2022, Vol. 41 
历史上我国出现过多次非常严重的极端降水过程，1954年、1998年长江流域发生了严重的洪涝灾害(鞠笑生，1993；陶诗言等，1998)；河南“75.8”大暴雨，死亡人数超过2.6万，直接经济损失近百亿元(丁一汇，2015)，对人民生活造成巨大影响，给经济发展造成严重损失。
在全球变暖背景下，气候异常和极端天气气候事件发生的可能性增加(Donat et al., 2016；IPCC, 2021), 尤其是极端强降水愈发频繁(Trenberth et al., 2010)，加剧了洪涝灾害。2010年、2016年和2020年长江流域均发生了严重的洪涝灾害，其中2016年造成684人死亡，2020年158人死亡或失踪(王晓芳等，2011；杨卫忠等，2017；代潭龙等，2021；黄治勇等，2021)。2015年6月1日监利大暴雨伴随的下击暴流、龙卷大风等严重风灾造成“东方之星”客轮翻沉，442人遇难(王晓芳等，2015；汪小康等，2015；杨波等，2019)。2016年6月—7月，湖北红安、荆门相继发生超过800 mm的强降水，出现100 mm以上的短时强降水，造成严重的人员伤亡、大面积农作物绝收、河道溃堤(岳岩裕等，2018；赵娴婷等，2020)。
2021年全球高影响天气气候事件频发，我国春季强对流天气频繁且灾害损失重，夏季气候异常性特征突出，极端天气气候事件频发。我国北方全年平均降水量达697.9 mm，较常年偏多40.3%，为历史第二多，仅次于1964年。京津冀晋豫陕等6省(市)降水量均达1961年以来历史最多。4月30日江苏沿江及以北地区遭受强对流天气袭击，南通局地风力达13~15级。5月14日湖北武汉市和江苏苏州市吴江区遭受龙卷风袭击，中心最大风力达到17级，造成人员伤亡，电力设施、房屋受损(刘芸芸和高辉，2021)。7月17—23日，河南发生特大暴雨洪涝灾害(以下简称河南“21.7”特大暴雨)(杨浩等，2022；汪小康等，2022)；7月25—30日，台风烟花两次在浙江登陆，北上影响华东、华北和东北等地，造成大范围的降水。8月长江中下游地区出现强降水集中期，形成持续时间较长的“倒黄梅”天气(赵俊虎等，2022)。
本文概述了2021年的中国大范围气候异常性并对几次极端强降水、强对流大风等高影响天气过程展开了初步分析，以期为我国气候变化的研究及防灾减灾部署提供科学的参考依据，更好的为政府和公众提供气象保障服务。
1 数据和方法本文所用资料包括：(1) 全国范围内国家站及区域站日降水量和小时雨量，由国家气象信息中心提供。(2) ERA5再分析资料(水平分辨率0.25°×0.25°，时间分辨率1 h，垂直方向25层)，包含温、压、湿、风等气象要素。(3) 湖北省区域站逐5 min雨量和极大风资料以及雷达组合反射率因子，数据由湖北省气象局信息保障中心提供。另外，全国主汛期选取4—10月，华西秋雨期由国家气候中心提供，气候常年值为1981—2010年的平均值。
本文个例分析中，河南“21.7”特大暴雨水汽输送特征分析中用到了水汽后向分析方法(布和朝鲁等，2022)，目标区域为暴雨落区(112—115°E，33—36°N)，后向追踪5 d，表征水汽来源地。随州“8.12”极端强降水分析使用了基于WRF模式的局地地形敏感性试验。5月10日强对流极端大风成因分析用到VDRAS数据，时间分辨率为6 min，水平分辨率为500 m，垂直方向(100—5 900 m)分为30层、分辨率为200 m。
2 气候异常性特征2021年我国气候异常性特征突出，华南前汛期、西南雨季和梅雨季表现为开始晚、结束早、降水量少的特征，华北雨季、东北雨季和华西秋雨呈现开始早、结束晚、降水量多的特征。
2.1 全国主汛期(4—10月)异常特征2021年主汛期，全国平均降水量为819.7 mm，较常年同期(755.8 mm)偏多7.8%。但旱涝分布有明显的空间差异，降水异常偏多区分布在我国北方，其中河南、河北和山西三省交界区偏多1倍以上，四川东北部、陕西南部、山西南部、河北南部、河南北部及山东北部偏多5成以上(图 1)。
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图 1 2021年主汛期(4—10月)中国降水量(a, 单位: mm)及距平百分率(b, 单位: %) 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月全国平均降水量较常年同期分别偏少5.8%和偏多8%，其中青海4月平均降水量为历史同期最多，5月全国有12个站出现极端日降水事件(国家气候中心，2021)。4月23日陕西南部的关中-秦巴山脉出现了一次区域大范围的暴雨过程，陕西18个国家站24 h降水量突破4月历史极值，异常环流条件下多尺度系统相互作用、异常水汽输送结合地形影响是此次秦巴山脉暴雨发生的主要原因(王晓芳等，2022)。5月中旬，受高空槽、低空切变线和西南低空急流共同影响，湖北和江苏局地对流活动发展剧烈，出现罕见雷暴大风和龙卷天气，造成生命财产损失(王珏等，2022)。
6—8月全国平均降水量较常年同期表现为先旱后涝(6月偏少8%，7月偏多3.2%，8月偏多12.2%)。6、7、8月全国分别有11个、36个、11个国家站日降雨量超过历史极值，分别位于四川、河南、北京、山东、广西、云南等地(国家气候中心，2021)。7月17—23日河南发生历史罕见特大暴雨，造成重大人员伤亡(苏爱芳等，2021)。7月11—13日，受西太平洋副热带高压(以下简称副高)外围暖湿气流和低涡系统影响，京津冀地区出现入汛以来最强降雨，大部分地区出现暴雨到大暴雨，并伴有短时强降水和风雹天气。7月16—18日，受低涡外围偏南、偏东暖湿气流和东移高空槽的共同影响，北京再次出现强降雨天气过程。8月7—12日，南方地区出现持续性降雨，长江中下游地区多县受灾，湖北随州柳林镇极端短时强降水，打破历史记录。
9月和10月全国平均降水量较常年同期分别偏多28.5%和45.4%。9月北京、天津、河北、河南、辽宁、陕西和山西7个省(直辖市)降水量均为1961年以来历史同期最多。10月全国平均降水量为1961年以来同期第四多。
2.2 华西秋雨和汉江秋汛异常特征8—9月，随着东亚季风系统的季节转换，我国降水形势呈现出新的异常性特征，尤以华西秋雨和汉江秋汛异常特征最为显著。
2.2.1 降水异常特征华西秋雨通常发生在9—10月，空间上以北区和南区划分，北区包括甘肃南部到陕西中部一带，南区则包括四川东部、重庆、贵州中北部以及湖北西部、湖南西北部等地。2021年华西秋雨开始早、结束晚。北区秋雨自8月23日开始，较常年偏早17 d，10月16日雨季结束。南区秋雨自8月30日开始，较常年偏早9 d，11月8日结束，持续时长打破1961年以来最长华西秋雨季纪录。由于汉江中上游刚好流经华西秋雨雨量最大区域，造成汉江2021年发生历史罕见的秋汛洪涝，汉川段水位连续超警戒水位17 d，9月7日，丹江口库突破167 m历史最高水位。
图 2给出2021年华西秋雨期(8月23日—11月9日) 总降水量及距平的空间分布。降水大值中心集中在四川东北部和陕西南部，超过800 mm，较历史同期偏多150%以上。陕西中部降水量超过400 mm，较历史同期偏多250%。重庆东南部、湖北西南部、湖南和广西北部降水量较历史同期略微偏少。
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图 2 2021年华西秋雨期(8月23日—11月9日)总降水量(a，单位: mm，方框分别表示北区和南区)及距平百分率(b，单位: %) 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 |
据统计，华西秋雨整体平均降水量达383.7 mm，较常年同期偏多66.1%，为1961年以来历史同期最多的年份，平均降水日数38.4 d，较常年同期偏多5.5 d。北区平均降雨量为388.6 mm，较气候平均值偏多185%，是1961年以来最多的一年(图 3)。南区秋雨总降水量为369.7 mm，较常年同期偏多48.2%。
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图 3 1961—2021年华西秋雨(北区)逐年降水量演变(单位: mm) Fig. 3 Time series of the Huaxi autumn rain (north district) average precipitation (unit: mm) from 1961 to 2021 |
影响降水最直接的因素就是大气环流。通常情况下，进入秋季以后大气环流出现了调整，副热带系统逐渐减弱，西风带系统明显增强(柳艳菊等，2012；袁旭和刘宣飞，2013)。研究表明，在华西秋雨偏多年，北半球500 hPa位势高度分布特征通常为乌拉尔山阻塞高压移动缓慢呈准静止状态，巴尔喀什湖到贝加尔湖是宽广的低槽区。500 hPa位势高度距平表现为我国大陆东部到西北太平洋为正距平区，印缅槽加深(Niu et al., 2008；王春学等，2015)。
2021年华西秋雨期500 hPa位势高度场上，中纬度地区副高5 880 gpm脊点西伸到100°E，华西秋雨区位于副高北侧，850 hPa位势高度上来自西太平洋的强盛的东风气流深入内陆，并在华西转为东南风。欧亚中高纬地区维持一槽一脊的环流型，巴尔喀什湖以西有一低槽，贝加尔湖上空存在一个弱的高压脊，导致西北路径的冷空气活跃(图 4a)。距平场上，对流层中高层，贝加尔湖至我国北方大陆高压偏强，巴尔喀什湖北部存在一低压中心。对流层中低层，日本列岛以北为异常反气旋环流，华西秋雨区位于异常偏南气流和西北气流辐合区(图 4b)，说明副高引导的南海和西北太平洋水汽输送明显偏强。东亚季风监测表明(图略)，虽然已是秋季，但季风强度异常偏强，具有明显的夏季风特征。
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图 4 2021年华西秋雨期平均的500 hPa高度场、风场(a，等值线为高度场，单位: gpm; 箭矢表示风场，单位: m·s-1)及850 hPa风场、高度距平场(b，阴影表示高度距平，单位: gpm; 箭矢表示风场，单位: m·s-1; 蓝色方框为华西秋雨区) 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 |
造成大气环流异常的外强迫因子包括海温异常、积雪异常、植被异常等(郑然等，2018)。研究表明，有利于华西秋雨的大气环流特征与赤道中东太平洋的冷海温密切相关——即“拉尼娜”事件(王春学等，2015)。图 5给出了2021年华西秋雨期海温距平场，赤道中东太平洋海温偏低1 ℃左右，我国附近所有海域、日本海以及太平洋西部海温异常偏高，尤其北太平洋区域海温异常偏高2 ℃以上。国家气候中心监测结果也证实，2021年7月开始，赤道中东太平洋海温持续下降，10月进入拉尼娜状态，为中等强度，已连续两年冬季发生“双峰型拉尼娜”。拉尼娜事件易导致欧亚中高纬环流呈经向型特征，冷空气比较活跃，同时副高也容易较常年同期偏北(袁旭和刘宣飞，2013)。
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图 5 2021年华西秋雨期海温(阴影，单位: ℃)和海平面气压(等值线，单位: gpm)距平场分布 Fig. 5 Anomaly of SST (shaded, unit: ℃) and sea level pressure (contour, unit: gpm) during the Huaxi autumn rain in 2021 |
2021年华西秋雨异常期间，海平面气压场也表现出明显的异常特征(图 5)。两个显著的正异常中心分别位于我国东北以东和北太平洋区域，我国除了东北地区以外，其他地区全部为负异常。正常情况下，秋季东亚副热带夏季风向冬季风转变，大陆冷高压迅速发展，太平洋气压减小。然而华西秋雨期，我国西南地区地面气压异常偏低，夏季风环流系统稳定持续，强盛的东南风带来异常偏多的水汽输送。
总之，2021年异常偏多的华西秋雨和汉江秋汛主要是受副高外围水汽和北方活跃冷空气的共同影响。强盛且持续的南方暖湿气流与偏北气流频繁在我国西南地区交汇，导致长江上游、汉江流域降水明显偏多，扩大了今年华西秋雨的影响范围。“拉尼娜”海温异常事件是导致环流异常的重要外强迫因子。
3 四次典型天气过程分析统计表明，2021年4—10月，全国共发生40次降水和强对流过程，涉及河南省14次，涉及湖北省11次，本节重点关注了造成重大人员伤亡和社会关注的4次过程。
3.1 河南“21.7”特大暴雨 3.1.1 降水极端性和环流特征2021年7月17—23日河南省发生了一场极端强降水过程，这次特大暴雨的极端性非常显著，具有持续时间长，累计雨量大，暴雨落区集中的特点。全省站点6 d累计降水量平均达到224.1 mm，累计过程雨量大于250 mm的面积占1/3，有179个站超过600 mm，800 mm以上站点达到30个，有19个国家级气象观测站日雨量突破有气象记录以来历史极值，其中郑州站7月20日17时(北京时，下同)1 h雨量达201.9 mm，打破全国国家站历史记录，郑州站7月总降水量高达902.0 mm，是近70 a历史平均值的近6倍。全省因灾死亡失踪398人，其中郑州380人，新乡10人，平顶山、驻马店、洛阳各2人，鹤壁、漯河各1人(国务院灾害调查组，2022)。
这次特大暴雨过程从17日上午自河南东南部开始发生，然后向北部地区扩展，23日上午结束，持续时间超过6 d。19和20日250 mm以上降水落区分布在郑州、新乡、开封和平顶山地区，郑州城区平均雨量连续两天超过300 mm (图 6a)。21日雨带北移，强降水集中到新乡、鹤壁和安阳地区，400 mm以上面积超过19和20日(图 6b)。
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图 6 2021年7月20日(a)、21日(b)雨量(单位: mm；阴影为地形高度，单位: m)、17—22日平均的500 hPa高度场和流场(c，阴影为高度，单位: gpm；流线表示流场；绿线为河南省界，绿色圆点表示郑州站)及20日700 hPa相对湿度、相当位温和水平风场(d，阴影为相对湿度, 单位: %；红色实线表示相当位温，单位: K；箭矢表示风场，单位：m·s-1；绿线为河南省界；绿色圆点表示郑州站) 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”特大暴雨发生在远距离台风高压型环流背景条件下，中纬度槽脊形势稳定，副高位置较历史平均明显偏北，副高南侧和台风“烟花”北侧的偏东气流叠加，建立起了稳定的水汽输送通道，受中尺度的低压气旋环流影响，以及切变线和辐合线的水汽集中作用，河南中部、西部和北部始终维持接近饱和的相对湿度(图 6c和图 6d)。
3.1.2 急流和地形对极端降水水汽供应和辐合的作用水汽后向追踪和水汽输送分析显示(图 7a和图 7b) 此次强降水有三条主要的水汽输送路径，且位于不同的高度，一是来自日本海一带副热带高压南侧东风的输送；二是被位于琉球群岛东南一带的第6号台风“烟花”助推来自热带西太平洋的东风；两支东风气流贡献了约82%的水汽供应，在河南暴雨的东侧造成了从地面一直到5 000 m高空的近乎饱和的强劲东南风，再加上被广东西部近海的第7号台风“查帕卡”助推的来自北印度洋的西南季风，三支气流在中原大地汇合，从东边界和南边界进入河南省，为持续性强降水提供了稳定充足的水汽输入。
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图 7 2021年7月19—21日平均925—700 hPa层平均水汽通量(a，箭矢，单位: g·(cm·s·hPa)-1；灰色阴影为750 m及以上地形高度覆盖范围；绿线为河南省界；绿色圆点表示郑州站)和暴雨水汽后向追踪路径图(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 |
在充沛的水汽供应和显著的水汽流入的条件下，低空急流与边界层急流的耦合形成低层水汽辐合中心和上升中心，20日急流偏东，急流辐合区和上升运动大值区在太行山和伏牛山东坡及两山之间(图 8a)，21日，急流转为东南向，与地形相关联的辐合和上升运动转至豫北地区的太行山东坡(图 8b)；大地形对山前的暖湿空气起到了动力阻挡抬升和热力抬升作用。
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图 8 2021年7月20日(a)、21日(b) 900 hPa垂直速度(彩色阴影，单位: Pa·s-1，负值代表上升)、850 hPa低空急流(红色箭矢，单位长度代表 10 m·s-1)和925 hPa边界层急流(黑色箭矢，单位长度代表 10 m·s-1，灰色阴影为750 m及以上地形高度覆盖范围) Fig. 8 The vertical velocity at 900 hPa layer (colored shaded, unit: Pa·s-1, negative value means rising), 850 hPa low level jet (red vector arrow, unit length represents 10 m·s-1), and 925 hPa boundary level jet (black vector arrow, unit length represents 10 m·s-1) on (a) 20 and (b) 21 July 2021. Grey shadow marks out the area where topographic height above 750 m |
2021年8月11—13日湖北省出现了入汛以后最强降水过程，过程累积雨量分布显示，强降水区呈西北- 东南向带状分布于鄂北中部一带，湖北1 453个站雨量超过50 mm (占总站数52.9%)，445个站超过100 mm (占总站数16.2%)，250 mm以上的强降水中心主要位于宜城、枣阳和随县，最强降水发生在随州随县的柳林站(535 mm)和襄阳宜城的莺河站(510.6 mm)(图 9a)。柳林站1 h (11日05时105.4 mm)、6 h (11日03—08时462.6 mm)、24 h (11日21时—12日20时518.5 mm)降水量均大幅打破本站历史记录，其中12日04—08时连续5 h均超过50 mm，05、06时连续2 h超过100 mm (图 9b)。最强降水出现在宜城站，8月8—12日出现连续强降水，累积降水量达到435.7 mm，其中11日降水305.9 mm，破本站历史记录，是该站99.9%日降水阈值的2.5倍。
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图 9 2021年8月11—13日湖北省累积雨量(a，单位：mm)和8月11日20时—12日12时柳林、莺河和宜城站小时雨量(b，单位：mm)演变 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 |
此次强降水过程影响范围广、累计雨量大、极端强降水持续时间长，且最强时段出现在凌晨，暴雨引发的山洪造成了23人死亡、7人失踪，受灾人口32.22万余人，大量道路、桥梁、垱坝、堰塘、渠道等受损，直接经济损失约3.4亿。
3.2.2 环流形势此次强降水过程主要影响系统为副高、中低层低涡/切变线和边界层偏东急流。200 hPa层上，南亚高压强大且主体稳定少动，几乎控制了35°N以南的中国地区，湖北位于南亚高压东北侧，气流辐散显著，且位于高空急流的右侧，进一步加强抽吸作用(图 10a)。11日，500 hPa上西太平洋副热带高压脊线位于25°N附近，较常年同期异常偏南，12日，东北低槽冷涡南侧的冷空气向南渗透，冷暖气流在湖北北部交汇(图 10b)。对流层低层(925—700 hPa)12日凌晨—上午有一条贯穿湖北中北部的东西向的偏东风和偏西风切变线，925 hPa层上切变线北侧存在一条从东海海面延伸至强降水区北侧的边界层偏东风急流，并在湖北西部转向，使得切变线上的涡度在鄂西北东部和鄂东北西部最强，形成中尺度的低涡，且涡度中心与垂直上升运动中心基本对应，提供了强降水的动力抬升条件。形成了高层辐散、中层冷暖气流交汇、低层切变线、边界层内中尺度低涡和急流的有利配置(图 10c和图 10d)。
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图 10 2021年8月11日08时—13日08时200 hPa平均高度场和风场(a，阴影为高度场，单位: gpm；风羽表示风场)、8月11日08时—12日08时500 hPa平均高度场和流场(b，阴影为高度场，单位: gpm；流线表示流场)、8月12日00—12时925—700 hPa平均涡度场、流场和850 hPa垂直速度(c，阴影为涡度，单位: 10-5 s-1；红色虚线表示垂直速度，单位: Pa·s-1)及8月12日00—12时925 hPa平均风场和风速(d，阴影为风速，单位: m·s-1，风羽表示风场)，图中绿线为湖北省界 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 |
地形与低层风场的相互作用对对流的触发有很重要的作用。低层和边界层内，鄂北地区均为偏东气流，柳林镇又位于大洪山小地形的迎风坡上。基于WRF模式，利用模式自带30 s地形数据开展了地形敏感性试验。地形移除前的控制试验可发现(图 11a)，强降水中心柳林镇(图中黑色矩形方框)的强降水落区主要位于大洪山与桐柏山之间的狭长山谷区域内，强降水维持期间狭长山谷区域内出现显著的近地面风场辐合，该环流形势有利于降水的增强。地形移除后的敏感性试验可发现(图 11b)，原本位于峡谷内的强降水带向北推进，而此时近地面风场辐合带也对应出现向北推进的特征，这表明大洪山与桐柏山构成的狭长山谷地形有利于强降水在山谷区域内出现，同时东北侧的桐柏山对于山前近地面风场辐合带的稳定维持也起到了积极的作用。
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图 11 2021年8月12日05—08时控制试验(a)、去除局地地形的敏感性试验(b)的累积降水量(阴影，单位: mm) 及975 hPa平均风场(矢量箭头) (灰色阴影表示250 m以上高度地形轮廓，黑色矩形方框表示随州柳林) 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 |
2021年5月10日，湖北省中东部地区出现大范围的短时强降水、雷暴大风和冰雹等强对流天气，造成全省共220站出现短时强降水，5站次极大风力达到12级，局地出现冰雹。5月14日，湖北省中东部地区再次出现短时强降水和风暴天气，并在武汉市蔡甸区引发三级强龙卷。两次过程时间间隔短，且均在武汉市造成严重的风灾，社会影响大，本节对比分析这两次强对流过程的天气特征和中尺度对流系统特征，并对极端性更强的5月10日对流大风过程的成因进行诊断分析。
3.3.1 极大风和小时雨量特征对比2021年5月10日，受高空冷涡，短波槽，低层切变线和低空急流共同影响，武汉出现雷暴大风、短时强降水等强对流过程。强对流过程主要发生在10日下午，14—15时，武汉长江江面附近出现了6站次的10级以上的大风，40 m·s-1以上的极值大风沿江面从南往北推进，速度越来越大，12 min从白沙洲大桥(14:28) 推进至二七长江大桥(14:40)，风速从40.1 m·s-1增大到44.9 m·s-1，风向为偏南风(图 12a，表 1)。50 mm·h-1以上的短时强降水集中在长江以东地区，三站次超过90 mm·h-1的极端强降水位于大风区东侧约10 km，峰值时间略晚于大风极值，分钟雨量大值中心同样出现从南侧向北侧发展的特征(图 12a，表 2)。
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图 12 2021年5月10日14—15时(a)、5月14日21—22时(b)武汉强降水(单位: mm)和极大风速(风羽)分布(实线圆为出现极大风速的站点；点线圆为出现最大雨量的站点；短划线圆为同时出现极大风速和最大雨量的站点) 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 |
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表 1 2021年两次过程极大风速及出现时间 Table 1 Maximum wind speed and occurrence time of the two cases in 2021 |
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表 2 2021年两次过程小时雨量及5 min最大降水出现时段 Table 2 Maximum 5 minutes cumulative rainfall and period of the two cases in 2021 |
2021年5月13—17日，受高空冷槽，低层低涡切变线影响，我国中东部出现了大范围的短时强降水和雷暴大风天气，其中武汉的强对流过程发生在5月14日夜间，大风在21∶03首先出现在白沙洲红灯船站(19.7 m·s-1)，为西北风，15 min后发展至北侧的航道提示标站和鹦鹉洲大桥站，风速略有减小，且风向转为西南风(图 12b，表 1)；45 mm·h-1以上的短时强降水也发生在沿江地区，且出现在21∶15—21∶20，北侧大风极值出现的时间基本一致(图 12b，表 2)。
总的来看，5月10日的强对流发生在下午，极端性强，风大雨大、先风后雨、位置分离；5月14日的强对流过程发生在夜间，短时强降水和极端大风的时间和空间分布高度重叠。
3.3.2 中尺度影响系统演变过程对比5月10日的强对流过程发生前，13∶48超过40 dBz的对流单体形成，并在14∶00迅速发展出超过55 dBz强回波；与此同时，南侧还有一个超过55 dBz强回波。南侧对流单体向北移动，并在14∶30与北侧局地发展的对流单体合并发展成中β尺度对流系统。随后，强的对流系统继续缓慢北移，约在14∶48移出最强降水站点(图 13a—d)。
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图 13 2021年5月10日13∶48 (a)、14∶00 (b)、14∶30 (c)、14∶48 (d)的雷达组合反射率因子(阴影，单位: dBz；▲为大风位置，●为强降水位置)及2021年5月14日19∶42 (e)、20∶18 (f)、20∶36 (g)、21∶06 (h)的雷达组合反射率因子(阴影，单位: dBz； |
5月14日的强对流过程发生前，14∶54对流单体形成于江汉平原南部，随后持续增强，并向东北方向移动，在19∶42接近武汉；此时，对流系统东南侧有一对流单体新生。此后，两者同时发展增强，对流系统向东移动，对流单体想东北移动，两者在20∶18在武汉市蔡甸区合并同时进一步增强。对流系统继续东移，并在20∶30—20∶50移过蔡甸区，引发龙卷。随后对流系统继续东移，并造成21∶00—21∶30时段长江沿岸的强风和短时强降水。对流系统继续东移，在15日00时消失在鄂东北东部(图 13e—h)。
5月10日的强对流是两个中γ尺度的强对流单体合并发展成的中β尺度对流系统所引发的；5月14日的强对流影响系统是一个维持时间长达9 h的中β尺度系统在一个迅速移动的中γ尺度强对流单体的影响下加强了该对流系统，导致蔡甸强对流发生。
3.3.3 5月10日强对流极端大风成因分析5月10日的地面自动站5 min加密数据显示大风降水开始前(14∶00)，地面温度露点差超过6 K，随后温度露点差迅速减小，至14∶20时降水区附近降低到2 K以下，高湿状态维持到15∶00。地面温度场分析显示，与强降水区地面温度露点差迅速减小相伴随的是降水区附近温度的迅速下降，14∶00地面出现冷池出流，14∶10降水区附近冷池达到-3 K，开始出现5 mm·(5 min)-1的降水，14∶20冷池达到-5 K，超过10 mm·(5 min)-1的强降水出现，并在14∶30—14∶50达到最强。与冷池出流的强度相一致，白沙洲大桥站(40.1 m·s-1)、鹦鹉洲大桥站(41.3 m·s-1)和二七大桥站(44.9 m·s-1)的地面极大风速分别出现在14∶28、14∶33和14∶40(图 14a—c)。
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图 14 2021年5月10日14∶20 (a)、14∶35 (b)地面冷池(阴影，单位: K)、流场和大风(红色实线，风速≥12 m·s-1)，14∶20(c)地面温度露点差(阴影，单位: K)、温度(红色实线，单位: K)、2 min平均风(流线)和5 min累积降水量(数字, 单位: mm)，白沙洲大桥的垂直速度(阴影)，水平风(风羽)及风速(红色实线)的高度-时间演变图(d)(其中□为大风位置，○为强降水位置) 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. |
白沙洲大桥站的VDRAS 6 min数据分析显示(图 14d)，在地面极大风速出现前的半小时(14∶00)，中层水平风速开始迅速增强，14∶24中层风速达到最大，4 000 m高度风速超过18 m·s-1，此时低层出现了超过-3 m·s-1显著下沉运动，中心位于1 500 m，随后地面极大风速发生(14∶28)。鹦鹉洲大桥站和二七大桥站的VDRAS数据也有类似分析结果。
地面自动站5 min加密数据和VDRAS 6 min数据综合分析发现，地面局地强冷池的上方对应着低层的小尺度下沉运动，而下沉运动又是由中层突然增强的水平风速引发的。
4 结论本文统计研究了2021年的我国主汛期和华西秋雨的异常性特征，并对河南“7.21”特大暴雨、随州“8.12”极端强降水和武汉5月发生的连续两次对流大风天气等高影响天气过程展开了初步分析，主要结论如下：
(1) 2021年主汛期全国平均降水较常年同期偏多7.8%。旱涝两极分化严重。降水异常偏多区分布在我国北方，其中河南、河北和山西等部分地区偏多1倍以上。异常偏多的华西秋雨和汉江秋汛主要是受副热带高压外围水汽和北方活跃冷空气的共同影响，“拉尼娜”海温异常事件是导致环流异常的重要外强迫因子。
(2) 河南暴雨发生在台风、低涡、切变线和辐合线共同作用的背景下，东侧边界层水汽来自西北太平洋，南侧对流层中低层水汽来自南海；低空急流与边界层急流的耦合形成了水汽辐合上升中心，配合地形的动力阻挡抬升和热力抬升作用，使得强降水中心呈带状发生在山前。
(3) 随州强降水出现在高层辐散、中层冷暖气流交汇、低层切变线、边界层内中尺度低涡和急流的条件下，地形与低层风场辐合带的相互作用触发了对流，并使得降水维持在狭长山谷地形区域内。
(4) 武汉两次对流大风事件分别由中γ尺度的强对流单体的合并和迅速移动中γ尺度的强对流单体加强了稳定维持的中β对流系统所引发。分钟级地面和再分析数据分析发现中层突然增强的水平风速引发的下沉运动，下落后引发了地面局地强冷池和地面极值大风。
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