极端降雨事件对社会经济、生产和生活具有极其重要的影响, 其形成过程和机制是一个被广泛关注的研究热点。在全球变暖的大背景下, 极端降雨等极端天气事件的发生更加频繁、影响更加显著(Zhai et al, 2005; IPCC, 2019), 对极端降雨过程和物理机制的研究具有重要意义。

我国极端降雨事件的发生受印太海温变化、热带气旋、副热带高压移动和局地陆面过程等多种复杂因素的影响。研究表明, 北印度洋和赤道中东太平洋海温异常对我国极端降雨事件的发生频次有影响, 当前者冬季海温异常偏暖时, 我国华南地区夏季极端降雨次数会偏少, 而在长江流域及其以北地区极端降雨次数会偏多(Yang, 2009; 范苏丹, 2010)。北半球冬季印度洋海温由于自身长期记忆, 会向太平洋激发出斜压开尔文波, 同时在南海局部海气相互作用下向西太平洋发展, 从而对东亚大气环流和降雨产生影响(He, 2015)。Studholme等(2022)指出, 由于气候变化的影响, 飓风和台风正在不断扩大其纬度活动范围, 对我国降雨将产生重要影响。中国东部夏季降雨异常与大尺度海温和环流异常有关(Dong, 2016), 中纬度中太平洋夏季海温异常可引起中国东部地区同期降雨异常(Yu et al, 2007), 热带印度洋和太平洋海温与副高存在相关关系, 热带印太海温异常会通过调节副高的位置、面积和强度变动、进而影响中国中东部地区降雨的变化(Cai et al, 2010; 钱代丽, 2019; Chen et al, 2020)。黄樱等(2011)利用小波分析方法, 指出除了海温外, 南亚高压的位置变化也会对淮河流域极端降雨产生重要影响。Chen等(2014a, 2014b)分析指出中国中东部持续性极端降雨事件具有双阻塞高压型和单阻塞高压型两种特征环流类型, 但在对流层上部, 南亚高压东伸能够促进这两种环流模式辐散。此外, 地形也会为极端降雨的发生起到“催化剂”的作用(Flesch et al, 2012; Ntwali et al, 2016), 比如华北中部夏季强降雨存在两种类型——持续山地降雨和山地平原降雨(Sun et al, 2018), 太行山和伏牛山系的嵩山形成的喇叭口地形被认为是河南“7·20”极端降雨事件产生的一个重要因素(冉令坤等, 2021; 张霞等, 2021; 梁旭东等, 2022)。

近年来, 我国长江中下游地区和华北中原地区的夏季降雨异常偏高(柯丹等, 2014; Luo et al, 2016; Bai et al, 2021; Yu et al, 2021), 极端降雨发生的概率增加(Wei et al, 2010)。2020年6~7月, 长江中下游流域发生超强梅雨(刘芸芸等, 2020; 郭媛媛等, 2021), 产生的严重的洪涝导致150亿美元以上的经济损失和279人死亡(翟建青等, 2021)。研究表明, 2020年超强梅雨的主要原因是热带印度洋海温异常增暖导致西太平洋反气旋加强, 西太平洋副热带高压偏强、西伸、脊线偏北, 南亚高压偏强东伸, 异常反气旋西北侧引起西南风异常将南海和孟加拉湾大量的水汽输送到长江中下游地区(Fang et al, 2021; 郭媛媛等, 2021; Cai et al, 2022), 印度洋海温异常变暖与长江中下游地区极端降雨密切相关(Tang et al, 2021), 梅雨期降雨具有非常显著的年际变化(Xia et al, 2021)。Zheng等(2021)还指出, 2020年的极端梅雨事件与印度洋、太平洋和大西洋三大洋都有关系, 但大西洋的海温异常起到主要作用。持续极端降雨和短时极端降雨期间, 水汽散度的变化与季节内变化和天气风场异常有关, 湿度场变化作用较小(Li et al, 2015)。

河南省位于中国的中部、华北平原的黄河中下游地区。历史上, 1975年8月河南就发生过特大暴雨事件(简称“75·8”大暴雨事件)。丁一汇(2015)总结了河南“75·8”大暴雨事件的发生机制, 指出源自东海和黄海且挟带大量水汽的热低压系统与南下的强冷空气相遇, 辐合作用剧烈、垂直上升运动加强, 且受“喇叭口”地形的抬升作用, 导致在驻马店一带引发历史罕见的强对流性暴雨(丁一汇等, 1978)。2016年7月河南豫北连续发生“7·09”和“7·19”两次特大暴雨事件, 水汽均主要来自热带和副热带的暖湿气流, “7·09”事件的整层可降水量更具有极端性, “7·19”事件垂向速度异常更显著(王君, 2019), 栗晗等(2018)指出豫北“7·19”暴雨事件在太行山地形和低涡气旋大尺度环流背景下, 中尺度地面辐合线的发展和维持是造成局部极端降雨的主要原因。

2021年7月20日至21日, 河南极端降雨事件再次发生。此次事件的灾害中心是郑州, 具有持久性、累积性、范围广和极端性等特点(苏爱芳等, 2021), 7月20日每小时最大降水量达到201.9 mm, 郑州国家站日累计降水量高达624.1 mm (陈刚等, 2022; 梁旭东等, 2022; 齐道日娜等, 2022; 杨浩等, 2022)。据新华社(2022)报道, 此次河南省极端降雨共造成1 478.6万人受灾, 398人死亡失踪, 造成直接经济损失1 200.6亿元(http://www.gov.cn/xinwen/2022-01/21/content_5669723.htm)。

河南“7·20”极端降雨事件受南亚高压东扩、大陆高压、副高西伸北抬偏强和黄淮地区低涡或切变线以及台风“烟花”和“查帕卡”远距离水汽输送等多尺度天气系统共同影响(冉令坤等, 2021; 张霞等, 2021; 王军等, 2022; 祝传栋等, 2022)。西南季风将南海的水汽输送至西北太平洋, 通过台风“烟花”作用向北输送, 西北太平洋的水汽在台风“烟花”北部的异常偏东气流和维持在日本上空副高的异常东南气流共同作用下, 持续不断地向河南地区输送水汽(梁旭东等, 2022)。研究表明从华南到河南存在一个“西南-东北”水汽输送带(孙跃等, 2021), 布和朝鲁等(2022)通过水汽通量分析和LAGRANTO (Lagrangian Analysis Tool)模式轨迹分析发现在“7·20”极端降雨事件期间河南南侧的经向水汽输送急剧增强, 但Nie等(2022)运用拉格朗日方法指出此次极端降雨事件中水汽主要来源是中国南方和西北太平洋地区, 其贡献率分别为38.1%和30.0%, 而南海贡献率仅为4.2%, 而且西北太平洋海域的水汽来源可以追溯到180°E。Cheng等(2022)使用全球大气环流的水分收支方程和三模式分解方法, 发现与经向环流相比, 纬向环流在该异常降水事件中占主导作用。

综上可知, 2021年河南“7·20”极端降雨事件的成因与历史上发生的极端事件似乎有所不同, 目前对“7·20”极端降雨事件水汽来源的结论尚有分歧。尽管前人研究已经证明西太平洋副热带高压对我国降雨具有重要影响, 但是副热带高压与河南降雨之间是否以及存在何种联系也不太清楚。因此, 本文在前人的大量深入研究基础上, 分析2021年7月河南极端降雨的海洋大气特征和水汽来源, 探索副热带高压和河南降雨之间的关系和机制。第1节将介绍所用的数据和方法, 第2节将展示主要分析结果, 包括河南降雨的基本特征、“7.20”事件的水汽来源和西太平洋副热带高压的作用等。第3节将简要总结结论并对本文存在的问题进行讨论。

1 数据和方法 1.1 数据

本文使用的降雨数据包括: (1) 美国国家海洋大气管理局气候预测中心(National Oceanic and Atmospheric Administration/Climate Prediction Center, NOAA/CPC)逐日降水资料, 分辨率为0.5°×0.5°; (2) 美国国家海洋大气管理局(Precipitation Reconstruction over Land, PREC/L)降水资料, 分辨率是1°×1°, 时间范围为1979~2021年; (3) 中国2 479个台站的逐日降水资料, 从中选取河南省121个台站的逐日降水观测资料, 时间范围为1979~2019年(朱雪妍等, 2018)。

大气场资料使用的是国家环境预测中心(National Center for Environmental Prediction, NCEP)/国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)再分析数据集Ⅰ, 包括海平面气压(sea level pressure, SLP)、位势高度(geopotential height, GPH)、风场、比湿和地表气压, 空间分辨率是2.5°×2.5°, 所选用的时间段都是1979~2021年。

海表面温度(sea surface temperature, SST)数据使用的是美国国家海洋大气局(NOAA)提供的逐月延长重建海表面温度(extended reconstructed sea surface temperature, ERSST) V5版本数据, 分辨率是2°×2°, 时间段是1979~2021年。海表面蒸发数据采用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的ERA5 (ECMWF Reanalysis v5)数据, 分辨率是0.25°×0.25°, 时间段为1979~2021年。

此外, 为了研究西太平洋副热带高压的作用, 本文还采用了国家气候中心发布的1979~2021年逐月西太副高指数(刘芸芸等, 2012)。

1.2 方法

利用风场、比湿和地表气压数据, 可计算整层水汽通量和整层水汽通量散度(Sun et al, 2011; Nie et al, 2022; 布和朝鲁等, 2022), 其中, 整层水汽通量Q_H为

式中, V指风速矢量, q指比湿, p指气压, p_t指上边界气压, p_s指地表气压, g为重力加速度, 取9.8 m/s², 单位为kg/(m∙s)。

整层水汽通量可以写成纬向Q_u和经向Q_v分量的形式:

式中, u指纬向风, v指经向风。

由于水汽通量和风速都属于向量, 且方向相同, 所以水汽通量散度可由水平散度得出:

式中, ▽指水平散度项。

垂直积分水平水汽通量散度可以表示:

为研究西太副高和河南降雨的变化特征, 我们对西太副高强度指数和河南降雨时间序列开展了集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD) (Wu等, 2009), 并对EEMD分解得到的本征模函数(intrinsic mode functions, IMF)进行分析, 研究对河南降雨影响最主要的IMF模态。

2 结果 2.1 河南降雨的基本特征

图 1a和图 1b分别给出了2021年7月18~21日降水分布和2021年7月平均的降水异常(相对于1979~2020年气候态平均), 结果可见, 华北地区和华东部分地区在2021年7月具有很强的降水正异常, 其中7月18~21日的降雨主要集中在河南郑州地区。

为便于分析, 本文将河南地区(110.5°~116.5°E, 31.5°~36.5°N)的平均降水定义为河南降水指数。如图 1c所示, 2021年7月河南降水指数是1979年以来的最高纪录。去除长期线性趋势后, 2021年7月的河南降水指数仍是1979年以来的最高值(图 1d)。

根据图 1c和1d所示, 河南7月降水最强的三年分别是2007年、2020年和2021年。在1979~2019年期间气候态的河南7月累积降雨量约为150 mm, 但这三年的7月累积降雨量均超过了250 mm, 在2021年达到了历年最高的300 mm以上, 其中在7月20日之前的一周多时间内, 集中降雨量很大、短期内超过了100多毫米(图 2)。

2.2 河南“7·20”极端降雨的水汽来源

图 3展示了2021年7月以河南为中心的亚印太区域在不同高度的大气环流异常和水汽输运异常。在500和850 hPa等压面上, 副热带西北太平洋存在两个异常反气旋(图 3a、3b), 同时在我国台湾以东海域存在一个大范围的异常气旋(图 3a、3b)。在这些气旋和反气旋的作用下, 在30°~40°N存在着显著的东风异常和西向水汽输运异常, 且延伸至河南地区(图 3d), 河南地区呈现上升气流。结合前人研究表明, 在此期间副热带西北太平洋的异常反气旋, 可能与副高偏强、偏北且维持在日本附近海域有关系(王旭栋, 2021), 而我国台湾以东海域的异常气旋主要是由台风“烟花”引起的。在500 hPa等压面上, 异常气旋的纬向影响范围相较于850 hPa等压面更大、更强且向北扩展(图 3a、3b)。

图 3f给出了500 hPa等压面上气候态和2021年7月的西太平洋副热带高压范围和脊线。通过和气候态对比可知, 2021年7月西太副高比往年偏强、位置偏东, 脊线变化不大, 但西太副高的北边界偏北, 其中2021年7月20~21日平均西太副高范围偏强、偏北, 维持在30°N附近西太平洋海域(图 3f)。在200 hPa等压面上, 河南地区上空为不太显著的位势高度负异常, 而且2021年7月南亚高压范围和脊线与气候态进行比较, 可以看出南亚高压偏强东伸, 脊线在东海地区开始偏南, 呈现出阶段性演变特征, 其中2021年7月20~21日平均南亚高压偏强东伸, 北边界北移(图 3c)。同时, 在500 hPa等压面上, 台风“查帕卡”和“烟花”双台风的影响下导致显著的垂向速度负异常, 而在日本西部和南部海域垂向速度正异常, 在河南地区出现显著的垂向速度负异常, 即存在显著的垂直上升运动, 为极端降雨形成营造了一个重要天气尺度条件(图 3e)。大气环流的上述变化特征与水汽输运的空间特征基本一致, 即水汽从副热带西太平洋输运至河南等华东地区(图 3d)。因此, 从图 3可见, 在2021年7月, 西北太平洋的异常气旋和反气旋相关的东风异常和源自副热带西北太平洋的强烈水汽输送为产生极端降雨建立了大尺度条件。

冷暖空气相遇是产生局部极端降雨的重要因素(刘芸芸等, 2020), 前人研究表明, 在2021年7月, 副热带高压和大陆高压异常偏强, “两高对峙”阻碍了中高纬度南下的冷空气(梁旭东等, 2022)。由图 4可见, 在500 hPa位势高度上, 7月20~21日期间河南受冷空气的影响不大, 直到7月底, 河南才重新被强冷空气控制(图 4)。

前人研究表明, 西太平洋副热带高压的相对强度与相对涡度有很好的相关性(聂俊等, 2021)。图 5给出了2021年7月的相对涡度异常。在850 hPa等压面上, 日本附近地区出现相对涡度负异常, 与图 3a中的异常反气旋对应, 而在我国台湾以东出现相对涡度正异常, 正好对应着图 3a中的异常气旋, 而河南地区位于正涡度异常的边缘处(图 5a)。在500 hPa和200 hPa等压面上, 相对涡度的正异常和负异常位置分别与图 3b和图 3c中异常气旋和异常反气旋相一致(图 5b和图 5c)。在河南地区纬度带(27.5°~35°N)上, 河南地区主要受相对涡度正异常控制, 而在同纬度西太平洋(大约150°E以东)则主要受相对涡度负异常影响(图 5d), 这与前文图 3所见的垂向速度异常相吻合, 表明在此期间河南地区中低空的异常垂向上升气流进一步促进了极端降雨的发生。

通过图 3可知水汽主要受异常东风和垂直运动的影响, 来自于河南以东方向的西太平洋海域。为了进一步研究河南极端暴雨水汽输送的具体来源, 我们在图 6中展示了30°~35°N经向平均的风场(u, w)和水汽通量随等压面和经度的分布和演变。气候态平均场(1979~2020年)显示在该纬度带上西太平洋中低空主要盛行西风, 其中在河南地区虽然垂向速度下沉明显, 但主要为西风(图 6a)。但是, 与气候态大气环流相比, 2021年7月的(u, w)异常截然不同。对比图 6a和6b可见, 2021年7月在河南至西太平洋的大范围内由气候态的盛行西风转为东风异常, 同时在125°~145°E、160°E~170°W的中西太平洋海域出现显著的下沉气流, 而在河南地区出现显著的异常上升气流。如图 6c所示, 在河南以东的中西太平洋大范围内存在显著的西向水汽输送。综合起来看, 这些西向水汽输运从中西太平洋一直延伸到大约115°E, 并与河南地区异常强的上升气流共同作用下, 对2021年7月河南地区的极端降雨的发生产生重要影响, 这与前人提出的水汽来源有显著差异(王新伟等, 2018)。

2.3 西太平洋副热带高压的作用

从上节中对“7·20”极端降雨的水汽来源和过程分析可知, 西太平洋副热带高压可能具有非常重要的作用。比如, Yang等(2022)指出西太平洋副热带高压的异常加强会增加热带到东亚的水汽输送, 导致夏季极端降雨事件的发生, 未来与西太平洋副热带高压异常相关的极端气候会变得更加频繁和严重。当夏季副热带高压主体北部SLP正异常, 而主体南部SLP负异常, 对应的副高位置就会偏北(何敏等, 1991)。图 7a展示了2021年7月SLP异常和500 hPa风场异常。可以看出, 在西太平洋附近, 由高纬度到低纬度, 海平面气压异常分布呈现“-+-”结构, 中纬度的副热带西太平洋海平面气压异常升高, 而在我国台湾东部和日本南部的西太平洋地区海平面气压异常降低, 表明在此期间副高位置偏北, 而在异常高压和异常低压之间的纬度上, 亦即河南地区纬度上, 产生显著的东风异常(图 7a)。

前人研究表明, 北太平洋海温异常与西太平洋副热带高压强度联系紧密, 对华北地区强降水的发生有重要影响(Li et al, 2017); 西北太平洋夏季海温异常偏高可能会通过东亚上空东亚-太平洋遥相关型异常大气环流影响中国东部的降水异常(Zhang et al, 2013)。2021年7月热带印度洋和热带太平洋的海表面温度异常不太明显, 但是在以大约40°N为核心的中纬度北太平洋地区海表面温度显著异常偏高(图 7b)、副高强度增强。2021年7月蒸发异常主要位于西太平洋纬向25°~35°N和菲律宾东部海域(120°~ 140°E), 其中在纬向带(25°~35°N)西太平洋海域, SST异常偏高, 蒸发异常偏高, 有助于增强西太平洋作为水汽来源的能力。因此, 西太平洋副热带高压在2021年7月河南极端降雨中可能起到非常重要的作用。

为了进一步研究副热带高压和河南地区降雨之间的关系, 我们在图 8a中给出1979~2021年的河南逐月降水和副热带高压强度指数的标准化时间序列。对比发现, 河南逐月降水和副热带高压强度指数之间存在统计显著的相关性, 但其相关系数仅为0.267 (副热带高压的其他指数, 如面积、脊线和西伸脊点等, 与河南降水的相关系数不如强度高), 在2020年和2021年, 西太平洋副热带高压强度为正异常(图 8a)。

西太平洋副热带高压自身存在多个时间尺度的变化(如吴国雄等, 2003)。我们对河南降水和副高强度时间序列进行了EEMD模态分解, 并分别对比了河南降水和副高强度的各个模态之间的关系。结果发现第一模态IMF1相对高频, 且相关性较低, 而河南降水和副高强度的第二模态IMF2存在显著的统计相关性, 各正负位相可较好地一一对应起来, 二者相关系数达到0.5左右, 其中2021年河南大暴雨期间的副高强度IMF2模态为显著正异常, 与河南降水IMF2在2021年的显著正异常吻合(图 8b)。从图 9可以看出, IMF1为高频变化项, 周期大致为显著的0.34 a, 而IMF2为较低频变化项, 其主周期为显著的0.99 a和1.43 a。

为研究副高强度指数IMF2模态对河南降雨的影响, 我们对副高强度指数IMF2大于其1倍标准差的年份(7月)的SST、SLP、蒸发、风场和垂向速度场进行了合成分析。结果显示, 在副高强度指数IMF2正位相期间, 副热带西北太平洋海表面高度异常增强、SST显著升高、海面蒸发增强、下沉气流运动增强, 而河南地区的垂向上升运动增强, 从副热带西太平洋到华东地区的中低空出现强烈的东风异常(图 10)。副高强度指数IMF2正位相期间的大气环流形态是有助于为河南地区降雨提供水汽来源和垂向上升气流条件的, 也与前文分析的2021年7月河南极端降雨期间的形态非常吻合, 说明副高强度指数的第二模态对河南降雨具有重要的意义。此外, Li等(2020)研究表明, 西北太平洋(大约20°~50°N, 150°~180°E)的海表温度冷异常和热带太平洋的海表温度暖异常有助于导致副热带高压向西扩展。从图 10a展示的SST异常场可见, 在IMF2期间西北太平洋海温偏冷而热带太平洋偏暖, 这或许有助于副热带高压西伸, 对河南等东部地区降雨产生影响。

总地来说, 副高强度指数的第二模态在河南降雨变化中有着非常重要的意义, 副高强度第二模态在2021年的极端高值可能对2021年河南极端降雨事件产生了重要影响。

3 结论和讨论

极端降雨事件直接关系到人民的生命安全和财产安全, 2021年7月河南极端降雨给河南地区带来了严重的旱涝灾害, 造成了不可估计的损失。本文利用站点数据、再分析数据等数据和EEMD方法, 研究了河南地区2021年7月份极端降雨的基本特征、水汽来源以及西太平洋副热带高压的作用, 特别地分析了副热带高压强度变化主要模态与河南降雨的关系。主要结论如下:

(1) 副热带西太平洋是2021年7月河南地区极端降雨的主要水汽来源, 期间河南地区强烈的异常上升运动具有重要作用。在此次事件期间, 西太平洋副热带高压显著偏强、偏北, 在与此相关的异常反气旋和台风“烟花”相关气旋共同影响下, 副热带西太平洋到河南地区的大范围内产生显著的东风异常, 导致大量的水汽通过中低空从西太平洋海域输送到河南地区, 并在河南地区的异常强烈的低空上升气流作用下, 形成极端降雨(图 11)。

(2) 河南地区降水时间序列与副热带高压强度指数之间存在统计显著的相关关系, 其中副热带高压的第二模态IMF2与河南地区降水时间序列的第二模态存在非常显著的关系。在副热带高压的第二模态IMF2正位相期间, 副高强度增强、SST异常偏高、蒸发异常偏强, 中低空大气出现显著的东风异常, 从而对河南地区降雨产生重要影响。在2021年7月, 副热带高压的第二模态IMF2位于极端峰值, 相关海洋和大气环流过程更加显著, 对此期间河南地区极端降雨可能具有非常重要的作用。

本项研究尚存在许多不足之处。一方面, 本文对于关于河南极端降雨的形成原因缺乏深入细致的分析。大气环流背景场的变化和水汽来源的变化仅仅是极端降雨的必要条件而非充分条件, 只有对除了大尺度环流背景外的其他因素——比如中小尺度天气动力过程等, 进行了充分的研究后才能对此次极端事件的形成原因有一个完整的理解。另一方面, 尽管本文试图从副热带高压多尺度变化模态方面研究其对河南降雨的影响, 揭示了副高强度第二模态可能的重要作用, 但是副高为何存在这种模态、以及其影响河南地区降雨的具体演变过程, 本文尚未研究, 则需要未来开展相关的工作。此外, 以往研究表明印度洋的暖异常在中国降雨过程中也扮演着非常重要的作用(Zhou et al, 2021), 印度洋的热力变化是否以及如何在2021年7月河南极端降雨事件中发挥作用亦不清楚, 需要进一步研究。

致谢 感谢国家海洋环境预报中心冯立成研究员、宋春阳博士为我们提供了降雨的站点观测数据和指导, 感谢中国气象科学研究院刘伯奇研究员、复旦大学周震强博士为本文提出的富有启发性的意见和建议, 非常感谢两位匿名审稿人提出的极具建设性的重要意见和建议。