郑州“7·20”暴雨的精细化特征及主要成因分析

任宏昌，张恒德,2

(1.国家气象中心，北京 100081； 2.中国气象局-河海大学水文气象研究联合实验室，北京 100081)

我国地处东亚季风区，汛期始于夏季风的爆发，夏季风自南向北推进过程会经历两次北跳和三次停滞，分别对应华南前汛期、江淮梅雨以及华北东北雨季。8月中旬以后，夏季风逐渐南撤，直至退出我国，汛期也逐渐结束。在夏季风充沛的水汽供应下，我国汛期暴雨频发，具有季节性强、暴雨强度和持续时间长等特征。已有研究表明，持续性的暴雨事件是造成城市内涝、洪水以及泥石流等自然灾害的最主要因素[1-5]。近年来，城市洪涝的防灾减灾问题日益受到广泛关注和高度重视，针对汛期洪涝灾害的风险评估和防控，以及城市适应环境变化和应对自然灾害能力等研究也成为重要的前沿问题[6-10]。

我国暴雨的空间分布差异较大，总体由东南向西北依次递减。其中，西南地区、江汉、江淮、江南以及华南是暴雨多发地区[11]。近几十年来，我国城市化进程迅速，城市自然水文条件发生了明显改变。城市区域下垫面不透水比例增加，雨水汇流的水力效率更高，在城市排水设施不畅的影响下，遇到短时强降水，更容易引起城市内涝，甚至人员伤亡[12]。此外，在全球变暖背景下，大城市的热岛效应、雨岛效应更加明显，降水也越来越向城区集中，许多大城市的观测站均出现了突破历史极值的暴雨事件[13]。出现在大城市的致洪暴雨造成的灾害往往更严重，如2016年7月，我国南方大部地区遭遇特大暴雨洪涝事件，武汉遭受了损失最为严重的单次灾害[14-15]，南京主要河湖水位均超历史记录[16-17]，给流域居民生命财产等造成巨大的损失。

2021年7月17—22日，河南中部和北部发生特大致洪暴雨，其中19日14时至21日8时是强降水最集中的时段，郑州、许昌、洛阳、平顶山地区出现特大暴雨，21—22日强降水中心移到河南北部。此次极端暴雨天气过程具有持续时间长、累计雨量大、降水强度极端性强等特征，导致了极为严重的洪涝灾害。其中郑州出现了历史罕见的特大暴雨(郑州“7·20”暴雨)，单日降水量和小时降水量均显著超过当地有记录以来的极值，给这座城区人口规模达到670余万人的现代特大城市带来极大损失，轨道、公路、电力及通讯等设施一度遭到中断，这场洪涝灾害也严重影响了南北铁路干线的正常运营。值得注意的是，此次造成严重城市洪涝灾害的暴雨，其高空环流特征与典型的黄淮暴雨形势[18]有着显著差异，且没有明显的中层切变和地面气旋配合。因此，本文侧重于分析郑州“7·20”暴雨降水过程的极端性、大尺度环流特征以及地形对暴雨位置和强度的影响，以期能为极端降水事件、城市暴雨洪涝灾害的预报提供参考。

1 研究资料与方法

1.1 研究资料

本文采用的地面降水观测资料来自国家气象信息中心整编的2 479个国家级气象站观测资料，时间自1951年1月至2021年7月，包括逐日降水量(北京时间8时至次日8时)、逐小时降水量、逐分钟降水量等资料。上述资料均经过国家气象信息中心的质量控制和极值检验。雷达拼图数据来源于全国天气雷达台站上传的PUP产品数据，拼图水平分辨率为0.01°×0.01°，时间分辨率为6 min。采用欧洲中期天气预报中心发布的第5代全球气候再分析资料数据集(the fifth global reanalysis，ERA-5)分析此次特大致洪暴雨的环流形式。该数据采用实时更新方式，提供1950年至今的高分辨率全球大气再分析数据，以全球网格形式发布，水平分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h。ERA-5再分析数据集的垂直方向上从1 000 hPa到1 hPa，共37层。本文采用的主要物理量包括格点位势高度场、水平风场、散度场、比湿、垂直速度场、地表气压等。

1.2 研究方法

合成分析时，逐日再分析数据物理量场与降水量的合成存在一定差异。再分析物理量场的日值数据采用当日逐24 h数据平均值，包括位势高度场、水平风场、散度场、比湿、垂直速度场等，将北京时间7月20日8时至7月21日8时，作为7月20日数据，以此类推。在分析暴雨过程时，物理量场分析采用此次暴雨过程期间(2021年7月17—22日)逐日数据的平均值。此外，对于降水数据的合成则采用累加的方式，如7月20日16—17时降水量采用16时0分至16时59分的逐分钟降水量的累加值，7月20日降水量采用7月20日8时至7月21日8时期间逐小时降水量的累加值，暴雨过程降水量则采用暴雨过程期间(2021年7月17—22日)逐日降水量的累加值。

标准化异常可有效比较不同变量的异常程度，可以更好地表示暴雨过程及环境条件的极端性，标准化异常度的表达式为

(1)

式中：D为标准化异常度；F为所分析的特定时刻的变量x(如7月20日的500 hPa位势高度)的值；σ为变量场30 a(1991—2020年)的气候标准差。

D表示变量场的异常是气候标准差的多少倍。文中以水汽通量及其散度来分析暴雨产生的水汽条件及来源，采用下式计算整层垂直积分的水汽通量矢量：

Q=Qλi+Qφj

(2)

式中：g为重力加速度；Qλ、Qφ分别为水汽通量矢量Q在纬向和经向的水汽输送通量；ps为地表气压，用于消除地形的影响；u、v为风矢量的纬向和经向分量;q为比湿。

由于大气中的水汽主要集中于对流层低层，因此本文水汽通量的整层积分指从地表到300 hPa的垂直积分。

2 “7·20”暴雨特征分析

2.1 暴雨过程时空分布特征

郑州地跨黄河、淮河两大流域，是中国洪水灾害危险程度较重区域[19]。研究[20-21]表明，近年来郑州地区年最大降水量呈增加趋势，暴雨频率与暴雨雨强也呈现逐年上升趋势，暴雨历时则呈现逐年下降趋势，表明郑州地区暴雨的极端性逐渐增强。2021年7月17—22日，河南省出现历史罕见的极端强降水事件，中部和北部地区出现暴雨或大暴雨。“7·20”暴雨降水过程持续时间长、累计雨量大。强降水中心主要位于郑州、新乡、鹤壁和安阳，有6个观测站累计降水量超过700 mm(图1(a))。此次降水过程的最强降水时段在 19—21日。其中，7月20日，位于暴雨中心的郑州市国家级气象观测站日降水量达到624.1 mm，接近郑州全年降水量，超过郑州站原日降水最大值的3倍。郑州气象观测站最大小时降水量达201.9 mm(图1(b),20日16—17时)，突破中国大陆小时降水量历史极值(198.5 mm，河南林庄，1975年8月5日)。受本次强降水的影响，郑州地区出现严重的城市内涝、一些河流出现超警戒水位，个别水库溃坝，部分铁路停运、航班取消，造成重大人员伤亡和财产损失。

2.2 暴雨的极端性

此次暴雨过程的另一特征表现为突发性极强、短时雨量极强、降水极端性突出。河南全省有7个国家级气象站1 h降水量突破建站以来小时降水量极值。过程降水落区集中在太行山东南侧和伏牛山东北侧(图1(a))，而通过分析过程累计降水量超过600 mm观测站的1 h降水量时间序列(图2)发现，河南中部伏牛山东北侧的强降水与河南北部太行山东南侧的强降水出现的时间不一致。河南北部的强降水主要集中于7月21—22日，最大小时降水量为50～80 mm，且降水呈双峰或多峰形分布，短时强降水过程存在一定的间歇期。而河南中部降水时段为7月19—20日，强降水主要集中在郑州周边。郑州站的小时降水分布呈现显著的单峰形分布，强降水时段极为集中，短时雨量极强。7月20日16—17时，郑州站1h降水量达到201.9 mm，突破我国大陆国家级气象观测站有记录以来的小时降雨量历史极值。相较而言，此前郑州站的日降水量(24 h)最大值也仅为184.1 mm。此外，此次降水过程中郑州站小时雨强的极大值呈现显著的局地性，其相邻国家级观测站最大小时雨强为50～75 mm，与郑州站的小时降水量存在显著差距。

图1 2021年7月17—22日过程累计降水量和最大小时降水量Fig.1 Process cumulative precipitation and maximum hourly precipitation from 17 to 22 July, 2021

图2 2021年7月17—22日过程降水量大于600 mm的国家级观测站逐小时降水量Fig.2 Hourly precipitation at national observation stations with total precipitation greater than 600mm from 17 to 22 July, 2021

从分钟降水情况看，7月20日清晨、上午以及午后，郑州已经间歇性出现中等强度降水，分钟降水量达到1 mm以上，但持续时间较短，为10～15 min。15时30分起，郑州地区降水量开始迅速增加，分钟降水量可达到3 mm以上。16时起，分钟降水量始终维持在3 mm以上，其中降水量极大值出现在16时38分，分钟降水量达到4.7 mm。对于我国而言，3～4 mm的降水量已经属于异常偏强的极端降水，持续时间也往往较短。而郑州最大分钟降水量可达4.7 mm，且持续时间极长。如此高强度的降水得以维持如此长时间，是历史罕见的。

分析表明，无论是日降水、小时降水还是分钟降水量，此次暴雨过程均具有很强的极端性，尤其郑州暴雨突发性强、短时雨量极大，具有明显局地性特征。因此，本文将重点分析7月20日郑州极端致洪暴雨的中尺度特征及主要成因。

2.3 暴雨过程的中尺度对流特征

从20日白天起，受低涡影响，郑州地区及其东南部上空已经出现团状对流云团，并在向西北方向移动的过程中逐渐组织化，形成中尺度对流系统。此时郑州及其周边地区呈现强回波特征，最强回波强度达到45 dBZ，降水强度开始逐渐增强。自20日12时起，郑州地区维持强回波特征的同时，在其西南方向的南阳、平顶山一带不断有新的对流单体触发，逐渐发展加强，并沿伏牛山脉向其东北方向的郑州移动。郑州上空雷达组合反射率逐渐增强，中心强度达到50 dBZ以上，降水主要集中在郑州南部及其周边地区。20日15时起(图3(a))，郑州南部的驻马店、漯河一带亦开始有对流单体新生，并不断向北发展。而南阳一带的对流云团则向东北方向移动，与漯河、驻马店方向移来的对流云团合并后向郑州地区移动，伴随着降水强度逐渐增强。16—17时，合并后的对流云团发展进一步加强，其南部生成的对流系统不断沿山脉向河南中部移动，使得强降水核心区始终停留在郑州地区。强雷达回波(45～55 dBZ)在郑州地区上空维持长达1 h，最高达到55 dBZ以上(图3(b)(c))。长时间、强回波的对流系统也为当地带来了极强的降水，小时降水量高达201.9 mm。在强盛的偏东、偏南暖湿气流影响下，对流系统不断触发新生，并沿山脉向郑州地区汇集。与此同时，新的对流单体在旧的单体后方不断生成，整个对流系统不断向北移动发展，呈现明显的列车效应。

图3 7月20日黄淮流域大于或等于10 dBZ雷达组合反射率因子拼图Fig.3 Combined pictures of radar composite reflectivity factor for Huanghuai Basin on July 20th

20日夜间起，郑州南部的驻马店、漯河一带新生的对流系统移动方向逐渐偏北，向开封方向移动。而平顶山一带的对流则逐渐减弱，不再向郑州地区补充新的对流系统。郑州地区对流结构亦逐渐松散，降水强度逐渐减弱(图3(d))。

3 “7·20”暴雨成因分析

3.1 环流背景和主要影响系统

此次致洪暴雨过程中，高、中、低纬度的多尺度系统(包括副热带高压、大陆高压、低涡、台风、低空急流)的互相配合，为暴雨提供了非常有利的环流背景。从7月20日200 hPa位势高度场可以发现(图4(a))，南亚高压呈现明显的偏强、东伸。在河套地区附近存在一个异常偏强、偏深的高空槽，河南北部呈现弱的高压脊。而在东部的黄海地区，19日起一直存在一个高空冷涡，日本海则存在异常偏强的阻塞高压脊。通常情况下，200 hPa位势高度场气流相对平直。然而此次降水过程呈现了少见的高空波列，且在强降水发生发展期间位相稳定少动。河南地区位于异常偏强的高空槽前，高空气流呈强辐散，其200 hPa散度的异常值超过气候平均标准差的4倍以上，为底层对流系统的发展提供了有利条件。对于500 hPa而言，此次降水过程前期，副热带高压异常偏强偏北，其脊线在7月15日突然北跳，并稳定维持在37°N以北，较常年平均偏北约13个纬距。7月20日500 hPa高空图显示(图4(b))，河南地区东北部为显著偏强的西太平洋副热带高压，在其南侧建立了偏东风水汽输送通道。值得注意的是，副热带高压的异常偏强偏北程度达到气候平均标准差的2倍以上。河南西北部则为异常偏强的大陆高压，在河南西部存在一个尺度较小的涡旋。与此同时，位于西北太平洋的2021年6号台风“烟花”则在不断北移加强，并于20日加强为台风级，其北部的偏东风气流同样得到加强，河南位于异常偏北偏强的副热带高压以及西北太平洋台风“烟花”之间，两者叠加的强气压梯度使得偏东风气流显著加强，为此次强降水过程提供了充沛的水汽来源。此外，位于我国南海的2021年7号台风“查帕卡”也于7月19日夜间加强至台风级，并不断向北移动。低层的850 hPa上(图4(c))，河南西部开始出现明显的气旋性切变。值得注意的是，925 hPa的环流特征图上(图4(d))，河南中部存在3支气流向郑州地区汇集，分别为南部的东南气流、东部的偏东风气流、河南北部经太行山脉阻挡后转向南的偏东北风气流。3支携带大量水汽的气流汇集在郑州地区，是此次特大致洪暴雨过程发生的重要原因。

图4 7月20日不同位势高度的风场及高度场距平Fig.4 Wind field and height field anomalies at different geopotential heights on July 20th, 2021

3.2 水汽条件

水汽对于极端强降水的发生起着至关重要的作用。造成城市洪涝的暴雨过程中，总可以观测到强水汽输送通道的存在。在有利的环流配置下，充沛的水汽沿通道被源源不断地输送到暴雨区，并在该地区辐合，使得暴雨降水强度大、持续时间长，导致城市洪涝的发生[1,22]。从整层积分的水汽通量图(图5)可以看到，此次致洪暴雨过程有2条明显的水汽通道：来自西北太平洋一直延伸到河南地区的偏东水汽、从我国南海自南向北延伸到河南地区的偏南水汽。由于副热带高压偏强偏北，其南缘的偏东气流与台风“烟花”北侧的偏东气流相叠加，建立了一条非常强的自东向西水汽输送通道，将西北太平洋的水汽源源不断地输送到河南地区。此外，我国南海台风“查帕卡”加强至台风级，并不断向北逼近我国广东。在“查帕卡”和强而深厚的西南季风的共同作用下，一条自南向北的水汽通道亦建立起来，将南方的水汽持续向北输送至河南地区。2条水汽通道在河南地区辐合，使得河南中东部地区的水汽通量平均可达600 kg/(m·s)以上，偏离气候态超过3个标准差。作为对比，同期该地区水汽输送的气候态则仅为300 kg/( m·s)左右，表明在多个大尺度系统的共同影响下，郑州地区的水汽输送异常强盛，具备了极为有利的暴雨发生条件。

图5 7月20日水汽通量Fig.5 Moisture flux on July 20th, 2021

从水汽通量及其散度的时间演变(图6)可以更清晰地看出，7月17—18日，已经有来自西北太平洋和南海的水汽向河南东部输送。但由于台风“烟花”与“查帕卡”位置均偏南，水汽在河南东部呈自南向北输送，水汽通道并未完全建立，且不利于地形抬升。7月19—20日，随着台风“烟花”与“查帕卡”的不断加强并北移，来自西太平洋和南海的水汽输送显著增强，建立起2条清晰的水汽通道，并在河南中部和北部形成强烈的水汽辐合，19日起，郑州地区的水汽通量散度异常超过3个标准差，而20日更是达到5个标准差以上，水汽通量散度的极端性比水汽通量本身更强。此外，从环流形势上看，19—20日台风“烟花”有着明显的西移，而“查帕卡”亦有向北的移动，在增强水汽输送的同时，也有利于对流系统长时间维持在同一地区。郑州地区长时间、高强度的水汽辐合，是此次强降水过程持续时间长、降水强度大的重要原因。

图6 7月17—20日水汽通量及其散度Fig.6 Moisture flux and its divergence from 17 to 20 July, 2021

3.3 地形对致洪暴雨的增幅作用

综上，大尺度环流背景非常有利于强降水的发生、发展，并且暴雨区具备极为充沛的水汽。然而，郑州地区的短时强降水呈现明显的局地性，小时降水量显著高于周边地区，这与地形的增幅作用有着密切关联。郑州地区地形地貌比较复杂，横跨我国第二级和第三级地貌台阶，由中山、低山、丘陵过渡到平原，山区丘陵与平原分界明显[23]。已有研究表明，太行山脉等地形，对华北暴雨强度及中心位置有着显著的影响，且对垂直运动和水汽辐合有明显增幅作用[24-25]。7月20日强降水长时间维持在郑州城区上空，与郑州周边伏牛山脉、嵩山山脉、太行山山脉的叠加影响有着密切的关联。如图7所示，郑州地区位于伏牛山、嵩山的东北方向，太行山脉以南。河南东部存在一支强的偏东风急流，使得水汽向郑州地区不断汇集，最远到达郑州西部的嵩山山脉。而这支偏东风急流的北部在遇到太行山脉时，受地形的阻挡而向南偏转，仍然汇向郑州地区。与此同时，郑州南部也存在一支沿伏牛山脉北上偏南风气流。郑州地区南部、东部、北部均有显著的低空气流流入，而西部为山脉所阻挡，为暴雨区的上升运动、水汽辐合提供了非常有利的条件。

图7 河南地区地形高度150 m以上区域及7月20日925 hPa高度风场Fig.7 Topography near Henan Province and wind field at 925 hPa on July 20th, 2021

由图8(图中灰色为地形高度)可知，在暴雨区东侧，对流层中低层有着深厚的东风急流，垂直上升运动主要集中在111°E～115°E之间，山脉迎风坡上空对流层整层均维持强上升运动。并且，其东侧的平原地区也维持非常强的上升运动，一直延伸到约115°E，郑州地区(113.39°E)处于上升运动最强烈的区域附近。从水平风场来看，郑州地区上空850 hPa以下呈现非常强的水平风场辐合，而在稳定的环流配置下，850 hPa以上呈现强的水平辐散，为暴雨的发展提供了非常有利的条件。暴雨区南侧，925 hPa以上直至对流层顶，均呈现持续稳定的偏南风。偏南风气流经过郑州南部迎风坡一定程度的地形抬升后(31°N附近)，南风分量和上升运动迅速加强。在接近暴雨区后，上升运动发展更为强烈，郑州(34.42°N)和嵩山山脉上空呈现强的上升运动和低层辐合。此外，高空700 hPa以上同样具备较好的辐散条件。在偏南气流到达更北部的太行山时，上升运动再次得到加强，出现另一个中低层的水平辐合中心。

图8 7月20日郑州地区水平和垂直运动及水平运动散度Fig.8 Horiz ontal and vertical movements, and horizontal divergence of wind field in Zhengzhou area on July 20th, 2021

综上所述，在稳定的环流形势下，携带大量水汽的偏东气流和偏南气流在河南中部交汇。暴雨的上升运动通常是中尺度的，而此次过程中，暴雨区附近较大范围地区出现强的上升运动，其中郑州地区北部、西部和南部地形起到了重要的阻挡和抬升作用，使得郑州处于上升运动和低层辐合最强烈的区域。低空850～700 hPa的垂直速度极端性显著，最大可偏离气候态8个标准差以上，表明动力抬升条件的极端性较水汽条件更加显著。在高层异常强的辐散条件配合下，最强暴雨出现在了这一区域，表明郑州地区北部、西部和南部的地形对于极端强降水的增幅起到了关键作用。

4 结 论

a.郑州“7·20”暴雨过程，高层环流系统稳定少动，暴雨区位于高空槽前，上空呈强辐散，为低层的辐合上升提供了有利条件。中层副热带高压和台风“烟花”之间强的气压梯度增强了位于两者之间的偏东气流，与南海台风“查帕卡”和西南季风之间的偏南气流同时汇入郑州地区。在上述环流背景下，郑州上空回波发展旺盛，且有来自西南、东南方向的对流性回波不断向暴雨区汇聚而来，呈现明显的“列车效应”，使得强降水长时间维持在郑州上空。

b.郑州“7·20”暴雨的直接原因之一是极端的水汽条件。在副热带高压、台风“烟花”以及台风“查帕卡”的共同作用下，暴雨区的整层水汽通量远超气候平均值，异常程度达3个标准差以上。而暴雨区的水汽通量散度异常程度更为显著，水汽辐合异常达到5个标准差以上，使得暴雨区具备极为充沛的水汽条件。

c.地形对郑州“7·20”暴雨起到了重要增幅作用。在伏牛山、嵩山、太行山等地形的阻挡和抬升作用下，暴雨区具备强烈的低层水平风场的辐合和上升运动条件。郑州周边地形对暴雨位置的稳定维持，以及降水量的增幅起到了重要作用。

本文对郑州“7·20”暴雨的精细化特征及主要成因进行了分析。然而，仍需针对致洪暴雨的中尺度涡旋发生发展机制、短时强降水发生的云物理机制等进行深入研究。此外，复杂地形下对流系统是如何触发和发展的、不同地形高度对于降水增幅的物理机制和增幅程度等问题，也尚需进一步探索。