布和朝鲁 诸葛安然 谢作威 高枞亭 林大伟

1 中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心, 北京100029

2 吉林省气象科学研究所/长白山气象与气候变化吉林省重点实验室/中高纬度环流系统与东亚季风研究开放实验室, 长春130062

3 中国气象局人工影响天气中心/中国气象局云雾物理环境重点开放实验室/中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京100081

1 引言

2021 年7 月17～21 日，河南省出现了历史罕见的极端暴雨天气（“7.20”河南暴雨），其强降雨中心位于郑州、焦作、新乡等地。暴雨导致人员遇难和失踪，引发河道漫堤溃堤、城市严重内涝、农田被淹、交通停运，其造成的灾害极为严重。河南暴雨在7 月19 日08:00 至21 日08:00（北京时）最强，降水中心主要集中在以郑州为中心的豫中，郑州站20 日的日降水量高达663.9 mm（苏爱芳等,2021; 张 霞 等, 2021; 齐 道 日 娜 等, 2022）。21 日08:00 至22 日08:00（北京时），降水中心移到豫北安阳、焦作等地。

中国夏季强降水过程，一般都有非常强的水汽输送通道（陶诗言, 1980; 吴国雄, 1990）。夏季中国东部极端降水主要有两个水汽来源，一是来自副热带高压西侧和西南侧的偏南气流，二是来自印度洋—南海的夏季风气流，共同形成一个宽广的水汽输送带。强水汽输送带的形成是中国东部大暴雨发生的一个重要前提条件，整层水汽通量通常在200 kg m-1s-1以上（谢义炳和戴武杰, 1959; 王小玲等, 2017; 丁一汇等, 2020）。

最近的研究表明，大气河（Atmospheric rivers）是热带外地区的一类强水汽输送带，它对中纬度强降水事件的发生起到关键作用（Ralph et al.,2017a）。大气河是指一条长度为大于2000 km、宽度小于1000 km 且整层水汽通量（integrated water vapor transport）至少为250 kg m-1s-1的强水汽输送带。它通常出现于中纬度对流层3 公里以下，与冷锋前低空急流的强水汽输送有关。大气河对热带外地区水汽和降水分布具有关键作用，也影响区域和全球水循环过程（Waliser et al., 2012; Guan and Waliser, 2015; Ralph et al., 2017b）。当中国夏季强降水发生时，如果其伴随的水汽输送较强且集中在一个水汽通道，那么这也是一类大气河现象（丁一汇等, 2020）。后文分析表明，河南暴雨期间的水汽输送特征尽管不是热带外大气河最典型特征，但其水汽输送带的宽度、强度以及对流层顶附近的波破碎特征与大气河特征比较相近。

通过整层水汽通量来研究强降雨水汽来源的方法，主要是从欧拉观点出发，重点关注气流在某时刻的运动状态。而基于拉格朗日方法发展的轨迹分析方法为水汽输送研究提供了另一个途径。拉格朗日方法根据风场计算气块的三维运动轨迹，可以更清晰地追踪到气块源地。常用的拉格朗日轨迹模式有 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。近年来，这些轨迹模式广泛应用于水汽（江志红等, 2011, 2013; 杨浩等, 2014）、同位素（Salamalikis et al., 2015; 孟鸿飞等, 2020）、大气污染物（王爱平等, 2014）等的后向轨迹追踪研究。

充沛的水汽是“7.20”河南暴雨形成的必要条件。因此，刻画此次暴雨的水汽输送特征和来源无疑具有重要意义。本文使用ERA5 再分析资料，深入分析暴雨期间的水汽输送特征，并基于拉格朗日轨迹模式LAGRANTO 的最新版本 （version 2.0;Sprenger and Wernli, 2015）对气块进行后向轨迹追踪，揭示这次暴雨的不同水汽来源。LAGRANTO轨迹模式附带轨迹密度转换工具（Schemm et al.,2017），它将轨迹点转换成轨迹的平面密度图，以便能够更直观地刻画气块运动的水平分布。LAGRANTO轨迹模式记录气块位置，刻画气块的三维运动，同步追踪气压和温度等其他重要的气象要素。本文通过水汽通量诊断分析与LAGRANTO 轨迹模式分析相结合的方法，深入揭示河南暴雨的水汽输送特征和水汽来源。

就“7.20”河南暴雨的水汽供应而言，仅以双台风“烟花”和“查帕卡”和西太平洋副热带高压的水汽输送，难以解释7 月20 日发生的日降水量663.9 mm 和1 小时最大降水量201.9 mm 的极端暴雨事实（张霞等, 2021; 齐道日娜等, 2022）。因此，一定还会存在一条强水汽通量带，将充沛的水汽输送到河南地区，形成极端暴雨。那么，这条强水汽通量带在什么地方？其关键特征是什么？哪些天气尺度系统对这条强水汽通量带的形成和维持起到关键作用？这些将是本研究回答的关键科学问题。我们将在后文中揭示，对流层顶反气旋式波破碎过程与台风“烟花”的协同作用是7 月20 日河南暴雨的一个非常关键的原因。

2 数据与方法

2.1 数据

本文使用降水资料为国家气象科学数据中心2021 年7 月17～22 日河南省116 个国家级气象站小时降水资料（中国气象数据网，http://data.cma.cn [2021-07-23]）。文中使用欧洲中期天气预报中心ERA5 全球再分析资料（Hersbach et al.,2020），该再分析资料分为气压层资料（垂直方向1000～1 hPa，共37 层）和模式层资料（垂直方向共137 层，最高到0.01 hPa）。其中，气压层再分析资料用于比湿、风场及流线等的分析（见3.1和3.2 节），水平分辨率为1°×1°，时间间隔为6 h；LAGRANTO 轨迹模式输入场则使用ERA5 模式层再分析资料（3.2 节），水平分辨率为0.5°×0.5°，时间间隔为6 h。LAGRANTO 轨迹模式对气块的运动轨迹进行后向追踪，模式层资料分辨率高，精度高，分析结果会更准确。下文中，除非特别标注为北京时（BT），所出现的时间均为协调世界时（UTC）。

2.2 水汽通量

整层水汽通量可以写成（Sun et al., 2011）：

其中，g是重力加速度，q是比湿，ps是地表气压，pt是上边界气压，V矢量表示风速矢量。风速可分为纬向分量（u，向东为正）和经向分量（v，向北为正），因此整层水汽通量也可以写纬向和经向分量形式：

2.3 LAGRANTO 轨迹模式

为分析河南暴雨的水汽来源，使用LAGRANTO轨迹模式后向追踪气块的三维运动轨迹，记录轨迹的水平位置、气压、温度、位温、比湿等气象要素。

LAGRANTO 轨迹模式假设气块随风场三维运动，以气块在一个时间步长内的运动为例，气块在t时刻初始位置为x，t+Δt时刻到达新位置x*，在第一次迭代后，

通过多次迭代（可自行设置迭代次数。本文采用了默认迭代次数，即12 次）可以获得气块最终新位置（Sprenger and Wernli, 2015）。到达新位置后，根据气块新位置读取速度等物理量，进行下一个时间步长的轨迹计算。

LAGRANTO 轨迹模式与其他轨迹模式相比，可以更灵活的选择气块的位置和高度，并且可以将每个时间步长对应的气块位置转换成轨迹密度（Schemm et al., 2017）。其中，密度转换工具将所有轨迹转换为1°×1°经纬度网格的轨迹密度，即统计每个格点±0.5°经纬度内的轨迹点数。

2.4 轨迹模拟方案

运行LAGRANTO 轨迹模式，需要先确定轨迹模拟方案，包括后向追踪的初始场水平和垂直分布，以及后向追踪的时间间隔和持续时长。首先，我们给出初始场的水平分布。图1a 给出2021 年7 月17 日08:00 至22 日08:00（北京时）河南地区累计降水量，可以看到降水中心集中在河南省中部和北部。因此，我们选取区域（33°～36°N，111°～115°E）中的格点作为轨迹模式初始位置，它覆盖河南省累计降水较大的区域。LAGRANTO 轨迹模式提供的密度转换工具是按照1°×1°经纬度网格统计，因此轨迹模式初始场的水平分辨率选定为1°×1°。其次，要给出初始场的垂直分布。图1b为2021 年7 月17～22 日平均比湿沿34°N 经度—气压剖面图，可以看到500 hPa 以上水汽含量比较少，水汽多集中在对流层中下层。在110°～117°E经度范围内，850 hPa 上比湿可达14 g kg-1，而500 hPa 和400 hPa 上比湿最大值分别为5 g kg-1和3.5 g kg-1。因此，初始场在900 hPa 和500 hPa间选取，共12 层。整个模拟空间的轨迹初始点为223 个（每层20 个初始点，低层需去除部分低于地形的点）。最后，需给出后向追踪的时间选择。数据使用一日4 次的ERA5 模式层再分析资料。因此在模拟轨迹时每隔6 h 输出一次轨迹点的位置，并插值得到相应位置上气块的气压、相对湿度、位温等物理性质，以新位置为起点读入速度，继续追踪6 h。持续时间根据具体问题选定，针对本次河南暴雨事件，我们选择3 天或4 天。

图1 2021 年（a）7 月17 日08:00 至22 日08:00（北京时）河南省累计降水量（单位：mm）分布和（b）7 月17～22 日的平均比湿沿34°N 的经度—气压垂直剖面（单位：g 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 轨线筛选条件

气块到达河南时，不同轨线所携带的水汽含量各不相同，拉格朗日后向追踪只给出气块运动过程，没有判定气块的其他物理性质。因此，为了找出造成强降水的水汽来源，还需要加入轨线的筛选条件，要判定气块是否携带较多水汽。下面以7 月21 日00:00 为例说明筛选轨线的过程。从t（7 月21 日00:00）开始后向追踪，初始场有n（n=223）个格点，每隔Δt（Δt=6 h）记录一次轨迹点（7 月20日18:00、7 月20 日12:00…），重新记录n个格点的信息，并同步追踪所有轨迹点的比湿，至7月18 日00:00 截止，完成连续3 天的追踪过程。共记录n条轨迹，每条轨迹记录k次（12 次，每天4 次，低于地面等情况会记入缺省值）。所有轨迹点n×k（=223×12）的比湿平均值记为

如果某个轨迹点的比湿Qi大于Qave，则可以认为该轨迹点对应着较强的水汽输送。

在3.2 节中，对每天4 个时次的轨迹密度做了日平均处理，相应的Qave也取四个时次的日平均。

3 河南暴雨水汽输送特征

3.1 水汽通量分析

其中，副热带高压与台风“烟花”之间的东风气流，将太平洋上的水汽输送到大陆，东风到达大陆以后转为东南风；东南风气流将台风“烟花”和台风“查帕卡”之间辐合的水汽直接输送到河南。这两个水汽输送带在河南区域汇合时水汽通道有所变窄。河南上空的比湿和水汽通量，相较于同纬度地区都偏大。30°N 以北和120°E 以东地区由副高控制，副高西北侧的强西南气流，对应一条比湿大于12 g kg-1的水汽输送带，将湿空气输送到东北地区。700 hPa 情况（图2b）与850 hPa 的类似，比湿和水汽通量比850 hPa 的值小一些，河南一带比湿可达10 g kg-1，接近台风边缘和中南半岛的比湿。从我国华南到达河南地区，西南—东北向的湿舌非常明显。相对而言，500 hPa 和400 hPa 比湿变小（图2c 和d），但河南区域相较于周边地区仍然有较多水汽。由图2c 和d 可见，对流层中层及以上，从低纬度地区指向河南区域的湿舌非常明显。由此可见，就河南暴雨期间的水汽输送而言，除了对流层低层台风和副高的作用之外，对流层中高层的中纬度系统也可能起到关键作用。

图2 2021 年7 月18 日08:00 至21 日08:00（北京时）的平均比湿（填色，单位：g kg-1）和等压面平均水汽通量（箭头，单位：m s-1 g kg-1）：（a）850 hPa；（b）700 hPa；（c）500 hPa；（d）400 hPa。河南省界以红色线标出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

图3 显示整层水汽通量逐日演变情况。河南暴雨发生时，河南一带一直存在一条强劲的自东南向西北的水汽输送带。副热带高压稳定存在且偏北偏强，副高南侧的台风“烟花”缓慢向西移动，海南岛东侧的台风“查帕卡”缓慢向西北移动。17 日（图3a）到18 日（图3b），河南区域上空的涡旋强度减弱，河南降雨主要是对流性降水，暴雨点较分散（张霞等, 2021）。此时水汽主要来自于涡旋东北侧的东南—西北向水汽输送，副高和台风“烟花”在130°E 以东，离大陆较远。19 日（图3c）副热带高压和台风“烟花”都继续向西移动。这时黄海到东海区域存在反气旋式流场，这归因于台风“烟花”引起的次级环流及下沉运动（图略）。关于2018 年夏季华北高温热浪的研究中，Lu et al.（2020）强调了类似的台风（“云雀”）引起的次级环流影响，并指出该台风有利于华北高压的持续维持。19 日（图3c），副高南侧和台风“烟花”北侧之间的东风气流与来自中国南部的南风气流汇合，在河南一带局部形成了大于250 kg m-1s-1的水汽通量，将太平洋和中国南部的水汽输送到河南区域。与17 日和18 日情形不同，此时海陆之间的强水汽通量带（大于250 kg m-1s-1）已经形成。由表1 整层水汽通量可知，19 日河南区域水汽通量最大值达到534 kg m-1s-1，其中向西水汽通量最大值为505 kg m-1s-1，向北水汽通量最大值为352 kg m-1s-1，向西水汽通量更大些。20 日（图3d），河南区域降水最强，与19 日相比，副高与台风“烟花”西移到大陆附近，台风“烟花”强度明显增强，副高与台风“烟花”之间的东风水汽输送更加强劲，这时与台风“烟花”有关的反气旋式流场西移到大陆上空，形成了一条宽广的强水汽输送带（大于250 kg m-1s-1）。同时，由于台风“烟花”的西移，它与台风“查帕卡”的位置更接近，台风“烟花”西北侧的东北气流与台风“查帕卡”东北侧的东南气流在华南沿海一带辐合，然后形成一条通向河南的南风水汽输送带，给河南带来更加充沛的水汽。由表1 整层水汽通量可知，20 日河南区域水汽通量最大值达到594 kg m-1s-1，向西水汽通量最大值为425 kg m-1s-1，向北水汽通量最大值为536 kg m-1s-1。与19 日相比，向北水汽通量则明显增强，而向西水汽通量变化则并不明显。向北和向西两支强水汽通量带的汇合使20 日的整体水汽通量“爆发性”增强，这与20 日河南最强降水量相一致。21 日（图3e）台风“烟花”西移到大陆，两个台风气流的汇合减弱，到达河南区域的偏南气流相比20 日变弱，水汽通量最大值位置比20日偏北。22 日（图3f）东南风和南风都减弱，河南区域水汽通量变小，降水过程逐渐减弱至结束。

图3 2021 年7 月（a-f）17～22 日1000～300 hPa 日平均整层水汽通量（箭头，单位：kg m-1 s-1）和水汽通量散度（填色，单位10-4 kg s-1）。右下角标度尺为1000 kg m-1 s-1，其中红色（蓝色）箭头表示大于或等于（小于）250 kg m-1 s-1。河南省界用黑色线标出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 区 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

降水的发生不仅与水汽通量相联系，还取决于水汽通量的辐合强度。在图3 中，整层水汽通量辐合（填色）最强的地方正对应着暴雨或强降水区域。17 和18 日河南区域水汽通量辐合不是特别强，水汽通量散度大于-6.0×10-4kg s-1；19 日时河南地区水汽通量辐合开始变强，最强辐合中心位于河南西北（水汽通量散度小于-6.0×10-4kg s-1）；20日水汽通量辐合达到最大值，辐合中心位于河南北部郑州附近（水汽通量散度小于-10.0×10-4kg s-1），正好对应20 日郑州附近的极端暴雨；21 日水汽通量辐合仍很强，但辐合中心已向北移动，22 日水汽通量辐合明显减弱，辐合中心也移出河南省。

图4 给出了19 日和20 日的三个不同层的水汽通量情况。表1 给出不同层水汽通量的最大值以及向北和向西通量的最大值。在对流层低层（1000～850 hPa），到达河南的水汽通量（图4a 和b）主要来自副高和台风“烟花”之间的东风气流水汽输送。20 日1000～850 hPa 水汽通量最大值比19 日有所增强（表1），水汽通量大于100 kg m-1s-1的区域有所变宽（图4a 和b），但这两日都以向西水汽通量为主要特征，差异不明显。另外，这两日的水汽通量辐合情况也没有明显的差异。这说明，仅以低层水汽通量不足以解释这两天降水量的明显差异，也就无法解释20 日的极端暴雨的水汽来源。

在850～700 hPa（图4c 和d）层，19 日水汽主要来自东南风水汽输送，20 日除东南风以外，来自河南南侧的经向水汽输送则明显增强。由表1 可知，850～700 hPa 水汽通量最大值比1000～850 hPa层的小。19 日向西水汽通量最大值（180 kg m-1s-1）明显比向北水汽通量（112 kg m-1s-1）的大，但20 日向北水汽通量最大值明显变大（187 kg m-1s-1），与向西水汽通量（186 kg m-1s-1）的相当。在700～300 hPa 层（图4e 和f），19 日水汽通量较小，20日在河南区域出现明显的西南风和南风水汽输送。由表1 可知，19 日850～700 hPa 和700～300 hPa层的向北水汽通量最大值非常相近，分别为110和112 kg m-1s-1，但700～300 hPa 层的向西水汽通量最大值明显小于850～700 hPa 层。20 日700～300 hPa 层向北水汽通量增加到190 kg m-1s-1，与该日850～700 hPa 值（196 kg m-1s-1）相当。与19 日不同，20 日的向北水汽通量在850 hPa 以上有明显增强，使得整个向河南区域的水汽输送发生急剧增强。

图4 2021 年7 月19 日（左列）和20 日（右列）各层日平均水汽通量（箭头，单位：kg m-1 s-1）及其散度（填色，单位：10-4 kg s-1）分布：（a、b）1000～850 hPa 层；（c、d）850～700 hPa 层；（e、f）700～300 hPa 层。其中红色（蓝色）箭头表示大于或等于（小于）100 kg m-1 s-1。河南省界用黑色线标出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

在河南区域，850 hPa 层以上的水汽通量散度（图4；填色）在19 日和20 日也有明显变化。19日（图4c），850～700 hPa 层水汽通量在河南省外西北侧有强辐合中心，20 日（图4d）在郑州一带和河南北部出现了较强辐合中心（水汽通量散度小于-3×10-4kg s-1）。700～300 hPa 水汽通量辐合情况变化更为明显，19 日（图4e）水汽通量在河南区域辐合很弱（水汽通量散度大于-2×10-4kg s-1），但20 日（图4f）在河南北部出现了非常强的辐合中心（水汽通量散度小于-3×10-4kg s-1），且与同日河南区域850～700 hPa 水汽通量的辐合强度相当或更强。由此可见，850 hPa 以上向北水汽通量的急剧增强和强烈辐合是20 日河南极端暴雨的一个重要原因。

下面对比QS（图5a）和QE（图5b）随时间和高度变化情况。首先，QS在7 月19 日开始增强，20 日为最强，之后就减弱了。与之相比，QE在7月18～21 日并没有明显的逐日变化，但有清晰的日变化，12:00 最强。其次，强日平均QE（大于3×105m2s-1）出现在850 hPa 以下，表征边界层低空急流，而强日平均QS（大于3×105m2s-1）出现在850 hPa 以上和700 hPa 以下，表征与天气系统有关的低空急流（刘鸿波等，2014）。“7.20”河南暴雨最强时段是北京时间20 日下午，对应于协调世界时20 日06:00～12:00。在这个时段QS（图5a）明显增强，大于2×105m2s-1（3×105m2s-1）的水汽通量层达到600 hPa（700 hPa）高度。与之相比，QE大于2×105m2s-1（3×105m2s-1）的高度只达到750 hPa（800 hPa）。由此可见，850 hPa以上QS急剧增强并在河南地区辐合，无疑是7 月20 日河南极端暴雨的一个重要原因。

我们也考察了7 月20 日4 个时次的整层水汽通量及其散度的演变情况（图6）。20 日00:00（北京时间08:00），郑州附近的水汽通量辐合非常强（图6a），达1.6×10-3kg s-1，但对应的降水量并不是最强。此时段为暴雨中尺度对流复合体发生阶段，复合体内部存在多个发展的中尺度系统，但对流不旺盛（齐道日娜等, 2022）。20 日06:00～12:00 是极端暴雨发生时段，郑州附近的水汽通量辐合很强（图6b 和6c），尽管它稍弱于20 日00:00的辐合情况。这一时段是对流复合体内部的β 中尺度对流系统不断合并和强烈发展阶段（齐道日娜等, 2022），也是QS急剧增强的时段（图5a），与极端暴雨的发生时间相吻合。18:00，尽管水汽通量及其辐合仍很强（图6d），但辐合中心已经移到郑州东北侧，郑州附近的降水开始减弱。上述事实表明，除了水汽通量的强烈辐合以外，850 hPa 以上QS急剧增强确实是7 月20 日河南极端暴雨发生的一个关键原因。

图5 由河南区域（a）南边界和（b）东边界流入等压面的水汽通量（单位：105 m2 s-1）随时间和高度的变化。横坐标为时间，从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

图6 2021 年7 月20 日00:00、06:00、12:00、18:00 四个时次1000～300 hPa 整层水汽通量（箭头，单位：kg m-1 s-1）及其散度（填色，单位：10-4 kg s-1）。右下角标度尺为1000 kg m-1 s-1，其中红色（灰色）箭头表示大于或等于（小于）250 kg m-1 s-1。河南省界用黑色线标出，郑州站用绿色圆点标出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

我们也根据公式（4）计算了7 月19～21 日的垂直水汽通量分布（图略）。暴雨期间，河南区域存在非常强的垂直水汽输送，在500 hPa 都能看到非常强的垂直水汽通量，其中20 日垂直水汽输送在500 hPa 层明显强于19 日和21 日。这进一步说明，20 日850 hPa 以上的向北水汽通量剧烈增强并在河南附近辐合，为河南地区强对流发展提供了动力条件和源源不断的水汽来源。此外，19～20 日垂直水汽通量中心和强降雨中心在河南中部，21日时强降雨中心移向河南北部（苏爱芳等, 2021; 张霞等, 2021）。

3.2 水汽来源追踪

这一节我们对LAGRANTO 轨迹模式后向追踪结果进行统计，确定河南暴雨的水汽来源。LAGRANTO 轨迹模拟方案已在在2.4 节中介绍，后向追踪持续3 天或4 天，起始时间为2021 年7月18～21 日的每天4 个时次（00:00、06:00、12:00和18:00）。

对持续3 天的方案，使用密度转换工具计算与每个初始时刻对应的轨迹密度。图7a-d 为日平均轨迹密度。轨迹密度表示223 个气块持续3 天的水平运动位置。由于气块最终都会汇聚到初始场，气块运动位置离初始场越近，轨迹密度就会越大。反之，气块运动位置离初始场越远，轨迹密度就会越小。

图7 采用后向持续追踪3 天的方案情景下初始场为2021 年7 月（a、e）18 日、（b、f）19 日、（c、g）20 日和（d、h）21 日的日平均轨迹密度（左列）以及轨线平均比湿Q 大于12 g kg-1 的轨迹密度（右列）。蓝色方框为LAGRANTO 轨迹模式的初始场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

轨迹密度图通常结合流场来分析。图8 为7月16～21 日700 hPa 流线。可以看到，16～18 日河南受低涡系统影响，18 日之后低涡减弱和消失。17～21 日，副热带高压向西北移动，台风“烟花”向西移动，台风“查帕卡”位置变化不大。18 日轨迹密度大值区主要在中国东海、中国华南/西南以及河南北部（图7a），其中河南北部的大值区与低涡环流有关。发生暴雨的19～20 日（图7b和c），到达河南的气块主要来中国东海以及中国华南/西南，河南北部的轨迹密度已减弱。19 日靠近河南区域密度比较集中，密度最大值为62；密度大于50 的格点呈东南—西北向分布，对应来自海上的东南气流；密度大于30 的格点呈南北向分布，对应南风和东南风气流；密度大于10 的格点基本上涵盖了大陆区域。与19 日相比，20 日河南附近密度变小，最大密度减少为43，这主要是由于20 日风速更大（图3c、图3d 和图5a），气块能更快地从远处移到河南。密度大于30 的格点呈现圆形分布，对应20 日南风和西南风气流的加强；密度大于10 的格点呈东南—西北向分布，能延伸到较远的东海，对应副高和台风“烟花”之间的东风气流。21 日（图7d），可以追踪到从太平洋移过来的气块，这时台风“烟花”更加靠近大陆，台风和副高之间的风速使气块运动的距离会更长。总之，轨迹密度图反映了气块来源及河南附近汇集的特征，同时也反映了20 日南风气流的增强及其对应的河南附近轨迹密度减少的现象。这些特征与上一小节水汽通量分析结果相一致。

图8 2021 年7 月16～21 日东亚/西太平洋区域700 hPa 流场，其中蓝色框为LAGRANTO 模式初始场选定范围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

为了揭示河南暴雨水汽来源，须针对携带更多水汽的气块轨迹进行分析。按照2.5 节中Qave的定义，我们计算了18～21 日的日平均Qave，分别为12.5 g kg-1、11.9 g kg-1、12.0 g kg-1及11.1 g kg-1。我们筛选比湿大于Qave的轨迹点，制作了18～21日轨迹密度图（图略）。它们与比湿阈值为12 g kg-1的轨迹密度图（7e-h）基本一致。18 日（图7e）中国东海、中国华南/西南以及河南北部均有高湿气块轨迹。而19～20 日（图7f 和g），水汽主要来源于中国东海、中国华南/西南两个部分，河南北部水汽来源的影响减弱。19 日（图7f），气块比湿最大值为18.1 g kg-1，轨迹密度最大值为44。密度小于10 的格点呈东南—西北分布，覆盖面积大，对应副高和台风“烟花”之间的东风气流水汽输送；而密度大于10 的格点主要为南北方向分布，对应南风气流的水汽输送。20 日（图7g），气块比湿最大值为18.4 g kg-1，轨迹密度最大值为37，与19 日相比在河南附近轨迹密度有所减小，对应于20 日增强的南风水汽通量。20 日，南风气流携带大量水汽到达河南，为河南极端暴雨提供了充足的水汽来源。21 日，高湿气块轨迹密度范围开始减少（图7h）。

图9 给出持续4 天方案的结果，与持续3 天（图7e-h）的方案相比，高湿气块轨迹特征基本一致，但轨迹密度大于10 的区域有所扩大，包含了多一天的运动轨迹。在两个方案中，中心区域轨迹密度分布基本一致，与前面得到的结论相一致。

图7 和图9 中的轨迹密度分析主要描述气块的水平分布特征，无法提供气块的垂直运动信息。下面我们使用后向追踪3 天的方案，追踪7 月19 日和20 日高湿气块轨线（比湿大于12 g kg-1），分析其水平和垂直运动特征（图10a 和b）。由图10a 和b 可见，就到达河南的高湿气块轨迹来讲，随偏东风气流运动的气块轨迹高度较低，随南风气流的气块轨迹高度较高，两股气流在河南区域汇合，形成了河南区域强烈的辐合和垂直运动。7 月19日的后向追踪轨迹中，抬升最大的气块可以从965 hPa 上升到550 hPa（图10a）。随偏东风气流运动的气块高度较低，到达河南区域以前基本不发生变化，到河南区域后才发生上升运动。这与台风“烟花”西北侧生成反气旋式流线的事实一致（图4c 和图8d）。随偏南风运动的气块轨迹的高度较高，到达河南区域后也迅速升高。随西南风气流运动的气块，其运动过程表现为“气旋式”运动，到达河南区域时进一步抬升。7 月20 日的后向追踪轨迹中，垂直方向变化最大的气块可以从955 hPa上升到550 hPa（图10b）。同样，随东风气流运动的气块在到达河南前基本没有爬升。20 日最明显的变化是随偏南风运动的高湿气块轨线增多。19 日，河南南侧的气块沿涡旋型轨线到达河南。但在20 日，随偏南风气流运动的气块基本沿直线直接向河南移动，没有明显的涡旋型轨迹。

图9 同图7e-h, 但为采用后向持续追踪4 天的方案Fig. 9 Same as Fig. 7e-h, but with the scheme for backward tracking for 4 days

图10 初始场为2021 年7 月19 日06:00（左列）和20 日06:00（右列）的轨线分布：（a、b）起始点位于900～500 hPa 层的所有轨线；（c、d）起始点位于900～850 hPa 的轨线；（e、f）起始点位于850～700 hPa 的轨线；（g、h）起始点位于700～500 hPa 的轨线。其中每条轨线必须满足平均比湿大于12 g kg-1 的条件，线条的颜色代表对应的气压值（hPa），黑色方框与图7 蓝色方框一致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

按照模式追踪的起始点的不同高度，可以将图10a 和b 中的轨线分成三类，它们起始点分别位于900～850 hPa（图10c 和d）、850～700 hPa（图10e和f）和700～500 hPa（图10g 和h）。到达900～850 hPa（起始点）的气块主要沿东风气流和东南风气流运动，这些气块在运动过程中没有发生明显的高度变化。沿副高和台风“烟花”之间东风气流运动的气块高度基本在900 hPa 以下。而沿中国南部东南风气流运动的气块则稍高于900 hPa。在对流层低层（850 hPa 以下），19 日和20 日到达河南的轨线分布基本一致，没有明显的差异。

起始点位于850～700 hPa 之间的气块，从19日到20 日沿东风气流运动的变少，沿南风气流运动的气流变多。沿副高和台风“烟花”之间的东风气流运动的气块，有一部分在到达河南以后才上升。19 日，由河南南侧到达河南的高湿气块具有“气旋式”运动特征，有的气块沿涡旋东翼能够上升到750 hPa。20 日，河南南侧的轨线则直接移向河南，没有明显的涡旋运动。可见，19 日高湿气块从河南东南侧进入河南，而20 日高湿气块从河南东侧和南侧两侧汇合，水汽通量辐合更强（图4c和d）。起始点位于700～500 hPa 的高湿气块轨线明显比低层的少，它们靠近河南区域时发生了强烈的上升运动。19 日，轨线主要来自于河南东南侧和东北侧，气块接近河南时逆时针旋转。20 日，到达河南的轨线由河南南侧和东南侧向河南地区汇合，辐合特征明显加强。综上所述，850 hPa 以上到达河南的高湿气块的轨线特征在19 日和20 日之间发生了关键的变化。19 日，高湿气块从河南的东南侧和东北侧进入河南，水汽辐合相对而言不是特别强；而20 日，高湿气块从河南东侧和南侧两侧汇集到河南，水汽通量辐合更强，与该日的极端暴雨事实一致。

为了定量描述进入河南的高湿气块轨线在19日和20 日的变化，我们给出了这两日从河南东边界和南边界进入的轨线数量及差异（表2）。我们按照图10 中的轨迹分类标准，将高湿气块第一次进入初始场的边界位置进行标记，以此界定气块进入河南的具体边界。由表2 可见，19 日从东边界进入的轨线有94 个，但20 日减少为42 个。与此形成鲜明对比，19 日从南边界进入的轨线有30 个，但20 日增加到57 个。特别是850 hPa 以上层进入初始场的轨线，19 日到20 日，从东边界进入河南的轨线由65 个减少为26 个（减少60.0%），而从南边界进入河南的轨线由22 个增加到43 个（增加95.5%）。这些事实进一步证实，20 日高湿气块从河南南侧涌入河南，使河南地区的水汽通量辐合急剧增强，从而导致该日极端暴雨事件。

表2 2021 年7 月19 和20 日从不同边界进入河南区域的轨线数量Table 2 Number of trajectories entering Henan area from different borders on 19 and 20 July 2021

这一小节我们基于轨迹密度图和气块轨线分析，揭示了河南暴雨水汽来源，并给出了19 日和20 日进入河南的高湿气块轨线分布特征及差异。分析结果表明，850 hPa 以上，河南南侧南风分量的急剧增强和与此对应的高湿空气自南侧涌入河南区域是20 日极端暴雨发生的一个重要原因。这一结果与上一节的水汽通量分析结果相一致。

3.3 对流层上层环流异常及对流层顶波破碎现象

由3.1 和3.2 节分析可知，7 月20 日河南地区700 Pa 及以上的偏南风水汽输送突然增强（图4d和f），导致20 日极端暴雨灾害的发生。而与副高和台风有关的东风和东南风水汽通量的大小在19 日和20 日间的差异并不明显。那么，7 月20 日河南南侧的向北水汽通量在对流层中高层突然增强的原因是什么？为了回答这一问题，下面我们从对流层上层环流异常及对流层顶波破碎现象的角度进行分析。

图11 展示了7 月19 日和20 日06:00 250 hPa、500 hPa 以及700 hPa 位势高度场和风场分布。可以看到，对流层中高层环流在19 日和20 日发生了明显的变化。19 日，在250 hPa 高度场上，河南西侧有一个低压槽，河南区域受槽前暖湿气流和高压脊的影响，与之对应，在其暖湿气流下方生成一个西南—东北向的弱低涡系统（500 hPa），中心在河南以西。这时，700 hPa 上，河南及以南地区上空主要受东南风气流影响，还没有强南风分量生成。20 日，在250 hPa 高度场上，河南以西的低压槽在向西南和东北方向延伸的同时变窄，演变为一个长斜槽。这时该槽前的暖湿平流明显增强，与之对应，暖湿气流下方（500 hPa）形成了一个明显的低涡环流，而河南上空则直接受到该低涡系统偏南气流的影响。低涡系统的生成原理与经典的锋面气旋生成原理（Martin, 2006）一致，都是上空暖平流诱发下方涡旋的生成。不过，涡旋生成的高度不同，锋面气旋生成于近地面，暖平流在对流层中层，而在此次河南暴雨过程中，低涡系统生成于对流层中层，其暖平流在对流层上层或对流层顶附近。20 日，500 hPa 低涡系统的影响也反映在700 hPa 上，该气压层上增强的南风和西南风将充沛的水汽带到河南区域，引起该日的极端暴雨灾害。需要指出的是，20 日河南上空850～500 hPa 层南风分量及其水汽输送的急剧增强与台风“烟花”的向西北移动有关。与台风有关的质量补偿过程引起次级环流（Lu et al., 2020），其下沉气流在台风西北侧形成反气旋流场。20 日随着“烟花”的向西北移动，这一反气旋流场也更加靠近河南，从而进一步加强了它与低气压系统之间的气压梯度。与之对应，河南南侧850～500 hPa 层南风分量则进一步增强。

图11 2021 年7 月19 日06:00（左列）和20 日06:00（右列）位势高度场（等值线，单位：gpm）和风场（箭头，单位：m s-1）分布：（a、b）250 hPa；（c、d）500 hPa；（e、f）700 hPa。等值线间隔在（a、b）中为20 gpm，而在（c-f）中为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 长斜槽的形成是20 日河南极端暴雨的一个重要环流原因。那么，我们如何理解20 日长斜槽的生成现象呢？为了回答这个问题，我们绘制了对应的动力对流层顶位温场（图12）。研究表明，两个位涡单位面（2 PVU，PVU=10-6K kg-1m2s-1）可以代表动力对流层顶（Hoskins et al., 1985; Morgan and Nielsen-Gammon,1998; Martin, 2006; Wernli and Sprenger, 2007）。由图12 可见，20 日在河南以西出现了对流层顶360 K 等值线向南伸入的现象，这与上述250 hPa长斜槽的形成相对应。19 日，河南西北侧的360 K等位温线延伸到37°N 附近，但在20 日该等位温线突入到30°N 以南地区。这其实就是对流层顶波破碎现象，即天气尺度Rossby 波的反气旋式破碎现象（LC1 type, Thorncroft et al., 1993），表征平流层和对流层大气不可逆转的混合现象（Hoskins et al., 1985; Pelly and Hoskins, 2003）。当波破碎发生时，平流层低位温大气向低纬地区伸入，形成一个狭长的低位温斜管，其东翼附近形成强位温梯度和强南风分量（Morgan and Nielsen-Gammon, 1998），从而有利于对流层中下层低涡和低空急流的生成（Ralph et al., 2011）。正因为如此，对流层顶附近的波破碎现象也被认为是北美大陆西岸大气河和极端降水发生的主要原因（Ralph et al., 2011; Ralph et al., 2017a, 2017b）。20 日的波破碎事件对应着对流层上层强西南气流的生成，与之对应，低位温斜管（360 K 管）或长斜槽的前方就是强西南风区，其下方正是低涡或切变线生成的地方，从而有利于偏南风和向北水汽通量的急剧增强。7 月20 日的河南极端暴雨就在这样的环流异常条件下发生。实际上，这一现象也可解释为平流层高位涡空气入侵到对流层后的气旋性环流发展过程（位涡守恒），其东侧即为偏南低空急流①与丁一汇院士的个人交流。可以说，对流层顶反气旋式波破碎事件和台风“烟花”的靠近成为了20 日河南极端暴雨灾害的共同幕后推手。

图12 2021 年7 月19 和20 日两个位涡单位面（2 PVU 面，PVU=10-6 K kg-1 m2 s-1）的位温（单位：K）分布，其中绿色加粗实线为360 K等位温线。河南省界用紫色线标出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 结论与讨论

本文使用国家气象科学数据中心降水资料和欧洲中期天气预报中心ERA5 全球再分析资料的比湿、位势高度、风以及温度场，同时利用LAGRANTO轨迹模式，重点分析了“7.20”河南暴雨水汽输送特征、水汽来源以及关键天气尺度系统。

双台风“烟花”和“查帕卡”以及西太平洋副热带高压系统共同为“7.20”河南暴雨提供了充足的水汽条件。7 月17～18 日的强降水过程主要受黄淮低涡系统的影响。19～20 日，台风“烟花”和副热带高压逐渐向中国大陆靠近，两者之间的东风气流自海上向河南地区输送充沛的水汽。同时，台风“查帕卡”向北移动，双台风之间的水汽辐合也有利于自中国南部向河南输送更多的水汽。21日强水汽通量及降水中心移到河南北部。但是，我们认为，双台风和西太平洋副热带高压的水汽输送作用主要集中在对流层下层，仅以它们的影响难以解释7 月20 日发生的日降水量663.9 mm 和1 小时最大降水量201.9 mm 的极端暴雨事实。

水汽通量分析和基于LAGRANTO 模式的轨迹分析均表明，对20 日极端暴雨而言，河南南侧850 hPa 以上的强经向水汽通量带非常重要。这一强水汽通量带（边界层以上），与台风和西太平洋副热带高压对应的向西水汽通量带（偏低层）在河南区域汇集，为极端暴雨提供了极为充沛的水汽条件。我们的分析表明，20 日在河南以西地区上空发生了对流层顶反气旋式波破碎事件，它引发了河南南侧的强经向水汽通量带（850 hPa 以上），并在台风“烟花”靠近大陆的情况下，导致了河南极端暴雨灾害。

本文中我们侧重分析了关于河南暴雨的天气尺度环流特征。至于天气尺度波破碎过程影响对流层中低层系统以及水汽输送的具体细节，仍需要通过位涡反演方法以及数值模式模拟来予以刻画和描述。与此同时，我们也需要进一步探究这些关键的天气尺度系统究竟如何作用于河南暴雨中尺度系统的发展和演变。