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“21·7”河南极端强降水特征及环流异常性分析

  • 张霞1,2

    机 构：

    1. 中国气象局 河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室,河南 郑州 450003

    2. 河南省气象台,河南 郑州 450003

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  • ， 杨慧2

    机 构：

    2. 河南省气象台,河南 郑州 450003

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  • ， 王新敏1,2

    机 构：

    1. 中国气象局 河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室,河南 郑州 450003

    2. 河南省气象台,河南 郑州 450003

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  • ， 申琳3

    机 构：

    3. 长江生态环保集团有限公司,湖北 武汉 430062

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  • ， 王迪2

    机 构：

    2. 河南省气象台,河南 郑州 450003

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  • ， 栗晗2

    机 构：

    2. 河南省气象台,河南 郑州 450003

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1. 中国气象局 河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室,河南 郑州 450003；
2. 河南省气象台,河南 郑州 450003；
3. 长江生态环保集团有限公司,湖北 武汉 430062；

Analysis on characteristic and abnormality of atmospheric circulations of the July 2021 extreme precipitation in Henan

  • ZHANG Xia1,2

    Affiliation：

    1. Henan Key Laboratory of Agrometeorological Support and Applied Technique,CMA,Zhengzhou 450003 ,China

    2. Henan Meteorological Observatory,Zhengzhou 450003 ,China

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  • ， YANG Hui2

    Affiliation：

    2. Henan Meteorological Observatory,Zhengzhou 450003 ,China

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  • ， WANG Xinmin1,2

    Affiliation：

    1. Henan Key Laboratory of Agrometeorological Support and Applied Technique,CMA,Zhengzhou 450003 ,China

    2. Henan Meteorological Observatory,Zhengzhou 450003 ,China

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  • ， SHEN Lin3

    Affiliation：

    3. Yangtze Ecology and Environmental Co.,Ltd.,Wuhan 430062 ,China

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  • ， WANG Di2

    Affiliation：

    2. Henan Meteorological Observatory,Zhengzhou 450003 ,China

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  • ， LI Han2

    Affiliation：

    2. Henan Meteorological Observatory,Zhengzhou 450003 ,China

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1. Henan Key Laboratory of Agrometeorological Support and Applied Technique,CMA,Zhengzhou 450003 ,China；
2. Henan Meteorological Observatory,Zhengzhou 450003 ,China；
3. Yangtze Ecology and Environmental Co.,Ltd.,Wuhan 430062 ,China；

通讯作者:

王新敏,E-mail:hnwxm@cma.gov.cn

DOI:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20210907001

引用：张霞,杨慧,王新敏,等,2021.“21·7”河南极端强降水特征及环流异常性分析[J].大气科学学报,44(5):672-687.

Quote：Zhang X,Yang H,Wang X M,et al.,2021.Analysis on characteristic and abnormality of atmospheric circulations of the July 2021 extreme precipitation in Henan[J].Trans Atmos Sci,44(5):672-687.

目录contents

    摘要

    基于国家自动站及区域自动站降水观测资料、欧洲中心大气再分析资料(ERA5)分析了河南“21·7”过程的降水特征及环流和物理量的异常性,并对比1981年以来郑州和鹤壁50 mm以上强降水过程的物理量特征。结果表明:1)“21·7”强降水过程在累计降水量、强降水覆盖范围、日雨量和小时雨强等方面均表现出显著极端性,过程累计降水量超过400 mm的站点集中分布在太行山东麓沿山地区和伏牛山东侧迎风坡一侧,与地形关系十分密切。2)南亚高压增强东伸,副热带高压异常偏强偏北,低纬度地区活跃的低值系统等大气环流异常,导致了水汽稳定持久向河南输送,太行山和伏牛山沿山一带水汽辐合偏离气候态最强超过-10σ,表现出显著极端性。3)“21·7”过程中,动力条件的异常特征十分显著,200 hPa的辐散中心分别位于伏牛山和太行山东麓沿山一带,相较历史气候态偏离度达到2σ~5σ;伏牛山沿山一带850 hPa涡度偏离气候态程度较太行山东麓一带更大,达6σ;而700 hPa上升运动则是太行山东麓一带极端性更强,标准差达-3σ~-5σ。4)与1981年以来同区域暴雨过程相比,“21·7”过程中,850 hPa涡度和700 hPa垂直速度的标准差为历次过程最大(最小)或次大(次小)者,对暴雨极端性有指示意义,地形附近历次暴雨过程物理量统计显示,伏牛山和太行山东麓的850 hPa辐合及700 hPa垂直速度平均偏离气候态超过3σ(-3σ),且偏离程度与日雨量呈正相关。

    Abstract

    The severe torrential rain attacked Henan province during July 17—22 in 2021 (abbreviation “21·7”) whenever the process total rainfall amount reaches 1122.6 mm and the hourly rain intensity at Zhengzhou national observation is up to 201.9 mm/h which broke through the meteorological record of hourly rain intensity extreme value in Chinese inland since 1951.The precipitation features and abnormality of atmospheric circulations and the environmental physical quantities were analyzed with the comparative analysis of physical quantities in the process of heavy rain over 50 mm in Zhengzhou and Hebi since 1981 based on the national and regional automatic meteorological observation data and the high resolution European central atmospheric reanalysis (ERA5).As shown by the results,the “21·7” severe rainfall process presents significant extremes in terms of cumulative precipitation,heavy rainfall coverage,daily rainfall,and hourly rainfall intensity.The eastern foot of Taihang Mountain and the windward slope of eastern Funiu Mountain are the only two locations with accumulated precipitation over 400 mm,which are closely related to topography.Anomalies in atmospheric circulation such as the enhancement and eastward extension of the South Asian high,the northward anomaly of the subtropical high,and the low-value system in low-latitude regions are responsible for the stable and lasting water vapor transport to Henan province.Water vapor convergence along Taihang and Funiu Mountain was below -10σ,showing significant extremes.Dynamic conditions are also apparent in the “21·7” process.With a deviation of 2σ—5σ from the historical climate,the divergence centers are located along the eastern foothills of Taihang Mountain and Funiu Mountain in 200 hPa.The deviation of 850 hPa vorticity from the climate state along Funiu Mountain is higher than that on the eastern foot of Taihang Mountain while the deviation of 700 hPa vertical velocity from the climate is more extreme on the eastern foot.For the same region since 1981,the standard deviation of 850 hPa vorticity and 700 hPa vertical velocity is the largest (least) or the secondary maximum (minimum) in the process of “21·7”,which indicates the extreme rain.In the eastern foot of Taihang Mountain and Funiu Mountain,the deviations of 850 hPa convergence and 700 hPa vertical velocity are consistently greater than 3σ(-3σ) on average,positively correlated with daily rainfall.

  • 近年来,学者们对极端强降水的研究聚焦于极端强降水的气候变化特征(高涛和谢立安,2014;孙继松等,2015)、大气环流异常(张玲和智协飞,2010;陈海山和陈健康,2017;张梦珂和金大超,2019)、主要影响系统的演变机制和环境场特征(赵洋洋等,2013;雷蕾等,2017;曾智琳等,2018)、中尺度对流及微物理特征(徐珺等,2018;刘晶等,2019;陈豫英等,2021)等方面,取得了较多成果。对中国1951—2010年极端降水事件的研究表明,全球变暖背景下极端降水事件的频率和强度具有升高趋势(高涛和谢立安,2014)。王倩等(2019)认为异常偏强、偏北的副热带高压以及增强的南亚高压与东亚地区极端降水事件直接相关。丁一汇等(2020)研究认为东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端强降水过程中起着关键的作用,环流的异常及其相伴随的季风水汽输送带的北推加强,是造成北方持续性大暴雨的重要原因。孙军等(2012)诊断了北京2012年“7·21”极端强降水过程中物理量偏离气候平均值的程度,发现大气可降水量、850hPa水汽通量、850hPa全风速偏离气候态平均程度均达3σ以上,而850hPa水汽通量更是达6σ。王婧羽等(2014)研究发现2012年北京“7·21”特大暴雨的产生与异常的水汽输送密切相关,经向水汽输送在此次暴雨过程中起主要作用。肖递祥等(2017)对四川盆地的23次极端强降水天气过程诊断发现,环境场具有低层高比湿、整层相对湿度大、暖云层厚、垂直风切变小等特征,850hPa比湿和假相当位温具有显著正距平。王丛梅等(2017)研究认为太行山地形通过增强辐合上升运动、增大垂直风切变使雷暴下山加强,是小时雨量超过50mm的极端短时强降水(俞小鼎,2013)天气产生的重要原因。

  • 河南省地处中纬度南北气候过渡带,西部为连绵的丘陵山地,东部为广阔的豫东平原,地形复杂,暴雨灾害频发,降雨量的季节和区域分布极不均匀,暴雨具有强度大、突发性强、次生灾害严重等特点。每年的6—8月随着副热带高压季节性北抬和南落,河南处于暴雨频发时段。低涡切变线和台风是造成河南极端强降水事件的主要影响天气系统(张霞等,2020a),新中国成立以来,受台风影响,河南曾先后出现了“58·7”、“75·8”、“82·8”、“96·8”和“18·8”等极端强降水事件(“58·7”暴雨研究组,1987;丁一汇,2015;赵培娟等,2019),其中“75·8”特大洪水灾害世界瞩目(陶诗言,1980;李泽椿等,2015)。受低涡切变线影响,2003年、2007年和2020年的7月,淮河上游河南段出现持续性强降雨天气,致使王家坝水位超警并泄洪(张霞,2020b)。

  • 河南省极端强降水的研究成果,集中在对极端强降水个例的多尺度天气系统相互作用、复杂地形对强降水的影响及物理量的极端性特征等方面。河南“75·8”特大暴雨成因分析表明,行星尺度环流的调整、天气尺度系统的相互作用、中小尺度系统的剧烈活动和有利地形作用这四方面有利条件的配合,构成了这次极端特大暴雨过程(“75·8”暴雨会战组,1977a,1977b)。对2016年“7·9”和“7·19”豫北两次极端强降水研究表明(马月枝等,2017),太行山地形的动力抬升、山前中尺度地形辐合线的发展和维持是导致局地特大暴雨的主要原因;远距离台风登陆促成了一条伸向内陆的暖湿气流输送带,并在豫北太行山东麓迎风坡喇叭口处汇聚,形成长达6h以上超强水汽辐合倾斜上升运动,为“7·9”极端强降水的发生提供了充足的水汽条件(司福意等,2021)。极端强降水的物理量极端性特征方面,张霞等通过对1981年以来河南省13例极端强降水过程的动力、热力因子诊断,发现大气环流异常导致环境场的热力、动力等物理参数异常是造成暴雨极端性的重要原因(张霞等,2020a)。冀翠华和李姝霞(2021)对比分析了2000—2016年开封22例暴雨以上降水的动力和水汽条件,发现日雨量最大的2016年“7·19”暴雨过程中,其700hPa和850hPa垂直速度和整层可降水量均为当地2000年以来暴雨过程之最。杨舒楠和端义宏(2020)发现台风“温比亚”极端强降水过程中存在极端低层辐合和高空辐散,同时假相当位温、整层可降水量和水汽通量散度均具有显著极端性。

  • 2021年7月17—22日,河南省出现历史罕见的极端强降水(简称“21·7”),最大累计降雨量高达1 122.6mm,郑州国家站最大1h降雨量达201.9mm。数值模式和业务预报对于此次降水中心预报有偏差,对于降水强度和极端性估计不足。那么,本次发生在我国黄淮地区的极端强降水具有哪些主要特征?其大气环流有何异常?环境场的水汽、热动力参数偏离气候态达到什么程度?这些问题是本文分析和研究的重点。

  • 1 资料与方法

  • 1.1 资料说明

  • 所用资料包括2021年7月17—22日河南省2 611个区域自动站逐小时降水观测资料、河南省119个国家自动站建站以来日降水和小时降水资料(来自河南省信息中心);1951—2021年全国国家气象站1h降雨量资料(来自中国气象局气象信息中心),欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析资料(ERA-5,https://cds.climate.copernicus.eu/),垂直方向1 000~100hPa共27层,水平分辨率0.25°×0.25°,时间间隔1h。

  • 使用的地形数据来自航天飞机雷达地形探测任务(Shuttle Radar Topography Mission,简称SRTM90m)数字高程模型资料(Digital Elevation Mode,简称DEM)。

  • 1.2 方法介绍

  • 1.2.1 环境场标准差倍数计算

  • 使用环境场各物理量相对于历史同期气候平均值的标准差倍数表征其偏离气候态的程度,由于不同时期环境场物理量值差异较大,为统一衡量其异常性,去除各物理量的季、月差异,文中的历史同期气候平均值均采用了1981—2010年30a间暴雨日当天及其前后两天共5d的数据参与计算。

  • 用于计算环境场标准差倍数公式如下:

  • k=X-x-σ。
    (1)

  • 其中:k为环境场的标准差倍数;X为计算时刻的环境参数值; x-为环境参数历史同期气候平均值;σ为计算日当天及其前后两天共5d的气候态标准差。

  • 标准差的计算采用公式(2)取得:

  • σ=∑i=1n xi-x-2n
    (2)

  • 其中:xi为1981—2010年计算日及其前后两天共5d逐日物理量值; x-意义同式(1);n为该组数的个数。

  • 1.2.2 副高指数计算

  • 文中副高指数计算方法如下:

  • 副高脊线位置:取110°~140°E范围内副高体脊线与经线交点纬度的平均值作为副高脊线位置。

  • 副高强度指数:对平均位势高度大于5 880gpm网格点的位势高度值与5 870gpm之差进行累计,此累计值为副高强度指数。

  • 副高指数的多年平均指采用上述方法计算的1981—2010年30a逐日的副高脊线位置和副高强度指数气候平均值。

  • 2 “21·7”强降水特征分析

  • 7 月17—22日,河南省出现了历史罕见的特大暴雨,强降雨中心位于郑州、鹤壁、新乡、焦作和安阳等地,该五地市的累计平均降水量408~623 mm。最强时段为19—21日,19日夜里至20日强降雨中心位于郑州,21日北移至豫北的鹤壁、新乡、焦作和安阳等地。暴雨过程具有持续时间长、累计雨量大、强降雨范围广、短时雨量极强等特征。全省1/6国家站日降雨量突破历史极值,最大累计降雨量高达1 122.6 mm,郑州最大小时降雨量突破我国内陆气象数据小时降雨量历史极值(表1)。

  • 表1 1951—2021年全国国家气象站1h降雨量(前10名)

  • Table1 Observations of rain at the national meteorological station from 1951—2021 (Top 10)

  • 极端强降雨及次生灾害导致郑州、鹤壁、新乡、安阳等城市发生严重内涝,一些河流、水库出现超警水位和保证水位,贾鲁河、卫河部分河段出现漫堤溃堤,致使一些农田和村庄被淹,部分铁路停运、航班取消,造成了严重的灾害损失。

  • 2.1 强降水阶段性演变特征

  • 依据降水演变特征将“21·7”极端强降水过程分为四个阶段:第一阶段:17日08时—19日08时,豫北沿山一带对流性降水阶段(图1a)。该阶段全省以阵性降水为主,暴雨点较分散,17日11—20时,大于等于20mm/h的短时强降水主要出现在豫东南信阳和豫西南的南阳一带。18日16时起,豫北太行山沿山一带不断有对流新生、发展合并,致使该地区持续出现强降水,安阳、鹤壁、新乡、焦作累计降水量达50mm以上。该阶段全省有98个气象站降水量超过100mm,最大为新乡辉县的万仙山站达235.7mm。全省平均降水量为28mm,鹤壁平均降雨量最大为68mm。

  • 第二阶段:19日08时—21日08时,豫中强降水集中阶段。随着低空东风急流加强,19日起河南降水加强。19日08时至21日08时,河南省淮河以北大部地区出现暴雨,特大暴雨主要集中在以省会郑州为中心的豫中一带。郑州地区连续两天持续特大暴雨,累计平均降水量达474mm,最大降水量出现在郑州新密县的白寨站860.8mm(图1b),超过新密站多年平均降水量(新密国家气象站年均降水量666mm)近200mm。郑州全市有180个气象站降水量超过250mm,500mm以上的气象站达104个,是郑州有气象记录以来特大暴雨影响范围最广的一次降水。该阶段是“21·7”过程中强降水覆盖范围最广时段,全省2 611个气象站的平均降水量达到了141mm,近一半站点(1 217个气象站,占比46.6%)降水量超过100mm。

  • 图1 2021年7月17—23日河南省降水量(单位:mm):(a)17日08时—19日08时;(b) 19日08时—21日08时;(c) 21日08时—22日08时;(d) 22日08时—23日08时

  • Fig.1 A map of rainfall(unit:mm) in Henan Province during July 17—23,2021:(a)from 08:00BST on 17th July to 08:00BST on 19th July;(b)from 08:00BST on 19th July to 08:00BST on 21th July;(c)from 08:00BST on 21th July to 08:00BST on 22th July;(d)from 08:00BST on 22th July to 08:00BST on 23th July

  • 第三阶段:强降水中心移至豫北阶段(21日08时—22日08时)。21日,豫中强降水趋于减弱,特大暴雨落区北移到豫北安阳、新乡、焦作、鹤壁四地区,降水范围较第二阶段明显缩小,全省平均降水量51mm。250mm以上的特大暴雨有139站,均集中在豫北太行山沿山一带,最大降水量为鹤壁市科创中心站达777.5mm(图1c),超过鹤壁市历年年均降水量接近200mm(鹤壁国家站年均降水量625mm),1h雨强最大为149.9mm/h(新乡市牧野乡)。

  • 第四阶段:降水明显减弱阶段(22日08时—23日08时)。22日,豫北降水明显减弱,分散性暴雨和大暴雨分布于豫北太行山东侧沿山一带和伏牛山区。全省平均降水量9mm,全省共103站出现暴雨,其中24站出现大暴雨。

  • 2.2 强降水的极端性特征

  • 本次强降水过程在累计降水量、强降水覆盖范围、日雨量和小时雨强等方面均表现出显著极端性。

  • 17日08时至23日08时,河南省2 611个气象站中,有1 644站(占63%)降水量超过100mm,其中487个气象站累计降水量超过400mm,集中在河南省中北部。最大累计降水量出现在鹤壁市科创中心站1 122.6mm,是当地年均降水量的近2倍(鹤壁市年均降水量625mm)(图2a),郑州、辉县等11个国家气象站过程雨量超过本站年降水量的历年平均值,国家站中以郑州站过程雨量最大,达820.9mm,远远超过该站641mm的多年平均年降水量,是7月平均月降水量的5.5倍(图2b)。

  • 统计显示,全省119个国家气象站中,郑州、新密等19站(16%)日降水量突破建站以来历史极值;郑州、辉县等32站(27%)突破建站以来最大连续3d降水量历史极值(图2c),其中郑州国家站最大日降水量624.1mm,达建站以来最大日降水量3.3倍(189.4mm,出现在1972年7月2日),20日16—17时郑州站1h雨强达201.9mm(图2d),刷新了该站建站以来记录,居1951年以来我国气象数据中1h降雨量第一位(不含港澳台地区),远超第二名江苏如皋,当地1h降雨量为161.9mm(出现在2019年7月17日,表1)。

  • 图2 2021年7月17日08时—23日08时河南省累计降水量(a;单位:mm);过程累计降水量超过本站多年平均降水量的国家站时段降水量、历年平均降水量、7月平均降水量(b;单位:mm);日雨量(圆圈●)和连续3d降水量(三角▲)突破历史极值的站点分布(c);郑州站19日08时—21日08时逐小时降水量(d;单位:mm)

  • Fig.2 (a)The accumulated rainfall amount in Henan during 08:00BST on 17th July to 08:00BST on 23th July 2021(units:mm);(b)map of period precipitation,average precipitation over the years and average precipitation in July at national stations where accumulated precipitation is large than average values over the years(units:mm);(c)site distributions of daily rainfall(circle)and continuous 3-day precipitation(triangle) breaking historical extremes;(d)the hourly rainfall amount in Zhengzhou station during 08:00BST on 19th July to 08:00BST on 21th July(units:mm)

  • 与河南省历史出现的几次强降水过程对比(表2),“21·7”暴雨除过程累计雨量(6d累计最大1 122.6mm)略小于“75.8”暴雨(5d累计1 631mm)外,日最大降水量、全省平均降水量及日雨量破历史极值站数均超过“75·8”、“63·8”等极端强降水过程。

  • 2.3 地形与强降水关系

  • 豫北大暴雨与太行山地形关系密切,栗晗等(2018)对2016年“7·19”特大暴雨过程研究发现,过程累计雨量超过250mm的站点分布在太行山东麓临近地区,大于500mm的强降水中心站点海拔均大于300m。“21·7”过程中,强降水分布有类似特征。如图3a,累计降水量在400~800mm(黑圆点)的站点集中分布在太行山东麓临近地区和伏牛山东侧迎风坡一侧,极个别站点分布在平原。其中大于等于800mm(红圆点)的两个强降水中心位于豫北新乡、鹤壁两地区西部紧临太行山东麓沿山一带和郑州西部伏牛山东侧一带,与地形关系密切。过郑州(图2b)极值中心同一纬度地区地形和降水分布可看出,伏牛山东侧迎风坡降水量随海拔高度升高而增强,600mm以上的强降水多分布于海拔300~400m高度。过科创中心(图2c) 同一纬度地区地形和降水分布具有相似特征,600mm以上降水大多出现在太行山东麓迎风坡一侧具有一定地形高度处,且以300~900m高度最为集中。两地均有山前迎风坡一侧降水量远远超过其东侧平原地区的分布特征。

  • 表2 “21·7”过程与河南省历史上几次强降水过程对比

  • Table2 Comparison of “21·7” and historical severe rainfall in Henan

  • 3 大气环流及物理量异常度分析

  • “21·7”河南极端强降水是在南亚高压东伸、副热带高压异常偏北、低纬的孟加拉湾低压、南海台风“查帕卡”和西太平洋台风“烟花”共同作用下,暖湿气流自海上稳定持续输送至河南,并在太行山、伏牛山前辐合抬升,多系统共同作用下形成了这次持续性罕见的极端强降水。

  • 3.1 大气环流异常

  • 200hPa高空图上,17日08时(图略),南亚高压脊线位于30°N,东脊点伸至105°E,日本海低压发展后西移至朝鲜半岛附近,我国华南经长江中下游伸向黄淮一带为大片暖区,在暖平流作用下,湖北经河南伸向河北南部的高压脊发展,与南亚高压之间形成一低压槽,且低槽随高脊发展而加深。过程平均200hPa位势高度、风场和散度场显示(图4a),河南省中西部、北部上空处在高空槽前分流区中,散度达4×10-5/s,为明显辐散区,高空辐散对低层系统发展和上升运动增强十分有利。

  • 图3 2021年7月17日08时—23日08时过程累计降水量大于等于400mm且小于800mm(黑色圆点)和大于等于800mm(红色圆点)站点分布(a;填色表示海拔高度,单位:m),过郑州站34.7°N(b)和科创中心35.7°N(c)海拔高度(柱状阴影)和过程累计雨量变化曲线

  • Fig.3 (a)The site distribution of process accumulated rainfall large than 400mm and less than 800mm (black dots) and large than 800mm (red dots) from 08:00BST on 17th July to 08:00BST on 23rd July,2021 (filled color represents altitude,units:m),the variation curves of altitude (columnar shadow) and process accumulated rainfall over the (b)Zhengzhou station 34.7°N and the Science and (c)Technology Innovation Center station 35.7°N

  • “21·7”过程平均500hPa高度场上,副热带高压位于我国东北地区东部到朝鲜半岛附近,贝加尔湖至东北的中高纬地区为显著正距平区,副高位置较常年同期异常偏北(图4b),副高脊线逐日变化显示,自7月中旬以来,副高呈持续北抬的变化趋势,17—22日,副高脊线位于36~42°N,较常年偏北超过10个纬距(图4c),7月以来,副高强度指数维持在6 000以上波动,较常年同期明显偏强(图4d);而在10~30°N的中低纬地区,则为一东西带状的显著负距平区,该区域内活跃着今年的第6号台风“烟花”和第7号台风“查帕卡”以及孟加拉湾低压,活跃的热带低值系统为河南暴雨的发生提供了源源不断的水汽供应。

  • 3.2 环境场物理量异常特征

  • 3.2.1 水汽输送异常特征

  • 北方持续性强降雨的发生和强弱主要决定于源自热带的季风水汽输送带(丁一汇等,2020)。由于异常偏北偏强的副热带高压稳定维持,其南侧的台风“烟花”受偏东气流引导和7号台风“查帕卡”的影响缓慢西行,向台湾靠近,在上述环流共同影响下,“21·7”过程的水汽输送和水汽辐合异常加强,持久维持影响河南。图5a为19日08时—22日08时强降水集中时段1 000~300hPa整层水汽通量积分,可以看到来自印度洋的强西南季风水汽输送带,输送水汽流入台风“查帕卡”和“烟花”,使两台风长时间维持,相互作用,移动缓慢,台风“烟花”与其北侧副热带高压相互作用使副高外围的偏东风加强,沿副高外围将东南风水汽输送至河南,在太行山和伏牛山前形成强烈辐合。20日是郑州地区降雨最强时段,20日08时850hPa水汽通量显示(图5b),河南中部为水汽通量大值区,中心位于郑州附近,达24g/(cm·hPa·s),随着低层东南风增强,该水汽大值中心略西移,稳定维持在太行山南麓与伏牛山余脉之间的喇叭口地形处,最大值达28g/(cm·hPa·s),该时段内,水汽通量散度辐合区一直维持在郑州及其以西伏牛山前(图略)。 20日23时起,200hPa高空槽东北移,低层切变线随之缓慢东移,水汽输送大值带东北移至郑州以东和豫北一带,21日08时,水汽通量大值中心位于太行山前迎风坡一侧,中心值达28g/(cm·hPa·s)(图5c),水汽辐合也北抬至太行山东侧沿山一带(图略),并在此维持至22日5时,此时段强降水中心维持在豫北。

  • 图4 2021年7月17—22日,200hPa平均位势高度、散度和风场分布(a;等值线为位势高度,单位:dagpm;填色为散度,单位:10-5/s;图中红色实线为河南省界),500hPa平均位势高度和距平(b;等值线为平均位势高度;点划线为1981—2010年7月平均588dagpm线;填色为位势高度距平,单位:dagpm;红色实线同图a);2021年7月1—22日副热带高压脊线逐日变化及与气候平均对比(c),副热带高强度变化及与气候平均对比(d;气候平均指1981—2010年同期平均值)

  • Fig.4 (a)The distribution of 200hPa height,divergence and wind field (isolines are height,units:dagpm,fill colors are the area divergence,units:10-5/s,red real line in the map is the boundary of Henan province),and (b)average and anomaly of 500hPa height(contour line is average potential height,point line is the average588dagpm line from 1981to 2010,fill colors are anomaly,units:dagpm,red solid line is the same as Fig.a) from July 17th to 23th in 2021,and daily variation and comparison with climate average of (c)subtropical high ridge line and (d)intensityduring July 1—22in 2021(climate average indicates the average of the same period from 1981to 2010)

  • 图5 2021年7月19日08时—22日08时整层积分水汽通量输送量(a,单位:kg/(m·s)),20日08时(b)和21日08时(c)850hPa水汽通量(等值线为水汽通量,单位:g/(cm·hPa·s);填色为地形)

  • Fig.5 (a) Integrated water vapor flux transport (units:kg/(m·s)),and 850hPa water vapor flux at (b) 08:00BST on 20th July and (c) 08:00BST on 21st July (isoline denotes water vapor flux,units:g/(cm·hPa·s),color-filled is topography)

  • 选取19日08时至21日08时以郑州为中心的豫中强降水区域(112.4°~114.1°E,34.2°~35.2°N)和21日08时至22日08时包含科创中心在内的豫北强降水区域(113.6°~114.3°E,35.3°~36.4°N),计算了700hPa、850hPa和925hPa三层的水汽通量和水汽通量散度逐小时区域最大标准差倍数(图6),用以分析“21·7”过程水汽输送和水汽辐合的异常程度。

  • 19日20时起,豫中的水汽输送三层标准差倍数均维持在1.5σ以上,尤其是20日白天,水汽输送和辐合均异常偏强,水汽通量的标准差维持在3σ以上(图6a),而水汽通量散度标准差自19日08时起均过-3σ,20日期间更是维持在-6σ以下(图6b),异常偏强且持久维持的水汽输送和水汽辐合是郑州产生极端暴雨的关键因素。

  • 豫北强降水集中时段,水汽输送和水汽辐合同样具有显著偏强特征,与豫中不同的是,对流层中层700hPa水汽通量的标准差远大于对流层下层850hPa和925hPa(图6c),而水汽辐合则反之,以对流层下层更强,偏离气候态程度更大(图6d),因此,豫北极端强降水与发展深厚的湿层和对流层下层水汽辐合异常偏强密切相关。

  • 图6 2021年7月19日08时—21日08时豫中强降水区域(a,b)和7月21日08—22日08时豫北强降水区域(c,d)各层水汽通量(a,c)及水汽通量散度(b,d)逐小时标准差倍数曲线

  • Fig.6 The hourly standard deviation multiples variation of (a,c)water vapor flux and (b,d)vapor flux divergence at every height level in the rainstorm region of (a,b)central Henan from 08:00on 19th July to 08:00on 21st July,2021and (c,d) north Henan from 08:00on 21st July to 08:00on 22nd July,2021

  • 3.2.2 动力异常特征

  • 分别计算了豫中和豫北两个强降水集中时段的高层散度、低层涡度和垂直速度等有利降水物理量及其标准差倍数分布(计算区域选取同图6),可以看到,19日08时至21日08时豫中强降水阶段,河南上空200hPa为明显辐散区,辐散中心位于伏牛山东侧与太行山南麓形成的喇叭口地形区域,相较历史气候态达到了2σ~3σ(图7a1),异常的高空辐散有利于对流层低层产生强烈辐合,上升运动增强,850hPa涡度场上全省均表现为辐合区,郑州以西的伏牛山东侧沿山一带为强辐合中心,其标准差最大达到了6σ(图7b1),850hPa垂直速度场上,河南省中西部有强上升运动,上升运动中心的标准差倍数达-3σ以上(图7c1)。

  • 豫北强降水集中时段(21日08时至22日08时),河南上空200hPa上同样为辐散区,辐散中心位于太行山东麓与豫北交界的河北省南部,标准差倍数达3σ~5σ(图7a2),豫北一带散度为10×10-5/s,与气候态偏离度不高,但对流层低层850hPa的辐合中心位于豫北至河北南部,沿太行山呈南北带状分布,标准差超过2σ(图7b2),此处的上升运动异常度更大,中心标准差达-3σ~-5σ(图7c2)。综上分析,豫中和豫北特大暴雨的发生均与对流层高层持续维持的强辐散、低层维持强辐合密切相关,增强的上升运动,将“烟花”外围和副高南侧输送至豫中和豫北的水汽抬升至更高层次,形成深厚湿层并长时间辐合,利于强降水长时间维持从而形成特大暴雨。

  • 3.3 地形与水汽和动力条件的关系

  • 对两个降水集中时段的水汽和动力条件分析表明,以郑州为中心的豫中和科创中心为中心的豫北特大暴雨的产生,其水汽辐合及动力抬升条件异常偏离气候态的区域分布在地形迎风坡或喇叭口区域,强降水分布与地形关系分析也表明,“21·7”过程累计降水量超过400mm的站点集中分布在太行山东麓临近地区和伏牛山东侧迎风坡一侧,与地形关系十分密切。

  • 3.3.1 “21·7”过程中地形与水汽的关系

  • 过郑州(34.7°N)站的水汽通量和水汽通量散度剖面显示,“烟花”台风外围及副高南侧的水汽沿东南气流向内陆输送,伏牛山地形阻挡了对流层下层水汽而使其在地形迎风坡一侧形成辐合,大于12g/(cm·hPa·s)的水汽通量在地形迎风坡处向上伸至700hPa,湿层深厚,925hPa和850hPa上,地形起伏处有多个水汽辐合中心存在(图8a1);强降水集中时段豫中地形区域(112.4°~114.1°E,34.2°~35.2°N)和其东侧同纬度平原区域(114.2~115.4°E,34.2~35.2°N)逐小时水汽条件变化对比显示(图8b1、8c1),地形区域的水汽辐合强度和伸展高度均明显高于平原区域,水汽通量大值区伸展的高度和中心值具有类似特征。

  • 图7 2021年7月19日08时至21日08时(a1,b1,c1)和21日08时至22日08时(a2,b2,c2)时段有利物理量及其标准差倍数(等值线为物理量,取每个格点在所选时段内最有利于降水的物理量值;填色为物理量相对于历史气候态(算法见1.2.1中说明)的标准差倍数):(a1,a2)200hPa散度(单位:10-5/s);(b1,b2)850hPa涡度(单位:10-5/s);(c1,c2)850hPa垂直速度(单位:Pa/s)

  • Fig.7 The most favorable physical quantities and their standard deviation multiples during the periods (a1,b1,c1) from 08:00BST on 19July to 08:00BST on 21July and (a2,b2,c2) from 08:00BST on 21July to 08:00BST on 22July in 2021 (isolines are physical quantities that are most favorable for precipitation at each grid point in the selected period,filled color is the standard deviation multiple of physical quantities relative to historical climate states,a1and a2are200hPa divergences,units:10-5/s;b1and b2are850hPa vorticity,units:10-5/s;c1and c2are850hPa vertical velocity,units:Pa/s)

  • 豫北过科创中心(357°N)的水汽通量和水汽通量散度剖面图显示,水汽输送的大值中心位于太行山前地形高度较低地段,而水汽辐合位置则位于太行山迎风坡地形高度稍高区域,中心在850~925hPa之间(图8a2),与稍高地形区降水强于较低地形区域,有地形区域降水强于平原区的特征相一致。豫北有地形区与平原区域相比,有地形区域的水汽辐合增强、辐合伸展更高的特征较豫中更明显。

  • 豫中和豫北的逐小时水汽输送和水汽辐合变化显示,两个强降水集中时段,山前迎风坡一带持续维持强而深厚的水汽输送和水汽辐合,利于强降水持续而达特大暴雨。

  • 3.3.2 “21·7”过程中地形与动力条件的关系

  • 过豫中强降水中心的垂直速度剖面显示,上升运动中心分布于伏牛山地形前迎风坡一侧,最强中心位于600hPa附近,向上伸展至300hPa(图9a1),逐小时垂直速度变化显示(图9b1),强降水集中时段,伏牛山前对流层一直维持强上升运动,尤以20日08—20时期间更强,中心更是超过了50×10-1Pa/s,而其东侧同纬度平原区域,上升运动虽维持,但强度较地形区域明显偏弱(图9c1),因此,无论小时雨强、累计雨量均以地形区域更强。过豫北强降水中心的垂直速度剖面显示,上升运动中心分布于太行山东麓迎风坡一侧,强中心位于700hPa附近,向上伸展至500hPa(图9a2),逐小时垂直速度变化特征与豫中相似,强降水集中时段太行山迎风坡一侧维持强上升运动,且有地形区域强于平原区域的特征(图9b2、9c2)。与豫中地形区上升运动对比,豫北地形区域的上升运动中心更强,但伸展高度较伏牛山前低。

  • 图8 水汽通量和水汽通量散度剖面(等值线为水汽通量散度,单位:10-5g/(cm2·hPa·s);填色为水汽通量,单位:g/(cm·hPa·s);图中黑色阴影为伏牛山和太行山地形,▲为郑州站和科创中心站位置):(a1)2021年7月20日08时过郑州(347°N)和(a2)7月21日08时过科创中心(357°N)高度剖面;(b1)19日08时—21日08时豫中强降水中心和(b2)21日08时—22日08时豫北逐小时最大/最小值时间-高度剖面(范围同图6);(c1)同b1,为豫中平原区域(范围:114.2°~115.4°E,34.2°~35.2°N),(c2)同b2,为豫北平原区域(范围:114.4°~115.5°E,35.3°~36.4°N)

  • Fig.8 Cross section of water vapor flux and flux divergence(the isoline is water vapor flux divergence,units:10-5 g/(cm2·hPa·s),color-filled is water vapor flux,units:g/(cm·hPa·s),black shadow in the figure is Funiu Mountain and Taihang Mountain terrain,and the triangle is the location of Zhengzhou station and Science and Technology Innovation Center station),including vertical profile (a1)through Zhengzhou station at 08:00BST on 20July 2021 (34.7°N) and (a2) through the Science and Technology Innovation Center station (35.7°N) at 08:00BST on 21July,and temporalheight profile of water vapor flux maximum and flux divergence minimum at (b1)the precipitation core of central Henan from 08:00BST on 19th to 08:00BST on 21th and (b2)the precipitation core of north Henan from 08:00BST on 21th to 08:00BST on 22th(area of central and north Henan is the same as Fig.6),(c1)the plain area of central Henan(34.2°—35.2°N、114.2°—115.4°E) from 08:00BST on 19th to 08:00BST on 21th and (c2) the plain area of north Henan(35.3°—36.4°N、114.4°—115.5°E) from 08:00BST on 21th to 08:00BST on 22th

  • 综上分析,伏牛山和太行山地形对沿东南气流输送至豫中和豫北的水汽起阻挡作用,使水汽在地形迎风坡一侧汇聚;加强的东南风遇地形抬升,山前上升运动增强,使得对流层下层水汽被上升气流抬升至对流层中层,形成深厚湿层,水汽辐合和动力上升条件均强于平原地区,有利于地形处降水增强。

  • 3.3.3 1981年以来地形附近暴雨以上降水过程的物理量特征

  • 为了客观地对比“21·7”特大暴雨过程中郑州和科创中心两站与历史上发生的强降水过程之间的水汽和动力特征差异,也为了发现地形附近区域强降水过程中水汽和动力条件的共性特征,本文采用1981—2021年6—8月期间的国家自动站历史观测雨量资料和ERA5再分析数据集,选取郑州站和科创中心最临近的鹤壁和淇县站(两站只要有一站达标准,同时达标准时取雨量最大者)50mm以上的强降水过程,计算了郑州为中心的豫中强降水区域(112.4°~114.1°E,34.2°~35.2°N)和包含科创中心的豫北强降水区(113.6°~114.3°E,35.3°~36.4°N)700hPa和850hPa比湿、整层可降水量、200hPa散度、850hPa涡度和700hPa垂直速度等物理量各个暴雨日的平均标准差最大(垂直速度选最小)倍数如图10所示。

  • 图9 同图8,不过表示垂直速度剖面(等值线为垂直速度,单位:10-1 Pa/s)

  • Fig.9 Same as Fig.8,but for vertical velocity(lines,units:10-1 Pa/s)

  • 1981年以来,郑州站6—8月共发生50mm以上强降水日数39d,“21·7”过程中,20日降水量达624.1mm,排第一位,该日850hPa的比湿标准差为2.3σ,接近所有过程的平均值,与同区域日雨量不足100mm的过程相比,极端性并不显著;而700hPa的比湿标准差为4.1σ,整层水汽含量标准差达7.1σ,二者均远大于同区域暴雨以上降水的平均值,表现出明显极端性(图10a),尤其是整层水汽含量,在所有过程中排在第一位。结合图6b,由于地形阻挡和抬升,“21·7”过程中水汽辐合异常偏强且辐合长时间持续(图6b),持久且充沛的水汽输送和辐合利于强降水长时间维持。值得关注的是这次过程的动力条件,200hPa散度的标准差偏离气候态达4.5σ,高于暴雨过程的平均值,850hPa涡度和700hPa的垂直速度的标准差分别达7.8σ和-6.8σ,居所有过程的第一、二位,动力条件的极端性更加显著(图10b)。

  • 以鹤壁为代表的豫北,1981年以来共发生45d暴雨日(日雨量大于等于50mm),“21·7”过程中,豫北共产生了3个暴雨日,以21日雨量最大436.1mm,居1981年以来首位,其水汽条件特征与郑州站不尽相同,700hPa比湿和整层可降水量的标准差分别达4.4σ和2.9σ,均明显高于同区域暴雨过程的平均值,但并非所有过程最大者,而850hPa比湿标准差为1.8σ,较平均值偏低(图10c)。从水汽条件上,并不能区分“21·7”过程与同区域其他暴雨过程。 200hPa散度标准差达4.2σ,略高于45例暴雨平均值,850hPa涡度标准差达7.9σ,仅略低于2016年“7.19”暴雨过程(8.5σ),居第二位,而700hPa垂直速度达-12.6σ,居同区域所有暴雨个例首位,动力条件的极端性较水汽条件更加显著,对极端暴雨更有指示意义。

  • 1981年以来地形区域的暴雨过程物理量平均标准差显示,影响豫北和豫中极端暴雨的关键因子具有共性特征,即动力条件较气候态偏离程度较水汽条件更大,100mm以上的大暴雨过程,多数个例的850hPa涡度和700hPa垂直速度强于平均值,这一特征说明地形区域异常增强的动力条件更有利于暴雨增强。多个例物理量异常性分析也同时显示出强降水影响因子的复杂性,并非最极端的降水过程,其所有物理量偏离气候态均达最大,但异常偏强的降水过程中,总有一些物理量的表现是最极端的,这一特征应在预报业务中引起足够警惕,多物理量综合偏离气候态程度或可更好将极端暴雨与一般暴雨区分开来(张霞等,2020a)。

  • 图10 1981—2021年郑州(a,b)和鹤壁(c,d)50mm以上降水过程的日雨量和物理量标准差倍数对比:(a,c) 850hPa、700hPa比湿和整层水汽含量;(b,d)200hPa散度、850hPa涡度和700hPa垂直速度

  • Fig.10 Comparison of standard deviation multiples of daily rainfall and physical quantities when processes precipitation above50mm in (a,b)Zhengzhou and (c,d)Hebei from 1981to 2021.(a,c)specific humidity of 850hPa and 700hPa and integrated water vapor;(b,d)200hPa divergence,850hPa vorticity,and 700hPa vertical velocity

  • 4 结论和讨论

  • 本文对“21·7”河南省持续强降水过程的降水特征及环流和物理量的异常性进行详细分析,并与1981年以来豫中和豫北相同强降水区域物理量做对比,得到如下结论:

  • 1)“21·7”强降水过程在累计降水量、强降水覆盖范围、日雨量和小时雨强等方面均表现出显著极端性。日最大降水量、全省平均降水量及日雨量破历史极值站数超过“75·8”、“63·8”等新中国成立以来河南的极端强降水过程。过程累计降水量超过400mm的站点集中分布在太行山东麓临近地区和伏牛山东侧迎风坡一侧,与地形关系十分密切。

  • 2)南亚高压增强东伸,副热带高压异常偏强偏北,低纬度地区活跃着台风“查帕卡”、“烟花”和孟湾低压,来自印度洋的西南季风水汽输送使“烟花”长时间维持,其北侧与副高之间东风加强向河南稳定持久输送水汽,在太行山和伏牛山前辐合,导致了豫中和豫北两个特大暴雨中心的产生。

  • 3)“21·7”强降水过程中,豫中和豫北对流层下层水汽通量散度均表现出辐合持续偏强、异常偏离气候态的极端性特征;而水汽通量波动性大,极端特征不如水汽通量散度显著。伏牛山和太行山东麓沿山一带的动力条件偏离气候态程度大,200hPa散度的标准差达2σ~5σ;豫中伏牛山沿山一带850hPa涡度偏离气候态程度较太行山东麓一带更大,达6σ,而700hPa上升运动则是豫北太行山东麓一带更极端,标准差达-3σ~-5σ。

  • 4)1981年以来豫中和豫北同区域暴雨以上量级降水的物理量对比分析显示,“21·7”过程中,850hPa涡度和700hPa的垂直速度标准差为历次过程最大(最小)或次大(次小)者,极端性显著,可明显区分同区域其他暴雨过程;豫中整层水汽含量居所有暴雨过程首位,对暴雨极端性有指示意义,而豫北水汽条件与其他过程相比排位并不靠前。所选地形附近历次暴雨过程的850hPa涡度和700hPa的垂直速度平均标准差偏离气候态超过±3σ,且大暴雨以上降水过程中,多数个例的850hPa涡度和700hPa垂直速度强于平均值,表明地形区域动力作用的增强与暴雨增幅有明显正相关。

  • 本文仅对“21·7”强降水过程特征、大气环流和环境物量偏离气候态的程度做了较详细分析,研究所得可为极端暴雨预报业务借鉴。然而,郑州超过200mm/h的极端雨强、接近年降水量的日雨量与城市发展及热动力效应有何关联?地形和复杂下垫面对暴雨的增幅和影响机制?极端强降水的可预报性及预报技术等等诸多科学问题值得进一步研究。

  • 参考文献

  • 基本信息

    DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20210907001

    基金信息

    中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点实验室重点项目(KZ202001)；
    河南省2021年度国家超级计算郑州中心创新生态系统建设科技专项(201400210800)；

    引用信息

    张霞,杨慧,王新敏,等,2021.“21·7”河南极端强降水特征及环流异常性分析[J].大气科学学报,44(5):672-687.

    Zhang X,Yang H,Wang X M,et al.,2021.Analysis on characteristic and abnormality of atmospheric circulations of the July 2021 extreme precipitation in Henan[J].Trans Atmos Sci,44(5):672-687.

    稿件历史

    收稿日期: 2021-09-07

  • 参考文献

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