郑州“7.20”极端暴雨天气的基本观测分析

苏爱芳 ,吕晓娜 ,崔丽曼,李周,席乐,栗晗

(1.中国气象局(河南)农业气象保障与应用技术重点实验室；2.中国气象科学院灾害天气国家重点实验室北京 100081；3.河南省气象台，郑州 450003)

引言

暴雨既可是长持续时间降水的累积效应，也可由短时强降水造成，我国的暴雨过程尤其是致灾性极端暴雨过程一般都伴有极端性的短时强降水天气，例如2007年7月18日济南特大暴雨、2012年7月21日北京特大暴雨、2016年7月19日华北特大暴雨、2018年5月3日广州特大暴雨等(杨晓霞等，2008；谌芸等，2012；符娇兰等，2018；栗晗等，2018；徐珺等，2018)。

充沛的大气可降水量是形成暴雨或极端短时强降水的必要条件(孙继松，2017)。田付友等(2017)统计表明，我国极端短时降水的发生需要异常充足的水汽，不小于80 mm·h-1的短时强降水的整层可降水量的高概率密度区大致为55～70 mm，925 hPa和850 hPa强辐合是强降水发生的最重要的动力抬升条件。郑永光等(2017)指出，地面露点温度达到26 ℃时说明地表非常暖湿，这种情况下利用探空资料计算的整层可降水量一般在60 mm以上，有利于极端短时强降水的出现。对华北极端暴雨而言，喇叭口地形、迎风波地形强迫，增强风速辐合是极端强降水的外强迫条件(谌芸等，2012；孙军等，2012，2017；符娇兰等，2018；栗晗等，2018)。徐珺等(2018)对广州“5.7”极端强降水进行分析研究发现，地形辐射降温叠加城市热岛在山前形成高温度梯度区的热动力强迫，是广州极端强降水的重要成因之一。孙继松等(2015)对北京地区近10 a的极端暴雨进行了研究，指出长生命周期的单体或多单体组织合并的中尺度对流系统形成的暴雨中心一般位于北京西部山前地区或中心城区，这种分布与低空偏东气流的地形强迫作用或城市强迫作用有关；“列车效应”对应的多单体中尺度对流系统形成的极端暴雨事件往往与两类不同属性的降水过程有关，即锋前暖区对流过程和锋面附近的对流过程，其降水分布往往平行于低空急流轴或锋面。对流单体停滞、反复生消或多单体有组织性的合并、“列车效应”常导致降水的增强(Doswell et al.,1986；俞小鼎等，2012)。综合来看，近年来我国气象工作者对极端暴雨、极端短时强降水开展了较为深入的研究工作，尤其对北京、广州等大型城市的致灾性极端暴雨更为关注。

郑州市已发展为人口超千万、GDP过万亿的大型城市，2021 年7 月18 日08 时—22 日08 时(北京时，下同)受连续大暴雨及特大暴雨(称为“郑州‘7.20’极端暴雨天气过程”)影响，出现了严重山洪、城市内涝灾害，道路损毁、交通中断、地下空间被淹，多区域出现断电断水断网。由于降雨强度大，险情、灾情发展迅速：20日下午16时，京广快速路隧道瞬间水量上升，导致200余辆车拥堵被淹；傍晚，地铁5号线列车因雨水溢至轨道迫停，数百名乘客被困，致14 人遇难；水库、河流水位暴涨，20 日中午，郑州西南部山洪汇集流入常庄水库，造成水库水位超警戒线1.9 m、引发多处管涌，给城市安全和南水北调干渠安全造成严重威胁；下午17时，市区主要排洪河道贾鲁河多处出现溃堤险情；晚上，城市南部郭家咀水库出现漫坝、溃坝风险。截至8月1日18时，洪水导致103个水库超汛限，市政道路损毁2 730 处，干线公路损毁1 190 处，农村道路损毁6 415处，倒塌房屋5.28万间，农作物受损11.15×104hm2、绝收2.90×104hm2，受灾人口188.49万人，遇难292人、失踪47人，直接经济损失532亿元。其中，因洪水、泥石流导致189 人遇难，因房屋倒塌导致54 人遇难，因地下室、车库、地下管廊等地下空间溺亡39人(包括地铁5号线14人遇难，京广路隧道6人遇难)。

郑州市地处我国南北气候过渡带以及山地、丘陵到平原的地貌过渡地带(图1a)，复杂的天气系统及地形、城市效应均有可能对郑州降水造成明显影响。纵观此次极端暴雨天气的预报过程，精准预报预警方面仍存在较大难度，究其原因是对于极端天气过程的形成机理还存在认识不清的问题。本文利用常规气象观测、地面自动站和多普勒雷达等多种资料，针对过程的基本天气特征进行分析，旨在为此类严重致灾性极端大暴雨的机理和可预报性延伸研究提供参考依据。

图1 郑州市行政区划和站点分布图(a,▲:累积降水量最大值出现处)和郑州市2021年7月18日08时—22日08时(b)、7月19日08时—20日08时(c)、7月20日08时—21日08时(d)累计降水量图(单位:mm)Fig.1 Zhengzhou administrative division and station distribution(a,▲:The place where the maximum accumulated rainfall appears),and the accumulated precipitation in Zhengzhou in different periods(unit:mm):(b)08∶00 BT 18-08∶00 BT 22 July 2021,(c)08∶00 BT 19-08∶00 BT 20 July 2021,and(d)08:00 BT 20-08∶00 BT 21 July 2021.

1 降水特征

2021 年7 月18—22 日郑州地区出现罕见极端强降水天气。郑州地区(193 个自动站，其中包括8 个国家级气象站，见图1a)平均降水量达527.4 mm，全市有107站累计降水量超过500 mm，有53站超郑州地区年平均降水量(641 mm)。最大累计降水量出现在新密白寨，达985.2 mm，郑州国家气象站(以下简称为“郑州站”)累计降水量为817.3 mm(图1b)。全市连续4 d 出现暴雨及以上量级降水，其中19 日和20 日连续两天出现区域性大暴雨、特大暴雨(图1c、d)，8 个国家级气象站的日降水量全部突破建站以来历史极值，二七区侯寨站20日的日降水量高达663.9 mm，单日降水已超过郑州地区年平均降水总量，郑州站的单日降水量也达624.1 mm (20 日08 时—21 日08 时)、24 h 降水量最大值为645.6 mm，出现在20日04时—21日04时。

逐小时降水分析表明，18日08时—22日08时，郑州市193 个气象观测站普遍出现了短时强降水(≥20 mm·h-1)。巩义、新密、荥阳和登封北部、二七区西部的短时强降水频次均在10次以上，其中郑州西部山区新密和巩义境内的短时强降水频次最高，新密白寨站和巩义竹林站分别达到20和19次。郑州大部还出现了大于50 mm·h-1的极端小时强降水，主城区(二七区、金水区、中原区、管城区)的短时强降水强度达100 mm·h-1以上。其中，18日19时—19日20时，郑州地区小时降水强度普遍在50 mm·h-1以下；19 日20 时—20 日12时，降水加强，郑州西部的新密、登封、荥阳、巩义四市和新郑西部出现了≥50 mm·h-1的较强小时强降水，强降水峰值分别出现在20 日01 时登封的西燕村站(64 mm·h-1)和09 时荥阳石板沟站(76 mm·h-1)；20 日12—19时，强降水区东扩、主城区降水进入最强时段，15—18 时中原区、二七区、管城区、金水区(包括郑东新区)先后有12站次出现超过100 mm·h-1的极端短时强降水；20日20时—22日08时，郑州辖区内虽仍有短时强降水发生，但强度较前期明显减弱(图略)。进一步分析郑州站和新密白寨站逐小时降水分布，发现18日夜间两站就开始出现短时强降水，前者在20日16―17时小时降水极强，达到201.9 mm·h-1，但过程期间的短时强降水频次相对少(11 次)，且主要集中出现在20日14―23时；白寨站短时强降水出现频次为19次，强降水表现出阶段性特征，最强降水出现在20日14―15时，为97.9 mm·h-1，弱于郑州站(图2)。

图2 2021年7月18日20时—21日08时郑州国家站和新密白寨站逐小时降水量时序图Fig.2 The hourly rainfall at Zhengzhou national station and Baizhai station from Xinmi from 20∶00 BT 18 to 08∶00 BT 21 July 2021.

综上，此次极端暴雨过程具有持续时间长、累计降水量大、短时降水强度强、极端性突出等特征。过程中不同区县(市)的短时强降水频次分布不均，总体表现为西高东低特征。西部、西南部短时强降水出现频繁，但降水强度弱于主城区；主城区短时强降水频次低、但雨强极端。总之，郑州西部山区的高频次短时强降水和20 日下午主城区的极强短时强降水是导致郑州地区严重山洪、城区内涝灾害的主要原因。

2 天气形势和影响系统

下面依次分析对流层高层至地面各主要层次的天气形势及关键影响系统的发展演变情况。

首先，分析200 hPa的天气形势演变(图3a)。17日20时，乌拉尔山东部为低槽区，南亚高压(1 256 dagpm为其特征等高线)位于青藏高原上空，1 256 dagpm 等高线东伸至104°E 附近，我国东海上空有一中心值为1 232 dagpm 的低涡(或称“低压”)，河套附近有一低槽，黄淮地区受河套槽前高压脊控制。17 日20 时—21 日20 时，乌拉尔山东部大槽收缩东移，南亚高压17 日20 时—19 日20 时西退、19 日20 时—21 日20 时东北进，沿海低涡17—19 日缓慢西移靠近我国东部沿海、20 日20 时前后在125°E 附近减弱为低槽、21日在125°E 的辽宁上空再次发展成低涡系统，可见沿海低值系统强盛、但西进受阻，河套低槽17日20时—20日20 时加深发展、位置少动，黄淮地区持续受槽前高压脊控制。另外，18 日、19 日台风“烟花”(2106 号)和“查帕卡”(2107号)先后在台湾东部海面上和我国南部沿海形成，其中台风“烟花”与沿海低涡几乎同位相共存，导致东部沿海地区低值系统整体势力加强。从20 日08 时天气形势(图3b)可知，南亚高压东伸至100°E 附近，沿海低涡、台风“烟花”西行受阻，河套槽加深发展，控制黄淮中西部的高压脊也随之发展，脊上分流辐散增强，有利于低空辐合系统发展。综上可知，17 日20 时—21 日20 时，中纬度地区高空形势整体稳定并在20日08时“对峙”态势达到最强。21日08 时后，随着南亚高压东伸北抬，中高纬度低槽继续收缩东移，我国东北地区东部高压脊发展，沿海低涡北移到辽宁境内，河套低槽收缩东移，控制黄淮中西部的高压脊及强辐散区也随之北抬影响豫北和华北地区。

图3 2021年7月17日20时(a)、20日08时(b)200 hPa高度场和17日20时—21日20时天气系统的演变(黑实线代表高度场,单位:dagpm;棕实线代表低槽;1 256 dagpm等高线代表南亚高压;为台风;红色数字“17—21”代表日期,对应当天20时天气系统的位置,黑、红、粉、兰、绿加粗线分别指示17日20时、18日20时、19日20时、20日20时、21日20时1 256 dagpm等高线;D(G)代表低(高)压中心;黑箭矢代表低涡和台风的移动方向;●代表郑州站，下同)Fig.3 (a)Geopotential height field at 200 hPa at 20∶00 BT 17 July and the evolution of the weather system from 20∶00 BT 17 to 20∶00 BT 21 July,and(b)geopotential height field at 200 hPa at 08∶00 BT 20 July 2021(Solid black line denote potential height,unit:dagpm;Solid brown lines denote the low trough;1 256 dagpm contours denote the South Asian high;:typhoons;Number‘17-21’means the date corresponding to the location of the weather system at 20∶00 that day,black,red,pink,blue,green bold lines denote the line‘1 256 dagpm’at 20∶00 BT 17,20∶00 BT 18,20∶00 BT 19,20∶00 BT 20,20∶00 BT 21 July,respectively;D(G):low(high)pressure center;Black arrows denote the moving direction of the low vortex and typhoons;●:Zhengzhou Station.Same hereafter).

分析500 hPa 天气形势(图4a)发现，17 日20时，与200 hPa乌拉尔山东部的大槽对应，新疆西北部有一低槽，我国西部大陆高压位于青藏高原北部并东伸到西北地区东部，日本高压较强盛(达592 dagpm)，588 dagpm脊线西伸至吉林西南部(127°E)，整体来看副热带高压(以下简称为“副高”)位置偏北、势力强盛，与200 hPa海上低涡系统对应，500 hPa海上副高东南侧也存在低压系统，说明东海低涡系统深厚,强盛的副高和深厚的沿海低涡系统有利于天气形势的稳定；在此背景下，蒙古国东部到山西中部有一低槽，黄淮地区处于“两高”之间的低压区内，安徽省沿淮地区有低涡形成。分析副高演变趋势发现，17 日20 时—21 日20 时新疆低槽加深发展、东移，大陆副高西退并迅速减弱，海上副高17 日20 时—20 日20 时西伸、20 日20 时—21 日20时稳定略东退，18日20时—21日20时台风“烟花”、“查帕卡”西行，中纬度低槽收缩东移，安徽境内的低涡先西南移、后转向西北再转向偏北方向移动，21 日20 时移至陕西东北部，即受较为稳定的天气形势影响，低涡连续4 d 的活动范围均在黄淮中西部地区。值得关注的是，20 日08 时(图4b)低涡移至河南西部时，200 hPa河套槽下方，即内蒙古东部、河套地区、四川盆地分别有三个反气旋(高压)环流，与西伸的海上副高形成对峙形势，在“两高”对峙及台风西行背景下，郑州站500 hPa东南风风速增大到14 m·s-1且维持近12 h，有利于郑州地区局地辐合抬升作用的加强和持续。此外，从图4b 温度场分析来看，黄淮中西部受温度脊控制，无明显锋区和冷暖空气活动，也有利于天气形势的稳定。

图4 2021年7月17日20时(a)、20日08时(b)500 hPa高度场(黑实线,单位:dagpm)及17日20时—21日20时副高(加粗线为588 dagpm等高线,不同颜色对应不同时次,同图3)、低涡(D)、台风()演变(D(G):低(高)气压中心;L(N):低(高)温度中心)Fig.4 The geopotential height field at 500 hPa(the solid black line,unit:dagpm)at(a)20∶00 BT 17 and(b)08∶00 BT 20 July and the evolution of the subtropical high(the bold line:588 dagpm,different colors correspond to different times,same as Fig.3),the low vortex(D)and typhoons()from 20∶00 BT 17 to 20∶00 BT 21 July 2021.D(G):low(high)air pressure center and L(N):low(high)temperature center.

下面分析700 hPa 和850 hPa 黄淮地区低涡和切变线的活动情况。17 日20 时，700 hPa 低涡位于豫皖交界处，18日20时移至信阳西部，此时郑州由位于东风切变线西侧转至切变线附近，由东北风10 m·s-1转为偏东风6 m·s-1，19日20时低涡填塞、东风切变线继续西行，郑州站东风加大到8 m·s-1；20日08时豫西地区再次形成低涡，郑州站由偏东风转为东南风，风速达16 m·s-1，20日20时后，切变线顺时针旋转至东北至西南向，郑州上空转为偏南风、风速为12 m·s-1，21 日20时，西南气流发展，切变线继续旋转呈东西向，并北抬至山陕中部。由于探空站稀疏，17—21日是否为同一个低涡或者每个时次是否均有低涡(例如，19 日08时、20日20时分析不出闭合低涡系统，只能分析出切变线)对郑州强降水起作用还不能确定，但总体来看，低涡外围或切变线东侧的东风、东南风急流是郑州极端强降水的主要影响系统(图5a)。850 hPa 的影响系统与700 hPa 相似，18 日20 时—20 日20 时(图5b)，郑州受低涡或切变线东侧的偏东到东南气流影响，20日08 时东南风风速加大至14 m·s-1。值得关注的是，此时海上副高、台风“烟花”西行过程中，两个系统之间的东南气流与黄淮低涡外围或切变线东侧的东南气流叠加，形成一条源于海上的连续的东南气流水汽输送带，这条东南气流水汽输送向上伸展到700 hPa、向下延展至地表附近，深厚的东南气流不仅可以为郑州强降水提供充足的水汽，而且也可能是导致郑州东风或东南风加强、形成急流的重要原因。

图5 2021年7月17日20时—21日20时700 hPa影响系统和风场演变(a,:切变线;显著流线)、20日08时850 hPa高度场和风场演变(b,黑实线为高度场,单位:dagpm;:850 hPa流线)。粉色、黑色、蓝色分别为19日20时、20日08时、20日20时风场Fig.5 The evolution of weather system and wind field(a,:the shear line,:the significant streamline)at 700 hPa from 20∶00 BT 17 to 20∶00 BT 21 July,the geopotential height field and wind field(b,the solid black line,unit:dagpm;:the streamline at 850 hPa)at 850 hPa at 08∶00 BT 20 July 2021.Pink,black and blue represent wind field at 20∶00 BT 19,20∶00 BT 20,20∶00 BT 21,respectively.

海平面气压场分析(图6)表明，18 日20 时—21 日20时，郑州处于东北高、西南低的气压场里。18日20时—20 日08 时有东北风引导冷空气扩散南下，20 日08 时在河南的西部、北部形成降幅超过1.0 ℃的24 h显著降温区；从1 007.5 hPa 等压线的演变来看，18 日20 时—20 日08 时，沿海高压呈缓慢西进南压趋势，20 日08 时1 007.5 hPa 等压线南移至黄河以南地区。20 日08—20 时，随着黄淮中部高空偏南气流发展，河南中东部地面暖倒槽略发展，1 007.5 hPa 等压线位置稳定、略北抬。随着21 日20 时高空偏南气流进一步发展，1 007.5 hPa 等压线明显北抬至豫北地区。综合来看，18日20时冷空气南下后，19日20时—21日08时1 007.5 hPa等高线在约50 km范围内活动，地面形势相对稳定，尤其20 日08 时后冷暖空气在郑州附近交绥，为郑州20日白天的极强降水提供了触发条件。

3.2.2 耕地地力等级行政区划特征分析 将耕地地力等级分布结果与行政区划相叠加，根据耕地地力等级行政区域分布的数据库，按照权属字段进行检索得到各等级记录，统计出一至六级地在胶东半岛地区具体分布状况，见表4。

图6 2021年7月20日08时海平面气压场(黑实线,单位:hPa)和18日20时—21日20时1 007.5 hPa等压线演变(:移动方向)Fig.6 Sea level pressure field(the black solid line,unit:hPa)at 08∶00 BT 20 July and the movement of the line 1 007.5 hPa from 20∶00 BT 18 to 20∶00 BT 21 2021(:the moving direction).

综上，南亚高压与沿海深厚低涡共存、中层海上副高与河套高压(反气旋环流)对峙及地面冷暖空气交绥，导致天气形势稳定，为郑州持续性降水的发生提供了背景条件。高层河套低槽加深、黄淮中西部高压脊发展，有利于低层黄淮低涡、切变线及河套附近反气旋环流的发展和维持。郑州短时强降水开始于18日20 时前后，即切变线西移到郑州附近、地面有冷空气扩散南下之时；极强降水发生于南亚高压东伸、沿海低涡西进受阻、中层海上副高及台风西进、地面冷暖空气对峙的过程中，郑州站700 hPa和850 hPa附近强盛的东南风、东风急流为强降水的发生提供了有利的动力抬升条件，而海上副高、台风“烟花”西进过程中，其外围的东南风与黄淮地区东南气流叠加，形成深厚的水汽通道为郑州强降水提供了丰沛水汽。

3 能量和水汽条件

为深入探讨极强降水发生的可能原因，从能量和局地水汽条件方面对郑州强降水的成因进行分析。极端暴雨发生前期，副高位置整体偏北，河南处于副高南侧的高温高湿环境中。郑州探空(表1)表明，17日20时—20 日08 时，对流有效位能(CAPE)为600 J·kg-1以上，尤其18日20时降水加强前，CAPE达2 866.9 J·kg-1，K 指数普遍在35 ℃以上，19 日20 时开始K 指数≥38 ℃；从抬升指数(LI)来看，除了强降水发生时段(20日14 时和20 时)在0 ℃以上，其余大部分在-2.1 ℃以下，说明大气处于极不稳定状态。从水汽条件来看，从18日开始整层可降水量(PW)多在60 mm以上，在19日20时—21日20时更是高达67～69 mm，地面露点温度最高在25～26 ℃，满足极端短时强降水的水汽条件(田付友等，2017；郑永光等，2017)。同时，由于边界层饱和，抬升凝结高度(LCL)接近地表，自由对流高度(LFC)也较低，在极强降水发生的19日20时—20日20时，LCL、LFC高度相同且接近地面，说明云底低，蒸发小，气块温度递减率小于环境温度递减率，几乎不需要环境动力抬升就能成云致雨。另外，值得关注的就是垂直风切变对强降水的贡献，18 日20 时，0—1 km、0—3 km垂直风切变较前期明显加大，降水也随之增强，19日20时0—1 km和0—6 km的垂直风切变分别增加到13 m·s-1和11 m·s-1，20日08时三个高度的垂直风切变继续增大，分别达到15 m·s-1、15 m·s-1、16 m·s-1，对应着20 日午后郑州出现了极强短时强降水，20 日20时后垂直风切变逐渐减小，降水也趋于减弱。值得关注的还有，郑州站20日14时加密探空分析显示，0—3 km垂直风切变增强至17 m·s-1，如此强的垂直风切变极为罕见，或许对16—17时郑州站极强降水具有重要作用。对于云底高度较高的大陆性强降水云或者具有倾斜结构的对流云而言，弱垂直风切变有利于降水效率的增加(Davis，2001；孙继松，2017)，然而对于过程中水汽饱和度高、云底高度低的深厚暖云而言，强垂直风切变或许起到了动力抬升及促使强降水系统维持的作用。

表1 2021年7月17日08时—21日20时郑州探空物理量及其未来12 h降水量(R12)Table 1 Sounding physical quantities at Zhengzhou station from 08∶00 BT 17 to 20∶00 BT 21 July 2021 and the precipitation over the next 12 h.

可见，19日20时，强降水发生前期，郑州上空水汽异常充沛，对流不稳定能量也较高，为强降水的形成发展提供足够的水汽和能量条件，而发展加强的中低层垂直风切变又可为强降水的形成提供了触发和维持机制。

4 地形影响

郑州市临近区域北部有太行山、西部有秦岭余脉(伏牛山系)，地势表现为西南高、东北低、呈阶梯状下降的态势。其中，西部、西南部的中低山为嵩山、箕山，二者呈东西向近于平行地展布在西部中间地带和西南部边缘。嵩山海拔高度一般为500～1 200 m(登封、新密和巩义、荥阳的自然分界线)，最高峰海拔1 512.4 m；箕山海拔高度一般为500～800 m(郑州市西南部边界)；中低山前部为丘陵，丘陵前面为倾斜(岗)平原，冲积平原广泛分布于东部地区(图7a)。已有研究表明，太行山和伏牛山地形会给河南省及郑州市的降水带来明显影响(张宁和苏爱芳，2017；栗晗等，2019；苏爱芳等，2020)，但嵩山对于郑州降水的影响研究尚不充分。

图7 2021年7月18日08时—20日20时地形(填色,单位:m)和925 hPa风场(a)及20日15时地面形势场(b，红实线和黄虚线分别为等温线、等露点温度线,单位:℃)(图a中风羽颜色赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫分别代表18日08和20时、19日08和20时、20日08、14和20时; :图a中为切变线,图b中为地面辐合线; :显著流线)Fig.7 (a)Terrain(shaded,unit:m)and the wind field at 925 hPa,and(b)the ground field at 15∶00 BT 20(the red solid line and the yellow dashed line are the isotherm and the dew point temperature,respectively,unit:℃).The color red,orange,yellow,green,cyan-blue,blue and purple denote 08∶00 BT and 20:00 BT 18,08∶00 BT and 20∶00 BT 19,and 08∶00 BT,14∶00 BT,20∶00 BT 20 July,respectively in Fig.a. :the shear line in Fig.a and the ground convergence line in Fig.b. :the significant streamline.

分 析18 日08 时—21 日08 时925 hPa 风场演变(图7a)，发现郑州探空站各时次风均具有偏东风分量，且主要降水时段风速不小于8 m·s-1，19日20时和20日08时出现超低空东风急流，风速分别达16 m·s-1和14 m·s-1，对于东风气流而言，嵩山可形成“迎风坡”效应，尤其对于超低空东风急流，抬升作用将更加显著，且在山谷地带可能还会存在“狭管”效应，这可能是郑州西部从18 日20 时开始持续出现短时强降水的重要原因。另外，极强降水发生前的20 日14 时郑州站为偏东风8 m·s-1，20时转为东北风10 m·s-1，说明20日下午到夜里在郑州附近及其以西地区边界层有冷空气扩散，可对强降水起一定的触发作用。

详细分析郑州站极强降水(20日16—17时降水量为201.9 mm)发生前的15时地面自动站风场和温度、湿度发现，在嵩山东北部沿山地区存在辐合线，该辐合线由来自于豫南的偏南风经嵩山东侧山谷转向为西南风与嵩山东北部的偏东风汇合形成，辐合线东北侧为高温高湿区、南侧嵩山上为低温、低露点温度区，辐合线附近为等温线和等露点温度线密集区，即中尺度锋区。另外，受北方扩散南下冷空气影响，在郑州西北部和嵩山西北部分别还有两条由偏北风和偏东风交汇形成的辐合线，尤其嵩山西北部的辐合线，为南下东北风遇嵩山山谷转向为西北风后形成一条西北至东南走向的辐合线，这两条辐合线随后东南移，与嵩山东北侧的中尺度锋区对1 h后主城区的极强降水起到了重要触发作用(图7b)。可见，嵩山地形对冷空气南下路径、辐合线的走向都有一定的影响，还需要关注这两条辐合线对郑州沿山地区强降水系统的组织和维持机制。

5 强降水的雷达回波特征

利用河南省郑州、洛阳、商丘、南阳、三门峡、驻马店、信阳、平顶山、濮阳九部多普勒雷达的拼图产品(组合反射率、反射率)分析强降水对流系统的发展演变和结构特征。

图8给出河南7月18日20时—20日14时间隔6 h及郑州极强降水发生前的河南省组合反射率拼图。从中可见，由于18日20时前后，河南上空低层东风气流较弱，在大气对流不稳定能量较高的情况下，形成大范围分散性对流回波，郑州地区东部的对流系统回波强度达50 dBz以上，并在东风气流的驱动下自东向西移动、影响郑州地区。19日08—20时，随着东风气流加强，开封境内开始不断有对流系统(强度超过50 dBz)形成并向西移至郑州西部，在郑州西部停滞后减弱。19日20 时前后，随着低空东南急流的建立，急流轴附近形成东南至西北走向的带状中尺度对流系统，带状对流系统上有强降水单体形成发展、向西北方向移动，到郑州西部明显减弱后向西扩展。20日02时开始，随着豫西低涡系统的形成发展，低涡南部的偏南气流加强(南阳站850 hPa偏南风风速8 m·s-1)，在显著偏南气流附近，即南阳中部到平顶山、郑州两地区西部形成南北向带状对流系统；20日08时，东南至西北向的对流系统仍较强盛，南北向对流系统减弱；午后，即14时后，南北向对流系统再次发展加强，不断有强度≥50 dBz的强降水回波自南向北移动，在郑州上空与来自于东南方向的强降水回波合并，对流系统进一步增强并在郑州主城区停滞3 h。俞小鼎(2013)指出高降水效率降水系统的回波强度一般45～50 dBz 之间，这类系统只需持续30 min～1 h 就可导致局地暴雨甚至大暴雨，可见，对流系统不断向郑州地区积聚、合并及停滞是郑州极端暴雨的直接原因。

图8 2021年7月18日20时—20日20时河南省组合反射率(单位:dBz)拼图(a:18日20∶00,b:19日02∶00,c:19日08∶00,d:19日14∶00,e:19日20∶00,f:20日02∶00,g:20日08∶00,h:20日14∶00,i:20日16∶00, :回波移动方向)Fig.8 The radar mosaic of Henan Province from 20∶00 BT 18 July to 16∶00 BT 20 July 2021.(a:20∶00 BT 18,b:02∶00 BT 19,c:08∶00 BT 19,d:14∶00 BT 19,e:20∶00 BT 19,f:02∶00 BT 20,g:08∶00 BT 20,h:14∶00 BT 20,i:16∶00 BT 20. :the echo moving direction.

图9 给出7 月19 日20 时—21 日08 时新密白寨站和郑州站的雷达反射率(拼图数据)和小时降水演变，从图9a可见，白寨站的降水可分为两个阶段，第一阶段为19 日20 时—20 日12 时，其间该站连续受到回波强度45 dBz 以上的低质心强降水单体影响，对应出现8 次短时强降水；第二阶段为20 日13—19 时，该站持续受强降水回波影响，回波加强至55 dBz，14—15 时出现了98 mm·h-1的极端短时强降水。郑州国家站(图9b)表现出与白寨站不同的回波和降水特征，20 日14—17 时回波发展旺盛，尤其14—16时，55 dBz强回波高度超过10 km，随后迅速下降，其对流发展高度明显高于白寨站，郑州站16－17 时出现的201.9 mm·h-1极强降水与旺盛发展的对流系统关系密切。

图9 2021年7月19日20时—21日08时新密白寨站(a)和郑州站(b)组合反射率和小时降水量演变Fig.9 The evolution of combined reflectivity and hourly precipitation of(a)Baizhai station from Xinmi and(b)Zhengzhou national station from 20∶00 BT 19 to 08∶00 BT 21 July 2021.

6 结论与讨论

本文基于基本观测资料分析，总结郑州“7.20”极端强降雨的基本成因，得出的主要结论如下：

(1)大气环流形势稳定，动力触发强。高层南亚高压和沿海深厚低涡共存、中层西太平洋副高与大陆高压对峙、地面冷暖空气交绥，导致对流层中低层的低涡、切变线在黄淮地区盘旋、移动缓慢，为极端暴雨形成提供了较为稳定的背景条件，低层强盛的东南、东风急流及地面辐合线、中尺度锋及近地层扩散南下冷空气等为强降水提供了动力触发作用。

(2) 水汽充沛、能量高。西太平洋副高西进过程中，其南侧的东南气流、西行台风“烟花”北侧的东南气流和黄淮东风切变线东侧的东南气流叠加，形成连贯的水汽通道，有利于大量水汽输送到内陆地区，为郑州强降水提供足够的水汽；而7 月中旬河南处于副高边缘，对流不稳定能量高，抬升凝结高度、自由对流高度低，有利于极高降水效率的出现。

(3)地形作用明显。郑州处于黄淮低涡外围、切变线东侧偏东风、东南气流里，边界层东风在西进过程中受嵩山地形阻挡作用，地形抬升有利于降水加强；同时，嵩山地形对其北侧的地面风场、湿度和温度场都有影响，有利于中尺度辐合线和锋区的形成，这些中尺度系统也可起到抬升触发和组织对流的作用。

(4)对流系统在郑州聚集、合并、停滞利于降水增强及强降水的维持。在稳定天气形势下，随着东风/东南风急流的发展，急流附近形成强降水对流系统；对流系统上的强降水回波不断向郑州方向移动，并在此聚集、停滞、合并，导致郑州强降水维持时间长，且对流系统的合并、停滞导致短历时降水强度达到极端。

在实际预报业务过程中，预报员已经关注到天气形势的稳定和低涡、切变线的发展演变，但对降水的强度估计不足、对强降水落区的位置预报有偏差，究其原因是对此类极端暴雨的形成机制还存在认识不清的问题。本文仅基于基本的气象观测资料，从天气学角度对极端暴雨过程进行了初步分析和成因解释，实际仍有诸多问题值得深入开展研究，如：导致天气形势如此稳定的气候背景和机制是什么？导致极强短时强降水的中小尺度对流系统的触发、组织机制及云微物理机制是什么？嵩山地形在组织、触发对流及降水增幅等方面的具体作用如何？不同天气尺度系统是如何相互作用的，环境物理量场的异常性达到什么程度，台风“查帕卡”外围风场是否对郑州东南急流的加强起间接作用，以及“查帕卡”和“烟花”两个台风对于大尺度天气形势的稳定、黄淮低涡西移及暴雨区的水汽供给究竟如何起作用？都值得深入研究。综合应用多源资料，采用数值模拟、诊断分析等多种手段，针对上述问题开展深入研究，尤其给出客观定量的研究结果，必会对此类极端天气事件的预报预警及防灾减灾应对提供更加有力的技术支持。