城市新区极端雨洪汇流淹没特性与致灾机理调查研究——以郑州“7.20”特大暴雨(郑东新区)为例

近年来全球极端暴雨发生的可能性与不确定性提高,增加了城市遭遇特大洪涝灾害的风险。城市雨洪与河道洪水有显著差异,灾后雨洪信息快速采集与调研对认清雨洪特性与致灾机理尤显重要。本文以郑州2021年“7.20”特大暴雨为例,结合郑东新区地理与社会环境特点,采用野外调查测量、口述记录、多源数据分析、数值模拟对比相结合的方法开展了城市雨洪汇流淹没特性及致灾机理的调查研究。针对城市雨洪洪痕特征,拟定调查基本方法与适宜工作程序,根据调查区93处洪痕数据绘制了区域雨洪淹没分布图,分析了城市雨洪峰值水位分布特征及调查区汇流特性,探索了道路雨洪汇流流速及行洪道路阻力参数的确定方法。研究表明,城市雨洪地表主要泄流通道是街区道路,汇流方向受连续阻水、导水建筑与路网布局影响,雨洪淹没深度分布与下垫面条件和雨洪汇流特性有关。致灾机理研究分析表明,极端暴雨汇流远超城市排水管网泄流能力,雨洪选择阻力小的街道快速行洪,街道交汇处壅阻引起局部积水严重,这是极端暴雨致灾的直接诱因;而城市新区水系泄洪排涝关系不协调以及清障不力,导致城区河流行洪不畅,干支流异常高水位的顶托,严重降低了管网排涝功能,则是城市雨洪严重积涝致灾的深层原因。研究成果可为城市雨洪调查标准方法的建立与城市新区防洪排涝体系规划提供技术参考。

“23.7”华北特大暴雨过程小时强降水时空分布特征

由于西北太平洋副热带高压、2023年第5号台风“杜苏芮”、第6号台风“卡努”等共同作用,2023年7月29日08时—8月2日08时(北京时)华北地区发生极端特大暴雨,造成了重大社会影响。利用中国气象局国家气象信息中心提供的国家级气象站逐小时降水资料,分析了此次特大暴雨过程中的小时强降水(Hourly Heavy Rainfall,HHR)时空分布特征,并对不同历时类型强降水事件(Heavy Rainfall Event,HRE)的统计特征进行了对比。结果表明:1)此次特大暴雨HHR强度高、局地性明显,其对总降水量的贡献超过20%,北京西部、河北中部和西南部等太行山东麓为HHR降水量大值区和降水频次活跃区,双台风将水汽源源不断地输送到华北平原,受到太行山等山脉阻挡抬升,利于HHR增幅和持续。2)HHR降水量、降水频次经历6次峰值后减弱,其中第3次峰值时段的HHR降水量最大、降水频次最多、持续时间最长;而在“杜苏芮”残涡螺旋影响、暖式切变线和偏东风影响以及偏南或西南急流影响的3个主要降水阶段中,“杜苏芮”残涡螺旋影响阶段HHR最为活跃,共发生257次HHR,HHR最大降水量达73.5 mm。3)在3种类型HRE中,长历时(>12 h)最多,占比54.5%,短历时(1~6 h)次之,占比32.9%,中历时(7~12 h)最少,占比12.6%;长历时HRE降水量多>180 mm,短历时、中历时HRE的降水量多为[20,60)mm;HRE的最大降水量表现为短历时<中历时<长历时,而最大降水强度表现正相反,3种历时HRE的最大小时降水量多为[20,30)mm。4)不同类型HRE降水量、频次和平均降水强度的空间分布显示,长历时HRE因频次高于短历时和中历时,加之历时长,其降水量也高于后两种类型,北京、河北等地是长历时HRE降水量和频次大值区。

河北“23·7”特大暴雨过程的多尺度特征分析

利用常规观测资料、ERA5再分析资料、FY-4G卫星的云顶亮温(Black Body Temperature,TBB)数据对河北地区2023年7月29日至8月2日出现的特大暴雨过程的大尺度环流背景及动、热力和水汽条件进行了分析。结果表明:暴雨期间副高与大陆高压打通,在河北北部形成了准东西向的“高压坝”,台风“杜苏芮”登陆后减弱为低空气旋,该气旋在副高西侧气流的引导下北上,受“高压坝”阻挡停滞于山西一带,在暴雨区上空形成东高西低的有利环流形势;中尺度对流系统在暴雨期间呈阶段性特征反复出现,先后以大范围的螺旋雨带、集中的旺盛对流、零散的对流云团对暴雨的维持产生了重要影响,降水的落区与TBB低值区对应较好;暴雨期间水汽条件充足,低空存在大范围的水汽辐合中心,低涡倒槽、暖式切变线和偏东南急流影响为暴雨提供了强盛的上升气流,太行山对水汽及气流的阻挡作用使得降水强度增强。

城市内涝事故的应对——以河南郑州“7·20”特大暴雨灾害事故为例

随着全球气候变暖和城市化进程加快,城市内涝频发成为全球城市面临的共同挑战。2021年7月17日至23日,河南省遭遇历史罕见特大暴雨,发生严重洪涝灾害,特别是7月20日,郑州市遭受重大人员伤亡和财产损失,此次灾害为近年来所罕见。虽然是因极端天气引发的,但集中暴露出许多问题和不足,需要痛定思痛、举一反三,真正从灾害中汲取教训,提升城市防范化解重大洪涝灾害风险的能力。

“23·7”华北特大暴雨数值预报检验评估

针对“23·7”华北特大暴雨过程,采用天气学检验及TS(thrcat scorc)评分和MODE(mcthod for objcct-bascd diagnostic cvaluation)方法对中国气象局高分辨率全球同化预报系统(CMA-GFS)、较低分辨率全球集合预报系统(CMA-EPS)、欧洲中期数值预报中心集合预报系统(EC-EPS)和业务预报模式(EC-HR)、美国环境预报中心全球预报系统(NCEP-GFS)等全球模式和中国气象局区域台风数值预报系统(CMA-TYM)、中尺度天气数值预报系统(CMA-MESO)和区域数值预报系统(CMA-BJ)等进行中短期预报效果检验评估。结果表明:EC-EPS提前14 d预报京津冀一带有过程累积降水量超过100 mm强降水的发生概率,CMA-EPS可提前12 d报出,但预报欠稳定且落区偏东偏南。EC-HR对100 mm以上过程累积降水量及2 d以上暴雨日的位置预报提前时效均达8 d左右,CMA-GFS的过程累积降水量预报显著偏小、强降水落区明显偏东,可用预报时效短;NCEP-GFS预报性能介于二者之间。各模式均可提前36 h预报强降水落区和强度的变化趋势,中尺度模式可更加精细地刻画其形态和位置分布,尤以CMA-BJ为佳,但其预报偏强,其余模式不同程度偏弱,其中CMA-GFS显著偏弱。EC-HR提前8 d预报关键影响系统发生发展,但低层倒槽位置偏西偏北,低空急流偏弱,低估了地形对强降水的增幅作用,是太行山东麓降水量预报偏弱的重要原因之一。整体上,EC-EPS、EC-HR的提前时效和稳定性,以及CMA-BJ的落区形态和强度预报等对预报业务有较高参考价值。

江淮地区一次特大暴雨过程预报偏差分析

利用加密自动气象观测站资料、ERA5再分析资料和欧洲中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)模式、中国气象局CMA-MESO(China Meteorological Administration Mesoscale Model)模式产品,对2020年7月17—18日江淮地区一次特大暴雨过程的预报效果进行检验与分析,并对数值模式降水预报出现偏差的可能原因进行了讨论。结果表明:低涡切变和低层急流的共同影响,为强降水提供了充沛的水汽和有利的动力条件。高空干冷空气叠加在低层暖区之上形成的位势不稳定层结和垂直风切变为强降水的发生提供了不稳定条件。17日20时—19日08时CMA-MESO模式逐12 h暴雨、大暴雨以及暴雨以上量级降水的TS评分均优于ECMWF模式,但2种模式对18日08—20时暖区降水的预报结果均较差。CMA-MESO模式预报的降水区域和实况区域重叠面积的比例均显著高于ECMWF模式,预报形态也与实况更为接近。模式对冷空气强度预报偏弱造成了冷切辐合偏北,对中层湿舌的位置预报偏北,水汽强度预报偏弱,与强降水落区预报偏北相对应,可能是降水预报出现明显偏差的原因。

“23.7”河北罕见特大暴雨过程降水演变与中尺度特征分析

2023年7月29日至8月2日,受台风“杜苏芮”北上减弱低压影响,河北出现罕见特大暴雨天气过程(以下简称“23.7”暴雨过程),其中位于冀南的邢台市梁家庄自动站52 h累积降水量高达1003.4 mm。利用常规地面与探空资料以及区域自动站资料、雷达拼图与ERA5再分析资料等,对“23.7”暴雨过程的降水演变特征、环流形势与环境条件、中尺度特征进行了初步分析。结果表明:此次暴雨过程具有持续时间长、累计雨量大、覆盖范围广等特征;台风“杜苏芮”登陆北上后,受500 hPa华北北部“高压坝”阻挡而停滞,河北大部地区整层水汽总量达到其气候平均态的2倍以上,环境大气具有低的抬升凝结高度和自由对流高度及一定的对流不稳定能量,以及850 hPa倒槽切变线稳定少动提供的持久辐合抬升条件,使得降水回波长时间维持在河北西南部太行山前和河北中部。边界层东南风急流伴随台风倒槽向北发展,急流核风速在河北中部超过22 m·s^(-1),大暴雨过程中地形作用明显。边界层急流影响河北西南部期间,回波强度30~40 dBz、质心高度低于6 km的多个对流单体先后移过梁家庄站上空,造成梁家庄站累计出现24 h的短时强降水;边界层急流北移后,8 m·s^(-1)左右的偏东风使太行山前层积混合云降水回波继续长时间维持造成雨区重叠,是梁家庄站52 h累积降水量超过1000 mm的主要原因。

从气候学角度理解“21.7”河南特大暴雨的形成机理

2021年7月19—22日,河南省遭遇历史罕见特大暴雨,破纪录降水引发了严重的洪涝灾害。目前,“21.7”河南特大暴雨的研究大多针对降水个例,引发极端降水的气候学机制仍不明确。本文基于谱聚类方法,利用中国气象局多年历史站点降水资料和NCEP/NCAR再分析数据研究了1960—2021年华北地区夏季区域性极端降水事件的主控环流天气型,系统揭示了“21.7”河南特大暴雨的发生过程。结果表明,“21.7”河南特大暴雨发生在罕见天气型下,即西太平洋上空增强的远距离台风配合异常偏西北的西太平洋副热带高压与异常偏东北的南亚高压。该天气型虽然仅贡献了华北地区夏季区域性极端降水事件的5.97%,却易导致更强的极端降水事件。台风和副高之间的盛行东南风将水汽从西太平洋输送到河南,对流层高低层强烈的风切变引发的垂直上升运动导致了“21.7”河南暴雨的发生。河南及周边地区对流层低层更加强烈的上升运动与非绝热加热之间的正反馈效应使得“21.7”河南暴雨相对同一天气型下的其他特大暴雨事件的极端性更强。本研究为理解和准确预测类似“21.7”河南暴雨的破纪录区域性极端降水提供了全新的气候学视角。

“7·31”特大暴雨引发的门头沟区地质灾害调研及紧急应对策略研究

2023年7月29日20时至8月2日7时,北京市平均降雨量达到331毫米,门头沟区平均538.1毫米。暴雨导致门头沟地区地质灾害频发、破坏严重,造成巨大的人员伤亡和财产损失。8月中旬,对受灾严重的门头沟区进行深入调研,对洪水、滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、建筑物倒塌等典型灾害从岩土体性质、灾害规模以及沿途分布特征等方面分析,科学评估其对交通路线、居民房屋的危害,并针对性提出应急处置建议和恢复重建建议,以期对今后北京市遭遇极端暴雨天气出现的地质灾害问题提供对策和技术支撑。在此基础之上,对现有的应急预案进行分析并提出改进建议,从事前、事中、事后三阶段深层次的分析政府、社区、乡镇、各部门、企事业单位、人民群众等不同主体在应对此次极端暴雨天气的暴露出的弊端和值得借鉴之处,为今后应对此类灾害提供参考。

基于复杂网络的郑州市特大暴雨洪涝灾害链研究

以郑州“7·20”特大洪涝灾害链作为案例,采用危险与可操作性分析(HAZOP)法,对城市洪涝灾害的节点和传播路径进行建模,并结合复杂网络理论,选用度、边介数、平均路径长度、连通度等指标定量分析城市洪涝灾害链的脆弱性、关键节点和关键传播路径。在此基础上,提出断链减灾策略,并对其减灾效果进行科学评估。结果表明郑州“7·20”特大洪涝灾害链中节点度数、点介数和特征向量中心度都将关键事件指向交通中断、抗洪物资供应不足、应急指挥不力、地铁进水、生产线爆炸等,而“抗洪物资供应不足-暴雨洪涝”“交通中断-抗洪物资供应不足”“应急指挥不力-暴雨洪涝”这三条边对整个灾害链网络的结构起到关键作用。应急供电、应急通信、应急交通和停工停产可以有效断链减灾,并且以应急供电的断链减灾效果最显著。相关结果可以为有效应对城市洪涝灾害链提供知识图谱,辨识关键节点和传播路径,并建立断链减灾策略。

特大暴雨下残垣丘陵沟壑区水土流失与梯田措施效益评价

[目的]开展场次暴雨水土流失评估与措施效益评价,分析暴雨造成的土壤侵蚀状况,评价梯田措施效益,为常规水土流失动态监测提供有效补充。[方法]以甘肃“2022·7·15”特大暴雨发生地庆城县和暴雨中心湫沟小流域为研究区,利用日降雨量数据与全国水土流失动态监测项目相关成果,基于次暴雨降雨侵蚀力,采用改进的CSLE模型计算土壤侵蚀模数,分析暴雨降雨侵蚀力与多年均降雨条件下全年降雨侵蚀力的关系,以及次暴雨条件下不同土地利用类型土壤侵蚀强度等级的空间分布,探讨梯田对区域水土流失的影响。[结果]庆城县该次暴雨产生的降雨侵蚀力达到多年均降雨条件下全年降雨侵蚀力的1.85倍,暴雨中心降雨侵蚀力达到多年均降雨条件下全年降雨侵蚀力的4.88倍。暴雨造成的强烈级以上土壤侵蚀面积是2021年全年强烈级以上土壤侵蚀面积的3.46倍,暴雨中心达6.93倍。场次特大暴雨造成的强烈以上等级土壤侵蚀主要分布在旱地、草地和灌木林地。庆城县现状梯田面积325 km^(2),相较于无梯田措施情景,县域土壤侵蚀量减幅达72.87%。[结论]加强退耕还林还草、坡耕地综合整治、旱作梯田建设等水土保持工作,是特大暴雨条件下水土流失灾害防治的有效手段。

北京市门头沟新城“23·7”特大暴雨洪水灾害成因分析及对策研究

基于洪水调查及模型反演,使用地质灾害监测雨量站监测数据和2 m精度数字高程模型(DEM)数据,对北京市门头沟新城“23·7”特大暴雨洪水进行反演复盘,分析灾害产生的原因,暴露出门头沟新城现状防洪系统在山洪截流疏导、防洪河道治理、城市竖向建设和应急管理等方面存在的短板,提出了相关改进策略,并结合模型模拟结果评估了相关改进策略的效果,进一步展望了城市洪涝模型在城市防洪和韧性提升规划建设工作中的作用。

基于CORS网数据的河南“7·20”特大暴雨期间大气水汽分布特征分析

河南“7·20”特大暴雨导致了严重的城市内涝和多起地质灾害。大气水汽是发生极端降雨的主要驱动力之一,分析“7·20”特大暴雨期间大气水汽的时空变化,有助于提高对降雨-水汽区域性作用机制的认识。利用河南CORS网中8个GNSS测站的观测数据,反演了暴雨前后(7月17—24日)时间分辨率为5 min的PWV数据,在此基础上与基于ERA-5再分析数据通过积分求得的PWV值进行了对比,并结合实际降雨量分析了暴雨期间水汽的时空分布特征。结果表明:GNSS-PWV的偏差和均方根误差分别为0.4、2.3 mm;暴雨前3 d内PWV值呈现快速上升趋势,并在暴雨前3 h达到最大值,在7月22日后逐渐减少到正常范围;GNSS-PWV的变化趋势与实际降雨过程基本符合。研究结果可为基于GNSS观测数据的实时全天候气象预警工作提供一定的理论基础。

特大暴雨下城市地铁人员应急救援与疏散优化

为提高特大暴雨下地铁车站人员救援与疏散效率,提出地铁人员的应急救援与疏散优化建模与求解方法,旨在协同优化救援中心选址、应急路径设计与分配决策。针对特大暴雨的危害性和地铁被困人员的心理恐慌程度,改进感知风险度量模型。结合应急救援与疏散的阶段性,建立成本和感知风险最小的应急救援与疏散的选址-路径优化模型。设计基于分解多目标进化算法和分支切割算法的两阶段求解步骤。最后,通过郑州实例和测试算例,验证新模型和算法的有效性。计算结果表明:新模型和算法能在2.13 s内求得有效方案;相较于传统风险模型,新模型能够降低9.03%的运输成本;相较于常规的多目标优化算法,新算法能缩短至少60.00%的求解时间,并有较高的计算稳定性。

河南卫辉市“2021.7”特大暴雨洪水分析

2021年7月17-23日,河南卫辉市发生特大暴雨,位于卫辉市的共产主义渠黄土岗站发生建站以来第3大洪水,汲县站发生建站以来最大洪水。对本次暴雨成因、暴雨时空分布、暴雨特征进行分析,了解极端天气暴雨特性;对洪水来源和组成、洪水过程、洪水特点、洪水重现期进行分析,认识卫河流域的洪水特性。本次暴雨洪水特性分析对卫辉市卫河流域的规划设计、洪水预报和防洪工作具有参考价值。

徐州市主城区特大暴雨防洪避险应对措施探讨

为加强对特大暴雨状况的预警和防范,提高防洪避险能力,减少人民群众损失,对1997年徐州城区历史特大暴雨及受灾情况进行了分析,研究了境内洪水灾害与内涝风险成因及易积易涝中高风险区,针对徐州城区防洪防涝短板,提出了健全组织体系、做好汛前准备、建立监测预报预警与叫应服务机制、实施城市防洪排涝提升工程、做好防洪避险应急处置措施等系列措施,为城市防汛抢险救灾、防洪排涝建设等工作提供参考。

郑州市“7·20”特大暴雨时空分布特征分析

利用郑州市39个气象观测站降水资料对郑州市2021年7月17—23日出现的特大暴雨进行统计分析,通过数据处理软件研究郑州市强降雨的时空分布特征。结果表明:郑州市降雨量在空间上呈明显的梯度变化,呈现中部多、东西部少的特点;强降雨中心自7月17—22日开始由西南向东北移动,特别是7月20—21日郑州市主城区出现特大暴雨;郑州市强降雨具有明显的季节性,汛期内郑州降雨总量占全年降雨总量的86%,具有较大的降雨量级;郑州市此次强降雨事件是由多种因素共同作用的结果,其中包括地形因素、水汽因素和环流背景因素等,人口城市化和土地城市化的发展进程也对强降雨的强度和频次具有促进作用。

郑州“7·20”特大暴雨移置合肥市洪涝分析

分析郑州“7·20”特大暴雨形成条件,合肥市发生郑州“7·20”特大暴雨的可能性是存在的。为深刻吸取特大暴雨灾害教训,将郑州“7·20”特大暴雨移置至合肥市,开展模拟计算和洪涝分析,为防范此类暴雨洪水、完善防御超标准洪水预案及城市防洪规划提供参考。

抚州“5.5”特大暴雨成因及中尺度特征

为了做好特大暴雨的预报预警工作,利用常规气象资料、天气图、NCEP再分析资料和卫星云图等,对2023-05-05-2023-05-06江西省抚州市特大暴雨过程进行分析。结果表明:抚州市200 hPa急流辐散区,500 hPa乌拉尔山阻塞高压,巴尔喀什湖切断低涡内分裂小槽东移为特大暴雨过程提供了有利的环流条件;850 hPa切变线、地面冷锋、静止锋、中尺度辐合中心是此次特大暴雨的直接影响系统;中低层西南低涡稳定少动,东部850和925 hPa有低空和超低空西南风急流稳定维持,是产生此次特大暴雨的关键因素;赣东地区850 hPa比湿达15 g/kg,假相当位温达346 K,平均对流有效位能大值区中心值达1 250 J/kg,为此次特大暴雨提供了有利的水汽和不稳定能量条件;此次特大暴雨过程是由多个对流云团和中尺度对流复合体造成的,武夷山西麓迎风坡地形对暴雨增幅有重要作用。研究结果为江西抚州特大暴雨预报预警提供了分析依据。

河南郑州“7·20”特大暴雨与南水北调中线干线工程运行安全思考

2021年,河南郑州发生“7·20”特大暴雨,南水北调中线干线工程河南郑州至河北磁县段暴雨重现期超过了500年,局部超过千年一遇,是对中线干线工程建设质量的一次大考。实践证明,面对超标准降雨带来的洪涝灾害,中线干线工程各类建筑物主体均未受损,干渠输水功能正常,工程运行整体平稳。