“21·07”型河南大型降水分析

马维涵

（中国海洋大学，山东 青岛 266100）

1 天气过程概述

2021年7月17日短波槽推动的冷锋南下，暖湿气团受锋面抬升作用的影响，17日08时—18日08时河南省大部分地区出现阵型降水，短时强降水主要出现在豫东南的信阳和豫西南的南阳一带。

18日冷锋加强，豫北安阳、新乡、焦作、鹤壁等市区出现大暴雨，降水量达100 mm以上。豫中为大到暴雨，郑州24 h降水量达50 mm以上，其余地区均有持续性降水。

19日雨区南移，19日08时—20日08时以省会郑州为中心的豫中一带出现特大暴雨。

20日东南风风速增大，使水汽输送最大值带移至郑州以东和豫北一带，降水落区成南北向带状，向河北西部伸展。20日08时—21日08时，河南中北部出现大暴雨，郑州、新乡、开封、周口、焦作等地部分地区出现特大暴雨（250～350 mm）。

21日降水主要集中在河北省与河南省北部太行山一带，豫中强降水趋于减弱，河南北部、河北南部局地有特大暴雨（250～280 mm），降水范围明显缩小，全省平均降水量51 mm。

22日，豫北降水明显减弱，分散性暴雨和大暴雨分布于豫北太行山东侧沿山一带和伏牛山区，强降水过程走向结束。

2 气候背景分析

NOAA预测2021年为“双拉尼娜年”，即从2020年持续到2022年初，连续两个冬季将出现拉尼娜现象，太平洋赤道地区中东部海水将持续异常变冷，并通过Bjerknes正反馈机制使得西太暖池区进一步增温，海洋与大气之间强化相互作用，西太平洋的对流活动增强。2021年6—8月赤道中、东太平洋海域的表层海水温度比平时低0.5℃，赤道西部太平洋海域出现正变温，使得沃克环流增强。7月赤道地区140°E～180°E暖水层水深大于50 m，低层大气稳定度低，有利于生成西北太平洋热带气旋，为华北地区出现极端强降水的远程水汽输送提供了条件[1]。

7月赤道东风出现增强趋势。西北太平洋副热带地区出现负变压，沃克环流上升位置偏北，有利于西太平洋副热带高压（简称副高）位置北移，为我国华北地区提供水汽来源，增加极端强降水发生的可能性。

3 环流形式分析

3.1 200 hPa天气图

17日西风急流中心位于新疆西部喀什附近，其南侧为西部型南亚高压。河南省处于高空西风急流南侧，由于风的强辐散作用，加之南亚高压东北侧曲率涡度引起的正涡度平流，在黄淮地区将引起强烈的上升运动。

库页岛低槽因槽后冷平流加深，逐渐发展成阻塞形式。大槽的脊线偏西，使西风急流北抬，南亚高压强度减弱。此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，东低槽受北上的台风“烟花”影响，振幅较大。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，流辐散非常显著[2-3]。

3.2 500 hPa天气图

19日高压脊发展为日本海阻塞高压，导致长波槽移速缓慢。此时副热带高压与日本海阻塞高压同趋近于同相位，加强了下游脊的稳定性，有利于形成区域性暴雨。

长波脊西侧冷舌与气压槽趋于重合，有发展成为切断冷涡的趋势。下游的阻塞形式使冷槽向上游发展，槽后冷平流使槽的振幅加大，槽前的正涡度平流使我国中部地区减压。与此同时，赤道辐合带北抬至30°N，副高在气压槽与季风槽的共同压迫下而西伸，南亚高压也发生东移，两高压中间形成了黄淮低涡。与此同时，台风“查帕卡”在广东登陆，带来西南气流。东南风与西南风在低涡东侧黄淮地区辐合，使得20日河南省暴雨强度达到最大。

21日库页岛南侧的切断低压使副高被切断为闭合中心，冷槽中心发展出冷涡。22日新疆西北部发展出切断低压，与此同时库页岛切断冷涡进一步发展，使得副高减弱，闭合中心缩小。副高南侧引导气流变得微弱，使得台风“烟花”在22日基本停滞不前。与此同时台风“查帕卡”登陆后快速减弱，东南风与西南风辐合强度减弱，黄淮低涡强度减弱并随着西来短波槽逐渐向东北方向移动，雨区北移，河南省内降水因此减弱，降水过程逐渐终结。

4 水汽来源分析

4.1 850 hPa天气图

17日红外卫星云图（图1）分析可知，河南处于低压中心，在对流层上层辐散的配置下，强烈的上升运动使水汽凝结抬升，卫星云图上出现大面积对流性积云。其水汽来源有两个：由西南季风输送自印度洋的暖湿气流，以及副高南侧东南引导气流输送的来自西北太平洋的水汽。此时西北太平洋低纬度洋面上有从赤道辐合带云系中脱离出来的具有气旋性涡旋的大面积云团，即台风“烟花”。

图1 17日红外卫星云图（图片来源：气象卫星合作研究所）

18日热带低压升级为热带风暴，受副高引导气流的影响向西移动。低压中心稳定加深，水汽沿着低压中心西侧短波槽的切变线辐合上升。由当日红外卫星云图可见台风“烟花”云系范围较大，呈不对称结构，其东南侧与印度洋上空对流性积云相连，东南侧与北移的赤道辐合带云系相连，汇聚了来自印度洋和西北太平洋的大量水汽，并通过偏东气流沿副高外围输送至河南地区。

19日华北黄淮地区等高线与等温线交角大，大气的斜压性强。此时副热带高压也有西伸趋势，对流层低层位势梯度加大将导致偏差风，进而使副热带高压南侧边缘低空东风急流快速发展。同时青藏高原的热低压加强东移，使得其前进方向上低层大气层结不稳定。河南处于高压脊后正涡度平流区，由低空东风急流带来的水汽在这里急剧地辐合上升。红外卫星云图上河北地区及豫北一带有结构密实的中尺度云团，云顶亮温低值区出现在太行山南部豫北地区，中心TBB降到-50°C以下。

20日高原热低压东移加强，造成低层强烈的对流不稳定。来自“查帕卡”西南气流和来自“烟花”的东南气流辐合明显。台风“烟花”汇聚了大量的水汽，并通过偏东气流输送至黄淮地区，使其上空的流性积云面积扩大。而台风“查帕卡”的云团中心TBB降到-70°C以下，带来西南向的水汽输送。在“列车效应”的作用下，豫中对流性积云中心TBB降到-60°C以下，造成豫中多个气象台站日降雨量突破历史极值，郑州最大小时降雨量突破我国内陆气象数据小时降雨量历史极值。

21日台风“查帕卡”登陆后减弱，使西南气流微弱，云团面积减小，云顶亮温数值增大。同时副高受到高空冷涡的影响而减弱，稳定增强的台风“烟花”带来较强的偏南气流，因此河南地区的对流性积云云顶高度降低并发生北移。

22日台风“查帕卡”基本消亡，在蒙古和日本以东的洋面上都有新的气旋生成，使水汽输送至华北地区。

4.2 1000 hPa相对湿度分布图

来自孟加拉湾的暖湿气流由东南季风输送至黄淮地区，使17日河南省整层相对湿度已经饱和，甚至过饱和（相对湿度大于100%），在弱冷空气的作用下，水汽更容易凝结，暖云发展更旺盛，河南省出现阵型降水。18日降水集中在河南省东北部，水汽的消耗使豫北沿山一带的相对湿度迅速降低到90%以下。

19日台风“查帕卡”接近我国，从西南方向补充大量水汽。同时，台风“烟花”向我国西行，东南风将太平洋低纬度洋面上的水汽沿副高外围输送至黄淮地区，使雨带西移集中在豫中地区。

20日有黄淮低涡生成，并有东南风与西南风在低涡东侧辐合，使得20日河南省暴雨强度达到最大。郑州以东和豫北一带相对湿度下降至80%以下，同时在东风急流持续输送下，水汽得到补充，使强降水得以长时间维持。

21—22日由于副热带高压的减弱和台风“查帕卡”的强度减弱，黄淮地区水汽供应被大幅度削弱，因此相对湿度降低。与此同时，暖气团的北上使得黄淮地区的水汽不易发生凝结，强降水过程就此结束。

5 垂直运动分析

上文提及高空西风急流南侧风速的强辐散作用，以及南亚高压东北侧曲率涡度引起的正涡度平流，都使得抽吸作用加强，在河南地区引起了强烈的上升运动。19—20日郑州连续2d出现大暴雨到特大暴雨，最强降雨时段的出现与700 hPa层面上的东风急流，850 hPa层面上黄淮低涡以及925 hPa层面上的边界层急流有关。高、低空急流耦合加强抽吸效应使河南上空长时间存在大范围深厚上升运动。与此同时，中尺度的黄淮低涡，西南气流与东南气流形成辐合区，以及超低空东风急流在山前的风速辐合也使得当日郑州地区有极端性的对流性降水。

5.1 700 hPa风场图

19日由于副高西伸，对流层低层位势梯度加大导致的偏差风使副高南侧边缘低空东风急流快速发展。急流中心位于琉球群岛，黄淮地区处于急流北侧辐散区，在副高曲率涡度发影响下有强烈水汽辐合上升运动。对流层下部有东南风将来自西北太平洋低纬度洋面上的暖湿气流，经急流之下的边界层向北输送，对流层上部有来自西北方的风将高纬度的干空气向南输送，产生位势不稳定层结，有利于发生强对流。

20日由于台风“烟花”快速发展，强度加大，使得低空急流强度加大，产生强烈持续的辐合。

5.2 850 hPa风场图

20日08时郑州地区新生尺度较小的黄淮低涡，低涡东侧西南气流与东南气流辐合，形成气旋性环流，引起强烈的上升运动。中小尺度对流反复在伏牛山前地区发展并向郑州方向移动，形成“列车效应”，导致降水强度大、维持时间长，引起局地极端强降水，造成当日郑州小时降雨量突破我国内陆气象数据小时降雨量历史极值，如图2所示。

图2 20日08时位势高度与风场图（图片来源：国家气象信息中心）

5.3 925 hPa风场图

925 hPa层面上的超低空东风急流与700 hPa上的东风急流形式类似。20日豫中郑州一带出现的风速为14～16 m/s的边界层急流，遇到东北—西南向的太行山余脉与东西向的伏牛山形成喇叭口地形后，在郑州西侧山前形成风速辐合，引起强烈的垂直上升运动。

6 地形作用分析

18日在豫北太行山东麓迎风坡（新乡、鹤壁两地）首先出现强降水中心。此时低层盛行东南风，风向与东北—西南走向的太行山余脉垂直，使气流爬坡，山前垂直运动加强。对流层下层水汽被上升气流抬升至对流层中层，形成深厚湿层，并形成强降水，此阶段鹤壁平均降雨量最大为68 mm。

19日雨带南移至豫中一带，并以郑州为最大降水中心。郑州位于伏牛山及太行山余脉为喇叭口地形。随着副高的西伸与台风“烟花”的西行，加强的偏东气流携带暖湿水汽灌入喇叭口地形，地形的收缩引起了辐合上升运动的加强和降水量的增大。20日伴随着黄淮低涡的生成，低层大气不稳定加剧。伏牛山东北侧迎风坡有大量水汽和动能堆积，激发和加强对流的发展，使降水增幅明显，故而在山前迎风坡地区的降水量远超其东侧平原地区。

7 结语

此次极端强降水过程成因复杂，是不同时空尺度上的天气系统耦合作用的结果。拉尼娜事件造成的西太平洋海水异常偏暖有利于热带气旋的生成与副热带高压的北移，使水汽更容易输送到中国华北地区。而行星尺度上的西风急流的动力抽吸作用使得垂直上升运动强，西风带短波槽的东移使得弱冷空气南下，冷暖空气的交汇使得对流加强。天气尺度上台风“查帕卡”的登陆与台风“烟花”的西行分别将来自孟加拉湾和西北太平洋低纬度洋面上的暖湿水汽输送至河南省。同时中尺度上的黄淮低涡及超低空东风急流都具有强辐合作用，加强上升运动。