“21.7”郑州极端暴雨的形成过程及致灾机理分析

段汀 陈权亮 廖雨静

(1 成都信息工程大学 大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室，成都 610225；2 成都信息工程大学 计算机学院，成都 610225)

引 言

极端暴雨事件是我国夏季严重的气象灾害之一。近年来，学者们对极端暴雨事件做了大量研究，如极端暴雨过程中的中尺度对流及微物理特征[1-4]，极端暴雨过程中大气环流异常以及主要影响系统的演变机制[5-8]。有学者研究表明强度异常偏强，位置偏北的西太平洋高压以及南亚高压的增强与东亚地区极端强降水事件直接相关[9]。丁一汇等[10]认为东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端强降水过程中起着关键作用，环流的异常及其相伴随的季风水汽输送带的北推加强，是造成北方持续性大暴雨的重要原因。在影响暴雨的天气系统中，低空急流与暴雨的发生密切相关，低空急流不仅是强降水事件的水汽输送通道，也对暴雨有触发作用[11-16]。极端短时强降水的发生也常常伴随着充沛的大气可降水量和低层高比湿、整层相对湿度大的环境场的特征[17-18]。地形在极端暴雨事件中的影响也不容忽视，其辐合抬升对暴雨的增幅作用十分明显[19-22]，同时地形也可作为中小尺度对流系统的触发机制，有利于中尺度对流系统的形成，并且由于地形的阻挡作用可以使中尺度对流系统长时间维持在特定区域造成持续性暴雨[23-24]。

河南省内地形复杂，西部多为丘陵山地，东部为广阔的平原区，年内降雨量的季节和区域分布不均匀。马月枝等[25]对豫北一次极端强降水分析表明，太行山前地形辐合线在暴雨区的发展和维持以及太行山地形抬升是导致大暴雨产生的重要原因；司福意等[26]发现台风引起的一条东海至河南的暖湿气体输送通道将水汽输送至河南地区并在太行山东麓迎风坡喇叭口汇聚，为豫北一次极端强降水事件提供了充足的水汽。在历史上河南省曾出现多次极端强降水事件，如“75.8”、“82.8”、“96.8”和“18.8”等极端强降水事件，其中河南“75.8”极端强降水造成的特大洪水灾害世界瞩目。“75.8”极端强降水过程中3 d累计降水量达到了1 605 mm，最大小时降水量达到189.5 mm·h-1[27]。而今年2021年7月17—22日河南地区再次爆发极端强降水过程，在暴雨区尤其是郑州市地区发生了严重的城市内涝灾害，同时致使河南多个水库和多条河流出现超警戒水位，造成了严重的人员以及经济财产损失。此次降水过程中有19个观测站日降水量突破历史极值，较之“75.8”暴雨，“21.7”暴雨在日最大降水量、小时最大降水量和全省平均降水量上均已超过“75.8”暴雨，已有研究基于观测资料对此次“21.7”极端暴雨事件进行了分析[28]，张霞等[29]分析了此次过程中环境物理量的异常性，但此次过程的主要形成机制尚不清楚。

现使用2021年7月17—22日河南省119个国家级自动观测站的逐小时降水资料来分析此次极端暴雨过程的降水特征；使用欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析资料(ERA-5，该套资料垂直方向上1 000～100 hPa共27层，水平分辨率0.25°×0.25°，时间间隔1 h)来分析影响此次极端暴雨的形成过程，以及其致灾机理，为此类极端暴雨事件的特征和机理提供参考。

1 极端降水的形成过程

2021年7月17—22日河南省大部分地区出现暴雨天气，其中郑州地区降水过程主要集中在19—21日，因此本文主要选择2021年7月19日08时(北京时，下同)—21日08时为此次降水过程的主要分析时段。此次暴雨过程中全省平均降雨量为155.0 mm。过程降水量最大值出现在郑州市，达到732.0 mm超过了郑州年平均降水量(641 mm)，新密市以及嵩山站过程降水量也超过了500.0 mm(图1a)。20日是此次降水过程最为严重的时段，郑州在20日出现区域性特大暴雨，单日降水量就达到624.1 mm。全省共有15个站在20日单日降水量超过200.0 mm，46个站降水量超过100.0 mm。过程中，最大小时雨强也出现在郑州附近地区，其中郑州站最大小时雨强超过了200.0 mm·h-1，开封站最大小时雨强超过了100.0 mm·h-1，全省有57个站点最大小时雨强超过20.0 mm·h-1，12个站点最大小时雨强超过了50.0 mm·h-1(图1b)，由此可见此次强降水过程存在强度大，范围集中的特点。

此外，此次降水过程中全省共有10个站点发生了5次以上的短时强降水(小时降水量大于等于20 mm·h-1)，其中郑州、登丰和嵩山3个站在降水过程中发生了10次以上的短时强降水。以郑州站为例(图1c)，此次降水过程从7月19日开始一直持续到21日。19日郑州开始出现降水，但降水强度不大，均未超过20 mm·h-1，20日开始降水开始逐渐加强，20日06时郑州逐时降水量第一次超过20 mm。郑州强降水时段主要出现在20日14时以后，从20日16—23时，郑州站连续8个时次降水量超过20 mm，其中20日17时郑州小时降水量达到了201.9 mm·h-1超过了1975年郑州“75.8”特大暴雨的历史纪录(189.5 mm·h-1)。可以发现本次强降水过程还存在降水持续时间长，但强降水时段集中的特点。

综上，河南此次极端降水过程主要集中在郑州及其附近地区，降水持续时间长，累积降水量大，但强降水时段集中，短时强降水强度大，反映了此次降水极端性突出的特点。其中20日14时以后的短时强降水过程是造成郑州地区受灾严重的主要原因。

2 大气环流背景和影响系统分析

19日08时200 hPa高度场(图2a)上，南亚高压主体位于高原上，1 256 dagpm等高线最东端已到达95°E，最北到达34°N，同时在我国东海上有1个低压中心，河套地区附近有1个低槽。低槽和东海上空低压中心共同作用在我国中原地区形成1个高压脊，河南位于高空槽前，受高压脊控制。20日14时(图2b)南亚高压继续向东向北移动，最东端已达100°E，河套地区的高空槽加深位置少动，高压脊随之发展，河南地区依旧处于高压脊控制范围。可以看出在降水过程中，随着南亚高压的东伸北抬，河套地区低槽加深发展，河南始终位于槽前高压脊控制范围内，使得高纬度干冷空气向南入侵，造成了良好的脊上高空辐散条件，有利于低层辐合抬升对流发展。

图2 2021年7月200 hPa高度场(等值线， 单位: dagpm)和风场(风矢， 单位: m·s-1): (a)19日08时; (b)20日14时Fig.2 The distribution of 200 hPa geopotential height(contour， unit: dagpm) and wind field (vector, unit:m·s-1) in 2021 at: (a) 08∶00 BST on July 19; (b)14∶00 BST on July 20

19日08时500 hPa高度场上我国西部大陆高压位于青藏高原东部，同时副热带高压西伸，副高脊线位置偏西偏北，副高势力强盛，588 dagpm线西伸至我国吉林地区，副高南端是台风“烟花”形成的低压系统。河南位于大陆高压和西太平洋副高之间的低压区，由于副高的西伸，沿副高边缘的东南气流加强，有利于低层暖湿气流的输送。同时700 hPa风场上有气旋性风切变出现在河南南部，郑州位于东风切变北侧(图3a)。到了20日14时(图3b)，我国西部大陆高压有所减弱，但位置整体有所东移，同时副高继续加强西伸，588 dagpm线控制范围扩大，台风“烟花”也继续西移。700 hPa风场上，河南东部为偏南风控制，郑州地区东南风加强，而河南西部盛行西南风，郑州地区位于切变线附近。总之在500 hPa高度场上华北地区呈典型的“东高西低”环流型，河南处于副高和大陆高压之间的低压区，容易形成低层辐合，高层辐散的高低空配置。同时这种环流形势虽然没有典型的经向槽形成，但稳定少动，有利于降水系统的维持，使降水量有明显增强。而在低纬度西太平洋洋面上为2021年第6号台风“烟花”，活跃的热带低值系统为暴雨提供了源源不断的水汽。在700 hPa风场上，郑州地区在降水过程中始终有切变线影响。

7月19日河南省南部850 hPa风场上存在气旋性风场切变，一直维持至19日夜间，河南南部由最初的偏东风转为东南风，并在豫中地区出现东南风风速辐合。在低层925 hPa上河南省盛行偏东风，并且低层风速逐渐增大，郑州地区925 hPa风速19日08时为7 m·s-1，到了19日夜间风速增加至13 m·s-1(图略)。到了7月20日02—08时，850 hPa上河南省南部偏南风进一步加强，郑州为东南风控制，切变线北移至郑州南侧，同时郑州地区风速加大，形成低空急流区，到20日08时郑州地区850 hPa风速可达14 m·s-1(图4a—b)。低空急流区从20日白天一直持续到20日20时，且急流核中心有逐渐加强并向西移至河南与山西交界处，在14时和16时急流中心最大风速可超过20 m·s-1，14—18时郑州地区位于低空急流区入口处，风速在14 m·s-1左右，利于辐散，到了20日晚上20时，郑州地区位于低空急流核左侧，有利于对流活动的维持和发展(图4c—f)。除了850 hPa低空急流外，20日在郑州地区还出现925 hPa超低空急流，20日02时在河南中部和东部大部分地区925 hPa出现了风速超过8 m·s-1的偏东风，郑州地区风速达到10 m·s-1，一直到20日20时郑州地区925 hPa风速维持在12 m·s-1以上，在16时郑州地区925 hPa风速可以超过16 m·s-1(图4)。整个暴雨过程郑州地区存在深厚的低空急流系统，特别在低层925 hPa上郑州一直位于超低空急流核左侧，处在正切变涡度区，同时低层存在强风速辐合，对对流的触发和维持有重要作用。

图3 2021年7月500 hPa高度场(等值线， 单位: dagpm)和700 hPa风场(风矢， 单位: m·s-1)：(a)19日08时; (b)20日14时Fig.3 The distribution of 500 hPa geopotential height(contour， unit: dagpm) and 700 hPa wind field (vector, unit:m·s-1) in 2021 at: (a) 08∶00 BST on July 19; (b)14∶00 BST on July 20

图4 2021年7月20日850 hPa风场、850 hPa低空急流区(阴影， 单位: m·s-1)和925 hPa风速(等值线， 单位: m·s-1)：(a)02时;(b)08时;(c)14时;(d)16时;(e)18时; (f)20时Fig.4 The distribution of 850 hPa wind field and 850 hPa low-level jet(shaded， unit: m·s-1) and 925 hPa wind speed(contour， unit: m·s-1) on July 20， 2021 at: (a) 02∶00 BST; (b)08∶00 BST; (c)14∶00 BST; (d)16∶00 BST; (e)18∶00 BST; (f)20∶00 BST

19日14时地面图(图5a)上，豫中地区盛行偏东北风，在河南省东侧和西南侧则为偏东风和偏南风，风场在河南省南部辐合，郑州处于偏东北风控制下。到了20日早上08时(图5b)，郑州以东的平原地区盛行东风，郑州南侧为偏东南风，北侧为偏东北风，地面辐合线北移至郑州以及郑州以西的地区，郑州地区地表为偏东风。6 h后的20日14时(图5c)，地面辐合线继续北移至河南山西两省交界处，北侧偏北风加强，郑州依旧处于地面辐合线控制之下。可以看到从19日白天开始至20日晚上，暴雨区与地面辐合线有很好对应关系，并且地面辐合线从南向北移动，长时间在郑州地区附近维持，同时郑州地区盛行风向一直与地形正交，极易出现地形辐合抬升触发对流，为强降水的产生和维持提供有利的条件。

综上，在此次极端降水过程的天气形势下，200 hPa高空槽使得槽后冷空气南下有利于高空辐散同时500 hPa上副高西伸和大陆高压的稳定存在使得河南地区处于低压区，形成有利的高空辐散低空辐合的高低空配置。高层天气系统影响而诱生的低层切变线(或辐合线)也对暴雨区的产生维持以及暴雨区的位置有直接影响。

3 有利的水汽条件

北方持续性强降水的产生和维持，以及强降水的强弱主要决定于源自热带的季风水汽输送带。由于此次暴雨过程中副热带高压位置偏北，强度偏强，其南侧的台风“烟花”在偏东气流的引导下缓慢西移，在副高和台风的共同作用下副高外围偏东风加强，西太平洋洋面上空的水汽被源源不断的输送往大陆。20日是郑州地区降水最强时段， 20日整个白天，在东南风的作用下东南沿海至河南地区的水汽通道一直维持，水汽被源源不断的输送至河南。同时河南豫中地区为强水汽辐合中心，大量水汽聚集在豫中地区(图6)。异常强的水汽输送为强降水过程提供了充足的水汽条件。

图5 2021年7月19—20日地面风场、海拔高程(阴影， 单位:m)、地面辐合线位置(棕色实线): (a)19日14时;(b)20日08时;(c)20日14时Fig.5 The distribution of surface wind field and altitude (shaded， unit:m) and convergence line(brown soild line) on July 19 to 20， 2021 at: (a)14∶00 BST on July 19; (b) 08∶00 BST on July 19; (c)14∶00 BST on July 20

图6 2021年7月20日整层积分水汽通量(箭矢，单位: g·m-1·s-1×105)和水汽通量散度(阴影，单位: g·m-2·s-1): (a) 08时; (b) 14时Fig.6 Integrated water vapor flux (arrow，unit: g·m-1·s-1×105) and water vapor flux divergence(shaded， unit: g·m-2·s-1) on July 20， 2021， at: (a) 08∶00 BST; (b)14∶00 BST

4 低空急流和地形的影响

4.1 低空急流与暴雨的对应关系

低空急流与此次暴雨的产生和发展有密切关系。由郑州站(34.7°N， 113.65°E)上空垂直风廓线高度—时间剖面(图7a)可以看出,19日14时开始，郑州上空低层风速有明显增强并以偏东风为主，此时郑州开始出现降水。19日20时之后的夜间低层风速有所减弱，与郑州19日夜间与20日凌晨降水较少相对应。到了20日白天，郑州低层风速又有一个突然的增强，在20日08时郑州上空925～700 hPa风速均超过16 m·s-1，低空急流深厚，极易触发对流活动，并且低层强风速带一直持续到20日晚上，与20日郑州降水过程增强相对应。可见低空急流的发展与暴雨有很好的对应关系。

为了了解过程中低空急流的强度以及其相对于历史同期气候平均态的偏差，计算了郑州地区低空风速的标准差倍数，公式如下：

，

(1)

在20日16时暴雨过程最强烈的时刻，此时河南大部分地区低层风速相较于历史气候态偏强，郑州以西至河南山西交界处为风速异常中心，与急流中心的位置相对应，中心位置风速标准差倍数可达5σ以上。在暴雨过程中郑州地区低层风速也明显高于历史同期水平，850 hPa风速其标准差倍数为2σ以上，925 hPa上风速标准差达到了3σ(图7b—c)。

图7 郑州(34.7°N， 113.65°E)上空2021年7月18日14时—21日20时(a)垂直风廓线(单位: m·s-1)和20日16时(b) 850 hPa和(c) 925 hPa风速相对于历史气候态的标准差倍数Fig.7 Height-time profile of (a)wind profile(unit: m·s-1) from 14∶00 BST on July 18 to 20∶00 BST on July 21，2021 and standard deviation multiples of the wind speed on(b)850 hPa and (c)925 hPa at 16∶00 BST on July 20， 2021

图8 郑州(34.7°N， 113.65°E)上空2021年7月18日14时—21日20时(a)散度(单位: 10-5s-1)、(b)涡度(单位: 10-5s-1)和(c)假相当位温(单位: K)的高度—时间剖面Fig.8 Height-time profile of (a)divergence(unit: 10-5s-1)，(b)vorticity(unit: 10-5s-1) and (c)potential pseudo quivalent temperature(unit: K) in Zhengzhou(34.7°N， 113.65°E) from 14∶00 BST on July 18 to 20∶00 BST on July 21， 2021

4.2 对暴雨有利的动力结构和不稳定层结

从郑州站上空散度(图8a)和涡度(图8b)随时间的演变可以看出，在18日14时—19日14时郑州上空850～650 hPa为散度正值区。19日14时当低空急流开始发展时，郑州上空转为低层辐合高层辐散的结构，此时开始郑州地区开始出现降水，低层最大辐合中心出现在20日08时，与郑州地区低空急流最强烈的时刻对应。郑州上空低层始终维持深厚的正涡度层，并随时间发展至20日02时出现整层的正涡度柱，涡度大值中心出现在500 hPa以上区域，到了20日08时涡度大值中心下移至低层，在郑州上空相伴出现强的负散度柱和正涡度柱，对暴雨的产生和维持十分有利。

综上，850 hPa低空急流是此次暴雨过程的主要动力触发机制，当低空急流发展时，郑州地区由辐散区变为强辐合区，并且急流带来的暖湿气体在郑州附近聚集导致郑州地区低层高能高湿，变为位势不稳定层结，为暴雨的发展提供的有利的条件：层结不稳定和抬升条件，可见低空急流对本次暴雨有十分重要的作用。

4.3 低空急流在地形抬升下产生的上升气流

图9 2021年7月19—21日垂直环流(箭矢，水平风u分量与10倍垂直速度的合成)与散度(阴影，单位: 10-5s-1)沿郑州(34.7°N)的高度—经度剖面(红点为郑州所在位置): (a) 19日08时;(b) 19日14时;(c) 19日20时;(d) 20日02时; (e) 20日08时; (f) 20日14时; (g) 20日16时; (h) 20日20时; (i)21日02时Fig.9 Height-longitude cross-section of vertical circulation(arrow， synthetic circulation of both u component of horizontal wind and 10 times vertical velocity)and divergence(shaded， unit: 10-5s-1) along Zhengzhou(34.7°N) from July 19 to 20, 2021 (red dot is the location of Zhengzhou) at: (a) 08∶00 BST on 19; (b)14∶00 BST on 19;(c) 20∶00 BST on 19;(d) 02∶00 BST on 20; (e) 08∶00 BST on 20; (f) 14∶00 BST on 20; (g)16∶00 BST on 20; (h) 20∶00 BST on 20; (i)02∶00 BST on 21

沿郑州站点(34.7°N)的散度和垂直环流高度—经度剖面图表明，19日白天低层盛行偏东气流，在地形的抬升作用下在111°E东侧出现上升气流，而后上升气流移动至郑州上空。在郑州西侧111°～112°E近地面均出现强辐合中心，强度最高可达-10×10-5s-1，同时在19日白天郑州地面至700 hPa由辐散转为辐合区。19日14时，郑州西侧上空700 hPa出现负散度中心，强度为-8×10-5s-1，此时郑州地区开始出现降水(图9a—b)。到了19日20时(图9c)，地面偏东气流增强，郑州西侧700 hPa负散度中心也进一步加强，同时伴有强的上升气流和高空辐散区。从20日02时开始(图9d)，114°E以西的地区均存在较强的上升气流，并在近地面出现辐合中心，郑州上空500 hPa附近出现了强度超过-10×10-5s-1的辐合中心，400 hPa以上为强辐散中心，上升气流最强支也出现在郑州上空。到了20日早上08时(图9e)，112°E附近低层出现辐散中心，上升气流减弱转为下沉气流，而在郑州地区强辐合中心较02时下移至地面至500 hPa区域，并伴随极强的上升气流，对暴雨的发展十分有利。20日下午(图9f—g)，郑州低空强辐合中心已经减弱并转为辐散，但近地面依然存在较强的辐合。此时郑州上空依然存在较强的上升气流且随高度向东倾斜，同时整个负散度柱也从地面到高空倾斜向上发展，这可能与暴雨区上空垂直风切变增加有关，通过计算发现暴雨过程中郑州上空垂直风切变有明显增强，20日08—14时切变风速由10 m·s-1增加到23 m·s-1(图略)。20日20时开始，可以看到辐散区主要出现在郑州以东的区域，同时上升气流也主要在郑州以东的区域维持，辐合区以及上升气流均随时间变化有所加强并且出现随高度倾斜发展的特点，低层强辐合区出现在114°E以东，而郑州低空辐合区减弱，表明此时降水系统开始逐渐向东移出郑州地区转而开始影响河南东部地区(图9h—i)。

5 结论

针对2021年7月19—21日在河南省发生了罕见的极端暴雨事件。本文分析了其形成过程，并从大尺度环流形势及中尺度天气系统共同作用，以及暴雨发生时动力、热力条件等角度分析了此次降水过程的致灾机理，主要结论如下：

(1)“21.7”极端暴雨过程主要出现在郑州及其附近地区，存在累计降水量大、降水持续时间长、短时降水强度大等特点。郑州站在此次暴雨过程中累计降水量达732 mm，超过了郑州站年平均降水量，在20日17时郑州站小时降水量达到了201.9 mm·h-1，超过了河南“75.8”极端降水的历史记录。

(2)大气环流形势稳定，200 hPa低压槽有利于冷空气南下造成辐散，500 hPa副高与大陆高压对峙，使河南处于低压辐合区，高层存在有利的高空辐散低空辐合配置，加之低层切变线以及地面辐合线在郑州地区维持，稳定少动，为降水的产生以及加强提供了有利的环境场。

(3)西太平洋副高加强西伸过程中，其南侧的台风“烟花”随之西进，两者之间的东南风加强，将太平洋上的水汽源源不断的输送至河南地区，加之河南与山西交界处太行山脉的阻挡，水汽在郑州地区堆积，为强降水提供了充足的水汽条件。

(4)低空急流的发展与降水增强过程相对应，是此次强降水过程的主要触发因子。低空急流的加强在郑州地区形成正涡度柱和低层强辐合柱的动力耦合，同时与地形作用形成地形抬升造成强烈的上升运动，构成了强降水产生的动力条件，同时低空急流将水汽输送至郑州地区，郑州地区低层高能高湿，具备较强的不稳定条件，在急流的作用下极易触发对流活动。