“7·20”河南极端暴雨精细观测及热动力成因

齐道日娜 何立富 王秀明 陈 双

1)(中国气象局气象干部培训学院， 北京 100081) 2)(国家气象中心， 北京 100081)

引 言

极端暴雨事件发生概率较气候平均态显著偏小，且具有罕见的降水量和极高的致灾性，常导致重大灾害，是气象学界的研究热点。随着气候变暖，很多地区降水气候态趋向极端化走势，极端天气事件发生频数明显增多[1-4]；我国夏季极端降水事件具有地域性特征，北方暴雨与南方暴雨在天气尺度系统配置、中低纬度系统相互作用和水汽输送特征等方面均存在显著差异[5-7]。对于我国北方地区极端强降水过程的环流配置，研究多采用主观分型方法，环流型大致可划分为4～6类[8-9]；采用客观分型方法研究认为，稳定经向型与台风影响型的聚类比例最高[10-11]。不同环流型的极端暴雨过程对应的锋面动力学特征、大气层结稳定度、水汽输送通道以及高低空急流耦合等方面存在明显差异，部分观测事实表明：引发北方极端暴雨的最主要影响系统是低涡和台风，历史上造成重大自然灾害的“63·8”华北特大暴雨[12]、2012年“7·21”北京极端暴雨[13]以及2016年“7·20”北京特大暴雨[14]均与低涡系统的发展和移动有关；登陆台风造成的极端暴雨事件更为频繁，远距离极端暴雨甚至影响东北和华西地区[15-19]。历史罕见的1975年8月河南特大暴雨事件(“75·8”暴雨)主要受7503号台风活动影响[20]。雷雨顺[21]总结华北地区经向型大暴雨的环流特征认为，暴雨区北部和东部双阻塞高压所构成的稳定环流形态是经向型特大暴雨长时间维持的主要能量来源。对2012年“7·21”北京特大暴雨事件分析指出，斜压系统发展、对流不稳定加强、水平湿斜压增大和凝结潜热加热等是驱动此次极端暴雨的重要因素，充沛的水汽更多来自偏南季风暖湿输送带[22-24]；此次降水过程由暖区降水和锋面降水组成，极端降水成因在于极为充沛的水汽、对流不稳定及低质心高效率的对流系统[25-27]。数值模拟和观测分析对北上台风极端暴雨事件的相关研究也取得一定进展[28-31]，台风顶端与外围冷空气结合导致动力场和热力场的非对称分布与极端强降水的落区密切相关；边界层急流持久的水汽输送、深厚暖云层和大粒径降水粒子分布以及垂直风切变小均有利于极端暴雨的产生。此外，对极端暴雨过程中尺度对流系统的触发及传播、多尺度系统特征以及地形作用等方面相关研究表明：极端暴雨中的列车效应多发生在缓慢移动的季风低压区，锋前暖区内出现的中尺度辐合线以及边界层925 hPa偏南暖湿气流脉动是极端强降水过程中列车效应形成的原因[32-38]。在目前预报业务中，集合预报极端天气指数的释用技术是预报极端强降水较为可行的方法[39-41]。

2021年7月17—22日河南省出现历史罕见的极端强降水事件，全省20多个县(市)日降水量突破历史极值，鹤壁地区过程降水量达1122.6 mm，郑州站最大小时降水量(201.9 mm)突破中国大陆地区历史极值。此次极端强降水过程造成河南多地出现特大洪涝灾害，部分水利工程受损，城市运行和交通等受到严重影响，出现重大人员伤亡与经济财产损失。

“7·20”河南极端暴雨发生在中心位于日本海附近强盛的西北太平洋副热带高压(简称副高)与位于我国西北东部至内蒙古中西部的大陆高压之间鞍型场弱背景条件下，与历史上发生在低涡、低槽或深入内陆的台风等典型天气系统影响下的极端降水过程显著不同。此次极端暴雨事件发生在500 hPa两个反气旋高压南侧之间的弱低压区，类似沿海地区的东风波系统，中纬度斜压系统对其影响微弱。低层无明显低空急流和低涡系统发展，仅表现为偏东风与一支显著东南风气流形成的东风切变线。由于天气背景和影响系统呈现出非典型性弱环境场特征，导致此次过程可预报性偏低。国内外主流业务数值模式在中期时段(4～10 d)对影响系统和暴雨落区的预报极不稳定，仅在短期时段预报体现出可用性，但强度明显偏弱(日最大降水量为130～150 mm)、落区明显偏西，尽管中国气象局中央气象台提前3 d对此次过程暴雨落区做出较准确预报，并参考高分辨率中尺度模式将24 h降水量极值的预报订正到300 mm，但与实况(777.5 mm)相比仍不足一半，且对过程降水量和极端性明显低估，导致对灾害影响程度的预判严重不足。由此可见，此次发生在弱环境条件下非典型性影响系统产生的极端暴雨仍有很多科学问题需要深入探究。

本文利用逐小时和分钟降水资料、FY-4A 卫星高分辨率红外TBB(temperature of black body)资料、多普勒天气雷达资料和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料对 “7·20”河南极端持续性暴雨过程独特的背景条件、影响系统热动力结构和发展维持机制、中尺度对流系统精细结构及发生发展等方面进行深入探讨，揭示此次极端强降水产生的天气动力学成因，为进一步提高业务预报能力、减轻灾害损失提供参考。

1 资料与方法

1.1 资 料

本文所用诊断分析资料是欧洲中期天气预报中心提供的1979—2021年7月19—21日ERA5逐时再分析资料[42]，气象要素包括位势高度、温度、纬向风、经向风、垂直速度和比湿，水平分辨率为0.25°×0.25°，1000 hPa至100 hPa共21层。本文所用观测资料包括2021年7月18—22日地面区域自动气象站观测资料、郑州站分钟降水量观测资料、FY-4A气象卫星逐小时高分辨率TBB资料和中国区域逐5 min加强观测资料、郑州和洛阳多普勒天气雷达观测资料。

1.2 方 法

对于极端降水事件，其环流形势和要素场的极端性常用标准化异常(Ds)[43]表示，即由距平大于标准差一定倍数的值表示：

Ds=(F-M)/σ。

(1)

式(1)中，Ds为标准化异常(表示变量场偏离气候态的程度)，F为变量场某一时刻的值，M为变量场某一时刻的多年平均(1979—2020年)，σ为变量场的标准差。一般将Ds≥3视为具有极端性。

利用ω方程可对低层系统发生发展进行诊断对比分析，有利于区分各物理过程对降水过程发展的贡献，本文采用不考虑非绝热加热的准地转ω方程[44]：

(2)

式(2)中，κ为层结稳定度参数，f为地转参数，p为气压，Vg为地转风，ζg为相对涡度，φ为位势高度。方程等号右侧第1项为涡度平流项，第2项为温度平流项。

水平变形对特定环流型锋区发展和维持起重要作用，取假相当位温θse为气象参数，p坐标系中水平变形锋生函数FG[44]：

(3)

2 极端强降水实况和郑州站分钟降水特征

2021年7月18—22日河南中北部、山西东南部以及河北西南部沿太行山东侧等地出现强降水。特别是河南中北部连续4 d出现持续性暴雨，大部地区累积降水量为200～400 mm，其中郑州、许昌、平顶山、新乡、焦作、鹤壁、安阳等地达500～700 mm。此次强降水过程是一次极端暴雨事件，极端性主要体现在过程总降水量、日降水量和小时降水强度等方面。7月18—22日累积降水量(图1a，时间为北京时，下同)极值中心主要分布在郑州、新乡和鹤壁，降水量超过800 mm，最大累积降水量位于鹤壁市淇滨区，过程降水量达1122.6 mm。对于24 h降水量(图1b)，此次过程有20个站日降水量突破历史极值，其中5个站超过600 mm，鹤壁最大局地日降水量达777.5 mm。此次过程极端性在郑州更加凸显，全市共有10个站过程降水量超过当地年平均降水量。郑州站最大日降水量为624.1 mm，为历史最大日降水量(184.1 mm)的3.39倍。

由郑州站小时降水量实况(图1c)可知，最强降水时段出现在7月20日白天至夜间；24 h内有10个小时降水强度超过20 mm·h-1；最强短时强降水发生在15:00—18:00，小时降水强度分别为60 mm·h-1，201.9 mm·h-1和49 mm·h-1，其中16:00—17:00降水量达201.9 mm，超过中国大陆地区小时降水量历史极值。由7月20日15:00—17:59郑州站午后最强3 h短时强降水逐分钟实况监测(图1d)可知，15:30—17:30郑州站分钟降水量为1 mm以上；15:50—17:10分钟降水量约为2 mm，其对应的5 min降水量超过10 mm；在小时降水最强的16:00—17:00，分钟降水量为3～4.7 mm， 5 min降水量达13～21 mm。可见，郑州站分钟降水和 5 min 降水精细分布与最大小时降水强度有很好的对应关系，极端小时强降水的出现与持续高强度的分钟降水密不可分。

图1 2021年7月18—22日强降水监测(a)18日08:00—22日08:00累积降水量，(b)20日08:00—21日08:00累积降水量，(c)19日08:00—22日08:00郑州站逐小时降水量，(d)20日15:00—17:59郑州站逐分钟降水(柱状)和5 min累积降水时序图(蓝色实线)Fig.1 Monitoring of heavy rainfall from 18 Jul to 22 Jul in 2021(a)the accumulative rainfall from 0800 BT 18 Jul to 0800 BT 22 Jul，(b)the rainfall from 0800 BT 20 Jul to 0800 BT 21 Jul,(c)hourly rainfall of Zhengzhou Station from 0800 BT 19 Jul to 0800 BT 22 Jul,(d)minutely rainfall(the column) and accumulative rainfall in 5 minutes(the blue solid line) of Zhengzhou Station from 1500 BT to 1759 BT on 20 Jul

3 鞍型场环流系统配置及异常特征

由500 hPa高度场和850 hPa风场及其标准化异常分布(图2)可知，2021年7月19日08:00副高发展强盛且呈方头状形态，位置显著偏北；其中心位于日本海附近，588 dagpm西脊线伸至吉林东北部，同时覆盖青藏高原东部至西北地区的大陆高压中心位于内蒙古中部，强度较副高偏弱。标准差分布显示，两个高压强度未达到极端性标准。河南处在副高与大陆高压之间的稳定鞍型场背景下，极端暴雨事件主要影响系统为500 hPa“两高”之间的弱低压区，中纬度斜压系统影响并不明显；在低纬度地区，台风烟花(2106)(简称台风烟花)位于台湾岛以东洋面(132°E)，沿西偏北方向向东海南部海域移动，强度缓慢加强。就标准差而言，台风烟花中心强度具有较强极端性特征；850 hPa上，来自华东沿海的东南风气流与偏东风在河南中东部形成偏东风切变线，低层偏东气流的加强，不但有利于切变线辐合抬升的加强，也为极端暴雨事件提供来自东部海区持续充沛的水汽输送。7月20日08:00副高明显西伸，588 dagpm线抵达华东沿海至东北地区中部；位于华西地区至内蒙古中部的大陆高压则稳定少动；由于长时间处在“两高对峙”的稳定鞍型场背景，导致850 hPa上偏东风切变线系统长时间在河南中西部停滞少动；台风烟花已加强为强台风并继续缓慢向东海海域靠近；由于副高明显西伸和台风烟花加强西行及相互作用，二者之间气压梯度加大导致低层850 hPa上偏东风气流持续加强，东南支气流风速达到8～14 m·s-1，使位于河南中西部的低层切变线也明显加强，同时河南西部伏牛山和南太行山东侧的迎风坡地形条件的阻挡及动力抬升，也有利于低层切变线系统持续长时间维持和加强。21日08:00副高进一步加强西伸，588 dagpm线西脊侧进入山东半岛西部，西环大陆高压强度减弱；台风烟花加强西移，移速加快，逐渐向台湾岛北部海域逼近； 850 hPa上，来自台风烟花北侧和副高西侧的偏东风持续加强，在河南北部形成一支强劲的东南风气流(风速为10～16 m·s-1)，驱使位于河南西部的偏东风切变线缓慢向北推进。切变线东侧强劲偏东气流的加强以及河南西北部伏牛山和南太行山东侧的迎风坡地形条件，导致河南极端强降水区进一步向河南北部和河北西南部发展。

图2 2021年7月19—21日500 hPa位势高度(等值线，单位：dagpm)与标准化异常(填色)及850 hPa风场(风羽)Fig.2 500 hPa geopotential height(the contour,unit:dagpm) with its standardized anomaly(the shaded) and 850 hPa wind(the barb) from 19 Jul to 21 Jul in 2021

由此可见，在此次河南极端暴雨过程中，位置异常偏北的副高与西侧大陆高压之间的稳定鞍型场配置有利于暴雨区上空500 hPa弱低压区的长时间维持和稳定少动；缓慢西行且强度呈现极端性的台风烟花与持续西伸加强的副高之间相互作用导致低层东南风气流持续加强并向西推进，不但有利于河南中北部地区低层偏东风切变线系统的辐合加强，也为极端暴雨事件提供来自东部海区持续充沛的水汽输送。

4 极端强降水中尺度特征

4.1 极端强降水过程对流系统发生发展及结构演变

利用FY-4A气象卫星高分辨率TBB观测资料，可以直观展示“7·20”河南极端强降水中尺度对流系统发生发展及结构演变。图3是2021年7月20日08:00—21日05:00逐3 h FY-4A气象卫星TBB演变，对比河南逐3 h自动气象站实时降水量观测(图略)可以看到，“7·20”河南极端暴雨主要由稳定覆盖在河南中北部上空的对流复合体产生，20日白天至夜间，伴随中尺度对流复合体内部多个中小尺度强对流系统的合并及河南南部新生对流系统的汇入，该中尺度对流复合体经历了完整的发生发展和成熟阶段，其发展加强阶段与极端暴雨强度也有很好的对应关系。

由图3可知，7月20日上午为中尺度对流复合体发生阶段，河南中北部强降水区上空被一近似圆形结构的中尺度对流复合体覆盖，直径约为400～500 km，对流发展不旺盛，TBB为-57～-32℃。该复合体内部存在多个发展较强的β中尺度系统和γ中尺度系统(TBB约为-60℃)，3 h降水量超过20 mm的强降水区与这些中尺度系统分布对应较好，强降水中心(50～70 mm)位于郑州以西地区； 20日午后，随着黄淮地区潜在不稳定条件改善，中尺度对流复合体内部β中尺度对流系统不断合并加强，且中尺度对流复合体南侧的河南南部地区和该复合体东侧的山东境内不断有对流单体新生并持续向其汇入，导致圆形结构的中尺度对流复合体结构逐步遭到破坏；随着对流系统不断合并加强，在对流系统合并区域，14:00和17:00对应3 h 降水逐渐增强并东移至郑州附近，部分地区3 h累积降水量达50～120 mm，其中14:00—17:00郑州站3 h最大累积降水量超过270 mm。20:00随着中尺度对流复合体内部两个β中尺度对流系统合并及南侧对流单体的大举并入，在郑州东侧形成强烈发展的α中尺度对流系统，该α中尺度对流系统水平尺度约为200 km，冷云盖最低TBB由约-62℃快速加强至-79～-72℃，深对流发展旺盛；但其3 h累积降水量明显减小，最大降水中心不足75 mm。可见午后至傍晚是中尺度对流复合体发展阶段，对应此次极端降水最强时间段，也与极端小时降水在时间上吻合。此后，随着河南南部对流云系的大举并入，20日夜间为中尺度对流复合体成熟阶段，位于河南上空的中尺度对流复合体强盛冷云盖(TBB不高于-62℃)范围明显扩大，逐渐演变为覆盖河南北部的圆形中尺度对流复合体，并逐渐缓慢向偏东方向移动，强降水落区也随之向郑州以东地区推进，3 h累积降水量约为20～90 mm。可见，在中尺度对流复合体成熟阶段，尽管冷云盖范围增大、云顶亮温明显降低，但降水强度较中尺度对流复合体发展阶段明显减弱，可能与对流系统顶部的辐射冷却有关[45]。

图3 2021年7月20日08:00—21日05:00 FY-4A气象卫星TBB图像Fig.3 TBB images of FY-4A from 0800 BT 20 Jul to 0500 BT 21 Jul in 2021

为进一步分析7月20日16:00郑州极端短时强降水(1 h降水量为201.9 mm)发生过程，采用FY-4A气象卫星高分辨率观测资料分析其影响系统的精细结构及演变。20日16:15—16:38(图略)郑州位于东北—西南走向的两个β中尺度对流系统连接部，两个β中尺度对流系统水平尺度约为50 km×30 km，且几乎静止不动；与此同时，河南南部亦有多个中小尺度对流系统发展且移动缓慢，对郑州降水未产生直接影响；从时间演变可知，郑州极端短时强降水的直接系统是位于郑州东北部和其西南部的两个β中尺度对流系统。16:23后，位于其西南部的β中尺度对流系统内部不足千米尺度的γ中尺度对流系统急剧发展加强，冷云盖最低亮温TBB由-62℃快速加强至-72℃；此后，该γ中尺度对流系统稳定少动，长时间维持深厚对流；直至16:38，其西南侧仍有更小尺度对流系统并入加强。可见，郑州极端小时降水强度主要由位于其西南侧的β中尺度对流系统内部发展强盛的γ中尺度对流系统直接产生，该对流系统水平尺度约几百米，其近乎停滞不动的时间接近1 h。

4.2 郑州极端小时降水风暴尺度系统的精细结构

由7月20日16:00—17:00间隔12 min的雷达拼图组合反射率因子时间演变(图4)可以发现，16:00河南中北部被大片对流回波区覆盖，对应FY-4A气象卫星观测到的中尺度对流复合体；对流回波区内部有多个β中尺度对流系统发展，其最南边的β中尺度对流风暴正位于郑州市，其最大反射率因子为50 dBZ，而河南南部则是分散的对流单体回波区；自16:12位于河南南部的分散对流单体快速加强北移，随着强对流单体并入，不但导致河南中北部对流回波区强度增强，也使位于郑州的β中尺度对流风暴显著加强，并表现出弓状回波形态，其宽度约为20～30 km，郑州位于弓状回波的顶端，其最大组合反射率因子超过55～60 dBZ；由于南部地区对流单体持续不断向偏北方向移动和并入(16:24)，导致郑州附近弓状回波强度持续维持在55～60 dBZ；16:36—17:00随着南侧强对流单体进一步并入，弓状回波持续维持在郑州附近，但内部结构有所改变，3个强风暴单体的串联发展维持弓状回波结构。可见16:00—17:00尺度为20～30 km的弓状回波稳定维持在郑州附近，回波强度持续为55～60 dBZ，对应16:00—17:00郑州分钟降水观测(图1d)，除了少数时段其分钟降水量约为2 mm，大部分时段分钟降水量维持在3～4.7 mm，5 min降水量在16:15—16:30为13 mm，其余45 min内5 min降水量高达15～21 mm。上述分析表明，该弓状强回波区的持续造成郑州城区201.9 mm的极端小时强降水。

图4 2021年7月20日16:00—17:00雷达拼图组合反射率因子演变Fig.4 The evolution of radar combined reflectivity factor from 1600 BT to 1700 BT on 20 Jul 2021

由7月20日午后洛阳雷达反射率因子垂直剖面(图5)可以看到， 20日16:00—17:00距离洛阳大约70 km的郑州地区始终维持低质心强盛对流回波区，大于30 dBZ 的回波顶高接近10 km高度。16:18强度在50～55 dBZ的强回波质心高度位于6 km 以下，其低层最强回波在3 km高度以下，最大反射率因子为55～60 dBZ；16:54郑州上空强回波质心强度仍维持在50～55 dBZ，高度略有下降，约为5 km。探空观测显示，午后郑州上空0℃高度在4700～4800 m，而强回波质心高度在5～6 km，可见16:00—17:00具有深厚的暖云层，强回波质心高度也反映对流系统内极大的液态水含量和极高的降水效率。

图5 2021年7月20日16:18(a)和16:54(b)洛阳雷达反射率因子及沿AB的垂直剖面Fig.5 Reflectivity factors of Luoyang radar with cross-section along AB at 1618 BT 20 Jul(a) and 1654 BT 20 Jul(b) in 2021

由洛阳双偏振雷达观测(图略)可知，7月20日16:00—17:00郑州附近存在明显与对流系统内上升气流位置有关呈柱状分布的差分反射率，同时存在与液态水含量有关呈柱状分布的差分相移率，融化层以下最大回波超过55 dBZ，表明深厚的暖云层和高效率降水粒子可能是造成此次极端降水的微物理特征。

5 河南极端强降水影响系统维持与加强机制

5.1 影响系统热动力结构特征

假相当位温和纬向风垂直速度的垂直分布(图6)显示，2021年7月20日白天至夜间，河南极端暴雨区对应的对流层中低层θse锋区稳定维持在河南中西部113°～114°E附近，θse锋区随高度呈现明显的垂直分布，显示出清晰的中性层结特征。从θse垂直分布和相应的合成风场可以看到，在强劲偏东气流引导下，来自华东近海海洋气团从边界层不断侵入河南地区，与河南本地大陆暖性气团在河南中北部交汇，两股温湿特性差异明显的气团长时间对峙，导致在113°～114°E附近形成θse锋区。从θse随高度分布看到，锋区附近θse在850 hPa以下随高度减小，为对流不稳定层结；850 hPa至500 hPa高度，为深厚的中性层结；500 hPa以上为弱稳定层结。对应的纬向垂直速度分布显示，暖湿气流在对流层低层触发抬升后，不稳定能量强烈释放导致上升运动急剧加强，在700 hPa至300 hPa之间的中高层纬向垂直速度可达3～6 Pa·s-1，强烈上升气流可穿透对流层顶，高空辐散向偏东方向形成明显的次级环流，下沉支进入副高内部。同时凝结潜热释放使θse锋区中性层结长时间维持并形成正反馈。20日14:00和20:00郑州西部山前地形抬升作用使低层出现强烈上升运动，导致θse锋区略有西移。

图6 2021年7月20—21日沿郑州站所在纬度的假相当位温(等值线，单位：K)、垂直速度(填色)及纬向风(单位：m·s-1)与垂直速度(单位：10-2 m·s-1)合成场(箭头)剖面(黑色三角形为郑州站所在经度位置，蓝色虚线为0 ℃等温线)Fig.6 Cross-section of θse(the contour,unit:K), vertical velocity(the shaded) and the combination(the arrow) of zonal wind(unit：m·s-1) and vertical movement(unit：10-2m·s-1) along Zhengzhou Station from 20 Jul to 21 Jul in 2021(the black triangle is the longitude position of Zhengzhou Station,the blue dotted line refers to 0℃)

5.2 影响系统维持加强机制

图7为7月19—21日中层500 hPa弱低压系统结构及正涡度平流的演变过程,500 hPa正涡度平流分布区。由图7可以看到，500 hPa低压区位置稳定少动，其结构不断调整。19日08:00—20:00低压系统主要表现为东风倒槽，郑州位于倒槽东侧东南气流中，正涡度平流主要分布在倒槽顶端及其东侧。随着倒槽东南风气流的加强，500 hPa正涡度平流也随之加强到5×10-9～1.5×10-8s-2；20日08:00—20:00低压系统结构发生明显改变，北侧倒槽减弱为偏南风切变，正涡度平流主要分布在低压环流东部，大值区位于强偏南风切变曲率附近；郑州处在西南风和东南风切变曲率最大处，其附近正涡度平流大值中心可达2.5×10-8～3.5×10-8s-2。21日08:00—20:00低压系统缓慢加强北抬，其东侧偏南风明显加大，导致偏南风切变随之北抬，正涡度平流也加强北抬到河南北部、河北西南部及山西东南部一带(不低于5×10-8s-2)。上述分析表明:19—21日伴随500 hPa弱低压系统结构演变，其东风倒槽顶端和偏南风切变气旋式曲率最大处，正涡度平流不断增强，其变化过程与极端暴雨过程维持加强密切相关。

图7 2021年7月19—21日500 hPa高度场(等值线，单位：dagpm)、风场(箭头)和正涡度平流(填色)分布Fig.7 The height(the contour,unit:dagpm),wind(the arrow) and positive vorticity advection(the shaded) at 500 hPa from 19 Jul to 21 Jul in 2021

图8为925 hPa暖平流在此次极端暴雨中的演变过程。由图8可知，7月19日08:00—21日08:00随着东部地区东南风气流不断加强和大范围向河南推进，925 hPa 暖平流区也不断加强。19日08:00—20日08:00暖平流区域主要位于河南中北部，且暖平流强度缓慢加强，由0.3 K· h-1加强至0.8 K· h-1；20日20:00—21日20:00伴随河南东南和南部地区的东南气流进一步加强， 位于河南中北部地区的925 hPa 暖平流输送也急剧加强，最大强度达0.5～1.5 K· h-1，且暖平流区缓慢向偏西和偏北扩展。

图8 2021年7月19—21日925 hPa假相当位温(等值线，单位：K)、风场(风羽)叠加暖平流(填色)分布Fig.8 θse(the contour,unit:K),wind(the barb) and warm advection(the shaded) at 925 hPa from 19 Jul to 21 Jul in 2021

分析表明：“7·20”河南极端暴雨维持和加强与中高层动力因子以及低层热力因子密切相关，高低层热动力条件的合理配置，特别是500 hPa正涡度平流和低层925 hPa暖平流在郑州中北部同步加强且相互叠加对极端暴雨的维持和加强更为关键。

由此次过程极端强降水区(33.5°～36°N，112.5°～115°E)上空水平散度及变形锋生垂直分布随时间变化(图9)可知，7月19—21日强降水区维持低层辐合和高层辐散。低层辐合主要发生在850 hPa以下的边界层内，高层辐散多发生在300 hPa以上高空，最强辐散中心位于200 hPa附近。低层辐合最强时段出现在19日夜间至21日白天，辐合中心强度大约为-6×10-5～-3.5×10-5s-1，最强辐合中心多位于边界层925 hPa。对应的高层辐散也在20日前后最为强劲，且辐散层从500 hPa直抵对流层顶，最大散度达5×10-5～8×10-5s-1，显示强劲高空辐散和次级环流抽吸作用有助于强降水区垂直上升运动维持；同时低层辐合高层辐散近乎相接的散度场垂直结构不但有利于上升运动的加强，也为凝结潜热的释放提供正反馈机制。从暴雨区上空变形锋生时间演变(填色区所示)看，水平变形锋生作用在19日夜间逐渐加强，且发生在700 hPa 之下；20日白天至夜间锋生作用最为显著，强度为1×10-9～3×10-9K·m-1·s-1，极值中心位于925 hPa，与郑州极端暴雨过程在时间上十分吻合。尽管21日锋生作用仍较明显，但大值中心垂直高度抬升至850 hPa，可能与低层切变北抬、在太行山东侧迎风坡地形产生的强降水区北移有关。可见此次过程水平变形锋生作用随时间的演变与低层辐合、高层辐散的时间变化密切相关。水平变形锋生可能也是500 hPa弱低压系统和低层偏东风切变线维持发展的动力机制。

图9 2021年7月19—22日暴雨区域(33.5°～36°N，112.5°～115°E)平均散度(等值线，单位：10-5 s-1)和水平变形锋生项(填色)时间-高度剖面Fig.9 Time-pressure cross-section of divergence(the contour,unit:10-5 s-1) and deformation frontogenesis of heavy rainfall area-averaged(33.5°-36°N,112.5°-115°E) from 19 Jul to 22 Jul in 2021

5.3 异常强盛的边界层急流水汽输送

7月19—21日随着中心位于日本海附近的副高不断西伸，以及台风烟花不断加强西偏北行，两者间气压梯度不断加大导致850 hPa高度以下偏东气流逐渐加强，边界层925 hPa东南风在20日白天至夜间更为强劲，在河南中北部存在风速大于12～18 m·s-1急流区，显示来自华东近海强盛的东南风为河南极端暴雨提供充沛的水汽和热力条件。为分析此次过程水汽输送的极端性，计算925 hPa风场距平、水汽通量距平及标准化异常(图10)。由图10可以看到，20日08:00—20:00华东沿海至河南东南风距平和水汽通量异常输送呈明显增强趋势，水汽通量距平从0.15 kg·kg-1·m·s-1增大到0.35 kg·kg-1·m·s-1，河南中北部强降水区持续处在水汽通量距平大值区(0.3～0.4 kg·kg-1·m·s-1)，偏东风风速距平保持10～14 m·s-1且在郑州附近形成明显偏东风风速辐合和风向切变，强烈的动力辐合及河南西部地形的抬升作用有利于异常强盛水汽的辐合。标准差分布显示，河南西北部地区水汽通量距平为3～6倍标准差，表明此次过程水汽输送在郑州附近地区呈显著的极端性，水汽条件可能是导致河南出现极端强降水的原因之一。21日02:00随着来自华东地区925 hPa偏南风分量加大，位于河南北部的偏东风倒槽向北推进，水汽输送通量距平有所减弱，大值区(0.25～0.30 kg·kg-1·m·s-1)位于河南东北部和河北西南部。

图10 2021年7月20—21日925 hPa风场距平(风羽)、水汽通量距平(填色)和水汽通量标准化异常(等值线，Ds≥3，间隔为1)(灰色区域表示地形高于700 m)Fig.10 Wind anomalies(the barb),moisture flux anomalies(the shaded) and moisture flux standardized anomalies(the contour，Ds≥3，the interval is 1) at 925 hPa from 20 Jul to 21 Jul in 2021(the gray denotes the topography higher than 700 m)

6 结论与讨论

研究表明：

1) “7·20”河南强降水过程是一次极为典型的极端暴雨事件，它发生在位置异常偏北的副高与大陆高压之间稳定的鞍型场背景下，持续西伸加强的副高和西行台风烟花之间相互作用，不但有利于河南中北部暴雨区上空500 hPa弱低压系统长时间维持和低层偏东风切变线系统的辐合加强，也为极端暴雨事件提供了来自东部海区持续充沛的水汽输送。

2) “7·20”河南极端暴雨主要由水平尺度约300 km呈近乎圆形结构的中尺度对流复合体产生，其长时间维持与内部多个β中尺度对流系统的合并以及外围东南侧暖湿区新生单体的持续并入所引发的列车效应有关。郑州极端小时强降水(201.9 mm·h-1)主要由位于其西南侧的β中尺度对流系统内部发展极为强盛的水平尺度约几百米的γ中尺度对流系统产生，其近乎停滞不动的时间接近1 h；雷达上表现为几乎静止的β中尺度弓状回波，接近5 km左右高度的强回波质心垂直结构反映该对流系统的极高降水效率。

3) 来自华东近海海洋属性气团在低层偏东气流引导下持续不断侵入河南地区，与大陆暖性气团在河南中北部交汇，两股温湿特性存在差异的气团长时间对峙导致在113°～114°E区域形成假相当位温锋区。边界层风场的动力辐合触发强烈对流，使得强降水区上空θse锋区长时间处于中性层结。同时高空辐散的系统配置导致强烈上升运动突破对流层顶，其高层辐散气流在副高附近构成次级环流下沉支。

4) 诊断分析表明，河南极端暴雨过程与中高层的动力因子以及低层热力因子的合理配置密切相关。中层500 hPa低压区气旋式曲率附近明显的正涡度平流，低层偏东风切变线附近明显的水平变形锋生作用和边界层925 hPa偏东气流持续的暖平流输送，以及边界层偏东急流极端强盛的水汽输送在郑州中北部地区同步加强且相互叠加对极端暴雨的维持和加强更为关键。

本文利用多源资料对“7·20”河南极端暴雨过程特殊的弱环境场背景、中尺度系统精细结构以及影响系统热动力结构和发展维持机制等进行较为深入的分析，有助于更好理解此次过程的发生发展和极端性特征。但由于“7·20”河南极端暴雨发生在鞍型场弱背景条件下，其主要影响系统为500 hPa弱低压，低层辐合系统仅表现为偏东风切变线, 与历史上由深厚低涡低槽或深入内陆台风等典型系统产生的极端降水在成因方面明显不同，还需要从更多层面分析其复杂的锋生物理机制。