极端暴雨对雷州半岛及粤西可能最大暴雨的影响

熊静 张康 刘学明 水利部珠江河口动力学及伴生过程重点实验室 珠江水利委员会珠江水利科学研究院

可能最大暴雨（PMP）是指在现代气候条件下，一年的某一时期，特定设计流域或区域上一定历时内、物理上可能发生的近似上限降水量。高风险水库工程或重要工程（如核电工程等）防洪排涝设计时常常需要确定流域（或区域）的可能最大暴雨（PMP），进而推求流域或区域的可能最大设计洪水（PMF）。一直以来，PMP的推求主要有两类途径，其一是基于实际观测统计理论的频率分析方法；其二是基于研究降水形成的物理机制的气象水文分析方法。两种途径推求PMP从方法上看具有互补性，频率分析法能较好的利用历史资料数据信息，有明确的频率概念，但对暴雨形成的物理成因并不清楚，在人类活动及自然气候变化双重影响条件下长系列资料常表现出非一致性，以往历史经验数据难以反馈未来极端气候变化对PMP的影响，例如全球大气环流模型模拟预测21世纪水汽浓度将增高，导致PMP的增大，一系列案例研究也表明气候变化对PMP的影响是显而易见的。因此，综合降水物理成因的气象水文分析及实测统计的方法改进PMP估算成为许多研究的热点。

鉴于各种计算方式的适用条件及资料情况，目前实际计算PMP时常用的方法仍以暴雨当地放大、暴雨移置放大及暴雨组合放大为主，即选取某地历史极大暴雨进行一系列放大修正，从而得出区域或流域的PMP。对于暴雨的放大，则考虑影响降水的主要因子（如水汽因子和动力因子）进行放大，当设计流域或气象一致区内具有实测的特大暴雨资料时，就可以采用当地模式的暴雨放大或移置暴雨放大方法推求设计流域（或区域）的PMP。

高效典型的暴雨的选取至关重要，例如在广东雷州半岛地区，年最大24 h 降雨量平均值仅150mm～180mm，2000年以前当地历史实测最大24h降雨量仅为694.4 mm（1985年8月26日，雷州纪家），周边区域（粤西地区，包括广东省阳江、茂名、湛江等地）最大24h降雨量也仅为858 mm（1959年5月20日，电白利垌）。而2007年8月雷州半岛受台风影响，雷州市幸福农场发生最大24h降雨量达1188.2 mm，为中国大陆目前实测最大暴雨。此极端暴雨在雷州半岛和广东省都十分罕见，对传统PMP推求势必产生影响。为衡量这种影响，本研究拟采用传统PMP推求方法对发生极端暴雨前后选择不同高效暴雨放大，分析雷州半岛及粤西地区PMP数值变化。研究不仅可对该区域PMP推求提供技术支撑，亦可为极端天气事件影响下的防汛及工程安全防范提供参考。

1.研究区域概况

雷州半岛位于中国大陆最南端（图1），南北长约140 km，东西宽约60 km～70 km，面积8845 km2。半岛三面环海，受海洋性季风气候的影响，来自南海和孟加拉湾的水汽输送带经过雷州半岛上空，特别是春季南支槽频繁东移，大量的水汽穿越雷州半岛上空，在雷州半岛上空形成一条西南-东北走向的水汽输送带，但由于雷州半岛地势低缓（海拔多在100m以下），地形抬升触发降水的机制较弱，降水甚微。夏季降水天气系统主要是热带辐合带、西南季风槽及热带气旋等，来自西太平洋和南海的热带气旋携带大量水汽，是本区域降水的主要水汽来源。

雷州半岛多年平均降雨量约1500 mm，降水量年内分配极不均匀，降雨量主要集中在6～9月，占年降雨量的81%以上。2007年8月9日～12日受台风“帕布”与热带辐合带共同影响，雷州半岛普降暴雨，在土贡河上游幸福农场站测得总雨量1381.8 mm（暴雨过程等值线图见图1），其中10日最大24h降雨量1188.2 mm，创全国大陆地区历史实测最高纪录（超过河南省“75.8”洪水24h最大降雨量1060 mm）。

图1 雷州半岛07.8暴雨过程等值线图

2.研究方法

2.1 PMP推求方法

目前推求PMP的计算方法仍以当地放大模式、移置放大模式及组合放大模式为主。当地放大模式即选择设计区域当地时空分布较严重特大暴雨作为典型，然后予以放大。放大方法包括水汽放大法、水汽效率放大法、水汽输送率放大（水汽风速联合放大法）、水汽净输送量放大法等。若设计区域缺少时空分布较恶劣的特大暴雨资料，则从分析区域暴雨成因出发，从邻近的暴雨一致区域选择实测特大暴雨作为典型搬移过来，加以必要的改正，作为暴雨模式，然后再进行适当放大求得PMP，这种方法称为移置模式法。组合放大模式主要应用于设计区域缺少长历时大范围的特大暴雨资料时，选择两场或两场以上实测暴雨，按天气气候学原理合理组合在一起构建成新的理想特大暴雨序列，以此作为典型暴雨来推求PMP，通常适用于流域面积大、设计洪水历时长的工程。结合区域暴雨特点，本次推求PMP采用传统的当地放大模式和移置放大模式。因降水主要受水汽和动力因子影响，其中降水反映水汽因子，风速和效率反映动力因子，因此放大过程以水汽放大、水汽效率放大方法为主。

2.2 水汽放大

产生暴雨的主要物理条件是充足的水汽和持续的上升运动，当地发生有实测极端特大暴雨的情况下，往往仅对水汽进行放大即可得到PMP，推求公式见式（1）：

式中：PM—可能最大暴雨降雨量；Kw—水汽放大系数；P—典型暴雨降雨量；Wm—最大可降水量，mm；W典—典型暴雨可降水量，mm。

2.3 水汽效率放大

当设计区域或邻近区域缺乏特大暴雨资料，而有较大实测暴雨资料时，可假定水汽与效率相互独立，对水汽和效率同时进行放大即可推求得到PMP，推求公式见式（2）：

式中：η＝I/W，代表降水效率；Xm及Xd—可能最大暴雨及典型暴雨，mm；Wm及Wd—最大可降水及典型暴雨可降水，mm；ηm及ηd—最大暴雨效率及典型暴雨效率，1/h%；I—为降雨强度mm/h。

2.4 移置暴雨放大

当设计区域缺乏特大暴雨资料时，可将暴雨一致区的实测特大暴雨搬移到设计区域，进行移置改正后适当放大，便可得到设计区域的PMP。其中移置改正主要是对设计区域和暴雨原地由于区域的几何形状、地理、地形等条件的差异而造成的降雨量改变作定量估算，一般包括区域形状改正、地理改正和地形改正三项。移置暴雨一般都是高效暴雨，放大时仅需进行水汽放大即可，由此移置暴雨放大的推求公式见式（3）：

式中：K1＝(WBm1)ZA1/(WAm1)ZA1，表示位移水汽改正系数；(WBm1)ZA1代表设计区最大露点相应的移置区地面高程以上可降水；(WAm1)ZA1代表暴雨原地最大露点相应的地面高程以上可降水；K2＝(WBm2)ZB2/(WBm2)ZA2，表示高程水汽改正系数；(WBm2)ZB2代表设计区最大露点相应的地面高程以上可降水；(WBm2)ZA2代表设计区最大露点相应的移置区地面高程以上可降水；Xm及Xd分别为可能最大暴雨及典型暴雨的降雨量。

3.雷州半岛1日PMP推求计算实例

根据中国暴雨区划图和广东省年最大24小时点雨量均值等值线图，雷州半岛与粤西沿海的暴雨高值区可视为暴雨一致区，在该片区域选取24h降雨量最大的6场暴雨作为典型暴雨推求PMP，6场暴雨基本情况详见表1。

表1 雷州半岛及粤西地区典型历史暴雨情况表

推求雷州半岛PMP时，对雷州半岛的3场特大暴雨采用当地放大模式，粤西地区的特大暴雨采用移置放大模式。其中当地放大模式中，雷州半岛发生有最大24h降雨量排名中国大陆第一的“07•8”幸福农场暴雨，其降水效率η达54.1%，已为高效暴雨，对其采用式（1）进行水汽放大即可得到PMP。而对“76•9”吴阳暴雨及“85•5”纪家暴雨，选取“07•8”幸福农场暴雨效率作为最大暴雨效率，采用式（2）求得水汽效率放大的PMP成果。代表露点选取水汽入流方向的代表站湛江站和遂溪站，以典型暴雨的主雨日为准，提前24h内选取持续12h最大露点，换算到1000hPa，得到暴雨的持续12h最大露点。可能最大露点由湛江站1980-2013年实测露点资料统计其持续12h最大露点为28.56℃，换算到1000hPa得对应露点为28.8℃。当地模式推求PMP的计算结果详见表2及表3。粤西地区3场暴雨采用式（3）的移置放大模式进行推求，相关计算参数及成果详见表4。

表2 雷州半岛当地暴雨水汽放大成果

表3 雷州半岛当地暴雨水汽效率放大成果

由表2、表3和表4可取6场暴雨放大后的外包成果，便可得到雷州半岛区域的24h PMP为1433.3 mm。

表4 雷州半岛移置放大法24h PMP成果

4.“07•8”极端暴雨影响分析

以上推求算例中，可以看出典型暴雨的选取至关重要，为式（1）～（3）推求的根本，在2007年8月以前，雷州半岛历史实测最大暴雨为1976年9月21日7619号台风带来的吴阳暴雨，其最大24h降雨量达794 mm，与“07•8”幸福农场暴雨相比相差399 mm，“07•8”暴雨不仅成为罕见的中国大陆最大24h降雨量，而且使得该地区实测最大24h降雨量陡增50%，选取“07•8”幸福农场暴雨作为典型暴雨推求PMP已成为该暴雨一致区合理选择。

为分析其对推求该区域PMP的影响，假定选择雷州半岛及粤西地区实测最大24h降雨量第二的“59•5”利垌暴雨作为典型暴雨（最大24h降雨量858 mm），其降水效率为48.57%，采用水汽效率放大的方法对“76•9”吴阳暴雨和“85•8”纪家暴雨进行放大，所得当地放大模式下推求PMP的计算结果见表5。

表5 雷州半岛当地暴雨水汽效率放大成果（以“59·5”利垌暴雨作典型暴雨）

综合表5成果与表4移置放大成果，得出以“59•5”利垌暴雨作典型暴雨推求的雷州半岛24h PMP为1286.6 mm。相比“07•8”幸福农场暴雨，“59•5”利垌暴雨实测最大24h降雨量减小330.2 mm，选取“59•5”利垌暴雨作为典型暴雨，最终24h PMP成果减小146.7 mm，减小幅度达11.4%。

5.结论

本研究采用传统PMP推求方法，分别选择“07•8”幸福农场暴雨和“59•5”利垌暴雨作为典型暴雨，推求了雷州半岛24h PMP成果，通过分析PMP成果的数值变化，主要得出以下结论：（1）推求PMP时选择典型暴雨至关重要，不同降水效率的典型暴雨对PMP成果影响很大；（2）极端暴雨的发生会明显改变暴雨一致区的PMP成果，在地区防汛工作及重要工程防洪排涝设计时需结合更新暴雨资料，尤其注重极端天气事件影响，加强暴雨成因分析，确保地区防汛及工程安全。