靳冰凌, 芦阿咪, 张 璞, 王福州
(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室,郑州 450003;2.鹤壁市气象局,河南 鹤壁 458030)
暴雨是我国最常见的灾害性天气之一,连续或极端暴雨常造成内涝、中小河流洪水、泥石流等自然灾害,给人民生命财产安全和社会经济发展带来严重威胁。太行山东侧的华北平原为暴雨事件频发地区,该区域对暴雨的观测分析和预报预警一直是国内外气象工作者关注的焦点。陶诗言等[1]指出,华北大暴雨常与中低纬度系统的相互作用有关。孙建华等[2]对20世纪90年代华北大暴雨过程的统计结果表明,约74%的华北大暴雨个例有台风直接或间接影响。在台风远距离影响下,华北暴雨往往强度大、效率高,累积雨量大。许多气象工作者也对大暴雨、特大暴雨的极端性、动力因子、水汽输送等进行了研究[3-28]。王君[6]和栗晗[7]等指出,中尺度辐合线的生成、发展和维持是导致局地特大暴雨的主要原因。孙军等[8]研究表明,极端降水不仅发生在高低空、地面等多层系统耦合的背景下,而且具有极高的整层可降水量、强低层水汽辐合等水汽条件。王婧羽[9]、田红[10]等研究发现,极端降水与异常水汽输送具有一定关系。孙继松[13]、司福意[14]等的研究表明,地形对暴雨有明显的增幅作用。陈联寿[15]的研究表明,很多强的持续性暴雨都与台风有关。
2021年7月17日至23日河南豫北地区出现历史罕见的极端特大暴雨(简称“21·7”豫北极端暴雨)。本次过程持续时间长、累积雨量大、降雨范围广、短时雨量极强、极端性突出。最大降水量1122.6 mm出现在鹤壁市淇滨区科创中心站,创历史极值。极端强降水导致豫北出现极其严重的洪涝灾害,豫北9个蓄滞洪区启用8个,其中鹤壁6个蓄滞洪区全部启用,这在鹤壁历史上尚属首次。本文利用多种常规和非常规观测资料,从天气尺度背景场、中尺度降水系统、特征物理量诊断、水汽输送及辐合、地形和风场相互作用等方面进行分析,以期加深对豫北极端暴雨事件发生发展过程的认知,提高极端暴雨的预报能力。
受西太平洋副热带高压、南亚高压、南海台风“查帕卡”、西太平洋台风“烟花”及深厚的偏东风急流和低涡切变共同影响,2021年7月17日至23日豫北出现极端暴雨,21日08时至22日08时是极端强降水集中时段。由于太行山区特殊地形对偏东气流的强辐合抬升作用,强降水中心主要分布在豫北沿太行山的东部一带。特大暴雨主要出现在鹤壁、新乡和安阳,本文主要对这三个地区的降水及其成因进行分析。
7月17日08时至23日08时河南鹤壁、新乡、安阳平均降水量为470.7 mm,呈西多东少分布,三地区368个自动雨量站中有151个站点降水量超过500 mm。其中降水量最大的2个站分别为鹤壁科创中心(1122.6 mm)、新乡凤凰山(965.5 mm)。7月21日08时至22日08时,鹤壁、安阳大部和新乡西部地区出现了大暴雨天气过程(图1a),大暴雨区中有一半以上地区出现特大暴雨,日最大降水量为777.5 mm(鹤壁市科创中心),创建站以来历史极值。豫北地区逐小时雨量≥50 mm的站点大部分位于太行山东麓迎风坡一侧,且大致呈东北西南向带状分布(图1b)。7月21日20-21时,新乡牧野乡小时雨量达149.9 mm(图1c),同日14-15时鹤壁科创中心小时雨量达120.5 mm(图1d)。此次极端暴雨历史罕见,不仅持续时间长、累计雨量大,而且范围广、落区重叠、强降水落点集中,导致洪涝灾害严重。
图1 2021年7月21日08时-22日08时豫北降水量分布(a)、最大小时雨量分布(b)、新乡牧野乡(c)及鹤壁科创中心(d)逐小时雨量演变
此次豫北极端暴雨是由副热带高压、大陆高压、台风“烟花”等多个系统共同造成的,东亚大气环流异常协同作用是造成本次极端暴雨的直接原因。“七下八上”是豫北的主汛期,豫北处于副高边缘,有利于不稳定能量聚集,台风“烟花”和“查帕卡”送来了充沛的水汽。虽然“烟花”没有登陆,但其北侧和副热带高压之间形成的东南气流,持续将大量水汽从海上向河南中北部一带输送,水汽条件充沛,降水效率极高。
西太平洋副热带高压和大陆高压分别稳定维持在日本海和我国西北地区,阻挡了上游系统移动,导致西风带低值系统在华北、黄淮地区稳定少动,长时间维持,形成豫北极端暴雨天气。
7月21日08时至22日08时为鹤壁、新乡、安阳特大暴雨出现时段。7月21日08时200 hPa,兴县、延安至汉中有一深厚低槽,河南处在槽前西南气流里;500 hPa低涡中心位于陕西延安附近,700 hPa切变线东段伸展至河南省北部,这种深厚的天气系统配置极其少见。河南省中北部处于中低层辐合、高层强辐散区,为极端暴雨形成提供了有利环流背景(图2)。
太行山走向呈准南北向,北高南低,山势东陡西缓,豫北地区处在太行山南段东侧,海拔多在1000-1500 m。受深厚的东风急流及稳定的低涡切变影响,以及河南省太行山区特殊地形对偏东气流的强辐合抬升效应,强降水区在豫北沿山地区稳定少动,地形迎风坡前降水增幅明显,因此强降水中心主要分布在河南省西北部沿太行山东部地区(图1a、b)。
分析地面加密自动站资料发现有非常明显的中尺度特征,地面中尺度气旋、辐合中心和边界层辐合线始终存在,降水的各个阶段与地面中尺度气旋、边界层辐合线的演变阶段相对应。20日10时在汝阳北部地面辐合中心形成,太行山东侧为一致的东北风,河南中东部大部分地区转为东南风。20日14时汝阳北部的地面辐合中心向东北移至巩义南部后形成地面气旋中心,且中心范围扩大,北侧东北风加强,新乡南部至气旋中心西北部的东北风加大且多站点风向趋于一致,有组织程度更加明显。20日14-17时郑州东部至汝阳北部地面辐合线维持,在辐合线上形成3个侧向排列的地面气旋中心,对郑州至汝阳极端强降水的形成及落区预报有一定的指示意义。20日20时太行山东侧东北风减弱,鹤壁转为偏北风,21日10时豫北太行山东侧有东北风和东南风辐合,出现持续性降水天气,辐合线上不断有弱的辐合中心生成,豫北出现阶段性小时雨量大于20 mm的短时强降水。
21日10时开始,鹤壁科创中心、巩义出现地面辐合中心,两个辐合中心之间有明显的地面辐合线,辐合线东侧为一致的东南风(图略);14时(图3a)鹤壁淇滨区、新乡牧野区和荥阳北部出现地面辐合中心,16时(图3b)伴随地面气旋的发展与之对应的边界层辐合线更加明显且呈准静止状态,移动非常缓慢,大的降水中心出现在地面辐合中心的右侧,14-15时鹤壁科创中心小时雨量达120.5 mm;16-18时鹤壁淇滨区、新乡牧野区至登封地面辐合线维持,北侧为偏北风或东北风,南侧为偏东风或东南风;18时辐合线略向东摆动,在新乡东南部有地面辐合中心形成,20时(图3c)新乡牧野南部地面辐合中心加强,其北侧有6站风速增大到6~8 m/s,强降水出现在辐合中心北侧。地面辐合线北段略向东摆动,南段向西摆动,19-22时(图3d)地面辐合中心不断形成并维持,且连续出现在辐合线上。强降水雨带与辐合线走向一致,多个小时雨强中心分布在辐合线冷区一侧,且雨强中心距辐合中心约20~30 km,其中新乡牧野乡小时雨量达149.9 mm。22日00时鹤壁科创中心再次出现一致东南风,由于太行山地形抬升对降水的增幅作用,辐合线沿线出现阶段性短时强降水。在此次过程中,地面辐合线为触发条件,暴雨过程中的中小尺度特征与地面风场辐合密切相关。风场辐合区出现的时刻提前于强降水出现时刻,可根据地面加密风场辐合区位置及其移动推断强降水落区。
准静止地面辐合线起到了增强且稳定持久的触发对流和加强暖湿气流辐合抬升的作用。辐合线北侧东北风、南侧东南风加强,有利于气旋形成和加强,地面气旋和辐合线的形成、维持及地面气旋的加强和减弱,与阶段性强降水有很好的对应关系。经分析可知,暴雨区为两股气流的汇聚区,偏东气流和东南气流对应着暖气流,而偏北气流或东北气流对应着冷气流。地面风场辐合,并与中低层切变线叠加,加剧了垂直运动发展,从而造成局地强降水。
一般降水的形成条件有3个:水汽、垂直运动和云滴增长。暴雨特别是大暴雨的形成,还必须满足更多的条件,包括充分的水汽供应、强烈的上升运动和较长的持续时间。此次豫北极端暴雨天气过程,与上述3个条件密不可分。
垂直运动在天气变化中有重要作用,与大气中的凝结和降水过程有密切联系。在上升过程中,大气中不稳定能量,特别是凝结潜热得以释放,从而形成对流性天气;垂直运动造成的水汽、热量、动量等物理量的垂直输送对天气系统的发展有很明显的反馈作用。
考虑到台风外围水汽输送路径为豫北最大过程降水量中心,沿37.0°N、110.0°E至33.5°N、120.0°E制作垂直剖面图(图4)。21日00时850 hPa垂直速度开始增大(图略),至04时,114.3°E上空从地面到200 hPa为整层的上升运动,并出现两个中心:800 hPa上升运动中心的垂直速度达-4 Pa/s, 300 hPa上升运动中心的垂直速度达-7 Pa/s以上。随着时间的推移,21日06时至15时900 hPa至400 hPa出现上升运动大值区(图4a),其中850 hPa至500 hPa上升运动中心的垂直速度达-7 Pa/s以上;21日18时至22日01时(图4b),700 hPa至450 hPa为上升运动大值区,强上升运动中心的垂直速度达-4 Pa/s以上。从中低层垂直速度场可知,豫北上空(图中红框区域)均处于强烈的垂直运动上升区。21日,豫北大部分地区出现特大暴雨,并出现最大小时雨强。垂直上升运动能带来潜热释放,潜热释放与垂直运动的正反馈作用进一步促进强降水。从散度场可知,20日23时开始(图略),近地层出现强辐合中心,400 hPa以上出现辐散中心,辐合、辐散中心一直在112.5°E至115.0°E之间;21日06时以后,辐合、辐散区位于豫北上空,维持至15时(图4c),16-17时减弱,18时开始明显增强,20-21时(图4d)辐合、辐散中心均达最强,辐合区位于太行山及其东麓的豫北近地层至600 hPa,辐散区位于辐合区上空850 hPa至400 hPa。由于太行山的阻挡作用,山前气流被强烈抬升,散度场分布形如燃烧的火焰,鹤壁科创中心站上空低层辐合中心达-10×10-5s-1以上,高层辐散中心达9×10-5s-1以上。
图4 2021年7月21日07时(a、c)、20时(b、d)垂直速度(a、b)、水平散度(c、d)沿37.0°N、110.0°E至33.5°N、120.0°E的剖面图图中红框区域为豫北;垂直速度单位:Pa/s,水平散度单位:10-5s-1
800 hPa以下相当位温高能舌区从海上“烟花”外围经安徽向豫北伸展,900 hPa以下相当位温在348 K以上(图略),其中心值达356 K(赵玉春等[11]把348 K以上作为暖区暴雨发生的条件),且在800 hPa以下相当位温随高度迅速降低,对流不稳定非常显著。在高温、高湿、高能的不稳定层结下,低层配合动力触发条件,有利于大暴雨产生。陶诗言[12]指出,对持久的暴雨过程来说,低空暖湿的空气流入很重要,在低空急流的左前方一方面引起水汽的输送和辐合,另一方面也促进对流不稳定能量的再生。20日早晨开始,近地层偏东风急流持续加强,在台风“烟花”外围的北侧,沿副高边缘在800 hPa以下形成一条完整的伸向河南中北部的偏东风暖湿气流输送带,850 hPa风速达16 m/s。低空急流带来的暖湿气流对对流有效位能释放后又迅速增大有重要作用。这次的超低空急流带来的水汽和能量输送,是本次极端暴雨产生的主要原因之一。此次过程降水量最大的地区正处在能量锋区的西侧、高能舌的中心高值区附近。可以看出20日08-14时(图5a、b),郑州一带的高能舌开始建立,14-20时随着台风外围东南气流的加强,高能量区面积扩大,高能舌锋区增强(图5c),郑州附近出现强降水天气。21日相当位温的高能区从08时开始至14时有明显加强(图5d、e),大值区也自西南向豫北推进,相当位温354 K区域14时至20时在豫北维持(图5e、f),且最强时段的中心值在14时最大,达到366~372 K(图5e),豫北上空的高能舌区也同时增强,有利于特大暴雨的产生。
此次豫北极端暴雨水汽来源主要集中在对流层中低层(3000 m以下)。从这一高度层面的流场和水汽输送看,有3条路径:一是来自日本海一带副热带高压南侧偏东风水汽通道;二是来自台风“烟花”外围,从西太平洋经华东伸至华北南部的东南水汽通道。三是来自“查帕卡”带来的北印度洋的西南暖湿气流伸向华北南部的西南水汽通道,3条水汽通道在河南中北部一带汇合。通过分析发现,此次极端暴雨主要来自“烟花”外围的水汽输送,东南气流遇太行山地形抬升导致了水汽冷凝致雨,加之山地地形促进了局地对流和短时强降雨对流云团发展,让太行山东侧成为此次豫北极端暴雨的中心。
4.3.1 水汽通量
在850 hPa水汽通量图上(图6a、b),可以分解出3个水汽通量大值中心,分别位于台风“烟花”“查帕卡”和河南中西部附近,河南中西部的水汽通量达34 g·cm-1·hPa-1·s-1,与“烟花”云墙水汽通量相当。925 hPa水汽通量图上,除3个中心外,可以看到从台风“烟花”外围直接输送至河南中北部上空的水汽通道(图6c、d),与台风云系强度相当的水汽通量在河南中北部地区维持并在太行山东麓辐合抬升,在山前造成极端暴雨。河南中北部先后出现2个水汽通量大值中心,郑州、焦作、洛阳一带的大值中心从20日09时维持至23时,鹤壁的大值中心从21日01时维持至22日08时,长达31 h。边界层与台风外围打通的水汽通道在豫北地区上空形成极高的降水效率,而持续的强水汽输送造成了极端强降水。
4.3.2 绝对湿度
空气中的水汽含量用绝对湿度表示,它实际上就是水汽密度,也是大气干湿程度的一种表示方式。
从相当位温和绝对湿度剖面图上可以看出(图略),19日08时开始,从海上到太行山东麓有一致的偏东风超低空急流,向豫北地区源源不断地输送水汽,绝对湿度在800 hPa以下均大于12 g/kg,900 hPa以下的均大于16 g/kg,像涨潮的海水一样向太行山东麓一波又一波的输送。20日14时至21日02时,在太行山东麓114°E-120°E出现水汽堆积增厚,800 hPa以下的绝对湿度均大于16 g/kg,21日14时至22日10时从地面至650 hPa绝对湿度均大于12 g/kg,并在太行山东侧出现辐合抬升。在这个时间段内,鹤壁科创中心先后出现大于20 mm的长达14 h的短时强降水天气,时间分别是21日14-20时、21日23时-22日00时、22日02-09时,其中21日14-15时出现小时雨量达120.5 mm的极端强降水;新乡牧野乡在21日19-22时连续3 h出现大于50 mm的短时强降水,其中19-21时连续2 h雨强大于100 mm/h,尤其是20-21时小时雨量达149.9 mm。近地层120°E为偏东风,117°E为东南风,116°E为东南偏南风,114.5°E处偏东气流被山体抬升转为南风,700 hPa为西南风,源源不断的水汽随着东南风在太行山东侧汇集辐合翻卷凝结成云,导致持续性强降水。
4.3.3 整层可降水量
极端降水不仅发生在高低空、地面等多层系统相互配合的背景下,而且具有极高的整层可降水量、强低层水汽辐合等水汽条件。
强降水发生前,大气整层可降水量高值舌区由台风“烟花”和“查帕卡”中心相互联通(图7),并由东海、南海伸向豫中北地区。19日11时至22日10时,河南中北部上空大气整层可降水量一直维持在60 mm以上。其中,19日18时许昌附近的大气整层可降水量达68 mm,20日06时再次达到68 mm,20日18-20时郑州东南部地区的达70 mm,21日19时新乡的达68 mm。这些时段的豫中北整层可降水量值几乎与台风云系的值相当。从整层可降水量演变来看,从19日至22日河南省中北部地区整层水汽非常充沛,有利于持续性强降水出现。
此次过程200 hPa高空槽从19日20时开始形成,20日08时加深发展,并一直维持至22日08时。这个阶段500、700 hPa低涡维持,豫北上空一直处在槽前的上升运动区,近地层台风外围一致的东南风和偏东风暖湿气流在太行山前汇合,受到地形的抬升作用,在豫北产生暴雨。暴雨的产生释放凝结潜热,再次加热大气,使地面辐合系统上空的气温增高,高空槽加深,该区域上升运动更加强烈。高空槽的加深和低空暖湿平流的正反馈作用,使河南省西北部地面的辐合线和辐合中心不断生成和维持,利于暴雨的增强。
从郑州站探空图可见(图略),豫北特大暴雨发生前,对流层300 hPa以下从19日20时至21日20时一直维持着深厚湿层,300 hPa以下的t-td均≤2 ℃,大部分时间t-td为0 ℃;21日08时对流有效位能CAPE值达606.1 J/kg,21日14时CAPE升至2600.3 J/kg,21日20时CAPE值高达3123.7 J/kg;从20日08时开始K指数一直维持在38 ℃以上,SI指数一直≤-0.3,同时豫北近地面露点温度高达26 ℃,层结极不稳定,易触发强对流。21日15-21时鹤壁科创中心、新乡牧野乡出现持续性强降水天气,个别时段连续小时雨量>50 mm,最大小时雨量达149.9 mm。
低层水汽的强辐合与地形关系密切,暴雨中地形的强迫作用明显。孙继松等[13]曾对北京2006-2013年发生的10次极端暴雨事件进行分析发现,地形对暖区暴雨作用明显,强降水区域始终沿着北京燕山和太行山山脉山前地区。司福意等[14]在对豫北“7·9”特大暴雨的形成与极端性探析中指出,地形对强降水影响的主要体现:一是极强水汽辐合中心的形成和超长时间摆动维持,二是中等以上强上升运动的形成和持续。豫北地区位于太行山的东侧,太行山迎风坡地形对台风外围东南暖湿气流有着阻挡、抬升和汇聚作用。
从极端暴雨发生前对河南省中北部地区上空流场和垂直速度的诊断,可以明显看到偏东气流在太行山前强迫抬升,上升气流区形成(图4)。从垂直速度剖面图(图4a、b)可以看出,平原至山脉的过渡地带上升运动明显增强,垂直速度中心值达-7 pa/s以上。
本次极端暴雨过程豫北地区最大小时雨量≥50 mm的站点大部分位于太行山东侧迎风坡的30到50 km范围(图1b)。水汽不断向太行山东麓积聚,气流沿山体上坡,山脉对气流的机械阻碍,强迫气流抬升,对降水有促进作用。东南风、偏东风在迎风坡上辐合,强降水中心与地形强迫抬升区关系密切。由于此次水汽主要来源于东南气流、偏东气流、西南气流,因此豫北地区太行山东侧较远地区降水明显偏小。
从散度分布情况可知(图4c、d),7月20日开始中低层相邻的辐合和辐散气流区同时存在,21日00时开始中低层辐合区沿山脉坡度出现倾斜,并维持到22日12时。低层辐合上升、高层辐散下沉,鹤壁上空850-650 hPa左侧为辐合区、右侧为辐散区,对流层中层存在闭合环流,表明太行山对偏东气流的辐合抬升作用持续存在并较为明显。22日00-10时,地面辐合系统趋于不明显,但鹤壁科创中心仍出现8个时次的短时强降水,最大小时雨量达67.4 mm,说明强降水后期地面无明显辐合系统后,地形抬升起主要作用,为强对流系统长时间维持提供了有力支撑。
台风是造成我国特大暴雨的主要天气系统之一,很多强烈的持续性暴雨都与台风有关[15-19]。陈联寿[15]指出,在我国不少著名的特大暴雨中都有台风的间接作用,例如1963年8月上旬海河流域特大暴雨,1975年8月上旬淮河流域特大暴雨,1958年7月中旬黄河中游特大暴雨等。随着观测事实的增多,许多气象学者在台风远距离暴雨方面的研究取得了很大的进展。大量观测事实和研究结果表明,台风远距离暴雨是台风与其相邻的中纬度系统相互作用的结果。丁一汇等[21]在研究1980年以前的华北暴雨中指出,华北强的暴雨大部分出现在2个或2个以上天气系统的相互作用或相互叠加的情况下,高空冷涡与台风相互作用是其中主要的形式之一。
“21·7”暴雨期间,台风“烟花”和“查帕卡”与副热带高压、大陆高压相互作用,使大气环流形势向着有利于远距离暴雨的形势调整,并使大气环流形势稳定。500 hPa陕西和山西中部交接带低涡维持,豫北处在西南和偏东气流的辐合交汇处,近地层辐合抬升明显,同时台风也为“21·7”豫北极端暴雨过程输送了充沛的水汽。位于广东西部近海的台风“查帕卡”助推了来自北印度洋的西南季风,使其向北来到中原大地。而位于琉球群岛东南一带的“烟花”助推热带西太平洋东风进入豫中及豫北地区。丛春华等[20]的研究表明,台风远距离暴雨能否产生的关键因素在于热带气旋东侧环流能否将水汽输送到中纬度槽前。“烟花”北侧和副热带高压南侧形成偏东气流,持续向河南中北部输送,且形成偏东风低空急流,大量水汽从海上向河南中北部一带汇集,形成了充沛的水汽条件。正是这支低空急流向暴雨区输送了暖湿不稳定能量和水汽,使来自暖洋面的暖湿空气在暴雨区辐合和累积,致使低层增温增湿,进而使暴雨区大气的层结状态向不稳定层结发展,降水效率极高。
2021年7月17日至23日豫北地区出现历史罕见的极端特大暴雨,本次过程持续时间长、累积雨量大、降雨范围广、短时雨量极强、极端性突出。通过分析得出以下结论:
(1)副热带高压、大陆高压、台风、低涡等多个系统共同作用,为豫北极端暴雨形成提供了有利的背景条件。
(2)暴雨过程中的中小尺度特征与地面风场辐合密切相关。地面中尺度气旋、辐合中心和边界层辐合线始终存在,其形成、维持及地面中尺度气旋的加强和减弱,与阶段性强降水有很好的对应关系。风场辐合区出现的时刻提前于强降水出现时刻,可根据地面加密风场辐合区位置及其移动推断强降水落区。
(3)豫北特大暴雨发生前对流层300 hPa以下一直维持着深厚的高温、高湿层结。河南省中北部处于中低层辐合、高层强辐散区,垂直上升运动强烈,其造成的水汽、热量、动量等物理量的垂直输送,促进天气系统发展。
(4)800 hPa以下相当位温高能舌区向豫北伸展,近地层偏东风急流持续加强,形成一条完整的偏东风气流输送带,是本次极端暴雨产生的主要原因之一。
(5)此次豫北极端暴雨水汽来源主要有3条路径,其中“烟花”外围的水汽输送贡献最大。绝对湿度在800 hPa以下的均大于12 g/kg,900 hPa以下的均大于16 g/kg,绝对湿度厚度的增加、极高的整层可降水量和边界层与台风外围打通的水汽通道,在豫北地区上空形成极高的降水效率,配合持续的强水汽输送造成了极端强降水。
(6)豫北地处太行山东麓,山脉对气流的机械阻碍,地形强迫抬升作用使中层出现闭合环流,造成强降水系统长时间维持。山脉对降水有明显的增幅作用,强降水区域出现在太行山东麓30到50 km范围,小时雨强中心出现在太行山东侧迎风坡的前部。
(7)台风的远距离作用造成有利于极端暴雨产生的天气背景,同时其带来的水汽和暖湿不稳定能量从海上向河南中北部一带汇集,使暴雨区大气的层结极不稳定。