天津市短时暴雨雨型时空分异及其对城市内涝的影响

曹经福 杨艳娟 郭军 陈靖

(1.天津市海洋气象重点实验室，天津 300074； 2.天津市气象科学研究所，天津 300074；3.天津市气候中心，天津 300074)

引言

IPCC第五次评估报告指出[1]，1880—2012年全球年平均温度升高了0.65—1.06 ℃，气候变暖背景下，地表温度升高，水分蒸发量增大，水循环加速，导致极端降水事件增多，很多地区极端降水频率及强度呈明显增加趋势。大城市受气候变化和城市化双重影响，区域暴雨的格局发生了明显改变[2-4]，降水总量、频次和强度等降水特征值的时空分布明显改变[5-8]。受此影响，内涝、风暴潮等灾害事件频发，给城市运行和居民生活造成严重影响[9-11]。近年来，中国政府提出了海绵城市的概念，即低影响开发雨水系统构建，是新一代城市雨洪管理概念，指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的弹性，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。与传统的城市排水系统不同，年径流控制量和暴雨径流的非点源污染控制作为海绵城市的重要指标[11-12]，需依据精准的降雨各时程降水量或降雨强度在时间上的分配量，即雨型。

早在20世纪40年代，有研究[13]利用实测降水资料，将降水过程划分为7种类型，根据雨峰个数，降水过程分为3大类，即单峰型、双峰型和均匀型，进一步根据雨峰位置，又细化了单峰型和双峰型两类降雨过程，那么，7种雨型主要为单峰雨峰前置型、单峰雨峰居中型、单峰雨峰居后型、双峰最大雨峰前置型、双峰最大雨峰居中型、双峰最大雨峰居后型、均匀型。Keifer和Chu[14]基于降水强度、持续时间和降水频率3个指标的关系，提出了芝加哥雨型，适用于不同历时的暴雨过程。随后，Chow[15]提出了单峰型暴雨雨型。近年来，模糊识别被广泛用于研究降水雨型的类型，如银磊等[16]利用模糊识别法，分析了广州市代表雨量站的24 h暴雨雨型种类，基于此，确定了广州市设计暴雨雨型。宋亚娅等[17]利用模糊识别理论分析了陕西典型暴雨过程。王彬雁等[18]利用模糊识别法和统计分析法对北京降雨过程进行了雨型分型。国内外学者针对暴雨雨型的研究方法已开展大量研究，而暴雨雨型时空演变特征的研究相对较少[19]。成丹和陈正洪[20]采用同频率法，分析了宜昌市设计暴雨雨型的雨峰变化特征，指出短时暴雨雨峰峰值增大，且持续时间变长。黄津辉等[21]研究了1951—2004年天津塘沽设计暴雨雨型的演变，指出近27 a来暴雨雨型发生了明显变化，可导致暴雨径流出现洪峰提前、径流总量升高的现象。

不同的雨型可影响降雨的雨峰出现时间[22-23]，以及降雨产生的径流总量[24]，对于工程设计的径流计算，输入的降雨过程量应基于当地实际暴雨资料，选择具有统计规律的暴雨雨型[21]。此外，有研究指出基于不同暴雨峰值及重现期对城市内涝积水总量、峰值和面积有显著影响。在城市排水设计和实际业务中，尤其是海绵城市建设的高要求下，掌握地区降雨过程的时空变化规律至关重要。

天津作为海绵城市示范城市之一，位于中国华北平原，东临渤海，北依燕山，降雨空间分布不均[25-26]，同时，受气候变化和城市化的影响，降雨格局发生了明显的改变[27-28]。值得注意的是，天津地区降雨格局的改变，是否会导致雨型的时空差异还未被深入研究。为此，本文以天津短历时暴雨为例，研究城市暴雨雨型的时空演变特征，并量化了不同暴雨雨型对城市内涝积水的影响，旨在揭示气候变化及城市化对暴雨雨型及其对城市内涝程度的影响，以期为设计雨型的推算提供合理的降雨基础，为海绵城市建设提供适应气候变化的精细化降水依据，为城市防洪排水设计和积涝预警提供科学支撑。

1 资料与方法

1.1 研究区域

本文以天津市为主要研究区域，天津市共16个行政区，包含市内6区(和平区、河西区、河东区、河北区、南开区和红桥区，以下统称为“市区”)，环城4区(西青区、北辰区、东丽区和津南区)，远郊5区(蓟州区、武清区、宝坻区、宁河区、静海区)，以及沿海的滨海新区，其中，气象台站分布为市区、环城4区、远郊5区各1个，滨海新区3个(图1)。

图1 天津市行政区划及所选气象站空间分布Fig.1 Administrative divisions of Tianjin and the spatial distribution of selected meteorological stations

1.2 资料来源

从短时暴雨过程的特征来看，主要为降雨时程较短、雨峰位置多变等。为了精细化分析短时暴雨特征，本文采用分钟级降水数据，相较于逐时降水数据，可精准识别短时暴雨过程，如起始时间、持续时间、雨峰位置等特征。另外，基于分钟降水识别的短时暴雨过程，还可以满足城市内涝模型精细化模拟，为提升城市内涝预警时效提供依据。

本文气象数据来自天津市气象信息中心，为1961—2018年天津市13个国家级气象观测站的分钟级降雨量，其中1961—2004年降水数据为自记纸记录资料，2005—2018年为自动气象站分钟降水数据。自记纸资料采用“降雨自计纸数字化处理系统”[29-30]，将气象站降水自记纸图像信息化，数据已做质量控制，并审核入库。

1.3 雨型模糊识别法

雨型模糊识别法是指将一场降雨过程划分为n个时段，计算每段时间内降水量占总降水量的比例，以n个时段的降水比例作为该场降雨过程的矩阵，统计每场降水过程指标与7种雨型模式矩阵的贴近度，以贴近度值最大为原则确定该场降雨过程所属雨型。

(1)计算每时段雨量占总雨量的比例：

xi=Pi/Pz(i=1,2,…,n)

(1)

式(1)中，Pi为每段时间的雨量(mm)；Pz为过程总雨量(mm)。将该组xi作为该场降雨雨型指标，用X表示，即：

X=(x1,x2,…,xn)

(2)

(2)7种暴雨雨型(图2)，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型均为单峰型，Ⅳ型为均匀型，Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ型均为双峰型，各雨型类似向量的形式表示为：

图2 Ⅰ型(a)、Ⅱ型(b)、Ⅲ型(c)、Ⅳ型(d)、Ⅴ型(e)、Ⅵ型(f)、Ⅶ型(g)7种雨型示意Fig.2 Schematic model of seven rain patterns including type Ⅰ (a),type Ⅱ (b),type Ⅲ (c),type Ⅳ (d),type Ⅴ (e),type Ⅵ (f),type Ⅶ (g)

Vk=(Vk1,Vk2，…,Vkn) (k=1,2,…,7)

(3)

(3)计算降水雨型与7种雨型贴近度：

(4)

若该场降水过程的雨型与7种雨型之中的第k个雨型贴近度最大，则该场降水过程的雨型属于第k类。

1.4 自然降水过程选取法

降水场次样本取自然降水过程，以120 min降水量小于等于2.0 mm为界定指标[31]。每场降水选取降水持续时间接近t分钟的自然降水，将降水量由大到小进行排序，选取降水总量超过该历时雨量阈值的所有降水场次。筛选60 min的暴雨雨型，则选取降水时长为 45 min ≤t<75 min(为得到更多的降水场，降水持续时间上下浮动15 min)，降水总量大于17.32 mm的降水场。图3为2014年7月16日的一场降雨，降雨历时为57 min，总雨量为25.1 mm，该段分钟降雨量即可作为雨型设计的样本。

图3 2014年7月16日天津市区站60 min历时暴雨场Fig.3 The rainstorm lasting 60 min at Tianjin city station on July 16，2014

1.5 降雨量阈值

本文主要分析短历时降雨(60—180 min)，利用伍索夫提出的各历时暴雨的临界值来定义[32]，计算得到各历时降雨的暴雨阈值，见表1。

表1 不同历时降雨场次暴雨标准值Table 1 The standard values of rainstorms for different durations

1.6 城市内涝积水模拟

本文基于天津城市暴雨内涝数值模型，以天津市中心城区(外环线以内)为研究区域，模拟了不同暴雨雨型下城市积水总量随降雨的变化。天津市城市暴雨内涝数值模型由天津市气象科学研究所与天津大学合作联合研发，该模型以二维非恒定流理论为基础[33-35]，采用无结构不规则网格，利用水系、地形、主干路网、排水管网、易积水区及排水设施等高精度基础地理信息资料，建立了社区、路网、河网以及地下汇流层即管网等模块，构建了多重立体网格式内涝计算域[36](图4)。

图4 模型模拟天津中心城区及网格划分Fig.4 Model simulation of central urban area of Tianjin and mesh division

2 结果分析

2.1 雨型时间变化

统计1961—2018年天津13个气象台站短历时暴雨雨型(图5)，从历时60 min的暴雨雨型来看，各年代暴雨均以单峰型为主(Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型)，其中，1960s(1961—1970年，下同)以Ⅰ型为主，Ⅲ型次之，1970s、1980s、1990s以Ⅲ型为主，Ⅰ型次之，至2000s以后，Ⅰ型明显占主导。相比之下，其余5种暴雨雨型发生概率很小，Ⅶ型仅出现在2010s。1990s以前，Ⅰ型随年代呈减少的变化趋势，此后显著增多，至2010s出现概率为58.2%，而1990s以前，Ⅲ型随年代呈增多的变化趋势，1990s以后则显著减少，1990s出现概率最大，为48.3%。

图5 1961—2018年天津各年代历时60 min(a)、120 min(b)和180 min(c)暴雨雨型发生概率Fig.5 The occurrence probability of torrential rain patterns lasted for 60 min (a),120 min (b),and 180 min (c) in Tianjin from 1961 to 2018

就历时120 min雨型而言，各年代暴雨均以单峰型为主，Ⅰ型为主导雨型，并呈增多的变化趋势，1980s出现概率最大，为78.9%。与Ⅰ型相比，Ⅲ型出现概率次多，无明显的年代变化趋势，其余5种降雨类型并非在各个年代均有出现，其中，Ⅱ型和Ⅶ型在1970s—2000s均未出现，Ⅴ型和Ⅵ型在1990s和2000s均未出现，Ⅳ型在1960s、1980s、2010s均未出现。相似地，各年代180 min雨型也以单峰型为主，其中1970s以Ⅰ型和Ⅲ型为主，其余各年代均以Ⅰ型为主。除1980s外，其余各年代均出现了双峰型雨型，20世纪90年代Ⅴ型雨型的概率仅次于Ⅰ型，为25%。

天津市6—9月历时60 min、120 min和180 min的暴雨主要集中出现在7月和8月(图6)，6月和9月相对较少。从各月暴雨雨型的分布来看，降雨历时60 min暴雨过程以单峰型(Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型)为主，7月和8月Ⅰ型和Ⅲ型降雨场次相差不大，7月Ⅰ型最多，Ⅲ型次之，而8月为Ⅲ型最多，Ⅰ型次多。6月和9月均为Ⅰ型最多，其余5种雨型较少出现。历时120 min和180 min暴雨雨型月分布相似，各月均以单峰型为主，其中Ⅰ型占主导，其余5种雨型较少出现。

图6 1961—2018年天津6—9月历时60 min(a)、120 min(b)和180 min(c)暴雨雨型分布Fig.6 The distribution characteristics of rainstorm pattern lasted 60 min (a),120 min (b),and 180 min (c) in Tianjin during June to September from 1961 to 2018

2.2 雨型空间分布

1961—2018年天津地区降雨历时约60 min的暴雨雨型以单峰型居多(图7)，各区Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型共计占总降雨场的57.14%—93.75%，双峰型(Ⅴ型、Ⅵ型和Ⅶ型)次之，均匀型(Ⅳ型)较少。各区主要降雨类型表现不一，其中，天津市区、东丽、西青和北辰以Ⅲ型为主，分别占总降雨场的41.67%、50%、45.45%和46.15%，津南、蓟州、宝坻、静海、宁河、大港和塘沽以Ⅰ型为主，占比为53.85%、41.67%、62.50%、50.00%、71.43%、54.55、61.54%和56.25%，而汉沽则以Ⅰ型和Ⅲ型居多，均占36.36%。各区次多雨型多样化，其中，市区、西青以Ⅲ型次之，分别占总场数的33.33%和36.36%，津南、宝坻、静海、大港和塘沽为Ⅲ型，占比分别为30.77%、37.50%、25.00%、15.38%和37.50%，东丽Ⅵ型占比为28.57%，北辰Ⅰ型、Ⅳ型和Ⅵ型均占15.38%，武清Ⅱ型和Ⅵ型均占14.29%，蓟州、宁河次多雨型均为Ⅱ型和Ⅲ型，分别占25%和18.18%，汉沽Ⅳ型、Ⅴ型和Ⅵ型均占9.09%。

图7 1961—2018年天津13个气象站降雨历时约60 min暴雨雨型Ⅰ型(a)、Ⅱ型(b)、Ⅲ型(c)、Ⅳ型(d)、Ⅴ型(e)、Ⅵ型(f)、Ⅶ型(g)占比统计Fig.7 Percentage of rainstorm patterns lasting about 60 min for type Ⅰ (a),type Ⅱ (b),type Ⅲ (c),type Ⅳ (d),type Ⅴ (e),type Ⅵ (f) and type Ⅶ (g) at 13 meteorological stations in Tianjin from 1961 to 2018

与60 min暴雨雨型相似，降雨历时约120 min的暴雨雨型以单峰型居多(图8)，各区Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型共计占总暴雨场的60%—100%，双峰型(Ⅴ型、Ⅵ型和Ⅶ型)次多，均匀型(Ⅳ型)较少。各区主要雨型均以Ⅰ型为主，占总暴雨场的50%—100%。除主要雨型外，各区雨型的类型存在一定差异，市区、东丽、西青、津南、静海和塘沽以Ⅲ型次之，分别占26.66%、25.00%、25.00%、11.00%、16.67%、29.42%，蓟州、汉沽为Ⅵ型，均占33.33%，北辰、大港为Ⅱ型和Ⅲ型次多，占比分别为14.29%、15.38%，北辰为Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅵ型，均占14.29%，宝坻为Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅴ型，均占16.66%，武清为Ⅳ型和Ⅴ型，均占16.67%。

图8 1961—2018年天津降雨历时120 min暴雨雨型Ⅰ型(a)、Ⅱ型(b)、Ⅲ型(c)、Ⅳ型(d)、Ⅴ型(e)、Ⅵ型(f)、Ⅶ型(g)占比空间分布Fig.8 Spatial distribution of percentage of rainstorm patterns lasting about 120 min for type Ⅰ (a),type Ⅱ (b),type Ⅲ (c),type Ⅳ (d),type Ⅴ (e),type Ⅵ (f) and type Ⅶ (g) in Tianjin from 1961 to 2018

降雨历时约180 min的暴雨雨型以单峰型居多(图9)，除宁河外，各区Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型共计占总暴雨场的50%—100%，双峰型(Ⅴ型、Ⅵ型和Ⅶ型)次多，均匀型(Ⅳ型)较少，宁河则以双峰型居多。180 min主导雨型多样化，西青以Ⅲ型为主，出现概率为50%，宁河以Ⅴ型为主，占66.7%，蓟州Ⅰ型、Ⅲ型和Ⅴ型分别占33.3%，其余各区均以Ⅰ型为主，占总暴雨场的50%—100%，Ⅱ型、Ⅳ型、Ⅵ型和Ⅶ型则出现较少。

图9 1961—2018年天津降雨历时180 min暴雨雨型Ⅰ型(a)、Ⅱ型(b)、Ⅲ型(c)、Ⅳ型(d)、Ⅴ型(e)、Ⅵ型(f)、Ⅶ型(g)占比空间分布Fig.9 Spatial distribution of percentage of rainstorm patterns lasting about 180 min for type Ⅰ (a),type Ⅱ (b),type Ⅲ (c),type Ⅳ (d),type Ⅴ (e),type Ⅵ (f) and type Ⅶ (g) in Tianjin from 1961 to 2018

2.3 内涝积水对不同暴雨雨型的响应

以天津市180 min暴雨雨型为例，选择暴雨场与7种雨型贴合度最大的一场作为暴雨样本(表2)，模拟各暴雨雨型城市内涝积水总量，以反映不同暴雨雨型对内涝积水的影响。

表2 1961—2018年天津7种180 min暴雨雨型样本Table 2 Seven 180-min rainstorm samples in Tianjin from 1961 to 2018

从积水总量来看，降水总量较大的积水总量越大且峰值量大，反之，积水总量较小且峰值量小。从积水总量峰值来看，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅵ型峰值明显，其中Ⅰ型的积水总量峰值出现时间最早，但滞后于降雨雨峰，约28 min，Ⅱ型积水总量峰现时间较晚，仅较降雨峰现时间滞后约8 min，Ⅵ型积水总量峰值则出现在第二个降雨峰值位置。其余雨型积水总量峰值相对平滑。由此可见，降雨量及其雨峰量值可影响积水总量及其峰值，不同雨型则对内涝积水总量的峰现时间有明显影响。

图10 1961—2018年天津7种180 min暴雨雨型Ⅰ型(a)、Ⅱ型(b)、Ⅲ型(c)、Ⅳ型(d)、Ⅴ型(e)、Ⅵ型(f)、Ⅶ型(g)城市内涝积水总量5 min降水量变化Fig.10 Changes in the total amount of waterlogged and 5-min rainfall in the city for seven 180-minute rainstorms including type Ⅰ (a),type Ⅱ (b),type Ⅲ (c),type Ⅳ (d),type Ⅴ (e),type Ⅵ (f),type Ⅶ (g) in Tianjin from 1961 to 2018

3 结论与讨论

(1)从各年代来看，1961—2018年天津地区短历时暴雨雨型以单峰型为主。60 min暴雨雨型以Ⅰ型和Ⅲ型为主，即单峰雨峰前置和单峰雨峰居中两种雨型，但不同年代主导雨型有所不同，2000年以前，以Ⅲ型为主导，此后，Ⅰ型则明显占主导位置，而历时120 min和180 min暴雨雨型各年代均以Ⅰ型为主导，即雨峰前置型。可见，暴雨过程持续时间越短，受气候变化的影响越大。这可能是由于气候变暖，水分蒸发量大，低层空气上升运动增强，当受天气系统控制时，较大量水汽上升发展迅速，使得降雨雨峰前置的可能性增大。

(2)天津降水集中发生在6—8月，其中7月和8月是局地强对流多发时期，短时暴雨发生频次高，短历时暴雨过程均以单峰型为主，其中历时60 min雨型以Ⅰ型和Ⅲ型为主，7月Ⅰ型最多，8月为Ⅲ型最多，历时120 min和180 min暴雨各月均以Ⅰ型最多。

(3)总体上，天津地区60 min、120 min和180 min短历时暴雨雨型以单峰型居多，双峰型次多，均匀型较少。从各地区主要雨型来看，60 min暴雨雨型并不统一，中心城区和环城三区(东丽、西青和北辰)以Ⅲ型为主，其余各区以Ⅰ型为主；120 min暴雨雨型各区一致为Ⅰ型；180 min主导雨型空间分布不一，西青以Ⅲ型为主，宁河为Ⅴ型，蓟州为Ⅰ型、Ⅲ型和Ⅴ型，其余各区均以Ⅰ型为主。短时暴雨的空间差异可能是由于天津地区下垫面多样化引起的，北部山区，东部沿海，中部平原，以及中心城区的城市化建筑群，作用于天气系统的气流上升和下沉，导致降水过程空间分布不一。

(4)基于180 min暴雨过程，模拟了不同暴雨雨型下城市内涝积水总量的时间变化，发现不同降雨量和雨型产生的内涝积水总量及其峰值出现时间差异明显，降水总量越大，积水总量越大且峰值量大，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅵ型峰值明显，同时，Ⅰ型的积水总量峰值出现时间早，这意味着Ⅰ型强暴雨是城市排水设计重点关注的雨型。

(5)1961—2018年天津地区历时60 min、120 min和180 min的暴雨雨型以单峰型为主，单峰型雨量相对集中，易造成城市洪涝。在气候变化和城市化双重影响下，历时60 min的主导雨型发生了明显的变化，由单峰雨峰居中向雨峰前置转变，120 min和180 min暴雨雨型以单峰雨峰前置为主，雨峰前置不仅会缩短应对暴雨采取措施的时间，还使得城市管网排水压力增大，从而增加城市内涝风险。从暴雨雨型的空间分布来看，历时120 min暴雨雨型一致为单峰雨峰前置型，而历时60 min和180 min暴雨雨型存在空间差异。为此，城市排水规划方案应根据各区实际暴雨雨型的特点制定。

(6)天津地区短历时暴雨存在明显的时空差异，不仅会影响城市内涝积水程度，很大程度上会导致所推求的设计暴雨雨型不同，那么，城市排水设计和海绵城市建设工作中，应充分考虑降雨过程的时空分异，采用最新的降水数据，着眼于更精细化的空间范围，制定适应气候变化的精细化设计暴雨雨型，从而为海绵城市建设工作提供合理的参考。