华北平原极端暴雨洪水事件共性机制探讨及对策建议
2023年7月29日至8月1日，受超强台风“杜苏芮”深入内陆影响，京津冀地区遭遇特大暴雨，海河发生流域性特大洪水，有22条河流发生超警以上洪水，8条河流发生有实测资料以来的最大洪水，大清河、永定河发生特大洪水，是1963年以来海河流域最大的场次洪水，受灾人口超过500万。
究其原因，超强台风“杜苏芮”在福建登陆后，受北抬的西北太平洋副热带高压影响，沿西北方向朝内陆推进。台风自身水汽、叠加台风与西北太平洋副热带高压之间形成带有丰沛水汽的东南气流、台风“卡努”远距离输送水汽，进而遇太行山、燕山地形抬升导致水汽辐合增强，形成暴雨条件，在京津冀地区造成暴雨洪水灾害。
本文研究发现，该事件与华北平原历史上多起重大极端暴雨洪水事件存在共性特征，即均伴有北上台风诱发太平洋水汽输送这一特殊过程。因此，综合分析华北平原历次极端暴雨洪水事件致灾机制，并在此基础上形成对策建议，具有十分重要的意义。
1、华北平原极端暴雨洪水事件
历史上华北平原暴雨洪水灾害频繁。统计表明，新中国成立后华北平原受灾人口最多的前7场暴雨洪水事件相较其他暴雨洪水事件引发的灾害在严重程度上有明显区别。值得注意的是，这7场暴雨洪水事件均伴有台风参与水汽输送。以下按时间顺序对该7场暴雨洪水事件进行简要描述：
①“56·8”暴雨洪水。1956年8月3日至5日，受超强台风“温黛”深入内陆影响，海河流域发生特大暴雨，官厅水库王平口站日降雨量达434.8mm。特大暴雨造成海河五大水系发生漫溢决口，其中北京西麻各庄决口（口门宽300m）影响巨大，直接造成京广线被冲毁多处，海河流域受灾面积391.5万hm2，受灾人口超过1500万。
②“63·8”暴雨洪水。1963年8月1日至10日，受西南暖湿气流与超强台风“贝斯”远距离输送水汽影响，海河流域发生特大暴雨，河北邢台獐么乡7日累计降雨量2050mm，为我国大陆累计降雨量最高记录，獐么被称为“中国大陆的雨极”。特大暴雨造成海河流域南部三水系主要河道决口2396处，319座中小型水库垮坝失事，占当时水库总数的35％，受灾人口超过2200万。
③“75·8”暴雨洪水。1975年8月4日至8日，受超强台风“妮娜”深入内陆影响，淮河、黄河流域上游发生特大暴雨，河南板桥水库林庄站最大6小时雨量为830mm，为世界大陆6小时降雨的最高记录，最大日降雨量为1060 mm，为我国大陆同类指标的最高记录。特大暴雨导致了河南省驻马店地区的两座大型水库（板桥水库和石漫滩水库)、两座中型水库以及58座小型水库在数小时内相继溃堤，受灾人口超过1100万。
④“96·8”暴雨洪水。1996年8月3日至5日，受超强台风“赫拔”深入内陆影响，海河、黄河流域发生特大暴雨，河北石家庄岗南水库到邢台野沟门水库形成日降雨量超过300mm的弧形雨带，黄河龙门至三门峡、三门峡至花园口区间连降暴雨。特大暴雨造成465条中小河流同时发生洪水，是我国历史上同步范围最大的一次洪水过程，黄河夹河滩以上河段水位全线达到有水文记载以来最高记录，受灾人口超过1000万。
⑤“12·7”暴雨洪水。2012年7月21日，受西南暖湿气流与超强台风“韦森特”远距离输送水汽影响，北京地区遭遇特大暴雨，全市1/6以上面积小时降雨强度在70mm以上，平均日降雨量达215mm，为北京地区降雨强度最高记录。特大暴雨造成北京、河北严重城市内涝，部分中小河流出现汛情，受灾人口超过400万。
⑥“21·7”暴雨洪水。2021年7月17日至23日，受强台风“烟花”远距离输送水汽影响，河南省遭遇特大暴雨，2021年7月20日16时至17时，郑州国家基本气象站小时降雨强度为201.9mm，为我国大陆小时降雨强度的最高记录。特大暴雨造成河南省城市内涝、河流洪水、山洪滑坡等多灾并发，受灾人口超过1400万。
⑦“23·7”暴雨洪水。2023年7月29日至8月1日，受超强台风“杜苏芮”深入内陆影响，京津冀地区遭遇特大暴雨，14个国家气象观测站日降水量突破历史极值，26个国家气象观测站3日累计降雨量突破历史极值。特大暴雨造成海河流域发生流域性特大洪水，有22条河流发生超警以上洪水，8条河流发生有实测资料以来的最大洪水，大清河、永定河发生特大洪水，是1963年以来海河流域最大的场次洪水，受灾人口超过500万。
▲新中国成立后华北平原受灾人口最多的极端暴雨洪水灾害
2、华北平原极端暴雨洪水事件的共性特征
新中国成立后，华北平原最为极端的暴雨洪水事件存在诸多共性特征，包括暴雨发生的季节、降雨量的空间分布和大小、洪水演变特征、大尺度天气系统的结构等。其中特别值得关注的是，这些极端事件都受到了台风的影响，各暴雨洪水灾害事件天气环流形势如图所示。
▲华北平原极端暴雨洪水事件环流形势图
降雨集中发生于7月下旬到8月上旬
华北平原极端暴雨洪水事件集中发生于7月下旬至8月上旬，这与华北平原主汛期一致，同时也与北上台风的峰值季节吻合。华北平原7个极端暴雨洪水事件中，发生于20世纪的4个事件集中于8月上旬，而发生于21世纪的3个事件集中于7月下旬。
降雨集中分布于地形急骤变化区
华北平原极端暴雨洪水事件的暴雨区主要分布在平原与山脉之间，其中太行山、燕山山脉迎风区为大暴雨集中地带。地形的急骤变化导致暖湿气流受到地形抬升作用的影响，水汽辐合增强，从而在迎风区发生暴雨。
北上台风诱发水汽输送
华北平原极端暴雨洪水事件中均伴有北上台风诱发太平洋水汽输送。无论登陆或在海上，台风在北上过程中，从东南方向将太平洋水汽远距离输送到华北平原。值得注意的是，主要参与华北平原极端暴雨洪水事件水汽输送的台风均达到强台风强度等级，7个事件中有6个台风甚至达到超强台风强度等级。
降雨强度极大
北上台风输诱发的水汽输送沿途损耗小，雨量更为丰沛，华北平原极端暴雨洪水事件的降雨强度极大。其中，“21·7”暴雨和“75·8”暴雨分别创造了我国大陆小时降雨强度的最高记录和日降雨量的最高记录。
洪水突发性强
华北平原河流源短流急，平原区与山区近乎直接相交，暴雨一旦发生，能够快速形成水量集中、流速大、冲刷破坏力强的洪水，预报难度大。
3、华北平原极端暴雨洪水事件的物理机制
与华北平原汛期多年平均水汽来源明显不同，华北平原极端暴雨洪水事件的水汽来源主要为西北太平洋水汽，沿途损耗小，水汽通量巨大。台风北上过程中与位置异常偏北的西北太平洋副热带高压之间形成巨大气压梯度，建立东南方向水汽通道，为台风维持和暴雨过程的延续提供充沛水汽。暴雨洪水事件频次受地球气候系统的长周期震荡控制，当前处于活跃期。受全球变暖引起超强台风季节前移影响，暴雨洪水事件发生时间趋于提前。
东南方向的太平洋水汽是华北平原极端暴雨洪水事件的主要水汽来源
华北平原极端暴雨洪水事件的水汽来源与华北平原汛期多年平均水汽来源明显不同，主要为西北太平洋水汽通过东南方向水汽通道输送。从多年平均水汽输送路径看，华北平原汛期水汽主要来自印度洋和南海，通过西南季风水汽通道输送，水汽自印度洋—孟加拉湾和南海洋面，一路经云贵高原等内陆地区北上至华北平原。相比而言，东南方向的太平洋水汽到暴雨区的沿途损耗小，雨量更为丰沛。此外，太平洋水汽输送方向与太行山、燕山等地形走向近乎垂直，更易受到地形抬升作用增强水汽辐合，形成暴雨条件。
西北太平洋副热带高压异常偏北是引发华北平原极端暴雨洪水事件的重要天气特征
华北平原极端暴雨洪水事件发生时都对应着位置异常偏北的西北太平洋副热带高压。异常偏北的西北太平洋副热带高压可引导台风等低压系统向西北方向深入内陆，并通过西伸或与大陆高压结合，在华北平原以北形成“高压坝”，阻挡低压系统继续北上，导致降雨过程持续时间长、累计雨量大。此外，西北太平洋副热带高压异常偏北为热带辐合区北推发展留足空间，在热带辐合区中常有几个台风或热带低压系统并存，西北太平洋副热带高压与台风等低压系统之间巨大的气压梯度力，是建立东南方向太平洋水汽通道的重要条件。
北上台风建立东南方向水汽通道是导致华北平原极端暴雨洪水事件的直接诱发因素
华北平原极端暴雨洪水事件中均有北上台风参与水汽输送。台风北上过程中，与异常偏北的西北太平洋副热带高压之间形成巨大气压梯度，建立了东南方向水汽通道，将太平洋水汽源源不断地远距离输送到华北平原。当前一个台风登陆后，位于热带辐合区的台风或低压系统依然能够通过东南方向水汽通道将水汽持续输入到陆上台风环流中，为台风维持和暴雨过程的延续提供充沛水汽。研究表明，21世纪以来北上台风数量相比于历史时期显著增加，一方面受到太平洋海表温度模态年代际相位变化的影响，另一方面与全球变暖引起热带扩张进而引起台风在中纬度地区更为活跃有关。北上台风数量增加可以一定程度上解释华北平原极端暴雨洪水事件近年发生更加频繁的现象。未来，随着全球气候进一步变暖，热带扩张引起台风在中纬度地区更为活跃，可以预计北上台风数量将会增加，北上台风诱发太平洋水汽输送进而引发华北平原极端暴雨洪水事件的可能性将增大。
暴雨洪水事件频次受长周期震荡控制，当前处于活跃期
西北太平洋副热带高压位置异常偏北是华北平原极端暴雨洪水事件对应的重要大尺度环流特征。研究表明，西北太平洋副热带高压位置主要取决于太平洋与印度洋海表温度梯度，当太平洋海表温度高于印度洋海表温度时，西北太平洋副热带高压位置偏北，反之亦然。华北平原极端暴雨洪水事件的发生年份均落于太平洋—印度洋海表温度梯度正值区。值得注意的是，从年代际尺度来看，太平洋—印度洋海表温度梯度呈现明显的周期震荡，周期约为30年，具体表现为20世纪50至80年代处于正相位，20世纪80年代至2010年前后处于负相位，之后再次进入正相位。太平洋—印度洋海表温度梯度的年代际相位变化，可以一定程度上解释华北平原极端暴雨洪水事件的发生年份分布。当太平洋—印度洋海表温度梯度处于正相位时，西北太平洋副热带高压平均位置偏北，对应华北平原极端暴雨洪水事件发生的活跃期，20世纪50—80年代和2010年前后分别有3次事件发生；当太平洋—印度洋海表温度梯度处于负相位时，对应华北平原极端暴雨洪水事件发生的非活跃期，20世纪80年代至2010年仅有1次事件发生，但在1996年，该年份对应的太平洋—印度洋海表温度梯度异常地呈现为正值；太平洋—印度洋海表温度梯度自2010年前后进入正相位后，其在未来20年间可能一直处于正相位，可以推测，未来20年间华北平原极端暴雨洪水事件处于活跃期。
▲华北平原极端暴雨洪水事件发生年份与太平洋—印度洋海表温度梯度的对应关系
到提前至暴雨洪水事件发生时间趋于从“八上”提前至“七下”
主要参与华北平原极端暴雨洪水事件水汽输送的北上台风均达到强台风强度等级，7个事件中有6个台风甚至达到超强台风强度等级。研究表明，过去几十年间超强台风发生时间呈现出显著的季节性前移趋势，该趋势与全球变暖引起夏季海洋热含量和台风热力学理论最大强度增加有关。全球变暖影响下，超强台风季节前移可以在一定程度上解释华北平原极端暴雨洪水事件发生时间前移的现象。华北平原7个极端暴雨洪水事件中，发生于20世纪的4个事件集中于“八上”，而发生于21世纪的3个事件集中于“七下”。全球变暖背景下，超强台风季节前移表现为7月超强台风数量明显增加，7月亦为台风北上的高峰时间，超强台风北上进而引发华北平原极端暴雨洪水事件的可能性增加。
3、对策建议
组织联合攻关，深化对华北平原极端暴雨洪水事件的科学认识
开展大气科学、水文科学、海洋科学和水利工程等多学科联合攻关研究，探讨北上台风对华北平原极端暴雨洪水事件的特殊影响机制，深化对华北平原极端暴雨洪水事件灾害的科学认识。
统筹技术手段，提升华北平原地区暴雨洪水临近预报的精准性
充分利用气象部门和水利部门现有的技术手段，加快研发华北平原极端暴雨洪水事件的孕灾、成灾和致灾全过程监测和预报技术，显著提升考虑台风作用的临近预报的精准性，为防灾措施规划以及应急预案制定提供科学支撑。
加强制度建设，发挥预报预警体系在应急管理中的重要作用
加强政府有关部门与高校、科研院所的协同，充分发挥科技的支撑引领作用，建立跨学科研究平台，示范性地建设短临预报和实时预警工作系统，有效提升华北平原地区暴雨洪水预报预警技术水平。切实增强预报预警体系对应急管理工作的支撑保障。
强化风险意识，升级华北超大型城市预防暴雨洪水的综合措施
充分评估特大城市暴雨洪水巨灾风险，研发华北超大型城市面向暴雨洪水的巨灾韧性技术体系，优化城市防洪方案，提高重点部位防洪安全标准。制定专项工作方案，确保暴雨洪水巨灾情况下应急指挥协调、抢险救援救助等有序有力开展，开展应急科普宣传，增强民众公共安全意识，切实完善华北超大型城市应对巨灾风险的综合能力。
着眼长治久安，构建气候变化背景下华北平原的防洪安全保障体系
支持开展华北平原极端暴雨洪水事件对气候变化响应趋势、驱动因子和物理机制的研究，科学评估未来全球变暖背景下极端暴雨洪水灾害事件发生风险，更新完善区域洪水风险区划和洪灾防治区划，合理提高防洪工程设计标准，着力打造能够有效应对气候变化的华北平原防洪安全保障体系。
