镇江市降雨场次划分与暴雨特性分析

2021-05-19李琼芳周正模和鹏飞

水资源保护 2021年3期

皋云，李琼芳，2，周正模，杜尧，和鹏飞

(1.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098；2.江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心，江苏南京 210098)

快速城市化改变了局部气候，城市热岛效应、阻碍效应、凝结核效应显著改变了城区降雨模式与分布[1]，暴雨频次和短历时暴雨强度不断增加，城市暴雨洪涝风险增大，危及城市居民生命和财产安全，严重制约了城市经济社会有序发展[2-3]。降雨场次的划分是暴雨特性研究的基础，对于精准地解析暴雨特性至关重要。然而，目前尚未形成统一的降雨场次划分方法。李俊奇等[4]将每日降雨(20：00至次日20：00)作为一场降雨，但该划分方法得到的场次降雨与实际情况存在较大偏差；Adams等[5]在分析降雨间隔时间与降雨自相关系数关系的基础上，确定了最小降雨间隔时间，并提出降雨间隔在1～6 h之内时实际应用性较强，但亟须验证其在中国高强度城市化地区的适用性。由于不同城市在城市规模、城市化程度、人类活动干扰程度、地形地貌及气候条件等方面均有较大差异，在气候变化和人类活动共同作用下其暴雨特性变化规律也不尽相同，因此，一些学者针对不同城市开展了暴雨特性研究[6-8]。张洁祥等[9]分析了上海市年代际降水、年降水、汛期与非汛期降水的变化和周期变化特征，但未对不同历时降雨的变化特征进行研究；李政等[10]解析了伊宁市的强降雨特征以及对洪灾的影响。在江苏省，南京、无锡、常州已开展了关于城市暴雨特性的研究[11-13]，然而，镇江市作为第一批国家海绵试点城市，对其暴雨变化规律的精细化分析却鲜见报道。城市雨洪管理应以防涝达标为重点[14]，清楚地认识城市暴雨规律既是科学推求设计暴雨、合理规划与设计城市排水防涝系统的前提，也是有效制定海绵城市设计指标以及评估不同降雨条件下海绵城市建设效果的重要依据，对建立完善的城市排水防涝系统、提高城市防灾减灾能力、保障人民群众生命财产安全也至关重要[15-16]。因此，亟须在科学合理划分镇江市场次暴雨的基础上，对其暴雨变化规律进行深入细致的分析。

1 研究区概况

镇江市(北纬31°37′～32°19′、东经118°58′～119°58′)位于江苏省南部，长江下游南岸，长江和京杭大运河在此交汇。镇江市属暖温带向北亚热带过渡的季风气候，气候湿润温和，雨量充沛，雨热同期，全年无霜期239 d，降雨多集中在5—10月，多年平均降水量1 106.2 mm，汛期平均雨量达781.3 mm。随着镇江城市化建设进程加快，下垫面不透水面积增加，镇江市热岛效应明显，降雨增多。特殊的地理位置、快速的城市化进程与汛期的集中降水使得镇江市区面临外洪与内涝的夹击,不断出现严重的暴雨洪涝灾害[17]。

2 研究方法与数据

降雨具有持续性和间断性的特点，长时间序列的降雨数据可划分为多场独立的场次降雨。对于某一场确定的降雨序列，不同的降雨场次划分对应着不同的降雨场次和降水量。工程实践中，海绵城市建设的降雨总量控制目标、城市雨洪模型的降水量过程线模拟、防洪工程及城市管网系统的设计标准均与场次降雨数据密切相关。因此，合理地确定降雨间隔时间、划分降雨场次尤为重要，但因最小降雨间隔T及无雨标准需人为确定，划分结果受主观因素影响较大[4]。在数据资料的时间分辨率达到小时降雨数据时，按照T进行场次划分更为合理[18]。当两场雨的间隔时间t≥T时，视为2场降雨；当t

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图1 基于降雨时间间隔的降雨场次划分示意图

通过对降雨数据进行自相关分析，得到自相关系数与间隔时间的关系(图2)，自相关系数在0～0.3之间可认为数据之间相关性较弱，一定间隔时间后，降雨数据自相关系数显著下降并且接近0，可选择此间隔时间作为最小降雨间隔。该划分方法根据研究区实测的降雨数据确定间隔时间，减少了由于主观因素造成的误差，更符合研究区实际的降雨过程，得到的降雨历时、降水量、降雨强度更具代表性。

图2 自相关分析

为揭示镇江市暴雨变化规律，在选用长系列降雨资料时，既要考虑降雨站点的区域代表性，也要考虑历史数据连续性和一致性要求，还要考虑资料系列至少30年以上。鉴于镇江站于1997年停测后直接移用丹徒站资料，而丹徒站是除镇江站之外最具代表性的观测站点,本文选用丹徒站1981—2016年降雨资料进行镇江市暴雨变化规律研究。基于镇江市丹徒站汛期5—10月逐分钟降雨资料，采用自相关分析法[5]确定降雨间隔时间，划分降雨场次，以我国气象上规定的12 h降水量超过30 mm为标准筛选暴雨场次。进而统计分析汛期各月暴雨场次、各月暴雨量和汛期总暴雨次数、总暴雨量。以月为时间尺度研究汛期暴雨场次和暴雨量的分布规律，基于线性倾向估计、M-K法[15]解析汛期及各月暴雨次数和暴雨量的年际变化特性，并分析各月暴雨量对汛期总降水量的贡献。依据暴雨历时小于 6 h、6～11 h、12～23 h、24～30 h、大于30 h将暴雨划分为特短暴雨、短暴雨、一般暴雨、长暴雨、特长暴雨；依据场次总雨量为30～60 mm、60～100 mm、大于 100 mm 将暴雨分为弱暴雨、中暴雨、强暴雨[16]。采用数理统计法分析汛期各月不同历时和不同强度暴雨次数的分布情况，探明汛期不同历时和不同强度的暴雨次数的变化趋势、年际及年代际变化特征。针对选取的汛期特短暴雨和短暴雨，分析不同年代特短暴雨、短暴雨的强度变化规律，揭示短历时暴雨的频次和强度演变特征。

3 结果与分析

3.1 镇江市暴雨场次划分结果

基于镇江市丹徒站1981—2016年汛期5—10月降雨资料进行自相关分析(图3)。由图3可见，随着降雨间隔时间的增大，自相关系数逐渐趋近于0，自相关系数小于0.2的合理降雨间隔为2～10 h，因此将2 h作为降雨间隔时间，这与建设部颁布的《给水排水设计手册》中推荐的以2 h作为降雨间隔时间的标准一致[4],验证了该方法在高度城市化的镇江的适用性。以12 h降水量超过30 mm为标准筛选暴雨场次，对降雨场次进行筛选，得到1981—2016年汛期5—10月暴雨共252次。

图3 镇江市降雨自相关分析

3.2 汛期各月暴雨次数及暴雨量变化规律

图4为镇江市1981—2016年汛期总暴雨次数和总暴雨量变化。由图4可见，镇江市1981—2016年汛期共出现暴雨252次，年平均暴雨次数为7次。镇江市的汛期年暴雨次数和汛期年暴雨量年际变化大，汛期年暴雨次数呈略微增长的趋势，汛期年暴雨量以每10年43.4 mm的速度增加，这可能是气候变暖与城市化共同影响的结果[19]。1991年华东水灾，1998年长江全流域洪水，2009年盛夏极端异常气候造成镇江市低温多雨,2016年受厄尔尼诺现象导致强降雨频发，这4年均发生10次以上暴雨。1993年、1994年、1997年、2006年、2013年汛期均发生持续1～7个月的一般干旱或重旱事件[20]，这5年暴雨次数均在1～3次。

图4 镇江市1981—2016年汛期总暴雨次数和总暴雨量变化

图5为镇江市1981—2016年汛期总暴雨次数和总暴雨量的各月分布。由图5可见，镇江市汛期暴雨分布不均性显著,夏季多发性明显，主要集中在6—8月。7月出现最多，为72次，占汛期总暴雨次数的28.6%，7月暴雨量占汛期总暴雨量的29.4%；6月次之，发生64次暴雨，占汛期总暴雨次数的25%，6月暴雨量占汛期总暴雨的27.1%；8月略低于6月，发生49次暴雨，占总场次的19.4%，8月暴雨量占汛期总暴雨量的17.0%；5月和10月暴雨次数较少，仅占汛期总暴雨次数的7.5%和6.3%，5月和10月暴雨量分别占汛期暴雨量的7.2%和5.4%。

图5 镇江市1981—2016年汛期总暴雨次数和总暴雨量各月分布

研究汛期多年月平均暴雨量以及月暴雨量对汛期总暴雨量贡献率并进行M-K检验(表1)。5月暴雨量M-K统计量绝对值大于1.64，通过了置信度为90%的显著性检验，表明5月暴雨量下降趋势显著；7月暴雨量M-K统计量大于1.96，通过了置信度为95%的显著性检验，表明7月暴雨量上升趋势显著。月暴雨量贡献率M-K值中，5月、7月暴雨量对总暴雨量的贡献均通过了置信度为95%的显著性检验，表明5月形成暴雨的概率低，7月形成暴雨的概率较高。7月与8月暴雨量增多，对汛期总暴雨量贡献增大，其他月份暴雨量减少，对暴雨贡献减小，暴雨集中度增强，这可能是由东亚季风以及西北太平洋台风登陆的影响造成的[21]。因此，7月与8月的防汛任务较为艰巨，这与林恒等[22]研究表明长江三角洲地区春秋季节各强度降水减少，夏季降水增多，且夏季降雨强度较大的结论是一致的。

表1 汛期不同月份暴雨量、暴雨量贡献率M-K统计量及变化趋势

3.3 不同历时暴雨变化规律

图6统计了镇江市汛期各月特短暴雨、短暴雨、一般暴雨、长暴雨、特长暴雨次数占比。镇江市各历时暴雨中，一般暴雨出现次数最多，为83次，占汛期总暴雨次数的32.9%；特短和短暴雨次之，分别为55次和51次，占比21.8%和20.2%；长暴雨和特长暴雨出现次数最少，分别为32次和31次，仅占12.7%和12.3%。由图6可知，进入汛期后，特短暴雨和短暴雨出现次数逐渐增多，暴雨次数占比增大，8月达到峰值后次数开始减少，一般暴雨呈汛期频发的特点，长暴雨在汛期占比都较小，特长暴雨仅在9月、10月出现次数较多。5—7月，一般暴雨次数占比最大，8月，特短暴雨、短暴雨次数占比最大，9—10月，一般暴雨次数占比最大。

图6 镇江市1981—2016汛期各月不同历时暴雨次数占比

图7统计了不同历时暴雨次数的5年滑动平均值。由图7可知，镇江市暴雨以短暴雨和一般暴雨为主，1981—1996年，特短暴雨和短暴雨5年滑动平均次数略微减少，1996年后，短暴雨和特短暴雨平均次数增长趋势显著；一般暴雨平均次数变化趋势显著，1981—2003年，一般暴雨平均次数略微增长，2003年后呈逐渐下降趋势；1981—2016年，长暴雨次数5年滑动平均值都在1次左右；特长暴雨平均次数总体呈下降趋势，2003—2015年，仅出现2次特长暴雨。

图7 镇江市1981—2016汛期不同历时暴雨次数5年滑动平均变化

对各历时暴雨次数进行M-K检验(表2)，特短暴雨次数通过了置信度为95%显著性检验，短暴雨次数的M-K统计量大于2.58，通过了置信度为99%的显著性检验，说明特短和短暴雨次数增加趋势显著。短历时暴雨的增多可能与太阳辐射加热或城市热岛效应密切相关[23]。一般暴雨次数M-K统计量小于0，但绝对值未超过1.64，说明一般暴雨次数呈减少趋势，但趋势不明显；长暴雨次数M-K统计量大于0，但未通过显著性检验，说明长暴雨次数呈增长趋势，但趋势不明显；特长暴雨次数M-K统计量小于0，表明特长暴雨次数呈减少趋势，但减少趋势不显著。

表2 汛期不同历时暴雨次数的变化趋势

图8为不同年代不同历时暴雨次数占比。由图8可见，1981—2000年，特短暴雨、短暴雨占比略微减小；2010年后，特短暴雨和短暴雨次占比显著增大；1981—2010年，一般暴雨、特长暴雨呈现占比减小的趋势，长暴雨占比略微增大。2010年前，均为一般暴雨占比最大，2010年后，特短暴雨占比最大。

图8 汛期不同年代的不同历时暴雨次数占比

3.4 不同强度暴雨变化规律

图9统计了镇江市汛期弱暴雨、中暴雨、强暴雨次数的占比。由图9可见，镇江市各强度暴雨中，弱暴雨出现次数最多，为152次，占汛期总暴雨次数的60.3%；中暴雨次之，为73次，占到29.0%；强暴雨出现次数最少，为27次，仅占10.7%。由图9可得，弱暴雨8月占比最多，中暴雨除在7—8月占比较小，其他月份占比相近，强暴雨主要集中在7月，占汛期总强暴雨次数的48.1%。

图9 镇江市1981—2016汛期各月不同强度暴雨次数占比

图10为不同强度暴雨次数的5年滑动平均值。由图10可见，1981—1996年，弱暴雨5年滑动平均次数呈现出减小的趋势，1997年后暴雨平均次数逐渐增多；中暴雨平均次数变化幅度较小，5年滑动平均值均在2次左右；1981—1991年，强暴雨平均次数略微增长，1992—2006年，仅发生4次强暴雨，2007年后，强暴雨平均次数呈上升趋势。

图10 镇江市1981—2016汛期不同强度暴雨次数5年滑动平均变化

对各强度暴雨次数进行M-K检验(表3)，由表3可见，弱暴雨、中暴雨和强暴雨的暴雨次数的M-K统计量均大于0，均未通过显著性检验，说明各强度暴雨次数均呈增多趋势，但趋势均不明显。

表3 汛期不同强度暴雨次数的变化趋势

图11为不同年代不同历时暴雨次数的占比。由图11可见，1981—2000年，弱暴雨占比小幅度增大，中暴雨、强暴雨占比小幅度减小，2010年后，弱暴雨占比减小，中暴雨、强暴雨占比略微增大。

图11 汛期不同强度暴雨次数占比的不同年代分布

3.5 特短暴雨与短暴雨的强度变化特征

作为海绵城市试点城市的镇江，近年来内涝灾害频发，短历时、高强度的暴雨是造成城市内涝的重要原因。因此，着重对特短暴雨和短暴雨强度进行分析，统计了不同年代特短暴雨、短暴雨中的弱暴雨、中暴雨、强暴雨次数及其占比，结果见图12、图13。由图12、图13可见，各个年代特短暴雨和短暴雨均以弱暴雨为主，中暴雨次之，1981—2016年，仅发生1次短历时强暴雨；特短暴雨中，1981—1990年，弱暴雨和中暴雨次数减少，但特短暴雨中的弱暴雨占比增大，中暴雨占比减小，2000年后，弱暴雨和中暴雨次数呈增多趋势，特短暴雨中的弱暴雨占比呈减小趋势，中暴雨占比呈增大趋势；短暴雨中，1981—1990年未发生短历时的中暴雨，1991—2000年，弱暴雨次数减少，中暴雨次数增多，弱暴雨占比减小，中暴雨占比增长显著，2000年后，短暴雨中的弱暴雨次数呈增长趋势，中暴雨次数变化不明显，因此，弱暴雨占比增大，中暴雨占比减小。从不同年代特短暴雨、短暴雨中弱暴雨、中暴雨、强暴雨的占比来看，特短暴雨的强度呈增强的趋势，短暴雨的强度略微减弱，但2010年后，出现了1981—2016年间唯一的1次短历时强暴雨。