城市暴雨灾害影响及气象服务技术综述与案例分析

连治华，王维国，王莉萍，薛建军

(国家气象中心，北京 100081)

0 引言

伴随国民经济的发展，我国的城市化进程日益向前推进，城市数目增多、规模扩大，城市人口数量迅速增长。据国家统计局人口普查统计结果显示，1990年全国城镇人口占总人口的比例为26.4%，2000年增加到36.09%，2017年已达到58.52%，城镇常住人口达81347万人。与之相应地，大量社会财富和经济活动也更加集中于城市，2017年社会固定资产投资中有96%集中于城镇。城市不仅是经济、政治、文化活动的中心，还是商业、制造业、旅游业活动的中心。

虽然城市防灾能力一般较强，但由于人口和社会财富集中，发生同等强度的致灾性暴雨事件时，城市遭受灾害的人口将会更多、社会损失更加严重。研究表明，就全国平均而言，我国总的降水量变化趋势不明显，但雨日显著趋于减少。降水总量不变或增加但频率减少意味着降水过程可能存在强化的趋势，意味着中国的极端降水事件趋多、增强，尤其在20世纪90年代，极端降水量比例趋于增大[1]。同时，密集的建筑群和不断增加的人口，尤其是盛夏时节，空调、汽车尾气更加重了热量和气溶胶的排放，使城市温度高于郊区，形成“热岛效应”。近地面空气加热后，大气不稳定度增加，对流活动增多；城区空气中凝结核较多，有利于雨滴的形成；城市的下垫面粗糙度大减慢了降水天气系统的移速，延长城区降水时间，形成“雨岛效应”[2-5]。这成为诱导和强化城市暴雨的因素之一，特别是在汛期，容易使城区出现大强度的降雨，造成城市区域性内涝，并由此影响到城市交通运输、供水供电、经济运行和居民生活等多个方面。

另外，城市规模日益扩大，绿地、湿地、空地日益减少，城市不透水的硬地面面积不断扩大，雨水的渗透能力大大降低，破坏了自然界的水循环，使得出现暴雨事件时，降水迅速在城区汇集，形成内涝。加上不少城区在建设时“重地上轻地下、重建设轻规划”，造成地下排水系统设计标准过低，还因缺乏监管，造成有些排水系统出现堵塞现象，老旧排水设备不能及时更新或没有及时改造，以至于跟不上城市规模扩大的步伐，从而导致城市承灾能力的脆弱性越来越突出，这更加剧了城市内涝的情况。

鉴于此，每当出现城市暴雨天气，政府、公众和媒体都会给予广泛关注，尤其是发生在我国一些主要大城市的暴雨灾害事件引起的反响极大，同时也暴露出城市在应对暴雨灾害时存在薄弱环节。如何通过及时有效的气象服务手段，降低或避免城市暴雨灾害，为防灾减灾做贡献，成为值得思考的科学问题。本文通过收集整理近十年的城市暴雨致灾事件，对暴雨灾害特征进行分析，并从国家级实际业务工作的角度出发，对城市暴雨气象服务的特点和应对策略进行了总结分析和探讨，以2017年6月21日至24日北京地区暴雨过程为例，分析当时的决策气象服务和公众气象服务，探讨得失，总结经验，旨在不断提高气象服务的质量。

1 城市暴雨灾害特征分析

根据灾害链理论，自然灾害事件的发生和发展并非彼此独立，相继发生的灾害在时间和空间上都存在着一定关联。由一种灾害引发或导致另外一种灾害发生，从而使得灾害的发生具有链式效应，这样的现象称之为灾害链[6-9]。城市暴雨灾害同样具备这种链式特性。通过搜集整理2008—2017年城市暴雨灾害事件(部分事件见表1)可以发现，由于城市排水不畅，造成城市大面积的积水，继而产生民居进水、车辆抛锚或水淹、交通拥堵、下水道堵塞、城内河道漫溢、地铁线路停运、电力、供水和通讯系统受损等一系列灾害。尤其城市“电、水、气”和城市道路交通、轨道交通等城市生命线系统在城市地区呈现纵横交错的复杂网络结构，这种网状分布形态体现一种“风险暴露”，即某个结点出现故障导致城市生命线网络无法正常运营，都会给城市地区的居民的生产及生活带来灾难性影响。同时，地下管网的排水不畅，加上部分路段落差(坡降)大，容易出现瞬间涨水的情况，且积水深度往往较深，而目前小轿车排气管口设计普遍在26～33cm，轿车通过这些积水低洼路段时，轻则出现轿车水中熄火，重则造成交通拥堵，甚至人员伤亡。而经济越发达的城市，一旦发生内涝，其社会影响越大，承灾体的脆弱性越显著。

表1 2008—2017年部分城市暴雨灾害事件

续表1

日期城市灾情2015-08-07北京延庆、朝阳、海淀和丰台等地出现短时积水断路情况,23处道路出现积水,泡车69辆,首都机场进出航班延误991架次,取消125架次。2016-07-20北京昌平区沙河北大桥程远青年公寓小区积水已超1m,停水停电;密云水库出现1998年以来最大洪峰流量;首都机场进出航班取消212架次,164条公交线路采取甩站、绕行、停驶等措施。据北京市民政局核查结果,受灾人口5.3万人,7500余人紧急转移安置;600余间房屋倒损;直接经济损失8400余万元。2017-06-21～24北京强降雨导致京津冀三地航班延误或取消,北京首都国际机场取消航班超500班,南苑机场关闭,部分城区低洼路段积水严重,昌平、怀柔、延庆等郊区房屋倒塌或损坏。据北京市民政局核查结果,受灾人口8594人,紧急转移人口8247人,基础设施损失164万元,家庭财产损失63万元。

因此，暴雨引发的城市内涝是造成城市气象灾害的主要因素。城市建筑、道路、 通讯、电力等基础设施的毁坏是灾害的直接表象；交通堵塞(中断)、机场航班延误、高速公路封闭、生产生活等受到影响是灾害的间接影响；城市结构不合理、 灾害防御能力不足、车辆和人口拥挤等因素使灾害进一步加重。

2 城市暴雨气象服务概况及服务产品

2.1 城市暴雨气象服务概况

气象服务是基于社会政治、经济的发展及人民生活水平的提高而逐渐发展起来的。城市暴雨气象服务是其中不可或缺的一部分，尤其对于全国重点城市，由于其人口密度大、经济发展程度高，发生暴雨灾害造成损失的风险高，气象服务更是成为防灾减灾必不可少的重要环节。同时，按照服务对象的不同，可分为城市暴雨决策气象服务和公众气象服务。城市暴雨决策气象服务是指为党中央、国务院、各级政府及有关部门在处理城市暴雨事件时作出科学决策所必需的气象信息和对策建议，这是一项关系到社会稳定、经济发展和人民生命财产安全的全局性、综合性、前瞻性和高层次的气象服务；公众气象服务是指通过网络等传媒手段，为社会大众提供对暴雨预报、实况及影响等气象信息、气象科普的气象服务[10-13]。

城市暴雨可能发生在一次区域性的暴雨过程中，也可能是局地性的强降雨过程。为使服务更具针对性，气象部门应以距离暴雨发生城市最近的气象部门作为提供服务的主体。但对于覆盖面广的区域性暴雨过程中出现的城市暴雨，就涉及国家级气象部门服务的范畴。本文主要探讨国家级气象部门为城市暴雨过程所提供的气象服务。从国家级气象部门的角度出发，主要关注过程性、区域性的强降雨过程，服务时注重点面结合，当降雨有可能对省会等人口密度大、经济发展程度高的重点城市造成不利影响时，会在总体服务中个别突出，尤其对于北京这类重点、敏感城市，服务时会更加细致。

2.2 国家级气象部门气象服务产品及内容

目前，决策气象服务的方式主要为向政府及相关部门提供决策服务产品。常规的国家级决策气象服务产品包括《重大气象信息专报》《气象灾害预警服务快报》《两办刊物信息》《重要天气过程回顾》等。当预报某区域将有强降雨天气过程并将产生灾害性影响时，首先制作《重大气象信息专报》上报党中央、国务院及相关部委，相较于《气象灾害预警服务快报》和《两办刊物信息》，其重要程度更高，审核、签发流程最复杂，需要层层把关，产品从制作到完成需要花费更长的时间。作为暴雨过程的首次报送产品，其预报时效也更长。《气象灾害预警服务快报》和《两办刊物信息》作为辅助性产品，当暴雨过程开始后，提供滚动更新降雨实况信息和最新预报预警情况，具有“短、频、快”的特点，但两者的报送对象稍有不同，其中《两办刊物信息》主要报送中共中央办公厅和国务院办公厅(以下简称中办、国办)，《气象灾害预警服务快报》除报送中办、国办外还需报送水利部、交通部等各相关部委。暴雨过程结束后制作《重要天气过程回顾》对整个暴雨过程进行总结、存档，可为以后的工作提供支持。此外，决策服务产品还包括中办和国办约稿等，是根据来自上级部门的指令性要求专门为其制作的产品。

决策气象服务产品以内容为支撑，为求最佳的服务效果，在内容上要在力求准确的同时，做到文字精炼、通俗易懂，并在大部分的产品中配图表，图文并茂，增加可读性，提高服务效果。其中，常规的暴雨决策气象服务产品文字部分主要包括3方面的内容：(1)过去时段的降雨实况信息，包括降雨范围、强度等信息，其中具体时段根据降雨情况酌情判断；(2)预报预警情况，包括降雨持续时间、强度等；(3)基于预警预报的内容可能造成的城市内涝、交通拥堵等灾害影响，提出具有针对性的关注建议。

公众气象服务主要通过微博、微信等新媒体手段来向公众传播气象信息，国家级公众气象服务产品还有《每日天气提示》，为每天早晨定时制作的产品，在中央气象台网站发布，并发送给中国气象局网站及各大主流媒体。

3 城市暴雨气象服务的阶段性特征及应对策略

一次城市暴雨天气过程服务主要分为三个阶段：暴雨发生前、暴雨发生时以及暴雨发生后。针对每个阶段，气象服务的侧重点都有差异。(1)暴雨发生前，根据预报情况，提前将暴雨发生的区域、影响范围、影响时间及可能出现的灾害报告政府、领导等决策层，尤其对于暴雨可能对重点大城市造成的不利影响，在预报内容中突出降雨性质(持续性或阵性)、降雨重点影响时段、累计降雨量和小时雨强，并关注是否伴有局地雷雨大风、冰雹等强对流天气，并以此为基础提供城市防范应对措施和建议，当灾害临近时还要提醒公众注意灾害防范。(2)暴雨发生时，及时将实时、滚动监测的雨情、灾情消息，以及更新的预报预警信息报告决策部门，并对服务策略做出相应调整，包括决策服务产品的报送频次、报送方式等，对已出现的雨情、灾情进行评估，向决策部门报告，供决策参考；公众服务此时需及时跟进，保持与媒体的联系，并注重加强与网友互动，发布及时有效的预报预警信息和科普避险知识等。(3)暴雨发生后，决策气象服务需注重总结评估暴雨过程及预报预警服务的评价。总体来说，气象服务呈现逐步升级、层层推进的服务模式。

值得注意的是，在暴雨过程发生前期，根据影响系统天气尺度的不同，数值预报的可预报性存在很大差异。例如，对于大尺度、系统性的降水过程，可以提前数日捕捉到降水信息，但对于局地性、小尺度的降水过程，很难做到提前预报，只能依靠短时临近预报预警技术和实时跟进服务，服务时常跳过第一阶段，直接进入暴雨发生时的服务状态。这就造成了开展气象服务的时机和方法不尽相同。

另外，目前很多数值预报产品都已面向公众公开发布，而大尺度降水的可预报性相对较高，造成对气象行业感兴趣的人员也可以通过分析这些预报产品，获取降水预报信息。在这个“全民发布”的互联网时代，人人都可以做信息的传播者，因此气象部门之外的个人也可以将获取到的预报信息以科普分析的形式发布出去，这类信息仅代表个人观点。但由于传播广泛，造成的影响不容小觑，尤其当这些信息发布者为博取公众的关注度，刻意在用词上对关键信息进行夸大处理，造成公众在认知上产生误解时，就要求气象部门及时发出权威的声音，正确引导舆论方向。

因此，如何适时把握服务的关键节点，控制服务的节奏、及时处理服务中出现的突发状况成为服务的难点。

4 城市暴雨气象服务案例分析

本文以2017年6月21日至24日北京地区暴雨过程为例，分析城市暴雨气象服务在暴雨发生的前、中、后期的一系列服务情况，并对决策气象服务材料上报的时间节点、服务内容和形式做了梳理(表2)。

4.1 过程特点及致灾情况

2017年6月21日至24日，京津冀及周边地区出现强降雨过程，北京大部地区出现暴雨(覆盖面积占全市77%，图1)，部分地区大暴雨，全市平均降雨量达到92mm，共有156个站雨量超过100mm，其中怀柔区九渡河降雨量达199.7mm，为本次降雨过程最大降雨量，昌平和汤河口刷新了6月下旬日最大降水量历史极值。北京地区降雨持续时间为66个小时左右，明显长于2016年“7·20”暴雨、2012年“7·21”暴雨过程；呈现出两个阶段性特征，21日傍晚至夜间为雷阵雨，22日白天开始转变为稳定性降雨，小时雨强普遍不足20mm(小于2016年“7·20”暴雨的56.8mm/h和2012年“7·21”暴雨的100.3mm/h)。根据《降雨强度过程等级》评定，本次过程强度排在2010年以来的第8位。

此次城市暴雨过程造成大面积的航班延误或取消、机场关闭、城区部分低洼路段严重积水、郊区房屋倒塌等影响，但由于雨势相对平缓、预报服务准确及时、防灾减灾应急服务保障工作到位，总体灾害影响较轻。具体灾害影响见表1。

表2 2017年6月21日至24日北京地区暴雨过程决策气象服务产品

图1 2017年6月21日—24日北京地区累计降雨量实况图Fig.1 Precipitation observation chart in Beijing area from Jun.21 to Jun.24, 2017

4.2 气象服务情况及面临的问题

4.2.1 城市暴雨过程的前期预测研判

针对2017年6月21日至24日北京地区暴雨过程，中央气象台从6月18日起开始密切关注天气形势变化，并在早间全国天气会商时与相关地方气象部门进行讨论；下午，国家级决策气象部门在向各省级气象系统下发的《每周决策气象服务重点提示》中指出，“东北、华北地区多雷阵雨天气，关注18-20日、21-23日局地较强降雨及强对流天气影响”，立足全局，将华北地区的降雨天气纳入关注重点(表2)。《每周决策气象服务重点提示》每周1期，作为中央气象台指导省级气象服务及与各省级气象部门互动的纽带，使上下级气象部门得以同步应对此轮强降雨过程。但由于为时尚早，预报还存在不确定性，信息的传播范围还仅限于气象部门内部，对于预报结论还需继续斟酌、商讨。

但在移动互联网快速发展的背景下，微博、微信等新媒体平台用户人数的膨胀式发展，使信息的传播更加快捷。19日，微信公众号为“中国气象爱好者”的微信文章《六年来最大的冷涡暴雨即将光临京津冀！你一定要准备好！》(实际暴雨强度不如2012年“7·21”、2016“7·20”的暴雨过程)，标题耸人，描述夸张，尤其当内容中的降雨预报涉及北京这类较敏感城市时，一经推出立即引起社会各界的极大关注，阅读量过万，也在很大程度上造成了公众不必要的恐慌，特别是在很多人仍对北京2012年“7·21”暴雨过程记忆犹新时。为此，针对网络舆情，中国气象局、中央气象台官方微博、微信相继辟谣，不仅面向公众发布权威预报结论，还针对这次过程的降雨特点进行了深入浅出的科普讲解。同时，北京市气象局联合北京市网信办连发数文，建议公众从正规渠道获取气象信息，并对网络谣言进行规范和管理。

20日，国家级决策部门制作《重大气象信息服务专报》上报党中央、国务院，明确指出“21日至24日华北地区将出现区域性暴雨 北京地区将有暴雨强对流天气”，不仅对降雨的范围、强度及重点关注时段进行了详细分析，还对华北、东北等地前期的旱情进行了分析，对于可能诱发的城市内涝、山区险情等做出预估，为决策层科学指挥防汛工作、提前做好灾害防范准备提供参考信息。

这次服务从一开始就打破了传统的“气象服务决策先行”的惯例，从此决策气象服务和公众气象服务之间不再仅仅是服务起始时间的差异，服务的关注点和效益才应该是二者最本质的差异。决策气象服务更加注重预报的定量分析，关注可能造成的灾害影响，以便为政府部门提供有针对性的防灾减灾建议，而公众气象服务需要实时监测舆情消息，把握舆论动态，及时发声，正确引导舆论走向，提高气象部门公信力，面向社会传递预报信息。

4.2.2 城市暴雨过程期间实时监测滚动服务

(1)及时启动应急响应和卫星加密观测。针对这次降雨过程，中国气象局于6月21日18时启动重大气象灾害(暴雨)Ⅲ级应急响应，北京、天津、河北等地也随之启动暴雨应急响应，21日20时至23日20时风云2F气象卫星针对北京及周边地区进行了每6分钟一次的加密观测。中央气象台先后发布暴雨预警和强对流天气预警20期；北京和周边省市共发布暴雨等预警信息1867条，通过国家预警发布系统向预警发布责任人发布信息约72.3万人次。起到早提醒、早准备、早防范的作用，确保人民群众生命财产安全。

(2)紧密跟踪监测雨情灾情，及时上报服务材料，调整对策建议。国家级决策部门加强实况雨量监测以及灾情的收集整理，滚动更新降雨实况及预报、预警情况，制作文字、图形材料报送党中央、国务院及相关部委，做到气象部门与各部门间的联防联动。21日18时，预报“21日傍晚到夜间，北京大部地区有雷阵雨……22日为降雨最强时段”，提出了需重点关注的降雨时段，以及需防范城乡积涝、强对流天气的建议。当日21时，继续加强实况信息的报送，涉及降雨范围、强度和雷暴大风、冰雹等强对流天气实况。22日8时，随着降雨将进入最强时段，预报内容更加精细化，“22日10时前北京大部有分散性阵雨……11时左右开始降雨逐步明显，午后开始到夜间对流增强……”，预报时效、降雨特征的预报更加细化，为决策部署提供有力依据。23日7时，给出过程总体降雨情况、极值分布、主降雨时段等信息，提出“23日降雨持续，累计雨量5～20mm，24日夜间降雨基本结束”。期间，共制作《两办刊物信息》3期、《气象灾害预警服务快报》1期(见表2)，内容涵盖最新降雨实况、灾情、预报预警信息，适时调整对应的防灾减灾建议。服务过程体现层层推进，实况滚动更新，临近预报更加精细化，服务更加细致。另外，22日接到中办约稿任务，22日至24日一天两次(10时和16时)定时向中共中央办公厅报送北京及周边地区的降雨预报、预警及已经出现的降水和影响情况，将最新情况第一时间送到中央领导案头。与此同时，中央气象台还通过《每日天气提示》《重要天气新闻通稿》、微博、微信向公众滚动发布最新预报和雨情信息，提醒公众关注天气情况，合理安排出行。

4.2.3 城市暴雨结束后及时评估总结

作为一套完整的气象服务，过程结束后国家级决策部门需要对其进行评估总结。6月24日国家级决策部门以《重大气象信息专报》的形式，对北京的这次暴雨过程的降雨情况、降雨特点以及对旱情、农业、湖库蓄水等的影响和灾情进行了较为客观的评价，并与2016年“7·20”和2012年“7·21”北京两次暴雨过程进行了对比分析，上报党中央、国务院。这不但可以让决策层及时掌握降雨情况和影响状况，也为社会全面解析和正确理解暴雨事件、为政府今后的防灾减灾工作提供参考依据。

4.3 服务过程中的经验和不足

4.3.1 成功经验

(1)打破“气象服务决策先行”的惯有模式，公众气象服务先于决策气象服务发布降雨趋势预报，对公众进行科普，正面回击网络谣言，正确引导舆论导向，取得服务的主动权。

(2)决策服务讲究服务策略，步步跟进。在暴雨过程发生前，双重考量预报准确度和防灾减灾准备时间，选择最佳时机上报预报服务材料，掌握服务的节奏。在暴雨过程发生时，逐渐增多服务频次，滚动更新实况和最新预报预警情况，预报逐渐精细化。过程结束后，对降雨实况、降雨特点、灾情以及对旱情、农业等方面的影响做全方位的总结评估，为今后的防灾减灾工作提供参考。

4.3.2 不足

(1)应急响应期间启动了卫星资料的加密观测，但资料的利用率并不高，需继续加强卫星资料方面的研究，提高预报的准确度。同时，加强卫星资料可视化方面的解析能力，图形产品更加生动、多样化，使面对公众的科普更加直观。

(2)本次服务中的灾害影响预报，还主要是基于致灾因子的分析，需继续加强致灾因子和承灾体关系方面的研究工作，继续向基于影响的预报方向迈进。

5 城市暴雨气象服务思考与建议

(1) 打破“气象服务决策先行”的惯有模式

为保证气象信息的准确性、权威性，气象服务一贯秉承“决策服务先于公众服务”的模式，政府部门需先于公众获取第一手气象预报、预警服务信息。但随着互联网技术的发展，微博、微信等新媒体的用户人数呈“井喷”式增长，信息传播进入“全民发布”的时代，公众获取和传播信息的方式更加简单、快捷，气象部门不再是公众获取气象信息的唯一来源。而决策气象服务为保证预报的准确度，为政府部门制定的防灾减灾方案提供更加有效的参考依据，势必会压缩预报的提前量，造成预报信息早于气象部门在网络上大肆传播的局面，而使气象服务处于被动的位置。因此，传统的“决策先行”的模式在互联网大发展时代不再适用。公众气象服务可先于决策气象服务对公众发布提前10～20天的中长期预报，就大体的天气形势做定性的描述和科普解析，提高公众对于未来天气变化的认知能力，做好舆论引导工作。决策气象服务更加注重预报准确度，如具体的降雨强度、影响范围等做出定量分析，关注可能造成的灾害影响，以便为政府部门提供有针对性的防灾减灾建议。

(2)加强城市暴雨灾害预评估能力

城市暴雨灾害的预评估能力是决定城市暴雨决策气象服务好坏的重要因素之一，直接影响决策服务的“含金量”，也影响着决策层对防灾减灾的部署。提高城市暴雨灾害预评估能力，一方面需做好暴雨灾情数据的收集整理工作，对暴雨过程进行总结评估，客观评价暴雨灾害，建立历史灾情数据库、暴雨气象服务案例库，可为决策气象服务提供相似案例作为决策参考依据，并借鉴吸收以往的服务经验、取长补短，更有效地发挥决策服务在防灾减灾中的作用；另一方面需加强致灾因子危险性、承灾体脆弱性等方面相关关系的研究工作，为暴雨灾害影响预判提供科技支撑。此外，在暴雨过程结束后，对降雨影响做全方位的总结评估，为今后的防灾减灾工作提供参考。

(3)加强天气实况监测能力和预报不确定性评估机制

在暴雨过程发生时，除了要继续利用好传统的基于地面观测站的雨量实况数据，还需注重发挥风云四号等气象卫星、新一代雷达产品等在决策服务和公众服务中的效用，实时、滚动监测天气实况，使决策者和公众及时了解降雨现状、影响及未来趋势变化，为决策者更好的制定或调整下一步的工作部署打下基础，为公众合理安排出行计划和生活、规避风险提供贴心服务。

暴雨预报的准确度是研判暴雨致灾可能性和严重性的关键因素，对气象服务的效果起着决定性作用，需不断改进数值预报模式，提高预报的准确度和精细化水平。但预报不可能做到绝对准确，需要建立预报不确定性的评价体系，开展定性甚至定量的评估工作，为气象服务提供参考依据，提升气象服务效益。

(4) 完善城市气象灾害应急预案细则，加强部门间的联防联动和信息共享机制

暴雨的致灾影响涉及市政、交通、电力等多个部门，需要以政府为主导，继续完善城市气象灾害应急预案的细则，建立气象部门与各相关部门间的联防联动机制，促进部门间的信息快速传递和共享机制，有利于气象服务更加细致、准确、到位，提高防灾减灾效益。同时，还需加强中央和地方气象部门间的上下级联动，通过视频、电话等会商手段，建立良好的沟通渠道，做好预报服务工作。