贵阳市暴雨变化趋势及短历时暴雨雨型研究

段　莹，张东海，胡欣欣，李忠燕

(1.贵州省气候中心，贵州　贵阳　550002；2.贵州省山地环境气候研究所，贵州　贵阳　550002)



贵阳市暴雨变化趋势及短历时暴雨雨型研究

段莹1，张东海1，胡欣欣2，李忠燕1

(1.贵州省气候中心，贵州贵阳550002；2.贵州省山地环境气候研究所，贵州贵阳550002)

该文利用贵阳站1951—2013年逐日降水量及1961—2013年逐分钟降水量资料，对贵阳市暴雨变化趋势进行分析，其结果显示贵阳市暴雨平均雨量整体呈上升趋势，暴雨日数及总暴雨量总体呈现出下降趋势，21世纪以来贵阳市暴雨强度有所增强，近30 a的降水极端性及降水强度较强。以1981—2013年逐分钟降水资料为数据基础，依据《室外排水设计规范》(GB50014-2006，2014版)及《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》(2014版)要求新修编的贵阳站暴雨强度公式，采用芝加哥雨型法确定贵阳市短历时暴雨雨型，雨峰综合系数为0.405，即雨峰位于整个降雨过程的终端偏前的时刻。

短历时暴雨；暴雨强度；暴雨雨型

1　引言

近年来，受全球气候变化影响，极端暴雨事件频繁发生，加之城市排水防涝标准偏低、调蓄雨洪和应急管理能力不足，面对极端强降水天气，很多城市频繁出现了严重的暴雨内涝灾害。住建部调研结果显示，在2008—2010年的3 a间，全国有62%的城市都曾发生过内涝事件，内涝发生3次以上的城市有137个[1-2]。也有研究表明，受城市化效应的影响，城市市区中心短历时高强度局地性暴雨的发生概率和降水强度大大增加，使得城市遭受水浸的自然风险增大[3-4]。随着城市内涝灾害严重性的加剧，国家及地方各级政府对排涝设施建设越发重视。

设计暴雨包括设计暴雨量和设计暴雨过程，暴雨强度公式表示了暴雨平均强度与最强时段的规律，雨型则描述了暴雨强度的过程，不同雨型对径流曲线与调蓄计算均有重要的影响，是城市防水排涝管理的基础[5]。目前，国内关于雨型研究的文献相对较少，雨型研究的部门主要集中在水文和城市规划领域，并且不同研究领域的人对雨型设计中的暴雨选样、场雨划分、场雨间隔时间、雨型方法的选择等方面均有不同的理解和争议。许多学者在不同区域采用不同的方法对雨型进行了研究[6-8]。包高马佐娃等人对降雨资料进行统计分析,划分了7种雨型[9]；Keifer和Chu根据强度-历时-频率关系得到一种不均匀的设计雨型,即芝加哥雨型；Huff,Pilgrim和Cordery,Yen和Chow等都提出过各自的设计暴雨雨型[10]。《室外排水设计规范》(GB50014-2006，2014版)要求当汇水面积超过2 km2时，雨水设计流量宜采用数学模型进行确定。岑国平等[11]的研究表明，芝加哥雨型效果较好，一般能满足精度要求，且参数较少，建议采用此雨型作为设计雨型。《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》(2014版)[12]中也推荐使用芝加哥法来确定短历时暴雨雨型。

目前还未有贵阳市暴雨雨型的相关文献，因此本文将依照《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》，纳入最近几十年的短历时暴雨资料，对贵阳市暴雨设计雨型进行探讨。

2　资料及方法

2.1资料

本文所用资料包括贵阳站1951—2013年逐日降水资料、1961—2013年逐分钟降水资料，以及基于1981—2013年逐分钟降水资料新修编的贵阳市暴雨强度公式。

采用的贵阳站逐分钟降水资料由气象部门已业务化运行的“降水自记纸彩色扫描数字化处理系统”对原始数据进行信息化处理，数据精度高，能准确实现“不漏场次、不漏最大值”的挑选降雨场次的原则，统计样本准确可靠[13]。

2.2方法

本文利用芝加哥雨型分析方法，对贵阳市短历时(180 min以内)的暴雨雨型进行设计。

芝加哥雨型分析根据综合雨峰位置系数r，暴雨强度公式中的A、C、b、n、P(重现期)等参数，代入雨峰前后瞬时降雨强度公式中(公式(1)、(2))，计算出雨峰前后瞬时降雨强度，然后再计算时段平均雨强和时段累积雨量等参数，最终确定出对应一定重现期及降雨历时的芝加哥雨型。

(1)

(2)

式(1)、(2)中，A、b、n为一定重现期下暴雨强度公式中的参数，取值如表1所示，i(tb)为峰前瞬时强度，tb为相应的历时，i(ta)为峰后瞬时强度，ta为相应历时。r为综合雨峰位置系数，r位于0～1之间。

表1中暴雨强度公式系数是根据《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》(2014版)要求，采用贵阳站1981—2013年共33a逐分钟降水资料新修编的贵阳站单一重现期暴雨强度公式。

表1　贵阳市单一重现期暴雨强度公式系数

3　贵阳市暴雨及降水强度变化趋势

3.1贵阳市暴雨变化趋势

由于贵阳市城市化进程的高速发展和气候变化的影响，贵阳市短历时暴雨平均雨量整体呈上升趋势(图1)，20世纪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；暴雨日数及总暴雨量(图2)相对20世纪80年代却有所增长，但总体呈现出下降趋势。平均雨量增大和暴雨日数及总暴雨量的减少表明21世纪以来贵阳市暴雨强度有所增强。

图1　暴雨平均雨量年代际分布Fig.1　The interannual change of rainstorm average rainfall

图2　暴雨日数及暴雨总雨量年代际分布Fig.2　The interannual changeofrainstorm daysand total rainfall

3.2降雨强度计算及分析

根据逐分钟降水数据，按照设置的降雨场次划分的时间间隔，采用滑动法计算每一场雨所包含的各历时(5 min、10 min、15 min……1 440 min)降雨强度最大值，统计各历时每年任意多个降雨强度最大值，为降雨强度公式推求提供数据样本，同时对计算结果进行分析，包括区域历时降水强度分析、降水强度历年变化、降水极值等。

3.2.1降水强度历年变化根据计算得到的各历时降雨强度数据，计算每年的各个历时降雨强度的平均雨强值，图3为贵阳站60 min、120 min、180 min 3个历时降雨强度的历年变化图，为贵阳站暴雨强度的时间变化特征分析提供支持。图中可见，贵阳站3个历时降水强度变化大体一致，从1961—2013年各历时降水强度整体呈线性增强趋势，各历时1981—2010年降水强度均值均略大于1971—2000年的降水强度均值，20世纪90年代降水强度较强，其中1998年为最强。

图3　贵阳站60 min、120 min及180 min 3个历时降雨强度历年变化图Fig.3　Rainfall intensity changes during 60min、120min and 180min of Guiyang

3.2.2降水强度极值统计极端值的选取是将选取的样本数据不分年次，按从大到小排列，取前N个最大值。由于贵阳站逐分钟降水资料仅从1961年开始，因此分析贵阳站1961—1990年和1981—2010年两个不同年代时段所占的极值个数，分两个时段，统计两个时段中贵阳站10个最大值各发生几次，结果如表2所示。由统计结果可见，除30 min降水强度极值个数在1961—1990年中出现个数略大于1981—2010年，及5 min、20 min、45 min、60 min、90 min降水强度在两个时段出现个数相当外，其余历时的降水强度极值均在近30年中出现更多，特别是150～1 440 min的降水强度极端值基本出现在1981—2010年中，各历时的历史极端最大值

表2　各历时降水强度极端值统计

出现年份多出现在2004年，其次为2003年。可见1981—2010年时段内极值个数，特别是历时在150 min及以上的降水强度极值占比多，说明该时段的降水极端性强。

3.2.3降水强度均值对比分析1961—1990年和1981—2010年两个时段雨强均值对比情况，每年每个历时的取样个数选择前10个最大值，那么各个历时在1961—1990或1981—2010年这个时段均共有10个/a×30 a=300个雨强值，时段的平均雨强就对应300个雨强值的平均，最后给出各个历时两个时段的均值、差值(后一时段-前一时段)、比例值((后一时段-前一时段)×100%/前一时段)。如果哪个时段雨强的均值大，则能说明该时段的降水强度强。

表3　不同时段各历时降水强度均值对比

表3为不同时段各历时降水强度均值对比结果，由表中可见，1981—2010年的各历时降水强度均值均大于1961—1990年，特别是45～360 min降水强度差值比均在10%以上，表明近30 a的降水强度较强。

4　短历时暴雨雨型设计

4.1降雨场次划分

场雨划分是雨型设计的基础，雨型分析或雨峰计算均是在划分的降雨场次的结果上进行的。降雨场次划分主要将降水按照最小降雨间隔划分完成了无数个独立的降雨场次，这些降雨场次中每场雨的降雨时长、雨量等都不尽相同。利用降雨时长、累积雨量为控制选项，进一步筛选出典型的降雨场次，计算结果包括每场雨的开始时间和结束时间、降雨时长、累积雨量等内容。根据我国降雨场次划分的规定[14]，采用120 min作为规定降雨时间间隔，将连续的降雨划分成独立的降雨场次。

4.2雨峰位置计算

选取贵阳站1981—2013年中各降雨历时的逐年8个最大降雨过程样本，根据从大到小排序，并参考贵阳站暴雨强度公式中计算出的一年一遇的各历时暴雨量阈值，筛选前m(比n小的值)个最大值作为计算雨峰的样本数量，统计降雨过程的雨峰位置系数。

(3)

ri为雨峰位置系数，ti为降雨峰值时刻，Ti为降雨历时。

在雨峰计算时，选择每年8个最大值，选择出来的样本数较多，在计算雨峰位置系数时需要去除掉一些小雨量的样本，将选取出来的样本按照降水量从大到小进行排序，再结合雨量标准确定需要具体选前多少个样本。

对于雨量标准，我国只规定了短历时中1h的暴雨标准：当1h降雨量超过16mm时称为暴雨；对于其他短历时暂无规定。考虑到贵阳站的降水实际，此次设计将结合贵阳站暴雨强度公式酌情规定对应的雨量值为标准。一般城市工程设计院在综合雨峰计算是主要考虑的是60min、90min、120min、180min4个历时的综合雨峰，相应的雨量标准取暴雨强度公式计算所得到的一年一遇重现期的设计雨量近似值，分别规定为：35mm、40mm、45mm、52mm。

经过上述方法筛选，对各历时的选取出降水样本的雨峰位置系数进行算数平均，得到的4个历时的雨峰系数后，将各历时的雨峰系数按照各历时的长度进行加权平均，求出综合雨峰系数r。计算得到的雨峰系数如表4所示。

表4　贵阳市雨峰系数计算结果

4.3芝加哥雨型分析

确定雨峰位置后，可利用公式(1)、(2)及表1中的暴雨强度公式系数求出雨峰前后的瞬时强度。以120 min降雨过程为例，将整个暴雨过程划分为逐分钟，取雨峰位置r为出发点，分别求其前后逐分钟的瞬时降水强度。表5列出10 min、30 min、60 min、90 min及120 min对应重现期1～10 a的瞬时降水强度。

表5　各重现期下历时120 min暴雨过程的瞬时强度分布

注：a为重现期单位：年，瞬时强度的单位为mm/min。

计算贵阳站1～10 a累计降水量及各时段的平均降雨强度，结果以5 min计，表 33列出10 min、30 min、60 min、90 min及120 min历时1～10 a重现期对应的平均雨强及累计降水。

表6　各重现期下历时120min暴雨过程累积雨量和各时段平均强度

注：累计降水的单位为：mm，平均强度的单位为mm/min。

图4是1年重现期下暴雨强度过程分布，图5为相应的累计雨量过程线，可看到雨峰位置均位于整个降雨过程的中端偏前的时刻，与计算出雨峰综合系数0.405相一致。其他重现期过程分布曲线形状类似。

图4　一年一遇历时120 min的暴雨雨型Fig.4　Storm pattern during 120 min once a year

图5　一年一遇历时120 min降雨累积量过程线Fig.5　Rainfall cumulant process line during 120 min once a year

5　结论及建议

基于1981—2013年逐分钟降水资料新修编的贵阳市暴雨强度公式，利用贵阳站1951—2013年逐日降水资料、1961—2013年逐分钟降水资料，对贵阳市暴雨降水强度及暴雨设计雨型进行探讨。

①贵阳市暴雨平均雨量整体呈上升趋势，20世纪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；暴雨日数及总暴雨量总体呈现出下降趋势，但21世纪相对20世纪80年代有所增长，平均雨量增高和暴雨日数及总暴雨量的减少表明21世纪以来贵阳市暴雨强度有所增强。

②贵阳站1961—2013年各历时降水强度整体呈线性增强趋势，各历时1981—2010年降水强度均值均略大于1961—1990年的降水强度均值，20世纪90年代降水强度较强，其中1998年为最强。从降水强度的极值分布来看，近30 a的降水极端性及降水强度较强。1981—2010年时段内极值个数，特别是历时在150 min及以上的降水强度极值占比多；1981—2010年的各历时降水强度均值均大于1961—1990年，特别是45～360 min降水强度差值比均在10%以上。

③本文设计雨型过程中采用的暴雨强度公式是依据《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》中规定的方法，运用近33 a的降水资料推算得到，计算结果规范，计算结果误差满足规范要求；暴雨雨型采用导则推荐的芝加哥雨型法，雨峰综合系数为0.405，即雨峰位于整个降雨过程的终端偏前的时刻。

④在气候变化的背景下，各地极端降水特点不断变化，建议每隔10 a对暴雨强度公式及暴雨雨型进行修编。

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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

段莹(1988—)，女，助工，硕士，主要从事气候监测与服务工作,E-mail:lovedying@163.com。

贵州省气象局气象科技开放研究基金(黔气科合KF[2016]06号)。

P466

A