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2021年河南省一次罕见暴雨过程的降水特征及成因

汤彬 王宗明 胡文婷 段安民

汤彬, 王宗明, 胡文婷, 等. 2023. 2021年河南省一次罕见暴雨过程的降水特征及成因[J]. 大气科学, 47(2): 517−533 doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2209.21251
引用本文: 汤彬, 王宗明, 胡文婷, 等. 2023. 2021年河南省一次罕见暴雨过程的降水特征及成因[J]. 大气科学, 47(2): 517−533 doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2209.21251
TANG Bin, WANG Zongming, HU Wenting, et al. 2023. Characteristics and Causes of Precipitation for a Rare Rainstorm Process in Henan Province in 2021 [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 47(2): 517−533 doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2209.21251
Citation: TANG Bin, WANG Zongming, HU Wenting, et al. 2023. Characteristics and Causes of Precipitation for a Rare Rainstorm Process in Henan Province in 2021 [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 47(2): 517−533 doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2209.21251

2021年河南省一次罕见暴雨过程的降水特征及成因

doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2209.21251
基金项目: 国家重点研发计划项目2021YFC3000802,国家自然科学基金项目41875076
详细信息
    作者简介:

    汤彬,女,1996年出生,博士研究生,主要从事极端降水事件研究。E-mail: tangbin@mail.iap.ac.cn

    通讯作者:

    胡文婷,E-mail: hwt@lasg.iap.ac.cn

  • 中图分类号: P448

Characteristics and Causes of Precipitation for a Rare Rainstorm Process in Henan Province in 2021

Funds: National Key Research and Development Program of China (Grant 2021YFC3000802), National Natural Science Foundation of China (Grant 41875076)
  • 摘要: 基于河南省119个国家自动站逐小时降水观测资料、欧洲中期天气预报中心逐小时大气再分析资料(ERA-5)、美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料及美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的海温资料对2021年7月17~22日河南省发生的一次历史罕见的极端强降水事件(简称“21·7”暴雨)的降水特征、大气环流和物理量场进行了较为详细的分析,并对比了河南历史上三次暴雨过程。结果表明:(1)“21·7”暴雨过程在1 h最大降水量、3 h最大降水量、6 h最大降水量、1 d最大降水量、3 d最大降水量和过程累计降水量方面均表现出显著极端性。(2)高层南亚高压与东海附近低涡稳定共存,中层副高稳定偏北偏强,与大陆高压形成对峙,使得天气形势稳定,为河南地区极端强降水的发生提供了背景条件。低层西太平洋副热带高压南侧东风气流与台风“烟花”北侧的东风气流相叠加,使得西太平洋到河南地区形成深厚的水汽通道,继而为河南地区极端强降水提供了充沛的水汽。(3)在“21·7”暴雨期间,河南地区水汽通量散度值为负且大部分地区的整层可降水量可达100 mm,整层水汽十分充沛。涡度和垂直速度场的大值区主要出现在太行山东麓临近地区,与降水大值区相对应。(4)与河南历史上两次暴雨过程“75·8”(1975年8月上旬发生在河南的一次极端强降水事件)和“12·8”(2012年8月发生在河南的一次极端强降水事件)相比,其相似之处在于台风在北移过程中受到副热带高压的阻挡而停滞少动,从而将源源不断的水汽输送至河南,造成极端降水事件的发生。(5)“21·7”暴雨期间西北太平洋副热带高压能够稳定维持在台风北侧是多种因素综合影响的结果,包括中高纬度环流配置、西太暖池异常偏暖造成Hadley下沉支加强,以及增强的越赤道气流。这是造成“21·7”暴雨过程累计降水量量级大于“12·8”暴雨且最终降水量超过500 mm的可能原因之一。
  • 图  1  河南省(紫色曲线范围,下同)119个国家自动站(圆点)的空间分布,填色代表海拔高度(单位:m)

    Figure  1.  Distribution of the 119 national automatic stations (dots) in Henan Province (purple curve range, the same below), the shadings represent the altitudes (units: m)

    图  2  2021年7月16~24日河南省逐日降雨量(圆点,单位:mm),填色代表海拔高度(单位:m)

    Figure  2.  Daily rainfall (dots, units: mm) in Henan Province during 16–24 July 2021, the shadings represent the altitudes (units: m)

    图  3  2021年7月18~22日河南省(a)累计降水量(单位:mm)、(b)单日最大降水量(单位:mm)的空间分布,(c)9个特定气象站累计降水量(蓝色柱)和气候态(1980~2020年,下同)7月平均累计降水(红色柱);(d)7月19日00时(北京时,下同)至22日23时河南省9个特定气象站降水量的逐小时变化

    Figure  3.  Distributions of (a) the accumulated precipitation (units: mm), (b) the maximum one-day precipitation (units: mm) in Henan Province during 18–22 July 2021; (c) accumulated precipitation (blue bars) during 18–22 July 2021 and climatic (1980–2020, the same below) precipitation (red bars) in July at nine specific national stations; (d) hourly rainfall in nine specific national stations from 0000 BJT (Beijing time) on July 19 to 2300 BJT on 22 July 2021

    图  4  2021年7月(a)19日20时、(b)20日08时、(c)20日20时、(d)21日08时200 hPa位势高度(等值线,单位:dagpm)和急流区(灰色阴影,急流区为200 hPa纬向风速≥30 m s−1的区域)

    Figure  4.  Distributions of the geopotential height (contours, units: dagpm) and westerly jet (gray shadings where the zonal wind speed≥30 m s−1) at 200 hPa at (a) 2000 BJT 19 July, (b) 0800 BJT 20 July, (c) 2000 BJT 20 July, and (d) 0800 BJT 21 July 2021

    图  5  2021年7月(a)19日20时、(b)20日08时、(c)20日20时、(d)21日08时500 hPa的位势高度(黑色等值线,单位:dagpm)。红色等值线代表西太副高位置,蓝色的等值线代表气候态7月的西太副高位置

    Figure  5.  Distributions of 500-hPa geopotential height (black contours, units: dagpm) at (a) 2000 BJT 19 July, (b) 0800 BJT 20 July, (c) 2000 BJT 20 July, and (d) 0800 BJT 21 July 2021. The red contour depicts the position of the western Pacific subtropical high, the blue contour represents the position of the climatic western Pacific subtropical high in July

    图  6  2021年7月(a)19日20时、(b)20日08时、(c)20日20时、(d)21日08时850 hPa的风场(单位:m s−1)分布

    Figure  6.  Distributions of 850-hPa wind field (units: m s−1) at (a) 2000 BJT 19 July, (b) 0800 BJT 20 July, (c) 2000 BJT 20 July, and (d) 0800 BJT 21 July 2021

    图  7  2021年7月20日20时(a)850 hPa水汽通量散度(阴影,单位:g cm−1 hPa−1 s−1)、风场(箭头,单位:m s−1),(b)整层大气可降水量(单位:mm),700 hPa(c)涡度(单位:10−5 s−1)、(d)垂直速度(单位:10−1 Pa s−1

    Figure  7.  (a) Water vapor flux divergence (shadings, units: g cm−1 hPa−1 s−1) and wind field (arrows, units: m s−1) at 850 hPa, (b) atmospheric precipitable water (units: mm), (c) 700-hPa vorticity (units: 10−5 s−1), and (d) 700-hPa vertical velocity (units: 10−1 Pa s−1) at 2000 BJT on 20 July 2021

    图  8  1975年8月(a)7日08时、(b)7日20时、(c)8日08时、(d)8日20时500 hPa位势高度(等值线,单位:dagpm)、风场(矢量,单位:m s−1)。蓝色圆点代表台风中心的位置

    Figure  8.  Distributions of geopotential height (contours, units: dagpm) and wind field (vectors, units: m s−1) at 500 hPa at (a) 0800 BJT 7 August, (b) 2000 BJT 7 August, (c) 0800 BJT 8 August, (d) 2000 BJT 8 August 1975. The blue dot represents the center of the typhoon

    图  9  2012年8月(a)4日08时、(b)4日20时、(c)5日08时、(d)5日20时200 hPa西风急流(灰色阴影,高空急流区为200 hPa纬向风速≥30 m s−1的区域)和850 hPa风场(风矢量,单位:m s−1)。红色等值线代表西太副高位置,蓝色等值线代表气候态8月西太副高位置

    Figure  9.  Distributions of the 200-hPa westerly jet (gray shadings, the zonal wind speed≥30 m s−1) and the 850-hPa wind field (vectors, units: m s−1) at (a) 0800 BJT 4 August, (b) 2000 BJT 4 August; (c) 0800 BJT 5 August, and (d) 2000 BJT 5 August 2012. The red contour represents the position of the western Pacific subtropical high, the blue contour denotes the position of the climatic western Pacific subtropical high in August

    图  10  2021年7月(a–f)第1~6候200 hPa逐候平均的纬向风场(等值线,单位:m s−1)及其距平(填色,单位:m s−1)。红色线表示风速为30 m s−1,蓝色线表示气候平均风速为30 m s−1

    Figure  10.  Mean (contours, units: m s−1) and anomalous (shadings, units: m s−1) fields of the zonal wind at 200 hPa (a–f) in the first–sixth pentad of July 2021. The red contour represents wind speed 30 m s−1, and the blue contour represents the climatic wind speed 30 m s−1

    图  11  2021年7月(a–f)第1~6候逐候平均的500 hPa位势高度场(等值线,单位:gpm)及其距平(填色,单位:gpm)

    Figure  11.  Mean (contours, units: gpm) and anomalous (shadings, units: gpm) 500-hPa geopotential height (a–f) in the first–sixth pentad of July 2021

    图  12  2021年7月(a–f)第1~6候逐候平均的海温异常的空间分布(单位:°C)

    Figure  12.  Distributions of mean sea surface temperature anomaly (units: °C) (a–f) in the first–sixth pentad of July 2021

    图  13  2021年7月(a–f)第1~6候逐候平均的120°~130°E纬向平均的垂直速度异常(单位:10−2 Pa s−1)的纬度—高度分布

    Figure  13.  Latitude–height profile of the mean vertical velocity anomaly (units: 10−2 Pa s−1) averaged over 120°–130°E (a–f) in the first–sixth pentad of July 2021

    图  14  2021年7月(a–d)第3~6候500 hPa位势高度场(等值线,单位:gpm)及其距平(填色,单位:gpm)以及(e)第3、(f)第4候200 hPa平均经向风距平(单位:m s−1

    Figure  14.  Mean (contours, units: gpm) and anomalous (shadings, units: gpm) 500-hPa geopotential height (a–d) in the third–sixth pentad of July 2021 and (e, f) 200-hPa meridional wind anomalies (units: m s−1) (e) in the third pentad, (f) in the forth pentad of July 2021

    表  1  2021年“21·7”暴雨过程与河南省历史上几次强降水过程对比

    Table  1.   Comparison between rainstorm in July 2021 (“21·7” rainstorm) and historical extreme precipitation events in Henan Province

    降水时段最大降水量/mm过程累计降水量/mm
    1 h3 h6 h1 d3 d
    1975年8月4~8日82.5191.3232.1343.6486.3532.4
    2010年9月5~7日65.9146.6147.1163.4218.4219.7
    2012年8月4~5日76.5112.3130.7197.1197.2197.2
    2013年5月25~26日34.559.198.2142.7192.9192.9
    2016年7月18~20日70.2142.5186.3210.8292.6292.6
    2021年7月17~22日201.9310.8389.7627.4775.4789.3
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-24
  • 录用日期:  2022-10-21
  • 网络出版日期:  2022-10-08
  • 刊出日期:  2023-03-15

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