平流层高位涡侵入对河南“21·7”极端暴雨的影响

祝传栋， 陈正洪， 李亚飞， 许 杨， 张冠舜， 廖 洁

(1.湖北省气象服务中心，武汉 430205；2.中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029；3.天津市气象灾害防御技术中心，天津 300074； 4.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广州 510641)

引 言

在夏季，随着西太平洋副热带高压(西太副高)的第二次北跳，中国的主雨带从江淮流域移至华北地区，形成华北雨季[1-3]。在此期间，受中、低纬多尺度系统的相互作用及复杂地形的影响，华北地区成为中国暴雨集中分布区之一[4-7]。历史上，华北地区曾出现过多次极端暴雨，如河南“75·8”、山东2016年7月9日、河南2016年7月19日等特大暴雨过程，造成了巨大的经济损失和人员伤亡[8-11]。因此，深入理解华北暴雨的形成过程和机理，不仅为提升华北暴雨的预报水平提供重要科学依据，而且对增强国家防灾减灾能力也有重大意义。

夏季华北暴雨的形成机理十分复杂，不仅与中尺度系统的活动、地形抬升作用联系密切[12-15]，还受到中、低纬天气尺度系统(如西太副高、台风、急流、地面气旋)的影响[1,6,9,16-17]。西太副高的西伸和北跳，有利于中国南海或东海的水汽向华北地区输送，为华北暴雨的发生提供充沛的水汽[6]。有研究指出，西太副高的稳定少动，可减缓中纬度西风带中低槽的东移速度，有助于延长华北暴雨的维持时间[17]。此外，低纬地区台风的活动，可建立远距离水汽通道，进一步增强水汽向华北地区的输送[10,16]。高空急流对于华北暴雨的形成也非常重要。在华北雨季，东亚副热带急流位于40°N以北，高空急流中心移动时，由其引发的强辐散是华北暴雨触发的重要原因之一[3,18]。在有些华北暴雨个例的成因中，天气尺度低涡或者地面气旋的活动也是其成因之一[19]。

近年来的研究发现[20-24]，干侵入现象对于华北暴雨的影响不容忽视。Gao等[21]通过对2004年8月12至13日华北暴雨过程的分析发现，在对流层顶附近有明显的干冷空气向下、向南侵入到40°N及其以南的暴雨区。伴随着干侵入过程，平流层高位涡空气也会随之向下侵入到对流层，并通过平流层-对流层相互作用，使对流层高层出现正位涡异常[25-26]。在北半球，高层正位涡异常能在其东侧对流层激发大气的上升运动，在其正下方和西侧激发大气的下沉运动[27-28]。此外，由干侵入引发的高空高位涡(即正位涡异常)，不仅利于对流层上升运动的发展，在高空锋区的形成和发展中也起着重要作用，这为触发华北地区的强对流天气、引发暴雨过程提供了有利条件[20,22-23]。

综上可知，华北暴雨的成因十分复杂，涉及多尺度系统的相互作用，不同个例内在机理也不尽相同。由于华北暴雨的年发生频次比华南和江淮流域暴雨的要少，相较华南和长江流域暴雨的研究，关于华北暴雨研究还比较缺乏，有待进一步探究。2021年7月17日至22日，河南发生历史罕见的极端特大暴雨灾害，郑州国家气象站单日降雨量突破历史极值，达到624.1 mm，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。本文聚焦此次特大暴雨过程，重点探究平流层高位涡侵入对此次特大暴雨过程的影响，并进一步揭示高层高位涡侵入形成的可能物理过程和机理。此外，对流层中低层环流对此次暴雨过程的协同影响也将在本文中予以分析。通过对上述关键问题的探究，期望为提升华北暴雨的预报水平提供科学依据和参考。

1 资料和方法

1.1 资 料

本文使用的资料包括：(1)美国国家环境预测中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的逐日再分析数据集(NCEP1)，时间范围为1979-2021年，水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向上从近地层1000 hPa至平流层10 hPa共17层[29]。所用变量涉及温度、位势高度、三维风场等，用于诊断分析河南极端暴雨过程形成有关的物理过程。(2)中国气象局提供的2021年7月17-22日全国所有国家气象观测站的24 h(08时-次日08时)降雨量资料，用于河南极端暴雨时空变化特征的分析。对所有的大气环流场做滤除年循环的处理，得到7月17-22日逐日的异常场。(3)美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的高分辨率地形资料(ETOPO1)，分辨率为0.0167°×0.0167°，用于分析降水落区及其周边的地形特征。对所有的大气环流场做滤除年循环的处理，得到7月17-22日逐日的异常场。

1.2 方 法

利用位势涡度(Potential Vorticity，PV)来诊断平流层高位涡侵入及相关物理过程。位势涡度[30]在等压坐标系下的表达式如下：

(1)

其中，g、f、ξp、θ分别为重力加速度、地转参数、等压面上相对涡度的垂直分量、位温，u、v分别表示水平风场的纬向、经向分量。从高纬度地区向低纬度地区、从平流层向对流层，位势涡度(位涡)的分布通常表现为逐渐减小的特征。在对流层，位涡通常小于1 PVU(1PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1)；在平流层，位涡通常大于2 PVU，并且随高度升高而快速增大。因此，2 PVU等位涡面可用来表示热带外对流层顶[27,31]。当平流层高位涡向对流层侵入时，对流层顶呈现向下凹的形态。

2 强降水过程概况

2021年7月17至22日，河南遭遇了历史罕见的极端暴雨过程。此次暴雨过程，使位于太行山东麓沿山地区、伏牛山东侧的郑州、焦作和鹤壁等多地累积降水量超过400.0 mm，强降水范围非常广，而且表现出明显的地形效应；最强降水中心位于郑州，累积降水量接近800.0 mm(图1a-b)，超过了郑州年平均降水量(640.8 mm)。从河南平均降水量的逐日变化可知(图1c)，17日至19日，河南强降水逐渐发展，于20日达到峰值(平均降雨量达69.5 mm)，20日之后强降水过程逐渐减弱，并于22日进入尾声。总体来看，19至21日为河南强降水的集中期，这3日的降水量达161.4 mm(图1c)，体现出河南此次强降水过程不仅持续时间长,而且强度大。

图1 河南及周边海拔高度 (a)、河南2021年7月17-22日累积降水量(b)、平均降水的逐日变化(c)

图2为2021年7月17至22日河南及周边日降水量的演变图。7月17日，河南开始有降水，降水大值区主要位于河南东南部，局部降水量可达50.0～100.0 mm(图2a)。相比7月17日，18日雨带向北扩展，且以太行山东麓沿山地区、伏牛山东侧的日降雨量较大(图2b)。到7月19日，河南的降水大幅增长，其中郑州、焦作日降水量分别为176.6 mm、147.7 mm(图2c)。7月20日河南降水达到最强，降水大值中心位于郑州国家气象观测站，单日降水量达到624.1 mm(图2d)，这相当于郑州一年的降水量。7月20至21日，随着河南的雨带沿着太行山东麓向北移动，郑州地区的降水开始回落，新乡、安阳、鹤壁地区的降水迅速增强，单日降水量均突破400.0 mm，分别达到447.1 mm、436.3 mm、436.1 mm(图2d-e)。到了7月22日，河南的降水迅速衰减，沿太行山东麓地区的日降水量总体在50.0 mm以下(图2f)。

图2 河南及周边2021年7月17日(a)、 18日(b)、19日(c)、20日(d)、 21日(e)、22日(f)降水量的分布

3 平流层高位涡侵入的作用

从动力角度来看，强烈的上升运动是暴雨形成的重要原因之一[1,3,32]。前人研究指出，平流层高位涡侵入(即“干侵入”)是华北暴雨启动的重要机制，它通过在对流层激发上升运动而促进垂直运动的强烈发展，从而造成强降水的发生[20,23,33-36]。此次河南21·7极端暴雨过程，伴随着河南以西上空平流层高位涡向下侵入到对流层的过程。因此，下文中探究平流层高位涡侵入在此次暴雨过程中的作用及有关物理过程。

3.1 水平结构

图3给出了2021年7月17-22日200 hPa位涡及位涡异常的空间变化特征。17日，青藏高原东缘与河南之间(即河南西侧)的对流层高层出现弱的正位涡异常，伴随着该地区对流层顶(由1和2 PVU等位涡线所表征)向南伸展(图3a)。与该弱的正位涡异常相对应，河南开始有降水发展(图2a)。18至19日，伴随着河南西侧上空的对流层顶向西南方向伸展，河南西侧的高空正位涡异常逐渐增强，“高位涡舌”逐渐形成(图3b-c)。与之相对应的是，河南降水进一步发展(图2b-c)。到20日，河南西侧的“高位涡舌”进一步向西南方向扩展，其范围从河套平原延伸至我国西南地区，对应着河套平原、我国西南地区上空强盛的正位涡异常中心(图3d)。与此同时，位于河套平原高位涡异常中心东南侧的河南，其日降水量达到最强(图3d和图2d)。

20日之后，伴随着“高位涡舌”的不断减弱，河套平原上空的正位涡异常中心东移(图3e-f)，对应着河南降水进入衰退阶段(图2e-f)。到了22日，对流层顶延伸至河南，河南上空受正位涡异常控制(图3f)，对应着河南强降水过程基本结束(图2f)。由上述可知，此次河南极端暴雨的发展过程是伴随着河南西侧上空对流层顶向西南方向伸展及“高位涡舌”的形成，而衰退过程对应着“高位涡舌”的东移。

图3 河南及周边2021年7月17日(a)、 18日(b)、19日(c)、20日(d)、 21日(e)、22日(f)200 hPa位涡及位涡异常的分布位涡(等值线)单位：PVU，仅显示1、2 PVU；阴影为位涡异常

3.2 垂直结构及影响

本节将进一步给出平流层高位涡侵入在垂直方向上的特征，在此基础上分析平流层高位涡侵入对河南极端暴雨过程的影响。在此次极端暴雨过程期间，河南西侧上空的平流层高位涡侵入在7月20日达到最强(图略)，对应着河南极端暴雨的峰值日。以7月20日为例，给出河南西侧上空平流层高位涡侵入的垂直结构及其对局地环流的影响(图4)。从图4(a)可以看出，7月20日河南西侧上空对流层顶呈现下凹的特征，对应着平流层高位涡向下侵入到对流层，使河南西侧上空对流层高层出现强烈的正位涡异常。与此同时，河南上空对流层高层受负位涡异常控制(图4b)。在这样的环流异常配置下，河南出现极端降水，平均日降水量达到69.5 mm，尤其是郑州地区，日降水量达到历史罕见的624.1 mm。

前人研究指出，在北半球，平流层高位涡侵入会引起对流层高层出现正位涡异常，进而在其东侧对流层激发大气的上升运动，在其正下方和西侧对流层激发大气的下沉运动[25-28]。如图4(c)所示，伴随着河南西侧上空平流层高位涡向对流层侵入，河南上空对流层高层200 hPa附近出现强烈的辐散异常中心，对流层中低层为辐合异常。在这样有利的高低层辐散辐合场的配置下，河南上空对流层受异常强烈的上升运动所主导(图4c、d)，这为河南极端降水的发生提供了有利的上升运动条件。而在河南西侧，受高空正位涡异常的影响，对流层高层出现强烈的辐合异常中心，对流层中低层出现辐散异常中心，激发出该地区上空强烈的下沉运动(图4c)，抑制河南西侧对流的发展。

综上可知，由河南西侧上空平流层高位涡侵入引起的高空正位涡异常，通过激发其东侧对流层大气的上升运动、正下方和西侧对流层大气的下沉运动，从而为河南强降水的产生提供了有利的动力条件，与此同时，抑制河南西侧对流的发展，导致强降水集中在河南，而河南西侧的河套平原、陕西和甘肃等地未出现明显降水(图2)。

图4 河南及周边2021年7月20日沿35°N(a)和115°E(b)位温、位涡及位涡异常的垂直剖面及沿35°N(c)和115°E(d)水平散度异常、垂直速度异常及位涡的垂直剖面(a)(b)中阴影为位涡异常,(c)(d)中阴影为垂直速度异常；位温(红色等值线)单位：K；位涡(蓝色等值线)单位：PVU，位涡仅显示1、2 PVU；黑色等值线表示水平散度异常,水平散度单位：10-6 s-1；垂直速度单位：10-2 Pa·s-1

3.3 高位涡侵入形成的机理

由3.1节和3.2节分析可知，与河南西侧高位涡侵入有关的对流层高层正位涡异常为河南极端暴雨的发生提供有利的动力条件。在本节，将进一步探究河南西侧高位涡侵入形成的可能物理过程。

值得注意的是，河南西侧上空高位涡侵入发生的位置位于青藏高原东缘上空(图3)。在夏季，青藏高原东缘上空受南亚高压东缘盛行的偏北风所主导。前人研究指出，南亚高压东缘盛行的偏北风，有利于热带外平流层高位涡空气向南、向下侵入到较低纬度的对流层[26,37]。这意味着，河南西侧上空高位涡侵入的出现可能与南亚高压联系密切。

2021年7月17-22日200 hPa位势高度、经向风异常的逐日变化如图5所示。17日，青藏高原及河南西侧的广大地区受高空南亚高压的控制。此时南亚高压东缘近乎呈南北走向，对应着青藏高原东部上空(即南亚高压东缘)的北风异常(中心强度的绝对值超过12 m/s)，这说明南亚高压东缘的北风异常偏强(图5a)。如此强烈的北风有助于引导热带外平流层的高位涡空气向南、向下输送。

17至19日，随着南亚高压最东缘(12520 gpm特征线)从112.5°E附近逐渐西退至102.5°E附近，青藏高原东部上空的北风异常进一步增强(中心强度的绝对值超过16 m/s，图5a-c)，对应着青藏高原东缘上空对流层高层正位涡异常的增强(图3a-c)。到了20日，随着南亚高压东缘向东北方向伸展，青藏高原东部上空的北风异常进一步增强，北风异常的范围也随之向东北方向扩展(图5d)，为中纬度高位涡空气向南输送提供了有利的大尺度环流条件(图3d)。20日之后，南亚高压最东缘(12520 gpm特征线)逐渐东伸，对应着北风异常区域的逐渐东移，并于22日移至河南西部(图5e-f)。在该异常偏强的北风作用下(图5f)，中纬度高位涡空气将向河南输送，引起河南上空对流层高层的正位涡异常(图3f)。由于高空正位涡异常的作用，河南上空对流层受异常下沉运动控制(图略)，对应着河南降水的显著减弱(图2f)。

图5 河南及周边2021年7月17日(a)、 18日(b)、19日(c)、20日(d)、 21日(e)、22日(f)200 hPa位势高度、经向风异常的分布位势高度(等值线)单位：gpm，仅显示大于或等于12520 gpm的值；图中阴影为经向风异常，风速单位：m/s

4 对流层中低层环流的协同影响

从第3节可知，河南西侧上空高位涡侵入所引起的对流层高层正位涡异常，可在河南上空激发出强烈的上升运动，为河南极端暴雨的发生提供了有利的动力条件，这将促进对流层中低层水汽产生强烈辐合与抬升。水汽条件是暴雨产生的另一重要因素，而河南极端暴雨过程的水汽源于哪里？又是如何输送到河南的？下文将通过分析河南极端暴雨期间东亚地区上空对流层中低层环流的演变特征来予以揭示。

图6给出了2021年7月17-22日对流层中层(500 hPa)风场异常、位势高度异常及位势高度的逐日变化。7月17日，强烈的高压异常中心位于日本上空，对应着西太副高中心位置异常偏北(位于37.5°N附近)，其5880 gpm特征线西伸至125°E附近(图6a)。与此同时，西太副高西南侧有台风“烟花”活动，伴随着明显的负位势高度异常及异常气旋中心(图6a)。在西太副高与台风“烟花”之间异常强盛的偏东气流，将洋面上富含水汽的暖湿气流向河南输送，这为河南极端暴雨的发生提供了有利的水汽条件。

18至20日，位置异常偏北、强度异常偏强的西太副高稳定维持，使台风“烟花”的北上受阻。在这样有利的系统配置下，西太副高与台风“烟花”之间异常强盛的偏东气流稳定维持，并将洋面上的暖湿气流源源不断地向河南输送(图6b-d)。在此期间，随着台风“烟花”活动范围的负位势高度异常及异常气旋式环流不断增强，偏东暖湿气流也进一步加强(图6b-d)。与此同时，河南西侧上空平流层高位涡侵入逐渐发展(图3b-d)，在其东侧的河南上空对流层高层激发出强烈的上升运动(图4)，配合有利的水汽条件，河南极端暴雨快速发展(图2b-d)。尤其是20日，平流层高位涡侵入最为强烈(图3d)，与之有关的河南上升运动达到最强(图4)，对应着河南日降水量的峰值。

20日之后，伴随着东北亚上空正位势高度异常的减弱，西太副高也逐渐减弱，对应着西太副高南侧偏东暖湿气流的减弱(图6e-f)。因此，从西太平洋向河南的水汽输送减弱。与此同时，河南西侧上空

图6 河南及周边2021年7月17日(a)、 18日(b)、19日(c)、20日(d)、 21日(e)、22日(f)500 hPa风场异常、位势高度异常及位势高度的分布箭头为风场异常，风速单位：m·s-1；阴影为位势高度异常，位势高度(等值线)单位：gpm，仅显示大于或等于5880 gpm的值

对流层高层的正位涡异常逐渐向河南上空移动，并于22日控制河南(图3e-f)。对流层高层正位涡异常能在其东侧对流层激发上升运动，在其正下方和西侧激发下沉运动[27-28]。因此，在22日河南上空正位涡异常的影响下，河南对流受到抑制，协同水汽输送减弱的影响，河南降水明显减弱。

图7给出了2021年7月17-22日对流层低层(700 hPa)风场异常、垂直速度异常的逐日变化。17日，与位置异常偏北、强度偏强的西太副高相对应(图6a)，日本上空对流层低层受异常反气旋中心控制(图7a)。与此同时，受台风“烟花”活动的影响，台湾以东地区上空对流层低层为异常气旋中心(图6a)。在上述反气旋、气旋异常环流之间为异常偏东气流，将暖湿空气从西太平洋输送至河南，从而形成一条“水汽通道”。在河南西侧上空对流层高层较弱的正位涡异常作用下(图3a)，河南上空对流层低层出现异常上升运动(图7a)，利于低层水汽向对流层中上层抬升。17至20日，伴随着西太副高稳定维持，台风“烟花”强度逐渐增强并缓慢向我国大陆移动，从西太平洋延伸至河南的偏东气流随之增强。与之相对应的是，河南上空对流层低层的异常上升运动进一步增强，从17日的-4 Pa·s-1左右增强至20日的-16 Pa·s-1左右(图7a-d)。随着上升运动显著增强、水汽输送进一步加强，河南强降水过程快速发展，并于20日达到峰值。

图7 河南及周边2021年7月17日(a)、 18日(b)、19日(c)、20日(d)、 21日(e)、22日(f)700 hPa风场异常、垂直速度异常的分布箭头为风场异常，风速单位：m·s-1；阴影为垂直速度异常，垂直速度单位：10-2 Pa·s-1

7月20日之后，随着西太副高强度的减弱(图6e-f)，其西南侧的异常偏东气流也随之减弱，使从西太平洋向河南的水汽输送减弱(图7e-f)。与此同时，由于河南西侧上空对流层高层正位涡异常向河南上空移动(图3e-f)，河南对流受到抑制，上升运动逐渐减弱(图7e-f)，对应着河南强降水过程进入衰退阶段。

5 结论和讨论

本文利用1979-2021年NCEP1逐日再分析资料及2021年7月17-22日中国国家气象观测站的24 h(08时-次日08时)降水数据，研究了平流层高位涡侵入在河南21·7极端暴雨过程中的作用及其形成的可能物理过程，并进一步探究了对流层中低层环流对暴雨过程的协同影响，得到以下主要结论：

(1)此次暴雨过程持续时间长、影响范围广，造成太行山东麓沿山地区及伏牛山东侧的郑州、焦作和鹤壁等多地累积降水量突破400.0 mm，最强降水中心位于郑州(仅20日降水量就达到624.1 mm)。

(2)在极端暴雨过程中，河南以西上空存在平流层高位涡侵入现象，对河南极端暴雨的形成有重要影响。17-20日，在平流层高位涡侵入的作用下，河南以西上空对流层高层出现正位涡异常，并在其东侧(即河南)的对流层高层(低层)激发出强烈的辐散(辐合)异常，从而有助于河南上升运动强烈发展，为暴雨的形成提供了有利的动力条件。20日后，河南西侧上空对流层高层正位涡异常逐渐东移，并最终于22日移至河南上空，抑制了河南对流的发展，对应着河南极端暴雨过程基本结束。

(3)河南以西上空平流层高位涡侵入的发生与南亚高压密切联系。在河南暴雨发展的初期，南亚高压东缘近乎呈南北走向，对应着青藏高原东部上空对流层高层异常偏强的北风。强盛的北风有利于引导中纬度的高位涡空气向南、向下输送，为平流层高位涡侵入的形成提供了有利的大尺度环流背景。随着南亚高压东缘的西退，青藏高原东部上空的北风异常进一步增强，对高位涡空气的输送作用也随之增强，对应着河南以西上空高位涡侵入的进一步发展。20日后，随着南亚高压东缘的东伸，与之有关的北风异常范围向河南扩展，有助于中纬度高位涡空气向河南上空输送，从而在河南上空形成正位涡异常。在高空正位涡异常的作用下，河南上空对流层受异常下沉运动控制，这不利于强降水的维持，因而暴雨过程进入尾声。

(4)西太副高的异常与台风“烟花”的活动，为河南极端暴雨的形成提供了有利的水汽条件。在暴雨发展阶段，西太副高异常偏强、位置偏北且维持较久，在其西南侧有台风“烟花”活动，二者之间为异常偏强的偏东气流，有助于将洋面上的暖湿气流源源不断地向河南输送，为暴雨发展提供了有利的水汽条件。而在暴雨的衰退阶段，西太副高强度减弱，其西南侧的偏东气流也随之减弱，使输送到河南的水汽减少，不利于强降水维持。

本文分析表明，河南以西上空平流层高位涡侵入对河南21·7极端暴雨的发生有重要影响，高位涡侵入的形成又与南亚高压东缘的东西进退存在联系。这意味着，南亚高压的活动在一定程度上可指示暴雨的发生。此外，本文主要从大尺度环流角度来分析此次暴雨过程，而暴雨的形成机理是十分复杂的，中尺度系统的作用、地形的影响、不同尺度系统的相互作用等都有待进一步探究。