郑州市“7·20”特大暴雨时空分布特征分析

赵贵章，王绿丹，肖 航，宋 钢，李鸿源，曹思佳

（1.华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南 郑州 450046；2.河南省水文水资源测报中心，河南 郑州 450003）

近几十年来，我国的城市化进程发展迅速，城镇化集中，城市自然水文条件也发生了明显的变化。随着全球气候变暖、气候变化的加剧，极端天气气候事件频繁发生，不仅造成严重的经济损失、人员伤亡、城市内涝、地质灾害和洪涝等次生灾害的发生，而且严重威胁着城市交通网的正常安全运行和人民生命财产的安全，严重制约了城市的有序发展。如2012 年7 月北京发生了极端强降雨事件，全市平均日降雨量达190.3mm（24h）-1，致使数十人伤亡[1]；2020 年广州市“5·25”特大暴雨，对城市的各项经济发展造成了极大的影响[2]。

近年来，对于极端暴雨和短时强降雨发生的气候学研究逐渐增多。王振亚等[3]分析了郑州“7·20”特大暴雨降水特征及其内涝影响，得出河南郑州“7·20”特大暴雨是一次极端强降水天气过程，是造成郑州市主城区严重城市内涝的主要原因的结论。皋云等[4]分析了镇江市降雨场次划分与暴雨特性，得出镇江市汛期暴雨次数、暴雨量均呈增加趋势，暴雨集中度增强，不同强度的暴雨中，弱暴雨占比最大的结论。付超等[5]分析了2010—2016 年江西省暖季短时强降水特征，符娇兰等[6]研究了“16·7”华北极端强降水特征及天气学成因，得出此次降水过程主要是暖云降水引起的，局地小时降雨强度强而且具有明显的地形降水特征，短时强降水特征明显。

通过对此次郑州市的极端强降雨事件及强降雨的时空分布特征分析研究，初步探讨极端强降雨的频次与强度和地形、水汽、城市化进程等的关系，以期为郑州市的极端强降雨预警预报提供参考[7]。

1 研究区概况与数据来源

郑州市位于河南省中北部黄河中下游分界处，在东经112°42′～114°14′、北纬34°16′～34°58′之间，地形总趋势是西南高、东北低，处于我国南北气候过渡带和山地、丘陵到平原的地貌过渡地带，属于温带大陆性季风气候，夏季比较炎热，降水集中，具有四季分明的特点。

本文采用2021 年39 个气象观测站（站点分布图如图1 所示），包括荥阳、巩义、郑州市区、中牟、新郑、新密、登封所在地区经过质量控制的降水资料。主要从气象学、统计学角度出发，利用ArcGIS 制图软件分析郑州市强降雨的时空分布特征，采用Excel等数据分析软件分析该地区强降雨的变化特征。

图1 郑州市站点分布图

2 结果与分析

2.1 不同时间尺度时空分布特征

2.1.1 年际时空分布特征

郑州市分属淮河和黄河两大流域，是洪水灾害危险程度比较大的区域。郑州市近5 年降雨量的年际变化图如图2 所示，整体上2017—2020 年降雨量的波动幅度比较平稳，年均降雨量维持在600mm 左右，2021 年降雨量急剧增大。主要原因为2021 年7月17—23 日郑州出现了一次持续时间长、累计雨量大、影响范围广的极端强降水事件。

图2 郑州市2017—2021 年年均降雨量

图3 郑州市2021 年降雨量分布图

2.1.2 年内时空分布特征

郑州2021 年降雨量在空间上呈现明显的梯度变化，总体上呈现中部多、东西部少的特点。暴雨主要集中在7—9 月。本文主要研究郑州7 月17—23日的降雨特征。

分析2021 年整年降雨量分布特征，柱状图表示各个区2021 年平均降雨量图，从柱状图上可以看出，二七区、中原区的降雨量最大，依次是荥阳市、新密市、巩义市、新郑市、登封市和中牟县。2021 年郑州市主城区降雨量表现为中部偏多、向东西部逐渐减少的特点。

2.1.3 强降雨时段时空分布特征

2021 年7 月17—23 日郑州市区出现了历史罕见的特大强降雨，全市出现暴雨及以上量级的强降雨，尤其是7 月20—21 日，小时降雨量和单日降雨量均超过郑州市有记录以来的历史极值。其中郑州主城区常庄气象站7 月20 日15—16 时降雨量达到192.1mm，郑州西部、西南部短历时强降雨出现频繁，但降水强度弱于主城区。从图4 可以看出17—23 日各个地区累计降雨量大小，总体上呈现中部多、东西部少的特点。郑州主城区累计降雨量最大，均在791mm 以上，二七区的尖岗站点累计降雨量最高可达989.3mm。东西部地区累计降雨量低于407.6mm，主要集中在中牟县和登封市。

图4 郑州市7 月17-23 日累计降雨量分布图

郑州7 月20 日出现极端强降雨，图5 为郑州市20 日8 时—21 日8 时累计降雨量，根据中国气象局规定，24 小时降雨量大于50mm 为暴雨，由图可知24 小时累计降雨量均大于50mm，其中降雨量大于250mm 为特大暴雨，出现在郑州主城区、巩义市、新密市、荥阳市的各个站点。主城区的降雨量最大，向外扩展，降雨量逐步减小，总体上降雨量还是呈现出中部多、东西部少的特点。

2.2 空间分布特征

2.2.1 7 月17—23 日空间分布特征

如图6 所示，共选取了郑州比较典型的6 个站点，6 个站点贯穿东西，降雨量是先增大后减小，中部降雨量大，东西部降雨量小，位于郑州中部的牛王嘴庙降雨量最大，位于中牟县的邢庄站点降雨量最小。分析图7 可知，共选取了郑州比较典型的5 个站点，5个站点贯穿南北。降雨量也是先增大后减小。其中位于二七区的尖岗降雨量最大，降雨量可达到989.3mm。随着位置的南移，降雨量逐渐降低，最低为位于新郑市的周庄，降雨量为417.5mm。总体来说降雨量是中部大，东西部少，北部大南部少。通过对郑州市7 月17—23 日降雨量东西向、南北向站点图的分析可知，主城区为此次降雨最强的暴雨中心。

图6 郑州市东西向累计降雨量空间分布图

图7 郑州市南北向累计降雨量空间分布图

2.2.2 7 月17—23 日降雨中心变化特征

通过Arcgis 软件使用反距离权重插值方法对郑州各地区的降雨数据进行插值[8]，生成的覆盖郑州市降雨量数据如图8 所示，从图中可以看出7 月17日降雨中心在登封市，7 月20 日最强降雨中心位于郑州主城区的尖岗和常庄，7 月22 日降雨中心在中牟县。7 月19—20 日的降雨量最大，7 月20 日降雨量最大的为二七区的尖岗，可达719.3mm。降雨中心自7 月17 日开始由西向东移动，由南向北移动。

图8 郑州市7 月17—22 日降雨中心图

2.3 影响因素

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[9-12]。郑州市的极端强降水小时和单日降雨量明显高于周边的其他地区，呈现出明显的局地性，这与地形的增幅作用有明显的关联性。郑州市地形比较复杂，总趋势是西南高、东北低。河南省的东部存在一支较强的偏东风急流，使得水汽向郑州市不断汇集，最远到达郑州西部的嵩山山脉。而这支偏东风急流在北部遇到太行山脉时，受地形的阻挡而向南偏转，汇向郑州地区。与此同时，郑州南部也存在一支沿伏牛山脉北上的偏南风气流。郑州市西部为山脉所阻挡，而东部、南部和北部均有明显的低空气流流入，为形成暴雨的上升运动、水汽辐合提供了极其有利的条件[13]。郑州市受“烟花”和“查帕卡”双台风共同影响；河南中部存在3 支气流并且气流携带大量水汽汇集在郑州市区；多尺度天气系统的相互配合，都是导致郑州市区特大暴雨过程发生的重要原因[7]。

城市化进程迅速发展使得强降雨的频次和强度增加，常常伴随暴雨洪涝灾害的发生，城市水文效应明显加剧，在全球气候变暖、城市化发展加速的情况下极端暴雨天气频发[14]。

土地利用类型的变化在一定程度上反映着城市的发展水平和进程。随着城市化进程的加快，存在优质耕地被过多占用、土地利用效率低下等问题。这些都是导致主城区降雨量高于郊区的原因[15]。

郑州市此次强降雨特征和7 月20—21 日主城区出现特大暴雨高度吻合，说明城市化使强降雨的频次和强度增加。

3 结论

本文通过分析2021 年7 月17—23 日强降雨时空分布特征及影响因素，期望为今后极端强降雨预报预警提供参考，避免造成重大人员伤亡和经济损失。

（1）郑州7 月17—23 日出现的极端强降雨事件，此次强降雨出现的时间主要在7 月20—21 日，24 小时最大降雨量可达719.3mm，接近郑州全年降雨量，是一次持续时间长、累计雨量大、影响范围广的极端强降水事件。

（2）降雨中心自7 月17 日开始由西南向东北移动。7 月20—21 日主城区的降雨量最大。

（3）郑州市强降雨是由地形因素、水汽因素和环流背景因素共同作用的结果，因此合理制定土地利用方式，可以在一定程度上缓解降雨引发的城市内涝和洪水等灾害■