平流層高位渦侵入對河南“21·7”極端暴雨的影響

祝傳棟， 陳正洪， 李亞飛， 許 楊， 張冠舜， 廖 潔

(1.湖北省氣象服務中心，武漢 430205；2.中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室，北京 100029；3.天津市氣象災害防御技術中心，天津 300074； 4.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣州 510641)

引 言

在夏季，隨著西太平洋副熱帶高壓(西太副高)的第二次北跳，中國的主雨帶從江淮流域移至華北地區，形成華北雨季[1-3]。在此期間，受中、低緯多尺度系統的相互作用及復雜地形的影響，華北地區成為中國暴雨集中分布區之一[4-7]。歷史上，華北地區曾出現過多次極端暴雨，如河南“75·8”、山東2016年7月9日、河南2016年7月19日等特大暴雨過程，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡[8-11]。因此，深入理解華北暴雨的形成過程和機理，不僅為提升華北暴雨的預報水平提供重要科學依據，而且對增強國家防災減災能力也有重大意義。

夏季華北暴雨的形成機理十分復雜，不僅與中尺度系統的活動、地形抬升作用聯系密切[12-15]，還受到中、低緯天氣尺度系統(如西太副高、臺風、急流、地面氣旋)的影響[1,6,9,16-17]。西太副高的西伸和北跳，有利于中國南海或東海的水汽向華北地區輸送，為華北暴雨的發生提供充沛的水汽[6]。有研究指出，西太副高的穩定少動，可減緩中緯度西風帶中低槽的東移速度，有助于延長華北暴雨的維持時間[17]。此外，低緯地區臺風的活動，可建立遠距離水汽通道，進一步增強水汽向華北地區的輸送[10,16]。高空急流對于華北暴雨的形成也非常重要。在華北雨季，東亞副熱帶急流位于40°N以北，高空急流中心移動時，由其引發的強輻散是華北暴雨觸發的重要原因之一[3,18]。在有些華北暴雨個例的成因中，天氣尺度低渦或者地面氣旋的活動也是其成因之一[19]。

近年來的研究發現[20-24]，干侵入現象對于華北暴雨的影響不容忽視。Gao等[21]通過對2004年8月12至13日華北暴雨過程的分析發現，在對流層頂附近有明顯的干冷空氣向下、向南侵入到40°N及其以南的暴雨區。伴隨著干侵入過程，平流層高位渦空氣也會隨之向下侵入到對流層，并通過平流層-對流層相互作用，使對流層高層出現正位渦異常[25-26]。在北半球，高層正位渦異常能在其東側對流層激發大氣的上升運動，在其正下方和西側激發大氣的下沉運動[27-28]。此外，由干侵入引發的高空高位渦(即正位渦異常)，不僅利于對流層上升運動的發展，在高空鋒區的形成和發展中也起著重要作用，這為觸發華北地區的強對流天氣、引發暴雨過程提供了有利條件[20,22-23]。

綜上可知，華北暴雨的成因十分復雜，涉及多尺度系統的相互作用，不同個例內在機理也不盡相同。由于華北暴雨的年發生頻次比華南和江淮流域暴雨的要少，相較華南和長江流域暴雨的研究，關于華北暴雨研究還比較缺乏，有待進一步探究。2021年7月17日至22日，河南發生歷史罕見的極端特大暴雨災害，鄭州國家氣象站單日降雨量突破歷史極值，達到624.1 mm，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。本文聚焦此次特大暴雨過程，重點探究平流層高位渦侵入對此次特大暴雨過程的影響，并進一步揭示高層高位渦侵入形成的可能物理過程和機理。此外，對流層中低層環流對此次暴雨過程的協同影響也將在本文中予以分析。通過對上述關鍵問題的探究，期望為提升華北暴雨的預報水平提供科學依據和參考。

1 資料和方法

1.1 資 料

本文使用的資料包括：(1)美國國家環境預測中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的逐日再分析數據集(NCEP1)，時間范圍為1979-2021年，水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向上從近地層1000 hPa至平流層10 hPa共17層[29]。所用變量涉及溫度、位勢高度、三維風場等，用于診斷分析河南極端暴雨過程形成有關的物理過程。(2)中國氣象局提供的2021年7月17-22日全國所有國家氣象觀測站的24 h(08時-次日08時)降雨量資料，用于河南極端暴雨時空變化特征的分析。對所有的大氣環流場做濾除年循環的處理，得到7月17-22日逐日的異常場。(3)美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)提供的高分辨率地形資料(ETOPO1)，分辨率為0.0167°×0.0167°，用于分析降水落區及其周邊的地形特征。對所有的大氣環流場做濾除年循環的處理，得到7月17-22日逐日的異常場。

1.2 方 法

利用位勢渦度(Potential Vorticity，PV)來診斷平流層高位渦侵入及相關物理過程。位勢渦度[30]在等壓坐標系下的表達式如下：

(1)

其中，g、f、ξp、θ分別為重力加速度、地轉參數、等壓面上相對渦度的垂直分量、位溫，u、v分別表示水平風場的緯向、經向分量。從高緯度地區向低緯度地區、從平流層向對流層，位勢渦度(位渦)的分布通常表現為逐漸減小的特征。在對流層，位渦通常小于1 PVU(1PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1)；在平流層，位渦通常大于2 PVU，并且隨高度升高而快速增大。因此，2 PVU等位渦面可用來表示熱帶外對流層頂[27,31]。當平流層高位渦向對流層侵入時，對流層頂呈現向下凹的形態。

2 強降水過程概況

2021年7月17至22日，河南遭遇了歷史罕見的極端暴雨過程。此次暴雨過程，使位于太行山東麓沿山地區、伏牛山東側的鄭州、焦作和鶴壁等多地累積降水量超過400.0 mm，強降水范圍非常廣，而且表現出明顯的地形效應；最強降水中心位于鄭州，累積降水量接近800.0 mm(圖1a-b)，超過了鄭州年平均降水量(640.8 mm)。從河南平均降水量的逐日變化可知(圖1c)，17日至19日，河南強降水逐漸發展，于20日達到峰值(平均降雨量達69.5 mm)，20日之后強降水過程逐漸減弱，并于22日進入尾聲。總體來看，19至21日為河南強降水的集中期，這3日的降水量達161.4 mm(圖1c)，體現出河南此次強降水過程不僅持續時間長,而且強度大。

圖1 河南及周邊海拔高度 (a)、河南2021年7月17-22日累積降水量(b)、平均降水的逐日變化(c)

圖2為2021年7月17至22日河南及周邊日降水量的演變圖。7月17日，河南開始有降水，降水大值區主要位于河南東南部，局部降水量可達50.0～100.0 mm(圖2a)。相比7月17日，18日雨帶向北擴展，且以太行山東麓沿山地區、伏牛山東側的日降雨量較大(圖2b)。到7月19日，河南的降水大幅增長，其中鄭州、焦作日降水量分別為176.6 mm、147.7 mm(圖2c)。7月20日河南降水達到最強，降水大值中心位于鄭州國家氣象觀測站，單日降水量達到624.1 mm(圖2d)，這相當于鄭州一年的降水量。7月20至21日，隨著河南的雨帶沿著太行山東麓向北移動，鄭州地區的降水開始回落，新鄉、安陽、鶴壁地區的降水迅速增強，單日降水量均突破400.0 mm，分別達到447.1 mm、436.3 mm、436.1 mm(圖2d-e)。到了7月22日，河南的降水迅速衰減，沿太行山東麓地區的日降水量總體在50.0 mm以下(圖2f)。

圖2 河南及周邊2021年7月17日(a)、 18日(b)、19日(c)、20日(d)、 21日(e)、22日(f)降水量的分布

3 平流層高位渦侵入的作用

從動力角度來看，強烈的上升運動是暴雨形成的重要原因之一[1,3,32]。前人研究指出，平流層高位渦侵入(即“干侵入”)是華北暴雨啟動的重要機制，它通過在對流層激發上升運動而促進垂直運動的強烈發展，從而造成強降水的發生[20,23,33-36]。此次河南21·7極端暴雨過程，伴隨著河南以西上空平流層高位渦向下侵入到對流層的過程。因此，下文中探究平流層高位渦侵入在此次暴雨過程中的作用及有關物理過程。

3.1 水平結構

圖3給出了2021年7月17-22日200 hPa位渦及位渦異常的空間變化特征。17日，青藏高原東緣與河南之間(即河南西側)的對流層高層出現弱的正位渦異常，伴隨著該地區對流層頂(由1和2 PVU等位渦線所表征)向南伸展(圖3a)。與該弱的正位渦異常相對應，河南開始有降水發展(圖2a)。18至19日，伴隨著河南西側上空的對流層頂向西南方向伸展，河南西側的高空正位渦異常逐漸增強，“高位渦舌”逐漸形成(圖3b-c)。與之相對應的是，河南降水進一步發展(圖2b-c)。到20日，河南西側的“高位渦舌”進一步向西南方向擴展，其范圍從河套平原延伸至我國西南地區，對應著河套平原、我國西南地區上空強盛的正位渦異常中心(圖3d)。與此同時，位于河套平原高位渦異常中心東南側的河南，其日降水量達到最強(圖3d和圖2d)。

20日之后，伴隨著“高位渦舌”的不斷減弱，河套平原上空的正位渦異常中心東移(圖3e-f)，對應著河南降水進入衰退階段(圖2e-f)。到了22日，對流層頂延伸至河南，河南上空受正位渦異常控制(圖3f)，對應著河南強降水過程基本結束(圖2f)。由上述可知，此次河南極端暴雨的發展過程是伴隨著河南西側上空對流層頂向西南方向伸展及“高位渦舌”的形成，而衰退過程對應著“高位渦舌”的東移。

圖3 河南及周邊2021年7月17日(a)、 18日(b)、19日(c)、20日(d)、 21日(e)、22日(f)200 hPa位渦及位渦異常的分布位渦(等值線)單位：PVU，僅顯示1、2 PVU；陰影為位渦異常

3.2 垂直結構及影響

本節將進一步給出平流層高位渦侵入在垂直方向上的特征，在此基礎上分析平流層高位渦侵入對河南極端暴雨過程的影響。在此次極端暴雨過程期間，河南西側上空的平流層高位渦侵入在7月20日達到最強(圖略)，對應著河南極端暴雨的峰值日。以7月20日為例，給出河南西側上空平流層高位渦侵入的垂直結構及其對局地環流的影響(圖4)。從圖4(a)可以看出，7月20日河南西側上空對流層頂呈現下凹的特征，對應著平流層高位渦向下侵入到對流層，使河南西側上空對流層高層出現強烈的正位渦異常。與此同時，河南上空對流層高層受負位渦異常控制(圖4b)。在這樣的環流異常配置下，河南出現極端降水，平均日降水量達到69.5 mm，尤其是鄭州地區，日降水量達到歷史罕見的624.1 mm。

前人研究指出，在北半球，平流層高位渦侵入會引起對流層高層出現正位渦異常，進而在其東側對流層激發大氣的上升運動，在其正下方和西側對流層激發大氣的下沉運動[25-28]。如圖4(c)所示，伴隨著河南西側上空平流層高位渦向對流層侵入，河南上空對流層高層200 hPa附近出現強烈的輻散異常中心，對流層中低層為輻合異常。在這樣有利的高低層輻散輻合場的配置下，河南上空對流層受異常強烈的上升運動所主導(圖4c、d)，這為河南極端降水的發生提供了有利的上升運動條件。而在河南西側，受高空正位渦異常的影響，對流層高層出現強烈的輻合異常中心，對流層中低層出現輻散異常中心，激發出該地區上空強烈的下沉運動(圖4c)，抑制河南西側對流的發展。

綜上可知，由河南西側上空平流層高位渦侵入引起的高空正位渦異常，通過激發其東側對流層大氣的上升運動、正下方和西側對流層大氣的下沉運動，從而為河南強降水的產生提供了有利的動力條件，與此同時，抑制河南西側對流的發展，導致強降水集中在河南，而河南西側的河套平原、陜西和甘肅等地未出現明顯降水(圖2)。

圖4 河南及周邊2021年7月20日沿35°N(a)和115°E(b)位溫、位渦及位渦異常的垂直剖面及沿35°N(c)和115°E(d)水平散度異常、垂直速度異常及位渦的垂直剖面(a)(b)中陰影為位渦異常,(c)(d)中陰影為垂直速度異常；位溫(紅色等值線)單位：K；位渦(藍色等值線)單位：PVU，位渦僅顯示1、2 PVU；黑色等值線表示水平散度異常,水平散度單位：10-6 s-1；垂直速度單位：10-2 Pa·s-1

3.3 高位渦侵入形成的機理

由3.1節和3.2節分析可知，與河南西側高位渦侵入有關的對流層高層正位渦異常為河南極端暴雨的發生提供有利的動力條件。在本節，將進一步探究河南西側高位渦侵入形成的可能物理過程。

值得注意的是，河南西側上空高位渦侵入發生的位置位于青藏高原東緣上空(圖3)。在夏季，青藏高原東緣上空受南亞高壓東緣盛行的偏北風所主導。前人研究指出，南亞高壓東緣盛行的偏北風，有利于熱帶外平流層高位渦空氣向南、向下侵入到較低緯度的對流層[26,37]。這意味著，河南西側上空高位渦侵入的出現可能與南亞高壓聯系密切。

2021年7月17-22日200 hPa位勢高度、經向風異常的逐日變化如圖5所示。17日，青藏高原及河南西側的廣大地區受高空南亞高壓的控制。此時南亞高壓東緣近乎呈南北走向，對應著青藏高原東部上空(即南亞高壓東緣)的北風異常(中心強度的絕對值超過12 m/s)，這說明南亞高壓東緣的北風異常偏強(圖5a)。如此強烈的北風有助于引導熱帶外平流層的高位渦空氣向南、向下輸送。

17至19日，隨著南亞高壓最東緣(12520 gpm特征線)從112.5°E附近逐漸西退至102.5°E附近，青藏高原東部上空的北風異常進一步增強(中心強度的絕對值超過16 m/s，圖5a-c)，對應著青藏高原東緣上空對流層高層正位渦異常的增強(圖3a-c)。到了20日，隨著南亞高壓東緣向東北方向伸展，青藏高原東部上空的北風異常進一步增強，北風異常的范圍也隨之向東北方向擴展(圖5d)，為中緯度高位渦空氣向南輸送提供了有利的大尺度環流條件(圖3d)。20日之后，南亞高壓最東緣(12520 gpm特征線)逐漸東伸，對應著北風異常區域的逐漸東移，并于22日移至河南西部(圖5e-f)。在該異常偏強的北風作用下(圖5f)，中緯度高位渦空氣將向河南輸送，引起河南上空對流層高層的正位渦異常(圖3f)。由于高空正位渦異常的作用，河南上空對流層受異常下沉運動控制(圖略)，對應著河南降水的顯著減弱(圖2f)。

圖5 河南及周邊2021年7月17日(a)、 18日(b)、19日(c)、20日(d)、 21日(e)、22日(f)200 hPa位勢高度、經向風異常的分布位勢高度(等值線)單位：gpm，僅顯示大于或等于12520 gpm的值；圖中陰影為經向風異常，風速單位：m/s

4 對流層中低層環流的協同影響

從第3節可知，河南西側上空高位渦侵入所引起的對流層高層正位渦異常，可在河南上空激發出強烈的上升運動，為河南極端暴雨的發生提供了有利的動力條件，這將促進對流層中低層水汽產生強烈輻合與抬升。水汽條件是暴雨產生的另一重要因素，而河南極端暴雨過程的水汽源于哪里？又是如何輸送到河南的？下文將通過分析河南極端暴雨期間東亞地區上空對流層中低層環流的演變特征來予以揭示。

圖6給出了2021年7月17-22日對流層中層(500 hPa)風場異常、位勢高度異常及位勢高度的逐日變化。7月17日，強烈的高壓異常中心位于日本上空，對應著西太副高中心位置異常偏北(位于37.5°N附近)，其5880 gpm特征線西伸至125°E附近(圖6a)。與此同時，西太副高西南側有臺風“煙花”活動，伴隨著明顯的負位勢高度異常及異常氣旋中心(圖6a)。在西太副高與臺風“煙花”之間異常強盛的偏東氣流，將洋面上富含水汽的暖濕氣流向河南輸送，這為河南極端暴雨的發生提供了有利的水汽條件。

18至20日，位置異常偏北、強度異常偏強的西太副高穩定維持，使臺風“煙花”的北上受阻。在這樣有利的系統配置下，西太副高與臺風“煙花”之間異常強盛的偏東氣流穩定維持，并將洋面上的暖濕氣流源源不斷地向河南輸送(圖6b-d)。在此期間，隨著臺風“煙花”活動范圍的負位勢高度異常及異常氣旋式環流不斷增強，偏東暖濕氣流也進一步加強(圖6b-d)。與此同時，河南西側上空平流層高位渦侵入逐漸發展(圖3b-d)，在其東側的河南上空對流層高層激發出強烈的上升運動(圖4)，配合有利的水汽條件，河南極端暴雨快速發展(圖2b-d)。尤其是20日，平流層高位渦侵入最為強烈(圖3d)，與之有關的河南上升運動達到最強(圖4)，對應著河南日降水量的峰值。

20日之后，伴隨著東北亞上空正位勢高度異常的減弱，西太副高也逐漸減弱，對應著西太副高南側偏東暖濕氣流的減弱(圖6e-f)。因此，從西太平洋向河南的水汽輸送減弱。與此同時，河南西側上空

圖6 河南及周邊2021年7月17日(a)、 18日(b)、19日(c)、20日(d)、 21日(e)、22日(f)500 hPa風場異常、位勢高度異常及位勢高度的分布箭頭為風場異常，風速單位：m·s-1；陰影為位勢高度異常，位勢高度(等值線)單位：gpm，僅顯示大于或等于5880 gpm的值

對流層高層的正位渦異常逐漸向河南上空移動，并于22日控制河南(圖3e-f)。對流層高層正位渦異常能在其東側對流層激發上升運動，在其正下方和西側激發下沉運動[27-28]。因此，在22日河南上空正位渦異常的影響下，河南對流受到抑制，協同水汽輸送減弱的影響，河南降水明顯減弱。

圖7給出了2021年7月17-22日對流層低層(700 hPa)風場異常、垂直速度異常的逐日變化。17日，與位置異常偏北、強度偏強的西太副高相對應(圖6a)，日本上空對流層低層受異常反氣旋中心控制(圖7a)。與此同時，受臺風“煙花”活動的影響，臺灣以東地區上空對流層低層為異常氣旋中心(圖6a)。在上述反氣旋、氣旋異常環流之間為異常偏東氣流，將暖濕空氣從西太平洋輸送至河南，從而形成一條“水汽通道”。在河南西側上空對流層高層較弱的正位渦異常作用下(圖3a)，河南上空對流層低層出現異常上升運動(圖7a)，利于低層水汽向對流層中上層抬升。17至20日，伴隨著西太副高穩定維持，臺風“煙花”強度逐漸增強并緩慢向我國大陸移動，從西太平洋延伸至河南的偏東氣流隨之增強。與之相對應的是，河南上空對流層低層的異常上升運動進一步增強，從17日的-4 Pa·s-1左右增強至20日的-16 Pa·s-1左右(圖7a-d)。隨著上升運動顯著增強、水汽輸送進一步加強，河南強降水過程快速發展，并于20日達到峰值。

圖7 河南及周邊2021年7月17日(a)、 18日(b)、19日(c)、20日(d)、 21日(e)、22日(f)700 hPa風場異常、垂直速度異常的分布箭頭為風場異常，風速單位：m·s-1；陰影為垂直速度異常，垂直速度單位：10-2 Pa·s-1

7月20日之后，隨著西太副高強度的減弱(圖6e-f)，其西南側的異常偏東氣流也隨之減弱，使從西太平洋向河南的水汽輸送減弱(圖7e-f)。與此同時，由于河南西側上空對流層高層正位渦異常向河南上空移動(圖3e-f)，河南對流受到抑制，上升運動逐漸減弱(圖7e-f)，對應著河南強降水過程進入衰退階段。

5 結論和討論

本文利用1979-2021年NCEP1逐日再分析資料及2021年7月17-22日中國國家氣象觀測站的24 h(08時-次日08時)降水數據，研究了平流層高位渦侵入在河南21·7極端暴雨過程中的作用及其形成的可能物理過程，并進一步探究了對流層中低層環流對暴雨過程的協同影響，得到以下主要結論：

(1)此次暴雨過程持續時間長、影響范圍廣，造成太行山東麓沿山地區及伏牛山東側的鄭州、焦作和鶴壁等多地累積降水量突破400.0 mm，最強降水中心位于鄭州(僅20日降水量就達到624.1 mm)。

(2)在極端暴雨過程中，河南以西上空存在平流層高位渦侵入現象，對河南極端暴雨的形成有重要影響。17-20日，在平流層高位渦侵入的作用下，河南以西上空對流層高層出現正位渦異常，并在其東側(即河南)的對流層高層(低層)激發出強烈的輻散(輻合)異常，從而有助于河南上升運動強烈發展，為暴雨的形成提供了有利的動力條件。20日后，河南西側上空對流層高層正位渦異常逐漸東移，并最終于22日移至河南上空，抑制了河南對流的發展，對應著河南極端暴雨過程基本結束。

(3)河南以西上空平流層高位渦侵入的發生與南亞高壓密切聯系。在河南暴雨發展的初期，南亞高壓東緣近乎呈南北走向，對應著青藏高原東部上空對流層高層異常偏強的北風。強盛的北風有利于引導中緯度的高位渦空氣向南、向下輸送，為平流層高位渦侵入的形成提供了有利的大尺度環流背景。隨著南亞高壓東緣的西退，青藏高原東部上空的北風異常進一步增強，對高位渦空氣的輸送作用也隨之增強，對應著河南以西上空高位渦侵入的進一步發展。20日后，隨著南亞高壓東緣的東伸，與之有關的北風異常范圍向河南擴展，有助于中緯度高位渦空氣向河南上空輸送，從而在河南上空形成正位渦異常。在高空正位渦異常的作用下，河南上空對流層受異常下沉運動控制，這不利于強降水的維持，因而暴雨過程進入尾聲。

(4)西太副高的異常與臺風“煙花”的活動，為河南極端暴雨的形成提供了有利的水汽條件。在暴雨發展階段，西太副高異常偏強、位置偏北且維持較久，在其西南側有臺風“煙花”活動，二者之間為異常偏強的偏東氣流，有助于將洋面上的暖濕氣流源源不斷地向河南輸送，為暴雨發展提供了有利的水汽條件。而在暴雨的衰退階段，西太副高強度減弱，其西南側的偏東氣流也隨之減弱，使輸送到河南的水汽減少，不利于強降水維持。

本文分析表明，河南以西上空平流層高位渦侵入對河南21·7極端暴雨的發生有重要影響，高位渦侵入的形成又與南亞高壓東緣的東西進退存在聯系。這意味著，南亞高壓的活動在一定程度上可指示暴雨的發生。此外，本文主要從大尺度環流角度來分析此次暴雨過程，而暴雨的形成機理是十分復雜的，中尺度系統的作用、地形的影響、不同尺度系統的相互作用等都有待進一步探究。