北京“23·7”极端强降雨特征和成因分析

利用北京地区加密气象站、补盲的北京市规划和自然资源委员会雨量站、双偏振雷达、风廓线雷达、GPS水汽等观测数据和ERA5再分析数据,对北京“23·7”极端强降雨阶段性特征和成因进行了分析。结果表明:“23·7”极端强降雨累计降水量(331 mm)和单点最大降水量(1025 mm)均打破历史纪录,最大雨强(126.6 mm·h^(-1))排名历史第二位,具有显著的极端性。强降雨可分为5个阶段,其中第Ⅱ和第Ⅳ阶段降水量分别占过程累计降水量的37.1%和39.7%,第Ⅳ阶段雨强更大,对应急流更强,高温、高湿特征也更明显。地形对降雨的增幅作用显著,降水量在海拔100~300 m山区迅速增加,极大值出现在海拔约400 m的山区,第Ⅱ(第Ⅳ)阶段山区平均降水量和小时雨强分别是平原的2.1(3.0)倍和2.0(2.7)倍;第Ⅱ阶段主要为地形对急流的直接抬升,第Ⅳ阶段为地形绕流辐合和直接抬升共同作用。7月31日上午(第Ⅳ阶段)边界层急流出口区与低空急流入口区耦合导致低层上升运动增强,促使西部山前β中尺度对流系统由块状发展成线状并有γ中尺度涡旋产生,该β中尺度对流系统北上时形成短暂的列车效应,引发了西部山区8个站次100 mm·h^(-1)以上的极端短时强降水。

北京地区“23•7”特大暴雨型地质灾害特征及预警成效分析

极端降雨常伴随群发性地质灾害发生,严重危害易发区人民群众生命财产安全,影响经济社会健康发展。总结分析极端降水灾害时空分布特点及预警成效,对于提高地质灾害综合防御能力具有重要意义。以2023年“23•7”强降水引发的突发地质灾害为研究对象,以“北京市突发地质灾害监测预警系统”精细化降水数据为基础,分析了“23•7”强降水时空分布特性和地质灾害发育分布特征,剖析了地质灾害预警成效,结果表明:“23•7”强降水具有总量大、雨强大、历时长、范围广等特点,极端降水灾害具有群发性,地质灾害分级分类多维度预警成效显著,实现了极端天气条件下因地质灾害零伤亡的目标。研究成果可为积极防范和科学应对极端降水地质灾害提供参考。

北京市昌平区韩台村“23·7”暴雨山洪泥石流灾害特征分析

【目的】近年来,受极端降雨事件影响,北京西部和北部山区山洪泥石流灾害频发,给当地造成巨大的生命财产损失。针对北京市昌平区韩台村“23·7”暴雨山洪泥石流灾害事件开展灾害过程和特征研究,为小流域灾害防治及提升灾害应对能力供基础支撑和参考依据。【方法】以昌平区高崖口沟韩台村支沟为研究区,采用“区域灾情调查-重灾区现场调研-室内评估分析”相结合的方式,查明研究区的雨水情特征及灾情特征。基于堆积物沉积结构、实物破坏形式和流体的内在特性,分析了韩台村支沟内山洪泥石流的灾害过程和基本特征,初步探讨了此次灾害的成因,并提出灾害防范对策建议。【结果】结果表明:(1)韩台村上游沟道集雨面积约0.1 km^(2),根据王家园水库自动站2023年8月31日12时至13时降雨数据,估算的韩台村上游沟道内1小时洪水总量约6870 m^(3),其破坏力非常大。(2)韩台村支沟自沟顶至韩台村西部村南口,具有典型的泥石流特征。村南口进村120 m范围内有泥石流堆积物,覆盖于山洪沉积物之上,属于典型的泥石流堆积前缘特征。由此至韩台村北口(韩台村支沟沟口),具有明显的山洪灾害特征,平均洪水深度超过5 m,淹没面积约33940 m^(2)。(3)2305号台风“杜苏芮”外围残余环流北上引发的极端强降雨是此次灾害的直接致灾因子,同时,受区域地形地貌、山洪泥石流作用及居民对所处地质环境的认知程度等因素的影响。【结论】此次昌平区高崖口沟韩台村支沟特大暴雨洪涝灾害是一次极端暴雨引发的山洪泥石流复合灾害事件。短时强降雨导致地表径流流量陡增是造成此次灾害的直接原因,初步推测泥石流发生时间晚于山洪,亦或是形成于山洪减弱阶段。自支沟顶至韩台村西部村南口(约1.4 km)为泥石流区域,村南口进村120 m左右为泥石流堆积前缘区域,同时部分区域具有山洪特征,村南口至村北口(支沟口)为山洪受灾区域。

2021年盛夏中国东部极端降水月际演变成因及可预测性

2021年7—8月中国东部雨带演变特征与气候平均季风北推进程存在显著差异。其中,7月降水正异常中心位于江淮-华北地区,8月则南移至华中地区。2021年中国东部降水异常偏多且存在月际差异主要与7(8)月西北太平洋副热带高压(西太副高)偏北偏东(偏南偏西)、东亚副热带西风急流偏北(偏南)以及南亚高压持续东伸相关联。进一步研究表明,热带对流的活跃位置和北大西洋的增暖加强是影响其降水中心南移的主要原因。2021年7月热带大气低频振荡(MJO)在海洋性大陆地区活跃对应其热带海洋性大陆对流异常偏强,激发北传的类太平洋-日本(PJ)型遥相关波列,使得西太副高偏北偏东,有利于西北太平洋水汽在江淮-华北地区辐合,导致其降水偏多。8月,新发展MJO在热带印度洋上空对流异常持续偏强,加强局地经向环流,使得中国35°N以南至西北太平洋地区出现异常下沉运动,有利于西太副高南移西伸。此外,2021年8月北大西洋海温(SST)异常偏暖激发对流层高层向东南传播的Rossby波,有利于南亚高压加强和东亚副热带西风急流加强南移。因此,8月降水中心南移至华中地区。CFSv2预测系统(6月起报)结果能预测7月江淮-华北大部分地区降水偏多,但预测的8月华中南部地区降水偏少与实况相反。这可能是由于模式能够较好再现7月海洋性大陆热带对流活动影响江淮-华北地区降水的过程,但不能预测2021年8月热带印度洋对流活动和北大西洋海温异常偏暖对华中地区降水的影响。

“21·7”河南特大暴雨降水特征及极端性分析

利用国家气象信息中心提供的2373个国家气象观测站(以下简称国家站)和区域气象观测站(以下简称区域站)小时降水量资料,从累计降水量、降水强度和时间演变等角度,分析了“21·7”(2021年7月17—22日)河南特大暴雨的极端性特征。结果表明:此次暴雨过程具有持续时间长、累计降水量大、突发性强、暴雨落区集中等特点。6天累计降水量平均达到219.05 mm·站^(-1),有155个站超过600 mm。全省5.43万km^(2)累计过程降水量大于250 mm,超过“75·8”过程(1975年8月)的3.45万km^(2)。强降水主要出现在3个时段(18日15时至19日04时、19日09时至21日08时、21日09时至22日14时),最大降水时段发生在19—21日,落区集中在太行山东南侧、伏牛山东北侧的豫中北地区。有1514个站出现至少1个时次的短时强降水(≥20 mm·h^(-1)),大值中心分别位于郑州、新乡和鹤壁等地,部分区域短时强降水贡献率超过70%。强降水中心在20日中午至21日夜间由河南中部向河南北部移动,强度由强变弱再加强。此次持续性暴雨过程的极端性表现出明显的局地性特征,郑州国家站7月20日17时1 h降水量达201.9 mm,超过“75·8”过程的小时降水强度,并打破全国国家站历史纪录。3 h和6 h最大降水量均发生在郑州尖岗水库附近。郑州站7月总降水量高达902.0 mm,约是近70年历史平均值的6倍。

江淮流域6-7月极端强降水事件时空变化及环流异常

基于江淮流域近53年(1961—2013年)逐日降水观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,利用百分位法定义了江淮流域6—7月极端强降水阈值,通过经验正交分解(EOF)方法将极端强降水事件分为沿淮型、沿江型和江南型三种类型。选取各类型极端强降水事件的典型个例,对环流形势进行诊断分析,结果表明:三种典型极端强降水事件发生时,850 h Pa上均存在由华南西部向长江中下游的低空西南急流,沿淮型急流强度最强、急流轴位置最北,沿江型次之,江南型最弱、急流轴位置最南;500 h Pa西太平洋副热带高压脊线和西伸脊点异常主要通过改变急流轴位置,来影响极端强降水的落区;200 h Pa上高空西风急流均表现出强度偏强,急流带偏窄,高空急流入口的右侧与对流层低层西南急流北侧相重合。在高低空急流的共同作用下,极端强降水发生区域上方垂直速度异常偏强,比湿异常偏大,梅雨锋位置的差异决定了极端强降水的发生区域;无论是沿淮型、沿江型还是江南型极端强降水事件发生时水汽主要来自孟加拉湾到中国南海附近海域。

“23·7”华北特大暴雨过程雨强精细化特征及动力和热力条件初探

基于ERA5再分析资料、国家级和区域级地面气象观测、双偏振多普勒雷达、地面雨滴谱仪、闪电定位仪、风廓线雷达等多源观测资料,对“23·7”华北创纪录极端降水过程中雨强的精细化特征,导致极端降水的中尺度对流系统(MCS),极端降水的微物理特征及动力和热力条件进行了分析。结果表明:整个过程小时雨强表现出面弱点强的特点,局地小时、分钟级雨强具有极端性。雨强阶段性特征明显,2023年7月30日08:00至31日20:00(第二阶段)雨强最强,与多个β-MCS发展有关,并伴有后向传播及列车效应等中尺度过程,降水以中等直径、高浓度雨滴为主,具有一定量的低浓度大粒子雨滴样本,属于海洋性与大陆性混合型降水,暖云碰并与冰晶聚合融化过程共存。7月29日08:00至30日08:00(第一阶段)和7月31日20:00至8月2日08:00(第三阶段)雨强相对较小,对应于前者的MCS垂直伸展高度较低、强度不强,以暖云降水为主导,雨滴浓度高、直径中等,对应于后者的MCS发展强盛,但移动速度快,也具有海洋性与大陆性降水混合型降水特征。三个阶段的大气整层可降水量最大值均超过70 mm,第一阶段天气尺度强迫强,对流有效位能(CAPE)在500 J·kg^(-1)左右,MCS发展高度相对较低;第二阶段后期天气尺度强迫有所减弱,但华北中南部对流不稳定能量再次重建,上游地区CAPE较第一阶段有所增大(600~1000 J·kg^(-1)),导致极端降水的MCS发展为深厚湿对流系统,雨强明显增大;第三阶段天气尺度强迫明显减弱,低层偏南风脉动辐合和大的CAPE为MCS强烈发展提供了有利条件。

2023年7月大气环流和天气分析

2023年7月北半球大气环流主要特征表现为:极涡分裂为多个中心呈绕极分布,较常年同期偏强;西太平洋副热带高压较常年同期强度偏强,位置偏西、偏北;全国平均降水量为122.0 mm,接近常年同期,有45个站日降水量超建站以来历史极值,吉林西部、河北南部等地累计降水量较常年同期显著偏多1~2倍,而西北中北部、广西中北部、湖南中部以及新疆北部等地偏少5成左右;有8次区域性暴雨天气过程,受台风杜苏芮及其残余环流影响,7月26—29日、7月29日至8月1日,台湾地区、浙江东部、福建东部以及京津冀等地部分地区先后出现极端强降水;月内共有3个台风生成,2个登陆我国,较常年同期略偏少,其中,台风杜苏芮为登陆福建第二强台风;全国平均气温为23.0℃,较历史同期略偏高,山东西部、河北南部、新疆西北部和东北部等地最高气温平均值较常年同期偏高2~4℃;高温过程共有7次,其中,7月5—16日为全国性的高温过程,中东部大部以及内蒙古西部和新疆大部最高气温超过35℃,12个国家站日最高气温超过历史极值。

GPM卫星降水产品在“7·21”河南极端暴雨过程中的误差评估

为评估卫星定量降水估测(Quantitative Precipitation Estimation,QPE)产品在气象预测以及灾害预警监测的能力,研究针对台风“烟花”给河南省带来的极端降水过程,以地面雨量站观测数据为参考,采用相关系数(CC)、相对偏差(RB)、均方根误差(RMSE)、分数标准误差(FSE)、探测率(POD)、误报率(FAR)以及临界成功指数(CSI)这7种精度评价指标和统计方法分析和评估全球降水测量计划(Global Precipitation Measurement,GPM)的多卫星融合降水产品中的IMERG(Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM)Version 06中的准实时产品IMERG_ER和近实时产品IMERG_LR,以及全球卫星降水制图(Global Satellite Mapping of Precipitation,GSMaP)Version 07中的准实时产品GSMaP_NRT和标准产品GSMaP_MVK。与雨量站观测结果直接对比,IMERG_ER、GSMaP_NRT和GSMaP_MVK在不同程度上低估降水量,RB值分别为-7.22%、-10.37%和-16.26%,表现为明显低估了强降水中心的雨量。结果表明:(1)IMERG_LR卫星降水产品总体表现最优,对极端降水事件的监测有一定的探测潜力;(2)四种卫星降水产品存在明显提前预估峰值的现象;(3)各个卫星产品在降水量小时高估,在降水量大时低估。

考虑蓄滞洪区的极端降水过程影响评估方法研究——以河北省“23·7”暴雨过程为例

利用河北省1978~2020年暴雨过程,结合直接经济损失与受灾人口的损失数据,筛选出了持续日数、过程降水量、平均降水量和最大日降水量4个与损失呈极显著相关的致灾因子指标,方法更具客观性和实用性。通过对比4种赋权法构建了致灾强度指数,改良相关系数法赋予权重分别为0.188、0.312、0.208和0.292,结果更符合主观认知。采用地形和水系因子构建孕灾环境敏感度指数,评估出2023年7月29日至8月2日河北省暴雨过程(简称“23·7”极端降水过程)的危险度呈中部高、北部和东部低的特征,保定和雄安新区最高。考虑蓄滞洪区是否启用,基于距蓄滞洪区远近计算了蓄滞洪区的影响指数,评估因素较以往研究更为全面。结合承灾体暴露度及脆弱性,对“23·7”极端降水过程开展了影响评估。结果表明:“23·7”极端降水过程对邢台中部、保定中东部、石家庄中西部、廊坊中部及北部、衡水与沧州交界处的影响最重。将是否考虑蓄滞洪区影响的两种结果与实际灾情对比验证,结果显示考虑蓄滞洪区影响的评估命中率为76.93%,较不考虑蓄滞洪区影响命中率高9.41%,该方法评估过程可操作性强,结果更符合实际,适用于河北省极端降水过程影响评估,可应用于过程前的灾害影响预估,过程中的跟踪分析以及结束后的快速评估业务,提高气象服务针对性。

2016年7月20—23日本溪市持续性强降水过程成因分析

利用区域自动站气象观测资料、NCEP再分析资料、MICAPS系统高空、地面和物理量场等资料,对2016年7月20—23日本溪地区持续性强降水过程的成因进行分析。结果表明,本次过程以大尺度天气系统为主,伴有中尺度天气系统,具有范围广、持续时间长、降水强度分布不均的特点。稳定的水汽供应和强烈的上升运动为此次天气过程提供了有利条件。

GPM近实时反演数据对河南省2021年“7·20”极端暴雨的比较分析

近实时卫星降水反演数据具有覆盖范围广、空间连续性和时效性较强以及开放获取等优势,是重要的全球性降水资料。针对2021年河南省“7·20”极端暴雨,基于116个地面气象站观测资料及其空间插值数据,综合解析了4种GPM近实时卫星降水数据(IMERG early、IMERG late、GSMaP NOW和GSMaP Gauge NOW)对极端强降水事件的表征能力。结果发现:①IMERG early、IMERG late对站网累积雨量的低估程度在20%左右,GSMaP NOW和GSMaP Gauge NOW的高估程度分别达到了约35%和70%,但2种GSMaP数据更易探测到500 mm以上的累积雨量。②在雨量过程方面,4种GPM数据对小时降水事件均具有较强的分类辨识能力,但未捕捉到主要雨峰过程,定量误差较突出,与地面降水量之间表现出显著的负相关关系。GPM降水数据对小时雨量低于10 mm的降水事件以高估为主;对于小时雨量超过30mm的降水事件以低估为主,甚至存在普遍低估。③在空间格局方面,4种GPM数据的精度指标均具有较强的时间波动性,IMERG数据的空间相关系数和体积临界成功指数等指标总体上优于GSMaP数据,但后者对较高量级的降水事件更敏感。④2种IMERG数据中,IMERG late相对IMERG early的精度具有较明显改善;2种GSMaP数据中,GSMaP Gauge NOW相对GSMaP NOW提高了对较高量级雨量的探测能力,但也明显增大了较低量级雨量的定量估计误差。本文研究深化了对GPM近实时卫星降水数据性能的认识,为完善GPM降水反演算法、提升其对极端降水的监测能力提供了重要反馈信息。

利用北斗/GNSS观测数据分析“21·7”河南极端暴雨过程

2021年7月,受台风“烟花”和“查帕卡”影响,河南省发生罕见的极端暴雨事件,造成了重大人员伤亡和巨额经济损失.极端暴雨的产生过程极为复杂,大气可降水含量(PWV)是产生降雨的主要因素之一.分析暴雨的发生过程与PWV之间的关系,对于暴雨发生的短时临近预报具有重要意义.本文利用河南省220个连续运行的北斗/GNSS站观测数据,采用精密单点定位(PPP)和克里金插值方法,获取了本次极端暴雨发生期间河南省高时空分辨率的PWV空间格网数据;同时结合省内116个气象站降雨量数据,分别从时间和空间上分析了PWV变化与极端降雨之间的关系.结果表明,通过PPP获取的北斗/GNSS站PWV与国际权威的全球气象再分析资料ERA5反演的测站结果互差均方根(RMS)为3.2 mm;进一步通过克里金插值获取的PWV空间格网数据与探空仪实测结果的互差RMS为4.6 mm,与ERA5反演的格网数据互差RMS为4.4 mm,表明本文的PWV数据精度符合气象学研究要求.通过分析北斗/GNSS站与并址气象站的PWV和小时降雨量的时间序列,发现暴雨期间并址站上空的PWV达到高数值水平,并且在极端降雨发生前1~3小时PWV多表现出陡增现象.通过分析PWV与小时降雨量的空间分布关系,发现本次极端暴雨中高数值PWV地区,其降雨强度也普遍较高,与实际受灾情况相符.

内蒙古干旱半干旱带2012年“720”极端暴雨事件的特征及成因

2012年7月下旬,处于内陆干旱-半干旱地带的内蒙古中-西部地区出现了有气象记录以来的极端降水事件,使该区气象与气候预测面临新问题.7月20日河套地区出现大范围暴雨天气,其中两个台站日降水量超历史极值,一个台站超历史阈值,属极端天气事件.利用常规及精细化监测资料和NCEP再分析资料对此次极端降水天气事件进行分析.结果表明:从天气背景看,贝加尔湖低槽内冷空气侵入副高西侧的暖空气中,在对流层低层激发出低涡系统,低涡前侧的南风急流使南来水汽到达41°N以北,并在河套地区聚集.对流层低层水汽通量维持在8～10 g·cm-1·hPa-1·s-1,大气比湿达12～17g·kg-1,为极端降水事件提供了丰沛的水汽.该事件是通过MCC强烈发展形成的,河套西北部不断有中尺度对流系统MCS发展东移,河套南部新生的β中尺度系统发展并入MCS中,MCS系统发展为中尺度对流复合体MCC,MCC中心的TBB值达-40～-83℃.近地面雷达监测显示,河套东北部、中部存在强雷达回波群,回波群内对流单体中心的反射率因子均达到50～55dbz,构成超级对流单体.地面上,不断新生的中尺度辐合线长时间存在于河套东北部并促发对流性暴雨.暴雨前期对流层低层增温作用显著,中高层"干侵入"使大气不稳定能量进一步增加.冷锋前暖空气强烈的上升运动促发了大气不稳定能量释放.该事件很可能与当前全球变暖密切相关,随着全球变暖,北极冰量减少,夏季风增强,雨带北移,使得中纬度内陆干旱-半干旱带发生前所未有的极端降水事件过程.

2016年7月23日莱西市暴雨过程诊断分析

利用常规观测资料、数值模式分析资料、雷达资料等,对2016年7月23日莱西市暴雨过程的高空、地面形势及不稳定条件、垂直速度和雷达资料进行诊断分析。结果表明,这次暴雨过程主要受高空低槽东移与西太平洋副高北抬影响,副高边缘暖湿气流辐合上升,产生短时强降雨天气,并伴有雷电、大风,降水量级达到暴雨级别。

北京“23·7”特大暴雨影响下城市交通应急响应时间动态分析:以北京市通州区为例

暴雨洪涝事件影响城市交通路网运输性能,增加城市应急通行时间.然而,现有研究主要集中于2h设计雨型下城市交通路网受损过程,对长历时特大暴雨情形则考虑不足.2023年7月,北京地区发生历史罕见的长历时特大暴雨事件,造成严重洪涝灾害.联合利用城市洪涝模型和动态交通路线规划分析,量化评估了特大暴雨事件对北京市通州区居民通过城市路网前往医院、紧急避难场所等地所需通行时间的影响.研究结果表明:(1)特大暴雨事件可使居民前往避险地点时间增加约20min;(2)短时极大雨强与前期足量积水均会显著减缓城市交通系统通行性能恢复速度,放大暴雨洪涝灾害风险.因此,在评估城市洪涝灾害风险时需综合考虑短时降雨强度超限造成的突发性失稳与长时间连续降雨致涝造成的渐进性失稳风险,并据此优化极端暴雨洪涝场景下灾害风险管控与应急资源配置.

基于精细化水动力模型的城市内涝特征分析及风险评估

伴随着气候变化和城市化进程,城市水文循环发生了显著变化。为了精细刻画暴雨条件下的城市洪涝问题,以巢湖市典型城区为研究区,构建具有物理机制的全过程分布式水文水动力洪涝模型,以巢湖市10 a、20 a、50 a、100 a一遇的设计暴雨以及迁移郑州“7·20”暴雨作为输入条件,模拟不同工况下巢湖市洪涝淹没风险情况。研究表明:(1)研究区内风险等级为蓝Ⅳ级的面积占比超过研究区域的26%,在不超过10a一遇降雨条件下,现有的泵排工程能满足排水需求;(2)在4种设计暴雨情境下研究区内有8个点呈现较大内涝风险,而在迁移郑州“7·20”降雨条件下,全研究区将发生严重的洪涝;(3)在4种设计暴雨情境下,精细化水动力模型和SWMM比较结果相近,而在郑州“7·20”级别的极端暴雨情境下,精细化水动力模型由于模型机制,结果优于SWMM模型。