極端暴雨對雷州半島及粵西可能最大暴雨的影響

熊靜 張康 劉學(xué)明 水利部珠江河口動力學(xué)及伴生過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院

可能最大暴雨（PMP）是指在現(xiàn)代氣候條件下，一年的某一時期，特定設(shè)計流域或區(qū)域上一定歷時內(nèi)、物理上可能發(fā)生的近似上限降水量。高風(fēng)險水庫工程或重要工程（如核電工程等）防洪排澇設(shè)計時常常需要確定流域（或區(qū)域）的可能最大暴雨（PMP），進(jìn)而推求流域或區(qū)域的可能最大設(shè)計洪水（PMF）。一直以來，PMP的推求主要有兩類途徑，其一是基于實(shí)際觀測統(tǒng)計理論的頻率分析方法；其二是基于研究降水形成的物理機(jī)制的氣象水文分析方法。兩種途徑推求PMP從方法上看具有互補(bǔ)性，頻率分析法能較好的利用歷史資料數(shù)據(jù)信息，有明確的頻率概念，但對暴雨形成的物理成因并不清楚，在人類活動及自然氣候變化雙重影響條件下長系列資料常表現(xiàn)出非一致性，以往歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以反饋未來極端氣候變化對PMP的影響，例如全球大氣環(huán)流模型模擬預(yù)測21世紀(jì)水汽濃度將增高，導(dǎo)致PMP的增大，一系列案例研究也表明氣候變化對PMP的影響是顯而易見的。因此，綜合降水物理成因的氣象水文分析及實(shí)測統(tǒng)計的方法改進(jìn)PMP估算成為許多研究的熱點(diǎn)。

鑒于各種計算方式的適用條件及資料情況，目前實(shí)際計算PMP時常用的方法仍以暴雨當(dāng)?shù)胤糯?、暴雨移置放大及暴雨組合放大為主，即選取某地歷史極大暴雨進(jìn)行一系列放大修正，從而得出區(qū)域或流域的PMP。對于暴雨的放大，則考慮影響降水的主要因子（如水汽因子和動力因子）進(jìn)行放大，當(dāng)設(shè)計流域或氣象一致區(qū)內(nèi)具有實(shí)測的特大暴雨資料時，就可以采用當(dāng)?shù)啬Ｊ降谋┯攴糯蠡蛞浦帽┯攴糯蠓椒ㄍ魄笤O(shè)計流域（或區(qū)域）的PMP。

高效典型的暴雨的選取至關(guān)重要，例如在廣東雷州半島地區(qū)，年最大24 h 降雨量平均值僅150mm～180mm，2000年以前當(dāng)?shù)貧v史實(shí)測最大24h降雨量僅為694.4 mm（1985年8月26日，雷州紀(jì)家），周邊區(qū)域（粵西地區(qū)，包括廣東省陽江、茂名、湛江等地）最大24h降雨量也僅為858 mm（1959年5月20日，電白利垌）。而2007年8月雷州半島受臺風(fēng)影響，雷州市幸福農(nóng)場發(fā)生最大24h降雨量達(dá)1188.2 mm，為中國大陸目前實(shí)測最大暴雨。此極端暴雨在雷州半島和廣東省都十分罕見，對傳統(tǒng)PMP推求勢必產(chǎn)生影響。為衡量這種影響，本研究擬采用傳統(tǒng)PMP推求方法對發(fā)生極端暴雨前后選擇不同高效暴雨放大，分析雷州半島及粵西地區(qū)PMP數(shù)值變化。研究不僅可對該區(qū)域PMP推求提供技術(shù)支撐，亦可為極端天氣事件影響下的防汛及工程安全防范提供參考。

1.研究區(qū)域概況

雷州半島位于中國大陸最南端（圖1），南北長約140 km，東西寬約60 km～70 km，面積8845 km2。半島三面環(huán)海，受海洋性季風(fēng)氣候的影響，來自南海和孟加拉灣的水汽輸送帶經(jīng)過雷州半島上空，特別是春季南支槽頻繁東移，大量的水汽穿越雷州半島上空，在雷州半島上空形成一條西南-東北走向的水汽輸送帶，但由于雷州半島地勢低緩（海拔多在100m以下），地形抬升觸發(fā)降水的機(jī)制較弱，降水甚微。夏季降水天氣系統(tǒng)主要是熱帶輻合帶、西南季風(fēng)槽及熱帶氣旋等，來自西太平洋和南海的熱帶氣旋攜帶大量水汽，是本區(qū)域降水的主要水汽來源。

雷州半島多年平均降雨量約1500 mm，降水量年內(nèi)分配極不均勻，降雨量主要集中在6～9月，占年降雨量的81%以上。2007年8月9日～12日受臺風(fēng)“帕布”與熱帶輻合帶共同影響，雷州半島普降暴雨，在土貢河上游幸福農(nóng)場站測得總雨量1381.8 mm（暴雨過程等值線圖見圖1），其中10日最大24h降雨量1188.2 mm，創(chuàng)全國大陸地區(qū)歷史實(shí)測最高紀(jì)錄（超過河南省“75.8”洪水24h最大降雨量1060 mm）。

圖1 雷州半島07.8暴雨過程等值線圖

2.研究方法

2.1 PMP推求方法

目前推求PMP的計算方法仍以當(dāng)?shù)胤糯竽Ｊ?、移置放大模式及組合放大模式為主。當(dāng)?shù)胤糯竽Ｊ郊催x擇設(shè)計區(qū)域當(dāng)?shù)貢r空分布較嚴(yán)重特大暴雨作為典型，然后予以放大。放大方法包括水汽放大法、水汽效率放大法、水汽輸送率放大（水汽風(fēng)速聯(lián)合放大法）、水汽凈輸送量放大法等。若設(shè)計區(qū)域缺少時空分布較惡劣的特大暴雨資料，則從分析區(qū)域暴雨成因出發(fā)，從鄰近的暴雨一致區(qū)域選擇實(shí)測特大暴雨作為典型搬移過來，加以必要的改正，作為暴雨模式，然后再進(jìn)行適當(dāng)放大求得PMP，這種方法稱為移置模式法。組合放大模式主要應(yīng)用于設(shè)計區(qū)域缺少長歷時大范圍的特大暴雨資料時，選擇兩場或兩場以上實(shí)測暴雨，按天氣氣候?qū)W原理合理組合在一起構(gòu)建成新的理想特大暴雨序列，以此作為典型暴雨來推求PMP，通常適用于流域面積大、設(shè)計洪水歷時長的工程。結(jié)合區(qū)域暴雨特點(diǎn)，本次推求PMP采用傳統(tǒng)的當(dāng)?shù)胤糯竽Ｊ胶鸵浦梅糯竽Ｊ健Ｒ蚪邓饕芩蛣恿σ蜃佑绊?，其中降水反映水汽因子，風(fēng)速和效率反映動力因子，因此放大過程以水汽放大、水汽效率放大方法為主。

2.2 水汽放大

產(chǎn)生暴雨的主要物理?xiàng)l件是充足的水汽和持續(xù)的上升運(yùn)動，當(dāng)?shù)匕l(fā)生有實(shí)測極端特大暴雨的情況下，往往僅對水汽進(jìn)行放大即可得到PMP，推求公式見式（1）：

式中：PM—可能最大暴雨降雨量；Kw—水汽放大系數(shù)；P—典型暴雨降雨量；Wm—最大可降水量，mm；W典—典型暴雨可降水量，mm。

2.3 水汽效率放大

當(dāng)設(shè)計區(qū)域或鄰近區(qū)域缺乏特大暴雨資料，而有較大實(shí)測暴雨資料時，可假定水汽與效率相互獨(dú)立，對水汽和效率同時進(jìn)行放大即可推求得到PMP，推求公式見式（2）：

式中：η＝I/W，代表降水效率；Xm及Xd—可能最大暴雨及典型暴雨，mm；Wm及Wd—最大可降水及典型暴雨可降水，mm；ηm及ηd—最大暴雨效率及典型暴雨效率，1/h%；I—為降雨強(qiáng)度mm/h。

2.4 移置暴雨放大

當(dāng)設(shè)計區(qū)域缺乏特大暴雨資料時，可將暴雨一致區(qū)的實(shí)測特大暴雨搬移到設(shè)計區(qū)域，進(jìn)行移置改正后適當(dāng)放大，便可得到設(shè)計區(qū)域的PMP。其中移置改正主要是對設(shè)計區(qū)域和暴雨原地由于區(qū)域的幾何形狀、地理、地形等條件的差異而造成的降雨量改變作定量估算，一般包括區(qū)域形狀改正、地理改正和地形改正三項(xiàng)。移置暴雨一般都是高效暴雨，放大時僅需進(jìn)行水汽放大即可，由此移置暴雨放大的推求公式見式（3）：

式中：K1＝(WBm1)ZA1/(WAm1)ZA1，表示位移水汽改正系數(shù)；(WBm1)ZA1代表設(shè)計區(qū)最大露點(diǎn)相應(yīng)的移置區(qū)地面高程以上可降水；(WAm1)ZA1代表暴雨原地最大露點(diǎn)相應(yīng)的地面高程以上可降水；K2＝(WBm2)ZB2/(WBm2)ZA2，表示高程水汽改正系數(shù)；(WBm2)ZB2代表設(shè)計區(qū)最大露點(diǎn)相應(yīng)的地面高程以上可降水；(WBm2)ZA2代表設(shè)計區(qū)最大露點(diǎn)相應(yīng)的移置區(qū)地面高程以上可降水；Xm及Xd分別為可能最大暴雨及典型暴雨的降雨量。

3.雷州半島1日PMP推求計算實(shí)例

根據(jù)中國暴雨區(qū)劃圖和廣東省年最大24小時點(diǎn)雨量均值等值線圖，雷州半島與粵西沿海的暴雨高值區(qū)可視為暴雨一致區(qū)，在該片區(qū)域選取24h降雨量最大的6場暴雨作為典型暴雨推求PMP，6場暴雨基本情況詳見表1。

表1 雷州半島及粵西地區(qū)典型歷史暴雨情況表

推求雷州半島PMP時，對雷州半島的3場特大暴雨采用當(dāng)?shù)胤糯竽Ｊ?，粵西地區(qū)的特大暴雨采用移置放大模式。其中當(dāng)?shù)胤糯竽Ｊ街校字莅雿u發(fā)生有最大24h降雨量排名中國大陸第一的“07?8”幸福農(nóng)場暴雨，其降水效率η達(dá)54.1%，已為高效暴雨，對其采用式（1）進(jìn)行水汽放大即可得到PMP。而對“76?9”吳陽暴雨及“85?5”紀(jì)家暴雨，選取“07?8”幸福農(nóng)場暴雨效率作為最大暴雨效率，采用式（2）求得水汽效率放大的PMP成果。代表露點(diǎn)選取水汽入流方向的代表站湛江站和遂溪站，以典型暴雨的主雨日為準(zhǔn)，提前24h內(nèi)選取持續(xù)12h最大露點(diǎn)，換算到1000hPa，得到暴雨的持續(xù)12h最大露點(diǎn)?？赡茏畲舐饵c(diǎn)由湛江站1980-2013年實(shí)測露點(diǎn)資料統(tǒng)計其持續(xù)12h最大露點(diǎn)為28.56℃，換算到1000hPa得對應(yīng)露點(diǎn)為28.8℃。當(dāng)?shù)啬Ｊ酵魄驪MP的計算結(jié)果詳見表2及表3?；浳鞯貐^(qū)3場暴雨采用式（3）的移置放大模式進(jìn)行推求，相關(guān)計算參數(shù)及成果詳見表4。

表2 雷州半島當(dāng)?shù)乇┯晁糯蟪晒?/p>

表3 雷州半島當(dāng)?shù)乇┯晁史糯蟪晒?/p>

由表2、表3和表4可取6場暴雨放大后的外包成果，便可得到雷州半島區(qū)域的24h PMP為1433.3 mm。

表4 雷州半島移置放大法24h PMP成果

4.“07?8”極端暴雨影響分析

以上推求算例中，可以看出典型暴雨的選取至關(guān)重要，為式（1）～（3）推求的根本，在2007年8月以前，雷州半島歷史實(shí)測最大暴雨為1976年9月21日7619號臺風(fēng)帶來的吳陽暴雨，其最大24h降雨量達(dá)794 mm，與“07?8”幸福農(nóng)場暴雨相比相差399 mm，“07?8”暴雨不僅成為罕見的中國大陸最大24h降雨量，而且使得該地區(qū)實(shí)測最大24h降雨量陡增50%，選取“07?8”幸福農(nóng)場暴雨作為典型暴雨推求PMP已成為該暴雨一致區(qū)合理選擇。

為分析其對推求該區(qū)域PMP的影響，假定選擇雷州半島及粵西地區(qū)實(shí)測最大24h降雨量第二的“59?5”利垌暴雨作為典型暴雨（最大24h降雨量858 mm），其降水效率為48.57%，采用水汽效率放大的方法對“76?9”吳陽暴雨和“85?8”紀(jì)家暴雨進(jìn)行放大，所得當(dāng)?shù)胤糯竽Ｊ较峦魄驪MP的計算結(jié)果見表5。

表5 雷州半島當(dāng)?shù)乇┯晁史糯蟪晒ㄒ浴?9·5”利垌暴雨作典型暴雨）

綜合表5成果與表4移置放大成果，得出以“59?5”利垌暴雨作典型暴雨推求的雷州半島24h PMP為1286.6 mm。相比“07?8”幸福農(nóng)場暴雨，“59?5”利垌暴雨實(shí)測最大24h降雨量減小330.2 mm，選取“59?5”利垌暴雨作為典型暴雨，最終24h PMP成果減小146.7 mm，減小幅度達(dá)11.4%。

5.結(jié)論

本研究采用傳統(tǒng)PMP推求方法，分別選擇“07?8”幸福農(nóng)場暴雨和“59?5”利垌暴雨作為典型暴雨，推求了雷州半島24h PMP成果，通過分析PMP成果的數(shù)值變化，主要得出以下結(jié)論：（1）推求PMP時選擇典型暴雨至關(guān)重要，不同降水效率的典型暴雨對PMP成果影響很大；（2）極端暴雨的發(fā)生會明顯改變暴雨一致區(qū)的PMP成果，在地區(qū)防汛工作及重要工程防洪排澇設(shè)計時需結(jié)合更新暴雨資料，尤其注重極端天氣事件影響，加強(qiáng)暴雨成因分析，確保地區(qū)防汛及工程安全。