引言

河南省地处黄淮西部地貌过渡区，既有太行山脉、伏牛山脉、桐柏山-大别山脉，又有南阳盆地和黄淮海平原，自北向南从暖温带半湿润区向北亚热带气候过渡，自西向东由丘陵山地向平原气候过渡，天气影响系统复杂，降水时空分布不均匀(栗晗等，2018；张建忠，2015；侯春梅等，2008)。河南省暴雨具有鲜明的季节性和地域性特征，全省夏季(6、7、8月)年均暴雨日为1.72 d，暴雨量为139.4 mm，占全年暴雨量的75%，贡献了夏季总降水量的36%。空间分布来看，暴雨日数和暴雨量总体从东向西、从南向北递减。但是，豫北地区为相对大值地区，尤其是持续2天的暴雨，豫北和郑州地区是高频中心(汪小康等，2018)。与暴雨分布有所不同，黄河以北的太行山东侧(新乡、安阳、鹤壁地区)是河南省短时强降水的频发区之一，其中7月频次最高，部分地区可达年均1次。针对这个区域内短时强降水的日变化分析发现，小时降水量呈明显的双峰型结构，其中下午峰值出现在17—21时(王婧羽等，2019)。

造成河南省日极值降水最重要的系统是台风，河南省的台风暴雨既可以发生在台风登陆阶段也可能发生在台风还远在海面上的阶段。登陆台风的典型影响个例如“75·8”暴雨，1975年8月7503号台风妮娜深入内陆，受豫西山地地形影响，在河南省移动受阻停滞且持续不消，在伏牛山的迎风面造成了过程降水量1 631 mm(8月4—8日)和日降水1 060.3 mm(河南泌阳县林庄)的强降水(丁一汇，2015；谭燕和陈德辉，2008)。2018年18号台风温比亚深入内陆以后，其北侧螺旋雨带持续发展，造成河南商丘睢县和拓城县8月16—21日累计降水量分别达到544 mm和522 mm(高拴柱，2020)。丛春华等(2012)将台风远距离降水定义为: (1)降水发生在台风范围之外；(2)该降水与台风存在着内在的物理联系。远距离台风影响的个例有：2000年7月5日河南新乡延津县日降水量达492.2 mm，是受台风启德的偏东气流影响，此时台风还远在菲律宾和我国南海上空。今年7月河南特大暴雨发生时，台风烟花还在西北太平洋上，属于远距离台风影响。

稳定的水汽输送是台风暴雨产生的重要条件(Lee et al，2011)，这样的水汽输送往往与低空急流有关。对于台风远距离暴雨，台风外围环流向暴雨区输送能量和水汽更是降水强度的关键因素(丛春华等，2011)。孙建华等(2005)研究发现，台风与低槽(低涡)远距离作用型台风暴雨约占华北暴雨个例总数的32.2%；此类远距离台风的作用主要是为台风东侧东南低空急流提供水汽输送。

地形对台风暴雨具有显著的增幅作用。“75·8”暴雨过程中地形对水汽可能起到两方面的作用，即强迫抬升和辐合作用，小地形雨强增幅约为23 mm·h^-1，相当于总降水的1/4~1/3(“75·8”暴雨会战北京组，1979；丁一汇等，1978)。对0908号台风莫拉克的研究表明，台湾西南部陡峭地形直接导致了台风莫拉克降水增幅(Fang et al，2011)，地形坡度、水平风强度、西南上坡气流内对流层中低层水汽含量是影响降水落区及强度的主要因素(Xie and Zhang, 2012)。

历史上我国出现过多次非常严重的极端降水过程，如河南“75·8”大暴雨，死亡人数超过2.6万，直接经济损失近百亿元(丁一汇，2015)。气象工作者从天气学和动力学等方向研究了此次致灾暴雨，总结了暴雨的天气学模型(丁一汇，2015)；揭示了不同尺度环流和天气系统的相互作用(丁一汇，2014)；发现了不同尺度的地形对暴雨的增幅作用，诊断了潜热反馈对强上升运动的重要作用等(丁一汇等，1978)。2012年7月21日，北京出现了24 h降水量460 mm的特大暴雨，造成了严重的人员伤亡和经济损失。针对“7·21”暴雨的深入研究，揭示了不同层次系统之间的耦合对降水强度的重要作用(谌芸等，2012；孙军等，2012)，以及局部地形和水汽条件对降水落区和强度的显著影响(王宁等，2014；王宇虹等，2015)。2016年7月18—20日，河南省发生了一次大范围强降水过程，豫北地区最大过程降水量达到732 mm。相关研究发现强降水与低涡发展的正反馈过程是降水维持的重要机制(雷蕾等，2017)，高低空系统的耦合以及中低纬度系统的相互作用是过程累计降水量大的主要原因(赵思雄等，2018)。这些针对极端降水过程的研究工作大大推动了中国暴雨机理研究和预报模式研发的进展。

2021年7月中下旬在河南省的中部、西部和北部发生了一场极端强降水过程(以下简称“21·7”河南暴雨)，即使与历史上的极端降水过程相比，河南此次特大暴雨的极端性仍非常显著，持续时间长，累计雨量大，暴雨落区集中，最大过程降水量出现在鹤壁科创中心，6天累计降水量达到1 122.6 mm，最大日降水也出现在科创中心，为777.5 mm，最大小时雨强为201.9 mm·h^-1，于20日17时出现在郑州国家站，仅仅小时极值雨量就远超过历史平均河南省7月总降水量(约175 mm)，日极值降水量更是超过河南省年均总降水量(约750 mm)，多站次破历史纪录，暴雨和洪涝造成了多人死亡和失踪(苏爱芳等，2021；2022；杨浩等，2022)。本文从降水多尺度影响系统、急流和地形对水汽来源、输送和辐合的影响角度，分析此次强降水的极端性和落区集中的原因，以期能够对极端暴雨的成因研究和预报技术研发产生一定的启发作用。

1 资料和方法

本文所用资料包括：(1)降水资料：全国范围内国家站及自动站日降水量和小时降水量，由国家气象信息中心提供；(2)ERA5再分析资料(水平分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h，垂直方向为25层)，网址https://cds.climate.copernicus.eu/，包含温压湿风等气象要素。资料时段均为2021年7月17日08时至23日08时(北京时，下同)。表 1给出了主要降水时段(19日08时至21日20时)、降水范围内、不同高度上的探空观测数据与ERA5再分析数据的温度、位势高度、风场和湿度场。对比结果可以清晰地看出，如将最近站点上的探空资料作为真值，ERA5再分析数据比较准确地再现了此次强降水过程大气的温压湿风信息，能够作为研究降水机制的可靠数据。

水汽输送特征分析中用到了水汽后向分析方法，所用水汽后向追踪公式为：

$ Q_{\mathrm{s}}=\frac{\sum\limits_{1}^{m} q_{\text {last }}}{\sum\limits_{1}^{n} q_{\text {last }}} \times 100 \% $

(1)

式中：Q_s表示通道水汽贡献率，q_last表示通道上最终位置的比湿，m表示通道所包含轨迹条数，n表示轨迹总数。目标区域为暴雨落区(“21·7”河南暴雨为33°~36°N、112°~115°E，“75·8”暴雨为32°~35°N、112°~115°E)，后向水汽追踪5 d，表征水汽来源地。

2 降水实况和环流形势背景 2.1 降水极端性

“21·7”河南暴雨区域性强降水从17日开始，持续到22日，全省2 647个站6天累计降水量平均达到224.1 mm，累计过程降水量大于250 mm的面积达到全省1/3，超过“75·8”暴雨，有179个站超过600 mm，800 mm以上站点达到30个(图 1a)。强降水落区集中在太行山东南侧、伏牛山东北侧的郑州、新乡、鹤壁和安阳地区，地市平均降水量前三位为：鹤壁(588.1 mm)、郑州(532.3 mm)和新乡(467.4 mm)。

“21·7”河南暴雨最强降水时段出现在19—21日，19日(图 1b)大暴雨(日降水超过100 mm)集中在郑州及其周边地区，特大暴雨(日降水超过250 mm)主要发生在郑州市区西侧和南侧的荥阳市、巩义市和新密市。20日(图 1c)降水范围与19日基本一致，但降水强度明显增强，特大暴雨覆盖了郑州大部和新乡中西部，400 mm以上的超强降水主要集中在郑州市区及其西侧的荥阳市和巩义市。21日(图 1d)雨带明显北移，强降水范围转移到焦作、新乡、鹤壁和安阳，其中400 mm以上的超强降水区面积超过20日。

2.2 降水环流形势

针对河南省暴雨过程环流背景开展的统计研究发现，台风和西风槽是最重要的影响系统，2005—2016年, 12年中河南省共发生暴雨241 d，台风影响占到了102 d，这其中远距离台风影响有74 d，远超登陆台风(28 d)。根据对流层中层的环流特征，远距离台风影响河南暴雨可以分为三种类型，其中高压型合成的环流形势(图 2a)为：贝加尔湖地区受高压控制，中纬度表现为多波动的西风气流，河南省西部为西风槽，东侧受副热带高压(以下简称副高)外围环流控制。此时，台风一般位于菲律宾以东洋面上，沿副高外围移动的台风北侧绕流是暴雨的重要水汽通道，另一条水汽来源于印度洋、孟加拉湾，穿越中南半岛到达我国中部地区。

“七下八上”是传统的北方主汛期。2021年受北美洲“热穹顶”事件的上下游效应影响，7月13日西太平洋副高提前大幅北抬，控制了东北、日本海上空；17—22日(极端降水发生期间，图 2b)平均副高脊线位置位于38°N，较常年平均偏北12~14个纬距；与此同时，蒙古高原长时间维持的高压中心又阻挡了上游系统东移，导致西风带低值系统在华北、黄淮地区长时间维持。河南暴雨发生时，台风烟花远在西北太平洋上，属于远距离台风影响。

将2021年“21·7”河南暴雨发生时的槽脊和环流形势场与远距离台风影响高压型的合成环流形势相对比发现，两者非常相似，降水主要发生在河南省的西部和北部。暴雨期间，对流层中层中高纬贝加尔湖附近为高压脊，巴尔喀什湖附近为低压槽，中低纬在40°E和140°E分别有高压中心，河南为低压中心，其西侧还有一个高压脊，河南位于两高之间(图 2b)。环流形势上看(图 3)，对流层中层河南位于东西两个高压反气旋环流之间，受中尺度的低压气旋环流影响，对流层低层19—20日气旋性切变中心在河南中西部和中北部；20—21日河南北部为西南、偏南、东南气流辐合区。异常偏北且稳定维持的副高南侧建立了稳定的水汽输送通道，加之切变线和辐合线的水汽集中作用，使得低层700 hPa上，河南中部、西部和北部始终维持接近饱和的相对湿度，引发强降水。

“21·7”河南暴雨时，台风本体并未登陆，远距离台风对强降水的主要作用是强盛稳定的台风外围环流对水汽的巨大输送能力，这次极端降水过程巨量的水汽来源于何处，如何被输送至中原大地，又是为何降水中心20日在郑州、21日在豫北？本文从引发强降水的直接原因——大量的水汽辐合的影响因素出发，研究急流如何加强水汽的输送和辐合，以及地形对水汽辐合的影响，初步诊断此次降水的成因。

3 水汽输送特征 3.1 水汽后向追踪特征

远距离台风影响高压型的合成环流形势显示，暴雨有两条重要的水汽路径，除了沿副高外围移动的台风北侧的绕流水汽输送以外，还有一条来自印度洋、孟加拉湾，穿越中南半岛到达我国中部的水汽通道(图 2a)。我们对著名的“75·8”暴雨和2021年的“21·7”河南暴雨进行了水汽后向追踪(图 4)，结果发现，“75·8”暴雨过程(图 4b)出现了3条水汽路径，但来自孟湾和南海地区的南侧路径水汽输送占到一半，来自西太平洋地区的经由黄海和东海进入的水汽贡献了另外一半，这与合成水汽路径类似。“21·7”河南暴雨(图 4a)则与两者差异显著，虽然同为3条主要水汽输送路径，但其中两条来自西太平洋的水汽输送通道贡献了82%的水汽(东南向通道2和偏东向通道3)，占比则明显偏大；南侧水汽输送通道仅贡献了18%(南向通道1)，且追踪5天时水汽来源主要为南海，与“75·8”过程比明显偏短，显示南侧水汽源地贡献小，水汽输送速度慢。

3.2 不同边界水汽通量特征

水汽后向追踪的结果显示暴雨水汽的主要来源是西太平洋，南海地区也有贡献，我们进一步研究这些水汽在到达河南省时的主要入流边界和入流高度层。图 5a给出了包含河南省降水范围(32°~37°N、110°~116°E)的东西南北四个边界的整层平均的水汽通量时间演变特征，由图可见，东边界和南边界为主要水汽输入边界，北边界和西边界始终维持水汽流出。18—19日东边界的水汽输入占主导，19日02时南边界水汽由负转正，且迅速增强，由于北边界和西边界的流出大致抵消了东边界的流入，所以南边界的水汽增强引发了总水汽流入的增加，水汽显著入流的时段出现在19—21日，与强降水时段一致，22日之后，南边界和东边界水汽输入均明显减弱，强降水随着减弱。

图 5b~5d给出了强降水开始时刻(19日08时)、豫中降水最强时刻(20日16时)和豫北降水最强时刻(21日20时)各个边界水汽通量的垂直分布特征。研究发现东边界和南边界水汽输入集中度和高度明显不同，东边界(橘色线)水汽输入中心位于边界层内的950 hPa层附近，峰值从强降水开始的55×10⁷ g· hPa^-1·s^-1逐渐增加到接近100×10⁷ g·hPa^-1·s^-1，但水汽入流始终仅出现在600 hPa以下，集中在边界层和对流层低层；而南边界(紫色线)峰值小于东边界，量值从15×10⁷ g·hPa^-1·s^-1逐渐增加到接近50×10⁷ g·hPa^-1·s^-1，但高度更高，厚度更大，对流层中低层均有水汽流入，中心在700~850 hPa。

3.3 不同高度水汽输送特征

图 6显示了不同高度层上的水汽输送特征，对比图 4a可见，降水的3条水汽路径位于不同的高度，其中1号南侧水汽输送路径高度最高，受“烟花”西侧气流和“查帕卡”东侧气流共同影响，缓慢运动到“查帕卡”北侧后，经由偏南气流从河南南部进入强降水区，产生辐合。2号和3号均为东侧水汽输送路径，2号水汽路径为对流层低层内的“烟花”西北侧水汽从东南方向进入强降水区，3号则为“烟花”北侧和副高南侧强的水汽通量由边界层内从偏东方向进入强降水区。

研究发现“21·7”河南暴雨主要水汽来源是西太平洋，受台风烟花西侧和北侧气流及副高南侧的偏东气流影响，另一个重要水汽源地是南海，受台风烟花和查帕卡的共同作用。输送至中原地区的水汽，一部分从东侧边界层和对流层低层内进入强降水区，另一部分从南侧对流层中低层进入强降水区。充沛的水汽供应和显著的水汽流入为强降水的发生奠定了基础。

4 低空急流和地形作用

在充沛的水汽输送背景下，降水发生在何时，又落在哪里，常与低空急流密切相关，低空急流尤其是边界层急流又常与地形密切相关。如图 1中填色所示，河南省地处黄淮西部地貌过渡区，整体来看西高东低，其北部西邻太行山，西部有海拔约1 000 m左右、西北—东南走向的伏牛山，而东部为黄淮海平原。

4.1 急流耦合对降水的影响

18日河南中北部开始出现8~10 m·s^-1的东南气流；19日(图 7a)在太行山南侧，伏牛山东北侧出现12 m·s^-1以上的偏东风低空急流；20日(图 7b)急流范围向北扩大，强度增加，东侧向海面扩展，与“烟花”西侧气流相连接，打通水汽通道；21日(图 7c)急流位置向北移动，范围收缩至豫北和河北南部，但强度再次增强，出现超过16 m·s^-1的东南风急流中心。

图 8给出了最强两天降水(20日和21日)的急流分布特征，与低空急流(红色箭头)的分布和演变类似，边界层内也存在一支生成于山前，并逐渐加强同时向北扩展的急流(黑色箭头)，与低空急流不同的是，边界层内的急流偏东风分量更大。Du and Chen(2019)利用高分辨率数值模拟了华南地区双低空急流过程，结果发现两个急流之间存在耦合作用，边界层急流出口区存在低层辐合，而低空急流导致中层辐散，从而引发两急流高度层之间的强烈上升运动。此次暴雨过程中，受西侧山地地形的阻挡，辐合和上升运动中心同样出现在边界层急流的出口区，两支急流重合的地方对应两高度层之间的垂直上升运动(填色)，且两者速度越大，上升运动越强。对比图 8a和8b中低空急流和图 1c和1d中强降水的位置，可以发现两者位置有很好的对应关系。这显示低空急流与边界层急流的耦合及其产生的上升运动是“21·7”河南暴雨过程局地强降水形成的直接原因，但是虽然急流辐合区和强降水都发生在山前，具体位置却不同，20日位于豫中，21日则出现在豫北。

4.2 地形降水作用机制

结合低空急流与河南省及周边地区的地形分布(图 8)可以发现，20日急流尤其是边界层急流偏东风为主，于是在太行山和伏牛山东坡及两山之间形成了急流辐合区和上升运动大值区；21日急流转为东南向，与地形相关联的辐合和上升运动更多地发生在豫北地区的太行山东坡。这就一定程度上解释了局地降水中心的成因，为何两天强降水中心的具体位置有显著差异。

“21·7”河南暴雨过程中地形对气流和降水的影响有动力和热力两个方面。热力抬升作用方面(图 9)，降水区东侧和南侧边界层和对流层低层内空气非常温暖湿润，气流在向西和向北输送的过程中，被西侧和北侧的山地阻挡上升，使得暖湿空气在山前堆积，山前相当位温增大，形成一个高温高湿的近中性的层结，这里非常有利于大暴雨的形成(伍红雨和杨康权，2011；孙军等，2012；陈元昭等，2016；陈传雷等，2017)。动力抬升机制方面(图 10)，由于太行山和豫西山地高度都较高(主体在500 m以上，图 8c和8d中灰色阴影所示)，且范围很大，对气流起到明显的阻挡作用(图 10a和10d)，迫使气流在山前辐合上升(图 10b~10f)，甚至可以在垂直风向上形成次级环流(图 10c)，并且这种阻挡抬升作用同时表现在偏东气流(图 10a~10c)和偏南气流(图 10d~10f)两个方面。在大地形热力抬升和动力阻挡抬升的共同作用下，强降水最终呈现沿地形在迎风坡一侧出现带状分布的特征。

5 结论与讨论

2021年7月中下旬河南中部、西部和北部的大范围地区发生了持续性极端强降水过程，造成了严重的人员伤亡和财产损失。文章重点关注直接引发降水的水汽，研究了水汽从何而来，系统如何影响水汽的输送，急流如何加强水汽的输送和辐合，以及地形对水汽辐合的影响。主要结论如下：

(1)“21·7”河南暴雨极端性体现在持续时间长、累计降水量大、暴雨落区集中等方面，最强降水20日出现在豫中，21日位于豫北。强降水发生在远距离台风高压型环流背景条件下，中纬度槽脊形势稳定，副高明显偏北，副高南侧台风烟花北侧建立起了稳定的水汽输送通道，受中尺度的低压气旋环流影响，配合切变线和辐合线的水汽集中作用，河南中部、西部和北部始终维持接近饱和的相对湿度。

(2) 暴雨水汽主要来自西太平洋，台风烟花西侧和北侧及副高南侧水汽路径贡献了82%，南海也是重要水汽源地。强降水区东边界的水汽供应稳定，但高度较低，主要集中在边界层和对流层低层内，南边界的水汽流入量与区域水汽总流入量和降水量相关性更高，其量值小于东边界，但高度较高，厚度更大，出现在对流层中低层和边界层内。

(3) 在充沛的水汽供应和显著的水汽流入的条件下，低空急流与边界层急流的耦合形成低层水汽辐合中心和上升中心；大地形对山前的暖湿空气起到了动力阻挡抬升和热力抬升作用，并与急流综合作用，使得强降水呈带状出现在山前，且20日位于豫中，21日在豫北地区。

贺晓露等(2020)研究发生在鄂东北一次暴雨过程发现，桐柏山、大洪山和大别山地形使得鄂东北近地面和边界层内的气流发生了绕流和爬升，在山后形成局地辐合，导致对流系统和降水的生成与发展。而“21·7”河南暴雨过程的研究却发现，这里的地形对气流起到阻挡抬升的作用，迫使大范围强降水出现在山前。对比两者地形发现，鄂东北地形范围较小，且高度在500 m以下，而河南西北的太行山和豫西山地主体高度都在500 m以上，且范围很大，那么这种地形条件的差异在降水位置差异的形成中占据了多大的贡献？我们未来计划通过更多相关个例的研究回答这个问题。