“21·7”河南特大暴雨過程的維持機制

馬 圓，張稼樂，李林蔚，黃駿莉

(1.內蒙古自治區氣候中心，呼和浩特 010051；2.內蒙古生態與農業氣象中心，呼和浩特 010051；3.內蒙古自治區大氣探測技術保障中心，呼和浩特 010051；4.阿拉善盟氣象局，內蒙古 巴彥浩特 750306)

引 言

河南省位于中國的華中地區，是全國重要的綜合交通樞紐和人流物流信息流中心。河南省地勢西高東低，由于其獨特的地勢地形和地理位置，河南省易發生強降水過程，且歷史上河南省曾有幾次暴雨災害都是由臺風造成的。例如1975年8月5-7日，受7503號臺風的影響，河南省南部地區在3天之內降雨量達1605 mm，這次特大暴雨是由深入內陸、在河南移動受阻停滯、持續不消的7503號臺風在山區迎風面產生的[1]。由于水庫垮壩，引發洪水，淹沒了30余個縣市、118萬公頃農田，1015萬人受災，經濟損失巨大。“75·8”是中國歷史上重大的災害性事件，引起了中國政府和全世界學者的關注與重視。

特大暴雨是影響我國經濟發展與居民生命財產安全的主要災害性天氣之一，長久以來廣受關注[2-8]。近年來，國內外的學者利用不同數據和研究方法，對河南暴雨的成因及維持機制進行研究。梁鈺等[9]研究了淮河流域連續性暴雨時間分布特征、影響系統，并進行天氣分型，發現淮河流域(河南段)連續性暴雨天氣的影響系統主要有切變線和高、低空急流。連續性暴雨按照500 hPa影響系統，分為低槽型、副高邊緣型、西北低渦型三類。席世平等[10]在對比分析2012年9月上旬河南兩次區域性大暴雨天氣過程時指出，高低空影響系統的走向和配置決定了雨帶的分布，兩次大暴雨過程的最大降水中心均與“列車效應”有關。宋清芝等[11]利用再分析數據，對2005年7月20-22日河南西部特大暴雨進行了診斷分析，指出臺風低壓倒槽外圍的東南氣流和副高西南側的強東南氣流為特大暴雨過程提供了充足的水汽；輻合線和地形的作用提供了有利的動力條件；低層輻合與高空輻散的配置是特大暴雨發展和維持的依據。孟祥翼等[12]根據Q矢量理論,對 2010 年 9 月河南省暴雨過程進行診斷分析，發現850 hPa 濕Q矢量散度可以表征垂直運動，濕Q矢量負散度絕對值大值區、Q矢量鋒生函數正值區均與暴雨落區有很好的對應關系。栗晗等[13]利用地面觀測數據、雷達數據、探空數據和再分析數據，分析了2016年7月18-20日河南全省大范圍強降水過程，研究發現太行山地形和低渦氣旋背景為“7·19”特大暴雨過程提供了有利的水汽和動力條件，中尺度地形輻合線生成發展和維持，和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。雷蕾等[14]研究了“7·19”河南特大暴雨過程中低渦發展的演變機制，結果表明，強降水與低渦發展的正反饋過程是這次暴雨過程得以長時間維持的重要機制之一，這一過程形成的持續性潛熱釋放也是對流層中上層低渦系統熱力結構發生改變的重要原因。呂林宜等[15]利用華東區域模式預報產品，對2016年7月19日河南省極端暴雨進行了天氣學診斷與分析，發現華東區域模式能提前60 h預報該暴雨過程，預報的降水中心、強度、強降水發生時段、臨近時效和極端暴雨中心極值效果良好。模式能較好地描述地面輻合線及氣旋位置，預報出主要的影響系統，對暴雨預報業務有重要指示意義。但系統仍存在一定偏差。趙思雄等[16]分析了“7·19”河南特大暴雨過程發生的有利條件，結果表明，高、低空系統的耦合及副熱帶高壓和西風槽的相互作用，是造成此次過程持續時間長、累積降水量較大的主要原因。王軍等[17]利用多種觀測數據和再分析數據，分析了2018年18號臺風“溫比亞”引發河南特大暴雨過程的中尺度系統特征，結果表明，400 hPa附近的高位渦中心下傳至近地面，激發中尺度系統發展，是引發極端降水的重要機制。

2021年7月17-22日，河南中北部出現區域性特大暴雨，導致嚴重洪澇災害。全省因災死亡失蹤398人。本文以“21·7”河南特大暴雨過程為研究對象，從天氣分析與診斷的角度探討本次過程發生與維持機制，以期為河南省暴雨預報提供參考依據。

1 數據來源

本文使用的降水數據為河南省121個地面觀測站的逐小時降水觀測數據。

環流場分析和天氣診斷所用數據為中國氣象局的中國第一代全球大氣/陸面再分析產品(CRA)，物理量包括位勢高度、溫度、相對濕度、垂直速度、經向風和緯向風。水平分辨率為1.0°×1.0°，時間分辨率為逐日，垂直方向從1000 hPa到1 hPa共有47層。

濕位渦計算的數據為美國國家環境預報中心及大氣研究中心(NCEP/NCAR)的逐日再分析數據，變量包括溫度、相對濕度、經向風和緯向風，空間分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向包含1000-10 hPa共17層等壓面數據。

雷達基礎反射率圖片來自中國氣象數據網(http://data.cma.cn/site/index.html)，其時間分辨率為6 min。

2 雨情概況

2021年7月17-22日，河南省出現了歷史罕見的極端特大暴雨過程。強降水主要集中在以鄭州為中心的河南省北中部，過程降水量超過500 mm的站點有15個，分別為登封、滎陽、鞏義、焦作、修武、獲嘉、湯陰、安陽、嵩山、鶴壁、新密、淇縣、衛輝、輝縣和鄭州(圖1)。其中，鄭州過程最大降水量為新密白寨站的993.1 mm；最大逐日降水量為7月20日鄭州國家站的624.1 mm；最大小時降水量為鄭州國家站的201.9 mm，出現在7月20日16-17時。這次極端暴雨過程有多個站點突破了建站以來同期降水量，具有影響范圍廣，持續時間長，累積雨量大的特點(圖2)，歷史罕見。

圖1 2021年7月17-22日河南省累積降水量

圖2 2021年7月17-22日河南省逐日降水量

3 環流形式

根據500 hPa環流形式的演變特征，在此次過程期間，河南省對流層中層整體受低壓系統控制和切變影響(圖3)。7月17日，東南沿海地區有一個低壓系統，河南省東南部受低壓的影響，局地出現中到大雨，最大24 h累積降水量出現在固始站，降水量為107.6 mm。7月18日，低壓中心向西移動，整個低壓系統有3個輻合中心，一個位于海上，一個位于安徽省和江西省的交界處，最后一個位于河南省西部。7月19日，河南省西部的低壓中心維持發展，河南省西部和中部受該系統的控制，開始出現大范圍的強降水。7月20日，河南省西部的低壓中心向北移動至河北以西，并發展出一條南-北走向的槽線，河南省位于槽前，有強盛的上升氣流，為暴雨的發展提供了有利的動力條件；此外，河南省北部出現一條西北-東南走向的暖式切變線，切變線上水平輻合明顯，有利于上升運動增強，強降水區主要集中在切變線北部。7月21日，低壓中心略向北移，暖式切變線消失，但河南省以西依然存在一條槽線，為降水提供動力條件。7月22日，低壓中心繼續北移，槽線消失，河南省暴雨過程基本結束。在此次過程中，海洋上副高和大陸高壓脊強盛，東南沿海地區以偏南風為主，而副熱帶地區以偏東風為主，“煙花”受“兩高”制約，無法向北、向西移動，導致臺風穩定少動，環流形式難以調整，這是此次過程能持續6天之久的主要原因之一。

圖4為2021年7月17-22日700 hPa的環流形勢。7月17-18日，河南省南部主要受低壓系統影響。7月19日，河南省西南部有明顯的暖式切變線。7月20日，河南省西南部氣旋式環流的曲率增加并延伸至河南中部，切變增強。7月21日，暖式切變線北抬。7月22日，暖式切變線減弱至消失，本次過程基本結束。850 hPa環流形勢(圖略)與700 hPa的基本一致。

另外，在雙臺風“藤原效應”的作用下，南海臺風“查帕卡”與“煙花”圍繞同一個中心旋轉，這也是雙臺風穩定少動的原因之一。

4 診斷分析

4.1 水汽條件

水汽通量是指在單位時間內流經某一單位面積的水汽質量，是表示水汽輸送強度的物理量。水汽的運輸方向主要受風向的影響[18]。水汽通量散度表征水汽通量的源與匯。當水汽通量散度大于0時，表明水汽通量輻散，是水汽的源；當水汽通量散度小于0時，表明水汽通量輻合，是水汽的匯。圖5給出了“21·7”河南特大暴雨過程850 hPa水汽通量及其散度的空間分布。7月17日(圖5a)，河南東部上空為水汽輻散中心，西部為弱水汽輻合中心，在此類水汽條件控制下，不利于暴雨的形成和發展。7月18日(圖5b)，河南省上空整體被弱水汽輻合中心控制，僅在中部存在弱水汽輻散中心。7月19日(圖5c)，河南省中部和北部的水汽輻合中心發展，強度在-50×10-6g/(s·cm2·hPa)左右。受“煙花”和副熱帶高壓之間建立的強風速帶影響，水汽主要來自西北太平洋，從遙遠的太平洋運輸到內陸深處，為“21·7”河南特大暴雨提供了有利的水汽條件。“煙花”穩定少動伴隨強度增加，此時河南以東位于副高南側和“煙花”北側之間的東南氣流正逐步加強。7月20日(圖5d)，河南省中北部的水汽輻合中心延伸，河南省上空整體受水汽輻合控制，中部和北部的水汽輻合中心強度維持在-50×10-6g/(s·cm2·hPa)左右，此時“煙花”向西移動1～2個經距，導致華東至華中地區風速增加，為河南帶來充沛的水汽。7月21日(圖5e)，水汽通量輻合區主要集中在河南省北部，導致該日降水區主要集中在豫北(圖2e)。7月22日(圖5f)，河南上空轉為水汽輻散，削弱了水汽條件，“21·7”特大暴雨過程基本結束。

圖5 2021年7月17-22日850 hPa水汽通量(箭頭)及其散度(填色區)的空間分布

4.2 動力條件

垂直運動不僅直接與云、雨等天氣現象相聯系，而且其分布和變化對天氣系統的發展也有重要影響[18]。水汽在降水地區輻合上升，在上升中絕熱膨脹冷卻凝結成云，形成有利于降水發生的垂直運動條件[19]。

圖6給出了“21·7”河南特大暴雨過程中散度與垂直速度的逐日演變特征。7月17-18日(圖6a、b)，河南省南部上空低層輻合、高層輻散，產生垂直上升運動，引起南部降水。中部上空以輻散為主，且低層強而高層弱，產生下沉運動。7月19日(圖6c)，河南省上空的散度明顯增強，850 hPa以下為輻合中心，強度在-14×10-6s-1左右，150-200 hPa的輻散中心強度大于10×10-6s-1。低層輻合、高層輻散的配置產生大氣“抽吸”作用，引起強烈的上升運動。河南省中北部上空1000-300 hPa的范圍內出現強度大于-50×10-2Pa·s-1的上升運動中心，為暴雨增強提供了有利的動力條件。7月20日(圖6d)，河南省上空的散度中心進一步增強，輻合中心值大于-16×10-6s-1，位于925 hPa附近，輻散中心值在14×10-6s-1左右，位于150-200 hPa，導致河南省上空的上升運動增強，成為本次過程中的最強階段，對應“21·7”河南特大暴雨過程最強降水時刻(圖2d)。7月21日(圖6e)，河南省低層的輻合中心減弱，導致垂直運動逐漸減弱，但河南北部上空依然維持較強的上升運動。7月22日(圖6f)，河南省上空的散度中心顯著減弱，上升運動進一步減弱北移，暴雨過程趨于結束。

圖6 2021年7月17-22日散度(等值線)、垂直速度(填色區)沿113°E的垂直分布

此外，河南省西部地形主要以山地和丘陵為主，地形抬升作用產生的上升運動，也對本次強降水過程起到促進作用。

4.3 不穩定層結條件

4.3.1 假相當位溫

假相當位溫是指飽和(或未飽和)濕空氣塊在絕熱上升(先是干絕熱上升到達凝結高度以后再濕絕熱上升)過程中，在氣塊本身維持飽和的狀態下，凝結出來的液態水立即脫離上升氣塊，直到該空氣塊所具有的水汽全部凝結完畢并脫落以后，該空氣塊所具有的位溫[20]。由于假相當位溫在干、濕絕熱過程中均是保守的，所以可以用它作氣團和鋒面的分析[21]。圖7為“21·7”河南特大暴雨過程中假相當位溫沿113°E的垂直分布。7月17-22日(圖7a、b、c、d、e、f)，河南省上空的假相當位溫在500 hPa以下表現為隨高度增加而降低的分布特征，這表明此次過程中河南省對流層低層為上冷下暖的不穩定層結結構，為過程的發生、發展提供了有利的對流不穩定條件。

圖7 2021年7月17-22日假相當位溫沿113°E的垂直分布

4.3.2 濕位渦

濕位渦(Moist Potential Vorticity, MPV)是綜合表征動力和熱力作用的物理量。在不考慮垂直速度水平變化的情況下，MPV在P坐標系中的表達式如下：

MPV=MPV1+MPV2

(1)

(2)

(3)

通過分析不同高度上MPV的分布特征，發現925 hPa高度MPV對降水有較好的指示作用。圖8所示為“21·7”河南特大暴雨過程期間925 hPa高度上MPV1水平分布的逐日演變，在過程期間，河南省上空大氣處于對流不穩定狀態。7月17日(圖8a)，河南省西部出現MPV1負值的絕對值大值中心，但由于缺少水汽和動力條件的配合，豫西未出現強烈的降水。7月18日(圖8b)，MPV1的分布調整不大，但由于河南北部垂直上升運動增強，安陽和鶴壁的降水量較前一日增強。7月19-20日(圖8c、8d)，河南全省處于對流不穩定區，北中部水汽輻合強烈，垂直上升運動大大增強，導致河南中部和北部出現強烈降水。7月21日(圖8e)，盡管河南東南部的對流不穩定發展，但水汽輻合區和較強的上升運動區仍位于北中部，因此北中部出現了較強的降水。7月22日(圖8f)，雖然河南省對流不穩定條件在發展，但水汽條件和上升運動均不利于強降水的維持，本次暴雨過程基本結束。需要說明的是，MPV1僅表征層結的穩定性，而對流不穩定條件不是決定降水的唯一條件，因此MPV1的大小不能絕對表征降水的強弱，還需要配合水汽條件和動力條件等進一步分析。

圖9給出了7月17-22日925 hPa高度上MPV2水平分布的逐日演變。從圖上可以看出,日降水量≥50 mm的站點均落在MPV2的正值區，但與MPV2最大中心的對應并不是很好。表明MPV2正值區對強降水的落區有較好的指示作用，但與MPV2數值對應的指示意義還需要綜合考慮其他的因素，結合其他診斷量共同分析。

圖9 2021年7月17-22日925 hPa MPV2(等值線)和日降水量≥50 mm的站點(圓點)分布

5 列車效應

長時間的降水過程不一定是由一塊穩定不動的降雨回波造成的，而是由對流系統反復生成和發展的多個對流回波先后經過同一個區域造成的。這種現象被稱之為“列車效應”。“列車效應”是形成降水時間長、累積雨量大的重要因素[24-25]。“列車效應”整體回波呈帶狀分布特征，其回波的平均反射率一般為35～45 dBZ，且帶狀回波的移動速度小于15 km·min-1[26]。為了解釋“列車效應”對“21·7”河南特大暴雨過程的影響，本文選取2021年7月20日16:12-19:12華北地區逐小時水平基礎反射率為例進行解釋(圖10)。7月20日16:12，鄭州市及平頂山市北部有兩塊對流回波，其基礎反射率大于45 dBZ(圖10a)。16：18-17：06，河南省中部的對流云團發展并緩慢地向北移動(圖略)。17：12，河南省中部和北部的小型對流云團明顯增多，鄭州市局部的基礎反射率超過了55 dBZ(圖10b)，對應降水最強烈的階段。17：18-18：06，帶狀回波繼續向北移動，鄭州市上空成片的云團強度減弱并逐漸分裂成眾多小型云團(圖10c)。18：12，盡管河南省中部的回波有所減弱，但河南省南部的新云團逐漸發展起來(圖略)。19：12(圖10d)，河南省許昌市及鄭州市南部又出現新的帶狀回波，基礎反射率大于45 dBZ，19：18-20：12該帶狀回波北移，同時又有新的云團在南陽市北部、平頂山市南部發展(圖略)。正是這樣重復不斷的“列車效應”，使河南省多地出現特大暴雨過程。

圖10 2021年7月20日16：12(a)、17:12(b)、18：12(c)、19：12(d)華北地區基礎反射率的水平分布

6 結論與討論

本文利用降水觀測數據、CRA再分析數據、NCEP再分析數據等,通過天氣分析與診斷的方法,研究了“21·7”河南特大暴雨過程的維持機制，得到以下結論：

(1)2021年7月17-22日，河南省出現了歷史罕見的極端特大暴雨過程，強降水主要集中在以鄭州為中心的河南省北中部，降水最強時段為7月19-20日。本次過程有暴雨持續時間長、累積雨量大的特點。

(2)在此次過程期間，河南省對流層中、低層受低壓系統和切變線的影響。海洋上副高和大陸高壓強盛，“煙花”受“兩高”制約，無法向北、向西移動；南海臺風“查帕卡”與“煙花”穩定少動，環流形式難以調整，是此次過程能持續6天之久的主要原因之一。

(3)在副高南側和“煙花”北側有一條強東南風速帶，將西北太平洋上的水汽不斷輸送至內陸，為“21·7”河南特大暴雨過程提供了充沛的水汽；河南省上空低層輻合、高層輻散，在大氣的“抽吸”作用下產生了強烈的上升運動，為此次過程提供了有利的動力條件，河南省西部山地丘陵地形對偏東風的抬升作用，對強降水起到促進作用；假相當位溫的垂直分布表明，河南省對流層低層為上冷下暖的不穩定層結，為暴雨的發生、發展提供了有利的對流不穩定條件。

(4)925 hPa濕位渦的分析表明，河南省一直處于MPV1≤0的區域，即大氣處于對流不穩定狀態，這與假相當位溫的分析一致；日降水量≥50mm的站點均落在MPV2的正值區，即MPV2正值區對強降水的落區有較好的指示作用，但與MPV2數值對應的指示意義還需要綜合考慮其他的因素。

(5)“列車效應”對此次強降水過程的發生和維持具有重要的影響。重復不斷的“列車效應”，是“21·7”河南多地出現特大暴雨的原因之一。

本文利用天氣分析與診斷的方法，從水汽條件、動力條件和不穩定層結條件的角度分析了“21·7”河南特大暴雨過程維持的機制。然而還缺少地形對降水增幅的研究，河南地形特殊，西部以山地丘陵為主，東部遍布平原，地形的抬升作用對此次降水過程加強有貢獻。另外，本文還缺少對此次過程極端性的研究。在7月20日16-17時，鄭州市的小時降水量為201.9 mm，極端性歷史罕見。是什么因素導致降水突然增強？針對本次過程的極端性研究將在未來進一步完善。