近海台风对“21·7”河南极端暴雨过程水汽通量和动、热力条件影响的模拟

饶晨泓 毕鑫鑫 陈光华 喻自凤

1 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室, 北京 100029

2 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,南京 210044

3 中国科学院大学, 北京 100049

4 中国气象局上海台风研究所, 上海 200032

1 引言

暴雨是影响我国主要的气象灾害之一，通常会给当地造成严重的经济损失和人员伤亡。陶诗言（1980）系统地阐述了中国暴雨的特点、多尺度系统与暴雨的关系及暴雨发生时的大尺度环流背景等关键性问题。近年来随着观测技术的提高和数值模式的发展，众多学者对暴雨发生的物理机制和中小尺度动力过程有了更深入的研究（丁一汇, 1994; 高守亭等, 2003; 赵思雄和孙建华, 2013）。

台风是我国暴雨形成的强烈天气系统，主要体现在直接影响和间接影响两个方面。台风眼墙和内外雨带通常会造成强烈的降水，即台风自身的降水可 直 接 导 致 暴 雨（Takahashi and Kawano, 1998;Lonfat et al., 2007）。另外，台风能够与其他天气系统相互作用，在距离台风中心较远的地方产生间接降水（Bosart and Carr, 1978; Ross and Kurihara,1995）。例如，Wang et al.（2009）通过数值模拟试验证明，台风Songda（0419）外围环流中水汽的向北输送是日本产生强降水的主要原因；孙建华等（2005）将20世纪90年代华北夏季大暴雨分为5类，对这5类大暴雨发生的天气形势的分析强调了热带气旋（即台风）和低涡是重要的影响系统，并指出台风与中纬度系统相互作用对暴雨的增幅具有重要的作用。副热带高压（简称副高）是重要的中纬度系统之一，已有研究表明，当台风与北部的副高接近时，台风与副高之间的气压梯度迅速增加，将形成一支很强的东风气流或低空急流，有利于向暴雨区输送水汽（陶诗言, 1980; Schumacher et al.,2011; Schumacher and Galarneau, 2012）。任素玲等（2007）发现西行台风在移动过程中会在其西北方向激发出正变高，使副高加强西伸，从而改变内陆水汽分布。Wen et al.（2015）通过数值模拟结果显示台风“Vincent”（1208）强度增强时，副高明显东移，有利于东南水汽通道向北延伸，为北京暴雨区带来更多的水汽；而当台风强度减弱或移除时，副高西伸，不利于水汽通道向北延伸。陈淑琴等（2021）的研究表明，台风“山竹”（1822）与副高之间形成的偏南低空急流是造成我国长三角地区强降水的主要原因。

河南省的地理位置特殊，周围影响系统和地形条件均比较复杂，历史上发生过多次严重的极端暴雨事件（“58.7”暴雨研究组, 1987; “75.8”暴雨会 战 组, 1997a, 1997b; 李 泽 椿, 2015; 赵 培 娟 等,2019）。丁一汇（2015）在对河南“75.8”暴雨的研究回顾总结中指出，“7503”号台风深入内陆后停滞少动，强度维持不消直接造成了极端暴雨的发生。2021年7月河南省再次经历了一次超历史记录的暴雨过程（简称“21·7”河南极端暴雨），目前已有研究从动力、热力、水汽和大气环流的角度对本次极端暴雨事件进行分析，研究结果初步表明，大气环流形势稳定、水汽和能量供给充足、地形作用明显以及对流系统不断向降水区积聚、合并及停滞是此次暴雨的基本成因（冉令坤等, 2021; 苏爱芳等, 2021; 张霞等, 2021; Zhang et al., 2022）。位于西太平洋（简称西太）的台风“烟花”和南海台风“查帕卡”同时存在于极端降水爆发的时段，它们对大尺度环流结构配置和低纬水汽输送具有怎样的贡献？这将是本研究的关注点。

考虑到以往对河南极端强降水的研究大多数停留在观测和诊断分析层面，或涉及的多是造成直接影响的登陆台风案例。因此，本文将通过开展数值试验深入探究两个台风对“21·7”河南极端暴雨的影响，对比移除台风的敏感性试验结果，并分别阐释台风“烟花”和“查帕卡”在此次“21·7”河南极端暴雨过程中水汽、动力和热力条件方面的贡献。期望本研究能加深对此次极端降水事件的认识，同时为未来此类极端天气的研究和预报工作提供一定的参考。

2 数值模拟方案及效果

2.1 资料介绍

本研究主要使用了以下相关资料：（1）欧洲中尺度天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，简称ECMWF）提供的第五代逐小时高分辨率再分析资料（ERA5，https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysisdatasets/era5 [2021-12-25]），水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向上共38层，最高可达1 hPa，包含地面层和气压层的多个大气环境变量。（2）中国气象局（China Meteorological Administration，简称CMA）提供的国家基本站逐小时降水观测资料以及台风“烟花”和“查帕卡”业务观测的每3 h中心位置和强度资料。

2.2 模式方案简介

本 文 使 用WRF（Weather Research and Forecasting, Version 3.6.1）模式来模拟台风“烟花”和台风“查帕卡”的移动发展过程，以及“21·7”河南极端暴雨演变过程，并使用逐小时的ERA再分析资料形成模式初始场和边界条件。该模拟使用2层双向嵌套网格，分辨率为27 km和9 km，格点数分别为316×256和502×388，垂直积分45层，最高到10 hPa。同时，模拟采用了WSM 6类冰雹微物理方案，YSU（Yonsei University）边界层参数化方案，RRTM长波辐射方案，Dudhia短波辐射方案，Monin-Obukhov近地面层方案和热量扩散陆面过程方案等，在模式最外层网格采用了Betts-Miller-Janjic积云参数化方案。模式从2021年7月19日08时（北京时，下同）启动，至21日20时结束，共积分60个小时。由于ERA资料中台风“烟花”的中心位置与CMA提供的业务观测中心存在一定偏差，并且在初始场中强度较弱，因此首先对模式初始时刻的台风强度进行了Bogus增强，然后以CMA观测的台风中心为准进行了重定位。

2.3 试验设计及方法介绍

为了深入研究台风“烟花”和“查帕卡”对“21·7”河南极端暴雨事件的贡献，除CTL试验外，本文还设计了3组敏感性试验分别讨论移除台风“烟花”（NOINFA），移除台风“查帕卡”（NOCEM）和同时移除两个台风（NO2TCs）之后对暴雨发展过程的改变及影响机制的差异。与以往 研 究（Sun and Barros, 2012; McFarquhar et al.,2012; Chen, 2013）类 似，主 要 通 过Kurihara et al.（1993, 1995）提出的从大尺度环流场中分解并移除掉台风相关非对称环流分量的方法，对模式初始时刻的风场、温度场、位势高度场、气压场以及湿度场进行相应地修改。该方法的基本步骤如下：（1）采用平滑算法将原始场分解为基本场（hB）和扰动场（hD）；（2）根据低层扰动风在各径向上切向分量的大小确定台风半径rf(θ)，然后对hD做柱形滤波分离出台风涡旋环流（hav），剩余场即为非台风分量场（hD−hav）；（3）将扰动场中的非台风分量场叠加上基本场即可得到去除台风涡旋后的环境场[hE=hB+（hD−hav）]。通过此方法能有效地从大尺度环境场中识别出台风的非对称性环流结构，从而达到滤除台风系统贡献的目的。然而，Arakane and Hsu（2020）研究提及该方法也存在两方面的局限：（1）在识别和分离时未精确考量到台风倾斜的垂直结构特性；（2）未单独考虑移除的台风环流场和剩余场的动力平衡问题。图1给出了三组敏感性试验初始环流场修改前后的变化情况。不难发现，与台风“烟花”和“查帕卡”相关的非对称风场和位势高度场均有效地从大尺度环流中被识别出并移除，且模式初始场的动、热力和水汽分布都进行了相应的调整。

3 天气过程概况

2021年7月17～22日，河南出现历史罕见的极端暴雨，过程最大累计降水量达1122.6 mm，此期间郑州气象站最大小时降雨量高达201.9 mm，突破中国大陆小时降雨量历史峰值。19～21日是本次强降水过程最为集中的时间段，7月19日08时至20日08时，强降水主要分布在以郑州为中心的豫中地区；20日08时至21日08时，强降水仍主要分布在豫中地区，但强度和范围相比于前24 h明显增加；21日08时之后，豫中强降水趋于减弱，强降水中心移至豫北。

本文选取的研究时段为2021年7月19日08时至21日20时，即为“21·7”河南极端降水事件爆发并伴随着两个近海台风活跃的阶段。期间，台风“烟花”的移动路径以偏西行为主，西移过程中强度不断增加，于21日11时达到强台风级别，至21日20时一直维持强台风级别，中心最低气压为955 hPa，中心附近最大风速达14级（42 m s−1）。同时，台风“烟花”在研究时段内移速缓慢，19日11时至20日02时期间稳定少动。另一个南海台风“查帕卡”在19日08时升级为热带风暴并维持西北向移动，于20日21时50分在广东江阳登陆，登陆时强度达到台风级别，中心附近最大风力达12级（33 m s−1），中心最低气压为978 hPa。登陆后继续西北行进入我国广西省。

从环流形势的气候态距平场（图2）来看，2021年7月19日08时至21日20时河南暴雨期间，西太副高的平均位置异常偏西偏北，洋面上存在两个显著的气旋性低压环流距平，分别对应西太台风“烟花”和较弱的南海台风“查帕卡”。台风“烟花”和北侧副高之间的等高线密集，受气压梯度力影响，两者之间偏东风距平增强。结合925 hPa水汽通量距平可见，有明显强于气候态的水汽输送至内陆地区，东南风水汽通量距平沿台风“烟花”和副高之间的急流区一直向西延伸至河南，并在有利的地形条件配合下导致大量水汽在局地累积，为极端暴雨的爆发和维持提供了有利条件。

图2 2021年7月19日08时至21日20时平均的500 hPa位势高度场（等值线，单位：gpm）和距平场（阴影，单位：gpm）、925 hPa水汽通量距平（矢量，单位：20 g s−1 cm−1 hPa−1）。参考气候态为1981～2010年7月均值；深蓝色边框表示河南省省界，黑色圆点表示郑州，红色和橙色台风标志表示此时段内台风“烟花”和“查帕卡”中心的平均位置，下同Fig. 2 Mean geopotential height (contours, units: gpm), climatological geopotential height anomalies (shadings, units: gpm) at 500 hPa, and 925-hPa moisture flux anomalies (vectors, units: 20 g s−1 cm−1 hPa−1)from 0800 BJT 19 to 2000 BJT 21 July 2021. The reference climate state is the mean in July from 1981 to 2010. The navy border and black dot represent the province boundary of Henan Province and the position of Zhengzhou station. The red and orange typhoon symbols denote the averaged center positions for typhoons In-Fa and Cempaka,respectively, the same below

4 控制试验结果验证

4.1 路径强度对比

图3给出台风“烟花”在实况和CTL试验中路径、中心附近最低气压和最大风速的对比情况。CTL试验模拟的中心位置、移向和移速总体上与实况比较接近（图3a）。台风“烟花”在前30 h模拟和观测的路径基本吻合；移向变化也得到很好地模拟，台风中心在20日14时呈现出向西偏折，与实况移动特征一致；移速在模拟后期较实况偏快，路径因此也偏西偏北1°左右。强度模拟方面，CTL试验的台风中心附近最大风速和最低气压的变化趋势均与实况大致吻合（图3b），整个过程的平均误差在4 m s−1和5 hPa左右。南海台风“查帕卡”本身环流较弱、移动不明显，模拟的强度和路径与实况基本吻合（图略）。此外，由于模拟前6 h模式经历spin up过程，且CTL试验的路径在最后12 h偏西偏北较多，后续研究仅关注2021年7月19日14时至21日08时段，也对应河南极端降水发生时段。

图3 台风“烟花”实况（CMA，黑线）和模拟（红线：CTL；蓝线：NOCEM）的（a）路径以及（b）强度（实线：中心最低气压；虚线：近地面最大风速）。图a中曲线上的四位数字的前两位表示日期，后两位表示时刻，如2108表示2021年7月21日08时Fig. 3 (a) Track and (b) intensity of the observed [CMA (China Meteorological Administration), black line] and simulated (red line for CTL experiment and blue line for NOCEM experiment) results for typhoon In-Fa. In Fig. a, the first two numbers in curve represent the date, and the last two numbers represent the hour, for example, 2108 denotes 0800 BJT 21 July 2021. In Fig. b, the minimum sea level pressure (SLP) and maximum wind represent the typhoons intensity plotted by solid and dashed line

4.2 环流形势对比

通过对比不同时刻模拟区域内再分析数据和CTL试验的大尺度环流场及湿度场可知，20日08时（图4a、b），再分析场的西太副高边缘（以5880 gpm为准）与台风“烟花”外围环流相接；CTL试验显示副高西侧边缘位于118°E左右，相对于观测略有西伸；位势高度大值区范围也较观测稍有扩大。20日20时（图4c、d），再分析场的副高西伸增强，CTL试验也有类似的特征，但模拟的副高系统在“烟花”西侧有小部分环流南落。此外，CTL试验对于低纬的西南季风、台风“烟花”和副高之间的强东风气流、台风“查帕卡”的外围环流以及大尺度的低层比湿分布给出了合理的模拟效果。

图4 D01区域（a、c）再分析数据和（b、d）CTL试验的850 hPa风场（矢量，单位：m s−1）、比湿场（阴影，单位：g kg−1）和500 hPa位势高度场（等值线，单位：gpm）分布：（a、b）2021年7月20日08时；（c、d）2021年7月20日20时。图b中蓝色矩形框区域表示D02模拟区域Fig. 4 Wind (vectors, units: m s−1), specific humidity (shadings, units: g kg−1) at 850 hPa, and 500-hPa geopotential height (contours, units: gpm) in(a, c) the reanalysis data and (b, d) CTL experimental results over region D01 (Domain 01): (a, b) 0800 BJT 20 July 2021; (c, d) 2000 BJT 20 July 2021. The region of D02 (Domain 02) is represented by the blue rectangle in Fig. b

4.3 降水分布对比

图5a、b分别给出实况和CTL试验在19日14时至21日08时累计降水分布情况。实况和CTL试验的主要降水落区都位于河南中部及北部，呈现出南—北向降水分布型；累计降水极大值出现在郑州站西侧，实况在此时段内的降水极值为798 mm，模拟较实况仅偏强5.6 mm。此外，实况显示累计降水超过400 mm的强降水区集中分布于省会郑州市，在CTL试验中该强降水区不仅分布于郑州市，还分布于平顶山市的北部。结合河南强降水区逐3 h累计降水的时间演变（图5c）来看，CTL试验和实况降雨率的变化趋势基本一致，但降雨量整体偏小。综上所述，CTL试验对研究时段内台风的移动路径和强度、大尺度环流配置和湿度场的演变、河南暴雨的强度和空间分布型特征都做出了较为合理的模拟，为进一步的敏感性试验分析奠定可靠的基础。

5 敏感性试验结果分析

5.1 降水分布对比

图6给出移除台风“烟花”、移除台风“查帕卡”和同时移除这两个台风环流后河南地区19日14时至21日08时累计降水的分布情况。首先，与CTL试验（图5b）相比，NOINFA（图6a）的主要降水区呈现明显的横向发展，降水分布型由南—北向转为东—西向；河南强降水区研究时段内的区域平均累计降水强度由CTL试验的108.14 mm降为105.35 mm；原本位于郑州市的强降水区明显减弱东移。其次，NOCEM（图6b）与CTL试验结果相比，降水分布型仍为南—北型，但平顶山市（太行山脉东麓迎风坡一侧）的降水强度下降（增强），总体降水强度变化不大。最后，同时移除两个台风环流后（图6c），主要降水落区集中在太行山脉东麓，降水极值和平均降水强度都较CTL试验有所减弱。

图5 2021年7月19日14时至21日08时河南地区（a）实况和（b）CTL试验累计降水量分布，（c）实况（黑色）和CTL试验（红色）河南强降水区区域平均的逐3 h累计降水量时间演变。图a、b中黑色虚线矩形框区域代表强降水区（33°～37°N，111°～115°E），黑色三角形代表郑州站Fig. 5 Accumulated precipitation distribution of (a) the observed and (b) CTL experiment over Henan area, (c) time series of the observed (black bars and line) and CTL experiment (red bars and line) for 3-h accumulated precipitation averaged over the heavy rainfall area of Henan from 1400 BJT 19 July to 0800 BJT 21 July 2021. In Figs. a, b, the black dashed rectangle denotes the heavy rainfall area (33°–37°N, 111°–115°E), black triangles represent the location of Zhengzhou station

图6 （a）NOINFA试验、（b）NOCEM试验和（c）NO2TCs试验的河南地区42 h（2021年7月19日14时至21日08时）累计降水量分布Fig. 6 Simulated 42-h (from 1400 BJT 19 July to 0800 BJT 21 July 2021) accumulated precipitation from (a) NOINFA, (b) NOCEM, and (c) NO2TC experiments over Henan area

经过后续对NO2TCs试验的大尺度环流场、水汽条件以及动、热力条件的多方面分析发现（图略），在初始时刻同时移除两个台风后，河南地区主要受到副高、西南季风等大尺度环流系统的影响。结合前人研究（苏爱芳等, 2021; 张霞等, 2021），该组试验显示的河南降水可能与地形条件及大尺度环流系统密切相关，而非单独移除两个台风后影响机制的线性叠加，这与本研究所关心的台风对极端暴雨过程的影响机制不同。因此，接下来只针对单独移除台风“烟花”和“查帕卡”的情况进行分析和讨论。

5.2 天气形势调整

相对于CTL试验（图7a、b）而言，移除不同的台风自身环境场后，大尺度环流场及其演变有不同程度的调整。在NOINFA试验中，20日08时（图7c），副高明显南压（参考“烟花”北侧的5880 gpm），台风“烟花”和北侧副高之间伸向河南的低空东风急流被偏弱的东南风气流取代；同时，位于副高南侧的干冷气团向西移动减缓。20日20时（图7d），副高环流在25°N左右逐渐西伸，在河南东南侧表现为一条广阔的东南风急流带，而河南南侧受南压副高的影响，偏南风减弱。由于台风“查帕卡”的环流尺度较小，因此移除“查帕卡”后，一方面对大尺度环流形势的影响较小；另一方面对台风“烟花”的强度和路径影响较小（图3蓝线），导致低纬西南季风和“烟花”外围环流的发展得以维持，低空东风急流基本与CTL试验类似（图7e）。20日20时（图7f），副高和“烟花”共同向西发展，两者之间的东风急流带依旧延伸进河南东部，但在河南南侧由于缺少“查帕卡”外围环流的配合，偏南风气流较CTL试验略有减弱。整个过程中副高南侧的干冷空气几乎未受影响。总之，移除台风“烟花”对河南降水区的天气形势产生了较大的影响，而移除台风“查帕卡”对其产生的影响则较小。

5.3 水汽输送条件

以往众多研究指出，海上台风在有利的环流形势发展下往往会通过持续的水汽输送给内陆地区带来显著的暴雨增幅（丁一汇等, 1978; 孙建华等,2006; Wang et al., 2009; 丁一汇, 2015）。由前文的初步分析可知，移除台风环流后，与水汽输送密切相关的环流形势发生了不同程度的调整（图7），河南的降水分布和降水量相应地也有较大的改变（图5b、图6）。因此，本小节将深入探讨移除台风环流之后，河南周围水汽通量输送的不同特征以及对降水强度和分布造成的影响。

首先，通过CTL试验整层（1000～450 hPa）水汽通量积分、低层水汽通量散度（图8）可知，20日08时，在低纬西南季风、南海台风“查帕卡”、西太台风“烟花”和副高系统的共同引导下，河南东侧和南侧的水汽入流为河南地区提供了源源不断的水汽，加之局地辐合条件的配合，有利于河南地区产生降雨（图8a）。20日20时（图8b），随着“烟花”和副高西移增强，它们之间的东风急流一部分向河南东侧输送水汽，另一部分沿副高西南边界转为南风急流后向河南南侧输送水汽。此外，台风“查帕卡”的近海登陆也有利于河南南侧水汽入流的增强。

移除“烟花”环流之后（图8c），副高明显南压，南侧边界至25°N附近，低纬西南季风和副高南侧的弱东南风继续为河南地区提供可观的水汽供应。随着副高西伸（图8d），河南东侧的水汽输送继续增强，在郑州南侧及太行山脉东侧有强烈的低层水汽通量辐合，有利于NOINFA试验里河南强降水区呈东—西向分布的形成（图6a）。移除环流尺度较小的台风“查帕卡”之后（图8e、f），对整体的环流场影响较小，在“烟花”和北侧副高系统的稳定配合下，降水分布型与CTL试验相似。但是河南南侧的水汽流入略有减弱，因此NOCEM试验的累计降水量略小于CTL试验。

接下来选取图8a中纬向（矩形ABCD）和经向（矩形AEFG）的水汽输送通道作为剖面，进一步探讨台风“烟花”和“查帕卡”对河南强降水区水汽输送的贡献。由CTL试验的纬向剖面可知，20日08时（图9a），水汽在深厚的偏东风气流的引导下自东向西输送，至125°E左右转为东南气流后向河南地区输送。河南强降水区呈现出强烈的辐合（图略），促进上升运动的发展和大气不稳定能量的聚集，加之水汽条件充沛，有利于降水的产生。20日20时（图9d），河南强降水区低层的水汽通量值明显增加，配合上升运动的发展，维持着有利于降水产生的条件。相较于CTL试验而言，移除“烟花”环流后（图9b、e），副高西伸南压，河南强降水区东侧上空主要为东南气流，且强度减弱。差值场（图9c、f）的结果显示，河南强降水区东侧的水汽通量值有所增加，这是因为虽然台风“烟花”被移除，但是来自热带的暖湿水汽仍会受南压副高的影响向河南强降水区补给水汽，部分地弥补了因移除“烟花”而减少的水汽输送，所以NOINFA试验中河南降水总量虽有减弱但并不十分显著。此外，降雨区范围内存在一定程度的散度正异常和北风、东风异常相配合，一方面表征着NOINFA试验低层辐合有所削弱，从而造成降水强度不及CTL试验；另一方面表征河南地区700 hPa以下的南风分量减小、东风分量增强，有利于降水分布型由南—北向转变为东—西向。

图8 2021年7月20日08时（左）、20时（右）（a、b）CTL试验、（c、d）NOINFA试验和（e、f）NOCEM试验的整层（1000～450 hPa）水汽通量矢量（箭头）和大小（阴影，单位：102 kg m−1 s−1）、河南地区800 hPa水汽辐合（粉色等值线，从−40×10−7 kg m−2 s−1 hPa−1开始，每20×10−7 kg m−2 s−1 hPa−1递增）以及副高位置（5880 gpm黑色等值线）。圆点表示郑州站位置；图a中深蓝色虚线框区域ABCD和AEFG分别为下文研究所指的纬向和经向剖面区域Fig. 8 Horizontal distribution of the deep-layer averaged (1000–450 hPa) water vapor flux vector (arrows) and magnitude (shadings, units: 102 kg m−1 s−1), 800-hPa water vapor flux convergence (pink contours, increase from −40×10−7 kg m−2 s−1 hPa−1 with a spacing of 20×10−7 kg m−2 s−1 hPa−1) in Henan area, and position of subtropical high (5880-gpm black contours) of the (a, b) CTL, (c, d) NOINFA, and (e, f) NOCEM experiments at 0800 BJT July 2021 (left), 2000 BJT July 2021 (right). The dots represent Zhengzhou station. In Fig. a, the navy dashed boxes (ABCD and AEFG) area give the after-mentioned cross sections

由CTL试验的经向剖面（图9g、j）可知，大量水汽主要是通过低层偏南风气流和偏东风气流向河南强降水区输送，并在35°N附近产生强辐合并在对流层中低层堆积，这是造成以郑州市为中心持续性暴雨发生的原因之一。移除“烟花”环流后（图9h、k），河南强降水区及其南侧南风分量减弱、东风分量增强，差值场（图9i、l）更加明显地反映了以上的变化特征。总的来说，移除“烟花”环流后，纬向和经向水汽输送通道都会对河南强降水区产生影响，主要表现为南风分量减弱，东风分量增强，降水分布由南—北向转变为东—西向。差值场（图9i、l）显示河南强降水区北部的水汽通量存在明显的正差值，这与这两个时刻受到较强的来自热带地区的暖湿水汽的补给有关，但是正的水汽通量差值区基本对应着辐合减弱，因此这些区域并不十分利于强降水的发生、发展。

图9 2021年7月20日（a–c）08时、（d–f）20时垂直水汽通量值（阴影, 单位：g s−1 cm−1 hPa−1）的垂直—纬向（对矩形ABCD进行经向平均）分布：（a、d）CTL试验；（b、e）NOINFA试验；（c、f）NOINFA试验与CTL试验的差值场。（g–l）同（a–f），但为对矩形AEFG进行纬向平均后得到的垂直—经向分布。风矢量（单位：m s−1）是水平风场随高度的分布，红色矩形表示河南强降水区（33°～37°N,111°～115°E）Fig. 9 Vertical–zonal (meridional averaging of rectangle ABCD) distribution of vertical water vapor flux magnitude (shadings, units: g s−1 cm−1 hPa−1) at (a–c) 0800 BJT 20 July and (d–f) 2000 BJT 20 July 2021: (a, d) CTL experiment; (b, e) NOINFA experiment; (c, f) differences between NOINFA experiment and CTL experiment. (g–l) As in (a–f), but for the vertical–meridional (zonal averaging of rectangle AEFG) distributions. The wind vectors (units: m s−1) represent the distribution of horizontal winds with height, and the red rectangles denote the heavy rainfall area (33°–37°N,111°–115°E) in Henan area

移除台风“查帕卡”环流之后，NOCEM试验纬向剖面（图10a、c）的水汽通量值和CTL试验（图9a、d）基本一致；河南强降水区的南风和低层辐合略有减弱，但不及NOINFA试验（图略）带来的影响，对降水强度和分布的影响较小。NOCEM试验的经向剖面（图10e、g）的特征主要表现为河南强降水区水汽通量值减弱和南风分量减弱。总的来说，台风“查帕卡”主要通过向河南强降水区南侧输送水汽从而对本次暴雨过程产生影响，但是影响程度较弱，且对降水分布型影响不大。

图10 2021年7月20日（a、b）08时、（c、d）20时垂直水汽通量值（阴影, 单位：g s−1 cm−1 hPa−1）的垂直—纬向（对矩形ABCD进行经向平均）分布：（a、c）NOCEM试验；（b、d）NOCEM试验与CTL试验的差值场。（e–h）同（a–d），但为对矩形AEFG进行纬向平均后得到的垂直—经向分布。风矢量（单位：m s−1）是水平风场随高度的分布，红色矩形表示河南强降水区（33°～37°N, 111°～115°E）Fig. 10 Vertical–zonal (meridional averaging of rectangle ABCD) distribution of vertical water vapor flux magnitude (shadings, units: g s−1 cm−1 hPa−1) at (a, b) 0800 BJT 20 July and (c, d) 2000 BJT 20 July 2021: (a, c) NOCEM experiment; (b, d) differences between NOCEM experiment and CTL experiment. (e–h) As in (a–d), but for the vertical–meridional (zonal averaging of rectangle AEFG) distributions. The wind vectors (units: m s−1)represent the distribution of horizontal winds with height, and the red rectangles denote the heavy rainfall area (33°–37°N, 111°–115°E) in Henan area

为了进一步定量比较不同试验中到达河南强降水区各侧面的水汽收支情况，图11分别给出了河南东、南、西、北四个侧面平均的整层水汽通量值以及净水汽收支的时间演变。其中，东面和南面为河南强降水区的水汽流入的通道，两者的水汽输送大部分时间维持在较强的10×107kg s−1～20×107kg s−1（图11a、b）。对于NOINFA试验而言，从河南地区南侧流入的水汽通量值始终比CTL少，这与移除“烟花”后，河南强降水区南风减弱有关；20日12时左右，NOINFA试验的河南强降水区东侧水汽入流超过CTL试验，东面入流的增强与主要水汽输送通道及强降水区呈东—西向分布的特征相对应。NOCEM试验的结果显示，来自东面和南面的平均水汽通量值都略小于CTL试验，这说明移除“查帕卡”环流对河南强降水区的水汽供应变化影响较小，与前文的累计降水分布特征（图6b）保持一致。

图11 河南强降水区CTL试验、NOINFA试验、NOCEM试验1000～450 hPa来自（a）东面、（b）南面、（c）西面、（d）北面的水汽通量值以及（e）NOINFA试验、NOCEM试验与CTL试验净水汽通量差值垂直积分的时间演变Fig. 11 Time series of 1000–450 hPa vertical integral of water vapor flux magnitude from CTL experiment, NOINFA experiment, NOCEM experiment for Henan area from the (a) east side, (b) south side, (c) west side, (d) north side, and (e) differences of net water vapor flux magnitude between NOINFA (NOCEM) experiment and CTL experiment

相反地，河南强降水区的西面和北面则为水汽的流出边界（图11c、d），两侧的平均水汽通量值呈现出不同的时间演变特征。20日20时之前以降水区西面流出为主，基本保持108kg s−1以上的水汽流出，最大的平均水汽通量值约−18×107kg s−1，北面的水汽输送贡献在该阶段较西面偏弱50%左右。此后，强降水区北面的水汽流出显著增强，而西边界的贡献逐渐减弱。

最后，结合河南强降水区净水汽通量差值的演变（图11e）来看，NOINFA试验和NOCEM试验相对于CTL试验而言水汽通量值都有所减弱，但是NOINFA试验水汽通量值的减弱量相对于NOCEM试验更大一些，Nie and Sun（2022）的研究表明副高和台风“烟花”之间的水汽输送对本次降水过程具有重要影响，这与本文的研究结果相符。在本次极端暴雨事件小时降水极值发生（20日17时）之前，NOINFA试验和NOCEM试验的水汽净流入量相对于CTL试验而言平均每小时低2×107kg s−1左右，这不利于局地水汽含量的快速累积，这说明最强降水时段的降水强度与近海台风环流有一定的联系。

图12进一步展示了三组试验中河南强降水地区四个侧面在研究时段内时间平均的水汽收支情况。首先，从净水汽通量值来看，相较于CTL试验，NOINFA试验的净水汽通量值减少了5.81%，而NOCEM试验仅减少了3.23%。其次，相较于CTL试验而言，当移除“烟花”后，主要表现为南、西（北、东）面的水汽流入减弱（增强），上述特征的差异较好地解释了NOINFA试验中河南地区累计降水分布型呈东—西向延伸的情况。NOCEM试验的结果显示，移除“查帕卡”环流后，河南强降水区南面和北面水汽通量的流入和流出量均减少，这与南风分量的减弱（图8e、f）有关，但是四个侧面的水汽通量值较小，且净水汽通量值变化较小，因此NOCEM试验降水分布和强度的变化也较小。

图12 2021年7月19日14时至21日08时河南强降水区（黑色矩形，33°～37°N, 111°～115°E）1000～450 hPa四个方向水汽通量值（单位：107 kg s−1）垂直积分的时间平均。黑色、蓝色和红色箭头分别表示CTL试验、NOINFA试验和NOCEM试验Fig. 12 Time average of 1000–450 hPa vertical integral of four-side water vapor flux magnitude (units: 107 kg s−1) for the heavy rainfall area(33°–37°N, 111°–115°E) in Henan area from 1400 BJT 19 July to 0800 BJT 21 July 2021. Black, blue, and red arrows represent the CTL,NOINFA, and NOCEM experiments

5.4 热力条件

姚秀萍和于玉斌（2005）的研究指出，干冷空气和暖湿空气在江淮流域的对峙导致了局地的持续性暴雨。孙建华等（2006）的工作主要讨论“9608”号台风因受高压阻挡停滞，从而引起弱冷空气入侵，为局地中尺度对流系统的建立提供有利条件，最终对北方特大暴雨过程产生重要影响。在本次河南极端暴雨过程中，同样存在冷暖气团在低层风场的引导下随时间移动形成对峙的现象，一定程度上增强了河南强降水区对流不稳定条件。

前文的分析显示台风“烟花”与北侧副高系统在30°N附近形成了强烈的偏东风急流，该东风急流对副高南侧低层干冷气团的西移有重要贡献（图7）。因此，本文对研究时段内图8a所示的矩形ABCD面范围内的相当位温和水平风场进行经向平均，从而得到相应的时间—纬向分布特征。如图13a所示，CTL试验中干冷气团沿着该东风气流向河南强降水区输送，至河南强降水区附近转为偏南气流并与该区域的暖湿空气形成对峙。20日00时之后，河南强降水区的冷暖气团出现对峙，且河南相当位温梯度逐渐增强，有利于局地的热力不稳定性的维持和加强，进一步有利于强降水的发生、发展。当移除台风“烟花”环流后（图13b），东风分量减弱，冷气团西移减慢。20日17时左右河南强降水区才开始出现较明显的冷暖气团对峙现象，且冷暖气团的强度和相当位温梯度均弱于CTL试验，局地不稳定条件较差，不利于强降水的形成，从而导致NOINFA试验中河南地区降雨强度减弱。从相当位温的垂直分布来看，CTL试验在河南地区相当位温的垂直梯度大于NOINFA试验，进一步说明了CTL试验中河南强降水区的对流不稳定性更强，有利于强降水的发生（图略）。移除台风“查帕卡”后干冷气团的移动几乎不受影响，河南强降水区的局地热力条件也未发生明显变化（图略）。

图13 （a）CTL试验和（b）NOINFA试验850 hPa相当位温（阴影，单位：K）和水平风场（矢量，单位：m s−1）的时间—纬向（对矩形ABCD面进行经向平均）演变。红色矩形表示河南强降水区（33°～37°N, 111°～115°E）Fig. 13 Temporal–zonal (meridional averaging of rectangle ABCD) evolution of equivalent potential temperature (shadings, units: K) and horizontal wind (vectors, units: m s−1) for (a) CTL experiment and (b) NOINFA experiment at 850 hPa. Red rectangles represent the heavy rainfall area(33°–37°N, 111°–115°E) of Henan area

6 结论与讨论

本文利用WRF（V3.6.1）模式，对近海台风“烟花”及“查帕卡”影响2021年7月19日08时至21日20时河南极端暴雨的过程进行数值模拟。分别设计了移除台风“烟花”和“查帕卡”的敏感性试验来探讨它们在“21·7”河南极端暴雨事件中对水汽输送以及热、动力条件方面的贡献，从而揭示近海台风对极端暴雨发生发展的影响机制。

CTL试验对研究时段内台风“烟花”的移动路径和强度、大尺度环流配置和湿度场的演变、河南暴雨的强度和空间分布型特征都做出了较为合理的模拟，基本再现了本次河南极端暴雨过程。本次暴雨过程的概念模型如图14所示，19日14时至21日08时，伴随着西太台风“烟花”缓慢西移增强、副高环流西伸以及南海台风“查帕卡”近海登陆，低纬的暖湿水汽在低层东风急流和偏南风急流的共同作用下持续地向河南地区输送，大量水汽堆积并伴随着强烈的低层水汽通量辐合；同时，河南东侧不断有干冷气团入侵，水平位温梯度增大，大气不稳定能量增强，在上述有利的大气环流背景下，河南中部及北部经历了连续的强降水过程，并呈现南—北向分布特征。

图14 “21·7”河南极端暴雨事件过程概念模型。“SH”表示西太平洋副热带高压，两个台风标志分别表示台风“烟花”（In-Fa）和台风“查帕卡”（Cempaka），浅蓝色箭头表示水汽通量，蓝色和红色的云团分别代表冷气团和暖气团，深蓝色的向上箭头代表上升运动Fig. 14 Schematic illustration of the “21·7” Henan heavy rainfall event. “SH” presents the western Pacific subtropical high. Two typhoon symbols denote the typhoons In-Fa and Cempaka. Light blue vector presents water vapor flux. Blue and red clouds represent warm and clod air masses, respectively. Dark blue upward-pointed vector denotes upward motion

移除台风“烟花”后，西太副高西伸南压，东南风急流沿副高南侧输送水汽至河南地区，与CTL试验相比，河南强降水区的南风减弱、东风增强，东西方向的水汽通量流入流出占主导，有利于降水分布型由南—北向转变为东—西向。另一方面，由于东南风急流相较于移除“烟花”前减弱，河南强降水区局地辐合减弱；副高南侧的冷气团西移减慢，局地相当位温梯度减弱；净水汽通量流入较CTL试验降低了5.81%，降雨强度减弱。但西伸南压的副高仍可以将暖湿水汽向河南强降水区输送，部分地弥补了因移除“烟花”而减少的水汽输送，所以NOINFA试验中河南降水总量虽有减弱但并不十分显著。

移除环流尺度较小的台风“查帕卡”后，低层偏南风急流略有减弱，而对于西太副高和台风“烟花”等大尺度环流系统几乎未受影响，水汽输送和低层水汽辐合特征都与CTL试验类似。因此，河南累计降水量略有降低，降水分布型基本不变。与台风“烟花”相比，“查帕卡”对本次“21.7”河南极端暴雨事件的影响偏弱。

本文的研究结果表明，当海上台风与副高之间产生强烈的相互作用，形成明显的水汽输送通道后，可能会导致内陆地区产生强降水。此外，低空急流的走向对降水的空间分布具有一定的指示作用。本次“21.7”河南极端暴雨事件是多尺度天气系统共同作用的结果，而本文仅从近海台风环流的角度进行模拟分析，其它系统的影响有待未来进一步研究。