湖南省降水强度等级标准探讨

2018-02-02蔡荣辉李巧媛欧小锋王晓雷

安徽农业科学 2018年4期

蔡荣辉，姚蓉，李巧媛*，唐佳，苏涛，欧小锋，王晓雷

(1.湖南省气象台，湖南长沙 410118；2.湖南省怀化市气象局，湖南怀化 418000)

近年来，在全球气候变暖的背景下，各地洪涝灾害严重。最近几十年强降水事件的发生频率明显上升，并且这种趋势会进一步发展[1-2]。江南、华南地处亚热带季风气候区，地理环境复杂，气候多变，洪涝灾害频发。同时，受台风登陆后减弱的低气压也能导致我国沿海或内陆部分省份强降水的发生。由于对流性短时强降水强、累计雨量大、影响范围广，常带来山洪、地质灾害及流域洪水，给国民经济带来了严重损失。如2005年新邵太子庙乡特大山洪暴雨，2006年“碧利斯”、2007年“圣帕”台风暴雨。尤其在2016年5—7月，我国南、北方多省出现了大范围暴雨、大暴雨或特大暴雨，强降水事件造成了较大的财产损失和人员伤亡。

在全球气候变化的背景下，湖南省的降水也有强降水、极端降水增加的趋势。张剑明等[3]研究湖南省极端暴雨事件表明，1960—2009年湖南省极端降水事件增多、强度增大；李巧媛等[4-5]研究表明，湖南省近几十年来大量级降水(大雨以上量级)均有增加的趋势，大暴雨的发生频率明显上升，并且这种趋势会进一步维持。对于降水的极端性和致灾因子等，已有较多研究，并取得一定成果[6-10]。湖南省内强降水的致灾能力差异成因十分复杂[7]。强降雨是导致包括湖南在内的中国南方山洪灾害的主要致灾因子[9]，李婷婷等[10]采用最大3日降雨量为指标来衡量一次降雨的致灾能力，研究了湘水流域的山洪灾害成因与防治。上述研究表明，降水强度等级不仅与降水量级有关，还与降水范围有着重要的联系，不同降水强度与山洪和地质灾害的发生有较好的相关性，强降水影响范围的大小是衡量洪涝灾害的一项重要指标。然而，目前为止全国对于降水强度等级尚无统一的标准，很难客观评价每次降水事件的强度和等级，影响了对暴雨灾害的评估，增加了政府部门科学组织防汛救灾工作的难度。因此，开展降水强度等级标准的研究迫在眉睫。开展湖南降水强度等级标准的相关研究，不仅能监测和评估洪涝灾害的影响程度，还能对政府部门进行防汛救灾工作提供科学依据，对防灾减灾、促进经济发展具有重要的科学意义和应用价值，并能针对性地指导公众生活、农业生产等相关活动。

1 降水强度分级标准

1.1降水强度等级分级标准说明该标准划分在按照国家有关法律、法规原则下，根据气象行业实际情况，参考当地24 h降水量级划分标准、24 h最大降水量及最大小时雨量与灾害的关系，同时考虑影响区域范围大小和南北方降水差异，确定24 h最大日降水量、最大小时降水量、降水量百分位、站点降水最大降水量级站次等作为降水强度等级主要影响指标。

该标准根据《中华人民共和国国家标准化法》《中华人民共和国标准化法实施条例》《中华人民共和国气象法》及有关法规、规章，按GB/T1.1—2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写规则》、GB/T1.2—2009《标准化工作导则第2部分：标准的制定方法》中的原则要求及相关领域有关标准进行编写[11-18]。

1.2单站降水强度指标研究

1.2.1基于日降水量强度等级指数。24 h累计降水量h1的大小能直接反映出该站降水的强弱，依据湖南省气象部门降水强度的划分(表1)，将其应用到降水强度指数Ih1公式(1)中，其强度指数分为1～4级。

(1)

其中，Ih1为24 h降雨量强度指数，指某站08:00—次日08:00或20:00—次日20:00累积降雨量相应等级指数。

表1 湖南地方标准降雨等级

1.2.2基于小时最大降水量强度等级指数。h2为某一站24 h内最大小时降水量。该标准之所以引入小时最大降水量，一是因为结合了湖南省气象部门暴雨预警降水量，二是由历史资料统计的降水型地质灾害小时雨量阈值等作为参考依据。最终确定Ih2强度指数为1～4级，具体见公式(2)。

(2)

式中，Ih2为24 h内小时降雨强度指数，指某站08:00—次日08:00或20:00—次日20:00最大小时雨量相应等级指数。

1.2.3基于降水量百分位强度等级指数。h3为某一站降水序列百分位，指某一站24 h降水量在该站历史上的排序。该因子的引入，不仅能反映出不同站点的历史排序，还能反映出降水的极端性，同时能体现出南北方降水用固定的量级所不能全面刻画的差异，如一些少雨区年降水量还不足南方一天的降水量等问题。根据公式(3)，确定Ih3强度指数为1～4级。

(3)

式中，Ih3为24 h内单站多年历史降水序列百分位降水强度指数，指某站08:00—次日08:00或20:00—次日20:00降水序列百分位相应等级指数。

1.2.4单站降水强度等级指数。单站降水强度指数Ih与降水量级和降水速率有关，表征着降水活动的极端性，为了全面考虑单站降水强度，该标准通过比较24 h累计降水的强度指数Ih1(公式1)、24 h最大降水的强度指数Ih2(公式2)和单站降水序列百分位指数Ih3(公式3)，选取其中最大的指数作为单站降水强度指数Ih(公式4)。这就意味着单站降水强度指数综合考虑了累计降水量、小时雨量和降水极端性3项指标，并将单站降水强度指数划分为4个等级：降水强度指数1对应为较强降水；2对应为强降水；3对应为特强降水；4对应为极端降水。

Ih=max(h1+h2+h3)

(4)

1.3降水区域等级指标研究降水区域指数Id表征降水过程中，强降水的发生范围和影响区域，这也是讨论一次降水过程重要性和评价其强度等级的标准之一。该标准利用降水量级发生的站次数来划分降水区域指数，发生站数越多，指数越大。在单站降水强度确定后，降水范围越大，其影响范围也更大，致灾性也更强。根据实际工作经验与多地区域暴雨过程等划分原则，确定Id区域指数为0～4级，具体见公式5。

(5)

式中，d为不同降水量级站次。Id为降水区域指数，在相应的时间范围内出现相应级别降雨则赋予相应的指数值。

1.4降水强度等级区域降水强度指数Is是由不同降水量级站次所代表的降水区域指数Id与单站降水强度等级指数Ih之和组成。由此说明，区域降水强度指数不仅考虑了单站降水量级及极端性，还充分考虑了影响范围大小。用单站降水强度和降水范围来综合衡量降水等级的大小，两项对降水强度都有较好的正相关关系。同时满足这2个条件作为降水强度等级各级别的下限，降水等级指数可用下式表示：

Is=Ih+Id

(6)

计算得出降水等级指数Is，是表征单站降水强度和降水影响范围的综合指数，并将其进行分级，Is指数为1和2时，判断为较强降水；Is指数为3和4时，判断为强降水；Is指数为5和6时，判断为特强降水；Is指数为7和8时，判断为极端降水。单站降水强度指数和降水等级指数所对应的降水等级如表2所示。

2 汛期降水强度等级标准检验

2.12016年6月30日—7月4日降水过程检验2016年6月30日—7月4日湖南出现了一次持续暴雨和大暴雨过程，此次降水过程具有持续时间长、降水强度大、累积雨量大、致灾性强特点。6月30日20：00—7月6日14：00，湘西、湘中以北出现了持续性强降雨，共1 761个乡镇累计降雨量超过100 mm，其中760个乡镇累计降雨量超过200 mm，37个乡镇累计降雨量超过400 mm，6个乡镇累计降雨量超过500 mm；1 h最大雨强为96.3 mm(怀化鹤城凉亭坳7月3日22:00—23:00)。

为了解制定的降水强度等级标准是否能合理，根据初步确定的降水强度等级划分标准，对2016年7月1—4日影响湖南省强降水过程的降水强度各项指数进行了计算，最后得出了此次强降水过程中每一天的降水强度等级(表3)。由表3可见，2016年7月1日和4日湖南的降水强度达到了特强等级标准，7月2、3日湖南的降水强度达到了极端降水标准。

表2 降水强度等级划分

表3 2016年7月1—4日湖南降水强度等级

从过程本身的发展特征来看，根据标准划分得到的结果是合理的，与事实吻合。从过程的影响来看，此次强降水过程是湖南2016年汛期最强的一次降水过程，造成了严重的灾害，资水流域出现了超记录的水位，洞庭湖出现了超警戒水位且高居不下，是1998年以来湖南最严重的汛情。

2.22016年1月1日—9月30日降水过程检验对湖南省2016年1月1日—9月30日的降水的分析结果显示，全省共有232 d出现了降雨(84.98%)，其中共有191 d的降水强度在Ⅰ～Ⅳ(75.49%)。降水强度为Ⅰ级的降水共出现了5 d，分别是5月19日、6月15日、7月2日、7月3日和9月9日，其中7月3日Ih1、Ih2、Ih33个指数均为4(最强)。Ⅱ级降水的分布中，可以比较清楚地对应相应的降水过程，包括3月19—22日、5月6—7日、6月2—3日、10—11日、27—28日、7月1—4日、13—18日、8月6—10日、9月9—10日，与业务实际相比较，降水过程中影响范围大、降雨强度大的降水过程有较好的体现，但是实际决策气象服务中服务的次数更多。另外，一次特强降水过程中常常只有其中的某一天达到了特强降水级别，特强降水等级在时间上的持续性较差，这与2016年湖南强对流性质降水比较多、降水局地性较强等也有较好的对应。Ⅲ级降水的数量最多，高达129 d，其中主要由Ih3的数值较大造成降水强度等级高，此种结构与决策气象服务的实际相差较大，且造成工作中不能抓住重点，因此指数还有待进一步调整。Ⅳ级降水虽然只有30 d，但这与Ih3的低阈值关系非常大。

通过对2016年前期降水的强度等级划分检验可知，初步设置的湖南省降水强度等级划分标准总体可行，但是对其中百分位指数的确定方法还要进一步修正。