河南2021年”7.20“特大暴雨天气过程成因分析

河南2021年”7.20“特大暴雨天气过程成因分析

马慧妍

（濮阳市气象局  457000）

摘要：本文利用地面观测资料、NCEP再分析资料、台站观测资料等对河南2021年“7.20”特大暴雨天气过程成因进行分析。结果表明：因深厚东南急流和稳定低涡切变及太行山区特殊地形对偏东气流强辐合抬升效应，使得强降水区维持少动；高、低空急流耦合使得抽吸效应加强，中低层切变线与中尺度涡旋的发展，为河南省大部分地区特大暴雨天气的出现提供了深厚的上升运动；因边界层与台风外围互通的水汽通道，使得降水效率偏高，再加上持续性的强水汽输送引发了特大暴雨天气。

关键词：特大暴雨   环流形势  物理量场   河南

1、天气实况

2021年7月17日到22日，河南省出现了极端的特大暴雨，暴雨天气过程持续长达6天，最强时段发生在7月19日到21日。河南省中北部大部分地区累计降雨量超过500毫米，各个地市平均降雨量前三名依次为：鹤壁588.1毫米、郑州532.5毫米、新乡467.4毫米。郑州观测到的最大过程累计雨量为993.1毫米；郑州国家观测站最大日降雨量达624.1毫米，接近该站年平均降雨量641毫米。鹤壁市观测到的最大累计降雨量达到1122.6毫米，最大日降雨量达到777.5毫米。“在这次特大暴雨过程中，郑州、鹤壁、安阳、新乡、洛阳等19个国家气象站日降雨量突破了建站以来的历史极值，这次降雨过程累计雨量多、降雨强度大，极端性非常突出。

2、环流形势

对于河南省2021年“7.20”特大暴雨天气来说，是热带高压、大陆高压、台风“烟花”等不同系统共同造成的，而东亚大气环流的异常协同作用直接引发了本次特大暴雨天气。河南主汛期的主要特点是“七下八上”，因位于副热带高压边缘，对不稳定能量的积聚提供了有利条件，台风“烟花”与“查帕卡”共同作用输送了源源不断的水汽。即使“烟花”未直接登陆，但北侧与副热带高压之间有东南气流形成，将大量水汽从海上持续输送到河南境内，充足的水汽条件提升了降水效率。

西太平洋副热带高压与大陆高压始终在日本海与我国西北地区维持少动，对上游系统的移动产生了阻挡，进而造成西风带低值系统在华北、黄淮地区稳定维持，长期作用下促进了河南特大暴雨天气的出现。

7月20日08时到22日08时（图1），是郑州、鹤壁、新乡、安阳特大暴雨天气出现的主要时段。特别是21日08时200hPa高空处，有一深厚的低槽出现在兴县、延安到汉中一带，此时的河南则位于槽前西南气流中；500hPa处的低涡中心出现在陕西延安附近，700hPa处的切变线东段不断向河南伸展，这种深厚的天气系统配置极为少见。

另外，太行山以南北走向为主，北高南低，山势东陡西缓，在太行山南段东侧则是河南省北部地区，海拔大都在1000~1500m之间。因深厚东南急流和稳定低涡切变的共同作用，再加上河南省太行山区特殊地形对偏东气流强辐合抬升效应，使得强降水区维持少动，地形迎风坡前的降水强度增加，这也是河南省西北部沿太行山东部是强降水中心的主要原因。

图1 2021年7月21日08时大尺度环流背景和影响系统

3、物理量场诊断

3.1热力条件

在“7.20”暴雨天气出现之前，对流层高层处的高湿位涡冷空气不断向南扩散，冷空气进入到华北上空后，在等熵面的作用下，稳定层结快速朝着不稳定层结下滑，进而造成个别正涡度出现剧烈变化，加快了低涡的发展。这次暴雨有干冷空气入侵，对低层大气稳定性的影响较大。在位涡垂直剖面图中（图2a），20日00时郑州位涡从100hPa高层处不断朝着低层下传；结合相当位温垂直分布情况（图2b），郑州上空的层结极不稳定，且在925~500hPa高度处的相当位温等值线几乎是垂直伸展，说明大气呈现中性或弱不稳定层结。在时间演变上，郑州850hPa和500hPa高度处的不稳定弱层结继续维持，边界层内部的稳定层结与强层结交替出现。在7月18日00时到22日00时这段时间内，郑州先后出现了四次强层结不稳定与低层弱层结不稳定的转化。在强降水天气出现之前，19日06时的大气不稳定度增强的较为明显；因强降水天气的发生发展，大气逐渐趋于弱不稳定；一旦弱不稳定度下降到对应数值，将会造成降水强度下降；随着时间的推移，到了20日10时，不稳定度再次增强，为之后降水天气的出现积累了充足能量。

图2 2021年7月20日00时沿113.39°E位涡（a）和相当位温（b）经向垂直分布

3.2动力条件

在20日00时到21日00时这段时间内，郑州上空950~500hPa高度处以气旋环流为主，900hPa近地面以下的气流持续辐合；20日00时的垂直运动强度不断加大，从地面到200hPa高度处以上升运动区为主，而在500hPa高度处存在强上升中心；20日08时则在降水粒子下沉拖拽的影响下，使得郑州850hPa以上的垂直运动表现为下沉，同时还有辐散，从当天10时往后则转为上升运动。

20日08时500hPa处，黄淮气旋内部有多个中尺度涡旋出现，尤以郑州西侧的中尺度涡旋强度达到最强；700~850hPa高度处，有一东北至西南走向的切变线出现湖北到河南中北部，北端则生成有深厚的中尺度涡旋，且不断发展加强；从950hPa高度处垂直伸展到500hPa处，在850~500hPa处有高值区存在，强降水出现的时段内，在郑州地区的切变线与中尺度涡旋始终维持少动，西南气流和副热带高压西侧的东南气流形成了辐合区。在925hPa超低空处，郑州北侧以气旋性环流为主，风速在12~16m/s之间，同边界层急流标准相符。与此同时，在东北至西南走向的太行山与嵩山之间存在喇叭口地形，一旦有气旋性急流灌入，在地形的阻挡下，郑州西侧存在深厚的风速辐合层，从950hPa处不断向500hPa处伸展，而在迎风坡950hPa处是辐合中心所在位置，200hPa处存在辐散中心。由于深厚的中尺度涡旋与辐合层较为稳定，使得垂直运动始终维持少变，为持续暴雨天气的发生发展提供了有利条件。

在特大暴雨天气出现的过程中，高、低空急流耦合使得抽吸效应加强，中低层切变线与中尺度涡旋的发展，受到地形阻挡后，使得偏东风低空急流出现持续辐合，为河南省大部分地区特大暴雨天气的出现提供了深厚的上升运动，同时地形抬升作用在这次暴雨中也发挥着重要作用。

3.3水汽条件

这次河南省特大暴雨天气的主要水汽来源集中在对流层中低层以下。结合该高度层的流场和水汽输送情况，主要路径分别是：其一来自日本海一带的副热带高压南侧的偏东风水汽通道；其二是来自台风“烟花”外围的东南水汽通量；其三则是来自“查帕卡”西南暖湿水汽通道，这三条水汽通量均在河南省汇合。通过分析后发现，河南省这次的特大暴雨以台风“烟花”外围的水汽输送为主，东南气流在太行山地形抬升的作用下产生了水汽冷凝，进而出现降水，再加上山地地形的作用为局部地区对流和短时强降雨对流云团的发生发展提供了有利条件，使得太行山东侧成为特大暴雨中心。

结合850hPa水汽通量图（图3a），在台风“烟花”、“查帕卡”及河南中西部附近有三个水汽通量大值中心，河南中西部的水汽通量几乎接近“烟花”。在925hPa水汽通量图上（图3b），除了以上三个水汽通量大值中心外，还可以发现台风“烟花”外围直接输送到河南中北部的水汽通道，在河南中北部地区存在同台风云系相当的水汽通量，且在太行山东麓辐合抬升，进而引发了山前特大暴雨。在河南北部上空，因边界层与台风外围互通的水汽通道，使得降水效率偏高，再加上持续性的强水汽输送引发了特大暴雨天气。

图3 2021年7月20日15时（a）和21日14时（b）850hPa水汽通量分布图

结论：

（1）因深厚东南急流和稳定低涡切变的共同作用，再加上河南省太行山区特殊地形对偏东气流强辐合抬升效应，使得强降水区维持少动，地形迎风坡前的降水强度增加，这也是河南省西北部沿太行山东部是强降水中心的主要原因。

（2）在特大暴雨天气出现的过程中，高、低空急流耦合使得抽吸效应加强，中低层切变线与中尺度涡旋的发展，受到地形阻挡后，使得偏东风低空急流出现持续辐合，为河南省大部分地区特大暴雨天气的出现提供了深厚的上升运动，同时地形抬升作用在这次暴雨中也发挥着重要作用。

（3）在河南北部上空，因边界层与台风外围互通的水汽通道，使得降水效率偏高，再加上持续性的强水汽输送引发了特大暴雨天气。

参考文献：

[1]梁旭东,夏茹娣,宝兴华,等. 2021年7月河南极端暴雨过程概况及多尺度特征初探[J]. 科学通报,2022,67(10):997-1011.

[2]谢作威,布和朝鲁,诸葛安然,等. "21.7"河南暴雨暖湿季风输送带加强及关键天气流型的准地转位涡反演[J]. 大气科学, 2022, 46:1-20.

作者简介：马慧妍（1982.12），女，回族，本科学历，河南周口人，工程师，从事天气预报工作。