2021年7月17日以来，河南省遭遇极端强降雨，7月20日08时至21日08时(北京时)，郑州市内24小时降雨量达到624.1毫米，远超2019年全年的降水量（509.5毫米），郑州此次极端强降雨过程最大降水强度为201.9毫米/小时，已超过1975年的“758特大暴雨”（198.5毫米/小时），这相当于有150个单位的西湖水于一小时内倾倒在郑州大地上，导致城市内涝，灾情严重（图1）。
图1 2021年河南郑州“7.20”暴雨灾情严重（来自网络图片）
此次极端降水事件，是在怎样的天气背景条件下形成的呢？中国科学院云降水物理与强风暴重点实验室对此进行了全面解读。从高空环流场来看（图2），此次河南极端降水事件发生于南亚高压东伸的过程中，同时河南东侧200hPa高度处存在一小高压，两高压之间挤压形成狭窄的高空槽深入中原腹地，河南郑州恰好位于槽前，这种高空槽脊配置，导致来自高纬的干冷气流向南侵入到中纬度地区，为暴雨的发生提供了良好的高空辐散条件，有利于低层辐合抬升对流发展。
图2 2021年7月20日20时200hPa位势高度场（蓝色线）和风场红色三角形为郑州位置
500hPa气压面上（图3），华北地区是典型的“西低东高”暴雨环流形势，同时副高西伸，位置偏北，强度偏强，河南正好位于大陆高压和西太副高之间的低压区，很容易形成低层辐合，高空辐散的配置。高层辐散风与低层旋转风的分布（图4）也明显反映出这种动力结构。这种经典高低空配置促使对流层中上升运动增强，为暴雨的发生创造了有利的动力条件。
图3 2021年7月20日20时500hPa位势高度场（蓝色线），其中红色三角形代表郑州位置
图4 2021年7月20日20时（a）200hPa辐散风和（b）925hPa旋转风，其中填色为1h降水量
此外，恰逢副高南侧有台风“烟花”相伴，华南地区有台风“查帕卡”登陆。从图5水汽通量分布可明显体看出，台风“烟花”北侧和“查帕卡”东侧气旋性暖湿气流西进北上，合并后携带大量水汽西北向输送至内陆，恰好在河南郑州附近形成强烈水汽辐合区（蓝色阴影）。稳定维持的副高（图3）阻挡了台风北上，使得水汽供给稳定维持。早在暴雨发生前，副高外围的气流就与双台风环流共同作用，形成的东南暖湿气流中携带了大量水汽，这支暖湿低空急流一路北上，将水汽源源不断的从洋面输送到河南地区，为后续暴雨的发生打开了水汽通道。
图5 2021年7月20日20时1000hPa-500hPa积分水汽通量（矢量）及其散度（填色区代表负值），其中红色三角形为郑州位置
受伏牛山和太行上地形的抬升和阻挡作用（图6），边界层东南急流携带水汽输送至郑州北侧时，风向发生偏转，并与来自南方的气流汇聚在郑州上空及其西侧，形成了明显的切变线，这种变化导致降水区域不再北移，而是水汽堆积在此，为后续的极端降水提供了充足的水汽来源。
图6 华北地形（灰度）和近地面风场，其中红色三角形代表郑州位置
此次暴雨过程中贯穿着高低空、高低纬之间天气系统的相互作用，以图7中位涡的输送为例，200hPa高度上河南西侧有明显的高纬、高空位涡沿狭窄的高空槽（图2）向低纬、低层输送的现象，加强了河南郑州附近的气旋性环流（表现为旋转风和涡度增长，图4b)。高纬和对流层顶的高位涡干冷空气入侵到对流层中层和低纬度地区，在启动对流触发暴雨的同时，也加剧了大气的不稳定性，使降水足以达到相当大的强度和规模。
图7 2021年7月20日20时（a）200hPa位涡（填色），位势高度场（蓝色线），其中，红色三角形代表郑州位置，（b）沿郑州的位涡（填色）垂直剖面图
由此可见，这次极端强降雨事件集合了南亚高压东伸、副热带高压西伸北抬、强台风打开水汽通道、低空急流发展及地形抬升和阻挡作用等多种因素的共同影响，从高空到低层，高纬到低纬，多尺度系统协同作用，共同导致了郑州特大暴雨事件的发生。
