馬維涵

（中國海洋大學，山東 青島 266100）

1 天氣過程概述

2021年7月17日短波槽推動的冷鋒南下，暖濕氣團受鋒面抬升作用的影響，17日08時—18日08時河南省大部分地區(qū)出現(xiàn)陣型降水，短時強降水主要出現(xiàn)在豫東南的信陽和豫西南的南陽一帶。

18日冷鋒加強，豫北安陽、新鄉(xiāng)、焦作、鶴壁等市區(qū)出現(xiàn)大暴雨，降水量達100 mm以上。豫中為大到暴雨，鄭州24 h降水量達50 mm以上，其余地區(qū)均有持續(xù)性降水。

19日雨區(qū)南移，19日08時—20日08時以省會鄭州為中心的豫中一帶出現(xiàn)特大暴雨。

20日東南風風速增大，使水汽輸送最大值帶移至鄭州以東和豫北一帶，降水落區(qū)成南北向帶狀，向河北西部伸展。20日08時—21日08時，河南中北部出現(xiàn)大暴雨，鄭州、新鄉(xiāng)、開封、周口、焦作等地部分地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨（250～350 mm）。

21日降水主要集中在河北省與河南省北部太行山一帶，豫中強降水趨于減弱，河南北部、河北南部局地有特大暴雨（250～280 mm），降水范圍明顯縮小，全省平均降水量51 mm。

22日，豫北降水明顯減弱，分散性暴雨和大暴雨分布于豫北太行山東側(cè)沿山一帶和伏牛山區(qū)，強降水過程走向結(jié)束。

2 氣候背景分析

NOAA預(yù)測2021年為“雙拉尼娜年”，即從2020年持續(xù)到2022年初，連續(xù)兩個冬季將出現(xiàn)拉尼娜現(xiàn)象，太平洋赤道地區(qū)中東部海水將持續(xù)異常變冷，并通過Bjerknes正反饋機制使得西太暖池區(qū)進一步增溫，海洋與大氣之間強化相互作用，西太平洋的對流活動增強。2021年6—8月赤道中、東太平洋海域的表層海水溫度比平時低0.5℃，赤道西部太平洋海域出現(xiàn)正變溫，使得沃克環(huán)流增強。7月赤道地區(qū)140°E～180°E暖水層水深大于50 m，低層大氣穩(wěn)定度低，有利于生成西北太平洋熱帶氣旋，為華北地區(qū)出現(xiàn)極端強降水的遠程水汽輸送提供了條件[1]。

7月赤道東風出現(xiàn)增強趨勢。西北太平洋副熱帶地區(qū)出現(xiàn)負變壓，沃克環(huán)流上升位置偏北，有利于西太平洋副熱帶高壓（簡稱副高）位置北移，為我國華北地區(qū)提供水汽來源，增加極端強降水發(fā)生的可能性。

3 環(huán)流形式分析

3.1 200 hPa天氣圖

17日西風急流中心位于新疆西部喀什附近，其南側(cè)為西部型南亞高壓。河南省處于高空西風急流南側(cè)，由于風的強輻散作用，加之南亞高壓東北側(cè)曲率渦度引起的正渦度平流，在黃淮地區(qū)將引起強烈的上升運動。

庫頁島低槽因槽后冷平流加深，逐漸發(fā)展成阻塞形式。大槽的脊線偏西，使西風急流北抬，南亞高壓強度減弱。此時高壓脊頂部位于河北與河南交界處，東西兩側(cè)為南北向低槽，東低槽受北上的臺風“煙花”影響，振幅較大。受高壓脊影響，河南地區(qū)存在西南風向西北風轉(zhuǎn)換的反氣旋環(huán)流，流輻散非常顯著[2-3]。

3.2 500 hPa天氣圖

19日高壓脊發(fā)展為日本海阻塞高壓，導致長波槽移速緩慢。此時副熱帶高壓與日本海阻塞高壓同趨近于同相位，加強了下游脊的穩(wěn)定性，有利于形成區(qū)域性暴雨。

長波脊西側(cè)冷舌與氣壓槽趨于重合，有發(fā)展成為切斷冷渦的趨勢。下游的阻塞形式使冷槽向上游發(fā)展，槽后冷平流使槽的振幅加大，槽前的正渦度平流使我國中部地區(qū)減壓。與此同時，赤道輻合帶北抬至30°N，副高在氣壓槽與季風槽的共同壓迫下而西伸，南亞高壓也發(fā)生東移，兩高壓中間形成了黃淮低渦。與此同時，臺風“查帕卡”在廣東登陸，帶來西南氣流。東南風與西南風在低渦東側(cè)黃淮地區(qū)輻合，使得20日河南省暴雨強度達到最大。

21日庫頁島南側(cè)的切斷低壓使副高被切斷為閉合中心，冷槽中心發(fā)展出冷渦。22日新疆西北部發(fā)展出切斷低壓，與此同時庫頁島切斷冷渦進一步發(fā)展，使得副高減弱，閉合中心縮小。副高南側(cè)引導氣流變得微弱，使得臺風“煙花”在22日基本停滯不前。與此同時臺風“查帕卡”登陸后快速減弱，東南風與西南風輻合強度減弱，黃淮低渦強度減弱并隨著西來短波槽逐漸向東北方向移動，雨區(qū)北移，河南省內(nèi)降水因此減弱，降水過程逐漸終結(jié)。

4 水汽來源分析

4.1 850 hPa天氣圖

17日紅外衛(wèi)星云圖（圖1）分析可知，河南處于低壓中心，在對流層上層輻散的配置下，強烈的上升運動使水汽凝結(jié)抬升，衛(wèi)星云圖上出現(xiàn)大面積對流性積云。其水汽來源有兩個：由西南季風輸送自印度洋的暖濕氣流，以及副高南側(cè)東南引導氣流輸送的來自西北太平洋的水汽。此時西北太平洋低緯度洋面上有從赤道輻合帶云系中脫離出來的具有氣旋性渦旋的大面積云團，即臺風“煙花”。

圖1 17日紅外衛(wèi)星云圖（圖片來源：氣象衛(wèi)星合作研究所）

18日熱帶低壓升級為熱帶風暴，受副高引導氣流的影響向西移動。低壓中心穩(wěn)定加深，水汽沿著低壓中心西側(cè)短波槽的切變線輻合上升。由當日紅外衛(wèi)星云圖可見臺風“煙花”云系范圍較大，呈不對稱結(jié)構(gòu)，其東南側(cè)與印度洋上空對流性積云相連，東南側(cè)與北移的赤道輻合帶云系相連，匯聚了來自印度洋和西北太平洋的大量水汽，并通過偏東氣流沿副高外圍輸送至河南地區(qū)。

19日華北黃淮地區(qū)等高線與等溫線交角大，大氣的斜壓性強。此時副熱帶高壓也有西伸趨勢，對流層低層位勢梯度加大將導致偏差風，進而使副熱帶高壓南側(cè)邊緣低空東風急流快速發(fā)展。同時青藏高原的熱低壓加強東移，使得其前進方向上低層大氣層結(jié)不穩(wěn)定。河南處于高壓脊后正渦度平流區(qū)，由低空東風急流帶來的水汽在這里急劇地輻合上升。紅外衛(wèi)星云圖上河北地區(qū)及豫北一帶有結(jié)構(gòu)密實的中尺度云團，云頂亮溫低值區(qū)出現(xiàn)在太行山南部豫北地區(qū)，中心TBB降到-50°C以下。

20日高原熱低壓東移加強，造成低層強烈的對流不穩(wěn)定。來自“查帕卡”西南氣流和來自“煙花”的東南氣流輻合明顯。臺風“煙花”匯聚了大量的水汽，并通過偏東氣流輸送至黃淮地區(qū)，使其上空的流性積云面積擴大。而臺風“查帕卡”的云團中心TBB降到-70°C以下，帶來西南向的水汽輸送。在“列車效應(yīng)”的作用下，豫中對流性積云中心TBB降到-60°C以下，造成豫中多個氣象臺站日降雨量突破歷史極值，鄭州最大小時降雨量突破我國內(nèi)陸氣象數(shù)據(jù)小時降雨量歷史極值。

21日臺風“查帕卡”登陸后減弱，使西南氣流微弱，云團面積減小，云頂亮溫數(shù)值增大。同時副高受到高空冷渦的影響而減弱，穩(wěn)定增強的臺風“煙花”帶來較強的偏南氣流，因此河南地區(qū)的對流性積云云頂高度降低并發(fā)生北移。

22日臺風“查帕卡”基本消亡，在蒙古和日本以東的洋面上都有新的氣旋生成，使水汽輸送至華北地區(qū)。

4.2 1000 hPa相對濕度分布圖

來自孟加拉灣的暖濕氣流由東南季風輸送至黃淮地區(qū)，使17日河南省整層相對濕度已經(jīng)飽和，甚至過飽和（相對濕度大于100%），在弱冷空氣的作用下，水汽更容易凝結(jié)，暖云發(fā)展更旺盛，河南省出現(xiàn)陣型降水。18日降水集中在河南省東北部，水汽的消耗使豫北沿山一帶的相對濕度迅速降低到90%以下。

19日臺風“查帕卡”接近我國，從西南方向補充大量水汽。同時，臺風“煙花”向我國西行，東南風將太平洋低緯度洋面上的水汽沿副高外圍輸送至黃淮地區(qū)，使雨帶西移集中在豫中地區(qū)。

20日有黃淮低渦生成，并有東南風與西南風在低渦東側(cè)輻合，使得20日河南省暴雨強度達到最大。鄭州以東和豫北一帶相對濕度下降至80%以下，同時在東風急流持續(xù)輸送下，水汽得到補充，使強降水得以長時間維持。

21—22日由于副熱帶高壓的減弱和臺風“查帕卡”的強度減弱，黃淮地區(qū)水汽供應(yīng)被大幅度削弱，因此相對濕度降低。與此同時，暖氣團的北上使得黃淮地區(qū)的水汽不易發(fā)生凝結(jié)，強降水過程就此結(jié)束。

5 垂直運動分析

上文提及高空西風急流南側(cè)風速的強輻散作用，以及南亞高壓東北側(cè)曲率渦度引起的正渦度平流，都使得抽吸作用加強，在河南地區(qū)引起了強烈的上升運動。19—20日鄭州連續(xù)2d出現(xiàn)大暴雨到特大暴雨，最強降雨時段的出現(xiàn)與700 hPa層面上的東風急流，850 hPa層面上黃淮低渦以及925 hPa層面上的邊界層急流有關(guān)。高、低空急流耦合加強抽吸效應(yīng)使河南上空長時間存在大范圍深厚上升運動。與此同時，中尺度的黃淮低渦，西南氣流與東南氣流形成輻合區(qū)，以及超低空東風急流在山前的風速輻合也使得當日鄭州地區(qū)有極端性的對流性降水。

5.1 700 hPa風場圖

19日由于副高西伸，對流層低層位勢梯度加大導致的偏差風使副高南側(cè)邊緣低空東風急流快速發(fā)展。急流中心位于琉球群島，黃淮地區(qū)處于急流北側(cè)輻散區(qū)，在副高曲率渦度發(fā)影響下有強烈水汽輻合上升運動。對流層下部有東南風將來自西北太平洋低緯度洋面上的暖濕氣流，經(jīng)急流之下的邊界層向北輸送，對流層上部有來自西北方的風將高緯度的干空氣向南輸送，產(chǎn)生位勢不穩(wěn)定層結(jié)，有利于發(fā)生強對流。

20日由于臺風“煙花”快速發(fā)展，強度加大，使得低空急流強度加大，產(chǎn)生強烈持續(xù)的輻合。

5.2 850 hPa風場圖

20日08時鄭州地區(qū)新生尺度較小的黃淮低渦，低渦東側(cè)西南氣流與東南氣流輻合，形成氣旋性環(huán)流，引起強烈的上升運動。中小尺度對流反復在伏牛山前地區(qū)發(fā)展并向鄭州方向移動，形成“列車效應(yīng)”，導致降水強度大、維持時間長，引起局地極端強降水，造成當日鄭州小時降雨量突破我國內(nèi)陸氣象數(shù)據(jù)小時降雨量歷史極值，如圖2所示。

圖2 20日08時位勢高度與風場圖（圖片來源：國家氣象信息中心）

5.3 925 hPa風場圖

925 hPa層面上的超低空東風急流與700 hPa上的東風急流形式類似。20日豫中鄭州一帶出現(xiàn)的風速為14～16 m/s的邊界層急流，遇到東北—西南向的太行山余脈與東西向的伏牛山形成喇叭口地形后，在鄭州西側(cè)山前形成風速輻合，引起強烈的垂直上升運動。

6 地形作用分析

18日在豫北太行山東麓迎風坡（新鄉(xiāng)、鶴壁兩地）首先出現(xiàn)強降水中心。此時低層盛行東南風，風向與東北—西南走向的太行山余脈垂直，使氣流爬坡，山前垂直運動加強。對流層下層水汽被上升氣流抬升至對流層中層，形成深厚濕層，并形成強降水，此階段鶴壁平均降雨量最大為68 mm。

19日雨帶南移至豫中一帶，并以鄭州為最大降水中心。鄭州位于伏牛山及太行山余脈為喇叭口地形。隨著副高的西伸與臺風“煙花”的西行，加強的偏東氣流攜帶暖濕水汽灌入喇叭口地形，地形的收縮引起了輻合上升運動的加強和降水量的增大。20日伴隨著黃淮低渦的生成，低層大氣不穩(wěn)定加劇。伏牛山東北側(cè)迎風坡有大量水汽和動能堆積，激發(fā)和加強對流的發(fā)展，使降水增幅明顯，故而在山前迎風坡地區(qū)的降水量遠超其東側(cè)平原地區(qū)。

7 結(jié)語

此次極端強降水過程成因復雜，是不同時空尺度上的天氣系統(tǒng)耦合作用的結(jié)果。拉尼娜事件造成的西太平洋海水異常偏暖有利于熱帶氣旋的生成與副熱帶高壓的北移，使水汽更容易輸送到中國華北地區(qū)。而行星尺度上的西風急流的動力抽吸作用使得垂直上升運動強，西風帶短波槽的東移使得弱冷空氣南下，冷暖空氣的交匯使得對流加強。天氣尺度上臺風“查帕卡”的登陸與臺風“煙花”的西行分別將來自孟加拉灣和西北太平洋低緯度洋面上的暖濕水汽輸送至河南省。同時中尺度上的黃淮低渦及超低空東風急流都具有強輻合作用，加強上升運動。