1. 引言
暴雨是我国夏半年主要灾害性天气之一，其危害主要包括洪灾和涝渍灾。暴雨天气出现时，常伴有雷电、冰雹、雷雨大风、短时强降水等强对流天气，特别是短时强降水常导致山洪暴发、河水泛滥、内涝渍水，毁坏庄稼、建筑、物资等，引起人畜伤亡、农作物歉收或绝收，交通与通讯受阻等；暴雨不但可直接致灾，也易诱发滑坡、泥石流等地质灾害。总之，暴雨引起的洪涝灾害涉及工农业生产、交通、通信、建筑设施、城市运行、民众日常生活、生态环境等方面。
华北极端暴雨在我国北方常出现在6~8月，具有局地性强、降水时段集中、降水强度大等特点，极易形成气象灾害。华北暴雨具有很明显的区域特征，丁一汇 [1] 等(1981)研究了华北暴雨的天气形势指出，低涡、暖切变线和低槽冷锋是造成华北暴雨的3种主要天气系统，而这些系统的相互叠加配合则是极端暴雨发生发展的主要原因。
大气中充沛的水汽条件是产生暴雨的必要条件。研究表明，形成我国暴雨的水汽大部分来源于孟加拉湾、南海、东海及西太平洋等，但我国南方和北方暴雨的水汽输送通道有所不同，南方暴雨区的水汽是由强劲低空急流或高风速带输送，北方暴雨区的水汽输送则是由西南急流、偏东急流或二者共同作用完成的。有关水汽收支与输送方面研究认为，强降水过程与水汽的输送有密切的关系，暴雨区水汽收支多以南北向辐合为主。这些成果揭示了不同地区暴雨形成的水汽来源、输送通道和暴雨区水汽收支情况，为暴雨的预报提供了理论依据，在准确预报暴雨的过程中起到了积极的作用。
但是，暴雨特别是受特定地理环境影响的极端暴雨过程具有其特殊性。周鸣盛 [2] 等(1993)针对1954~1983年发生在我国北方的50次区域大暴雨的天气尺度环流特征进行了分析指出，可将副热带高压作为暴雨过程的主导系统，结合直接诱发暴雨发生的低槽和低层形势对暴雨环流过程进行分类。孙建华 [3] 等(2005)对1990~1999年造成华北夏季特大暴雨过程的天气形势进行了研究并将其分为台风与低槽、低涡与西风槽等5种类型。极端暴雨过程不仅对社会和人民构成巨大威胁，也给降水预报带来了很大的难度。湛芸 [4] 等(2012)、孙军 [5] 等(2012)对2012年7月21日发生在北京的一次特大暴雨过程进行了分析指出，北京“7.21”特大暴雨发生在高层辐散、中低层低涡切变和地面辐合线等系统耦合的背景下，水汽含量及相关物理量的异常偏强可作为判断极端降水的重要因子，同时也指出此次过程突发性强、影响系统不易分辨，造成模式和预报员对此次降水的预报能力都偏弱。杨博雷 [6] 等(2016)针对“7·21”过程中低涡系统的演变的湿位涡特征展开了分析并指出在不考虑稳定度影响时，低层的非绝热过程引起的湿位涡制造与低涡发展有着很好的正相关。孙继松 [7] 等(2015)对2006~2013年发生在北京地区的10次极端暴雨事件进行了对比分析，结果表明低空偏东气流的地形强迫作用是影响暴雨中心分布的原因之一。
大暴雨的产生是不同尺度系统间相互作用的结果。由于历时短、强度大、局地性强的灾害性天气与β、γ中尺度云团有密切的关系，因此，对α中尺度对流系统上的β、γ中尺度对流系统的研究越来越重视。近年来，许多专家对强暴雨过程中尺度对流系统(MCS)进行了深入分析。矫梅燕 [8] 等(2006)指出淮河流域大暴雨期间梅雨锋区等假相当位温线随高度近于垂直分布，具有类似热带系统的暖心结构特征；陈力强 [9] 等(2005)指出东北冷涡诱发的MCS在成熟阶段地面出现强雷暴高压、弱前导低压和尾随低压等特征；何立富 [10] 等(2006)分析表明，MβCS在对流层低层表现为中尺度辐合线或强辐合中心，雷达回波和径向速度场所反映的中尺度回波带和辐合线，与MβCS的演变有密切的关系。MβCS在发展强盛期呈现正压性，而且垂直倾斜的上升气流及其两侧有明显的下沉补偿气流；喻谦花 [11] 等(2016)指出，中尺度雨团与MαCS相伴，而MαCS是地面中尺度辐合线或辐合中心触发产生并发展的多个MγCS和MβCS合并加强的结果。袁美英 [12] 等(2011)普查了2005~2007年6~8月FY-2C卫星红外云图资料，把影响东北及其邻近地区中尺度对流系统分成3种尺度，统计分析了它们的时空分布及其与暴雨的关系。对一次短历时特大暴雨中尺度对流系统(MCS)的发展过程，及其发生的天气尺度背景和中尺度环境与触发机制做了细致研究。另有诸多前辈专家学者对暴雨的特征和成因从不同角度做出研究 [13] - [18] ，并给作者以启发。
本文以焦作市2021年7月18日~23日连续性特大暴雨的动力条件和水汽条件为着眼点，同时分析了西太平洋台风对极端暴雨的远距离影响和次级环流对暴雨的贡献，为今后焦作市夏季极端暴雨的预报提供参考。
2. 极端暴雨实况和灾情
2.1. 降水实况分析及极端性分析
2021年7月19~23日焦作市出现了一次连续性极端暴雨天气过程，共有4天出现区域性暴雨天气(表1，日分界线为20时)。与历史同期相比，主要呈现如下特点：一是持续时间长，累计雨量大。全市强降雨从18日夜持续至23日，全市平均降水量436.5毫米，自动站最大雨量马村安阳城690毫米。焦作市区、修武、博爱、武陟、温县、沁阳6个国家级气象站突破建站以来最大连续3日降水量历史极值(表1)；二是暴雨、大暴雨范围广、落区重叠；三是雨区范围集中，单日雨量大。焦作、博爱、温县3个国家级气象站日降水量突破建站以来历史日极值(表1)。
Table 1. Precipitation on July 19 to 23, 2021 (Precipitation unit: mm)
表1. 2021年7月19~23日降水量(mm)
2.2. 极端暴雨灾害分析
由于此次降水量大、时段集中，给焦作带来了极大的损失：全市共有110个乡镇共746,245人受灾，累计转移群众118,020人，农作物受灾面积9.31亿亩，农作物成灾面积5.65亿亩，农作物绝收面积2.68亿亩。损坏房屋44,273间，直接经济损失10.22亿元。
3. 连续性极端暴雨环境背景分析
利用NCEP (1˚ × 1˚)逐6 h格点资料，制作本次过程的7月17日08时~23日02时500 hPa (图1(a))、850 hPa (图1(b))、925 hPa (图1(c))平均形势场和地面平均形势场(图1(d))。
由500 hPa平均场(图1(a))可知，持续性极端暴雨期间，中高纬度呈一槽一脊型，高脊位于鄂霍次克海附近，贝加尔湖以西为宽广的槽区，副高中心位于日本海。低纬度地区的20˚N附近有三个低值中心：台风“烟花”位于台湾以东洋面，台风“查帕卡”位于广东沿海，另一个低值中心位于孟加拉湾。中纬度地区环流较弱，山陕交界为一低涡，焦作市位于其前部的西南气流中。
由于高纬系统及低纬系统强度均较强，副高、台风“烟花”相互牵制，副高南退及台风北进的空间有限，“查帕卡”虽然势力较弱，但限制了“烟花”的西移，使得各系统处于比较稳定少动的状态，降水系统一直处于豫北一带，易造成该地区持续性降水天气，利于降水量积累，是焦作市出现极端暴雨的主要原因。另外台风、副高势力均较强，两者之间位势梯度加大，风力加大，对水汽向焦作市上空输送极为有利，为其出现极端暴雨天气提供了有力的水汽保障。
700 hPa (图略)，焦作市位于副高西侧的偏西气流中，风力较弱，只有6 m/s，未达到低空急流的强度。
对流层低层，台风外围的东南气流影响豫北地区，并在850 hPa (图1(b))和925 hPa (图1(c))形成低空急流，特别是925 hPa的东南急流平均风力为12 m/s，影响沿黄一带，在焦作附近形成辐合，对焦作极端暴雨的产生十分有利。
地面图上(图1(d))，“烟花”影响范围偏南，焦作处于高压底部的东风气流中，起着冷垫的作用，对于对流层底层的东南气流有一定的动力抬升作用 [19] [20] [21] [22] 。
4. 持续性极端暴雨天气成因分析
4.1. 动力条件分析
图2(a)为暴雨持续期间焦作上空的风向风速、散度及垂直速度时序图，低层一直处于东风气流中，
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 1. Mean geopotential height and mean surface atmospheric pressure from 08:00 on July 17 to 02:00 on July 23, 2021. Figure (a): 500 hPa. Figure (b): 850 hPa. Figure (c): 925 hPa. Figure (d): Surface; Geopotential height unit in (a) (b) (c): dagpm. Surface atmospheric pressure unit in (d): hPa
图1. 2021年7月17日08时~23日02时500 hPa (a)、850 hPa (b)、925 hPa (c)平均形势场和地面平均形势场(d) (a) (b) (c)中位势高度单位：dagpm；(d)中气压单位：hPa
17日20时中高层为一致的东北气流，整层无明显的辐合辐散，降水量较小；18日20时，300 hPa有西南气流东移影响，持续性暴雨开始；之后西南气流速度加强，降水强度加大；20日20时，近地面层东北气流加大，950~900 hPa风速达到22 m/s，对上层的东南气流强烈抬升，东南气流的高度达到400 hPa，造成了21日焦作历史降水极值；22日对流层中层的东南气流减弱，逐渐转变为西南风、西北风，降水减弱并逐渐停止。
散度场也有同样的特征，17日整层为弱辐散，18日开始底层散度为负值，特别是20日20时，近地面的散度为−60 (单位：10−5∙s−1，后略)，200 hPa散度为40，大气底层强辐合，高层强辐散，对流强，对极端暴雨产生极为有利；之后辐合辐散强度减弱，降水逐渐减小。
17日为弱的下沉气流，18日开始大气底层为弱的上升气流，但值较小，20日20时对流加强，600 hPa附近出现了中心值达−7 (单位：10−2 hPa∙s−1)的强上升气流中心，降水加强，对焦作21日的极端暴雨天气十分有利；21~22日垂直上升运动减弱，23日逐渐变为下降，降水结束 [23] [24] [25] 。
4.2. 水汽条件分析
图2(b)为持续暴雨期间焦作上空的水汽通量。暴雨过程持续期间，大气低层水汽输送十分活跃，主要集中在900 hPa以下，为图2(a)中的东南低空急流的输送有关。18日08时开始，共有5次水汽输送的大值区，分别对应着焦作5天的暴雨过程，特别是在20日20时~21日20时，焦作上空的水汽通量达30 (单位：10−7 g∙cm−2∙hPa−1)，水汽输送充沛，持续时间长，为焦作的极端暴雨过程提供了充足的水汽条件；另外从温度露点差看(图2(c))，18日08时大气低层湿层增厚，温度露点差均在4℃以下，尤其是20~21日，湿层达250 hPa，对流层中层为0℃，大气近于饱和，为极端暴雨的产生提供了丰沛的水汽条件 [26] 。
4.3. 冷空气条件分析
由图2(c)可知，18日20时焦作近地面为暖平流，对应图2(a)中的东南气流，对流层中层有冷平流，下层冷平流、高层暖平流的结构有利于对流的产生，降水开始加强；19日08时，近地面冷平流入侵，对应图2(a)中的东北气流，降水减弱；20时大气再次出现下层冷平流、高层暖平流的温度平流条件，降水再次加强；20日17时，近地面出现东北风急流，对流层中上层为暖平流–冷平流的平流结构，近地层的东北急流提供了有利的下垫面条件，起着动力抬升作用，上层及高层的暖平流–冷平流的平流结构有利于对流的产生，形成了有利于极端暴雨产生的垂直结构；22~23日仍维持冷平流–暖平流–冷平流的垂直结构，暴雨天气持续，但由于水汽及动力条件的减弱，降水量较21日减弱 [27] [28] 。
(a) 
(b) 
(c)
Figure 2. Time sequence diagram of physical quantity field in Jiaozuo City, Henan Province (113.16˚E, 35.14˚N) from 20:00 on July 17 to 08:00 on July 23, 2021 (Figure (a): Divergence and vertical velocity; Figure (b): Water vapor flux divergence; Figure (c): Temperature advection and temperature dew point difference; divergence unit in a: 10−5∙s−1. Vertical velocity unit in (a): 10−2 hPa∙s−1. Vapor flux unit in (b): 10−7 g∙cm−2∙hPa−1. Advection unit of temperature unit in c: 10−5 ˚C∙s-1. Temperature advection and temperature dew point difference unit in (c): ˚C)
图2. 2021年7月17日20时~23日08时焦作(113.16˚E, 35.14˚N)物理量场时序图。((a) 为散度、垂直速度时序图；(b) 为水汽通量散度时序图；(c) 为温度平流、温度露点差时序图) ((a)中散度单位：10−5∙s−1，垂直速度单位：10−2 hPa∙s−1；(b)中水汽通量单位：10−7 g∙cm−2∙hPa−1；(c)中温度露点差单位：℃，温度平流单位：10−5 ℃∙s−1)
5. 台风“烟花”对持续性极端暴雨天气的影响
由前面的分析可知，台风“查帕卡”对焦作暴雨无直接的影响，只是对持续性暴雨的稳定天气形势有利，而台风“烟花”不仅为焦作暴雨提供稳定的环流形势、充沛的水汽条件，而且提供的暖平流使得焦作上空处于不稳定状态，利于对流的发展，从而加强雨强，对焦作暴雨的持续极为有利，除此以外，是否还有其他的影响。为此，利用2021年7月17日08时~23日02时NCEP (1˚ × 1˚)逐6h格点资料计算平均场，通过台风平均中心到焦作做垂直速度剖面(图3)，由图可见，在台风“烟花”中心(126˚E, 24.5˚N)上空上升气流剧烈，600 hPa高度附近的垂直速度达到了−65 (单位：10−2 hPa∙s−1，后略)，上升气流高度到达200 hPa以上 [29] 。
Figure 3. Vertical velocity profile between typhoon “In-Fa” center (126˚E, 24.5˚N) and Jiaozuo city, Henan Province (113.16˚E, 35.14˚N) (Vertical velocity profile unit: 10−2 hPa∙s−1)
图3. 台风“烟花”中心(126˚E, 24.5˚N)与焦作(113.16˚E, 35.14˚N)垂直速度剖面(单位：10−2 hPa∙s−1)
其西北侧下沉气流，在119.7˚E，30˚N上空附近的700 hPa与近地层较强的东南气流相遇，两者结合继续向西北方向运动；由于高低层大气在近地层辐合，在两者西北移动的过程中，激发了斜升运动，并在焦作(113.16˚E, 35.14˚N)上空600 hPa附近上升运动达到了极值−55，使得台风和焦作之间形成了一个完整的次级环流，次级环流的上升支位于焦作上空，高度到达200 hPa，对焦作极端暴雨的产生提供了强烈的垂直上升运动条件 [30] 。
6. 结论与讨论
1) 分析研究2021年7月19~23日焦作市连续性极端暴雨天气过程的成因及特征对预报服务工作意义重大。
2) 双台风及副热带高压相互牵制，使得天气尺度环流系统稳定少动，造成雨带停滞，降雨落区叠加，是形成这次续性极端暴雨的主要原因。
3) 低空东风急流、冷垫对底层暖湿气流的抬升作用、充沛的水汽输送、低层辐合同时高层辐散是这次持续极端暴雨的必要条件。
4) 台风“查帕卡”对焦作暴雨无直接的影响，但对焦作持续性暴雨的稳定天气形势有利。而台风“烟花”不仅为焦作暴雨提供稳定的环流形势、充沛的水汽条件，而且提供的暖平流使得焦作上空处于不稳定状态，利于对流的发展。同时台风“烟花”和焦作之间形成了一个完整的次级环流，次级环流的上升支位于焦作上空，高度到达200 hPa，对焦作极端暴雨的产生提供了强烈的垂直运动条件，对焦作暴雨的持续极为有利。
5) 豫西北沿太行山(东北–西南走向)山麓的地形作用，对位于其东南一侧的焦作地区的辐合抬升、风向风速辐合及降雨加强等作用的探究，尤其是低空偏东急流在太行山东侧对降水加强的贡献，将在今后的地形敏感性试验中展开。
基金项目
中国气象局(河南)农业气象保障与应用技术重点实验室应用技术研究基金项目预报员专项(KY202150)；中国气象局(河南)农业气象保障与应河用技术重点实验室青年项目(KQ202435)。
NOTES
*通讯作者。