“21·7”河南持续性暴雨成因分析.pdf

第43卷第5期2023年10月水 文JOURNAL OF CHINA HYDROLOGYVol.43 No.5Oct.,2023“217”河南持续性暴雨成因分析刘静，靳莉君，韩作强，张利娜（黄河水利委员会水文局，河南 郑州 450004）摘 要：采用水文站、气象站逐日降水数据和ERA5再分析资料，详细分析了2021年7月1822日发生在河南中北部的持续性暴雨过程的大气环流背景、水汽输送特征以及动力热力结构，结果表明：（1）南亚高压东北延伸、高空急流增强、大陆高压和西太副高稳定对峙、黄淮低涡缓慢西移、西北太平洋和南海双台风互旋持续输送水汽，为暴雨发生和持续提供了有利的背景条件，太行山和嵩山等山脉对暴雨具有增幅作用；（2）暴雨区水汽主要来源于对流层低层偏东风气流对西北太平洋暖湿空气的持续输送，水汽辐合层的深厚程度以及辐合强弱对暴雨强度预报具有一定的指示意义；（3）暴雨区上空强散度柱以及强上升运动是20日和21日极端暴雨发生的重要动力机制，高温高湿大气层结的发展为大暴雨的形成提供了有利的对流不稳定条件。关键词：持续性强降水；环流背景；水汽输送；物理量诊断中图分类号：P333 文献标识码：A 文章编号：1000-0852（2023）05-0069-070引言华北是我国东部夏季三大降水区之一，80%90%的降水出现在68月，并且主要集中在“七下八上”（7月下旬8月上旬）期间1。与江南、华南相比，华北发生暴雨的概率明显偏小，年平均暴雨日数仅为13 d2，但暴雨多突发性和局地性，且具有极强的区域特征，主要出现在山脉的迎风面和山区3，预报难度较大。在气候变暖的背景下，华北极端降水事件频发，且致灾性强4，引起了气象学者及预报人员的广泛关注。众多针对华北暴雨形成机制的研究表明，西北太平洋副热带高压（以下简称“西太副高”）、西风槽、低涡、切变线、冷锋、台风等是其主要的影响系统5-6，强降水大部分出现在两个或两个以上天气系统相互作用或叠加的情况下7，其中特大暴雨常常有台风的直接或间接影响8。例如，黄河中游“587”特大暴雨的主要降水系统是与河套冷涡有关的南北向冷锋，台风和日本海高压之间的偏东风急流是主要的水汽通道9；河南“758”特大暴雨是贝加尔湖东侧阻塞高压、台风、低空急流等天气系统共同作用的结果10；河北“968”特大暴雨出现在台风倒槽内，华北高压南侧的偏东风输送弱冷空气至台风倒槽的外围，对暴雨的产生起了关键作用11。华北各个暴雨过程的环流背景和影响系统都有其不同之处，因此有必要加强典型个例的深入研究。2021年7月1822日，河南中北部遭遇历史罕见特大暴雨，郑州、新乡、鹤壁等地发生严重洪涝灾害，造成重大人员伤亡和经济损失。河南全省受灾人口1 453.16万人，农作物受灾面积1 635.6万亩，直接经济损失1 142.69亿元，此次灾害共造成302人遇难，50人失踪。为了探明此次极端暴雨的气象成因，本文采用ERA5再分析资料对暴雨发生期间的大气环流特征进行深入分析，并进一步对水汽、动力、不稳定能量等条件进行诊断，旨在提高持续性暴雨的预报能力，为防洪减灾提供科学的技术支撑。1研究区数据本研究采用的数据资料包括：（1）水利部信息中心提供的全国5万多个水文站以及中国气象局MICAPSDOI：10.19797/ki.1000-0852.20210511收稿日期：2021-12-06 网络首发日期：2023-08-21网络首发地址：https:/ 文第43卷系统2 000多个气象站的逐日降水数据，日界为08时；（2）欧洲中期天气预报中心（ECMWF）推出的第五代再分析产品ERA5，选用1 000100 hPa位势高度、经向风、纬向风、比湿、温度等数据，时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.250.2512，使用这些资料分析了天气形势演变特征，并进行了物理量诊断分析。2降水时空分布变化2021年7月1822日，河南中北部出现持续强降水天气，降水中心主要分布在太行山东南麓及嵩山东麓的迎风坡，累计雨量达400 mm以上（图1），其中郑州、新乡、鹤壁、安阳、焦作等地局地达600 mm以上，超过当地年平均雨量，累计雨量最大点出现在新乡辉县龙水梯，达1 057 mm。从降水逐日演变来看，18日晋冀豫交界降暴雨，局地大暴雨（图2a）；19日暴雨区南压，且强度增强、范围扩大，河南中北部降暴雨到大暴雨，局地特大暴雨（图2b）；20日暴雨区略有北移，大暴雨区范围明显扩大，日雨量最大点出现在郑州尖岗，达692 mm（图2c）；21日暴雨区北扩，呈带状分布，影响河北中南部至河南黄河干流以北地区（图2d），暴雨中心位于河南北部，日雨量最大点出现在鹤壁新村，达615 mm；22日降水明显减弱（图略）。可见，此次过程持续时间长、累计雨量大、影响范围广、暴雨落区重叠度高，20日暴雨极端性最强，该日郑州市多站小时雨量超过100 mm，其 中 郑 州 气 象 站 1617 时 小 时 雨 量 达201.9 mm，打破中国大陆国家级气象站小时雨量纪录13。站点地形高度/m40N2 7002 4002 1001 8001 5001 200900600300035N30N110E115E120E图12021年7月1822日累计降水量超过400 mm的站点分布Fig.1Distribution of stations with cumulative precipitation exceeding 400 mm during 18 to 22 July 202140N35N30N110E115E120E120 E40N35N30N110E115E120E E40N35N30N110E115E120E120 E40N35N30N110E115E120E(a)18日(b)19日(d)21日(c)20日降水量/mm102550100200300400500600图22021年7月1821日逐日降水量分布Fig.2Daily precipitation during 18 to 21 July 202170第5期刘静等：“217”河南持续性暴雨成因分析3天气形势分析在200 hPa上，18日08时南亚高压位于伊朗高原至青藏高原上空，1 256 dagpm特征线东界位于95 100E之间（图3a）。19日08时南亚高压略有东退（图3b），之后其东段不断东伸北抬（图3c d）。18日08时21日08时，黄海上空受一低涡控制，受其下游日本海高压脊阻挡作用，低涡停滞少动，导致内蒙古 陕西低槽和华北高压脊不断发展加强，暴雨区范围随之扩大，强度随之增强。同时，20日08时21日08时，华北高压脊区急流建立并增强，急流入口区右侧的强辐散为河南中北部极端暴雨的发生提供了极为有利的动力条件。在500 hPa上，暴雨期间亚洲中纬度环流维持“鞍型场”结构。18日08时，西太副高较常年明显偏强偏北，与大陆高压形成对峙。安徽上空存在一低涡，该低涡最初生成于西风带高压脊与西太副高之间的切变流场中，生成后稳定少动，暴雨区处于低涡北部倒槽中。低纬双台风共存，分别为西北太平洋台风“烟花”和南海台风“查帕卡”（见图4a）。19日08时，西太副高略有西伸，大陆高压则减弱。安徽低涡减弱西移，与东移的蒙古低槽相连接，形成一条东北 西南走向的狭长低压带，并在山西南部诱发出一闭合低涡，暴雨区位于低涡东南部（图4b）。同时，台风“烟花”在西移过程中快速增强，受其影响，副高明显西伸，于21日08时西伸至山东半岛（图4c d）。在此期间，山西低涡西移至河套以南，并不断发展加强，河南中北部位于低涡东部，降水增强。22日08时之后（图略），随着河套低涡向东北方向移动，雨区由槽前转为槽后，降水减弱。700 hPa风场显示，与对流层中层相对应，黄淮一带存在一低涡，其由河南东南部经湖北北部移入河南西部后，于21日北进至晋陕豫交界处，闭合环流演变为倒槽形式，期间暴雨区始终处于低涡北部或东北部的暖式切变处（图5）。其中在20日和21日，伴随西太副高加强西伸，其与黄淮低涡之间的气压梯度力加大，造成河南中北部东南风气流明显加强，达12 m/s以上。同时，台风“烟花”迅速加强为台风级以上，并不断靠近“查帕卡”，受引导气流较弱及双台风互旋影响，两台风移速缓慢，向华北的水汽输送加强，叠加太行山和嵩山的地形阻挡和抬升作用，暴雨强度增强，影响范围扩大。22日（图略），伴随“烟花”靠近大陆，其携带的水汽优先供应本体降水，向华北的远距离输送明显减少，降水强度明显减弱。850 hPa、925 hPa的风场与700 hPa类似，不再赘述。综上，南亚高压东伸北抬、华北高压脊发展加强以及西太副高和大陆高压稳定对峙是此次持续性暴雨发生的大尺度环流背景，高空急流增强以及低层黄淮低涡缓慢西移提供了极为有利的动力条件，台风“烟花”迅速加强，与“查帕卡”互旋移速缓慢，持续输送大量水汽是导致极端暴雨发生的关键条件。此外，太行山和嵩山等山脉对偏东气流的阻挡和抬升作用，对暴雨增幅也有重要意义。2025354030202535403060N50N40N30N20N10N60E70E104E 105E(b)19日08时19日暴雨中心(34.7 N、113.2 E)，下同(a)18日08时60N50N40N30N20N10N60E70E80E104E 105E风杆：风场/(m/s)等值线：位势高度/dagpm18日暴雨中心(35.7 N、113.6 E)，下同(d)21 日 08 时60N50N40N30N20N10N60E70E80E90E100E102E 103E 104E 105E101E(d)21日08时21日暴雨中心(35.8 N、114.2 E)，下同(c)20日08时60N50N40N30N20N10N60E70E80E90E100E102E 103E 104E 105E101E20日暴雨中心(34.7 N、113.6 E)，下同2025354030风速/(m/s)90E100E102E101E80E90E100E102E 103E101E103E图32021年7月1821日200 hPa形势场Fig.3Circulation field at 200 hPa during 18 to 21 July 202171水 文第43卷4水汽输送特征分析暴雨期间各日暴雨中心上空水汽通量散度的垂直分布（图6）可知，7月1822日暴雨中心的水汽主要来源于对流层低层，其中20日水汽通量辐合层最深厚，高至600 hPa，21日次之，高至700 hPa。各日暴雨中心区上空的水汽通量辐合均在近地面层925 hPa附近达到最大，其中20日达-3.510-5 kgm-2hPa-1s-1，(d)21日08时60N50N40N30N20N10N60N50N40N30N20N10N60N50N40N30N20N10N60E70E80E90E 100E 110E 120E 130E 140E 150E60E70E80E90E 100E 110E 120E 130E 140E 150E60E70E80E90E 100E 110E 120E 130E 140E 150E60N50N40N30N20N10N60E70E80E90E 100E 110E 120E 130E 140E 150E(a)18日08时(b)19日08时(c)20日08时图42021年7月1821日500 hPa位势高度场和风场Fig.4Geopotential height fields and wind fields at 500 hPa during 18 to 21 July 2021风速/(m/s)60N50N40N30N20N10N12(a)18日08时(b)19日08时(d)21日08时(c)20日08时14161820121416182012141618201214161820121416182060N50N40N30N20N10N60N50N40N30N20N10N60N50N40N30N20N10N90E100E110E120E130E140E150E90E100E110E120E130E140E150E90E100E110E120E130E140E150E90E100E110E120E130E140E150E图52021年7月1821日700 hPa风场分布Fig.5Wind fields at 700hPa during 18 to 21 July 202172第5期刘静等：“217”河南持续性暴雨成因分析21 日 达-6.510-5 kgm-2hPa-1s-1。由 暴 雨 期 间925 hPa水汽通量及其散度的演变（图7）可知，暴雨区持续位于水汽通量辐合区，西太副高与台风“烟花”之间的东南风气流将西北太平洋上的水汽源源不断地向华北地区输送，其中20日和21日的水汽输送最强，自台风北侧至暴雨区形成一条连续的水汽输送大值带，水汽通量大于1.5 kgm-1hPa-1s-1，这与2021日东南风加强有关。在黄淮低涡北部倒槽及太行山、嵩山地形阻挡作用下，东南风发生风向急转和风速骤减，造成水汽辐合加强，暴雨区处于水汽通量辐合中心附近。此外，南海台风“查帕卡”东侧的偏南风气流与台风“烟花”北侧的偏东风气流汇合后向北直抵华北地区，同样为此次持续性暴雨提供了水汽输送，但其贡献远远小于台风“烟花”。进一步分析 1822 日 925 hPa 上暴雨区 4 个边界的水汽收支情况，由表1可知，暴雨期间，暴雨区的东边界和南边界一致为水汽流入边界，而西边界一致为水汽流出边界，北边界除了20日为水汽流入以外，其他暴雨日均为水汽流出，此外，2022日，暴雨区南边界的水汽净流入骤增，这说明随着台风“烟花”的靠近，暴雨区风场的偏南风分量明显加大。4个边界的水汽净流入以21日为最大，20日次之，丰沛水汽在暴雨区的堆积造成了这两日极端强降水的发生，但两日水汽收支具有明显差异，20日暴雨区南北两边界之间的水汽净流入远大于东西两边界，而21日则相反，东西两边界之间的水汽净流入远大于南北两边界。50N40N30N20N100E110E120E130E140E50N40N30N20N100E110E120E130E140E50N40N30N20N100E110E120E130E140E50N40N30N20N100E110E120E130E140E 15151515-20水汽通量散度/10-6 kgm-2hPa-1s-1-10-551020矢量：水汽通量/10-1 kgm-1hPa-1s-1(红色表示大于1.5 kgm-1hPa-1s-1)(a)18日08时(b)19日08时(d)21日08时(c)20日08时图7暴雨过程期间925 hPa水汽通量和水汽通量散度Fig.7Vapor flux and its divergence at 925 hPa during the rainstorm process18日08时3004005007008509251 000-80-70-60-50-40-30-20-1010203040019日08时20日08时21日08时22日08时水汽通量散度/10-6 kgm-2hPa-1s-1气压/hPa图6暴雨过程期间暴雨中心上空水汽通量散度的垂直分布Fig.6Vertical distribution of water vapor flux divergence over the rainstorm centers during the rainstorm process73水 文第43卷5动力机制和不稳定能量分析暴雨期间各日沿暴雨中心散度的纬向高度剖面图（图8）显示，20日和21日暴雨中心上空的辐合层和辐散层较为深厚，且强度明显偏强。20日08时暴雨中心上空最强辐合出现在700 hPa左右，达-1.510-4 s-1，最强辐散出现在300 hPa左右，达1.510-4 s-1。21日08时，最强辐合出现在850 hPa左右，达-3.510-4 s-1，最强辐散出现在500 hPa左右，达2.010-4 s-1。这种中高层强辐散、低层强辐合极大地加强了动力抬升，两日整层为上升运动，20日08时垂直速度负值中心出现在600 hPa左右，达-4.5 Pas-1，21日08时则出现在700 hPa左右，达-7.0 Pas-1。此外，从图中还可以清晰地看出太行山、嵩山等山脉对偏东气流的地形抬升作用，对暴雨增幅具有重要贡献14。分析850 hPa假相当位温分布（图略）发现，1822日自西南向华北伸出一条东北 西南走向的高能舌，暴雨中心se值均高于345 K，其中20日08时达351 K，21日08时达348 K，且各日暴雨中心上空对流层低层的se均随高度升高而减小（图8），表明低层储存了大量的不稳定能量，有利于对流的发展。此外，20日08时和21日08时暴雨中心上空整层se值明显高于同纬度其他地区，这与强烈垂直运动向上输送暖湿空气密切相关。6结论本文采用水文站、气象站逐日降水观测资料和ERA5再分析资料，详细分析了2021年7月1822日河南中北部持续性强降水过程的降水特点、天气形势以及水汽、动力、热力结构的演变特征，主要结论如下：气压/hPa(c)20日08时2003004005007008509251 000108E110E112E114E116E118E120E15气压/hPa(b)19日08时2003004005007008509251 000108E110E112E114E116E118E120E15红色实线：假相当位温/k箭矢：纬向环流 u/ms-1,w(-10)/Pas-1：当日暴雨中心灰色阴影：地形气压/hPa200300(a)18日08时400500700850925108E110E112E114E116E118E120E1 00015-气压/hPa(d)21日08时2003004005007008509251 000108E110E112E114E116E118E120E15散度/10-5 s-1-15-10-5051015图8暴雨期间沿暴雨中心纬度的散度、假相当位温和纬向环流垂直剖面Fig.8Vertical sections of divergence，potential pseudo-equivalent temperature and zonal circulation along the latitude of the rainstorm centers during the rainstorm process表1各日暴雨区925 hPa上东、西、南、北4个边界水汽收支Table 1Water vapor budget at the eastern，western，southern and northern boundaries of the rainstorm areas at 925 hPa时间18日08时19日08时20日08时21日08时22日08时水汽收支/104 kghPa-1s-1西边界-6.0-23.4-22.4-16.0-2.6东边界-16.3-35.2-34.4-56.2-4.8东西边界合计10.311.812.040.32.2南边界1.02.035.932.115.8北边界0.11.5-4.52.94.5南北边界合计0.80.540.429.211.2四边界合计11.112.352.469.513.5注：各日暴雨区范围分别为 18 日 35 36.5N、112.5 114.5E，19日33 35.75N、112 114.5E，20日33.75 36N、112.25 115E，21 日 35 39 N、113.25 115 E，22 日 35 35.75 N、112 113.75E。74第5期刘静等：“217”河南持续性暴雨成因分析（1）此次暴雨过程持续时间长、累计雨量大、影响范围广、暴雨落区重叠度高。强降水落区具有明显的地形特征，主要分布在太行山东南麓及嵩山东麓的迎风坡，局部累计雨量达600 mm以上，甚至超过当地年平均降雨量。（2）“鞍型场”形势是此次暴雨发生的环流背景，西太副高偏强偏北，与大陆高压形成对峙，华北稳定处于两高之间的低值区，这种配置有利于河南中北部暴雨的持续。高空华北高压脊及脊区急流、低空低涡、切变线、西北太平洋台风“烟花”和南海台风“查帕卡”是暴雨主要影响系统，其中双台风产生互旋作用，移速缓慢，“烟花”与副高之间的偏东风气流持续向华北输送大量水汽和能量，为极端暴雨的发生提供了重要条件。偏东风遇太行山和嵩山等地形阻挡，水汽辐合和上升运动加强，暴雨增幅明显。（3）暴雨期间，河南中北部水汽主要来源于对流层低层偏东风气流对西北太平洋暖湿空气的持续输送，其中20日和21日水汽通量辐合层最深厚，高至600 700 hPa。各日暴雨中心区上空的水汽辐合均在近地面层925 hPa附近达到最大，且925 hPa上暴雨区的东边界和南边界一致为水汽流入边界，4个边界的水汽净流入以20日和21日为最大，但两日水汽收支差异明显，20日主要来自南北两边界的水汽净流入，而21日则主要来自东西两边界的水汽净流入。（4）动力、热力结构的演变与降水强度变化有较好的对应关系。20日和21日暴雨区上空中高层强辐散、低层强辐合，垂直上升运动强烈发展，这是连续两日出现极端强降水的重要动力机制。此外，20日和21日暴雨区上空高温高湿层结更为深厚，为大暴雨发生和发展提供了更为有利的能量条件。参考文献：1 朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等.天气学原理和方法M.北京：气象出版社，2000：362.2 车少静，李想，丁婷，等.秋行夏令：2021年10月初北方致灾性持续暴雨及水汽极端性分析J.大气科学学报，2021，44（6）：825-834.3 “华北暴雨”编写组.华北暴雨M.北京：气象出版社，1992：2.4 谌芸，孙军，徐珺，等.北京721特大暴雨极端性分析及思考（一）观测分析及思考J.气象，2012，38（10）：1255-1266.5 陶诗言.中国之暴雨M.北京：科学出版社，1980：225.6 张文龙，崔晓鹏.近 50a 华北暴雨研究主要进展J.暴雨灾害，2012，31（4）：384-391.7 丁一汇，李吉顺，孙淑清，等.影响华北夏季暴雨的几类天气尺度系统分析C/中国科学院大气物理研究所集刊（第9号），暴雨及强对流天气的研究.北京：科学出版社，1980：1-13.8 仇永炎.北方盛夏台风暴雨的天气型及其年际变率J.气象，1997，23（7）：3-9.9 “587”暴雨研究组.黄河中游“587”大暴雨成因的天气学分析J.大气科学，1987，11（1）：100-107.10丁一汇.论河南“75.8”特大暴雨的研究：回顾与评述J.气象学报，2015，73（3）：411-424.11孙建华，齐琳琳，赵思雄.“9608”号台风登陆北上引发北方特大暴雨的中尺度对流系统研究J.气象学报，2006，64（1）：57-71.12Hersbach H，Bell B，Berrisford P，et al.The ERA5 global reanalysisJ.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，2020，146（730）：1999-2049.13国家气候中心.气候影响评价R.2021.14符娇兰，马学款，陈涛，等.“167”华北极端强降水特征及天气学成因分析J.气象，2017，43（5）：528-539.Analysis on the Cause of“217”Persistent Heavy Rainfall in HenanLIU Jing，JIN Lijun，HAN Zuoqiang，ZHANG Lina（Bureau of Hydrology,Yellow River Conservancy Commission,Zhengzhou 450004,China）Abstract：Based on the daily precipitation data of hydrological stations and meteorological stations and ERA5 reanalysis data，the atmospheric circulation background，water vapor transport characteristics and dynamic and thermodynamic structure of the continuous rainstorm process that occurred in central and northern Henan during July 18-22 in 2021 were analyzed in detail.The results show that，（1）The northeast extension of the South Asian High，the strengthening of the upper-air jet stream，the stable confrontation between the continental high and the West Pacific Subtropical High，the slow westward movement of the Huang-Huai vortex，and the continuous water vapor transport by twin typhoons respectively located in the northwest Pacific and the South China Sea uniformly provided favorable background conditions for the occurrence and persistence of heavy rain.Besides，mountains such as Taihang Mountain and Songshan Mountain intensified the rainstorm.（2）The water vapor was mainly from the northwest Pacific Ocean continuously transported by the easterly air in the lower troposphere.The depth and strength of moisture convergence showed certain indication significance for rainstorm intensity forecast.（3）The intensive divergence column and the strong upward movement were the important dynamic mechanism for the extreme rainstorm on July 20 and July 21.Simultaneously，atmospheric stratification with high temperature and high humidity provided favorable convective instability conditions for the heavy rainfall.Keywords：persistent heavy rainfall;circulation background;water vapor transport;physical quantity diagnosis75