河南郑州“7·20”极端暴雨成因分析

彭玮怡，薛宇峰，刘春雷

(广东海洋大学 海洋与气象学院，广东 湛江 524088)

0 引 言

随着气候变暖，极端天气事件频发，暴雨和短时强降水的致灾性增加，极端暴雨事件已成为当今气象学界的研究热点。2021年河南郑州“7·20”极端暴雨事件具有一定的代表性[1-3]，张霞等[4]计算了该事件强降水过程中多个物理量的标准差，显示该事件具有显著的极端性；冉令坤等[5]认为郑州极端暴雨与中尺度涡旋、边界层急流、降水区上空广义湿位涡异常关系密切。2021年7月20日16～17时，郑州1 h降雨量创记录达到201.9 mm，造成严重的洪涝灾害，其成因值得深入分析研究。本文利用多源数据对此次郑州极端强降水的降水特征，大气环流，水汽、热力、动力条件和中尺度系统演变等方面进行综合分析，旨在探究此类极端暴雨的关键成因。

1 研究资料与方法

利用2021年7月19～23日河南省119个国家级气象站日降水和小时降水资料，卫星云顶亮温(TBB)、NASA全球降水资料(GPM)、ECMWF-ERA5再分析资料，采用天气诊断分析的方法，探究郑州“7·20”极端暴雨的成因。其中GPM降水数据水平分辨率为1°×1°，时间间隔为0.5 h；TBB资料来自FY-2F卫星资料，时间间隔为3 h；ERA5资料水平分辨率为 0.25°，垂直方向37层，时间为逐小时间隔。

2 天气形势

2.1 降水实况

注：黑点代表郑州市(113.39°E，34.43°N)。

2021年7月18～21日，河南省出现连续性暴雨过程。其中，7月18日，河南省暴雨点较为分散，焦作市北部和新乡市北部出现大暴雨，如图1所示。7月19日，强降水中心西移至郑州市附近，呈中尺度雨团状，在郑州市附近停滞并不断增强；从图1(c)可看到，20日郑州强降水中心24 h累计降水量最大达到了600 mm，打破了历年的降水量纪录；之后强降水中心逐渐向东北偏北方向移动，21日强降水中心移到了豫北地区，降水落区呈东北西南分布，并向河北西部延伸；22日河南降水逐渐减弱，01∶00降水趋于结束。此次过程属极端降水事件，具有持续时间长、小时雨强和累计雨量大、范围广、时段集中和极端性突出等特征。

2.2 环流形势

在暴雨发生前期，大气环流形势稳定，华北地区为典型的“西低东高”形势，2021年7月20日00∶00(UTC，下同)500 hPa短波槽逐渐东移影响中国西部地区，与此同时，河南省与河北省交界处出现一闭合小低压，该低压系统在此处停滞少动。850 hPa的高空，低涡切变线从前期的河南省中西部移至山西与河南的交界处，切变线以南是东南气流、以北是东北风，在晋豫交界处形成非常强的气旋性切变，水平辐合强烈(图2)。

注：填色为涡度(单位：×10-6/s)。

从地面形势来看，2021年7月17～21日河南省的北部为东北风控制。7月17日安徽省西侧与河南省东侧交界处出现由风场切变产生的黄淮气旋，地面有弱冷空气自东北方向进入河南省并到达郑州附近。随着东风气流的推移，7月18日黄淮气旋持续缓慢西移，7月19日00∶00黄淮气旋填塞消亡。20日00∶00黄淮气旋在郑州的南侧再次生成，黄淮气旋在缓慢北抬的过程中同时不断吸收来自台风“烟花”和副高偏东气流相互配合所输送的水汽，为郑州附近区域带来充足的水汽供应，随后06∶00黄淮气旋在地形摩擦下逐渐减弱消亡，此时郑州也由东北风转为偏东风。由于7月17～20日06∶00弱冷空气的影响，郑州地面风主要以东北风为主，因此在7月20日08∶00增强的偏东暖湿气流在郑州冷垫抬升形成降水(图3)。

注：填色为温度露点差(单位：℃)。

3 物理量场分析

3.1 水汽条件

2021年7月20日00∶00有两条向河南省输送水汽的通道开始建立。来自印度洋的强西南季风的水汽输送带，输送水汽流入台风“查帕卡”和“烟花”，台风“烟花”北侧与副高南侧的偏东气流叠加，从而建立起了自东向西通向河南的水汽通道，水汽源源不断的从西北太平洋输送至河南省。此外，位于中国南海的台风“查帕卡”在7月19日夜间升级为台风强度，并逐渐逼近广东地区，台风“查帕卡”与强盛的西南季风相互配合，导致另一条水汽通道在河南省建立，该通道主要呈南北带状分布，经南海延伸至河南省，低涡的西南气流穿过这条高湿区向河南输送水汽。这两条水汽输送带于20日00∶00在郑州附近汇合，使得该地区整层平均水汽通量达600 kg/(m·s)以上。郑州位于伏牛山、嵩山的东北方向，太行山脉以南，输送来的水汽受到喇叭口地形的影响而辐合抬升，在郑州形成水汽辐合中心，辐合最大值达到了-500×10-7g/(cm2·hPa·s)。7月20日08∶00，随着东南气流的持续推移，水汽辐合大值区也北移至山西与河南的交界处，受太行山地形影响水汽辐合最大值增大至-600×10-7g/(cm2·hPa·s)。

在垂直剖面图内，郑州西侧的迎风坡(图4)，从地面到800 hPa附近都是水汽通量辐合区，强辐合中心位于地面到850 hPa之间，近地面东风受西侧地形影响，边界层水汽通量辐合抬升显著，对流层低层950 hPa以下的偏东风到达郑州附近因遭遇地形作用转为东北风，受低空切变线的影响，在700 hPa附近形成分散的水汽通量辐合区。

注：填色为水汽通量散度，×10-7g/(cm2·hPa·s)，黑色区域为地形。

3.2 不稳定条件

3.2.1 大气层结稳定性

2021年7月20日00∶00郑州低层是偏东风，中高层是深厚的偏南风，对流层顶转为西南风(图5)，整层水汽输送非常好，增温增湿，K指数达到39 ℃，边界层水汽饱和，云底低，气块温度的递减率小于环境温度递减率，几乎不需要任何环境动力抬升就能触发对流。郑州此刻对流有效位能(CAPE)大，不稳定能量高，不稳定层厚。12∶00郑州上空仍以偏东风为主，K指数降为38 ℃，CAPE值迅速减小，由不稳定层结转为层结稳定。由此可见，在郑州极端暴雨发生前期，整层都在增温增湿，水汽异常充沛，对流不稳定能量值高，为强降水的形成发展提供充足的水汽和能量条件。

注：绿色实线为露点曲线，红色实线为温度层结曲线，黑色实线为状态曲线。

3.2.2 湿位涡与相当位温

注：填色为MPV1(单位：1PVU=1×10-6 m2·K·s-1·kg-1)；红色虚线为相当位温(单位：K)；黑色阴影为地形。

湿位涡是一个表征动力、热力作用的综合诊断物理量，可以较好地表征暴雨发生发展的物理机制[6]。采用吴国雄等[7]提供的湿位涡守恒公式，计算了湿位涡的湿正压项(MPV1)和湿斜压项(MPV2)，图6是郑州暴雨过程不同时刻沿郑州中心113.2°E所作的MPV1、相当位温经向剖面。2021年7月19日12∶00郑州以北的区域上空MPV1为弱的负值，说明该地区存在弱的对流不稳定。之后，MPV1负值区的绝对值增大且向北延展至郑州南部，郑州上空850 hPa至750 hPa的MPV1负值中心达到-0.4PVU，该区域受暖湿气流影响，对应此时暴雨中心位于33.4°N附近，在MPV1负值区偏南处。2021年7月20日00∶00郑州从地面到400 hPa都处在不稳定层结中，郑州上空中低层相当位温差值增大至9K，有显著的对流不稳定。2021年7月20日06∶00郑州南部800 hPa以下均为MPV1的负值区，郑州附近的次大值中心为-0.2PVU，表示低涡带来的西南暖湿气流导致该区域正处于增湿增温的状态。2021年7月20日08∶00郑州950 hPa以下为MPV1负值区，强度增至-0.3PVU，来自东海的海洋气团从边层持续不断向河南入侵，与河南本地大陆暖性气团在河南中北部相遇，由于两个气团的温湿特性差异明显且长时间对峙，从而在34°N附近形成θe能量锋区，锋区向郑州扩展，同时对应MPV1负值区的相当位温等值线也非常密集，相当位温陡立密集的区域有利于涡旋的发展和暴雨的发生，650 hPa以下为对流不稳定层结，650 hPa以上为弱稳定层结，相当位温最大差值达到了19 K，此时对流不稳定达到了最强，该时刻也是郑州极端暴雨发生的时段。2021年7月20日10∶00和21日00∶00可见郑州上空的对流不稳定有所减弱，随着强降水的发生，大量释放不稳定能量，河南省大部分地区MPV1从负值转变为正值，同时相当位温次大值中心北移，雨带有所北抬，郑州此次极端暴雨也趋于结束。

暴雨发展过程与MPV1负值中心的移动和变化较为一致，降水强度与相当位温等值线密集带变化密切相关，所以MPV1负值中心的加强和减弱以及移动方向、相当位温等值线陡立密集和中低层相当位温能量锋汇集区域均对局地暴雨的预报有很好的指示意义。

湿位涡斜压项 MPV2主要由水平风的垂直切变和假相当位温的水平梯度决定，负值越大，其斜压性越强。2021年7月19日低层大气湿斜压性较弱(图7)，这主要是边界层偏东风气流受到地形的影响导致垂直风切变增加的原因。2021年7月20日00∶00开始，郑州900 hPa以下的MPV2负值区的绝对值持续增大，大气湿斜压性不断加强，强降水开始出现。到2021年7月20日08∶00，33.7°N和35.8°N出现MPV2值的两个大值中心，极端暴雨所在的郑州上空MPV2值达到-0.5PVU，暴雨中心与MPV2大值中心有所偏离。2021年7月20日10∶00郑州上空MPV2负值中心有所北移，强度仍然维持，对应降水区也有所北抬。2021年7月21日00∶00，郑州附近的负值中心减弱消失，郑州暴雨结束。

综合MPV1与MPV2可见，强降水发生在MPV1和MPV2的负值中心存在时段，MPV2最大负值区对暴雨的落区和移动有一定的指示意义。

3.3 动力条件

注：填色为MPV2(单位：1PVU=1×10-6m2·K·s-1·kg-1)，其他同图6。

图8 2021年7月19～21日郑州多要素时间剖面图

2021年7月20日00∶00郑州附近950 hPa到200 hPa之间都维持着正涡度(图8)，高值中心在600 hPa，最大值达到了24×10-5/s。925 hPa以下低层辐合显著，达到了-32×10-5/s，而300 hPa附近则出现了40×10-5/s辐散中心，强烈的辐散加剧了对流层高层的抽吸作用，从950 hPa到300 hPa一直维持着极强的上升运动，最大上升速度达到了-50 Pa/s。在7月20日08∶00～09∶00郑州极端暴雨过程结束后，正涡度值和负散度值均有所减弱，800 hPa以上由于降水粒子拖曳的作用，有短暂的下沉运动，但是在7月20日10∶00至7月21日又转为较弱的上升运动。由图9可见，郑州市位于喇叭口地形处，海拔高度在400 m以上。7月19日，地面盛行的东南风迎面遭遇郑州西侧的嵩山和北侧的太行山后辐合抬升，垂直速度比较弥散。7月20日00∶00，上升运动的区域在郑州区域逐渐扩大，位于太行山东侧迎风坡的垂直上升运动逐渐加大，7月20日08∶00垂直速度为-8 Pa/s。郑州中心受到西侧嵩山和北侧太行山辐合抬升气流的影响，垂直速度也增强至-4 Pa/s。7月20日12∶00太行山迎风坡东侧和郑州东侧的上升运动减弱。

4 极端暴雨中尺度特征

注：等值线为垂直速度(单位：Pa/s)；填色为地势高度(单位：m)；星号为郑州位置。

在卫星云图上，水平尺度在20～200 km之间、生命史在3 h或以上并且云顶亮温不大于-32 ℃的云团为中尺度对流系统[8]。在2021年郑州极端暴雨过程中，7月20日00∶00，河南中北部由于东南气流与西南气流的汇聚并且遭遇地形动力抬升，有一直径约400 km、结构密实、独立的中尺度云团处于发展阶段(图10)，此云团由多个β中尺度对流系统和γ小尺度对流系统复合形成中尺度对流复合体。TBB最低中心分散在郑州附近，最亮处小于-56 ℃，与之对应嵩山为此时的降水中心，降水强度达33.1 mm/h。到7月20日06∶00，中尺度对流系统不断加强合并缓慢北移，南部多个新生的γ-β对流单体向中尺度对流复合体汇聚，3 h降水落区与中尺度对流系统的移动较为一致。到7月20日09∶00，郑州及其东北部TBB小于-56 ℃的冷云盖范围扩大，强度加强，最亮处降至-60 ℃，湖北、安徽的新生对流单体在西南气流的引导下与中尺度对流系统合并加强，该系统长时间在此处停滞，对流发展旺盛，给郑州造成了1 h降水量超过200 mm、3 h超过270 mm的极端强降水。12∶00中尺度对流系统发展为α中尺度对流系统，高度进一步伸展，TBB小于-56 ℃的冷云盖范围持续扩大，最亮处降为-70 ℃。到7月20日18∶00，该中尺度对流系统发展至成熟阶段，呈近似圆形并逐渐东移，强降水落区也随之东移，强度较中尺度对流系统发展阶段明显减弱，7月21日00∶00，中尺度对流系统持续东移，冷云盖范围减小。

逐3 h的TBB亮温的云团演变与河南省国家自动站3 h降水中心及强度的变化(图略)对应一致，可见此次郑州极端暴雨过程是在中尺度对流系统的发展阶段发生的，而不是在中尺度对流系统的成熟阶段发生，因此多个中尺度云团的合并发展以及中尺度云团与河南南部多个新生对流单体的合并加强、长时间停滞是导致此次河南极端暴雨的直接原因。

5 结论与讨论

(1) 华北地区高空典型的“西低东高”环流形势长时间的稳定维持，河南省高空受高压脊控制创造强烈气流辐散的条件。台风“烟花”北侧的偏东气流与副高南侧的偏东气流合并加强，并且与低涡外围的东南气流叠加，从低层到对流层中层一致的偏东气流为此次郑州极端暴雨提供了充足的水汽条件。对流层低层缓慢东北移的低涡、低涡切变线和地面的黄淮气旋是本次郑州极端暴雨的共同参与者。

(2) 此次郑州暴雨水汽输送通道有两条，一条是经过东海伸展到河南，副高和台风“烟花”引导东南气流穿越该湿区；另一条受台风“查帕卡”作用建立的水汽通道主要呈南北带状分布，经南海延伸至河南。这两条水汽输送带汇合在河南北部，受到嵩山、太行山地形的影响水汽辐合抬升。

(3) 在郑州极端暴雨发生前期，郑州整层增温增湿，水汽异常充沛，对流不稳定能量大。郑州暴雨发生在MPV1和MPV2的负值中心存在时段，暴雨的发生发展过程与MPV1负值中心的移动和变化较为一致，降水强度与相当位温等值线密集带变化密切相关，2021年7月19～21日来自东海的海洋气团与河南本地大陆暖性气团在河南中北部相遇且长时间对峙，从而在34°N附近形成θe锋区，能量锋向郑州扩展的同时形成郑州暴雨中心。

(4) 郑州附近喇叭口地形造成强迫扰流及辐合气流导致郑州在偏东气流的影响下地面辐合加强，上升运动在风场入流方向与嵩山方向垂直，风向在与地形垂直的状况下有利于触发对流；且郑州极端暴雨发生前期从对流层低层至高层一直维持着强烈的上升运动，促使这次强降水过程得以发展。

(5) 此次郑州极端暴雨过程是在中尺度对流系统的发展阶段发生的，在西南气流和东南气流的引导下，多个β中尺度系统的合并发展以及中尺度系统与河南南部多个新生γ-β对流单体的合并加强是导致此次河南极端暴雨的直接原因。