于騰飛，李春,2，石劍

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

引言

2021年7月19—21日，鄭州地區(qū)出現(xiàn)了歷史以來極為罕見的極端暴雨天氣(以下簡稱為“鄭州“7·20”極端暴雨”)。鄭州地區(qū)8個(gè)國家級地面氣象觀測站(以下簡稱“國家站”)日降水量全部突破建站以來的最大值[1]。最大降水量出現(xiàn)在新密市的白寨，達(dá)到860.8 mm(19日08時(shí)—21日08時(shí))，遠(yuǎn)超新密站的年平均降水量(666.0 mm)[2]。鄭州站最大1 h降水量達(dá)到201.9 mm，突破我國大陸氣象站小時(shí)降水量的記錄，單日降水量達(dá)624.1 mm(20日)，已接近鄭州地區(qū)年平均降水量(640.8 mm)，極端暴雨引發(fā)了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇、河道潰堤、交通癱瘓，造成380人死亡失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到人民幣409億元[3]。

充沛的水汽供應(yīng)是持續(xù)性暴雨發(fā)生的必要條件。水汽輸送的強(qiáng)度、影響范圍和持續(xù)性對極端暴雨過程極其重要[4]。鄭州“7·20”暴雨如此極端，其水汽來源和輸送特征很值得研究。前人常用歐拉方法研究水汽輸送特征，主要分析影響空間范圍內(nèi)流場和比濕的時(shí)空分布與變化。學(xué)者們基于歐拉方法，通過分析水汽通量、水汽收支等要素對鄭州“7·20”極端暴雨進(jìn)行了深入的研究。蘇愛芳等[1]指出，暴雨期間西北太平洋副熱帶高壓南側(cè)的東南氣流、臺風(fēng) “煙花”北側(cè)的東南氣流和黃淮東風(fēng)切變線東側(cè)的東南氣流相疊加，形成連貫的水汽通道，有利于水汽向鄭州輸送。張霞等[2]研究表明，水汽的輸送與地形有著密切的關(guān)系，太行山、伏牛山沿山一帶的水汽輻合最強(qiáng)，顯著超過氣候態(tài)。YIN et al.[5]認(rèn)為，對流系統(tǒng)內(nèi)部云微物理過程產(chǎn)生的雨水與對流系統(tǒng)上升流區(qū)水平輸送的雨水相疊加，從而產(chǎn)生地面極端降水。齊道日娜等[6]指出來自華東近海海洋屬性的氣團(tuán)不斷侵入河南地區(qū)與大陸暖性氣團(tuán)在河南中北部交匯，兩股氣團(tuán)長期對峙有利于暴雨的維持。

除廣泛使用歐拉方法外，學(xué)者們還開發(fā)出多個(gè)基于拉格朗日方法重點(diǎn)關(guān)注流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動狀態(tài)的軌跡追蹤模式，為水汽輸送的研究提供了新的思路。SODEMANN et al.[7]在對格陵蘭冬季降水年際變化的研究中，提出了通過蒸發(fā)與降水定量分析水汽得失的方法。 ZHAO et al.[8]采用FLEXPART模式，對2020年7月日本的特大暴雨進(jìn)行分析并定量計(jì)算了各水汽源地的貢獻(xiàn)。此外，有學(xué)者[9-15]采用HYSPLIT、FLEXPART等模式，對我國降水的水汽輸送特征做過廣泛且深刻的研究，并取得了許多理想的成果。王軍等[16]通過HYSPLIT模式對鄭州7月20日20時(shí)的水汽來源及路徑進(jìn)行分析，并指出降水前期3 000 m高度水汽來自我國南部，1 500 m高度水汽來自東南沿海，700 m高度水汽來自日本以南洋面。相較于王軍等[16]的研究，本文采用HYSPLIT模式并結(jié)合歐拉方法對7月19—21日的水汽來源及輸送軌跡進(jìn)行分析，進(jìn)一步得到氣塊運(yùn)動過程中相應(yīng)物理量隨時(shí)間的變化，并定量計(jì)算出各源地的水汽貢獻(xiàn)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

采用的資料包括：國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的2021年7月10—30日鄭州市8個(gè)國家站(鄭州、新密、新鄭、中牟、滎陽、鞏義、登封、嵩山)的逐日降水資料和FY-2氣象衛(wèi)星逐日格點(diǎn)降水資料(水平分辨率為0.25°×0.25°)；美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)提供的GDAS1資料(水平分辨率為1°×1°，時(shí)間分辨率為3 h)用于輸入HYSPLIT模式進(jìn)行軌跡追蹤；歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)提供的ERA5逐小時(shí)再分析資料(水平分辨率為0.25°×0.25°)用于環(huán)流形勢的分析；中央氣象臺臺風(fēng)網(wǎng)提供的臺風(fēng)中心位置和強(qiáng)度資料。

1.2 軌跡追蹤方案

由7月19—21日累計(jì)降水量空間分布(圖1a)來看，鄭州絕大多數(shù)地區(qū)的降水量已達(dá)到400 mm以上，降水中心在鄭州中部，最大降水量出現(xiàn)在新密市的白寨鎮(zhèn)。時(shí)間分布(圖1b)上，8個(gè)國家站平均日降水量在20日達(dá)到最大，19日和21日的平均日降水量雖明顯小于20日，但仍已超過100 mm，達(dá)到大暴雨級別。因此，以累計(jì)降水量最大的新密市白寨鎮(zhèn)為終點(diǎn)，自2021年7月19日00時(shí)(世界時(shí)，下同)至2021年7月21日23時(shí)，在500 m、1 500 m、3 000 m三層高度上，每隔1 h進(jìn)行一次后向軌跡追蹤，追蹤時(shí)間為144 h，得到后向軌跡216條。每1 h輸出一次軌跡點(diǎn)的位置，并插值得到相應(yīng)位置上的物理屬性。因軌跡數(shù)目龐大，為了更清晰地看出軌跡的分布，確定水汽的源地，從而引入HYSPLIT模式自帶的簇分析方法對得到的軌跡進(jìn)行聚類[17]。

圖1 2021年7月19—21日河南累計(jì)降水量(a；色階，單位：mm，鄭州地區(qū)界用藍(lán)色實(shí)線標(biāo)出)的空間分布和7月10—30日鄭州8個(gè)國家級地面氣象觀測站的平均日降水量時(shí)間序列(b)Fig.1 Spatial distribution of cumulative precipitation in Henan Province (a; color scale, units: mm, the boundary of Zhengzhou is marked with blue solid line) from 19 to 21 July and time series of daily mean precipitation (b) of 8 national meteorological stations in Zhengzhou from 10 to 30 July 2021

1.3 某通道水汽貢獻(xiàn)的定義

某通道水汽貢獻(xiàn)的定義[18]：

(1)

其中Qs表示水汽的貢獻(xiàn)率；m表示某通道所包含的軌跡數(shù)，n表示總軌跡數(shù)，本文中n=216，qlast表示軌跡到達(dá)終點(diǎn)(白寨鎮(zhèn))時(shí)的比濕。

2 環(huán)流形勢和水汽通量分析

2.1 環(huán)流概況

暴雨期間(7月19—21日)500 hPa平均等壓面圖(圖2a)上，歐亞大陸中高緯度總體呈“兩槽一脊”的形勢，我國東北部至鄂霍次克海有一較強(qiáng)的阻塞高壓。西北太平洋副熱帶高壓(以下簡稱“副高”)較氣候態(tài)顯著偏北、偏強(qiáng)，588 dagpm線閉合。850 hPa平均等壓面圖(圖2b)上，我國東北部至鄂霍次克海的阻塞高壓依然較強(qiáng)，高壓深厚，副高較氣候態(tài)顯著西伸，且偏北、偏強(qiáng)，水汽沿副高南部邊緣向河南輸送。臺風(fēng)“煙花”和“查帕卡”于7月18日分別在西太平洋和南海生成，并向西移動(圖2藍(lán)線)。環(huán)流形勢總體較為穩(wěn)定，在臺風(fēng)“煙花”“查帕卡”和副高的共同作用下，向河南輸送水汽，有利于暴雨的產(chǎn)生。

圖2 2021年7月19—21日500 hPa(a)和850 hPa(b)平均高度場(黑色實(shí)線為等高線，紅色實(shí)線為氣候態(tài)5 880、1 520線，單位：gpm，以1981—2010年為氣候態(tài)；藍(lán)色實(shí)線為臺風(fēng)“煙花”“查帕卡”7月18—21日的路徑)Fig.2 Mean geopotential height at 500 hPa (a) and 850 hPa (b) from 19 to 21 July 2021 (black solid line is contour line and red solid line is 5 880 and 1 520 gpm of climatological state with the units of gpm, taking 1981-2010 as the climatological state; blue solid line is path of Typhoon In-fa and Cempaka from 18 to 21 July)

2.2 水汽通量分析

圖3給出了700 hPa、850 hPa和925 hPa三個(gè)不同層水汽通量逐日演變情況。暴雨期間，兩臺風(fēng)“煙花”和“查帕卡”持續(xù)向西移動，由于“煙花”的移動速度小于“查帕卡”，兩臺風(fēng)之間的距離逐漸縮小?！盁熁ā钡膹?qiáng)度不斷增強(qiáng)，而“查帕卡”的強(qiáng)度在20日達(dá)到最強(qiáng)后登陸減弱。7月19日，700 hPa(圖3a)和850 hPa(圖3d)上，受副高和臺風(fēng)“煙花”的共同作用，鄭州上空的水汽來源為東南方向。而20—21日，由于“煙花”和“查帕卡”的位置更加接近而產(chǎn)生共同影響，“煙花”西北部的東北風(fēng)與“查帕卡”東北部的西南風(fēng)相輻合，鄭州上空的水汽來源轉(zhuǎn)為偏南方(圖3b、c、e、f)。925 hPa(圖3g—i)上，水汽來源始終為東南方向。而由水汽通量散度來看，700 hPa無明顯的水汽輻合區(qū)，925 hPa的輻合要強(qiáng)于850 hPa。20日，水汽輻合中心位于鄭州上空，對應(yīng)20日最大降水。21日，水汽輻合中心移出河南，降水過程減弱。

圖3 2021年7月19日(a、d、g)、20日(b、e、h)和21日(c、f、i)700 hPa(a—c)、850 hPa(d—f)、925 hPa(g—i)的日均水汽通量(箭頭，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1)和水汽通量散度(色階，單位：g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.3 Daily mean water vapor flux (arrow, units: g·cm-1·hPa-1·s-1) and its divergence (color scale, units: g·cm-2·hPa-1·s-1) at 700 hPa (a-c), 850 hPa (d-f), and 925 hPa (g-i) on 19 (a/d/g), 20 (b/e/h), and 21 (c/f/i) July 2021

3 軌跡追蹤

3.1 水汽輸送軌跡分析

為準(zhǔn)確得到水汽輸送過程中氣塊的空間位置和比濕隨時(shí)間的變化，對各源地的水汽貢獻(xiàn)進(jìn)行定量分析，按照2.2節(jié)中提到的方案進(jìn)行后向軌跡追蹤。

圖4為水汽輸送軌跡的空間分布，由于軌跡數(shù)量較多(216條)，為便于觀察，每兩條軌跡繪制一條，共繪制出108條軌跡。由圖可見，軌跡主要來自北太平洋西部和南海北部，其中來自北太平洋西部的軌跡有160條，占總軌跡數(shù)的74.07%，來自南海北部的軌跡有56條，占總軌跡數(shù)的25.93%。相較于來自北太平洋西部的氣塊，來源于南海北部的氣塊到達(dá)鄭州時(shí)，其比濕更小、高度更高(圖4b、c)，因此北太平洋西部可能是此次降水過程的主要水汽源地。

圖4 軌跡的空間分布(a中軌跡顏色代表氣塊到達(dá)相應(yīng)位置時(shí)的日期，黑色實(shí)線代表7月13—21日850 hPa平均等1 520 gpm線，藍(lán)色實(shí)線、綠色實(shí)線分別代表13、16日850 hPa日均等1 500、1 480 gpm線，紅色實(shí)線代表19日750 hPa日均等3 120線；b中軌跡顏色代表氣塊比濕，單位：g·kg-1；c中軌跡顏色代表氣塊距離地面高度，單位：hPa)Fig.4 Spatial distribution of track (in Fig.4a, the color of the track represents the corresponding date when the air parcel reaches a specific position, black solid line represents average 1 520 gpm line at 850 hPa from 13 to 21 July, blue and green solid lines represent daily average 1 500 and 1 480 gpm lines at 850 hPa on 13 and 16 July, respectively, and red solid line represents daily average 3 120 gpm line at 750 hPa on 19 July; in Fig.4b, the color of the track represents specific humidity of air parcel, units: g·kg-1; in Fig.4c, the color of the track represents height of air parcel, units: hPa)

來自北太平洋西部的氣塊，其輸送軌跡大都與平均副高的南部邊緣較為吻合，且隨著副高的南北移動，軌跡也相應(yīng)地變化(圖4a)。例如由圖4a、圖5可見，7月14—15日，副高脊線顯著北跳，軌跡(偏藍(lán)色到偏綠色)隨之向北延伸；而16—18日，副高脊線緩慢向南移動，軌跡(偏綠色到偏黃色)也向南回落；20—21日，副高脊線再次北跳，軌跡(深紅色到黑紅色)再次向北抬伸。副高與軌跡變化的一致性，說明來自北太平洋西部的水汽在輸送的過程中持續(xù)受到副高的影響。來自南海北部的氣塊，其軌跡在輸送前期(13—14日)與850 hPa高度上1 500 gpm等高線相吻合，在輸送中期(15—16日)與850 hPa高度上1 480 gpm等高線相吻合，而隨著氣塊的不斷抬升(圖4c)，在到達(dá)鄭州前(18日之后)，沿著700 hPa高度上3 120 gpm等高線輸送。以上說明，來自南海北部的氣塊在輸送過程中也持續(xù)受大尺度環(huán)流的影響。來自北太平洋西部沿副高邊緣的氣塊主要位于對流層中下部，且在海上輸送了較長距離，大部分氣塊的水汽含量不斷增加；而來自南海北部的氣塊在登陸后不斷抬升，在輸送過程中持續(xù)損失水分(圖4b、c)。

圖5 7月13—21日副高隨時(shí)間的變化(a. 500 hPa副高脊線位置的時(shí)間序列；b. 7月13—21日850 hPa高度日均等1 520 gpm線，不同顏色代表不同日期)Fig.5 Variation of subtropical high from 13 to 21 July (a. time series of position of subtropical high ridge line at 500 hPa; b. daily average 1 520 gpm line at 850 hPa from 13 to 21 July, color scale for date)

由圖4a可見，來自北太平洋西部的氣塊中，受到副高14日大幅北跳并在北方維持的影響(圖5)，15日從源地出發(fā)的氣塊其軌跡整體更為偏北。而東西方向上較晚出發(fā)的氣塊，其源地更加偏東。13、14日出發(fā)的氣塊，其源地最遠(yuǎn)接近150°E左右，而15日出發(fā)的氣塊有多條軌跡接近165°E。自18日 “煙花”生成以來，其強(qiáng)度不斷增加，外圍風(fēng)力逐漸增大。因此，較晚出發(fā)的氣塊在其輸送過程中受臺風(fēng)的影響更大，同時(shí)輸送速度相應(yīng)加快。由于追蹤的時(shí)間相同，輸送速度的加快導(dǎo)致輸送距離的增長，氣塊的源地也隨之更加偏東。

3.2 軌跡聚類分析

由于軌跡數(shù)目較大，為了更清晰地確定水汽通道，并定量計(jì)算各水汽源地的貢獻(xiàn)，采用簇分析法對216條軌跡進(jìn)行聚類，最終得到3條水汽通道(圖6)。其中通道1和通道2來自北太平洋西部，通道3來自南海北部。通道1有軌跡39條，占總軌跡數(shù)的18.06%；通道2有軌跡110條，占總軌跡數(shù)的50.92%；二者加起來占總軌跡數(shù)的近70%。通道3有軌跡67條，占總軌跡數(shù)的31.02%。

圖6 水汽通道的空間分布(黑色實(shí)線和“”代表臺風(fēng)“煙花”“查帕卡”18—21日的軌跡和日均中心位置，藍(lán)色實(shí)線、紅色實(shí)線、黃色實(shí)線分別代表通道1、通道2、通道3三條水汽通道，“”“◇”和“×”分別代表每隔12 h對相應(yīng)水汽通道的氣塊位置的標(biāo)記)Fig.6 Spatial distribution of water vapor channel (black solid line and represent track and position of daily average center of Typhoom In-fa and Cempaka from 18 to 21 July; blue, red, and yellow lines represent Channel 1, 2, and 3, respectively; , ◇, and × represent position of air parcel every 12 hours in each channel)

每隔12 h對通道標(biāo)記一次，由于時(shí)間間隔相同，故“標(biāo)記”之間的距離越大，代表著氣塊的輸送速度越快。由此可見，各通道在抵達(dá)鄭州前，其所含氣塊的輸送速度并不均勻。通道1在水汽源地(北太平洋西部)附近時(shí)的輸送速度相對較慢。而當(dāng)氣塊接近135°E后，臺風(fēng)“煙花”于18日在132°E左右生成，此時(shí)氣塊處于“煙花”的北部外圍，受外圍大風(fēng)的影響，通道1“標(biāo)記”間的距離大幅增加，氣塊的輸送速度明顯提高。而氣塊經(jīng)過120°E在東部沿海登陸后，由于距離“煙花”較遠(yuǎn)，臺風(fēng)的影響減弱，氣塊的輸送速度降低，但仍顯著大于源地附近的速度。由于前面提到的副高北跳與臺風(fēng)增強(qiáng)的原因，通道1較通道2更為靠北而當(dāng)通道2的氣塊達(dá)到135°E左右時(shí)“煙花”尚未在海上生成，因此通道2的輸送速度并未像通道1一樣大幅加快。當(dāng)“煙花”于18日在海上生成時(shí)，通道2已經(jīng)在東部沿海登陸，距離臺風(fēng)較遠(yuǎn)，且此時(shí)臺風(fēng)強(qiáng)度較弱，受“煙花”的影響程度要弱于通道1。通道1、2雖然位置與方向基本相同，但輸送過程中由于臺風(fēng)的生成和加強(qiáng)以及副高的北跳，導(dǎo)致二者受副高與臺風(fēng)的影響不同，因此不能合并為一個(gè)通道。通道3在“煙花”和“查帕卡”生成時(shí)已到達(dá)30°N左右，隨后其輸送速度顯著加快。

圖7為各通道比濕和高度隨時(shí)間的變化。通道1、2由于長時(shí)間在海上輸送，在登陸前(-24 h 前)高度變化不大，始終處于900 hPa左右。登陸后(-24 h 后)高度略有下降，在達(dá)到鄭州前(-12 h后)，由于河南西南部伏牛山的抬升作用，高度劇烈上升。在“煙花”生成前(-48 h前)，通道1、2的比濕變化較為緩慢，而18日臺風(fēng)生成后(-48 h后)，由于臺風(fēng)的水汽輸送，兩通道的比濕迅速增大，通道1由于受臺風(fēng)的影響程度更大，比濕的增加更為明顯，增幅接近40%。在到達(dá)鄭州前(-12 h后)，兩個(gè)通道的比濕都因高度抬升而迅速減小。通道3在登陸前(-80 h前)的比濕與高度變化都不大，且比濕達(dá)近15 g·kg-1，顯著高于通道1、2。但登陸后(-80 h 后)，通道3的高度持續(xù)升高，最終抬升至750 hPa以上；比濕也隨之逐漸減小到10 g·kg-1以下。

圖7 臺風(fēng)“煙花”和“查帕卡”影響前后各水汽通道比濕(a)和高度(b)隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation of specific humidity (a) and height (b) of each water vapor channel with time before and after the effect of Typhoon In-fa and Cempaka

最終計(jì)算各通道的水汽貢獻(xiàn)率，如表1所示。其中通道2的水汽貢獻(xiàn)最大，達(dá)到50%以上。通道1的比濕雖然最大，但由于軌跡數(shù)目較少，水汽貢獻(xiàn)率僅占21.34%。通道1和通道2的貢獻(xiàn)之和達(dá)到70%以上，可見北太平洋西部是此次暴雨的主要水汽源地。由于輸送過程中水汽的不斷損耗，通道3的水汽貢獻(xiàn)僅為27.03%，較北太平洋西部的水汽貢獻(xiàn)明顯偏低。這里的計(jì)算重點(diǎn)考慮各通道到達(dá)終點(diǎn)時(shí)的相對水汽含量，并未考慮沿途的水汽損失，因此計(jì)算結(jié)果會有一定的誤差，但對結(jié)論不會有重要影響。

表1 各通道的水汽貢獻(xiàn)率Table 1 Contribution rate of each water vapor channel

4 結(jié)論與討論

(1)暴雨期間(7月19—21日)大氣環(huán)流形勢穩(wěn)定，副高西伸且顯著偏北、偏強(qiáng)。鄭州上空有明顯的水汽輻合區(qū)，水汽輸送與輻合在20日達(dá)到最強(qiáng)。

(2)水汽有北太平洋西部和南海北部兩個(gè)源地。來自北太平洋西部的水汽主要位于850 hPa以下，受副高和臺風(fēng)“煙花”共同作用的影響，從東南方向往鄭州輸送，且水汽的源地隨時(shí)間逐漸向東移動。在輸送的中后期，受到臺風(fēng)“煙花”增強(qiáng)的影響，輸送速度加快，且水汽含量得到大幅補(bǔ)充。

(3)來自南海北部的水汽在19日受臺風(fēng)“查帕卡”的影響從東南方向往鄭州輸送；而20—21日由于兩臺風(fēng)間距離不斷縮小產(chǎn)生共同作用，輸送方向轉(zhuǎn)為偏南方。輸送過程中氣塊不斷抬升，逐漸損失水汽。因高度較高且離臺風(fēng)較遠(yuǎn)，受臺風(fēng)影響后，水汽含量并未得到較好的補(bǔ)充。

(4)來自北太平洋西部的水汽在此次極端暴雨過程中占據(jù)主導(dǎo)地位，來自南海北部的水汽因輸送過程中水汽的較多損失而導(dǎo)致貢獻(xiàn)偏低。

在計(jì)算水汽貢獻(xiàn)時(shí)重點(diǎn)考慮了各通道水汽來源對終點(diǎn)處降水的水汽相對貢獻(xiàn)，沿途中水汽的損失可能不會改變對降水的影響，因此未考慮沿途中由于降水造成的水汽損失。計(jì)算結(jié)果可能存在一定的誤差，但對本文的結(jié)論不會有重要影響。在日后的研究中，將進(jìn)一步改進(jìn)水汽貢獻(xiàn)的計(jì)算方法，從而減小計(jì)算誤差。