淮河流域地处东亚季风湿润区与半湿润区的气候过渡区域, 是一个旱涝易发地区, 加之地形作用, 形成了淮河流域“无降水旱, 有降水涝、强降水洪”的典型区域旱涝特征。在降水异常偏多的年份, 长江中下游梅雨雨带滞留在淮河流域, 会形成集中的强降水。由于淮河上游流域地势高, 落差大, 降水下泄快; 中游地势平坦, 落差小, 水流缓慢; 下游没有直接的出海口, 因此, 淮河流域的集中强降水极易导致洪涝灾害的产生。从20世纪50年代以来, 淮河流域先后经历了1954, 1991, 2003年的洪涝灾害, 气象水文工作者也对淮河洪涝的成因及特征进行了较深入分析^[1-8], 为认识和预报淮河流域的暴雨洪涝奠定了科学基础。

2007年江淮流域从6月19日开始入梅, 降雨增加, 特别是6月29日—7月10日, 淮河流域出现了集中强降水, 伴随着强降水的持续, 淮河干流 (7月8日) 全线超警戒水位, 王家坝的水位从7月1日开始迅速上升, 到7月10日王家坝分洪区启用, 安徽全省先后启用了10个行蓄洪区。水文监测纪录显示, 淮河流域出现了1954年以来的流域性大洪水。分析2007年淮河流域强降水的特征及对淮河干流水位、流量的影响, 并与历史上的淮河洪涝年份进行分析比较, 进而揭示出2007年淮河降雨致洪的原因, 对于认识淮河洪涝的发生规律, 做好暴雨诱发洪涝灾害的预报十分必要。

2007年汛期淮河流域持续性强降水天气始于6月19日, 到7月10日集中性强降水告一段落, 期间经历了7次暴雨天气过程, 分别出现在6月19—20日、22—23日、26—28日、6月29日—7月1日、2—3日、4—7日和8—9日 (表 1), 其中, 后4次为连续性大暴雨天气过程, 而前3次的降雨过程雨势不强, 但由于降雨中心基本上出现在淮河支流分布比较密集的淮北地区, 致使淮河流域底水明显增加, 为后期强降水导致的全流域性洪水埋下隐患。

表 1

表 1 2007年汛期淮河流域强降水天气过程 Table 1 Main precipitation processes during June 19—July 9, 2007 in the Huaihe River Basin

表 1 2007年汛期淮河流域强降水天气过程 Table 1 Main precipitation processes during June 19—July 9, 2007 in the Huaihe River Basin

图 1为2007年6月19日—7月10日淮河流域累积降水量及降水距平分布图。由图 1可见, 6月中旬末到7月上旬的21 d中, 整个淮河流域的累积降水量为300~400 mm, 其中淮河上游的信阳、中游的蒙城、下游的泗洪和盱眙的总降水量分别为514 mm, 526 mm和523 mm (图 1a)。整个流域的降水量较常年偏多1~2倍, 其中河南南部、安徽北部及江苏北部的部分地区的降水量偏多2倍以上 (图 1b)。

图 1

图 1. 2007年6月19日—7月10日淮河流域总降水量分布 (单位: mm) (a) 及降水距平百分率 (单位:%) (b) Fig 1. Accumulated precipitation (unit: mm)(a) and percentage of precipitation anomaly (unit:%) (b) in Huaihe River Basin during June 19—July 10, 2007

淮河流域持续性暴雨天气是在有利的大尺度环流条件下产生的, 2007年6月中旬末到7月上旬淮河流域的强降水集中发生的大尺度环流条件也是认识淮河洪涝发生的一个重要环节。

夏季, 西北太平洋副热带高压 (以下简称副高) 的位置对我国降雨分布有至关重要的作用。图 2a是2007年6—7月逐日500 hPa副高脊线位置在110°~130°E平均、5 d滑动平均、多年平均及雨带位置的演变。由图 2a可见, 6月18日, 副高脊线跳过20°N, 北抬至有利于江淮梅雨的副高脊线位置, 6月19—29日, 副高不稳定, 脊线位置在18°~24°N之间南北摆动, 同期, 雨带位置随之南北摆动, 淮河流域降水时断时续; 6月30日—7月10日, 副高稳定, 脊线位置在22°~25°N之间, 西脊点位置偏西 (图略), 经度位置在我国110°~115°E之间, 降水在淮河流域维持。由此可以看出, 6月29日—7月10日淮河流域的集中性强降水主要是产生在副高北抬并稳定维持以后。有研究表明^[9-10], 副高在22°~25°N之间并稳定维持, 西边界在我国江南和华南上空, 有利于副高将印度季风和东亚季风携带的暖湿空气输送到我国江淮流域, 从而为该地区持续性强降水天气提供源源不断的水汽。

图 2

图 2. 2007年6—7月逐日500 hPa副高脊线及雨带位置 (a) 及西风环流指数 (b) 演变 Fig 2. The temporal variation of subtropical high ridge at 500 hPa and rain belt (a) as well as westerly index (b)

从中、高纬度地区环流形势来看, 2007年6月19日—7月10日, 亚洲中、高纬地区阻塞活动频繁。6月12—27日, 东西伯利亚有阻塞高压活动, 乌拉尔山附近为长波脊控制; 6月28日—7月3日, 东亚阻塞高压中心南移至雅库次克至鄂霍次克海地区, 同时乌拉尔山长波脊发展为阻塞形势, 这种双阻形势是有利于江淮梅雨的亚洲中、高纬度典型环流形势; 7月4—10日, 前期双阻型演变为单阻型, 在乌拉尔山至西西伯利亚地区有阻塞高压活动。图 2b为6—7月亚洲中高纬地区 (45°~65°N, 65°~155°E)500 hPa西风环流指数, 与多年平均相比, 西风环流指数持续偏低, 说明500 hPa亚洲中、高纬地区大气环流维持经向型, 即阻塞型。阻塞形势有利于冷空气东移南下, 与副高西北侧的暖湿气流频繁交锋于淮河流域。

2007年6月29日—7月7日淮河流域3次持续性大暴雨过程期间, 上述大尺度环流形势十分稳定, 从而在淮河流域形成准静止切变线和地面准静止梅雨锋, 配合强盛的低空西南季风的北涌, 造成我国淮河流域的持续性大暴雨天气。7月8—9日, 随着华北冷涡及其伴随的横槽转竖南压, 副高逐渐减弱东退, 准静止锋演变为冷锋, 淮河流域在自北向南出现1次大暴雨天气过程后, 10日, 集中强降水天气暂时结束。

值得指出, 2007年6月19日—7月10日, 赤道辐合带对流活动弱, 没有一个编号热带气旋生成, 有研究表明^[11-12], 这对我国中、高纬度及副热带地区的环流形势的稳定十分有利, 使淮河流域的降雨得以稳定持续维持。

图 3为江淮梅雨期间淮河干流王家坝、正阳关、蚌埠和洪泽湖等4个主要水文站的水位、流量变化图。由图 3a可以看到, 淮河上游王家坝的水位呈现出两个陡升的特征, 第1次的快速上涨出现在7月1日, 水位从21.43 m猛涨到7月5日的28.19 m, 涨了6.76 m, 并迅速超过了警戒水位 (27.50 m), 淮河汛情紧急。王家坝水位变化与集中的强降水有很好的对应关系, 淮河的强降水从6月29日开始, 特别是淮河上游的信阳、息县的大暴雨过程, 使王家坝水位在2 d后迅速上涨。王家坝水位的第2次快速上涨出现在7月9日, 伴随着7月8日淮河全流域性的大暴雨过程, 由于此次暴雨过程出现在淮河干流上, 直接导致了王家坝水位再度快速上涨, 7月9日超过保证水位, 王家坝泄洪, 随着王家坝第1次洪峰的到来, 7月11日出现了最高水位达29.58 m, 7月12日的最高洪峰流量达到了5700 m³/s。

图 3

图 3. 2007年6—7月淮河干流水位及流量逐日演变图 Fig 3. Temporal variation of water level and flux from June to July in 2007

由图 3b, 3c, 3d可见, 王家坝下游的正阳关、蚌埠、洪泽湖的水位涨势呈现出向下游逐步趋于缓和的趋势, 7月10日王家坝分洪后, 有效地抑制了下游各站水位的上涨, 没有出现超保证水位的情况。从4个站洪水的流量来看, 由于干流上河道状况的不同, 洪水的流量从上游到下游是逐渐增加的, 上游王家坝的最高流量为5700 m³/s, 而下游洪泽湖的最高流量可达11000 m³/s。从干流上洪峰的演变看, 除王家坝以外, 仅在第1次洪峰期间在正阳关出现了7630 m³/s流量的洪峰, 除此以外, 下游没有出现明显的洪峰。从王家坝下游的水位和洪峰流量的缓和变化可以看出王家坝及其他9个蓄洪区启用对消减洪峰的效果。

由图 3可知, 王家坝的水位涨势最快、洪峰最明显、水情最为严峻, 这是由其特定的水文地理条件决定的。由于淮河上游位于桐柏山区和大别山区, 地势高, 落差大, 上游降水迅速汇入干流, 使王家坝的水位呈现快速上涨的特点; 淮河中游地势平坦, 水流缓慢, 洪水下泄缓慢, 这种特点也使王家坝处于淮河防汛的最为关键的位置。

毕宝贵等^[13]分析了2003年淮河大水的水文特征, 并与1954年、1991年进行了比较, 其分析结果是2003年的洪涝强于1991年、弱于1954年。这里, 将2007年的水文特征与2003年做一比较, 图 4a为2003年淮河王家坝的水位及流量图。比较图 4a与图 3a可见, 王家坝的水位和流量呈现一种相似的变化特征, 即水位和流量涨势快, 并经历了两次峰值, 超警戒水位的持续时间长; 不同的是, 2003年的峰值流量5930 m³/s高于2007年的峰值流量, 而2003年的最高水位 (29.41 m) 低于2007年的 (29.58 m)。从文献[11]可知, 2003年的水位是仅次于1954年的第2高水位, 因此, 从淮河王家坝的洪水年水位比较而言, 2007年是仅次于1954年的洪水年。在王家坝下游的各水文站, 与2003年相比, 2007年的水位偏低, 洪峰过程不明显, 这可能与其下游的行蓄洪区的运行调度有关。

图 4

图 4. 2003年6—7月淮河干流水位及流量逐日演变图 Fig 4. Temporal variation of water level and fluxes from June to July in 2003

淮河流芋的降水主要是由流域内广大地区的降水量汇集而成的, 本文选取淮河流域15个代表站的平均降水量, 进行逐日累加, 计算得到1953—2007年淮河流域6月1日—7月26日的平均降水量。由于淮河流域的梅雨期一般在6月中下旬到7月中旬前后^[12], 因此, 图 5统计时段的降水量基本上能够反映出各年梅雨期的总降水量分布。由图 5可见, 历史上的淮河洪涝年都与此曲线上的峰值相对应, 比较而言, 2007年淮河流域的总降水量为历史上的第4位, 比2003年少55 mm。

图 5

图 5. 1953—2007年淮河流域6月1日—7月26日的平均降水量 Fig 5. The mean precipitation from June 1 to July 26 during 1953—2007 in Huaihe River Basin

从上述对整个流域降水量的历史分析, 并与2007年的淮河水文特征分析比较可以发现, 2007年淮河流域的总降水量并没超过历史上洪涝年的2003年和1991年, 但是淮河干流却出现了1954年以来的最高水位, 因此, 关于淮河暴雨致洪的成因是值得分析的。

淮河流域主要位于豫、皖、苏3省境内, 上游始于河南境内的桐柏山区, 下游经洪泽湖入海。流域按水系分布分为9个子流域, 其中大坡岭到王家坝为上游流域, 王家坝经蚌埠到洪泽湖为中游, 洪泽湖以下为淮河下游。因此, 整个淮河流域降水的不同分布对淮河干流造成的影响也是不同的。为此, 本文分析了2007年淮河流域9个子流域的面雨量, 并与2003年的面雨量进行比较。

面雨量是指某一特定区域或流域的平均降水状况, 定义为单位面积上的降水量, 研究表明^[14], 流域的面雨量能够客观地反映流域的降水对水位的影响特征。本文利用淮河流域163个气象观测站的日降水量资料累加值, 采用泰森多边形法^[15-16], 分析计算了淮河梅汛期9个子流域的总面雨量。表 2为2007年淮河流域的梅雨期总降水量 (6月19—7月26日) 和2003年淮河流域梅雨期总降水量 (6月21日—7月23日) 计算的9个子流域的累积面雨量分布。由表 2可见, 2007年梅雨期淮河流域中上游的总面雨量为400~500 mm, 特别是淮河干流上的大坡岭—王家坝、王家坝—蚌埠、蚌埠—洪泽湖子流域的面雨量均超过500 mm, 而下游的流域面雨量为200~300 mm, 其分布是中上游的降水量大于下游地区。由2003年总面雨量可见, 其各子流域的面雨量分布较均匀, 在400~600 mm之间, 中游王家坝—蚌埠子流域的面雨量最大为624 mm。表 2可见, 2007年淮河流域上游的降水量明显大于2003年, 2007年大坡岭—王家坝子流域面降水量较2003年多了92 mm。图 6为2007年6—7月淮河上游流域面雨量与王家坝水位的逐日变化曲线, 图中给出的面雨量是主要影响王家坝水位的上游大坡岭—王家坝流域和大别山库区流域的面雨量。由图可见, 6月30日—7月3日大坡岭—王家坝流域连续出现了面雨量为30~40 mm的强降水, 使王家坝的水位在7月1—5日快速上涨了6.76 m, 超过了27.50 m的警戒水位。7月8—9日两个流域分别出现了面雨量为60~90 mm的强降水, 使王家坝的水位迅速超过了29.00 m的保证水位, 导致王家坝7月10日启动分洪。由此可见, 王家坝水位与王家坝到大坡岭的子流域以及大别山库区流域的面雨量有着一致的对应关系。不难看出, 2007年淮河王家坝的高水位是由于上游的降水量大造成的。这也反映出淮河特殊的地理条件形成的水文特征, 即上游的降水是造成淮河干流出现高水位的主要因素, 因此, 尽管淮河流域的总降水量仅为近50年来的第4位, 但由于上游的降水量大导致出现1954年以来的最高水位。

表 2

表 2 淮河流域梅雨期各子流域的累积面雨量分布 (单位: mm) Table 2 Accumulated area rainfall distribution in the sub-valleys of Huiahe River Basin during the period of Meiyu (unit: mm)

表 2 淮河流域梅雨期各子流域的累积面雨量分布 (单位: mm) Table 2 Accumulated area rainfall distribution in the sub-valleys of Huiahe River Basin during the period of Meiyu (unit: mm)

图 6

图 6. 2007年6—7月淮河上游流域面雨量与王家坝水位逐日变化 Fig 6. The area rainfall in the upriver of Huiahe River Basin and the water level change of Wangjia-dam from June to July in 2007

本文分析了淮河梅汛期期间的强降水过程及相应的大尺度环流特征、淮河洪涝发生的水情演变特征, 在此基础上分析了淮河暴雨致洪的原因, 得出如下结论:

1)2007年淮河入梅后主要出现了7次暴雨和大暴雨过程, 其中稳定的强降雨主要出现在2007年6月29日—7月10日之间的4次强暴雨过程。

2) 大尺度的环流分析表明:淮河强降水出现在大尺度环流形势相对稳定的梅雨形势下, 副热带高压稳定对于强雨带建立影响最明显。

3) 淮河干流水位流量变化呈现出上游水位高, 汛情严重的特征。王家坝的水位经历了两次快速上涨后超过保证水位, 水位变化与淮河强降水、尤其是上游河南南部的强降水过程有较好的对应关系, 淮河上游强降水导致王家坝2 d后水位快速上涨, 干流上的强降水会直接导致水位上涨。

4) 对淮河流域降水量的比较分析及与2003年淮河洪涝期间的淮河干流水位、流量的对比分析发现: 2007年淮河梅雨期的总降水量低于历史上淮河洪涝年的1954年、1991年和2003年的降水量, 为历史第4位; 但淮河干流的水位则超过了2003年, 为历史第2位; 上游降水量大导致了淮河出现1954以来的高水位。