布和朝魯 諸葛安然 謝作威 高樅亭 林大偉

1 中國科學(xué)院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學(xué)中心, 北京100029

2 吉林省氣象科學(xué)研究所/長白山氣象與氣候變化吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中高緯度環(huán)流系統(tǒng)與東亞季風(fēng)研究開放實(shí)驗(yàn)室, 長春130062

3 中國氣象局人工影響天氣中心/中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室/中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100081

1 引言

2021 年7 月17～21 日，河南省出現(xiàn)了歷史罕見的極端暴雨天氣（“7.20”河南暴雨），其強(qiáng)降雨中心位于鄭州、焦作、新鄉(xiāng)等地。暴雨導(dǎo)致人員遇難和失蹤，引發(fā)河道漫堤潰堤、城市嚴(yán)重內(nèi)澇、農(nóng)田被淹、交通停運(yùn)，其造成的災(zāi)害極為嚴(yán)重。河南暴雨在7 月19 日08:00 至21 日08:00（北京時(shí)）最強(qiáng)，降水中心主要集中在以鄭州為中心的豫中，鄭州站20 日的日降水量高達(dá)663.9 mm（蘇愛芳等,2021; 張 霞 等, 2021; 齊 道 日 娜 等, 2022）。21 日08:00 至22 日08:00（北京時(shí)），降水中心移到豫北安陽、焦作等地。

中國夏季強(qiáng)降水過程，一般都有非常強(qiáng)的水汽輸送通道（陶詩言, 1980; 吳國雄, 1990）。夏季中國東部極端降水主要有兩個(gè)水汽來源，一是來自副熱帶高壓西側(cè)和西南側(cè)的偏南氣流，二是來自印度洋—南海的夏季風(fēng)氣流，共同形成一個(gè)寬廣的水汽輸送帶。強(qiáng)水汽輸送帶的形成是中國東部大暴雨發(fā)生的一個(gè)重要前提條件，整層水汽通量通常在200 kg m-1s-1以上（謝義炳和戴武杰, 1959; 王小玲等, 2017; 丁一匯等, 2020）。

最近的研究表明，大氣河（Atmospheric rivers）是熱帶外地區(qū)的一類強(qiáng)水汽輸送帶，它對中緯度強(qiáng)降水事件的發(fā)生起到關(guān)鍵作用（Ralph et al.,2017a）。大氣河是指一條長度為大于2000 km、寬度小于1000 km 且整層水汽通量（integrated water vapor transport）至少為250 kg m-1s-1的強(qiáng)水汽輸送帶。它通常出現(xiàn)于中緯度對流層3 公里以下，與冷鋒前低空急流的強(qiáng)水汽輸送有關(guān)。大氣河對熱帶外地區(qū)水汽和降水分布具有關(guān)鍵作用，也影響區(qū)域和全球水循環(huán)過程（Waliser et al., 2012; Guan and Waliser, 2015; Ralph et al., 2017b）。當(dāng)中國夏季強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，如果其伴隨的水汽輸送較強(qiáng)且集中在一個(gè)水汽通道，那么這也是一類大氣河現(xiàn)象（丁一匯等, 2020）。后文分析表明，河南暴雨期間的水汽輸送特征盡管不是熱帶外大氣河最典型特征，但其水汽輸送帶的寬度、強(qiáng)度以及對流層頂附近的波破碎特征與大氣河特征比較相近。

通過整層水汽通量來研究強(qiáng)降雨水汽來源的方法，主要是從歐拉觀點(diǎn)出發(fā)，重點(diǎn)關(guān)注氣流在某時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而基于拉格朗日方法發(fā)展的軌跡分析方法為水汽輸送研究提供了另一個(gè)途徑。拉格朗日方法根據(jù)風(fēng)場計(jì)算氣塊的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，可以更清晰地追蹤到氣塊源地。常用的拉格朗日軌跡模式有 FLEXPART（ FLEXible PARTicle dispersion model; Stohl et al., 1998）、 HYSPLIT（ Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model; Draxler and Hess, 1998）以及LAGRANTO（LAGRangian ANalysis TOol; Wernli and Davies,1997）等。近年來，這些軌跡模式廣泛應(yīng)用于水汽（江志紅等, 2011, 2013; 楊浩等, 2014）、同位素（Salamalikis et al., 2015; 孟鴻飛等, 2020）、大氣污染物（王愛平等, 2014）等的后向軌跡追蹤研究。

充沛的水汽是“7.20”河南暴雨形成的必要條件。因此，刻畫此次暴雨的水汽輸送特征和來源無疑具有重要意義。本文使用ERA5 再分析資料，深入分析暴雨期間的水汽輸送特征，并基于拉格朗日軌跡模式LAGRANTO 的最新版本 （version 2.0;Sprenger and Wernli, 2015）對氣塊進(jìn)行后向軌跡追蹤，揭示這次暴雨的不同水汽來源。LAGRANTO軌跡模式附帶軌跡密度轉(zhuǎn)換工具（Schemm et al.,2017），它將軌跡點(diǎn)轉(zhuǎn)換成軌跡的平面密度圖，以便能夠更直觀地刻畫氣塊運(yùn)動(dòng)的水平分布。LAGRANTO軌跡模式記錄氣塊位置，刻畫氣塊的三維運(yùn)動(dòng)，同步追蹤氣壓和溫度等其他重要的氣象要素。本文通過水汽通量診斷分析與LAGRANTO 軌跡模式分析相結(jié)合的方法，深入揭示河南暴雨的水汽輸送特征和水汽來源。

就“7.20”河南暴雨的水汽供應(yīng)而言，僅以雙臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”和西太平洋副熱帶高壓的水汽輸送，難以解釋7 月20 日發(fā)生的日降水量663.9 mm 和1 小時(shí)最大降水量201.9 mm 的極端暴雨事實(shí)（張霞等, 2021; 齊道日娜等, 2022）。因此，一定還會(huì)存在一條強(qiáng)水汽通量帶，將充沛的水汽輸送到河南地區(qū)，形成極端暴雨。那么，這條強(qiáng)水汽通量帶在什么地方？其關(guān)鍵特征是什么？哪些天氣尺度系統(tǒng)對這條強(qiáng)水汽通量帶的形成和維持起到關(guān)鍵作用？這些將是本研究回答的關(guān)鍵科學(xué)問題。我們將在后文中揭示，對流層頂反氣旋式波破碎過程與臺(tái)風(fēng)“煙花”的協(xié)同作用是7 月20 日河南暴雨的一個(gè)非常關(guān)鍵的原因。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文使用降水資料為國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心2021 年7 月17～22 日河南省116 個(gè)國家級氣象站小時(shí)降水資料（中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，http://data.cma.cn [2021-07-23]）。文中使用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5 全球再分析資料（Hersbach et al.,2020），該再分析資料分為氣壓層資料（垂直方向1000～1 hPa，共37 層）和模式層資料（垂直方向共137 層，最高到0.01 hPa）。其中，氣壓層再分析資料用于比濕、風(fēng)場及流線等的分析（見3.1和3.2 節(jié)），水平分辨率為1°×1°，時(shí)間間隔為6 h；LAGRANTO 軌跡模式輸入場則使用ERA5 模式層再分析資料（3.2 節(jié)），水平分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間間隔為6 h。LAGRANTO 軌跡模式對氣塊的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行后向追蹤，模式層資料分辨率高，精度高，分析結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。下文中，除非特別標(biāo)注為北京時(shí)（BT），所出現(xiàn)的時(shí)間均為協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）。

2.2 水汽通量

整層水汽通量可以寫成（Sun et al., 2011）：

其中，g是重力加速度，q是比濕，ps是地表氣壓，pt是上邊界氣壓，V矢量表示風(fēng)速矢量。風(fēng)速可分為緯向分量（u，向東為正）和經(jīng)向分量（v，向北為正），因此整層水汽通量也可以寫緯向和經(jīng)向分量形式：

2.3 LAGRANTO 軌跡模式

為分析河南暴雨的水汽來源，使用LAGRANTO軌跡模式后向追蹤氣塊的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，記錄軌跡的水平位置、氣壓、溫度、位溫、比濕等氣象要素。

LAGRANTO 軌跡模式假設(shè)氣塊隨風(fēng)場三維運(yùn)動(dòng)，以氣塊在一個(gè)時(shí)間步長內(nèi)的運(yùn)動(dòng)為例，氣塊在t時(shí)刻初始位置為x，t+Δt時(shí)刻到達(dá)新位置x*，在第一次迭代后，

通過多次迭代（可自行設(shè)置迭代次數(shù)。本文采用了默認(rèn)迭代次數(shù)，即12 次）可以獲得氣塊最終新位置（Sprenger and Wernli, 2015）。到達(dá)新位置后，根據(jù)氣塊新位置讀取速度等物理量，進(jìn)行下一個(gè)時(shí)間步長的軌跡計(jì)算。

LAGRANTO 軌跡模式與其他軌跡模式相比，可以更靈活的選擇氣塊的位置和高度，并且可以將每個(gè)時(shí)間步長對應(yīng)的氣塊位置轉(zhuǎn)換成軌跡密度（Schemm et al., 2017）。其中，密度轉(zhuǎn)換工具將所有軌跡轉(zhuǎn)換為1°×1°經(jīng)緯度網(wǎng)格的軌跡密度，即統(tǒng)計(jì)每個(gè)格點(diǎn)±0.5°經(jīng)緯度內(nèi)的軌跡點(diǎn)數(shù)。

2.4 軌跡模擬方案

運(yùn)行LAGRANTO 軌跡模式，需要先確定軌跡模擬方案，包括后向追蹤的初始場水平和垂直分布，以及后向追蹤的時(shí)間間隔和持續(xù)時(shí)長。首先，我們給出初始場的水平分布。圖1a 給出2021 年7 月17 日08:00 至22 日08:00（北京時(shí)）河南地區(qū)累計(jì)降水量，可以看到降水中心集中在河南省中部和北部。因此，我們選取區(qū)域（33°～36°N，111°～115°E）中的格點(diǎn)作為軌跡模式初始位置，它覆蓋河南省累計(jì)降水較大的區(qū)域。LAGRANTO 軌跡模式提供的密度轉(zhuǎn)換工具是按照1°×1°經(jīng)緯度網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)，因此軌跡模式初始場的水平分辨率選定為1°×1°。其次，要給出初始場的垂直分布。圖1b為2021 年7 月17～22 日平均比濕沿34°N 經(jīng)度—?dú)鈮浩拭鎴D，可以看到500 hPa 以上水汽含量比較少，水汽多集中在對流層中下層。在110°～117°E經(jīng)度范圍內(nèi)，850 hPa 上比濕可達(dá)14 g kg-1，而500 hPa 和400 hPa 上比濕最大值分別為5 g kg-1和3.5 g kg-1。因此，初始場在900 hPa 和500 hPa間選取，共12 層。整個(gè)模擬空間的軌跡初始點(diǎn)為223 個(gè)（每層20 個(gè)初始點(diǎn)，低層需去除部分低于地形的點(diǎn)）。最后，需給出后向追蹤的時(shí)間選擇。數(shù)據(jù)使用一日4 次的ERA5 模式層再分析資料。因此在模擬軌跡時(shí)每隔6 h 輸出一次軌跡點(diǎn)的位置，并插值得到相應(yīng)位置上氣塊的氣壓、相對濕度、位溫等物理性質(zhì)，以新位置為起點(diǎn)讀入速度，繼續(xù)追蹤6 h。持續(xù)時(shí)間根據(jù)具體問題選定，針對本次河南暴雨事件，我們選擇3 天或4 天。

圖1 2021 年（a）7 月17 日08:00 至22 日08:00（北京時(shí)）河南省累計(jì)降水量（單位：mm）分布和（b）7 月17～22 日的平均比濕沿34°N 的經(jīng)度—?dú)鈮捍怪逼拭妫▎挝唬篻 kg-1）Fig. 1 (a) Distribution of accumulated precipitation (units: mm) in Henan from 0800 BT (Beijing time) 17 to 0800 BT 22 July 2021 and (b)pressure-longitude cross section of the specific humidity (units: g kg-1) along 34°N averaged from 0800 BT 17 to 0800 BT 22 July 2021

2.5 軌線篩選條件

氣塊到達(dá)河南時(shí)，不同軌線所攜帶的水汽含量各不相同，拉格朗日后向追蹤只給出氣塊運(yùn)動(dòng)過程，沒有判定氣塊的其他物理性質(zhì)。因此，為了找出造成強(qiáng)降水的水汽來源，還需要加入軌線的篩選條件，要判定氣塊是否攜帶較多水汽。下面以7 月21 日00:00 為例說明篩選軌線的過程。從t（7 月21 日00:00）開始后向追蹤，初始場有n（n=223）個(gè)格點(diǎn)，每隔Δt（Δt=6 h）記錄一次軌跡點(diǎn)（7 月20日18:00、7 月20 日12:00…），重新記錄n個(gè)格點(diǎn)的信息，并同步追蹤所有軌跡點(diǎn)的比濕，至7月18 日00:00 截止，完成連續(xù)3 天的追蹤過程。共記錄n條軌跡，每條軌跡記錄k次（12 次，每天4 次，低于地面等情況會(huì)記入缺省值）。所有軌跡點(diǎn)n×k（=223×12）的比濕平均值記為

如果某個(gè)軌跡點(diǎn)的比濕Qi大于Qave，則可以認(rèn)為該軌跡點(diǎn)對應(yīng)著較強(qiáng)的水汽輸送。

在3.2 節(jié)中，對每天4 個(gè)時(shí)次的軌跡密度做了日平均處理，相應(yīng)的Qave也取四個(gè)時(shí)次的日平均。

3 河南暴雨水汽輸送特征

3.1 水汽通量分析

其中，副熱帶高壓與臺(tái)風(fēng)“煙花”之間的東風(fēng)氣流，將太平洋上的水汽輸送到大陸，東風(fēng)到達(dá)大陸以后轉(zhuǎn)為東南風(fēng)；東南風(fēng)氣流將臺(tái)風(fēng)“煙花”和臺(tái)風(fēng)“查帕卡”之間輻合的水汽直接輸送到河南。這兩個(gè)水汽輸送帶在河南區(qū)域匯合時(shí)水汽通道有所變窄。河南上空的比濕和水汽通量，相較于同緯度地區(qū)都偏大。30°N 以北和120°E 以東地區(qū)由副高控制，副高西北側(cè)的強(qiáng)西南氣流，對應(yīng)一條比濕大于12 g kg-1的水汽輸送帶，將濕空氣輸送到東北地區(qū)。700 hPa 情況（圖2b）與850 hPa 的類似，比濕和水汽通量比850 hPa 的值小一些，河南一帶比濕可達(dá)10 g kg-1，接近臺(tái)風(fēng)邊緣和中南半島的比濕。從我國華南到達(dá)河南地區(qū)，西南—東北向的濕舌非常明顯。相對而言，500 hPa 和400 hPa 比濕變?。▓D2c 和d），但河南區(qū)域相較于周邊地區(qū)仍然有較多水汽。由圖2c 和d 可見，對流層中層及以上，從低緯度地區(qū)指向河南區(qū)域的濕舌非常明顯。由此可見，就河南暴雨期間的水汽輸送而言，除了對流層低層臺(tái)風(fēng)和副高的作用之外，對流層中高層的中緯度系統(tǒng)也可能起到關(guān)鍵作用。

圖2 2021 年7 月18 日08:00 至21 日08:00（北京時(shí)）的平均比濕（填色，單位：g kg-1）和等壓面平均水汽通量（箭頭，單位：m s-1 g kg-1）：（a）850 hPa；（b）700 hPa；（c）500 hPa；（d）400 hPa。河南省界以紅色線標(biāo)出Fig. 2 Specific humidity (shaded, units: g kg-1) and water vapor flux (vectors, units: m s-1 g kg-1) averaged from 0800 BT 18 to 0800 BT 21 July 2021: (a) 850 hPa; (b) 700 hPa; (c) 500 hPa; (d) 400 hPa. The border of Henan Province is marked with a red line

圖3 顯示整層水汽通量逐日演變情況。河南暴雨發(fā)生時(shí)，河南一帶一直存在一條強(qiáng)勁的自東南向西北的水汽輸送帶。副熱帶高壓穩(wěn)定存在且偏北偏強(qiáng)，副高南側(cè)的臺(tái)風(fēng)“煙花”緩慢向西移動(dòng)，海南島東側(cè)的臺(tái)風(fēng)“查帕卡”緩慢向西北移動(dòng)。17 日（圖3a）到18 日（圖3b），河南區(qū)域上空的渦旋強(qiáng)度減弱，河南降雨主要是對流性降水，暴雨點(diǎn)較分散（張霞等, 2021）。此時(shí)水汽主要來自于渦旋東北側(cè)的東南—西北向水汽輸送，副高和臺(tái)風(fēng)“煙花”在130°E 以東，離大陸較遠(yuǎn)。19 日（圖3c）副熱帶高壓和臺(tái)風(fēng)“煙花”都繼續(xù)向西移動(dòng)。這時(shí)黃海到東海區(qū)域存在反氣旋式流場，這歸因于臺(tái)風(fēng)“煙花”引起的次級環(huán)流及下沉運(yùn)動(dòng)（圖略）。關(guān)于2018 年夏季華北高溫?zé)崂说难芯恐?，Lu et al.（2020）強(qiáng)調(diào)了類似的臺(tái)風(fēng)（“云雀”）引起的次級環(huán)流影響，并指出該臺(tái)風(fēng)有利于華北高壓的持續(xù)維持。19 日（圖3c），副高南側(cè)和臺(tái)風(fēng)“煙花”北側(cè)之間的東風(fēng)氣流與來自中國南部的南風(fēng)氣流匯合，在河南一帶局部形成了大于250 kg m-1s-1的水汽通量，將太平洋和中國南部的水汽輸送到河南區(qū)域。與17 日和18 日情形不同，此時(shí)海陸之間的強(qiáng)水汽通量帶（大于250 kg m-1s-1）已經(jīng)形成。由表1 整層水汽通量可知，19 日河南區(qū)域水汽通量最大值達(dá)到534 kg m-1s-1，其中向西水汽通量最大值為505 kg m-1s-1，向北水汽通量最大值為352 kg m-1s-1，向西水汽通量更大些。20 日（圖3d），河南區(qū)域降水最強(qiáng)，與19 日相比，副高與臺(tái)風(fēng)“煙花”西移到大陸附近，臺(tái)風(fēng)“煙花”強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，副高與臺(tái)風(fēng)“煙花”之間的東風(fēng)水汽輸送更加強(qiáng)勁，這時(shí)與臺(tái)風(fēng)“煙花”有關(guān)的反氣旋式流場西移到大陸上空，形成了一條寬廣的強(qiáng)水汽輸送帶（大于250 kg m-1s-1）。同時(shí)，由于臺(tái)風(fēng)“煙花”的西移，它與臺(tái)風(fēng)“查帕卡”的位置更接近，臺(tái)風(fēng)“煙花”西北側(cè)的東北氣流與臺(tái)風(fēng)“查帕卡”東北側(cè)的東南氣流在華南沿海一帶輻合，然后形成一條通向河南的南風(fēng)水汽輸送帶，給河南帶來更加充沛的水汽。由表1 整層水汽通量可知，20 日河南區(qū)域水汽通量最大值達(dá)到594 kg m-1s-1，向西水汽通量最大值為425 kg m-1s-1，向北水汽通量最大值為536 kg m-1s-1。與19 日相比，向北水汽通量則明顯增強(qiáng)，而向西水汽通量變化則并不明顯。向北和向西兩支強(qiáng)水汽通量帶的匯合使20 日的整體水汽通量“爆發(fā)性”增強(qiáng)，這與20 日河南最強(qiáng)降水量相一致。21 日（圖3e）臺(tái)風(fēng)“煙花”西移到大陸，兩個(gè)臺(tái)風(fēng)氣流的匯合減弱，到達(dá)河南區(qū)域的偏南氣流相比20 日變?nèi)酰孔畲笾滴恢帽?0日偏北。22 日（圖3f）東南風(fēng)和南風(fēng)都減弱，河南區(qū)域水汽通量變小，降水過程逐漸減弱至結(jié)束。

圖3 2021 年7 月（a-f）17～22 日1000～300 hPa 日平均整層水汽通量（箭頭，單位：kg m-1 s-1）和水汽通量散度（填色，單位10-4 kg s-1）。右下角標(biāo)度尺為1000 kg m-1 s-1，其中紅色（藍(lán)色）箭頭表示大于或等于（小于）250 kg m-1 s-1。河南省界用黑色線標(biāo)出Fig. 3 Daily evolutions of the vertically integrated water vapor flux (vectors, units: kg m-1 s-1) between 1000 and 300 hPa and its divergence (shaded,units: 10-4 kg s-1) from July (a-f) 17 to 22, 2021. The scale bar in the lower right corner is 1000 kg m-1 s-1. The red (blue) arrow indicates that it is greater than or equal to (less than) 250 kg m-1 s-1. The border of Henan Province is marked with a black line

表1 2021 年7 月19 和20 日 區(qū) 域（30°～40°N, 110°～117°E）水汽通量最大值以及向西和向北水汽通量最大值Table 1 The maximum water vapor flux in the region(30°-40°N, 110°-117°E) and the maximum westward and northward water vapor fluxes on 19 and 20 July 2021

降水的發(fā)生不僅與水汽通量相聯(lián)系，還取決于水汽通量的輻合強(qiáng)度。在圖3 中，整層水汽通量輻合（填色）最強(qiáng)的地方正對應(yīng)著暴雨或強(qiáng)降水區(qū)域。17 和18 日河南區(qū)域水汽通量輻合不是特別強(qiáng)，水汽通量散度大于-6.0×10-4kg s-1；19 日時(shí)河南地區(qū)水汽通量輻合開始變強(qiáng)，最強(qiáng)輻合中心位于河南西北（水汽通量散度小于-6.0×10-4kg s-1）；20日水汽通量輻合達(dá)到最大值，輻合中心位于河南北部鄭州附近（水汽通量散度小于-10.0×10-4kg s-1），正好對應(yīng)20 日鄭州附近的極端暴雨；21 日水汽通量輻合仍很強(qiáng)，但輻合中心已向北移動(dòng)，22 日水汽通量輻合明顯減弱，輻合中心也移出河南省。

圖4 給出了19 日和20 日的三個(gè)不同層的水汽通量情況。表1 給出不同層水汽通量的最大值以及向北和向西通量的最大值。在對流層低層（1000～850 hPa），到達(dá)河南的水汽通量（圖4a 和b）主要來自副高和臺(tái)風(fēng)“煙花”之間的東風(fēng)氣流水汽輸送。20 日1000～850 hPa 水汽通量最大值比19 日有所增強(qiáng)（表1），水汽通量大于100 kg m-1s-1的區(qū)域有所變寬（圖4a 和b），但這兩日都以向西水汽通量為主要特征，差異不明顯。另外，這兩日的水汽通量輻合情況也沒有明顯的差異。這說明，僅以低層水汽通量不足以解釋這兩天降水量的明顯差異，也就無法解釋20 日的極端暴雨的水汽來源。

在850～700 hPa（圖4c 和d）層，19 日水汽主要來自東南風(fēng)水汽輸送，20 日除東南風(fēng)以外，來自河南南側(cè)的經(jīng)向水汽輸送則明顯增強(qiáng)。由表1 可知，850～700 hPa 水汽通量最大值比1000～850 hPa層的小。19 日向西水汽通量最大值（180 kg m-1s-1）明顯比向北水汽通量（112 kg m-1s-1）的大，但20 日向北水汽通量最大值明顯變大（187 kg m-1s-1），與向西水汽通量（186 kg m-1s-1）的相當(dāng)。在700～300 hPa 層（圖4e 和f），19 日水汽通量較小，20日在河南區(qū)域出現(xiàn)明顯的西南風(fēng)和南風(fēng)水汽輸送。由表1 可知，19 日850～700 hPa 和700～300 hPa層的向北水汽通量最大值非常相近，分別為110和112 kg m-1s-1，但700～300 hPa 層的向西水汽通量最大值明顯小于850～700 hPa 層。20 日700～300 hPa 層向北水汽通量增加到190 kg m-1s-1，與該日850～700 hPa 值（196 kg m-1s-1）相當(dāng)。與19 日不同，20 日的向北水汽通量在850 hPa 以上有明顯增強(qiáng)，使得整個(gè)向河南區(qū)域的水汽輸送發(fā)生急劇增強(qiáng)。

圖4 2021 年7 月19 日（左列）和20 日（右列）各層日平均水汽通量（箭頭，單位：kg m-1 s-1）及其散度（填色，單位：10-4 kg s-1）分布：（a、b）1000～850 hPa 層；（c、d）850～700 hPa 層；（e、f）700～300 hPa 層。其中紅色（藍(lán)色）箭頭表示大于或等于（小于）100 kg m-1 s-1。河南省界用黑色線標(biāo)出Fig. 4 Daily evolutions of the vertically integrated water vapor flux (vectors, units: kg m-1 s-1) and its divergence (shaded, units: 10-4 kg s-1) in different layers on July 19 (left column) and July 20 (right column), 2021: (a, b) 1000-850 hPa; (c, d) 850-700 hPa; (e, f) 700-300 hPa. Red (blue)arrows indicate values greater than or equal to (less than) 100 kg m-1 s-1. The boundary of Henan Province is marked with a black line

在河南區(qū)域，850 hPa 層以上的水汽通量散度（圖4；填色）在19 日和20 日也有明顯變化。19日（圖4c），850～700 hPa 層水汽通量在河南省外西北側(cè)有強(qiáng)輻合中心，20 日（圖4d）在鄭州一帶和河南北部出現(xiàn)了較強(qiáng)輻合中心（水汽通量散度小于-3×10-4kg s-1）。700～300 hPa 水汽通量輻合情況變化更為明顯，19 日（圖4e）水汽通量在河南區(qū)域輻合很弱（水汽通量散度大于-2×10-4kg s-1），但20 日（圖4f）在河南北部出現(xiàn)了非常強(qiáng)的輻合中心（水汽通量散度小于-3×10-4kg s-1），且與同日河南區(qū)域850～700 hPa 水汽通量的輻合強(qiáng)度相當(dāng)或更強(qiáng)。由此可見，850 hPa 以上向北水汽通量的急劇增強(qiáng)和強(qiáng)烈輻合是20 日河南極端暴雨的一個(gè)重要原因。

下面對比QS（圖5a）和QE（圖5b）隨時(shí)間和高度變化情況。首先，QS在7 月19 日開始增強(qiáng)，20 日為最強(qiáng)，之后就減弱了。與之相比，QE在7月18～21 日并沒有明顯的逐日變化，但有清晰的日變化，12:00 最強(qiáng)。其次，強(qiáng)日平均QE（大于3×105m2s-1）出現(xiàn)在850 hPa 以下，表征邊界層低空急流，而強(qiáng)日平均QS（大于3×105m2s-1）出現(xiàn)在850 hPa 以上和700 hPa 以下，表征與天氣系統(tǒng)有關(guān)的低空急流（劉鴻波等，2014）?！?.20”河南暴雨最強(qiáng)時(shí)段是北京時(shí)間20 日下午，對應(yīng)于協(xié)調(diào)世界時(shí)20 日06:00～12:00。在這個(gè)時(shí)段QS（圖5a）明顯增強(qiáng)，大于2×105m2s-1（3×105m2s-1）的水汽通量層達(dá)到600 hPa（700 hPa）高度。與之相比，QE大于2×105m2s-1（3×105m2s-1）的高度只達(dá)到750 hPa（800 hPa）。由此可見，850 hPa以上QS急劇增強(qiáng)并在河南地區(qū)輻合，無疑是7 月20 日河南極端暴雨的一個(gè)重要原因。

我們也考察了7 月20 日4 個(gè)時(shí)次的整層水汽通量及其散度的演變情況（圖6）。20 日00:00（北京時(shí)間08:00），鄭州附近的水汽通量輻合非常強(qiáng)（圖6a），達(dá)1.6×10-3kg s-1，但對應(yīng)的降水量并不是最強(qiáng)。此時(shí)段為暴雨中尺度對流復(fù)合體發(fā)生階段，復(fù)合體內(nèi)部存在多個(gè)發(fā)展的中尺度系統(tǒng)，但對流不旺盛（齊道日娜等, 2022）。20 日06:00～12:00 是極端暴雨發(fā)生時(shí)段，鄭州附近的水汽通量輻合很強(qiáng)（圖6b 和6c），盡管它稍弱于20 日00:00的輻合情況。這一時(shí)段是對流復(fù)合體內(nèi)部的β 中尺度對流系統(tǒng)不斷合并和強(qiáng)烈發(fā)展階段（齊道日娜等, 2022），也是QS急劇增強(qiáng)的時(shí)段（圖5a），與極端暴雨的發(fā)生時(shí)間相吻合。18:00，盡管水汽通量及其輻合仍很強(qiáng)（圖6d），但輻合中心已經(jīng)移到鄭州東北側(cè)，鄭州附近的降水開始減弱。上述事實(shí)表明，除了水汽通量的強(qiáng)烈輻合以外，850 hPa 以上QS急劇增強(qiáng)確實(shí)是7 月20 日河南極端暴雨發(fā)生的一個(gè)關(guān)鍵原因。

圖5 由河南區(qū)域（a）南邊界和（b）東邊界流入等壓面的水汽通量（單位：105 m2 s-1）隨時(shí)間和高度的變化。橫坐標(biāo)為時(shí)間，從2021 年7 月18～21 日，每日四次Fig. 5 Pressure-time cross section of the water vapor flux (units: 105 m2 s-1) averaged along (a) the southern boundary and (b) the eastern boundary of the Henan region. The horizontal axis represents the time, four times per day, from July 18 to 21, 2021

圖6 2021 年7 月20 日00:00、06:00、12:00、18:00 四個(gè)時(shí)次1000～300 hPa 整層水汽通量（箭頭，單位：kg m-1 s-1）及其散度（填色，單位：10-4 kg s-1）。右下角標(biāo)度尺為1000 kg m-1 s-1，其中紅色（灰色）箭頭表示大于或等于（小于）250 kg m-1 s-1。河南省界用黑色線標(biāo)出，鄭州站用綠色圓點(diǎn)標(biāo)出Fig. 6 Daily evolutions of the vertically integrated water vapor flux (arrows, units: kg m-1 s-1) between 1000 and 300 hPa and its divergence (shaded,units: 10-4 kg s-1) at 0000 UTC, 0600 UTC, 1200 UTC, and 1800 UTC of July 20, 2021. The scale bar in the lower right corner is 1000 kg m-1 s-1. The red (blue) arrow indicates that it is greater than or equal to (less than) 250 kg m-1 s-1. The border of Henan Province is marked with a black line.Zhengzhou station is marked with a green dot

我們也根據(jù)公式（4）計(jì)算了7 月19～21 日的垂直水汽通量分布（圖略）。暴雨期間，河南區(qū)域存在非常強(qiáng)的垂直水汽輸送，在500 hPa 都能看到非常強(qiáng)的垂直水汽通量，其中20 日垂直水汽輸送在500 hPa 層明顯強(qiáng)于19 日和21 日。這進(jìn)一步說明，20 日850 hPa 以上的向北水汽通量劇烈增強(qiáng)并在河南附近輻合，為河南地區(qū)強(qiáng)對流發(fā)展提供了動(dòng)力條件和源源不斷的水汽來源。此外，19～20 日垂直水汽通量中心和強(qiáng)降雨中心在河南中部，21日時(shí)強(qiáng)降雨中心移向河南北部（蘇愛芳等, 2021; 張霞等, 2021）。

3.2 水汽來源追蹤

這一節(jié)我們對LAGRANTO 軌跡模式后向追蹤結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定河南暴雨的水汽來源。LAGRANTO 軌跡模擬方案已在在2.4 節(jié)中介紹，后向追蹤持續(xù)3 天或4 天，起始時(shí)間為2021 年7月18～21 日的每天4 個(gè)時(shí)次（00:00、06:00、12:00和18:00）。

對持續(xù)3 天的方案，使用密度轉(zhuǎn)換工具計(jì)算與每個(gè)初始時(shí)刻對應(yīng)的軌跡密度。圖7a-d 為日平均軌跡密度。軌跡密度表示223 個(gè)氣塊持續(xù)3 天的水平運(yùn)動(dòng)位置。由于氣塊最終都會(huì)匯聚到初始場，氣塊運(yùn)動(dòng)位置離初始場越近，軌跡密度就會(huì)越大。反之，氣塊運(yùn)動(dòng)位置離初始場越遠(yuǎn)，軌跡密度就會(huì)越小。

圖7 采用后向持續(xù)追蹤3 天的方案情景下初始場為2021 年7 月（a、e）18 日、（b、f）19 日、（c、g）20 日和（d、h）21 日的日平均軌跡密度（左列）以及軌線平均比濕Q 大于12 g kg-1 的軌跡密度（右列）。藍(lán)色方框?yàn)長AGRANTO 軌跡模式的初始場Fig. 7 Daily averaged trajectory densities (left column) and the track densities with the track average specific humidity Q greater than 12 g kg-1 (right column) with the initial field on (a, e) 18, (b, f) 19, (c, g) 20, and (d, h) 21 July 2021 in the scheme with backward tracking for 3 days, respectively. The blue box indicates the initial field domain for the LAGRANTO model

軌跡密度圖通常結(jié)合流場來分析。圖8 為7月16～21 日700 hPa 流線?？梢钥吹?，16～18 日河南受低渦系統(tǒng)影響，18 日之后低渦減弱和消失。17～21 日，副熱帶高壓向西北移動(dòng)，臺(tái)風(fēng)“煙花”向西移動(dòng)，臺(tái)風(fēng)“查帕卡”位置變化不大。18 日軌跡密度大值區(qū)主要在中國東海、中國華南/西南以及河南北部（圖7a），其中河南北部的大值區(qū)與低渦環(huán)流有關(guān)。發(fā)生暴雨的19～20 日（圖7b和c），到達(dá)河南的氣塊主要來中國東海以及中國華南/西南，河南北部的軌跡密度已減弱。19 日靠近河南區(qū)域密度比較集中，密度最大值為62；密度大于50 的格點(diǎn)呈東南—西北向分布，對應(yīng)來自海上的東南氣流；密度大于30 的格點(diǎn)呈南北向分布，對應(yīng)南風(fēng)和東南風(fēng)氣流；密度大于10 的格點(diǎn)基本上涵蓋了大陸區(qū)域。與19 日相比，20 日河南附近密度變小，最大密度減少為43，這主要是由于20 日風(fēng)速更大（圖3c、圖3d 和圖5a），氣塊能更快地從遠(yuǎn)處移到河南。密度大于30 的格點(diǎn)呈現(xiàn)圓形分布，對應(yīng)20 日南風(fēng)和西南風(fēng)氣流的加強(qiáng)；密度大于10 的格點(diǎn)呈東南—西北向分布，能延伸到較遠(yuǎn)的東海，對應(yīng)副高和臺(tái)風(fēng)“煙花”之間的東風(fēng)氣流。21 日（圖7d），可以追蹤到從太平洋移過來的氣塊，這時(shí)臺(tái)風(fēng)“煙花”更加靠近大陸，臺(tái)風(fēng)和副高之間的風(fēng)速使氣塊運(yùn)動(dòng)的距離會(huì)更長?？傊壽E密度圖反映了氣塊來源及河南附近匯集的特征，同時(shí)也反映了20 日南風(fēng)氣流的增強(qiáng)及其對應(yīng)的河南附近軌跡密度減少的現(xiàn)象。這些特征與上一小節(jié)水汽通量分析結(jié)果相一致。

圖8 2021 年7 月16～21 日東亞/西太平洋區(qū)域700 hPa 流場，其中藍(lán)色框?yàn)長AGRANTO 模式初始場選定范圍Fig. 8 700-hPa streamlines over East Asia/western Pacific region from July 16 to 21, 2021. The blue box indicates the initial field domain for the LAGRANTO model

為了揭示河南暴雨水汽來源，須針對攜帶更多水汽的氣塊軌跡進(jìn)行分析。按照2.5 節(jié)中Qave的定義，我們計(jì)算了18～21 日的日平均Qave，分別為12.5 g kg-1、11.9 g kg-1、12.0 g kg-1及11.1 g kg-1。我們篩選比濕大于Qave的軌跡點(diǎn)，制作了18～21日軌跡密度圖（圖略）。它們與比濕閾值為12 g kg-1的軌跡密度圖（7e-h）基本一致。18 日（圖7e）中國東海、中國華南/西南以及河南北部均有高濕氣塊軌跡。而19～20 日（圖7f 和g），水汽主要來源于中國東海、中國華南/西南兩個(gè)部分，河南北部水汽來源的影響減弱。19 日（圖7f），氣塊比濕最大值為18.1 g kg-1，軌跡密度最大值為44。密度小于10 的格點(diǎn)呈東南—西北分布，覆蓋面積大，對應(yīng)副高和臺(tái)風(fēng)“煙花”之間的東風(fēng)氣流水汽輸送；而密度大于10 的格點(diǎn)主要為南北方向分布，對應(yīng)南風(fēng)氣流的水汽輸送。20 日（圖7g），氣塊比濕最大值為18.4 g kg-1，軌跡密度最大值為37，與19 日相比在河南附近軌跡密度有所減小，對應(yīng)于20 日增強(qiáng)的南風(fēng)水汽通量。20 日，南風(fēng)氣流攜帶大量水汽到達(dá)河南，為河南極端暴雨提供了充足的水汽來源。21 日，高濕氣塊軌跡密度范圍開始減少（圖7h）。

圖9 給出持續(xù)4 天方案的結(jié)果，與持續(xù)3 天（圖7e-h）的方案相比，高濕氣塊軌跡特征基本一致，但軌跡密度大于10 的區(qū)域有所擴(kuò)大，包含了多一天的運(yùn)動(dòng)軌跡。在兩個(gè)方案中，中心區(qū)域軌跡密度分布基本一致，與前面得到的結(jié)論相一致。

圖7 和圖9 中的軌跡密度分析主要描述氣塊的水平分布特征，無法提供氣塊的垂直運(yùn)動(dòng)信息。下面我們使用后向追蹤3 天的方案，追蹤7 月19 日和20 日高濕氣塊軌線（比濕大于12 g kg-1），分析其水平和垂直運(yùn)動(dòng)特征（圖10a 和b）。由圖10a 和b 可見，就到達(dá)河南的高濕氣塊軌跡來講，隨偏東風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)的氣塊軌跡高度較低，隨南風(fēng)氣流的氣塊軌跡高度較高，兩股氣流在河南區(qū)域匯合，形成了河南區(qū)域強(qiáng)烈的輻合和垂直運(yùn)動(dòng)。7 月19日的后向追蹤軌跡中，抬升最大的氣塊可以從965 hPa 上升到550 hPa（圖10a）。隨偏東風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)的氣塊高度較低，到達(dá)河南區(qū)域以前基本不發(fā)生變化，到河南區(qū)域后才發(fā)生上升運(yùn)動(dòng)。這與臺(tái)風(fēng)“煙花”西北側(cè)生成反氣旋式流線的事實(shí)一致（圖4c 和圖8d）。隨偏南風(fēng)運(yùn)動(dòng)的氣塊軌跡的高度較高，到達(dá)河南區(qū)域后也迅速升高。隨西南風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)的氣塊，其運(yùn)動(dòng)過程表現(xiàn)為“氣旋式”運(yùn)動(dòng)，到達(dá)河南區(qū)域時(shí)進(jìn)一步抬升。7 月20 日的后向追蹤軌跡中，垂直方向變化最大的氣塊可以從955 hPa上升到550 hPa（圖10b）。同樣，隨東風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)的氣塊在到達(dá)河南前基本沒有爬升。20 日最明顯的變化是隨偏南風(fēng)運(yùn)動(dòng)的高濕氣塊軌線增多。19 日，河南南側(cè)的氣塊沿渦旋型軌線到達(dá)河南。但在20 日，隨偏南風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)的氣塊基本沿直線直接向河南移動(dòng)，沒有明顯的渦旋型軌跡。

圖9 同圖7e-h, 但為采用后向持續(xù)追蹤4 天的方案Fig. 9 Same as Fig. 7e-h, but with the scheme for backward tracking for 4 days

圖10 初始場為2021 年7 月19 日06:00（左列）和20 日06:00（右列）的軌線分布：（a、b）起始點(diǎn)位于900～500 hPa 層的所有軌線；（c、d）起始點(diǎn)位于900～850 hPa 的軌線；（e、f）起始點(diǎn)位于850～700 hPa 的軌線；（g、h）起始點(diǎn)位于700～500 hPa 的軌線。其中每條軌線必須滿足平均比濕大于12 g kg-1 的條件，線條的顏色代表對應(yīng)的氣壓值（hPa），黑色方框與圖7 藍(lán)色方框一致Fig. 10 Track distribution with the initial field at 0600 UTC on 19 July (left column) and 20 July (right column) 2021: (a, b) All tracks with starting points within 900-500 hPa layer; (c, d) tracks with starting points within 900-850 hPa; (e, f) tracks with starting points within 850-700 hPa; (g, h)tracks with starting points within 700-500 hPa. The mean specific humidity of each track must be greater than 12 g kg-1. The color bar marks the corresponding air pressure (hPa). The black box has the same meaning as the blue box in Fig. 7

按照模式追蹤的起始點(diǎn)的不同高度，可以將圖10a 和b 中的軌線分成三類，它們起始點(diǎn)分別位于900～850 hPa（圖10c 和d）、850～700 hPa（圖10e和f）和700～500 hPa（圖10g 和h）。到達(dá)900～850 hPa（起始點(diǎn)）的氣塊主要沿東風(fēng)氣流和東南風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)，這些氣塊在運(yùn)動(dòng)過程中沒有發(fā)生明顯的高度變化。沿副高和臺(tái)風(fēng)“煙花”之間東風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)的氣塊高度基本在900 hPa 以下。而沿中國南部東南風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)的氣塊則稍高于900 hPa。在對流層低層（850 hPa 以下），19 日和20 日到達(dá)河南的軌線分布基本一致，沒有明顯的差異。

起始點(diǎn)位于850～700 hPa 之間的氣塊，從19日到20 日沿東風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)的變少，沿南風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)的氣流變多。沿副高和臺(tái)風(fēng)“煙花”之間的東風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)的氣塊，有一部分在到達(dá)河南以后才上升。19 日，由河南南側(cè)到達(dá)河南的高濕氣塊具有“氣旋式”運(yùn)動(dòng)特征，有的氣塊沿渦旋東翼能夠上升到750 hPa。20 日，河南南側(cè)的軌線則直接移向河南，沒有明顯的渦旋運(yùn)動(dòng)?？梢?，19 日高濕氣塊從河南東南側(cè)進(jìn)入河南，而20 日高濕氣塊從河南東側(cè)和南側(cè)兩側(cè)匯合，水汽通量輻合更強(qiáng)（圖4c和d）。起始點(diǎn)位于700～500 hPa 的高濕氣塊軌線明顯比低層的少，它們靠近河南區(qū)域時(shí)發(fā)生了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。19 日，軌線主要來自于河南東南側(cè)和東北側(cè)，氣塊接近河南時(shí)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。20 日，到達(dá)河南的軌線由河南南側(cè)和東南側(cè)向河南地區(qū)匯合，輻合特征明顯加強(qiáng)。綜上所述，850 hPa 以上到達(dá)河南的高濕氣塊的軌線特征在19 日和20 日之間發(fā)生了關(guān)鍵的變化。19 日，高濕氣塊從河南的東南側(cè)和東北側(cè)進(jìn)入河南，水汽輻合相對而言不是特別強(qiáng)；而20 日，高濕氣塊從河南東側(cè)和南側(cè)兩側(cè)匯集到河南，水汽通量輻合更強(qiáng)，與該日的極端暴雨事實(shí)一致。

為了定量描述進(jìn)入河南的高濕氣塊軌線在19日和20 日的變化，我們給出了這兩日從河南東邊界和南邊界進(jìn)入的軌線數(shù)量及差異（表2）。我們按照圖10 中的軌跡分類標(biāo)準(zhǔn)，將高濕氣塊第一次進(jìn)入初始場的邊界位置進(jìn)行標(biāo)記，以此界定氣塊進(jìn)入河南的具體邊界。由表2 可見，19 日從東邊界進(jìn)入的軌線有94 個(gè)，但20 日減少為42 個(gè)。與此形成鮮明對比，19 日從南邊界進(jìn)入的軌線有30 個(gè)，但20 日增加到57 個(gè)。特別是850 hPa 以上層進(jìn)入初始場的軌線，19 日到20 日，從東邊界進(jìn)入河南的軌線由65 個(gè)減少為26 個(gè)（減少60.0%），而從南邊界進(jìn)入河南的軌線由22 個(gè)增加到43 個(gè)（增加95.5%）。這些事實(shí)進(jìn)一步證實(shí)，20 日高濕氣塊從河南南側(cè)涌入河南，使河南地區(qū)的水汽通量輻合急劇增強(qiáng)，從而導(dǎo)致該日極端暴雨事件。

表2 2021 年7 月19 和20 日從不同邊界進(jìn)入河南區(qū)域的軌線數(shù)量Table 2 Number of trajectories entering Henan area from different borders on 19 and 20 July 2021

這一小節(jié)我們基于軌跡密度圖和氣塊軌線分析，揭示了河南暴雨水汽來源，并給出了19 日和20 日進(jìn)入河南的高濕氣塊軌線分布特征及差異。分析結(jié)果表明，850 hPa 以上，河南南側(cè)南風(fēng)分量的急劇增強(qiáng)和與此對應(yīng)的高濕空氣自南側(cè)涌入河南區(qū)域是20 日極端暴雨發(fā)生的一個(gè)重要原因。這一結(jié)果與上一節(jié)的水汽通量分析結(jié)果相一致。

3.3 對流層上層環(huán)流異常及對流層頂波破碎現(xiàn)象

由3.1 和3.2 節(jié)分析可知，7 月20 日河南地區(qū)700 Pa 及以上的偏南風(fēng)水汽輸送突然增強(qiáng)（圖4d和f），導(dǎo)致20 日極端暴雨災(zāi)害的發(fā)生。而與副高和臺(tái)風(fēng)有關(guān)的東風(fēng)和東南風(fēng)水汽通量的大小在19 日和20 日間的差異并不明顯。那么，7 月20 日河南南側(cè)的向北水汽通量在對流層中高層突然增強(qiáng)的原因是什么？為了回答這一問題，下面我們從對流層上層環(huán)流異常及對流層頂波破碎現(xiàn)象的角度進(jìn)行分析。

圖11 展示了7 月19 日和20 日06:00 250 hPa、500 hPa 以及700 hPa 位勢高度場和風(fēng)場分布。可以看到，對流層中高層環(huán)流在19 日和20 日發(fā)生了明顯的變化。19 日，在250 hPa 高度場上，河南西側(cè)有一個(gè)低壓槽，河南區(qū)域受槽前暖濕氣流和高壓脊的影響，與之對應(yīng)，在其暖濕氣流下方生成一個(gè)西南—東北向的弱低渦系統(tǒng)（500 hPa），中心在河南以西。這時(shí)，700 hPa 上，河南及以南地區(qū)上空主要受東南風(fēng)氣流影響，還沒有強(qiáng)南風(fēng)分量生成。20 日，在250 hPa 高度場上，河南以西的低壓槽在向西南和東北方向延伸的同時(shí)變窄，演變?yōu)橐粋€(gè)長斜槽。這時(shí)該槽前的暖濕平流明顯增強(qiáng)，與之對應(yīng)，暖濕氣流下方（500 hPa）形成了一個(gè)明顯的低渦環(huán)流，而河南上空則直接受到該低渦系統(tǒng)偏南氣流的影響。低渦系統(tǒng)的生成原理與經(jīng)典的鋒面氣旋生成原理（Martin, 2006）一致，都是上空暖平流誘發(fā)下方渦旋的生成。不過，渦旋生成的高度不同，鋒面氣旋生成于近地面，暖平流在對流層中層，而在此次河南暴雨過程中，低渦系統(tǒng)生成于對流層中層，其暖平流在對流層上層或?qū)α鲗禹敻浇?0 日，500 hPa 低渦系統(tǒng)的影響也反映在700 hPa 上，該氣壓層上增強(qiáng)的南風(fēng)和西南風(fēng)將充沛的水汽帶到河南區(qū)域，引起該日的極端暴雨災(zāi)害。需要指出的是，20 日河南上空850～500 hPa 層南風(fēng)分量及其水汽輸送的急劇增強(qiáng)與臺(tái)風(fēng)“煙花”的向西北移動(dòng)有關(guān)。與臺(tái)風(fēng)有關(guān)的質(zhì)量補(bǔ)償過程引起次級環(huán)流（Lu et al., 2020），其下沉氣流在臺(tái)風(fēng)西北側(cè)形成反氣旋流場。20 日隨著“煙花”的向西北移動(dòng)，這一反氣旋流場也更加靠近河南，從而進(jìn)一步加強(qiáng)了它與低氣壓系統(tǒng)之間的氣壓梯度。與之對應(yīng)，河南南側(cè)850～500 hPa 層南風(fēng)分量則進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖11 2021 年7 月19 日06:00（左列）和20 日06:00（右列）位勢高度場（等值線，單位：gpm）和風(fēng)場（箭頭，單位：m s-1）分布：（a、b）250 hPa；（c、d）500 hPa；（e、f）700 hPa。等值線間隔在（a、b）中為20 gpm，而在（c-f）中為10 gpmFig. 11 Geopotential height fields (contours, units: gpm) and the corresponding wind fields (arrows, units: m s-1) respectively at (a, b) 250 hPa, (c, d)500 hPa, and (e, f) at 700 hPa at 0600 UTC on 19 July (left column) and 20 July (right column) 2021. Contour intervals in (a) and (b) are 20 gpm and in (c-f) are 10 gpm

如前所述，河南以西250 hPa 長斜槽的形成是20 日河南極端暴雨的一個(gè)重要環(huán)流原因。那么，我們?nèi)绾卫斫?0 日長斜槽的生成現(xiàn)象呢？為了回答這個(gè)問題，我們繪制了對應(yīng)的動(dòng)力對流層頂位溫場（圖12）。研究表明，兩個(gè)位渦單位面（2 PVU，PVU=10-6K kg-1m2s-1）可以代表動(dòng)力對流層頂（Hoskins et al., 1985; Morgan and Nielsen-Gammon,1998; Martin, 2006; Wernli and Sprenger, 2007）。由圖12 可見，20 日在河南以西出現(xiàn)了對流層頂360 K 等值線向南伸入的現(xiàn)象，這與上述250 hPa長斜槽的形成相對應(yīng)。19 日，河南西北側(cè)的360 K等位溫線延伸到37°N 附近，但在20 日該等位溫線突入到30°N 以南地區(qū)。這其實(shí)就是對流層頂波破碎現(xiàn)象，即天氣尺度Rossby 波的反氣旋式破碎現(xiàn)象（LC1 type, Thorncroft et al., 1993），表征平流層和對流層大氣不可逆轉(zhuǎn)的混合現(xiàn)象（Hoskins et al., 1985; Pelly and Hoskins, 2003）。當(dāng)波破碎發(fā)生時(shí)，平流層低位溫大氣向低緯地區(qū)伸入，形成一個(gè)狹長的低位溫斜管，其東翼附近形成強(qiáng)位溫梯度和強(qiáng)南風(fēng)分量（Morgan and Nielsen-Gammon, 1998），從而有利于對流層中下層低渦和低空急流的生成（Ralph et al., 2011）。正因?yàn)槿绱耍瑢α鲗禹敻浇牟ㄆ扑楝F(xiàn)象也被認(rèn)為是北美大陸西岸大氣河和極端降水發(fā)生的主要原因（Ralph et al., 2011; Ralph et al., 2017a, 2017b）。20 日的波破碎事件對應(yīng)著對流層上層強(qiáng)西南氣流的生成，與之對應(yīng)，低位溫斜管（360 K 管）或長斜槽的前方就是強(qiáng)西南風(fēng)區(qū)，其下方正是低渦或切變線生成的地方，從而有利于偏南風(fēng)和向北水汽通量的急劇增強(qiáng)。7 月20 日的河南極端暴雨就在這樣的環(huán)流異常條件下發(fā)生。實(shí)際上，這一現(xiàn)象也可解釋為平流層高位渦空氣入侵到對流層后的氣旋性環(huán)流發(fā)展過程（位渦守恒），其東側(cè)即為偏南低空急流①與丁一匯院士的個(gè)人交流。可以說，對流層頂反氣旋式波破碎事件和臺(tái)風(fēng)“煙花”的靠近成為了20 日河南極端暴雨災(zāi)害的共同幕后推手。

圖12 2021 年7 月19 和20 日兩個(gè)位渦單位面（2 PVU 面，PVU=10-6 K kg-1 m2 s-1）的位溫（單位：K）分布，其中綠色加粗實(shí)線為360 K等位溫線。河南省界用紫色線標(biāo)出Fig. 12 Potential temperature distribution (units: K) on the 2 PVU (1 PVU=10-6 K kg-1 m2 s-1) surface on July 19 and 20, 2021. The green thick solid line is for the potential temperature of 360 K. The boundary of Henan Province is marked with a purple line

4 結(jié)論與討論

本文使用國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心降水資料和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5 全球再分析資料的比濕、位勢高度、風(fēng)以及溫度場，同時(shí)利用LAGRANTO軌跡模式，重點(diǎn)分析了“7.20”河南暴雨水汽輸送特征、水汽來源以及關(guān)鍵天氣尺度系統(tǒng)。

雙臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”以及西太平洋副熱帶高壓系統(tǒng)共同為“7.20”河南暴雨提供了充足的水汽條件。7 月17～18 日的強(qiáng)降水過程主要受黃淮低渦系統(tǒng)的影響。19～20 日，臺(tái)風(fēng)“煙花”和副熱帶高壓逐漸向中國大陸靠近，兩者之間的東風(fēng)氣流自海上向河南地區(qū)輸送充沛的水汽。同時(shí)，臺(tái)風(fēng)“查帕卡”向北移動(dòng)，雙臺(tái)風(fēng)之間的水汽輻合也有利于自中國南部向河南輸送更多的水汽。21日強(qiáng)水汽通量及降水中心移到河南北部。但是，我們認(rèn)為，雙臺(tái)風(fēng)和西太平洋副熱帶高壓的水汽輸送作用主要集中在對流層下層，僅以它們的影響難以解釋7 月20 日發(fā)生的日降水量663.9 mm 和1 小時(shí)最大降水量201.9 mm 的極端暴雨事實(shí)。

水汽通量分析和基于LAGRANTO 模式的軌跡分析均表明，對20 日極端暴雨而言，河南南側(cè)850 hPa 以上的強(qiáng)經(jīng)向水汽通量帶非常重要。這一強(qiáng)水汽通量帶（邊界層以上），與臺(tái)風(fēng)和西太平洋副熱帶高壓對應(yīng)的向西水汽通量帶（偏低層）在河南區(qū)域匯集，為極端暴雨提供了極為充沛的水汽條件。我們的分析表明，20 日在河南以西地區(qū)上空發(fā)生了對流層頂反氣旋式波破碎事件，它引發(fā)了河南南側(cè)的強(qiáng)經(jīng)向水汽通量帶（850 hPa 以上），并在臺(tái)風(fēng)“煙花”靠近大陸的情況下，導(dǎo)致了河南極端暴雨災(zāi)害。

本文中我們側(cè)重分析了關(guān)于河南暴雨的天氣尺度環(huán)流特征。至于天氣尺度波破碎過程影響對流層中低層系統(tǒng)以及水汽輸送的具體細(xì)節(jié)，仍需要通過位渦反演方法以及數(shù)值模式模擬來予以刻畫和描述。與此同時(shí)，我們也需要進(jìn)一步探究這些關(guān)鍵的天氣尺度系統(tǒng)究竟如何作用于河南暴雨中尺度系統(tǒng)的發(fā)展和演變。