摘要 2021年7月19—22日，河南省遭遇歷史罕見特大暴雨，破紀錄降水引發(fā)了嚴重的洪澇災(zāi)害。目前，“21.7”河南特大暴雨的研究大多針對降水個例，引發(fā)極端降水的氣候?qū)W機制仍不明確。本文基于譜聚類方法，利用中國氣象局多年歷史站點降水資料和NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)研究了1960—2021年華北地區(qū)夏季區(qū)域性極端降水事件的主控環(huán)流天氣型，系統(tǒng)揭示了“21.7”河南特大暴雨的發(fā)生過程。結(jié)果表明，“21.7”河南特大暴雨發(fā)生在罕見天氣型下，即西太平洋上空增強的遠距離臺風(fēng)配合異常偏西北的西太平洋副熱帶高壓與異常偏東北的南亞高壓。該天氣型雖然僅貢獻了華北地區(qū)夏季區(qū)域性極端降水事件的5.97％，卻易導(dǎo)致更強的極端降水事件。臺風(fēng)和副高之間的盛行東南風(fēng)將水汽從西太平洋輸送到河南，對流層高低層強烈的風(fēng)切變引發(fā)的垂直上升運動導(dǎo)致了“21.7”河南暴雨的發(fā)生。河南及周邊地區(qū)對流層低層更加強烈的上升運動與非絕熱加熱之間的正反饋效應(yīng)使得“21.7”河南暴雨相對同一天氣型下的其他特大暴雨事件的極端性更強。本研究為理解和準確預(yù)測類似“21.7”河南暴雨的破紀錄區(qū)域性極端降水提供了全新的氣候?qū)W視角。

關(guān)鍵詞“21.7”河南特大暴雨;區(qū)域性極端降水事件;天氣分型;譜聚類

2024-05-15收稿，2024-06-17接受

國家自然科學(xué)基金項目（U2342207;42075020）;災(zāi)害性天氣國家重點實驗室開放資助項目（2021LASW-A12）;南京大學(xué)關(guān)鍵地球物質(zhì)循環(huán)前沿科學(xué)中心研究基金中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費（020914380103;020914380104）;江蘇省氣候變化協(xié)同創(chuàng)新中心資助項目

引用格式：張智煜，黃安寧，黃丹青，等，2024.從氣候?qū)W角度理解“21.7”河南特大暴雨的形成機理［J］.大氣科學(xué)學(xué)報，47（5）：681-700.

Zhang Z Y，Huang A N，Huang D Q，et al.，2024.Understanding the formation mechanism of the “21.7” extreme heavy rainfall event in Henan，China from a climatic perspective［J］.Trans Atmos Sci，47（5）：681-700.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20240515001.（in Chinese）.

隨著全球變暖的影響不斷加劇，極端天氣氣候事件頻繁發(fā)生，給社會、經(jīng)濟、生態(tài)和人身安全造成越來越大的威脅（Douville et al.，2021）。其中，極端降水事件因其短時間內(nèi)降水強度大、影響范圍集中、易發(fā)生次生災(zāi)害等特點，對人類社會和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重影響（袁馮等，2020;Qin et al.，2021;孫思遠，2021）。IPCC第六次科學(xué)報告內(nèi)容稱，極端降水事件在全球范圍內(nèi)顯著增加，且在人類活動導(dǎo)致全球變暖的影響下，大氣不穩(wěn)定性持續(xù)增強，未來此類事件還將進一步加劇（Seneviratne et al.，2021）。華北地區(qū)夏季受季風(fēng)影響較大，對環(huán)境和氣候變化具有高敏感性，極端降水影響顯著（Luo et al.，2016;Wu et al.，2016;方浩和喬云亭，2019;湯彬等，2023）。此外，華北地區(qū)獨特的地形與復(fù)雜的地表條件使得當(dāng)?shù)叵募靖装l(fā)生區(qū)域性極端降水，尤其是在7月和8月（Li et al.，2015;Sun et al.，2019）。

“21.7”河南特大暴雨發(fā)生在2021年7月19—22日，是一場史無前例的區(qū)域性極端強降水事件（Yu et al.，2022;Sun et al.，2023），也是河南省自1960年以來發(fā)生的第二大暴雨（Xu H X et al.，2022b）。此次降水事件在華北地區(qū)造成了大范圍的極端降水和嚴重的洪澇災(zāi)害，具有歷史罕見、持續(xù)時間長、影響范圍廣等特征?！?1.7”河南特大暴雨發(fā)生期間，鄭州站最大日降水量達624.1 mm，超過歷史最大日降水量的3倍（Cheng et al.，2022;Li C J et al.，2022）。此外，鄭州站小時降水量高達201.9 mm，打破了中國內(nèi)陸地區(qū)小時降水紀錄（Li W et al.，2022;齊道日娜等，2022）。短時間內(nèi)降水量巨大的“21.7”河南特大暴雨事件給當(dāng)?shù)卣途用裨斐闪藝乐氐慕?jīng)濟損失和安全威脅，導(dǎo)致300多人死亡和約1 000億元人民幣的直接經(jīng)濟損失（Huang et al.，2022）。

許多研究表明，“21.7”河南特大暴雨是由不同層次環(huán)流系統(tǒng)之間復(fù)雜的多尺度相互作用引起的（梁旭東等，2022;Zhu Z et al.，2022）。異常偏西偏北的500 hPa西太平洋副熱帶高壓、異常偏東偏北的100 hPa南亞高壓、位于西北太平洋上空的臺風(fēng)“煙花”和南海上空的臺風(fēng)“查帕卡”以及黃淮低渦相互作用，為河南暴雨事件的形成提供了豐富的水汽和能量（Li C et al.，2022;Ma Y et al.，2022;汪小康等，2022）。特定的多尺度對流系統(tǒng)，如中尺度渦旋（Si et al.，2021;Li W L et al.，2022;Sun et al.，2023）、低空急流（汪小康等，2022）和平流層位渦（Zhu et al.，2022），為此次事件創(chuàng)造了有利的環(huán)流背景。中尺度系統(tǒng)如雙臺風(fēng)（Deng et al.，2022）和大尺度系統(tǒng)如西太平洋副熱帶高壓（Huang et al.，2022）之間的相互作用也對此次降水事件產(chǎn)生了重要影響?；谛l(wèi)星數(shù)據(jù)的“21.7”河南特大暴雨期間降水微物理過程的檢驗評估結(jié)果表明，風(fēng)切變對流系統(tǒng)對導(dǎo)致更高降水極值的大尺度強迫更加敏感（Chen et al.，2022;Qin et al.，2022）。關(guān)于地形和城市化影響的數(shù)值模擬研究也強調(diào)了地表的增強作用對“21.7”河南特大暴雨的影響（Du et al.，2022;Luo et al.，2023）。然而，這些集中在“21.7”河南特大暴雨影響因素的個例研究無法從氣候?qū)W角度給出總體環(huán)流特征，特別是對于罕見的異常降水極端情況。

天氣型是指給定天氣尺度區(qū)域內(nèi)的某一特定環(huán)流類型，其特征區(qū)別于同一區(qū)域內(nèi)的其他天氣型，且每天都會發(fā)生變化（Luo et al.，2016;Neal et al.，2020）。區(qū)別于傳統(tǒng)的分類方法（Huang et al.，2018;Ma Q R et al.，2022;Xu J et al.，2022b），基于機器學(xué)習(xí)算法的聚類方法，如K-means聚類算法、層次聚類算法和自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（self-organizing map，SOM）等（Hu et al.，2019;Ohba and Sugimoto，2019;Tuel and Martius，2022）已被廣泛應(yīng)用于天氣型識別。已有研究表明，華北地區(qū)夏季極端降水的主控環(huán)流天氣型主要以增強的東亞夏季風(fēng)和異常偏西北的西太平洋副熱帶高壓為特征（Sun et al.，2015;Zhao et al.，2019;Tang et al.，2021）。部分研究分類總結(jié)了“21.7”河南特大暴雨主控環(huán)流天氣型的一般特征，發(fā)現(xiàn)河南省北部的西太平洋副熱帶高壓正異常與南部的低渦負異常共同導(dǎo)致的東南風(fēng)水汽通道輸送是該次事件的主導(dǎo)環(huán)流因素（Xu J et al.，2022a;Zhang et al.，2022）。一些研究還比較了同一天氣型下的特定極端強降雨事件個例，如“21.7”河南特大暴雨和“75.8”河南特大暴雨（Liu Y et al.，2021;Li Z et al.，2022）。然而，這些研究的結(jié)果均未能完全概括造成“21.7”河南特大暴雨罕見主控環(huán)流天氣型的多層次一般特征與代表性天氣系統(tǒng)。這種罕見天氣型發(fā)生頻次很低，但在華北地區(qū)夏季區(qū)域性極端降水中具有顯著的極端特征。這可能是由于大多數(shù)涉及主控環(huán)流天氣型的研究都是以某一特定高度層的環(huán)流場作為天氣型分類對象（Hu et al.，2019;Xu J et al.，2022a;Wu et al.，2023），未考慮大尺度環(huán)流形成的三維空間配置。此外，大多數(shù)研究直接使用了華北地區(qū)指定經(jīng)緯度范圍內(nèi)站點的極端降水記錄進行聚類，而忽視了極端降水的區(qū)域連續(xù)性與特征環(huán)流天氣型之間的相關(guān)關(guān)系。僅考慮單個站點極端降水記錄可能會錯誤地將小規(guī)模的不連續(xù)極端降水事件歸并到區(qū)域性極端降水分類中，從而高估區(qū)域性極端降水事件發(fā)生的頻次（Tu et al.，2011;Ren et al.，2012）。

本研究將基于譜聚類方法（Neal et al.，2020）確定1960—2021年華北地區(qū)夏季區(qū)域性極端降水事件的主控環(huán)流天氣型，進一步研究“21.7”河南特大暴雨對應(yīng)的天氣型特征，揭示此類區(qū)域性極端降水的形成機制。我們將回答以下3個問題：1）華北地區(qū)與“21.7”河南特大暴雨對應(yīng)的典型環(huán)流天氣型是什么？2）在這種天氣型下，“21.7”河南特大暴雨是如何發(fā)生的？3）在相同的天氣模式下，“21.7”河南特大暴雨和其他特大暴雨事件有什么異同？

1 資料和方法

1.1 資料與插值方法

1）中國氣象局國家氣象信息中心提供的1960—2021年夏季6—8月逐12 h的站點觀測降水?dāng)?shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)分為夜間和日間兩個時間段進行降水觀測值記錄，其中夜間定義為北京時間前一日20：00到當(dāng)日08：00，日間定義為北京時間當(dāng)日08：00到當(dāng)日20：00。使用Python Scipy庫中的二維線性插值函數(shù)，將站點記錄插值為網(wǎng)格記錄，以獲得與再分析數(shù)據(jù)分布匹配的降水?dāng)?shù)據(jù)（Virtanen et al.，2020）。

2）美國國家環(huán)境預(yù)測中心、美國國家大氣研究中心（NCEP／NCAR）1960—2021年夏季逐6 h再分析數(shù)據(jù)，水平分辨率2.5°×2.5°、垂直方向?qū)訑?shù)17層（https：／／psl.noaa.gov／data／gridded／data.ncep.reanalysis.html），包含了位勢高度、水平風(fēng)、垂直風(fēng)速、氣溫、絕對濕度、相對濕度、可降水量等物理參數(shù)（Kalnay，1996）。本研究將逐6 h數(shù)據(jù)處理為每日00：00—12：00、12：00—24：00（世界時）兩個時間間隔的平均值（對應(yīng)北京時間08：00—20：00、20：00—次日08：00），以匹配每12 h觀測降水時間序列，以便后續(xù)對華北地區(qū)夏季區(qū)域性極端降水的環(huán)流天氣型進行討論研究（Ma Y et al.，2022;Zhu C et al.，2022）。

1.2 區(qū)域性極端降水、南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓定義

百分位數(shù)法是用于定義極端降水閾值的常見方法（Bonsal et al.，2001;Li et al.，2017）。本研究中，我們使用95百分位法定義了單站的極端降水和區(qū)域性極端降水?；?960—2021年62個夏季的逐12 h降水量數(shù)據(jù)，計算了選定區(qū)域內(nèi)每個站點強度≥0.1 mm·（12 h）-1的所有歷史降水記錄的第95個百分位閾值。當(dāng)降水記錄在給定時間和給定的每個站點超過第95百分位閾值時，即為一次極端降水。在單站極端降水的基礎(chǔ)上，我們綜合Xie et al.（2018）和Tang et al.（2021）的方法，進一步定義了區(qū)域性極端降水，即首先統(tǒng)計選定區(qū)域內(nèi)1960—2021年62個夏季每12 h同時出現(xiàn)極端降水的站點數(shù)量，繼而將同時出現(xiàn)極端降水的站點數(shù)（≥1）按從小到大排序，進而取第95個百分位數(shù)的站點數(shù)作為判定該地區(qū)是否發(fā)生區(qū)域性極端降水事件的閾值，當(dāng)同時發(fā)生極端降水的站點數(shù)超過這一閾值時則發(fā)生了一次區(qū)域性極端降水事件。本研究選定了華北平原及其周邊地區(qū)（110°～122.5°E，30°～42.5°N，簡稱“華北地區(qū)”）作為區(qū)域性極端降水研究關(guān)鍵區(qū)（Xu J et al.，2022a）。在1960—2021年62個夏季逐12 h時間序列中，華北地區(qū)（862個雨量站）區(qū)域性極端降水的站點數(shù)閾值為50，并以此閾值檢測到469個區(qū)域性極端降水事件。

本研究中，南亞高壓（South Asia high，SAH）的邊界線由100 hPa高度層上16 760 gpm等位勢高度線表示（譚晶等，2005），西太平洋副熱帶高壓（western Pacific subtropical high，WPSH）的邊界線由500 hPa高度層上5 880 gpm等位勢高度線表示（Wei et al.，2014）。

1.3 機器學(xué)習(xí)譜聚類算法

譜聚類方法（spectral clustering）是一種無監(jiān)督的機器學(xué)習(xí)聚類算法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于識別復(fù)雜數(shù)據(jù)中具有相似模式的組（von Luxburg，2007;Nascimento et al.，2011）。與K-means方法等傳統(tǒng)聚類算法相比，譜聚類往往聚類效果表現(xiàn)更佳，因為它計算量小，可以收斂到全局最優(yōu)，且能適應(yīng)任意形狀的樣本空間（Jia et al.，2014）。在本研究中，我們使用了Python Scikit-learn機器學(xué)習(xí)庫中的函數(shù)（Pedregosa et al.，2011），將譜聚類方法應(yīng)用于1960—2021年62個夏季中華北地區(qū)469個區(qū)域性極端降水事件發(fā)生期間不同高度層（925、850、750、500和200 hPa）水平風(fēng)場的天氣型分析。首先，對每個網(wǎng)格的水平u和v分量的時間序列進行歸一化，并將三個空間維度（緯度、經(jīng)度和垂直層數(shù)）展平為一維數(shù)組。然后，通過把v數(shù)組直接連接在u數(shù)組之后的方式，將u和v的兩個一維數(shù)組（時間和空間）合并在一起，形成用于譜聚類的輸入數(shù)據(jù)（Tang et al.，2021）。在設(shè)置聚類組數(shù)時，通過Calinski-Harabas評分比較不同聚類組數(shù)的聚類效果，確定了最優(yōu)聚類組數(shù)為3組。最后，通過多輪調(diào)試，得到了聚類時間序列結(jié)果，以及與時間序列相對應(yīng)的3個天氣型合成結(jié)果，以此作為華北地區(qū)區(qū)域性極端降水事件的主控環(huán)流天氣型。測試結(jié)果表明，對華北地區(qū)范圍劃分的微小調(diào)整不會對聚類結(jié)果造成顯著差異。

1.4 對流有效位能定義

對流有效位能（convective available potential energy，CAPE）是大氣參考氣塊在給定環(huán)境上升過程中正浮力獲得的能量的垂直積分，是可能發(fā)生深層對流的環(huán)境中最密切相關(guān)的量（Doswell and Rasmussen，1994）。本研究中使用Python MetPy庫中的函數(shù)（May et al.，2022），采用自由對流高度（level of free convection，LFC）和平衡高度（equilibrium level，EL）之間的給定高空剖面和氣體元路徑進行計算（Wallace and Hobbs，2006），計算公式可以寫成：

ECAP=-Rd∫hELhLFCTvparcel-Tvenvd lnp。（1）

其中：Rd是干空氣氣體常數(shù)287.04 J·K-1·kg-1;Tvparcel是氣體元虛溫;Tvenv是環(huán)境虛溫。

1.5 準地轉(zhuǎn)垂直運動診斷

準地轉(zhuǎn)垂直運動診斷方程是大尺度環(huán)流天氣型垂直運動診斷和動力學(xué)機制量化的基本方法。它可以寫成（Bluestein，1992）：

SymbolQC@ 2p+f20σ2p2ω=ωvor+ωtemp+ωdia。（2）

其中：

SymbolQC@ 2p=2px2+2py2，下標p表示該過程基于等壓面；靜力穩(wěn)定性參數(shù)σ=2×10-6 m2·Pa-2·s-2，科里奧利參數(shù)設(shè)定在典型天氣的f0值為10-4 s-1。在方程（2）的右邊，三個主要強迫項ωvor、ωtemp和ωdia分別表示渦度平流項、溫度平流項和非絕熱加熱項。此三項可以進一步表示為（Zhou et al.，2011）：

ωvor=f0σpVg·

SymbolQC@ pζg+f，（3）

ωtemp=Rdσp

SymbolQC@ 2pVg·

SymbolQC@ pT，（4）

ωdia=-Rdσcpp

SymbolQC@ 2pdQdt。（5）

其中：

SymbolQC@ p=pxi+pyj，矢量i和j分別表示緯向和經(jīng)向計算的基本方向。干空氣的氣體常數(shù)Rd=287.04 J·K-1·kg-1，干空氣的比定壓熱容cp=1 004 J·K-1·kg-1，絕對渦度在垂直方向上可拆分為相對渦度ζg和地轉(zhuǎn)渦度f。

根據(jù)Yanai et al.（1973）的研究，表觀熱源Q1可以表示為：

Q1=cpTt-cpωσp-Vg·

SymbolQC@ pT。（6）

其中：靜力穩(wěn)定度可表示為σp=RTcpp-Tp；非絕熱加熱速率dQdt=Q1（Strahl et al.，2001;Hsu and Li，2011;Zhang J et al.，2023）。

2 “21.7”河南特大暴雨的降水和環(huán)流背景

“21.7”河南特大暴雨以624.1 mm的日最大降水量打破了歷史紀錄（Liu C et al.，2021）。如圖1a所示，2021年7月，日平均降水中心位于河南省西北部。而“21.7”河南特大暴雨期間，在河南省北部出現(xiàn)了日平均降水量超過200 mm·d-1的降水中心（栗晗等，2022；劉侃等，2023），且降水中心均位于太行山與伏牛山東側(cè)迎風(fēng)坡（圖1b）。河南省及華北地區(qū)東南部一帶2021年7月降水量較氣候平均值偏大160％（圖1c）;“21.7”河南特大暴雨期間3 d累計降水量對2021年7月河南省及周邊地區(qū)總降水量的貢獻率在30％～60％之間，超過60％的高貢獻率中心主要位于河南省中北部（圖1d）。因此，2021年7月河南省降水量遠超氣候平均值，而“21.7”河南特大暴雨僅3 d降水量就占2021年7月降水總量的60％以上，降水量極端性突出。

圖2給出了“21.7”河南特大暴雨期間3 d平均環(huán)流配置。河南省上空穩(wěn)定東伸的100 hPa南亞高壓和東側(cè)不斷西伸北抬的500 hPa西太平洋副熱帶高壓（圖2a）為“21.7”河南特大暴雨的發(fā)生提供了有利的中高層環(huán)流背景（王倩等，2019）。與此同時，不斷發(fā)展的遠距離臺風(fēng)“煙花”和“查帕卡”相互作用，引導(dǎo)臺風(fēng)北緣對流層低層的東南氣流，將水汽從西太平洋輸送到華北地區(qū)（圖2b），為河南省極端降水的發(fā)生提供了充足的水汽條件（Xu H X et al.，2022b）。河南省東側(cè)不斷西伸北抬的西太平洋副熱帶高壓、高空穩(wěn)定控制的南亞高壓和低層強度不斷增大的遠距離雙臺風(fēng)的大尺度環(huán)流配置，在河南省上空引發(fā)了對流層高低層強烈的垂直風(fēng)切變，使得850和200 hPa高度層之間的風(fēng)散度差出現(xiàn)顯著負異常（圖2c），進一步引發(fā)了垂直方向一直延續(xù)到中高層的強烈的上升運動（圖2d）?！?1.7”河南特大暴雨穩(wěn)定的高低層環(huán)流配置引發(fā)持續(xù)的水汽輸送與強烈的上升運動，有利于鄭州上空極端降水的形成和發(fā)展。遠距離臺風(fēng)、異常偏西的西太平洋副熱帶高壓和異常偏東北的南亞高壓的大尺度環(huán)流配置引發(fā)了有利的環(huán)流、水汽和動力條件，對“21.7”河南特大暴雨的產(chǎn)生具有較大貢獻。

圖3進一步分析了“21.7”河南特大暴雨期間每12 h同時出現(xiàn)極端降水的站點分布，以及西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓、臺風(fēng)“煙花”和“查帕卡”（Xu H X et al.，2022a）、850 hPa高度水平風(fēng)場等的演變情況。7月19日08：00—22日08：00，在“21.7”河南特大暴雨持續(xù)的3 d降水過程中，連續(xù)60 h出現(xiàn)了5次區(qū)域性極端降水（圖3b—f）。在“21.7”河南特大暴雨的第一階段（7月19日08：00—20：00），副高強度較弱、西伸不明顯，南亞高壓偏東偏北，雙臺風(fēng)強度與距離均較大，此時同時出現(xiàn)極端降水的站點數(shù)未達區(qū)域性極端降水事件閾值。第二階段（7月19日20：00—21日08：00），西太平洋副熱帶高壓西伸北抬、強度增大，南亞高壓繼續(xù)東伸，影響范圍擴大，臺風(fēng)“煙花”向浙閩西部沿?？拷姸仍龃?，并與“查帕卡”形成相互作用，華北地區(qū)上空盛行東南風(fēng)顯著增強，此階段均為區(qū)域性極端降水事件，且同時出現(xiàn)極端降水的站點數(shù)不斷增加。其中，7月20日20：00—21日08：00，同時出現(xiàn)極端降水站點數(shù)最多達92個（圖3d），此時段鄭州站逐12 h降水超過150 mm·d-1，達到降水次峰值。第三階段（7月21日08：00—22日08：00），副高略微東退，南亞高壓略微西退，雙臺風(fēng)相互作用不斷增強，盛行東南風(fēng)略微減弱，并有轉(zhuǎn)為南風(fēng)的趨勢，此階段仍均為區(qū)域性極端降水事件，但同時出現(xiàn)極端降水的站點數(shù)有所減少，且站點分布有向北移動的趨勢。在“21.7”河南特大暴雨的3 d降水過程中，副高西伸北抬配合加強的雙臺風(fēng)相互作用，導(dǎo)致華北地區(qū)上空的盛行東南風(fēng)前期強度增加、后期小角度轉(zhuǎn)向，這是使得極端降水站點數(shù)增加、雨帶北移的重要原因（梁旭東等，2022）。

3 華北地區(qū)夏季區(qū)域性極端降水主導(dǎo)環(huán)流天氣型和“21.7”河南特大暴雨對應(yīng)的天氣型特征

大尺度環(huán)流背景對觸發(fā)“21.7”河南特大暴雨至關(guān)重要（冉令坤等，2021;Jin et al.，2022;Yin et al.，2022;Zhu et al.，2022）。為了確定造成歷史上類似于“21.7”河南特大暴雨的區(qū)域性極端降水事件的主導(dǎo)環(huán)流天氣型，需要進一步分析華北地區(qū)區(qū)域性極端降水在氣候尺度上的一般天氣特征。因此，本研究通過機器學(xué)習(xí)譜聚類方法，將華北地區(qū)1960—2021年夏季區(qū)域性極端降水事件通過高低層水平風(fēng)場客觀分類，得到了3類主控環(huán)流天氣型（圖4a—c）：季風(fēng)型（第一型，P1）、低渦型（第二型，P2）和伴有異常偏西北的西太平洋副熱帶高壓與異常偏東北的南亞高壓的遠距離臺風(fēng)型（第三型，P3）。其中，季風(fēng)型包含了391個區(qū)域性極端降水事件，占比最高（83.37％）;低渦型占比第二（50個區(qū)域性極端降水事件，占比為10.66％）;遠距離臺風(fēng)型僅包含28個區(qū)域性極端降水事件，占比最低（5.97％）。

季風(fēng)型（P1）是華北地區(qū)上空以西南風(fēng)為主的季風(fēng)環(huán)流天氣型（圖4a），此時西太平洋副熱帶高壓西伸和南亞高壓東伸，共同控制華北地區(qū)東南部上空的環(huán)流配置，有利于對流的發(fā)展（Zhao et al.，2019;Tang et al.，2021）。華北地區(qū)上空較寬的垂直風(fēng)切變區(qū)域（圖4d）以及孟加拉灣和南海向華北地區(qū)的水汽輸送（圖4g）也證實了這一點。低渦型（P2）的環(huán)流特征是位于華北地區(qū)南部的明顯低渦和位于華北地區(qū)以東的高壓中心（圖4b）。隨著南亞高壓進一步東伸，大量水汽被主導(dǎo)東南風(fēng)輸送到華北地區(qū)上空，并伴隨著對流層高低層之間強烈的垂直風(fēng)切變（圖4e、h）。遠距離臺風(fēng)型（P3）的特點是西北太平洋上空的遠距離臺風(fēng)，伴隨著南亞高壓異常偏向東北，以及華北地區(qū)以東顯著的高壓中心（圖4c）。兩條主導(dǎo)風(fēng)場路徑分別源于夏季風(fēng)環(huán)流和西太平洋上空的遠距離臺風(fēng)。異常東北延伸的南亞高壓和遠距離強臺風(fēng)的配置也導(dǎo)致了華北地區(qū)對流層高低層之間強烈的風(fēng)散度差（圖4f）。正是來自西北太平洋上空、遠距離臺風(fēng)北側(cè)的偏東風(fēng)，將大部分水汽從西北太平洋輸送到華北地區(qū)，進一步導(dǎo)致了區(qū)域性極端降水事件的發(fā)生（圖4i）。

極端降水發(fā)生概率的定義是，給定環(huán)流天氣型下，每個站點出現(xiàn)極端降水的總次數(shù)與該天氣型發(fā)生的總次數(shù)之比（Tang et al.，2021）。本研究中將區(qū)域性極端降水事件下的高低層環(huán)流用于天氣型聚類分析，故極端降水發(fā)生概率越高，說明極端降水在該天氣型下更容易出現(xiàn)。圖4a—c還進一步給出了各環(huán)流天氣型下極端降水發(fā)生概率的空間分布情況。通過圖4a可以看出，在P1天氣型下，極端降水發(fā)生概率在華北地區(qū)的分布相當(dāng)均勻，且均小于15％。在P2天氣型下，極端降水發(fā)生概率主要在東南風(fēng)通道的出口和低渦的東北部有兩個大值中心，此二者的極端降水發(fā)生概率在20％～25％之間（圖4b）。作為“21.7”河南特大暴雨主導(dǎo)環(huán)流天氣型的P3只占1960—2021年夏季華北地區(qū)區(qū)域性極端降水事發(fā)生總次數(shù)的5.97％，但P3天氣型下的極端降水發(fā)生概率大值區(qū)高度集中，主要分布在河南省北部和河北省西南部、太行山東緣一帶，沿地形呈西南-東北向走勢明顯，且發(fā)生概率超過25％（圖4c）。

同時，極端降水發(fā)生概率大值區(qū)與水汽輸送大值區(qū)、上升運動劇烈的區(qū)域也較為吻合，說明各天氣型下夏季極端降水多發(fā)區(qū)域均存在充沛的水汽、較好的對流條件（Zou and Ren，2015）。

圖5進一步顯示了P3下區(qū)域極端降水事件發(fā)生前36、24、12和0 h的大氣環(huán)流演變情況。如圖5a—d所示，西太平洋上空的遠距離臺風(fēng)范圍逐漸擴大，伴隨著華北地區(qū)上空降水量的增加。在此期間，降水區(qū)域上空的CAPE值達到1 000 J·kg-1以上，并在華北地區(qū)以西持續(xù)增加，為極端降水提供了充足的不穩(wěn)定能量（Chen et al.，2020;Huang et al.，2021;Zhang J H et al.，2023）。由圖5e可知，位于中國東南部上空的西南風(fēng)和位于西太平洋上空遠距離臺風(fēng)北緣的東南風(fēng)將水汽從海洋上空輸送到華北地區(qū)。在P3下的區(qū)域性極端降水發(fā)生前24至0 h，雖然由于遠距離臺風(fēng)的擴張，對應(yīng)西南風(fēng)和東南風(fēng)相對于前36 h風(fēng)速降低，導(dǎo)致水汽輸送略有減弱（圖5f—h），但是由于華北地區(qū)高低層水平風(fēng)散度負距平增大，使得上升運動不斷加強（圖5f—h和圖5j—l）。因此，區(qū)域性極端降水事件的發(fā)生更多是上升運動增強的結(jié)果（Qin et al.，2022）。鄭州市區(qū)及周邊山區(qū)的上升運動的不斷增強（圖5j—l），使得850 hPa附近低層對流輻合強烈，500 hPa以上高層對流輻散。因此，極端降水發(fā)生概率的最大值集中在太行山和伏牛山東緣一帶，且隨著時間的推移逐漸增強。總體而言，臺風(fēng)在西太平洋上空的擴張和南亞高壓在東北方向的延伸體現(xiàn)了環(huán)流的配置演變，這一演變共同引發(fā)了強垂直風(fēng)切變和強烈的上升運動，進一步導(dǎo)致了P3下華北地區(qū)區(qū)域性極端降水事件的發(fā)生。

4 同一天氣型下“21.7”河南特大暴雨事件與其他特大暴雨事件的比較

在造成華北地區(qū)夏季區(qū)域性極端降水的3種環(huán)流天氣型中，P3對區(qū)域性極端降水發(fā)生次數(shù)的貢獻最小，但該天氣型下極端降水發(fā)生概率最高。本研究根據(jù)區(qū)域性極端降水事件發(fā)生的時間連續(xù)性，將P3下的28個區(qū)域性極端降水事件歸類為表1中所示的9個特大暴雨事件。圖6顯示了每個特大暴雨事件的平均降水量與環(huán)流合成場。P3下的9次特大暴雨事件中均存在熱帶氣旋天氣系統(tǒng)（底層中心最大平均風(fēng)速≥10.8 m·s-1），而23次區(qū)域性極端降水事件存在臺風(fēng)（底層中心最大平均風(fēng)速≥32.7 m·s-1），占比82.1％。在多數(shù)特大暴雨事件期間，西太平洋上空遠距離臺風(fēng)北緣的盛行東南風(fēng)將充足的水汽從西太平洋輸送到華北地區(qū)東南部。西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓在對流層中高層的控制范圍大小影響了降水分布，使得降水最為集中的區(qū)域出現(xiàn)在西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓的大范圍控制重合區(qū)域的西部（圖6a、c、e、g和i）。同時，在幾乎所有事件中，降水區(qū)上空都有強烈的上升運動（圖6a—i）。從圖6i可以看出，“21.7”特大暴雨事件既受異常偏西北的西太平洋副熱帶高壓和異常偏東北的南亞高壓共同控制，也受西太平洋上空遠距離臺風(fēng)北緣的東南風(fēng)向華北地區(qū)輸送大量水汽的影響，此三者共同形成了有利于極端降水的大尺度環(huán)流配置。

我們進一步從P3下的特大暴雨事件中選取了區(qū)域性極端降水事件持續(xù)時長和平均降水強度相對較高、極端性較強的“21.7”特大暴雨事件和“63.8”特大暴雨事件（鮑名，2007）進行詳細比較（圖6b、i）。這里的平均降水強度定義為區(qū)域平均的極端降水量除以極端降水發(fā)生的12 h極端降水發(fā)生的次數(shù)（王志福和錢永甫，2009）。由表1可以看出，與P3下的其他特大暴雨事件相比，“63.8”特大暴雨事件的持續(xù)時間最長，為120 h;“21.7”特大暴雨事件的持續(xù)時間以60 h緊隨其后，同時“21.7”特大暴雨事件的平均降水強度最大。這表明類似的區(qū)域性極端降水事件更有可能在P3下發(fā)生。從降水

位置上看，“21.7”特大暴雨事件的降水大值區(qū)位于南部，而“63.8”特大暴雨事件的降水大值區(qū)位于北部。從環(huán)流結(jié)構(gòu)上看，盡管兩次事件期間的南亞高壓都有向東北延伸的趨勢，在“21.7”特大暴雨事件期間，位于西北部的西太平洋副熱帶高壓異常西伸程度較大，同時顯著影響了華北地區(qū)上空水平風(fēng)的方

向;而“63.7”特大暴雨事件期間的西太平洋副熱帶高壓要弱得多，且位于更遠的東部。此外，在復(fù)雜的遠距離雙臺風(fēng)條件影響下，“21.7”特大暴雨事件的臺風(fēng)強度對降水極值的影響顯著大于“63.8”特大暴雨事件。

圖7和圖8揭示了“21.7”特大暴雨事件期間環(huán)流場與P3下環(huán)流合成場之間的區(qū)別。可降水量的分布（圖7a）、對流層高低層水平風(fēng)散度差（圖7b）和水汽輸送（圖7c）體現(xiàn)了P3下區(qū)域性極端降水事件發(fā)生的充足水汽和垂直風(fēng)切變條件，這也與降水中心的分布區(qū)域相對應(yīng)。與P3下的區(qū)域性極端降水相比，“21.7”特大暴雨事件中降水大值區(qū)更偏向于河南省北部，這與可降水量正異常中心相對應(yīng)（圖7d）。從圖7b和圖7e中可以看出，與P3相比，“21.7”特大暴雨事件中河南省上空850和200 hPa之間的水平風(fēng)散度差的絕對值更大，這有利于強烈的上升運動和對流的形成。在P3下，東南風(fēng)和西南風(fēng)分別輸送來自東海和孟加拉灣的兩個水汽源至華北地區(qū)，其中前者所占比例較大（圖7c），而相對于P3下的環(huán)流情況，“21.7”河南特大暴雨事件中的遠距離雙臺風(fēng)作用顯著提升了海上水汽通量強度，但華北地區(qū)的水汽傳輸略弱（圖7f）?？傮w來說，盡管與P3相比“21.7”特大暴雨事件期間的水汽輸送略弱，但河南北部地區(qū)的降雨量更多，主要是由于河南上空高低層水平散度差更顯著，導(dǎo)致上升運動更強。

在P3下，相對濕度（圖8a）、垂直速度和水平散度（圖8b）的分布都與降水分布有很好的對應(yīng)關(guān)系（圖8c）。在鄭州市及其南部地區(qū)，“21.7”特大暴雨事件與P3之間的相對濕度距平在700至400 hPa之間存在一個超過20％的大值中心（圖8d）?！?1.7”特大暴雨事件和P3之間的假相當(dāng)位溫距平（圖8d）表明，鄭州上空的大氣條件以溫暖潮濕為主，其在700 hPa以下從高到低的下降體現(xiàn)了低層大氣的對流不穩(wěn)定特征（Wang et al.，2022），這也與相對濕度的分布有很好的對應(yīng)關(guān)系。此外，鄭州市及其南部地區(qū)在300 hPa以上的高度也出現(xiàn)了一個強度大于1.6×10-6 s-1的風(fēng)散度負中心（圖8e）。同時，水平風(fēng)速在300 hPa左右出現(xiàn)了從南風(fēng)向北風(fēng)的轉(zhuǎn)變，配合垂直風(fēng)速的增加，體現(xiàn)了高層上升運動和對流的增強。從圖8d、e和f中可以看出，“21.7”特大暴雨事件相對于P3的環(huán)流異常場，更強烈的上升運動和更高的相對濕度能夠較好地對應(yīng)鄭州市及其南部地區(qū)的顯著降雨分布。同時，與華北地區(qū)的高CAPE值相對應(yīng)（圖5a—d），強烈的上升運動對降水產(chǎn)生了更大的貢獻?？傊?1.7”特大暴雨事件相對于P3下的環(huán)流異常場，水汽傳輸相對較弱，因此中高層的更顯著的相對濕度分布主要是由強烈的大氣層結(jié)不穩(wěn)定引起的。

為了研究與P3相比“21.7”特大暴雨事件中強烈垂直風(fēng)切變產(chǎn)生的原因，我們利用準地轉(zhuǎn)垂直運動方程對華北地區(qū)環(huán)流場進行了診斷分析。如方程（2）—（5）所示，ωvor表明了渦度平流隨著氣壓降低的變化，ωtemp顯示了溫度平流在特定高度層之間的移動，而ωdia體現(xiàn)了所有非絕熱加熱的影響，包括輻射、潛熱和表面熱通量（Hsu and Li，2011）。其中，非絕熱加熱項對上升運動的貢獻最大，幾乎是渦度平流和溫度平流貢獻的10倍（圖9和圖10）。

圖9展示了華北地區(qū)ωvor、ωtemp和ωdia從地表到200 hPa高度垂直方向平均值的空間分布。對P3（圖9a—d）而言，與ωvor、ωtemp相比較，ωdia對垂直速度的貢獻最大，尤其是在華北地區(qū)的中部，這也與可降水量、水平風(fēng)散度和水汽通量的大值區(qū)相對應(yīng)（圖9a—c）。相對貢獻較少的ωvor和ωtemp的大值區(qū)主要位于華北地區(qū)北部。三項的共同作用有利于華北地區(qū)中北部產(chǎn)生相對較強的垂直運動。

“21.7”特大暴雨事件與P3相比（圖9g），ωdia項的正異常中心與華北地區(qū)上空低層垂直風(fēng)切變負值區(qū)（圖7e）具有很好的對應(yīng)關(guān)系，表明受非絕熱加熱影響，“21.7”特大暴雨事件期間，850和200 hPa之間的水平風(fēng)散度相對P3要更加顯著。此外，真實降水有更加明顯的東北-西南方向分布，這表明了地形阻擋對降水分布的影響。與P3相比，“21.7”特大暴雨事件中垂直渦度項正值區(qū)的東北-西南分布傾向更加清晰（圖9e—h），這也與“21.7“特大暴雨事件中異常西北延伸的西太平洋副熱帶高壓和遠距離臺風(fēng)的配置所引起的更強烈的東南風(fēng)的影響相對應(yīng)。

圖10顯示了垂直方程中各項沿110°～115°E緯向平均的高度剖面。如圖10a—d所示，在P3下，ωdia在850 hPa及更高層中貢獻最大。850 hPa上ωtemp大值中心對鄭州及周邊地區(qū)對流層低層的上升運動有正貢獻，850 hPa以下高度的ωtemp項對該地區(qū)的渦度項僅有輕微的負貢獻。由圖10e—h可以看出，與P3相比，ωdia對“21.7”特大暴雨事件中鄭州市及其以南地區(qū)高層上升運動的增強作用更為重要。暖溫度平流在850 hPa以下的低層對垂直速度的影響更大，渦度平流則在200 hPa附近的高層對垂直速度的影響更大。ωdia在高低層都增強了影響效果。與溫度平流和渦度平流項相比，“21.7”特大暴雨事件與P3的距平場中非絕熱加熱項的強烈增加，對鄭州市及其以南地區(qū)的上升運動和垂直風(fēng)切變的增強貢獻最大，尤其是在850 hPa以下和500 hPa以上兩個高度層中，從而導(dǎo)致這些地區(qū)的降水更強（圖10e—h）。

5 結(jié)論和討論

本研究探討了華北地區(qū)特征環(huán)流天氣型的形成機制，從氣候?qū)W角度揭示了河南“21.7”特大暴雨事件的形成原因。結(jié)果表明，“21.7”特大暴雨事件屬于一種罕見的特征環(huán)流天氣型（P3），這一天氣型僅占華北地區(qū)夏季區(qū)域性極端降水總發(fā)生次數(shù)的5.97％。然而，在造成華北地區(qū)夏季區(qū)域性極端降水發(fā)生的3種環(huán)流天氣型中，以異常東北延伸的南亞高壓與西北太平洋上空增強的遠距離臺風(fēng)相互作用為特征的P3下降水極值的發(fā)生概率反而最高。

P3型下的大氣環(huán)流時間演變結(jié)果表明，高層異常向東北延伸的南亞高壓、異常西伸北抬的西太平洋副熱帶高壓和低層不斷擴張的遠距離強臺風(fēng)的配置是華北地區(qū)上空強烈的上升運動和水汽輸送條件形成的主要原因。太行山和伏牛山東緣的地形抬升作用也促進了對流層低層的輻合運動。與P3型下環(huán)流合成場相比，盡管“21.7”特大暴雨事件相對于P3下的水汽輸送略有減少，但更加強烈的上升運動大大提高了河南省的降水量。這表明“21.7”特大暴雨事件中增強的雙臺風(fēng)和異常東北延伸的西太平洋副熱帶高壓對輻合生成和不穩(wěn)定條件的貢獻大于對水汽供應(yīng)的貢獻，尤其是在河南省北部。與P3相比，在“21.7”特大暴雨事件中，850和200 hPa之間更大的高低層水平風(fēng)散度差和更強烈的上升運動對極端降水的產(chǎn)生起著更重要的作用。

基于準地轉(zhuǎn)垂直運動方程的診斷分析表明，與P3型下的環(huán)流合成場相比，“21.7”特大暴雨事件期間上升運動更強，進一步導(dǎo)致高低層之間更加劇烈的散度差和風(fēng)切變。其中，非絕熱加熱項在“21.7”特大暴雨事件高低層風(fēng)切變和強烈的上升運動中發(fā)揮了更重要的作用。在相同的特征環(huán)流天氣型下，強烈上升運動通過與非絕熱加熱之間的正反饋作用增強了降水的極端性，將“21.7”特大暴雨事件與其他特大暴雨事件區(qū)分開來。

本研究探究了“21.7”河南特大暴雨事件的主導(dǎo)大尺度環(huán)流天氣型，從氣候?qū)W角度探討了極為罕見的區(qū)域性極端降水事件類型的形成機制。該研究將區(qū)域性極端降水事件的產(chǎn)生和分布與環(huán)流天氣型相聯(lián)系，為表征和預(yù)測華北地區(qū)未來的極端降水提供了一個新的視角。未來的研究中，我們將應(yīng)用具有精細時空分辨率的數(shù)據(jù)和數(shù)值模型來進一步討論這個問題。

致謝：感謝南京大學(xué)高性能計算中心為本研究提供了計算資源。

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·ARTICLE·

Understanding the formation mechanism of the “21.7” extreme heavy rainfall event in Henan，China from a climatic perspective

ZHANG Zhiyu1，HUANG Anning1，2，HUANG Danqing1，ZHAO Dajun3，ZHANG Yan4，GU Chunlei1，CHEN Shuang1

1School of Atmospheric Sciences，Nanjing University，Nanjing 210023，China;

2Qinghai Lake Comprehensive Observation Research Station，Chinese Academy of Sciences，Gangcha 812300，China;

3State Key Laboratory of Severe Weather，Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China;

4National Satellite Meteorological Center，Beijing 100081，China

Abstract An extraordinary extreme heavy rainfall event during 19—22 July 2021 （“21.7” EHRE） attacked Henan Province of North China Plain （NCP） and led to tremendous catastrophes due to the record-breaking rainfall.Previous studies mainly focus on the individual case study of the “21.7” EHRE，which cannot give a general view of circulation characteristic from the climatic perspective，particularly for the extraordinary precipitation extremes with a rare occurrence.Based on 12-hourly observed precipitation data from rain gauge stations during 1960—2021 from CMA （China Meteorological Administration） and NCEP/NCAR reanalysis data，this study investigated the typical synoptic patterns responsible for the summer regional extreme precipitation events （REPEs） over NCP during 1960—2021 via the spectral clustering method and systematically revealed how the “21.7” EHRE occurred.Results show that the “21.7” EHRE occurred under a rare synoptic pattern featured by a distant typhoon over western Pacific accompanied by the farther northwestward extended western Pacific subtropic high （WPSH） and northeastward extended South Asia high （SAH）.This synoptic pattern only contributes 5.97％ of the total summer REPE occurrences over NCP but can lead to much stronger precipitation extremes.The water vapor transported by the strong southeasterly winds between the Typhoon In-Fa and WPSH from the western Pacific to Henan，and the intense ascending motion caused by wind shear between lower and upper troposphere over Henan Province led to the occurrence of the “21.7” EHRE.In addition，diagnosis analysis based on quasi-geostrophic omega equation indicates that the positive feedback on intense ascending motion and diabatic heating at lower troposphere over Henan province and surrounding areas distinguishes the “21.7” EHRE from the others under the same synoptic pattern.This study investigates the dominant large-scale synoptic pattern of the “21.7” EHRE in Henan to figure out the formation mechanism of the rarest REPEs in a climatic aspect.Findings of this study provide a novel perspective on characterizing and predicting future precipitation extremes in NCP by linking the occurrence and distribution of REPEs with the synoptic patterns.

Keywords “21.7” extraordinary extreme precipitation event in Henan;regional extreme precipitation event;synoptic pattern;spectral clustering

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20240515001

（責(zé)任編輯：張福穎）