貴陽市暴雨變化趨勢及短歷時暴雨雨型研究

段　瑩，張東海，胡欣欣，李忠燕

(1.貴州省氣候中心，貴州　貴陽　550002；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州　貴陽　550002)

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貴陽市暴雨變化趨勢及短歷時暴雨雨型研究

段瑩1，張東海1，胡欣欣2，李忠燕1

(1.貴州省氣候中心，貴州貴陽550002；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州貴陽550002)

該文利用貴陽站1951—2013年逐日降水量及1961—2013年逐分鐘降水量資料，對貴陽市暴雨變化趨勢進行分析，其結(jié)果顯示貴陽市暴雨平均雨量整體呈上升趨勢，暴雨日數(shù)及總暴雨量總體呈現(xiàn)出下降趨勢，21世紀以來貴陽市暴雨強度有所增強，近30 a的降水極端性及降水強度較強。以1981—2013年逐分鐘降水資料為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，依據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB50014-2006，2014版)及《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》(2014版)要求新修編的貴陽站暴雨強度公式，采用芝加哥雨型法確定貴陽市短歷時暴雨雨型，雨峰綜合系數(shù)為0.405，即雨峰位于整個降雨過程的終端偏前的時刻。

短歷時暴雨；暴雨強度；暴雨雨型

1　引言

近年來，受全球氣候變化影響，極端暴雨事件頻繁發(fā)生，加之城市排水防澇標準偏低、調(diào)蓄雨洪和應(yīng)急管理能力不足，面對極端強降水天氣，很多城市頻繁出現(xiàn)了嚴重的暴雨內(nèi)澇災(zāi)害。住建部調(diào)研結(jié)果顯示，在2008—2010年的3 a間，全國有62%的城市都曾發(fā)生過內(nèi)澇事件，內(nèi)澇發(fā)生3次以上的城市有137個[1-2]。也有研究表明，受城市化效應(yīng)的影響，城市市區(qū)中心短歷時高強度局地性暴雨的發(fā)生概率和降水強度大大增加，使得城市遭受水浸的自然風險增大[3-4]。隨著城市內(nèi)澇災(zāi)害嚴重性的加劇，國家及地方各級政府對排澇設(shè)施建設(shè)越發(fā)重視。

設(shè)計暴雨包括設(shè)計暴雨量和設(shè)計暴雨過程，暴雨強度公式表示了暴雨平均強度與最強時段的規(guī)律，雨型則描述了暴雨強度的過程，不同雨型對徑流曲線與調(diào)蓄計算均有重要的影響，是城市防水排澇管理的基礎(chǔ)[5]。目前，國內(nèi)關(guān)于雨型研究的文獻相對較少，雨型研究的部門主要集中在水文和城市規(guī)劃領(lǐng)域，并且不同研究領(lǐng)域的人對雨型設(shè)計中的暴雨選樣、場雨劃分、場雨間隔時間、雨型方法的選擇等方面均有不同的理解和爭議。許多學者在不同區(qū)域采用不同的方法對雨型進行了研究[6-8]。包高馬佐娃等人對降雨資料進行統(tǒng)計分析,劃分了7種雨型[9]；Keifer和Chu根據(jù)強度-歷時-頻率關(guān)系得到一種不均勻的設(shè)計雨型,即芝加哥雨型；Huff,Pilgrim和Cordery,Yen和Chow等都提出過各自的設(shè)計暴雨雨型[10]?！妒彝馀潘O(shè)計規(guī)范》(GB50014-2006，2014版)要求當匯水面積超過2 km2時，雨水設(shè)計流量宜采用數(shù)學模型進行確定。岑國平等[11]的研究表明，芝加哥雨型效果較好，一般能滿足精度要求，且參數(shù)較少，建議采用此雨型作為設(shè)計雨型。《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》(2014版)[12]中也推薦使用芝加哥法來確定短歷時暴雨雨型。

目前還未有貴陽市暴雨雨型的相關(guān)文獻，因此本文將依照《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》，納入最近幾十年的短歷時暴雨資料，對貴陽市暴雨設(shè)計雨型進行探討。

2　資料及方法

2.1資料

本文所用資料包括貴陽站1951—2013年逐日降水資料、1961—2013年逐分鐘降水資料，以及基于1981—2013年逐分鐘降水資料新修編的貴陽市暴雨強度公式。

采用的貴陽站逐分鐘降水資料由氣象部門已業(yè)務(wù)化運行的“降水自記紙彩色掃描數(shù)字化處理系統(tǒng)”對原始數(shù)據(jù)進行信息化處理，數(shù)據(jù)精度高，能準確實現(xiàn)“不漏場次、不漏最大值”的挑選降雨場次的原則，統(tǒng)計樣本準確可靠[13]。

2.2方法

本文利用芝加哥雨型分析方法，對貴陽市短歷時(180 min以內(nèi))的暴雨雨型進行設(shè)計。

芝加哥雨型分析根據(jù)綜合雨峰位置系數(shù)r，暴雨強度公式中的A、C、b、n、P(重現(xiàn)期)等參數(shù)，代入雨峰前后瞬時降雨強度公式中(公式(1)、(2))，計算出雨峰前后瞬時降雨強度，然后再計算時段平均雨強和時段累積雨量等參數(shù)，最終確定出對應(yīng)一定重現(xiàn)期及降雨歷時的芝加哥雨型。

(1)

(2)

式(1)、(2)中，A、b、n為一定重現(xiàn)期下暴雨強度公式中的參數(shù)，取值如表1所示，i(tb)為峰前瞬時強度，tb為相應(yīng)的歷時，i(ta)為峰后瞬時強度，ta為相應(yīng)歷時。r為綜合雨峰位置系數(shù)，r位于0～1之間。

表1中暴雨強度公式系數(shù)是根據(jù)《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》(2014版)要求，采用貴陽站1981—2013年共33a逐分鐘降水資料新修編的貴陽站單一重現(xiàn)期暴雨強度公式。

表1　貴陽市單一重現(xiàn)期暴雨強度公式系數(shù)

3　貴陽市暴雨及降水強度變化趨勢

3.1貴陽市暴雨變化趨勢

由于貴陽市城市化進程的高速發(fā)展和氣候變化的影響，貴陽市短歷時暴雨平均雨量整體呈上升趨勢(圖1)，20世紀70年代平均暴雨雨量不到60 mm，2000—2010年平均暴雨量上升到近70 mm；暴雨日數(shù)及總暴雨量(圖2)相對20世紀80年代卻有所增長，但總體呈現(xiàn)出下降趨勢。平均雨量增大和暴雨日數(shù)及總暴雨量的減少表明21世紀以來貴陽市暴雨強度有所增強。

圖1　暴雨平均雨量年代際分布Fig.1　The interannual change of rainstorm average rainfall

圖2　暴雨日數(shù)及暴雨總雨量年代際分布Fig.2　The interannual changeofrainstorm daysand total rainfall

3.2降雨強度計算及分析

根據(jù)逐分鐘降水數(shù)據(jù)，按照設(shè)置的降雨場次劃分的時間間隔，采用滑動法計算每一場雨所包含的各歷時(5 min、10 min、15 min……1 440 min)降雨強度最大值，統(tǒng)計各歷時每年任意多個降雨強度最大值，為降雨強度公式推求提供數(shù)據(jù)樣本，同時對計算結(jié)果進行分析，包括區(qū)域歷時降水強度分析、降水強度歷年變化、降水極值等。

3.2.1降水強度歷年變化根據(jù)計算得到的各歷時降雨強度數(shù)據(jù)，計算每年的各個歷時降雨強度的平均雨強值，圖3為貴陽站60 min、120 min、180 min 3個歷時降雨強度的歷年變化圖，為貴陽站暴雨強度的時間變化特征分析提供支持。圖中可見，貴陽站3個歷時降水強度變化大體一致，從1961—2013年各歷時降水強度整體呈線性增強趨勢，各歷時1981—2010年降水強度均值均略大于1971—2000年的降水強度均值，20世紀90年代降水強度較強，其中1998年為最強。

圖3　貴陽站60 min、120 min及180 min 3個歷時降雨強度歷年變化圖Fig.3　Rainfall intensity changes during 60min、120min and 180min of Guiyang

3.2.2降水強度極值統(tǒng)計極端值的選取是將選取的樣本數(shù)據(jù)不分年次，按從大到小排列，取前N個最大值。由于貴陽站逐分鐘降水資料僅從1961年開始，因此分析貴陽站1961—1990年和1981—2010年兩個不同年代時段所占的極值個數(shù)，分兩個時段，統(tǒng)計兩個時段中貴陽站10個最大值各發(fā)生幾次，結(jié)果如表2所示。由統(tǒng)計結(jié)果可見，除30 min降水強度極值個數(shù)在1961—1990年中出現(xiàn)個數(shù)略大于1981—2010年，及5 min、20 min、45 min、60 min、90 min降水強度在兩個時段出現(xiàn)個數(shù)相當外，其余歷時的降水強度極值均在近30年中出現(xiàn)更多，特別是150～1 440 min的降水強度極端值基本出現(xiàn)在1981—2010年中，各歷時的歷史極端最大值

表2　各歷時降水強度極端值統(tǒng)計

出現(xiàn)年份多出現(xiàn)在2004年，其次為2003年。可見1981—2010年時段內(nèi)極值個數(shù)，特別是歷時在150 min及以上的降水強度極值占比多，說明該時段的降水極端性強。

3.2.3降水強度均值對比分析1961—1990年和1981—2010年兩個時段雨強均值對比情況，每年每個歷時的取樣個數(shù)選擇前10個最大值，那么各個歷時在1961—1990或1981—2010年這個時段均共有10個/a×30 a=300個雨強值，時段的平均雨強就對應(yīng)300個雨強值的平均，最后給出各個歷時兩個時段的均值、差值(后一時段-前一時段)、比例值((后一時段-前一時段)×100%/前一時段)。如果哪個時段雨強的均值大，則能說明該時段的降水強度強。

表3　不同時段各歷時降水強度均值對比

表3為不同時段各歷時降水強度均值對比結(jié)果，由表中可見，1981—2010年的各歷時降水強度均值均大于1961—1990年，特別是45～360 min降水強度差值比均在10%以上，表明近30 a的降水強度較強。

4　短歷時暴雨雨型設(shè)計

4.1降雨場次劃分

場雨劃分是雨型設(shè)計的基礎(chǔ)，雨型分析或雨峰計算均是在劃分的降雨場次的結(jié)果上進行的。降雨場次劃分主要將降水按照最小降雨間隔劃分完成了無數(shù)個獨立的降雨場次，這些降雨場次中每場雨的降雨時長、雨量等都不盡相同。利用降雨時長、累積雨量為控制選項，進一步篩選出典型的降雨場次，計算結(jié)果包括每場雨的開始時間和結(jié)束時間、降雨時長、累積雨量等內(nèi)容。根據(jù)我國降雨場次劃分的規(guī)定[14]，采用120 min作為規(guī)定降雨時間間隔，將連續(xù)的降雨劃分成獨立的降雨場次。

4.2雨峰位置計算

選取貴陽站1981—2013年中各降雨歷時的逐年8個最大降雨過程樣本，根據(jù)從大到小排序，并參考貴陽站暴雨強度公式中計算出的一年一遇的各歷時暴雨量閾值，篩選前m(比n小的值)個最大值作為計算雨峰的樣本數(shù)量，統(tǒng)計降雨過程的雨峰位置系數(shù)。

(3)

ri為雨峰位置系數(shù)，ti為降雨峰值時刻，Ti為降雨歷時。

在雨峰計算時，選擇每年8個最大值，選擇出來的樣本數(shù)較多，在計算雨峰位置系數(shù)時需要去除掉一些小雨量的樣本，將選取出來的樣本按照降水量從大到小進行排序，再結(jié)合雨量標準確定需要具體選前多少個樣本。

對于雨量標準，我國只規(guī)定了短歷時中1h的暴雨標準：當1h降雨量超過16mm時稱為暴雨；對于其他短歷時暫無規(guī)定?？紤]到貴陽站的降水實際，此次設(shè)計將結(jié)合貴陽站暴雨強度公式酌情規(guī)定對應(yīng)的雨量值為標準。一般城市工程設(shè)計院在綜合雨峰計算是主要考慮的是60min、90min、120min、180min4個歷時的綜合雨峰，相應(yīng)的雨量標準取暴雨強度公式計算所得到的一年一遇重現(xiàn)期的設(shè)計雨量近似值，分別規(guī)定為：35mm、40mm、45mm、52mm。

經(jīng)過上述方法篩選，對各歷時的選取出降水樣本的雨峰位置系數(shù)進行算數(shù)平均，得到的4個歷時的雨峰系數(shù)后，將各歷時的雨峰系數(shù)按照各歷時的長度進行加權(quán)平均，求出綜合雨峰系數(shù)r。計算得到的雨峰系數(shù)如表4所示。

表4　貴陽市雨峰系數(shù)計算結(jié)果

4.3芝加哥雨型分析

確定雨峰位置后，可利用公式(1)、(2)及表1中的暴雨強度公式系數(shù)求出雨峰前后的瞬時強度。以120 min降雨過程為例，將整個暴雨過程劃分為逐分鐘，取雨峰位置r為出發(fā)點，分別求其前后逐分鐘的瞬時降水強度。表5列出10 min、30 min、60 min、90 min及120 min對應(yīng)重現(xiàn)期1～10 a的瞬時降水強度。

表5　各重現(xiàn)期下歷時120 min暴雨過程的瞬時強度分布

注：a為重現(xiàn)期單位：年，瞬時強度的單位為mm/min。

計算貴陽站1～10 a累計降水量及各時段的平均降雨強度，結(jié)果以5 min計，表 33列出10 min、30 min、60 min、90 min及120 min歷時1～10 a重現(xiàn)期對應(yīng)的平均雨強及累計降水。

表6　各重現(xiàn)期下歷時120min暴雨過程累積雨量和各時段平均強度

注：累計降水的單位為：mm，平均強度的單位為mm/min。

圖4是1年重現(xiàn)期下暴雨強度過程分布，圖5為相應(yīng)的累計雨量過程線，可看到雨峰位置均位于整個降雨過程的中端偏前的時刻，與計算出雨峰綜合系數(shù)0.405相一致。其他重現(xiàn)期過程分布曲線形狀類似。

圖4　一年一遇歷時120 min的暴雨雨型Fig.4　Storm pattern during 120 min once a year

圖5　一年一遇歷時120 min降雨累積量過程線Fig.5　Rainfall cumulant process line during 120 min once a year

5　結(jié)論及建議

基于1981—2013年逐分鐘降水資料新修編的貴陽市暴雨強度公式，利用貴陽站1951—2013年逐日降水資料、1961—2013年逐分鐘降水資料，對貴陽市暴雨降水強度及暴雨設(shè)計雨型進行探討。

①貴陽市暴雨平均雨量整體呈上升趨勢，20世紀70年代平均暴雨雨量不到60 mm，2000—2010年平均暴雨量上升到近70 mm；暴雨日數(shù)及總暴雨量總體呈現(xiàn)出下降趨勢，但21世紀相對20世紀80年代有所增長，平均雨量增高和暴雨日數(shù)及總暴雨量的減少表明21世紀以來貴陽市暴雨強度有所增強。

②貴陽站1961—2013年各歷時降水強度整體呈線性增強趨勢，各歷時1981—2010年降水強度均值均略大于1961—1990年的降水強度均值，20世紀90年代降水強度較強，其中1998年為最強。從降水強度的極值分布來看，近30 a的降水極端性及降水強度較強。1981—2010年時段內(nèi)極值個數(shù)，特別是歷時在150 min及以上的降水強度極值占比多；1981—2010年的各歷時降水強度均值均大于1961—1990年，特別是45～360 min降水強度差值比均在10%以上。

③本文設(shè)計雨型過程中采用的暴雨強度公式是依據(jù)《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定的方法，運用近33 a的降水資料推算得到，計算結(jié)果規(guī)范，計算結(jié)果誤差滿足規(guī)范要求；暴雨雨型采用導(dǎo)則推薦的芝加哥雨型法，雨峰綜合系數(shù)為0.405，即雨峰位于整個降雨過程的終端偏前的時刻。

④在氣候變化的背景下，各地極端降水特點不斷變化，建議每隔10 a對暴雨強度公式及暴雨雨型進行修編。

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The Study on the Trend of Rainstorm Variation and the Rainfall Pattern of Short Duration Rainstorm in Guiyang

DUAN Ying1, ZHANG Donghai1, HU Xinxin2,LI Zhongyan1

(1.Climate Center of Guizhou Province, Guiyang 550002, China;2.Guizhou Institute of Mountainous Environment and Climate, Guiyang 550002, China)

The daily precipitation data from 1951 to 2013 and minutely precipitation data from 1961 to 2013 of Guiyang were used to analyze the rainstorm variation trend of Guiyang. The results show that the average storm rainfall is on the rise, the rainstorm days and the total amount of rain generally present a downward trend, the rainstorm intensity increased since the 21st century, and the extreme precipitation and precipitation intensity is stronger in recent 30 years. According to the new revision rainstorm intensity formula of Guiyang station byCodefordesignofoutdoorwastewaterengineering(GB50014-2006,2014) andTechnicalGuidelinesforEstablishmentofIntensity-Duration-FrequencyCurveandDesignRainstormProfile(2014) , the Chicago method was used to determine short duration storm rainfall patterns of Guiyang based on the minutely precipitation data from 1981 to 2013. Rain peak synthesis coefficient is 0.405, it means that the rain peak is located at the moment before the ending part of the whole rainfall process.

short duration rainfall; rainstorm intensity; storm pattern

1003-6598(2016)01-0019-06

2015-11-24

段瑩(1988—)，女，助工，碩士，主要從事氣候監(jiān)測與服務(wù)工作,E-mail:lovedying@163.com。

貴州省氣象局氣象科技開放研究基金(黔氣科合KF[2016]06號)。

P466

A