武平縣短歷時(shí)暴雨變化特征分析

朱冬梅 馬小燕 曾 璐 胡海洋

(福建省武平縣氣象局，福建 龍巖 364300)

武平縣地處閩粵贛三省交界處，位于福建省西南部，地勢(shì)由西北向東南傾斜，北部以低山高丘為主，嵌有山間盆地，南部以丘陵為主。武平縣屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，雨量充沛，災(zāi)害性天氣頻繁，暴雨、臺(tái)風(fēng)、寒潮等氣象災(zāi)害多發(fā)[1]。武平縣近30年(1981-2010年)平均降雨量為1700.7mm，近年來(lái)暴雨內(nèi)澇頻發(fā)，城市暴雨內(nèi)澇與強(qiáng)降雨息息相關(guān)，歷時(shí)短、強(qiáng)度大的局部暴雨是形成城市內(nèi)澇的主要原因[2]。已有學(xué)者對(duì)福建省短歷時(shí)暴雨變化和分布特征進(jìn)行分析，吳濱等[3]分析指出，福建省各短歷時(shí)暴雨頻數(shù)和極值均表現(xiàn)為一定的增加趨勢(shì)；楊智碩等[4]對(duì)暴雨數(shù)據(jù)進(jìn)行P-Ⅲ分布的統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算，可以計(jì)算出不同地區(qū)的雨強(qiáng)。已有的研究主要是針對(duì)福建全省的短歷時(shí)暴雨特征和分布進(jìn)行分析，而武平縣作為福建省西南部的入口，暴雨指標(biāo)變化特征研究涉及較少。因此，研究武平縣短歷時(shí)暴雨特征，分析暴雨集中狀況，對(duì)于武平縣短歷時(shí)暴雨預(yù)警預(yù)報(bào)、人民財(cái)產(chǎn)安全以及防澇治澇總體部署具有重要意義。

1 武平縣降水資料樣本序列的建立

1.1 資料來(lái)源

該文選取武平縣國(guó)家一般氣象站1981-2017年共37年的降雨資料進(jìn)行分析。武平站始建于1959年，該站自上世紀(jì)80年代開始進(jìn)行降雨自記觀測(cè)，1980-2004年采用虹吸雨量計(jì)觀測(cè)，2005年開始采用翻斗式雨量計(jì)，2005年記錄方式從自記紙改為自動(dòng)站自動(dòng)記錄。本文采用的逐分鐘降雨基礎(chǔ)資料中，1981-2004年的數(shù)據(jù)從自記紙中獲取，2005-2017年的數(shù)據(jù)從自動(dòng)站資料中獲取。

1.2 資料處理

對(duì)以自記紙形式保存的歷史降水資料，使用中國(guó)氣象局組織編制的“降水自記紙彩色掃描數(shù)字化處理系統(tǒng)”進(jìn)行數(shù)字化處理，該系統(tǒng)通過計(jì)算掃描、圖像處理、數(shù)據(jù)處理，將氣象站降水自記紙圖像進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，成為逐分鐘降雨量，并經(jīng)過人工審核后錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于自動(dòng)氣象站獲取的逐分鐘降雨量資料，從相應(yīng)的數(shù)據(jù)集中直接提取。

1.3 建立樣本序列

從1981-2017年各年的降水自記紙或分鐘降雨量數(shù)據(jù)文件中，挑取降水時(shí)段為30min、60min、90min、120min、150min、180min共6個(gè)時(shí)段的前10大降雨量備選。根據(jù)閩西地區(qū)的降水特點(diǎn)，以180min為最小降水間隔，將一系列連續(xù)的原始降水資料劃分成若干個(gè)獨(dú)立場(chǎng)次；接著以1min間隔雨量資料為基礎(chǔ)，采用滑動(dòng)求和方法分別統(tǒng)計(jì)1min間隔的30min、60min、90min、120min、150min、180min共6個(gè)時(shí)段的歷時(shí)雨量值，選取各場(chǎng)次各歷時(shí)的最大滑動(dòng)求和值作為各歷時(shí)場(chǎng)次降雨樣本；最后以各歷時(shí)的平均1年1場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，從大到小挑選推求出各歷時(shí)雨型的樣本序列。各歷時(shí)的樣本數(shù)如表1。

表1 1981-2017年各歷時(shí)降雨閾值及樣本數(shù)

2 雨型推求方法

以芝加哥雨型統(tǒng)計(jì)的暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)暴雨雨型。通過引入雨峰位置系數(shù)γ來(lái)描述暴雨峰值發(fā)生的時(shí)刻，將降雨歷時(shí)時(shí)間序列分為峰前峰后不同時(shí)刻的降雨強(qiáng)度，進(jìn)而得出各時(shí)段的累積降雨量。

芝加哥雨型確定包括綜合雨峰位置系數(shù)確定、芝加哥降雨過程線型模型確定。

取一定重現(xiàn)期下暴雨強(qiáng)度公式形式為：

其中,A1=A(1+clgρ)。

雨峰發(fā)生前(上升段)：

雨峰發(fā)生后(下降段)：

式中，qa、qb分別為一定重現(xiàn)期下某時(shí)刻上升段和下降段暴雨強(qiáng)度(mm/min)；q——設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)t內(nèi)的平均設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度(mm/min)；r——綜合雨峰位置系數(shù)，r值在0～1之間；ta、tb分別為雨峰向下降段和上升段的時(shí)間(min)；A,c,n，b均為暴雨強(qiáng)度總公式對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

3 雨型識(shí)別

3.1 雨型模糊識(shí)別

不同降雨過程中各時(shí)段的雨量分布差別很大，早在上世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)的包高馬佐娃等人根據(jù)大量降雨資料對(duì)烏克蘭等地的降水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將降雨歸納成7種雨型[5](如圖1)，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類為單峰雨型，雨峰分別在前、后、中部，第Ⅳ類為均勻雨型，第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ類為雙峰雨型。模糊識(shí)別法是用時(shí)段雨量占總雨量的比例作為該場(chǎng)降雨的雨型指標(biāo)，建立7種雨型的模式矩陣，再分別計(jì)算每場(chǎng)實(shí)際降雨與7種模式的貼近度，由擇近原則，判斷該場(chǎng)降雨屬于哪種雨型。

圖1 雨型模式圖

將一場(chǎng)降雨劃分為m個(gè)相等的時(shí)段，每個(gè)時(shí)段的雨量占總雨量的比例為：

式中，Hi為各時(shí)段雨量；Hz為總雨量。把這組Xi作為該場(chǎng)降雨的雨型指標(biāo),并用向量表示：x=(x1,x2，...，xm)。

同樣,7 種模式雨型也用這種指標(biāo)表示：

vk=(vk1,vk2，...，vkm) (k=1,2,...，7)

這里vki與Xi的意義相同。模式確定后,可計(jì)算出每場(chǎng)降雨與7 種模式的貼近度:

(k=1,2,...,7)

由擇近原則,若第k個(gè)貼近度σk最大,則該場(chǎng)降雨就屬于第k種雨型。

對(duì)1.3中建立的30min至180min樣本應(yīng)用模糊識(shí)別方法確定其所屬雨型，各種雨型的比例如表2所示。除30min和60min歷時(shí)主要表現(xiàn)為均勻型(雨型Ⅳ)外，武平縣其余各短歷時(shí)第一類單峰雨型(雨型Ⅰ)的比重最大,為38.52%，其次為均勻型雨型Ⅳ，占26.9%。

表2 各歷時(shí)雨型比例

3.2 降雨最強(qiáng)時(shí)段

統(tǒng)計(jì)降雨過程中最大降雨量出現(xiàn)的分段平均位置，用于判斷各歷時(shí)降雨的平均峰位，具體做法如下：將各歷時(shí)的降雨過程以5min的間隔分段，以雨量大小對(duì)各分段排序，排名最小的分段為過程中雨量最大段，反之亦然；接著計(jì)算某歷時(shí)所有樣本各分段的平均排序號(hào)，計(jì)算各排序段的平均降雨比例，并把最大比例賦予平均序號(hào)最小的分段。表3列出各子歷時(shí)的平均最小序號(hào)段位置及平均雨量比例。

表3 各子歷時(shí)平均最小段序號(hào)位置及平均雨量比例

從表3可見，武平站30min和60min歷時(shí)最強(qiáng)降水段位于中段偏前位置，其余各歷時(shí)最強(qiáng)降水段均位于靠前位置。推薦的芝加哥雨型為單峰雨型，從武平站實(shí)測(cè)資料的分析來(lái)看，采用峰值處于降雨歷程中段偏前的芝加哥雨型作為各歷時(shí)推薦雨型，其雨峰位置和實(shí)測(cè)資料較為吻合。

4 武平縣短歷時(shí)暴雨變化特征

4.1 暴雨日數(shù)年代際變化特征

統(tǒng)計(jì)1981-2017年武平縣年暴雨日數(shù)年代分布特征，如圖2所示。分析得出，武平縣平均暴雨日(日降雨量≥50mm的天數(shù))為5.8天(1981-2017年)。暴雨日數(shù)在20世紀(jì)80年代最高，為6.4天；其次為21世紀(jì)00年代，為6.0天；第三為20世紀(jì)90年代，平均暴雨日數(shù)為5.4天；21世紀(jì)10年代(2010-2017年)平均暴雨日數(shù)雖為5.1天，但是最多暴雨日的極值(12天)和最少暴雨日的極值(2天)卻都出現(xiàn)在這個(gè)年代，說(shuō)明隨著全球氣候變暖，導(dǎo)致降雨時(shí)空分布趨于不均勻，各種極端降雨事件的發(fā)生頻率也在增加。

圖2 1981-2017年武平站暴雨日數(shù)年代際分布特征

4.2 短歷時(shí)暴雨年代際變化特征

統(tǒng)計(jì)分析武平站1981-2017年各歷時(shí)暴雨樣本比例，可知武平站30min、60min和180min歷時(shí)在1993-1997年所占比重最大，其余各歷時(shí)強(qiáng)降水樣本的比重最大值出現(xiàn)在1981-1987年；1988-1992年和1998-2002年各歷時(shí)強(qiáng)降水比重較小。1998年至2017年各歷時(shí)強(qiáng)降水比重總體呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的上升趨勢(shì)，表明自20世紀(jì)90年代末至2017年，武平短歷時(shí)降水事件頻率略微上升。

4.3 短歷時(shí)暴雨的月集中特征

降雨不可能在一年12個(gè)月內(nèi)分布均勻，即使在汛期不同月份的降雨量也有所不同，因此有必要研究短歷時(shí)暴雨的主要發(fā)生月份。統(tǒng)計(jì)60min、120min、180min暴雨出現(xiàn)的次數(shù)，每個(gè)月分布情況如圖3所示。結(jié)果表明，武平縣短歷時(shí)暴雨次數(shù)高度集中在雨季(5～9月)呈現(xiàn)雙峰的分布特征，180min暴雨共出現(xiàn)55次，6月(15次)排在第一，5月(14次)排在第二；120min暴雨共出現(xiàn)40次，以6月和8月(11次)排在第一；5月、7月(6次)排在第二；60min暴雨共出現(xiàn)12次，8月(4次)排在第一，6月(3次)排在第二。

圖3 1981-2017年武平縣短歷時(shí)暴雨次數(shù)月份分布特征

4.4 短歷時(shí)暴雨的日集中特征

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化降雨日變率可直觀了解短歷時(shí)暴雨的高發(fā)時(shí)段，本文選取1981-2017年短時(shí)暴雨出現(xiàn)的時(shí)間，統(tǒng)計(jì)分析武平縣短歷時(shí)暴雨發(fā)生頻次日分布特征(見圖4)。發(fā)現(xiàn)60min暴雨出現(xiàn)在白天(08-20時(shí)下同)的有7次，降水主要集中在16～18時(shí)，出現(xiàn)在夜間的(20～08時(shí)下同)有5次，降水主要集中在0～2時(shí)；120min暴雨出現(xiàn)在白天的有23次，主要集中在16～19時(shí)，出現(xiàn)在夜間的有17次，主要集中在20～22時(shí)、0～3時(shí)；180min暴雨出現(xiàn)在白天的有27次，主要集中在14～19時(shí)，出現(xiàn)在夜間的有28次，主要集中在2～4時(shí)、21～23時(shí)。說(shuō)明武平縣短歷時(shí)暴雨白天和夜間都有發(fā)生，白天略多于夜間，多發(fā)生于16～19時(shí)。

圖4 1981-2017年武平縣短歷時(shí)暴雨發(fā)生頻次日分布特征

5 結(jié)論

(1)武平縣在30min、60min和180min短歷時(shí)暴雨中1993-1997年所占比重最大，從1998年至2017年各歷時(shí)強(qiáng)降水比重總體呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的上升趨勢(shì)。

(2)不同降雨過程中各時(shí)段的雨量分布差別很大，武平縣短歷時(shí)暴雨以第一類單峰雨型(雨型Ⅰ)的比重最大，僅30min和60min歷時(shí)表現(xiàn)為均勻型(雨型Ⅳ)。

(3)武平縣短歷時(shí)暴雨月變化呈雙峰型，主要集中在5～9月，暴雨的峰值出現(xiàn)在6和8月。

(4)武平縣短歷時(shí)暴雨白天和夜間都有發(fā)生，一天中短歷時(shí)暴雨白天略多于夜間，多發(fā)生在16～19時(shí)。