鄭州市“7·20”特大暴雨時空分布特征分析

趙貴章，王綠丹，肖 航，宋 鋼，李鴻源，曹思佳

（1.華北水利水電大學地球科學與工程學院，河南 鄭州 450046；2.河南省水文水資源測報中心，河南 鄭州 450003）

近幾十年來，我國的城市化進程發展迅速，城鎮化集中，城市自然水文條件也發生了明顯的變化。隨著全球氣候變暖、氣候變化的加劇，極端天氣氣候事件頻繁發生，不僅造成嚴重的經濟損失、人員傷亡、城市內澇、地質災害和洪澇等次生災害的發生，而且嚴重威脅著城市交通網的正常安全運行和人民生命財產的安全，嚴重制約了城市的有序發展。如2012 年7 月北京發生了極端強降雨事件，全市平均日降雨量達190.3mm（24h）-1，致使數十人傷亡[1]；2020 年廣州市“5·25”特大暴雨，對城市的各項經濟發展造成了極大的影響[2]。

近年來，對于極端暴雨和短時強降雨發生的氣候學研究逐漸增多。王振亞等[3]分析了鄭州“7·20”特大暴雨降水特征及其內澇影響，得出河南鄭州“7·20”特大暴雨是一次極端強降水天氣過程，是造成鄭州市主城區嚴重城市內澇的主要原因的結論。皋云等[4]分析了鎮江市降雨場次劃分與暴雨特性，得出鎮江市汛期暴雨次數、暴雨量均呈增加趨勢，暴雨集中度增強，不同強度的暴雨中，弱暴雨占比最大的結論。付超等[5]分析了2010—2016 年江西省暖季短時強降水特征，符嬌蘭等[6]研究了“16·7”華北極端強降水特征及天氣學成因，得出此次降水過程主要是暖云降水引起的，局地小時降雨強度強而且具有明顯的地形降水特征，短時強降水特征明顯。

通過對此次鄭州市的極端強降雨事件及強降雨的時空分布特征分析研究，初步探討極端強降雨的頻次與強度和地形、水汽、城市化進程等的關系，以期為鄭州市的極端強降雨預警預報提供參考[7]。

1 研究區概況與數據來源

鄭州市位于河南省中北部黃河中下游分界處，在東經112°42′～114°14′、北緯34°16′～34°58′之間，地形總趨勢是西南高、東北低，處于我國南北氣候過渡帶和山地、丘陵到平原的地貌過渡地帶，屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季比較炎熱，降水集中，具有四季分明的特點。

本文采用2021 年39 個氣象觀測站（站點分布圖如圖1 所示），包括滎陽、鞏義、鄭州市區、中牟、新鄭、新密、登封所在地區經過質量控制的降水資料。主要從氣象學、統計學角度出發，利用ArcGIS 制圖軟件分析鄭州市強降雨的時空分布特征，采用Excel等數據分析軟件分析該地區強降雨的變化特征。

圖1 鄭州市站點分布圖

2 結果與分析

2.1 不同時間尺度時空分布特征

2.1.1 年際時空分布特征

鄭州市分屬淮河和黃河兩大流域，是洪水災害危險程度比較大的區域。鄭州市近5 年降雨量的年際變化圖如圖2 所示，整體上2017—2020 年降雨量的波動幅度比較平穩，年均降雨量維持在600mm 左右，2021 年降雨量急劇增大。主要原因為2021 年7月17—23 日鄭州出現了一次持續時間長、累計雨量大、影響范圍廣的極端強降水事件。

圖2 鄭州市2017—2021 年年均降雨量

圖3 鄭州市2021 年降雨量分布圖

2.1.2 年內時空分布特征

鄭州2021 年降雨量在空間上呈現明顯的梯度變化，總體上呈現中部多、東西部少的特點。暴雨主要集中在7—9 月。本文主要研究鄭州7 月17—23日的降雨特征。

分析2021 年整年降雨量分布特征，柱狀圖表示各個區2021 年平均降雨量圖，從柱狀圖上可以看出，二七區、中原區的降雨量最大，依次是滎陽市、新密市、鞏義市、新鄭市、登封市和中牟縣。2021 年鄭州市主城區降雨量表現為中部偏多、向東西部逐漸減少的特點。

2.1.3 強降雨時段時空分布特征

2021 年7 月17—23 日鄭州市區出現了歷史罕見的特大強降雨，全市出現暴雨及以上量級的強降雨，尤其是7 月20—21 日，小時降雨量和單日降雨量均超過鄭州市有記錄以來的歷史極值。其中鄭州主城區常莊氣象站7 月20 日15—16 時降雨量達到192.1mm，鄭州西部、西南部短歷時強降雨出現頻繁，但降水強度弱于主城區。從圖4 可以看出17—23 日各個地區累計降雨量大小，總體上呈現中部多、東西部少的特點。鄭州主城區累計降雨量最大，均在791mm 以上，二七區的尖崗站點累計降雨量最高可達989.3mm。東西部地區累計降雨量低于407.6mm，主要集中在中牟縣和登封市。

圖4 鄭州市7 月17-23 日累計降雨量分布圖

鄭州7 月20 日出現極端強降雨，圖5 為鄭州市20 日8 時—21 日8 時累計降雨量，根據中國氣象局規定，24 小時降雨量大于50mm 為暴雨，由圖可知24 小時累計降雨量均大于50mm，其中降雨量大于250mm 為特大暴雨，出現在鄭州主城區、鞏義市、新密市、滎陽市的各個站點。主城區的降雨量最大，向外擴展，降雨量逐步減小，總體上降雨量還是呈現出中部多、東西部少的特點。

2.2 空間分布特征

2.2.1 7 月17—23 日空間分布特征

如圖6 所示，共選取了鄭州比較典型的6 個站點，6 個站點貫穿東西，降雨量是先增大后減小，中部降雨量大，東西部降雨量小，位于鄭州中部的牛王嘴廟降雨量最大，位于中牟縣的邢莊站點降雨量最小。分析圖7 可知，共選取了鄭州比較典型的5 個站點，5個站點貫穿南北。降雨量也是先增大后減小。其中位于二七區的尖崗降雨量最大，降雨量可達到989.3mm。隨著位置的南移，降雨量逐漸降低，最低為位于新鄭市的周莊，降雨量為417.5mm。總體來說降雨量是中部大，東西部少，北部大南部少。通過對鄭州市7 月17—23 日降雨量東西向、南北向站點圖的分析可知，主城區為此次降雨最強的暴雨中心。

圖6 鄭州市東西向累計降雨量空間分布圖

圖7 鄭州市南北向累計降雨量空間分布圖

2.2.2 7 月17—23 日降雨中心變化特征

通過Arcgis 軟件使用反距離權重插值方法對鄭州各地區的降雨數據進行插值[8]，生成的覆蓋鄭州市降雨量數據如圖8 所示，從圖中可以看出7 月17日降雨中心在登封市，7 月20 日最強降雨中心位于鄭州主城區的尖崗和常莊，7 月22 日降雨中心在中牟縣。7 月19—20 日的降雨量最大，7 月20 日降雨量最大的為二七區的尖崗，可達719.3mm。降雨中心自7 月17 日開始由西向東移動，由南向北移動。

圖8 鄭州市7 月17—22 日降雨中心圖

2.3 影響因素

鄭州市此次強降雨事件是由多種因素共同作用的結果，其中包括地形因素、水汽因素和環流背景因素等[9-12]。鄭州市的極端強降水小時和單日降雨量明顯高于周邊的其他地區，呈現出明顯的局地性，這與地形的增幅作用有明顯的關聯性。鄭州市地形比較復雜，總趨勢是西南高、東北低。河南省的東部存在一支較強的偏東風急流，使得水汽向鄭州市不斷匯集，最遠到達鄭州西部的嵩山山脈。而這支偏東風急流在北部遇到太行山脈時，受地形的阻擋而向南偏轉，匯向鄭州地區。與此同時，鄭州南部也存在一支沿伏牛山脈北上的偏南風氣流。鄭州市西部為山脈所阻擋，而東部、南部和北部均有明顯的低空氣流流入，為形成暴雨的上升運動、水汽輻合提供了極其有利的條件[13]。鄭州市受“煙花”和“查帕卡”雙臺風共同影響；河南中部存在3 支氣流并且氣流攜帶大量水汽匯集在鄭州市區；多尺度天氣系統的相互配合，都是導致鄭州市區特大暴雨過程發生的重要原因[7]。

城市化進程迅速發展使得強降雨的頻次和強度增加，常常伴隨暴雨洪澇災害的發生，城市水文效應明顯加劇，在全球氣候變暖、城市化發展加速的情況下極端暴雨天氣頻發[14]。

土地利用類型的變化在一定程度上反映著城市的發展水平和進程。隨著城市化進程的加快，存在優質耕地被過多占用、土地利用效率低下等問題。這些都是導致主城區降雨量高于郊區的原因[15]。

鄭州市此次強降雨特征和7 月20—21 日主城區出現特大暴雨高度吻合，說明城市化使強降雨的頻次和強度增加。

3 結論

本文通過分析2021 年7 月17—23 日強降雨時空分布特征及影響因素，期望為今后極端強降雨預報預警提供參考，避免造成重大人員傷亡和經濟損失。

（1）鄭州7 月17—23 日出現的極端強降雨事件，此次強降雨出現的時間主要在7 月20—21 日，24 小時最大降雨量可達719.3mm，接近鄭州全年降雨量，是一次持續時間長、累計雨量大、影響范圍廣的極端強降水事件。

（2）降雨中心自7 月17 日開始由西南向東北移動。7 月20—21 日主城區的降雨量最大。

（3）鄭州市強降雨是由地形因素、水汽因素和環流背景因素共同作用的結果，因此合理制定土地利用方式，可以在一定程度上緩解降雨引發的城市內澇和洪水等災害■