“21·7”河南极端暴雨的日变化特征分析

王哲雯.“21·7”河南极端暴雨的日变化特征分析［J ］.中南农业科技，2023，44（5）：169-173．
暴雨是中国主要的气象灾害，具有明显的突发性、持续时间长、降水强度大等特点，易引发不同程度的洪涝和地质灾害，导致严重的人员伤亡和经济损失［1］。

河南省处于青藏高原东侧中纬度地区，也是受暴雨影响较严重的地区，其地形复杂，西部丘陵多发山洪、暴雨，东部平坦低洼，易发洪涝［2］。

每年6—8月，随着西太平洋副热带高压（以下简称西太副高）西伸北抬，西南季风加强且向北延伸，与西风
带中东移南下的低值系统在河南省交汇产生暴雨［3］。

中华人民共和国成立以来，河南省发生过多起极端暴雨事件。

1975年8月7503号台风在河南省移动受阻，产生迅猛、集中的强降水，最大过程雨量1631mm ，造成严重的人员伤亡和经济损失［4］。

2007年7月，受西太副高、贝加尔湖高压和低空急流
的共同作用，豫西突发暴雨，导致山体滑坡、房倒屋
塌、近百人死亡［5，6］。

河南省极端降水的多尺度时空变化通常与低涡、切变线、锋面、西太副高、西南季风等天气系统密切相关，而由于地形等区域强迫的影响，降水的具体落区和发生发展等多表现出明显的日变化特
征［7，8］。

在全球气侯变暖背景下，西太副高、东亚夏
季风等诸多天气气候系统存在明显的年代际变化［9-11］，极端降水等灾害性天气日益增多，造成的损失和影响也呈明显上升趋势［12-14］。

2021年7月
17—22日河南省发生极端暴雨（称作“21·7”河南极
端暴雨），此次降水过程具有持续时间长、累积雨量大、短时雨强大、极端性强等突出特点，其中郑州市8个国家站日降水量突破建站以来历史极值。

针对此过程，数值模式和业务预报与实际降水落区和极端性方面均存在一定偏差，反映出当前极端暴雨精准预报的难度系数较大、对极端降水过程的产生机制和发生发展特征认识不足等问题。

苏爱芳等［15］和张霞等［16］对“21·7”河南极端暴雨过程的环流异常特征和基本成因等进行了探讨，本研究则主要分析此次极端暴雨的日变化过程，揭示降水和相关物理量的时空演变特征，旨在为此类极端强降水的可预报性研究提供一定的参考依据。

1资料来源
本研究所使用的资料包括2021年7月18—23
日河南省121个国家级气象自动站的逐小时降水资料（来自中国气象局气象信息中心）；同时间段的欧洲中期天气预报中心（European centre for medium-range weather forecasts ，ECMWF ）第五代大气再分析资料（ERA-5，https ：//cds.climate.copernicus.eu/），水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向从1000hPa 至10hPa 共17层，时间间隔1h 。

本研究中各地市的区域日降水量指该地市全部国家站日降水量的平均值。

收稿日期：2022-03-31
基金项目：中国气象局河南省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（KQ202160）
作者简介：王哲雯（1994-），女，河南驻马店人，工程师，硕士，主要从事天气气候变化研究工作，（电话）188****7335（电子信箱）*****************。

“21·7”河南极端暴雨的日变化特征分析
王哲雯1，
2
（1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，郑州450003；2.驻马店市气象局，河南驻马店463000）
摘要：利用2021年7月18—23日河南省121个国家级气象站逐小时降水资料、ERA-5大气再分析资料，对“21·7”河南极端暴雨过程的日变化特征进行了初步分析。

结果表明，河南省降水总量呈现傍晚和清晨“双峰型”结构，且极端降水的时空演变特征显著。

7月19日8：00至20日20：00（北京时间，下同）强降水中心主要位于豫中地区，而后朝东北向移动；21日8：00起略向西移，集中于豫北114°E 附近。

受西太平洋副热带高压西进东退及台风“烟花”和“查帕卡”外围环流变化的影响，低空偏南风和东南风急流在豫北中部的辐合区位置不断变化，极端降水的日变化过程与来自海洋的水汽输送和局地上升运动变化相对应。

强大的水汽通道向河南中、北部地区不断输送暖湿气流，给暴雨的形成提供充沛的水汽，配合局地较好的辐合、抬升条件和不稳定能量，进而调控极端降水的时空变化。

关键词：极端暴雨；降水日变化；水汽通道；低空急流；特征分析；河南省中图分类号：P458.1+21
文献标识码：A
文章编号：2097-2083（2023）05-0169-05
中南农业科技2023年
2结果与分析
2.1“21·7”河南极端暴雨过程概况
“21·7”河南极端暴雨过程的强降水阶段自7月
18日起，7月22日后明显减弱。

18日降水主要分布
于豫西豫北沿山一带，19—20日降水集中于豫中地
区，21日降水中心明显移至豫北，22日降水减弱。

7月18日8：00至23日8：00累计降水量如图1所示，
该轮降水有2个显著的大值中心，分别位于豫中郑
州市附近和豫北新乡-鹤壁一带。

经统计，鹤壁市
科创中心站累计降水量高达1116.2mm，位居第一，
郑州市白寨站次之，累计降水量987.2mm；河南省
有173个站点累计降水量超过600.0mm，1/3以上站
点降水量在250.0mm以上。

此外，河南省有41个站
点小时雨强大于100.0mm/h，郑州站7月20日
16：00—17：00雨强达201.9mm，突破历史极值，造
成严重灾情。

36°N
34°N
32°N
110°E112°E114°E116°E 650 550 450 350 250 150 50
降水量//mm
图1河南省2021年7月18日8：00至23日8：00累计降水量
河南省18个地市区域日降水量达到峰值的时间有所不同（图2）。

降水大值区新乡市和郑州市的日降水量均在7月20日达到峰值，而鹤壁市日降水量峰值出现在7月21日，表明降水演变有区域性差异，且降水落区有明显的北移趋势。

同时，这3个地市在该过程中均有3个暴雨日（日降水量≥50mm），强降水持续时间长、累积量较大。

2.2极端暴雨的日变化特征
由于地形等复杂因素的存在，极端暴雨通常具有显著的多时空尺度特征［17-19］。

其中，暴雨过程的整体特征与大尺度天气系统变化相关，而具体的降水落区和发生时间等特征常受到区域性强迫的影响，呈显著的日变化特征［7，8，20-22］。

针对此次河南极端暴雨过程进行初步分析，河南省121个国家站降水总量具有明显日变化特征，即呈傍晚（14：00—20：00）和清晨（2：00—8：00）双峰型结构，过程中发生的极端短时强降水基本都处于2个区间段内（图3）。

350.0
300.0
250.0
200.0
150.0
100.0
50.0
2
4
h
降
水
量
/
/
m
m
/
d
7月17日7月18日7月19日7月20日7月21日7月22日
时间
安阳市
漯河市
新乡市
洛阳市
商丘市
驻马店市
鹤壁市
南阳市
信阳市
济源市
平顶山市
许昌市
焦作市
濮阳市
郑州市
开封市
三门峡市
周口市
301.5
326.3
230.8
173.4
145.1
36.534.8
22.01.3
19.7
63.4
51.036.9
22.4
图22021年7月17日8：00至22日8：00河南省18个地市
日降水量时间序列
700.0
600.0
500.0
400.0
300.0
200.0
100.0
降
水
量
/
/
m
m
7
月
1
7
日
8
：
时间
7
月
1
8
日
8
：
7
月
1
9
日
8
：
7
月
2
日
8
：
7
月
2
1
日
8
：
7
月
2
2
日
8
：
7
月
2
3
日
8
：
7
月
2
4
日
8
：
图3河南省2021年7月17日8：00至24日8：00共121个国家站逐小时降水量总和的时间序列
对河南省内降水做经向平均（31°—37°N），结果如图4所示。

7月19日8：00之前强降水落区沿纬向分布较散且强度相对较弱；19日20：00至20日20：00降水集中于112.0°—113.5°E，雨强明显增大；随后20日20：00至21日8：00左右强降水区东移至113.5°—115.0°E，强度略微减弱；21日8：00至22日8：00强降水中心略有西移，维持在114°E附近，同时雨强再次加大；之后降水明显减弱。

与强降水落区的东西向变化不同，经向平均（110°—170°E）的降水在35°—36°N纬度带内始终维持，可能是造成豫北极端降水量的原因之一（图5）。

19日20：00起强降水区逐渐北缩，20日20：00后向北发展、雨强增大且持续时间长至22日8：00。

此外，图4和图5上均有散落的短时强降水区，表明该过程局地强对流多发。

总体来说，这次暴雨主要发生在豫中北地区，强降水落区移动缓慢、局地维持时间长、短时强对流性质明显，20日20：00后朝东北向移动，后期集中于豫北114°E附近。

170
第5期2.3中低层大气环流演变
进一步分析发现，“21·7”河南极端暴雨的日变
化过程与中低层环流形势的演变有着密切联系（图6）。

7月20日8：00500hPa 位势高度场上，30°N 以南广东沿海和台湾岛东侧洋面存在一弱一强2个气旋式环流，分别对应2107号台风“查帕卡”和2106号台风“烟花”；30°N 以北受异常北抬的西太副高和位于中国西北地区的大陆高压控制。

双台风和两高对峙的环流形势使得河南省低空东南风急流异常强盛，在豫西地区形成低涡切变，对豫中地区强降水的形成十分有利（图6a ）。

7月20日20：00，海上西太副高位置依然维持偏北，但有所东退，台风“烟花”北上，内陆低涡随之向东北移动，低空偏南、东南风急流在豫北一带辐合，强降水向豫北地区转移（图6b ）。

7月21日8：00，台风“烟花”北侧偏东气流依然强盛，西太副高略有西进，河南省上空850hPa 偏南风与东南风气流辐合区西移北抬，低涡切变减弱消失（图6c ）。

7月21日20：00，海上副高北抬东退，“烟花”稳定维持，豫东、豫北一带低空东南急流显著，但河南省低空偏南风明显减弱，降水开始有所减弱（图6d ）。

2.4
相关物理量变化
暴雨的日变化过程通常伴随着相关物理量场的
变化，从暴雨生成维持所需要的水汽条件和暴雨的触发机制垂直运动条件来看，各变量均呈现与强降水较一致的演变特征（图7至图9）。

整个降水过程（112°—115°E ）7月18—22日低层925hPa 比湿基本都在16g/kg 以上，湿层深厚；7月20日20：00之前比湿大值区偏西，随后东移，21日8：00起有所增大，21日20：00后强降水区比湿明显减弱。

低空850hPa 南风分量于20日20：00后增强至10m/s 以
图5河南省2021年7月18日8：00至23日8：00110°—
117°E 平均降水的时间-纬度演变
36°N 34°N 32°N
18
日
8：
00
18
日
20
：00
0.10.30.51.01.52.02.53.03.54.05.07.09.010.0
平均降水量
//mm/h
19
日
8：
00
19
日
20
：00
20
日
8：
00
20
日
20
：00
21
日
8：0021
日
20
：00
22
日
8：0022
日
20
：00
23
日
8：
00图4河南省2021年7月18日8：00至23日8：0031°—37°N
平均降水的经度-时间演变
图62021年7月20—21日4个时次的500hPa 位势高度场（等值线和填色；单位：gpm ）和850hPa 风场（矢量；单位：m/s ）
23日8：0022日20：0022日8：0021日20：0021日8：0020日20：0020日8：0019日20：0019日8：0018日20：0018日8：00
10.0
9.07.05.04.03.53.02.52.01.51.00.50.30.1
平均降水量//mm/h
112°E
114°E
116°E
45°N 35°N 25°N
90°E 105°E
120°E
135°E
a.7月20日8：005600
5640
5680
5720
5760
5800
5840
45°N 35°N 25°N
90°E 105°E
120°E 135°E
45°N 35°N 25°N
90°E
105°E
120°E 135°E 45°N 35°N 25°N
90°E
105°E 120°E 135°E
b.7月20日20：00
c.7月21日8：00
d.7月21日20：00王哲雯：“21·7”河南极端暴雨的日变化特征分析
171
中南农业科技
2023年
上且大值区东移，21日8：00后稍有减弱但依然维持在8m/s ，21日20：00起减小至4m/s 以下。

与之几乎相反，850hPa 东风分量在20日20：00之前最大可达
8m/s ；20日20：00至21日8：00减小至3~4m/s ，而此时南风分量较大，有利于来自海洋的水汽向北推进；
21日8：00后东风再次加强至4~5m/s ，使得水汽辐
图7河南省2021年7月18—23日31°—37°N 平均925hPa 比湿（a ）及850hPa 经向（b ）/纬向（c ）风的经度-时间演变
图8
2021年7月20—21日4个时次925hPa 水汽通量［矢量；单位：g/（hPa·m·s ）］及其散度场（填色；单位：10-12g·hPa·m 2/s ）
40°N
30°N 20°N 110°E 120°E 130°E
a.7月20日8：00
b.7月20日20：00
c.7月21日8：00
d.7月21日20：00
40°N
30°N
20°N 110°E 120°E 130°E
40°N
30°N 20°N
110°E 120°E 130°E
40°N
30°N
20°N
110°E
120°E 130°E
-40-36-32-28-24-20-16-12-8-4
图9河南省2021年7月18—23日31°—37°N 平均200hPa （a ）/850hPa （b ）散度和500hPa 垂直速度（c ）的经度-时间演变
比湿//g/kg
风速//m/s
23日8：0022日20：0022日8：0021日20：0021日8：0020日20：0020日8：0019日20：0019日8：0018日20：00
18日8：00
1716
1514
13
12
111098
112°E
114°E
116°E
23日8：00
22日20：0022日8：00
21日20：00
21日8：0020日20：0020日8：0019日20：0019日8：0018日20：0018日8：001086
4
20-2-4
-6
-8-100
-1-2-3-4-5-6-7-8
23日8：00
22日20：
0022日8：0021日20：0021日8：
0020日20：0020日8：0019日20：0019日8：
0018日20：00
18日8：00
112°E
114°E
116°E
112°E
114°E
116°E
风速//m/s
a
b
c
23日8：00
22日20：0022日8：00
21日20：0021日8：0020日20：0020日8：0019日20：0019日8：0018日20：0018日8：00112°E
114°E 116°E
垂直速度//10-2Pa/s
散度//s -1
23日8：00
22日20：
0022日8：0021日20：
0021日8：0020日20：0020日8：0019日20：
0019日8：0018日20：
0018日8：00
a
b
c
6e-055e-054e-05
3e-052e-051e-05
-1e-05-2e-05
-3e-05-4e-05-5e-05
-6e-05112°E
114°E 116°E
23日8：0022日20：0022日8：0021日20：0021日8：0020日20：0020日8：0019日20：0019日8：0018日20：00
18日8：00
6e-055e-054e-053e-052e-051e-050
-1e-05-2e-05-3e-05-4e-05-5e-05-6e-05
20
151050-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55
散度//s -1
172
第5期
合区略微西移。

结合925hPa水汽通量及其散度场也得到同样
的验证，海上西太副高西南侧和台风“烟花”北侧的
东南风急流强盛，形成强大的水汽通道，向河南省
中、北部地区不断输送暖湿气流，给暴雨的形成提供
充沛水汽（图8）。

强降水过程中高层辐散区和低层辐合区匹配较
好，通过抽吸作用，上升运动大值区自20日20：00起
东移至113.5°—115.0°E区，且强度维持至21日20：00，之后有所减弱（图9）。

充足的水汽供应加上强烈辐合上升运动条件，配合一定的能量，三者的演
变对于强降水的形成维持和强度、落区的变化有重
要影响。

3小结
“21·7”河南极端暴雨过程有持续时间长、累计
雨量大、短时降雨强、降雨极端性突出且致灾性强等
特点，由于地形等复杂因素的影响，该过程河南省降
水总量呈现傍晚（14：00—20：00）和清晨（2：00—8：00）双峰型结构，强降水的日变化特征显著。

主要结论如下。

1）极端暴雨主要发生在河南省中、北部地区，强降水落区移动缓慢、局地维持时间长，短时强对流性质明显。

7月19日8：00至20日20：00强降水中心位于豫中地区，之后朝东北向移动，21日8：00左右略向西移、集中于豫北114°E附近。

2）强降水的日变化过程与中低层环流形势的演变有密切联系。

受2106号台风“烟花”、2107号台风“查帕卡”和中纬度异常北抬的西太副高及大陆高压影响，低涡切变在黄淮地区停滞少动，导致强降水持续；而西太副高西进东退及双台风外围环流的变化，使得低空偏南风和东南风急流在豫北中部的辐合区位置发生变化，从而对强降水的日变化起到一定调控作用。

3）各物理量场的分析结果表明，强降水的日变化过程与来自海洋的水汽输送和局地上升运动变化一致。

西太副高西南侧和台风“烟花”北侧的东南风急流强盛，形成强大的水汽通道，向河南中、北部地区不断输送暖湿气流，给暴雨的形成提供充沛水汽；配合局地较强辐合、抬升条件和不稳定能量，进而影响极端降水的强度和落区变化。

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