“21·7”河南特大暴雨的中尺度系统活动特征.pdf

张元春,孙建华,傅慎明,等.2023.“217”河南特大暴雨的中尺度系统活动特征 J.大气科学,47(4):11961216.ZHANGYuanchun,SUNJianhua,FUShenming,etal.2023.ActiveCharacteristicsofMesoscaleSystemsduringtheHeavyRainfallinHenanProvinceinJuly2021J.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(4):11961216.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2302.22135“217”河南特大暴雨的中尺度系统活动特征张元春1,2孙建华1,2,4傅慎明3汪汇洁1付亚男1,4汤欢5魏倩1,41中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室,北京 1000292中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 1000813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 1000294中国科学院大学,北京 1000495中国气象局气象干部培训学院,北京100081摘要2021 年 7 月 17 日至 22 日河南省遭遇了罕见特大暴雨过程，特别是郑州市在 7 月 20 日出现了极端降水事件。本文首先分析了有利的大尺度环流背景，然后采用多源高分辨率观测和再分析资料深入分析了此次特大暴雨过程中不同阶段的水汽来源以及中尺度系统的活动特征。此次特大暴雨过程主要分为三个阶段，其主要的中尺度系统包括：黄淮气旋、中尺度对流系统（MCS）以及与 MCS 伴随的中尺度对流涡旋（MCV）。第一阶段（7月 1718 日）主要为分散性降雨，水汽主要来自于南海、东南沿海、西北太平洋、长江中游地区的近距离水汽输送和河套地区。影响河南地区的中尺度系统为黄淮气旋，其于 7 月 15 日 11 时（协调世界时，下同）生成河南的东北部，18 日 23 时在河南西南部消亡，垂直伸展最大高度为 1000350hPa，维持时间约为 89 小时。第二阶段（7 月 1920 日），随着西太平洋副热带高压的北抬和台风“烟花”的西进北移发展，西北太平洋的水汽贡献也逐渐增多。由于黄淮气旋中心移动到河南西南部，其北部东南气流影响河南大部分地区。二级地形（伏牛山）东部的局地对流发展为 MCS。由于地形的抬升作用，对流系统中强上升运动的维持有利于低层气旋性切变的增强，从而诱发了对流层中低层（750600hPa）MCV 的生成。MCV 的增强发展又进一步促进了 MCS 的维持以及偏南气流的增强。偏南气流输送大量水汽有利于午后分散性强对流单体的生成，分散对流单体与原有河南中北部 MCS的合并后增强发展，从而造成了郑州极端小时降雨的出现。第三阶段（7 月 2122 日），暴雨过程的水汽主要来自于西北太平洋地区，其主要影响系统是 MCS。低层气流受到二级地形（太行山）的阻挡，地形东部边界强的水汽通量辐合有利于 MCS 不断与新生对流单体合并发展，从而在河南、河北交界区域产生较强的降雨中心。关键词特大暴雨中尺度对流涡旋黄淮气旋中尺度对流系统文章编号1006-9895(2023)04-1196-21中图分类号P445文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2302.22135Active Characteristics of Mesoscale Systems during the Heavy Rainfallin Henan Province in July 2021ZHANGYuanchun1,2,SUNJianhua1,2,4,FUShenming3,WANGHuijie1,FUYa nan1,4,TANGHuan5,andWEIQian1,41Laboratory of CloudPrecipitation Physics and Severe Storms,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029收稿日期2022-07-20；网络预出版日期2023-02-22作者简介张元春，女，1987 年出生，副研究员，主要从事中尺度对流和涡旋研究。E-mail:通讯作者孙建华，E-mail:资助项目灾害天气国家重点实验室开放课题 2021LASW-A10，国家自然科学基金项目 41975057、41975056Funded byOpenGrantsoftheStateKeyLaboratoryofSevereWeather(Grant2021LASW-A10),NationalNaturalScienceFoundationofChina(Grants41975057,41975056)第47卷第4期大气科学Vol.47No.42023年7月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJul.20232State Key Laboratory of Severe Weather,Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 1000813International Center for Climate and Environment Sciences,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 1000294University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 1000495China Meteorological Administration Training Center,Beijing 100081AbstractHenanProvincesufferedseveretorrentialrainfallfrom17to22July2021,whichcausedsignificantfloodinganddamage,specificallyinZhengzhouCity.Thewatervaporsourcesandmesoscalesystemswereanalyzedusinghigh-resolutionobservationsandreanalyzeddata,giventhatthestablesynopticcirculationsfavoredheavyrainfall.ThemainmesoscalesystemsconsideredincludedaHuangHuaicyclone(HHC),fourmesoscaleconvectivesystems(MCSs),andtheirassociatedmesoscaleconvectivevortices(MCV).Duringthefirstperiodofheavyrainfall(1718July),thewatervapororiginatedprimarilyfromtheSouthChinaSea,thesoutheasterncoastlines,theNorthwestPacific,themiddlereachesoftheYangtzeRiver,andtheHetaoarea.ThemainmesoscalesystemcausingdispersedprecipitationwasHHC,whichformedat1100UTC15JulyoverthenortheasternareasofHenanProvinceanddissipatedat2300UTC18July.HHC extended from 1000 hPa to 350 hPa vertically and was maintained for 89 hours.With the Western PacificsubtropicalhighextendingnorthwardsandtyphoonIn-fabeinginitssecondheavyrainfallperiod(1920July),morewatervaporwasgeneratedfromtheNorthwesternPacific.ThesouthwesternairflowofthenortheasternpartofHHCconvergedovertheeasternedgeofthesecondstepterrain,andlocalconvectivecellsdevelopedintoMCSs.ThestrongupwardmotionofMCSspromotedcyclonicwindconvergenceandtriggeredtheformationofMCVatmiddletolowerlevelsofthetroposphere(750600hPa).TheintensifiedMCVfurtherfavoredthemaintenanceofMCSsandenhancedthesoutherlyflow.ThedispersedconvectivecellsmovednorthwardalongthesoutherlywindsandmergedwiththeoriginalMCSoverthemiddleandnorthernareasofHenan.TheenhancedMCSresultedinextremehourlyratesofprecipitation(201.9 mm h1)at Zhengzhou.The precipitation was mainly over the boundary of Henan and HebeiprovincesforthethirdperiodofheavyrainfallbecausethemaintenanceofMCSswasbeingcontinuouslycombinedwithnewbornconvectivecells.KeywordsSevereheavyrainfall,Mesoscaleconvectivevortex,HuangHuaicyclone,Mesoscaleconvectivesystem 1 引言2021 年 7 月 17 日至 22 日，河南省遭遇了历史罕见特大暴雨过程（简称“217”暴雨），造成了 严 重 洪 涝 灾 害，共 造 成 1478.6 万 人 受 灾，1200.6 亿元直接经济损失，尤其是 7 月 20 日，郑州发生了极端暴雨事件。此次特大暴雨过程持续时间长、范围广、总量大、极端降雨强。7 月 17 日00 时（协调世界时，下同）至 23 日 00 时，仅郑州市，降水量达 400mm 以上的区域面积达 5590km2，其中 600mm 以上降水量的区域面积达 2068km2。最强降雨发生在 19 日下午至 21 日凌晨，20 日郑州国家气象站最大日降雨量为 624.1mm，已接近郑州平均年降雨量（640.8mm）。20 日 0809 时郑州出现 201.9mm 的极端小时降雨量。历史上，河南曾多次发生大暴雨事件，比如，1975 年 8 月河南南部罕见特大暴雨（“758”暴雨，陶诗言,1980），2007 年三门峡市大暴雨（“729”大暴雨，任轶,2013），2016 年 7 月 9 日河南北部新乡地区发生特大暴雨（徐姝等,2019）等。河南省地处我国中部，具有独特的地形特征，呈西面高东面低的地形分布，并且三面环山：其北面是我国二级地形的太行山脉，西面为伏牛山和崇山，南面是大别山（图 1a）。其发生的暴雨过程多分布在迎风坡或者山区，往往产生的降雨量强度大、过程持续时间长、具有显著的突发性。已有很多学者针对影响河南暴雨的大尺度环流背景条件和直接造成暴雨的