楊 浩 周 文 汪小康 李山山 王婧羽 王曉芳 胡 泊
1 中國氣象局武漢暴雨研究所 暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點實驗室,武漢 430205 2 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災(zāi)害教育部重點實驗室,南京 210044
提 要: 利用國家氣象信息中心提供的2 373個國家氣象觀測站(以下簡稱國家站)和區(qū)域氣象觀測站(以下簡稱區(qū)域站)小時降水量資料,從累計降水量、降水強度和時間演變等角度,分析了“21·7”(2021年7月17—22日)河南特大暴雨的極端性特征。結(jié)果表明:此次暴雨過程具有持續(xù)時間長、累計降水量大、突發(fā)性強、暴雨落區(qū)集中等特點。6天累計降水量平均達到219.05 mm·站-1,有155個站超過600 mm。全省5.43萬km2累計過程降水量大于250 mm,超過“75·8”過程(1975年8月)的3.45萬km2。強降水主要出現(xiàn)在3個時段(18日15時至19日04時、19日09時至21日08時、21日09時至22日14時),最大降水時段發(fā)生在19—21日,落區(qū)集中在太行山東南側(cè)、伏牛山東北側(cè)的豫中北地區(qū)。有1 514個站出現(xiàn)至少1個時次的短時強降水(≥20 mm·h-1),大值中心分別位于鄭州、新鄉(xiāng)和鶴壁等地,部分區(qū)域短時強降水貢獻率超過70%。強降水中心在20日中午至21日夜間由河南中部向河南北部移動,強度由強變?nèi)踉偌訌姟4舜纬掷m(xù)性暴雨過程的極端性表現(xiàn)出明顯的局地性特征,鄭州國家站7月20日17時1 h降水量達201.9 mm,超過“75·8”過程的小時降水強度,并打破全國國家站歷史紀錄。3 h和6 h最大降水量均發(fā)生在鄭州尖崗水庫附近。鄭州站7月總降水量高達902.0 mm,約是近70年歷史平均值的6倍。
2021年7月17—22日,河南省遭遇極端強降雨,鄭州、新鄉(xiāng)、開封、周口、焦作等地部分地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨(累計過程降水量為250~350 mm),鄭州城區(qū)局地達500~657 mm,最大小時降水強度達到201.9 mm·h-1,已超過1975年的“75·8”特大暴雨(189.5 mm·h-1)(丁一匯,2015;孫躍等,2021),這也是全球大中城市小時降水強度的最高紀錄。此次特大洪澇災(zāi)害過程造成河南數(shù)百人遇難及失蹤。
受全球變暖影響,大氣不穩(wěn)定性增加,更多陸地地區(qū)出現(xiàn)極端降水事件(Li et al,2018;Qin et al,2021)。我國極端強降水量或暴雨降水量在總降水量中的比重有所增加,極端強降水或暴雨級別的降水強度也逐漸增強(Zhai et al,2005;高榮等,2018;Wu et al,2020;周璇等,2020),群發(fā)性暴雨也普遍呈增多增強趨勢(張芳華等,2020;Chen et al,2021)。
已有研究表明,我國短時強降水(20~40 mm·h-1)發(fā)生頻率的空間分布與暴雨(≥50 mm·d-1)相似,總體呈由東南向西北遞減的趨勢,主要發(fā)生在夏季,與東亞夏季風(fēng)北進南撤、西太平洋副熱帶高壓北跳南退較為一致,其日變化多峰特征明顯,大部分地區(qū)短時強降水都是夜間多發(fā),短時強降水量級一般都很大,對總降水量的貢獻率遠大于其發(fā)生率(陳炯等,2013;錢忠華等,2020)。毛冬艷等(2018)通過對西南地區(qū)短時強降水氣候特征的分析,指出貴州東南部、四川盆地西南部和云南東南部是短時強降水高發(fā)區(qū),其中貴州地區(qū)的短時強降水的年際變化在高發(fā)區(qū)離散度較大,在貴州西北部低發(fā)區(qū)離散度較小(肖蕾等,2021)。此外,我國東北(陳相甫和趙宇,2021)、華北(Zhong et al,2015;Li et al,2017)、長江中下游(Luo et al,2014)等地區(qū)的極端降水均具有典型的區(qū)域特征和影響系統(tǒng)。
河南省位于中國中部,地處中國暖溫帶半濕潤區(qū)與北亞熱帶氣候過渡帶中,也是黃淮西部地貌過渡區(qū),其北鄰太行山,西鄰西北—東南走向的伏牛山,南部位于淮河流域上游,東部位于華北平原南緣(圖1a)。王婧羽等(2019)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),河南省短時強降水集中發(fā)生在7月和8月,主要存在4個大值區(qū),即豫北黃河以北地區(qū)、豫東商丘地區(qū)、豫西南伏牛山以南以東地區(qū)、豫南沿淮及其以南地區(qū);地形對降水的增幅作用顯著,主要通過增加短時強降水發(fā)生頻次實現(xiàn)。近些年河南降水呈現(xiàn)出明顯的極端化,大到暴雨對全年總降水量的貢獻呈明顯上升趨勢,季風(fēng)對其影響較大,暴雨空間分布總體上自西向東逐漸增加,南多北少,區(qū)域差異明顯(魯坦等,2017;梁鈺等,2020)。
歷史上河南發(fā)生過多次導(dǎo)致重大生命財產(chǎn)損失的極端暴雨事件(丁一匯,2015;栗晗等,2018),此次河南極端降水過程具有突發(fā)性強、生命史長、短時降水強度大、預(yù)測預(yù)報難、致災(zāi)嚴重等特點(冉令坤等,2021;蘇愛芳等,2022;汪小康等,2022;蔡薌寧,2022)。本文將從累計降水量、降水強度和時間演變等角度分析導(dǎo)致本次洪澇災(zāi)害的強降水極端性特征。
本文所用資料為國家氣象信息中心提供的國家氣象觀測站(以下簡稱國家站)及區(qū)域氣象觀測站(以下簡稱區(qū)域站)小時降水量,數(shù)據(jù)在使用前經(jīng)過質(zhì)量控制,共選取河南省內(nèi)有效站點2 373個(圖1b),時段為2021年7月17日09時至23日08時(北京時,下同)。鄭州國家站降水數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心提供的1951—2021年逐日降水資料。參考俞小鼎(2013),將降水強度≥20 mm·h-1的降水定義為短時強降水。日降水量等級采用中央氣象臺定義標準,大雨:25~50 mm,暴雨:50~100 mm,大暴雨:100~250 mm,特大暴雨:≥250 mm。
圖1 河南省周邊(a)地形和(b)氣象站點分布Fig.1 Distribution of (a) topography and (b) meteorological stations in Henan Province
2021年7月17—22日,河南省發(fā)生的大范圍暴雨過程主要集中在豫中北地區(qū)(圖2a)。統(tǒng)計表明,全省2 373個站6天累計降水量平均達到219.05 mm·站-1,有155個站超過600 mm,主要集中在鄭州、新鄉(xiāng)和鶴壁等地區(qū),400~600 mm的站數(shù)達到266個,分布在平頂山、許昌、鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁和安陽等區(qū)域,降水量為200~400 mm的站數(shù)最多,達到556個(表1)。全省32.5%的國土面積(5.43萬km2)累計降水量大于250 mm(表2),超過河南“75·8”特大暴雨過程的3.45萬km2(丁一匯,2015)。結(jié)合地形(圖1a)發(fā)現(xiàn),此次暴雨落區(qū)位于太行山東南側(cè)、伏牛山東北側(cè),與王婧羽等(2019)研究結(jié)果一致,即伏牛山以東支脈的喇叭口地形區(qū)為河南強降水的高頻區(qū)之一。
圖2 2021年7月17日09時至23日08時(a)過程累計降水量分布和(b)同期短時強降水量占總降水量的百分比Fig.2 Spatial distribution of (a) accumulated precipitation and (b) the ratio of flash heavy rain to total precipitation from 09:00 BT 17 to 08:00 BT 23 July 2021
表1 2021年7月17日09時至23日08時河南省2 373個站累計總降水和短時強降水(括號內(nèi)數(shù)字)統(tǒng)計Table 1 Statistics of accumulated precipitation and flash heavy rain (number in bracket) at 2 373 stations in Henan Province from 09:00 BT 17 to 08:00 BT 23 July 2021
表2 河南“21·7”和“75·8”特大暴雨情況對比Table 2 Comparison between the “21·7” and “75·8” rainstorms in Henan Province
將各站短時強降水量進行累計,計算同期短時強降水量及其占總降水量的百分比(貢獻率)。短時強降水總量的空間分布與總降水量基本一致,大值中心分別位于鄭州、新鄉(xiāng)和鶴壁的部分地區(qū)(圖略),總共有1 514個站出現(xiàn)至少1個時次的短時強降水,累計短時強降水量超過600 mm的站有4個(表1)。短時強降水貢獻率的大值區(qū)比較分散,除了東部的商丘和西部的三門峽之外,其他地區(qū)都有一定數(shù)量站點的短時強降水貢獻率超過50%,其中鄭州、鶴壁、洛陽、許昌、南陽和信陽等地區(qū)的部分站點超過70%(圖2b)。
這次特大暴雨過程從7月17日上午自河南東南部開始發(fā)生,然后向北部地區(qū)擴展,23日上午基本結(jié)束,持續(xù)時間超過6天。其中,18日強降水主要位于河南中部和北部,駐馬店、平頂山、新鄉(xiāng)、鶴壁和安陽出現(xiàn)暴雨和大暴雨,尤其是新鄉(xiāng)和安陽部分地區(qū)超過100 mm(圖3b)。19日和20日強降水范圍迅速擴大且強度增大,250 mm以上降水落區(qū)分布在鄭州、新鄉(xiāng)、開封和平頂山地區(qū),鄭州城區(qū)平均降水量連續(xù)2天超過300 mm(圖3c,3d)。21日雨帶北移,強降水范圍有所減小,但強度進一步加強,集中到新鄉(xiāng)、鶴壁和安陽三個地區(qū),400 mm以上面積超過19日和20日(圖3e)。22—23日降水逐漸減弱,河南東北和西南部分區(qū)域超過大暴雨量級(圖3f)。
圖3 2021年7月17日09時至23日08時逐日降水量空間分布(a)17日,(b)18日,(c)19日,(d)20日,(e)21日,(f)22日Fig.3 Spatial distribution of daily precipitation from 09:00 BT 17 to 08:00 BT 23 July 2021(a) 17 July, (b) 18 July, (c) 19 July, (d) 20 July, (e) 21 July, (f) 22 July
上文分析表明,此次河南特大暴雨過程共持續(xù)了6天,其中7月19—21日最強,全省共有19個國家站日降水量突破有氣象記錄以來歷史極值。對比“75·8”極端暴雨過程不同時段降水強度發(fā)現(xiàn),此次過程小時降水量達到201.9 mm,出現(xiàn)在鄭州國家站,超過“75·8”過程林莊站的189.5 mm。3 h、6 h、12 h、1 d、3 d和5 d降水強度雖然沒有超過林莊站(表2),但是200 mm以上過程降水量面積為7.52萬km2,大于“75·8”過程的6.53萬km2。
鄭州國家站2021年7月總降水量高達902.0 mm,是絕大多數(shù)南方城市都從未有過的數(shù)據(jù)。從1951—2021年的7月鄭州降水量序列來看,2021年的降水量遠遠大于往年,是歷史第二大值(1957年,376.3 mm)的兩倍多,是歷史平均值(153.2 mm)的近6倍(圖4)。
圖4 1951—2021年鄭州國家站7月降水量逐年變化(黑線為氣候平均值)Fig.4 Variation of monthly precipitation in July from 1951 to 2021 at Zhengzhou Station (Black line indicates the climatological mean value)
小時尺度的短歷時強降水是強降水的極端特征之一。統(tǒng)計此次河南特大暴雨過程(144個時次)每個時次的極大值,其平均值達到56.6 mm·h-1,有73個時次的降水強度超過50 mm·h-1(表3),最大時次降水強度出現(xiàn)在7月20日17時,鄭州國家站降水強度為201.9 mm·h-1,第二大降水強度出現(xiàn)在前一時次(20日16時),為尖崗水庫站的158.0 mm·h-1(圖5)。從各時次最大降水強度空間分布來看,100 mm·h-1以下降水強度的分布較為均勻,出現(xiàn)位置具有隨機性。100 mm·h-1以上降水強度主要發(fā)生在鄭州、鶴壁、新鄉(xiāng)和開封等地,這與上文中總降水量的空間分布較為一致,也進一步證實了此次過程極端性表現(xiàn)出顯著的局地性特征。
表3 2021年7月17日09時至23日08時河南省逐時(144個時次)最大降水強度量級Table 3 Statistics of hourly maximum precipitation intensity in Henan Province from 09:00 BT 17 to 08:00 BT 23 July 2021
圖5 2021年7月17日09時至23日08時河南省逐時(144個時次)最大降水強度站點分布Fig.5 Spatial distribution of hourly maximum precipitation intensity in Henan Province from 09:00 BT 17 to 08:00 BT 23 July 2021
圖6給出此次過程累計降水量排名前十站點和鄭州國家站的逐時降水變化。10個區(qū)域站分布在鶴壁、鄭州和新鄉(xiāng)3個地市,鶴壁2個站(科創(chuàng)中心和外國語學(xué)校)、鄭州6個站(白寨、侯寨、石板溝、尖崗、新中鎮(zhèn)和文化站)、新鄉(xiāng)2個站(鳳凰山和牧野鄉(xiāng))。排名第一的鶴壁科創(chuàng)中心的降水量為1 122.6 mm,排名第十的鄭州文化站也達到了895.3 mm。從圖6可以看出,特大暴雨過程主要分為3個時段,即7月18日15時至19日04時、19日09時至21日08時、21日09時至22日14時。第一時段降水強度較小、持續(xù)時間較短,第二時段降水強度最大、持續(xù)時間最長,3個時段間隔時間很短,尤其是第二和第三時段基本是連續(xù)的。其中,1 h最大降水量為上文多次提到的201.9 mm(鄭州國家站,20日17時),3 h和6 h最大降水量分別為333.2 mm(20日15—17時)和465.9 mm(20日14—19時),均發(fā)生在鄭州尖崗水庫附近。可見,這次持續(xù)性暴雨過程具有顯著的局地性特征。
圖6 2021年7月17日09時至23日08時河南省累計降水量排名前十站點和鄭州國家站的逐時降水強度(站名后面數(shù)字表示過程累計降水量,單位:mm)Fig.6 Hourly precipitation intensity at the top 10 stations and Zhengzhou Station from 09:00 BT 17 to 08:00 BT 23 July 2021 (The number behind the station name indicates the accumulated precipitation, unit: mm)
本文選取降水大值區(qū)的4個典型測站,對小時降水量進行排序并計算對應(yīng)累計小時降水量(圖7)。4個測站最大小時降水量都接近或超過100 mm,并且分別出現(xiàn)了11個時次(鄭州國家站)、21個時次(鶴壁科創(chuàng)中心)、20個時次(鄭州白寨)和12個時次(新鄉(xiāng)鳳凰山)的短時強降水(≥20 mm·h-1)。4個測站中排名前2個時次的降水量之和均超過了常年7月平均累計降水量,前21、11、18和17個時次累計降水量超過各自測站全年平均累計降水量。上述數(shù)據(jù)表明此次特大暴雨過程不僅持續(xù)時間長,降水強度的極端性也非常突出。
圖7 2021年7月17日09時至23日08時河南省代表站點小時降水量排序及其累計降水量(a)鄭州國家站,(b)鶴壁科創(chuàng)中心,(c)鄭州白寨,(d)新鄉(xiāng)鳳凰山Fig.7 The ranking of hourly precipitations and their accumulationsfrom 09:00 BT 17 to 08:00 BT 23 July 2021 (a) Zhengzhou Station, (b) Hebi Kechuangzhongxin Station, (c) Zhengzhou Baizhai Station, (d) Xinxiang Fenghuangshan Station
上文分析指出,總降水量前十的代表性氣象站的降水變化顯示暴雨過程主要經(jīng)歷了3個時段。進一步對河南省2 373個站的逐小時降水量進行統(tǒng)計,得到全省短時強降水的時間變化特征(圖8)。研究時段內(nèi)144個時次共發(fā)生6 676個站次的短時強降水,平均每個時次有46.4個站。整個過程有多個短時強降水站點數(shù)峰值,最多短時強降水站點出現(xiàn)在20日14時,共有151個站降水強度超過20 mm·h-1。7月20日17時僅有74個站發(fā)生短時強降水,但是該時刻鄭州國家站發(fā)生了201.9 mm·h-1的超強降水。
圖8 2021年7月17日09時至23日08時河南省發(fā)生短時強降水(≥20 mm·h-1)站點數(shù)Fig.8 Number of stations with flash heavy rain (≥20 mm·h-1) in Henan Province from 09:00 BT 17 to 08:00 BT 23 July 2021
為了詳細了解強降水中心的空間移動、合并等演變特征,將站點降水量插值到格點進而繪制出緯度-時間和經(jīng)度-時間剖面圖(圖9)。由圖9a可見,7月17日上午,河南南部和北部有零星降水,強度較小,17日下午到夜間只有南部有降水。18日上午降水面積增大,從南到北均有強降水發(fā)生,其中河南北部降水在18日下午加強,但到了19日中午又逐漸減弱消失。河南中部(34.5°N附近)的強降水從19日中午開始出現(xiàn),19日夜間進一步增強,20日中午到夜間是降水最強時段,也就是在該時段鄭州市區(qū)遭遇了嚴重洪澇災(zāi)害,降水強度突破歷史極值。21日凌晨開始,強降水中心分別向南北兩側(cè)有所轉(zhuǎn)移,21日中午,強降水中心北移,南部降水減弱,河南北部的新鄉(xiāng)鶴壁等地強降水一直持續(xù)到22日下午(圖9a)。經(jīng)度-時間剖面圖顯示(圖9b),強降水中心的東西向擺動不太明顯,大范圍暴雨的起止時間是從18日下午到22日下午。
圖9 2021年7月17日09時至23日08時逐時降水量的(a)緯度-時間(113°~114.5°E平均)和(b)經(jīng)度-時間(34°~37°N平均)剖面Fig.9 (a) Latitude-time (113°-114.5°E) averaged and (b) longitude-time (34°-37°N) averaged cross-section of hourly precipitation from 09:00 BT 17 to 08:00 BT 23 July 2021
河南“21·7”特大暴雨是繼“75·8”特大暴雨之后的又一次歷史罕見極端降水過程,本文主要基于河南全省2 373個站點降水數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,主要結(jié)論如下:
(1)“21·7”特大暴雨過程持續(xù)時間長(7月17—22日),6天累計降水量平均達到219.05 mm·站-1,有155個站超過600 mm。全省32.5%面積(5.43萬km2)累計過程降水量大于250 mm,超過“75·8”過程的3.45萬km2。強降水主要有3個時段(18日15時至19日04時、19日09時至21日08時、21日09時至22日14時),最大降水時段發(fā)生在19—21日,降水落區(qū)主要集中在豫中北地區(qū),位于太行山東南側(cè)、伏牛山東北側(cè)。
(2)共計1 514個站出現(xiàn)至少1個時次的短時強降水(≥20 mm·h-1),短時強降水總量的空間分布與總降水量基本一致,大值中心分別位于鄭州、新鄉(xiāng)和鶴壁等地。短時強降水貢獻率的大值區(qū)比較分散,其中鄭州、鶴壁、洛陽、許昌、南陽和信陽等地部分站點超過70%。強降水中心時空演變特征表現(xiàn)出南北位置的擺動,20日中午到夜間集中在河南中部,21日中午集中在河南北部,東西向擺動不明顯。
(3)此次持續(xù)性暴雨過程的極端性具有顯著的局地特征,且突發(fā)性強。鄭州國家站7月20日17時1 h降水量達201.9 mm,超過“75·8”過程,并打破全國國家站歷史紀錄。3 h和6 h最大降水量均發(fā)生在鄭州尖崗水庫附近。鄭州國家站7月總降水量高達902.0 mm,約是近70年歷史平均值的6倍。