近海臺風對“21·7”河南極端暴雨過程水汽通量和動、熱力條件影響的模擬

饒晨泓 畢鑫鑫 陳光華 喻自鳳

1 中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴重點實驗室, 北京 100029

2 南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環境變化國際合作聯合實驗室/氣象災害預報預警與評估協同創新中心,南京 210044

3 中國科學院大學, 北京 100049

4 中國氣象局上海臺風研究所, 上海 200032

1 引言

暴雨是影響我國主要的氣象災害之一，通常會給當地造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。陶詩言（1980）系統地闡述了中國暴雨的特點、多尺度系統與暴雨的關系及暴雨發生時的大尺度環流背景等關鍵性問題。近年來隨著觀測技術的提高和數值模式的發展，眾多學者對暴雨發生的物理機制和中小尺度動力過程有了更深入的研究（丁一匯, 1994; 高守亭等, 2003; 趙思雄和孫建華, 2013）。

臺風是我國暴雨形成的強烈天氣系統，主要體現在直接影響和間接影響兩個方面。臺風眼墻和內外雨帶通常會造成強烈的降水，即臺風自身的降水可 直 接 導 致 暴 雨（Takahashi and Kawano, 1998;Lonfat et al., 2007）。另外，臺風能夠與其他天氣系統相互作用，在距離臺風中心較遠的地方產生間接降水（Bosart and Carr, 1978; Ross and Kurihara,1995）。例如，Wang et al.（2009）通過數值模擬試驗證明，臺風Songda（0419）外圍環流中水汽的向北輸送是日本產生強降水的主要原因；孫建華等（2005）將20世紀90年代華北夏季大暴雨分為5類，對這5類大暴雨發生的天氣形勢的分析強調了熱帶氣旋（即臺風）和低渦是重要的影響系統，并指出臺風與中緯度系統相互作用對暴雨的增幅具有重要的作用。副熱帶高壓（簡稱副高）是重要的中緯度系統之一，已有研究表明，當臺風與北部的副高接近時，臺風與副高之間的氣壓梯度迅速增加，將形成一支很強的東風氣流或低空急流，有利于向暴雨區輸送水汽（陶詩言, 1980; Schumacher et al.,2011; Schumacher and Galarneau, 2012）。任素玲等（2007）發現西行臺風在移動過程中會在其西北方向激發出正變高，使副高加強西伸，從而改變內陸水汽分布。Wen et al.（2015）通過數值模擬結果顯示臺風“Vincent”（1208）強度增強時，副高明顯東移，有利于東南水汽通道向北延伸，為北京暴雨區帶來更多的水汽；而當臺風強度減弱或移除時，副高西伸，不利于水汽通道向北延伸。陳淑琴等（2021）的研究表明，臺風“山竹”（1822）與副高之間形成的偏南低空急流是造成我國長三角地區強降水的主要原因。

河南省的地理位置特殊，周圍影響系統和地形條件均比較復雜，歷史上發生過多次嚴重的極端暴雨事件（“58.7”暴雨研究組, 1987; “75.8”暴雨會 戰 組, 1997a, 1997b; 李 澤 椿, 2015; 趙 培 娟 等,2019）。丁一匯（2015）在對河南“75.8”暴雨的研究回顧總結中指出，“7503”號臺風深入內陸后停滯少動，強度維持不消直接造成了極端暴雨的發生。2021年7月河南省再次經歷了一次超歷史記錄的暴雨過程（簡稱“21·7”河南極端暴雨），目前已有研究從動力、熱力、水汽和大氣環流的角度對本次極端暴雨事件進行分析，研究結果初步表明，大氣環流形勢穩定、水汽和能量供給充足、地形作用明顯以及對流系統不斷向降水區積聚、合并及停滯是此次暴雨的基本成因（冉令坤等, 2021; 蘇愛芳等, 2021; 張霞等, 2021; Zhang et al., 2022）。位于西太平洋（簡稱西太）的臺風“煙花”和南海臺風“查帕卡”同時存在于極端降水爆發的時段，它們對大尺度環流結構配置和低緯水汽輸送具有怎樣的貢獻？這將是本研究的關注點。

考慮到以往對河南極端強降水的研究大多數停留在觀測和診斷分析層面，或涉及的多是造成直接影響的登陸臺風案例。因此，本文將通過開展數值試驗深入探究兩個臺風對“21·7”河南極端暴雨的影響，對比移除臺風的敏感性試驗結果，并分別闡釋臺風“煙花”和“查帕卡”在此次“21·7”河南極端暴雨過程中水汽、動力和熱力條件方面的貢獻。期望本研究能加深對此次極端降水事件的認識，同時為未來此類極端天氣的研究和預報工作提供一定的參考。

2 數值模擬方案及效果

2.1 資料介紹

本研究主要使用了以下相關資料：（1）歐洲中尺度天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，簡稱ECMWF）提供的第五代逐小時高分辨率再分析資料（ERA5，https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysisdatasets/era5 [2021-12-25]），水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向上共38層，最高可達1 hPa，包含地面層和氣壓層的多個大氣環境變量。（2）中國氣象局（China Meteorological Administration，簡稱CMA）提供的國家基本站逐小時降水觀測資料以及臺風“煙花”和“查帕卡”業務觀測的每3 h中心位置和強度資料。

2.2 模式方案簡介

本 文 使 用WRF（Weather Research and Forecasting, Version 3.6.1）模式來模擬臺風“煙花”和臺風“查帕卡”的移動發展過程，以及“21·7”河南極端暴雨演變過程，并使用逐小時的ERA再分析資料形成模式初始場和邊界條件。該模擬使用2層雙向嵌套網格，分辨率為27 km和9 km，格點數分別為316×256和502×388，垂直積分45層，最高到10 hPa。同時，模擬采用了WSM 6類冰雹微物理方案，YSU（Yonsei University）邊界層參數化方案，RRTM長波輻射方案，Dudhia短波輻射方案，Monin-Obukhov近地面層方案和熱量擴散陸面過程方案等，在模式最外層網格采用了Betts-Miller-Janjic積云參數化方案。模式從2021年7月19日08時（北京時，下同）啟動，至21日20時結束，共積分60個小時。由于ERA資料中臺風“煙花”的中心位置與CMA提供的業務觀測中心存在一定偏差，并且在初始場中強度較弱，因此首先對模式初始時刻的臺風強度進行了Bogus增強，然后以CMA觀測的臺風中心為準進行了重定位。

2.3 試驗設計及方法介紹

為了深入研究臺風“煙花”和“查帕卡”對“21·7”河南極端暴雨事件的貢獻，除CTL試驗外，本文還設計了3組敏感性試驗分別討論移除臺風“煙花”（NOINFA），移除臺風“查帕卡”（NOCEM）和同時移除兩個臺風（NO2TCs）之后對暴雨發展過程的改變及影響機制的差異。與以往 研 究（Sun and Barros, 2012; McFarquhar et al.,2012; Chen, 2013）類 似，主 要 通 過Kurihara et al.（1993, 1995）提出的從大尺度環流場中分解并移除掉臺風相關非對稱環流分量的方法，對模式初始時刻的風場、溫度場、位勢高度場、氣壓場以及濕度場進行相應地修改。該方法的基本步驟如下：（1）采用平滑算法將原始場分解為基本場（hB）和擾動場（hD）；（2）根據低層擾動風在各徑向上切向分量的大小確定臺風半徑rf(θ)，然后對hD做柱形濾波分離出臺風渦旋環流（hav），剩余場即為非臺風分量場（hD?hav）；（3）將擾動場中的非臺風分量場疊加上基本場即可得到去除臺風渦旋后的環境場[hE=hB+（hD?hav）]。通過此方法能有效地從大尺度環境場中識別出臺風的非對稱性環流結構，從而達到濾除臺風系統貢獻的目的。然而，Arakane and Hsu（2020）研究提及該方法也存在兩方面的局限：（1）在識別和分離時未精確考量到臺風傾斜的垂直結構特性；（2）未單獨考慮移除的臺風環流場和剩余場的動力平衡問題。圖1給出了三組敏感性試驗初始環流場修改前后的變化情況。不難發現，與臺風“煙花”和“查帕卡”相關的非對稱風場和位勢高度場均有效地從大尺度環流中被識別出并移除，且模式初始場的動、熱力和水汽分布都進行了相應的調整。

3 天氣過程概況

2021年7月17～22日，河南出現歷史罕見的極端暴雨，過程最大累計降水量達1122.6 mm，此期間鄭州氣象站最大小時降雨量高達201.9 mm，突破中國大陸小時降雨量歷史峰值。19～21日是本次強降水過程最為集中的時間段，7月19日08時至20日08時，強降水主要分布在以鄭州為中心的豫中地區；20日08時至21日08時，強降水仍主要分布在豫中地區，但強度和范圍相比于前24 h明顯增加；21日08時之后，豫中強降水趨于減弱，強降水中心移至豫北。

本文選取的研究時段為2021年7月19日08時至21日20時，即為“21·7”河南極端降水事件爆發并伴隨著兩個近海臺風活躍的階段。期間，臺風“煙花”的移動路徑以偏西行為主，西移過程中強度不斷增加，于21日11時達到強臺風級別，至21日20時一直維持強臺風級別，中心最低氣壓為955 hPa，中心附近最大風速達14級（42 m s?1）。同時，臺風“煙花”在研究時段內移速緩慢，19日11時至20日02時期間穩定少動。另一個南海臺風“查帕卡”在19日08時升級為熱帶風暴并維持西北向移動，于20日21時50分在廣東江陽登陸，登陸時強度達到臺風級別，中心附近最大風力達12級（33 m s?1），中心最低氣壓為978 hPa。登陸后繼續西北行進入我國廣西省。

從環流形勢的氣候態距平場（圖2）來看，2021年7月19日08時至21日20時河南暴雨期間，西太副高的平均位置異常偏西偏北，洋面上存在兩個顯著的氣旋性低壓環流距平，分別對應西太臺風“煙花”和較弱的南海臺風“查帕卡”。臺風“煙花”和北側副高之間的等高線密集，受氣壓梯度力影響，兩者之間偏東風距平增強。結合925 hPa水汽通量距平可見，有明顯強于氣候態的水汽輸送至內陸地區，東南風水汽通量距平沿臺風“煙花”和副高之間的急流區一直向西延伸至河南，并在有利的地形條件配合下導致大量水汽在局地累積，為極端暴雨的爆發和維持提供了有利條件。

圖2 2021年7月19日08時至21日20時平均的500 hPa位勢高度場（等值線，單位：gpm）和距平場（陰影，單位：gpm）、925 hPa水汽通量距平（矢量，單位：20 g s?1 cm?1 hPa?1）。參考氣候態為1981～2010年7月均值；深藍色邊框表示河南省省界，黑色圓點表示鄭州，紅色和橙色臺風標志表示此時段內臺風“煙花”和“查帕卡”中心的平均位置，下同Fig. 2 Mean geopotential height (contours, units: gpm), climatological geopotential height anomalies (shadings, units: gpm) at 500 hPa, and 925-hPa moisture flux anomalies (vectors, units: 20 g s?1 cm?1 hPa?1)from 0800 BJT 19 to 2000 BJT 21 July 2021. The reference climate state is the mean in July from 1981 to 2010. The navy border and black dot represent the province boundary of Henan Province and the position of Zhengzhou station. The red and orange typhoon symbols denote the averaged center positions for typhoons In-Fa and Cempaka,respectively, the same below

4 控制試驗結果驗證

4.1 路徑強度對比

圖3給出臺風“煙花”在實況和CTL試驗中路徑、中心附近最低氣壓和最大風速的對比情況。CTL試驗模擬的中心位置、移向和移速總體上與實況比較接近（圖3a）。臺風“煙花”在前30 h模擬和觀測的路徑基本吻合；移向變化也得到很好地模擬，臺風中心在20日14時呈現出向西偏折，與實況移動特征一致；移速在模擬后期較實況偏快，路徑因此也偏西偏北1°左右。強度模擬方面，CTL試驗的臺風中心附近最大風速和最低氣壓的變化趨勢均與實況大致吻合（圖3b），整個過程的平均誤差在4 m s?1和5 hPa左右。南海臺風“查帕卡”本身環流較弱、移動不明顯，模擬的強度和路徑與實況基本吻合（圖略）。此外，由于模擬前6 h模式經歷spin up過程，且CTL試驗的路徑在最后12 h偏西偏北較多，后續研究僅關注2021年7月19日14時至21日08時段，也對應河南極端降水發生時段。

圖3 臺風“煙花”實況（CMA，黑線）和模擬（紅線：CTL；藍線：NOCEM）的（a）路徑以及（b）強度（實線：中心最低氣壓；虛線：近地面最大風速）。圖a中曲線上的四位數字的前兩位表示日期，后兩位表示時刻，如2108表示2021年7月21日08時Fig. 3 (a) Track and (b) intensity of the observed [CMA (China Meteorological Administration), black line] and simulated (red line for CTL experiment and blue line for NOCEM experiment) results for typhoon In-Fa. In Fig. a, the first two numbers in curve represent the date, and the last two numbers represent the hour, for example, 2108 denotes 0800 BJT 21 July 2021. In Fig. b, the minimum sea level pressure (SLP) and maximum wind represent the typhoons intensity plotted by solid and dashed line

4.2 環流形勢對比

通過對比不同時刻模擬區域內再分析數據和CTL試驗的大尺度環流場及濕度場可知，20日08時（圖4a、b），再分析場的西太副高邊緣（以5880 gpm為準）與臺風“煙花”外圍環流相接；CTL試驗顯示副高西側邊緣位于118°E左右，相對于觀測略有西伸；位勢高度大值區范圍也較觀測稍有擴大。20日20時（圖4c、d），再分析場的副高西伸增強，CTL試驗也有類似的特征，但模擬的副高系統在“煙花”西側有小部分環流南落。此外，CTL試驗對于低緯的西南季風、臺風“煙花”和副高之間的強東風氣流、臺風“查帕卡”的外圍環流以及大尺度的低層比濕分布給出了合理的模擬效果。

圖4 D01區域（a、c）再分析數據和（b、d）CTL試驗的850 hPa風場（矢量，單位：m s?1）、比濕場（陰影，單位：g kg?1）和500 hPa位勢高度場（等值線，單位：gpm）分布：（a、b）2021年7月20日08時；（c、d）2021年7月20日20時。圖b中藍色矩形框區域表示D02模擬區域Fig. 4 Wind (vectors, units: m s?1), specific humidity (shadings, units: g kg?1) at 850 hPa, and 500-hPa geopotential height (contours, units: gpm) in(a, c) the reanalysis data and (b, d) CTL experimental results over region D01 (Domain 01): (a, b) 0800 BJT 20 July 2021; (c, d) 2000 BJT 20 July 2021. The region of D02 (Domain 02) is represented by the blue rectangle in Fig. b

4.3 降水分布對比

圖5a、b分別給出實況和CTL試驗在19日14時至21日08時累計降水分布情況。實況和CTL試驗的主要降水落區都位于河南中部及北部，呈現出南—北向降水分布型；累計降水極大值出現在鄭州站西側，實況在此時段內的降水極值為798 mm，模擬較實況僅偏強5.6 mm。此外，實況顯示累計降水超過400 mm的強降水區集中分布于省會鄭州市，在CTL試驗中該強降水區不僅分布于鄭州市，還分布于平頂山市的北部。結合河南強降水區逐3 h累計降水的時間演變（圖5c）來看，CTL試驗和實況降雨率的變化趨勢基本一致，但降雨量整體偏小。綜上所述，CTL試驗對研究時段內臺風的移動路徑和強度、大尺度環流配置和濕度場的演變、河南暴雨的強度和空間分布型特征都做出了較為合理的模擬，為進一步的敏感性試驗分析奠定可靠的基礎。

5 敏感性試驗結果分析

5.1 降水分布對比

圖6給出移除臺風“煙花”、移除臺風“查帕卡”和同時移除這兩個臺風環流后河南地區19日14時至21日08時累計降水的分布情況。首先，與CTL試驗（圖5b）相比，NOINFA（圖6a）的主要降水區呈現明顯的橫向發展，降水分布型由南—北向轉為東—西向；河南強降水區研究時段內的區域平均累計降水強度由CTL試驗的108.14 mm降為105.35 mm；原本位于鄭州市的強降水區明顯減弱東移。其次，NOCEM（圖6b）與CTL試驗結果相比，降水分布型仍為南—北型，但平頂山市（太行山脈東麓迎風坡一側）的降水強度下降（增強），總體降水強度變化不大。最后，同時移除兩個臺風環流后（圖6c），主要降水落區集中在太行山脈東麓，降水極值和平均降水強度都較CTL試驗有所減弱。

圖5 2021年7月19日14時至21日08時河南地區（a）實況和（b）CTL試驗累計降水量分布，（c）實況（黑色）和CTL試驗（紅色）河南強降水區區域平均的逐3 h累計降水量時間演變。圖a、b中黑色虛線矩形框區域代表強降水區（33°～37°N，111°～115°E），黑色三角形代表鄭州站Fig. 5 Accumulated precipitation distribution of (a) the observed and (b) CTL experiment over Henan area, (c) time series of the observed (black bars and line) and CTL experiment (red bars and line) for 3-h accumulated precipitation averaged over the heavy rainfall area of Henan from 1400 BJT 19 July to 0800 BJT 21 July 2021. In Figs. a, b, the black dashed rectangle denotes the heavy rainfall area (33°–37°N, 111°–115°E), black triangles represent the location of Zhengzhou station

圖6 （a）NOINFA試驗、（b）NOCEM試驗和（c）NO2TCs試驗的河南地區42 h（2021年7月19日14時至21日08時）累計降水量分布Fig. 6 Simulated 42-h (from 1400 BJT 19 July to 0800 BJT 21 July 2021) accumulated precipitation from (a) NOINFA, (b) NOCEM, and (c) NO2TC experiments over Henan area

經過后續對NO2TCs試驗的大尺度環流場、水汽條件以及動、熱力條件的多方面分析發現（圖略），在初始時刻同時移除兩個臺風后，河南地區主要受到副高、西南季風等大尺度環流系統的影響。結合前人研究（蘇愛芳等, 2021; 張霞等, 2021），該組試驗顯示的河南降水可能與地形條件及大尺度環流系統密切相關，而非單獨移除兩個臺風后影響機制的線性疊加，這與本研究所關心的臺風對極端暴雨過程的影響機制不同。因此，接下來只針對單獨移除臺風“煙花”和“查帕卡”的情況進行分析和討論。

5.2 天氣形勢調整

相對于CTL試驗（圖7a、b）而言，移除不同的臺風自身環境場后，大尺度環流場及其演變有不同程度的調整。在NOINFA試驗中，20日08時（圖7c），副高明顯南壓（參考“煙花”北側的5880 gpm），臺風“煙花”和北側副高之間伸向河南的低空東風急流被偏弱的東南風氣流取代；同時，位于副高南側的干冷氣團向西移動減緩。20日20時（圖7d），副高環流在25°N左右逐漸西伸，在河南東南側表現為一條廣闊的東南風急流帶，而河南南側受南壓副高的影響，偏南風減弱。由于臺風“查帕卡”的環流尺度較小，因此移除“查帕卡”后，一方面對大尺度環流形勢的影響較?。涣硪环矫鎸ε_風“煙花”的強度和路徑影響較?。▓D3藍線），導致低緯西南季風和“煙花”外圍環流的發展得以維持，低空東風急流基本與CTL試驗類似（圖7e）。20日20時（圖7f），副高和“煙花”共同向西發展，兩者之間的東風急流帶依舊延伸進河南東部，但在河南南側由于缺少“查帕卡”外圍環流的配合，偏南風氣流較CTL試驗略有減弱。整個過程中副高南側的干冷空氣幾乎未受影響?？傊瞥_風“煙花”對河南降水區的天氣形勢產生了較大的影響，而移除臺風“查帕卡”對其產生的影響則較小。

5.3 水汽輸送條件

以往眾多研究指出，海上臺風在有利的環流形勢發展下往往會通過持續的水汽輸送給內陸地區帶來顯著的暴雨增幅（丁一匯等, 1978; 孫建華等,2006; Wang et al., 2009; 丁一匯, 2015）。由前文的初步分析可知，移除臺風環流后，與水汽輸送密切相關的環流形勢發生了不同程度的調整（圖7），河南的降水分布和降水量相應地也有較大的改變（圖5b、圖6）。因此，本小節將深入探討移除臺風環流之后，河南周圍水汽通量輸送的不同特征以及對降水強度和分布造成的影響。

首先，通過CTL試驗整層（1000～450 hPa）水汽通量積分、低層水汽通量散度（圖8）可知，20日08時，在低緯西南季風、南海臺風“查帕卡”、西太臺風“煙花”和副高系統的共同引導下，河南東側和南側的水汽入流為河南地區提供了源源不斷的水汽，加之局地輻合條件的配合，有利于河南地區產生降雨（圖8a）。20日20時（圖8b），隨著“煙花”和副高西移增強，它們之間的東風急流一部分向河南東側輸送水汽，另一部分沿副高西南邊界轉為南風急流后向河南南側輸送水汽。此外，臺風“查帕卡”的近海登陸也有利于河南南側水汽入流的增強。

移除“煙花”環流之后（圖8c），副高明顯南壓，南側邊界至25°N附近，低緯西南季風和副高南側的弱東南風繼續為河南地區提供可觀的水汽供應。隨著副高西伸（圖8d），河南東側的水汽輸送繼續增強，在鄭州南側及太行山脈東側有強烈的低層水汽通量輻合，有利于NOINFA試驗里河南強降水區呈東—西向分布的形成（圖6a）。移除環流尺度較小的臺風“查帕卡”之后（圖8e、f），對整體的環流場影響較小，在“煙花”和北側副高系統的穩定配合下，降水分布型與CTL試驗相似。但是河南南側的水汽流入略有減弱，因此NOCEM試驗的累計降水量略小于CTL試驗。

接下來選取圖8a中緯向（矩形ABCD）和經向（矩形AEFG）的水汽輸送通道作為剖面，進一步探討臺風“煙花”和“查帕卡”對河南強降水區水汽輸送的貢獻。由CTL試驗的緯向剖面可知，20日08時（圖9a），水汽在深厚的偏東風氣流的引導下自東向西輸送，至125°E左右轉為東南氣流后向河南地區輸送。河南強降水區呈現出強烈的輻合（圖略），促進上升運動的發展和大氣不穩定能量的聚集，加之水汽條件充沛，有利于降水的產生。20日20時（圖9d），河南強降水區低層的水汽通量值明顯增加，配合上升運動的發展，維持著有利于降水產生的條件。相較于CTL試驗而言，移除“煙花”環流后（圖9b、e），副高西伸南壓，河南強降水區東側上空主要為東南氣流，且強度減弱。差值場（圖9c、f）的結果顯示，河南強降水區東側的水汽通量值有所增加，這是因為雖然臺風“煙花”被移除，但是來自熱帶的暖濕水汽仍會受南壓副高的影響向河南強降水區補給水汽，部分地彌補了因移除“煙花”而減少的水汽輸送，所以NOINFA試驗中河南降水總量雖有減弱但并不十分顯著。此外，降雨區范圍內存在一定程度的散度正異常和北風、東風異常相配合，一方面表征著NOINFA試驗低層輻合有所削弱，從而造成降水強度不及CTL試驗；另一方面表征河南地區700 hPa以下的南風分量減小、東風分量增強，有利于降水分布型由南—北向轉變為東—西向。

圖8 2021年7月20日08時（左）、20時（右）（a、b）CTL試驗、（c、d）NOINFA試驗和（e、f）NOCEM試驗的整層（1000～450 hPa）水汽通量矢量（箭頭）和大?。幱?，單位：102 kg m?1 s?1）、河南地區800 hPa水汽輻合（粉色等值線，從?40×10?7 kg m?2 s?1 hPa?1開始，每20×10?7 kg m?2 s?1 hPa?1遞增）以及副高位置（5880 gpm黑色等值線）。圓點表示鄭州站位置；圖a中深藍色虛線框區域ABCD和AEFG分別為下文研究所指的緯向和經向剖面區域Fig. 8 Horizontal distribution of the deep-layer averaged (1000–450 hPa) water vapor flux vector (arrows) and magnitude (shadings, units: 102 kg m?1 s?1), 800-hPa water vapor flux convergence (pink contours, increase from ?40×10?7 kg m?2 s?1 hPa?1 with a spacing of 20×10?7 kg m?2 s?1 hPa?1) in Henan area, and position of subtropical high (5880-gpm black contours) of the (a, b) CTL, (c, d) NOINFA, and (e, f) NOCEM experiments at 0800 BJT July 2021 (left), 2000 BJT July 2021 (right). The dots represent Zhengzhou station. In Fig. a, the navy dashed boxes (ABCD and AEFG) area give the after-mentioned cross sections

由CTL試驗的經向剖面（圖9g、j）可知，大量水汽主要是通過低層偏南風氣流和偏東風氣流向河南強降水區輸送，并在35°N附近產生強輻合并在對流層中低層堆積，這是造成以鄭州市為中心持續性暴雨發生的原因之一。移除“煙花”環流后（圖9h、k），河南強降水區及其南側南風分量減弱、東風分量增強，差值場（圖9i、l）更加明顯地反映了以上的變化特征?？偟膩碚f，移除“煙花”環流后，緯向和經向水汽輸送通道都會對河南強降水區產生影響，主要表現為南風分量減弱，東風分量增強，降水分布由南—北向轉變為東—西向。差值場（圖9i、l）顯示河南強降水區北部的水汽通量存在明顯的正差值，這與這兩個時刻受到較強的來自熱帶地區的暖濕水汽的補給有關，但是正的水汽通量差值區基本對應著輻合減弱，因此這些區域并不十分利于強降水的發生、發展。

圖9 2021年7月20日（a–c）08時、（d–f）20時垂直水汽通量值（陰影, 單位：g s?1 cm?1 hPa?1）的垂直—緯向（對矩形ABCD進行經向平均）分布：（a、d）CTL試驗；（b、e）NOINFA試驗；（c、f）NOINFA試驗與CTL試驗的差值場。（g–l）同（a–f），但為對矩形AEFG進行緯向平均后得到的垂直—經向分布。風矢量（單位：m s?1）是水平風場隨高度的分布，紅色矩形表示河南強降水區（33°～37°N,111°～115°E）Fig. 9 Vertical–zonal (meridional averaging of rectangle ABCD) distribution of vertical water vapor flux magnitude (shadings, units: g s?1 cm?1 hPa?1) at (a–c) 0800 BJT 20 July and (d–f) 2000 BJT 20 July 2021: (a, d) CTL experiment; (b, e) NOINFA experiment; (c, f) differences between NOINFA experiment and CTL experiment. (g–l) As in (a–f), but for the vertical–meridional (zonal averaging of rectangle AEFG) distributions. The wind vectors (units: m s?1) represent the distribution of horizontal winds with height, and the red rectangles denote the heavy rainfall area (33°–37°N,111°–115°E) in Henan area

移除臺風“查帕卡”環流之后，NOCEM試驗緯向剖面（圖10a、c）的水汽通量值和CTL試驗（圖9a、d）基本一致；河南強降水區的南風和低層輻合略有減弱，但不及NOINFA試驗（圖略）帶來的影響，對降水強度和分布的影響較小。NOCEM試驗的經向剖面（圖10e、g）的特征主要表現為河南強降水區水汽通量值減弱和南風分量減弱。總的來說，臺風“查帕卡”主要通過向河南強降水區南側輸送水汽從而對本次暴雨過程產生影響，但是影響程度較弱，且對降水分布型影響不大。

圖10 2021年7月20日（a、b）08時、（c、d）20時垂直水汽通量值（陰影, 單位：g s?1 cm?1 hPa?1）的垂直—緯向（對矩形ABCD進行經向平均）分布：（a、c）NOCEM試驗；（b、d）NOCEM試驗與CTL試驗的差值場。（e–h）同（a–d），但為對矩形AEFG進行緯向平均后得到的垂直—經向分布。風矢量（單位：m s?1）是水平風場隨高度的分布，紅色矩形表示河南強降水區（33°～37°N, 111°～115°E）Fig. 10 Vertical–zonal (meridional averaging of rectangle ABCD) distribution of vertical water vapor flux magnitude (shadings, units: g s?1 cm?1 hPa?1) at (a, b) 0800 BJT 20 July and (c, d) 2000 BJT 20 July 2021: (a, c) NOCEM experiment; (b, d) differences between NOCEM experiment and CTL experiment. (e–h) As in (a–d), but for the vertical–meridional (zonal averaging of rectangle AEFG) distributions. The wind vectors (units: m s?1)represent the distribution of horizontal winds with height, and the red rectangles denote the heavy rainfall area (33°–37°N, 111°–115°E) in Henan area

為了進一步定量比較不同試驗中到達河南強降水區各側面的水汽收支情況，圖11分別給出了河南東、南、西、北四個側面平均的整層水汽通量值以及凈水汽收支的時間演變。其中，東面和南面為河南強降水區的水汽流入的通道，兩者的水汽輸送大部分時間維持在較強的10×107kg s?1～20×107kg s?1（圖11a、b）。對于NOINFA試驗而言，從河南地區南側流入的水汽通量值始終比CTL少，這與移除“煙花”后，河南強降水區南風減弱有關；20日12時左右，NOINFA試驗的河南強降水區東側水汽入流超過CTL試驗，東面入流的增強與主要水汽輸送通道及強降水區呈東—西向分布的特征相對應。NOCEM試驗的結果顯示，來自東面和南面的平均水汽通量值都略小于CTL試驗，這說明移除“查帕卡”環流對河南強降水區的水汽供應變化影響較小，與前文的累計降水分布特征（圖6b）保持一致。

圖11 河南強降水區CTL試驗、NOINFA試驗、NOCEM試驗1000～450 hPa來自（a）東面、（b）南面、（c）西面、（d）北面的水汽通量值以及（e）NOINFA試驗、NOCEM試驗與CTL試驗凈水汽通量差值垂直積分的時間演變Fig. 11 Time series of 1000–450 hPa vertical integral of water vapor flux magnitude from CTL experiment, NOINFA experiment, NOCEM experiment for Henan area from the (a) east side, (b) south side, (c) west side, (d) north side, and (e) differences of net water vapor flux magnitude between NOINFA (NOCEM) experiment and CTL experiment

相反地，河南強降水區的西面和北面則為水汽的流出邊界（圖11c、d），兩側的平均水汽通量值呈現出不同的時間演變特征。20日20時之前以降水區西面流出為主，基本保持108kg s?1以上的水汽流出，最大的平均水汽通量值約?18×107kg s?1，北面的水汽輸送貢獻在該階段較西面偏弱50%左右。此后，強降水區北面的水汽流出顯著增強，而西邊界的貢獻逐漸減弱。

最后，結合河南強降水區凈水汽通量差值的演變（圖11e）來看，NOINFA試驗和NOCEM試驗相對于CTL試驗而言水汽通量值都有所減弱，但是NOINFA試驗水汽通量值的減弱量相對于NOCEM試驗更大一些，Nie and Sun（2022）的研究表明副高和臺風“煙花”之間的水汽輸送對本次降水過程具有重要影響，這與本文的研究結果相符。在本次極端暴雨事件小時降水極值發生（20日17時）之前，NOINFA試驗和NOCEM試驗的水汽凈流入量相對于CTL試驗而言平均每小時低2×107kg s?1左右，這不利于局地水汽含量的快速累積，這說明最強降水時段的降水強度與近海臺風環流有一定的聯系。

圖12進一步展示了三組試驗中河南強降水地區四個側面在研究時段內時間平均的水汽收支情況。首先，從凈水汽通量值來看，相較于CTL試驗，NOINFA試驗的凈水汽通量值減少了5.81%，而NOCEM試驗僅減少了3.23%。其次，相較于CTL試驗而言，當移除“煙花”后，主要表現為南、西（北、東）面的水汽流入減弱（增強），上述特征的差異較好地解釋了NOINFA試驗中河南地區累計降水分布型呈東—西向延伸的情況。NOCEM試驗的結果顯示，移除“查帕卡”環流后，河南強降水區南面和北面水汽通量的流入和流出量均減少，這與南風分量的減弱（圖8e、f）有關，但是四個側面的水汽通量值較小，且凈水汽通量值變化較小，因此NOCEM試驗降水分布和強度的變化也較小。

圖12 2021年7月19日14時至21日08時河南強降水區（黑色矩形，33°～37°N, 111°～115°E）1000～450 hPa四個方向水汽通量值（單位：107 kg s?1）垂直積分的時間平均。黑色、藍色和紅色箭頭分別表示CTL試驗、NOINFA試驗和NOCEM試驗Fig. 12 Time average of 1000–450 hPa vertical integral of four-side water vapor flux magnitude (units: 107 kg s?1) for the heavy rainfall area(33°–37°N, 111°–115°E) in Henan area from 1400 BJT 19 July to 0800 BJT 21 July 2021. Black, blue, and red arrows represent the CTL,NOINFA, and NOCEM experiments

5.4 熱力條件

姚秀萍和于玉斌（2005）的研究指出，干冷空氣和暖濕空氣在江淮流域的對峙導致了局地的持續性暴雨。孫建華等（2006）的工作主要討論“9608”號臺風因受高壓阻擋停滯，從而引起弱冷空氣入侵，為局地中尺度對流系統的建立提供有利條件，最終對北方特大暴雨過程產生重要影響。在本次河南極端暴雨過程中，同樣存在冷暖氣團在低層風場的引導下隨時間移動形成對峙的現象，一定程度上增強了河南強降水區對流不穩定條件。

前文的分析顯示臺風“煙花”與北側副高系統在30°N附近形成了強烈的偏東風急流，該東風急流對副高南側低層干冷氣團的西移有重要貢獻（圖7）。因此，本文對研究時段內圖8a所示的矩形ABCD面范圍內的相當位溫和水平風場進行經向平均，從而得到相應的時間—緯向分布特征。如圖13a所示，CTL試驗中干冷氣團沿著該東風氣流向河南強降水區輸送，至河南強降水區附近轉為偏南氣流并與該區域的暖濕空氣形成對峙。20日00時之后，河南強降水區的冷暖氣團出現對峙，且河南相當位溫梯度逐漸增強，有利于局地的熱力不穩定性的維持和加強，進一步有利于強降水的發生、發展。當移除臺風“煙花”環流后（圖13b），東風分量減弱，冷氣團西移減慢。20日17時左右河南強降水區才開始出現較明顯的冷暖氣團對峙現象，且冷暖氣團的強度和相當位溫梯度均弱于CTL試驗，局地不穩定條件較差，不利于強降水的形成，從而導致NOINFA試驗中河南地區降雨強度減弱。從相當位溫的垂直分布來看，CTL試驗在河南地區相當位溫的垂直梯度大于NOINFA試驗，進一步說明了CTL試驗中河南強降水區的對流不穩定性更強，有利于強降水的發生（圖略）。移除臺風“查帕卡”后干冷氣團的移動幾乎不受影響，河南強降水區的局地熱力條件也未發生明顯變化（圖略）。

圖13 （a）CTL試驗和（b）NOINFA試驗850 hPa相當位溫（陰影，單位：K）和水平風場（矢量，單位：m s?1）的時間—緯向（對矩形ABCD面進行經向平均）演變。紅色矩形表示河南強降水區（33°～37°N, 111°～115°E）Fig. 13 Temporal–zonal (meridional averaging of rectangle ABCD) evolution of equivalent potential temperature (shadings, units: K) and horizontal wind (vectors, units: m s?1) for (a) CTL experiment and (b) NOINFA experiment at 850 hPa. Red rectangles represent the heavy rainfall area(33°–37°N, 111°–115°E) of Henan area

6 結論與討論

本文利用WRF（V3.6.1）模式，對近海臺風“煙花”及“查帕卡”影響2021年7月19日08時至21日20時河南極端暴雨的過程進行數值模擬。分別設計了移除臺風“煙花”和“查帕卡”的敏感性試驗來探討它們在“21·7”河南極端暴雨事件中對水汽輸送以及熱、動力條件方面的貢獻，從而揭示近海臺風對極端暴雨發生發展的影響機制。

CTL試驗對研究時段內臺風“煙花”的移動路徑和強度、大尺度環流配置和濕度場的演變、河南暴雨的強度和空間分布型特征都做出了較為合理的模擬，基本再現了本次河南極端暴雨過程。本次暴雨過程的概念模型如圖14所示，19日14時至21日08時，伴隨著西太臺風“煙花”緩慢西移增強、副高環流西伸以及南海臺風“查帕卡”近海登陸，低緯的暖濕水汽在低層東風急流和偏南風急流的共同作用下持續地向河南地區輸送，大量水汽堆積并伴隨著強烈的低層水汽通量輻合；同時，河南東側不斷有干冷氣團入侵，水平位溫梯度增大，大氣不穩定能量增強，在上述有利的大氣環流背景下，河南中部及北部經歷了連續的強降水過程，并呈現南—北向分布特征。

圖14 “21·7”河南極端暴雨事件過程概念模型?！癝H”表示西太平洋副熱帶高壓，兩個臺風標志分別表示臺風“煙花”（In-Fa）和臺風“查帕卡”（Cempaka），淺藍色箭頭表示水汽通量，藍色和紅色的云團分別代表冷氣團和暖氣團，深藍色的向上箭頭代表上升運動Fig. 14 Schematic illustration of the “21·7” Henan heavy rainfall event. “SH” presents the western Pacific subtropical high. Two typhoon symbols denote the typhoons In-Fa and Cempaka. Light blue vector presents water vapor flux. Blue and red clouds represent warm and clod air masses, respectively. Dark blue upward-pointed vector denotes upward motion

移除臺風“煙花”后，西太副高西伸南壓，東南風急流沿副高南側輸送水汽至河南地區，與CTL試驗相比，河南強降水區的南風減弱、東風增強，東西方向的水汽通量流入流出占主導，有利于降水分布型由南—北向轉變為東—西向。另一方面，由于東南風急流相較于移除“煙花”前減弱，河南強降水區局地輻合減弱；副高南側的冷氣團西移減慢，局地相當位溫梯度減弱；凈水汽通量流入較CTL試驗降低了5.81%，降雨強度減弱。但西伸南壓的副高仍可以將暖濕水汽向河南強降水區輸送，部分地彌補了因移除“煙花”而減少的水汽輸送，所以NOINFA試驗中河南降水總量雖有減弱但并不十分顯著。

移除環流尺度較小的臺風“查帕卡”后，低層偏南風急流略有減弱，而對于西太副高和臺風“煙花”等大尺度環流系統幾乎未受影響，水汽輸送和低層水汽輻合特征都與CTL試驗類似。因此，河南累計降水量略有降低，降水分布型基本不變。與臺風“煙花”相比，“查帕卡”對本次“21.7”河南極端暴雨事件的影響偏弱。

本文的研究結果表明，當海上臺風與副高之間產生強烈的相互作用，形成明顯的水汽輸送通道后，可能會導致內陸地區產生強降水。此外，低空急流的走向對降水的空間分布具有一定的指示作用。本次“21.7”河南極端暴雨事件是多尺度天氣系統共同作用的結果，而本文僅從近海臺風環流的角度進行模擬分析，其它系統的影響有待未來進一步研究。