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张 鑫，刘 康 琦，王 克 树，徐 俊 逸，吴 家 宝，祁 小 博
(1.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454003；
2.中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083；
3.中国地质调查局 中国地质环境监测院，北京 100081)
政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出：1981～2021年可能是1400年以来最热的30 a。伴随全球气候变化，极端降雨天气频繁出现[1-3]，危害人员生命、财产及生态环境安全，对不同国家的社会稳定与可持续发展带来严峻的挑战[4]。气候变暖导致的空气中水分含量的增加，使降雨的强度增大，持续时间增加，降雨范围更广，形成极端降雨的可能性更大[5]。美国国家海洋与大气管理局(NOAA)近114 a来全球降雨异常量(即极端降雨或极端干旱)统计数据表明，全球极端降雨发生概率呈线性增加趋势(见图1)。张文霞等[6]研究表明，全球气候变暖每增加1 ℃，中国强降水事件增加6.52%(5.22%～8.57%)。曹晴等[7]分析全国近50 a来554个气象站点的逐日降雨和气温数据表明，极端降雨的量级指数和强度指数呈增长的趋势，持续性指数呈减少趋势，极端降雨的量级指数和强度指数变幅的高值出现在热带季风气候区。2021年7月，中国、欧洲、日本、印度多地出现极端降雨过程，引发严重洪涝、泥石流等灾害，造成了重大人员伤亡和巨大财产损失，表明世界各国对极端降雨灾害风险的防御水平有待提升。开展极端降雨致灾与防御研究，对减少极端降雨危害具有理论和现实意义。
图1 1901～2015年全球降雨异常数据Fig.1 Global rainfall abnormal data from 1901 to 2015
极端降雨指大幅超过历史平均降雨强度或预期降雨强度的降雨过程。在极端降雨人工干预方面，使用过量播撒与动力下沉的方法在2018年奥运期间对北京上空进行了人工消雨[8]；
秦大河[9]依据数据统计分析与气候变化模拟，认为可持续发展道路是人类发展的唯一选择，提出改变能源结构、提升能源效率、减少温室气体排放的方法降低极端天气的发生[9]。减缓气候变化不是一蹴而就的，人工消雨技术也只是局限于小区域、雨量较低时的暂时性技术手段，在目前的技术条件下，采用最极端的方式也无法避免全球变暖的趋势。因此，在现行灾害面前，关注此类灾害防御性措施更有现实意义，能增加应对气候变化时的韧性。孟庆强等[10]采用投影寻踪技术开展极端降雨情景下城市区域积水风险评价预测研究；
刘艳华等[11]通过精细化黑龙江省暴雨、暴雪、雾、霾、道路结冰的防御设计，使极端降雨防御措施更加具有针对性，降低气象灾害对高速公路的影响；
张书函等[12]改进城市排水设计，提高了排水设施的渗透、调控排放和收集回用功能，增加了极端降雨天气下城市的承灾能力；
王岚等[13]通过分析保定山区降雨即时数据、水库入库出库流量监测数据、河道洪峰预警信息等，设计了防御与防汛预警综合平台等。针对极端降雨灾害防御研究层出不穷，但大多聚焦于单一地区或小范围区域某一时段的降雨情况进行极端气候致灾与防御分析，研究范围有一定局限性。基于此，本文针对2021年7月份全球典型极端降雨灾害事件，通过情景复盘、归因分析与对比分析，开展极端降雨综合致灾特点与防御措施研究，以期为极端降雨灾害科学高效防御提供参考。
1.1 气候特征与降雨条件
河南省位于中国华北平原南部的黄河中下游地区，地势西高东低，北、西、南三面分别由太行山、伏牛山、桐柏山和大别山沿省界呈半环形分布，地处暖温带，南部跨越亚热带，属于亚热带向暖温带过度的大陆性季风气候，夏季盛行温暖、湿润的偏南夏季风，具有降水多、气温高的特点，高温多雨的气候特点增加了极端降雨的可能性。受东亚夏季风影响，降水一般高度集中在6～8月，期间的降水量占全年降水量的60%以上，同时华北平原降水存在明显的年际和年代际变化，1883～1898年和1949～1964年是华北降水丰沛的时段；
1899～1920年和1965～1997年是华北降水偏少的阶段[14]，降水规律存在明显的轮回。
1.2 极端降雨与原因分析
2021年7月17～23日，中国河南省郑州、新乡、鹤壁、安阳市等多地出现了极端降雨过程，郑州、新乡、鹤壁市和安阳市共20个国家级气象站日降雨量突破建站以来的历史极值，郑州市城区局地最大小时降雨量达120.0～201.9 mm(16：00～17：00)，达到中国陆地小时降雨量极值(见表1)。降雨过程落区具有局地性、累计雨量雨强大的特点。
表1 2021年河南省部分国家级气象站单日累计降雨量Tab.1 Daily cumulative rainfall of some national meteorological stations in Henan Province in 2021
根据中国气象局公布资料分析，此次极端降雨至少受以下4方面影响：
(1) 夏季大气环流特征影响。大西洋副热带高压向北移动，与大陆高压分别稳定在中国的西北地区和日本岛地区，造成中国华北与黄淮地区持续低压，大量来自大西洋与太平洋的潮湿空气向低压地区汇集。
(2) 全球气候变化影响。全球气候变暖加速了水“蒸发-凝结-降水-蒸发”的水循环过程、增加了空气中水分含量，对河南省极端降雨的形成造成一定影响。
(3) 台风“烟花”影响。台风“烟花”在西太平洋向中国靠近，形成的气旋与副热带高压偏东气流共同作用，持续向河南省输送水汽，为河南省极端降雨提供了物质基础。
(4) 下垫面地形地貌影响。河南省地势西高东低，北、西两面分别为太行山与伏牛山交汇。太平洋吹来的潮湿空气在太行山与伏牛山发生抬升，导致河南省郑州市等地区的降雨强度更大、持续时间更长、极端降雨的范围更大。
1.3 极端降雨灾害分析
自然灾害是一个随时间演化的非线性开放系统，具有社会性与不确定性，在灾害发生与演变的过程中，破坏性物质与能量同周边环境相互影响作用，衍生出次生灾害，形成灾害链[15]。此次河南省极端降雨引发了内涝、河水倒灌、溃坝洪水等主要灾害及多种类型的次生灾害。根据应急管理部发布数据，共造成150个县(市、区)、1 663个乡镇、1 478.6万人受灾，因灾死亡失踪398人，直接经济损失约1 200.6亿元。依据致灾动力作用演替过程，可将此次极端降雨灾害链划分为3个阶段。
第一阶段：雨水动力作用阶段。雨水地面激流导致市政排水系统超负荷运作，直至蓄排能力超载失效；
下垫面遭受强烈降雨侵蚀作用，建(构)筑物动荷载增加，导致彩钢房、雨棚、土坯房、低等级砖混结构、防耐用性低建筑物等损毁，造成暴露程度大的输电线路、交通运输设施等无法正常运行，引发崩塌、滑坡、泥石流等灾害。
第二阶段：蓄滞洪涝致灾阶段。当超过有效排泄与蓄积能力，地表河湖水体超过警戒线，漫过堤坝，在山区形成洪流，在城市产生内涝，并向低洼处汇集，例如，在郑州市京广北路隧道内积水最深处达13 m左右。甚至部分河道堤坝溃决，加剧洪涝灾害。
第三阶段：降雨滞后致灾阶段。降雨入渗、侵蚀作用降低坡体稳定性，崩塌、滑坡发生概率增加；
当水流溢出浸润地基土体，造成建筑物的不均匀沉降；
地下水流冲刷形成地下空洞，引发地面塌陷；
城市地下水流受阻，甚至出现地下水位抬升导致基础浮托现象。
2.1 欧洲极端降雨灾害
2.1.1降雨过程分析
受暖性反气旋包裹影响，2021年欧洲西部多国发生极端强降雨。2021年7月12～15日，德国西部以及相邻的荷兰、比利时和卢森堡出现强降雨。根据德国国家气象局Deutscher Wetterdienst的数据，部分地区7月14日降雨量远超过30 a平均观测降雨量(见图2)。在莱茵兰-普法尔茨州和北莱茵-威斯特法伦州等德国主要受灾区，48 h内降雨148 mm，是当月历史平均降雨量的1.85倍。其中降雨最为严重的科伦-斯塔姆海姆地区24 h内降雨量达到154 mm，超过此前95 mm的最大日降雨量，是该地区7月平均降雨量的2倍[16-17]。
图2 德国部分气象站30 a平均降雨量与2021年7月14日 降雨量对比Fig.2 Comparison between 30-year average rainfall and rainfall on July 14，2021 at some meteorological stations in Germany
2.1.2降雨致灾分析
持续性的降水导致德国、比利时境内的莱茵河、摩泽尔河、默兹(马斯)河等多条河流水位持续上涨，引发洪水和山体滑坡-泥石流等次生灾害，导致房屋倒塌、道路中断、通讯中断和大面积停电。共造成超210人死亡，其中德国至少180人丧生，比利时41人遇难[18]。在欧洲洪水泛滥之前，哥白尼应急管理服务(The Copernicus Emergency Management Service，EMS)已经通过欧洲洪水预警系统(European Flood Awareness System，EFAS)向莱茵河和默兹河流域的特定地区发出超过25次警告。与其他国家的警报机制不同，德国无法向公民集体发送关于极端天气事件的短信，只能靠城镇里的警报器发出预警，由于居民缺乏对此类极端天气的认识，并且在通讯中断以后，居民更加无法收到有效的指示，导致了德国成为欧洲此次极端降雨事件下受损最为严重的国家[19]。欧洲西部属于温带海洋性气候，全年冬暖夏凉，年温差小。在冬季，沿海岸有暖流经过，西风携带着大量的温暖潮湿空气登上欧洲西部地区，导致欧洲降雨集中在冬季，夏季降雨量较少。此次极端降雨造成严重灾害，究其因在于降雨的极端性，同时夏季常年少雨，导致欧洲地区国家预防灾害措施准备不足。
2.2 印度极端降雨灾害
2.2.1降雨过程分析
每年6～9月，由于印度的持续高温，使印度西北地区产生热低压区，西部形成四周高中间低的极端气压环境，强烈吸引着由赤道偏转而来的东南季风，大量的水汽集中在印度西北部，给印度的西北部带来丰沛的降雨，形成印度的雨季[20]。2021年7月印度马哈拉施特拉邦发生强降雨，部分地区24 h降雨量超过594 mm，超过近40 a降雨极值[21]。主要原因是正值雨季，由大西洋偏转而来的东南季风和全球气候变暖使空气中水分增加，以及产生在印度西北部的极端气压环境，致使此次暴雨强度大，持续时间长。
2.2.2降雨致灾分析
极端降雨暴雨引发了洪水、滑坡、泥石流等灾害，导致房屋倒塌、道路中断、低洼地区被淹，数百座村落对外交通中断，并在马哈拉施特拉河导致溃坝洪水涌出了河床。恶劣环境阻碍了应急救援，加剧了危害。截至2021年7月，印度共有约680万人受到洪灾影响(其中包括约240万儿童)，主要集中在与孟加拉国接壤的北部阿萨姆邦(当地已有100多人死亡)、西孟加拉邦、比哈尔邦和梅加拉亚邦。仅在印度西孟加拉邦，这场暴风雨就造成了132亿美元的损失[22]。
2.3 日本极端降雨灾害
2.3.1降雨过程分析
2021年7月初，日本持续受到强降雨影响，多地实际降雨量创历史纪录。静冈县热海市从7月1日开始持续降雨，至7月3日雨量增大。48 h降雨量超过320.0 mm，72 h内的降雨量为409.5 mm，是当月历史观测极值，接近往年7月平均降雨量1.7倍；
山口县岩国市美和地区1 h降雨量达到约100.0 mm，刷新了短时降雨的最高记录；
鸟取县境港市和岛根县出云市3 h累积雨量分别达139.0 mm和117.0 mm，同样都是历史统计以来的最高纪录[23-24]。
此次遍布日本的强降雨由“梅雨”造成。梅雨前锋的停滞导致温暖湿润的空气接连涌向锋面，使得其所在地受到强降雨的影响。梅雨前锋由6月底北上，在西日本向东一带停滞，导致以日本东海地区至关东地区南部为中心产生创记录的强降雨。之后梅雨前锋继续北上，在西日本至东日本的日本海沿岸地区形成强降雨。因为“梅雨”的不断前进和停滞导致日本多地在不同时刻均遭遇严重的强降雨。
2.3.2降雨致灾分析
由于连续的极端降雨，2021年7月3日10：30伊豆山顶部高约50 m的人工填土因排水设施和加固工程不足，在降雨入渗作用下失稳滑动并转化为泥石流，形成暴雨-滑坡-泥石流灾害链。引发了伊豆山的泥石流，沿逢初川朝东南方向流向大海(见图3)，长约1 km，损坏了131座房屋，造成1 500多户停电、1 100户停水、392户停气，导致28人死亡失踪。堆积物质体积约为10万m3[25-27]。
图3 日本泥石流事发地剖面图Fig.3 Profile of debris flow accident site in Japan
从此次降雨致灾事件看出，在城市建设施工过程中会形成许多人工边坡，若设防标准不足或缺乏防御措施，在外界条件因素(如降雨)的影响下，将引发地质灾害。要吸取日本的经验教训，在施工过程中应采取合理的设计，采取有效的排水措施、加固工程或形态改造，提高坡体的稳定性，使堆覆双层结构坡体强度大于原来的自然斜坡。
3.1 极端降雨特征
极端降雨是受大气环流与气候系统影响的一种自然现象[28]。2021年发生在北半球各国的极端降雨，都受到全球气候变暖的影响。气温上升导致大气层含水量增加，冰川冻土退化、海平面上升、蒸发作用增强；
水循环的变化导致降雨频率、降雨周期与降雨强度的变化。中国极端降雨具有明显的区域性差异，阈值从东南沿海向西北内陆逐渐递增，四川盆地、长江中下游地区和华南地区的极端降雨阈值最大，长江中下游地区、华南地区、西北地区呈现明显的增加趋势；
东北地区、华北地区、西南地区表现出减少的趋势[29-31]。综合上述极端降雨事件(见表2)，可发现极端降雨具有以下特点：
(1) 过程骤然性。2021年7月份西欧、印度、日本以及中国河南省发生短时降雨，并迅速发展为大暴雨，局部特大暴雨。降雨时间集中，短时累计雨量大，洪涝、滑坡等灾害形成快速，防灾减灾应急反应措施滞后，造成重大人员伤亡与经济财产损失。
(2) 落区局地性。中国河南省极端降雨主要集中在北部、中部与西部地区，并以郑州市为降雨中心；
西欧降雨集中在德国、比利时等国家，日本强降雨集中在热海市，印度极端降雨集中于马哈拉施特拉邦。由此可以看出，近期极端降雨具有一定的局地性，降雨落区相对集中。
(3) 雨量雨强极值性。中国河南省郑州市2021年7月20日16：00～17：00降雨量突破了中国大陆气象观测记录历史极值(198.5 mm)；
欧洲波恩-科隆站7月15日24 h内降雨 88.4 mm，超过历史记录；
日本7月1～3日的降雨量超过历年7月均值；
印度遭遇近40 a最强暴雨，2021年7月降雨量超往年45%，西海岸部分地区24 h降水量594.0 mm。
表2 2021年极端降雨事件简况Tab.2 Summary of extreme rainfall events in 2021
3.2 极端降雨致灾特征
综合上述典型事例，发现极端降雨灾害具有以下特征：
(1) 破坏性能量集聚暴发。降雨在汇水、集水区域快速集聚，导致破坏能力激增。
(2) 隐患零存整现。在极端降雨强烈作用下，平时存在的风险隐患容易集中暴发。
(3) 邻近空间链式致灾。受到所处环境内部与外部因素的综合影响，在破坏性能量与周围环境相互作用下，极端降雨引发灾害链(见图4)，向临近空间逐级扩散。
图4 极端降雨灾害链发展过程Fig.4 Development process of extreme rainfall disaster chain
3.3 极端降雨灾害预警
灾害预警是指根据灾害预警指标，为灾害将发地区人员提供及时、准确的灾害信息，并通过危险评估，采取有效的规避风险方案[32]。2002年水利部会同原国土资源部、国家气象局、原建设部、原环保总局组织编制了《全国山洪灾害防治规划》，规划中强调“人与自然和谐共处”“以防为主，防治结合”的原则。极端降雨灾害预警对保护人民生命财产安全具有重要意义。孙东亚[3]结合中国基本国情调研与山洪监测项目建设现状指出，中国在山洪灾害监测预警方面尚处于初级阶段。针对极端降雨灾害预警研究，尚存在一些研究空白与技术挑战。大数据时代的到来，极大促进了信息的计算与更新迭代，考虑到极端降雨灾害至灾特点，本文建议以互联网大数据为基础建立科学的极端降雨预警系统(见图5)，从降雨预警数据库到预警信息发布，向民众传达灾害预警信息，做到提前预知风险、防范风险、规避风险。数据收集系统从日常监测和民众反馈途径获取数据以完善极端降雨数据库，提高系统预警精度。
图5 降雨灾害预警模型Fig.5 Rainfall disaster early warning model
3.4 极端降雨灾害防御优化
由于全球气候变化导致的极端降雨已在世界各地引发了一系列的洪涝灾害及其次生灾害，因此提升极端降雨灾害的防御能力十分必要。2021年发生在欧洲、日本、印度、中国的几次降雨灾害表明，极端降雨灾害防御重在预测预警预报、提高承灾体抗灾能力、降低易损性。以中国河南省极端降雨引发的灾害为例，在2021年7月20日之前，气象部门已多次发出红色暴雨警告，然而灾害发生迅速，小时降雨量最大高达201.9 mm，导致多处建(构)筑物受灾严重，例如地铁回灌、围墙倒塌、路面塌陷等，造成了严重的财产损失和人员伤亡。为提高承灾体抗灾能力、降低易损性，建议从以下几方面完善综合防御措施：
(1) 提升预报预测预警能力。极端降雨灾害累计雨量大、持续时间长、短时降雨强、极端性突出，在短时间内作出调控困难大，因此需要建立合理的极端降雨灾害预报预测预警模型，实现极端降雨灾害来临前的及时预报预测预警。在气象部门发出红色暴雨预报后，及时进行灾害预测，如可能达到的降雨量以及可能造成的受灾程度，然后排查可能受灾严重体，之后通过多平台、多手段及时发布极端降雨灾害预警通知。
(2) 增强水流的合理调蓄。完善城市排水排涝基础措施建设，修缮城市内湖，健全城市储水系统，增强城市排水储水能力，保护城市天然河道，充分利用自然流水系统，将降低极端降雨灾害纳入城市管理规划，推进海绵城市建设，提升城市地面渗水能力。修建水利工程，如兴建水库、修筑堤坝工程、整治河道等。
(3) 排查极端降雨灾害易受灾体。排查山洪、地质灾害等致灾因子的隐患，通过治理、转移等方式降低极端降雨致灾风险。排查老、旧、危承灾体，尤其是农村危房危墙。
(4) 加强应急处理能力。建立应急处理快速响应模型，增强极端降雨灾害发生时的快速响应能力，实现灾害来临时的及时应急救灾。建立全城市官方实时救助信息平台，在易受灾建(构)筑物内(如地铁、地下停车场等城市地下空间)增加临时电力系统与应急通讯设备。
(5) 优化承灾体设防标准。随着全球气候的变化，极端降雨灾害发生的可能性大大增加，在当前降雨灾害或洪涝灾害的防御标准及相关规范的基础上[34-36]，针对不同城市规模、不同建(构)筑物的防御工程标准，提出极端降雨灾害防御设计重现期建议(见表3)。
表3 极端降雨灾害防御设计重现期Tab.3 Return period of extreme rainfall disaster prevention design
表3中：① 超大城市指常住人口1 000万以上的城市，特大城市指常住人口500万～1 000万的城市，大城市指常住人口100万～500万的城市，中等城市或小城市指常住人口100万以下的城市。② 易受灾体指容易受灾严重，对人民生命财产安全造成严重威胁的建(构)筑物，如地铁隧道、地下通道、地下停车场
等城市地下空间和主城区道路等；
重要建(构)筑物指对人民生命财产安全造成一定威胁的建(构)筑物，如城市中心、商业区、工业区等；
一般建(构)筑物指对人民生命财产安全威胁不大的建(构)筑物。③ 易受灾体的防御要求为城市地下空间不进水、不积水，且预留紧急电力设施和安全通道，主城区道路不塌陷、积水不超过15 cm；
重要建(构)筑物的防御要求为建(构)筑物底层和基础不进水、不积水。
(1) 受全球气候变暖影响，极端降雨过程增多。极端降雨的发生总体具有明显的季节性和区域性，具有过程骤然性、落区局地性、雨强雨量超常性等特点。
(2) 在有限空间内，极端降雨致灾具有风险隐患零存整现、水流动力破坏性能量集聚暴发、邻近空间链式致灾等特点，常引发洪水、内涝、堤坝决口、山体滑坡、泥石流、地面塌陷、建(构)构物功能损毁等事故。
(3) 为提高极端降雨灾害防御能力，建议研发预测预警预报技术，优化顺应自然水流系统的国土空间规划，分类提高重要设施设防标准，增强城市排水蓄水能力，规范预警响应系统等。
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