1 引言
海河流域地处京畿要地， 西侧为山西高原， 北部为蒙古高原， 南部与黄河接界， 东临渤海， 地跨包含北京、 天津等8个省（自治区、 直辖市）， 总面积约3.2×104 km2， 人口密集， 在中国的政治经济中占有重要地位（袁鹰， 2006）。洪涝灾害是海河流域最严重的自然灾害之一， 对基础设施、 房屋建筑、 电力、 交通、 农业、 林业等都具有巨大破坏性， 严重威胁到人民生命财产安全， 一直以来受到各防汛决策部门的重视和关注。而海河流域的地理特征又有其独特性， 其西部、 北部为山区高原， 山区占流域面积的60%， 东南部为华北平原， 地势平缓， 占流域面积的40%， 而流域山地与平原间丘陵过渡带较短， 河道源短流急， 洪水流速大， 传播时间短， 从山区降雨到河道出口出现洪水， 最长不超过1~2天， 短的仅几个小时， 使得流域洪水具有预见期短且突发性强的特性。
暴雨是造成洪灾最直接最根本的原因。海河流域属温带半干旱、 半湿润季风气候， 流域暴雨多出现在7 -8月， 主要影响系统有西北太平洋副热带高压、 西风槽、 低涡、 台风、 东北冷涡等。当前对流域暴雨的研究很多， 丁一汇（1993）在暴雨论著中对流域范围的几次暴雨个例进行了详细分析， 何群英和陈涛（2009）对2006年8月流域的一次暴雨过程进行了成因分析， 赵思雄等（2018）对2016年7月19 -21日华北及北京的特大暴雨作了研究和讨论， 前人的研究大多是基于一次暴雨过程的天气学诊断分析研究（李廷福和高树德， 1995； 谭志华和杨晓霞， 2000； 苗爱梅等， 1997； 孙军等， 2012； 栗晗等， 2018）。
也有很多学者对流域暴雨天气学分型做了一些研究工作， 多集中在长江流域、 汉江流域、 珠江流域、 渭河流域等， 如陈璇等（2015）通过普查1981 - 2012年24例长江上游流域大洪水过程， 将影响长江上游大洪水强降水过程的天气系统总结为巴湖槽东移型、 贝湖槽稳定型和东北冷槽型； 党红梅等（2011）分析了1976 -2005年汉江流域的49次致灾暴雨， 将产生汉江流域致灾暴雨的大气环流形势划分为西南气流型、 低涡切变型和低槽型； 姚章民等（2015）对珠江流域9场历史典型暴雨洪水的致洪天气系统、 暴雨中心落区及发生时间进行统计分析， 总结影响暴雨发生的主要天气系统有副热带高压、 槽、 锋面、 切变线、 西南低涡和热带气旋； 董长宝（2008）分析了1954 -2005年渭河流域53次致洪暴雨， 将产生渭河流域致洪暴雨的大气环流形势划分为低槽型、 西南气流型、 低涡切变型和副高控制型； 蒋六南（1987）对南盘江流域1959 -1983年内造成较大降雨（流域平均雨量25 mm以上）的83个个例根据主要影响天气系统分为低槽冷锋型、 两高切变线型、 低涡切变线型和台风型。
然而针对海河流域致洪暴雨分型的研究较少。杨德江等（2017）采用50余年降水资料分析了海河流域暴雨的气候特征并将暴雨个例进行了分型， 但其致洪暴雨个例的筛选是基于气象要素并采用数理统计方法进行的（吴振玲等， 2012）， 此方法筛选出来的个例与实际致洪暴雨存在一定偏差。迄今为止还没有采用水文、 气象资料相结合来筛选海河流域历史致洪暴雨个例并进行特征分析的研究， 因而本文采用1952年以来的水文、 气象资料， 统计海河流域历史上发生的致洪暴雨过程， 分析流域历史洪水特征， 探讨致洪暴雨的发生机制并进行天气学分型， 总结海河流域致洪暴雨天气学概念模型， 为海河流域致洪暴雨预报预警及防灾减灾提供技术支撑。
2 资料介绍与研究方法
2.1 资料介绍
本文所用的资料包括： （1）海河流域62个水文监测站的日最大流量资料； （2）海河流域169个国家基本气象站日降水资料； （3）海河流域逐年降水气候值； （4）ERA5全球再分析资料， 分辨率0.125°×0.125°， 包括17个垂直高度层的位势高度、气温、 风场、 相对湿度和地面各气象要素、海平面气压场等。4种资料的时间均为1952—2020年。文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS（2019）3082的标准地图制作， 底图无修改。文中所用时间均为北京时。
2.2 研究方法
衡量洪水的量级一般采用洪水频率和重现期。根据海河水利委员会《海河流域设计洪水修订推荐成果表》， 水文站在不同频率有相应的洪峰流量设计值， 如频率1%即重现期为100年， 即百年一遇， 频率5%即重现期为20年， 即20年一遇。根据1952年以来海河流域各水文站日最大流量数据， 筛选出1952年以来海河流域发生的中等洪水及以上的过程， 包括特大洪水、 大洪水和中等洪水。特大洪水定义为重现期大于等于50年， 大洪水定义为重现期大于等于20年、 小于50年， 中等洪水定义为重现期大于等于5年、 小于20年。具体方法以滦河流域的潘家口水库为例， 通过查阅《海河流域设计洪水修订推荐成果表》可知， 潘家口水库站在频率1%（即百年一遇）的洪峰流量设计值为22800 m3·s-1， 统计方法即为通过统计该站多年来的日最大流量， 超过此流量阈值即记为一次特大洪水过程。
筛选出所有洪水后， 将洪水继续分为区域性洪水和局地性洪水。划分规则为： 2个及以上水文站点的洪水发生时间相同或间隔5天以内， 即记为一次区域性洪水， 若只有1个水文站发生洪水， 即记为一次局地性洪水。
由于各流域暴雨特征及河湖洪涝具有较强的地域特点， 迄今为止， 致洪暴雨并未有统一标准（张霞等， 2020）。本文根据降水实况资料统计发现， 在海河流域洪水发生前5天内流域发生强降水的概率为100%， 因此将引发海河流域洪水的强降水称为海河流域致洪暴雨。
3 海河流域历史洪水特征
3.1 时空分布特征
通过分析洪水发生次数随时间的变化， 可以发现其变化存在两个峰值点， 一个在7月20日， 一个在8月4日， 其中最大值出现在8月4日， 共发生洪水9站次。两个峰值点对应两个洪水发生频率最高的时段， 分别为7月19 -22日和8月4 -8日， 而4次区域性洪水和89%的特大洪水、 大洪水均集中在这两个时段出现， 其中8月4 -8日时段共发生洪水17站次， 占总站次的51.5%， 且4次区域性洪水有3次出现在本时段。这种阶段性变化特征与夏季风的移动和强度变化有关， 通常夏季风在7月20日左右出现第一次显著加强， 低层稳定的西南气流给华北地区带来稳定的水汽条件， 8月上旬中期， 经过短暂的降水间歇期， 华北区域再次进入雨期， 低层以稳定偏南气流为主， 同时随着副高的北抬， 副高西侧的东南风也带来了充沛的水汽， 因此流域在这两个时段容易产生大范围的降水进而引发洪水， 这与崔童等（2022）的研究结果一致。
空间上， 海河流域根据不同河系分布划分有9大分区， 不同河系所在位置及发生洪水次数如图3所示。从图3中可以看出， 洪水落在子牙河系的频率最高， 共发生洪水15站次， 占比45.5%， 其次是漳卫河7站次， 占比21.2%， 均位于流域的西南部， 其他洪水过程发生在滦河、 北三河和大清河河系， 发生次数相当， 平均在4站次左右。经进一步分析（表1）， 发现特大洪水出现在子牙河、 漳卫河和滦河河系， 其中有66.7%出现在子牙河系， 出现6站次， 其次是漳卫河， 而大清河和北三河没有出现过特大洪水； 对于大洪水， 除北三河外， 均出现了大洪水过程， 且频次分布较均匀， 同样子牙河系略多， 发生4站次， 占比40%； 对于中等洪水， 5河系均有发生， 子牙河最多， 共有5站次发生中等洪水， 占比35.7%， 其次是北三河， 发生3站次， 占比21.4%。对于洪水覆盖范围， 区域性洪水均发生在大清河、 子牙河和漳卫河等中部偏南区域， 而北部滦河和北三河河系的洪水以局地性洪水为主。
图3 海河流域9个分区（黑色实线）中历史洪水频数（数字， 单位： 次）的空间分布Fig.3 Spatial distribution of historical flood frequencies（unit： times） in 9 Division（indicated by black solid lines） of the Haihe River Basin |
表1 海河流域不同等级洪水频数分布统计表Table 1 Flood frequency distribution by levels in the Haihe River Basin |
| 分型 | 滦河 | 北三河 | 大清河 | 子牙河 | 漳卫河 |
|---|---|---|---|---|---|
| 特大洪水/次 | 1 | 0 | 0 | 6 | 2 |
| 大洪水/次 | 1 | 0 | 3 | 4 | 2 |
| 中等洪水/次 | 2 | 3 | 1 | 5 | 2 |
总的来说， 流域历年发生的洪水地理位置呈东北-西南走向， 且有南多北少、 西多东少的特点。这与流域的地形特征紧密相关， 流域西部、 北部均为山区， 发源地为山区背风坡的河系， 比如滦河， 河流源远流长， 汇水面积大、 水系集中， 比较容易控制， 而发源地为迎风坡的河系， 如漳卫河、 大清河、 子牙河等， 支流分散、 源短流急， 突发性强， 较难控制， 且流域太行山、 燕山迎风区也是大暴雨的集中地带， 使得河系陡涨抖落、 洪量集中、 洪峰高、 历史短的形式出现， 因此在流域的中南部极易造成区域性特大洪水。
3.2 海河流域历史洪水及降水年际分布
图4给出了1952 -2020年海河流域历史洪水分布及降水距平年际变化曲线， 年降水距平百分率为年降水量与气候平均降水量（1991 -2020年）之差除以气候平均降水量（1991 -2020年）的百分比。经统计发现， 80%以上的洪水个例发生在降水偏多年份， 而100%的区域性洪水发生在降水偏多年份， 如1956年发生了区域性大洪水， 降水距平百分率为24.2%， 1963年发生了百年一遇的区域性特大洪水， 降水距平百分率为16.0%， 另外还有1996年和2006年均发生了百年一遇的区域性特大洪水， 年降水距平百分率均为正值。同时存在中等及以上洪水发生在降水偏少的年份， 比如1962年、 1999年， 分析发现， 这些年份发生洪水的次数均为1次， 且均为局地性洪水， 只发生在单点， 说明该点发生了集中的一次强降雨过程， 而年降水量相较于1991 - 2020年降水平均值是偏少的， 因此该年份降水距平偏少而发生洪水。而降水距平偏多的年份没有发生洪水， 比如1964年、 1990年， 分析其原因， 主要是因为海河流域地形复杂， 包括山地、 丘陵和平原， 降水虽然总体增加， 但不同区域的降水分布不均匀， 没有在易发生洪水的区域出现持续性的强降水过程， 因此该年份降水距平偏多而没有发生洪水。从历史洪水出现时间来看， 洪水次数年代际波动较大， 总体呈现“多-少-多-少”阶段式变化特征， 在20世纪50、 60、 90年代和21世纪10年代洪水比较集中， 隔一年或者两年就会出现洪水， 而在70、 80年代和00年代洪水极少出现， 有且仅出现2次局地性洪水过程。这与降水距平年代际变化相吻合， 从降水距平变化曲线来看， 在20世纪80年代和21世纪00年代年降水距平百分率大多为负值， 说明年降水一直处于较常年同期偏少的状态。周连童和黄荣辉（2003）、 丁一汇和张莉（2008）的研究表明， 华北夏季降水在70年代中后期发生一次明显的突变， 之后降水显著减少， 荣艳淑（2013）、 崔童等（2022）也指出， 华北夏季降水在1977年之后发生明显跃变， 而在90年代降水又有所增加， 这与本文统计得到的洪水出现时间一致。
4 海河流域致洪暴雨天气学分型
表2 海河流域致洪暴雨分型统计表Table1 Synoptic patterns of flood-causing rainstorms in Haihe River Basin |
| 分型 | 发生站次/次 | 占比/% |
|---|---|---|
| 北上台风型 | 14 | 42.4 |
| 东北冷涡+西南涡型 | 9 | 27.3 |
| 低涡型 | 5 | 15.2 |
| 高空槽型 | 3 | 9.1 |
| 蒙古冷涡型 | 2 | 6.1 |
4.1 北上台风型
北上台风型是主要受台风影响产生暴雨的天气型， 也是产生致洪暴雨最多的一种天气型， 经分析， 划为此类型的个例有一个共同的特点， 即台风移动路径相似， 均是向西偏北方向移动， 并从东南地区登陆北上， 登陆之后减弱为热带低压， 在北移过程中逐渐影响海河流域。图5（a）给出了北上台风型天气学模型图。500 hPa高纬环流呈两槽一脊形势， 在新疆北部和内蒙古中东部均为槽区， 在贝加尔湖为宽广的脊区， 脊前西北气流给流域带来冷空气， 中纬受台风北上影响， 副高588 dagpm线逐渐东缩呈南北走向， 强降水发生时副高脊线位于37°N附近， 西伸脊点位于118°E附近， 台风北上减弱后的低压系统与副高之间的偏南气流与西北冷空气在流域西南部汇合， 形成东北-西南向切变线。此天气型易造成大范围区域性降水， 4次区域性洪水中有2次均是北上台风型， 雨带呈东北-西南走向， 雨区自西南向东北方向移动。
图5 海河流域北上台风型天气学模型（a）； 1996年8月3日08:00 500 hPa位势高度场（黑色等值线， 单位： dagpm）和温度（阴影， 单位： ℃）（b）； 700 hPa风场（风向杆， 单位： m·s-1）和相对湿度（阴影， 单位： %， 显示部分为相对湿度大于80%的区域）（c）Fig.5 Synoptic model of northward typhoon pattern in the Haihe River Basin （a）； 500 hPa potential height field （black contour， unit： dagpm） and temperature （shaded， unit： °C）（b）； 700 hPa wind field （wind direction rod， unit： m·s-1） and relative humidity （shaded， unit： %， display part is relative humidity greater than 80%）（c） at 08:00 on August 3， 1996 |
1996年发生的区域性特大洪水即是北上台风型。此次过程主要是受9608号台风的影响， 主雨区分布在流域南系太行山迎风坡的带状区域内， 超过200 mm的雨带长250 km、 宽90 km。河北省受灾人口1517万人， 直接经济损失超过290亿元。主要影响的流域为子牙河、 漳卫河， 其中， 临城水库站监测最大洪峰流量为4393 m3·s-1， 超过本站洪峰1%频率的阈值3850 m3·s-1， 约100年一遇； 朱庄水库站监测最大洪峰流量为9438 m3·s-1， 超过本站洪峰1%频率的阈值7710 m3·s-1， 约100年一遇。
具体的环流特征见图5（b）和（c）。500 hPa上台风北上后已经减弱为低压系统， 东侧为稳定的副热带高压系统， 呈“东高西低”分布， 高低压之间强大的气压梯度力导致低压东侧产生强的偏南急流， 东北地区有短波槽发展东移。700 hPa， 填色为相对湿度在80%以上的空间分布， 可以看到低层同样存在一支偏南低空急流， 这与500 hPa急流方向完全一致， 急流北上过程中将深厚的水汽输送到流域南系， 为暴雨提供充沛的水汽和不稳定能量。随着低压系统沿588 dagpm线向北移动， 副高后部的偏南水汽与槽后冷空气在低压的东北侧汇聚， 触发暖涡斜压发展， 进而引发强烈的辐合抬升产生暴雨。
4.2 东北冷涡+西南涡型
东北冷涡+西南涡型也是产生致洪暴雨占比较高的一种天气型， 图6（a）给出了此型的天气学模型图。500 hPa中高纬经向环流明显， 呈两槽一脊形势， 贝加尔湖为脊区， 新疆以北和东北地区为槽区， 且东北槽逐渐加深为闭合冷涡， 槽后偏北气流引导冷空气南下， 中纬西南涡和副高呈东西向分布， 西南涡中心在37°N、 110°E附近， 副高位置偏东， 西伸脊点位于125°E附近， 涡前西南气流和副高偏东气流与冷空气在流域西南部汇合， 形成东北-西南向切变线。此天气型易造成大范围区域性降水， 雨带呈南北走向， 雨区自南向北移动。
图6 海河流域东北冷涡+西南涡型天气学模型（a）； 1963年8月8日08:00 500 hPa位势高度场（黑色等值线， 单位： dagpm）和温度（阴影， 单位： ℃）（b）； 700 hPa风场（风向杆， 单位： m·s-1）和相对湿度（阴影， 单位： %， 显示部分为相对湿度大于80%的区域）（c）Fig.6 Synoptic model of northeast cold vortex and southwest vortex pattern in the Haihe River Basin （a）； 500 hPa potential height field （black contour， unit： dagpm） and temperature （shaded， unit： °C） （b）； 700 hPa wind field （wind direction rod， unit： m·s-1） and relative humidity （color spot， unit： %， display part is relative humidity greater than 80%）（c） at 08:00 on August 8， 1963 |
1963年发生的一次区域性特大洪水即为此天气型。此次特大暴雨过程主要发生在海河流域南部地区， 暴雨中心位于河北省邯郸市邱县獐仫村， 7天降雨量达2050 mm， 为我国大陆7天累计雨量最大记录。受灾人口4079万人， 特重灾区人口约1200万人， 死亡5881人， 直接经济损失约80亿元。主要影响的流域为漳卫河、 子牙河、 大清河三大河系， 其中， 临城水库站监测最大洪峰流量为5100 m3·s-1， 超过本站洪峰1%频率的阈值3850 m3·s-1， 约100年一遇。
图6（b）和（c）给出了此次过程的各层天气图。500 hPa， 东北冷涡和中纬度槽为一狭长的经向低压带， 海河流域位于中纬度槽前辐合上升区， 两侧均为稳定的高压系统， 大环流形势呈现阻塞状态。在这种环流形势下， 700 hPa， 低层西南涡与高空槽叠加， 出现了高低空系统耦合， 动力条件良好， 西南涡不断向东北方向移动， 到河南北部遇南下冷空气变停滞， 利于降水的长时间维持， 同时低涡右侧强偏南急流与500 hPa副高脊边缘的西南气流高低空配合一致， 形成深厚的水汽输送通道， 为降水提供充足水汽， 进而产生持久暴雨。
4.3 低涡型
低涡也是常见的产生海河流域致洪暴雨的天气型， 图7（a）给出了此型的天气学模型图。500 hPa高纬环流平直， 呈两槽两脊形势， 新疆中部和黑龙江西部为浅槽区， 贝加尔湖南部和鄂霍次克海以西为脊区， 中纬低涡中心位于35°N、 115°E， 副高位置偏南， 西伸脊点在115°E附近， 副高与低涡之间强西南气流不断在流域东北部汇聚， 形成东北-西南向暖切变线。此天气型雨带呈东北-西南走向， 雨区自西南向东北方向移动。
图7 海河流域低涡型天气学模型（a）； 2016年7月20日08:00 500 hPa位势高度场（黑色等值线， 单位： dagpm）和温度（阴影， 单位： ℃）（b）； 850 hPa风场（风向杆， 单位： m·s-1）和相对湿度（阴影， 单位： %， 显示部分为相对湿度大于80%的区域）（c）Fig.7 Synoptic model of low vortex pattern in the Haihe River Basin （a）； 500 hPa potential height field （black contour， unit： dagpm） and temperature （shaded， unit： °C） （b）； 700 hPa wind field （wind direction rod， unit： m·s-1） and relative humidity （shaded， unit： %， display part is relative humidity greater than 80%）（c） at 08:00 on July 20， 2016 |
2016年7月发生的一次区域性特大洪水即为低涡影响。此次降雨过程是2016年汛期京津冀及辽宁西南部地区最强的一次， 河北井陉（379.7 mm）、 武安（374.3 mm）及北京大兴（242.0 mm）等日降雨量突破历史极值。河北省11个设区市的142县（市、 区）和定州市、 辛集市受灾， 受灾人口743.3万人， 经济损失达89.73亿元。主要影响的流域有子牙河和漳卫河， 其中， 朱庄水库站监测最大洪峰流量为8186 m3·s-1， 超过本站洪峰1%频率的阈值7710 m3·s-1， 约100年一遇。
4.4 高空槽型
高空槽型是海河流域产生降水的常见天气形势， 但引起特大暴雨进而引发洪水的情况较少。如前文所描述的一般都是高空槽配合低涡或者台风系统， 至少两个系统叠加从而产生大暴雨， 低层系统主要为降雨区提供充分的水汽， 同时加强层结不稳定。图8（a）给出了此型的天气学模型图。500 hPa中高纬呈两脊一槽形势， 巴尔喀什湖和黑龙江以北为脊区， 贝加尔湖以南为宽广的槽区， 在槽前有一闭合性气旋， 中心位于40°N、 114°E附近， 副高脊线在35°N左右， 西伸脊点在115°E附近， 低层副高西北侧的西南气流显著， 往往达到10 m·s-1以上， 形成输送水汽的主要通道， 西南显著气流在槽前气旋东部汇聚成一暖中心， 在流域西北部形成东西向暖性切变线， 形成明显的低层辐合上升区。副热带高压的稳定维持， 使得降水持续时间较长。此天气型以局地性洪水为主， 雨带呈东北-西南走向， 雨区自西北向东南方向移动。
图8 海河流域高空槽型天气学模型（a）； 2018年8月12日08:00 500 hPa位势高度场（黑色等值线， 单位： dagpm）和温度（阴影， 单位： ℃）（b）； 850 hPa风场（风向杆， 单位： m·s-1）和相对湿度（阴影， 单位： %， 显示部分为相对湿度大于80%的区域）（c）Fig.8 Synoptic model of high-altitude trough pattern in the Haihe River Basin （a）； 500 hPa potential height field （black contour， unit： dagpm） and temperature （shaded， unit： °C） （b）； 700 hPa wind field （wind direction rod， unit： m·s-1） and relative humidity （shaded， unit： %， display part is relative humidity greater than 80%）（c） at 08:00 on August 12， 2018 |
2018年8月中旬发生的一次局地性中等洪水过程即为典型的高空槽型。暴雨中心位于河北省石家庄市辛集市， 24 h降雨量达127.1 mm。主要影响的流域为子牙河， 在河北省临城水库站监测最大洪峰流量为1356 m3·s-1， 超过本站洪峰10%频率的阈值988 m3·s-1， 约10年一遇。
图8（b）和（c）给出了此次过程的天气图。500 hPa， 内蒙古中部有一短波槽发展东移， 副热带高压西伸北进控制华北南部地区， 流域处于槽前辐合上升区， 正涡度平流加强辐合上升运动的发展。850 hPa， 内蒙古中东部有闭合性气旋， 为暴雨的发生创造良好的动力条件， 低层偏南急流达到12 m·s-1， 形成深厚的暖湿输送通道， 为暴雨区带来水汽， 同时低层暖湿气流也利于层结不稳定的建立和维持， 使得对流性降水增强。地面为暖湿低压倒槽控制， 也有利于低层水汽的辐合抬升。
4.5 蒙古冷涡型
图9（a）给出了此型的天气学模型图。500 hPa中高纬经向环流明显， 呈两槽一脊形势， 新疆以北为脊区， 巴尔喀什湖西侧和贝加尔湖为槽区， 东部槽区东西向跨度大， 近50个经度范围， 槽不断发展加深形成深厚冷涡， 冷涡中心位于贝加尔湖55°N、 110°E附近， 中纬副高中心位于130°E、 25°N附近， 西伸脊点在120°E附近， 低层副高偏南气流与西南气流为暴雨区输送水汽和不稳定能量， 在流域中南部汇聚形成暖性切变线并在北京天津形成一暖中心， 冷涡前低层形成东北-西南向冷性切变线， 显著的冷暖平流导致斜压锋生和强烈的辐合抬升形成的动力强迫是该类型暴雨发生的重要条件。此天气型带来的天气往往比较剧烈， 以雷暴大风、 冰雹和短时强降水为主， 配合副热带高压的稳定少动和偏南气流的持续暖湿输送， 常常形成局地暴雨， 进而引发洪水。因此该天气型以局地性洪水为主， 强雨带呈东西走向， 雨区自西向东移动。
图9 海河流域蒙古冷涡型天气学模型（a）； 2012年7月21日08:00 500 hPa位势高度场（黑色等值线， 单位： dagpm）和温度（阴影， 单位： ℃）（b）； 850 hPa风场（风向杆， 单位： m·s-1）和相对湿度（阴影， 单位： %， 显示部分为相对湿度大于80%的区域）（c）Fig.9 Synoptic model of Mongolian cold vortex pattern in the Haihe River Basin （a）； 500 hPa potential height field （black contour， unit： dagpm） and temperature （shaded， unit： °C） （b）； 700 hPa wind field （wind direction rod， unit： m·s-1） and relative humidity （shaded， unit： %， display part is relative humidity greater than 80%）（c） at 08:00 on July 21， 2012 |
蒙古冷涡型的典型个例为2012年7月下旬在海河流域发生的一次局地性中等洪水过程。此次过程北京及其周边地区遭遇1961年来最强暴雨及洪涝灾害， 受灾面积16000 km2， 成灾面积14000 km2， 160.2万人受灾， 经济损失共约116.4亿元。暴雨中心在北京市房山区河北镇， 降水量达460.0 mm。有8个国家基本站超过建站以来历史极值。主要影响的流域为北三河， 在北京市北关拦河闸水文站监测最大洪峰流量为1200 m3·s-1， 超过本站洪峰10%频率的阈值1080 m3·s-1， 约10年一遇。
图9（b）和（c）给出了此次过程的各层天气形势。500 hPa， 环流呈现稳定的“东高西低”分布， 经向度大， 北涡南槽， 槽前强正涡度平流引起强烈的高空辐散低空辐合， 东部副热带高压西伸北进并稳定维持， 阻挡冷涡系统东移， 使得降水区长时间处于槽前上升运动区， 降水时间持续较长。850 hPa， 流域南部有一东西向暖式切变线， 风速的辐合为强降水提供动力条件， 沿副高外围形成明显的西南急流， 同时东部沿海存在强劲的暖湿东南急流， 与西南急流汇聚于流域南部， 形成显著的水汽辐合中心， 为暴雨提供充沛的水汽条件。地面为偏东风控制， 与低层西南急流存在较强的垂直风切变， 加强对流的组织性维持和发展， 利于对流性强降水的发生。
5 结论
本文采用1952 -2020年水文、 气象资料统计出近70年海河流域中等及以上洪水个例， 并利用ERA5再分析资料分析致洪暴雨过程天气环流形势并进行天气学分型， 建立不同天气型的概念模型。结论如下：
（1） 历史上海河流域中等及以上洪水均出现流域汛期7月、 8月， 其中8月更多。洪水发生频数存在两个峰值点， 这与气候态夏季风的移动和强度变化有关。空间上， 流域洪水地理位置呈东北-西南走向， 有南多北少、 西多东少的特点， 这与流域地形特征紧密相关。
（2） 80%以上的洪水个例和100%的区域性洪水均发生在降水偏多年份。历史洪水次数的年代际波动较大， 呈“多-少-多-少”阶段式变化特征， 这与华北夏季降水的变化特征相符。
（3） 海河流域致洪暴雨大致可分为5种天气型： 北上台风型、 东北冷涡+西南涡型、 低涡型、 高空槽型和蒙古冷涡型。其中， 受台风影响的个例占比最高， 冷涡和低涡影响次之。
海河流域山区面积多， 受地形影响， 短时强降水具有局地性、 突发性等特点， 在大环流形势下叠加中小尺度近地面层辐合线和地形的影响， 给流域暴雨预报工作带来了很大不确定性。本文对近70a的致洪暴雨个例进行初步分型， 由于本文选取的是中等及以上洪水过程， 样本数偏少， 后续尝试增加样本数， 对分型进一步明确， 并从热力、 动力、 水汽等各方面深入分析每一次个例， 增加更多致洪暴雨参数分析， 为预报员提供多角度物理参数参考， 以此提升海河流域致洪暴雨准确率， 提高洪水可预见期。