侯鵬敏， 朱業(yè)玉， 左 璇， 郭冰芳

(1.中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點開放實驗室，鄭州 450003；2.滑縣氣象局，河南 滑縣 456400； 3.河南省氣候中心，鄭州 450003)

引 言

2021年7月17-22日，河南鄭州出現(xiàn)罕見極端強降水天氣(簡稱鄭州“7·20”特大暴雨)，最強降水時段發(fā)生在19-21日，降水強度與范圍均突破歷史記錄[1-2]。極端強降雨造成鄭州嚴(yán)重城市內(nèi)澇，七里河、金水河、賈魯河等河道多處漫溢，地鐵五號線、京廣北路隧道等多處積水嚴(yán)重，鄭州常莊、郭家咀和五星等水庫出現(xiàn)重大險情，供水、電力、通訊、交通一度中斷，人民生命和財產(chǎn)遭受巨大損失[1,3-4]。

持續(xù)性降水或短歷時高強度降水是城市內(nèi)澇的主要原因之一[5-6]。深入了解城市暴雨動態(tài)變化的規(guī)律，掌握短歷時強降水時空分布特征，是科學(xué)應(yīng)對因暴雨引發(fā)的城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害的先決條件[7]。國內(nèi)有許多學(xué)者從不同角度對大城市極端降水進行過分析和研究。

在城市暴雨時空特征研究方面，曹經(jīng)福等[8]利用分鐘級降水?dāng)?shù)據(jù)分析天津地區(qū)短時暴雨雨型時空分布特征，并基于天津城市暴雨內(nèi)澇數(shù)值模型評估不同雨型對內(nèi)澇積水總量的影響。李海宏等[9]基于上海市多年降水資料和內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)據(jù)，分析了近10年上海市暴雨和內(nèi)澇災(zāi)情特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，過程雨量>100 mm時，災(zāi)情數(shù)急劇增加，暴雨過程對內(nèi)澇災(zāi)情的貢獻作用明顯。高潔等[10]利用上海市加密觀測自動站多年降水資料和110報警信息資料，研究上海市短時強降水地理分布特征、概率分布特點，分析降水極端性與暴雨紅色預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)關(guān)系，并得出110報警次數(shù)與降水持續(xù)時間有關(guān)等結(jié)論。張超等[11]利用常規(guī)地面、高空探測資料、加密自動站逐時雨量資料，分析了烏魯木齊市短時強降水的空間分布、月變化及小時雨強特征。王芬[12]、徐慧燕[13]等分別基于黔西南和麗水地區(qū)氣象站多年逐時降水觀測資料，研究短時強降水時空分布特征，分析短時強降水對暴雨的貢獻率和相關(guān)關(guān)系。

在鄭州市歷年降水特征方面，左璇等[14]利用鄭州氣象站1955-2018年不同短歷時強降水資料，對各短歷時強降水進行分布擬合檢驗和重現(xiàn)期估算，揭示了鄭州短歷時強降水的演變規(guī)律。董俊玲等[15]模擬分析了鄭州地形、城市規(guī)模等下墊面對暴雨過程的影響。王紀(jì)軍等[16]基于逐時降水量、逐時降水頻次、逐時降水強度和不同持續(xù)時間降水4個指標(biāo)，研究鄭州市降水的日變化特征，得出鄭州市各時次降水頻次最大值出現(xiàn)在7月份，以及7月份平均降水強度有較顯著上升趨勢等結(jié)論。

針對此次鄭州極端暴雨過程，亦有多位學(xué)者開展了深入分析。趙培娟等[17]從降水演變、環(huán)流形勢、極端降水致災(zāi)關(guān)鍵節(jié)點及可預(yù)報性等方面對河南“21·7”極端暴雨進行復(fù)盤，分析極端暴雨及災(zāi)害成因，探討提高極端暴雨預(yù)報能力與決策服務(wù)的有效方法。張霞等[18]分析發(fā)現(xiàn)，河南“21·7”強降水過程在累計降水量、強降水覆蓋范圍、日雨量和小時雨強等方面均表現(xiàn)出顯著極端性，并與地形關(guān)系密切。郭鵬等[19]利用高分三號衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)，對鄭州及豫北地區(qū)“21·7”暴雨洪澇災(zāi)害進行應(yīng)急監(jiān)測，以確定洪澇災(zāi)害的位置和范圍。張入財[20]、馬圓[21]等分別深入分析了鄭州“7·20”特大暴雨極端性成因和暴雨過程的維持機制。喻謙花等[22]分析了“7·20”鄭州特大暴雨的環(huán)流背景、衛(wèi)星云圖、雙偏振雷達(dá)等特征。

目前已有研究多集中在特大暴雨形成機理、環(huán)流背景等方面，但基于本次極端降水過程，聚焦于鄭州市區(qū)強降水時空分布特征和規(guī)律分析，以及在極端天氣條件下大城市內(nèi)澇風(fēng)險研判方面，研究還不多。暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生及其影響與降水因素存在較強的相關(guān)，但社會防治能力建設(shè)是重要的影響因素，其對減少災(zāi)害發(fā)生和減輕損失發(fā)揮了重要作用[23]。掌握短歷時強降水時空分布特征和規(guī)律，在暴雨到來之前，根據(jù)歷史規(guī)律提前預(yù)估降水的動態(tài)發(fā)展趨勢，即可根據(jù)歷史上已出現(xiàn)過的內(nèi)澇災(zāi)情預(yù)判不同區(qū)域的致災(zāi)風(fēng)險，這對內(nèi)澇的風(fēng)險管理和應(yīng)急決策具有重要意義[7,24-25]。因此基于本次過程的代表性、降水的極端性和個例的經(jīng)典性，詳細(xì)分析鄭州市“7·20”極端暴雨期間降水變化、時空分布等信息，有助于明晰鄭州市區(qū)極端降水過程特點，以期為預(yù)估氣象災(zāi)害影響、應(yīng)急聯(lián)動和城市洪澇防治等提供參考。

1 資料與方法

較高的時空分辨率有利于獲取降水過程的細(xì)節(jié)信息，以保證降水特征分析的精確性[26]。本文收集整理了鄭州主城區(qū)25個氣象觀測站逐時降水資料(來自河南省氣象探測數(shù)據(jù)中心)，并對數(shù)據(jù)進行了質(zhì)量控制，剔除其中2個不符合質(zhì)量要求的站點，最終選取的氣象站點分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)氣象觀測站點分布

研究區(qū)包括惠濟區(qū)、中原區(qū)、金水區(qū)、二七區(qū)、管城回族區(qū)，數(shù)據(jù)時間區(qū)間為2021年7月17日08時-23日08時，數(shù)據(jù)采集的時間間隔為1 h?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的處理采用Excel等常用統(tǒng)計分析軟件及滑動求和等統(tǒng)計分析方法，空間插值、疊加分析等制圖表達(dá)采用地理信息系統(tǒng)軟件(ArcGIS)的柵格插值、空間分析等模塊進行繪制和分析，內(nèi)澇風(fēng)險通過鄭州市內(nèi)澇仿真模型(河南省氣候中心研發(fā))進行模擬分析。

2 降水時空特征分析

2.1 過程雨量分析

根據(jù)降水量等級標(biāo)準(zhǔn)[27]，日降水量(24 h雨量)達(dá)到和超過50 mm的降水稱為暴雨，其中又分為暴雨(50～100 mm)、大暴雨(100～200 mm)、特大暴雨(>200 mm)3個量級。據(jù)此，根據(jù)逐時降水資料分析研究區(qū)各站點降水情況。2021年7月19日，15個站點雨量達(dá)到暴雨標(biāo)準(zhǔn)，占比達(dá)到65%；7月20日，23個站點雨量均達(dá)到特大暴雨標(biāo)準(zhǔn)，其中5個站點日降水量超過500 mm。反距離權(quán)重法(IDW)作為一種常用的空間插值方法，估值精度較高，更適合于日降水量的空間插值[28]。本文采用反距離權(quán)重法對各站點降水?dāng)?shù)據(jù)進行空間插值，得到鄭州市區(qū)過程降水空間分布(圖2)。由圖2可看出，過程降水量從市區(qū)西南部向東北部遞減，強降水中心位于市區(qū)西南部的二七區(qū)。市區(qū)西部降水量整體高于東部的。

圖2 鄭州市區(qū)過程總降水空間分布

2.2 短時雨強分析

180 min以內(nèi)的降水是鄭州市短歷時強降水最具風(fēng)險的時段[14]。本次過程鄭州市最強降水時段發(fā)生在7月19-21日，因此本文對19-21日期間各站降水?dāng)?shù)據(jù)以180 min為單位時長進行滑動求和，得出各站逐3 h雨量變化(圖3)。逐3 h滑動求和避免了人為分段截取的影響，更便于識別每180 min時段之間短時強降水特征[29]。俞小鼎[30]將1 h雨量≥50 mm或3 h雨量≥100 mm的降水事件稱為極端短時強降水。7月20日是鄭州市區(qū)降水最強時段。各個站點雨量在20日下午均達(dá)到極端短時強降水標(biāo)準(zhǔn)。48%的站點出現(xiàn)1 h雨量超過100 mm的極端短時強降水，其中鄭州國家氣象站1 h雨量(20日17時)達(dá)到201.9 mm。西南部二七區(qū)兩個測站極端短時強降水維持長達(dá)7 h。

圖3 2021年7月19-21日期間各站點逐3小時雨量變化過程

分析各站過程最大3 h降水的時空分布和量級特征發(fā)現(xiàn)，市區(qū)西南部最大3 h降水量高于市區(qū)北部、東部的，其中最大3 h降水量達(dá)到300 mm以上的站有兩個，分別是二七區(qū)尖崗水庫站(333.2 mm)和鄭州國家站。尖崗水庫位于賈魯河上游，由于短時雨強極大，尖崗水庫水位迅速上漲，超過汛限水位，對流經(jīng)鄭州市的賈魯河沿岸造成洪澇風(fēng)險。時間上，23個站點過程最大3 h降水均出現(xiàn)在20日，其中有87%的站點出現(xiàn)在14-18時，52%的站點出現(xiàn)在16-18時(表1)，降水時間十分集中；雨量上，有74%的站點最大3 h降水超過150 mm，其中26%的站點超過250 mm，降水強度強。市區(qū)西部站點出現(xiàn)短時強降水時間較早，在14-16時出現(xiàn)，市區(qū)中東部站點短時強降水則集中出現(xiàn)在16-18時。

表1 各站2021年7月20日最大3 h降水量分時統(tǒng)計(代表氣象站)

表1 各站2021年7月20日最大3 h降水量分時統(tǒng)計(代表氣象站)

降水量/mm1416時1517時1618時1719時1820時50100101150151200201250251300>300

最大1 h降水量在空間分布上的變化可以反映短歷時降水中心區(qū)域的變遷[31]。分析逐時最強降水時段及降水空間分布(圖4)可以看出，從20日13時(圖4a)開始，主城區(qū)西南部、南部等區(qū)域出現(xiàn)雨強在20 mm/h左右的降水。從14時(圖4b)開始，雨強明顯增強，降水落區(qū)從西南部向北部發(fā)展并覆蓋至整個主城區(qū)，平均雨強為37 mm/h。在15-18時的時間段里，強降水持續(xù)，量級迅速增大。在時間變化上，不同時刻雨強大于50 mm/h站點數(shù)占比分別為：17%(15時)、52%(16時)、70%(17時)、39%(18時)；在空間分布上，雨強峰值中心從主城區(qū)西部發(fā)展并逐漸東擴，15-16時(圖4c-d)強降水落區(qū)分布在西南部二七區(qū)、中原區(qū)，17時(圖4e)強降水落區(qū)位于中南部及金水區(qū)大部，18時(圖4f)強降水落區(qū)東移至中東部。在20日下午的最強降水時段中，強降水落區(qū)遍歷從西到東整個主城區(qū)。

圖4 2021年7月20日最強降水時段小時雨強空間分布演變過程(a)13時，(b)14時，(c)15時，(d)16時，(e)17時，(f)18時

2.3 降水持續(xù)性分析

降水持續(xù)時間是降水事件的重要特征，其時空分布規(guī)律可在一定程度上反映區(qū)域動力、熱力過程對水循環(huán)的影響[32]。易致災(zāi)的降水可分為兩類:一類是持續(xù)時間較短的強降水，短時間內(nèi)強度很大的暴雨有時可直接引起氣象災(zāi)害;另一類是持續(xù)時間長的降雨，如連陰雨(通常含暴雨日)等。長時間的連陰雨或連續(xù)頻繁的暴雨都有引發(fā)洪澇災(zāi)害的風(fēng)險。

分析各站點過程最長連續(xù)降水時長與所對應(yīng)雨量(圖5)發(fā)現(xiàn)，從7月19日08時開始，市區(qū)各站陸續(xù)開啟連續(xù)降水過程，并且近20個站點降水一直持續(xù)到21日08時以后。最長連續(xù)降水時間段在45-50 h的站點有16個，占總站數(shù)一半以上。二七區(qū)尖崗水庫站連續(xù)降水時間最長，達(dá)56 h，降水量達(dá)到818.1 mm。二七區(qū)侯寨站連續(xù)降水49 h，雨量達(dá)到863.9 mm，平均小時雨強為17.6 mm/h，雨量和平均雨強均為各站中最高。20日14時后連續(xù)強降水的10 h里，有4個站點8 h降水強度均維持在20 mm/h以上，其中鄭州國家站有9 h降水強度在20 mm/h以上。說明暴雨中心處發(fā)生的是長歷時、高強度的降水。

圖5 各站點最長連續(xù)降水時間段雨量統(tǒng)計

對研究區(qū)過程總降水量與最長連續(xù)降水量進行柵格差值運算，差值越小，表示最長連續(xù)降水量對過程總降水量貢獻越大，即該區(qū)域連續(xù)降水時間更集中。分析發(fā)現(xiàn)，鄭州市區(qū)東部、西北部降水差值在50 mm以下，表明上述區(qū)域過程雨量集中在最長連續(xù)降水時間段。

分析最大3 h降水量占連續(xù)降雨時段雨量的比重及其所用時長(3 h)占連續(xù)降雨時長的比重(圖6)發(fā)現(xiàn)，各站最大3 h降水量均占最長連續(xù)降水量兩成以上(圖中灰色折線“雨量比值”)，其中鄭州市氣象局站占比達(dá)到五成以上，還有6個站占比達(dá)到四成。各站最大3 h降水量在最長連續(xù)降水中比重(圖中灰色折線“雨量比值”)明顯高于所用時間占比(圖中黑色折線“時間比值”)，意味著在連續(xù)降水的時間段里，各站最大3 h降水量平均達(dá)到連續(xù)降水量的三成，而時間只占連續(xù)降雨時間段的1/10左右，降水效率極高。因此，本次極端暴雨天氣過程兼具短時強降水與持續(xù)降水的特征，降水持續(xù)時間長，降水強度高，兩方面疊加產(chǎn)生極高的洪澇風(fēng)險。

圖6 最大3 h降水過程雨量和時長占最長連續(xù)降水過程雨量和時長的比重

2.4 暴雨內(nèi)澇風(fēng)險模擬

城市內(nèi)澇積水的具體情況與暴雨雨強和時空變化特征有直接關(guān)系[7]。降水時空特征和城市化程度決定暴雨內(nèi)澇災(zāi)害的量級，地形條件尤其是微地形則決定發(fā)生位置和內(nèi)澇頻率[33]。進行城市暴雨積澇災(zāi)害風(fēng)險評估,有助于準(zhǔn)確圈定各風(fēng)險等級區(qū)域及風(fēng)險點，滿足風(fēng)險評估、區(qū)劃及風(fēng)險預(yù)警的要求[34-36]。

本文以19日12時為起始，每6 h間隔，將累計降水量代入鄭州市暴雨內(nèi)澇仿真模型進行模擬，提取暴雨過程開始至結(jié)束6個時間段的內(nèi)澇模擬結(jié)果，得到T1-T6時刻的輸出場(圖7)。從T1-T3時刻，市區(qū)開始連續(xù)降水，市區(qū)西南部、西部、東部等區(qū)域逐漸出現(xiàn)積水，積水區(qū)域多點散發(fā)。T4-T6時刻，為7月20日強降水時段，積水?dāng)U展到全市，范圍變大，積水加深，市區(qū)多個區(qū)域積水超過1 m。市區(qū)西南部隨著連續(xù)降雨持續(xù)積水，但東部、北部在這一時段(T4-T6時段)積水面積和深度迅速增加(圖T4-T6紅色區(qū)域標(biāo)注)，短時間內(nèi)內(nèi)澇積水深度便超過西南部、中部的，雖然市區(qū)西部過程總降水量高于東部的，但東部積水相對更深，內(nèi)澇更為嚴(yán)重。

本文采用2021年7月25日河南省鄭州地區(qū)洪澇災(zāi)情遙感監(jiān)測專題圖(圖8)進行驗證，該數(shù)據(jù)由高分辨率對地觀測系統(tǒng)河南數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心基于高分三號雷達(dá)影像制作。與模擬結(jié)果對照，暴雨落區(qū)時空遷移與積水區(qū)域、降水持續(xù)時間和內(nèi)澇深度變化均基本一致，東部、北部積水較深，這與市區(qū)東部、西北部降水時間更為集中有一定關(guān)系，短時間內(nèi)持續(xù)高強度降水在地表形成徑流，徑流范圍和深度瞬間加大，形成嚴(yán)重內(nèi)澇。另一方面，鄭州主城區(qū)為平原地形，地貌呈現(xiàn)西高東低的趨勢，下游排水能力有限，雨水通過地表和城市排水管網(wǎng)向地勢較低的東部區(qū)域流動，延長了內(nèi)澇積水的排泄時間，增加了城市東部內(nèi)澇點的積水水量。從整體來看，T6模擬結(jié)果作為暴雨主過程結(jié)束時段，模擬的淹沒情況與遙感實測結(jié)果基本相符，模擬結(jié)果較為可靠。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

鄭州市“7·20”特大暴雨過程屬極端降水事件，具有累積雨量大，持續(xù)時間長，短時雨量極強，降水極端特征突出等特征。本文基于逐時降水資料，從過程雨量、短時雨強、降水持續(xù)性等角度對鄭州市主城區(qū)暴雨極端性進行了細(xì)致分析，明晰了暴雨過程在鄭州主城區(qū)的時空分布、歷時變化等特征。研究顯示：

(1)在過程雨量時空分布上，2021年7月20日，研究范圍內(nèi)所有觀測站點均達(dá)到特大暴雨標(biāo)準(zhǔn)，其中5個站點日降水量超過500 mm。過程總降水和最大3 h降水量的空間分布均表現(xiàn)為由西南向東北遞減，雨量峰值位于西南部二七區(qū)。

(2)市區(qū)各個站點在20日下午均達(dá)到極端短時強降水標(biāo)準(zhǔn)，有74%的站點最大3 h降水超過150 mm，48%的站點單小時雨量超過100 mm，出現(xiàn)短時強降水的站點密集、強度高。有87%的站點過程最大3 h降水出現(xiàn)在20日14-18時，過程降水強度在20日下午達(dá)到了時間和空間上的高度集中。短時強降水中心從主城區(qū)西部發(fā)生發(fā)展，并逐漸東移至市區(qū)東部，覆蓋到整個主城區(qū)，呈現(xiàn)從西向東的動態(tài)遷移特征。

(3)鄭州市區(qū)各站連續(xù)降水時間均超過24 h，其中超半數(shù)站點最長連續(xù)降水時間達(dá)到45-50 h，主城區(qū)東部、西北部連續(xù)降水時間更為集中；各站最大3 h降水效率極高。表明本次暴雨天氣過程兼具持續(xù)降水與短時強降水的極端特征，研究范圍內(nèi)發(fā)生的是長歷時、高強度的降水，兩方面疊加產(chǎn)生極高的洪澇風(fēng)險。

(4)暴雨內(nèi)澇風(fēng)險模擬顯示,暴雨落區(qū)時空遷移與積水區(qū)域變化、降水持續(xù)時間和內(nèi)澇深度變化均基本一致。研究范圍內(nèi)各區(qū)都遭到不同程度洪水內(nèi)澇，主城區(qū)東部在面積和深度上積水更為嚴(yán)重，這是因為城區(qū)東部降水時間更為集中和地勢相對低洼，增加了城市東部內(nèi)澇點的積水水量。

3.2 討 論

城市極端暴雨過程和人口活動時空分布對內(nèi)澇災(zāi)情程度影響明顯，預(yù)估發(fā)生災(zāi)害性天氣和引發(fā)次生災(zāi)害的可能性，提高緊急事件下的決策服務(wù)效率在防災(zāi)減災(zāi)工作中是十分必要的。7月19日，研究區(qū)已有15個站點雨量達(dá)到暴雨標(biāo)準(zhǔn)，7月20日，河南省、鄭州市氣象部門連續(xù)升級暴雨預(yù)警至最高級別。20日下午，市區(qū)已出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇。此時正值下班放學(xué)高峰，出行需求陡增，群眾暴露于城市內(nèi)澇洪水的風(fēng)險加劇。在降水還在繼續(xù)的情況下，相關(guān)部門應(yīng)充分利用雨情快報等信息對防災(zāi)的指示作用，提前預(yù)判暴雨對出行高峰時段產(chǎn)生的影響和可能會發(fā)生的重大險情，增加提升應(yīng)急響應(yīng)的時間提前量，通過發(fā)布緊急狀態(tài)命令、采取“三?！睆娭拼胧⑷襟w宣傳廣播等舉措，引導(dǎo)公眾采取應(yīng)急措施，提前疏散或就地避險，減少或避免涉入險境。

致謝：感謝河南省氣象局“大城市氣象保障體系”創(chuàng)新團隊在本文撰寫過程中提供的支持與幫助！