汪小康，楊浩，崔春光，李超，祁海霞，杜牧云，王婧羽，王曉芳

（中國氣象局武漢暴雨研究所，暴雨監(jiān)測預警湖北省重點實驗室，武漢430205）

引 言

歷史上我國出現(xiàn)過多次非常嚴重的極端降水過程，1954 年、1998 年長江流域發(fā)生了嚴重的洪澇災害(鞠笑生，1993；陶詩言等，1998)；河南“75.8”大暴雨，死亡人數(shù)超過2.6萬，直接經濟損失近百億元(丁一匯，2015)，對人民生活造成巨大影響，給經濟發(fā)展造成嚴重損失。

在全球變暖背景下，氣候異常和極端天氣氣候事件發(fā)生的可能性增加(Donat et al., 2016；IPCC, 2021),尤其是極端強降水愈發(fā)頻繁(Trenberth et al.,2010)，加劇了洪澇災害。2010 年、2016 年和2020 年長江流域均發(fā)生了嚴重的洪澇災害，其中2016年造成684人死亡，2020年158人死亡或失蹤(王曉芳等，2011；楊衛(wèi)忠等，2017；代潭龍等，2021；黃治勇等，2021)。2015年6月1 日監(jiān)利大暴雨伴隨的下?lián)舯┝鳌埦泶箫L等嚴重風災造成“東方之星”客輪翻沉，442 人遇難(王曉芳等，2015；汪小康等，2015；楊波等，2019)。2016年6月—7 月，湖北紅安、荊門相繼發(fā)生超過800 mm 的強降水，出現(xiàn)100 mm以上的短時強降水，造成嚴重的人員傷亡、大面積農作物絕收、河道潰堤(岳巖裕等，2018；趙嫻婷等，2020)。

2021年全球高影響天氣氣候事件頻發(fā)，我國春季強對流天氣頻繁且災害損失重，夏季氣候異常性特征突出，極端天氣氣候事件頻發(fā)。我國北方全年平均降水量達697.9 mm，較常年偏多40.3%，為歷史第二多，僅次于1964年。京津冀晉豫陜等6省(市)降水量均達1961 年以來歷史最多。4 月30 日江蘇沿江及以北地區(qū)遭受強對流天氣襲擊，南通局地風力達13～15 級。5月14日湖北武漢市和江蘇蘇州市吳江區(qū)遭受龍卷風襲擊，中心最大風力達到17級，造成人員傷亡，電力設施、房屋受損(劉蕓蕓和高輝，2021)。7 月17—23 日，河南發(fā)生特大暴雨洪澇災害(以下簡稱河南“21.7”特大暴雨)(楊浩等，2022；汪小康等，2022)；7 月25—30日，臺風煙花兩次在浙江登陸，北上影響華東、華北和東北等地，造成大范圍的降水。8 月長江中下游地區(qū)出現(xiàn)強降水集中期，形成持續(xù)時間較長的“倒黃梅”天氣(趙俊虎等，2022)。

本文概述了2021 年的中國大范圍氣候異常性并對幾次極端強降水、強對流大風等高影響天氣過程展開了初步分析，以期為我國氣候變化的研究及防災減災部署提供科學的參考依據，更好的為政府和公眾提供氣象保障服務。

1 數(shù)據和方法

本文所用資料包括：(1)全國范圍內國家站及區(qū)域站日降水量和小時雨量，由國家氣象信息中心提供。(2)ERA5 再分析資料(水平分辨率0.25°×0.25°，時間分辨率1 h，垂直方向25 層)，包含溫、壓、濕、風等氣象要素。(3)湖北省區(qū)域站逐5 min雨量和極大風資料以及雷達組合反射率因子，數(shù)據由湖北省氣象局信息保障中心提供。另外，全國主汛期選取4—10月，華西秋雨期由國家氣候中心提供，氣候常年值為1981—2010年的平均值。

本文個例分析中，河南“21.7”特大暴雨水汽輸送特征分析中用到了水汽后向分析方法(布和朝魯?shù)龋?022)，目標區(qū)域為暴雨落區(qū)(112—115°E，33—36°N)，后向追蹤5 d，表征水汽來源地。隨州“8.12”極端強降水分析使用了基于WRF 模式的局地地形敏感性試驗。5 月10 日強對流極端大風成因分析用到VDRAS數(shù)據，時間分辨率為6 min，水平分辨率為500 m，垂直方向(100—5 900 m)分為30層、分辨率為200 m。

2 氣候異常性特征

2021 年我國氣候異常性特征突出，華南前汛期、西南雨季和梅雨季表現(xiàn)為開始晚、結束早、降水量少的特征，華北雨季、東北雨季和華西秋雨呈現(xiàn)開始早、結束晚、降水量多的特征。

2.1 全國主汛期(4—10月)異常特征

2021 年主汛期，全國平均降水量為819.7 mm，較常年同期(755.8 mm)偏多7.8%。但旱澇分布有明顯的空間差異，降水異常偏多區(qū)分布在我國北方，其中河南、河北和山西三省交界區(qū)偏多1 倍以上，四川東北部、陜西南部、山西南部、河北南部、河南北部及山東北部偏多5成以上(圖1)。

圖1 2021年主汛期(4—10月)中國降水量(a,單位:mm)及距平百分率(b,單位:%)Fig.1 Distribution of(a)total precipitation(unit:mm)and(b)its anomaly percentage(unit:%)in China from April to October in 2021

4 月和5 月全國平均降水量較常年同期分別偏少5.8%和偏多8%，其中青海4月平均降水量為歷史同期最多，5月全國有12個站出現(xiàn)極端日降水事件(國家氣候中心，2021)。4 月23 日陜西南部的關中-秦巴山脈出現(xiàn)了一次區(qū)域大范圍的暴雨過程，陜西18個國家站24 h降水量突破4月歷史極值，異常環(huán)流條件下多尺度系統(tǒng)相互作用、異常水汽輸送結合地形影響是此次秦巴山脈暴雨發(fā)生的主要原因(王曉芳等，2022)。5月中旬，受高空槽、低空切變線和西南低空急流共同影響，湖北和江蘇局地對流活動發(fā)展劇烈，出現(xiàn)罕見雷暴大風和龍卷天氣，造成生命財產損失(王玨等，2022)。

6—8 月全國平均降水量較常年同期表現(xiàn)為先旱后澇(6月偏少8%，7月偏多3.2%，8月偏多12.2%)。6、7、8月全國分別有11個、36個、11個國家站日降雨量超過歷史極值，分別位于四川、河南、北京、山東、廣西、云南等地(國家氣候中心，2021)。7月17—23日河南發(fā)生歷史罕見特大暴雨，造成重大人員傷亡(蘇愛芳等，2021)。7月11—13日，受西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)外圍暖濕氣流和低渦系統(tǒng)影響，京津冀地區(qū)出現(xiàn)入汛以來最強降雨，大部分地區(qū)出現(xiàn)暴雨到大暴雨，并伴有短時強降水和風雹天氣。7 月16—18 日，受低渦外圍偏南、偏東暖濕氣流和東移高空槽的共同影響，北京再次出現(xiàn)強降雨天氣過程。8月7—12日，南方地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性降雨，長江中下游地區(qū)多縣受災，湖北隨州柳林鎮(zhèn)極端短時強降水，打破歷史記錄。

9月和10月全國平均降水量較常年同期分別偏多28.5%和45.4%。9月北京、天津、河北、河南、遼寧、陜西和山西7個省(直轄市)降水量均為1961年以來歷史同期最多。10月全國平均降水量為1961年以來同期第四多。

2.2 華西秋雨和漢江秋汛異常特征

8—9 月，隨著東亞季風系統(tǒng)的季節(jié)轉換，我國降水形勢呈現(xiàn)出新的異常性特征，尤以華西秋雨和漢江秋汛異常特征最為顯著。

2.2.1 降水異常特征

華西秋雨通常發(fā)生在9—10 月，空間上以北區(qū)和南區(qū)劃分，北區(qū)包括甘肅南部到陜西中部一帶，南區(qū)則包括四川東部、重慶、貴州中北部以及湖北西部、湖南西北部等地。2021年華西秋雨開始早、結束晚。北區(qū)秋雨自8 月23 日開始，較常年偏早17 d，10 月16 日雨季結束。南區(qū)秋雨自8月30日開始，較常年偏早9 d，11月8日結束，持續(xù)時長打破1961年以來最長華西秋雨季紀錄。由于漢江中上游剛好流經華西秋雨雨量最大區(qū)域，造成漢江2021 年發(fā)生歷史罕見的秋汛洪澇，漢川段水位連續(xù)超警戒水位17 d，9月7日，丹江口庫突破167 m歷史最高水位。

圖2給出2021年華西秋雨期(8月23日—11月9日)總降水量及距平的空間分布。降水大值中心集中在四川東北部和陜西南部，超過800 mm，較歷史同期偏多150%以上。陜西中部降水量超過400 mm，較歷史同期偏多250%。重慶東南部、湖北西南部、湖南和廣西北部降水量較歷史同期略微偏少。

圖2 2021年華西秋雨期(8月23日—11月9日)總降水量(a，單位:mm，方框分別表示北區(qū)和南區(qū))及距平百分率(b，單位:%)Fig.2 The Huaxi autumn rain(a)total precipitation(unit:mm,the boxes represent north and south district)and(b)its anomaly percentage(unit:%)from 23 August to 9 November in 2021

據統(tǒng)計，華西秋雨整體平均降水量達383.7 mm，較常年同期偏多66.1%，為1961 年以來歷史同期最多的年份，平均降水日數(shù)38.4 d，較常年同期偏多5.5 d。北區(qū)平均降雨量為388.6 mm，較氣候平均值偏多185%，是1961 年以來最多的一年(圖3)。南區(qū)秋雨總降水量為369.7 mm，較常年同期偏多48.2%。

圖3 1961—2021年華西秋雨(北區(qū))逐年降水量演變(單位:mm)Fig.3 Time series of the Huaxi autumn rain(north district)average precipitation(unit:mm)from 1961 to 2021

2.2.2 環(huán)流異常特征

影響降水最直接的因素就是大氣環(huán)流。通常情況下，進入秋季以后大氣環(huán)流出現(xiàn)了調整，副熱帶系統(tǒng)逐漸減弱，西風帶系統(tǒng)明顯增強(柳艷菊等，2012；袁旭和劉宣飛，2013)。研究表明，在華西秋雨偏多年，北半球500 hPa位勢高度分布特征通常為烏拉爾山阻塞高壓移動緩慢呈準靜止狀態(tài)，巴爾喀什湖到貝加爾湖是寬廣的低槽區(qū)。500 hPa 位勢高度距平表現(xiàn)為我國大陸東部到西北太平洋為正距平區(qū)，印緬槽加深(Niu et al.,2008；王春學等，2015)。

2021 年華西秋雨期500 hPa 位勢高度場上，中緯度地區(qū)副高5 880 gpm脊點西伸到100°E，華西秋雨區(qū)位于副高北側，850 hPa位勢高度上來自西太平洋的強盛的東風氣流深入內陸，并在華西轉為東南風。歐亞中高緯地區(qū)維持一槽一脊的環(huán)流型，巴爾喀什湖以西有一低槽，貝加爾湖上空存在一個弱的高壓脊，導致西北路徑的冷空氣活躍(圖4a)。距平場上，對流層中高層，貝加爾湖至我國北方大陸高壓偏強，巴爾喀什湖北部存在一低壓中心。對流層中低層，日本列島以北為異常反氣旋環(huán)流，華西秋雨區(qū)位于異常偏南氣流和西北氣流輻合區(qū)(圖4b)，說明副高引導的南海和西北太平洋水汽輸送明顯偏強。東亞季風監(jiān)測表明(圖略)，雖然已是秋季，但季風強度異常偏強，具有明顯的夏季風特征。

圖4 2021年華西秋雨期平均的500 hPa高度場、風場(a，等值線為高度場，單位:gpm;箭矢表示風場，單位:m·s-1)及850 hPa風場、高度距平場(b，陰影表示高度距平，單位:gpm;箭矢表示風場，單位:m·s-1;藍色方框為華西秋雨區(qū))Fig.4(a)Averaged 500 hPa geopotential height(contours,unit:gpm)and 500 hPa horizontal wind(vector arrow,unit:m·s-1)and(b)anomaly of 850 hPa geopotential height(shaded,unit:gpm)and averaged 850 hPa horizontal wind(vector arrow,unit:m·s-1)during the Huaxi Autumn Rain in 2021

造成大氣環(huán)流異常的外強迫因子包括海溫異常、積雪異常、植被異常等(鄭然等，2018)。研究表明，有利于華西秋雨的大氣環(huán)流特征與赤道中東太平洋的冷海溫密切相關——即“拉尼娜”事件(王春學等，2015)。圖5給出了2021年華西秋雨期海溫距平場，赤道中東太平洋海溫偏低1 ℃左右，我國附近所有海域、日本海以及太平洋西部海溫異常偏高，尤其北太平洋區(qū)域海溫異常偏高2 ℃以上。國家氣候中心監(jiān)測結果也證實，2021年7月開始，赤道中東太平洋海溫持續(xù)下降，10月進入拉尼娜狀態(tài)，為中等強度，已連續(xù)兩年冬季發(fā)生“雙峰型拉尼娜”。拉尼娜事件易導致歐亞中高緯環(huán)流呈經向型特征，冷空氣比較活躍，同時副高也容易較常年同期偏北(袁旭和劉宣飛，2013)。

2021年華西秋雨異常期間，海平面氣壓場也表現(xiàn)出明顯的異常特征(圖5)。兩個顯著的正異常中心分別位于我國東北以東和北太平洋區(qū)域，我國除了東北地區(qū)以外，其他地區(qū)全部為負異常。正常情況下，秋季東亞副熱帶夏季風向冬季風轉變，大陸冷高壓迅速發(fā)展，太平洋氣壓減小。然而華西秋雨期，我國西南地區(qū)地面氣壓異常偏低，夏季風環(huán)流系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)，強盛的東南風帶來異常偏多的水汽輸送。

圖5 2021年華西秋雨期海溫(陰影，單位:℃)和海平面氣壓(等值線，單位:gpm)距平場分布Fig.5 Anomaly of SST(shaded,unit:℃)and sea level pressure(contour,unit:gpm)during the Huaxi autumn rain in 2021

總之，2021年異常偏多的華西秋雨和漢江秋汛主要是受副高外圍水汽和北方活躍冷空氣的共同影響。強盛且持續(xù)的南方暖濕氣流與偏北氣流頻繁在我國西南地區(qū)交匯，導致長江上游、漢江流域降水明顯偏多，擴大了今年華西秋雨的影響范圍。“拉尼娜”海溫異常事件是導致環(huán)流異常的重要外強迫因子。

3 四次典型天氣過程分析

統(tǒng)計表明，2021 年4—10 月，全國共發(fā)生40 次降水和強對流過程，涉及河南省14 次，涉及湖北省11次，本節(jié)重點關注了造成重大人員傷亡和社會關注的4次過程。

3.1 河南“21.7”特大暴雨

3.1.1 降水極端性和環(huán)流特征

2021 年7 月17—23 日河南省發(fā)生了一場極端強降水過程，這次特大暴雨的極端性非常顯著，具有持續(xù)時間長，累計雨量大，暴雨落區(qū)集中的特點。全省站點6 d 累計降水量平均達到224.1 mm，累計過程雨量大于250 mm的面積占1/3，有179個站超過600 mm，800 mm 以上站點達到30 個，有19 個國家級氣象觀測站日雨量突破有氣象記錄以來歷史極值，其中鄭州站7 月20 日17 時(北京時，下同)1 h 雨量達201.9 mm，打破全國國家站歷史記錄，鄭州站7 月總降水量高達902.0 mm，是近70 a 歷史平均值的近6 倍。全省因災死亡失蹤398 人，其中鄭州380 人，新鄉(xiāng)10 人，平頂山、駐馬店、洛陽各2 人，鶴壁、漯河各1 人(國務院災害調查組，2022)。

這次特大暴雨過程從17 日上午自河南東南部開始發(fā)生，然后向北部地區(qū)擴展，23日上午結束，持續(xù)時間超過6 d。19 和20 日250 mm 以上降水落區(qū)分布在鄭州、新鄉(xiāng)、開封和平頂山地區(qū)，鄭州城區(qū)平均雨量連續(xù)兩天超過300 mm(圖6a)。21日雨帶北移，強降水集中到新鄉(xiāng)、鶴壁和安陽地區(qū)，400 mm以上面積超過19和20日(圖6b)。

圖6 2021年7月20日(a)、21日(b)雨量(單位:mm；陰影為地形高度，單位:m)、17—22日平均的500 hPa高度場和流場(c，陰影為高度，單位:gpm；流線表示流場；綠線為河南省界，綠色圓點表示鄭州站)及20日700 hPa相對濕度、相當位溫和水平風場(d，陰影為相對濕度,單位:%；紅色實線表示相當位溫，單位:K；箭矢表示風場，單位：m·s-1；綠線為河南省界；綠色圓點表示鄭州站)Fig.6 The daily precipitation(units:mm)on(a)20 and(b)21 July 2021.Brown and green shadow means topographic height(unit:m).(c)Averaged 500 hPa geopotential field(shaded,unit:gpm)and flow field during 17-22 July 2021,green line marks out the boundary of Henan Province,and green dot marks the location of Zhengzhou station.(d)The 700 hPa relative humidity(shaded,unit:%),equivalent potential temperature(red solid line,unit:K),and horizontal wind field(vector arrow,unit:m·s-1)on 20 July 2021.Green line marks out the boundary of Henan Province,and green dot marks the location of Zhengzhou station

河南“21.7”特大暴雨發(fā)生在遠距離臺風高壓型環(huán)流背景條件下，中緯度槽脊形勢穩(wěn)定，副高位置較歷史平均明顯偏北，副高南側和臺風“煙花”北側的偏東氣流疊加，建立起了穩(wěn)定的水汽輸送通道，受中尺度的低壓氣旋環(huán)流影響，以及切變線和輻合線的水汽集中作用，河南中部、西部和北部始終維持接近飽和的相對濕度(圖6c和圖6d)。

3.1.2 急流和地形對極端降水水汽供應和輻合的作用

水汽后向追蹤和水汽輸送分析顯示(圖7a和圖7b)此次強降水有三條主要的水汽輸送路徑，且位于不同的高度，一是來自日本海一帶副熱帶高壓南側東風的輸送；二是被位于琉球群島東南一帶的第6號臺風“煙花”助推來自熱帶西太平洋的東風；兩支東風氣流貢獻了約82%的水汽供應，在河南暴雨的東側造成了從地面一直到5 000 m 高空的近乎飽和的強勁東南風，再加上被廣東西部近海的第7號臺風“查帕卡”助推的來自北印度洋的西南季風，三支氣流在中原大地匯合，從東邊界和南邊界進入河南省，為持續(xù)性強降水提供了穩(wěn)定充足的水汽輸入。

圖7 2021年7月19—21日平均925—700 hPa層平均水汽通量(a，箭矢，單位:g·(cm·s·hPa)-1；灰色陰影為750 m及以上地形高度覆蓋范圍；綠線為河南省界；綠色圓點表示鄭州站)和暴雨水汽后向追蹤路徑圖(b)Fig.7(a)Averaged water vapor flux(vector arrow,unit:g·(cm·s·hPa)-1)from 700 to 925 hPa during 19－21 July 2021.Green line marks out the boundary of Henan Province,and green dot marks the location of Zhengzhou station.(b)The backward tracking path of water vapor in during“21.7”Henan heavy rain

在充沛的水汽供應和顯著的水汽流入的條件下，低空急流與邊界層急流的耦合形成低層水汽輻合中心和上升中心，20 日急流偏東，急流輻合區(qū)和上升運動大值區(qū)在太行山和伏牛山東坡及兩山之間(圖8a)，21 日，急流轉為東南向，與地形相關聯(lián)的輻合和上升運動轉至豫北地區(qū)的太行山東坡(圖8b)；大地形對山前的暖濕空氣起到了動力阻擋抬升和熱力抬升作用。

3.2 隨州“8.12”極端強降水

3.2.1 降水實況

2021 年8 月11—13 日湖北省出現(xiàn)了入汛以后最強降水過程，過程累積雨量分布顯示，強降水區(qū)呈西北-東南向帶狀分布于鄂北中部一帶，湖北1 453 個站雨量超過50 mm(占總站數(shù)52.9%)，445個站超過100 mm(占總站數(shù)16.2%)，250 mm 以上的強降水中心主要位于宜城、棗陽和隨縣，最強降水發(fā)生在隨州隨縣的柳林站(535 mm)和襄陽宜城的鶯河站(510.6 mm)(圖9a)。柳林站1 h(11 日05 時105.4 mm)、6 h(11 日03—08時462.6 mm)、24 h(11日21時—12日20時518.5 mm)降水量均大幅打破本站歷史記錄，其中12 日04—08 時連續(xù)5 h 均超過50 mm，05、06 時連續(xù)2 h 超過100 mm(圖9b)。最強降水出現(xiàn)在宜城站，8月8—12日出現(xiàn)連續(xù)強降水，累積降水量達到435.7 mm，其中11 日降水

圖9 2021年8月11—13日湖北省累積雨量(a，單位：mm)和8月11日20時—12日12時柳林、鶯河和宜城站小時雨量(b，單位：mm)演變Fig.9(a)Cumulative rainfall(unit:mm)in Hubei Province from 11 to 13 August 2021and(b)the hourly precipitation(unit:mm)at Liulin,Yinghe,and Yicheng stations from 20:00 BT 11 to 12:00 BT 12 August 2021

305.9 mm，破本站歷史記錄，是該站99.9%日降水閾值的2.5倍。

此次強降水過程影響范圍廣、累計雨量大、極端強降水持續(xù)時間長，且最強時段出現(xiàn)在凌晨，暴雨引發(fā)的山洪造成了23 人死亡、7 人失蹤，受災人口32.22萬余人，大量道路、橋梁、垱壩、堰塘、渠道等受損，直接經濟損失約3.4億。

3.2.2 環(huán)流形勢

此次強降水過程主要影響系統(tǒng)為副高、中低層低渦/切變線和邊界層偏東急流。200 hPa 層上，南亞高壓強大且主體穩(wěn)定少動，幾乎控制了35°N以南的中國地區(qū)，湖北位于南亞高壓東北側，氣流輻散顯著，且位于高空急流的右側，進一步加強抽吸作用(圖10a)。11日，500 hPa 上西太平洋副熱帶高壓脊線位于25°N 附近，較常年同期異常偏南，12日，東北低槽冷渦南側的冷空氣向南滲透，冷暖氣流在湖北北部交匯(圖10b)。對流層低層(925—700 hPa)12 日凌晨—上午有一條貫穿湖北中北部的東西向的偏東風和偏西風切變線，925 hPa層上切變線北側存在一條從東海海面延伸至強降水區(qū)北側的邊界層偏東風急流，并在湖北西部轉向，使得切變線上的渦度在鄂西北東部和鄂東北西部最強，形成中尺度的低渦，且渦度中心與垂直上升運動中心基本對應，提供了強降水的動力抬升條件。形成了高層輻散、中層冷暖氣流交匯、低層切變線、邊界層內中尺度低渦和急流的有利配置(圖10c和圖10d)。

圖10 2021年8月11日08時—13日08時200 hPa平均高度場和風場(a，陰影為高度場，單位:gpm；風羽表示風場)、8月11日08時—12日08時500 hPa平均高度場和流場(b，陰影為高度場，單位:gpm；流線表示流場)、8月12日00—12時925—700 hPa平均渦度場、流場和850 hPa垂直速度(c，陰影為渦度，單位:10-5 s-1；紅色虛線表示垂直速度，單位:Pa·s-1)及8月12日00—12時925 hPa平均風場和風速(d，陰影為風速，單位:m·s-1，風羽表示風場)，圖中綠線為湖北省界Fig.10(a)Averaged 200 hPa geopotential field(shaded,unit:gpm)and win bar from 08:00 BT 11 to 08:00 BT 13 August 2021，(b)averaged 500 hPa geopotential field(shaded,unit:gpm)and flow field from 08:00 BT 11 to 08:00 BT 12 August 2021,(c)averaged 500－700 hPa vorticity field(shaded,unit:10-5 s-1),flow field and 850 hPa vertical velocity field(red dashed line,unit:Pa·s-1)from 00:00 BT to 12:00 BT 12 August 2021 and(d)averaged 925 hPa wind bar and horizontal velocity shaded,unit:m·s-1)from 00:00 BT to 12:00 BT 12 August 2021.Green line marks out the boundary of Hubei Province

3.2.3 地形對低層風場和強降水的作用

地形與低層風場的相互作用對對流的觸發(fā)有很重要的作用。低層和邊界層內，鄂北地區(qū)均為偏東氣流，柳林鎮(zhèn)又位于大洪山小地形的迎風坡上?；赪RF模式，利用模式自帶30 s地形數(shù)據開展了地形敏感性試驗。地形移除前的控制試驗可發(fā)現(xiàn)(圖11a)，強降水中心柳林鎮(zhèn)(圖中黑色矩形方框)的強降水落區(qū)主要位于大洪山與桐柏山之間的狹長山谷區(qū)域內，強降水維持期間狹長山谷區(qū)域內出現(xiàn)顯著的近地面風場輻合，該環(huán)流形勢有利于降水的增強。地形移除后的敏感性試驗可發(fā)現(xiàn)(圖11b)，原本位于峽谷內的強降水帶向北推進，而此時近地面風場輻合帶也對應出現(xiàn)向北推進的特征，這表明大洪山與桐柏山構成的狹長山谷地形有利于強降水在山谷區(qū)域內出現(xiàn)，同時東北側的桐柏山對于山前近地面風場輻合帶的穩(wěn)定維持也起到了積極的作用。

圖11 2021年8月12日05—08時控制試驗(a)、去除局地地形的敏感性試驗(b)的累積降水量(陰影，單位:mm)及975 hPa平均風場(矢量箭頭)(灰色陰影表示250 m以上高度地形輪廓，黑色矩形方框表示隨州柳林)Fig.11 Cumulative rainfall(shaded,unit:mm)and averaged 975 hPa wind field(vector arrow)of(a)control simulation and(b)sensitivity simulation removed local terrain from 05:00 BT to 08:00 BT 12 August 2021.Grey shadow marks out the area where topographic height above 250 m.Black rectangle represents the location of the Suizhou Liulin

3.3 武漢兩次對流大風過程

2021年5月10日，湖北省中東部地區(qū)出現(xiàn)大范圍的短時強降水、雷暴大風和冰雹等強對流天氣，造成全省共220站出現(xiàn)短時強降水，5站次極大風力達到12級，局地出現(xiàn)冰雹。5月14日，湖北省中東部地區(qū)再次出現(xiàn)短時強降水和風暴天氣，并在武漢市蔡甸區(qū)引發(fā)三級強龍卷。兩次過程時間間隔短，且均在武漢市造成嚴重的風災，社會影響大，本節(jié)對比分析這兩次強對流過程的天氣特征和中尺度對流系統(tǒng)特征，并對極端性更強的5月10日對流大風過程的成因進行診斷分析。

3.3.1 極大風和小時雨量特征對比

2021年5月10日，受高空冷渦，短波槽，低層切變線和低空急流共同影響，武漢出現(xiàn)雷暴大風、短時強降水等強對流過程。強對流過程主要發(fā)生在10 日下午，14—15 時，武漢長江江面附近出現(xiàn)了6 站次的10級以上的大風，40 m·s-1以上的極值大風沿江面從南往北推進，速度越來越大，12 min從白沙洲大橋(14:28)推進至二七長江大橋(14:40)，風速從40.1 m·s-1增大到44.9 m·s-1，風向為偏南風(圖12a，表1)。50 mm·h-1以上的短時強降水集中在長江以東地區(qū)，三站次超過90 mm·h-1的極端強降水位于大風區(qū)東側約10 km，峰值時間略晚于大風極值，分鐘雨量大值中心同樣出現(xiàn)從南側向北側發(fā)展的特征(圖12a，表2)。

2021 年5 月13—17 日，受高空冷槽，低層低渦切變線影響，我國中東部出現(xiàn)了大范圍的短時強降水和雷暴大風天氣，其中武漢的強對流過程發(fā)生在5月14日夜間，大風在21∶03 首先出現(xiàn)在白沙洲紅燈船站(19.7 m·s-1)，為西北風，15 min后發(fā)展至北側的航道提示標站和鸚鵡洲大橋站，風速略有減小，且風向轉為西南風(圖12b，表1)；45 mm·h-1以上的短時強降水也發(fā)生在沿江地區(qū)，且出現(xiàn)在21∶15—21∶20，北側大風極值出現(xiàn)的時間基本一致(圖12b，表2)。

圖12 2021年5月10日14—15時(a)、5月14日21—22時(b)武漢強降水(單位:mm)和極大風速(風羽)分布(實線圓為出現(xiàn)極大風速的站點；點線圓為出現(xiàn)最大雨量的站點；短劃線圓為同時出現(xiàn)極大風速和最大雨量的站點)Fig.12 Heavy precipitation and maximum wind speed in Wuhan(a)from 14:00 BT to 15:00 BT 10 May 2021,(b)from 21:00 BT to 22:00 BT 14 May 2021.The solid line circle marks the maximum wind speed station,the dotted line marks the maximum rainfall station,and the dashed line marks the station with both maximum wind speed and maximum rainfall

表1 2021年兩次過程極大風速及出現(xiàn)時間Table 1 Maximum wind speed and occurrence time of the two cases in 2021

表2 2021年兩次過程小時雨量及5 min最大降水出現(xiàn)時段Table 2 Maximum 5 minutes cumulative rainfall and period of the two cases in 2021

總的來看，5月10日的強對流發(fā)生在下午，極端性強，風大雨大、先風后雨、位置分離；5月14日的強對流過程發(fā)生在夜間，短時強降水和極端大風的時間和空間分布高度重疊。

3.3.2 中尺度影響系統(tǒng)演變過程對比

5月10日的強對流過程發(fā)生前，13∶48超過40 dBz的對流單體形成，并在14∶00 迅速發(fā)展出超過55 dBz強回波；與此同時，南側還有一個超過55 dBz 強回波。南側對流單體向北移動，并在14∶30 與北側局地發(fā)展的對流單體合并發(fā)展成中β尺度對流系統(tǒng)。隨后，強的對流系統(tǒng)繼續(xù)緩慢北移，約在14∶48移出最強降水站點(圖13a—d)。

5 月14 日的強對流過程發(fā)生前，14∶54 對流單體形成于江漢平原南部，隨后持續(xù)增強，并向東北方向移動，在19∶42 接近武漢；此時，對流系統(tǒng)東南側有一對流單體新生。此后，兩者同時發(fā)展增強，對流系統(tǒng)向東移動，對流單體想東北移動，兩者在20∶18在武漢市蔡甸區(qū)合并同時進一步增強。對流系統(tǒng)繼續(xù)東移，并在20∶30—20∶50移過蔡甸區(qū)，引發(fā)龍卷。隨后對流系統(tǒng)繼續(xù)東移，并造成21∶00—21∶30時段長江沿岸的強風和短時強降水。對流系統(tǒng)繼續(xù)東移，在15 日00時消失在鄂東北東部(圖13e—h)。

圖13 2021年5月10日13∶48(a)、14∶00(b)、14∶30(c)、14∶48(d)的雷達組合反射率因子(陰影，單位:dBz；▲為大風位置，●為強降水位置)及2021年5月14日19∶42(e)、20∶18(f)、20∶36(g)、21∶06(h)的雷達組合反射率因子(陰影，單位:dBz；▲表示蔡甸奓山站，▲、●和□分別表示出現(xiàn)大風、強降水和同時出現(xiàn)大風和強降水的站點位置)Fig.13 Radar reflectivity factor(shaded,unit:dBz)at(a)13∶48 BT,(b)14∶00 BT,(c)14∶30 BT and(d)14∶48 BT 10 May 2021.Triangle indicates the position of strong wind and circle marks the position of heavy precipitation.Radar reflectivity factor(shaded;unit:dBz)at(e)19∶42 BT,(f)20∶18 BT,(g)20∶36 BT and(h)21∶06 BT 14 May 2021.Blue triangle marks the location of Caidian Zhashan station,triangle,circle,and rectangle mark the positions of strong wind,heavy rainfall and strong wind and heavy rainfall at the same time

5月10日的強對流是兩個中γ尺度的強對流單體合并發(fā)展成的中β尺度對流系統(tǒng)所引發(fā)的；5 月14 日的強對流影響系統(tǒng)是一個維持時間長達9 h 的中β尺度系統(tǒng)在一個迅速移動的中γ尺度強對流單體的影響下加強了該對流系統(tǒng)，導致蔡甸強對流發(fā)生。

3.3.3 5月10日強對流極端大風成因分析

5 月10 日的地面自動站5 min 加密數(shù)據顯示大風降水開始前(14∶00)，地面溫度露點差超過6 K，隨后溫度露點差迅速減小，至14∶20 時降水區(qū)附近降低到2 K 以下，高濕狀態(tài)維持到15∶00。地面溫度場分析顯示，與強降水區(qū)地面溫度露點差迅速減小相伴隨的是降水區(qū)附近溫度的迅速下降，14∶00 地面出現(xiàn)冷池出流，14∶10降水區(qū)附近冷池達到-3 K，開始出現(xiàn)5 mm·(5 min)-1的降水，14∶20 冷池達到-5 K，超過10 mm·(5 min)-1的強降水出現(xiàn)，并在14∶30—14∶50 達到最強。與冷池出流的強度相一致，白沙洲大橋站(40.1 m·s-1)、鸚鵡洲大橋站(41.3 m·s-1)和二七大橋站(44.9 m·s-1)的地面極大風速分別出現(xiàn)在14∶28、14∶33和14∶40(圖14a—c)。

白沙洲大橋站的VDRAS 6 min 數(shù)據分析顯示(圖14d)，在地面極大風速出現(xiàn)前的半小時(14∶00)，中層水平風速開始迅速增強，14∶24中層風速達到最大，4 000 m 高度風速超過18 m·s-1，此時低層出現(xiàn)了超過-3 m·s-1顯著下沉運動，中心位于1 500 m，隨后地面極大風速發(fā)生(14∶28)。鸚鵡洲大橋站和二七大橋站的VDRAS數(shù)據也有類似分析結果。

圖14 2021年5月10日14∶20(a)、14∶35(b)地面冷池(陰影，單位:K)、流場和大風(紅色實線，風速≥12 m·s-1)，14∶20(c)地面溫度露點差(陰影，單位:K)、溫度(紅色實線，單位:K)、2 min平均風(流線)和5 min累積降水量(數(shù)字,單位:mm)，白沙洲大橋的垂直速度(陰影)，水平風(風羽)及風速(紅色實線)的高度-時間演變圖(d)(其中□為大風位置，○為強降水位置)Fig.14 Cold pool(shaded;unit:K),flow field and strong wind(red solid line,wind speed ≥12 m·s-1)at(a)14∶20 BT and(b)14∶35 BT on surface ground.(c)Temperature dew point difference(shaded,unit:K),temperature(red solid line,unit:K),2 minutes averaged wind(streamline)and five minutes accumulated precipitation(unit:mm)on surface ground at 14∶20 BT.Rectangle indicates the position of strong wind and circle marks the position of heavy precipitation.(d)Time-height cross section of vertical speed(shaded,unit:m·s-1),horizontal wind(wind bar)and wind speed(red solid line,unit:m·s-1)at Bashazhou bridge.

地面自動站5 min 加密數(shù)據和VDRAS 6 min 數(shù)據綜合分析發(fā)現(xiàn)，地面局地強冷池的上方對應著低層的小尺度下沉運動，而下沉運動又是由中層突然增強的水平風速引發(fā)的。

4 結論

本文統(tǒng)計研究了2021年的我國主汛期和華西秋雨的異常性特征，并對河南“7.21”特大暴雨、隨州“8.12”極端強降水和武漢5月發(fā)生的連續(xù)兩次對流大風天氣等高影響天氣過程展開了初步分析，主要結論如下：

(1)2021 年主汛期全國平均降水較常年同期偏多7.8%。旱澇兩極分化嚴重。降水異常偏多區(qū)分布在我國北方，其中河南、河北和山西等部分地區(qū)偏多1倍以上。異常偏多的華西秋雨和漢江秋汛主要是受副熱帶高壓外圍水汽和北方活躍冷空氣的共同影響，“拉尼娜”海溫異常事件是導致環(huán)流異常的重要外強迫因子。

(2)河南暴雨發(fā)生在臺風、低渦、切變線和輻合線共同作用的背景下，東側邊界層水汽來自西北太平洋，南側對流層中低層水汽來自南海；低空急流與邊界層急流的耦合形成了水汽輻合上升中心，配合地形的動力阻擋抬升和熱力抬升作用，使得強降水中心呈帶狀發(fā)生在山前。

(3)隨州強降水出現(xiàn)在高層輻散、中層冷暖氣流交匯、低層切變線、邊界層內中尺度低渦和急流的條件下，地形與低層風場輻合帶的相互作用觸發(fā)了對流，并使得降水維持在狹長山谷地形區(qū)域內。

(4)武漢兩次對流大風事件分別由中γ尺度的強對流單體的合并和迅速移動中γ尺度的強對流單體加強了穩(wěn)定維持的中β對流系統(tǒng)所引發(fā)。分鐘級地面和再分析數(shù)據分析發(fā)現(xiàn)中層突然增強的水平風速引發(fā)的下沉運動，下落后引發(fā)了地面局地強冷池和地面極值大風。