汪小康，楊浩，崔春光，李超，祁海霞，杜牧云，王婧羽，王曉芳
（中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所，暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430205）
歷史上我國(guó)出現(xiàn)過(guò)多次非常嚴(yán)重的極端降水過(guò)程，1954 年、1998 年長(zhǎng)江流域發(fā)生了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害(鞠笑生，1993；
陶詩(shī)言等，1998)；
河南“75.8”大暴雨，死亡人數(shù)超過(guò)2.6萬(wàn)，直接經(jīng)濟(jì)損失近百億元(丁一匯，2015)，對(duì)人民生活造成巨大影響，給經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重?fù)p失。
在全球變暖背景下，氣候異常和極端天氣氣候事件發(fā)生的可能性增加(Donat et al., 2016；
IPCC, 2021),尤其是極端強(qiáng)降水愈發(fā)頻繁(Trenberth et al.,2010)，加劇了洪澇災(zāi)害。2010 年、2016 年和2020 年長(zhǎng)江流域均發(fā)生了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，其中2016年造成684人死亡，2020年158人死亡或失蹤(王曉芳等，2011；
楊衛(wèi)忠等，2017；
代潭龍等，2021；
黃治勇等，2021)。2015年6月1 日監(jiān)利大暴雨伴隨的下?lián)舯┝鳌埦泶箫L(fēng)等嚴(yán)重風(fēng)災(zāi)造成“東方之星”客輪翻沉，442 人遇難(王曉芳等，2015；
汪小康等，2015；
楊波等，2019)。2016年6月—7 月，湖北紅安、荊門相繼發(fā)生超過(guò)800 mm 的強(qiáng)降水，出現(xiàn)100 mm以上的短時(shí)強(qiáng)降水，造成嚴(yán)重的人員傷亡、大面積農(nóng)作物絕收、河道潰堤(岳巖裕等，2018；
趙嫻婷等，2020)。
2021年全球高影響天氣氣候事件頻發(fā)，我國(guó)春季強(qiáng)對(duì)流天氣頻繁且災(zāi)害損失重，夏季氣候異常性特征突出，極端天氣氣候事件頻發(fā)。我國(guó)北方全年平均降水量達(dá)697.9 mm，較常年偏多40.3%，為歷史第二多，僅次于1964年。京津冀晉豫陜等6省(市)降水量均達(dá)1961 年以來(lái)歷史最多。4 月30 日江蘇沿江及以北地區(qū)遭受強(qiáng)對(duì)流天氣襲擊，南通局地風(fēng)力達(dá)13～15 級(jí)。5月14日湖北武漢市和江蘇蘇州市吳江區(qū)遭受龍卷風(fēng)襲擊，中心最大風(fēng)力達(dá)到17級(jí)，造成人員傷亡，電力設(shè)施、房屋受損(劉蕓蕓和高輝，2021)。7 月17—23 日，河南發(fā)生特大暴雨洪澇災(zāi)害(以下簡(jiǎn)稱河南“21.7”特大暴雨)(楊浩等，2022；
汪小康等，2022)；
7 月25—30日，臺(tái)風(fēng)煙花兩次在浙江登陸，北上影響華東、華北和東北等地，造成大范圍的降水。8 月長(zhǎng)江中下游地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水集中期，形成持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的“倒黃梅”天氣(趙俊虎等，2022)。
本文概述了2021 年的中國(guó)大范圍氣候異常性并對(duì)幾次極端強(qiáng)降水、強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)等高影響天氣過(guò)程展開(kāi)了初步分析，以期為我國(guó)氣候變化的研究及防災(zāi)減災(zāi)部署提供科學(xué)的參考依據(jù)，更好的為政府和公眾提供氣象保障服務(wù)。
本文所用資料包括：(1)全國(guó)范圍內(nèi)國(guó)家站及區(qū)域站日降水量和小時(shí)雨量，由國(guó)家氣象信息中心提供。(2)ERA5 再分析資料(水平分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率1 h，垂直方向25 層)，包含溫、壓、濕、風(fēng)等氣象要素。(3)湖北省區(qū)域站逐5 min雨量和極大風(fēng)資料以及雷達(dá)組合反射率因子，數(shù)據(jù)由湖北省氣象局信息保障中心提供。另外，全國(guó)主汛期選取4—10月，華西秋雨期由國(guó)家氣候中心提供，氣候常年值為1981—2010年的平均值。
本文個(gè)例分析中，河南“21.7”特大暴雨水汽輸送特征分析中用到了水汽后向分析方法(布和朝魯?shù)龋?022)，目標(biāo)區(qū)域?yàn)楸┯曷鋮^(qū)(112—115°E，33—36°N)，后向追蹤5 d，表征水汽來(lái)源地。隨州“8.12”極端強(qiáng)降水分析使用了基于WRF 模式的局地地形敏感性試驗(yàn)。5 月10 日強(qiáng)對(duì)流極端大風(fēng)成因分析用到VDRAS數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為6 min，水平分辨率為500 m，垂直方向(100—5 900 m)分為30層、分辨率為200 m。
2021 年我國(guó)氣候異常性特征突出，華南前汛期、西南雨季和梅雨季表現(xiàn)為開(kāi)始晚、結(jié)束早、降水量少的特征，華北雨季、東北雨季和華西秋雨呈現(xiàn)開(kāi)始早、結(jié)束晚、降水量多的特征。
2.1 全國(guó)主汛期(4—10月)異常特征
2021 年主汛期，全國(guó)平均降水量為819.7 mm，較常年同期(755.8 mm)偏多7.8%。但旱澇分布有明顯的空間差異，降水異常偏多區(qū)分布在我國(guó)北方，其中河南、河北和山西三省交界區(qū)偏多1 倍以上，四川東北部、陜西南部、山西南部、河北南部、河南北部及山東北部偏多5成以上(圖1)。
圖1 2021年主汛期(4—10月)中國(guó)降水量(a,單位:mm)及距平百分率(b,單位:%)Fig.1 Distribution of(a)total precipitation(unit:mm)and(b)its anomaly percentage(unit:%)in China from April to October in 2021
4 月和5 月全國(guó)平均降水量較常年同期分別偏少5.8%和偏多8%，其中青海4月平均降水量為歷史同期最多，5月全國(guó)有12個(gè)站出現(xiàn)極端日降水事件(國(guó)家氣候中心，2021)。4 月23 日陜西南部的關(guān)中-秦巴山脈出現(xiàn)了一次區(qū)域大范圍的暴雨過(guò)程，陜西18個(gè)國(guó)家站24 h降水量突破4月歷史極值，異常環(huán)流條件下多尺度系統(tǒng)相互作用、異常水汽輸送結(jié)合地形影響是此次秦巴山脈暴雨發(fā)生的主要原因(王曉芳等，2022)。5月中旬，受高空槽、低空切變線和西南低空急流共同影響，湖北和江蘇局地對(duì)流活動(dòng)發(fā)展劇烈，出現(xiàn)罕見(jiàn)雷暴大風(fēng)和龍卷天氣，造成生命財(cái)產(chǎn)損失(王玨等，2022)。
6—8 月全國(guó)平均降水量較常年同期表現(xiàn)為先旱后澇(6月偏少8%，7月偏多3.2%，8月偏多12.2%)。6、7、8月全國(guó)分別有11個(gè)、36個(gè)、11個(gè)國(guó)家站日降雨量超過(guò)歷史極值，分別位于四川、河南、北京、山東、廣西、云南等地(國(guó)家氣候中心，2021)。7月17—23日河南發(fā)生歷史罕見(jiàn)特大暴雨，造成重大人員傷亡(蘇愛(ài)芳等，2021)。7月11—13日，受西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)外圍暖濕氣流和低渦系統(tǒng)影響，京津冀地區(qū)出現(xiàn)入汛以來(lái)最強(qiáng)降雨，大部分地區(qū)出現(xiàn)暴雨到大暴雨，并伴有短時(shí)強(qiáng)降水和風(fēng)雹天氣。7 月16—18 日，受低渦外圍偏南、偏東暖濕氣流和東移高空槽的共同影響，北京再次出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣過(guò)程。8月7—12日，南方地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性降雨，長(zhǎng)江中下游地區(qū)多縣受災(zāi)，湖北隨州柳林鎮(zhèn)極端短時(shí)強(qiáng)降水，打破歷史記錄。
9月和10月全國(guó)平均降水量較常年同期分別偏多28.5%和45.4%。9月北京、天津、河北、河南、遼寧、陜西和山西7個(gè)省(直轄市)降水量均為1961年以來(lái)歷史同期最多。10月全國(guó)平均降水量為1961年以來(lái)同期第四多。
2.2 華西秋雨和漢江秋汛異常特征
8—9 月，隨著東亞季風(fēng)系統(tǒng)的季節(jié)轉(zhuǎn)換，我國(guó)降水形勢(shì)呈現(xiàn)出新的異常性特征，尤以華西秋雨和漢江秋汛異常特征最為顯著。
2.2.1 降水異常特征
華西秋雨通常發(fā)生在9—10 月，空間上以北區(qū)和南區(qū)劃分，北區(qū)包括甘肅南部到陜西中部一帶，南區(qū)則包括四川東部、重慶、貴州中北部以及湖北西部、湖南西北部等地。2021年華西秋雨開(kāi)始早、結(jié)束晚。北區(qū)秋雨自8 月23 日開(kāi)始，較常年偏早17 d，10 月16 日雨季結(jié)束。南區(qū)秋雨自8月30日開(kāi)始，較常年偏早9 d，11月8日結(jié)束，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)打破1961年以來(lái)最長(zhǎng)華西秋雨季紀(jì)錄。由于漢江中上游剛好流經(jīng)華西秋雨雨量最大區(qū)域，造成漢江2021 年發(fā)生歷史罕見(jiàn)的秋汛洪澇，漢川段水位連續(xù)超警戒水位17 d，9月7日，丹江口庫(kù)突破167 m歷史最高水位。
圖2給出2021年華西秋雨期(8月23日—11月9日)總降水量及距平的空間分布。降水大值中心集中在四川東北部和陜西南部，超過(guò)800 mm，較歷史同期偏多150%以上。陜西中部降水量超過(guò)400 mm，較歷史同期偏多250%。重慶東南部、湖北西南部、湖南和廣西北部降水量較歷史同期略微偏少。
圖2 2021年華西秋雨期(8月23日—11月9日)總降水量(a，單位:mm，方框分別表示北區(qū)和南區(qū))及距平百分率(b，單位:%)Fig.2 The Huaxi autumn rain(a)total precipitation(unit:mm,the boxes represent north and south district)and(b)its anomaly percentage(unit:%)from 23 August to 9 November in 2021
據(jù)統(tǒng)計(jì)，華西秋雨整體平均降水量達(dá)383.7 mm，較常年同期偏多66.1%，為1961 年以來(lái)歷史同期最多的年份，平均降水日數(shù)38.4 d，較常年同期偏多5.5 d。北區(qū)平均降雨量為388.6 mm，較氣候平均值偏多185%，是1961 年以來(lái)最多的一年(圖3)。南區(qū)秋雨總降水量為369.7 mm，較常年同期偏多48.2%。
圖3 1961—2021年華西秋雨(北區(qū))逐年降水量演變(單位:mm)Fig.3 Time series of the Huaxi autumn rain(north district)average precipitation(unit:mm)from 1961 to 2021
2.2.2 環(huán)流異常特征
影響降水最直接的因素就是大氣環(huán)流。通常情況下，進(jìn)入秋季以后大氣環(huán)流出現(xiàn)了調(diào)整，副熱帶系統(tǒng)逐漸減弱，西風(fēng)帶系統(tǒng)明顯增強(qiáng)(柳艷菊等，2012；
袁旭和劉宣飛，2013)。研究表明，在華西秋雨偏多年，北半球500 hPa位勢(shì)高度分布特征通常為烏拉爾山阻塞高壓移動(dòng)緩慢呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，巴爾喀什湖到貝加爾湖是寬廣的低槽區(qū)。500 hPa 位勢(shì)高度距平表現(xiàn)為我國(guó)大陸東部到西北太平洋為正距平區(qū)，印緬槽加深(Niu et al.,2008；
王春學(xué)等，2015)。
2021 年華西秋雨期500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)上，中緯度地區(qū)副高5 880 gpm脊點(diǎn)西伸到100°E，華西秋雨區(qū)位于副高北側(cè)，850 hPa位勢(shì)高度上來(lái)自西太平洋的強(qiáng)盛的東風(fēng)氣流深入內(nèi)陸，并在華西轉(zhuǎn)為東南風(fēng)。歐亞中高緯地區(qū)維持一槽一脊的環(huán)流型，巴爾喀什湖以西有一低槽，貝加爾湖上空存在一個(gè)弱的高壓脊，導(dǎo)致西北路徑的冷空氣活躍(圖4a)。距平場(chǎng)上，對(duì)流層中高層，貝加爾湖至我國(guó)北方大陸高壓偏強(qiáng)，巴爾喀什湖北部存在一低壓中心。對(duì)流層中低層，日本列島以北為異常反氣旋環(huán)流，華西秋雨區(qū)位于異常偏南氣流和西北氣流輻合區(qū)(圖4b)，說(shuō)明副高引導(dǎo)的南海和西北太平洋水汽輸送明顯偏強(qiáng)。東亞季風(fēng)監(jiān)測(cè)表明(圖略)，雖然已是秋季，但季風(fēng)強(qiáng)度異常偏強(qiáng)，具有明顯的夏季風(fēng)特征。
圖4 2021年華西秋雨期平均的500 hPa高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)(a，等值線為高度場(chǎng)，單位:gpm;箭矢表示風(fēng)場(chǎng)，單位:m·s-1)及850 hPa風(fēng)場(chǎng)、高度距平場(chǎng)(b，陰影表示高度距平，單位:gpm;箭矢表示風(fēng)場(chǎng)，單位:m·s-1;藍(lán)色方框?yàn)槿A西秋雨區(qū))Fig.4(a)Averaged 500 hPa geopotential height(contours,unit:gpm)and 500 hPa horizontal wind(vector arrow,unit:m·s-1)and(b)anomaly of 850 hPa geopotential height(shaded,unit:gpm)and averaged 850 hPa horizontal wind(vector arrow,unit:m·s-1)during the Huaxi Autumn Rain in 2021
造成大氣環(huán)流異常的外強(qiáng)迫因子包括海溫異常、積雪異常、植被異常等(鄭然等，2018)。研究表明，有利于華西秋雨的大氣環(huán)流特征與赤道中東太平洋的冷海溫密切相關(guān)——即“拉尼娜”事件(王春學(xué)等，2015)。圖5給出了2021年華西秋雨期海溫距平場(chǎng)，赤道中東太平洋海溫偏低1 ℃左右，我國(guó)附近所有海域、日本海以及太平洋西部海溫異常偏高，尤其北太平洋區(qū)域海溫異常偏高2 ℃以上。國(guó)家氣候中心監(jiān)測(cè)結(jié)果也證實(shí)，2021年7月開(kāi)始，赤道中東太平洋海溫持續(xù)下降，10月進(jìn)入拉尼娜狀態(tài)，為中等強(qiáng)度，已連續(xù)兩年冬季發(fā)生“雙峰型拉尼娜”。拉尼娜事件易導(dǎo)致歐亞中高緯環(huán)流呈經(jīng)向型特征，冷空氣比較活躍，同時(shí)副高也容易較常年同期偏北(袁旭和劉宣飛，2013)。
2021年華西秋雨異常期間，海平面氣壓場(chǎng)也表現(xiàn)出明顯的異常特征(圖5)。兩個(gè)顯著的正異常中心分別位于我國(guó)東北以東和北太平洋區(qū)域，我國(guó)除了東北地區(qū)以外，其他地區(qū)全部為負(fù)異常。正常情況下，秋季東亞副熱帶夏季風(fēng)向冬季風(fēng)轉(zhuǎn)變，大陸冷高壓迅速發(fā)展，太平洋氣壓減小。然而華西秋雨期，我國(guó)西南地區(qū)地面氣壓異常偏低，夏季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)，強(qiáng)盛的東南風(fēng)帶來(lái)異常偏多的水汽輸送。
圖5 2021年華西秋雨期海溫(陰影，單位:℃)和海平面氣壓(等值線，單位:gpm)距平場(chǎng)分布Fig.5 Anomaly of SST(shaded,unit:℃)and sea level pressure(contour,unit:gpm)during the Huaxi autumn rain in 2021
總之，2021年異常偏多的華西秋雨和漢江秋汛主要是受副高外圍水汽和北方活躍冷空氣的共同影響。強(qiáng)盛且持續(xù)的南方暖濕氣流與偏北氣流頻繁在我國(guó)西南地區(qū)交匯，導(dǎo)致長(zhǎng)江上游、漢江流域降水明顯偏多，擴(kuò)大了今年華西秋雨的影響范圍。“拉尼娜”海溫異常事件是導(dǎo)致環(huán)流異常的重要外強(qiáng)迫因子。
統(tǒng)計(jì)表明，2021 年4—10 月，全國(guó)共發(fā)生40 次降水和強(qiáng)對(duì)流過(guò)程，涉及河南省14 次，涉及湖北省11次，本節(jié)重點(diǎn)關(guān)注了造成重大人員傷亡和社會(huì)關(guān)注的4次過(guò)程。
3.1 河南“21.7”特大暴雨
3.1.1 降水極端性和環(huán)流特征
2021 年7 月17—23 日河南省發(fā)生了一場(chǎng)極端強(qiáng)降水過(guò)程，這次特大暴雨的極端性非常顯著，具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，累計(jì)雨量大，暴雨落區(qū)集中的特點(diǎn)。全省站點(diǎn)6 d 累計(jì)降水量平均達(dá)到224.1 mm，累計(jì)過(guò)程雨量大于250 mm的面積占1/3，有179個(gè)站超過(guò)600 mm，800 mm 以上站點(diǎn)達(dá)到30 個(gè)，有19 個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站日雨量突破有氣象記錄以來(lái)歷史極值，其中鄭州站7 月20 日17 時(shí)(北京時(shí)，下同)1 h 雨量達(dá)201.9 mm，打破全國(guó)國(guó)家站歷史記錄，鄭州站7 月總降水量高達(dá)902.0 mm，是近70 a 歷史平均值的近6 倍。全省因?yàn)?zāi)死亡失蹤398 人，其中鄭州380 人，新鄉(xiāng)10 人，平頂山、駐馬店、洛陽(yáng)各2 人，鶴壁、漯河各1 人(國(guó)務(wù)院災(zāi)害調(diào)查組，2022)。
這次特大暴雨過(guò)程從17 日上午自河南東南部開(kāi)始發(fā)生，然后向北部地區(qū)擴(kuò)展，23日上午結(jié)束，持續(xù)時(shí)間超過(guò)6 d。19 和20 日250 mm 以上降水落區(qū)分布在鄭州、新鄉(xiāng)、開(kāi)封和平頂山地區(qū)，鄭州城區(qū)平均雨量連續(xù)兩天超過(guò)300 mm(圖6a)。21日雨帶北移，強(qiáng)降水集中到新鄉(xiāng)、鶴壁和安陽(yáng)地區(qū)，400 mm以上面積超過(guò)19和20日(圖6b)。
圖6 2021年7月20日(a)、21日(b)雨量(單位:mm；
陰影為地形高度，單位:m)、17—22日平均的500 hPa高度場(chǎng)和流場(chǎng)(c，陰影為高度，單位:gpm；
流線表示流場(chǎng)；
綠線為河南省界，綠色圓點(diǎn)表示鄭州站)及20日700 hPa相對(duì)濕度、相當(dāng)位溫和水平風(fēng)場(chǎng)(d，陰影為相對(duì)濕度,單位:%；
紅色實(shí)線表示相當(dāng)位溫，單位:K；
箭矢表示風(fēng)場(chǎng)，單位：m·s-1；
綠線為河南省界；
綠色圓點(diǎn)表示鄭州站)Fig.6 The daily precipitation(units:mm)on(a)20 and(b)21 July 2021.Brown and green shadow means topographic height(unit:m).(c)Averaged 500 hPa geopotential field(shaded,unit:gpm)and flow field during 17-22 July 2021,green line marks out the boundary of Henan Province,and green dot marks the location of Zhengzhou station.(d)The 700 hPa relative humidity(shaded,unit:%),equivalent potential temperature(red solid line,unit:K),and horizontal wind field(vector arrow,unit:m·s-1)on 20 July 2021.Green line marks out the boundary of Henan Province,and green dot marks the location of Zhengzhou station
河南“21.7”特大暴雨發(fā)生在遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)高壓型環(huán)流背景條件下，中緯度槽脊形勢(shì)穩(wěn)定，副高位置較歷史平均明顯偏北，副高南側(cè)和臺(tái)風(fēng)“煙花”北側(cè)的偏東氣流疊加，建立起了穩(wěn)定的水汽輸送通道，受中尺度的低壓氣旋環(huán)流影響，以及切變線和輻合線的水汽集中作用，河南中部、西部和北部始終維持接近飽和的相對(duì)濕度(圖6c和圖6d)。
3.1.2 急流和地形對(duì)極端降水水汽供應(yīng)和輻合的作用
水汽后向追蹤和水汽輸送分析顯示(圖7a和圖7b)此次強(qiáng)降水有三條主要的水汽輸送路徑，且位于不同的高度，一是來(lái)自日本海一帶副熱帶高壓南側(cè)東風(fēng)的輸送；
二是被位于琉球群島東南一帶的第6號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”助推來(lái)自熱帶西太平洋的東風(fēng)；
兩支東風(fēng)氣流貢獻(xiàn)了約82%的水汽供應(yīng)，在河南暴雨的東側(cè)造成了從地面一直到5 000 m 高空的近乎飽和的強(qiáng)勁東南風(fēng)，再加上被廣東西部近海的第7號(hào)臺(tái)風(fēng)“查帕卡”助推的來(lái)自北印度洋的西南季風(fēng)，三支氣流在中原大地匯合，從東邊界和南邊界進(jìn)入河南省，為持續(xù)性強(qiáng)降水提供了穩(wěn)定充足的水汽輸入。
圖7 2021年7月19—21日平均925—700 hPa層平均水汽通量(a，箭矢，單位:g·(cm·s·hPa)-1；
灰色陰影為750 m及以上地形高度覆蓋范圍；
綠線為河南省界；
綠色圓點(diǎn)表示鄭州站)和暴雨水汽后向追蹤路徑圖(b)Fig.7(a)Averaged water vapor flux(vector arrow,unit:g·(cm·s·hPa)-1)from 700 to 925 hPa during 19－21 July 2021.Green line marks out the boundary of Henan Province,and green dot marks the location of Zhengzhou station.(b)The backward tracking path of water vapor in during“21.7”Henan heavy rain
在充沛的水汽供應(yīng)和顯著的水汽流入的條件下，低空急流與邊界層急流的耦合形成低層水汽輻合中心和上升中心，20 日急流偏東，急流輻合區(qū)和上升運(yùn)動(dòng)大值區(qū)在太行山和伏牛山東坡及兩山之間(圖8a)，21 日，急流轉(zhuǎn)為東南向，與地形相關(guān)聯(lián)的輻合和上升運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)至豫北地區(qū)的太行山東坡(圖8b)；
大地形對(duì)山前的暖濕空氣起到了動(dòng)力阻擋抬升和熱力抬升作用。
3.2 隨州“8.12”極端強(qiáng)降水
3.2.1 降水實(shí)況
2021 年8 月11—13 日湖北省出現(xiàn)了入汛以后最強(qiáng)降水過(guò)程，過(guò)程累積雨量分布顯示，強(qiáng)降水區(qū)呈西北-東南向帶狀分布于鄂北中部一帶，湖北1 453 個(gè)站雨量超過(guò)50 mm(占總站數(shù)52.9%)，445個(gè)站超過(guò)100 mm(占總站數(shù)16.2%)，250 mm 以上的強(qiáng)降水中心主要位于宜城、棗陽(yáng)和隨縣，最強(qiáng)降水發(fā)生在隨州隨縣的柳林站(535 mm)和襄陽(yáng)宜城的鶯河站(510.6 mm)(圖9a)。柳林站1 h(11 日05 時(shí)105.4 mm)、6 h(11 日03—08時(shí)462.6 mm)、24 h(11日21時(shí)—12日20時(shí)518.5 mm)降水量均大幅打破本站歷史記錄，其中12 日04—08 時(shí)連續(xù)5 h 均超過(guò)50 mm，05、06 時(shí)連續(xù)2 h 超過(guò)100 mm(圖9b)。最強(qiáng)降水出現(xiàn)在宜城站，8月8—12日出現(xiàn)連續(xù)強(qiáng)降水，累積降水量達(dá)到435.7 mm，其中11 日降水
圖9 2021年8月11—13日湖北省累積雨量(a，單位：mm)和8月11日20時(shí)—12日12時(shí)柳林、鶯河和宜城站小時(shí)雨量(b，單位：mm)演變Fig.9(a)Cumulative rainfall(unit:mm)in Hubei Province from 11 to 13 August 2021and(b)the hourly precipitation(unit:mm)at Liulin,Yinghe,and Yicheng stations from 20:00 BT 11 to 12:00 BT 12 August 2021
305.9 mm，破本站歷史記錄，是該站99.9%日降水閾值的2.5倍。
此次強(qiáng)降水過(guò)程影響范圍廣、累計(jì)雨量大、極端強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在凌晨，暴雨引發(fā)的山洪造成了23 人死亡、7 人失蹤，受災(zāi)人口32.22萬(wàn)余人，大量道路、橋梁、垱壩、堰塘、渠道等受損，直接經(jīng)濟(jì)損失約3.4億。
3.2.2 環(huán)流形勢(shì)
此次強(qiáng)降水過(guò)程主要影響系統(tǒng)為副高、中低層低渦/切變線和邊界層偏東急流。200 hPa 層上，南亞高壓強(qiáng)大且主體穩(wěn)定少動(dòng)，幾乎控制了35°N以南的中國(guó)地區(qū)，湖北位于南亞高壓東北側(cè)，氣流輻散顯著，且位于高空急流的右側(cè)，進(jìn)一步加強(qiáng)抽吸作用(圖10a)。11日，500 hPa 上西太平洋副熱帶高壓脊線位于25°N 附近，較常年同期異常偏南，12日，東北低槽冷渦南側(cè)的冷空氣向南滲透，冷暖氣流在湖北北部交匯(圖10b)。對(duì)流層低層(925—700 hPa)12 日凌晨—上午有一條貫穿湖北中北部的東西向的偏東風(fēng)和偏西風(fēng)切變線，925 hPa層上切變線北側(cè)存在一條從東海海面延伸至強(qiáng)降水區(qū)北側(cè)的邊界層偏東風(fēng)急流，并在湖北西部轉(zhuǎn)向，使得切變線上的渦度在鄂西北東部和鄂東北西部最強(qiáng)，形成中尺度的低渦，且渦度中心與垂直上升運(yùn)動(dòng)中心基本對(duì)應(yīng)，提供了強(qiáng)降水的動(dòng)力抬升條件。形成了高層輻散、中層冷暖氣流交匯、低層切變線、邊界層內(nèi)中尺度低渦和急流的有利配置(圖10c和圖10d)。
圖10 2021年8月11日08時(shí)—13日08時(shí)200 hPa平均高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)(a，陰影為高度場(chǎng)，單位:gpm；
風(fēng)羽表示風(fēng)場(chǎng))、8月11日08時(shí)—12日08時(shí)500 hPa平均高度場(chǎng)和流場(chǎng)(b，陰影為高度場(chǎng)，單位:gpm；
流線表示流場(chǎng))、8月12日00—12時(shí)925—700 hPa平均渦度場(chǎng)、流場(chǎng)和850 hPa垂直速度(c，陰影為渦度，單位:10-5 s-1；
紅色虛線表示垂直速度，單位:Pa·s-1)及8月12日00—12時(shí)925 hPa平均風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)速(d，陰影為風(fēng)速，單位:m·s-1，風(fēng)羽表示風(fēng)場(chǎng))，圖中綠線為湖北省界Fig.10(a)Averaged 200 hPa geopotential field(shaded,unit:gpm)and win bar from 08:00 BT 11 to 08:00 BT 13 August 2021，(b)averaged 500 hPa geopotential field(shaded,unit:gpm)and flow field from 08:00 BT 11 to 08:00 BT 12 August 2021,(c)averaged 500－700 hPa vorticity field(shaded,unit:10-5 s-1),flow field and 850 hPa vertical velocity field(red dashed line,unit:Pa·s-1)from 00:00 BT to 12:00 BT 12 August 2021 and(d)averaged 925 hPa wind bar and horizontal velocity shaded,unit:m·s-1)from 00:00 BT to 12:00 BT 12 August 2021.Green line marks out the boundary of Hubei Province
3.2.3 地形對(duì)低層風(fēng)場(chǎng)和強(qiáng)降水的作用
地形與低層風(fēng)場(chǎng)的相互作用對(duì)對(duì)流的觸發(fā)有很重要的作用。低層和邊界層內(nèi)，鄂北地區(qū)均為偏東氣流，柳林鎮(zhèn)又位于大洪山小地形的迎風(fēng)坡上。基于WRF模式，利用模式自帶30 s地形數(shù)據(jù)開(kāi)展了地形敏感性試驗(yàn)。地形移除前的控制試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)(圖11a)，強(qiáng)降水中心柳林鎮(zhèn)(圖中黑色矩形方框)的強(qiáng)降水落區(qū)主要位于大洪山與桐柏山之間的狹長(zhǎng)山谷區(qū)域內(nèi)，強(qiáng)降水維持期間狹長(zhǎng)山谷區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)顯著的近地面風(fēng)場(chǎng)輻合，該環(huán)流形勢(shì)有利于降水的增強(qiáng)。地形移除后的敏感性試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)(圖11b)，原本位于峽谷內(nèi)的強(qiáng)降水帶向北推進(jìn)，而此時(shí)近地面風(fēng)場(chǎng)輻合帶也對(duì)應(yīng)出現(xiàn)向北推進(jìn)的特征，這表明大洪山與桐柏山構(gòu)成的狹長(zhǎng)山谷地形有利于強(qiáng)降水在山谷區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)，同時(shí)東北側(cè)的桐柏山對(duì)于山前近地面風(fēng)場(chǎng)輻合帶的穩(wěn)定維持也起到了積極的作用。
圖11 2021年8月12日05—08時(shí)控制試驗(yàn)(a)、去除局地地形的敏感性試驗(yàn)(b)的累積降水量(陰影，單位:mm)及975 hPa平均風(fēng)場(chǎng)(矢量箭頭)(灰色陰影表示250 m以上高度地形輪廓，黑色矩形方框表示隨州柳林)Fig.11 Cumulative rainfall(shaded,unit:mm)and averaged 975 hPa wind field(vector arrow)of(a)control simulation and(b)sensitivity simulation removed local terrain from 05:00 BT to 08:00 BT 12 August 2021.Grey shadow marks out the area where topographic height above 250 m.Black rectangle represents the location of the Suizhou Liulin
3.3 武漢兩次對(duì)流大風(fēng)過(guò)程
2021年5月10日，湖北省中東部地區(qū)出現(xiàn)大范圍的短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，造成全省共220站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，5站次極大風(fēng)力達(dá)到12級(jí)，局地出現(xiàn)冰雹。5月14日，湖北省中東部地區(qū)再次出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水和風(fēng)暴天氣，并在武漢市蔡甸區(qū)引發(fā)三級(jí)強(qiáng)龍卷。兩次過(guò)程時(shí)間間隔短，且均在武漢市造成嚴(yán)重的風(fēng)災(zāi)，社會(huì)影響大，本節(jié)對(duì)比分析這兩次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的天氣特征和中尺度對(duì)流系統(tǒng)特征，并對(duì)極端性更強(qiáng)的5月10日對(duì)流大風(fēng)過(guò)程的成因進(jìn)行診斷分析。
3.3.1 極大風(fēng)和小時(shí)雨量特征對(duì)比
2021年5月10日，受高空冷渦，短波槽，低層切變線和低空急流共同影響，武漢出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流過(guò)程。強(qiáng)對(duì)流過(guò)程主要發(fā)生在10 日下午，14—15 時(shí)，武漢長(zhǎng)江江面附近出現(xiàn)了6 站次的10級(jí)以上的大風(fēng)，40 m·s-1以上的極值大風(fēng)沿江面從南往北推進(jìn)，速度越來(lái)越大，12 min從白沙洲大橋(14:28)推進(jìn)至二七長(zhǎng)江大橋(14:40)，風(fēng)速?gòu)?0.1 m·s-1增大到44.9 m·s-1，風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)(圖12a，表1)。50 mm·h-1以上的短時(shí)強(qiáng)降水集中在長(zhǎng)江以東地區(qū)，三站次超過(guò)90 mm·h-1的極端強(qiáng)降水位于大風(fēng)區(qū)東側(cè)約10 km，峰值時(shí)間略晚于大風(fēng)極值，分鐘雨量大值中心同樣出現(xiàn)從南側(cè)向北側(cè)發(fā)展的特征(圖12a，表2)。
2021 年5 月13—17 日，受高空冷槽，低層低渦切變線影響，我國(guó)中東部出現(xiàn)了大范圍的短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)天氣，其中武漢的強(qiáng)對(duì)流過(guò)程發(fā)生在5月14日夜間，大風(fēng)在21∶03 首先出現(xiàn)在白沙洲紅燈船站(19.7 m·s-1)，為西北風(fēng)，15 min后發(fā)展至北側(cè)的航道提示標(biāo)站和鸚鵡洲大橋站，風(fēng)速略有減小，且風(fēng)向轉(zhuǎn)為西南風(fēng)(圖12b，表1)；
45 mm·h-1以上的短時(shí)強(qiáng)降水也發(fā)生在沿江地區(qū)，且出現(xiàn)在21∶15—21∶20，北側(cè)大風(fēng)極值出現(xiàn)的時(shí)間基本一致(圖12b，表2)。
圖12 2021年5月10日14—15時(shí)(a)、5月14日21—22時(shí)(b)武漢強(qiáng)降水(單位:mm)和極大風(fēng)速(風(fēng)羽)分布(實(shí)線圓為出現(xiàn)極大風(fēng)速的站點(diǎn)；
點(diǎn)線圓為出現(xiàn)最大雨量的站點(diǎn)；
短劃線圓為同時(shí)出現(xiàn)極大風(fēng)速和最大雨量的站點(diǎn))Fig.12 Heavy precipitation and maximum wind speed in Wuhan(a)from 14:00 BT to 15:00 BT 10 May 2021,(b)from 21:00 BT to 22:00 BT 14 May 2021.The solid line circle marks the maximum wind speed station,the dotted line marks the maximum rainfall station,and the dashed line marks the station with both maximum wind speed and maximum rainfall
表1 2021年兩次過(guò)程極大風(fēng)速及出現(xiàn)時(shí)間Table 1 Maximum wind speed and occurrence time of the two cases in 2021
表2 2021年兩次過(guò)程小時(shí)雨量及5 min最大降水出現(xiàn)時(shí)段Table 2 Maximum 5 minutes cumulative rainfall and period of the two cases in 2021
總的來(lái)看，5月10日的強(qiáng)對(duì)流發(fā)生在下午，極端性強(qiáng)，風(fēng)大雨大、先風(fēng)后雨、位置分離；
5月14日的強(qiáng)對(duì)流過(guò)程發(fā)生在夜間，短時(shí)強(qiáng)降水和極端大風(fēng)的時(shí)間和空間分布高度重疊。
3.3.2 中尺度影響系統(tǒng)演變過(guò)程對(duì)比
5月10日的強(qiáng)對(duì)流過(guò)程發(fā)生前，13∶48超過(guò)40 dBz的對(duì)流單體形成，并在14∶00 迅速發(fā)展出超過(guò)55 dBz強(qiáng)回波；
與此同時(shí)，南側(cè)還有一個(gè)超過(guò)55 dBz 強(qiáng)回波。南側(cè)對(duì)流單體向北移動(dòng)，并在14∶30 與北側(cè)局地發(fā)展的對(duì)流單體合并發(fā)展成中β尺度對(duì)流系統(tǒng)。隨后，強(qiáng)的對(duì)流系統(tǒng)繼續(xù)緩慢北移，約在14∶48移出最強(qiáng)降水站點(diǎn)(圖13a—d)。
5 月14 日的強(qiáng)對(duì)流過(guò)程發(fā)生前，14∶54 對(duì)流單體形成于江漢平原南部，隨后持續(xù)增強(qiáng)，并向東北方向移動(dòng)，在19∶42 接近武漢；
此時(shí)，對(duì)流系統(tǒng)東南側(cè)有一對(duì)流單體新生。此后，兩者同時(shí)發(fā)展增強(qiáng)，對(duì)流系統(tǒng)向東移動(dòng)，對(duì)流單體想東北移動(dòng)，兩者在20∶18在武漢市蔡甸區(qū)合并同時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)。對(duì)流系統(tǒng)繼續(xù)東移，并在20∶30—20∶50移過(guò)蔡甸區(qū)，引發(fā)龍卷。隨后對(duì)流系統(tǒng)繼續(xù)東移，并造成21∶00—21∶30時(shí)段長(zhǎng)江沿岸的強(qiáng)風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水。對(duì)流系統(tǒng)繼續(xù)東移，在15 日00時(shí)消失在鄂東北東部(圖13e—h)。
圖13 2021年5月10日13∶48(a)、14∶00(b)、14∶30(c)、14∶48(d)的雷達(dá)組合反射率因子(陰影，單位:dBz；
▲為大風(fēng)位置，●為強(qiáng)降水位置)及2021年5月14日19∶42(e)、20∶18(f)、20∶36(g)、21∶06(h)的雷達(dá)組合反射率因子(陰影，單位:dBz；
▲表示蔡甸奓山站，▲、●和□分別表示出現(xiàn)大風(fēng)、強(qiáng)降水和同時(shí)出現(xiàn)大風(fēng)和強(qiáng)降水的站點(diǎn)位置)Fig.13 Radar reflectivity factor(shaded,unit:dBz)at(a)13∶48 BT,(b)14∶00 BT,(c)14∶30 BT and(d)14∶48 BT 10 May 2021.Triangle indicates the position of strong wind and circle marks the position of heavy precipitation.Radar reflectivity factor(shaded;unit:dBz)at(e)19∶42 BT,(f)20∶18 BT,(g)20∶36 BT and(h)21∶06 BT 14 May 2021.Blue triangle marks the location of Caidian Zhashan station,triangle,circle,and rectangle mark the positions of strong wind,heavy rainfall and strong wind and heavy rainfall at the same time
5月10日的強(qiáng)對(duì)流是兩個(gè)中γ尺度的強(qiáng)對(duì)流單體合并發(fā)展成的中β尺度對(duì)流系統(tǒng)所引發(fā)的；
5 月14 日的強(qiáng)對(duì)流影響系統(tǒng)是一個(gè)維持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)9 h 的中β尺度系統(tǒng)在一個(gè)迅速移動(dòng)的中γ尺度強(qiáng)對(duì)流單體的影響下加強(qiáng)了該對(duì)流系統(tǒng)，導(dǎo)致蔡甸強(qiáng)對(duì)流發(fā)生。
3.3.3 5月10日強(qiáng)對(duì)流極端大風(fēng)成因分析
5 月10 日的地面自動(dòng)站5 min 加密數(shù)據(jù)顯示大風(fēng)降水開(kāi)始前(14∶00)，地面溫度露點(diǎn)差超過(guò)6 K，隨后溫度露點(diǎn)差迅速減小，至14∶20 時(shí)降水區(qū)附近降低到2 K 以下，高濕狀態(tài)維持到15∶00。地面溫度場(chǎng)分析顯示，與強(qiáng)降水區(qū)地面溫度露點(diǎn)差迅速減小相伴隨的是降水區(qū)附近溫度的迅速下降，14∶00 地面出現(xiàn)冷池出流，14∶10降水區(qū)附近冷池達(dá)到-3 K，開(kāi)始出現(xiàn)5 mm·(5 min)-1的降水，14∶20 冷池達(dá)到-5 K，超過(guò)10 mm·(5 min)-1的強(qiáng)降水出現(xiàn)，并在14∶30—14∶50 達(dá)到最強(qiáng)。與冷池出流的強(qiáng)度相一致，白沙洲大橋站(40.1 m·s-1)、鸚鵡洲大橋站(41.3 m·s-1)和二七大橋站(44.9 m·s-1)的地面極大風(fēng)速分別出現(xiàn)在14∶28、14∶33和14∶40(圖14a—c)。
白沙洲大橋站的VDRAS 6 min 數(shù)據(jù)分析顯示(圖14d)，在地面極大風(fēng)速出現(xiàn)前的半小時(shí)(14∶00)，中層水平風(fēng)速開(kāi)始迅速增強(qiáng)，14∶24中層風(fēng)速達(dá)到最大，4 000 m 高度風(fēng)速超過(guò)18 m·s-1，此時(shí)低層出現(xiàn)了超過(guò)-3 m·s-1顯著下沉運(yùn)動(dòng)，中心位于1 500 m，隨后地面極大風(fēng)速發(fā)生(14∶28)。鸚鵡洲大橋站和二七大橋站的VDRAS數(shù)據(jù)也有類似分析結(jié)果。
圖14 2021年5月10日14∶20(a)、14∶35(b)地面冷池(陰影，單位:K)、流場(chǎng)和大風(fēng)(紅色實(shí)線，風(fēng)速≥12 m·s-1)，14∶20(c)地面溫度露點(diǎn)差(陰影，單位:K)、溫度(紅色實(shí)線，單位:K)、2 min平均風(fēng)(流線)和5 min累積降水量(數(shù)字,單位:mm)，白沙洲大橋的垂直速度(陰影)，水平風(fēng)(風(fēng)羽)及風(fēng)速(紅色實(shí)線)的高度-時(shí)間演變圖(d)(其中□為大風(fēng)位置，○為強(qiáng)降水位置)Fig.14 Cold pool(shaded;unit:K),flow field and strong wind(red solid line,wind speed ≥12 m·s-1)at(a)14∶20 BT and(b)14∶35 BT on surface ground.(c)Temperature dew point difference(shaded,unit:K),temperature(red solid line,unit:K),2 minutes averaged wind(streamline)and five minutes accumulated precipitation(unit:mm)on surface ground at 14∶20 BT.Rectangle indicates the position of strong wind and circle marks the position of heavy precipitation.(d)Time-height cross section of vertical speed(shaded,unit:m·s-1),horizontal wind(wind bar)and wind speed(red solid line,unit:m·s-1)at Bashazhou bridge.
地面自動(dòng)站5 min 加密數(shù)據(jù)和VDRAS 6 min 數(shù)據(jù)綜合分析發(fā)現(xiàn)，地面局地強(qiáng)冷池的上方對(duì)應(yīng)著低層的小尺度下沉運(yùn)動(dòng)，而下沉運(yùn)動(dòng)又是由中層突然增強(qiáng)的水平風(fēng)速引發(fā)的。
本文統(tǒng)計(jì)研究了2021年的我國(guó)主汛期和華西秋雨的異常性特征，并對(duì)河南“7.21”特大暴雨、隨州“8.12”極端強(qiáng)降水和武漢5月發(fā)生的連續(xù)兩次對(duì)流大風(fēng)天氣等高影響天氣過(guò)程展開(kāi)了初步分析，主要結(jié)論如下：
(1)2021 年主汛期全國(guó)平均降水較常年同期偏多7.8%。旱澇兩極分化嚴(yán)重。降水異常偏多區(qū)分布在我國(guó)北方，其中河南、河北和山西等部分地區(qū)偏多1倍以上。異常偏多的華西秋雨和漢江秋汛主要是受副熱帶高壓外圍水汽和北方活躍冷空氣的共同影響，“拉尼娜”海溫異常事件是導(dǎo)致環(huán)流異常的重要外強(qiáng)迫因子。
(2)河南暴雨發(fā)生在臺(tái)風(fēng)、低渦、切變線和輻合線共同作用的背景下，東側(cè)邊界層水汽來(lái)自西北太平洋，南側(cè)對(duì)流層中低層水汽來(lái)自南海；
低空急流與邊界層急流的耦合形成了水汽輻合上升中心，配合地形的動(dòng)力阻擋抬升和熱力抬升作用，使得強(qiáng)降水中心呈帶狀發(fā)生在山前。
(3)隨州強(qiáng)降水出現(xiàn)在高層輻散、中層冷暖氣流交匯、低層切變線、邊界層內(nèi)中尺度低渦和急流的條件下，地形與低層風(fēng)場(chǎng)輻合帶的相互作用觸發(fā)了對(duì)流，并使得降水維持在狹長(zhǎng)山谷地形區(qū)域內(nèi)。
(4)武漢兩次對(duì)流大風(fēng)事件分別由中γ尺度的強(qiáng)對(duì)流單體的合并和迅速移動(dòng)中γ尺度的強(qiáng)對(duì)流單體加強(qiáng)了穩(wěn)定維持的中β對(duì)流系統(tǒng)所引發(fā)。分鐘級(jí)地面和再分析數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)中層突然增強(qiáng)的水平風(fēng)速引發(fā)的下沉運(yùn)動(dòng)，下落后引發(fā)了地面局地強(qiáng)冷池和地面極值大風(fēng)。
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