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从全球气候变化角度看2021年河南“7·20”特大暴雨

国家气候中心/ 李威 叶殿秀 赵琳 邹旭恺 陈丽娟 李莹

大连市气象台/李潇潇

摘要：2021年7月17－23日，河南多地发生极端强降水，这次特大暴雨过程累计雨量大、强降水范围广、降水极端性强、短时强降水时段集中、持续时间长。河南“7·20”特大暴雨是东亚大气环流异常协同作用的直接结果，也是全球气候变暖背景下极端强降水事件频发的具体表现。近年来全球暴雨洪涝、高温热浪、干旱、台风等气象灾害频发强发，极端事件对经济社会发展造成的影响趋于严重，我国应对极端天气气候事件需坚持综合应对、科学应对、有效应对，不断提升应对极端灾害的能力。

关键词：河南“7·20”特大暴雨；2021年；全球变暖；极端事件；防灾减灾

基金项目：国家重点研发计划项目（2020YFA0608203）。

本文近期将发表于《中国防汛抗旱》

0  引言

我国地处于世界上最大陆地——亚欧大陆的东部，东临世界上面积最大的海洋——太平洋，海陆热力性质差异大，是世界上季风气候最典型的国家之一，特别是我国东部地区的天气气候深受东亚夏季风的影响。湿润的夏季风给东部地区带来充沛的降水资源，随之相伴相生极端天气气候事件，如暴雨洪涝往往造成严重的自然灾害。进入21世纪以来，我国学者就已经开始关注东亚夏季风的季节进退和异常以及对中国降水和洪涝灾害的影响。东亚夏季风最显著的特征是在西太平洋副热带高压的引导作用下，持续稳定的西南或东南气流会把热带海洋上的丰沛水汽持续不断地输送到东亚地区，为大范围的降水提供主要水汽来源。

2021年7月17－23日，河南多地发生破纪录极端强降水事件，特别是7月20日，郑州市24h降水量高达552.5毫米，超过当地常年全年降水量的8成，其中16－17时降水量达201.9毫米，突破中国大陆气象观测小时降水量历史极值。河南“7·20”特大暴雨具有累计雨量大、强降水范围广、降水极端性强、短时强降水时段集中、持续时间长等异常天气气候特点。“七下八上”（7月16日至8月15日）时期，北方地区进入降水集中期，偏强且稳定的西太平副热带高压系统加之热带地区台风活动进入频发期，加强了水汽向我国大陆的输送，这种东亚大气环流异常协同作用是造成河南“7·20”极端强降水的直接原因。此外，太行山和伏牛山对偏东气流的抬升辐合效应也是造成此次极端强降水的因素。

全球气候变暖背景下，最近几十年来极端天气气候事件趋多趋强。大量研究已证实，随着气候变暖，大气层在饱和前可容纳更多水汽，全球和许多流域降水量可能增加,但同时蒸发量也增加，从而使水循环加速，气候的变率增加，导致极端强降水和极端干旱发生的可能性增大。极端天气气候事件或将成为新常态，需高度重视，加强科学分析评估，坚持综合应对、科学应对、有效应对，不断提升应对极端灾害的综合能力。

1  资料方法

本文所采用的资料为小时降水量和20－20时日降水量观测资料，来自国家气候中心业务系统。资料站点包括全国2419个国家气象站，时间为1961－2021年。常年值采用1981－2010年的平均值。

2  河南“7·20”特大暴雨主要天气气候特点

2.1累计降水量大

2021年7月17－23日，河南中部和北部累计降水量200～400毫米，郑州、新乡、鹤壁等地超过500毫米，其中郑州（820.5毫米）、淇县（769.3毫米）、辉县（762.4毫米）、卫辉（747.3毫米）和新密（723.6毫米）等地超过700毫米（图1）。河南有40个市（县）过程累计降水量达到或超过当地常年全年降水量的一半，其中卫辉、辉县、淇县、郑州等10个市（县）超过当地常年全年降水量（图2、表1）。

2.2强降雨范围广

2021年7月17－23日，河南省累计降水量超过250毫米的覆盖面积约5.43万平方千米，占其国土面积的32.5%，超过河南“1975·8”特大暴雨过程（3.45万平方千米）；全省有68.1%的国家气象站出现暴雨天气，45.4%的国家气象站出现大暴雨天气。

2.3降雨极端性强

2021年7月17－23日，河南19个市（县）日降水量突破历史极值，数量远超“1975·8”特大暴雨（5个），其中郑州（552.5毫米）、新密（448.3毫米）、嵩山（426.2毫米）、淇县（353.3毫米）、荥阳（349.7毫米）、扶沟（341.0毫米）、偃师（339.7毫米）、汤阴（332.0毫米）、鹤壁（325.5毫米）9个市（县）超过300毫米。32个市（县）连续3日降水量突破历史极值，数量也远超“1975·8”（15个），其中郑州（788.7毫米）、辉县（681.3毫米）、新密（649.3毫米）、淇县（630.7毫米）、嵩山（626.4毫米）、鹤壁（619.1毫米）、卫辉（617.3毫米）7个市（县）超过600毫米。

2.4短历时降雨强度大

从2021年7月18日夜间开始，河南省北部、中部、西部地区普降暴雨、大暴雨，局地特大暴雨，19－20日连续两日暴雨区域主要集中在郑州及周边区域。郑州站20日15－23时连续8h逐时降水量均在20毫米以上，其中16－17时降水量达201.9毫米，突破我国大陆小时降雨量历史极值（189.5毫米，河南林庄，1975年8月5日），占该站常年全年降水量（640.8毫米）的31.5%。

3  河南“7·20”特大暴雨原因分析

3.1“七下八上”气候背景

东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端强降水过程中起着关键的作用，环流异常及其相伴随的季风水汽输送带的北推加强是造成北方持续性大暴雨的重要原因。在东亚夏季风强降水事件的发生过程中，总可以观测到强水汽输送带持续不断地把丰沛的水汽输送到暴雨区，导致强烈而持续性降水事件发生。在卫星云图上可定量地测量到从热带或副热带延伸到中纬度地区的狭长而深厚的高水汽含量层，它是强暴雨或持续性暴雨的水汽供应通道。

丁一汇等指出，在东亚夏季风盛行时期（5－8月），即从华南前汛期到江淮梅雨季，再到华北和东北雨季，主要有4种类型的东亚夏季风水汽输送带。它们形成的直接原因与季风气流与东亚热带、副热带和中高纬度大气环流的相互作用有关。尤其是每一种季风水汽输送带都与热带或副热带环流系统（赤道辐合带、副热带高压带、季风气流的季节内振荡、台风等）直接相关。

通常在每年的“七下八上”时期，西太平洋副热带高压达到全年最北位置。受其影响，我国北方地区进入降水集中期。历史上许多极端暴雨事件都发生在“七下八上”时期，如河南“1975·8”特大暴雨，京津冀“2012.7.21”特大暴雨，2016年7月18－20日华北黄淮特大暴雨等。根据对1981－2010年逐日降水量气象观测数据计算分析，河南省平均年降水量744.9毫米，其中仅7月降水量就达178.9毫米，是全年中各月降水量的最大值，且7－8月的降水量（313.6毫米）约占全年降水量的42%，是全年容易发生强降水的时段。

3.2东亚大气环流异常协同作用

低涡切变线和台风是造成河南极端强降水事件的重要影响天气系统。近60年来，河南曾先后出现了“1958·7”“1975·8”“1982·8”“1996·8”“2018·8”等极端强降水事件，均与台风的影响有关。

2021年7月中下旬，西太平洋副热带高压系统偏强偏北，西伸至我国华北东部和黄淮东部地区，河南处于副高西边缘，对流不稳定能量充足。同时热带地区台风活动进入频发期，202106号台风“烟花”在西北太平洋、202107号台风“查帕卡”在南海同时发展，加强了来自西北太平洋、南海和孟加拉湾的水汽输送，为河南强降雨提供了充沛的水汽来源。同时，偏强稳定的副热带高压使得大气环流形势稳定，进一步延长了河南等地持续强降水的时间。

北方持续性强降雨的发生和强弱源自热带的季风水汽输送带。图3显示，在500百帕平均高度场上（2021年7月17－23日），副热带高压中心位于日本海至朝鲜半岛和我国东北东部，我国东北地区至贝加尔湖一带的中高纬地区为显著正距平区，副热带高压位置较常年同期异常偏北。而在15°～30°N的中低纬地区，为东西向带状的显著负距平区，该区域内活跃着台风“烟花”“查帕卡”和孟加拉湾低压。由于异常偏北偏强的副热带高压稳定维持，其南侧的台风“烟花”受偏东气流引导和“查帕卡”的影响缓慢西行，向台湾靠近，在上述环流共同影响下，水汽输送和水汽辐合异常加强，为河南暴雨的发生提供了持续不断的水汽供应。

张霞等分析了强降水集中时段（2021年7月19日08时至22日08时）1000～300百帕整层水汽通量积分，发现来自印度洋的强西南季风水汽输送带，输送水汽流入台风“查帕卡”和“烟花”，使两台风长时间维持，相互作用，移动缓慢，台风“烟花”与其北侧副热带高压相互作用使副高外围的偏东风加强，沿副热带高压外围将东南风水汽输送至河南，在太行山和伏牛山前形成强烈辐合，进而生成长时间维持的极端强降水。

3.3太行山和伏牛山地形因素影响

豫北大暴雨通常与太行山地形关系密切。张霞等通过对河南“7·20”特大暴雨过程分析发现，累计降水量400～800毫米的气象观测站点集中分布在太行山东麓临近地区和伏牛山东侧迎风坡一侧，只有极个别站点分布在平原。其中大于等于800毫米的两个强降水中心分别位于豫北新乡、鹤壁两地区西部紧临太行山东麓沿山一带和郑州西部伏牛山东侧一带。栗晗等对2016年“7·19”特大暴雨过程研究指出，过程累计降水量超过250毫米的站点分布在太行山东麓临近地区，大于500毫米的强降水中心站点海拔均大于300米，强降水空间分布特征与2021年“7·20”河南特大暴雨类似。

丁一汇指出，中小尺度地形通过强迫抬升和喇叭口地形的辐合作用使降水大为增强，在河南“1975.8”特大暴雨过程中，整个北西北—南东南雨区走向与伏牛山迎风面的地形一致，小地形降雨为23毫米每小时，约占整个降水的1/3～1/4，说明了地形机械作用的重要性。同时，地形还可以通过影响云中播撒过程产生暴雨增幅作用。根据1975年8月5－7日云和降水的观测分析，积雨云在有利地形地区得到强烈发展并和层状云叠加形成混合型云。云层中的小水滴被积雨云中的强上升气流带到高层的过冷水区，并通过冷云核化和胶性不稳定过程转化成大冰晶，此后在下落时又通过层云区进行自然播撒，从而成长为大雨滴。在降雨最强的时候，流场强烈辐合，不同来向的积雨云向辐合中心汇集，使积雨云合并，发展得更为强烈和持久，并通过与原在山前存在的层云相互作用使降水进一步增强。

4  全球气候变暖背景下极端天气气候事件及趋势

4.1总体趋多趋强

2021年8月，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布第六次评估报告第一工作组报告《气候变化2021:自然科学基础》。报告指出，在全球气候变暖背景下，大气圈、海洋、冰冻圈和生物圈发生了广泛而迅速的变化，气候系统各圈层的当前状态是过去几个世纪甚至几千年来前所未有的。全球气候持续变暖加剧了气候系统的不稳定，造成极端天气气候事件频发、强度增强。同年同月，世界气象组织（WMO）发布综合报告《天气、气候和水极端事件造成的死亡人数和经济损失图集（1970－2019）》，对1970－2019年天气、气候和水等极端事件造成灾害的死亡人数和经济损失进行了全面的总结：天气、气候和水的危害占所有灾害的50%，死亡人数占比45%，经济损失占比74%。受气候变化、极端天气气候事件频发的共同影响，在过去50年间，灾害数量增加了5倍，灾害损失增加7倍多；但由于灾害早期预警和灾害管理水平的提升，死亡人数减少2/3左右。

根据图4的数据，虽然过去十年（2010－2019年）相较上一个十年（2000－2009年），全球自然灾害发生总次数有所下降，但从过去50年的长期趋势来看，受气候变化和极端事件的影响，灾害频次呈现明显上升趋势。这就好比如何客观辩证地看待全球变暖与气候波动，是相似的逻辑：全球变暖在时间上并不是均匀的，有相对的暖期，也有相对的冷期，但总体的趋势是上升的。

从全球灾害造成的经济损失来看，近50年来持续攀升，过去十年（2010－2019年）比上一个十年（2000－2009年）高出439.0亿美元，比1970－1979年更是高出1205.6亿美元。由此可见，全球极端事件给全球经济社会发展带来的负面影响趋于严重。

大量研究已证实，随着气候变暖，大气层在饱和前可容纳更多水汽，全球和许多流域降水量可能增加,但同时蒸发量也增加，从而使水循环加速，气候的变率增加，导致极端强降水和极端干旱发生的可能性增大。2021年河南发生“7·20”特大暴雨；7月上中旬欧洲中西部遭遇极端强降水，引发严重暴雨洪涝灾害，德国、比利时等地出现重大人员伤亡；2021年3月底至4月初，印度尼西亚因持续强降水引发山洪和泥石流灾害，至少86人死亡、71人失踪；2021年3月下旬，澳大利亚东南部的新南威尔士州和昆士兰州遭遇50年来最严重的洪灾。在全球变暖导致极端事件和气象灾害呈现广发、强发、多发态势的气候大背景之下，这些暴雨灾害事件的发生是极端强降水事件频发的具体表现。如果往前追溯一年，2020年夏季我国长江中下游极端降水事件频发，梅雨期持续时间长，梅雨量大，较常年偏多1.2倍，为1961年以来最多，持续的强降雨过程致使长江流域发生1998年以来最严重汛情。

除了暴雨洪涝灾害，高温热浪、低温冷害、台风（热带气旋）、强对流等气象灾害也呈频发态势。1961－2020年，中国极端强降水事件呈增多趋势，极端高温事件自20世纪90年代中期以来明显增多，极端低温事件虽然呈减少趋势，但其强度并无减弱，例如2021年11月4－9日，一次强寒潮事件自西北向东南影响我国大部，此次寒潮事件降温幅度大、雨雪范围广、极端性强、影响大，其综合强度指数位居历史第4高。

4.2高温热浪

近年来，高温屡破纪录已成新常态。2021年6月下旬至7月上旬，北美西部、俄罗斯东部等地发生极端高温热浪，美国西雅图（42.2℃）和波特兰（46.6℃）、加拿大不列颠哥伦比亚省的利顿镇（49.6℃）等多地日最高气温创当地历史最高纪录，莫斯科出现120年以来最高气温。2019年6月底高温热浪席卷欧洲，法国南部加拉尔盖莱蒙蒂厄市最高气温达45.9℃，创下法国气象观测史上最高气温纪录。2017年7月21日上海徐家汇最高气温达40.9℃，打破了徐家汇1873年以来的历史纪录。2013年我国南方出现1951年以来最强高温热浪，有344个国家级气象观测站测得日最高气温达到或超过40℃；144个市（县）连续高温日数达到或超过历史极值；10个市（县）最长连续高温日数超过40天。

4.3低温冷害及雪灾

2021年2月冬季风暴“乌里”袭击北美大部，加拿大南部、美国大部、墨西哥北部遭遇强暴风雪和极寒天气，美国德克萨斯州地区最低气温下降至-22℃，俄克拉荷马城降至-26℃，打破1899年以来最低气温记录，美国超过550万家庭断电停电。2019年1月，欧洲多国出现强暴风雪天气，德国5个地区宣布进入紧急状态，奥地利多地交通严重受阻。2015年2月，阿富汗多地遭遇罕见暴雪袭击，多地降雪厚度超过1米，暴雪和雪崩造成200余人死亡。

2020年2月13－17日，我国出现强寒潮过程，中东部大部地区降温幅度为8～12℃，多地超12℃，雨雪范围大、强度强，全国共有46个市（县）日降水量突破当地冬季历史极值。2016年1月20－25日，我国大部地区出现寒潮天气，全国有690个市（县）发生极端低温事件，其中67个市（县）日最低气温突破历史极值，最低气温0℃线罕见南压至华南北部，广州出现新中国成立以来首场降雪。

4.4热带气旋

热带气旋因生成源地的不同被称为热带气旋风暴、飓风、台风等。2020年北大西洋热带气旋编号总数创历史新高。2019年飓风“伊代”（Idai）在莫桑比克登陆，随后席卷邻国津巴布韦和马拉维，导致东非超过700人死亡。201330号台风“海燕”登陆菲律宾，登陆前后最大风速达75米每秒，是有历史记载以来人类遭遇的最强台风，造成6000余人遇难，近1800人失踪。

2020年8月下旬至9月上旬，半个月内3个台风接连影响我国东北地区，历史罕见。201909号台风“利奇马”是1949年以来登陆我国大陆第5强台风，严重影响华东地区。201810号台风“安比”、201812号台风“云雀”、201818号台风“温比亚”在一个月内相继登陆上海，占1949－2017年登陆上海台风总数的一半，实属罕见。

4.5强对流天气

雷雨、大风、龙卷等强对流灾害多发，极端性强，带来了严重人员伤亡。2021年12月11日，美国中南部6州出现冬季罕见的大范围极端强对流天气，遭遇至少61个龙卷风袭击，并伴有强风和局地冰雹，造成大量房屋毁损、数十万户家庭和部分企业断电和重大人员伤亡。2020年6月25日，印度比哈尔邦遭遇雷暴天气，80余人遭雷击死亡。2019年5月，美国记录到555次龙卷风，为1991－2010年同期（276次）的两倍，5月23日和27日，龙卷风分别袭击密苏里州和俄亥俄州，造成多人伤亡，多处房屋被毁坏，超500万人受断电影响。

2021年5月14日，我国苏州和武汉市相继发生龙卷风，造成重大人员伤亡，对社会经济造成严重影响。2016年我国江苏盐城遭龙卷风袭击，宽约2千米、长约15千米范围内出现10级以上大风并持续长达20余分钟，造成近100人死亡，800余人受伤。

气候变化和极端天气气候事件是自然范畴，气象灾害则是指各种天气气候变化引起的对人类和人类赖以生存的环境造成的破坏性影响，具有社会属性。灾害风险取决于极端事件、承灾体的暴露度和脆弱性。暴露度反映了承灾体人财物的集中程度，集中程度越高，暴露度越大；脆弱性反映承灾体对极端事件不利影响的敏感程度和应对能力，敏感程度越高或应对能力越弱，脆弱性越大。随着社会人口、经济总量增长，社会财富的快速积累，各类承灾体的暴露度不断增大，如果防灾减灾意识和基础相对薄弱，就会使各类气候灾害的承灾体脆弱性趋于增大。河南郑州“7·20”特大暴雨灾害造成重大人员伤亡和财产损失，就是体现了有关单位风险意识不强，对这场特大灾害认识准备不足、防范组织不力、应急处置不当。

5、提升我国应对极端灾害能力的建议

受地理位置、地形地貌和气候特征等影响，我国气象灾害种类之多、范围之广、发生频次之高、极端性之强、影响之重超过世界上绝大多数国家。在全球变暖背景下，我国极端天气气候事件趋多趋强，或将成为新常态，对自然生态系统、经济社会发展和人民生命财产安全的影响愈加凸显。要始终把“人民至上、生命至上”放在防灾减灾救灾的首要位置，坚持综合、科学、有效地应对极端天气气候事件，从战略决策上统筹部署，不断提升应对极端灾害的能力。

5.1高度重视气候安全，科学防灾减灾救灾

气候安全与国家防灾减灾救灾、应对气候变化和生态文明建设等密切相关，是国家安全体系和经济社会可持续发展战略的重要组成部分。根据国务院灾害调查组报告，河南郑州“7·20”特大暴雨灾害应对处置过程中存在几个方面不足：应对部署不紧不实，应急响应严重滞后，应对措施不精准不得力，关键时刻统一指挥缺失，缺少有效的组织动员等。要进一步健全党委领导、政府主导、部门联动、社会参与的防灾减灾救灾机制，把极端天气应对、自然灾害防治融入国家发展的重大规划、重大工程、重大战略，实现我国防灾减灾能力同经济社会发展相适应。各级地方政府部门要深入开展气象灾害综合风险普查工作，摸清全国各地气象灾害分布特点、发生规律以及风险隐患底数，客观认识各地气象灾害综合风险水平，发展适应防灾减灾救灾新形势要求的风险隐患排查、预警与响应联动、社会动员、舆情引导等机制，为地方各级人民政府有效开展自然灾害防治工作、切实保障经济社会可持续发展提供权威的灾害风险信息和科学决策依据。

5.2借鉴经验教训，提高科学认识

加强对国内外重大灾害天气事件及其影响的分析，借鉴其中的应对经验和教训，强化极端灾害的风险防范措施，加强极端天气气候事件监测预警和气象灾害风险管理。IPCC第六次评估报告第一工作组报告中对东亚区域气候变化特征的分析，为科学认识我国气候变化提供了重要信息，提出的气候影响因子等指标方法在应用于灾害风险管理方面有很好的科学价值。报告强调的要重视诸如热浪和干旱、极端海平面事件和强降水等复合型和并发极端事件的风险评估，以及其对行业和部门承受能力的影响等，值得国内相关部门在灾害风险管理中加强应用。

5.3科学适应和减缓气候变化，促进气候韧性发展

2022年2月28日正式发布的IPCC第六次评估报告第二工作组报告明确指出，气候变化已经扰乱人类和自然系统，气候变化的影响和风险变得日益复杂和难以管理，多种气候灾害将并行发生，多种气候和非气候风险之间将相互作用，从而导致复合的总体风险和跨部门、跨区域的级联风险。许多行业和区域呈现出越来越多的不良适应，通过规划和实施灵活的、多行业的、包容性的、面向长期的适应行动，可以避免不良适应，助益多行业和多系统。如果目前的温室气体排放量没有迅速下降，特别是如果全球变暖在短期内超过1.5℃，那么气候韧性发展的限制将会越来越大。成功结合适应和减缓措施来促进可持续发展，有助于实现气候韧性发展路径。