剖面(見圖3b中紅點標注位置)，由圖5可見，低空急流的發展分為兩個階段。第一階段：低空急流發展和建立階段(19日14時至20日02時)。19日夜間低空急流建立發展，最強的急流中心位于850 hPa附近，強度為18 m·s-1，急流所在高度位于950～800 hPa，為一致的偏東風，20日凌晨風速略有減弱。第二階段：低空急流再度加強階段(20日08—20時)。20日白天，低空急流再度強烈發展，最強的急流位于900 hPa附近，強度達到22 m·s-1，低層為偏東風，而850 hPa以上逐漸轉為東南風，急流的伸展高度可以達到700 hPa附近。從兩個階段的急流特點來看，第二階段的急流與中尺度低渦相伴隨，急流強度明顯增強，并且第二階段的風場隨高度順時針旋轉，更有利于暖濕空氣的輸送。

圖5 2021年7月19—21日沿強降水中心所在位置(35°N、113°E)風場(風羽，彩色代表風速大于12 m·s-1)和比濕場(藍線，單位：g·kg-1)垂直變化Fig.5 Vertical variations of wind (barb, colored: wind speed >12 m·s-1) and specific humidity (blue line: unit: g·kg-1) along heavy rainfall center (35°N， 113°E) during 19-21 July 2021

3.2 中尺度低渦演變

從各層流場和渦度場分布來看(圖6)，20日06時在700～600 hPa首先發展形成低渦，先于850 hPa(20日07時生成)，500 hPa以上為一致的西南氣流并有氣旋性彎曲。顯然低渦是從700～600 hPa高度層先發展起來，再向上向下發展。低渦在700 hPa上向西偏北方向移動，一直到20時，維持了近15 h。600 hPa低渦西北移動后維持時間更長，可能與凝結潛熱加熱在此層次最大有關。850 hPa低渦維持的時間較短，16時消失，減弱為倒槽，低渦維持約10 h(圖7)。低渦向西北方向移動，700～600 hPa低渦移動較快，維持時間較長，925～850 hPa低渦移動慢，維持時間較短，低渦中心垂直軸線向西北方向傾斜。

圖6 2021年7月20日06時(a)600 hPa，(b)700 hPa，(c)850 hPa，(d)925 hPa流場和渦度場(填色)Fig.6 The stream field and the vorticity (colored) at (a) 600 hPa, (b) 700 hPa, (c) 850 hPa, (d) 925 hPa at 06:00 BT 20 July 2021

圖7 2021年7月20日中尺度低渦各層移動路徑(紫色：925 hPa，07—17時；藍色：850 hPa，07—16時；綠色：700 hPa，06—21時；紅色：600 hPa，20日06時至21日03時。不同顏色的數字分別對應不同層次08時、14時、20時的低渦位置。紅藍色方框代表圖11中所選區域)Fig.7 The paths of the mesoscale vortex at different layers on 20 July 2021(purple: 925 hPa, from 07:00 BT to 17:00 BT; blue: 850 hPa, from 07:00 BT to 16:00 BT; green: 700 hPa, from 06:00 BT to 21:00 BT; red: 600 hPa, from 06:00 BT 20 to 03:00 BT 21. The numbers 08, 14 and 20 in different colors correspond respectively to the positions of the vortex at different levels at 08:00 BT, 14:00 BT and 20:00 BT. Red and blue boxes refer to the areas taken in Fig.11)

中尺度急流與中尺度低渦在降水發展增強中起到了至關重要的作用。從區域平均的風速、渦度場與降水量的演變來看(圖8)，隨著低空急流的發展和建立(19日20時前后)，降水開始逐漸發展加強。中尺度低渦的形成(20日06時前后)出現在低空急流之后，隨著中尺度低渦的發展增強，低渦北側的中尺度低空急流進一步發展，同時伴隨著降水的顯著增強，造成了河南省極端的強降水。隨著低空急流和低渦系統的減弱，降水逐漸減弱。

圖8 2021年7月19—21日區域平均(34°～36°N、111°～114°E)的(a)風速(實線，單位：m·s-1)、渦度場(填色)和(b)降水量Fig.8 Temporal variation of (a) the wind speed (solid line, unit: m·s-1), vorticity (colored) and (b) precipitation averaged within (34°-36°N, 111°-114°E) during 19-21 July 2021

4 低空急流及低渦的形成機制

4.1 天氣系統對低空急流形成的影響

由前述可知，7月19—20日，我國東部為西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)控制，而河套東南部為弱低壓系統(簡稱河套弱低壓)，副高以及河套弱低壓的東西擺動，造成兩者之間氣壓梯度的變化，是低空急流形成的重要原因之一。正如我國長江流域及華南地區的強降水過程，當有低空急流相伴時，急流的東側往往是副高，西側多為低壓系統(如西南渦)，這種高低壓系統的過渡帶形成了強大的水平氣壓梯度，從而加強了風速并有利于低空急流的形成(吳哲珺等，2019；劉鴻波等，2014；許美玲等，2004)。19日夜間開始，副高逐漸西伸，5860 gpm等高線西伸脊點位于115°E附近。隨著副高的西伸，水平氣壓梯度加大，風速增強，低空急流建立。此時850 hPa急流核中心風速為16 m·s-1以上。20日02時，副高5860 gpm等高線略有東撤，同時河套弱低壓發展加強。此階段，低空急流強度有所減弱。06時，5860 gpm等高線再度西伸至115°E附近(圖9)，受200 hPa高空槽東移影響，河套弱低壓進一步發展并東移，使得高、低壓系統之間的過渡帶水平氣壓梯度加大，位于兩者之間的黃淮、江淮等地東南氣流也隨之增強，其中河南為風速大值中心，有中尺度低空急流發展及增強。20日08時，對流層低層河南西部中尺度低渦系統已經生成并增強發展，與此同時，低渦北側的低空急流迅速增強。10時，急流中心風速達到了20 m·s-1以上。12時，副高進一步西伸，急流略向西移，風速進一步增強，16時風速達到了22 m·s-1以上。18時之后，河套弱低壓西退至陜西中部，強度減弱，急流強度逐漸減弱。由此可見，副高的增強西伸和河套弱低壓發展東移對低空東南氣流的增強及河南境內低空急流發展起到了非常重要的作用。

4.2 地轉風及地轉偏差風分析

如上所述，受副高和河南上游河套弱低壓相向移動影響，河南附近等高線密集度加大。從計算的地轉風可以看出，氣壓梯度的加大導致低壓東側南風或東南風明顯加大，這是東南低空急流加大的原因之一。進一步分析地轉偏差發現，在河南的中北部有偏北的地轉偏差風，從而使得實際上河南北部偏東分量加大，以偏東或東東南急流為主。由于地轉偏差的存在，使得實際風場的輻合中心位于地轉風渦度中心的南側，更有利于在鄭州附近等地產生強的輻合中心(圖10a)。從計算的850 hPa的24 h變高來看(圖10b)，20日08時，24 h負變高中心達到了9 gpm，負變高中心位于河南西部。變高梯度大值區對應偏東北的非地轉風，與變高梯度的方向一致。20日10時，負變高中心強度達到了18 gpm，變高梯度有所增強，相應的非地轉風也略有增強。從地面觀測的24 h變壓場(圖略)亦可以看到強負變壓中心。因此河南中北部存在較強的變壓風，且變壓風的方向為偏東北風，這與分析的地轉偏差風較為一致。

圖10 2021年7月20日08時850 hPa(a)高度場(紅線)和風場(b)24 h變高場(單位：gpm)(圖10a中:藍色、綠色、紅色風矢分別代表總風場、地轉風、非地轉風)Fig.10 The 850 hPa (a) geopotential height (red line) and wind field (b) 24 h change of the geopotential height filed (unit: gpm) at 08:00 BT 20 July 2021(vector blue: total wind field, green: geostrophic wind, red: ageostrophic wind)

因此，在整個低空急流發展加強階段，地轉偏差風的貢獻主要是對風向的改變，而對風速動能的增加起正貢獻的主要是大尺度地轉風速的增大。這不同于一般大尺度低空急流的超地轉特征，這方面的機理分析還需要做進一步的相關研究。

4.3 渦度收支分析

由前述可知，中尺度低渦形成后，中尺度低空急流再度發展，強度迅速增強。中尺度低渦的生成發展與中尺度低空急流的增強密切相關。為了進一步分析中尺度低渦形成發展的機制，我們利用渦度方程，計算了渦度場的變化(Kirk,2003)。公式如下：

式中：u為緯向水平風速，v為經向水平風速，ω為垂直速度，ζ為渦度，f為科里奧利參數，β=?f/?y，τx和τy分別為緯向和經向的摩擦力。等號右側，A項為水平平流項，B項為垂直平流項，C項為水平輻合項，D項為扭轉項，E項為摩擦項。中尺度低渦在發展過程中各項對于低渦的發展起到不同的作用，我們對A、B、C、D四項取區域平均，忽略摩擦的影響，即不考慮E項。

由于低渦尺度小且向西北方向移動，在低渦的不同階段，選取低渦中心附近區域計算區域平均渦度收支各項的分布(圖11)。低渦生成階段，水平輻合項在對流層低層使正渦度增加，有利于低層渦旋的發展。在這段期間內，低層輻合對低渦的發展起到了重要的作用。20日08時低層水平輻合項的量值較02時有很大的增長，達到了3.0×10-8s-2。而高層的輻散并沒有顯著變化。08時正是低渦形成并強烈發展階段，這進一步說明由中尺度低空急流造成的低層輻合增強對低渦的發展有重要的作用。對流層中層，由于強烈的上升運動，垂直渦度平流作用也使得渦度增強。從渦度場的垂直分布來看，800～700 hPa附近的渦度最強，隨著低渦的生成和發展，渦度增強。由此可見，在低渦生成階段，對流層中低層渦度的增長是由低空急流造成的低層輻合為主要原因，而在對流層中層以垂直平流的作用為主要原因。

圖11 2021年7月20日區域平均渦度各項變化及渦度場的垂直分布(a)02時(低渦形成前，34.5°～35°N、112.5°～113°E)，(b)08時(低渦形成時，圖7中紅色方框區域，34°～34.5°N、112°～112.5°E)，(c)14時(低渦形成后，圖7中藍色方框區域，34.8°～35.3°N、111.5°～112.5°E)Fig.11 Vertical distributions of region-averaped vorticity change and vorticity fieldat (a) 02:00 BT 20 (before the formation of low vertex, 34.5°-35°N, 112.5°-113°E), (b) 08:00 BT 20 July (at the time of low vortex formation) red box in Fig.7 (34°-34.5°N, 112°-112.5°E), (c) 14:00 BT 20 July 2021 (low vertex developed) blue box in Fig.7 (34.8°-35.3°N, 111.5°-112.5°E)

中尺度低渦生成后向西北方向移動并強烈發展，渦度場增強，最強渦度值由08時的2.5×10-4s-1增強至14時的4.0×10-4s-1。14時，對流層低層850 hPa附近的水平輻合項增強顯著，達到了6.0×10-8s-2，由此可見，低渦生成之后，伴隨中尺度低渦的發展，中尺度低空急流強烈發展，使得低層的輻合顯著增強，進而又增強了低層的渦度。另外，垂直平流項仍對低渦的增長有正貢獻，但高度有所降低，這也與此時垂直上升運動的大值中心高度相一致。

此外，扭轉項在此次低渦發展過程中也起到了重要的作用，在低渦生成以后，隨著中尺度低空急流的增強，扭轉項對渦度增強的作用也顯著增強，但其作用集中在對流層低層，這說明低空急流造成的風速垂直變化，以及低層垂直速度水平分布不均勻，使得水平渦度向垂直渦度的轉換。

由此可見，在中尺度低渦發展過程中，對流層中低層主要由水平輻合項起直接作用，同時扭轉項對中尺度低渦發展也起到了正貢獻，而這兩項均與低空急流發展及其垂直結構有直接關系。而在對流層中高層，與垂直上升運動有關的垂直平流項對低渦發展起到了重要的作用。相比較而言，水平平流項的作用很小。

不少研究低渦暴雨的學者也都診斷過低渦形成的渦度收支，不同的個例渦度收支的不同項所起作用不盡相同。例如有學者研究了大別山低渦暴雨(Fu et al,2021)，指出拉伸項和垂直平流項對低渦的發展起重要的作用，而扭轉項和水平平流卻抑制低渦的發展。這與本個例的研究不完全相同，但是本次個例中拉伸項和垂直平流項也起到顯著的作用。

4.4 凝結潛熱加熱的作用

伴隨低空急流和低渦系統發展出現的強降水，必然產生強烈的凝結潛熱釋放(胡寧等，2020)。凝結潛熱的釋放對于低空急流和中尺度低渦有何作用？我們計算了凝結潛熱加熱。

潛熱加熱的計算公式如下：

式中：Q為潛熱加熱,L為凝結潛熱，q為比濕，V為水平風矢量，ω為垂直速度。

從各層凝結潛熱的分布來看，凝結潛熱的增強和中尺度低渦的發展增強相伴隨。700 hPa凝結潛熱的分布來看(圖12a)，伴隨著降水的增強，低渦環流北側凝結潛熱增強，同時低渦發展增強。凝結潛熱加熱從大氣低層向上，凝結潛熱加熱增大，至700 hPa 達到最大，再向上開始減小，最大加熱層在700 hPa附近(圖12b)。從凝結潛熱隨時間的變化顯示(圖略)，20日08時之后，對流層中低層的凝結潛熱加熱顯著增強，同時中尺度低渦發展增強。

圖12 2021年7月20日08時(a)700 hPa凝結潛熱加熱(填色)和風場(風羽)分布，(b)沿低渦中心(34°N、112.5°E)凝結潛熱加熱垂直分布Fig.12 (a) The 700 hPa latent heating (colored) and wind field (barb), (b) vertical profile of latent heating along vortex center (34°N， 112.5°E) at 08:00 BT 20 July 2021

由位渦方程(Hoskins et al,1985)可以推導出位渦演變與加熱率的近似關系：

式中：q為位渦，g為重力加速度，dθ/dt為加熱率，η為絕對渦度。由上式可知，當加熱率隨高度遞增時，有正的位渦異常產生，位渦增長率取決于加熱梯度，一般情況下，加熱水平梯度引起的位渦增長往往比垂直梯度引起的位渦增長小一個量級。最大加熱層700 hPa之下會產生正的位渦傾向，因此這也有利于在對流層中下層低渦的發展增強。從850 hPa位渦分布(圖13)可見，低渦生成增強時，850 hPa出現了明顯的正位渦分布,位渦增大時，中尺度低渦也強烈增強。此外，正位渦異常將會產生附加的水平氣旋性環流，使低渦北側的偏東風進一步加強，有利于低空急流的增強。

圖13 2021年7月20日(a)02時(低渦形成前)，(b)08時(低渦形成時)，(c)10時(低渦形成后) 850 hPa位渦分布(單位：10-6 m2· s-1·K·kg-1)Fig.13 The 850 hPa PV (unit: 10-6 m2·s-1·K·kg-1) at (a) 02:00 BT 20 (before the formation of low vertex), (b) 08:00 BT 20 (at the time of low vortex formation), (c) 10:00 BT 20 (low vertex developed) July 2021

凝結潛熱釋放是影響中尺度低渦生成發展的重要因素之一，本文僅做了初步的診斷，水汽及其凝結潛熱加熱對低渦的生成、維持以及結構演變等作用的影響，還需要更為深入和細致的模擬及研究工作。

綜上所述，副高的西伸以及河套弱低壓東移，兩者相向運動造成的氣壓梯度的加大導致南風或東南風明顯加大，這是低空急流建立和發展的主要原因之一；而因降水造成的負變壓及副高西伸造成的正變壓使得河南北部具有偏北變壓風，該變壓風的貢獻主要是對風向的改變，從而使得河南在邊界層低層以偏東急流為主；低空急流的發展，引起低層輻合增強和渦管扭轉，是中尺度低渦生成和發展重要的原因之一，而垂直上升運動造成的渦度垂直平流為低渦發展也提供了重要的動力作用；降雨引起的對流層中層凝結潛熱加熱是對流層低層中尺度低渦發展增強的又一重要原因之一。此外，中尺度低渦的增強，也進一步促使了低渦北側低空急流的迅速增強。

通過以上分析，針對中尺度低空急流以及中尺度低渦的特征和形成機制給出本次河南暴雨的概念模型(圖14)，該個例在實際預報中極為少見，并不典型。該概念模型與典型的低渦暴雨天氣過程的高低層配置有較大的差別。

圖14 河南特大暴雨概念模型Fig.14 Conceptual model of severe torrential rain in Henan Province

5 結論與討論

2021年7月19—20日河南省出現特大暴雨天氣。降水發生期間，對流層中高層環流形勢穩定，中高層為弱天氣尺度強迫，中低層中尺度低空急流和中尺度低渦的形成和發展增強，是造成強降水的主要影響系統。本文對中尺度低空急流以及中尺度低渦的發展演變特征進行了分析，并進一步探討了二者的可能形成機制，結論如下：

(1)河南極端暴雨發生在弱天氣尺度系統強迫背景下，其直接影響系統為中尺度低空急流以及中尺度低渦。偏東南風低空急流的增強對暴雨產生起了主要作用，與降水的發展和增強同步。低空急流主要維持在近地面至700 hPa附近，低層為偏東風，850 hPa以上逐漸轉為東南風。

(2)中尺度低渦的形成出現在低空急流建立后約10 h，低渦首先從700 hPa高度層附近發展起來后再向上向下發展。低渦中心垂直軸線隨高度向西北方向傾斜。隨著中尺度低渦的發展增強，低渦北側低空急流強烈發展，同時伴隨著降水的顯著增強，造成了河南省鄭州附近的極端強降水。

(3)西太平洋副熱帶高壓西伸以及河套弱低壓東移造成河南境內氣壓梯度加大，導致南風或東南風明顯增強，這是東南低空急流建立和發展的主要原因之一；而正負變壓使得河南北部具有偏北變壓風，疊加上地轉風，使得河南在低層以偏東急流為主。地轉偏差風的貢獻主要是對風向的改變，使河南地區在低層以偏東急流為主。

(4)低空急流的發展，引起中低層輻合增強和渦管扭轉，是中尺度低渦生成和發展的重要原因之一，而垂直上升運動造成的垂直渦度平流為低渦的發展也提供重要動力作用；降雨引起的對流層中層凝結潛熱加熱是對流層低層中尺度低渦發展增強的又一重要原因。

(5)低空急流發展增強了降水，低空急流加強以及降水凝結潛熱釋放有利于中尺度低渦發展加強，低渦的增強又進一步促使低空急流和降水的顯著增強，造成了河南極端強降水。中尺度低空急流、中尺度低渦以及暴雨三者之間存在較為復雜的耦合關系，三者之間存在相互正反饋的過程。

本文研究的暴雨過程在實際預報中極為少見且并不典型，在對流層中高層僅為弱的高空強迫下，低層中尺度低渦和中尺度低空急流強烈發展。與典型的梅雨鋒低渦暴雨、華北低渦暴雨等都明顯不同，這些典型的低渦暴雨個例都是在中高層有明顯的動力強迫下，低層的低渦系統強烈發展(趙思雄等，2004；2018；雷蕾等，2017；孫軍等，2012；孫建華等，2013)。本次中尺度低渦尺度較小(β中尺度)，類似于梅雨鋒上的β中尺度低渦，對于中尺度低渦不同發展階段的主要貢獻因子有待做進一步細致的對比研究。

本文的研究僅限于低空急流以及中尺度低渦形成發展的機制分析，而對于暴雨、低空中尺度急流和β中尺度低渦之間的關系及物理機制還有待進一步的分析研究。此外，本文主要采用診斷分析方法進行定性分析，對中尺度低空急流和低渦發展各個因子之間的相對重要性還有待深入的模擬研究和敏感性試驗。