2021 年“7.20”河南暴雨水汽輸送特征及其關鍵天氣尺度系統

布和朝魯 諸葛安然 謝作威 高樅亭 林大偉

1 中國科學院大氣物理研究所國際氣候與環境科學中心, 北京100029

2 吉林省氣象科學研究所/長白山氣象與氣候變化吉林省重點實驗室/中高緯度環流系統與東亞季風研究開放實驗室, 長春130062

3 中國氣象局人工影響天氣中心/中國氣象局云霧物理環境重點開放實驗室/中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室, 北京100081

1 引言

2021 年7 月17～21 日，河南省出現了歷史罕見的極端暴雨天氣（“7.20”河南暴雨），其強降雨中心位于鄭州、焦作、新鄉等地。暴雨導致人員遇難和失蹤，引發河道漫堤潰堤、城市嚴重內澇、農田被淹、交通停運，其造成的災害極為嚴重。河南暴雨在7 月19 日08:00 至21 日08:00（北京時）最強，降水中心主要集中在以鄭州為中心的豫中，鄭州站20 日的日降水量高達663.9 mm（蘇愛芳等,2021; 張 霞 等, 2021; 齊 道 日 娜 等, 2022）。21 日08:00 至22 日08:00（北京時），降水中心移到豫北安陽、焦作等地。

中國夏季強降水過程，一般都有非常強的水汽輸送通道（陶詩言, 1980; 吳國雄, 1990）。夏季中國東部極端降水主要有兩個水汽來源，一是來自副熱帶高壓西側和西南側的偏南氣流，二是來自印度洋—南海的夏季風氣流，共同形成一個寬廣的水汽輸送帶。強水汽輸送帶的形成是中國東部大暴雨發生的一個重要前提條件，整層水汽通量通常在200 kg m-1s-1以上（謝義炳和戴武杰, 1959; 王小玲等, 2017; 丁一匯等, 2020）。

最近的研究表明，大氣河（Atmospheric rivers）是熱帶外地區的一類強水汽輸送帶，它對中緯度強降水事件的發生起到關鍵作用（Ralph et al.,2017a）。大氣河是指一條長度為大于2000 km、寬度小于1000 km 且整層水汽通量（integrated water vapor transport）至少為250 kg m-1s-1的強水汽輸送帶。它通常出現于中緯度對流層3 公里以下，與冷鋒前低空急流的強水汽輸送有關。大氣河對熱帶外地區水汽和降水分布具有關鍵作用，也影響區域和全球水循環過程（Waliser et al., 2012; Guan and Waliser, 2015; Ralph et al., 2017b）。當中國夏季強降水發生時，如果其伴隨的水汽輸送較強且集中在一個水汽通道，那么這也是一類大氣河現象（丁一匯等, 2020）。后文分析表明，河南暴雨期間的水汽輸送特征盡管不是熱帶外大氣河最典型特征，但其水汽輸送帶的寬度、強度以及對流層頂附近的波破碎特征與大氣河特征比較相近。

通過整層水汽通量來研究強降雨水汽來源的方法，主要是從歐拉觀點出發，重點關注氣流在某時刻的運動狀態。而基于拉格朗日方法發展的軌跡分析方法為水汽輸送研究提供了另一個途徑。拉格朗日方法根據風場計算氣塊的三維運動軌跡，可以更清晰地追蹤到氣塊源地。常用的拉格朗日軌跡模式有 FLEXPART（ FLEXible PARTicle dispersion model; Stohl et al., 1998）、 HYSPLIT（ Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model; Draxler and Hess, 1998）以及LAGRANTO（LAGRangian ANalysis TOol; Wernli and Davies,1997）等。近年來，這些軌跡模式廣泛應用于水汽（江志紅等, 2011, 2013; 楊浩等, 2014）、同位素（Salamalikis et al., 2015; 孟鴻飛等, 2020）、大氣污染物（王愛平等, 2014）等的后向軌跡追蹤研究。

充沛的水汽是“7.20”河南暴雨形成的必要條件。因此，刻畫此次暴雨的水汽輸送特征和來源無疑具有重要意義。本文使用ERA5 再分析資料，深入分析暴雨期間的水汽輸送特征，并基于拉格朗日軌跡模式LAGRANTO 的最新版本 （version 2.0;Sprenger and Wernli, 2015）對氣塊進行后向軌跡追蹤，揭示這次暴雨的不同水汽來源。LAGRANTO軌跡模式附帶軌跡密度轉換工具（Schemm et al.,2017），它將軌跡點轉換成軌跡的平面密度圖，以便能夠更直觀地刻畫氣塊運動的水平分布。LAGRANTO軌跡模式記錄氣塊位置，刻畫氣塊的三維運動，同步追蹤氣壓和溫度等其他重要的氣象要素。本文通過水汽通量診斷分析與LAGRANTO 軌跡模式分析相結合的方法，深入揭示河南暴雨的水汽輸送特征和水汽來源。

就“7.20”河南暴雨的水汽供應而言，僅以雙臺風“煙花”和“查帕卡”和西太平洋副熱帶高壓的水汽輸送，難以解釋7 月20 日發生的日降水量663.9 mm 和1 小時最大降水量201.9 mm 的極端暴雨事實（張霞等, 2021; 齊道日娜等, 2022）。因此，一定還會存在一條強水汽通量帶，將充沛的水汽輸送到河南地區，形成極端暴雨。那么，這條強水汽通量帶在什么地方？其關鍵特征是什么？哪些天氣尺度系統對這條強水汽通量帶的形成和維持起到關鍵作用？這些將是本研究回答的關鍵科學問題。我們將在后文中揭示，對流層頂反氣旋式波破碎過程與臺風“煙花”的協同作用是7 月20 日河南暴雨的一個非常關鍵的原因。

2 數據與方法

2.1 數據

本文使用降水資料為國家氣象科學數據中心2021 年7 月17～22 日河南省116 個國家級氣象站小時降水資料（中國氣象數據網，http://data.cma.cn [2021-07-23]）。文中使用歐洲中期天氣預報中心ERA5 全球再分析資料（Hersbach et al.,2020），該再分析資料分為氣壓層資料（垂直方向1000～1 hPa，共37 層）和模式層資料（垂直方向共137 層，最高到0.01 hPa）。其中，氣壓層再分析資料用于比濕、風場及流線等的分析（見3.1和3.2 節），水平分辨率為1°×1°，時間間隔為6 h；LAGRANTO 軌跡模式輸入場則使用ERA5 模式層再分析資料（3.2 節），水平分辨率為0.5°×0.5°，時間間隔為6 h。LAGRANTO 軌跡模式對氣塊的運動軌跡進行后向追蹤，模式層資料分辨率高，精度高，分析結果會更準確。下文中，除非特別標注為北京時（BT），所出現的時間均為協調世界時（UTC）。

2.2 水汽通量

整層水汽通量可以寫成（Sun et al., 2011）：

其中，g是重力加速度，q是比濕，ps是地表氣壓，pt是上邊界氣壓，V矢量表示風速矢量。風速可分為緯向分量（u，向東為正）和經向分量（v，向北為正），因此整層水汽通量也可以寫緯向和經向分量形式：

2.3 LAGRANTO 軌跡模式

為分析河南暴雨的水汽來源，使用LAGRANTO軌跡模式后向追蹤氣塊的三維運動軌跡，記錄軌跡的水平位置、氣壓、溫度、位溫、比濕等氣象要素。

LAGRANTO 軌跡模式假設氣塊隨風場三維運動，以氣塊在一個時間步長內的運動為例，氣塊在t時刻初始位置為x，t+Δt時刻到達新位置x*，在第一次迭代后，

通過多次迭代（可自行設置迭代次數。本文采用了默認迭代次數，即12 次）可以獲得氣塊最終新位置（Sprenger and Wernli, 2015）。到達新位置后，根據氣塊新位置讀取速度等物理量，進行下一個時間步長的軌跡計算。

LAGRANTO 軌跡模式與其他軌跡模式相比，可以更靈活的選擇氣塊的位置和高度，并且可以將每個時間步長對應的氣塊位置轉換成軌跡密度（Schemm et al., 2017）。其中，密度轉換工具將所有軌跡轉換為1°×1°經緯度網格的軌跡密度，即統計每個格點±0.5°經緯度內的軌跡點數。

2.4 軌跡模擬方案

運行LAGRANTO 軌跡模式，需要先確定軌跡模擬方案，包括后向追蹤的初始場水平和垂直分布，以及后向追蹤的時間間隔和持續時長。首先，我們給出初始場的水平分布。圖1a 給出2021 年7 月17 日08:00 至22 日08:00（北京時）河南地區累計降水量，可以看到降水中心集中在河南省中部和北部。因此，我們選取區域（33°～36°N，111°～115°E）中的格點作為軌跡模式初始位置，它覆蓋河南省累計降水較大的區域。LAGRANTO 軌跡模式提供的密度轉換工具是按照1°×1°經緯度網格統計，因此軌跡模式初始場的水平分辨率選定為1°×1°。其次，要給出初始場的垂直分布。圖1b為2021 年7 月17～22 日平均比濕沿34°N 經度—氣壓剖面圖，可以看到500 hPa 以上水汽含量比較少，水汽多集中在對流層中下層。在110°～117°E經度范圍內，850 hPa 上比濕可達14 g kg-1，而500 hPa 和400 hPa 上比濕最大值分別為5 g kg-1和3.5 g kg-1。因此，初始場在900 hPa 和500 hPa間選取，共12 層。整個模擬空間的軌跡初始點為223 個（每層20 個初始點，低層需去除部分低于地形的點）。最后，需給出后向追蹤的時間選擇。數據使用一日4 次的ERA5 模式層再分析資料。因此在模擬軌跡時每隔6 h 輸出一次軌跡點的位置，并插值得到相應位置上氣塊的氣壓、相對濕度、位溫等物理性質，以新位置為起點讀入速度，繼續追蹤6 h。持續時間根據具體問題選定，針對本次河南暴雨事件，我們選擇3 天或4 天。

圖1 2021 年（a）7 月17 日08:00 至22 日08:00（北京時）河南省累計降水量（單位：mm）分布和（b）7 月17～22 日的平均比濕沿34°N 的經度—氣壓垂直剖面（單位：g kg-1）Fig. 1 (a) Distribution of accumulated precipitation (units: mm) in Henan from 0800 BT (Beijing time) 17 to 0800 BT 22 July 2021 and (b)pressure-longitude cross section of the specific humidity (units: g kg-1) along 34°N averaged from 0800 BT 17 to 0800 BT 22 July 2021

2.5 軌線篩選條件

氣塊到達河南時，不同軌線所攜帶的水汽含量各不相同，拉格朗日后向追蹤只給出氣塊運動過程，沒有判定氣塊的其他物理性質。因此，為了找出造成強降水的水汽來源，還需要加入軌線的篩選條件，要判定氣塊是否攜帶較多水汽。下面以7 月21 日00:00 為例說明篩選軌線的過程。從t（7 月21 日00:00）開始后向追蹤，初始場有n（n=223）個格點，每隔Δt（Δt=6 h）記錄一次軌跡點（7 月20日18:00、7 月20 日12:00…），重新記錄n個格點的信息，并同步追蹤所有軌跡點的比濕，至7月18 日00:00 截止，完成連續3 天的追蹤過程。共記錄n條軌跡，每條軌跡記錄k次（12 次，每天4 次，低于地面等情況會記入缺省值）。所有軌跡點n×k（=223×12）的比濕平均值記為

如果某個軌跡點的比濕Qi大于Qave，則可以認為該軌跡點對應著較強的水汽輸送。

在3.2 節中，對每天4 個時次的軌跡密度做了日平均處理，相應的Qave也取四個時次的日平均。

3 河南暴雨水汽輸送特征

3.1 水汽通量分析

其中，副熱帶高壓與臺風“煙花”之間的東風氣流，將太平洋上的水汽輸送到大陸，東風到達大陸以后轉為東南風；東南風氣流將臺風“煙花”和臺風“查帕卡”之間輻合的水汽直接輸送到河南。這兩個水汽輸送帶在河南區域匯合時水汽通道有所變窄。河南上空的比濕和水汽通量，相較于同緯度地區都偏大。30°N 以北和120°E 以東地區由副高控制，副高西北側的強西南氣流，對應一條比濕大于12 g kg-1的水汽輸送帶，將濕空氣輸送到東北地區。700 hPa 情況（圖2b）與850 hPa 的類似，比濕和水汽通量比850 hPa 的值小一些，河南一帶比濕可達10 g kg-1，接近臺風邊緣和中南半島的比濕。從我國華南到達河南地區，西南—東北向的濕舌非常明顯。相對而言，500 hPa 和400 hPa 比濕變?。▓D2c 和d），但河南區域相較于周邊地區仍然有較多水汽。由圖2c 和d 可見，對流層中層及以上，從低緯度地區指向河南區域的濕舌非常明顯。由此可見，就河南暴雨期間的水汽輸送而言，除了對流層低層臺風和副高的作用之外，對流層中高層的中緯度系統也可能起到關鍵作用。

圖2 2021 年7 月18 日08:00 至21 日08:00（北京時）的平均比濕（填色，單位：g kg-1）和等壓面平均水汽通量（箭頭，單位：m s-1 g kg-1）：（a）850 hPa；（b）700 hPa；（c）500 hPa；（d）400 hPa。河南省界以紅色線標出Fig. 2 Specific humidity (shaded, units: g kg-1) and water vapor flux (vectors, units: m s-1 g kg-1) averaged from 0800 BT 18 to 0800 BT 21 July 2021: (a) 850 hPa; (b) 700 hPa; (c) 500 hPa; (d) 400 hPa. The border of Henan Province is marked with a red line

圖3 顯示整層水汽通量逐日演變情況。河南暴雨發生時，河南一帶一直存在一條強勁的自東南向西北的水汽輸送帶。副熱帶高壓穩定存在且偏北偏強，副高南側的臺風“煙花”緩慢向西移動，海南島東側的臺風“查帕卡”緩慢向西北移動。17 日（圖3a）到18 日（圖3b），河南區域上空的渦旋強度減弱，河南降雨主要是對流性降水，暴雨點較分散（張霞等, 2021）。此時水汽主要來自于渦旋東北側的東南—西北向水汽輸送，副高和臺風“煙花”在130°E 以東，離大陸較遠。19 日（圖3c）副熱帶高壓和臺風“煙花”都繼續向西移動。這時黃海到東海區域存在反氣旋式流場，這歸因于臺風“煙花”引起的次級環流及下沉運動（圖略）。關于2018 年夏季華北高溫熱浪的研究中，Lu et al.（2020）強調了類似的臺風（“云雀”）引起的次級環流影響，并指出該臺風有利于華北高壓的持續維持。19 日（圖3c），副高南側和臺風“煙花”北側之間的東風氣流與來自中國南部的南風氣流匯合，在河南一帶局部形成了大于250 kg m-1s-1的水汽通量，將太平洋和中國南部的水汽輸送到河南區域。與17 日和18 日情形不同，此時海陸之間的強水汽通量帶（大于250 kg m-1s-1）已經形成。由表1 整層水汽通量可知，19 日河南區域水汽通量最大值達到534 kg m-1s-1，其中向西水汽通量最大值為505 kg m-1s-1，向北水汽通量最大值為352 kg m-1s-1，向西水汽通量更大些。20 日（圖3d），河南區域降水最強，與19 日相比，副高與臺風“煙花”西移到大陸附近，臺風“煙花”強度明顯增強，副高與臺風“煙花”之間的東風水汽輸送更加強勁，這時與臺風“煙花”有關的反氣旋式流場西移到大陸上空，形成了一條寬廣的強水汽輸送帶（大于250 kg m-1s-1）。同時，由于臺風“煙花”的西移，它與臺風“查帕卡”的位置更接近，臺風“煙花”西北側的東北氣流與臺風“查帕卡”東北側的東南氣流在華南沿海一帶輻合，然后形成一條通向河南的南風水汽輸送帶，給河南帶來更加充沛的水汽。由表1 整層水汽通量可知，20 日河南區域水汽通量最大值達到594 kg m-1s-1，向西水汽通量最大值為425 kg m-1s-1，向北水汽通量最大值為536 kg m-1s-1。與19 日相比，向北水汽通量則明顯增強，而向西水汽通量變化則并不明顯。向北和向西兩支強水汽通量帶的匯合使20 日的整體水汽通量“爆發性”增強，這與20 日河南最強降水量相一致。21 日（圖3e）臺風“煙花”西移到大陸，兩個臺風氣流的匯合減弱，到達河南區域的偏南氣流相比20 日變弱，水汽通量最大值位置比20日偏北。22 日（圖3f）東南風和南風都減弱，河南區域水汽通量變小，降水過程逐漸減弱至結束。

圖3 2021 年7 月（a-f）17～22 日1000～300 hPa 日平均整層水汽通量（箭頭，單位：kg m-1 s-1）和水汽通量散度（填色，單位10-4 kg s-1）。右下角標度尺為1000 kg m-1 s-1，其中紅色（藍色）箭頭表示大于或等于（小于）250 kg m-1 s-1。河南省界用黑色線標出Fig. 3 Daily evolutions of the vertically integrated water vapor flux (vectors, units: kg m-1 s-1) between 1000 and 300 hPa and its divergence (shaded,units: 10-4 kg s-1) from July (a-f) 17 to 22, 2021. The scale bar in the lower right corner is 1000 kg m-1 s-1. The red (blue) arrow indicates that it is greater than or equal to (less than) 250 kg m-1 s-1. The border of Henan Province is marked with a black line

表1 2021 年7 月19 和20 日 區 域（30°～40°N, 110°～117°E）水汽通量最大值以及向西和向北水汽通量最大值Table 1 The maximum water vapor flux in the region(30°-40°N, 110°-117°E) and the maximum westward and northward water vapor fluxes on 19 and 20 July 2021

降水的發生不僅與水汽通量相聯系，還取決于水汽通量的輻合強度。在圖3 中，整層水汽通量輻合（填色）最強的地方正對應著暴雨或強降水區域。17 和18 日河南區域水汽通量輻合不是特別強，水汽通量散度大于-6.0×10-4kg s-1；19 日時河南地區水汽通量輻合開始變強，最強輻合中心位于河南西北（水汽通量散度小于-6.0×10-4kg s-1）；20日水汽通量輻合達到最大值，輻合中心位于河南北部鄭州附近（水汽通量散度小于-10.0×10-4kg s-1），正好對應20 日鄭州附近的極端暴雨；21 日水汽通量輻合仍很強，但輻合中心已向北移動，22 日水汽通量輻合明顯減弱，輻合中心也移出河南省。

圖4 給出了19 日和20 日的三個不同層的水汽通量情況。表1 給出不同層水汽通量的最大值以及向北和向西通量的最大值。在對流層低層（1000～850 hPa），到達河南的水汽通量（圖4a 和b）主要來自副高和臺風“煙花”之間的東風氣流水汽輸送。20 日1000～850 hPa 水汽通量最大值比19 日有所增強（表1），水汽通量大于100 kg m-1s-1的區域有所變寬（圖4a 和b），但這兩日都以向西水汽通量為主要特征，差異不明顯。另外，這兩日的水汽通量輻合情況也沒有明顯的差異。這說明，僅以低層水汽通量不足以解釋這兩天降水量的明顯差異，也就無法解釋20 日的極端暴雨的水汽來源。

在850～700 hPa（圖4c 和d）層，19 日水汽主要來自東南風水汽輸送，20 日除東南風以外，來自河南南側的經向水汽輸送則明顯增強。由表1 可知，850～700 hPa 水汽通量最大值比1000～850 hPa層的小。19 日向西水汽通量最大值（180 kg m-1s-1）明顯比向北水汽通量（112 kg m-1s-1）的大，但20 日向北水汽通量最大值明顯變大（187 kg m-1s-1），與向西水汽通量（186 kg m-1s-1）的相當。在700～300 hPa 層（圖4e 和f），19 日水汽通量較小，20日在河南區域出現明顯的西南風和南風水汽輸送。由表1 可知，19 日850～700 hPa 和700～300 hPa層的向北水汽通量最大值非常相近，分別為110和112 kg m-1s-1，但700～300 hPa 層的向西水汽通量最大值明顯小于850～700 hPa 層。20 日700～300 hPa 層向北水汽通量增加到190 kg m-1s-1，與該日850～700 hPa 值（196 kg m-1s-1）相當。與19 日不同，20 日的向北水汽通量在850 hPa 以上有明顯增強，使得整個向河南區域的水汽輸送發生急劇增強。

圖4 2021 年7 月19 日（左列）和20 日（右列）各層日平均水汽通量（箭頭，單位：kg m-1 s-1）及其散度（填色，單位：10-4 kg s-1）分布：（a、b）1000～850 hPa 層；（c、d）850～700 hPa 層；（e、f）700～300 hPa 層。其中紅色（藍色）箭頭表示大于或等于（小于）100 kg m-1 s-1。河南省界用黑色線標出Fig. 4 Daily evolutions of the vertically integrated water vapor flux (vectors, units: kg m-1 s-1) and its divergence (shaded, units: 10-4 kg s-1) in different layers on July 19 (left column) and July 20 (right column), 2021: (a, b) 1000-850 hPa; (c, d) 850-700 hPa; (e, f) 700-300 hPa. Red (blue)arrows indicate values greater than or equal to (less than) 100 kg m-1 s-1. The boundary of Henan Province is marked with a black line

在河南區域，850 hPa 層以上的水汽通量散度（圖4；填色）在19 日和20 日也有明顯變化。19日（圖4c），850～700 hPa 層水汽通量在河南省外西北側有強輻合中心，20 日（圖4d）在鄭州一帶和河南北部出現了較強輻合中心（水汽通量散度小于-3×10-4kg s-1）。700～300 hPa 水汽通量輻合情況變化更為明顯，19 日（圖4e）水汽通量在河南區域輻合很弱（水汽通量散度大于-2×10-4kg s-1），但20 日（圖4f）在河南北部出現了非常強的輻合中心（水汽通量散度小于-3×10-4kg s-1），且與同日河南區域850～700 hPa 水汽通量的輻合強度相當或更強。由此可見，850 hPa 以上向北水汽通量的急劇增強和強烈輻合是20 日河南極端暴雨的一個重要原因。

下面對比QS（圖5a）和QE（圖5b）隨時間和高度變化情況。首先，QS在7 月19 日開始增強，20 日為最強，之后就減弱了。與之相比，QE在7月18～21 日并沒有明顯的逐日變化，但有清晰的日變化，12:00 最強。其次，強日平均QE（大于3×105m2s-1）出現在850 hPa 以下，表征邊界層低空急流，而強日平均QS（大于3×105m2s-1）出現在850 hPa 以上和700 hPa 以下，表征與天氣系統有關的低空急流（劉鴻波等，2014）。“7.20”河南暴雨最強時段是北京時間20 日下午，對應于協調世界時20 日06:00～12:00。在這個時段QS（圖5a）明顯增強，大于2×105m2s-1（3×105m2s-1）的水汽通量層達到600 hPa（700 hPa）高度。與之相比，QE大于2×105m2s-1（3×105m2s-1）的高度只達到750 hPa（800 hPa）。由此可見，850 hPa以上QS急劇增強并在河南地區輻合，無疑是7 月20 日河南極端暴雨的一個重要原因。

我們也考察了7 月20 日4 個時次的整層水汽通量及其散度的演變情況（圖6）。20 日00:00（北京時間08:00），鄭州附近的水汽通量輻合非常強（圖6a），達1.6×10-3kg s-1，但對應的降水量并不是最強。此時段為暴雨中尺度對流復合體發生階段，復合體內部存在多個發展的中尺度系統，但對流不旺盛（齊道日娜等, 2022）。20 日06:00～12:00 是極端暴雨發生時段，鄭州附近的水汽通量輻合很強（圖6b 和6c），盡管它稍弱于20 日00:00的輻合情況。這一時段是對流復合體內部的β 中尺度對流系統不斷合并和強烈發展階段（齊道日娜等, 2022），也是QS急劇增強的時段（圖5a），與極端暴雨的發生時間相吻合。18:00，盡管水汽通量及其輻合仍很強（圖6d），但輻合中心已經移到鄭州東北側，鄭州附近的降水開始減弱。上述事實表明，除了水汽通量的強烈輻合以外，850 hPa 以上QS急劇增強確實是7 月20 日河南極端暴雨發生的一個關鍵原因。

圖5 由河南區域（a）南邊界和（b）東邊界流入等壓面的水汽通量（單位：105 m2 s-1）隨時間和高度的變化。橫坐標為時間，從2021 年7 月18～21 日，每日四次Fig. 5 Pressure-time cross section of the water vapor flux (units: 105 m2 s-1) averaged along (a) the southern boundary and (b) the eastern boundary of the Henan region. The horizontal axis represents the time, four times per day, from July 18 to 21, 2021

圖6 2021 年7 月20 日00:00、06:00、12:00、18:00 四個時次1000～300 hPa 整層水汽通量（箭頭，單位：kg m-1 s-1）及其散度（填色，單位：10-4 kg s-1）。右下角標度尺為1000 kg m-1 s-1，其中紅色（灰色）箭頭表示大于或等于（小于）250 kg m-1 s-1。河南省界用黑色線標出，鄭州站用綠色圓點標出Fig. 6 Daily evolutions of the vertically integrated water vapor flux (arrows, units: kg m-1 s-1) between 1000 and 300 hPa and its divergence (shaded,units: 10-4 kg s-1) at 0000 UTC, 0600 UTC, 1200 UTC, and 1800 UTC of July 20, 2021. The scale bar in the lower right corner is 1000 kg m-1 s-1. The red (blue) arrow indicates that it is greater than or equal to (less than) 250 kg m-1 s-1. The border of Henan Province is marked with a black line.Zhengzhou station is marked with a green dot

我們也根據公式（4）計算了7 月19～21 日的垂直水汽通量分布（圖略）。暴雨期間，河南區域存在非常強的垂直水汽輸送，在500 hPa 都能看到非常強的垂直水汽通量，其中20 日垂直水汽輸送在500 hPa 層明顯強于19 日和21 日。這進一步說明，20 日850 hPa 以上的向北水汽通量劇烈增強并在河南附近輻合，為河南地區強對流發展提供了動力條件和源源不斷的水汽來源。此外，19～20 日垂直水汽通量中心和強降雨中心在河南中部，21日時強降雨中心移向河南北部（蘇愛芳等, 2021; 張霞等, 2021）。

3.2 水汽來源追蹤

這一節我們對LAGRANTO 軌跡模式后向追蹤結果進行統計，確定河南暴雨的水汽來源。LAGRANTO 軌跡模擬方案已在在2.4 節中介紹，后向追蹤持續3 天或4 天，起始時間為2021 年7月18～21 日的每天4 個時次（00:00、06:00、12:00和18:00）。

對持續3 天的方案，使用密度轉換工具計算與每個初始時刻對應的軌跡密度。圖7a-d 為日平均軌跡密度。軌跡密度表示223 個氣塊持續3 天的水平運動位置。由于氣塊最終都會匯聚到初始場，氣塊運動位置離初始場越近，軌跡密度就會越大。反之，氣塊運動位置離初始場越遠，軌跡密度就會越小。

圖7 采用后向持續追蹤3 天的方案情景下初始場為2021 年7 月（a、e）18 日、（b、f）19 日、（c、g）20 日和（d、h）21 日的日平均軌跡密度（左列）以及軌線平均比濕Q 大于12 g kg-1 的軌跡密度（右列）。藍色方框為LAGRANTO 軌跡模式的初始場Fig. 7 Daily averaged trajectory densities (left column) and the track densities with the track average specific humidity Q greater than 12 g kg-1 (right column) with the initial field on (a, e) 18, (b, f) 19, (c, g) 20, and (d, h) 21 July 2021 in the scheme with backward tracking for 3 days, respectively. The blue box indicates the initial field domain for the LAGRANTO model

軌跡密度圖通常結合流場來分析。圖8 為7月16～21 日700 hPa 流線。可以看到，16～18 日河南受低渦系統影響，18 日之后低渦減弱和消失。17～21 日，副熱帶高壓向西北移動，臺風“煙花”向西移動，臺風“查帕卡”位置變化不大。18 日軌跡密度大值區主要在中國東海、中國華南/西南以及河南北部（圖7a），其中河南北部的大值區與低渦環流有關。發生暴雨的19～20 日（圖7b和c），到達河南的氣塊主要來中國東海以及中國華南/西南，河南北部的軌跡密度已減弱。19 日靠近河南區域密度比較集中，密度最大值為62；密度大于50 的格點呈東南—西北向分布，對應來自海上的東南氣流；密度大于30 的格點呈南北向分布，對應南風和東南風氣流；密度大于10 的格點基本上涵蓋了大陸區域。與19 日相比，20 日河南附近密度變小，最大密度減少為43，這主要是由于20 日風速更大（圖3c、圖3d 和圖5a），氣塊能更快地從遠處移到河南。密度大于30 的格點呈現圓形分布，對應20 日南風和西南風氣流的加強；密度大于10 的格點呈東南—西北向分布，能延伸到較遠的東海，對應副高和臺風“煙花”之間的東風氣流。21 日（圖7d），可以追蹤到從太平洋移過來的氣塊，這時臺風“煙花”更加靠近大陸，臺風和副高之間的風速使氣塊運動的距離會更長?？傊壽E密度圖反映了氣塊來源及河南附近匯集的特征，同時也反映了20 日南風氣流的增強及其對應的河南附近軌跡密度減少的現象。這些特征與上一小節水汽通量分析結果相一致。

圖8 2021 年7 月16～21 日東亞/西太平洋區域700 hPa 流場，其中藍色框為LAGRANTO 模式初始場選定范圍Fig. 8 700-hPa streamlines over East Asia/western Pacific region from July 16 to 21, 2021. The blue box indicates the initial field domain for the LAGRANTO model

為了揭示河南暴雨水汽來源，須針對攜帶更多水汽的氣塊軌跡進行分析。按照2.5 節中Qave的定義，我們計算了18～21 日的日平均Qave，分別為12.5 g kg-1、11.9 g kg-1、12.0 g kg-1及11.1 g kg-1。我們篩選比濕大于Qave的軌跡點，制作了18～21日軌跡密度圖（圖略）。它們與比濕閾值為12 g kg-1的軌跡密度圖（7e-h）基本一致。18 日（圖7e）中國東海、中國華南/西南以及河南北部均有高濕氣塊軌跡。而19～20 日（圖7f 和g），水汽主要來源于中國東海、中國華南/西南兩個部分，河南北部水汽來源的影響減弱。19 日（圖7f），氣塊比濕最大值為18.1 g kg-1，軌跡密度最大值為44。密度小于10 的格點呈東南—西北分布，覆蓋面積大，對應副高和臺風“煙花”之間的東風氣流水汽輸送；而密度大于10 的格點主要為南北方向分布，對應南風氣流的水汽輸送。20 日（圖7g），氣塊比濕最大值為18.4 g kg-1，軌跡密度最大值為37，與19 日相比在河南附近軌跡密度有所減小，對應于20 日增強的南風水汽通量。20 日，南風氣流攜帶大量水汽到達河南，為河南極端暴雨提供了充足的水汽來源。21 日，高濕氣塊軌跡密度范圍開始減少（圖7h）。

圖9 給出持續4 天方案的結果，與持續3 天（圖7e-h）的方案相比，高濕氣塊軌跡特征基本一致，但軌跡密度大于10 的區域有所擴大，包含了多一天的運動軌跡。在兩個方案中，中心區域軌跡密度分布基本一致，與前面得到的結論相一致。

圖7 和圖9 中的軌跡密度分析主要描述氣塊的水平分布特征，無法提供氣塊的垂直運動信息。下面我們使用后向追蹤3 天的方案，追蹤7 月19 日和20 日高濕氣塊軌線（比濕大于12 g kg-1），分析其水平和垂直運動特征（圖10a 和b）。由圖10a 和b 可見，就到達河南的高濕氣塊軌跡來講，隨偏東風氣流運動的氣塊軌跡高度較低，隨南風氣流的氣塊軌跡高度較高，兩股氣流在河南區域匯合，形成了河南區域強烈的輻合和垂直運動。7 月19日的后向追蹤軌跡中，抬升最大的氣塊可以從965 hPa 上升到550 hPa（圖10a）。隨偏東風氣流運動的氣塊高度較低，到達河南區域以前基本不發生變化，到河南區域后才發生上升運動。這與臺風“煙花”西北側生成反氣旋式流線的事實一致（圖4c 和圖8d）。隨偏南風運動的氣塊軌跡的高度較高，到達河南區域后也迅速升高。隨西南風氣流運動的氣塊，其運動過程表現為“氣旋式”運動，到達河南區域時進一步抬升。7 月20 日的后向追蹤軌跡中，垂直方向變化最大的氣塊可以從955 hPa上升到550 hPa（圖10b）。同樣，隨東風氣流運動的氣塊在到達河南前基本沒有爬升。20 日最明顯的變化是隨偏南風運動的高濕氣塊軌線增多。19 日，河南南側的氣塊沿渦旋型軌線到達河南。但在20 日，隨偏南風氣流運動的氣塊基本沿直線直接向河南移動，沒有明顯的渦旋型軌跡。

圖9 同圖7e-h, 但為采用后向持續追蹤4 天的方案Fig. 9 Same as Fig. 7e-h, but with the scheme for backward tracking for 4 days

圖10 初始場為2021 年7 月19 日06:00（左列）和20 日06:00（右列）的軌線分布：（a、b）起始點位于900～500 hPa 層的所有軌線；（c、d）起始點位于900～850 hPa 的軌線；（e、f）起始點位于850～700 hPa 的軌線；（g、h）起始點位于700～500 hPa 的軌線。其中每條軌線必須滿足平均比濕大于12 g kg-1 的條件，線條的顏色代表對應的氣壓值（hPa），黑色方框與圖7 藍色方框一致Fig. 10 Track distribution with the initial field at 0600 UTC on 19 July (left column) and 20 July (right column) 2021: (a, b) All tracks with starting points within 900-500 hPa layer; (c, d) tracks with starting points within 900-850 hPa; (e, f) tracks with starting points within 850-700 hPa; (g, h)tracks with starting points within 700-500 hPa. The mean specific humidity of each track must be greater than 12 g kg-1. The color bar marks the corresponding air pressure (hPa). The black box has the same meaning as the blue box in Fig. 7

按照模式追蹤的起始點的不同高度，可以將圖10a 和b 中的軌線分成三類，它們起始點分別位于900～850 hPa（圖10c 和d）、850～700 hPa（圖10e和f）和700～500 hPa（圖10g 和h）。到達900～850 hPa（起始點）的氣塊主要沿東風氣流和東南風氣流運動，這些氣塊在運動過程中沒有發生明顯的高度變化。沿副高和臺風“煙花”之間東風氣流運動的氣塊高度基本在900 hPa 以下。而沿中國南部東南風氣流運動的氣塊則稍高于900 hPa。在對流層低層（850 hPa 以下），19 日和20 日到達河南的軌線分布基本一致，沒有明顯的差異。

起始點位于850～700 hPa 之間的氣塊，從19日到20 日沿東風氣流運動的變少，沿南風氣流運動的氣流變多。沿副高和臺風“煙花”之間的東風氣流運動的氣塊，有一部分在到達河南以后才上升。19 日，由河南南側到達河南的高濕氣塊具有“氣旋式”運動特征，有的氣塊沿渦旋東翼能夠上升到750 hPa。20 日，河南南側的軌線則直接移向河南，沒有明顯的渦旋運動。可見，19 日高濕氣塊從河南東南側進入河南，而20 日高濕氣塊從河南東側和南側兩側匯合，水汽通量輻合更強（圖4c和d）。起始點位于700～500 hPa 的高濕氣塊軌線明顯比低層的少，它們靠近河南區域時發生了強烈的上升運動。19 日，軌線主要來自于河南東南側和東北側，氣塊接近河南時逆時針旋轉。20 日，到達河南的軌線由河南南側和東南側向河南地區匯合，輻合特征明顯加強。綜上所述，850 hPa 以上到達河南的高濕氣塊的軌線特征在19 日和20 日之間發生了關鍵的變化。19 日，高濕氣塊從河南的東南側和東北側進入河南，水汽輻合相對而言不是特別強；而20 日，高濕氣塊從河南東側和南側兩側匯集到河南，水汽通量輻合更強，與該日的極端暴雨事實一致。

為了定量描述進入河南的高濕氣塊軌線在19日和20 日的變化，我們給出了這兩日從河南東邊界和南邊界進入的軌線數量及差異（表2）。我們按照圖10 中的軌跡分類標準，將高濕氣塊第一次進入初始場的邊界位置進行標記，以此界定氣塊進入河南的具體邊界。由表2 可見，19 日從東邊界進入的軌線有94 個，但20 日減少為42 個。與此形成鮮明對比，19 日從南邊界進入的軌線有30 個，但20 日增加到57 個。特別是850 hPa 以上層進入初始場的軌線，19 日到20 日，從東邊界進入河南的軌線由65 個減少為26 個（減少60.0%），而從南邊界進入河南的軌線由22 個增加到43 個（增加95.5%）。這些事實進一步證實，20 日高濕氣塊從河南南側涌入河南，使河南地區的水汽通量輻合急劇增強，從而導致該日極端暴雨事件。

表2 2021 年7 月19 和20 日從不同邊界進入河南區域的軌線數量Table 2 Number of trajectories entering Henan area from different borders on 19 and 20 July 2021

這一小節我們基于軌跡密度圖和氣塊軌線分析，揭示了河南暴雨水汽來源，并給出了19 日和20 日進入河南的高濕氣塊軌線分布特征及差異。分析結果表明，850 hPa 以上，河南南側南風分量的急劇增強和與此對應的高濕空氣自南側涌入河南區域是20 日極端暴雨發生的一個重要原因。這一結果與上一節的水汽通量分析結果相一致。

3.3 對流層上層環流異常及對流層頂波破碎現象

由3.1 和3.2 節分析可知，7 月20 日河南地區700 Pa 及以上的偏南風水汽輸送突然增強（圖4d和f），導致20 日極端暴雨災害的發生。而與副高和臺風有關的東風和東南風水汽通量的大小在19 日和20 日間的差異并不明顯。那么，7 月20 日河南南側的向北水汽通量在對流層中高層突然增強的原因是什么？為了回答這一問題，下面我們從對流層上層環流異常及對流層頂波破碎現象的角度進行分析。

圖11 展示了7 月19 日和20 日06:00 250 hPa、500 hPa 以及700 hPa 位勢高度場和風場分布?？梢钥吹?，對流層中高層環流在19 日和20 日發生了明顯的變化。19 日，在250 hPa 高度場上，河南西側有一個低壓槽，河南區域受槽前暖濕氣流和高壓脊的影響，與之對應，在其暖濕氣流下方生成一個西南—東北向的弱低渦系統（500 hPa），中心在河南以西。這時，700 hPa 上，河南及以南地區上空主要受東南風氣流影響，還沒有強南風分量生成。20 日，在250 hPa 高度場上，河南以西的低壓槽在向西南和東北方向延伸的同時變窄，演變為一個長斜槽。這時該槽前的暖濕平流明顯增強，與之對應，暖濕氣流下方（500 hPa）形成了一個明顯的低渦環流，而河南上空則直接受到該低渦系統偏南氣流的影響。低渦系統的生成原理與經典的鋒面氣旋生成原理（Martin, 2006）一致，都是上空暖平流誘發下方渦旋的生成。不過，渦旋生成的高度不同，鋒面氣旋生成于近地面，暖平流在對流層中層，而在此次河南暴雨過程中，低渦系統生成于對流層中層，其暖平流在對流層上層或對流層頂附近。20 日，500 hPa 低渦系統的影響也反映在700 hPa 上，該氣壓層上增強的南風和西南風將充沛的水汽帶到河南區域，引起該日的極端暴雨災害。需要指出的是，20 日河南上空850～500 hPa 層南風分量及其水汽輸送的急劇增強與臺風“煙花”的向西北移動有關。與臺風有關的質量補償過程引起次級環流（Lu et al., 2020），其下沉氣流在臺風西北側形成反氣旋流場。20 日隨著“煙花”的向西北移動，這一反氣旋流場也更加靠近河南，從而進一步加強了它與低氣壓系統之間的氣壓梯度。與之對應，河南南側850～500 hPa 層南風分量則進一步增強。

圖11 2021 年7 月19 日06:00（左列）和20 日06:00（右列）位勢高度場（等值線，單位：gpm）和風場（箭頭，單位：m s-1）分布：（a、b）250 hPa；（c、d）500 hPa；（e、f）700 hPa。等值線間隔在（a、b）中為20 gpm，而在（c-f）中為10 gpmFig. 11 Geopotential height fields (contours, units: gpm) and the corresponding wind fields (arrows, units: m s-1) respectively at (a, b) 250 hPa, (c, d)500 hPa, and (e, f) at 700 hPa at 0600 UTC on 19 July (left column) and 20 July (right column) 2021. Contour intervals in (a) and (b) are 20 gpm and in (c-f) are 10 gpm

如前所述，河南以西250 hPa 長斜槽的形成是20 日河南極端暴雨的一個重要環流原因。那么，我們如何理解20 日長斜槽的生成現象呢？為了回答這個問題，我們繪制了對應的動力對流層頂位溫場（圖12）。研究表明，兩個位渦單位面（2 PVU，PVU=10-6K kg-1m2s-1）可以代表動力對流層頂（Hoskins et al., 1985; Morgan and Nielsen-Gammon,1998; Martin, 2006; Wernli and Sprenger, 2007）。由圖12 可見，20 日在河南以西出現了對流層頂360 K 等值線向南伸入的現象，這與上述250 hPa長斜槽的形成相對應。19 日，河南西北側的360 K等位溫線延伸到37°N 附近，但在20 日該等位溫線突入到30°N 以南地區。這其實就是對流層頂波破碎現象，即天氣尺度Rossby 波的反氣旋式破碎現象（LC1 type, Thorncroft et al., 1993），表征平流層和對流層大氣不可逆轉的混合現象（Hoskins et al., 1985; Pelly and Hoskins, 2003）。當波破碎發生時，平流層低位溫大氣向低緯地區伸入，形成一個狹長的低位溫斜管，其東翼附近形成強位溫梯度和強南風分量（Morgan and Nielsen-Gammon, 1998），從而有利于對流層中下層低渦和低空急流的生成（Ralph et al., 2011）。正因為如此，對流層頂附近的波破碎現象也被認為是北美大陸西岸大氣河和極端降水發生的主要原因（Ralph et al., 2011; Ralph et al., 2017a, 2017b）。20 日的波破碎事件對應著對流層上層強西南氣流的生成，與之對應，低位溫斜管（360 K 管）或長斜槽的前方就是強西南風區，其下方正是低渦或切變線生成的地方，從而有利于偏南風和向北水汽通量的急劇增強。7 月20 日的河南極端暴雨就在這樣的環流異常條件下發生。實際上，這一現象也可解釋為平流層高位渦空氣入侵到對流層后的氣旋性環流發展過程（位渦守恒），其東側即為偏南低空急流①與丁一匯院士的個人交流?？梢哉f，對流層頂反氣旋式波破碎事件和臺風“煙花”的靠近成為了20 日河南極端暴雨災害的共同幕后推手。

圖12 2021 年7 月19 和20 日兩個位渦單位面（2 PVU 面，PVU=10-6 K kg-1 m2 s-1）的位溫（單位：K）分布，其中綠色加粗實線為360 K等位溫線。河南省界用紫色線標出Fig. 12 Potential temperature distribution (units: K) on the 2 PVU (1 PVU=10-6 K kg-1 m2 s-1) surface on July 19 and 20, 2021. The green thick solid line is for the potential temperature of 360 K. The boundary of Henan Province is marked with a purple line

4 結論與討論

本文使用國家氣象科學數據中心降水資料和歐洲中期天氣預報中心ERA5 全球再分析資料的比濕、位勢高度、風以及溫度場，同時利用LAGRANTO軌跡模式，重點分析了“7.20”河南暴雨水汽輸送特征、水汽來源以及關鍵天氣尺度系統。

雙臺風“煙花”和“查帕卡”以及西太平洋副熱帶高壓系統共同為“7.20”河南暴雨提供了充足的水汽條件。7 月17～18 日的強降水過程主要受黃淮低渦系統的影響。19～20 日，臺風“煙花”和副熱帶高壓逐漸向中國大陸靠近，兩者之間的東風氣流自海上向河南地區輸送充沛的水汽。同時，臺風“查帕卡”向北移動，雙臺風之間的水汽輻合也有利于自中國南部向河南輸送更多的水汽。21日強水汽通量及降水中心移到河南北部。但是，我們認為，雙臺風和西太平洋副熱帶高壓的水汽輸送作用主要集中在對流層下層，僅以它們的影響難以解釋7 月20 日發生的日降水量663.9 mm 和1 小時最大降水量201.9 mm 的極端暴雨事實。

水汽通量分析和基于LAGRANTO 模式的軌跡分析均表明，對20 日極端暴雨而言，河南南側850 hPa 以上的強經向水汽通量帶非常重要。這一強水汽通量帶（邊界層以上），與臺風和西太平洋副熱帶高壓對應的向西水汽通量帶（偏低層）在河南區域匯集，為極端暴雨提供了極為充沛的水汽條件。我們的分析表明，20 日在河南以西地區上空發生了對流層頂反氣旋式波破碎事件，它引發了河南南側的強經向水汽通量帶（850 hPa 以上），并在臺風“煙花”靠近大陸的情況下，導致了河南極端暴雨災害。

本文中我們側重分析了關于河南暴雨的天氣尺度環流特征。至于天氣尺度波破碎過程影響對流層中低層系統以及水汽輸送的具體細節，仍需要通過位渦反演方法以及數值模式模擬來予以刻畫和描述。與此同時，我們也需要進一步探究這些關鍵的天氣尺度系統究竟如何作用于河南暴雨中尺度系統的發展和演變。