2021年7月大氣環(huán)流和天氣分析*

趙 威 孫 軍

國家氣象中心，北京 100081

提 要： 2021年7月主要環(huán)流特征為北半球極渦呈偶極型分布且較常年同期偏強(qiáng)，西北太平洋高壓較常年偏西偏北，強(qiáng)度偏強(qiáng)。7月，全國平均氣溫為23.1℃，較常年同期(21.8℃)偏高1.3℃；全國平均降水量為124.4 mm，較常年同期(120.6 mm)偏多3.2%。月內(nèi)共有7次強(qiáng)降水過程，多站降水突破歷史極值，河南出現(xiàn)破紀(jì)錄極端降水。7月共有3個熱帶氣旋在南海和西北太平洋活動，其中2106號臺風(fēng)煙花與2107號臺風(fēng)查帕卡登陸我國，登陸個數(shù)與常年同期持平。華南、江南、新疆及內(nèi)蒙古西部地區(qū)出現(xiàn)大范圍持續(xù)性高溫天氣，多個站點(diǎn)日最高氣溫突破歷史極值。

1 天氣概況

1.1 降 水

2021年7月，全國平均降水量為124.4 mm，較常年同期(120.6 mm)偏多3.2%(國家氣候中心，2021)。如圖1所示，200 mm以上降水量主要分布在京津冀、山西東南部、山東、河南、江蘇、安徽、浙江中北部、上海、黑龍江西部、四川東部、重慶中北部、湖北北部和西部、貴州西南部、云南西北部等地，河南北部降水量超過400 mm。7月，全國共有36個國家氣象觀測站的日降雨量超出歷史極值，分別位于北京、河南、廣西、貴州、黑龍江、江蘇、內(nèi)蒙古、青海、山東、新疆等地。其中，鄭州站最大日降水量達(dá)624.1 mm(20日08時至21日08時)，為該站歷史最大日降水量(174.8 mm，2008年7月13日08時至14日08時)的3.57倍。

圖1 2021年7月全國降水量分布(單位：mm)

與常年同期相比(圖2)，內(nèi)蒙古東部、黑龍江西部、吉林西部、京津冀、山西東南部、山東中西部、安徽、江蘇、浙江中北部、上海、湖北西部、青海西部、新疆西部等地降水偏多，其中，河南北部與新疆西部等地降水量偏多兩倍以上。新疆中東部地區(qū)、西北地區(qū)東部、東北地區(qū)東部以及江南中南部、華南大部地區(qū)降水量偏少2成至1倍(圖2)。北京、河南、上海、江蘇的月平均降水量為1961年以來第一高，天津、河北為第二高(國家氣候中心，2021)。

圖2 2021年7月全國降水量距平百分率分布(單位：%)

1.2 氣 溫

2021年7月，全國平均氣溫為23.1℃，較常年同期(21.8℃)偏高1.3℃，為1961年以來歷史同期第二高(國家氣候中心，2021)。與常年同期相比(圖3)，全國大部分地區(qū)氣溫偏高，其中，新疆北部和東部、甘肅大部、寧夏、內(nèi)蒙古西部及黑龍江中東部、吉林中東部等地部分地區(qū)偏高2～4℃。寧夏、吉林、黑龍江月平均氣溫為1961年以來第一高，新疆為第二高。江南、華南、新疆以及內(nèi)蒙古西部等地出現(xiàn)了15 d以上的高溫日數(shù)，較常年同期偏多5 d以上。

圖3 2021年7月全國平均氣溫距平分布(單位：℃)

2 環(huán)流特征和演變

2.1 環(huán)流特征

500 hPa平均位勢高度場及距平場(圖4)顯示，北半球極渦呈雙極型分布(圖4a)，極渦中心分別位于喀拉海附近和伊麗莎白女王群島附近，中心強(qiáng)度約為544 dagpm。總體而言，北半球中高緯度大氣環(huán)流呈現(xiàn)“四槽三脊”的多波型分布，長波槽分別位于西西伯利亞平原、阿留申群島附近、北美東部，以及歐洲西海岸。歐亞地區(qū)中高緯度呈現(xiàn)“兩脊一槽”的環(huán)流形勢，其中兩個高壓脊分別位于烏拉爾山西側(cè)和東北亞地區(qū)，低槽位于西西伯利亞地區(qū)。與常年同期相比(圖4b)，極區(qū)500 hPa位勢高度表現(xiàn)為2～10 dagpm的負(fù)距平，北半球極渦強(qiáng)度偏強(qiáng)，中高緯度大部分繞極地區(qū)500 hPa位勢高度表現(xiàn)為正距平，其中亞洲北部500 hPa位勢高度偏高2～10 dagpm，不利于冷空氣東移南下，因此7月我國北方大部地區(qū)氣溫偏高，尤其是西北地區(qū)。低緯地區(qū)，西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)西段平均脊線位于27°N附近，西伸脊點(diǎn)位于135°E附近，與常年同期相比，位置偏北偏東(羅琪和張芳華，2020；解晉和周寧芳，2019；張夕迪和孫軍，2018)。

圖4 2021年7月北半球500 hPa平均位勢高度場(a)和距平場(b)(單位：dagpm)

2.2 環(huán)流演變與我國天氣

7月上旬(圖5a)，歐亞大陸上空中高緯度大氣環(huán)流呈現(xiàn)“兩脊兩槽”型的環(huán)流形勢，兩個高壓脊分別位于烏拉爾山和東北亞上空，兩個低槽位于地中海上空與貝加爾湖—華北一帶。低緯地區(qū)，副高脊線較前期明顯北抬，位置偏西，西側(cè)脊點(diǎn)位于我國西南地區(qū)105°E附近，受副高控制，江南、華南出現(xiàn)高溫天氣。副高外圍偏南氣流帶來的暖濕空氣與華北上空槽后冷空氣在我國西南地區(qū)交匯，導(dǎo)致該地區(qū)發(fā)生強(qiáng)降水過程。另外，由于受到高壓脊的控制，新疆北部地區(qū)出現(xiàn)高溫天氣。

7月中旬(圖5b)，歐亞大陸上空中高緯度大氣環(huán)流轉(zhuǎn)為“兩脊一槽”的環(huán)流形勢，兩個高壓脊分別位于東歐平原西部和鄂霍次克海上空，低槽位于巴爾喀什湖附近。副高西側(cè)脊點(diǎn)東退至113°E附近，控制范圍向北大幅擴(kuò)展，高溫范圍也向北擴(kuò)展，在旬中期達(dá)到范圍最大，我國中東部大部地區(qū)都出現(xiàn)了高溫天氣。與此同時，位于中亞至北非一帶的大陸高壓也向東大幅伸展至青藏高原上空，深入我國內(nèi)陸地區(qū)，與西北太平洋上空的副高形成對峙。東西兩個高壓之間為寬廣的低壓區(qū)。兩個高壓的穩(wěn)定維持為處于低壓區(qū)的華北、華中、西南、西北等地的低渦以及低空切變系統(tǒng)的維持提供了有利條件。7月中旬，我國共出現(xiàn)三次大范圍的暴雨過程，影響范圍主要在華北、華中和西南地區(qū)等地。

7月下旬(圖5c)，巴爾喀什湖上空的低槽減弱，貝加爾湖東部出現(xiàn)一個閉合的低渦中心，該中心對應(yīng)的低槽向南延伸至內(nèi)蒙古中部。副高退居海上，位于中亞地區(qū)的大陸高壓也明顯西退至70°E以西地區(qū)。我國中東部處于寬廣的低壓槽區(qū)，臺風(fēng)煙花和查帕卡相繼登陸。受兩個臺風(fēng)影響，浙江、上海、江蘇、安徽、山東等東部沿海省(直轄市)以及華南地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水過程。

圖5 2021年7月上旬(a)、中旬(b)下旬(c)500 hPa平均位勢高度場(單位：dagpm)

3 主要降水和強(qiáng)對流過程

3.1 概 況

2021年7月，我國主要的強(qiáng)降水過程共有7次(表1)。7月上半月副高北抬后呈現(xiàn)出階段性的維持，降水主要受副高西北側(cè)西南季風(fēng)氣流和北方冷渦活動的影響，呈現(xiàn)出長江流域及華北、東北多雨帶分布的特征。下半月，伴隨著副高的北抬，主雨帶北移至華北、黃淮地區(qū)，西北太平洋和南海臺風(fēng)開始活躍。在副高、低渦、低空急流等多尺度系統(tǒng)的共同作用下，17—22日，河南等地出現(xiàn)持續(xù)性極端暴雨事件。22—30日，伴隨著臺風(fēng)煙花的登陸和北上，我國東部沿海地區(qū)相繼出現(xiàn)暴雨天氣。上述兩次強(qiáng)降水過程具有累計雨量大、降水極端性強(qiáng)、短時強(qiáng)降水時段集中、持續(xù)時間長的特征，下文將重點(diǎn)分析上述兩個過程。

表1 2021年7月主要降水過程

3.2 河南極端性強(qiáng)降水過程分析

7月17—22日，河南中北部、山西東南部、河北中部和西南部等地出現(xiàn)歷史罕見的持續(xù)性極端暴雨。如圖6所示，本次過程河南中北部大部分地區(qū)累計降水量超過200 mm，鄭州局地累計降水量為800～993.1 mm，鶴壁達(dá)800～1 122.6 mm，新鄉(xiāng)達(dá)800～965.5 mm；最大累計降水量出現(xiàn)在鶴壁市淇濱區(qū)(1 122.6 mm)。鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁和安陽共20個國家級氣象站日降水量突破建站以來歷史極值。

圖6 2021年7月17日08時至22日08時累計降水空間分布

本次降水過程可分為三個階段，第一階段(17—18日)，如圖7a和7b所示，副高西段脊線抬升至42°N左右，588 dagpm高度線覆蓋了黑龍江、吉林及遼寧的大部分地區(qū)。位于青藏高原上空的大陸性高壓位置偏東偏強(qiáng)，與副高形成東西對峙的環(huán)流形勢，兩個高壓之間寬廣的弱低壓帶上空存在一個中尺度低渦系統(tǒng)，850 hPa低渦中心位于安徽和河南兩省交界處，有倒槽從低渦中心伸展到河南北部和河北南部，大氣整層可降水量在50～60 kg·m-2。在低渦倒槽、副高外圍和低渦北側(cè)東南暖濕氣流的共同作用，再加上太行山地形的綜合影響，使得強(qiáng)降水出現(xiàn)在河南北部及河北南部一帶。從雷達(dá)回波上來看(圖略)，對流云團(tuán)由河南東北部向山西南部移動，結(jié)構(gòu)相對松散。24 h降水強(qiáng)度以分散性暴雨為主，局地有大暴雨。

第二階段(19—21日)，伴隨著大陸高壓的減弱和副高的西伸，原本位于河南東部上空的低渦緩慢西移，中心先進(jìn)入湖北北部一帶，而后進(jìn)入河南西部，強(qiáng)度先減弱后加強(qiáng)，低渦北側(cè)有倒槽切變維持。副高位置穩(wěn)定在日本島—我國東北地區(qū)，但我國東北上空的高壓脊減弱，而從日本海伸向我國華東的副高脊加強(qiáng)。與此同時，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴煙花移入近海，向西北方向逼近我國東南沿岸。19日，低渦中心位于湖北北部。在低渦東側(cè)、“煙花”西北側(cè)外圍氣流以及副高外圍西側(cè)外圍氣流的共同影響下，黃淮上空受大范圍偏東風(fēng)與東南風(fēng)控制(圖7c)。在太行山脈至河南西部伏牛山沿線地形的阻擋和抬升作用下，大量的暖濕空氣在河南北部堆積。對流系統(tǒng)在河南東南部生成，在東南風(fēng)的引導(dǎo)下，向西北方向緩慢移動并組織化。20日，河南西部的低渦位置比較穩(wěn)定，但強(qiáng)度明顯增加(圖7d)。強(qiáng)熱帶風(fēng)暴煙花也已增強(qiáng)為臺風(fēng)級別，使其與副高之間的氣壓梯度增加，二者之間的東南風(fēng)增強(qiáng)，形成低空急流。河南北部地區(qū)恰好位于東南低空急流的左前方。從鄭州站20日08時的探空曲線來看(圖略)，除700 hPa以下的東南低空急流外，900 hPa以下還存在一支偏東的超低空急流，瞬時風(fēng)速可達(dá)14～16 m·s-1。在良好的動力條件和水汽條件的配合下，大暴雨在河南北部持續(xù)。20日16—17時，鄭州氣象觀測站記錄最大小時降水量達(dá)201.9 mm，突破中國大陸小時雨量歷史極值(198.5 mm，河南林莊，1975年8月5日)。21日(圖7e)，河南低渦緩慢向北移動并減弱，東南低空急流略有北抬，低渦倒槽也隨之北抬。這使得整個暴雨帶的影響范圍逐漸向北發(fā)展，擴(kuò)大至河北南部，整個降雨系統(tǒng)逐漸松散。

第三階段(22日)，副高有所東退(圖7f)，低渦倒槽也逐漸減弱消失。強(qiáng)降水零星分布在河南以及山西境內(nèi)，至此本輪持續(xù)性極端降水過程趨于結(jié)束。總體而言，本次降水過程受到副高、大陸高壓、低渦、低空急流以及臺風(fēng)煙花等中低緯多尺度系統(tǒng)的共同作用，并疊加地形的影響，成為與河南“75·8”特大暴雨過程綜合強(qiáng)度相當(dāng)?shù)奶貜?qiáng)降雨過程。

3.3 臺風(fēng)煙花暴雨過程分析

7月22—30日，副高減弱東退至日本海上空，青藏高原上空的大陸性高壓偏強(qiáng)偏東。臺風(fēng)煙花位于兩高之間，并向偏北方向移動，先后在浙江舟山(7月25日12：30)和平湖沿海(7月26日09：50)登陸，為1949年有氣象記錄以來首個在浙江省內(nèi)兩次登陸的臺風(fēng)。“煙花”移動速度緩慢，在我國陸上滯留時間為1949年以來最長。受“煙花”影響，浙江、上海、江蘇、安徽、山東中西部、河北東部、天津、遼寧西南部及河南商丘和周口等多地出現(xiàn)暴雨，局地有大暴雨。其中，浙江北部和東部、上海、安徽東南部及江蘇南部累計降水量達(dá)300～600 mm，浙江北部部分地區(qū)累計降水量達(dá)700～900 mm，最大累計降水量達(dá)(1 034.3 mm)出現(xiàn)在浙江余姚。

本次過程分為三個階段，第一階段(22—23日)，“煙花”中心位置在臺灣以東的西北太平洋洋面(圖8)，強(qiáng)度為強(qiáng)臺風(fēng)級別，中心風(fēng)速可達(dá)42 m·s-1，整體結(jié)構(gòu)比較對稱。22日23：00，在副高外圍引導(dǎo)氣流的作用下(圖9a)，“煙花”的移動路徑由西行轉(zhuǎn)為西北方向移動，受其外圍云系影響，浙江東北部沿海地區(qū)出現(xiàn)暴雨天氣。

第二階段(24—27日)，“煙花”強(qiáng)度減弱為臺風(fēng)級別，中心風(fēng)速為40 m·s-1。副高強(qiáng)度進(jìn)一步減弱，西段有所北抬，“煙花”的北向分量加大繼續(xù)向偏北方向移動(圖8，圖9b)。受其西側(cè)螺旋雨帶的影響，浙江北部和上海均出現(xiàn)暴雨、局地大暴雨的天氣，浙江沿海出現(xiàn)9～12級大風(fēng)，局地為13～15級。此時，“煙花”主體東側(cè)位于海上的螺旋雨帶上依然存在發(fā)展比較旺盛的對流云團(tuán)。25日12：30，“煙花”登陸浙江舟山群島。受南海熱帶低壓查帕卡外圍西南季風(fēng)氣流的影響，“煙花”的水汽比較充沛，登陸時強(qiáng)度維持在臺風(fēng)級別，隨后緩慢減弱。從雷達(dá)回波上可以看到(圖略)，“煙花”的本體降水主要位于其北側(cè)和東側(cè)，強(qiáng)降水云團(tuán)主要位于海上。在弱引導(dǎo)氣流的作用下，“煙花”緩慢向西北方向移動，強(qiáng)降水落區(qū)向北向西擴(kuò)展至浙江北部、江蘇大部以及安徽的北部和東南部。與此同時，中緯度低槽逐步加深，形成閉合的冷性渦旋，位于我國東北地區(qū)上空。高空冷渦東側(cè)的偏南氣流有利于引導(dǎo)“煙花”繼續(xù)北上。

圖8 2021年7月22日08時至31日08時累計降水量(陰影)，以及22—30日臺風(fēng)煙花移動路徑

圖9 2021年7月23日08時(a)、26日08時(b)、29日08時(c)500 hPa位勢高度場(等值線，單位：dagpm)和850 hPa風(fēng)場(風(fēng)羽，單位：m·s-1)及大氣整層可降水量(陰影，單位：kg·m-2)

第三階段(7月28—30日)，“煙花”已減弱為熱帶低壓，在副高外圍西南氣流的引導(dǎo)下，繼續(xù)北上，并于29日與高空槽結(jié)合。這一階段，“煙花”仍然維持著較為清晰的環(huán)流結(jié)構(gòu)，深對流出現(xiàn)在其北部和東部。29日，山東半島、江蘇、安徽北部出現(xiàn)暴雨至大暴雨的強(qiáng)降水天氣。30日，“煙花”移入渤海，本輪臺風(fēng)暴雨過程趨于結(jié)束。

4 其他災(zāi)害性天氣

4.1 熱帶氣旋活動

今年7月，除“煙花”外，西北太平洋與南海洋面上還有兩個臺風(fēng)生成，分別是位于我國南海的“查帕卡”，以及位于日本東京東南方向大約1 490 km處洋面的臺風(fēng)尼伯特，較常年同期(3.7個)偏少0.7個(國家氣候中心，2021)。登陸我國的臺風(fēng)為2個(2106號“煙花”和2107號“查帕卡”)，與常年同期(2個)相當(dāng)。

4.2 高溫天氣

7月，我國高溫天氣主要出現(xiàn)在華南、江南及新疆和內(nèi)蒙古西部地區(qū)，上述大部地區(qū)高溫日數(shù)普遍為10～25 d(國家氣候中心，2021)。與常年同期相比，華南大部、江南南部、西北地區(qū)東北部及新疆大部等地高溫日數(shù)偏多5～10 d，華南中北部偏多10 d以上。廣西、寧夏高溫日數(shù)均為1961年來同期最多，新疆、甘肅、廣東分列歷史同期第二至第四多。

致 謝：感謝國家氣象中心解晉為本文提供月降水量、降水距平百分率和溫度距平資料，感謝國家氣象中心氣象服務(wù)室提供2021年強(qiáng)降雨過程紀(jì)要表。