華北平原極端暴雨洪水事件共性機(jī)制探討及對(duì)策建議

余錫平，單楷越

（1.南方科技大學(xué)，518055，深圳；2.清華大學(xué)，100084，北京）

2023年7月29日至8月1日，受超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”深入內(nèi)陸影響，京津冀地區(qū)遭遇特大暴雨，海河發(fā)生流域性特大洪水，有22條河流發(fā)生超警以上洪水，8條河流發(fā)生有實(shí)測(cè)資料以來(lái)的最大洪水，大清河、永定河發(fā)生特大洪水，是1963年以來(lái)海河流域最大的場(chǎng)次洪水，受災(zāi)人口超過500萬(wàn)。

究其原因，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”在福建登陸后，受北抬的西北太平洋副熱帶高壓影響，沿西北方向朝內(nèi)陸推進(jìn)。臺(tái)風(fēng)自身水汽、疊加臺(tái)風(fēng)與西北太平洋副熱帶高壓之間形成帶有豐沛水汽的東南氣流、臺(tái)風(fēng)“卡努”遠(yuǎn)距離輸送水汽，進(jìn)而遇太行山、燕山地形抬升導(dǎo)致水汽輻合增強(qiáng)，形成暴雨條件，在京津冀地區(qū)造成暴雨洪水災(zāi)害。

本文研究發(fā)現(xiàn)，該事件與華北平原歷史上多起重大極端暴雨洪水事件存在共性特征，即均伴有北上臺(tái)風(fēng)誘發(fā)太平洋水汽輸送這一特殊過程。因此，綜合分析華北平原歷次極端暴雨洪水事件致災(zāi)機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上形成對(duì)策建議，具有十分重要的意義。

一、華北平原極端暴雨洪水事件

歷史上華北平原暴雨洪水災(zāi)害頻繁。統(tǒng)計(jì)表明，新中國(guó)成立后華北平原受災(zāi)人口最多的前7場(chǎng)暴雨洪水事件相較其他暴雨洪水事件引發(fā)的災(zāi)害在嚴(yán)重程度上有明顯區(qū)別（表1）。值得注意的是，這7場(chǎng)暴雨洪水事件均伴有臺(tái)風(fēng)參與水汽輸送。以下按時(shí)間順序?qū)υ?場(chǎng)暴雨洪水事件進(jìn)行簡(jiǎn)要描述：

表1 新中國(guó)成立后華北平原受災(zāi)人口最多的極端暴雨洪水災(zāi)害

①“56·8”暴雨洪水。1956年8月3日至5日，受超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“溫黛”深入內(nèi)陸影響，海河流域發(fā)生特大暴雨，官?gòu)d水庫(kù)王平口站日降雨量達(dá)434.8 mm。特大暴雨造成海河五大水系發(fā)生漫溢決口，其中北京西麻各莊決口（口門寬300 m）影響巨大，直接造成京廣線被沖毀多處，海河流域受災(zāi)面積391.5萬(wàn)hm2，受災(zāi)人口超過1500萬(wàn)。

②“63·8”暴雨洪水。1963年8月1日至10日，受西南暖濕氣流與超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“貝斯”遠(yuǎn)距離輸送水汽影響，海河流域發(fā)生特大暴雨，河北邢臺(tái)獐么鄉(xiāng)7日累計(jì)降雨量2050 mm，為我國(guó)大陸累計(jì)降雨量最高記錄，獐么被稱為“中國(guó)大陸的雨極”。特大暴雨造成海河流域南部三水系主要河道決口2396處，319座中小型水庫(kù)垮壩失事，占當(dāng)時(shí)水庫(kù)總數(shù)的35%，受災(zāi)人口超過2200萬(wàn)。

③“75·8”暴雨洪水。1975年8月4日至8日，受超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“妮娜”深入內(nèi)陸影響，淮河、黃河流域上游發(fā)生特大暴雨，河南板橋水庫(kù)林莊站最大6小時(shí)雨量為830 mm，為世界大陸6小時(shí)降雨的最高記錄，最大日降雨量為1060 mm，為我國(guó)大陸同類指標(biāo)的最高記錄。特大暴雨導(dǎo)致了河南省駐馬店地區(qū)的兩座大型水庫(kù)（板橋水庫(kù)和石漫灘水庫(kù))、兩座中型水庫(kù)以及58座小型水庫(kù)在數(shù)小時(shí)內(nèi)相繼潰堤，受災(zāi)人口超過1100萬(wàn)。

④“96·8”暴雨洪水。1996 年8 月3 日至5 日，受超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“赫拔”深入內(nèi)陸影響，海河、黃河流域發(fā)生特大暴雨，河北石家莊崗南水庫(kù)到邢臺(tái)野溝門水庫(kù)形成日降雨量超過300 mm的弧形雨帶，黃河龍門至三門峽、三門峽至花園口區(qū)間連降暴雨。特大暴雨造成465條中小河流同時(shí)發(fā)生洪水，是我國(guó)歷史上同步范圍最大的一次洪水過程，黃河夾河灘以上河段水位全線達(dá)到有水文記載以來(lái)最高記錄，受災(zāi)人口超過1000萬(wàn)。

⑤“12·7”暴雨洪水。2012年7月21日，受西南暖濕氣流與超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“韋森特”遠(yuǎn)距離輸送水汽影響，北京地區(qū)遭遇特大暴雨，全市1/6以上面積小時(shí)降雨強(qiáng)度在70 mm以上，平均日降雨量達(dá)215 mm，為北京地區(qū)降雨強(qiáng)度最高記錄。特大暴雨造成北京、河北嚴(yán)重城市內(nèi)澇，部分中小河流出現(xiàn)汛情，受災(zāi)人口超過400萬(wàn)。

⑥“21·7”暴雨洪水。2021年7月17日至23日，受強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“煙花”遠(yuǎn)距離輸送水汽影響，河南省遭遇特大暴雨，2021年7月20日16時(shí)至17時(shí)，鄭州國(guó)家基本氣象站小時(shí)降雨強(qiáng)度為201.9 mm，為我國(guó)大陸小時(shí)降雨強(qiáng)度的最高記錄。特大暴雨造成河南省城市內(nèi)澇、河流洪水、山洪滑坡等多災(zāi)并發(fā)，受災(zāi)人口超過1400萬(wàn)。

⑦“23·7”暴雨洪水。2023年7月29日至8月1日，受超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”深入內(nèi)陸影響，京津冀地區(qū)遭遇特大暴雨，14個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站日降水量突破歷史極值，26個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站3日累計(jì)降雨量突破歷史極值。特大暴雨造成海河流域發(fā)生流域性特大洪水，有22條河流發(fā)生超警以上洪水，8條河流發(fā)生有實(shí)測(cè)資料以來(lái)的最大洪水，大清河、永定河發(fā)生特大洪水，是1963年以來(lái)海河流域最大的場(chǎng)次洪水，受災(zāi)人口超過500萬(wàn)。

二、華北平原極端暴雨洪水事件的共性特征

新中國(guó)成立后，華北平原最為極端的暴雨洪水事件存在諸多共性特征，包括暴雨發(fā)生的季節(jié)、降雨量的空間分布和大小、洪水演變特征、大尺度天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等。其中特別值得關(guān)注的是，這些極端事件都受到了臺(tái)風(fēng)的影響，各暴雨洪水災(zāi)害事件天氣環(huán)流形勢(shì)如圖1所示。

1.降雨集中發(fā)生于7 月下旬到8月上旬

華北平原極端暴雨洪水事件集中發(fā)生于7月下旬至8月上旬，這與華北平原主汛期一致，同時(shí)也與北上臺(tái)風(fēng)的峰值季節(jié)吻合。華北平原7個(gè)極端暴雨洪水事件中，發(fā)生于20世紀(jì)的4個(gè)事件集中于8月上旬，而發(fā)生于21世紀(jì)的3個(gè)事件集中于7月下旬。

2.降雨集中分布于地形急驟變化區(qū)

華北平原極端暴雨洪水事件的暴雨區(qū)主要分布在平原與山脈之間，其中太行山、燕山山脈迎風(fēng)區(qū)為大暴雨集中地帶。地形的急驟變化導(dǎo)致暖濕氣流受到地形抬升作用的影響，水汽輻合增強(qiáng)，從而在迎風(fēng)區(qū)發(fā)生暴雨。

3.北上臺(tái)風(fēng)誘發(fā)水汽輸送

華北平原極端暴雨洪水事件中均伴有北上臺(tái)風(fēng)誘發(fā)太平洋水汽輸送。無(wú)論登陸或在海上，臺(tái)風(fēng)在北上過程中，從東南方向?qū)⑻窖笏h(yuǎn)距離輸送到華北平原。值得注意的是，主要參與華北平原極端暴雨洪水事件水汽輸送的臺(tái)風(fēng)均達(dá)到強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度等級(jí)，7個(gè)事件中有6個(gè)臺(tái)風(fēng)甚至達(dá)到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度等級(jí)。

4.降雨強(qiáng)度極大

北上臺(tái)風(fēng)輸誘發(fā)的水汽輸送沿途損耗小，雨量更為豐沛，華北平原極端暴雨洪水事件的降雨強(qiáng)度極大。其中，“21·7”暴雨和“75·8”暴雨分別創(chuàng)造了我國(guó)大陸小時(shí)降雨強(qiáng)度的最高記錄和日降雨量的最高記錄。

5.洪水突發(fā)性強(qiáng)

華北平原河流源短流急，平原區(qū)與山區(qū)近乎直接相交，暴雨一旦發(fā)生，能夠快速形成水量集中、流速大、沖刷破壞力強(qiáng)的洪水，預(yù)報(bào)難度大。

三、華北平原極端暴雨洪水事件的物理機(jī)制

與華北平原汛期多年平均水汽來(lái)源明顯不同，華北平原極端暴雨洪水事件的水汽來(lái)源主要為西北太平洋水汽，沿途損耗小，水汽通量巨大。臺(tái)風(fēng)北上過程中與位置異常偏北的西北太平洋副熱帶高壓之間形成巨大氣壓梯度，建立東南方向水汽通道，為臺(tái)風(fēng)維持和暴雨過程的延續(xù)提供充沛水汽。暴雨洪水事件頻次受地球氣候系統(tǒng)的長(zhǎng)周期震蕩控制，當(dāng)前處于活躍期。受全球變暖引起超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)季節(jié)前移影響，暴雨洪水事件發(fā)生時(shí)間趨于提前。

1.東南方向的太平洋水汽是華北平原極端暴雨洪水事件的主要水汽來(lái)源

華北平原極端暴雨洪水事件的水汽來(lái)源與華北平原汛期多年平均水汽來(lái)源明顯不同，主要為西北太平洋水汽通過東南方向水汽通道輸送。從多年平均水汽輸送路徑看，華北平原汛期水汽主要來(lái)自印度洋和南海，通過西南季風(fēng)水汽通道輸送，水汽自印度洋—孟加拉灣和南海洋面，一路經(jīng)云貴高原等內(nèi)陸地區(qū)北上至華北平原。相比而言，東南方向的太平洋水汽到暴雨區(qū)的沿途損耗小，雨量更為豐沛。此外，太平洋水汽輸送方向與太行山、燕山等地形走向近乎垂直，更易受到地形抬升作用增強(qiáng)水汽輻合，形成暴雨條件。

2.西北太平洋副熱帶高壓異常偏北是引發(fā)華北平原極端暴雨洪水事件的重要天氣特征

華北平原極端暴雨洪水事件發(fā)生時(shí)都對(duì)應(yīng)著位置異常偏北的西北太平洋副熱帶高壓。異常偏北的西北太平洋副熱帶高壓可引導(dǎo)臺(tái)風(fēng)等低壓系統(tǒng)向西北方向深入內(nèi)陸，并通過西伸或與大陸高壓結(jié)合，在華北平原以北形成“高壓壩”，阻擋低壓系統(tǒng)繼續(xù)北上，導(dǎo)致降雨過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、累計(jì)雨量大。此外，西北太平洋副熱帶高壓異常偏北為熱帶輻合區(qū)北推發(fā)展留足空間，在熱帶輻合區(qū)中常有幾個(gè)臺(tái)風(fēng)或熱帶低壓系統(tǒng)并存，西北太平洋副熱帶高壓與臺(tái)風(fēng)等低壓系統(tǒng)之間巨大的氣壓梯度力，是建立東南方向太平洋水汽通道的重要條件。

3.北上臺(tái)風(fēng)建立東南方向水汽通道是導(dǎo)致華北平原極端暴雨洪水事件的直接誘發(fā)因素

華北平原極端暴雨洪水事件中均有北上臺(tái)風(fēng)參與水汽輸送。臺(tái)風(fēng)北上過程中，與異常偏北的西北太平洋副熱帶高壓之間形成巨大氣壓梯度，建立了東南方向水汽通道，將太平洋水汽源源不斷地遠(yuǎn)距離輸送到華北平原。當(dāng)前一個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸后，位于熱帶輻合區(qū)的臺(tái)風(fēng)或低壓系統(tǒng)依然能夠通過東南方向水汽通道將水汽持續(xù)輸入到陸上臺(tái)風(fēng)環(huán)流中，為臺(tái)風(fēng)維持和暴雨過程的延續(xù)提供充沛水汽。研究表明，21世紀(jì)以來(lái)北上臺(tái)風(fēng)數(shù)量相比于歷史時(shí)期顯著增加，一方面受到太平洋海表溫度模態(tài)年代際相位變化的影響，另一方面與全球變暖引起熱帶擴(kuò)張進(jìn)而引起臺(tái)風(fēng)在中緯度地區(qū)更為活躍有關(guān)。北上臺(tái)風(fēng)數(shù)量增加可以一定程度上解釋華北平原極端暴雨洪水事件近年發(fā)生更加頻繁的現(xiàn)象。未來(lái)，隨著全球氣候進(jìn)一步變暖，熱帶擴(kuò)張引起臺(tái)風(fēng)在中緯度地區(qū)更為活躍，可以預(yù)計(jì)北上臺(tái)風(fēng)數(shù)量將會(huì)增加，北上臺(tái)風(fēng)誘發(fā)太平洋水汽輸送進(jìn)而引發(fā)華北平原極端暴雨洪水事件的可能性將增大。

4.暴雨洪水事件頻次受長(zhǎng)周期震蕩控制，當(dāng)前處于活躍期

西北太平洋副熱帶高壓位置異常偏北是華北平原極端暴雨洪水事件對(duì)應(yīng)的重要大尺度環(huán)流特征。研究表明，西北太平洋副熱帶高壓位置主要取決于太平洋與印度洋海表溫度梯度，當(dāng)太平洋海表溫度高于印度洋海表溫度時(shí)，西北太平洋副熱帶高壓位置偏北，反之亦然。華北平原極端暴雨洪水事件的發(fā)生年份均落于太平洋—印度洋海表溫度梯度正值區(qū)（圖2）。值得注意的是，從年代際尺度來(lái)看，太平洋—印度洋海表溫度梯度呈現(xiàn)明顯的周期震蕩，周期約為30年，具體表現(xiàn)為20世紀(jì)50至80年代處于正相位，20世紀(jì)80年代至2010年前后處于負(fù)相位，之后再次進(jìn)入正相位。太平洋—印度洋海表溫度梯度的年代際相位變化，可以一定程度上解釋華北平原極端暴雨洪水事件的發(fā)生年份分布。當(dāng)太平洋—印度洋海表溫度梯度處于正相位時(shí)，西北太平洋副熱帶高壓平均位置偏北，對(duì)應(yīng)華北平原極端暴雨洪水事件發(fā)生的活躍期，20世紀(jì)50—80年代和2010年前后分別有3次事件發(fā)生；當(dāng)太平洋—印度洋海表溫度梯度處于負(fù)相位時(shí)，對(duì)應(yīng)華北平原極端暴雨洪水事件發(fā)生的非活躍期，20世紀(jì)80年代至2010年僅有1次事件發(fā)生，但在1996年，該年份對(duì)應(yīng)的太平洋—印度洋海表溫度梯度異常地呈現(xiàn)為正值；太平洋—印度洋海表溫度梯度自2010年前后進(jìn)入正相位后，其在未來(lái)20年間可能一直處于正相位，可以推測(cè)，未來(lái)20年間華北平原極端暴雨洪水事件處于活躍期。

圖2 華北平原極端暴雨洪水事件發(fā)生年份與太平洋—印度洋海表溫度梯度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

5.到提前至暴雨洪水事件發(fā)生時(shí)間趨于從“八上”提前至“七下”

主要參與華北平原極端暴雨洪水事件水汽輸送的北上臺(tái)風(fēng)均達(dá)到強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度等級(jí)，7個(gè)事件中有6個(gè)臺(tái)風(fēng)甚至達(dá)到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度等級(jí)。研究表明，過去幾十年間超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)間呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性前移趨勢(shì)，該趨勢(shì)與全球變暖引起夏季海洋熱含量和臺(tái)風(fēng)熱力學(xué)理論最大強(qiáng)度增加有關(guān)。全球變暖影響下，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)季節(jié)前移可以在一定程度上解釋華北平原極端暴雨洪水事件發(fā)生時(shí)間前移的現(xiàn)象。華北平原7個(gè)極端暴雨洪水事件中，發(fā)生于20世紀(jì)的4個(gè)事件集中于“八上”，而發(fā)生于21世紀(jì)的3個(gè)事件集中于“七下”。全球變暖背景下，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)季節(jié)前移表現(xiàn)為7月超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)量明顯增加，7月亦為臺(tái)風(fēng)北上的高峰時(shí)間，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)北上進(jìn)而引發(fā)華北平原極端暴雨洪水事件的可能性增加。

四、對(duì)策建議

1.組織聯(lián)合攻關(guān)，深化對(duì)華北平原極端暴雨洪水事件的科學(xué)認(rèn)識(shí)

開展大氣科學(xué)、水文科學(xué)、海洋科學(xué)和水利工程等多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)研究，探討北上臺(tái)風(fēng)對(duì)華北平原極端暴雨洪水事件的特殊影響機(jī)制，深化對(duì)華北平原極端暴雨洪水事件災(zāi)害的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

2.統(tǒng)籌技術(shù)手段，提升華北平原地區(qū)暴雨洪水臨近預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)性

充分利用氣象部門和水利部門現(xiàn)有的技術(shù)手段，加快研發(fā)華北平原極端暴雨洪水事件的孕災(zāi)、成災(zāi)和致災(zāi)全過程監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)技術(shù)，顯著提升考慮臺(tái)風(fēng)作用的臨近預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)性，為防災(zāi)措施規(guī)劃以及應(yīng)急預(yù)案制定提供科學(xué)支撐。

3.加強(qiáng)制度建設(shè)，發(fā)揮預(yù)報(bào)預(yù)警體系在應(yīng)急管理中的重要作用

加強(qiáng)政府有關(guān)部門與高校、科研院所的協(xié)同，充分發(fā)揮科技的支撐引領(lǐng)作用，建立跨學(xué)科研究平臺(tái)，示范性地建設(shè)短臨預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)預(yù)警工作系統(tǒng)，有效提升華北平原地區(qū)暴雨洪水預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)水平。切實(shí)增強(qiáng)預(yù)報(bào)預(yù)警體系對(duì)應(yīng)急管理工作的支撐保障。

4.強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，升級(jí)華北超大型城市預(yù)防暴雨洪水的綜合措施

充分評(píng)估特大城市暴雨洪水巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，研發(fā)華北超大型城市面向暴雨洪水的巨災(zāi)韌性技術(shù)體系，優(yōu)化城市防洪方案，提高重點(diǎn)部位防洪安全標(biāo)準(zhǔn)。制定專項(xiàng)工作方案，確保暴雨洪水巨災(zāi)情況下應(yīng)急指揮協(xié)調(diào)、搶險(xiǎn)救援救助等有序有力開展，開展應(yīng)急科普宣傳，增強(qiáng)民眾公共安全意識(shí)，切實(shí)完善華北超大型城市應(yīng)對(duì)巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的綜合能力。

5.著眼長(zhǎng)治久安，構(gòu)建氣候變化背景下華北平原的防洪安全保障體系

支持開展華北平原極端暴雨洪水事件對(duì)氣候變化響應(yīng)趨勢(shì)、驅(qū)動(dòng)因子和物理機(jī)制的研究，科學(xué)評(píng)估未來(lái)全球變暖背景下極端暴雨洪水災(zāi)害事件發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，更新完善區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和洪災(zāi)防治區(qū)劃，合理提高防洪工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，著力打造能夠有效應(yīng)對(duì)氣候變化的華北平原防洪安全保障體系。