袁馮 張君枝 王冀 王榮

摘要 利用1961—2017年北京觀象臺站逐分鐘降雨資料，根據(jù)《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》，建立了北京市1961—1990年和1991—2017年兩個氣候態(tài)下的暴雨強度公式和2 a重現(xiàn)期下歷時30 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min以5 min為時間段的設計暴雨雨型。結果表明：1）P-Ⅲ型分布曲線對北京市兩個氣候態(tài)下各歷時降雨量的擬合效果最好，暴雨強度公式精度最高。2）對比1961—1990年和1991—2017年暴雨強度公式，整體而言，后者各歷時重現(xiàn)期的暴雨強度值較低，但隨著重現(xiàn)期的增大，兩者的雨強差值也增大。3）1961—1990年和1991—2017年短歷時雨型的雨峰位置系數(shù)分別為0.436和0.382，2 a重現(xiàn)期下前者的各歷時雨峰位置比后者提前，各歷時累積降雨均在初期增長較慢、雨峰前后增長較快，之后增速明顯減緩。

關鍵詞 氣候變化;短歷時暴雨;暴雨公式;暴雨雨型;北京

21世紀以來，氣候變暖已對全球尺度和區(qū)域尺度的降水產生了重大影響（Lawrimore and Peterson，2000;王遵婭等，2004;IPCC，2007），尤其是極端暴雨事件呈現(xiàn)增多的趨勢（陳海山等，2009;翟盤茂和李蕾，2014;陸桂榮，2015;鄧麗萍等，2016）。近年來北京市暴雨內澇災害頻繁發(fā)生，危及城市的正常運轉和公眾的正常生活。如2011年6月23日北京市局地大暴雨使全市有29處橋區(qū)出現(xiàn)積水，其中22處交通中斷，3條地鐵線路出現(xiàn)險情;2012年“7·21”特大暴雨，全市63處道路積水，5條地鐵線路停運（張德和王霖琳，2016），70多人喪生;2016年北京“7·20”特大暴雨9個國家站日降雨量超過歷史極值，導致14條公交線路采取停駛措施。嚴重內澇災害的頻繁發(fā)生，給城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃和建設帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。

在城市排水工程規(guī)劃和工程設計中，暴雨強度公式和設計暴雨雨型是計算暴雨地面徑流和排水工程設計流量的重要依據(jù)（張秉祥等，2014）。近年來，隨著城市建設速度加快，地面不透水面積大幅增加，城市熱島效也日益明顯，對城市排水管網設計改造提出了新的挑戰(zhàn)（王彬雁等，2015）。為了對排水管道設計進行重新規(guī)劃設計，許多城市開展了新的暴雨強度公式及雨型統(tǒng)計分析工作，如莊智福等（2015）通過對鎮(zhèn)江市的暴雨特征進行分析，發(fā)現(xiàn)其存在顯著階段性變化，并基于此開展了新一代暴雨強度公式的研制;朱玲等（2017）對新舊暴雨強度公式與暴雨雨型進行了對比分析，針對不同地區(qū)制定了新一代暴雨強度公式，分析了暴雨雨型的演變特征;周紹毅等（2017）發(fā)現(xiàn)南寧市目前采用的暴雨強度公式編制所用資料年代久遠，已無法適應當前城市發(fā)展和排水管網設計流量的需求。在編制暴雨強度公式時，往往需要考慮研究地區(qū)短歷時降水特征，上述研究多集中于新一代暴雨強度公式及雨型的制定，對氣候變化背景下短歷時降水特征變化少有探究。

在氣候變化研究中，一般以30 a的氣候資料統(tǒng)計結果來反映氣候場，以反映不同氣候態(tài)對于氣候分析的影響（林婧婧和張強，2015）。隨著氣候變化背景下降雨特征的改變，不同氣候態(tài)降雨資料擬合的暴雨強度公式和暴雨雨型會發(fā)生怎樣的變化？為弄清這一問題，本文利用北京1961—2017年57 a的逐分鐘降水資料，對氣候變化背景下北京市的暴雨強度和設計暴雨雨型變化特征進行了初步分析，以期為北京市暴雨氣候診斷提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

北京（115°25′E～117°35′E，39°28′N～41°05′N）位于我國的華北平原北部，屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量約為600 mm。北部、東北部山區(qū)屬燕山山脈，東南部由不同高度的堆積平原構成，緩緩向渤海傾斜，地勢總體上呈西北高，東南低?？紤]到北京市觀象臺站（116°28′E，39°48′N）具有較完整的分鐘降雨資料，且其降雨資料在北京地區(qū)具有一定的代表性（王佳麗等，2012），因此本文選擇該站為研究站點。用觀象臺站1961—2017年的逐分鐘降水數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由北京市氣象信息中心提供。其中1961—2004年的降水數(shù)據(jù)為“降水自記紙彩色掃描數(shù)字化處理系統(tǒng)”信息化處理后的分鐘降水數(shù)據(jù)，并進行了審核校驗，2005—2017年降水數(shù)據(jù)為現(xiàn)代自動氣象站自動記錄的逐分鐘降雨資料，直接從年報文件中提取。

1.2 研究方法

1.2.1 暴雨公式推求方法

暴雨強度公式擬合過程中，降雨資料選樣采用“年最大值法”，暴雨頻率理論分布曲線擬合采用P-Ⅲ型分布、指數(shù)分布和耿貝爾分布（顧駿強等，2000;金家明，2010），根據(jù)三種適線得到的P-i-t關系表中數(shù)據(jù)，建立聯(lián)立數(shù)理方程組，采用優(yōu)化算法求解暴雨強度公式參數(shù)，進行誤差檢驗，最后獲取暴雨強度公式。

1）降雨資料選樣：“年最大值法”選樣即從逐年分鐘雨量資料中挑選5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min、150 min、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)。

2 北京市短歷時降雨特征分析

2.1 短歷時最大降雨量歷年變化

極端降水與城市內澇密切相關，極端降水變化與否以及如何變化是城市防洪排澇規(guī)劃設計標準發(fā)生變化的基礎。圖1給出了北京市觀象臺站1961—2017年逐年最大30 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min降雨量的變化情況，可以看出，各歷時年最大雨量均呈現(xiàn)不明顯增大趨勢，其中各歷時降雨量極值分別出現(xiàn)在20世紀60年代前期（30 min歷時年最大雨量出現(xiàn)在20世紀60年代后期）、20世紀80年代中期和2010年之后。

1961—2017年北京市各歷時年最大降雨量的氣候傾向率在0.28～0.56 mm·（10 a）-1，其中60 min歷時最大降雨量的氣候傾向率最小，120 min最大;1961—1990年各歷時年最大降雨量的氣候傾向率在2.09～8.02 mm·（10 a）-1，且各歷時最大降雨量的氣候傾向率隨著降雨歷時的增加而增大;1991—2017年各歷時年最大降雨量的氣候傾向率在0.11～3.06 mm·（10 a）-1，其中120 min歷時最大降雨量的氣候傾向率最小，180 min最大（表1）。1961—2017年各歷時年最大降雨量的氣候傾向率區(qū)間值最小，說明各歷時年最大降雨量變化趨勢不明顯，而1961—1990年和1991—2017年兩個氣候態(tài)下，前者的各歷時年最大降雨量的氣候傾向率區(qū)間值明顯高于后者，說明前者各歷時年最大降雨量增加趨勢更為顯著。

2.2 短歷時降雨量均值變化

為進一步分析北京市短歷時降雨量的平均狀況，圖2給出了各短歷時降雨量的多年平均值變化。從圖2中可以看出，1961—2017年30 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min降雨量多年平均值分別為27.37 mm、36.99 mm、43.32 mm、47.66 mm、50.80 mm，1961—1990年和1991—2017年兩個氣候態(tài)分別與之相比較可以看出，兩者各歷時降雨量平均值均高于1961—2017年多年平均值，其中1961—1990年各歷時降雨量增加幅度分別為3.18%、4.81%、4.99%、5.25%、6.14%，而1990—2017年的增加幅度分別為1.68%、1.97%、1.80%、1.97%、0.63%。1990—2017年各歷時降雨量與1961-1990年相比可以發(fā)現(xiàn)，其各歷時降雨量分別有所減少，減少幅度分別為-1.45%、-2.71%、-3.03%、-3.11%、-5.19%。從上述分析可知，1990—2017年氣候態(tài)下北京市短歷時降雨量平均值，與1961—2017年和1961—1990年氣候態(tài)多年平均值相比，均呈下降趨勢。

3 不同氣候態(tài)下暴雨強度公式差異

3.1 暴雨強度公式參數(shù)擬定

為了能夠選擇出擬合程度較好的分布曲線，對兩個氣候態(tài)下三種曲線進行均方差計算，并用均方差的絕對值和相對值作為誤差大小的判斷依據(jù)。北京市屬于一般降雨強度的地區(qū)（楊萍等，2017），因此，首先考慮平均絕對均方差，其次參考平均相對均方差。表2給出了不同氣候態(tài)下，三種理論頻率曲線擬合結果在2～20 a重現(xiàn)期下的誤差，可以看出，P-Ⅲ型分布和耿貝爾分布擬合結果的平均絕對均方差在0.022～0.037 mm·min-1之間，符合《室外排水設計規(guī)范》（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，2014）精度檢驗不超過0.05 mm·min-1的要求，但耿貝爾分布的平均相對均方差為3.59%和5.21%，高于P-Ⅲ型分布的2.32%和2.63%，且5.21%沒有通過平均相對均方差的結果要求，因此P-Ⅲ型分布曲線擬合結果最好。

從1961—1990年和1991—2017年暴雨強度公式雨強差值比率（表略）和各降雨歷時雨強（圖3）可以看出，1991—2017年暴雨強度公式5～60 min歷時各重現(xiàn)期雨強較1961—1990年暴雨強度公式偏大，偏大幅度在0.31%～2.14%之間，說明在該情況下，1991—2017年暴雨強度公式計算安全性比1961—1990年暴雨強度公式高（陳奕，2013）。反之，在其他各歷時重現(xiàn)期的雨強1991—2017年均低于1961—1990年，偏小幅度在0.28%～7.25%，說明該情況下前者計算安全性低于后者。同時，隨著重現(xiàn)期的增加，兩者的雨強差值幅度也增大，最大差值幅度出現(xiàn)在重現(xiàn)期100 a時180 min歷時，達到7.25%，說明隨著重現(xiàn)期的增加，計算安全性也隨之增加。這一結果同實際觀測資料統(tǒng)計結果相符。

4 短歷時暴雨雨型分析

2013年北京市發(fā)布的《DB11T969—2013城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃設計暴雨徑流計算標準》（北京市城市規(guī)劃設計研究院，2013），規(guī)定了城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃設計中暴雨徑流計算的參數(shù)，其中對于雨水管渠設計重現(xiàn)期采用2～10 a。本文選擇2 a重現(xiàn)期進行短歷時暴雨雨型分析。

根據(jù)前文介紹的芝加哥法暴雨雨型確定方法，對2 a重現(xiàn)期1961—1990年和1991—2017年60 min、90 min、120 min、150 min和180 min各同歷時的每場降雨過程的雨峰位置系數(shù)進行統(tǒng)計平均，再對不同歷時降雨的平均雨峰位置系數(shù)進行加權平均，求出1961—1990年和1991—2017年的綜合雨峰位置系數(shù)分別為0.436和0.382。圖4為2a重現(xiàn)期下各歷時以5 min為間隔的時段平均降雨強度，即暴雨雨型分布。1991—2017年與1961—1990年相比，各降雨歷時暴雨雨型峰值位置和降雨強度峰值變化差異顯著。1961—1990年各歷時的雨峰峰值分別出現(xiàn)在第6、第8、第11、第14和第16時段，雨峰位置系數(shù)分別介于0.372～0.519;1991—2017年各歷時的雨峰峰值分別出現(xiàn)在第5、第7、第10、第12和第14時段，雨峰位置系數(shù)分別介于0.343～0.433。1991—2017年與1961—1990年相比，2 a重現(xiàn)期下各歷時雨峰位置前者比后者提前。

1961—1990年2 a重現(xiàn)期各歷時降雨強度峰值在1.531～1.822 mm·min-1，1991—2017年在1.634～1.826 mm·min-1，其中1991—2017年與1961—1990年相比，60 min和150 min歷時的降雨強度峰值均表現(xiàn)為增加，分別增加了0.108 mm·min-1和0.290 mm·min-1;歷時90 min、120 min和180 min降雨強度峰值均表現(xiàn)為減少，分別減少了0.081 mm·min-1、0.127 mm·min-1和0.055 mm·min-1。

從芝加哥法推求的2a重現(xiàn)期歷時60 min、90 min、120 min、150 min和180 min的累計降雨量來看，1961—1990年2 a重現(xiàn)期各歷時的累計降雨量在38.12～57.80 mm;1991—2017年2 a重現(xiàn)期各歷時的累計降雨量在37.82～55.30 mm，且1991—2017年各歷時累計降雨量小于1961—1990年。從累計降雨量過程曲線（圖4）可以看出，各歷時累計降雨均在初期增長較慢，雨峰前后增長速度較快，之后增速明顯減緩。1961—1990年與1991—2017年對比來看，在同一歷時情況下，后者的累計降雨量要高于前者，說明1991—2017年的平均雨強要大于1961—1990年。

5 結論

利用1961—2017年北京觀象臺站的分鐘降雨數(shù)據(jù)，將其分成1961—1990年和1991—2017年兩個氣候態(tài)進行研究，得出以下結論：

1）采用《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》（住房和城鄉(xiāng)建設部和中國氣象局，2014）推薦的三種方法對1961—1990年和1991—2017年原始數(shù)據(jù)進行擬合，相比之下P-Ⅲ型分布曲線對北京市兩個氣候態(tài)下各歷時降雨量的擬合效果最好，暴雨強度公式精度最高。從計算結果可以看出，各歷時各重現(xiàn)期的暴雨公式計算結果安全性在兩個氣候態(tài)下不同：1991—2017年暴雨公式計算安全性在5～60 min歷時比1961—1990年暴雨強度公式高，其他歷時暴雨公式計算安全性低于1961—1990年;而1961—1990年暴雨公式計算安全性在各歷時下均高于1991—2017年。

2）基于芝加哥雨型法得到兩個氣候態(tài)下相應的短歷時暴雨雨型，其短歷時暴雨雨峰位置系數(shù)分別為0.436和0.382，在2a重現(xiàn)期下1991—2017年與1961—1990年相比，各歷時雨峰位置前者比后者提前，歷時60 min和150 min的降雨強度峰值均表現(xiàn)為增加，歷時90 min、120 min和180 min降雨強度峰值均表現(xiàn)為減少。從各歷時累計降雨量來看，1991—2017年與1961—1990年各歷時累計降雨均呈現(xiàn)在初期增長較慢，雨峰前后增長速度較快，之后增速明顯減緩的特征，但1991—2017年不同重現(xiàn)期各歷時累計降雨量均小于1961—1990年。

3）短歷時暴雨局地性較強，空間差異明顯，之后可對北京市不同區(qū)域進行短歷時暴雨特征研究。此外，本文僅采用芝加哥雨型一種方法推求暴雨雨型，存在一定的局限性，今后可對其他暴雨雨型做進一步深入研究，以期更為合理、準確地確定區(qū)域短歷時暴雨特征，為北京市暴雨內澇防災減災工程設計提供更加可靠的依據(jù)。

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In recent years，with the rapid development of cities and the improvement of drainage design requirements，it is particularly important to study the characteristics and patterns of urban rainstorm.Based on the minute-by-minute rainfall data of Beijing Observatory station during 1961—2017，according to the Technical Guidelines for Establishment of Intensity-Duration-Frequency Curve and Design Rainstorm Profile，this paper established the rainstorm intensity formulas in Beijing under the two climate states of 1961—1990 and 1991—2017，and the design rainstorm patterns of 30 min，60 min，90 min，120 min，150 min and 180 min durations with 5 min as the time period under the two-year return period.Results show that：（1） The P-Ⅲ pattern distribution curve has the best fitting effect on the rainfall of each duration under the two climate states in Beijing，and the rainstorm intensity formula has the highest precision.（2） Compared with the rainstorm intensity formulas of 1961—1990 and 1991—2017，on the whole，the rainstorm intensity value of the latter under each return period is lower，but with the increase of return period，the difference in rainfall intensity between them increases.（3） During 1961—1990 and 1991—2017，the location coefficients of short duration rainstorm peaks are 0.436 and 0.382，respectively.Under the two-year return period，the positions of rain peaks during 1961—1990 are earlier than those during1991—2017.The accumulated rainfall of each duration increases slowly in the initial stage，increases rapidly before and after the rain peak，and then slows down significantly.

climate change;short duration rainstorm;rainstorm formula;rainstorm pattern;Beijing

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20191129001

（責任編輯：張福穎）