西安城区暴雨雨型分析
2015-03-29姚东升王百鹏金丽娜杨晓春
毕 旭,程 龙,姚东升,王百鹏,王 丽,金丽娜,杨晓春
(1.西安市气象局,陕西西安 710016;2.陕西省防雷中心,陕西西安 710014)
西安城区暴雨雨型分析
毕 旭1,程 龙1,姚东升2,王百鹏2,王 丽1,金丽娜1,杨晓春1
(1.西安市气象局,陕西西安 710016;2.陕西省防雷中心,陕西西安 710014)
使用西安站电子信息化分钟雨量资料,利用年最大值法编制的西安城区暴雨强度公式,采用芝加哥雨型法,对西安城区短历时降水的雨型进行了分析、计算,计算得出各短历时暴雨的雨峰位置系数介于0.317 31~0.496 79,综合雨峰位置系数r=0.354 81,短历时降水雨峰位置偏前,短历时强降雨较为集中;西安城区24 h暴雨雨型分布以单峰型居多,占52年的51.9%,主副型的其次,占17.3%;24 h暴雨雨峰位置出现在接近于居中稍微偏前位置;西安城区24 h极端降水过程逐小时雨量分布不均匀,较为集中。
短历时;暴雨;芝加哥法;雨型
暴雨强度、暴雨雨型是设计城市排水管网系统和防洪设施的关键技术参数。城市排水管网和防洪设施建设不仅要求城市工程设计安全且需要降低建设规划成本。因此在降雨资料处理新技术的保障下,科学规范地编制城市建设地区的暴雨强度公式和进行该地的暴雨雨型分析,或重新研制修订该地暴雨强度公式、分析该地暴雨雨型,已是必然。该研究利用西安气象观测站电子化处理的暴雨分钟雨量资料和西安城区暴雨强度公式计算结果,对西安城区的暴雨雨型进行研究,以期为西安城区城市规划、建设提供科学依据,增强西安城市抗御短历时暴雨的能力。
1 资料与方法
1.1 资料
1.1.1 短历时暴雨资料。资料按照相关气象规范进行了质量控制[1-3],从采用年最大值法计算西安暴雨强度公式选取的西安站1961~2012年5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min等11个历时最大降水量极值资料中[4],挑选出历时为30、45、60、90、120、150、180 min共7个历时的过程降水量资料,确定每个过程的开始时间和结束时间,按照开始和结束时间建立这7个历时52年每年最大降雨量过程的分钟雨量资料序列。
1.1.2 24 h暴雨资料。挑选出每年的最大24 h降雨量,利用指数分布曲线拟合,确定不同重现期最大降雨量,拟合得西安城区1年一遇降雨量35.4 mm,100年一遇24 h降雨量128.9 mm,50年一遇的24 h降雨量114.8 mm,与53年一遇的经验频率的110.7 mm降雨量较为接近。
1.2 方法
1.2.3 芝加哥法雨型确定。根据上述确定的综合雨峰位置系数(r),将降雨历时时间序列分为锋前和峰后2个部分,令峰前的瞬时强度为i(tb)(mm/min),相应的峰前历时为tb,峰后的瞬时强度为i(ta)(mm/min),相应的峰后历时为ta。取一定重现期下暴雨强度公式形式为:
(1)
雨峰前后瞬时降雨强度可由
(2)
(3)
计算得出,式(2)、(3)中A、b、n与式(1)对应单个重现期的暴雨强度公式一致。将式(1)计算的西安城区暴雨强度公式参数代入得峰前雨强公式为:
(4)
峰后雨强公式为:
(5)
1.2.4 24 h雨型分类。挑选出西安1961~2012年每年的最大24 h降雨量所对应的降雨过程,按照逐小时雨量为累积时段,可以将西安52年最大降雨量分为5个类型,分型标准如下:选取逐小时中的最大雨量为峰值,对应小时标注为峰值位置,如果是2个峰值或者多个峰值雨量一样,峰值位置取2个峰值或者多个峰值位置的平均值,如峰值出现在降雨过程的第3小时,则记雨峰位置为3;如果最大雨峰雨量和次大雨峰雨量差值超过最大雨峰雨量的2/3,则统计为单峰型;如果最大和次大峰值雨量差值没有超过最大峰值雨量的1/3,则统计为双峰型;如果最大峰值雨量和次大峰值雨量相差在1/3~2/3,则统计为主副型;如果由大到小的前3~4个的雨峰值与最大雨峰雨量差值没有超过1/3,则统计为多峰型,5个及以上则统计为均匀型。同时以最大雨峰出现的位置定类型,如果出现在降雨过程的前1~8时统计为偏前,最大雨峰出现在降雨过程的9~16时统计为居中,最大雨峰出现在降雨过程的17~24时统计为偏后。
2 西安城区暴雨雨型分析
2.1 短历时暴雨雨型分析
2.1.1 短历时极端强降水年代际变化。对1961~2012年30、45、60、90、120、150、180 min西安站各短历时逐年最大降水量极值变化进行分析,以120 min历时的逐年降水量最大值变化趋势(图1)为例,在1964和1989年前后出现2次较大的降水量极值,其余时间较小。但就总体趋势而言,随着降水历时的延长,西安站30 min及以上各历时的逐年最大降水量极值有增大的趋势。
2.1.2 一定重现期暴雨强度公式确定。利用西安站1961~2012年分钟雨量资料,采用年最大值法确定西安不同历时、不同重现期暴雨强度公式,通过对比分析确定指数曲线分布,利用高斯牛顿法计算西安新一代暴雨强度总公式为[4]
(6)
或分公式为
(7)
式(7)中
A=13.265 22×(1+2.915lgP)
(8)
2.1.3 芝加哥雨峰位置系数的确定。经计算,各历时52个最大降雨量降水过程的雨峰位置系数介于0.317 31~0.496 79,7个历时的综合雨峰位置系数为r=0.354 81,表明西安城区短历时降水雨峰位置偏前,短历时强降雨较为集中,这与大多数地区的结果相似[7-9]。
2.1.4 芝加哥法雨型确定。利用公式(4)和(5)计算的不同重现期、不同历时的芝加哥法雨型最大强度(表1)显示,随着重现期增大,雨强增大。利用公式(4)和(5)可计算每个5 min时段的峰前雨强和峰后雨强,即可计算芝加哥合成暴雨过程线各时段(以5 min为一时段)的累积降雨量及各时段的平均降雨量,最终确定出不同降雨历时对应一定重现期的芝加哥法雨型图(图2)。
2.2 24 h雨型分析
2.2.1 24 h雨型分类分析。由24 h雨型统计结果(表2)可知,西安城区暴雨以单峰型居多,占52年的51.9%,主副型的其次,占17.3%,表明西安城区降雨较为集中;在整个24 h降雨过程中,雨峰位置出现在1~8时最多,9~16时的其次,17~24时的最少,但相差并不大;最大雨峰位置平均值为第11.3小时,表明24 h雨峰位置接近于居中稍微偏前位置。
表1 西安城区不同历时、不同重现期芝加哥法雨型最大雨强 mm/min
次
2.2.2 24 h暴雨雨型。对于24 h降雨过程雨型,则采用相当于一定重现期的实际降水过程的逐小时雨量分布为对应重现期该类型的雨型分布曲线。如2012年8月31日暴雨天气过程是双峰型降雨过程(图3a),雨量50.0 mm,接近于两年一遇;1981年8月9日暴雨天气过程是主副型降雨过程(图3b),降雨量77.7 mm,介于5~10年一遇;1986年9月7日暴雨天气过程是多峰型降雨过程(图3c),降雨量92.3 mm,接近于20年一遇;1989年7月17日暴雨天气过程是单峰型降雨过程(图3d),24 h雨量92.5 mm,接近于20年一遇;1991年7月27日暴雨过程是单峰型降雨过程(图3e),24 h降雨量110.7 mm,接近于50年一遇。由不同重现期、不同类型降水分布的典型代表(图3)可见,西安城区实际的24 h极端降水过程雨量分布非常不均匀,但雨量较为集中。
3 小结与讨论
(1)使用西安站电子信息化分钟雨量资料,利用年最大值法编制的西安城区暴雨强度公式,采用芝加哥雨型法,对西安城区短历时降水的雨型进行了分析计算,计算的各短历时暴雨的雨峰位置系数介于0.317 31~0.496 79,综合雨峰位置系数r=0.354 81,表明西安城区短历时降水雨峰位置偏前,短历时强降雨较为集中。
(2)西安城区24 h暴雨雨型分布以单峰型居多,占52年的51.9%,主副型的其次,占17.3%。24 h暴雨雨峰位置出现在接近于居中稍微偏前位置。西安城区24 h极端降水过程逐小时雨量分布不均匀,但较为集中。
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Analysis on Urban Rainstorm Pattern of Xi’an
BI Xu1,CHENG Long1, YAO Dong-sheng2et al
(1.Xi’an Meteological Bereau, Xi’an, Shaanxi 710016;2.Shaanxi Provincial Lightning Protection Centre,Xi’an, Shaanxi 710014)
By using the electronic information rain data of Xi’an station and the urban rainstorm instensity formula of Xi’an which is decided by the Annual Maximum Method,the pattern of urban short-duration heavy rainfall is analyzed by the Chicago formula, the result shows that all the position coefficients of rainfall peak are between 0.317 31 and 0.496 79,the comprehensive rainfall peak position coefficient is 0.354 81,the peak position of short-duration rainfall are more anterior,and the short-duration heavy rainfall are more concentrative.The statistics analysis of Xi’an urban 24 hour heavy rainfall distribution shows: the major urban heavy rainfall pattern is single peak(51.9%),the main-side pattern(17.3%)secondly. Meanwhile,the 24 hour heavy rainfall peak position is more anterior.During the process of 24hour extreme precipitation, the distribution of hourly rainfall is uneven.
Short-duration;Heavy rainfall;Chicago formula;Rainfall pattern
毕旭(1974- ),男,陕西米脂人,高级工程师,从事天气预报预警及相关技术研究。
2015-10-30
S 161.6
A
0517-6611(2015)35-295-03