“21·7”河南特大暴雨气象和水文雨量观测对比

宝兴华 夏茹娣2)* 罗亚丽2) 徐祥德

1)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081)2)(南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044)

引 言

中国是一个暴雨频发的国家，暴雨引发的洪涝灾害是中国主要气象灾害之一[1-2]。极端降水给国家和社会造成灾难性的经济损失[3-4]。近年强降水事件频次和强度均呈增加趋势，湿润日数和极端日雨量的增加会降低社会经济发展率[5-6]。暴雨的机理研究和预报预警是气象科研与业务重点[7-14]，基于地面雨量站的雨情分析是以上工作的基础。站点观测的时空代表性问题很重要[15-16]，观测资料的有效性和可靠性是天气和气候分析的重要基础[17-18]。作为变化不连续的变量，降水受复杂下垫面(地形、水体等)、对流系统强局地性等因素影响，时空分布差异大，虽然地面站点能够真实记录该位置的降水情况，但存在不能全覆盖的不足[19-20]。站点疏密度及其空间分布、观测仪器精度等也会影响降水记录的区域代表性，即单一来源的降水资料存在不确定性[17]。

降水是水循环的重要环节，水利部门也负有监测职责。水文站网包含雨量监测站，用于监测地面增水，为防汛抗旱、水资源管理服务[21]。由于建站目标、规范标准及业务侧重不同，气象站和水文站布局、观测仪器型号及精度等存在差异[22]。研究表明：气象和水文的地面站点观测降水在时间和空间分布上一致性较好[23-24]，两套资料融合使用可提升雨量站密度，能更真实、准确记录降水的时空变化，有效解决单一降水资料不确定性等问题[25]。此外，作为独立于气象系统的观测资料，水文观测降水还用于评估气象融合降水产品质量[23]。“75·8”河南暴雨的最大小时雨量(189.5 mm)由板桥水库附近的水文站观测得到，而同时段附近气象站记录的最大小时雨量仅为12.5 mm[1,26-27]，这一方面说明降水空间分布的极大差异性，在站点分布稀疏的年代，单一业务观测系统可能无法记录到降雨中心的极值；另一方面说明气象站和水文站观测资料相结合能更真实、准确地记录降雨过程。

2021年7月17—23日河南省发生了一次历史罕见的极端暴雨过程(简称“21·7”过程)，多地出现打破记录的强降水事件，位列中国气象局评选的2021年国内十大天气气候事件第2位。此次强降水过程主要集中在河南省中北部沿山地区，气象站最大过程雨量(17日08:00—23日08:00,北京时，下同)为1122.6 mm(鹤壁市)，最大小时雨量高达201.9 mm(20日16:00—17:00,郑州国家基本气象站)，打破中国大陆小时雨量历史观测记录(1975年8月7日河南林庄，189.5 mm)。“21·7”过程由于持续时间长、累积雨量大、强降水范围广、短时雨强极大，致使郑州、鹤壁、新乡等城市发生洪涝灾害，特别是7月20日郑州市遭受严重的人员伤亡和经济损失[28]。该特大暴雨事件发生后，各级气象部门及时、迅速、多角度开展研究工作：围绕“21·7”过程，分析强降水特征及环流异常性[29]，热力、动力和水汽特征[30]；对于7月20日郑州极端暴雨天气进行基本观测分析[31]，精细观测及热力、动力成因分析[32]，利用数值模式再现降雨的时空演变过程，模拟出超过200 mm的极端小时雨量，并发现对流系统中的γ中尺度气旋性旋转辐合是引发极端小时降水的一个关键因素[33]。梁旭东等[34]使用多源气象观测资料和再分析资料研究“21·7”过程累积雨量的空间分布、逐日演变、降雨极值等情况，从多尺度特征角度探讨此次特大暴雨过程的成因。上述研究的雨情介绍均基于气象观测资料，鉴于单一来源降水资料存在不确定性，有必要通过与水文站观测资料对比全面展示此次极端暴雨过程的雨情。梁旭东等[34]指出降雨主要集中在河南省中北部，先后出现河南省中部(郑州)和北部(新乡、鹤壁、安阳)两个强降雨中心，但该研究未使用水文站资料，降雨细节可能存在不确定性，而且大多数研究[31-34]主要关注郑州市的雨情特征和发生机制，对河南省北部降雨特征分析不足。

因此，本研究利用2021年7月17日08：00—23日08：00河南省气象部门和水利部门两套业务观测系统的逐时地面站点观测降水资料，全面细致地分析“21·7”过程中河南省中北部降雨的时空演变特征，并对比两套业务系统对此次极端暴雨过程雨量观测的异同。此外，将气象站和水文站雨量资料进行融合，总结“21·7”过程累积雨量排名前3位的城市——郑州、鹤壁、新乡的雨情特征。

1 气象和水文降雨观测资料

“21·7”过程降雨主要集中在河南省中北部(图1a和图1b)，由北向南主要包括安阳、鹤壁、新乡、焦作、郑州、开封、许昌、平顶山8个地级市(图1c)。所使用的小时降雨资料分别来自气象站和水文站，气象站包括45个国家级气象观测站和938个区域自动气象站，共计983个，水文站1279个。图1d为本研究所使用的气象站和水文站分布，由图1d可见,气象站和水文站在河南省中北部分布较均匀。气象站和水文站所使用的雨量传感器采集原理相同，均为两层翻斗式结构，但型号、观测精度和更新频率不同：气象站观测仪器的型号主要是SL3-1型翻斗式雨量传感器，观测精度为0.1 mm，更新频率为分钟级；水文站观测设备主要是JDZ05-1型翻斗式雨量传感器，观测精度为0.5 mm，更新频率为1 h[22]。气象站和水文站降雨资料均经过质量控制。

图1 2021年7月17日08：00—23日08：00河南省中北部气象站(a)和水文站(b)累积雨量、河南省中北部及周边地形高度(黑色曲线为河南省界线，细灰色曲线为市界线)(c)，气象站和水文站分布(d)

本文插图中所涉及的行政区域界线基于审图号为GS(2017)3320号标准地图制作，底图无修改。

2 气象和水文降雨观测对比

2.1 过程累积雨量和逐日雨量

2.1.1 过程累积雨量

对比气象站和水文站资料记录“21·7”过程河南省中北部6 d累积雨量和累积雨量及小时雨强的极值情况。由图1a和1b可见，气象站和水文站观测的累积雨量各等级范围基本一致，二者均显示两个大于600 mm的降雨中心分别位于河南省中部和河南省北部。虽然累积雨量排名前10位的气象站和水文站在雨量量级上相差不大(均为880～1150 mm)，但空间分布差别明显，水文站累积雨量排名前10位的站点有7个位于新乡市，而气象站累积雨量排名前10位的站点仅有2个位于新乡市(表1)。水文站累积雨量极值出现在新乡市龙水梯站，雨量值为1073.5 mm，而气象站累积雨量极值出现在鹤壁市科创中心站，雨量值为1122.6 mm，超过水文站极值49.1 mm(表1)。

表1 2021年7月17日08：00—23日08：00河南省累积雨量排名前10位的气象站和水文站

2.1.2 排名前10位小时雨强站

小时雨强排名前10位的气象站和水文站如表2所示。由表2可见，对比单站最大小时雨强，气象站(郑州国家基本气象站，201.9 mm·h-1)的小时雨强比水文站(郑州市经济开发区站，151 mm·h-1)大50.9 mm，但两个站点均位于郑州市，且出现的时间均为2021年7月20日16：00—17：00。对比第2～10位小时雨强，气象站比水文站略大，气象站为130～158 mm·h-1，水文站为127～150 mm·h-1，与气象站相比，水文站偏差为2%～5%，低于国内降雨测量的平均相对偏差(4.34%～15.28%)[35]。虽然空间分布略有区别，但是小时雨强排名前10位的气象站和水文站均有超过半数位于郑州市，6个气象站和9个水文站的小时雨强极值集中出现在20日15：00—17：00。此外，鹤壁市的1个气象站和1个水文站的极值时间均为21日18：00—19：00。可见气象站和水文站对雨强极值的记录在位置和数值上一致。

表2 2021年7月17日08：00—23日08：00河南省气象站和水文站前10位小时雨强

2.1.3 逐日降雨量演变

图2是气象站和水文站记录的逐日雨量演变。由图2可见，气象站和水文站逐日雨量显示相似的时空演变特征：7月17日河南省出现降雨，18日暴雨主要出现在河南省北部，焦作、新乡、鹤壁、安阳局部地区有大暴雨；19日降雨加强，暴雨范围扩大且中心南移，河南省中部发生大暴雨，郑州发生特大暴雨；20日降雨继续增幅，大暴雨中心向北扩展，郑州发生更高强度的特大暴雨，新乡也发生特大暴雨；21日大暴雨中心北移至河南省北部，新乡、鹤壁、安阳出现特大暴雨；22日降雨逐渐减弱结束。特大暴雨主要发生在19—21日，先后在河南省中部(19日08：00—21日08：00)和北部(20日08：00—22日08：00)形成两个特大暴雨中心。虽然气象站和水文站观测降雨的整体时空演变趋势一致，但部分地区雨量存在差异，如18日08:00—19日08:00安阳西部地区雨量为100～250 mm的水文站点多于气象站点。

图2 2021年7月17—22日气象站和水文站逐日雨量

可见，气象站和水文站资料展现“21·7”过程的降雨总体分布和演变特征一致，但由于站点数量、位置、分布密度以及观测仪器的区别，二者存在差异。将河南省中部、北部两个β中尺度强降雨落区(过程雨量大于600 mm)内气象站和水文站的观测分别进行算术平均，对比二者的逐日雨量和过程面雨量，并根据绝对偏差和相对偏差分析二者的系统性偏差(表3)。从中尺度雨团降雨范围进行气象站与水文站雨量对比，可以避免二者因站点分布不同导致单点间不可对比性，实现系统性偏差提取。从整个降雨过程看，气象站和水文站资料存在系统性的微弱正偏差(河南省中部绝对偏差为4 mm，相对偏差为0.6%；河南省北部绝对偏差为0.3 mm，相对偏差为0.04%)，表明气象站雨量比水文站略大；河南省北部降雨的逐日偏差和过程偏差幅度均比中部小，不过即便河南省中部日雨量绝对偏差也不超过10 mm。雨量日相对偏差幅度在强降雨日小于弱降雨日，降雨最强的两日(河南省中部为7月19—20日，河南省南部为7月20—21日)，日相对偏差为-1%～7.1%。对雨量较小的雨日，绝对偏差也较小，但相对偏差可能偏大，这是因为相对偏差是绝对偏差与日雨量的比值。

表3 2021年7月17—22日河南省中部和北部过程雨量大于600 mm的强降水落区内气象站和水文站逐日雨量、过程面雨量以及气象站与水文站雨量的绝对偏差、相对偏差

综上，尽管气象站和水文站雨量极值的空间分布和数值不同，但水文站不同等级累积雨量的范围、逐日雨量演变与气象站非常一致，气象站与水文站在过程雨量大于600 mm暴雨落区内的系统性偏差小于1%(表3)。雨量极值的分布差异说明极端降水局地性强，雨量极值的分布和数值上的差别与气象站与水文站分布的疏密度和数量有关。

2.2 郑州、新乡、鹤壁市雨情

河南省中北部的郑州、新乡、鹤壁是“21·7”过程6 d累积雨量排名前3位的城市(表1)，也是灾情最严重的3个城市。3个城市总体上水文站数量比气象站略多(图3)，郑州有气象站189个，水文站207个，二者融合有363个站；鹤壁有气象站63个，水文站76个，二者融合有127个站；新乡有气象站183个，水文站217个，二者融合有373个站。

图3 2021年7月17日08：00—23日08：00郑州、鹤壁、新乡气象站、水文站和融合累积雨量分布

2.2.1 面雨量

从城市站点平均的逐时面雨量看，郑州、鹤壁、新乡的气象站和水文站雨量演变趋势一致，仅部分时段存在差别(图4)。由城市内气象站和水文站逐日面雨量(表4)可见，尽管雨量有差异，但水文站与气象站雨量逐日演变特征一致。整体上，郑州和鹤壁气象站过程面雨量小于水文站，但新乡气象站过程面雨量大于水文站，鹤壁市的偏差最小，为 3.1%，新乡市的偏差最大，为-7.1%。过程面雨量日偏差与强降水落区的特征相似：在暴雨日，3个城市的气象站和水文站雨量绝对偏差基本上表现为正值，即气象站雨量比水文站略大，且相对偏差基本小于10%；在一般性降雨日，气象站和水文站的雨量偏差性质无明显变化趋势(表4)。

表4 2021年7月17—22日郑州、鹤壁、新乡气象站和水文站逐日雨量、过程面雨量及二者绝对偏差和相对偏差

图4 2021年7月17日08:00—23日08:00郑州、鹤壁和新乡逐时面雨量演变

2.2.2 点雨量

7月20日16:00—17：00郑州气象站小时雨量高达201.9 mm，突破中国内陆小时雨量的历史记录189.5 mm(河南省林庄，1975年8月5日)。由表2可见，7月20日15:00—16:00郑州有4个气象站和6个水文站、16:00—17:00有2个气象站和3个水文站的小时雨量超过125 mm，这是本次过程中短时雨强最强的位置和时段。图5为2021年7月20日16:00—17:00郑州国家基本气象站周边气象站和水文站的小时雨量图。由图5可见，在郑州国家基本气象站周边10 km范围内，2个气象站和4个水文站的小时雨量超过120 mm，说明郑州国家基本气象站附近的雨强很大，该站是郑州市降雨中心。

根据图5选取郑州气象站和水文站的两组代表性站点：一组是最大小时雨量气象站(郑州国家基本气象站)和距离其最近的3个水文站(二七水文站，铁路局水文站和地震局水文站)，以及最大小时雨强水文站(郑州经济开发区水文站)，另一组是第二大小时雨量气象站(尖岗气象站)和距离其最近的水文站(尖岗水文站)。对比逐小时降雨演变和不同时段累积的最大雨量(图6和表5)可见，郑州两组站点的逐时雨量和不同时段雨量存在一定差别，但整体演变趋势一致。20日16：00—17：00(气象站小时雨量极值时段)距离郑州国家基本气象站最近的两个水文站的小时雨量仅为108 mm(二七水文站)和122 mm(铁路局水文站)，说明降水具有强局地性。此外，尖岗气象站和尖岗水文站距离仅为700 m左右，两站逐时雨量和不同时段的累积雨量值差异小，说明气象站和水文站均能记录降雨变化特征。邻近气象站和水文站的雨量偏差与二者的观测仪器及观测标准差异有关，且邻近气象和水文站并非同一地点，降雨的空间异质性也会导致二者记录存在差别。

表5 2021年7月17日08:00—23日08:00郑州国家基本气象站和附近水文站不同时段累积雨量

图5 2021年7月20日16:00—17:00郑州国家基本气象站周边气象站(圆点)和水文站(三角形)小时雨量(深红色圆圈为以郑州国家基本气象站周边10 km的范围)

类似地，分别选取鹤壁和新乡邻近气象站和水文站的降雨观测情况，选取标准是：气象站选择本市最大小时雨量气象站，水文站选择距离最大小时雨强气象站最近的水文站及最大小时雨量水文站。鹤壁选取淇县北阳气象站和南宋庄水文站，二者相距2.9 km。新乡选取牧野乡气象站(最大小时雨量为149.9 mm，21日20：00—21：00)，距离其最近的水文站是新乡水文局站(二者相距2.2 km)，最大小时雨强水文站是新乡市市政府站(小时雨量为126.5 mm)，距离牧野乡气象站距离为4.3 km。对比图6可见，尽管气象站和水文站雨量略有不同，但二者逐时降雨演变趋势、极值发生时间均一致。鹤壁气象站和水文站的小时雨量极值均出现在21日18:00—19:00，分别为130.1 mm和129.5 mm，非常接近。新乡的3个代表站小时雨量极值均出现在21日20:00—21:00，数值上略有差别，牧野乡气象站为149.9 mm，市政府水文站为126.5 mm，新乡水文局水文站为112 mm。

图6 2021年7月19日08:00—22日08:00郑州、鹤壁、新乡代表气象站和水文站小时雨量

3 气象和水文融合资料的暴雨特征

多源资料融合是解决单一资料不确定性问题的有效途径。气象站和水文站对“21·7”过程的降雨记录总体上一致性强，但在累积雨量和雨强极值空间分布和数值上存在差异。本章将气象和水文资料进行融合，展现郑州、新乡、鹤壁3个城市的降雨特征。融合方法是以气象资料为基准，将水文资料融入，规则如下：以γ中尺度下限(2 km)为直径，即以每个气象站点为中心进行半径为1 km的扫描，扫描区内的水文站与气象站的观测平均值作为该气象站点的降雨融合资料值，未进入任何气象站点扫描区的水文站，则作为独立站点对待。通过该方法将3个城市435个气象站和500个水文站的观测进行融合，得到包括863个站的融合降水资料。

利用融合降雨资料可获得郑州、鹤壁和新乡3个城市的暴雨特征(图4和表6)。郑州降雨主要集中在19—20日，最强降雨时段是20日下午，单站最大小时雨量(201.9 mm)出现在20日16:00—17:00，新乡和鹤壁降雨主要集中在20—21日，最强降雨时段是21日傍晚至夜间，鹤壁单站最大小时雨量(130.1 mm)出现在21日18:00—19:00，新乡(149.9 mm)出现在21日20:00—21:00。可见，鹤壁和新乡的最强降雨出现时间分别比郑州晚26 h和28 h；单站最大小时雨量郑州最大，新乡次之，鹤壁最小，而市平均最大小时雨量鹤壁最大(26.2 mm)，郑州和新乡接近(分别是19.0 mm和17.6 mm)；单站日雨量和市平均日雨量、单站累积雨量和市平均累积雨量的极值均为鹤壁最大，郑州次之，新乡最小。

表6 郑州、鹤壁和新乡的气象站、水文站和融合资料的最大小时雨量、最大日雨量与6 d累积雨量

3个城市的暴雨具有以下共同特点：一是累积雨量大。3个城市6 d累积面雨量均超过450 mm，单站最大累积雨量均超过950 mm。以郑州年平均雨量(640.8 mm)为参考，3个城市6 d累积面雨量占年雨量的76.6%～90%，3个城市单站最大6 d累积雨量达到年雨量的1.5倍。二是小时雨量极大。3个城市气象站和水文站最大单站小时雨量均大于130 mm，小时雨量排前10位的9个气象站和10个水文站均位于这3个城市；市单站最大雨量达到本市最大小时面雨量的5～10.6倍(分别是201.9/19.0，130.1/26.2和149.9/17.6)。三是强降水集中、雨强突然增长。3个城市80%以上的降雨集中在2 d内，郑州为7月19—20日，新乡和鹤壁为7月20—21日，大于100 mm的极端小时降雨突发性强，郑州出现在20日下午，鹤壁和新乡出现在21日傍晚至夜间。

4 结 论

降水时空分布极不均匀，单一来源的降雨资料存在不确定性。“21·7”过程的累积雨量大、短时雨强极强，有必要使用其他独立来源的降雨资料验证气象站的降雨极值和雨情演变。本文对比气象站和水文站小时降雨资料对“21·7”过程的雨情记录，并将气象和水文资料融合，分析过程雨量排名前3位城市(郑州、鹤壁和新乡)的暴雨特征。得到以下主要结论：

1)气象站和水文站降雨落区和强降雨中心分布、逐日和逐时的降雨演变趋势均一致，但部分地区雨量和空间分布存在差异。累积雨量和小时雨强极值空间分布和数值存在差异，6 d累积雨量极值气象站出现在鹤壁科创中心(1122.6 mm)，水文站出现在新乡龙水梯(1073.5 mm)，最大小时雨量均出现在郑州，且两个极值站点相距仅约6.2 km，气象站极值为201.9 mm，水文站极值为151.0 mm，二者相差50.9 mm。暴雨中心(过程累积雨量大于600 mm)处气象站和水文站雨量偏差小于1%。可见，气象站和水文站资料均能反映“21·7”过程的降雨情况。

2)气象站、水文站雨量差异与站点数量和分布、疏密度、观测仪器精度有关，降水时空分布的不均匀性也会导致气象站和水文站记录不一致。

3)气象站和水文站资料融合能够更细致地展现降雨演变特征。融合资料可以弥补单一来源资料的不足，提高空间分辨率，更准确地反映“21·7”过程实况。

4)基于气象站和水文站融合资料展现“21·7”过程降雨中心的3个城市的雨情。2021年7月19—20日降雨主要集中在河南省中部郑州附近，最强降雨时段出现在20日傍晚；20—21日降雨中心向北扩展到河南省北部的新乡和鹤壁，最强降雨时段出现在21日傍晚至夜间；3个城市的暴雨均具有累积雨量大、小时雨强极强、强降水集中、雨强突然增长的特点。