2021年全球典型極端降雨災害事件對比及綜合防御

張 鑫，劉 康 琦，王 克 樹，徐 俊 逸，吳 家 寶，祁 小 博

(1.河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454003； 2.中國地質大學(北京) 工程技術學院，北京 100083；3.中國地質調查局 中國地質環境監測院，北京 100081)

0 引 言

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告指出：1981～2021年可能是1400年以來最熱的30 a。伴隨全球氣候變化，極端降雨天氣頻繁出現[1-3]，危害人員生命、財產及生態環境安全，對不同國家的社會穩定與可持續發展帶來嚴峻的挑戰[4]。氣候變暖導致的空氣中水分含量的增加，使降雨的強度增大，持續時間增加，降雨范圍更廣，形成極端降雨的可能性更大[5]。美國國家海洋與大氣管理局(NOAA)近114 a來全球降雨異常量(即極端降雨或極端干旱)統計數據表明，全球極端降雨發生概率呈線性增加趨勢(見圖1)。張文霞等[6]研究表明，全球氣候變暖每增加1 ℃，中國強降水事件增加6.52%(5.22%～8.57%)。曹晴等[7]分析全國近50 a來554個氣象站點的逐日降雨和氣溫數據表明，極端降雨的量級指數和強度指數呈增長的趨勢，持續性指數呈減少趨勢，極端降雨的量級指數和強度指數變幅的高值出現在熱帶季風氣候區。2021年7月，中國、歐洲、日本、印度多地出現極端降雨過程，引發嚴重洪澇、泥石流等災害，造成了重大人員傷亡和巨大財產損失，表明世界各國對極端降雨災害風險的防御水平有待提升。開展極端降雨致災與防御研究，對減少極端降雨危害具有理論和現實意義。

圖1 1901～2015年全球降雨異常數據Fig.1 Global rainfall abnormal data from 1901 to 2015

極端降雨指大幅超過歷史平均降雨強度或預期降雨強度的降雨過程。在極端降雨人工干預方面，使用過量播撒與動力下沉的方法在2018年奧運期間對北京上空進行了人工消雨[8]；秦大河[9]依據數據統計分析與氣候變化模擬，認為可持續發展道路是人類發展的唯一選擇，提出改變能源結構、提升能源效率、減少溫室氣體排放的方法降低極端天氣的發生[9]。減緩氣候變化不是一蹴而就的，人工消雨技術也只是局限于小區域、雨量較低時的暫時性技術手段，在目前的技術條件下，采用最極端的方式也無法避免全球變暖的趨勢。因此，在現行災害面前，關注此類災害防御性措施更有現實意義，能增加應對氣候變化時的韌性。孟慶強等[10]采用投影尋蹤技術開展極端降雨情景下城市區域積水風險評價預測研究；劉艷華等[11]通過精細化黑龍江省暴雨、暴雪、霧、霾、道路結冰的防御設計，使極端降雨防御措施更加具有針對性，降低氣象災害對高速公路的影響；張書函等[12]改進城市排水設計，提高了排水設施的滲透、調控排放和收集回用功能，增加了極端降雨天氣下城市的承災能力；王嵐等[13]通過分析保定山區降雨即時數據、水庫入庫出庫流量監測數據、河道洪峰預警信息等，設計了防御與防汛預警綜合平臺等。針對極端降雨災害防御研究層出不窮，但大多聚焦于單一地區或小范圍區域某一時段的降雨情況進行極端氣候致災與防御分析，研究范圍有一定局限性。基于此，本文針對2021年7月份全球典型極端降雨災害事件，通過情景復盤、歸因分析與對比分析，開展極端降雨綜合致災特點與防御措施研究，以期為極端降雨災害科學高效防御提供參考。

1 中國河南省極端降雨災害分析

1.1 氣候特征與降雨條件

河南省位于中國華北平原南部的黃河中下游地區，地勢西高東低，北、西、南三面分別由太行山、伏牛山、桐柏山和大別山沿省界呈半環形分布，地處暖溫帶，南部跨越亞熱帶，屬于亞熱帶向暖溫帶過度的大陸性季風氣候，夏季盛行溫暖、濕潤的偏南夏季風，具有降水多、氣溫高的特點，高溫多雨的氣候特點增加了極端降雨的可能性。受東亞夏季風影響，降水一般高度集中在6～8月，期間的降水量占全年降水量的60%以上，同時華北平原降水存在明顯的年際和年代際變化，1883～1898年和1949～1964年是華北降水豐沛的時段；1899～1920年和1965～1997年是華北降水偏少的階段[14]，降水規律存在明顯的輪回。

1.2 極端降雨與原因分析

2021年7月17～23日，中國河南省鄭州、新鄉、鶴壁、安陽市等多地出現了極端降雨過程，鄭州、新鄉、鶴壁市和安陽市共20個國家級氣象站日降雨量突破建站以來的歷史極值，鄭州市城區局地最大小時降雨量達120.0～201.9 mm(16：00～17：00)，達到中國陸地小時降雨量極值(見表1)。降雨過程落區具有局地性、累計雨量雨強大的特點。

表1 2021年河南省部分國家級氣象站單日累計降雨量Tab.1 Daily cumulative rainfall of some national meteorological stations in Henan Province in 2021

根據中國氣象局公布資料分析，此次極端降雨至少受以下4方面影響：

(1) 夏季大氣環流特征影響。大西洋副熱帶高壓向北移動，與大陸高壓分別穩定在中國的西北地區和日本島地區，造成中國華北與黃淮地區持續低壓，大量來自大西洋與太平洋的潮濕空氣向低壓地區匯集。

(2) 全球氣候變化影響。全球氣候變暖加速了水“蒸發-凝結-降水-蒸發”的水循環過程、增加了空氣中水分含量，對河南省極端降雨的形成造成一定影響。

(3) 臺風“煙花”影響。臺風“煙花”在西太平洋向中國靠近，形成的氣旋與副熱帶高壓偏東氣流共同作用，持續向河南省輸送水汽，為河南省極端降雨提供了物質基礎。

(4) 下墊面地形地貌影響。河南省地勢西高東低，北、西兩面分別為太行山與伏牛山交匯。太平洋吹來的潮濕空氣在太行山與伏牛山發生抬升，導致河南省鄭州市等地區的降雨強度更大、持續時間更長、極端降雨的范圍更大。

1.3 極端降雨災害分析

自然災害是一個隨時間演化的非線性開放系統，具有社會性與不確定性，在災害發生與演變的過程中，破壞性物質與能量同周邊環境相互影響作用，衍生出次生災害，形成災害鏈[15]。此次河南省極端降雨引發了內澇、河水倒灌、潰壩洪水等主要災害及多種類型的次生災害。根據應急管理部發布數據，共造成150個縣(市、區)、1 663個鄉鎮、1 478.6萬人受災，因災死亡失蹤398人，直接經濟損失約1 200.6億元。依據致災動力作用演替過程，可將此次極端降雨災害鏈劃分為3個階段。

第一階段：雨水動力作用階段。雨水地面激流導致市政排水系統超負荷運作，直至蓄排能力超載失效；下墊面遭受強烈降雨侵蝕作用，建(構)筑物動荷載增加，導致彩鋼房、雨棚、土坯房、低等級磚混結構、防耐用性低建筑物等損毀，造成暴露程度大的輸電線路、交通運輸設施等無法正常運行，引發崩塌、滑坡、泥石流等災害。

第二階段：蓄滯洪澇致災階段。當超過有效排泄與蓄積能力，地表河湖水體超過警戒線，漫過堤壩，在山區形成洪流，在城市產生內澇，并向低洼處匯集，例如，在鄭州市京廣北路隧道內積水最深處達13 m左右。甚至部分河道堤壩潰決，加劇洪澇災害。

第三階段：降雨滯后致災階段。降雨入滲、侵蝕作用降低坡體穩定性，崩塌、滑坡發生概率增加；當水流溢出浸潤地基土體，造成建筑物的不均勻沉降；地下水流沖刷形成地下空洞，引發地面塌陷；城市地下水流受阻，甚至出現地下水位抬升導致基礎浮托現象。

2 國外極端降雨災害分析

2.1 歐洲極端降雨災害

2.1.1降雨過程分析

受暖性反氣旋包裹影響，2021年歐洲西部多國發生極端強降雨。2021年7月12～15日，德國西部以及相鄰的荷蘭、比利時和盧森堡出現強降雨。根據德國國家氣象局Deutscher Wetterdienst的數據，部分地區7月14日降雨量遠超過30 a平均觀測降雨量(見圖2)。在萊茵蘭-普法爾茨州和北萊茵-威斯特法倫州等德國主要受災區，48 h內降雨148 mm，是當月歷史平均降雨量的1.85倍。其中降雨最為嚴重的科倫-斯塔姆海姆地區24 h內降雨量達到154 mm，超過此前95 mm的最大日降雨量，是該地區7月平均降雨量的2倍[16-17]。

圖2 德國部分氣象站30 a平均降雨量與2021年7月14日 降雨量對比Fig.2 Comparison between 30-year average rainfall and rainfall on July 14，2021 at some meteorological stations in Germany

2.1.2降雨致災分析

持續性的降水導致德國、比利時境內的萊茵河、摩澤爾河、默茲(馬斯)河等多條河流水位持續上漲，引發洪水和山體滑坡-泥石流等次生災害，導致房屋倒塌、道路中斷、通訊中斷和大面積停電。共造成超210人死亡，其中德國至少180人喪生，比利時41人遇難[18]。在歐洲洪水泛濫之前，哥白尼應急管理服務(The Copernicus Emergency Management Service，EMS)已經通過歐洲洪水預警系統(European Flood Awareness System，EFAS)向萊茵河和默茲河流域的特定地區發出超過25次警告。與其他國家的警報機制不同，德國無法向公民集體發送關于極端天氣事件的短信，只能靠城鎮里的警報器發出預警，由于居民缺乏對此類極端天氣的認識，并且在通訊中斷以后，居民更加無法收到有效的指示，導致了德國成為歐洲此次極端降雨事件下受損最為嚴重的國家[19]。歐洲西部屬于溫帶海洋性氣候，全年冬暖夏涼，年溫差小。在冬季，沿海岸有暖流經過，西風攜帶著大量的溫暖潮濕空氣登上歐洲西部地區，導致歐洲降雨集中在冬季，夏季降雨量較少。此次極端降雨造成嚴重災害，究其因在于降雨的極端性，同時夏季常年少雨，導致歐洲地區國家預防災害措施準備不足。

2.2 印度極端降雨災害

2.2.1降雨過程分析

每年6～9月，由于印度的持續高溫，使印度西北地區產生熱低壓區，西部形成四周高中間低的極端氣壓環境，強烈吸引著由赤道偏轉而來的東南季風，大量的水汽集中在印度西北部，給印度的西北部帶來豐沛的降雨，形成印度的雨季[20]。2021年7月印度馬哈拉施特拉邦發生強降雨，部分地區24 h降雨量超過594 mm，超過近40 a降雨極值[21]。主要原因是正值雨季，由大西洋偏轉而來的東南季風和全球氣候變暖使空氣中水分增加，以及產生在印度西北部的極端氣壓環境，致使此次暴雨強度大，持續時間長。

2.2.2降雨致災分析

極端降雨暴雨引發了洪水、滑坡、泥石流等災害，導致房屋倒塌、道路中斷、低洼地區被淹，數百座村落對外交通中斷，并在馬哈拉施特拉河導致潰壩洪水涌出了河床。惡劣環境阻礙了應急救援，加劇了危害。截至2021年7月，印度共有約680萬人受到洪災影響(其中包括約240萬兒童)，主要集中在與孟加拉國接壤的北部阿薩姆邦(當地已有100多人死亡)、西孟加拉邦、比哈爾邦和梅加拉亞邦。僅在印度西孟加拉邦，這場暴風雨就造成了132億美元的損失[22]。

2.3 日本極端降雨災害

2.3.1降雨過程分析

2021年7月初，日本持續受到強降雨影響，多地實際降雨量創歷史紀錄。靜岡縣熱海市從7月1日開始持續降雨，至7月3日雨量增大。48 h降雨量超過320.0 mm，72 h內的降雨量為409.5 mm，是當月歷史觀測極值，接近往年7月平均降雨量1.7倍；山口縣巖國市美和地區1 h降雨量達到約100.0 mm，刷新了短時降雨的最高記錄；鳥取縣境港市和島根縣出云市3 h累積雨量分別達139.0 mm和117.0 mm，同樣都是歷史統計以來的最高紀錄[23-24]。

此次遍布日本的強降雨由“梅雨”造成。梅雨前鋒的停滯導致溫暖濕潤的空氣接連涌向鋒面，使得其所在地受到強降雨的影響。梅雨前鋒由6月底北上，在西日本向東一帶停滯，導致以日本東海地區至關東地區南部為中心產生創記錄的強降雨。之后梅雨前鋒繼續北上，在西日本至東日本的日本海沿岸地區形成強降雨。因為“梅雨”的不斷前進和停滯導致日本多地在不同時刻均遭遇嚴重的強降雨。

2.3.2降雨致災分析

由于連續的極端降雨，2021年7月3日10：30伊豆山頂部高約50 m的人工填土因排水設施和加固工程不足，在降雨入滲作用下失穩滑動并轉化為泥石流，形成暴雨-滑坡-泥石流災害鏈。引發了伊豆山的泥石流，沿逢初川朝東南方向流向大海(見圖3)，長約1 km，損壞了131座房屋，造成1 500多戶停電、1 100戶停水、392戶停氣，導致28人死亡失蹤。堆積物質體積約為10萬m3[25-27]。

圖3 日本泥石流事發地剖面圖Fig.3 Profile of debris flow accident site in Japan

從此次降雨致災事件看出，在城市建設施工過程中會形成許多人工邊坡，若設防標準不足或缺乏防御措施，在外界條件因素(如降雨)的影響下，將引發地質災害。要吸取日本的經驗教訓，在施工過程中應采取合理的設計，采取有效的排水措施、加固工程或形態改造，提高坡體的穩定性，使堆覆雙層結構坡體強度大于原來的自然斜坡。

3 極端降雨災害防御研究

3.1 極端降雨特征

極端降雨是受大氣環流與氣候系統影響的一種自然現象[28]。2021年發生在北半球各國的極端降雨，都受到全球氣候變暖的影響。氣溫上升導致大氣層含水量增加，冰川凍土退化、海平面上升、蒸發作用增強；水循環的變化導致降雨頻率、降雨周期與降雨強度的變化。中國極端降雨具有明顯的區域性差異，閾值從東南沿海向西北內陸逐漸遞增，四川盆地、長江中下游地區和華南地區的極端降雨閾值最大，長江中下游地區、華南地區、西北地區呈現明顯的增加趨勢；東北地區、華北地區、西南地區表現出減少的趨勢[29-31]。綜合上述極端降雨事件(見表2)，可發現極端降雨具有以下特點：

(1) 過程驟然性。2021年7月份西歐、印度、日本以及中國河南省發生短時降雨，并迅速發展為大暴雨，局部特大暴雨。降雨時間集中，短時累計雨量大，洪澇、滑坡等災害形成快速，防災減災應急反應措施滯后，造成重大人員傷亡與經濟財產損失。

(2) 落區局地性。中國河南省極端降雨主要集中在北部、中部與西部地區，并以鄭州市為降雨中心；西歐降雨集中在德國、比利時等國家，日本強降雨集中在熱海市，印度極端降雨集中于馬哈拉施特拉邦。由此可以看出，近期極端降雨具有一定的局地性，降雨落區相對集中。

(3) 雨量雨強極值性。中國河南省鄭州市2021年7月20日16：00～17：00降雨量突破了中國大陸氣象觀測記錄歷史極值(198.5 mm)；歐洲波恩-科隆站7月15日24 h內降雨 88.4 mm，超過歷史記錄；日本7月1～3日的降雨量超過歷年7月均值；印度遭遇近40 a最強暴雨，2021年7月降雨量超往年45%，西海岸部分地區24 h降水量594.0 mm。

表2 2021年極端降雨事件簡況Tab.2 Summary of extreme rainfall events in 2021

3.2 極端降雨致災特征

綜合上述典型事例，發現極端降雨災害具有以下特征：

(1) 破壞性能量集聚暴發。降雨在匯水、集水區域快速集聚，導致破壞能力激增。

(2) 隱患零存整現。在極端降雨強烈作用下，平時存在的風險隱患容易集中暴發。

(3) 鄰近空間鏈式致災。受到所處環境內部與外部因素的綜合影響，在破壞性能量與周圍環境相互作用下，極端降雨引發災害鏈(見圖4)，向臨近空間逐級擴散。

圖4 極端降雨災害鏈發展過程Fig.4 Development process of extreme rainfall disaster chain

3.3 極端降雨災害預警

災害預警是指根據災害預警指標，為災害將發地區人員提供及時、準確的災害信息，并通過危險評估，采取有效的規避風險方案[32]。2002年水利部會同原國土資源部、國家氣象局、原建設部、原環保總局組織編制了《全國山洪災害防治規劃》，規劃中強調“人與自然和諧共處”“以防為主，防治結合”的原則。極端降雨災害預警對保護人民生命財產安全具有重要意義。孫東亞[3]結合中國基本國情調研與山洪監測項目建設現狀指出，中國在山洪災害監測預警方面尚處于初級階段。針對極端降雨災害預警研究，尚存在一些研究空白與技術挑戰。大數據時代的到來，極大促進了信息的計算與更新迭代，考慮到極端降雨災害至災特點，本文建議以互聯網大數據為基礎建立科學的極端降雨預警系統(見圖5)，從降雨預警數據庫到預警信息發布，向民眾傳達災害預警信息，做到提前預知風險、防范風險、規避風險。數據收集系統從日常監測和民眾反饋途徑獲取數據以完善極端降雨數據庫，提高系統預警精度。

圖5 降雨災害預警模型Fig.5 Rainfall disaster early warning model

3.4 極端降雨災害防御優化

由于全球氣候變化導致的極端降雨已在世界各地引發了一系列的洪澇災害及其次生災害，因此提升極端降雨災害的防御能力十分必要。2021年發生在歐洲、日本、印度、中國的幾次降雨災害表明，極端降雨災害防御重在預測預警預報、提高承災體抗災能力、降低易損性。以中國河南省極端降雨引發的災害為例，在2021年7月20日之前，氣象部門已多次發出紅色暴雨警告，然而災害發生迅速，小時降雨量最大高達201.9 mm，導致多處建(構)筑物受災嚴重，例如地鐵回灌、圍墻倒塌、路面塌陷等，造成了嚴重的財產損失和人員傷亡。為提高承災體抗災能力、降低易損性，建議從以下幾方面完善綜合防御措施：

(1) 提升預報預測預警能力。極端降雨災害累計雨量大、持續時間長、短時降雨強、極端性突出，在短時間內作出調控困難大，因此需要建立合理的極端降雨災害預報預測預警模型，實現極端降雨災害來臨前的及時預報預測預警。在氣象部門發出紅色暴雨預報后，及時進行災害預測，如可能達到的降雨量以及可能造成的受災程度，然后排查可能受災嚴重體，之后通過多平臺、多手段及時發布極端降雨災害預警通知。

(2) 增強水流的合理調蓄。完善城市排水排澇基礎措施建設，修繕城市內湖，健全城市儲水系統，增強城市排水儲水能力，保護城市天然河道，充分利用自然流水系統，將降低極端降雨災害納入城市管理規劃，推進海綿城市建設，提升城市地面滲水能力。修建水利工程，如興建水庫、修筑堤壩工程、整治河道等。

(3) 排查極端降雨災害易受災體。排查山洪、地質災害等致災因子的隱患，通過治理、轉移等方式降低極端降雨致災風險。排查老、舊、危承災體，尤其是農村危房危墻。

(4) 加強應急處理能力。建立應急處理快速響應模型，增強極端降雨災害發生時的快速響應能力，實現災害來臨時的及時應急救災。建立全城市官方實時救助信息平臺，在易受災建(構)筑物內(如地鐵、地下停車場等城市地下空間)增加臨時電力系統與應急通訊設備。

(5) 優化承災體設防標準。隨著全球氣候的變化，極端降雨災害發生的可能性大大增加，在當前降雨災害或洪澇災害的防御標準及相關規范的基礎上[34-36]，針對不同城市規模、不同建(構)筑物的防御工程標準，提出極端降雨災害防御設計重現期建議(見表3)。

表3 極端降雨災害防御設計重現期Tab.3 Return period of extreme rainfall disaster prevention design

表3中：① 超大城市指常住人口1 000萬以上的城市，特大城市指常住人口500萬～1 000萬的城市，大城市指常住人口100萬～500萬的城市，中等城市或小城市指常住人口100萬以下的城市。② 易受災體指容易受災嚴重，對人民生命財產安全造成嚴重威脅的建(構)筑物，如地鐵隧道、地下通道、地下停車場

等城市地下空間和主城區道路等；重要建(構)筑物指對人民生命財產安全造成一定威脅的建(構)筑物，如城市中心、商業區、工業區等；一般建(構)筑物指對人民生命財產安全威脅不大的建(構)筑物。③ 易受災體的防御要求為城市地下空間不進水、不積水，且預留緊急電力設施和安全通道，主城區道路不塌陷、積水不超過15 cm；重要建(構)筑物的防御要求為建(構)筑物底層和基礎不進水、不積水。

4 結 論

(1) 受全球氣候變暖影響，極端降雨過程增多。極端降雨的發生總體具有明顯的季節性和區域性，具有過程驟然性、落區局地性、雨強雨量超常性等特點。

(2) 在有限空間內，極端降雨致災具有風險隱患零存整現、水流動力破壞性能量集聚暴發、鄰近空間鏈式致災等特點，常引發洪水、內澇、堤壩決口、山體滑坡、泥石流、地面塌陷、建(構)構物功能損毀等事故。

(3) 為提高極端降雨災害防御能力，建議研發預測預警預報技術，優化順應自然水流系統的國土空間規劃，分類提高重要設施設防標準，增強城市排水蓄水能力，規范預警響應系統等。