贵州省区域性强降水过程评估方法初探

龙 俐，段 莹，牟 佳，张东海，徐丹丹

(1.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州省生态气象和卫星遥感中心，贵州 贵阳 550002； 3.贵州省气象学会，贵州 贵阳 550002)

1 引言

强降水过程通常都具有覆盖范围广、降水强度大、持续时间长等特点，特别是在山区，可能会引发中小水库汛情，局地小流域山洪、泥石流、山体滑坡和崩塌，城镇积水、低洼农田内涝，雨大路滑造成机场和高速公路能见度差、公路水毁路断等灾害。

目前，虽然对强降水定量评估有了一些研究，但可参考的行业标准、地标和指标多针对暴雨以上的降水等级进行单日或过程影响评估[1-13]，对于较强降水的定量化综合性评估标准或规定较少。而对于贵州这样的山地环境，持续性的、较强的降水过程也会造成社会经济损失、甚至是人员伤亡，进行较强降水的定量评估在实际的业务工作和服务需求当中也尤为重要，因此，本文以贵州省为例，建立了区域性强降水过程综合强度评估模型，并给出评估等级划分标准，为定量化评估业务提供一定的参考。

2 资料、定义和方法

2.1 资料

采用贵州省1961—2017年84个国家级气象观测站逐日降水量，计算结果主要用于评估，因此日降水量时段选择20时—次日20时。

2.2 区域强降水过程相关定义

强降水日：监测区域内，有10站及以上日降水量达25.0 mm以上时，称为一个强降水日。

区域强降水过程：连续2个或以上的强降水日为一次强降水过程(其中连续2个强降水日后中间允许间断一天，且间断期间至少有1个站日降水量≥25.0 mm)；如果过程持续间断1 d以上或未有站点降水量达到25.0 mm则过程结束。

区域强降水开始日：出现区域强降水过程的第一个强降水日，称为区域强降水开始日。

区域强降水结束日：区域强降水过程持续间断1 d以上或未有站点降水量达到25.0 mm的前一日，称为区域强降水结束日。

过程持续天数：开始日到结束日之间的天数。

过程总雨量：过程期间≥25.0 mm雨量总和。

过程总站次：过程期间≥25.0 mm累计站点数。

过程平均雨量：过程期间总雨量/总站次。

过程暴雨量：过程期间≥50.0 mm雨量总和。

过程暴雨站次：过程期间≥50.0 mm累计站点数。

过程平均暴雨量：过程期间暴雨量/暴雨站次。

2.3 方法

2.3.1 标准化 为了去除数据的单位限制，将其转化为无量纲的纯数值，对数据进行标准化处理，便于不同单位或量级的指标能够进行比较和加权，本文采用z-score 标准化(zero-meannormalization)。

(1)

2.3.2 归一化 归一化是对原始数据的线性变换，使结果值映射到[0 - 1]之间。

(2)

其中max为样本数据的最大值，min为样本数据的最小值。

2.3.3 权重 本文采用主成分分析，根据指标的主成分载荷矩阵的归一化值作为指标的权重。

(3)

其中，Ui为主成分载荷矩阵，Ai为因子载荷矩阵，λ为特征值。为了使所有指标的权重之和为1，将Ui进行归一化即得到各指标的权重系数。

3 结果分析

3.1 数据计算及处理

按照定义，选取了气候标准期(1981—2010年)[12]的206次过程进行分析，研究表明，持续天数、总雨量、总站次、暴雨量、暴雨站次5个指标之间相关性均在0.65以上，在0.01水平上显著相关。通过正态化分析后显示，持续天数因样本取值单一，不适合正态化处理，因此，直接用原值；总雨量、总站次进行对数处理，暴雨量、暴雨站次进行立方根处理后其概率符合正态分布(图1)。为保障指标无纲量化，按照公式1进行标准化(表1)，作为指标分析的最终数据(图2)。

表1 因子均值及标准差Tab.1 Mean and standard deviation of factors

3.2 综合强度评估模型

通过对标准化后的206次过程进行KMO检验，取值为0.604，而且Bartlett球形检验的显著性值为0.000<0.05，说明数据适合做因子分析，可以用主成分分析求权重；各指标提取得到的公因子方差基本在0.9以上，表明了提取的主成分对于变量的解释程度比较高。根据分析提取了特征值大于1的1个主成分，方差贡献率为84.084%，特征值为4.203，按照公式(3)计算并归一化后，最终得到以下区域性强降水过程综合强度评估模型：

Irain=0.170×Rd+0.214×Rzr+0.205×Rzn+ 0.205×Rzs+0.206×Rzsn

其中，Irain为区域性强降水过程综合强度评估指数；Rd为过程持续时间标准化后的值；Rzr、Rzn、Rzs、Rzsn分别是总雨量、总站次、暴雨量、暴雨站次4个指标正态化和标准化后的值。

3.3 等级划分

基于贵州省区域性强降水过程综合强度评估指数序列，取百分位数30%、50%、70%和90%对应的概率进行等级划分[15]。

3.4 历史降水过程检验

1961—2017年贵州省共发生406次区域性强降水过程，综合强度评估指数为强以上等级的共计82次，占总过程的20.2%。

图1 指标正态化处理后P-P图(a. 总雨量，b. 总站数，c.暴雨量，d.暴雨站数)Fig.1 P-P diagram after normalizing the indicator(a.total rainfall, b.total stations, c.rainstorm, d.stations of rainstorm)

图2 指标标准化频率图(a.持续天数，b. 总雨量，c. 总站数，d.暴雨量，e.暴雨站数)Fig.2 Standardized frequency diagram of indicators (a.number of days, b. total rainfall, c.total stations, d. rainstorm, e. stations of rainstorm

表2 综合强度评估等级Tab.2 Level of comprehensive strength assessment

图3 强降水过程等级比例(1961—2017年)Fig.3 Proportion of heavy precipitation process

参照《中国气象灾害年鉴》、《中国气象灾害大典(贵州卷)》、《贵州省年鉴》、民政厅数据等历史灾害事件记载[14-17]，本文结果与历史强降水事件具有较好的一致性，特强等级33次区域性强降水过程中，29次均有记载造成巨大的经济损失和人员伤亡，对社会有重大影响(表3表述了前10位)。

表3 区域性强降水过程描述Tab.3 Description on regional strong precipitation process

注:以上灾情来源于《中国气象灾害大典(贵州卷)》，仅对死亡人口及经济损失进行描述。

1961年以来，综合强度评估指数的最大值出现在1991年7月1—13日，过程持续13 d，281站次出现25.0 mm以上的日降水，强降水平均雨量为57.9 mm，期间出现50.0 mm以上的降水136站次，平均暴雨量为88.3 mm，平坝站日降水量达到了266.2 mm(图4、图5)。此次过程造成全省受灾人口近1 711万人，因灾死亡434人，重伤1 214人，受灾工矿企业200多家，学校2 550所。全省农田受灾面积达54.66万hm2，其中有13.33万hm2绝收，受灾企业1 400余家，直接经济损失约24.35亿元[16]。

图4 贵州省1991年7月1—13日逐日降水量站数图Fig.4 Daily Precipitation during July 1-13, 1991, Guizhou Province

图5 贵州省1991年7月1—13日20—20 时降水量分布图(单位：mm)Fig.5 Distribution of precipitation from July 1 to July 13, 1991 at 20-20 o'clock in Guizhou Province

4 小结

①本文区域性强降水过程的识别定义了区域性、大范围、持续性强降水出现的情况，不仅考虑到过程强度的影响，还考虑到过程的持续性累积效应。基于此规定的统计结果与历史区域性强降水过程基本吻合。

②构建了贵州省区域性强降水过程的综合强度评估模型，包含过程持续时间、总雨量、总站次、暴雨量、暴雨站次5个指标及各指标的权重，对区域性强降水过程进行全面的描述，为强降水定量评估提供了科学依据和基础。

③该综合性指标主要考虑了降水量的一个范围和强度，如果结合社会、经济、灾情等指标进行评估，可以对过程的灾损进行较好的实时评估或预估，但在实际的业务需求和服务中，往往由于实时灾情资料的时效性和针对性有限，而不易实现，可以尽量收集所需指标，便于进行灾后评估。