“21.7”河南暴雨暖濕季風輸送帶加強及關鍵天氣流型的準地轉(zhuǎn)位渦反演

謝作威 布和朝魯 諸葛安然 連汝續(xù) 廖振楊 閻潔 林大偉

1 中國科學院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學中心, 北京100029

2 杭州市蕭山區(qū)氣象局, 杭州311200

3 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學）, 北京102206

4 中國氣象局人工影響天氣中心, 北京100081

5 中國氣象局云降水物理與人工影響天氣重點開放實驗室, 北京 100081

1 引言

環(huán)流多尺度相互作用和有利的地形使河南地區(qū)于2021 年7 月18～21 日遭遇了歷史上罕見的極端暴雨，簡稱“21.7”河南暴雨（梁旭東等, 2022）。與“75.8”極端暴雨相類似，這次暴雨也具有持續(xù)時間長、累積雨量大和強降水范圍廣的特點（丁一匯, 2015, 2019; 蘇愛芳等, 2021）。此次極端暴雨以20 日最為明顯，鄭州單日降水量為624.1 mm，在15～18 時有12 站小時降水量超過100 mm 的極端短時強降水，給人民生命財產(chǎn)安全和社會經(jīng)濟帶來了巨大的損失，引起了國家的高度重視（Fu et al., 2022; Li et al., 2022）。

丁一匯（2015, 2019）指出暖濕季風輸送帶是華北地區(qū)發(fā)生大暴雨或極端降水的必要條件，這種暖濕季風輸送帶是熱帶輻合帶及其關聯(lián)的夏季風明顯加強北推的結果，它把低緯度的水汽和熱量持續(xù)輸送到華北地區(qū)。穩(wěn)定大尺度背景環(huán)流下的多條水汽供應及輻合，造成了“21.7”河南極端暴雨（Yin et al., 2022）。其中，黃淮地區(qū)低壓東南側的西南氣流和副熱帶高壓與臺風“煙花”之間的東南氣流是此次極端暴雨的兩條異常強盛的水汽輸送帶，這兩條水汽輸送帶在太行山和嵩山地形阻擋下匯合在河南北部，為極端暴雨供應充沛的水汽（冉令坤等, 2021; 張霞等, 2021）。與東南氣流相比，西南氣流的可降水量偏高（冉令坤等, 2021），且進入河南氣塊的軌跡也偏多（Nie and Sun, 2022）。對于7 月20 日極端性降水來說，在這兩條水汽中，河南南部的經(jīng)向水汽通量帶（850 hPa 以上）有明顯的加強，這為極端暴雨提供了更有利的水汽供應（布和朝魯?shù)? 2022）。在上述研究中，都注意到了20 日有明顯的偏南風加強，實際上它是形成含水量極高暖濕季風輸送帶的直接原因。

強偏南風不僅為河南暴雨輸送了暖濕氣流，也為發(fā)生暴雨的天氣系統(tǒng)提供了有利的動力條件（齊道日娜等, 2022; 蘇愛芳等, 2022）。低渦、切變線、中低層低槽和鋒面等是河南暴雨的主要天氣系統(tǒng)（梁鈺等, 2020; 羅亞麗等, 2020; 冉令坤等, 2021）。在“21.7”極端暴雨過程中，東風和偏東南風在河南地區(qū)低層形成穩(wěn)定少動的切變線；同時，低空急流中偏南風的加強，在其西側有強烈氣旋式切變，這有利于黃淮地區(qū)低壓的形成和維持；而對流層中低層的切變線和低壓是此次極端暴雨的主導系統(tǒng)（蘇愛芳等, 2021, 2022; 齊道日娜等, 2022）。上述研究還指出，南支氣流與低層偏東氣流形成對峙，使河南地區(qū)處于中性層結，有利于上升運動的維持和發(fā)展，進而造成極端降水事件；同時，偏南氣流不僅有利于河南南部的高渦度平流至鄭州地區(qū)，還有利于多個分散單體快速北移至鄭州地區(qū)。數(shù)值模擬研究表明，準確刻畫出這支對流層中低層的偏南氣流可準確預報出極端降水的落區(qū)（Xu et al., 2022）。

綜上所述，暖濕季風輸送帶對極端暴雨非常重要。而對它加強的原因，已有研究關注到了熱帶系統(tǒng)的作用，如熱帶輻合帶的北推、南支槽的向南加深和季風涌的季節(jié)內(nèi)低頻振蕩等（柳艷菊等, 2015;丁一匯, 2019）。但僅以熱帶系統(tǒng)難以解釋中緯度河南南部地區(qū)在7 月20 日偏南風“突然”加強的現(xiàn)象。另外，近年來國內(nèi)外發(fā)現(xiàn)，中高緯大氣環(huán)流系統(tǒng)和對流層中高層波破碎對暖濕輸送帶或大氣河形成起著很重要的作用（Zhang et al., 2017, 2021;張若楠等, 2018; 丁一匯, 2019; Wang et al., 2021; 布和朝魯?shù)? 2022）。那么，“21.7”極端暴雨的暖濕季風輸送帶中偏南風的加強，主要的貢獻是來自高層還是低層環(huán)流？具體是什么環(huán)流的影響？同時，這種高濕高溫的氣塊往中高緯輸送過程中，是否有來自于潛熱釋放后對環(huán)流的反饋作用使得偏南風加強？圍繞上述三個問題，本文以“21.7”極端暴雨河南地區(qū)偏南風加強為研究對象，使用準地轉(zhuǎn)位渦反演考察逐層環(huán)流對偏南風加強的貢獻，分析關鍵層次的環(huán)流對偏南風加強的作用，力圖為河南等華北地區(qū)的極端暴雨發(fā)生機理提供一些新的線索和依據(jù)。

2 資料和方法

2.1 資料

本文使用的降水量資料為國家氣象科學數(shù)據(jù)中心提供的中國地面氣象站逐小時觀測資料，共2170 個站點（http://data.cma.cn/data/detail/dataCode/A.0012.0001.html[2022-01-05]）。逐日累積降水量為08 時（北京時，下同）至次日08 時的逐小時降水量之和。

本文使用的再分析資料為同期歐洲中期天氣預報中心提供的第五代大氣再分析全球氣候數(shù)據(jù)（ERA5；Hersbach et al., 2020），ERA5 是歐洲中期天氣預報中心的?ntegrated Forecast System 的四維變分資料同化和CY41R2 模型預報產(chǎn)生的。本文所采用的分析資料包括地表平均感熱通量、氣壓層的三維風場、比濕及位勢場和模式層的非絕熱加熱率，水平分辨率為1°×1°。氣壓層的垂直分辨率為1000 hPa 至100 hPa 之間每隔50 hPa 取一層，共19 層，時間分辨率為一日四次。而模式層的非絕熱加熱資料在垂直方向上共137 層（https://confluence.ecmwf.int/display/UDOC/L137+model+le vel+definitions [2022-01-05]）為模式預報結果，該非絕熱加熱率考慮了長短波輻射、垂直擴散、大尺度凝結和對流加熱等諸多物理過程的參數(shù)化方案，但沒有考慮數(shù)值耗散的影響。我們使用德國馬普氣象研究所的Climate Data Operators 軟件的“ml2pl”參數(shù)將模式層資料插值到上述19 層氣壓層上，為了使非絕熱加熱的累計效應更為精確，使用逐小時資料進行累加。

2.2 準地轉(zhuǎn)位渦分部反演

本文采用準地轉(zhuǎn)位渦分部反演來描述不同層次位渦異常對某一層次環(huán)流異常的貢獻（Nielsen-Gammon and Lefevre, 1996; Evans and Black, 2003;施寧和布和朝魯, 2015; Xie et al., 2019），準地轉(zhuǎn)位渦異常的計算公式為

其中，Q為非絕熱加熱率，R為氣體常數(shù)，邊界條件同樣為馮伊曼邊界條件。

3 結果

3.1 降水和風場分布特征

已有研究表明（冉令坤等, 2021; 蘇愛芳等,2021; 齊道日娜等, 2022），此次河南極端暴雨過程具有持續(xù)時間長、范圍廣、累積雨量大、短時降水強等特征。圖1 所示為此次極端暴雨過程的日累計降水分布特征，使用國家氣象中心預報技術研發(fā)室檢驗科研發(fā)的meteva 程序庫中的cressman 插值算法把站點資料插值到了格點上。日累計降水量分析表明，暴雨在7 月18 日主要分布于河南的周邊地區(qū)（圖1a），19 日聚集在河南中南部地區(qū)（圖1b），20 日暴雨中心移至鄭州，鄭州地區(qū)平均降水量超過500 mm（圖1c），21 日暴雨區(qū)域向北擴展，中心北移至河南北部（圖1d）。

圖1 2021 年7 月18～21 日逐日08 時（北京時，下同）至次日08 時累積降水量（單位：mm d-1）：（a）18 日；（b）19 日；（c）20 日；（d）21 日Fig. 1 Daily accumulated precipitation (units: mm d-1) from 0800 BJT (Beijing time) to 0800 BJT of the following day for July 18–21, 2021: (a) 18;(b) 19; (c) 20; (d) 21

對于這樣大范圍和高強度的極端暴雨，特別是7 月20 日，大尺度環(huán)流對水汽的輸送和組織尤為重要。布和朝魯?shù)龋?022）研究表明，河南南側850 hPa 以上的強經(jīng)向水汽通量帶在20 日河南極端暴雨中起著非常重要的作用。為了考察這一經(jīng)向風的特征，圖2 給出了7 月18～21 日800 hPa逐日平均比濕場和水平風場。18 日（圖2a），有一明顯的濕舌由緬甸沿著青藏高原東麓向北伸至黃土高原和河南地區(qū)，這表明，東亞夏季風或暖濕季風輸送帶向北推至我國北方，將暖濕氣流源源不斷供應至北方地區(qū)。在這一濕舌內(nèi)，18 日至21 日由西南風逐漸轉(zhuǎn)為南風。同時，我國南部沿海的臺風“查帕卡”逐漸西行，其攜帶的暖濕氣流與西南季風的濕舌合并，為河南暴雨進一步提供了水汽來源。而在該濕舌的東北側，有一寬廣的東南風分布于東海至內(nèi)蒙古地區(qū)（圖2a）。隨著副熱帶高壓的西伸和臺灣東部海面上臺風“煙花”的西進，該東南風逐漸加強向西南和東北擴展，將濕舌進一步向北推至河套地區(qū)（圖2b–d）。

圖2 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日的800 hPa 日平均比濕（填色，單位：kg kg-1）和水平風場（箭頭，單位：m s-1）。紅色曲線為河南省界，黑色曲線分別為長江和黃河，灰色為3000 m 以上的青藏高原Fig. 2 Daily mean 800-hPa specific humidity (shaded, units: kg kg-1) and horizontal wind (arrows, units: m s-1) on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d)21 2021. The red and two black curved lines mark the boundary of Henan Province and the Changjiang and Huanghe Rivers, respectively. The gray shaded area designates the Tibetan Plateau above 3000 m

值得注意的是，隨著這一寬廣的東南風逐漸向西南擴展，河南地區(qū)南風逐漸加強和向北推進，并與這一東南風形成切變線。7 月19～20 日，長江中游地區(qū)的偏南風明顯加強并向北移至河南中部地區(qū)，河南中部地區(qū)切變線特征明顯（圖2c），恰好對應著極端降水中心（圖1c）。在21 日（圖2d），南風進一步向北推進，與之對應，切變線移至河南北邊的省界，極端降水中心也向北移動（圖1d）。河南地區(qū)的東南風向南風的轉(zhuǎn)變，對水汽的輸送起著重要的調(diào)整作用。布和朝魯?shù)龋?022）的研究結果表明，19～20 日，由東向西進入河南東側的高濕氣塊軌跡數(shù)量減少一半以上，而由南向北進入河南南側的高濕氣塊軌跡數(shù)量增加了近一倍，這一轉(zhuǎn)變，更有效地將南邊高溫高濕的水汽輸送至河南地區(qū)。本文提及的800 hPa 東南風和南風的切變線，與齊道日娜等（2022）所指出的850 hPa 東南風與東風的切變線并不相矛盾，這主要是由于經(jīng)向風和緯向風的垂直分布差異造成的。由下文水平風垂直剖面分析可知，在對流層中低層，東風中心位于850 hPa附近，而南風中心位于800 hPa 附近。

布和朝魯?shù)龋?022）發(fā)現(xiàn)，由河南南側進入的高濕氣塊軌跡線主要位于對流層850～700 hPa，而東側進入的軌跡線主要位于對流層900～850 hPa。那么，河南地區(qū)的風場有什么樣的垂直分布特征，導致了進入河南地區(qū)的軌跡線數(shù)量在不同層次上的變化，以及造成了切變線在不同層次不同方向的切變？此外，與氣候態(tài)相比，風場的異常是否出現(xiàn)在平均的大值區(qū)？為了說明這些問題，圖3 給出了河南地區(qū)（31°～36°N，110°～116°E）區(qū)域平均的風場及其異常的氣壓–時間剖面圖。整體上，暴雨期間河南地區(qū)的東風和南風明顯加強，南風的加強分布于對流層低層至高層，而東風的加強主要出現(xiàn)在對流層中低層。

就經(jīng)向風而言，在7 月18 日，北風轉(zhuǎn)為南風首先出現(xiàn)于對流層低層，然后是對流層中層（圖3a），而其異常仍主要為北風（圖3b）。在19 日，南風進一步加強，高度可至150 hPa，有兩個中心分別位于800 hPa 和250 hPa 附近，南風異常整體分布的氣壓層略偏高，異常中心分別為750 hPa 和200 hPa 附近。在20 日，低層南風中心達到了峰值，平均強度為8 m s-1，其異常值為5 m s-1，正與河南極端暴雨時段相對應。盡管高層南風也顯著加強，但在21 日初達到了峰值。之后，整層南風迅速減弱，在22 日為北風異常。盡管有很明顯的非地轉(zhuǎn)風，但準地轉(zhuǎn)風的分布特征與實際風場比較相似，也能反映出20 日對流層中低層南風加強這一關鍵特征。

與南風明顯不同的是，東風主要出現(xiàn)在對流層中低層（圖3c），并且其范圍由400 hPa 以下逐漸縮小到了7 月20 日晚的750 hPa 以下，其中心主要位于850 hPa 附近。緯向風異常整層基本為偏東風，其強度表現(xiàn)出自上而下逐步減弱的分布特征，18 日東風異常中心位于對流層中高層，而后主要分布于對流層中低層。盡管20 日對流層低層有東風及其異常中心，但其異常較19 日有所偏弱。這表明，對于20 日的河南極端暴雨而言，南風的加強可能更為重要。

研究表明，在河南暴雨過程中，對流層中層有低壓活動（蘇愛芳等, 2021; Yin et al., 2022），那么對流層中層南風是否受其影響而使得區(qū)域平均值偏小呢？實際上，在500 hPa，低壓中心主要位于河南地區(qū)的外圍，7 月18 日為東南側，19 日為西側，20～21 日為西北側（蘇愛芳等, 2021），因此，河南區(qū)域平均風場基本上沒有受到低壓中心兩側不同方向風場相互抵消的影響。另外，在20～21 日，受副熱帶高壓西伸的影響，5840 gpm 等值線已伸至河南南側地區(qū)（齊道日娜等, 2022），并且該地區(qū)在400 hPa 有閉合高壓中心（圖略），這種高低壓配置使得河南地區(qū)在對流層中層以緯向風為主，經(jīng)向風較弱。而在對流層高層，受河套槽或反氣旋式波破碎的影響（蘇愛芳等, 2021; 布和朝魯?shù)?2022），河南地區(qū)有明顯的南風。因此，南風在對流層低層和高層分別有一中心。

綜上所述，河南以南地區(qū)有明顯的偏南風加強，一方面它將高溫高濕空氣輸送至河南地區(qū)，另一方面與副熱帶高壓邊緣的東南氣流形成切變線，特別是7 月20 日，這兩者共同為極端暴雨提供了非常有利的條件。與偏東風相比，南風及其加強不僅僅出現(xiàn)在對流層低層，而且向上擴展至150 hPa 高度，可見，它可能對極端暴雨起著更為重要的作用。

3.2 南風異常及其主導環(huán)流

根據(jù)3.1 節(jié)分析，7 月20 日南風的加強對極端暴雨尤為重要，同時，地轉(zhuǎn)風場與實際風場的變化也較為相似，也能反映20 日南風加強這一關鍵特征。我們采用準地轉(zhuǎn)位渦分部反演，來研究造成這種變化的關鍵氣壓層環(huán)流。首先，由位勢高度異常計算得到準地轉(zhuǎn)位渦異常，然后把逐個氣壓層的位渦異常反演得到位勢高度異常場，最后通過地轉(zhuǎn)近似得到地轉(zhuǎn)風異常。考慮到經(jīng)向風異常中心所在的氣壓層較經(jīng)向風偏高50 hPa，即由800 hPa 升至750 hPa（圖3a 和3b），我們選取經(jīng)向風異常中心所在的750 hPa 氣壓層來驗證準地轉(zhuǎn)位渦反演風場的準確性。

圖3 2021 年7 月18～22 日河南地區(qū)（31°～36°N，110°～116°E）區(qū)域平均的（a）經(jīng)向風及其（b）異常和（c）緯向風及其（d）異常的氣壓—時間剖面（單位：m s-1）。填色和等值線分別為原始風場和地轉(zhuǎn)風，等值線間隔為1 m s-1Fig. 3 Pressure–time cross section (units: m s-1) of the areal mean (a) meridional wind and (b) its anomaly and (c) zonal wind and (d) its anomaly over the Henan region (31°–36°N, 110°–116°E) during July 18–22, 2021. The shading and contours are the wind and geostrophic wind, respectively.The contour interval is 1 m s-1

圖4 給出了750 hPa 地轉(zhuǎn)風異常及其來自于1000～100 hPa 準地轉(zhuǎn)位渦異常的反演結果。整體而言，它與上述800 hPa 風場的分布（圖2）也較為一致。我國中東部地區(qū)，地轉(zhuǎn)風異常和實際風異常的分布比較吻合，其偏差主要表現(xiàn)為南北風異常偏強，這種偏差在低緯度地區(qū)更為明顯。由準位渦反演得到的地轉(zhuǎn)風異常的分布與地轉(zhuǎn)風異常分布基本一致，偏差主要出現(xiàn)在兩個臺風環(huán)流中。在7月18～19 日期間（圖4a 和4b），中國東部至河南地區(qū)主要為偏東風異常；而在20 日（圖4c），盡管中國東部地區(qū)主要為偏東風異常，但河南的中南部地區(qū)有明顯的偏南風異常；偏南風異常在21日進一步向北擴展（圖4d）。準地轉(zhuǎn)位渦反演得到的地轉(zhuǎn)風異常略有偏差（圖4e–h），而河南地區(qū)的地轉(zhuǎn)風偏差主要出現(xiàn)在19～20 日，特別是20 日，在河南的東南和西部地區(qū)南風異常偏大1 m s-1，而河南的北部地區(qū)南風異常偏小1 m s-1，但這些偏差與地轉(zhuǎn)風和實際風之間的偏差分布相反。盡管準地轉(zhuǎn)位渦反演在河南地區(qū)略有偏差，但基本上反映了該地區(qū)的風場特征。

圖4 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日的750 hPa 地轉(zhuǎn)風異常場（箭頭，單位：m s-1）和地轉(zhuǎn)經(jīng)向風偏差（填色），藍色曲線為河南省界，黑色曲線分別為長江和黃河，灰色為3000 m 以上的青藏高原。（e–f）同（a-d），但為準地轉(zhuǎn)位渦反演得到的地轉(zhuǎn)異常風和地轉(zhuǎn)經(jīng)向風偏差（填色）Fig. 4 750-hPa geostrophic wind anomaly (arrows, units: m s-1) and ageostrophic meridional wind (shading) on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d) 21 2021. The blue and two black curved lines mark the boundary of Henan Province and the Changjiang and Huanghe Rivers, respectively. The gray shaded area designates the Tibetan Plateau above 3000 m. (e–h) same as (a–d), but for the geostrophic wind anomaly inverted from the quasigeostrophic potential vorticity (QGPV) and the bias of the meridional geostrophic wind to the original meridional geostrophic wind (shading)

為了考察不同氣壓層環(huán)流對河南地區(qū)平均經(jīng)向風的貢獻，我們對950～150 hPa 逐層準地轉(zhuǎn)位渦異常進行了反演，并利用地轉(zhuǎn)近似計算出了750 hPa和200 hPa 地轉(zhuǎn)風異常。考慮到準地轉(zhuǎn)位渦在950 hPa 和150 hPa 層次上的垂直方向上二階差分涉及到邊界條件，我們將邊界條件的影響（即邊界上的熱力影響）放入到了這兩層中，而在其它層位渦的反演過程中，馮伊曼邊界條件中 θ′設為0。實際上，上邊界條件的影響幾乎可忽略，而下邊界條件有非常強的偏北風影響，使得950 hPa 準地轉(zhuǎn)位渦對風場的貢獻為偏北風。圖5 給出了逐層準地轉(zhuǎn)位渦異常反演得到750 hPa 和250 hPa 河南地區(qū)（31°～36°N，110°～116°E）區(qū)域平均的經(jīng)向風異常。可見，對流層中低層準地轉(zhuǎn)位渦異常對河南地區(qū)經(jīng)向風的貢獻主要為南風，而對流層高層及以上的準地轉(zhuǎn)位渦異常對河南地區(qū)經(jīng)向風的貢獻為北風。

圖5 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日逐層氣壓面上的準地轉(zhuǎn)位渦異常反演得到的河南地區(qū)（31°～36°N，110°～116°E）區(qū)域平均750 hPa 和250 hPa 經(jīng)向風異常（單位：m s-1）Fig. 5 750-hPa and 250-hPa geostrophic meridional wind anomalies (units: m s-1) averaged over the Henan region (31°–36°N, 110°–116°E) inverted from the QGPV anomaly on each pressure level on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d) 21 2021

對于河南地區(qū)750 hPa 南風而言，從7 月18日至19 日（圖5a 和5b），最大的貢獻來自于600 hPa準地轉(zhuǎn)位渦異常，來自于對流層900～650 hPa 準地轉(zhuǎn)位渦異常的貢獻明顯增加，并且在20 日進一步增加（圖5c），其中650 hPa 準地轉(zhuǎn)位渦異常對河南地區(qū)南風的貢獻超過了600 hPa，成為南風的最大來源，同時，900 hPa 準地轉(zhuǎn)位渦對河南地區(qū)南風的貢獻僅次于650 hPa。在21 日（圖5d），650～600 hPa 準地轉(zhuǎn)位渦異常對河南地區(qū)南風的貢獻明顯減弱，而900 hPa 準地轉(zhuǎn)位渦異常的貢獻進一步加強，成為最大的貢獻。在這次過程中，高層300 hPa及以上的位渦異常對河南地區(qū)750 hPa 南風起著減弱或抵消的作用。

不同氣壓層準地轉(zhuǎn)位渦異常對河南地區(qū)250 hPa南風的貢獻表現(xiàn)出與750 hPa 相似的特征，盡管主要的貢獻來自于對流層中低層，但其幅度較對750 hPa 的貢獻偏弱，這說明對流層中低層不僅是低層南風的主要貢獻，也是高層南風的主要貢獻。與750 hPa 南風來源不同的是，在20 日和21 日，高層200 hPa 的準地轉(zhuǎn)位渦異常對250 hPa 河南地區(qū)南風起著正的貢獻，這是高層受到河套槽或反氣旋式波破碎的影響（蘇愛芳等, 2021; 布和朝魯?shù)?2022）。

為了說明650 hPa 環(huán)流對750 hPa 風場異常的影響，圖6 給出了650 hPa 位勢高度和準地轉(zhuǎn)位渦異常及其反演得到的750 hPa 位勢高度和地轉(zhuǎn)風異常。整體來看，河南地區(qū)的風場主要是受副熱帶高壓西進和河南西側低壓環(huán)流加強的共同影響。從7月18 日至19 日（圖6a 和6b），蒙古地區(qū)高壓中心和副熱帶高壓相向而行，高壓范圍明顯向河南地區(qū)擴展，而河南南部的低渦減弱為槽，這種高低壓環(huán)流配置不僅有利于650 hPa 河南地區(qū)東南風的加強，還會通過改變靜力穩(wěn)定度而影響到其上下層環(huán)流。在650 hPa 準地轉(zhuǎn)位渦異常上（圖6e 和6f），以河南地區(qū)的東北邊為界，其東北一側高壓區(qū)域內(nèi)主要為負位渦異常，河南至西北地區(qū)為正位渦異常。由650 hPa 位渦異常反演的750 hPa 環(huán)流異常可見，中國東部區(qū)域盛行東南風異常。另外，臺灣以東的臺風明顯加強，與臺風相聯(lián)系的北側偏東風也明顯加強，偏東風有利于副熱帶高壓由日本地區(qū)向河南地區(qū)伸展。

在7 月20 日，隨著臺灣以東的臺風加強和西進，副熱帶高壓進一步向河南地區(qū)擴展（圖6c）；與副熱帶高壓相聯(lián)系的負位渦異常由黃海地區(qū)擴展至河南地區(qū)東側（圖6g）。同時，河南西側的低壓槽北移至其西北部，并與青藏高原東北側的低壓槽相并；與低壓環(huán)流相聯(lián)系的正位渦異常進一步加強，分布于河南至青藏高原東側。東高西低環(huán)流配置的加強有利于650 hPa 異常環(huán)流對河南地區(qū)偏南風的影響進一步加強。在21 日（圖6d），隨著臺灣以東的臺風進一步加強和西進，副熱帶高壓有所北抬，河南西部至青藏高原東側的低壓槽北移至山西地區(qū)。與此相應，正負位渦中心主要分布于河南北邊地區(qū)和渤海灣地區(qū)，從而造成650 hPa 環(huán)流對河南地區(qū)偏南風的影響減弱。

圖6 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日650 hPa 位勢高度（等值線，單位：gpm）及其異常（填色），藍色曲線為河南省界，黑色曲線分別為長江和黃河，灰色為3000 m 以上的青藏高原，等值線間隔為10 gpm，其中虛線為負值。（e–h）同（a–d），但為650 hPa 準地轉(zhuǎn)位渦異常（填色，單位：s-1）及其反演得到的750 hPa 位勢高度異常（等值線）和地轉(zhuǎn)風異常（箭頭，單位：m s-1）Fig. 6 650-hPa geopotential height (contours, units: gpm) and its anomalies (shading) on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d) 21 2021. The blue and two black curved lines mark the boundary of Henan Province and the Changjiang and Huanghe Rivers, respectively. The gray shaded area designates the Tibetan Plateau above 3000 m. A contour is drawn every 10 gpm and the dashed line indicates the negative value. (e–h) same as (a–d), but for the 650-hPa QGPV anomaly (shading, units: s-1) and the 750-hPa geopotential height anomaly (contours) as well as the geostrophic wind anomaly(arrows, units: m s-1) inverted from the 650-hPa QGPV anomaly

與650 hPa 環(huán)流異常相比，900 hPa 環(huán)流異常對750 hPa 風場異常的影響表現(xiàn)出明顯的經(jīng)向性特征（圖7）。這主要由于副熱帶高壓的西伸位置更為偏西，負位渦異常分布可達河南以西地區(qū)。同時，蒙古地區(qū)的高壓比較淺薄，在900 hPa 無明顯特征，而650 hPa 上祁連山西北側至貝加爾湖的正位渦異常在900 hPa 上位置偏東，分布于祁連山東北側至內(nèi)蒙古高原，隨著東南風的暖濕氣流輸送的加強（圖2 和圖4），這一低壓不斷加深并向東北方向擴展，與西伸的副熱帶高壓形成對峙（圖7c 和圖7d）。因此，900 hPa 環(huán)流配置在河南及其北側表現(xiàn)為緯向梯度不斷加強的特征，這有利于河南地區(qū)南風不斷加強。

圖7 如圖6，但為900 hPa 位勢高度及其異常和準地轉(zhuǎn)位渦異常Fig. 7 Same as Fig. 6, but for a 900-hPa geopotential height as well as its anomaly and the QGPV anomaly

在7 月18 日（圖8a），河套至西北地區(qū)有淺薄的近地層正位渦異常，主要來自于熱力的貢獻，在偏南風和上升運動影響下，這一正位渦異常逐漸加強并向西北和中層擴展，發(fā)展成為上述近地層熱低壓（圖7b–d 和8b–d）。而在其之上的750～600 hPa，19 日有明顯的南風加強，將河南地區(qū)的高位渦輸送至河套地區(qū)，20 日南風對高位渦的平流進一步加強，中心位于650 hPa，這使得正位渦異常在750～600 hPa 較為寬廣，有利于對河南地區(qū)偏南風產(chǎn)生較大的貢獻。與此不同的是，在700 hPa以下，河南地區(qū)以西地區(qū)為負位渦異常，使得河南地區(qū)主要受其局地正位渦異常的影響，當正位渦異常（低壓環(huán)流）由河南的東南部向西北部移動過程中，800 hPa 及其上下層次的位渦異常對河南地區(qū)風場的影響由偏北風轉(zhuǎn)為偏西南風（圖5）。已有研究主要強調(diào)黃淮低壓外圍的東南氣流與副熱帶高壓和臺風“煙花”之間的東南氣流形成一條連貫的東南水汽輸送帶（蘇愛芳等, 2021; Yin et al.,2022），而我們的研究更為關注直接進入鄭州的河南南部偏南風，盡管黃淮低壓能引起河南地區(qū)的偏南風，但僅以它難以解釋河南南部偏南風的突然加強，還需結合祁連山北側的熱低壓與副熱帶高壓形成較大范圍的對峙。

圖8 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日沿圖6g 藍粗線準地轉(zhuǎn)位渦異常（填色，單位：s-1）及其熱力部分（等值線）和風矢量（水平風單位：m s-1；垂直風單位：10-2 Pa s-1）的剖面。等值線間隔為0.2×10-4 s-1，虛線為負值Fig. 8 Crosssections of the QGPV anomaly (shading; units: s-1) as well as its contribution by static stability (contours) and wind (units of horizontal wind: m s-1; units of vertical velocity: 10-2 Pa s-1) along the blue line in Figure 6g on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d) 21 2021. The vertical velocity is scaled by 100, The contour interval is 0.2×10-4 s-1 and the dashed line indicates the negative value

綜上所述，河南地區(qū)南風的貢獻主要來自于對流層中低層的位渦，這是由副熱帶高壓的西伸與河南至祁連山北側低壓環(huán)流形成對峙，在河南地區(qū)形成強烈的位勢高度緯向梯度，進而有利于偏南風的加強。祁連山北側熱低壓環(huán)流較為淺薄，與其相聯(lián)系正位渦異常分布于祁連山北側和河套地區(qū)，正位渦異常中心分別位于900 hPa 和650 hPa，這有利于這兩層環(huán)流對河南地區(qū)南風的貢獻最為明顯。

3.3 低壓環(huán)流的影響

如圖9a 所示，從位溫場可見7 月18 日阿拉善高原為一典型熱低壓，中性層結由地面向上伸至600 hPa，該層以下為輻合上升運動，而之上為輻合下沉運動，等位溫線密集區(qū)主要分布于低壓中心的近地層及其東西兩側，位溫梯度增加有利于正位渦異常的形成。從19 日至20 日（圖9b 和9c），熱低壓環(huán)流明顯加強并東移，風場輻合運動增加，其東西兩側等位溫線變得更為密集，即層結穩(wěn)定度增強，相應的正位渦異常明顯增加，并擴展至對流層中層500 hPa，其中熱低壓東部上空正位渦異常中心位于650 hPa，即上述的河套地區(qū)正位渦異常。在21 日，熱低壓有所減弱，中心的輻合運動減弱，700 hPa 以上的等溫線變得較為平直，中心西側的高穩(wěn)定度層有所下降，而中心東側的河套地區(qū)上空高穩(wěn)定度層有所上升。

圖9 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日沿40°N 位溫（等值線，單位：K）、風矢量（箭頭，緯向風單位：m s-1；垂直風單位：10-2 Pa s-1）和熱力部分的位渦異常（填色，單位： s-1）的剖面，灰色為地形Fig. 9 Cross sections of the potential temperature (contours, units: K), wind (arrows, units of horizontal wind: m s-1; units of vertical velocity:10-2 Pa s-1), and the QGPV anomaly of static stability (shading; units: s-1) along 40°N on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d) 21 2021. Gray shading indicates terrain

為了說明熱低壓形成的可能原因，圖10 給出了沿40°N 的地表平均感熱通量的Hovm?ller 圖。高原上（90°～115°E）的向上感熱通量明顯偏強，在7 月18 日至19 日，最大加熱中心位于甘肅省西部并東移，在其東側阿拉善高原西部有新的加熱中心；20 日加熱中心進一步加強并東移至阿拉善高原；21 日加熱中心強度明顯減弱。由非絕熱加熱反演的位勢高度傾向可見（圖12），這一加熱中心在近地層850 hPa 的祁連山北側至河套地區(qū)產(chǎn)生明顯的低壓環(huán)流，隨著感熱加熱的加強和東移，低壓傾向中心也加強和東移（圖12a–c），這有利于祁連山北側的低壓加強（圖7a–c）。而后，隨著感熱加熱的減弱，低壓傾向有所減弱（圖12d）。

圖10 沿40°N 的 地 表 平 均 感 熱 通 量（單 位：W m-2）的Hovm?ller 圖，向上通量為正Fig. 10 Hovm?ller diagram of the mean surface sensible heat flux(units: W m-2). Upward flux is positive

為了說明副熱帶高壓、河套和河南地區(qū)高位渦對河南地區(qū)偏南風的相對貢獻，我們選取7 月20日的750～600 hPa 準地轉(zhuǎn)位渦異常，分別反演不同環(huán)流相聯(lián)系的位渦異常（圖11），其中副熱帶高壓粗略選為（30°～55°N，115～140°E）區(qū)域，并計算與其相聯(lián)系的河南地區(qū)（31～36°N，110～116°E）經(jīng)向風的平均（表1）。750～600 hPa 準地轉(zhuǎn)位渦異常反演的風場與與整層位渦異常反演的風場較為相似（圖11a 和4g），但南風分量明顯偏強，特別是河南地區(qū)，這主要是少了對流層高層位渦異常對750 hPa 南風的抵消作用（圖5c），河南地區(qū)平均南風為6.19 m s-1。

河南至河套地區(qū)和副熱帶高壓的位渦異常反演的風場主要為偏南風分布（圖11b），河南地區(qū)平均南風為4.80 m s-1，占總額的77.5%。這主要來自于副熱帶高壓的貢獻，與其相聯(lián)系的風場主要為偏東南風（圖11c），河南地區(qū)平均南風為2.90 m s-1。河套至河南的正位渦異常反演的地轉(zhuǎn)風為泊松分布，其中河南地區(qū)為西南風（圖11d），平均南風為1.90 m s-1，盡管南風強度較副熱帶高壓偏小，但西風分量抵消了副熱帶高壓的東風分量，使得整個風場表現(xiàn)為偏西南風特征。通過對河套和河南地區(qū)正位渦異常進一步分解可見（圖11e 和11f），兩者在河南的地區(qū)均為西南風，平均南風分別為1.00 m s-1和0.90 m s-1。盡管河南地區(qū)的正位渦異常反演的風場較強，但以偏西風為主。如果只選取650 hPa 氣壓層，河套地區(qū)位渦異常反演的偏南風是河南局地位渦的近2 倍（表1）。

圖11 （a）2021 年7 月20 日750～600 hPa 平均準地轉(zhuǎn)位渦異常（填色，單位：s-1）及其反演的750 hPa 地轉(zhuǎn)風異常（箭頭，單位：m s-1），（c）、（e）和（f）分別為副熱帶高壓、河套和河南位渦異常及其反演的地轉(zhuǎn)風異常，（b）為（c）、（e）和（f）之和，（d）為（e）和（f）之和。藍色和黑色曲線分別為河南省界和黃河，灰色為3000 m 以上的青藏高原Fig. 11 (a) 750–600 hPa mean QGPV anomaly (shading, units: s-1) and 750 hPa geostrophic wind anomaly (arrows, units: m s-1) inverted from the QGPV anomaly on July 20 2021. (c), (e), and (f) are geostrophic wind anomalies inverted from QGPV anomalies associated with subtropical highs and those over Hetao and Henan. (b) is the sum of (c), (e), and (f), while (d) is the sum of (e) and (f). The blue and black curved lines mark the boundary of Henan Province and the Huanghe River, respectively. The gray shaded area designates the Tibetan Plateau above 3000 m

表1 不同地區(qū)準地轉(zhuǎn)位渦異常反演的750 hPa 河南地區(qū)（31°～36°N，110°～116°E）平均經(jīng)向風異常（單位：m s-1）Table 1 The 750 hPa area-mean meridional wind anomalies (units: m s-1) over the Henan region (31°–36°N,110°–116°E) inverted from the QGPV anomalies over different regions

綜上所述，阿拉善高原感熱加熱使得局地熱低壓的維持和發(fā)展，有利于河套地區(qū)上空的靜力穩(wěn)定度增加而產(chǎn)生正位渦異常，該異常與河南地區(qū)正位渦異常相連形成較大范圍的正位渦異常，它與副熱帶高壓西伸形成對峙而有利于河南地區(qū)偏南風的加強。

3.4 非絕熱加熱的影響

河南地區(qū)的極端降水會釋放大量潛熱，改變了靜力或?qū)咏Y穩(wěn)定度，在加熱層上下分別產(chǎn)生負和正的位渦異常，造成位勢高度的變高和變低（Davis and Emanuel, 1991）。冉令坤等（2021）指出7 月20 日鄭州地區(qū)潛熱釋放可至對流層300 hPa，對應著高位渦，那么它對河南地區(qū)的風場異常（特別是對流層中低層的偏南風距平）是否具有貢獻？圖12給出了由非絕熱加熱造成的850 h、750 hPa 和250 hPa 位勢高度傾向和地轉(zhuǎn)風傾向。整體來看，在低層為負的位勢傾向，在高層為正的位勢傾向，這有利于河南地區(qū)低渦的維持和上升運動，與以往研究結果相吻合（Davis and Emanuel, 1991; 姜立智等, 2019）。

圖12 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日由非絕熱加熱造成的850 hPa 位勢高度傾向（填色，單位：gpm d-1）和地轉(zhuǎn)風傾向（箭頭，單位：m s-1 d-1），藍色曲線為河南省界，黑色曲線分別為長江和黃河，灰色為3000 m 以上的青藏高原。（e–h）和（i–l）同（a–d），但分別為750 hPa 和250 hPaFig. 12 850-hPa geopotential height tendency (contours, units: gpm d-1) and geostrophic wind tendency (arrows, units: m s-1 d-1) due to diabatic heating on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d) 21 2021. The blue and two black curved lines mark the boundary of Henan Province and the Changjiang and Huanghe Rivers, respectively. The gray shaded area designates the Tibetan Plateau above 3000 m. (e–h) and (i–l) same as (a–d), but for 750 and 250 hPa,respectively

在對流層低層850 hPa 和750 hPa（圖12a–h），有一負位勢傾向中心分布于河南地區(qū)北部，它對河南地區(qū)風場的影響主要為偏西北風。隨著降水潛熱釋放的增加，這一負位勢高度傾向逐漸加強，7 月20 日750 hPa 為-30.3 gpm d-1，偏北風的影響也逐步增強。負位勢高度傾向在21 日向北移動，對河南偏北風的影響有所減弱。如前一小節(jié)所述，在850 hPa，河套至祁連山北側為一寬廣的低壓傾向，這主要是受高原地面感熱加熱而出現(xiàn)在近地層，從而有利局地熱低壓的維持和加強。

在高層250 hPa，河南地區(qū)有明顯的正位勢高度傾向異常，其中心分布于河南東北方向的河北地區(qū)，7 月18 日強度與湖北地區(qū)正異常中心的強度相當（圖10i），導致河南地區(qū)受其東側偏北風的影響。19 日至20 日（圖10j 和10k），河南地區(qū)正異常中心強度明顯加強，局地的順時針旋轉(zhuǎn)的風場也變得更為明顯，這使得河南地區(qū)受偏南風的影響較為明顯，20 日河南區(qū)域平均南風傾向為2.6 m s-1d-1。21 日該正異常中心向東北移動（圖10l），河南地區(qū)受偏南風的影響有所減弱。

綜上所述，河南地區(qū)持續(xù)性暴雨釋放的潛熱造成了河南地區(qū)對流層中低層負位勢高度傾向，高層為正位勢高度傾向，有利于河南地區(qū)對流層中層低壓環(huán)流的維持和上升運動，但以潛熱加熱強迫難以直接解釋低層河南地區(qū)經(jīng)向風變化特征。而加熱產(chǎn)生的正位渦有利于了河南地區(qū)正位渦的維持，在東南風影響下，可為河套地區(qū)提供了正位渦平流，從而對河南地區(qū)的風場產(chǎn)生影響。

4 結論與討論

本文使用國家氣象科學數(shù)據(jù)中心降水資料和歐洲中期天氣預報中心ERA5 再分析數(shù)據(jù)，利用準地轉(zhuǎn)位渦分部反演，重點分析了“21.7”河南暴雨中暖濕季風輸送帶中偏南風的加強機理及其關鍵環(huán)流。

暖濕季風輸送帶中的偏南風加強是發(fā)生7 月20 日極端暴雨的關鍵因子之一，偏南風的加強不僅出現(xiàn)在對流層中低層，還向上擴展至150 hPa 高度，它高效地將季風輸送帶中高溫高濕的氣塊輸送至河南地區(qū)，同時，與副熱帶高壓邊緣的東南氣流形成切變線，為極端暴雨的發(fā)生提供有利的水汽條件和天氣系統(tǒng)。

副熱帶高壓和臺風“煙花”相互促進西進，副熱帶高壓西伸至中國東部地區(qū)，同時，蒙古地區(qū)的高壓東移與副熱帶高壓合并，從中國東部沿海至西北地區(qū)形成了一條寬廣的東南風，不僅將暖濕氣流輸送至西北地區(qū)，也把河南地區(qū)高位渦輸送至西北地區(qū)。另外，阿拉善高原的感熱加熱有利于局地熱低壓的維持和加強，不僅在低壓中心近地面層產(chǎn)生正位渦異常，還在其東側的河套地區(qū)對流層中低層產(chǎn)生正位渦異常，中心位于650 hPa，這有利于河南及其以西地區(qū)大范圍高位渦的維持，從而與副熱帶高壓形成較大范圍的對峙。準地轉(zhuǎn)位渦分部反演表明，對流層中低層這一天氣流型導致暖濕季風輸送帶中的偏南風加強，影響可至250 hPa。對于7月20 日河南地區(qū)的南風，主要來自于副熱帶高壓的貢獻，其次是河套地區(qū)750～650 hPa 的正位渦異常，而河南局地低壓環(huán)流的貢獻略小。盡管副熱帶高壓是河南地區(qū)南風的主要貢獻，但Xu et al.（2022）數(shù)值結果表明，副熱帶高壓偏強偏西卻不利于對流層低層強烈的水汽輸送帶的形成，進而導致降水落區(qū)預報的偏差。

本文對“21.7”河南極端暴雨的暖濕季風輸送帶中偏南風的細致分析表明，河南地區(qū)南風的加強不僅受副熱帶高壓和河南地區(qū)局地環(huán)流的影響，還有來自于西北地區(qū)熱低壓環(huán)流的貢獻，它們共同作用有利于7 月20 日河南地區(qū)南風的加強，為極端暴雨提供了有利的高溫高濕水汽。極端降水釋放的大量潛熱有利于河南地區(qū)低壓環(huán)流的維持和上升運動，同時，加熱產(chǎn)生的高位渦也為其向西北輸送提供了來源，但對于暖濕季風輸送帶中偏南風加強的直接貢獻不明顯。至于高層天氣尺度波破碎的影響可能體現(xiàn)在其它方面，例如波破碎具有強烈的經(jīng)向通量的輸送和非線性過程，在以后的工作中我們還需使用數(shù)值模式來開展這方面的研究。

致謝感謝兩位匿名審稿專家對本文提出的寶貴意見，感謝國家重大科技基礎設施項目“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”提供支持。