2020年淮河上游暴雨对王家坝水位影响预估分析

赵培娟，张 霞，郑世林，邵宇翔

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，郑州 450003；2.河南省气象台，郑州 450003；3.河南省气象局，郑州 450003)

引 言

淮河发源于河南桐柏山区，由西向东，流经河南、安徽、江苏3个省，流域面积27万km2。河南境内的淮河流域包括河南中东部和东南部广大区域，流域面积为8.83万km2，约占淮河流域总面积的1/3，占河南总面积的52.9%。为表述方便，本文将河南省的淮河流域统称为淮河上游。该区域也是河南省年降水量最大、暴雨日数最多、暴雨强度最强的区域。淮河全长1000 km、总落差200 m，上游长360 km、落差174 m，占淮河流域总落差的89%，中游及下游落差分别为16 m和6 m。王家坝地处河南与安徽2省3县3河交汇处，是淮河蒙洼蓄洪区的主要控制工程。淮河上游的强降水，将使王家坝面临巨大洪涝风险。王家坝达到警戒水位，就标志着淮河出现了汛情。

淮河流域暴雨成因已有较多研究成果[1-15]，主要集中在对暴雨机理、梅雨锋暴雨中尺度研究、地形对暴雨影响研究等方面。另外，暴雨的洪水特征、致灾临界值、流域面雨量预报技术等方面也有一些研究成果[16-20]。而淮河上游暴雨对于王家坝水位的影响、特别是暴雨对王家坝水位定量变化的研究成果较少。张霞等[21]基于淮河上游致洪暴雨对王家坝水位影响的特征分析，给出了淮河上游致洪暴雨指标、淮河上游暴雨及面雨量与王家坝水位的关系和临界预警指标，建立了基于面雨量的王家坝水位增幅预估模型，并应用计算机图形识别技术和相似性分析、相关性分析等数学模型，应用数值模式预报产品、历史个例要素场数据库资料和王家坝水位增幅预估模型，研发了淮河流域面雨量预报及王家坝水位涨幅预估系统，相关成果在2020年淮河流域决策服务中发挥了较好的技术支撑作用。

本文利用张霞等[21]研究的 “淮河上游面雨量预报及王家坝水位涨幅预估系统”，并基于智能化网格气象要素预报，在分析2020年淮河上游降水集中时段暴雨与王家坝水位变化特征的基础上，对2020年6-7月梅汛期淮河上游面雨量进行预报及对王家坝水位进行预估，并对其效果做评估。另外，普查淮河上游历史雨情、水情，筛选出与2020年相似的年份，对降水集中期气候特征进行对比，为今后淮河上游致洪暴雨的决策气象服务提供技术支撑。

1 2020年淮河上游降水概况与王家坝水位变化

2020年6月中旬河南进入多雨时段，导致明显旱涝急转。6月12日-7月22日40天内，淮河上游相继出现11次区域暴雨过程(表1)，主要集中在6月中旬到7月中旬，淮河上游平均降水量达424 mm，较常年同期偏多93%，为2008年以来同期最多值。集中期降水具有以下特征：暴雨落区多位于河南省的东南部，其中信阳大部累计降水量超历史同期1倍以上，为建站以来同期最多值；暴雨中心强度大，11次暴雨过程有7次暴雨中心降水量超过100 mm。据分析，降水集中期淮河上游暴雨与王家坝水位演变分为3个主要阶段：第一阶段为6月10-27日，旱涝急转，为王家坝水位缓慢升高再回落徘徊期；第二阶段为7月11-15日，连续降水致王家坝水位明显上升，接近警戒水位期；第三阶段为7月16-22日，降水持续，为王家坝超保证水位、流域水库超汛限水位期。7月16-19日的连续暴雨过程,使王家坝18、19日出现超警戒洪水；7月21-22日淮河上游又出现近20年以来最强(日雨量≥100 mm站点最多)、范围最大的大暴雨过程，致使20、21日王家坝水位分别达29.56 m、29.51 m(超保证水位0.26、0.21 m)，淮河上游的11座水库超汛限水位，淮干、史灌河流域出现了严重洪涝灾害。高分卫星合成资料对信阳及王家坝区域水体变化监测显示(图略)，信阳地区及蒙洼蓄洪区周边河道水体显著增多。

表1 2020年6月10日-7月22日淮河上游降水集中期暴雨概况

因此暴雨频发、落区重叠、降水中心强度大且降水具有连续性是2020年淮河上游致洪暴雨的重要特征之一。

2 淮河上游降水与王家坝超警戒水位的关系

据统计，1980-2020年王家坝有21年出现了52次超警戒水位的洪水过程，其中44次(84.6%)发生在主汛期(6-8月)[21]。

2.1 淮河上游区域暴雨日数与王家坝超警戒水位的关系

图1为1980-2020年河南省年区域暴雨日数和同年主汛期(6-8月)淮河上游区域暴雨日数，6-8月淮河上游区域暴雨年均8天。淮河流域致洪年(即王家坝出现超警戒水位27.5 m的年份)共有21年，其中有17年主汛期淮河上游区域暴雨的日数大于年均日数(占总致洪年的81%)；王家坝出现超保证水位(29.3 m)年份有5年(1982、1983、1991、2007和2020年)，有4年主汛期内淮河上游区域暴雨日数均多于年平均日数。这5年全省区域暴雨日数均在17～18日，也远超年平均日数(12.59日/年)。

图1 1980-2020年河南省年区域暴雨日数和同年主汛期6-8月淮河上游区域暴雨日数分布

2020年主汛期淮河上游发生区域暴雨12日，超出年平均值4日。其中有11次区域暴雨发生在前述的降水集中期(6月10日-7月22日，表1)，且多个例出现日降水量超过100 mm的降水中心，连续性强降水是2020年导致河南省淮河流域发生超警戒洪水、王家坝开闸泄洪的主要原因。

2.2 连续性暴雨及落区对淮河上游超警戒洪水的影响

统计显示[21]：1980-2020年有21年中6-8月王家坝发生超警戒水位洪水44次，其中2/3的洪水过程发生前5天，淮河上游有连续2天以上的暴雨出现，且多位于淮河干流片的信阳地区。

表2给出了1980-2020年淮河上游连续暴雨起止日期和王家坝开闸泄洪日期。由表2可看出，在王家坝开闸泄洪前，淮河上游均出现连续2天以上的区域暴雨或大暴雨过程。

表2 1980-2020年淮河上游连续暴雨起止日期和王家坝开闸泄洪日期

2020年7月16-19日淮河上游连续3天出现区域暴雨，暴雨落区均位于淮河干流片的信阳地区，导致19日淮河上游出现超警戒洪水，11座水库超汛限水位，20日王家坝水位涨至29.56 m、超保证水位0.26 m。

2.3 暴雨强度对王家坝维持超警戒高水位的影响

经分析，历年来王家坝维持超警戒高水位的主要特征之一是淮河上游尤其是淮河干流片的信阳地区出现区域大暴雨。统计结果(表3)显示，王家坝开闸泄洪后3天，若淮河上游再次出现区域大暴雨，超警戒水位仍可持续5～9天。

表3 1980-2020年王家坝开闸泄洪日期、淮河上游区域大暴雨日期及站数出现超警戒水位(≥27.5 m)起止日期

以2020年7月21-22日为例，7月20日王家坝开闸泄洪，21-22日淮河上游出现了大暴雨，降水强度大、范围广，34个国家气象观测站日雨量超过100 mm、暴雨中心最大降水量为247.6 mm(西华)，是1980年以来全省日降水量超100 mm站数第二多的大暴雨过程，为近20年以来最强的区域大暴雨(图2)。此次强降水主要集中在淮河上游的汝河、沙颍河和涡河3片(淮河上游分片示意见图3)。根据图3，汝河流域降水汇入王家坝以上支流，沙颍河和涡河流域的降水主要流入王家坝下游。由于强降水对王家坝上、下游同时有流量补充，致使王家坝水位居高不下，所以28日前王家坝水位都处于超警戒水位以上，其中21-25日水位高达28.34～29.97 m，史灌河上游的梅山水库长时间处于险情中，洪涝灾害加重。

2.4 淮河上游面雨量与王家坝超警戒洪水的关系

按淮河水系分布，淮河上游划分为淮河干流、汝河、沙颍河和涡河4片(图3)。经研究，淮河干流片降水对王家坝水位增长有直接影响，汝河片降水也汇入王家坝以上支流，对王家坝水位增长及维持有一定作用；因沙颍河和涡河片降水多流入王家坝以下，故对王家坝水位增长基本没有影响。

图3 河南省淮河流域分片示意

经统计分析发现，有58.1%的洪水过程中，当淮河干流片连续5天累积面雨量≥100 mm时，王家坝将出现超警戒洪水。此外，汝河片面雨量对王家坝水位影响的统计结果表明，当汝河片单日面雨量≥50 mm，且淮河干流片的单日面雨量<30 mm时，王家坝水位的最大增量为0.9～2.1 m。由此可见，淮河干流片面雨量与王家坝水位增长关系最为密切，尤其是连续5天累积面雨量≥100 mm时将出现超警戒水位洪水，而汝河片即使降水明显，也远不及淮河干流片降水对王家坝水位增长所起的作用。

3 2020年淮河上游面雨量对王家坝水位影响分析

流域面雨量的监测与预报是洪水预报与调度的重要参数，也是各级政府指挥防汛抗洪的重要决策依据。下面分析2020年淮河上游面雨量对王家坝水位的影响。

3.1 淮河干流片面雨量与王家坝水位的关系

图4为2020年6月10日-7月28日王家坝水位与淮河干流片面雨量的演变图。由图4可看出，王家坝水位变化可分为3个阶段。

图4 2020年6月10日-7月28日王家坝水位与淮河干流片面雨量演变图

第一阶段：王家坝水位缓慢徘徊升高期。

6月10-27日淮河上游出现5次区域暴雨过程(表1)，对应淮河干流片面雨量的3个峰值。12-13日，淮河干流片单日面雨量分别达59.6和31.6 mm，由于前期持续干旱少雨，土壤渗流明显，对王家坝水位上涨影响不大，15日和16日水位最大增幅分别为0.75、1.09 m。16-17日，淮河干流片出现了43.3和32.5 mm的面雨量，其单日面雨量小于11-13日面雨量，但王家坝水位从21.11 m升至23.11 m，涨幅达2 m，水位上涨明显，表明之前连续降雨已使土壤趋于饱和，渗流少，径流开始加大。6月27-28日，淮河上游出现暴雨、大暴雨(9个国家气象观测站日雨量≥100 mm)，淮河干流片单日面雨量最大达90.4 mm，王家坝水位从27日的22.68 m上升至30日的26.55 m，涨幅为3.87 m。之后，6月29日-7月10日，淮河上游基本无降水，王家坝水位缓慢回落至21.74 m。因此6月中下旬是王家坝水位缓慢升高期。

第二阶段：王家坝水位接近警戒水位期。

7月10-11日和14-15日，淮河上游出现2次较强的区域暴雨。其中，10-11日淮河干流片有21个国家气象观测站日雨量≥50 mm，4站日雨量≥100 mm，11-12日淮河干流片面雨量达80.3 mm和41.6 mm，致使13日王家坝水位快速上升至25.96 m，14日继续上升至26.76 m，较9-11日最低水位21.48 m上涨了5.28 m。与第一阶段相比，淮河干流片面雨量最大值为80.3 mm，略小于第一阶段的最大值(90.4 mm)，但水位涨幅却大于第一阶段的3.87 m，表明该时段的渗流明显减小。14-15日淮河干流片再次出现区域暴雨，7个国家气象观测站日雨量≥50 mm，面雨量为50.4 mm，导致17日王家坝水位涨至27.12 m，接近27.5 m的警戒水位。因此7月中旬前期是王家坝水位明显上升，接近警戒水位期。

第三阶段：王家坝开闸泄洪期。

7月16-19日淮河上游连降暴雨、大暴雨，尤其是17-18日，淮河上游有10个国家气象观测站日雨量≥50 mm，其中6站日雨量≥100 mm；18日淮河干流片面雨量达86.4 mm，19日王家坝水位上升至28.64 m，超警戒水位1.14 m，流域11座水库超汛限水位。20日08时00分和32分王家坝水位上升至29.56 m、29.75 m，最高时超保证水位0.45 m，王家坝开闸泄洪。21日08时王家坝水位29.51 m，较之前稍有回落，但仍超保证水位0.21 m。水位最高时较15日的26.37 m上涨了3.38 m。

3.2 汝河片面雨量对王家坝超警戒水位维持影响分析

3.2.1 汝河片面雨量对王家坝水位增幅的影响

淮河干流片出现暴雨后，一般1～3天开始对王家坝水位产生影响，但如果暴雨出现在淮河的源头桐柏时，由于落差大，24 h内即可导致王家坝水位猛涨；若淮河干流片降水不明显，淮河上游的汝河片有强降水发生时，数天后王家坝水位会有小幅的上升。

1980-2020年出现了7次汝河片单日面雨量≥50 mm且淮河干流片单日面雨量<30 mm的情况，排除人为调控影响，王家坝水位最大增量为0.25～2.15 m，水位最大涨幅时间均滞后降水4～5天(表4)。以1985年5月12日为例，降水致汝河片面雨量达80.2 mm，淮河干流片面雨量为15.5 mm，12日王家坝水位24.7 m，17日上升至26.5 m，增幅为1.8 m。2020年6月17日淮河干流片面雨量为12.1 mm，汝河片面雨量为52.9 mm，之后淮河干流片无降水发生，4天后(21日)王家坝水位较17日上涨0.45 m。说明汝河片面雨量对王家坝水位的影响力远不如淮河干流片的影响力。

表4 1980-2020年汝河片单日面雨量≥50 mm且淮河干流片单日面雨量<30 mm的日期、面雨量值、当日王家坝水位、最高水位及出现日期和水位最大增幅

3.2.2 汝河片面雨量对王家坝维持高水位运行的影响

经统计分析发现,1980-2020年当王家坝处于较高水位(高于24 m)时，若汝河片面雨量≥50 mm，则未来6天王家坝水位缓慢上升或基本维持(表5)。

表5 1980-2020年汝河片单日面雨量≥50 mm的日期、面雨量值和王家坝连续6日水位变化

2020年7月20日王家坝开闸泄洪，7月21-22日淮河上游出现近20年以来最强的区域大暴雨，暴雨中心位于沙颍河、汝河和涡河片。22日汝河片面雨量达73.6 mm，而淮河干流面雨量最大时为25.7 mm，淮河干流片和汝河片降水汇入王家坝上游，沙颍河和涡河片降水汇入王家坝下游，两者共同作用致使7月22-28日王家坝水位始终保持28.87～27.97 m的超警戒水位(前期有泄洪、水位增幅未计算)，造成淮河干流片的梅山水库长时间处于险情中，洪涝灾害加重。

3.3 淮河上游面雨量预报与王家坝水位涨幅预估系统应用

基于业务服务需求研发的“淮河上游面雨量预报及王家坝水位涨幅预估系统”，在2020年主汛期业务中试运行。图5是2020年6月15日-7月21日应用该系统基于智能化网格预报面雨量对24-48 h内王家坝水位最大涨幅的预估结果与实况水位对比。可以看出70%预估值比实况略偏大，55%预估误差小于0.5 m，最大误差约1.0 m，业务中具有较好的参考价值。

2020年7月15日预报:17-18日淮河上游面雨量达50 mm以上，且累积面雨量将超过100 mm，预估20、21日王家坝水位较15日增幅4.6～5.4 m。16日下午依据该预报提出以下决策建议：未来10天淮河上游累积雨量大，特别是17-18日暴雨集中在淮河上游，20-21日王家坝超保证水位的风险极高。

7月15日20时、16日08时连续两个时次预报17日08时-18日08时淮河干流片面雨量达到84.8 mm和75.0 mm(实况为86.4 mm)；汝河片面雨量实况均小于10.0 mm(预报略偏大)。根据面雨量预报估测,7月19、20日王家坝水位涨幅分别为2.0 m和4.6 m(图5)，19日08时和20日08时王家坝水位实际涨幅分别为2.27 m和3.19 m,预报与实况基本吻合。

图5 2020年6月15日-7月21日王家坝水位预估结果与实况水位对比

4 王家坝超保证水位的暴雨预估指标及大气环流特征

普查1980年以来淮河上游暴雨次数偏多且降水时段较为集中的年份，发现2005、2007与2020年全省年暴雨总次数均超17次，其中淮河流域暴雨次数依次达到17、14和12次。2005年淮河流域暴雨集中出现在6月底到7月中旬、7月中旬前期和7月下旬到8月。而2007和2020年淮河上游降水集中期都在6月中下旬到7月中旬，故2007和2020年最为相似。

4.1 致王家坝超保证水位的暴雨预估指标

经统计，1954-2020年67年中王家坝出现超保证水位(泄洪16次)有13年，平均5年一次。1980年以来，王家坝超保证水位6年，其中1982、1991年和2003年均泄洪2次，2007和2020年王家坝水位最高，分别达到29.48和29.56 m，超保证水位0.18和0.26 m(见表6)。通过分析1980年以来王家坝出现超保证水位时，淮河上游出现暴雨的集中时段和暴雨发生频次等，总结提炼出王家坝超保证水位的暴雨预估指标：(1)淮河干流片至少出现一次连续2天的区域大暴雨或2次连续2天的区域暴雨；(2)10天内淮河上游出现6次以上区域性暴雨；(3)26～41天内淮河上游出现9～11次区域性暴雨。

表6 1980-2020年王家坝泄洪年份、日期、水位、淮河上游暴雨集中时段和次数

4.2 历史相似年份暴雨分析

如前所述，2007年和2020年互为最相似年。2007年7月1-20日淮河上游连续出现8次区域暴雨(表7)。其中，7月1日信阳中心城区降水达216 mm，相当于全年总雨量的1/5，为该站有气象记录以来日雨量的次多值(最多值为2005年7月10日的276.2 mm)，7月10日王家坝开闸泄洪。13-14日淮河流域再次出现区域大暴雨过程，28个国家气象观测站日雨量达到暴雨，16站达大暴雨。受连续强降水影响，7月上中旬淮河上游发生了自1954年以来的最大洪水，遭受了严重的洪涝灾害。

2020年7月11-22日淮河上游出现了6个区域暴雨日(表7)，降水落区集中出现在淮河干流的信阳地区。信阳大部累计降水量超历史同期1倍以上，为建站以来同期最多值，导致7月20日王家坝开闸泄洪。之后21-22日淮河流域再次出现区域大暴雨过程，49个国家气象观测站达暴雨，34站达大暴雨，进一步加重了洪涝灾害。

表7 2007年和2020年淮河上游降水集中时段内暴雨、大暴雨、连续性暴雨次数和王家坝开闸日期、开闸后大暴雨日期及超警戒水位维持时间

4.3 2007年和2020年淮河上游暴雨集中期的环流及环境特征

对2007年和2020年淮河上游降水集中期的环流形势和水汽条件等进行分析，拟寻找淮河流域致洪暴雨延伸期时段的预报特征。

2020年6月10日-7月22日，500 hPa高度距平场显示(图6a),我国东北到俄罗斯远东阻高建立、新疆稳定低压槽维持是河南转入多雨的典型天气模型。由乌拉尔山低压分裂低槽并携带冷空气不断补充至新疆地区，新疆地区建立深厚的低槽区并长时间维持，不断分裂的短波槽沿35°N以南的平直西风环流东移，与副高边缘的西西南气流在江淮地区汇合，致使该时段内降水集中、降水频繁。同时该时段内，对流层(1000-300 hPa)整层积分水汽输送及辐合、辐散场表明(图6b)：该时段内沿云贵高原和副热带高压北部为信号异常大的水汽输送区；整层水汽通量散度距平场≤-4×10-5kg·s-1·m-2的强辐合区区域位于四川盆地到陕南、江淮中下游地区。因此，整层水汽输送及水汽的辐合辐散场表明，6月10日-7月22日，江淮中下游水汽异常充沛并聚集，有利于降水强度的加大。

2007年6月10日-7月20日环流形势(图6c)与2020年同期的对比显示：高纬地区一槽一脊分布完全相反，我国中高纬盛行西北气流；低纬地区副热带高压西伸位置基本接近常年同期，其5860 gpm线与2020年的5880 gpm线西伸位置接近，而印度半岛到孟加拉湾一带为一宽广的低值区,表明2007年南支系统较活跃，来自孟加拉湾的水汽条件也较充沛。明显不同的是5860 gpm线的西部边缘经向度更大，表明副高边缘偏南风分量大，更有利于水汽向北输送。由图6(d)可知：我国西南地区到江淮地区为信号异常大的水汽输送区，整层水汽通量散度距平≤-3×10-5kg·s-1·m-2的辐合区位于长江以北到华北南部，与2020年相比，水汽输送位置更偏北、辐合强度偏弱。从2007年和2020年降水集中时段的累计降水量图(图7a、7b)中可以看出，2007年500 mm以上的降水范围明显大于2020年的降水范围，但2020年700 mm以上的降水区范围更大、更偏南。

图6 2020年6月10日-7月22日和2007年6月10日-7月20日500 hPa高度平均和距平(a、c)及1000-300 hPa整层水汽通量积分及水汽通量散度距平(b、d)

图7 2020年6月12日-7月22日(a)和2007年6月19日-7月20日(b)河南省降水量实况分布图单位：mm

对比2007年和2020年淮河流域王家坝2次泄洪事件发生的环流形势特征发现：一类是新疆深厚低压槽建立，其不断分裂短波槽沿平直的西风带环流东移，一次次与异常强大的副热带高压边缘的西南暖湿气流交汇于江淮地区，产生强降水；另一类则是稳定宽广的南支槽前西南气流与经向度较大的副高共同作用，西南暖湿气流输送范围更广(北界至黄河)，故降水区范围更大。上述两种形势有一个共同点，即副热带高压脊线均到达25°N，是引导其边缘水汽向北输送至江淮地区的重要指示特征。

5 结论与讨论

本文对2020年导致王家坝水位演变的淮河上游降水特征、分区面雨量特征、王家坝水位演变及历史上淮河致洪相似年大尺度环境条件等进行了分析，得到如下结论：

(1)暴雨频发、降水落区重叠、降水中心强度大且降水具有连续性是导致2020年淮河洪水、王家坝开闸泄洪的重要原因。

(2)2020年汛期淮河上游暴雨致王家坝水位演变出现3个关键阶段：旱涝急转阶段，王家坝水位缓慢升高再回落徘徊期；连续性暴雨阶段，王家坝水位接近警戒水位期；大暴雨阶段，王家坝开闸泄洪期。

(3)通过对1980年以来淮河流域致洪年份的降水特征、淮河上游分片面雨量与王家坝水位增幅的关系分析，发现淮河干流片面雨量对王家坝水位变化起决定作用，汝河片面雨量增大对王家坝水位增幅作用小，但对王家坝下游高水位维持作用明显。

(4)科研成果 “淮河流域面雨量及王家坝水位涨幅预估系统”在2020年汛期的应用中表现出预报误差小、可较好地应用于业务服务的特征，特别是基于智能网格降水预报产品准确预估出“17-18日淮河上游面雨量超过50 mm，王家坝水位涨幅可达4.6-5.4 m，出现超警戒和超保证水位风险极高”，为决策服务提供了有力的技术支撑。

(5)以淮河上游致洪暴雨集中期为相似确定2007和2020年互为最相似年份，归纳出王家坝出现超警戒水位时淮河干流片至少出现一次连续2天的区域大暴雨或2次连续2天的区域暴雨、集中时段内区域暴雨频次等暴雨预估指标；总结了淮河致洪暴雨产生的两类环流背景特征和环境条件，为进一步提升淮河流域防汛抗洪提供科学依据。

随着数值模式预报能力的提升，天气预报客观化、精细化程度及预报准确率不断提高。为更好地做好决策服务工作，在重点关注暴雨、强对流等灾害天气特征及形成机理等方面研究的同时，应加强对灾害天气影响和气象服务能力方面的分析和研究。本文对2020年淮河上游降水集中时段暴雨与淮河流域王家坝水位变化预估、相关科研成果及预报经验在2020年淮河梅汛期的应用效果等方面进行了尝试性分析和预估，为今后进一步做好气象服务工作提供了有益参考。

致谢：感谢河南省气候中心吴璐高工对本文提供的帮助。