“21·7”河南極端暴雨的日變化特征分析

王哲雯

（1.中國氣象局·河南省農業氣象保障與應用技術重點實驗室，鄭州 450003；2.駐馬店市氣象局，河南 駐馬店 463000）

暴雨是中國主要的氣象災害，具有明顯的突發性、持續時間長、降水強度大等特點，易引發不同程度的洪澇和地質災害，導致嚴重的人員傷亡和經濟損失［1］。河南省處于青藏高原東側中緯度地區，也是受暴雨影響較嚴重的地區，其地形復雜，西部丘陵多發山洪、暴雨，東部平坦低洼，易發洪澇［2］。每年6—8 月，隨著西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱西太副高）西伸北抬，西南季風加強且向北延伸，與西風帶中東移南下的低值系統在河南省交匯產生暴雨［3］。中華人民共和國成立以來，河南省發生過多起極端暴雨事件。1975 年8 月7503 號臺風在河南省移動受阻，產生迅猛、集中的強降水，最大過程雨量1 631 mm，造成嚴重的人員傷亡和經濟損失［4］。2007 年7 月，受西太副高、貝加爾湖高壓和低空急流的共同作用，豫西突發暴雨，導致山體滑坡、房倒屋塌、近百人死亡［5，6］。

河南省極端降水的多尺度時空變化通常與低渦、切變線、鋒面、西太副高、西南季風等天氣系統密切相關，而由于地形等區域強迫的影響，降水的具體落區和發生發展等多表現出明顯的日變化特征［7，8］。在全球氣侯變暖背景下，西太副高、東亞夏季風等諸多天氣氣候系統存在明顯的年代際變化［9-11］，極端降水等災害性天氣日益增多，造成的損失和影響也呈明顯上升趨勢［12-14］。2021 年7 月17—22 日河南省發生極端暴雨（稱作“21·7”河南極端暴雨），此次降水過程具有持續時間長、累積雨量大、短時雨強大、極端性強等突出特點，其中鄭州市8 個國家站日降水量突破建站以來歷史極值。針對此過程，數值模式和業務預報與實際降水落區和極端性方面均存在一定偏差，反映出當前極端暴雨精準預報的難度系數較大、對極端降水過程的產生機制和發生發展特征認識不足等問題。蘇愛芳等［15］和張霞等［16］對“21·7”河南極端暴雨過程的環流異常特征和基本成因等進行了探討，本研究則主要分析此次極端暴雨的日變化過程，揭示降水和相關物理量的時空演變特征，旨在為此類極端強降水的可預報性研究提供一定的參考依據。

1 資料來源

本研究所使用的資料包括2021 年7 月18—23日河南省121 個國家級氣象自動站的逐小時降水資料（來自中國氣象局氣象信息中心）；同時間段的歐洲中期天氣預報中心（European centre for mediumrange weather forecasts，ECMWF）第五代大氣再分析資料（ERA-5，https：//cds.climate.copernicus.eu/），水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向從1 000 hPa 至10 hPa 共17 層，時間間隔1 h。本研究中各地市的區域日降水量指該地市全部國家站日降水量的平均值。

2 結果與分析

2.1 “21·7”河南極端暴雨過程概況

“21·7”河南極端暴雨過程的強降水階段自7 月18 日起，7 月22 日后明顯減弱。18 日降水主要分布于豫西豫北沿山一帶，19—20 日降水集中于豫中地區，21 日降水中心明顯移至豫北，22 日降水減弱。7 月18 日8：00 至23 日8：00 累計降水量如圖1 所示，該輪降水有2 個顯著的大值中心，分別位于豫中鄭州市附近和豫北新鄉-鶴壁一帶。經統計，鶴壁市科創中心站累計降水量高達1 116.2 mm，位居第一，鄭州市白寨站次之，累計降水量987.2 mm；河南省有173 個站點累計降水量超過600.0 mm，1/3 以上站點降水量在250.0 mm 以上。此外，河南省有41 個站點小時雨強大于100.0 mm/h，鄭州站7 月20 日16：00—17：00 雨強達201.9 mm，突破歷史極值，造成嚴重災情。

圖1 河南省2021 年7 月18 日8：00 至23 日8：00 累計降水量

河南省18 個地市區域日降水量達到峰值的時間有所不同（圖2）。降水大值區新鄉市和鄭州市的日降水量均在7 月20 日達到峰值，而鶴壁市日降水量峰值出現在7 月21 日，表明降水演變有區域性差異，且降水落區有明顯的北移趨勢。同時，這3 個地市在該過程中均有3 個暴雨日（日降水量≥50 mm），強降水持續時間長、累積量較大。

圖2 2021 年7 月17 日8：00 至22 日8：00 河南省18 個地市日降水量時間序列

2.2 極端暴雨的日變化特征

由于地形等復雜因素的存在，極端暴雨通常具有顯著的多時空尺度特征［17-19］。其中，暴雨過程的整體特征與大尺度天氣系統變化相關，而具體的降水落區和發生時間等特征常受到區域性強迫的影響，呈顯著的日變化特征［7，8，20-22］。針對此次河南極端暴雨過程進行初步分析，河南省121 個國家站降水總量具有明顯日變化特征，即呈傍晚（14：00—20：00）和清晨（2：00—8：00）雙峰型結構，過程中發生的極端短時強降水基本都處于2個區間段內（圖3）。

圖3 河南省2021 年7 月17 日8：00 至24 日8：00 共121 個國家站逐小時降水量總和的時間序列

對河南省內降水做經向平均（31°—37°N），結果如圖4 所示。7 月19 日8：00 之前強降水落區沿緯向分布較散且強度相對較弱；19 日20：00 至20 日20：00 降水集中于112.0°—113.5°E，雨強明顯增大；隨后20 日20：00 至21 日8：00 左右強降水區東移至113.5°—115.0°E，強度略微減弱；21 日8：00 至22 日8：00 強降水中心略有西移，維持在114° E 附近，同時雨強再次加大；之后降水明顯減弱。與強降水落區的東西向變化不同，經向平均（110°—170°E）的降水在35°—36°N 緯度帶內始終維持，可能是造成豫北極端降水量的原因之一（圖5）。19 日20：00 起強降水區逐漸北縮，20 日20：00 后向北發展、雨強增大且持續時間長至22 日8：00。 此外，圖4 和圖5 上均有散落的短時強降水區，表明該過程局地強對流多發。總體來說，這次暴雨主要發生在豫中北地區，強降水落區移動緩慢、局地維持時間長、短時強對流性質明顯，20 日20：00 后朝東北向移動，后期集中于豫北114°E 附近。

圖4 河南省2021 年7 月18 日8：00 至23 日8：00 31°—37°N平均降水的經度-時間演變

圖5 河南省2021 年7 月18 日8：00 至23 日8：00 110°—117°E 平均降水的時間-緯度演變

2.3 中低層大氣環流演變

進一步分析發現，“21·7”河南極端暴雨的日變化過程與中低層環流形勢的演變有著密切聯系（圖6）。7 月20 日8：00 500 hPa 位勢高度場上，30°N 以南廣東沿海和臺灣島東側洋面存在一弱一強2 個氣旋式環流，分別對應2107 號臺風“查帕卡”和2106 號臺風“煙花”；30°N 以北受異常北抬的西太副高和位于中國西北地區的大陸高壓控制。雙臺風和兩高對峙的環流形勢使得河南省低空東南風急流異常強盛，在豫西地區形成低渦切變，對豫中地區強降水的形成十分有利（圖6a）。7 月20 日20：00，海上西太副高位置依然維持偏北，但有所東退，臺風“煙花”北上，內陸低渦隨之向東北移動，低空偏南、東南風急流在豫北一帶輻合，強降水向豫北地區轉移（圖6b）。7 月21 日8：00，臺風“煙花”北側偏東氣流依然強盛，西太副高略有西進，河南省上空850 hPa 偏南風與東南風氣流輻合區西移北抬，低渦切變減弱消失（圖6c）。7 月21 日20：00，海上副高北抬東退，“煙花”穩定維持，豫東、豫北一帶低空東南急流顯著，但河南省低空偏南風明顯減弱，降水開始有所減弱（圖6d）。

圖6 2021 年7 月20—21 日4 個時次的500 hPa 位勢高度場（等值線和填色；單位：gpm）和850 hPa 風場（矢量；單位：m/s）

2.4 相關物理量變化

暴雨的日變化過程通常伴隨著相關物理量場的變化，從暴雨生成維持所需要的水汽條件和暴雨的觸發機制垂直運動條件來看，各變量均呈現與強降水較一致的演變特征（圖7 至圖9）。整個降水過程（112°—115°E）7 月18—22 日低層925 hPa 比濕基本都在16 g/kg 以上，濕層深厚；7 月20 日20：00 之前比濕大值區偏西，隨后東移，21 日8：00 起有所增大，21 日20：00 后強降水區比濕明顯減弱。低空850 hPa 南風分量于20 日20：00 后增強至10 m/s 以上且大值區東移，21 日8：00 后稍有減弱但依然維持在8 m/s，21 日20：00 起減小至4 m/s以下。與之幾乎相反，850 hPa 東風分量在20 日20：00 之前最大可達8 m/s；20 日20：00 至21 日8：00 減小至3～4 m/s，而此時南風分量較大，有利于來自海洋的水汽向北推進；21 日8：00 后東風再次加強至4～5 m/s，使得水汽輻合區略微西移。

圖7 河南省2021 年7 月18—23 日31°—37°N 平均925 hPa 比濕（a）及850 hPa 經向（b）/緯向（c）風的經度-時間演變

結合925 hPa 水汽通量及其散度場也得到同樣的驗證，海上西太副高西南側和臺風“煙花”北側的東南風急流強盛，形成強大的水汽通道，向河南省中、北部地區不斷輸送暖濕氣流，給暴雨的形成提供充沛水汽（圖8）。

圖8 2021 年7 月20—21 日4 個時次925 hPa 水汽通量［矢量；單位：g/（hPa·m·s）］及其散度場（填色；單位：10-12g·hPa·m2/s）

強降水過程中高層輻散區和低層輻合區匹配較好，通過抽吸作用，上升運動大值區自20 日20：00 起東移至113.5°—115.0°E 區，且強度維持至21 日20：00，之后有所減弱（圖9）。充足的水汽供應加上強烈輻合上升運動條件，配合一定的能量，三者的演變對于強降水的形成維持和強度、落區的變化有重要影響。

圖9 河南省2021 年7 月18—23 日31°—37°N 平均200 hPa（a）/850 hPa（b）散度和500 hPa 垂直速度（c）的經度-時間演變

3 小結

“21·7”河南極端暴雨過程有持續時間長、累計雨量大、短時降雨強、降雨極端性突出且致災性強等特點，由于地形等復雜因素的影響，該過程河南省降水總量呈現傍晚（14：00—20：00）和清晨（2：00—8：00）雙峰型結構，強降水的日變化特征顯著。主要結論如下。

1）極端暴雨主要發生在河南省中、北部地區，強降水落區移動緩慢、局地維持時間長，短時強對流性質明顯。7 月19 日8：00 至20 日20：00 強降水中心位于豫中地區，之后朝東北向移動，21 日8：00 左右略向西移、集中于豫北114°E 附近。

2）強降水的日變化過程與中低層環流形勢的演變有密切聯系。受2106 號臺風“煙花”、2107 號臺風“查帕卡”和中緯度異常北抬的西太副高及大陸高壓影響，低渦切變在黃淮地區停滯少動，導致強降水持續；而西太副高西進東退及雙臺風外圍環流的變化，使得低空偏南風和東南風急流在豫北中部的輻合區位置發生變化，從而對強降水的日變化起到一定調控作用。

3）各物理量場的分析結果表明，強降水的日變化過程與來自海洋的水汽輸送和局地上升運動變化一致。西太副高西南側和臺風“煙花”北側的東南風急流強盛，形成強大的水汽通道，向河南中、北部地區不斷輸送暖濕氣流，給暴雨的形成提供充沛水汽；配合局地較強輻合、抬升條件和不穩定能量，進而影響極端降水的強度和落區變化。