2021 年河南“7.20”极端暴雨动、热力和水汽特征观测分析

冉令坤 李舒文 周玉淑 杨帅 马淑萍 周括 申冬冬 焦宝峰 李娜

1 中国科学院大气物理研究所，北京 100029

2 中国科学院大学，北京 100049

1 引言

河南地处我国中部，是我国暴雨灾害较为严重的地区。河南省地势西高东低，北、西、南三面被太行山、伏牛山、桐柏山和大别山环绕，西南部为南阳盆地，由于地形抬升作用，河南暴雨多分布在太行山迎风坡和山区，具有强度大、持续时间长、突发性显著等特点，经常引发洪涝、泥石流和滑坡等地质灾害，严重威胁人民生命财产安全。1975年8 月河南南部及淮河上游发生罕见特大暴雨（“75·8”暴雨），最大过程雨量达到1631 mm，造成水库大坝垮塌，数十万人员伤亡（陶诗言,1980）；2007 年三门峡市“7·29”大暴雨引发洪涝和山体滑坡，造成89 人死亡和失踪，转移安置5.7 万人，造成经济损失14.1 亿元（任轶, 2013）;2016 年7 月9 日河南北部新乡地区发生特大暴雨，暴雨中心7 h 累计雨量达到420.1 mm，共造成32.90 万人受灾，直接经济损失2.30 亿元（徐姝等,2019; 刘冠华和常俊超, 2020）。有研究表明（张远, 2014），河南暴雨日和大暴雨日数均呈弱增加的趋势。

很多学者对导致河南暴雨的多种天气尺度系统相互作用、中尺度系统活动以及地形效应开展深入研究。河南暴雨主要受到江淮气旋、江淮倒槽、中低层低槽、锋面、低涡和切变线等多尺度天气系统的影响（梁钰等, 2020）。丁一汇等（1978）研究指出天气尺度系统为“75·8”暴雨提供有利条件，中尺度系统和地形对触发暴雨起着重要作用；暴雨反过来又影响天气尺度温压场和风场分布, 改变后的气象要素场使暴雨发展更强烈。苏爱芳等（2016）指出低涡切变线、西南急流和南下弱冷空气的共同作用是产生2010 年“8·13”黄淮北部暴雨的主要原因。胡燕平等（2009）分析认为，2008 年7 月22 日河南黄淮地区暴雨是高低空急流耦合区内西南涡沿切变线移出，弱冷空气侵入暖倒槽触发不稳定能量释放造成的。李博等（2009）分析了2007年6 月19～20 日入梅期首场强降雨，指出该降雨首先产生在湖北、河南南部地区，随后迅速北跳至山东南部，500 hPa 横槽对首场强降水的维持起重要作用，低层涡旋系统沿着锋生带在槽前气流引导下向东北方向移动，致使雨带北跳。李宏宇等（2006）分析2002 年4 月4～5 日河南省冷锋降水过程，指出云系存在明显的“播种供给”云降水机制，锋区附近拟降水效率达40%～60%，在积层混合区拟降水效率可高达70%以上。

中尺度系统是造成暴雨的直接影响系统，人们对中尺度系统结构、发生发展动力学问题开展深入研究和探索（矫梅燕等, 2006）。栗晗等（2018）对2016 年“7·19”暴雨过程进行了分析，结果表明，中尺度辐合线发展维持、多个地面中尺度气旋移动造成的列车效应是导致局地特大暴雨的主要原因。牛淑贞等（2001）分析指出2000 年7 月5～6日郑州特大暴雨具有典型的中尺度扰动及强对流特征。覃丹宇（2010）对中尺度云团形态进行分析，利用改进Shuman-Shapiro 滤波方法有效地分离出中尺度扰动，结果表明，近圆形中尺度云团主要由低层中尺度气旋组织形成，而宽带状云团主要由低层中尺度切变线组织产生。孙建华等（2004）对2002 年中国暴雨试验期间南阳盆地一次中尺度对流系统进行分析和模拟，结果表明，由于对流层中层正涡度中心的强迫和潜热释放产生了气旋，低层的暖平流可能是低涡东移发展的原因之一。

河南省西高东低的地形地貌对暴雨触发和增幅发挥重要作用。蔡则怡和宇如聪（1997）利用ETA 坐标有限区域数值模式对1975 年8 月河南特大暴雨进行数值敏感性试验，结果表明，暴雨强度对山脉相对高度、陡峭程度和山脉相对位置等非常敏感，地形稍有改变，暴雨强度将减少3/4 以上。马月枝等（2017）对2016 年7 月9 日新乡暖区特大暴雨成因进行综合分析，结果表明，太行山地形抬升、中低层低涡和切变线使新乡上空出现深厚垂直上升运动是暴雨形成的动力机制。研究指出，业务数值模式对“7·21”极端暴雨预报失败的主要原因可能是预报的低涡和地面倒槽强度和位置有较大误差（孟智勇等, 2019）。

2021 年7 月17～22 日河南遭遇极端暴雨。7月20 日00 时至21 日00 时（协调世界时，下同），郑州市内24 小时降雨量达到624.1 mm，超过2019 年全年降水量（509.5 mm）。郑州、新乡、开封、周口、洛阳等10 个国家级气象观测站日雨量突破有气象记录以来历史极值。由于暴雨突发性、极端性和不确定性，再加上业务数值模式对极端降水的模拟预报能力有限，增加了预报难度（王宁等, 2014; 庄潇然等, 2017; 孟智勇等, 2019）。此次暴雨发生在多尺度系统相互作用背景下，受台风、副热带高压（副高）和西北槽共同影响，高、低空急流耦合，中尺度涡旋长期稳定徘徊，在郑州等地引发持续强降水，具有一定的典型性和代表性，值得进行分析总结。为此本文利用多源数据，从降水特点、环境条件和中尺度系统演变等方面对此次河南极端暴雨进行综合分析，以期厘清动、热力学特点，归纳科学问题，促进对此次极端降水事件的认识理解，为未来此类极端天气的分析和预报提供参考。

2 资料说明与降水实况

2.1 资料说明

本文采用的资料包括中国气象局MICAPS 系统自动站降水观测数据、FY-4A 卫星云顶亮温（TBB）资料和欧洲中期天气预报中心ERA5 数据，其中MICAPS 自动站降水数据覆盖全国范围，时间间隔1 小时。TBB 亮温数据是FY-4A 卫星成像仪全圆盘4KML1 数据，由第12 通道扫描成像辐射计0 级源包数据经过质量检验、地理定位、辐射定标处理后得到的产品数据，水平分辨率为4 km。ERA5 数据是欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析数据，起始时间为 1979 年，并持续更新至实时5 天以内，水平分辨率为0.25°、垂直方向37 层，逐小时间隔（https://confluence.ecmwf.int/display/CKB/ERA5%3A+data+documentation [2020-07-15]）（刘鸿波等, 2021）。

2.2 降水实况

2021 年7 月17～22 日河南中北部出现暴雨、大暴雨和局地特大暴雨，郑州、鹤壁和新乡等地局地累计降雨量超过900 mm，强降水中心位于郑州，最强降水时段出现在20 日。此次过程最早发生在2021 年7 月17 日00 时河南东北部，随后加强西移。如图1 所示，19 日强降水中心移至郑州附近，呈现中尺度雨团状，不断增强，长时间滞留，20日产生创纪录日降水量；21 日降水中心位于河南东北部，降水落区成南北向带状，向河北西部伸展；22 日河南降水逐渐减弱，20 时降水结束。

图1 2021 年7 月（a）18 日，（b）19 日，（c）20 日和（d）21 日24 小时累计降水量分布（单位：mm），棕色线为省界，黑点代表郑州位置Fig. 1 Distribution of 24-hour cumulative precipitation on (a) July 18, (b) July 19, (c) July 20 and (d) July 21, 2021 (units: mm). The brown line represents the provincial boundary, and the black dot represents the location of Zhengzhou

此次过程属极端降水事件，具有持续时间长、小时雨强和累计雨量大、范围广、时段集中和极端性突出等特征。河南省境内1923 个观测站降水量大于100 mm，606 个测站大于250 mm；郑州、嵩山、偃师、新密、伊川和登封等10 个站点突破建站以来日降水量历史极值。20 日00 时至21 日00时最大降水量出现在郑州市尖岗，达到696.9 mm，超过郑州全年平均降水总量；最大小时雨强出现在郑州本站201.9 mm（20 日08～09 时)，突破了中国大陆有气象记录以来小时雨强极值。20 日22 时至21 日22 时安阳、鹤壁、新乡和焦作等地出现局地特大暴雨，其中鹤壁市淇滨区科创中心最大降水量为675.5 mm，新乡市牧野区最大小时雨强达到149.9 mm。

3 天气形势分析

此次极端暴雨发生在特殊天气形势下，由多尺度天气系统共同作用造成。西太平洋副高和大陆高压稳定维持在日本海和我国西北地区，受其阻挡，低压系统在黄淮和华北地区徘徊。深厚的东南风低空急流和稳定的低涡切变线在太行山区和嵩山等地形强迫作用下引起辐合抬升，降水系统稳定少动，在河南中北部造成长时间降水。

3.1 大尺度环流

在200 hPa 等压面上（图2a），19 日12 时我国中部逐步建立“两槽一脊”流型，20 日00 时高压脊顶部位于河北与河南交界处，东西两侧为南北向低槽，西低槽大约位于105°E，东低槽大约位于125°E；受高压脊影响，河南地区存在西南风向西北风转换的反气旋环流，位于高空急流区的南侧，气流辐散非常显著。

在500 hPa 等压面上（图2b），20 日00 时短波槽影响我国西部地区。副高南部的台风“烟花”大约位于（23°N，132°E）。台风“查帕卡”在广东阳江登陆，黄淮气旋位于陕西中部，河南位于黄淮气旋的东部。副高和台风“烟花”之间的东南气流向河南地区输送水汽，与西南气流汇聚在河南郑州，为暴雨提供动力和水汽辐合条件。

在700 hPa 等压面上（图2c），20 日00 时黄淮气旋位于（33°N～36°N，112°E～115°E），郑州位于其东北侧，西南气流（来自“查帕卡”）和东南气流（来自副高西侧）辐合明显，郑州附近东南风速最大为12 m s-1。

受副高和台风“烟花”影响，20 日00 时 925 hPa等压面上从东海至河南郑州存在强劲的东南气流（图2d），把洋面水汽输送到郑州；同时“查帕卡”偏南气流穿越水汽高值区，也向郑州输送部分水汽，这两股输送水汽的气流受太行山阻挡，在山前迎风坡（郑州西部）堆积辐合抬升，促进降水系统发生发展。

图2 2021 年7 月20 日00 时（协调世界时，下同）（a）200 hPa 位势高度（等值线，单位：m）和风速（填色，单位：m s-1）以及风矢量（风羽，单位：m s-1），（b）500 hPa 位势高度（等值线；单位：m）和风速（填色，单位：m s-1），（c）700 hPa 位势高度（等值线，单位：m）和风速（填色，单位：m s-1）以及风矢量（风羽，单位：m s-1）和（d）925 hPa 位势高度（等值线，单位：m）和水汽比湿（填色，单位：g kg-1）以及风矢量（风羽，单位：m s-1）。红点代表郑州位置Fig. 2 (a) 200 hPa geopotential height (isoline, units: m), wind speed (shaded, units: m s-1) and wind vector (wind barb, units: m s-1), (b) 500 hPa geopotential height (isoline, units: m) and wind speed (shaded, units: m s-1), (c) 700 hPa geopotential height (isoline, units: m) and wind speed (shaded,units: m s-1) and wind vector (wind barb, units: m s-1) and (d) 925 hPa geopotential height (isoline, units: m) and water vapor specific humidity(shaded, units: g kg-1) and wind vector (wind barb, units: m s-1) at 0000 UTC 20 July 2021. The red dot represents the location of Zhengzhou

综上所述，此次暴雨大尺度环流特点显著，高空两槽一脊流型创造高层强烈辐散的动力条件；中层短波槽、西部大陆高压、东部副高和台风“烟花”、南部台风“查帕卡”是主要的天气尺度影响系统，最重要的是缓慢北移的黄淮气旋，它是此次暴雨的直接参与者。低层西南气流与副高和台风“烟花”之间的东南气流长时间控制河南地区，供应充沛水汽。这种高、低空系统配置提供有利的动、热力和水汽条件，促使河南暴雨长时间维持，产生极端降水量。

3.2 水汽条件

利用ERA5 再分析数据计算了整层大气可降水量（简称：PW），如图3 所示，可降水量高值区呈南北向带状，从广东和广西向北伸展，经过湖南、江西和湖北，伸展到河南北部，高值中心位于台风“帕查卡”和河南中部，台风倒槽和黄淮气旋的西南气流穿过这条高湿带向河南输送水汽。另一条相对较弱的可降水量高值区从东海经浙江、江苏和安徽，伸展到河南，副高和台风“烟花”引导东南气流穿越该湿区，向河南输送水汽。这两条水汽输送带汇合在河南北部，在郑州附近形成水汽通量辐合中心，为暴雨供应水汽。

图3 2021 年7 月20 日（a）00 时和（b）12 时大气可降水量（填色，单位：mm）与850 hPa 风矢量（箭头，单位：m s-1），（c）00 时和（d）12 时1000～500 hPa 水汽通量的垂直积分（箭头，单位：10 kg m-1 s-1）及其散度的垂直积分（填色，单位：10-4 kg m-2 s-1）的水平分布。红点代表郑州位置Fig. 3 Atmospheric precipitable water (shaded, units: mm) and 850 hPa wind vector (arrow, units: m s-1) at (a) 0000 UTC and (b) 1200 UTC 20 July 2021. 1000-500 hPa vertical integral of water vapor flux (arrow, units: 10 kg m-1 s-1) and its divergence (shaded, unit: 10-4 kg m-2 s-1) at (c) 0000 UTC and (d) 1200 UTC 20 July 2021. The red dot represents the location of Zhengzhou

在垂直剖面内（图4），20 日00 时在郑州西侧迎风坡从近地面到500 hPa 都为水汽通量辐合区，强辐合中心位于950 hPa 附近，主要由边界层东风急流输送引起。郑州近地面东风分量比南风分量更强劲，受西侧地形阻挡，边界层水汽通量辐合抬升，形成水汽通量辐合强中心。由于水汽湿层深厚，水汽辐合层从近地面伸展到550 hPa，为降水持续发展源源不断供应水汽。从流场结构来看，郑州东侧低层为东风入流，沿郑州西侧山地迎风坡爬升，在650 hPa 以下从后部流出，低层垂直运动主要由地形强迫抬升产生；在中高层，垂直运动发展旺盛，一支上升气流在300 hPa 向后流出，另一支气流在400～200 hPa 向前流出。这种流场结构与典型强对流的流场结构类似。

图4 2021 年7 月20 日（a）00 时和（b）08 时沿34.43°N 水汽通量散度（填色，单位：10-7 g cm-2 hPa-1 s-1）和风矢量（箭头，m s-1）的纬向—垂直分布，其中红三角代表郑州位置Fig. 4 Zonal-vertical distribution of moisture flux divergence (shaded, units: 10-7 g cm-2 hPa-1 s-1) and wind vector (arrow, units: m s-1) along 34.43°N at (a) 0000 UTC and (b) 0800 UTC on July 20, 2021, where the red triangle represents the location of Zhengzhou

一般情况下，环境相对湿度越高、雨滴蒸发率越小，降水效率越高。20 日08 时强降水开始前（图5a），郑州整层相对湿度已经饱和，并且部分时段达到过饱和（相对湿度大于100%），在较低温度下，更容易凝结，暖云发展更旺盛。20 日08～09 时随着强降水的发生，大量水汽被消耗，低层和高层的相对湿度迅速降低，降到90%以下，但在边界层急流持续输送下，水汽得到快速补充，20 日 10 时相对湿度很快达到并超过饱和。如图5b所示，20 日08 时郑州上空暖云（雨水+云水）层非常厚，从近地面垂直伸展到400 hPa。研究表明，暖云层越厚，越有利于高降水效率的产生。

极端暴雨通常具有较高的降水效率。本文采用水汽保留率和水汽消耗率来分析水汽转化效率，这两个量与降水效率有一定的关联。水汽保留率可表示为当前时刻的可降水量和前一时刻的可降水量与水汽通量散度时间积分之差的比值，即，

如图5c 和5d 所示，18 日01 时至19 日06 时，郑州保持较高的水汽保留率和较低水汽消耗率。在19 日06 时至21 日08 时强降水时段，水汽保留率明显下降，水汽消耗率上升到较高水平，平均接近8%，个别时刻达到20%；21 日08 时至22 日00 时随着降水减弱结束，水汽消耗率也逐渐降到较低水平。水汽消耗率与降水效率有一定关系。水汽消耗主要来自水汽凝结和凝华；如果降水效率高，那么云水转化和雪融化引起的雨水生成量会增大，需要水汽凝结补充云水，消耗大量的水汽，导致较高的水汽消耗率。

图5 2021 年7 月19 日00 时至21 日00 时郑州（34.43°N，113.39°E）（a）相对湿度、（b）液态水混合比含量（单位：10-4 kg kg-1）的高度—时间演变和2021 年7 月18 日01 时至22 日00 时（c）水汽保留率、（d）水汽消耗率的时间演变Fig. 5 Height-time evolution of (a) relative humidity, (b) mixing ratio content of liquid water (units: 10-4 kg kg-1) in Zhengzhou (34.43°N, 113.39°E)from 0000 UTC 19 July to 0000 UTC 21 July 2021, and time evolution of (c) water vapor reserved rate, (d) water vapor consumption rate from 0100 UTC 18 July to 0000 UTC 22 July 2021

上述分析表明，西南气流和东南气流输送水汽到河南，在地形阻挡作用下辐合抬升。郑州低层具有大范围深厚湿层，可降水量异常偏高，其变化与降水演变有一定关联。流场具有低层东风流入爬坡、高层后部流出和前部流出的典型强对流结构特征。另外，大范围高湿环境、深厚暖云层、水汽过饱和以及较高的水汽消耗率是郑州高降水效率的有利条件。

3.3 不稳定条件分析

杨博雷等（2016）研究结果表明，“7·21”暴雨前期对流层中高层高湿位涡的冷空气扩散南下，冷空气到达华北地区上空时，在有利等熵面的引导下从稳定层结向不稳定层结快速下滑，产生了剧烈的正涡度个别变化，使得低涡得到发展加强。此次暴雨也存在干冷空气侵入，影响低层大气的稳定性。在等压坐标系中位涡可写为

其中，u和v为纬向和经向风速分量， θ为位温，f0为科氏力参数。在位涡垂直剖面内（图6a），20日00 时郑州附近位涡从100 hPa 高层位涡源区下传到低层，代表干冷空气侵入，有利于形成上干冷下暖湿的不稳定层结；同时也有利于把高层涡度传到低层，加强低层涡旋的发展。从相当位温垂直分布来看（图6b），郑州上空是弱层结不稳定，其南侧低层大气是强层结不稳定。郑州925～500 hPa 相当位温等值线几乎垂直伸展，表明大气是近乎中性或者弱不稳定层结。由于饱和湿绝热过程中气块沿着等相当位温线运动，因此中性层结非常有利于垂直运动发展（许焕斌和丁正平, 1997; 李俊等, 2012）。

图6 2021 年7 月20 日00 时沿113.39°E（a）位涡（单位：PUV）和（b）相当位温（等值线，单位：K）、层结稳定度∂θse/∂p（填色，单位：10-4 K Pa-1）的经向—垂直分布。红三角形代表郑州位置Fig. 6 Meridional-vertical distribution of (a) potential vorticity (units: PUV), (b) equivalent potential temperature (isoline; units: K) and stratification stability ∂θse/∂p (shaded, units: 10-4 K Pa-1) along 113.39°E at 0000 UTC 20 July 2021. The red triangle represents the location of Zhengzhou

在时间演变上（图7），郑州850 hPa 和600 hPa高度保持弱层结不稳定，边界层内稳定与强层结不稳定交替出现。7 月18 日00 时至22 日00 时郑州经历四次强层结不稳定与低层弱层结不稳定的转化。在强降水发生前期，19 日06 时大气不稳定度明显增强；随着强降水发展，19 日16 时不稳定能量逐渐被消耗，大气趋于弱不稳定；当弱不稳定度减小到一定程度，降水减弱；20 日10 时不稳定度又开始增强，为后续强降水积蓄能量。

层结不稳定变化可以用层结稳定度倾向方程来解释（刘璐等, 2015）。该方程可以写为

在方程（4）中，作为层结稳定度个别变化的强迫项，位势散度包括垂直切变项和散度项（周围等,2018）。刘璐等（2015）研究表明临近暴雨发生时刻及暴雨初期，大气低层主要以对流不稳定为主。计算结果表明（图7），位势散度在低层存在五个负高值区，与层结稳定度减弱时段相对应，主要作用是增强层结稳定度；其中散度项的贡献是削弱不稳定层结，促进稳定度增强，这是因为地形阻挡抬升使得近地面始终存在气流辐合((∂u/∂x+∂v/∂y)＜0)，同时低层大气又是层结不稳定的（∂θse/∂p＞0），因此散度项(∂u/∂x+∂v/∂y)∂θse/∂p＜0，促使稳定度增强。垂直切变项[－(∂u/∂p)(∂θse/∂x)－(∂v/∂p)(∂θse/∂y)]的高值区在低层，正负相间，由水平风垂直切变和大气的斜压性共同作用造成。除此之外，层结稳定度的水平平流项[－u(∂2θse/∂x∂p)－v(∂2θse/∂y∂p)]在低层900 hPa 以下促使稳定度增强，在900～850 hPa 高度附近增强层结不稳定，而垂直平流项[－ω(∂2θse/∂2p)]则几乎与水平平流项反位相相关，二者在对流层中低层大部分相互抵消。

图7 2021 年7 月18 日00 时至22 日00 时郑州（34.43°N，113.39°E）（a）相当位温（等值线，单位：K）以及层结稳定度（填色，单位：10-4 K Pa-1)、（b）层结稳定度局地变化（单位：10-8 K s-1 Pa-1）、（c）水平平流项（单位：10-8 K s-1 Pa-1）、（d）垂直平流项（单位：10-8 K s-1 Pa-1）、（e）垂直风切变强迫项（单位：10-8 K s-1 Pa-1）和（f）散度强迫项（单位：10-8 K s-1 Pa-1）的高度—时间演变Fig. 7 Height-time evolution from 0000 UTC 18 July to 0000 UTC 22 July 2021, over Zhengzhou (34.43°N, 113.39°E): (a) Equivalent potential temperature (isoline, units: K) and stratification stability (shaded, units: 10-4 K Pa-1); (b) local changes of stratification stability (units: 10-8 K s-1 Pa-1);(c) horizontal advection term (units: 10-8 K s-1 Pa-1); (d) vertical advection term (units: 10-8 K s-1 Pa-1); (e) vertical wind shear forcing term (units:10-8 K s-1 Pa-1); (f) divergence forcing term (units: 10-8 K s-1 Pa-1)

3.4 动力抬升条件

20 日00 时至21 日00 时郑州上空950～350 hPa为气旋环流（图8），近地面900 hPa 以下气流持续辐合。20 日00 时垂直运动加强，从地面到200 hPa均为上升运动区，强上升中心位于550 hPa；20 日08 时由于降水粒子下沉拖曳作用，郑州上空800 hPa以上垂直运动以下沉为主，伴有辐散，10 时转为上升运动。

图8 2021 年7 月19 日00 时至21 日00 时郑州（34.43°N，113.39°E）（a）涡度（单位：单位：10-4 s-1），（b）散度（单位：10-4 s-1）和（c）垂直速度（单位：Pa s-1）的高度—时间演变Fig. 8 Height-time evolution of (a) vorticity (units: 10-4 s-1), (b) divergence (units: 10-4 s-1), and (c) vertical velocity (units: Pa s-1) in Zhengzhou(34.43°N, 113.39°E) from 0000 UTC 19 July to 0000 UTC 21 July 2021

如图9 所示，20 日08 时500 hPa 在黄淮气旋内部存在多个中尺度涡旋（图9a），其中郑州西侧的中尺度涡旋较强。700～850 hPa 湖北至河南中北部存在东北—西南向的切变线，其北端有中尺度涡旋生成发展，该涡旋非常深厚，从950 hPa 垂直伸展到350 hPa，并且高值区位于800～540 hPa。在整个强降水时段，切变线和中尺度涡旋在郑州地区稳定少动，其西南气流与副高西侧的东南气流形成辐合区。925 hPa 郑州地区北侧为气旋性环流，风速约为12～16 m s-1，达到边界层急流标准。同时，东北—西南向的太行山与东西向的嵩山形成喇叭口地形（图9d），气旋性急流灌入喇叭口地形，遇到地形阻挡，在郑州西侧山前形成风速辐合（图9f）；辐合层深厚，从950 hPa 伸展到500 hPa，辐合中心位于迎风坡950 hPa，辐散中心位于350 hPa。这种深厚的中尺度涡旋和辐合层稳定存在，有利于垂直运动维持，促使暴雨长时间发展。

图9 2021 年7 月20 日00 时（a）200 hPa、（b）500 hPa、（c）700 hPa、（d）925 hPa 风羽和涡度（填色，单位：10-4 s-1）水平分布以及（e）沿34.43°N 涡度（单位：10-4 s-1）和（f）散度（单位：10-4 s-1）的纬向—垂直分布。箭头代表风矢量（单位：m s-1) ，红点和红三角代表郑州位置，蓝色实线代表地形高度（单位：m）Fig. 9 Horizontal distribution of wind barbs and vorticity (shaded, units: 10-4 s-1) at 0000 UTC July 20 2021: (a) 200 hPa; (b) 500 hPa; (c) 700 hPa;(d) 925 hPa. Zonal-vertical distribution along 34.43°N: (e) vorticity (units: 10-4 s-1); (f) divergence (units: 10-4 s-1). The arrow represents the wind vector (units: m s-1), the red dot and triangle represent the location of Zhengzhou, blue lines indicate the terrain height (units: m)

K=(u2+v2)/2

水平动能 [] 分析表明（图10a），20 日00 时郑州上空动能高值区垂直伸展，高、低空动能中心分别位于875 hPa 和175 hPa，分别对应着低空急流和高空急流，二者耦合产生低层辐合和高层辐散的动力抽吸效应，加强上升运动。利用动能倾向方程可分析低空急流的产生机制，在等压坐标系中，水平动能方程可写为

图10 2021 年7 月20 日00 时沿34.43°N（a）K（等值线，单位：m2 s2）和 ∂K / ∂t（填色，单位：10-3 m2 s）、（b）－u·∂φ/∂x（单位：10-3 m2 s）、（c）－v·∂φ/∂y（单位：m2 s）的纬向—垂直分布以及925 hPa（d） φ（单位：m2 s-2）、（e） u（单位：m s-1）和（f）∂φ/∂x（单位：m s-2）的水平分布（填色）。蓝色线为地形高度（单位：m）等值线，红点和红三角代表郑州位置Fig. 10 Latitude-vertical distribution of (a) K (isoline, units: m2 s2) and ∂K/∂t (shaded, units: 10-3 m2 s), (b)－u·∂φ/∂x (units: 10-3 m2 s),(c)－v·∂φ/∂y (units: 10-3 m2 s) along 34.43°N and horizontal distribution (shaded) of (d) φ(units: m2 s-2), (e) u (units: m s-1), and (f) ∂φ/∂x (unit:m s-2) 925 hPa at 0000 UTC 20 July 2021. Blue lines indicate the terrain height (units: m), and the red dot and triangle represent the location of Zhengzhou

郑州西部为属于伏牛山系的嵩山（海拔350～1512 米），与河南西北部太行山余脉（海拔高度1000～1600 m）构成喇叭口地形。如图11 所示，20 日00 时近地面东北气流和偏东气流灌入喇叭口地形，在中尺度涡旋（中心位于34.75°N）引导下，气流在嵩山北侧和东侧爬坡，地形阻挡强迫产生辐合上升运动。20 日09 时中尺度涡旋北移至35°N，引导偏东气流灌入喇叭口，在底部爬升，强劲东风从嵩山的东侧和北侧爬坡，风速达到8～12 m s-1，使得山前大量水汽和动能堆积，激发和加强对流发展，促使降水明显增幅。

图11 2021 年7 月20 日（a）00 时和（b）09 时地形追随坐标系模式面第一层的风矢量（单位：m s-1）。填色代表地形高度（单位：km），红点代表郑州位置Fig. 11 Wind vector (units: m s-1) of the first layer on the model plane of the terrain-following coordinates at (a) 0000 UTC and (b) 0900 UTC 20 July 2021. The shaded represents the terrain height (units: km), and the red dot represents the location of Zhengzhou

综上所述，降水开始前及其期间，高、低空急流耦合加强抽吸效应，中低层切变线和黄淮气旋内部中尺度涡旋发展，偏东风低空急流遭遇地形阻挡产生强烈持续的辐合，这些动力条件促使河南郑州上空长时间存在大范围深厚上升运动，地形抬升作用在郑州暴雨中发挥重要作用。

4 中尺度对流系统的演变特征

此次暴雨有明显的中尺度对流系统活动，为了揭示中尺度系统特征，利用FY-4A 卫星红外云图和广义湿位涡对中尺度对流系统的发展演变进行分析。

4.1 云团特征

在卫星云图上中尺度对流系统定义为水平尺度在20～200 km 之间、生命史3 h 或以上、云顶亮温（TBB）小于或等于-32°C 的云团（赵思雄等,2007）。FY-4A 卫星TBB 分析表明（图12），河南省中部和东北部始终存在中尺度对流系统，并经历三次发展过程，7 月19 日00～20 时、19 日21时至20 日16 时和20 日17 时至21 日12 时。20日00 时西南气流和东南气流汇聚在河南中部和东北部，形成强大的结构密实的中尺度云团，呈现独立团状，TBB 中心值降至-56°C，稳定少动，降水开始明显增大。20 日09 时湖北和安徽有小云团生成，在西南气流引导下，向东北方向移动，不断地汇入河南中尺度云团，使其不断加强，中心TBB降到-60°C，长时间停滞在河南中北部，造成20日08～09 时郑州1 h 降水量达到201.9 mm。16 时云团缓慢南移，同时有较强的小云团从西部移入合并，中心TBB 进一步下降到-64°C。21 日00 时云团恢复到孤立结构密实阶段，中心移到河南东南部，郑州脱离其影响。中尺度云团的三次发展过程类似，都是在经历长达十几小时缓慢发展，合并西南方向移入的小尺度云团后，形成尺度较大的孤立、结构密实的中尺度云团。此次暴雨是中尺度云团三次迭代发展的结果，云团合并有利于降水增幅，20 日08～09 时郑州强降水主要发生在中尺度和小尺度云团合并期间。

图12 2021 年7 月20 日（a）00 时、（b）09 时、（c）16 时和（d）7 月21 日00 时 FY-4A 云顶亮温（小于-32 °C，单位：°C）分布。红点代表郑州位置Fig. 12 Distribution of FY-4A cloud-top brightness temperature (less than -32°C, units: °C) at (a) 0000 UTC, (b) 0900 UTC, and (c) 0000 UTC 20 July 2021 and at (d) 0000 UTC on 21 July 2021. The red dot represents the location of Zhengzhou

这些中尺度系统在动、热力学上如何表达刻画呢？广义湿位涡是利用广义位温定义的位涡，可以综合描述中尺度系统的动、热力学特点，其表达式为

其中，φ(T)为冻结概率函数，qv为水汽比湿，qs为饱和水汽比湿，k=9为经验指数（Wang and Huang, 2018）。计算结果表明（图13），20 日00 时郑州附近为广义位温高值区，说明存在较强的潜热释放，与降水区相对应。在垂直结构上，郑州上空广义位温高值柱显著，从300 hPa 垂直下探到近地面，由于包含凝结和冻结过程的潜热释放，因此广义位温能够更好地表征降水系统高湿和高温的热力状况，与降水落区和移动关系密切。

图13 2021 年7 月20 日00 时（a）925 hPa 广义位温（单位：K）水平分布和（b）沿113.39°E 广义位温的经向—垂直分布。红点和红三角代表郑州的位置Fig. 13 Generalized potential temperature (units: K) at 0000 UTC 20 July 2021: (a) Horizontal distribution at 925 hPa; (b) meridional-vertical distribution along 113.39°E. The red dot and triangle represent the location of Zhengzhou

如图14a 和14b 所示，20 日00 时和09 时广义湿位涡在降水区上空表现为异常高值区，从100 hPa 位涡源区向下延伸到近地面层，在925 hPa形成广义湿位涡异常中心，主要与边界层急流垂直风切变、中尺度涡旋和湿斜压性等密切相关。高层位涡源与低层广义湿位涡异常的性质不同。由于高层水汽含量很小，广义位温退化为位温，因此100 hPa以上的位涡源主要是位温垂直梯度和反气旋环流的耦合作用造成的。在位涡下传过程中性质发生改变，由于降水区上空水汽相变释放潜热，广义位温变为相当位温，等值线密集，造成降水区低层广义湿位涡异常。如图14c-f 所示，广义湿位涡的异常区覆盖观测降水落区，二者对应关系良好，表明广义湿位涡对降水区有一定的指示意义，可以为降水趋势预报提供参考，这主要是因为广义湿位涡可以表征降水区上空中尺度系统的垂直风切变、涡度以及大气湿斜压性和层结不稳定等动、热力垂直结构特点。

图14 2021 年7 月20 日（a）00 时和（b）09 时沿113.39°E 广义位涡（单位：PVU）经向—垂直分布以及（c）00 时、（b）11 时、（e）13 时和（f）22 时 广义位涡绝对值的垂直积分（填色，单位：PVU）和观测1 小时降水量（等值线，单位：mm）的分布。红点和红三角代表郑州的位置Fig. 14 Meridional-vertical distribution of generalized potential vorticity (units: PVU) along 113.39°E on 20 July 2021: (a) 0000 UTC and (b) 0900 UTC. Vertical integration of absolute values of generalized potential vorticity (shaded, units: PVU) and distribution of observed 1-hour precipitation(isoline, units: mm) on 20 July 2021: (c) 0000 UTC; (b) 1100 UTC; (e) 1300 UTC; (f) 2200 UTC. The red dot and triangle represent the location of Zhengzhou

综上所述，此次暴雨合并小尺度云团后形成孤立、结构密实的中尺度云团。由于降水区上空较强的潜热释放，广义位温高值柱显著。广义湿位涡在降水区上空为异常高值，主要与边界层急流垂直风切变、中尺度涡旋和湿斜压性等密切相关。由于广义湿位涡可以表征降水区上空动、热力垂直结构特点，对降水区有一定的指示意义，可以为降水趋势预报提供参考。

5 结论

利用MICAPS 观测数据、ERA5 再分析数据和FY-4A 卫星云顶亮温数据对2021 年7 月20 日河南极端暴雨的动、热力和水汽特征进行诊断分析，初步得到以下结论：

（1） 大尺度环流特点显著，高层两槽一脊环流型、中层短波槽、西部大陆高压、东部西伸北抬的副高和西移的台风“烟花”以及南部刚登陆的台风“查帕卡”是主要天气影响系统，中部黄淮气旋是直接参与者，其西南气流与副高和“烟花”之间的东南气流输送水汽到河南，在地形阻挡作用下辐合抬升。

（2） 降水区上空湿层非常深厚、可降水量异常偏高，存在水汽过饱和、暖云层深厚、水汽消耗率高的特点，为高降水效率创造有利条件。边界层内弱层结不稳定与强层结不稳定交替出现，位势散度主要贡献是增强层结稳定度，低空垂直风切变和气流辐合辐散对层结稳定度变化有重要影响。

（3）黄淮气旋内部中尺度涡旋发展，偏东风低空急流遭遇地形阻挡产生强烈持续的辐合，这些动力条件促使河南郑州上空长时间维持大范围深厚上升运动。

（4）孤立、结构密实的中尺度云团合并小尺度云团对暴雨发展有重要影响。降水区上空广义湿位涡异常，由于广义湿位涡可以表征中尺度系统的垂直风切变、涡度以及湿斜压性和层结不稳定等动、热力垂直结构特点，因而广义湿位涡异常对降水区有一定的指示意义。

本文着重分析此次暴雨的水汽、不稳定和动力条件，但还有一些重要科学问题需要进一步研究，包括：此次暴雨中尺度对流系统长时间维持的机制，多尺度天气系统相互作用的贡献，地形和边界层急流作用以及极端雨强中关键云微物理过程和产生高降水效率的机理等等，这些科学问题需要进一步通过数值敏感性试验开展深入研究。