2021年郑州市“7·20”特大暴雨降水极端特征分析

侯鹏敏， 朱业玉， 左 璇， 郭冰芳

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，郑州 450003；2.滑县气象局，河南 滑县 456400； 3.河南省气候中心，郑州 450003)

引 言

2021年7月17-22日，河南郑州出现罕见极端强降水天气(简称郑州“7·20”特大暴雨)，最强降水时段发生在19-21日，降水强度与范围均突破历史记录[1-2]。极端强降雨造成郑州严重城市内涝，七里河、金水河、贾鲁河等河道多处漫溢，地铁五号线、京广北路隧道等多处积水严重，郑州常庄、郭家咀和五星等水库出现重大险情，供水、电力、通讯、交通一度中断，人民生命和财产遭受巨大损失[1,3-4]。

持续性降水或短历时高强度降水是城市内涝的主要原因之一[5-6]。深入了解城市暴雨动态变化的规律，掌握短历时强降水时空分布特征，是科学应对因暴雨引发的城市内涝等次生灾害的先决条件[7]。国内有许多学者从不同角度对大城市极端降水进行过分析和研究。

在城市暴雨时空特征研究方面，曹经福等[8]利用分钟级降水数据分析天津地区短时暴雨雨型时空分布特征，并基于天津城市暴雨内涝数值模型评估不同雨型对内涝积水总量的影响。李海宏等[9]基于上海市多年降水资料和内涝灾情数据，分析了近10年上海市暴雨和内涝灾情特征，结果发现，过程雨量>100 mm时，灾情数急剧增加，暴雨过程对内涝灾情的贡献作用明显。高洁等[10]利用上海市加密观测自动站多年降水资料和110报警信息资料，研究上海市短时强降水地理分布特征、概率分布特点，分析降水极端性与暴雨红色预警标准的对应关系，并得出110报警次数与降水持续时间有关等结论。张超等[11]利用常规地面、高空探测资料、加密自动站逐时雨量资料，分析了乌鲁木齐市短时强降水的空间分布、月变化及小时雨强特征。王芬[12]、徐慧燕[13]等分别基于黔西南和丽水地区气象站多年逐时降水观测资料，研究短时强降水时空分布特征，分析短时强降水对暴雨的贡献率和相关关系。

在郑州市历年降水特征方面，左璇等[14]利用郑州气象站1955-2018年不同短历时强降水资料，对各短历时强降水进行分布拟合检验和重现期估算，揭示了郑州短历时强降水的演变规律。董俊玲等[15]模拟分析了郑州地形、城市规模等下垫面对暴雨过程的影响。王纪军等[16]基于逐时降水量、逐时降水频次、逐时降水强度和不同持续时间降水4个指标，研究郑州市降水的日变化特征，得出郑州市各时次降水频次最大值出现在7月份，以及7月份平均降水强度有较显著上升趋势等结论。

针对此次郑州极端暴雨过程，亦有多位学者开展了深入分析。赵培娟等[17]从降水演变、环流形势、极端降水致灾关键节点及可预报性等方面对河南“21·7”极端暴雨进行复盘，分析极端暴雨及灾害成因，探讨提高极端暴雨预报能力与决策服务的有效方法。张霞等[18]分析发现，河南“21·7”强降水过程在累计降水量、强降水覆盖范围、日雨量和小时雨强等方面均表现出显著极端性，并与地形关系密切。郭鹏等[19]利用高分三号卫星SAR数据，对郑州及豫北地区“21·7”暴雨洪涝灾害进行应急监测，以确定洪涝灾害的位置和范围。张入财[20]、马圆[21]等分别深入分析了郑州“7·20”特大暴雨极端性成因和暴雨过程的维持机制。喻谦花等[22]分析了“7·20”郑州特大暴雨的环流背景、卫星云图、双偏振雷达等特征。

目前已有研究多集中在特大暴雨形成机理、环流背景等方面，但基于本次极端降水过程，聚焦于郑州市区强降水时空分布特征和规律分析，以及在极端天气条件下大城市内涝风险研判方面，研究还不多。暴雨洪涝灾害发生及其影响与降水因素存在较强的相关，但社会防治能力建设是重要的影响因素，其对减少灾害发生和减轻损失发挥了重要作用[23]。掌握短历时强降水时空分布特征和规律，在暴雨到来之前，根据历史规律提前预估降水的动态发展趋势，即可根据历史上已出现过的内涝灾情预判不同区域的致灾风险，这对内涝的风险管理和应急决策具有重要意义[7,24-25]。因此基于本次过程的代表性、降水的极端性和个例的经典性，详细分析郑州市“7·20”极端暴雨期间降水变化、时空分布等信息，有助于明晰郑州市区极端降水过程特点，以期为预估气象灾害影响、应急联动和城市洪涝防治等提供参考。

1 资料与方法

较高的时空分辨率有利于获取降水过程的细节信息，以保证降水特征分析的精确性[26]。本文收集整理了郑州主城区25个气象观测站逐时降水资料(来自河南省气象探测数据中心)，并对数据进行了质量控制，剔除其中2个不符合质量要求的站点，最终选取的气象站点分布如图1所示。

图1 研究区气象观测站点分布

研究区包括惠济区、中原区、金水区、二七区、管城回族区，数据时间区间为2021年7月17日08时-23日08时，数据采集的时间间隔为1 h。基础数据的处理采用Excel等常用统计分析软件及滑动求和等统计分析方法，空间插值、叠加分析等制图表达采用地理信息系统软件(ArcGIS)的栅格插值、空间分析等模块进行绘制和分析，内涝风险通过郑州市内涝仿真模型(河南省气候中心研发)进行模拟分析。

2 降水时空特征分析

2.1 过程雨量分析

根据降水量等级标准[27]，日降水量(24 h雨量)达到和超过50 mm的降水称为暴雨，其中又分为暴雨(50～100 mm)、大暴雨(100～200 mm)、特大暴雨(>200 mm)3个量级。据此，根据逐时降水资料分析研究区各站点降水情况。2021年7月19日，15个站点雨量达到暴雨标准，占比达到65%；7月20日，23个站点雨量均达到特大暴雨标准，其中5个站点日降水量超过500 mm。反距离权重法(IDW)作为一种常用的空间插值方法，估值精度较高，更适合于日降水量的空间插值[28]。本文采用反距离权重法对各站点降水数据进行空间插值，得到郑州市区过程降水空间分布(图2)。由图2可看出，过程降水量从市区西南部向东北部递减，强降水中心位于市区西南部的二七区。市区西部降水量整体高于东部的。

图2 郑州市区过程总降水空间分布

2.2 短时雨强分析

180 min以内的降水是郑州市短历时强降水最具风险的时段[14]。本次过程郑州市最强降水时段发生在7月19-21日，因此本文对19-21日期间各站降水数据以180 min为单位时长进行滑动求和，得出各站逐3 h雨量变化(图3)。逐3 h滑动求和避免了人为分段截取的影响，更便于识别每180 min时段之间短时强降水特征[29]。俞小鼎[30]将1 h雨量≥50 mm或3 h雨量≥100 mm的降水事件称为极端短时强降水。7月20日是郑州市区降水最强时段。各个站点雨量在20日下午均达到极端短时强降水标准。48%的站点出现1 h雨量超过100 mm的极端短时强降水，其中郑州国家气象站1 h雨量(20日17时)达到201.9 mm。西南部二七区两个测站极端短时强降水维持长达7 h。

图3 2021年7月19-21日期间各站点逐3小时雨量变化过程

分析各站过程最大3 h降水的时空分布和量级特征发现，市区西南部最大3 h降水量高于市区北部、东部的，其中最大3 h降水量达到300 mm以上的站有两个，分别是二七区尖岗水库站(333.2 mm)和郑州国家站。尖岗水库位于贾鲁河上游，由于短时雨强极大，尖岗水库水位迅速上涨，超过汛限水位，对流经郑州市的贾鲁河沿岸造成洪涝风险。时间上，23个站点过程最大3 h降水均出现在20日，其中有87%的站点出现在14-18时，52%的站点出现在16-18时(表1)，降水时间十分集中；雨量上，有74%的站点最大3 h降水超过150 mm，其中26%的站点超过250 mm，降水强度强。市区西部站点出现短时强降水时间较早，在14-16时出现，市区中东部站点短时强降水则集中出现在16-18时。

表1 各站2021年7月20日最大3 h降水量分时统计(代表气象站)

表1 各站2021年7月20日最大3 h降水量分时统计(代表气象站)

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

最大1 h降水量在空间分布上的变化可以反映短历时降水中心区域的变迁[31]。分析逐时最强降水时段及降水空间分布(图4)可以看出，从20日13时(图4a)开始，主城区西南部、南部等区域出现雨强在20 mm/h左右的降水。从14时(图4b)开始，雨强明显增强，降水落区从西南部向北部发展并覆盖至整个主城区，平均雨强为37 mm/h。在15-18时的时间段里，强降水持续，量级迅速增大。在时间变化上，不同时刻雨强大于50 mm/h站点数占比分别为：17%(15时)、52%(16时)、70%(17时)、39%(18时)；在空间分布上，雨强峰值中心从主城区西部发展并逐渐东扩，15-16时(图4c-d)强降水落区分布在西南部二七区、中原区，17时(图4e)强降水落区位于中南部及金水区大部，18时(图4f)强降水落区东移至中东部。在20日下午的最强降水时段中，强降水落区遍历从西到东整个主城区。

图4 2021年7月20日最强降水时段小时雨强空间分布演变过程(a)13时，(b)14时，(c)15时，(d)16时，(e)17时，(f)18时

2.3 降水持续性分析

降水持续时间是降水事件的重要特征，其时空分布规律可在一定程度上反映区域动力、热力过程对水循环的影响[32]。易致灾的降水可分为两类:一类是持续时间较短的强降水，短时间内强度很大的暴雨有时可直接引起气象灾害;另一类是持续时间长的降雨，如连阴雨(通常含暴雨日)等。长时间的连阴雨或连续频繁的暴雨都有引发洪涝灾害的风险。

分析各站点过程最长连续降水时长与所对应雨量(图5)发现，从7月19日08时开始，市区各站陆续开启连续降水过程，并且近20个站点降水一直持续到21日08时以后。最长连续降水时间段在45-50 h的站点有16个，占总站数一半以上。二七区尖岗水库站连续降水时间最长，达56 h，降水量达到818.1 mm。二七区侯寨站连续降水49 h，雨量达到863.9 mm，平均小时雨强为17.6 mm/h，雨量和平均雨强均为各站中最高。20日14时后连续强降水的10 h里，有4个站点8 h降水强度均维持在20 mm/h以上，其中郑州国家站有9 h降水强度在20 mm/h以上。说明暴雨中心处发生的是长历时、高强度的降水。

图5 各站点最长连续降水时间段雨量统计

对研究区过程总降水量与最长连续降水量进行栅格差值运算，差值越小，表示最长连续降水量对过程总降水量贡献越大，即该区域连续降水时间更集中。分析发现，郑州市区东部、西北部降水差值在50 mm以下，表明上述区域过程雨量集中在最长连续降水时间段。

分析最大3 h降水量占连续降雨时段雨量的比重及其所用时长(3 h)占连续降雨时长的比重(图6)发现，各站最大3 h降水量均占最长连续降水量两成以上(图中灰色折线“雨量比值”)，其中郑州市气象局站占比达到五成以上，还有6个站占比达到四成。各站最大3 h降水量在最长连续降水中比重(图中灰色折线“雨量比值”)明显高于所用时间占比(图中黑色折线“时间比值”)，意味着在连续降水的时间段里，各站最大3 h降水量平均达到连续降水量的三成，而时间只占连续降雨时间段的1/10左右，降水效率极高。因此，本次极端暴雨天气过程兼具短时强降水与持续降水的特征，降水持续时间长，降水强度高，两方面叠加产生极高的洪涝风险。

图6 最大3 h降水过程雨量和时长占最长连续降水过程雨量和时长的比重

2.4 暴雨内涝风险模拟

城市内涝积水的具体情况与暴雨雨强和时空变化特征有直接关系[7]。降水时空特征和城市化程度决定暴雨内涝灾害的量级，地形条件尤其是微地形则决定发生位置和内涝频率[33]。进行城市暴雨积涝灾害风险评估,有助于准确圈定各风险等级区域及风险点，满足风险评估、区划及风险预警的要求[34-36]。

本文以19日12时为起始，每6 h间隔，将累计降水量代入郑州市暴雨内涝仿真模型进行模拟，提取暴雨过程开始至结束6个时间段的内涝模拟结果，得到T1-T6时刻的输出场(图7)。从T1-T3时刻，市区开始连续降水，市区西南部、西部、东部等区域逐渐出现积水，积水区域多点散发。T4-T6时刻，为7月20日强降水时段，积水扩展到全市，范围变大，积水加深，市区多个区域积水超过1 m。市区西南部随着连续降雨持续积水，但东部、北部在这一时段(T4-T6时段)积水面积和深度迅速增加(图T4-T6红色区域标注)，短时间内内涝积水深度便超过西南部、中部的，虽然市区西部过程总降水量高于东部的，但东部积水相对更深，内涝更为严重。

本文采用2021年7月25日河南省郑州地区洪涝灾情遥感监测专题图(图8)进行验证，该数据由高分辨率对地观测系统河南数据与应用中心基于高分三号雷达影像制作。与模拟结果对照，暴雨落区时空迁移与积水区域、降水持续时间和内涝深度变化均基本一致，东部、北部积水较深，这与市区东部、西北部降水时间更为集中有一定关系，短时间内持续高强度降水在地表形成径流，径流范围和深度瞬间加大，形成严重内涝。另一方面，郑州主城区为平原地形，地貌呈现西高东低的趋势，下游排水能力有限，雨水通过地表和城市排水管网向地势较低的东部区域流动，延长了内涝积水的排泄时间，增加了城市东部内涝点的积水水量。从整体来看，T6模拟结果作为暴雨主过程结束时段，模拟的淹没情况与遥感实测结果基本相符，模拟结果较为可靠。

3 结论与讨论

3.1 结 论

郑州市“7·20”特大暴雨过程属极端降水事件，具有累积雨量大，持续时间长，短时雨量极强，降水极端特征突出等特征。本文基于逐时降水资料，从过程雨量、短时雨强、降水持续性等角度对郑州市主城区暴雨极端性进行了细致分析，明晰了暴雨过程在郑州主城区的时空分布、历时变化等特征。研究显示：

(1)在过程雨量时空分布上，2021年7月20日，研究范围内所有观测站点均达到特大暴雨标准，其中5个站点日降水量超过500 mm。过程总降水和最大3 h降水量的空间分布均表现为由西南向东北递减，雨量峰值位于西南部二七区。

(2)市区各个站点在20日下午均达到极端短时强降水标准，有74%的站点最大3 h降水超过150 mm，48%的站点单小时雨量超过100 mm，出现短时强降水的站点密集、强度高。有87%的站点过程最大3 h降水出现在20日14-18时，过程降水强度在20日下午达到了时间和空间上的高度集中。短时强降水中心从主城区西部发生发展，并逐渐东移至市区东部，覆盖到整个主城区，呈现从西向东的动态迁移特征。

(3)郑州市区各站连续降水时间均超过24 h，其中超半数站点最长连续降水时间达到45-50 h，主城区东部、西北部连续降水时间更为集中；各站最大3 h降水效率极高。表明本次暴雨天气过程兼具持续降水与短时强降水的极端特征，研究范围内发生的是长历时、高强度的降水，两方面叠加产生极高的洪涝风险。

(4)暴雨内涝风险模拟显示,暴雨落区时空迁移与积水区域变化、降水持续时间和内涝深度变化均基本一致。研究范围内各区都遭到不同程度洪水内涝，主城区东部在面积和深度上积水更为严重，这是因为城区东部降水时间更为集中和地势相对低洼，增加了城市东部内涝点的积水水量。

3.2 讨 论

城市极端暴雨过程和人口活动时空分布对内涝灾情程度影响明显，预估发生灾害性天气和引发次生灾害的可能性，提高紧急事件下的决策服务效率在防灾减灾工作中是十分必要的。7月19日，研究区已有15个站点雨量达到暴雨标准，7月20日，河南省、郑州市气象部门连续升级暴雨预警至最高级别。20日下午，市区已出现严重内涝。此时正值下班放学高峰，出行需求陡增，群众暴露于城市内涝洪水的风险加剧。在降水还在继续的情况下，相关部门应充分利用雨情快报等信息对防灾的指示作用，提前预判暴雨对出行高峰时段产生的影响和可能会发生的重大险情，增加提升应急响应的时间提前量，通过发布紧急状态命令、采取“三停”强制措施、全媒体宣传广播等举措，引导公众采取应急措施，提前疏散或就地避险，减少或避免涉入险境。

致谢：感谢河南省气象局“大城市气象保障体系”创新团队在本文撰写过程中提供的支持与帮助！