赵建民
极为特殊的21.7暴雨洪水
2021-7-30 23:47
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极为特殊的21.7暴雨洪水

环球同此凉热,学术界普遍认为温室效应加剧了全球气候的不稳定性。进入2022年夏季以来,全球灾害性气候频发。不仅北美大陆遭遇到历史性高温炙烤,欧洲出现了大面积暴雨洪水,我国的暴雨带也从南向北推进。“七下八上”(七月下旬、八月上旬)历来是我国北方防洪的关键时期,今年七月中旬以来,河南省中西部遭遇了严重暴雨洪水,其中暴雨中心位于郑州市区附近,最大1h降雨强度超过200mm,创造了我国陆地气象站点的新纪录。目前,降水过程仍在继续,降雨中心进一步向东北推进到海河流域,将继续影响晋冀鲁豫的广大地区。

影响我国暴雨洪水的主要天气系统

我国的洪水(除青藏高原、西北和东北北部部分地区的冰川融雪性洪水外)主要由暴雨引起。而影响暴雨的天气系统主要有两个:一是台风,二是西南低涡,按照大的天气系统导引,一般均在西太平洋负热带高压(简称“副高”)外围按顺时针运动。因此,盛夏我国主要的降雨带一般位于副高西北侧(台风带来的华南暴雨位于“副高”南侧),“副高”范围(副高控制范围内一般晴热少雨)及其脊线运动,对我国水旱灾害的发生起到了至关重要的影响,也是旱涝交替、旱涝逆转的根本原因。“副高”是“西太平洋负热带高压”的简称,形成原因是由于海陆热力学差异,夏半年在亚欧大陆中南部形成了以南亚北部为中心的亚洲低压(印度低压),从而切断了北半球的副热带高压带,从而形成了保留在太平洋上的夏威夷高压和大西洋上的亚速尔高压。平均海拔4000m以上的青藏高原的存在,相当于在盛夏平流层中部增加了一个热源,从而强化了亚洲低压。在副高和亚洲低压的共同控制下,我国形成了世界上著名的季风气候区。台风和西南低涡如同两条无形的河,将热带太平洋、南海以及孟加拉湾水汽向内陆输送。

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1 印度低压与夏威夷高压

台风是源于热带海洋地区的强烈的热带气旋,在西太平洋地区的强热带气旋通常称为台风,但在其他海域多被称为飓风。台风降雨除了影响我国沿海省(区、市)外,登陆后还会深入长江上中游、黄河中游、海河流域及东北地区,只有处于西北内陆的新、青、甘、宁等地基本不受到台风影响。

西南低涡是影响夏季我国大陆降水的重要天气过程,其源头在青藏高原及西南地区的高山地带,对热带海洋水汽向北输送起到了接力传导作用,主要有两大类运动路径。一类是纬向型,在30°N附近,由西南地区东部向东或东偏北方向移动,主要影响长江中下游地区,是江南梅雨期间大暴雨的主要原因。

另外一个是径向型,大概沿110°E附近北上,经过长江上中游、黄河中游,最终进入黄淮海平原地区,是造成我国北方盛夏暴雨的主要天气系统。华北地区的夏季暴雨主要由西南低涡造成的,有时候也会受到台风的影响,特别是燕山、太行山、伏牛山、秦岭以及沂泰山等山地的阻滞作用,降雨中心可能长时期停留在山地迎风坡,从而形成大规模暴雨。台风和西南低涡如同两条无形的天河,能给北方缺水地区带来大量可更新水资源,这是其积极的一方面。某些年份“副高”中心偏东偏南,雨带长期停留在长江中下游,或者异常强大,雨带被推移到黄河上游,都会造成影响华北地区的低涡和台风数量偏少,从而产生大面积的旱灾,甚至经年连旱。但雨季短、降雨集中、强度大,也是我国北方在水资源短缺的大背景下,洪涝灾害连年发生的根本原因。

本次河南特大暴雨降雨中心强度即使不是千年一遇,也是创纪录的,其大气环流形式也极其特殊。2020年夏季太平洋(夏威夷)高压异常强大异常强大,同时西太平洋“副高”偏北,中心处于北纬40°附近的日本海上空。副高西南侧暖湿气流,受到正在发展中的台风“烟花”加速,以及被日本暖流(黑潮)加热增湿,为我国华北地区带来大量水汽;与此同时,伏牛山、崤山、嵩山、王屋山、太行山等山地阻碍作用,加之与北方南下冷空气交汇,在河南中西部上空形成锋面云系。雨区控制淮河上游及黄河中游伊、洛、沁河流域达四五天之久,多站降水创纪录。其中暴雨中心位于郑州市区附近,郑州气象站202071720-2020时,三日累计降雨量达到617.1mm,接近年降水多年平均值(640.8mm),最大降雨强度出现在20日下午,日降雨量(552.m5m)、小时降雨量(201.9mm)都创造了郑州站建站以来的历史记录,同时小时降雨量成为了我国陆上新高。

一般而言,我国北方盛夏暴雨的主要来源或者是副高西北侧暖湿气流,或者是台风深入内陆,但20.7河南特大暴雨为副高西南侧暖湿气流,台风中心尚在千里以外的西太平洋海面,这通常是七八月间华南暴雨的大气环流形式,或者说盛夏东(南)风雨带向北跳跃了超过了10个纬度。


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20207月“副高”中心异常偏北

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20.7暴雨,多站雨量创纪录



当然,随着台风“烟花”发展,与进一步日本海上空副高进一步分庭抗礼,进行水汽争夺,并登陆中国东部海岸,可能会“截胡”副高西南侧东南急流大部分向西北输送到华北地区的水汽,并调头南下,给苦于高温伏旱的华东地区南部带来降温降水。但是,“烟花”的登陆路径也带给了未来淮河流域防洪的不确定性。

淮河流域洪涝灾害频发的根源

淮河流域地处我国南北过渡地带,其降水年际波动更加剧烈,这是水旱灾害频发的根源,同时历史上黄河南泛、夺淮入海,也加剧了淮河流域的洪涝灾害。黄河以“善淤、善决、善徙”著称,郑州以下成为高耸于华北平原上的地上河,黄河两岸大堤成为了淮河、海河流域的分水岭,豫西伏牛山地大部分河流无法流入黄河,只能调头南下,成为淮河北岸支流的源头,这增加了淮河上游的洪水来源。靖康之变后,东京留守杜充“以水当兵”掘开了黄河大堤,使河水南下,从而开始了七百多年夺淮入海的历史,直到清朝中后期才复归于渤海(此后,抗战时期,同样出于军事原因,国民政府在花园口决堤,从1938年到1946年黄河再次由淮河入海入海8年,并在豫东平原形成“黄泛区”)。当然,在新石器时代,即末次盛冰期结束后的全新世大暖期,黄河也可能曾经长期南流,在淮北地区泛滥并塑造了黄淮平原,这可能是淮北地区缺乏新石器时代遗址的原因,也是“共工头触不周山,天柱折,地维绝。天倾西北,地不满东南,水潦尘埃归焉”、“女娲补天”、“鲧禹治水”等神话传说的地质历史背景。大禹治水即反映了新石器时代末期,由于人口增殖、生产力水平提高开始垦殖洪泛平原与河流自由流淌的矛盾。与鲧围着各部落修土围子不同,大禹根据黄河两岸已经南高北低的地形,堵塞了黄河向南分流的岔口,重新规划了向北流入渤海的流路,从而取得了治水成功。黄淮平原也开始发展起来,到春秋战国直到秦汉时期,成为全国农业最发达的地区之一。

由于黄河多沙,在夺淮入海的七八百年时间里,在黄淮平原形成了高耸于地面自然堤,成为了淮河干流与支流沂、沭、泗水的分水岭,并阻塞淮河下游入海水道,大部分河水只能沿运河南下,辗转由长江入海,淮河事实上成为长江支流。同时造成了:(一)沂、沭、泗水难以自流流入淮河干流,沂、泗水下游积水形成骆马湖、南四湖,淮北、鲁西南地区水系紊乱、洪涝灾害频发;(二)淮、运交汇处形成了洪泽湖这一地上悬湖,洪泽湖洪水位高出苏北平原10m,淮河中游蚌埠-洪泽湖河底形成倒比降,干支流排水不畅,对苏北、皖北的防洪都具有极大不利影响。总之,历史上黄河泛滥夺淮入海,加剧了淮河流域的旱涝灾害,留下了大面积沙化、盐渍化土地,是人口稠密的中州大平原地区长期以来贫穷落后,农业产量低而不稳的主要根源。当然,20世纪50年代以来,对淮河流域的治理已经取得了巨大的成绩,在上游山区治理水土流失、兴修防洪水库,在中下游加固堤防、增辟行蓄洪区、排水行洪河道,平原区发展地面灌溉、开采利用地下水,都已初见成效,大片中低产田得到治理,并涌现了一批代表人物。譬如,县委书记的榜样焦裕禄带领兰考人民治理内涝、风沙盐碱三害。目前,河南已经是仅次于黑龙江的全国粮食生产第二大省,周边山东、江苏、安徽也是产粮大省,其粮食主产区也都在黄淮平原上。

但是由于上游暴雨的影响,淮河流域仍然洪涝灾害频繁发生。21号以后,淮河上游地区降雨基本结束,郑州等地的内涝正在有序排除,但不意味着防洪大功告成,地面径流正在向淮河干流汇集,前期没有降雨或降雨较少的豫东和苏皖北部地区防洪压力逐渐增加。特别是台风“烟花”今后的运动轨迹给未来一段时间内淮河中下游防汛工作带来了不确定性。如果其运动路线偏北,外周云系可能给淮河流域带来新一场降雨,并与上游洪水叠加,从而加剧淮河中下游苏皖两省的防洪压力。

难以防御的黄河“下大型”洪水

黄河夏秋季洪水根据来源地区不同,可以分为以三门峡为界的“上大型”、“下大型”、“ 上下皆大型”三种基本类型。其中“上大型”洪水主要来源于三门峡以上的黄河中上游,通过三门峡、小浪底水库及黄河上游水库群调节后,一般不会造成严重灾害,三门峡、小浪底水库对“ 上下皆大型”洪水也有很好的调洪消峰作用。但是下大型洪水一般形成于三门峡-花园口区间,特别是小浪底水库坝下的伊、洛、沁河流域,三门峡、小浪底水库只能进行反调节。但是如果三门峡以上来水不大情况下,即使把水库闸门关死,但小浪底以下的西霞院等枢纽又基本没有防洪能力,对黄河下游平原河段的合成流量也不会有显著影响。同时“下大型”洪水具有涨势猛、洪峰高、含沙量小、预见期短的特点,直冲黄河下游大堤,较其他两种类型的洪水更难防御。本次暴雨过程中在伊、洛、沁河流域产生的洪水,最终汇入黄河,在黄河下游产生了洪峰流量不超过4000m3/s的中常洪水。

城市水殇

本次河南暴雨的洪水另一个特殊情况是,暴雨中心区范围基本在郑州这个总人口(含郊县)1200万、市区城市人口500万以上的中原大都会的上空,从而酿成了严重的城市内涝问题。郑州市区属于淮河流域边缘,城市河湖上游来水面积不大,历来防洪压力来自北侧的黄河。但经过多年治理,黄河防洪能力已经有很大提高,在本次暴雨洪水过程中,黄河大堤也是风平浪静。

本次郑州淹城的原因主要有两个,一是超历史记录的特大暴雨,这是根本原因,另外一个是大规模城市化建设对下垫面的干扰,起到推波助澜的作用。首先是大量不透水面取代了自然地面,增加了地面径流,并使汇流时间缩短,洪峰流量提前,使得城市排水系统更难容纳大暴雨产生的径流。另外,城市化建设中产生了大量负地形和地下空间,如下凹式立交桥、地下隧洞、地下停车场、地下商场和其他人防空间,在暴雨洪水过程中容易发生倒灌,遭到灭顶之灾。另外,地下开采的矿井如果遭遇地表水倒灌或者排水泵站被洪水淹没而停机,也可能发生淹井事故。

实际上,暴雨、内涝对城市和农村造成影响不同。城市更容易出现积水、内涝,这主要是城市化,特别是地面割硬化裂水文循环过程,一方面地表径流系数增加,另一方面雨水被截留难以补给地下水,巨型城市地下水开采量大,地下水采补不平衡,水位持续走低,而在黄淮海河平原农村,50-100mm的日降水很容易入渗了。暴雨、内涝对城市本身并不会造成太大的危害,主要是暴雨和积水造成的城市秩序的混乱,以及人们对这种失序的不适应。相比较而言,农业生产受洪涝灾害的影响更大,但是农业文明的生产生活秩序可以根据天气变化调整。但是城市化、工业化的生产生活是高度有序的,其节奏被自然灾害打乱,必然有失序和损害。但是在特大暴雨面前,人类的工程能力还是非常有限的。人不可能胜天,面对特大洪水,明智选择还是尽量向高处避险。

 

高登义:最近河南特大暴雨成因分析:直接原因是东亚大气环流异常,根本原因是气候变暖





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