任宏昌，張恒德,2

(1.國家氣象中心，北京 100081； 2.中國氣象局-河海大學(xué)水文氣象研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

我國地處東亞季風(fēng)區(qū)，汛期始于夏季風(fēng)的爆發(fā)，夏季風(fēng)自南向北推進(jìn)過程會(huì)經(jīng)歷兩次北跳和三次停滯，分別對(duì)應(yīng)華南前汛期、江淮梅雨以及華北東北雨季。8月中旬以后，夏季風(fēng)逐漸南撤，直至退出我國，汛期也逐漸結(jié)束。在夏季風(fēng)充沛的水汽供應(yīng)下，我國汛期暴雨頻發(fā)，具有季節(jié)性強(qiáng)、暴雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間長等特征。已有研究表明，持續(xù)性的暴雨事件是造成城市內(nèi)澇、洪水以及泥石流等自然災(zāi)害的最主要因素[1-5]。近年來，城市洪澇的防災(zāi)減災(zāi)問題日益受到廣泛關(guān)注和高度重視，針對(duì)汛期洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防控，以及城市適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害能力等研究也成為重要的前沿問題[6-10]。

我國暴雨的空間分布差異較大，總體由東南向西北依次遞減。其中，西南地區(qū)、江漢、江淮、江南以及華南是暴雨多發(fā)地區(qū)[11]。近幾十年來，我國城市化進(jìn)程迅速，城市自然水文條件發(fā)生了明顯改變。城市區(qū)域下墊面不透水比例增加，雨水匯流的水力效率更高，在城市排水設(shè)施不暢的影響下，遇到短時(shí)強(qiáng)降水，更容易引起城市內(nèi)澇，甚至人員傷亡[12]。此外，在全球變暖背景下，大城市的熱島效應(yīng)、雨島效應(yīng)更加明顯，降水也越來越向城區(qū)集中，許多大城市的觀測站均出現(xiàn)了突破歷史極值的暴雨事件[13]。出現(xiàn)在大城市的致洪暴雨造成的災(zāi)害往往更嚴(yán)重，如2016年7月，我國南方大部地區(qū)遭遇特大暴雨洪澇事件，武漢遭受了損失最為嚴(yán)重的單次災(zāi)害[14-15]，南京主要河湖水位均超歷史記錄[16-17]，給流域居民生命財(cái)產(chǎn)等造成巨大的損失。

2021年7月17—22日，河南中部和北部發(fā)生特大致洪暴雨，其中19日14時(shí)至21日8時(shí)是強(qiáng)降水最集中的時(shí)段，鄭州、許昌、洛陽、平頂山地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，21—22日強(qiáng)降水中心移到河南北部。此次極端暴雨天氣過程具有持續(xù)時(shí)間長、累計(jì)雨量大、降水強(qiáng)度極端性強(qiáng)等特征，導(dǎo)致了極為嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。其中鄭州出現(xiàn)了歷史罕見的特大暴雨(鄭州“7·20”暴雨)，單日降水量和小時(shí)降水量均顯著超過當(dāng)?shù)赜杏涗浺詠淼臉O值，給這座城區(qū)人口規(guī)模達(dá)到670余萬人的現(xiàn)代特大城市帶來極大損失，軌道、公路、電力及通訊等設(shè)施一度遭到中斷，這場洪澇災(zāi)害也嚴(yán)重影響了南北鐵路干線的正常運(yùn)營。值得注意的是，此次造成嚴(yán)重城市洪澇災(zāi)害的暴雨，其高空環(huán)流特征與典型的黃淮暴雨形勢[18]有著顯著差異，且沒有明顯的中層切變和地面氣旋配合。因此，本文側(cè)重于分析鄭州“7·20”暴雨降水過程的極端性、大尺度環(huán)流特征以及地形對(duì)暴雨位置和強(qiáng)度的影響，以期能為極端降水事件、城市暴雨洪澇災(zāi)害的預(yù)報(bào)提供參考。

1 研究資料與方法

1.1 研究資料

本文采用的地面降水觀測資料來自國家氣象信息中心整編的2 479個(gè)國家級(jí)氣象站觀測資料，時(shí)間自1951年1月至2021年7月，包括逐日降水量(北京時(shí)間8時(shí)至次日8時(shí))、逐小時(shí)降水量、逐分鐘降水量等資料。上述資料均經(jīng)過國家氣象信息中心的質(zhì)量控制和極值檢驗(yàn)。雷達(dá)拼圖數(shù)據(jù)來源于全國天氣雷達(dá)臺(tái)站上傳的PUP產(chǎn)品數(shù)據(jù)，拼圖水平分辨率為0.01°×0.01°，時(shí)間分辨率為6 min。采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心發(fā)布的第5代全球氣候再分析資料數(shù)據(jù)集(the fifth global reanalysis，ERA-5)分析此次特大致洪暴雨的環(huán)流形式。該數(shù)據(jù)采用實(shí)時(shí)更新方式，提供1950年至今的高分辨率全球大氣再分析數(shù)據(jù)，以全球網(wǎng)格形式發(fā)布，水平分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 h。ERA-5再分析數(shù)據(jù)集的垂直方向上從1 000 hPa到1 hPa，共37層。本文采用的主要物理量包括格點(diǎn)位勢高度場、水平風(fēng)場、散度場、比濕、垂直速度場、地表氣壓等。

1.2 研究方法

合成分析時(shí)，逐日再分析數(shù)據(jù)物理量場與降水量的合成存在一定差異。再分析物理量場的日值數(shù)據(jù)采用當(dāng)日逐24 h數(shù)據(jù)平均值，包括位勢高度場、水平風(fēng)場、散度場、比濕、垂直速度場等，將北京時(shí)間7月20日8時(shí)至7月21日8時(shí)，作為7月20日數(shù)據(jù)，以此類推。在分析暴雨過程時(shí)，物理量場分析采用此次暴雨過程期間(2021年7月17—22日)逐日數(shù)據(jù)的平均值。此外，對(duì)于降水?dāng)?shù)據(jù)的合成則采用累加的方式，如7月20日16—17時(shí)降水量采用16時(shí)0分至16時(shí)59分的逐分鐘降水量的累加值，7月20日降水量采用7月20日8時(shí)至7月21日8時(shí)期間逐小時(shí)降水量的累加值，暴雨過程降水量則采用暴雨過程期間(2021年7月17—22日)逐日降水量的累加值。

標(biāo)準(zhǔn)化異?？捎行П容^不同變量的異常程度，可以更好地表示暴雨過程及環(huán)境條件的極端性，標(biāo)準(zhǔn)化異常度的表達(dá)式為

(1)

式中：D為標(biāo)準(zhǔn)化異常度；F為所分析的特定時(shí)刻的變量x(如7月20日的500 hPa位勢高度)的值；σ為變量場30 a(1991—2020年)的氣候標(biāo)準(zhǔn)差。

D表示變量場的異常是氣候標(biāo)準(zhǔn)差的多少倍。文中以水汽通量及其散度來分析暴雨產(chǎn)生的水汽條件及來源，采用下式計(jì)算整層垂直積分的水汽通量矢量：

Q=Qλi+Qφj

(2)

式中：g為重力加速度；Qλ、Qφ分別為水汽通量矢量Q在緯向和經(jīng)向的水汽輸送通量；ps為地表氣壓，用于消除地形的影響；u、v為風(fēng)矢量的緯向和經(jīng)向分量;q為比濕。

由于大氣中的水汽主要集中于對(duì)流層低層，因此本文水汽通量的整層積分指從地表到300 hPa的垂直積分。

2 “7·20”暴雨特征分析

2.1 暴雨過程時(shí)空分布特征

鄭州地跨黃河、淮河兩大流域，是中國洪水災(zāi)害危險(xiǎn)程度較重區(qū)域[19]。研究[20-21]表明，近年來鄭州地區(qū)年最大降水量呈增加趨勢，暴雨頻率與暴雨雨強(qiáng)也呈現(xiàn)逐年上升趨勢，暴雨歷時(shí)則呈現(xiàn)逐年下降趨勢，表明鄭州地區(qū)暴雨的極端性逐漸增強(qiáng)。2021年7月17—22日，河南省出現(xiàn)歷史罕見的極端強(qiáng)降水事件，中部和北部地區(qū)出現(xiàn)暴雨或大暴雨。“7·20”暴雨降水過程持續(xù)時(shí)間長、累計(jì)雨量大。強(qiáng)降水中心主要位于鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁和安陽，有6個(gè)觀測站累計(jì)降水量超過700 mm(圖1(a))。此次降水過程的最強(qiáng)降水時(shí)段在 19—21日。其中，7月20日，位于暴雨中心的鄭州市國家級(jí)氣象觀測站日降水量達(dá)到624.1 mm，接近鄭州全年降水量，超過鄭州站原日降水最大值的3倍。鄭州氣象觀測站最大小時(shí)降水量達(dá)201.9 mm(圖1(b),20日16—17時(shí))，突破中國大陸小時(shí)降水量歷史極值(198.5 mm，河南林莊，1975年8月5日)。受本次強(qiáng)降水的影響，鄭州地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的城市內(nèi)澇、一些河流出現(xiàn)超警戒水位，個(gè)別水庫潰壩，部分鐵路停運(yùn)、航班取消，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

2.2 暴雨的極端性

此次暴雨過程的另一特征表現(xiàn)為突發(fā)性極強(qiáng)、短時(shí)雨量極強(qiáng)、降水極端性突出。河南全省有7個(gè)國家級(jí)氣象站1 h降水量突破建站以來小時(shí)降水量極值。過程降水落區(qū)集中在太行山東南側(cè)和伏牛山東北側(cè)(圖1(a))，而通過分析過程累計(jì)降水量超過600 mm觀測站的1 h降水量時(shí)間序列(圖2)發(fā)現(xiàn)，河南中部伏牛山東北側(cè)的強(qiáng)降水與河南北部太行山東南側(cè)的強(qiáng)降水出現(xiàn)的時(shí)間不一致。河南北部的強(qiáng)降水主要集中于7月21—22日，最大小時(shí)降水量為50～80 mm，且降水呈雙峰或多峰形分布，短時(shí)強(qiáng)降水過程存在一定的間歇期。而河南中部降水時(shí)段為7月19—20日，強(qiáng)降水主要集中在鄭州周邊。鄭州站的小時(shí)降水分布呈現(xiàn)顯著的單峰形分布，強(qiáng)降水時(shí)段極為集中，短時(shí)雨量極強(qiáng)。7月20日16—17時(shí)，鄭州站1h降水量達(dá)到201.9 mm，突破我國大陸國家級(jí)氣象觀測站有記錄以來的小時(shí)降雨量歷史極值。相較而言，此前鄭州站的日降水量(24 h)最大值也僅為184.1 mm。此外，此次降水過程中鄭州站小時(shí)雨強(qiáng)的極大值呈現(xiàn)顯著的局地性，其相鄰國家級(jí)觀測站最大小時(shí)雨強(qiáng)為50～75 mm，與鄭州站的小時(shí)降水量存在顯著差距。

圖1 2021年7月17—22日過程累計(jì)降水量和最大小時(shí)降水量Fig.1 Process cumulative precipitation and maximum hourly precipitation from 17 to 22 July, 2021

圖2 2021年7月17—22日過程降水量大于600 mm的國家級(jí)觀測站逐小時(shí)降水量Fig.2 Hourly precipitation at national observation stations with total precipitation greater than 600mm from 17 to 22 July, 2021

從分鐘降水情況看，7月20日清晨、上午以及午后，鄭州已經(jīng)間歇性出現(xiàn)中等強(qiáng)度降水，分鐘降水量達(dá)到1 mm以上，但持續(xù)時(shí)間較短，為10～15 min。15時(shí)30分起，鄭州地區(qū)降水量開始迅速增加，分鐘降水量可達(dá)到3 mm以上。16時(shí)起，分鐘降水量始終維持在3 mm以上，其中降水量極大值出現(xiàn)在16時(shí)38分，分鐘降水量達(dá)到4.7 mm。對(duì)于我國而言，3～4 mm的降水量已經(jīng)屬于異常偏強(qiáng)的極端降水，持續(xù)時(shí)間也往往較短。而鄭州最大分鐘降水量可達(dá)4.7 mm，且持續(xù)時(shí)間極長。如此高強(qiáng)度的降水得以維持如此長時(shí)間，是歷史罕見的。

分析表明，無論是日降水、小時(shí)降水還是分鐘降水量，此次暴雨過程均具有很強(qiáng)的極端性，尤其鄭州暴雨突發(fā)性強(qiáng)、短時(shí)雨量極大，具有明顯局地性特征。因此，本文將重點(diǎn)分析7月20日鄭州極端致洪暴雨的中尺度特征及主要成因。

2.3 暴雨過程的中尺度對(duì)流特征

從20日白天起，受低渦影響，鄭州地區(qū)及其東南部上空已經(jīng)出現(xiàn)團(tuán)狀對(duì)流云團(tuán)，并在向西北方向移動(dòng)的過程中逐漸組織化，形成中尺度對(duì)流系統(tǒng)。此時(shí)鄭州及其周邊地區(qū)呈現(xiàn)強(qiáng)回波特征，最強(qiáng)回波強(qiáng)度達(dá)到45 dBZ，降水強(qiáng)度開始逐漸增強(qiáng)。自20日12時(shí)起，鄭州地區(qū)維持強(qiáng)回波特征的同時(shí)，在其西南方向的南陽、平頂山一帶不斷有新的對(duì)流單體觸發(fā)，逐漸發(fā)展加強(qiáng)，并沿伏牛山脈向其東北方向的鄭州移動(dòng)。鄭州上空雷達(dá)組合反射率逐漸增強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)到50 dBZ以上，降水主要集中在鄭州南部及其周邊地區(qū)。20日15時(shí)起(圖3(a))，鄭州南部的駐馬店、漯河一帶亦開始有對(duì)流單體新生，并不斷向北發(fā)展。而南陽一帶的對(duì)流云團(tuán)則向東北方向移動(dòng)，與漯河、駐馬店方向移來的對(duì)流云團(tuán)合并后向鄭州地區(qū)移動(dòng)，伴隨著降水強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。16—17時(shí)，合并后的對(duì)流云團(tuán)發(fā)展進(jìn)一步加強(qiáng)，其南部生成的對(duì)流系統(tǒng)不斷沿山脈向河南中部移動(dòng)，使得強(qiáng)降水核心區(qū)始終停留在鄭州地區(qū)。強(qiáng)雷達(dá)回波(45～55 dBZ)在鄭州地區(qū)上空維持長達(dá)1 h，最高達(dá)到55 dBZ以上(圖3(b)(c))。長時(shí)間、強(qiáng)回波的對(duì)流系統(tǒng)也為當(dāng)?shù)貛砹藰O強(qiáng)的降水，小時(shí)降水量高達(dá)201.9 mm。在強(qiáng)盛的偏東、偏南暖濕氣流影響下，對(duì)流系統(tǒng)不斷觸發(fā)新生，并沿山脈向鄭州地區(qū)匯集。與此同時(shí)，新的對(duì)流單體在舊的單體后方不斷生成，整個(gè)對(duì)流系統(tǒng)不斷向北移動(dòng)發(fā)展，呈現(xiàn)明顯的列車效應(yīng)。

圖3 7月20日黃淮流域大于或等于10 dBZ雷達(dá)組合反射率因子拼圖Fig.3 Combined pictures of radar composite reflectivity factor for Huanghuai Basin on July 20th

20日夜間起，鄭州南部的駐馬店、漯河一帶新生的對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)方向逐漸偏北，向開封方向移動(dòng)。而平頂山一帶的對(duì)流則逐漸減弱，不再向鄭州地區(qū)補(bǔ)充新的對(duì)流系統(tǒng)。鄭州地區(qū)對(duì)流結(jié)構(gòu)亦逐漸松散，降水強(qiáng)度逐漸減弱(圖3(d))。

3 “7·20”暴雨成因分析

3.1 環(huán)流背景和主要影響系統(tǒng)

此次致洪暴雨過程中，高、中、低緯度的多尺度系統(tǒng)(包括副熱帶高壓、大陸高壓、低渦、臺(tái)風(fēng)、低空急流)的互相配合，為暴雨提供了非常有利的環(huán)流背景。從7月20日200 hPa位勢高度場可以發(fā)現(xiàn)(圖4(a))，南亞高壓呈現(xiàn)明顯的偏強(qiáng)、東伸。在河套地區(qū)附近存在一個(gè)異常偏強(qiáng)、偏深的高空槽，河南北部呈現(xiàn)弱的高壓脊。而在東部的黃海地區(qū)，19日起一直存在一個(gè)高空冷渦，日本海則存在異常偏強(qiáng)的阻塞高壓脊。通常情況下，200 hPa位勢高度場氣流相對(duì)平直。然而此次降水過程呈現(xiàn)了少見的高空波列，且在強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展期間位相穩(wěn)定少動(dòng)。河南地區(qū)位于異常偏強(qiáng)的高空槽前，高空氣流呈強(qiáng)輻散，其200 hPa散度的異常值超過氣候平均標(biāo)準(zhǔn)差的4倍以上，為底層對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利條件。對(duì)于500 hPa而言，此次降水過程前期，副熱帶高壓異常偏強(qiáng)偏北，其脊線在7月15日突然北跳，并穩(wěn)定維持在37°N以北，較常年平均偏北約13個(gè)緯距。7月20日500 hPa高空?qǐng)D顯示(圖4(b))，河南地區(qū)東北部為顯著偏強(qiáng)的西太平洋副熱帶高壓，在其南側(cè)建立了偏東風(fēng)水汽輸送通道。值得注意的是，副熱帶高壓的異常偏強(qiáng)偏北程度達(dá)到氣候平均標(biāo)準(zhǔn)差的2倍以上。河南西北部則為異常偏強(qiáng)的大陸高壓，在河南西部存在一個(gè)尺度較小的渦旋。與此同時(shí)，位于西北太平洋的2021年6號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”則在不斷北移加強(qiáng)，并于20日加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)級(jí)，其北部的偏東風(fēng)氣流同樣得到加強(qiáng)，河南位于異常偏北偏強(qiáng)的副熱帶高壓以及西北太平洋臺(tái)風(fēng)“煙花”之間，兩者疊加的強(qiáng)氣壓梯度使得偏東風(fēng)氣流顯著加強(qiáng)，為此次強(qiáng)降水過程提供了充沛的水汽來源。此外，位于我國南海的2021年7號(hào)臺(tái)風(fēng)“查帕卡”也于7月19日夜間加強(qiáng)至臺(tái)風(fēng)級(jí)，并不斷向北移動(dòng)。低層的850 hPa上(圖4(c))，河南西部開始出現(xiàn)明顯的氣旋性切變。值得注意的是，925 hPa的環(huán)流特征圖上(圖4(d))，河南中部存在3支氣流向鄭州地區(qū)匯集，分別為南部的東南氣流、東部的偏東風(fēng)氣流、河南北部經(jīng)太行山脈阻擋后轉(zhuǎn)向南的偏東北風(fēng)氣流。3支攜帶大量水汽的氣流匯集在鄭州地區(qū)，是此次特大致洪暴雨過程發(fā)生的重要原因。

圖4 7月20日不同位勢高度的風(fēng)場及高度場距平Fig.4 Wind field and height field anomalies at different geopotential heights on July 20th, 2021

3.2 水汽條件

水汽對(duì)于極端強(qiáng)降水的發(fā)生起著至關(guān)重要的作用。造成城市洪澇的暴雨過程中，總可以觀測到強(qiáng)水汽輸送通道的存在。在有利的環(huán)流配置下，充沛的水汽沿通道被源源不斷地輸送到暴雨區(qū)，并在該地區(qū)輻合，使得暴雨降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長，導(dǎo)致城市洪澇的發(fā)生[1,22]。從整層積分的水汽通量圖(圖5)可以看到，此次致洪暴雨過程有2條明顯的水汽通道：來自西北太平洋一直延伸到河南地區(qū)的偏東水汽、從我國南海自南向北延伸到河南地區(qū)的偏南水汽。由于副熱帶高壓偏強(qiáng)偏北，其南緣的偏東氣流與臺(tái)風(fēng)“煙花”北側(cè)的偏東氣流相疊加，建立了一條非常強(qiáng)的自東向西水汽輸送通道，將西北太平洋的水汽源源不斷地輸送到河南地區(qū)。此外，我國南海臺(tái)風(fēng)“查帕卡”加強(qiáng)至臺(tái)風(fēng)級(jí)，并不斷向北逼近我國廣東。在“查帕卡”和強(qiáng)而深厚的西南季風(fēng)的共同作用下，一條自南向北的水汽通道亦建立起來，將南方的水汽持續(xù)向北輸送至河南地區(qū)。2條水汽通道在河南地區(qū)輻合，使得河南中東部地區(qū)的水汽通量平均可達(dá)600 kg/(m·s)以上，偏離氣候態(tài)超過3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。作為對(duì)比，同期該地區(qū)水汽輸送的氣候態(tài)則僅為300 kg/( m·s)左右，表明在多個(gè)大尺度系統(tǒng)的共同影響下，鄭州地區(qū)的水汽輸送異常強(qiáng)盛，具備了極為有利的暴雨發(fā)生條件。

圖5 7月20日水汽通量Fig.5 Moisture flux on July 20th, 2021

從水汽通量及其散度的時(shí)間演變(圖6)可以更清晰地看出，7月17—18日，已經(jīng)有來自西北太平洋和南海的水汽向河南東部輸送。但由于臺(tái)風(fēng)“煙花”與“查帕卡”位置均偏南，水汽在河南東部呈自南向北輸送，水汽通道并未完全建立，且不利于地形抬升。7月19—20日，隨著臺(tái)風(fēng)“煙花”與“查帕卡”的不斷加強(qiáng)并北移，來自西太平洋和南海的水汽輸送顯著增強(qiáng)，建立起2條清晰的水汽通道，并在河南中部和北部形成強(qiáng)烈的水汽輻合，19日起，鄭州地區(qū)的水汽通量散度異常超過3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，而20日更是達(dá)到5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上，水汽通量散度的極端性比水汽通量本身更強(qiáng)。此外，從環(huán)流形勢上看，19—20日臺(tái)風(fēng)“煙花”有著明顯的西移，而“查帕卡”亦有向北的移動(dòng)，在增強(qiáng)水汽輸送的同時(shí)，也有利于對(duì)流系統(tǒng)長時(shí)間維持在同一地區(qū)。鄭州地區(qū)長時(shí)間、高強(qiáng)度的水汽輻合，是此次強(qiáng)降水過程持續(xù)時(shí)間長、降水強(qiáng)度大的重要原因。

圖6 7月17—20日水汽通量及其散度Fig.6 Moisture flux and its divergence from 17 to 20 July, 2021

3.3 地形對(duì)致洪暴雨的增幅作用

綜上，大尺度環(huán)流背景非常有利于強(qiáng)降水的發(fā)生、發(fā)展，并且暴雨區(qū)具備極為充沛的水汽。然而，鄭州地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水呈現(xiàn)明顯的局地性，小時(shí)降水量顯著高于周邊地區(qū)，這與地形的增幅作用有著密切關(guān)聯(lián)。鄭州地區(qū)地形地貌比較復(fù)雜，橫跨我國第二級(jí)和第三級(jí)地貌臺(tái)階，由中山、低山、丘陵過渡到平原，山區(qū)丘陵與平原分界明顯[23]。已有研究表明，太行山脈等地形，對(duì)華北暴雨強(qiáng)度及中心位置有著顯著的影響，且對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)和水汽輻合有明顯增幅作用[24-25]。7月20日強(qiáng)降水長時(shí)間維持在鄭州城區(qū)上空，與鄭州周邊伏牛山脈、嵩山山脈、太行山山脈的疊加影響有著密切的關(guān)聯(lián)。如圖7所示，鄭州地區(qū)位于伏牛山、嵩山的東北方向，太行山脈以南。河南東部存在一支強(qiáng)的偏東風(fēng)急流，使得水汽向鄭州地區(qū)不斷匯集，最遠(yuǎn)到達(dá)鄭州西部的嵩山山脈。而這支偏東風(fēng)急流的北部在遇到太行山脈時(shí)，受地形的阻擋而向南偏轉(zhuǎn)，仍然匯向鄭州地區(qū)。與此同時(shí)，鄭州南部也存在一支沿伏牛山脈北上偏南風(fēng)氣流。鄭州地區(qū)南部、東部、北部均有顯著的低空氣流流入，而西部為山脈所阻擋，為暴雨區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)、水汽輻合提供了非常有利的條件。

圖7 河南地區(qū)地形高度150 m以上區(qū)域及7月20日925 hPa高度風(fēng)場Fig.7 Topography near Henan Province and wind field at 925 hPa on July 20th, 2021

由圖8(圖中灰色為地形高度)可知，在暴雨區(qū)東側(cè)，對(duì)流層中低層有著深厚的東風(fēng)急流，垂直上升運(yùn)動(dòng)主要集中在111°E～115°E之間，山脈迎風(fēng)坡上空對(duì)流層整層均維持強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)。并且，其東側(cè)的平原地區(qū)也維持非常強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，一直延伸到約115°E，鄭州地區(qū)(113.39°E)處于上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)烈的區(qū)域附近。從水平風(fēng)場來看，鄭州地區(qū)上空850 hPa以下呈現(xiàn)非常強(qiáng)的水平風(fēng)場輻合，而在穩(wěn)定的環(huán)流配置下，850 hPa以上呈現(xiàn)強(qiáng)的水平輻散，為暴雨的發(fā)展提供了非常有利的條件。暴雨區(qū)南側(cè)，925 hPa以上直至對(duì)流層頂，均呈現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的偏南風(fēng)。偏南風(fēng)氣流經(jīng)過鄭州南部迎風(fēng)坡一定程度的地形抬升后(31°N附近)，南風(fēng)分量和上升運(yùn)動(dòng)迅速加強(qiáng)。在接近暴雨區(qū)后，上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展更為強(qiáng)烈，鄭州(34.42°N)和嵩山山脈上空呈現(xiàn)強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)和低層輻合。此外，高空700 hPa以上同樣具備較好的輻散條件。在偏南氣流到達(dá)更北部的太行山時(shí)，上升運(yùn)動(dòng)再次得到加強(qiáng)，出現(xiàn)另一個(gè)中低層的水平輻合中心。

圖8 7月20日鄭州地區(qū)水平和垂直運(yùn)動(dòng)及水平運(yùn)動(dòng)散度Fig.8 Horiz ontal and vertical movements, and horizontal divergence of wind field in Zhengzhou area on July 20th, 2021

綜上所述，在穩(wěn)定的環(huán)流形勢下，攜帶大量水汽的偏東氣流和偏南氣流在河南中部交匯。暴雨的上升運(yùn)動(dòng)通常是中尺度的，而此次過程中，暴雨區(qū)附近較大范圍地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，其中鄭州地區(qū)北部、西部和南部地形起到了重要的阻擋和抬升作用，使得鄭州處于上升運(yùn)動(dòng)和低層輻合最強(qiáng)烈的區(qū)域。低空850～700 hPa的垂直速度極端性顯著，最大可偏離氣候態(tài)8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上，表明動(dòng)力抬升條件的極端性較水汽條件更加顯著。在高層異常強(qiáng)的輻散條件配合下，最強(qiáng)暴雨出現(xiàn)在了這一區(qū)域，表明鄭州地區(qū)北部、西部和南部的地形對(duì)于極端強(qiáng)降水的增幅起到了關(guān)鍵作用。

4 結(jié) 論

a.鄭州“7·20”暴雨過程，高層環(huán)流系統(tǒng)穩(wěn)定少動(dòng)，暴雨區(qū)位于高空槽前，上空呈強(qiáng)輻散，為低層的輻合上升提供了有利條件。中層副熱帶高壓和臺(tái)風(fēng)“煙花”之間強(qiáng)的氣壓梯度增強(qiáng)了位于兩者之間的偏東氣流，與南海臺(tái)風(fēng)“查帕卡”和西南季風(fēng)之間的偏南氣流同時(shí)匯入鄭州地區(qū)。在上述環(huán)流背景下，鄭州上空回波發(fā)展旺盛，且有來自西南、東南方向的對(duì)流性回波不斷向暴雨區(qū)匯聚而來，呈現(xiàn)明顯的“列車效應(yīng)”，使得強(qiáng)降水長時(shí)間維持在鄭州上空。

b.鄭州“7·20”暴雨的直接原因之一是極端的水汽條件。在副熱帶高壓、臺(tái)風(fēng)“煙花”以及臺(tái)風(fēng)“查帕卡”的共同作用下，暴雨區(qū)的整層水汽通量遠(yuǎn)超氣候平均值，異常程度達(dá)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上。而暴雨區(qū)的水汽通量散度異常程度更為顯著，水汽輻合異常達(dá)到5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上，使得暴雨區(qū)具備極為充沛的水汽條件。

c.地形對(duì)鄭州“7·20”暴雨起到了重要增幅作用。在伏牛山、嵩山、太行山等地形的阻擋和抬升作用下，暴雨區(qū)具備強(qiáng)烈的低層水平風(fēng)場的輻合和上升運(yùn)動(dòng)條件。鄭州周邊地形對(duì)暴雨位置的穩(wěn)定維持，以及降水量的增幅起到了重要作用。

本文對(duì)鄭州“7·20”暴雨的精細(xì)化特征及主要成因進(jìn)行了分析。然而，仍需針對(duì)致洪暴雨的中尺度渦旋發(fā)生發(fā)展機(jī)制、短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的云物理機(jī)制等進(jìn)行深入研究。此外，復(fù)雜地形下對(duì)流系統(tǒng)是如何觸發(fā)和發(fā)展的、不同地形高度對(duì)于降水增幅的物理機(jī)制和增幅程度等問題，也尚需進(jìn)一步探索。