“21.7”河南暴雨暖湿季风输送带加强及关键天气流型的准地转位涡反演

谢作威 布和朝鲁 诸葛安然 连汝续 廖振杨 阎洁 林大伟

1 中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心, 北京100029

2 杭州市萧山区气象局, 杭州311200

3 新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）, 北京102206

4 中国气象局人工影响天气中心, 北京100081

5 中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室, 北京 100081

1 引言

环流多尺度相互作用和有利的地形使河南地区于2021 年7 月18～21 日遭遇了历史上罕见的极端暴雨，简称“21.7”河南暴雨（梁旭东等, 2022）。与“75.8”极端暴雨相类似，这次暴雨也具有持续时间长、累积雨量大和强降水范围广的特点（丁一汇, 2015, 2019; 苏爱芳等, 2021）。此次极端暴雨以20 日最为明显，郑州单日降水量为624.1 mm，在15～18 时有12 站小时降水量超过100 mm 的极端短时强降水，给人民生命财产安全和社会经济带来了巨大的损失，引起了国家的高度重视（Fu et al., 2022; Li et al., 2022）。

丁一汇（2015, 2019）指出暖湿季风输送带是华北地区发生大暴雨或极端降水的必要条件，这种暖湿季风输送带是热带辐合带及其关联的夏季风明显加强北推的结果，它把低纬度的水汽和热量持续输送到华北地区。稳定大尺度背景环流下的多条水汽供应及辐合，造成了“21.7”河南极端暴雨（Yin et al., 2022）。其中，黄淮地区低压东南侧的西南气流和副热带高压与台风“烟花”之间的东南气流是此次极端暴雨的两条异常强盛的水汽输送带，这两条水汽输送带在太行山和嵩山地形阻挡下汇合在河南北部，为极端暴雨供应充沛的水汽（冉令坤等, 2021; 张霞等, 2021）。与东南气流相比，西南气流的可降水量偏高（冉令坤等, 2021），且进入河南气块的轨迹也偏多（Nie and Sun, 2022）。对于7 月20 日极端性降水来说，在这两条水汽中，河南南部的经向水汽通量带（850 hPa 以上）有明显的加强，这为极端暴雨提供了更有利的水汽供应（布和朝鲁等, 2022）。在上述研究中，都注意到了20 日有明显的偏南风加强，实际上它是形成含水量极高暖湿季风输送带的直接原因。

强偏南风不仅为河南暴雨输送了暖湿气流，也为发生暴雨的天气系统提供了有利的动力条件（齐道日娜等, 2022; 苏爱芳等, 2022）。低涡、切变线、中低层低槽和锋面等是河南暴雨的主要天气系统（梁钰等, 2020; 罗亚丽等, 2020; 冉令坤等, 2021）。在“21.7”极端暴雨过程中，东风和偏东南风在河南地区低层形成稳定少动的切变线；同时，低空急流中偏南风的加强，在其西侧有强烈气旋式切变，这有利于黄淮地区低压的形成和维持；而对流层中低层的切变线和低压是此次极端暴雨的主导系统（苏爱芳等, 2021, 2022; 齐道日娜等, 2022）。上述研究还指出，南支气流与低层偏东气流形成对峙，使河南地区处于中性层结，有利于上升运动的维持和发展，进而造成极端降水事件；同时，偏南气流不仅有利于河南南部的高涡度平流至郑州地区，还有利于多个分散单体快速北移至郑州地区。数值模拟研究表明，准确刻画出这支对流层中低层的偏南气流可准确预报出极端降水的落区（Xu et al., 2022）。

综上所述，暖湿季风输送带对极端暴雨非常重要。而对它加强的原因，已有研究关注到了热带系统的作用，如热带辐合带的北推、南支槽的向南加深和季风涌的季节内低频振荡等（柳艳菊等, 2015;丁一汇, 2019）。但仅以热带系统难以解释中纬度河南南部地区在7 月20 日偏南风“突然”加强的现象。另外，近年来国内外发现，中高纬大气环流系统和对流层中高层波破碎对暖湿输送带或大气河形成起着很重要的作用（Zhang et al., 2017, 2021;张若楠等, 2018; 丁一汇, 2019; Wang et al., 2021; 布和朝鲁等, 2022）。那么，“21.7”极端暴雨的暖湿季风输送带中偏南风的加强，主要的贡献是来自高层还是低层环流？具体是什么环流的影响？同时，这种高湿高温的气块往中高纬输送过程中，是否有来自于潜热释放后对环流的反馈作用使得偏南风加强？围绕上述三个问题，本文以“21.7”极端暴雨河南地区偏南风加强为研究对象，使用准地转位涡反演考察逐层环流对偏南风加强的贡献，分析关键层次的环流对偏南风加强的作用，力图为河南等华北地区的极端暴雨发生机理提供一些新的线索和依据。

2 资料和方法

2.1 资料

本文使用的降水量资料为国家气象科学数据中心提供的中国地面气象站逐小时观测资料，共2170 个站点（http://data.cma.cn/data/detail/dataCode/A.0012.0001.html[2022-01-05]）。逐日累积降水量为08 时（北京时，下同）至次日08 时的逐小时降水量之和。

本文使用的再分析资料为同期欧洲中期天气预报中心提供的第五代大气再分析全球气候数据（ERA5；Hersbach et al., 2020），ERA5 是欧洲中期天气预报中心的Іntegrated Forecast System 的四维变分资料同化和CY41R2 模型预报产生的。本文所采用的分析资料包括地表平均感热通量、气压层的三维风场、比湿及位势场和模式层的非绝热加热率，水平分辨率为1°×1°。气压层的垂直分辨率为1000 hPa 至100 hPa 之间每隔50 hPa 取一层，共19 层，时间分辨率为一日四次。而模式层的非绝热加热资料在垂直方向上共137 层（https://confluence.ecmwf.int/display/UDOC/L137+model+le vel+definitions [2022-01-05]）为模式预报结果，该非绝热加热率考虑了长短波辐射、垂直扩散、大尺度凝结和对流加热等诸多物理过程的参数化方案，但没有考虑数值耗散的影响。我们使用德国马普气象研究所的Climate Data Operators 软件的“ml2pl”参数将模式层资料插值到上述19 层气压层上，为了使非绝热加热的累计效应更为精确，使用逐小时资料进行累加。

2.2 准地转位涡分部反演

本文采用准地转位涡分部反演来描述不同层次位涡异常对某一层次环流异常的贡献（Nielsen-Gammon and Lefevre, 1996; Evans and Black, 2003;施宁和布和朝鲁, 2015; Xie et al., 2019），准地转位涡异常的计算公式为

其中，Q为非绝热加热率，R为气体常数，边界条件同样为冯伊曼边界条件。

3 结果

3.1 降水和风场分布特征

已有研究表明（冉令坤等, 2021; 苏爱芳等,2021; 齐道日娜等, 2022），此次河南极端暴雨过程具有持续时间长、范围广、累积雨量大、短时降水强等特征。图1 所示为此次极端暴雨过程的日累计降水分布特征，使用国家气象中心预报技术研发室检验科研发的meteva 程序库中的cressman 插值算法把站点资料插值到了格点上。日累计降水量分析表明，暴雨在7 月18 日主要分布于河南的周边地区（图1a），19 日聚集在河南中南部地区（图1b），20 日暴雨中心移至郑州，郑州地区平均降水量超过500 mm（图1c），21 日暴雨区域向北扩展，中心北移至河南北部（图1d）。

图1 2021 年7 月18～21 日逐日08 时（北京时，下同）至次日08 时累积降水量（单位：mm d-1）：（a）18 日；（b）19 日；（c）20 日；（d）21 日Fig. 1 Daily accumulated precipitation (units: mm d-1) from 0800 BJT (Beijing time) to 0800 BJT of the following day for July 18–21, 2021: (a) 18;(b) 19; (c) 20; (d) 21

对于这样大范围和高强度的极端暴雨，特别是7 月20 日，大尺度环流对水汽的输送和组织尤为重要。布和朝鲁等（2022）研究表明，河南南侧850 hPa 以上的强经向水汽通量带在20 日河南极端暴雨中起着非常重要的作用。为了考察这一经向风的特征，图2 给出了7 月18～21 日800 hPa逐日平均比湿场和水平风场。18 日（图2a），有一明显的湿舌由缅甸沿着青藏高原东麓向北伸至黄土高原和河南地区，这表明，东亚夏季风或暖湿季风输送带向北推至我国北方，将暖湿气流源源不断供应至北方地区。在这一湿舌内，18 日至21 日由西南风逐渐转为南风。同时，我国南部沿海的台风“查帕卡”逐渐西行，其携带的暖湿气流与西南季风的湿舌合并，为河南暴雨进一步提供了水汽来源。而在该湿舌的东北侧，有一宽广的东南风分布于东海至内蒙古地区（图2a）。随着副热带高压的西伸和台湾东部海面上台风“烟花”的西进，该东南风逐渐加强向西南和东北扩展，将湿舌进一步向北推至河套地区（图2b–d）。

图2 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日的800 hPa 日平均比湿（填色，单位：kg kg-1）和水平风场（箭头，单位：m s-1）。红色曲线为河南省界，黑色曲线分别为长江和黄河，灰色为3000 m 以上的青藏高原Fig. 2 Daily mean 800-hPa specific humidity (shaded, units: kg kg-1) and horizontal wind (arrows, units: m s-1) on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d)21 2021. The red and two black curved lines mark the boundary of Henan Province and the Changjiang and Huanghe Rivers, respectively. The gray shaded area designates the Tibetan Plateau above 3000 m

值得注意的是，随着这一宽广的东南风逐渐向西南扩展，河南地区南风逐渐加强和向北推进，并与这一东南风形成切变线。7 月19～20 日，长江中游地区的偏南风明显加强并向北移至河南中部地区，河南中部地区切变线特征明显（图2c），恰好对应着极端降水中心（图1c）。在21 日（图2d），南风进一步向北推进，与之对应，切变线移至河南北边的省界，极端降水中心也向北移动（图1d）。河南地区的东南风向南风的转变，对水汽的输送起着重要的调整作用。布和朝鲁等（2022）的研究结果表明，19～20 日，由东向西进入河南东侧的高湿气块轨迹数量减少一半以上，而由南向北进入河南南侧的高湿气块轨迹数量增加了近一倍，这一转变，更有效地将南边高温高湿的水汽输送至河南地区。本文提及的800 hPa 东南风和南风的切变线，与齐道日娜等（2022）所指出的850 hPa 东南风与东风的切变线并不相矛盾，这主要是由于经向风和纬向风的垂直分布差异造成的。由下文水平风垂直剖面分析可知，在对流层中低层，东风中心位于850 hPa附近，而南风中心位于800 hPa 附近。

布和朝鲁等（2022）发现，由河南南侧进入的高湿气块轨迹线主要位于对流层850～700 hPa，而东侧进入的轨迹线主要位于对流层900～850 hPa。那么，河南地区的风场有什么样的垂直分布特征，导致了进入河南地区的轨迹线数量在不同层次上的变化，以及造成了切变线在不同层次不同方向的切变？此外，与气候态相比，风场的异常是否出现在平均的大值区？为了说明这些问题，图3 给出了河南地区（31°～36°N，110°～116°E）区域平均的风场及其异常的气压–时间剖面图。整体上，暴雨期间河南地区的东风和南风明显加强，南风的加强分布于对流层低层至高层，而东风的加强主要出现在对流层中低层。

就经向风而言，在7 月18 日，北风转为南风首先出现于对流层低层，然后是对流层中层（图3a），而其异常仍主要为北风（图3b）。在19 日，南风进一步加强，高度可至150 hPa，有两个中心分别位于800 hPa 和250 hPa 附近，南风异常整体分布的气压层略偏高，异常中心分别为750 hPa 和200 hPa 附近。在20 日，低层南风中心达到了峰值，平均强度为8 m s-1，其异常值为5 m s-1，正与河南极端暴雨时段相对应。尽管高层南风也显著加强，但在21 日初达到了峰值。之后，整层南风迅速减弱，在22 日为北风异常。尽管有很明显的非地转风，但准地转风的分布特征与实际风场比较相似，也能反映出20 日对流层中低层南风加强这一关键特征。

与南风明显不同的是，东风主要出现在对流层中低层（图3c），并且其范围由400 hPa 以下逐渐缩小到了7 月20 日晚的750 hPa 以下，其中心主要位于850 hPa 附近。纬向风异常整层基本为偏东风，其强度表现出自上而下逐步减弱的分布特征，18 日东风异常中心位于对流层中高层，而后主要分布于对流层中低层。尽管20 日对流层低层有东风及其异常中心，但其异常较19 日有所偏弱。这表明，对于20 日的河南极端暴雨而言，南风的加强可能更为重要。

研究表明，在河南暴雨过程中，对流层中层有低压活动（苏爱芳等, 2021; Yin et al., 2022），那么对流层中层南风是否受其影响而使得区域平均值偏小呢？实际上，在500 hPa，低压中心主要位于河南地区的外围，7 月18 日为东南侧，19 日为西侧，20～21 日为西北侧（苏爱芳等, 2021），因此，河南区域平均风场基本上没有受到低压中心两侧不同方向风场相互抵消的影响。另外，在20～21 日，受副热带高压西伸的影响，5840 gpm 等值线已伸至河南南侧地区（齐道日娜等, 2022），并且该地区在400 hPa 有闭合高压中心（图略），这种高低压配置使得河南地区在对流层中层以纬向风为主，经向风较弱。而在对流层高层，受河套槽或反气旋式波破碎的影响（苏爱芳等, 2021; 布和朝鲁等,2022），河南地区有明显的南风。因此，南风在对流层低层和高层分别有一中心。

综上所述，河南以南地区有明显的偏南风加强，一方面它将高温高湿空气输送至河南地区，另一方面与副热带高压边缘的东南气流形成切变线，特别是7 月20 日，这两者共同为极端暴雨提供了非常有利的条件。与偏东风相比，南风及其加强不仅仅出现在对流层低层，而且向上扩展至150 hPa 高度，可见，它可能对极端暴雨起着更为重要的作用。

3.2 南风异常及其主导环流

根据3.1 节分析，7 月20 日南风的加强对极端暴雨尤为重要，同时，地转风场与实际风场的变化也较为相似，也能反映20 日南风加强这一关键特征。我们采用准地转位涡分部反演，来研究造成这种变化的关键气压层环流。首先，由位势高度异常计算得到准地转位涡异常，然后把逐个气压层的位涡异常反演得到位势高度异常场，最后通过地转近似得到地转风异常。考虑到经向风异常中心所在的气压层较经向风偏高50 hPa，即由800 hPa 升至750 hPa（图3a 和3b），我们选取经向风异常中心所在的750 hPa 气压层来验证准地转位涡反演风场的准确性。

图3 2021 年7 月18～22 日河南地区（31°～36°N，110°～116°E）区域平均的（a）经向风及其（b）异常和（c）纬向风及其（d）异常的气压—时间剖面（单位：m s-1）。填色和等值线分别为原始风场和地转风，等值线间隔为1 m s-1Fig. 3 Pressure–time cross section (units: m s-1) of the areal mean (a) meridional wind and (b) its anomaly and (c) zonal wind and (d) its anomaly over the Henan region (31°–36°N, 110°–116°E) during July 18–22, 2021. The shading and contours are the wind and geostrophic wind, respectively.The contour interval is 1 m s-1

图4 给出了750 hPa 地转风异常及其来自于1000～100 hPa 准地转位涡异常的反演结果。整体而言，它与上述800 hPa 风场的分布（图2）也较为一致。我国中东部地区，地转风异常和实际风异常的分布比较吻合，其偏差主要表现为南北风异常偏强，这种偏差在低纬度地区更为明显。由准位涡反演得到的地转风异常的分布与地转风异常分布基本一致，偏差主要出现在两个台风环流中。在7月18～19 日期间（图4a 和4b），中国东部至河南地区主要为偏东风异常；而在20 日（图4c），尽管中国东部地区主要为偏东风异常，但河南的中南部地区有明显的偏南风异常；偏南风异常在21日进一步向北扩展（图4d）。准地转位涡反演得到的地转风异常略有偏差（图4e–h），而河南地区的地转风偏差主要出现在19～20 日，特别是20 日，在河南的东南和西部地区南风异常偏大1 m s-1，而河南的北部地区南风异常偏小1 m s-1，但这些偏差与地转风和实际风之间的偏差分布相反。尽管准地转位涡反演在河南地区略有偏差，但基本上反映了该地区的风场特征。

图4 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日的750 hPa 地转风异常场（箭头，单位：m s-1）和地转经向风偏差（填色），蓝色曲线为河南省界，黑色曲线分别为长江和黄河，灰色为3000 m 以上的青藏高原。（e–f）同（a-d），但为准地转位涡反演得到的地转异常风和地转经向风偏差（填色）Fig. 4 750-hPa geostrophic wind anomaly (arrows, units: m s-1) and ageostrophic meridional wind (shading) on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d) 21 2021. The blue and two black curved lines mark the boundary of Henan Province and the Changjiang and Huanghe Rivers, respectively. The gray shaded area designates the Tibetan Plateau above 3000 m. (e–h) same as (a–d), but for the geostrophic wind anomaly inverted from the quasigeostrophic potential vorticity (QGPV) and the bias of the meridional geostrophic wind to the original meridional geostrophic wind (shading)

为了考察不同气压层环流对河南地区平均经向风的贡献，我们对950～150 hPa 逐层准地转位涡异常进行了反演，并利用地转近似计算出了750 hPa和200 hPa 地转风异常。考虑到准地转位涡在950 hPa 和150 hPa 层次上的垂直方向上二阶差分涉及到边界条件，我们将边界条件的影响（即边界上的热力影响）放入到了这两层中，而在其它层位涡的反演过程中，冯伊曼边界条件中 θ′设为0。实际上，上边界条件的影响几乎可忽略，而下边界条件有非常强的偏北风影响，使得950 hPa 准地转位涡对风场的贡献为偏北风。图5 给出了逐层准地转位涡异常反演得到750 hPa 和250 hPa 河南地区（31°～36°N，110°～116°E）区域平均的经向风异常。可见，对流层中低层准地转位涡异常对河南地区经向风的贡献主要为南风，而对流层高层及以上的准地转位涡异常对河南地区经向风的贡献为北风。

图5 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日逐层气压面上的准地转位涡异常反演得到的河南地区（31°～36°N，110°～116°E）区域平均750 hPa 和250 hPa 经向风异常（单位：m s-1）Fig. 5 750-hPa and 250-hPa geostrophic meridional wind anomalies (units: m s-1) averaged over the Henan region (31°–36°N, 110°–116°E) inverted from the QGPV anomaly on each pressure level on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d) 21 2021

对于河南地区750 hPa 南风而言，从7 月18日至19 日（图5a 和5b），最大的贡献来自于600 hPa准地转位涡异常，来自于对流层900～650 hPa 准地转位涡异常的贡献明显增加，并且在20 日进一步增加（图5c），其中650 hPa 准地转位涡异常对河南地区南风的贡献超过了600 hPa，成为南风的最大来源，同时，900 hPa 准地转位涡对河南地区南风的贡献仅次于650 hPa。在21 日（图5d），650～600 hPa 准地转位涡异常对河南地区南风的贡献明显减弱，而900 hPa 准地转位涡异常的贡献进一步加强，成为最大的贡献。在这次过程中，高层300 hPa及以上的位涡异常对河南地区750 hPa 南风起着减弱或抵消的作用。

不同气压层准地转位涡异常对河南地区250 hPa南风的贡献表现出与750 hPa 相似的特征，尽管主要的贡献来自于对流层中低层，但其幅度较对750 hPa 的贡献偏弱，这说明对流层中低层不仅是低层南风的主要贡献，也是高层南风的主要贡献。与750 hPa 南风来源不同的是，在20 日和21 日，高层200 hPa 的准地转位涡异常对250 hPa 河南地区南风起着正的贡献，这是高层受到河套槽或反气旋式波破碎的影响（苏爱芳等, 2021; 布和朝鲁等,2022）。

为了说明650 hPa 环流对750 hPa 风场异常的影响，图6 给出了650 hPa 位势高度和准地转位涡异常及其反演得到的750 hPa 位势高度和地转风异常。整体来看，河南地区的风场主要是受副热带高压西进和河南西侧低压环流加强的共同影响。从7月18 日至19 日（图6a 和6b），蒙古地区高压中心和副热带高压相向而行，高压范围明显向河南地区扩展，而河南南部的低涡减弱为槽，这种高低压环流配置不仅有利于650 hPa 河南地区东南风的加强，还会通过改变静力稳定度而影响到其上下层环流。在650 hPa 准地转位涡异常上（图6e 和6f），以河南地区的东北边为界，其东北一侧高压区域内主要为负位涡异常，河南至西北地区为正位涡异常。由650 hPa 位涡异常反演的750 hPa 环流异常可见，中国东部区域盛行东南风异常。另外，台湾以东的台风明显加强，与台风相联系的北侧偏东风也明显加强，偏东风有利于副热带高压由日本地区向河南地区伸展。

在7 月20 日，随着台湾以东的台风加强和西进，副热带高压进一步向河南地区扩展（图6c）；与副热带高压相联系的负位涡异常由黄海地区扩展至河南地区东侧（图6g）。同时，河南西侧的低压槽北移至其西北部，并与青藏高原东北侧的低压槽相并；与低压环流相联系的正位涡异常进一步加强，分布于河南至青藏高原东侧。东高西低环流配置的加强有利于650 hPa 异常环流对河南地区偏南风的影响进一步加强。在21 日（图6d），随着台湾以东的台风进一步加强和西进，副热带高压有所北抬，河南西部至青藏高原东侧的低压槽北移至山西地区。与此相应，正负位涡中心主要分布于河南北边地区和渤海湾地区，从而造成650 hPa 环流对河南地区偏南风的影响减弱。

图6 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日650 hPa 位势高度（等值线，单位：gpm）及其异常（填色），蓝色曲线为河南省界，黑色曲线分别为长江和黄河，灰色为3000 m 以上的青藏高原，等值线间隔为10 gpm，其中虚线为负值。（e–h）同（a–d），但为650 hPa 准地转位涡异常（填色，单位：s-1）及其反演得到的750 hPa 位势高度异常（等值线）和地转风异常（箭头，单位：m s-1）Fig. 6 650-hPa geopotential height (contours, units: gpm) and its anomalies (shading) on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d) 21 2021. The blue and two black curved lines mark the boundary of Henan Province and the Changjiang and Huanghe Rivers, respectively. The gray shaded area designates the Tibetan Plateau above 3000 m. A contour is drawn every 10 gpm and the dashed line indicates the negative value. (e–h) same as (a–d), but for the 650-hPa QGPV anomaly (shading, units: s-1) and the 750-hPa geopotential height anomaly (contours) as well as the geostrophic wind anomaly(arrows, units: m s-1) inverted from the 650-hPa QGPV anomaly

与650 hPa 环流异常相比，900 hPa 环流异常对750 hPa 风场异常的影响表现出明显的经向性特征（图7）。这主要由于副热带高压的西伸位置更为偏西，负位涡异常分布可达河南以西地区。同时，蒙古地区的高压比较浅薄，在900 hPa 无明显特征，而650 hPa 上祁连山西北侧至贝加尔湖的正位涡异常在900 hPa 上位置偏东，分布于祁连山东北侧至内蒙古高原，随着东南风的暖湿气流输送的加强（图2 和图4），这一低压不断加深并向东北方向扩展，与西伸的副热带高压形成对峙（图7c 和图7d）。因此，900 hPa 环流配置在河南及其北侧表现为纬向梯度不断加强的特征，这有利于河南地区南风不断加强。

图7 如图6，但为900 hPa 位势高度及其异常和准地转位涡异常Fig. 7 Same as Fig. 6, but for a 900-hPa geopotential height as well as its anomaly and the QGPV anomaly

在7 月18 日（图8a），河套至西北地区有浅薄的近地层正位涡异常，主要来自于热力的贡献，在偏南风和上升运动影响下，这一正位涡异常逐渐加强并向西北和中层扩展，发展成为上述近地层热低压（图7b–d 和8b–d）。而在其之上的750～600 hPa，19 日有明显的南风加强，将河南地区的高位涡输送至河套地区，20 日南风对高位涡的平流进一步加强，中心位于650 hPa，这使得正位涡异常在750～600 hPa 较为宽广，有利于对河南地区偏南风产生较大的贡献。与此不同的是，在700 hPa以下，河南地区以西地区为负位涡异常，使得河南地区主要受其局地正位涡异常的影响，当正位涡异常（低压环流）由河南的东南部向西北部移动过程中，800 hPa 及其上下层次的位涡异常对河南地区风场的影响由偏北风转为偏西南风（图5）。已有研究主要强调黄淮低压外围的东南气流与副热带高压和台风“烟花”之间的东南气流形成一条连贯的东南水汽输送带（苏爱芳等, 2021; Yin et al.,2022），而我们的研究更为关注直接进入郑州的河南南部偏南风，尽管黄淮低压能引起河南地区的偏南风，但仅以它难以解释河南南部偏南风的突然加强，还需结合祁连山北侧的热低压与副热带高压形成较大范围的对峙。

图8 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日沿图6g 蓝粗线准地转位涡异常（填色，单位：s-1）及其热力部分（等值线）和风矢量（水平风单位：m s-1；垂直风单位：10-2 Pa s-1）的剖面。等值线间隔为0.2×10-4 s-1，虚线为负值Fig. 8 Crosssections of the QGPV anomaly (shading; units: s-1) as well as its contribution by static stability (contours) and wind (units of horizontal wind: m s-1; units of vertical velocity: 10-2 Pa s-1) along the blue line in Figure 6g on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d) 21 2021. The vertical velocity is scaled by 100, The contour interval is 0.2×10-4 s-1 and the dashed line indicates the negative value

综上所述，河南地区南风的贡献主要来自于对流层中低层的位涡，这是由副热带高压的西伸与河南至祁连山北侧低压环流形成对峙，在河南地区形成强烈的位势高度纬向梯度，进而有利于偏南风的加强。祁连山北侧热低压环流较为浅薄，与其相联系正位涡异常分布于祁连山北侧和河套地区，正位涡异常中心分别位于900 hPa 和650 hPa，这有利于这两层环流对河南地区南风的贡献最为明显。

3.3 低压环流的影响

如图9a 所示，从位温场可见7 月18 日阿拉善高原为一典型热低压，中性层结由地面向上伸至600 hPa，该层以下为辐合上升运动，而之上为辐合下沉运动，等位温线密集区主要分布于低压中心的近地层及其东西两侧，位温梯度增加有利于正位涡异常的形成。从19 日至20 日（图9b 和9c），热低压环流明显加强并东移，风场辐合运动增加，其东西两侧等位温线变得更为密集，即层结稳定度增强，相应的正位涡异常明显增加，并扩展至对流层中层500 hPa，其中热低压东部上空正位涡异常中心位于650 hPa，即上述的河套地区正位涡异常。在21 日，热低压有所减弱，中心的辐合运动减弱，700 hPa 以上的等温线变得较为平直，中心西侧的高稳定度层有所下降，而中心东侧的河套地区上空高稳定度层有所上升。

图9 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日沿40°N 位温（等值线，单位：K）、风矢量（箭头，纬向风单位：m s-1；垂直风单位：10-2 Pa s-1）和热力部分的位涡异常（填色，单位： s-1）的剖面，灰色为地形Fig. 9 Cross sections of the potential temperature (contours, units: K), wind (arrows, units of horizontal wind: m s-1; units of vertical velocity:10-2 Pa s-1), and the QGPV anomaly of static stability (shading; units: s-1) along 40°N on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d) 21 2021. Gray shading indicates terrain

为了说明热低压形成的可能原因，图10 给出了沿40°N 的地表平均感热通量的Hovmöller 图。高原上（90°～115°E）的向上感热通量明显偏强，在7 月18 日至19 日，最大加热中心位于甘肃省西部并东移，在其东侧阿拉善高原西部有新的加热中心；20 日加热中心进一步加强并东移至阿拉善高原；21 日加热中心强度明显减弱。由非绝热加热反演的位势高度倾向可见（图12），这一加热中心在近地层850 hPa 的祁连山北侧至河套地区产生明显的低压环流，随着感热加热的加强和东移，低压倾向中心也加强和东移（图12a–c），这有利于祁连山北侧的低压加强（图7a–c）。而后，随着感热加热的减弱，低压倾向有所减弱（图12d）。

图10 沿40°N 的 地 表 平 均 感 热 通 量（单 位：W m-2）的Hovmöller 图，向上通量为正Fig. 10 Hovmöller diagram of the mean surface sensible heat flux(units: W m-2). Upward flux is positive

为了说明副热带高压、河套和河南地区高位涡对河南地区偏南风的相对贡献，我们选取7 月20日的750～600 hPa 准地转位涡异常，分别反演不同环流相联系的位涡异常（图11），其中副热带高压粗略选为（30°～55°N，115～140°E）区域，并计算与其相联系的河南地区（31～36°N，110～116°E）经向风的平均（表1）。750～600 hPa 准地转位涡异常反演的风场与与整层位涡异常反演的风场较为相似（图11a 和4g），但南风分量明显偏强，特别是河南地区，这主要是少了对流层高层位涡异常对750 hPa 南风的抵消作用（图5c），河南地区平均南风为6.19 m s-1。

河南至河套地区和副热带高压的位涡异常反演的风场主要为偏南风分布（图11b），河南地区平均南风为4.80 m s-1，占总额的77.5%。这主要来自于副热带高压的贡献，与其相联系的风场主要为偏东南风（图11c），河南地区平均南风为2.90 m s-1。河套至河南的正位涡异常反演的地转风为泊松分布，其中河南地区为西南风（图11d），平均南风为1.90 m s-1，尽管南风强度较副热带高压偏小，但西风分量抵消了副热带高压的东风分量，使得整个风场表现为偏西南风特征。通过对河套和河南地区正位涡异常进一步分解可见（图11e 和11f），两者在河南的地区均为西南风，平均南风分别为1.00 m s-1和0.90 m s-1。尽管河南地区的正位涡异常反演的风场较强，但以偏西风为主。如果只选取650 hPa 气压层，河套地区位涡异常反演的偏南风是河南局地位涡的近2 倍（表1）。

图11 （a）2021 年7 月20 日750～600 hPa 平均准地转位涡异常（填色，单位：s-1）及其反演的750 hPa 地转风异常（箭头，单位：m s-1），（c）、（e）和（f）分别为副热带高压、河套和河南位涡异常及其反演的地转风异常，（b）为（c）、（e）和（f）之和，（d）为（e）和（f）之和。蓝色和黑色曲线分别为河南省界和黄河，灰色为3000 m 以上的青藏高原Fig. 11 (a) 750–600 hPa mean QGPV anomaly (shading, units: s-1) and 750 hPa geostrophic wind anomaly (arrows, units: m s-1) inverted from the QGPV anomaly on July 20 2021. (c), (e), and (f) are geostrophic wind anomalies inverted from QGPV anomalies associated with subtropical highs and those over Hetao and Henan. (b) is the sum of (c), (e), and (f), while (d) is the sum of (e) and (f). The blue and black curved lines mark the boundary of Henan Province and the Huanghe River, respectively. The gray shaded area designates the Tibetan Plateau above 3000 m

表1 不同地区准地转位涡异常反演的750 hPa 河南地区（31°～36°N，110°～116°E）平均经向风异常（单位：m s-1）Table 1 The 750 hPa area-mean meridional wind anomalies (units: m s-1) over the Henan region (31°–36°N,110°–116°E) inverted from the QGPV anomalies over different regions

综上所述，阿拉善高原感热加热使得局地热低压的维持和发展，有利于河套地区上空的静力稳定度增加而产生正位涡异常，该异常与河南地区正位涡异常相连形成较大范围的正位涡异常，它与副热带高压西伸形成对峙而有利于河南地区偏南风的加强。

3.4 非绝热加热的影响

河南地区的极端降水会释放大量潜热，改变了静力或层结稳定度，在加热层上下分别产生负和正的位涡异常，造成位势高度的变高和变低（Davis and Emanuel, 1991）。冉令坤等（2021）指出7 月20 日郑州地区潜热释放可至对流层300 hPa，对应着高位涡，那么它对河南地区的风场异常（特别是对流层中低层的偏南风距平）是否具有贡献？图12给出了由非绝热加热造成的850 h、750 hPa 和250 hPa 位势高度倾向和地转风倾向。整体来看，在低层为负的位势倾向，在高层为正的位势倾向，这有利于河南地区低涡的维持和上升运动，与以往研究结果相吻合（Davis and Emanuel, 1991; 姜立智等, 2019）。

图12 2021 年7 月（a）18 日、（b）19 日、（c）20 日和（d）21 日由非绝热加热造成的850 hPa 位势高度倾向（填色，单位：gpm d-1）和地转风倾向（箭头，单位：m s-1 d-1），蓝色曲线为河南省界，黑色曲线分别为长江和黄河，灰色为3000 m 以上的青藏高原。（e–h）和（i–l）同（a–d），但分别为750 hPa 和250 hPaFig. 12 850-hPa geopotential height tendency (contours, units: gpm d-1) and geostrophic wind tendency (arrows, units: m s-1 d-1) due to diabatic heating on July (a) 18, (b) 19, (c) 20, and (d) 21 2021. The blue and two black curved lines mark the boundary of Henan Province and the Changjiang and Huanghe Rivers, respectively. The gray shaded area designates the Tibetan Plateau above 3000 m. (e–h) and (i–l) same as (a–d), but for 750 and 250 hPa,respectively

在对流层低层850 hPa 和750 hPa（图12a–h），有一负位势倾向中心分布于河南地区北部，它对河南地区风场的影响主要为偏西北风。随着降水潜热释放的增加，这一负位势高度倾向逐渐加强，7 月20 日750 hPa 为-30.3 gpm d-1，偏北风的影响也逐步增强。负位势高度倾向在21 日向北移动，对河南偏北风的影响有所减弱。如前一小节所述，在850 hPa，河套至祁连山北侧为一宽广的低压倾向，这主要是受高原地面感热加热而出现在近地层，从而有利局地热低压的维持和加强。

在高层250 hPa，河南地区有明显的正位势高度倾向异常，其中心分布于河南东北方向的河北地区，7 月18 日强度与湖北地区正异常中心的强度相当（图10i），导致河南地区受其东侧偏北风的影响。19 日至20 日（图10j 和10k），河南地区正异常中心强度明显加强，局地的顺时针旋转的风场也变得更为明显，这使得河南地区受偏南风的影响较为明显，20 日河南区域平均南风倾向为2.6 m s-1d-1。21 日该正异常中心向东北移动（图10l），河南地区受偏南风的影响有所减弱。

综上所述，河南地区持续性暴雨释放的潜热造成了河南地区对流层中低层负位势高度倾向，高层为正位势高度倾向，有利于河南地区对流层中层低压环流的维持和上升运动，但以潜热加热强迫难以直接解释低层河南地区经向风变化特征。而加热产生的正位涡有利于了河南地区正位涡的维持，在东南风影响下，可为河套地区提供了正位涡平流，从而对河南地区的风场产生影响。

4 结论与讨论

本文使用国家气象科学数据中心降水资料和欧洲中期天气预报中心ERA5 再分析数据，利用准地转位涡分部反演，重点分析了“21.7”河南暴雨中暖湿季风输送带中偏南风的加强机理及其关键环流。

暖湿季风输送带中的偏南风加强是发生7 月20 日极端暴雨的关键因子之一，偏南风的加强不仅出现在对流层中低层，还向上扩展至150 hPa 高度，它高效地将季风输送带中高温高湿的气块输送至河南地区，同时，与副热带高压边缘的东南气流形成切变线，为极端暴雨的发生提供有利的水汽条件和天气系统。

副热带高压和台风“烟花”相互促进西进，副热带高压西伸至中国东部地区，同时，蒙古地区的高压东移与副热带高压合并，从中国东部沿海至西北地区形成了一条宽广的东南风，不仅将暖湿气流输送至西北地区，也把河南地区高位涡输送至西北地区。另外，阿拉善高原的感热加热有利于局地热低压的维持和加强，不仅在低压中心近地面层产生正位涡异常，还在其东侧的河套地区对流层中低层产生正位涡异常，中心位于650 hPa，这有利于河南及其以西地区大范围高位涡的维持，从而与副热带高压形成较大范围的对峙。准地转位涡分部反演表明，对流层中低层这一天气流型导致暖湿季风输送带中的偏南风加强，影响可至250 hPa。对于7月20 日河南地区的南风，主要来自于副热带高压的贡献，其次是河套地区750～650 hPa 的正位涡异常，而河南局地低压环流的贡献略小。尽管副热带高压是河南地区南风的主要贡献，但Xu et al.（2022）数值结果表明，副热带高压偏强偏西却不利于对流层低层强烈的水汽输送带的形成，进而导致降水落区预报的偏差。

本文对“21.7”河南极端暴雨的暖湿季风输送带中偏南风的细致分析表明，河南地区南风的加强不仅受副热带高压和河南地区局地环流的影响，还有来自于西北地区热低压环流的贡献，它们共同作用有利于7 月20 日河南地区南风的加强，为极端暴雨提供了有利的高温高湿水汽。极端降水释放的大量潜热有利于河南地区低压环流的维持和上升运动，同时，加热产生的高位涡也为其向西北输送提供了来源，但对于暖湿季风输送带中偏南风加强的直接贡献不明显。至于高层天气尺度波破碎的影响可能体现在其它方面，例如波破碎具有强烈的经向通量的输送和非线性过程，在以后的工作中我们还需使用数值模式来开展这方面的研究。

致谢感谢两位匿名审稿专家对本文提出的宝贵意见，感谢国家重大科技基础设施项目“地球系统数值模拟装置”提供支持。