豫北“21·7”極端暴雨過程特征及成因分析*

蘇愛芳 席 樂 呂曉娜 崔麗曼 張 寧

1 中國氣象局(河南)農業氣象保障與應用技術重點實驗室，鄭州 450003 2 河南省氣象臺，鄭州 450003

提 要： 利用探空、地面自動站、多普勒雷達等觀測資料及ERA5再分析產品，對2021年7月17—22日豫北地區的極端暴雨過程進行分析。結果表明，極端暴雨過程具有強降水持續時間長、降水強度極端及地形影響明顯等特征。極端暴雨過程發生于穩定的大尺度天氣形勢下，在日本海高壓西伸及臺風煙花(2106號)、查帕卡(2107號)西北行背景下，黃淮低渦外圍加強北上的東南急流/偏南急流為強降水的發生提供了異常充足的水汽、能量條件，對流層中低層暖濕平流強迫、疊加地形影響的強動力輻合抬升作用及低空弱冷空氣擴散南下是形成強降水的重要條件，而大氣“強-弱-強-弱”的對流不穩定層結特征轉化說明強降水過程中存在著兩種互補的物理機制。不同階段極端短時強降水(小時降水量≥50 mm)對流系統的形態結構和發展演變特征不同，但從雷達回波的垂直分布來看，系統均具有“低質心”特征，質心強度≥55 dBz且≥50 dBz強回波垂直伸展至5～8 km、持續時間1 h以上。強降水對流系統在太行山前30 km左右范圍內的后向發展特征明顯，一方面與地面西行偏東風/東北風在太行山繞流作用下形成的地形輻合線不斷南伸有關，另一方面也與強降水冷池效應促使山前偏北風進一步發展南下有關。

引 言

豫北地區地處華北南部、太行山東麓，指河南位于黃河以北的區域，包括安陽、鶴壁、濮陽、新鄉、焦作和濟源示范區6個地級市(示范區)(圖1)，歷史上曾遭遇過“63·8”“96·8”等嚴重的暴雨洪澇災害(陶詩言，1980；張文龍和崔曉鵬，2012)。2021年7月下旬，繼20日鄭州極端暴雨災害事件后，豫北20日下午至22日連續出現大范圍強降水，與17日開始持續出現的對流性強降水疊加，導致了嚴重的山洪、泥石流災害，中小河流、水庫承擔了極高風險，共產主義渠和衛河新鄉、鶴壁段多處發生決口，大范圍糧田被淹沒，交通、通信、水電設施等大范圍損毀，人員傷亡嚴重，經濟損失數以百億(簡稱豫北“21·7”極端暴雨過程)。

圖1 河南省行政區劃及地形(填色)(框內為豫北地區，填色區為太行山區，藍線為黃河河道線)Fig.1 Administrative division of northern Henan(box: the northern Henan, colored area: Taihang Mountains, blue line： Yellow River Channel)

華北暴雨(豫北暴雨屬華北暴雨研究范疇)一直是我國氣象學者關注的重點，相關研究涵蓋了大尺度環流形勢及中低緯度系統相互作用、水汽輸送、高低空急流、暴雨中尺度系統、復雜地形等(張文龍和崔曉鵬，2012；趙思雄等，2018)。丁一匯等(1980)歸納了華北暴雨天氣形勢：(1)在東高西低或兩高壓對峙的環流形勢下，當長波槽位于100°～110°E時，對華北暴雨最有利；當北面形成高壓壩時，北上臺風深入內陸受阻或切斷低渦穩定少動也會造成暴雨。(2)低渦、暖切變線和低槽冷鋒是造成華北暴雨的主要天氣尺度系統。(3)華北強烈的暴雨大部分出現在兩個或兩個以上天氣系統的相互作用或相互疊加的情況下，暖切變線與低渦相疊加；低槽冷鋒與低渦疊加；(南北或東西方向)低槽合并和加強；高空冷渦與臺風或西南渦結合。(4)大部分暴雨發生時有低空急流出現。(5)華北地形對暴雨的出現有一定作用。

近年來，東風氣流與暴雨的關系、太行山地形對暴雨的影響以及極端暴雨發生發展的中尺度過程成為華北暴雨研究的焦點問題(陶祖鈺和成秋影，1981；徐國強等，1999；孫繼松和楊波，2008；孫繼松等，2012；孫建華等，2005；2013；廖菲等，2009；張文龍和崔曉鵬，2012；諶蕓等，2012；孫軍等，2012；俞小鼎，2012；2013；陳明軒等，2013；Zhong et al,2015；吳慶梅等，2015；閆冠華等，2015；符嬌蘭等，2017；王叢梅等，2017；栗晗等，2018；章翠紅等，2018；Fu et al,2020)。孫繼松和楊波(2008)的研究表明，在太行山東側為低空東風氣流的背景下，當垂直于山體的氣流隨高度減小時，地形的作用表現為迎風坡上水平輻合造成氣旋式渦度增加，對迎風坡降水產生明顯增幅作用，由城市熱島形成的水平溫度梯度可能在靠近城區的山前迎風坡強迫產生相對獨立的中尺度風垂直切變，由此產生的低空風的垂直切變是維系中尺度對流降水發生、發展的重要條件，強降水形成吹向迎風坡的風與降水強度之間的正反饋現象，對中尺度暴雨的形成起重要作用。俞小鼎(2012)指出北京及其周邊地區1 000～2 000 J·kg-1的濕對流有效位能(CAPE)、深厚的濕層、強的低空急流、高的地面露點溫度(Td)和異常大的可降水量(PW)等環境條件有利于北京“7·21”大暴雨的出現，極端降水中尺度對流系統起源于類似熱帶氣旋形態的中尺度渦旋的發展，低空急流在太行山東坡被強迫抬升導致新單體不斷在強降水區西南側生成，向西南方向的后向傳播和速度更快向東北向平流導致對流單體反復經過同一區域，形成“列車效應”，以及逐漸增加的深層垂直風切變導致很多小型超級單體形成，其內部的旋轉與環境垂直風切變的相互作用導致更強的上升氣流、更大雨強和更長的對流單體生命史，都有利于極端降水的形成。陳明軒等(2013)的研究表明，在“7·21”極端暴雨過程中，低層動力場和地形強迫對中尺度對流系統(MCS)的觸發、增強和維持起關鍵作用，隨著急流加強，強降水區域呈現與地形走向接近的“西南一東北”向帶狀分布，單體移動具有明顯的“列車效應”，而整體則向東偏南緩慢傳播，在傳播前沿(山前)形成強的出流風場，低層2 km以下均為深厚的輻合上升區且進一步加強，有利于長時間“列車效應”的維持和發展；出流風場與平原地區近地面偏南風交匯，使得在距傳播前沿約50 km的、已經存在的一個接近“西西南—東東北”走向的出流邊界明顯增強，在MCS傳播前沿存在較為明顯的0～3 km風的強垂直切變，風垂直切變與MCS之間存在明顯的正反饋效應。

綜合來看，極端暴雨的天氣形勢及其中小尺度過程復雜，每個過程都值得深入開展研究。豫北“21·7”極端暴雨過程的持續時間和降水強度都超過北京“7·21”和華北“16·7”過程，產生如此極端降水的系統是怎樣發展起來的？其天氣背景、中尺度特征及成因是什么？都是非常具有研究價值的問題。本文擬采用常規探空、地面自動站、多普勒雷達等觀測資料以及ERA5再分析資料，探究豫北“21·7”極端暴雨過程的特征和成因，旨在為北方極端暴雨預報預警提供參考依據。

1 降水極端性特征分析

文中所用降水資料源于中國氣象局CIMISS數據庫，小時降水量是指小時整點降水數據。

2021年7月17日08時至23日08時(北京時，下同)，豫北大部累計降水量超250 mm，太行山區及其東側累計降水量超600 mm，尤其安陽、鶴壁、新鄉、焦作等地的沿山地帶局地超800 mm，超過當地國家氣象觀測站年平均降水量(546～649 mm)，其中鶴壁科創中心站累計降水量達1 122.6 mm(圖2a)，接近鶴壁市年降水量極值(1 393 mm)、年平均降水量(593 mm)的2倍；安陽、湯陰、鶴壁、淇縣、衛輝、焦作、博愛、溫縣等國家級氣象站的日降水量(20日20時至21日20時)突破建站以來的歷史極值。

逐日降水分析表明，17日08時至18日08時豫北地區降水主要為由南太行山區分散性對流降水導致的局地暴雨(圖略)，18—21日降水加強(圖2b～2e)：18日08時至19日08時暴雨、大暴雨分布在北部和太行山區及沿山地帶，輝縣萬仙山站降水量為169 mm；19日08時至20日08時暴雨、大暴雨分布在南部和太行山區及沿山地帶，焦作溫縣關白莊站降水量最大為200.5 mm；20日08時至21日08時降水普遍達大暴雨量級，新鄉南部出現特大暴雨，原陽縣大賓站24 h降水量達334 mm；21日08時至22日08時為豫北最強降水時段，太行山區及沿山地帶24 h降水量超600 mm，鶴壁市科創中心站達777.5 mm，遠超其附近國家級氣象站淇縣站的日降水量極值(353 mm)。22日08時至23日08時沿山地區為分散性暴雨、大暴雨(圖2f)，過程趨于結束。

圖2 2021年7月(a)豫北“21·7”過程累計降水量和(b)19日、(c)20日、(d)21日、(e)22日、(f)23日降水量Fig.2 (a) Accumulated rainfall in northern Henan during the process and (b-f) 24 h accumulated rainfallon (b) 19 July, (c) 20 July, (d) 21 July, (e) 22 July, (f) 23 July 2021

我國中東部地區小時降水量≥20 mm定義為短時強降水、小時降水量≥50 mm為極端短時強降水(俞小鼎，2013；鄭永光等，2017)。圖3a顯示，18—22日豫北多站次出現極端短時強降水：18日14—20時極端短時強降水出現在安陽、濮陽兩地，20日08時至21日08時極端短時強降水出現在新鄉市南部和東部平原地帶，21日08時至22日08時，極端短時強降水范圍最大、強度最強，降水強度超過100 mm·h-1，主要分布在太行山前30 km左右范圍內。極端短時強降水集中出現在18日18—19時、20日13—22時、21日01—02時、21日16—22時和22日03—06時。其中，21日下午到夜里，極端短時強降水范圍最大、強度最強。21日下午的極端短時強降水集中出現在鶴壁西部山前，21日前半夜的極端短時強降水出現在新鄉西部，21日后半夜(22日凌晨)的短時強降水集中出現在安陽西部的山前地區，即極端短時強降水落區具有沿山分布特征，且表現為先自北向南移動、再向北移動的特征。選取累計降水量較大的鶴壁科創中心(1 122.6 mm)、新鄉牧野鄉站(935.2 mm)、安陽六十五中站(889.7 mm)的小時降水進行分析，發現鶴壁科創中心站、新鄉牧野鄉站、安陽六十五中站分別于21日15時、20時、21時和22日05時、06時出現超過100 mm·h-1的極強雨強，牧野鄉站21日20—21時雨強最大，達149.9 mm·h-1，鶴壁科創中心站的雨強略弱于牧野鄉站，但先后出現4次50 mm·h-1以上、1次100 mm·h-1以上的強降水，15時最大雨強為120.5 mm·h-1，安陽六十五中的雨強峰值出現時間最晚，在22日04—05時，為138 mm·h-1。

圖3 2021年7月(a)18日14時至22日08時豫北極端短時強降水空間分布(陰影，地形高度)和(b)20日02時至22日14時新鄉牧野鄉、鶴壁科創中心和安陽六十五中逐小時降水強度Fig.3 (a) Distribution of extreme short-time heavy precipitation every 6 h from 14:00 BT 18 to 08:00 BT 22 July (shaded, terrain height),(b) series of hourly rainfall intensity from 02:00 BT 20 to 14:00 BT 22 at Muyexiang Station of Xinxiang, Kechuangzhongxin Station of Hebi and Liushiwuzhong Station of Anyang in July 2021

綜合來看，極端暴雨過程具有強降水持續時間長，極端性強、地形作用明顯等特征，太行山沿山地區出現過程累計降水量超過當地國家氣象站歷史年平均降水量、日降水量突破建站以來歷史極值的極端降水。過程前期極端短時強降水較分散，20日下午至22日凌晨范圍明顯增大，強降水首先出現在新鄉中東部平原，然后是鶴壁西部，其次是新鄉西部，最后是安陽西部，表現出自東南向西北移動，然后在沿山地帶自北向南擴展，最后又自南向北移動的趨勢，最強降水時段為21日下午至夜里，山前降水雨強超100 mm·h-1。

2 極端暴雨的動力場結構和環境特征

利用高空和地面觀測資料及ERA5再分析資料(時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°×0.25°)分析豫北極端暴雨的天氣形勢和生成條件。

2.1 動力場的中尺度特征及對流觸發

鄭州“7·20”極端暴雨形成于南亞高壓增強東伸、臺風煙花、查帕卡西行、黃淮低渦發展及低空東南急流增強北上的過程中(蘇愛芳等，2021；冉令坤等，2021；張霞等，2021；汪小康等，2022；楊浩等，2022)，對比分析發現，東南急流不斷向西北方向發展加強、擴散南下弱冷空氣及其與太行山相互作用是豫北17—18日暴雨的主要成因，豫北19—20日的大暴雨形成、發展于鄭州“7·20”特大暴雨相同背景下，而21日特大暴雨是20日強降水落區北移的結果，其形成、發展的天氣形勢具有以下特點：(1)21日08時(圖4a1，4b1，4c1)，200 hPa南亞高壓脊繼續向東北方向發展，河套槽南伸，槽上河套東部有低渦發展，低渦槽前西南/偏西風大風速軸(最大風速達30 m·s-1)北移，強輻散區位于豫北東部，沿山地帶為弱輻合區(圖略)；500 hPa黃淮低渦北移至河套東部低渦對應位置，東西向切變線也北抬至冀豫交界處，豫北受切變線南側偏南氣流影響，但沿山地帶為輻散區；850 hPa 豫北地區受兩支氣流影響：一支為源于日本海高壓和“煙花”之間的東南氣流，另一支源自“查帕卡”外圍的偏南氣流，兩支氣流在河南境內沿黃河一帶加強為急流(風速≥12 m·s-1)并在豫北太行山東側匯合，與太行山地形相互作用形成強輻合，科創中心站附近中高層強輻散與低層強輻合區耦合發展形成中尺度次級環流，為豫北強降水對流系統的形成發展提供了有利條件(圖4a1，4b1，4c1)。(2)21日20時，200 hPa河套槽前高壓脊上大風速軸向西南方向伸展，安陽西部處于大風軸后發展的輻散區內(圖略)，對應500 hPa沿山地帶為強輻散區，850 hPa 急流向南擺動，急流出口位于新鄉西部，強降水中心由安陽、鶴壁西部南移到新鄉西部，牧野鄉站附近的散度和風矢量垂直剖面顯示，此時由環境動力場形成的低層輻合、中高層輻散減弱(圖4a2，4b2，4c2)，而此時降水強降卻更強，可能與局地對流能量高及對流尺度的動力場結構變化有關。隨后，高低空急流減弱逐漸北抬到河北境內，豫北強降水落區北移、過程結束。在整個過程中，豫北上空500 hPa 和850 hPa等壓線、等溫線稀疏，說明無明顯由溫度變化引發的鋒生作用，不同時段降水強度和落區有所差別主要是由不同時段低空輻合、中高層輻散的動力耦合作用強度差異及位置差別所導致。

圖4 2021年7月21日(a1,b1，c1)08時和(a2,b2,c2)20時(a1,a2)500 hPa、(b1,b2)850 hPa的天氣形勢(黑線:等高線，dagpm；紅線:等溫線，單位：℃)、散度場(填色)及風場(風羽)(:臺風位置)，(c1，c2)科創中心站附近散度(填色)、假相當位溫θse(等值線，單位：K)和風矢的緯向-垂直分布(紅色五角星代表站點位置)，(a3,b3,c3)21日08時(a3)850 hPa渦度(填色)、(b3)925 hPa散度(填色)及(c3)PW異常度(填色)Fig.4 Synoptic charts at (a1, a2) 500 hPa and (b1, b2) 850 hPa at (a1, b1, c1) 08:00 BT and (a2, b2， c2) 20:00 BT 21 July (black line: geopotential height, unit: dagpm; red dashed line: isotherm, unit:℃), divergence (colored) and wind field (barb) (: position of typhoon); (c1, c2) vertical zonal distributions of divergence (colored), θse (contour, unit: K) and wind vector (arrow) along Kechuangzhongxin Station (red star: the position of station); (a3, b3, c3) multiples of the standard deviation of physical quantity relative to climate state divergence: (a3) vorticity (colored) at 850 hPa, (b3) divergence (colored) at 925 hPa and (c3) PW anomaly degree (colored) at 08:00 BT 21 July 2021

此外，21日08時科創中心站和21日20時牧野鄉站上空輻合區均位于700 hPa以下，正垂直渦度大值區及垂直上升運動區從邊界層伸展至400 hPa 附近，輻合、輻散中心強度分別為-5×10-4s-1、7.2×10-4s-1，高層為弱的輻合、輻散結構，且垂直散度場呈現出“+”“-”“+”“-”的耦合特征、低空動力輻合上升運動區的寬度不足100 km是β中尺度對流系統形成發展的有利結構，尤其在1 000～400 hPa存在假相當位溫θse隨高度減小的對流不穩定層結條件下(圖4c1,4c2)，對流系統更容易發展。需要關注的是，21日08時輻散層低、垂直上升運動僅伸展至400 hPa附近，可能由于低空急流水平尺度小、急流與地形相互作用產生的水平輻合尺度也小造成的。張霞等(2021)曾對“21·7”河南極端強降水過程低空動力因子的平均異常度進行了分析，指出850 hPa輻合平均偏離氣候態超過3σ，但若聚焦于豫北強降水中心附近，發現21日08時沿山區域的850 hPa正渦度和925 hPa負散度的異常度更突出，分別為13σ和15σ(圖4a3,4b3)，尤其20—23時，925 hPa垂直上升速度異常度達7σ(圖略)。

根據上文的分析，強而持續的低空輻合抬升是形成極端暴雨關鍵動力因子。從科創中心站附近風場的垂直演變(圖5a)來看，18日17時前后925 hPa出現12 m·s-1超低空急流，安陽、濮陽等地出現極端短時強降水，20日14時后，整層風速較前期明顯增大，伴隨著中層東南氣流轉為偏南急流，豫北地區南部出現強降水；21日08時至22日08時，850～925 hPa附近的東南急流強盛，中層偏南氣流持續發展，風隨高度順時針旋轉，暖平流強迫是21日豫北地區極強降水形成和發展的重要機制。21日08時低空溫度平流水平分析(圖5b)顯示，黃淮地區東南/偏南急流前部為強盛的暖平流帶(中心值達 70.2×10-5℃·s-1)，而此時500 hPa與925 hPa的差動渦度平流最大達26×10-9s-2(圖略)，相對于微小的差動渦度平流的強迫作用，東南急流帶來的寬約60 km的中尺度暖平流強迫在極端暴雨過程中的作用明顯，這也是925 hPa強輻合區較窄的原因之一。另外，21日14時(圖5a)近地層東北氣流灌入使豫北沿山附近形成向南的弱冷平流，冷暖平流交匯導致降水加強，盡管此時暖平流和差動渦度平流中心值分別減弱至44×10-5℃·s-1、11.7×10-9s-2，但由強降水帶來的潛熱釋放通量最大值從2×105W·m-2·s-1增至12×105W·m-2·s-1(圖略)，促使上升運動加強，綜合作用下降水強度進一步加強、降水效率加大。

圖5 2021年7月(a)18日08時至22日08時科創中心站附近的風垂直變化(黑線，≥8 m·s-1的風速線)和(b)21日08時的925 hPa溫度平流(填色，單位：10-5 ℃·s-1)及風場(風羽)Fig.5 (a) Vertical variation of wind field and isotach (black line, ≥8 m·s-1) at Kechuangzhongxin Station from 08:00 BT 18 to 08:00 BT 22 July, (b) temperature advection (colored, unit: 10-5 ℃·s-1) and wind field (barb) at 925 hPa at 08:00 BT 21 July 2021

2.2 熱力環境條件特征

根據圖4c3，21日08時河南大部水汽異常偏高，豫北地區PW的氣候標準差>2σ，選用鄭州、邢臺兩個探空站的探空數據計算分析極端強降水發生時段的PW和靜力穩定度特征，發現17日08時至20日08時鄭州站上空整層可降水量由51 mm增加至67 mm(蘇愛芳等，2021)，20日14時至21日14時整體在62 mm以上，21日20時升至67 mm，超過了北京2012年“7·21”和2016年“7·20”的PW(田付友等，2021)，盡管邢臺站的水汽條件略差，但大部分時次的PW在52～57 mm，尤其21日20時升至63 mm，說明從河南中部到河北南部的PW都很高，可滿足21日豫北強降水的需求。根據圖6計算環境能量條件，發現20日14時受降水影響鄭州CAPE減小至91.5 J·kg-1、LI為0℃，環境近于中性，中性層結的飽和濕環境有利于垂直運動和β中尺度對流系統發展(許煥斌和丁正平，1997)，21日白天鄭州有出現少云天氣，高層水汽蒸發使14時和20時的CAPE增大至3 070 J·kg-1和3 124 J·kg-1， LI分別減小至-6.0℃和-6.3℃，說明大氣異常不穩定，高的CAPE可為21日午后豫北沿山地帶強降水的發生提供支持；邢臺站上空的對流不穩定條件較鄭州稍弱，但20日20時極強降水發生前CAPE也高達 2 461 J·kg-1、LI為-4.2℃，盡管21日14時和20時降水發生后變為中性層結，但也說明21日午后豫北極強降水的發展可能存在著兩種機制且為互補關系，其一是極高的濕對流潛勢環境條件下發展起來的，另一種為在中性層結中由旺盛的垂直運動發展引發的。此外，19日20時至22日08時鄭州站的K指數在38.4～39.1℃，且1 000 hPa 附近假相當位溫θse≥80℃(353 K)，尤其21日20時超過90℃；邢臺站的K指數也在34℃以上，21日20時為37.4℃。需要說明的是，整個過程中兩站的對流抑制能量CIN幾乎為0，加上兩站的抬升凝結高度LCL接近地面，使得地表水汽很易被抬升、成云致雨，考慮到兩站20—22日0℃層均在5 km 左右，暖云層深厚(暖云層厚度在4.7～5.1 km)，有利于高效率降水的發生。22日08時，鄭州站的對流潛勢條件仍較好，但低空急流及動力抬升輻合區減弱、北抬到河北境內，豫北強降水過程趨于結束。

圖6 2021年7月(a)20日14時和(b)21日14時鄭州探空曲線，(c)20日20時和(d)21日20時邢臺站探空曲線(綠線、藍線、紅線分別表示露點溫度、溫度層結和狀態曲線)Fig.6 Observational soundings of Zhengzhou at (a) 14:00 BT 20 and (b) 14:00 BT 21, Xingtai at (c) 20:00 BT 20 and (d) 20:00 BT 21 July 2021(Green, blue, red lines indicate dew point temperature, stratification and state curves, respectively)

總之，日本海高壓西伸、臺風煙花、查帕卡西北行、低空急流發展北抬及異常充沛的能量和水汽條件是豫北極端暴雨的天氣背景，低空東南/偏南風急流發展形成強的暖平流強迫是引發強降水的重要機制，太行山地形及邊界層擴散南下的弱冷空氣對強降水也起抬升觸發作用，沿山地帶動力場的水平尺度和垂直結構具有明顯的β中尺度特征，偏低的LCL、深厚的暖云層使得強降水的發生更為有利。

3 極端短時強降水對流系統的發展演變

用河南省境內雷達(雷達站位于濮陽、鄭州、洛陽、商丘、平頂山)反射率拼圖資料和鄭州、濮陽雷達監測產品及地面加密自動站資料，對豫北極端強降水對流系統的結構、發展演變特征及極端短時強降水的觸發機制進行分析。

3.1 強降水對流系統的形成發展和形態特征

豫北極端短時強降水主要出現在20日13—22時、21日01—02時、21日16—22時和22日03—06時，各時段強降水中尺度對流系統的形態結構和發展演變特征各有不同。

20日13—23時發生的極端短時強降水主要由低渦云系外圍的螺旋狀MCS引發。20日08時，鄭州西部受低渦外圍急流影響，螺旋式帶狀中尺度對流系統(MCS)不斷發展并向東北方向頻散(類似于臺風外圍螺旋式MCS)，12:30低渦北部東風急流內帶狀MCS發展旺盛(圖7a)，13時在原陽縣北部、MCS西端形成中心強度超過55 dBz的MCS，原陽縣路寨站出現雨強為76.6 mm·h-1的短時強降水。13時后低渦云系北移，受其外圍螺旋式帶狀MCS影響，15—16時安陽滑縣、新鄉原陽、長垣境內，21—23時新鄉原陽縣、封丘縣境內間斷出現分散性極端短時強降水，其中16時長垣縣佘家站降水強度最強，為84.7 mm·h-1。

21日01—02時極端短時強降水由南北向條狀MCS引發。條狀對流系統是23時前后由低渦云系外圍發展的對流云組合形成的，20日23時至21日00時，隨著低渦切變線的北移，豫東地區低空東南急流轉為偏南急流，急流軸左側對流云發展旺盛，21日00時前后在開封、許昌東部形成南北向排列的MCS(圖7b)，21日00—02時隨著低空急流北抬、MCS向北收縮，≥50 dBz的強降水回波不斷經過新鄉地區東部，最強回波達55 dBz，在“列車效應”作用下新鄉市東部封丘和長垣兩縣東部連續出現極端短時強降水，封丘縣尹崗最強達88 mm·h-1。

圖7 2021年7月(a)20日12:30和(b)21日00:00,(c)15:30,(d)19:30,(e)20:30,(f)22日04：00的雷達組合反射率(填色)和50 mm·h-1以上的極端短時強降水(藍點)Fig.7 Distribution of radar composite reflectivity (colored) and extreme short-time heavy precipitation (≥50 mm·h-1, blue dot) at (a) 12:30 BT 20, (b) 00:00 BT 21, (c) 15:30 BT 21, (d) 19:30 BT 21, (e) 20:30 BT 21, (f) 04:00 BT 22 July 2021

21日16—22時和22日03—06時，極端短時強降水由沿山發展的MCS造成的。21日13時前后，鶴壁境內再次有對流云團形成并發展北移，14時在鶴壁西部至安陽中部又形成一長度約60 km的結構緊湊的條狀MCS，其中心強度≥50 dBz，15:30 強度超過60 dBz(圖7c)，受其影響科創中心站出現120.5 mm·h-1強降水。15—20時，低空偏南急流北進，沿山MCS向北平移，但表現出明顯的后向發展特征(Bluestein and Jain，1985)，15時MCS后向發展至新鄉西部，牧野鄉站附近的對流云發展旺盛，中心強度≥60 dBz，MCS穩定少動給該地區造成極端強降水。需要關注的是，21日下午豫南地區有一弧狀MCS發展北移，19:30移至鄭州至周口一帶(圖7d)，20—22時其西北端與牧野鄉站附近的MCS合并加強，21時牧野鄉站降水強度達149.9 mm·h-1(圖7e)；隨后，沿山地區的MCS收縮北移，弧狀MCS北移至安陽地區減弱。22日00時沿山減弱向北收縮至鶴壁、安陽西部的MCS上再次有強度≥50 dBz對流云團發展并維持2～3 h，六十五中站05時、06時小時降水強度分別達138.0 mm·h-1和116.0 mm·h-1。

鶴壁科創中心站的過程累計降水量最大(1 122.6 mm)，最強降水出現在21日15時，雨強達120.5 mm·h-1；新鄉牧野鄉站的小時雨強最強，21日18時達149.9 mm·h-1，過程累計降水量為935.2 mm。從雷達回波時間-高度演變(圖8)來看，兩站的雷達回波和小時降水具有相似的演變特征，持續受到強度≥40 dBz的強對流回波影響，強降水系統整體表現為低質心結構。比較而言，科創中心站受強度超50 dBz的回波影響頻次較多，有11次，對應出現11次短時強降水，且對流發展較為旺盛，回波頂高在9～12 km，而新鄉牧野鄉站有7個時次受到50 dBz強回波影響，對應7次短時強降水。在兩站小時降水峰值出現時，系統表現出相似的旺盛發展的對流云結構特征(強回波中心≥55 dBz)，但牧野鄉站50 dBz以上強度的回波高度更高，持續時間更長，兩站出現≥100 mm·h-1強度降水時，≥50 dBz 的強回波持續時間約80、100 min，且短時出現了≥55 dBz的強中心。可見，更加旺盛和持續的對流系統有利于降水強度的增強，50 dBz強降水回波的形成、持續60 min以上，且伸展到5 km高度或許可作為小時雨強≥100 mm·h-1的判識指標。

3.2 沿山極端強降水對流系統的成因分析

21日下午到夜里，極端短時強降水在沿太行山地區發展。14—17時，地形輻合線及其附近的長約60 km、中心強度≥40 dBz的條狀MCS穩定維持在山前，此時山前存在由東風氣流在西進過程中與北方沿山南下的西北風或偏北風交匯形成的地面輻合線，14時濮陽雷達徑向風(圖0.5°仰角)監測顯示，在安陽、鶴壁西部沿山地帶0.8 km左右的高度上仍可監測到邊界層輻合線，而該區域西側山體最高海拔高度最高在0.5～0.8 km，可見邊界層輻合區有一定的厚度，一方面是與地形作用形成的輻合有關，另一方面也可能是由北方擴散南下弱冷空氣或降水所致，總體來看由地面伸展至0.8 km附近的邊界層輻合線有利于對流系統的觸發，14時極端短時強降水首先發生在安陽、鶴壁西部，然后北擴,受日變化影響，隨后22℃等溫線西移南壓、山前偏北風南侵，導致對流系統后向傳播發展特征明顯，17時極端強降水系統南移至新鄉西部，這一階段15時極端短時強降水范圍最大，17時落區最偏南，此時引導氣流為偏南風，系統表現為北傳減弱的移動態勢(圖9a1，9b1)。17—18時，MCS后向發展到新鄉西部，牧野鄉站附近出現強度≥60 dBz強回波并維持(圖略)，造成該區域持續強降水，其中18—19時和19—20時局地雨強分別達130.1 mm·h-1和131.1 mm·h-1；與此同時，鄭州至周口地區有一弧狀對流系統形成并發展北移，其西北端與新鄉西部的對流系統合并(見圖9a2，9a3)，速度場中，20時鄭州附近為一致的偏南風，同時新鄉東北部輻合與圖9a2近地面輻合位置接近，偏北風繼續加強南壓，與偏南風在新鄉附近輻合加強(圖9b2，9b3)，對即對流層低層南北兩系統的碰并，在碰并區附近形成強烈的中尺度輻合抬升運動，配合局地強降水產生地面冷池(冷堆)的中尺度強迫抬升效應，輻合高度伸展至2 km以上，導致對流系統強烈發展，從而產生極端短時強降水(牧野站20—21時小時雨量達149.9 mm，圖9b3)。隨后弧狀對流系統北移至安陽地區并減弱為層云。22日00時后新鄉西部沿山地帶仍有對流系統發展北移，凌晨受山前發展的帶狀MCS影響，鶴壁、安陽再次出現強降水，地面局地氣旋式環流的發展導致降水增強(04—05時六十五中站小時雨量達138 mm，圖9a4,9b4)。

圖8 2021年7月(a)20日08時至22日08時鶴壁科創中心站,(b)20日20時至22日08時新鄉牧野鄉站雷達拼圖反射率因子(填色)和小時降水量(黑線)的時間演變Fig.8 The vertical profile of radar reflectivity factor (colored) and time series of hourly rainfall intensity (black line) at (a) Kechuangzhongxin Station from 08:00 BT 20 to 08:00 BT 22 July and (b) Muyexiang Station from 20:00 BT 20 to 08:00 BT 22 July 2021

圖9 2021年7月21—22日極端暴雨過程中典型時刻(a)雷達組合反射率因子、(b)雷達徑向速度及地形與同時次地面自動站要素、未來1 h雨量綜合圖(a1，b1)21日14：00，(a2，b2)20：00，(a3，b3)21：00，(a4，b4)22日04:30(圖9b1，9b4：濮陽雷達0.5°仰角，圖9b2，9b3：鄭州雷達1.5°和0.5°仰角;圖9a1中●為16時未來1 h雨量，圖9a4，9b4為22日04時未來1 h雨量，其他為該時次；●：50 mm≤1 h雨量<100 mm，●：1 h雨量≥100 mm，━：等溫線， ：地面輻合線，→：近地面流線， ：雷達站位置)Fig.9 (a) The radar composite reflectivity factor and (b) the radial velocity at a typical time during the extreme rainstorm terrain and simultaneous ground automatic station elements, future 1 h rainfall (a1, b1) 14:00 BT 21, (a2, b2) 20:00 BT 21, (a3, b3) 21:00 BT 21, (a4, b4) 04:30 BT 22 July 2021(Figs.9b1 and 9b4 are the 0.5° elevation angle of Puyang Radar, Figs.9b2 and 9b3 are 1.5° and 0.5° elevation angles of Zhengzhou Radar, respectively; in Fig.9a1● is the future 1 h rainfall at 16:00 BT, Figs.9a4, 9b4 are the next 1 h rainfall at 04:00 BT 22, others for indicated time; ●： 50 mm≤R1 h<100 mm, ●： R1 h≥100 mm, ━: the isotherm, ： convergence line, →： surface streamline, : radar station)

綜合來看，豫北太行山地形的繞流作用使得近地面東風氣流在太行山東側形成新的局地氣旋式環流，在與邊界層系統相互作用過程中激發新對流及對流系統的后向發展，使得極端強降水落區主要位于太行山前30～50 km范圍內，這與王叢梅等(2017)研究結論一致。另外值得注意的是，在高溫高濕的環境及有利的大尺度輻合抬升背景下，豫北中尺度地形對地面流場的阻擋擾流激發的中尺度氣旋式環流、冷池效應及對流系統合并過程是形成100 mm·h-1以上的極端短時強降水的重要因子，需要重點關注。

4 與華北“16·7”極端暴雨過程的對比

“16·7”與“21·7”極端暴雨過程的對比(表1)表明，“16·7”過程的主要降水時間在2016年7月19日00時至21日08時，極端暴雨范圍大，強降水集中在太行山東麓，局地過程降水達400～600 mm，河北井陘(379.7 mm)等國家級氣象站的日降雨量突破歷史極值，從過程累計降水量和影響范圍來看,過程強于“96·8”過程、次于“63·8”過程，過程中太行山迎風坡處的降水強度約為西部高原和東部平原的3～4倍(徐國強等，1999；符嬌蘭等，2017；趙思雄等，2018)，豫北的強降水集中時間在19日07時到21日08時，安陽西部沿山地帶超400 mm，林州市東馬鞍站24 h降水量最大達703 mm(超過安陽地區年平均降雨量582 mm)、過程累計降水量為727 mm，安陽馬家村站降水最強，雨強為137.8 mm·h-1(栗晗等，2018)；而“21·7”極端暴雨過程的強降水主要在河南境內，且其持續時間、累計降水量、24 h降水量及小時降水強度明顯超過“16·7”過程，兩次過程的地形降水特征都很明顯，“21·7”過程沿山地帶鶴壁科創中心站的降水強度為其東部平原地區的5倍左右，其地形降水增幅作用略高于“16·7”過程。從天氣形勢、影響系統及環境物理量來看，兩次過程形成于不同的大尺度天氣形勢下，尤其低渦的深厚程度及中低空動力場結構存在明顯不同，“16·7”過程海上無臺風活動、低渦深厚、地面有明顯氣旋發展，中低空東南和西南急流為主要影響系統，黃淮低渦生成于黃淮西部，然后沿太行山自南向北移動，CAPE值略小，而“21·7”過程中海上有臺風活動，低空偏東/東南急流為主要影響系統，地面無明顯氣旋發展，黃淮低渦形成于豫東并先向西南方向移動、填塞，然后在豫西再次形成并緩慢北移，其附近對流不穩定能量較高，且具有更低的LCL及更加深厚的暖云層厚度；兩次過程的相似點，低空動力場均異常偏強、水汽條件相當，太行山地形作用明顯，由強降水引發的“冷堆”效應對極端短時強降水有促進作用(符嬌蘭等，2017；栗晗等，2018；趙思雄等，2018；張雅樂和俞小鼎，2021；蘇愛芳等，2021)。

表1 華北“16·7”極端暴雨過程與“21·7”河南暴雨過程的對比Table 1 Comparative analysis of the July 2016 and the July 2021 extreme torrential rains

總之，兩次過程雖發生于不同的形勢背景下，但其能量、動力和水汽條件都存在氣候異常性特征?！?1·7” 過程的不穩定和濕對流潛勢條件略高于“16·7”過程，低空急流強度與“16·7”過程基本相當，雖本次過程中850 hPa渦度異常值高達13σ，但這可能是采用不同背景數據導致，也可能是出于更強的中尺度反饋機制，如果該機制成立，則可以推測“21·7”過程中由高的濕對流潛勢所引發的降水要明顯多于“16·7”過程，這是今后在極端暴雨預報預警中需要關注的問題。

5 結論與討論

本文利用探空、地面自動氣象站、S波段多普勒雷達等觀測資料及ERA5再分析產品，對“21·7”豫北極端暴雨的降水特征、極端降水成因等進行了分析研究，得到如下主要結論：

(1)豫北“21·7”特大暴雨過程具有持續時間長、小時降水量大、極端性強及地形影響明顯等特征，極端強降水主要分布在太行山沿山30 km范圍內。

(2)極端暴雨過程發生于相對穩定的大尺度天氣形勢下，在日本海高壓西伸及臺風煙花、查帕卡西北行背景下，黃淮低渦外圍加強北上的東南急流/偏南急流為強降水的發生提供了異常充足的水汽、能量條件，對流層中低層暖濕平流強迫、疊加地形影響的強動力輻合抬升作用及低空弱冷空氣擴散南下是強降水發生的重要機制。

(3)在低空急流的作用下，特大暴雨過程發生時豫北具有較有利于對流性強降水形成的環境條件，具體表現為高CAPE、異常偏高的PW、明顯偏低的LCL、深厚的暖云層以及強烈發展的低空急流；低空急流與太行山特殊地形的相互作用有利于對流系統觸發和再生，從而有利于強降水對流系統的組織和維持。極端短時強降水發生期間近地層處于高溫高濕的環境，有利于CAPE的發展。

(4)強盛的低空急流不僅起對流觸發作用，而且對MCS上對流云的傳播起引導作用。雷達分析表明，不同階段極端短時強降水(小時降水量≥50 mm)對流系統的形態結構和發展演變特征不同，但從雷達回波的垂直分布來看，系統均具有“低質心”特征，質心強度≥55 dBz，且≥50 dBz強回波垂直伸展至5 km以上、持續時間1 h以上。強降水對流系統在太行山前30 km左右范圍內的后向發展特征明顯，一方面與地面西行偏東風/東北風在太行山繞流作用下形成的地形輻合線不斷南伸有關，另一方面也與強降水冷池效應促使山前偏北風進一步發展南下有關。

(5)豫北“21·7”過程與“16·7”過程相比，兩次過程發生于不同的形勢背景下，但其能量、動力和水汽條件都存在氣候異常性特征，“16·7”過程的低渦系統更加深厚，形成后自南向北移動，發展北上的中低空西南和東南急流共同為極端暴雨的發生提供有力的水汽、能量輸送及抬升觸發作用，而“21·7”過程的低渦主要位于低層，低空東南/偏東急流是主要影響系統，且濕對流潛勢條件略高于“16·7”過程。