胡昌瓊,童奇,方怡,劉靜,吳立霞
(1.湖北省氣象服務中心,武漢430074;2.武漢市氣象局,武漢430042;3.湖北省荊門市氣象局,荊門448124)
湖北省荊門市城區(qū)新一代暴雨強度公式的研制
胡昌瓊1,童奇2,方怡1,劉靜1,吳立霞3
(1.湖北省氣象服務中心,武漢430074;2.武漢市氣象局,武漢430042;3.湖北省荊門市氣象局,荊門448124)
利用湖北省荊門市氣象站1974—2014年分鐘降水數(shù)據(jù),采用“年最大值法”進行資料選樣,采用指數(shù)分布、耿貝爾分布和P-Ⅲ分布進行分布曲線擬合得到雨強一歷時一重現(xiàn)期(i-t-T)三聯(lián)表,采用最小二乘法、高斯牛頓法求解暴雨強度分公式和總公式參數(shù),根據(jù)誤差最小原則確定最優(yōu)方法,并將新公式與現(xiàn)用公式計算所得雨強進行比較。結果指出:P-Ⅲ分布各降水歷時下的相對均方根誤差較??;采用P-Ⅲ分布、最小二乘法參數(shù)組合方法計算分公式和P-Ⅲ分布、高斯牛頓法參數(shù)組合方法計算總公式誤差較??;新分公式和總公式較現(xiàn)用公式算出的對應雨強整體偏大。建議相關排水規(guī)劃部門在設計地下管網(wǎng)時加大管徑的設計。目前,該公式經(jīng)荊門市政府同意已發(fā)布執(zhí)行。
荊門市;暴雨強度;曲線擬合;誤差分析
胡昌瓊,童奇,方怡,等.湖北省荊門市城區(qū)新一代暴雨強度公式的研制[J].暴雨災害,2016,35(4):386-391
HU Changqiong,TONG Qi,F(xiàn)ANGYi,et al.The rainstorm intensity formula for the urban of Jingmen in Hubei province[J].Torrential Rain and Disaster,2016,35(4):386-391
荊門市城區(qū)地處秦嶺南支荊山山脈余脈東南端,是由低山區(qū)型向丘陵平原型過渡的地段。地勢西北高,東南低,坡降較大。由于受季風氣候和較為復雜地形的影響,荊門大部分地區(qū)的降水時空分布不均勻,降水強度大,雨量集中。胡昌瓊等[1]得出湖北降水集中度和集中期能夠定量地表征降水量在時空場上的非均一性;童奇等[2]分析指出荊門站1974—2014年暴雨總日數(shù)為100 d,平均每年有近3場暴雨發(fā)生,20世紀60年代、70年代暴雨日數(shù)較少,80年代以來暴雨日數(shù)明顯增加;陳正洪等[3]采用空間定位、距平百分率、歷史對比、極大值推算、災害影響分析等多種方法對2008年7月20—23日湖北省出現(xiàn)的一次大范圍的強降水過程進行綜合評估,結果表明:此次過程的強降水區(qū)主要位于湖北省北部、西部,即襄樊、恩施、宜昌、荊門、隨州等地。
20世紀80年代以來,荊門市因暴雨造成災害屢屢發(fā)生,1987年8月19日,荊門城區(qū)發(fā)生大暴雨,財產(chǎn)損失390多萬元;2007年7月出現(xiàn)4次強降水過程,7月8日下午5點40分左右,荊門城區(qū)突降大暴雨,導致特大洪澇,市區(qū)最大水深超過1 m,造成直接經(jīng)濟損失50萬元;2009年5月27—28日荊門市東寶區(qū)遭受暴雨災害,直接經(jīng)濟損失1 100萬元。局地暴雨是荊門地區(qū)危害較重的氣象災害之一。
城市水災害主要是由短歷時暴雨引起,暴雨強度公式是反映一定頻率的暴雨在規(guī)定時段最不利時程分配的平均強度的計算公式,是排水規(guī)劃、排水管道大小設計的主要依據(jù),對優(yōu)化城市排水渠道和地下管網(wǎng)規(guī)劃、預防大面積漬澇災害起著非常重要的作用。長期以來水文氣象工作者對該公式進行了不懈的探索,王海軍等[4]采用廣義極值分布和線性矩參數(shù)估計方法,擬合長江三峽地區(qū)宜昌、巴東兩站7個短歷時(60 min以內)年最大降水量概率分布,推斷各歷時有關重現(xiàn)期降水極值,計算各歷時暴雨頻次及年最大降水量氣候傾向率,分析各歷時降水廣義極值分布的參數(shù)隨時間變化規(guī)律;許沛華等[5]設計開發(fā)了“深圳分鐘降水數(shù)據(jù)預處理系統(tǒng)”,并實現(xiàn)與該軟件的“無縫銜接”;陳正洪等[6]利用深圳市氣象局1954—2003年50 a間的暴雨記錄,用指數(shù)分布和P-Ⅲ分布進行分布曲線擬合和選優(yōu),得到了理論上的雨強一歷時一重現(xiàn)期三聯(lián)表,在此基礎上再分別采用最優(yōu)法、二分搜索法和廣義逆法等3種方法求解分公式和總公式參數(shù),根據(jù)誤差最小的原則確定最優(yōu)方法;陳正洪等[7]提出了一種客觀的、最優(yōu)化的暴雨強度公式參數(shù)估算方法;司波等[8]運用廣義帕雷托分布(GPD)和廣義極值分布(GEV),借助于L一矩的參數(shù)估計方法,對四川盆地l2站的小時極端降水量進行擬合,并對兩種模型的擬合效果進行比較;任伯幟等[9]應用二元插值理論細化及擴展離均系數(shù)表,用最小二乘法適線確定皮爾遜—Ⅲ型分布統(tǒng)計參數(shù);寧靜等[10]通過對上海同一時期中心城區(qū)和區(qū)縣設計雨量的對比,結合氣候和地理因素的影響分析,揭示了上海中心城區(qū)與市郊短歷時設計暴雨強度的差異及其與重現(xiàn)期的關系;鄧培德[11]論證不同選樣方法的關系及其相應頻率分布計算;夏宗堯[12]從理論分析和大量實例計算結果說明,在編制暴雨強度公式中,應用P—Ⅲ曲線優(yōu)于應用指數(shù)曲線;周玉文等[13]提出在推求城市暴雨強度公式時可采用極大似然法計算皮爾遜Ⅲ型分布統(tǒng)計參數(shù)。這些成果對于研究荊門暴雨強度公式提供了思路和方法,有較好的借鑒意義。
2014版的中華人民共和國國家規(guī)范《室外排水設計規(guī)范》[14](以下簡稱新規(guī)范)是2014年2月10日修訂的,新規(guī)范補充規(guī)定推理公式法計算雨水設計流量的適用范圍和采用數(shù)學模型法的要求;補充規(guī)定以徑流量作為地區(qū)改建的控制指標,并增加核實地面種類組成和比例的規(guī)定;補充規(guī)定在有條件的地區(qū)采用年最大值法代替年多個樣法計算暴雨強度公式,調整雨水管渠設計重現(xiàn)期和合流制系統(tǒng)截流倍數(shù)標準,增加內澇防治設計重現(xiàn)期的規(guī)定。
荊門市排水工程設計相關部門現(xiàn)在采用的暴雨強度公式是1984年湖北省城市規(guī)劃設計院整理推導的,具體資料、方法已無法考證。根據(jù)新規(guī)范[14]的要求,在進行城市排水工程規(guī)劃設計時,雨水管網(wǎng)的規(guī)劃設計排水量應用當?shù)氐谋┯陱姸裙竭M行計算;暴雨樣本若在時段內任一時段超過歷史最大值,宜進行復核修正;30 a過去,隨著城市化進程加快,城市人口、范圍、下墊面性質(透水性等)、氣候背景及城市氣候等出現(xiàn)了很大的變化,以往的暴雨強度公式已經(jīng)不能適應排水工程設計相關部門的要求;同時,隨著降水資料的日積月累,自記紙分鐘資料提取軟件的應用,采用新規(guī)范規(guī)定的年最大值法選樣,重新編制荊門市暴雨強度公式非常必要。
1.1資料來源
本文分析所使用的資料包括:荊門氣象站1974年1月1日—2006年12月31日雨量為自記紙資料,采用中國氣象局編制下發(fā)的專用軟件,得到逐分鐘的降雨量數(shù)據(jù);2007年1月1日—2014年12月31日自動站分鐘雨量數(shù)據(jù)資料,由湖北省氣象信息與技術保障中心提供;荊門城區(qū)災情資料由荊門市檔案局提供。
1.2方法
利用荊門氣象站1974—2014年分鐘降水數(shù)據(jù),根據(jù)新規(guī)范要求,首先采用“年最大值法”進行資料選樣,然后分別利用指數(shù)分布、耿貝爾分布和P-Ⅲ分布對降水樣本進行曲線擬合,得到i-t-p三聯(lián)表,即降水強度、降水歷時、重現(xiàn)期三者的關系。再采用最小二乘法、高斯牛頓法兩種方法求解荊門城區(qū)暴雨強度分公式和總公式各參數(shù),在此基礎上得到6套暴雨強度總公式和6套暴雨強度分公式,根據(jù)誤差最小的原則選擇最優(yōu)組合得到暴雨強度總公式和暴雨強度分公式。
“年最大值法”:從逐年分鐘雨量資料中挑選5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min共11個降雨歷時的每年最大雨量值作為樣本數(shù)據(jù)參與暴雨強度公式的推求。
暴雨強度公式形式:暴雨強度公式是已知關系式的非線性方程,反映的是一定重現(xiàn)期的暴雨在規(guī)定時段的最不利歷時分配的平均暴雨強度,計算如下:
其中q(或i)為暴雨強度(單位:L·s-1·hm2,也可換算為mm·mim-1,P為重現(xiàn)期(單位:a),A1(或A)、b、c、n是與地方暴雨特性有關且需求解的參數(shù):A1(或A)為雨力參數(shù);b為降雨歷時修正參數(shù);n為暴雨衰減指數(shù)。
精度檢驗:
其中xi為通過降水樣本或者暴雨強度公式計算出來的雨強,x′i為i-t-P三聯(lián)表對應的降水強度,N為參與誤差計算的樣本數(shù),i=1、2…N,xˉ表示x的平均值。
同樣根據(jù)新規(guī)范要求,采用年最大值法計算曲線擬合誤差和暴雨強度公式參數(shù)推求誤差,應統(tǒng)計的重現(xiàn)期為2~20 a,在一般降水強度的地方,平均絕對均方差不宜大于0.05mm·mim-1。在降水強度較大的地方,相對均方根誤差不宜大于5%。
2.1樣本資料的理論頻率分布曲線擬合
選用指數(shù)分布、耿貝爾分布以及P-Ⅲ分布曲線對荊門氣象站41 a降水樣本資料進行擬合,表1給出了各降水歷時下樣本與三種分布曲線擬合結果的絕對均方根誤差。結果顯示:指數(shù)分布、耿貝爾分布曲線擬合結果在2~20 a重現(xiàn)期下的絕對均方根誤差、相對均方根誤差均沒有通過新規(guī)范提出的精度檢驗要求。分析其原因,一方面是由于“年最大值法”各歷時一年僅取一個樣本,樣本總量較少;另一方面是荊門市城區(qū)地處南北氣候過渡帶,降水強度年際分布不均勻,用于編制公式的降水樣本數(shù)據(jù)不規(guī)律。相比之下,P-Ⅲ分布在各降水歷時下的相對均方根誤差相對較小。
表1 各降水歷時下樣本與三種分布曲線擬合結果的誤差Table 1 The error between the rainfall sample and the result fitted by the three distribution curves
以P-III分布曲線為例,得出降水強度、降水歷時t)、重現(xiàn)期(P)三者的關系,即P-III分布曲線i-t-P三聯(lián)表(表2)。三聯(lián)表中的數(shù)據(jù)將用于暴雨強度公式參數(shù)的估算。
表2 P-III分布曲線i-t-P三聯(lián)表(單位:mm·min-1)Table 2 The form of rainstorm intensity-listing time-return period made by the P-Ⅲdistribution(unit:mm·min-1)
2.2暴雨強度公式精度檢驗及計算結果
利用指數(shù)分布、耿貝爾分布以及P-Ⅲ分布曲線得到的i-t-P三聯(lián)表數(shù)據(jù),分別用最小二乘法、高斯牛頓法計算暴雨強度分公式和總公式中各參數(shù)值,并計算在各重現(xiàn)期下相應的精度誤差。
2.2.1最小二乘法精度檢驗
分析用最小二乘法計算荊門城區(qū)暴雨強度分公式在各重現(xiàn)期下相應的精度誤差,結果發(fā)現(xiàn):指數(shù)分布、耿貝爾分布在2~20 a重現(xiàn)期下的絕對均方根誤差大于0.05 mm·min-1,相對均方根誤差大于5%,均沒有通過新規(guī)范提出的精度檢驗要求;P-III分布下推求的參數(shù)誤差相對較小,其在2~20 a重現(xiàn)期下的絕對均方根誤差為0.031 mm·min-1,相對均方根誤差為2.224%,通過新規(guī)范提出的精度檢驗要求。
同樣分析用最小二乘法計算荊門城區(qū)暴雨強度總公式在各重現(xiàn)期下相應的精度誤差,結果發(fā)現(xiàn):指數(shù)分布、耿貝爾分布以及P-Ⅲ分布在2~20 a重現(xiàn)期下的絕對均方根誤差大于0.05 mm·min-1,相對均方根誤差大于5%,均沒有通過新規(guī)范提出的精度檢驗要求。
此外,相同分布曲線下暴雨強度總公式在各重現(xiàn)期算出的精度誤差明顯大于暴雨強度分公式的相應值,暴雨強度分公式比暴雨強度總公式的計算結果更為精確。
2.2.2高斯牛頓法精度檢驗
分析用高斯牛頓法計算荊門城區(qū)暴雨強度分公式和暴雨強度總公式在各重現(xiàn)期下相應的精度誤差,結果發(fā)現(xiàn):指數(shù)分布、耿貝爾分布以及P-Ⅲ分布下的誤差均較大,2~20 a重現(xiàn)期下的絕對均方根誤差均在0.05 mm·min-1以上,最大值達到0.076 mm·min-1,相對均方根誤差全部在5%以上,均沒有通過新規(guī)范提出的精度檢驗要求。
此外,P-Ⅲ分布下暴雨強度總公式在各重現(xiàn)期計算得到的精度誤差相對較小。
2.2.3暴雨強度公式計算結果
以上分析發(fā)現(xiàn),采用P-Ⅲ分布、最小二乘法參數(shù)組合方法計算分公式和P-Ⅲ分布、高斯牛頓法參數(shù)組合方法計算總公式誤差較小,較合理;同時暴雨強度分公式比暴雨強度總公式的計算結果更為精確。建議在使用新暴雨強度公式時,優(yōu)先從i-t-P三聯(lián)表中直接查找,對于重現(xiàn)期、降水歷時不在i-t-P三聯(lián)表范圍內的,采用暴雨強度分公式查算,如果暴雨強度分公式不能查算,再考慮使用暴雨強度總公式計算。
(5)式中單位為mm·min-1,(6)式中單位為L·s-1·hm-2。
(7)式中單位為mm·min-1,(8)式中單位為L·s-1·hm-2。
表3是采用P-Ⅲ分布、最小二乘法參數(shù)組合方法計算所得到的荊門城區(qū)暴雨強度分公式參數(shù)。
表3 荊門城區(qū)暴雨強度分公式參數(shù)一覽表Table 3 Parameters list of the branch formula of storm intensity
3.1新編暴雨強度總公式與現(xiàn)用暴雨強度公式的比較
荊門市排水規(guī)劃設計相關部門現(xiàn)用的暴雨強度公式(單位:L·s-1·hm-2):
用荊門城區(qū)新編暴雨強度總公式(式(6)、現(xiàn)用暴雨強度公式(式(9)分別計算在對應的重現(xiàn)期及降水歷時下的雨強,并對其進行比較。其中,新編暴雨強度總公式采用“年最大值法”取樣,重現(xiàn)期為2、3、5、10、20、30、50、100 a,降水歷時為5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min;現(xiàn)用暴雨強度公式采用“年多個樣法取樣”,重現(xiàn)期為0.25、0.33、0.5、1、2、3、5、10、20、30、50、100 a,降水歷時為5、10、15、20、30、45、60、90、120 min。表4給出了新編暴雨強度總公式和現(xiàn)用暴雨強度公式對應的重現(xiàn)期及降水歷時下的雨強的百分比,分析發(fā)現(xiàn):新編暴雨強度總公式較現(xiàn)用暴雨強度公式計算得到雨強整體偏大,并且隨著重現(xiàn)期以及降水歷時的增加,新編暴雨強度總公式比現(xiàn)用暴雨強度公式的偏大程度有增加的趨勢。例如,在降水歷時60 min,重現(xiàn)期為2 a時,新編暴雨強度總公式較現(xiàn)用暴雨強度公式的雨強偏大46.38%,到重現(xiàn)期為5 a時偏大程度達到63.51%。
表4 新編暴雨強度總公式與現(xiàn)用暴雨強度公式計算雨強的百分比((新編-現(xiàn)用)/現(xiàn)用,單位:%)Table 4 Comparison of the calculated results of the storm intensity total-formula between the newly developed and the currently being used ones(newly developed-being used)/being used,unit:%)
3.2新編暴雨強度分公式與現(xiàn)用暴雨強度公式的比較
表5給出了荊門城區(qū)新編暴雨強度分公式(式(7))和現(xiàn)用暴雨強度公式(式(9)在對應的重現(xiàn)期及降水歷時下算出的雨強的百分比,分析發(fā)現(xiàn):新編暴雨強度分公式較現(xiàn)用暴雨強度公式計算得到的雨強整體偏大,并且隨著重現(xiàn)期以及降水歷時的增加,新編暴雨強度分公式比現(xiàn)用暴雨強度公式的偏大程度有增加的趨勢。例如,在降水歷時60 min,重現(xiàn)期為2 a時,新編暴雨強度分公式較現(xiàn)用暴雨強度公式計算的雨強偏大30.30%,重現(xiàn)期為5 a時偏大達到了56.14%。新編暴雨強度分公式較現(xiàn)用暴雨強度公式的最小偏大程度出現(xiàn)在降水歷時5 min、重現(xiàn)期為2 a時,為20.74%,最大偏大程度出現(xiàn)在降水歷時120 min、重現(xiàn)期為100 a時,達到121.69%。
表5 新編暴雨強度分公式與現(xiàn)用暴雨強度公式計算雨強的百分比((新編-現(xiàn)用)/現(xiàn)用,單位:%)Table 5 Comparison of the calculated results of the storm intensity sub-formula between the newly developed and the currently being used one(newly developed-being used)/being used,unit:%)
從以上分析發(fā)現(xiàn),新編暴雨強度總公式和分公式比現(xiàn)用暴雨強度公式在對應的重現(xiàn)期及降水歷時下算出的雨強整體偏大,按照新規(guī)范要求,建議荊門市排水規(guī)劃設計相關部門使用新編暴雨強度。2015年10月22日,荊門市中心城區(qū)暴雨強度公式及查算圖表,經(jīng)市政府同意發(fā)布執(zhí)行。
本文利用湖北省荊門市氣象站1974—2014年分鐘降水數(shù)據(jù),采用“年最大值法”進行資料選樣,用指數(shù)分布、耿貝爾分布和P-Ⅲ分布進行分布曲線擬合得到雨強一歷時一重現(xiàn)期(i-t-T)三聯(lián)表,并用最小二乘法、高斯牛頓法求解暴雨強度分公式和總公式參數(shù),根據(jù)誤差分析選擇最優(yōu)組合,得到最新的荊門市城區(qū)暴雨強度總公式和分公式計算方法,并將新暴雨強度公式與現(xiàn)用暴雨強度公式計算所得的雨強進行比較,得到如下結論:
(1)選用指數(shù)分布、耿貝爾分布以及P-Ⅲ分布曲線對荊門氣象站41 a降水樣本資料進行擬合,相比之下,P-Ⅲ分布在各降水歷時下的相對均方根誤差相對較小。
(2)采用P-Ⅲ分布、最小二乘法參數(shù)組合方法計算分公式和P-Ⅲ分布、高斯牛頓法參數(shù)組合方法計算總公式誤差較小,較合理;同時使用暴雨強度分公式比暴雨強度總公式的計算結果更為精確。
(3)荊門新編暴雨強度總公式和分公式較現(xiàn)用暴雨強度公式在對應的重現(xiàn)期及降水歷時下算出的雨強整體偏大,建議荊門市相關排水規(guī)劃部門使用新編暴雨強度公式,并在設計地下管網(wǎng)時加大管徑的設計。
(4)建議在使用新編暴雨強度公式時,優(yōu)先從i-t-P三聯(lián)表中直接查找,對于重現(xiàn)期、降水歷時不在i-t-P三聯(lián)表范疇內的,通過暴雨強度分公式查算,如果暴雨強度分公式不能查算的,再考慮使用暴雨強度總公式計算。
目前,該公式經(jīng)荊門市政府同意已發(fā)布執(zhí)行。
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(責任編輯:鄧雯)
The rainstorm intensity formula for the urban of Jingmen in Hubei province
HU Changqiong1,TONG Qi2,F(xiàn)ANG Yi1,LIU Jing1,WU Lixia3
(1.Hubei Provincial Meteorological Service Center,Wuhan 430074;2.Wuhan Meteorological Bureau,Wuhan 430042;3.Jingmen Meteorological Bureau,Jingmen 448124)
Using the minutely precipitation data from 1974 to 2014 of Jingmen weather station,rainstorm intensity formula are derived based on the annual maximum value method,in which exponential distribution,Gumbell distribution and P-Ⅲdistribution are chosen,respectively,o get the rainstorm intensity-listing time-return period form.The rainstorm intensity formulas are calculated by the least square and Gauss-Newton methods,and the best one is chosen.The results show that the relative root mean square error by the P-Ⅲdistribution is much smaller.The integral formula is made by the P-Ⅲdistribution and the least squares method.The total formula is made by P-Ⅲdistribution and Gauss-Newton method.The rainfall intensity calculated by the latest integral and total formulas are overall larger than the currently being used one,suggesting that it's necessary for the relevant departments to increase the pipe size when designing the underground pipe networks. At present,the formula have been published and executed by the government of Jingmen city.
Jingmen City;rainstorm intensity;curve fitting;error analysis
P456.8
A
10.3969/j.issn.1004-9045.2016.04.011
2016-05-20;定稿日期:2016-06-28
2015年荊門市財政項目
胡昌瓊,主要從事氣候和應用氣象研究。E-mail:1215549136@qq.com