劉煥彬，邱粲,2，王榮

(1.山東省氣候中心，山東 濟(jì)南 250031；2.上海師范大學(xué) 環(huán)境與地理科學(xué)學(xué)院，上海 200234；3.國家氣候中心，北京 100081)

近年來，由于全球氣候變化的影響，極端暴雨事件頻繁發(fā)生。由于目前城市排水防澇標(biāo)準(zhǔn)低，許多城市雨水防洪調(diào)蓄能力和應(yīng)急管理能力不足，面對(duì)特大暴雨，頻繁發(fā)生澇災(zāi)[1-3]。城市暴雨強(qiáng)度的計(jì)算和暴雨雨型的設(shè)計(jì)是排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的重要方面，是科學(xué)合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)城市排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)[4]，可以為市政建設(shè)、水務(wù)和規(guī)劃部門提供科學(xué)的理論依據(jù)和準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)[5-8]。面對(duì)新時(shí)期城市內(nèi)澇防治需求，2014年5月，中國氣象局與住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布了技術(shù)導(dǎo)則[9]，要求各地住房城鄉(xiāng)建設(shè)、氣象部門開展合作，修訂城市暴雨強(qiáng)度公式和設(shè)計(jì)暴雨雨型。為此，許多城市開展了暴雨強(qiáng)度公式編制及暴雨雨型的確定工作，莊智福等[10]對(duì)鎮(zhèn)江市的暴雨特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其存在顯著階段性變化，并基于此開展新一代暴雨強(qiáng)度公式的研制；周紹毅等[11]發(fā)現(xiàn)南寧市采用的暴雨強(qiáng)度公式所用資料年代久遠(yuǎn)，已無法適應(yīng)當(dāng)前城市發(fā)展和排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量的需求；朱玲等[12]對(duì)新舊暴雨強(qiáng)度公式與暴雨雨型進(jìn)行了對(duì)比分析，針對(duì)不同地區(qū)制定了新一代暴雨強(qiáng)度公式，分析了暴雨雨型的演變特征。上述研究多集中于新一代暴雨強(qiáng)度公式及雨型的制定，但對(duì)氣候變化背景下短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度變化特征少有研究。

在氣候變化研究中，通常以30年的氣候資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果來反映不同氣候態(tài)基本特征。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(qiáng)度和暴雨雨型的變化規(guī)律尚未可知。為探究這一問題，本文利用濟(jì)南1961—2017年分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)，研究氣候變化背景下暴雨強(qiáng)度和暴雨雨型變化特征，可用于城市排水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和防洪管理，以及降雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警和預(yù)測(cè)，也可為制定室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料來源

降水資料來自濟(jì)南國家基本氣象站，數(shù)據(jù)為1961—2017年，其中，1961—2003年資料來源于自記紙，經(jīng)山東省氣象信息中心審核；2004—2017年的數(shù)據(jù)是自動(dòng)站觀測(cè)到的逐分鐘降雨數(shù)據(jù)。雨型分析所使用的數(shù)據(jù)是2004—2017年自動(dòng)站逐分鐘觀測(cè)的降雨數(shù)據(jù)，所建立的統(tǒng)計(jì)樣本滿足可靠性、一致性、代表性、隨機(jī)性和獨(dú)立性的要求。

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度計(jì)算方法

根據(jù)導(dǎo)則中推薦的方法，擬合暴雨強(qiáng)度公式[9]。選擇11個(gè)降雨持續(xù)時(shí)間在5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min內(nèi)的年最大降雨值作為樣本數(shù)據(jù)，利用P-Ⅲ型分布、指數(shù)分布和耿貝爾分布的3個(gè)概率分布模型對(duì)每個(gè)降雨歷時(shí)的暴雨強(qiáng)度進(jìn)行頻率分析，并選擇較好的擬合線結(jié)果作為暴雨強(qiáng)度的推薦設(shè)計(jì)值[13]。暴雨強(qiáng)度隨歷時(shí)的衰減規(guī)律計(jì)算公式為[9]：

i=A(1+ClgP)/(t+b)n，

(1)

式(1)為純非線性回歸方程，i為歷時(shí)t的平均暴雨強(qiáng)度，mm/min；P為重現(xiàn)期，a；A、C、b、n均為待率定參數(shù)。為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，有必要在合理選擇有效參數(shù)的同時(shí)，檢查暴雨強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，按GB50014—2006[14]的要求，計(jì)算重現(xiàn)期在2～20 a時(shí)，平均絕對(duì)均方差(Xm)不宜大于0.05 mm/min，在降水強(qiáng)度較大的地方，平均相對(duì)均方差(Um)不宜大于5%。

1.2.2 暴雨雨型確定方法

設(shè)計(jì)降雨雨型是指設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)時(shí)段內(nèi)降雨總量的時(shí)程分配或雨量過程線。常用的設(shè)計(jì)降雨雨型可分為短歷時(shí)暴雨雨型和長(zhǎng)歷時(shí)暴雨雨型，短歷時(shí)暴雨雨型的歷時(shí)可采用60、90、120、180 min等，通常以5 min為單位時(shí)段；長(zhǎng)歷時(shí)暴雨雨型的歷時(shí)可采用6、12、24 h等，通常以1 h為單位時(shí)段。

(1)短歷時(shí)暴雨雨型：一般常用的設(shè)計(jì)雨型有芝加哥雨型、均勻雨型、Huff雨型、Yen雨型、Chou雨型及三角形雨型等[15]。研究表明，芝加哥雨型是根據(jù)強(qiáng)度-歷時(shí)-頻率關(guān)系得出的一種不均勻雨型，目前被廣泛采用[8-13,15-24]。故本文采用芝加哥雨型作為總歷時(shí)為180 min的短歷時(shí)設(shè)計(jì)降雨雨型。

芝加哥雨型是以統(tǒng)計(jì)的暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)典型降雨過程[8]，其計(jì)算方法為：

(2)

(3)

其中,i(tb)、i(ta)分別為某時(shí)刻上升段和下降段暴雨強(qiáng)度(mm/min)，tb、ta分別為雨峰上升段和下降段的降雨歷時(shí)(min)；A、b、n均為暴雨強(qiáng)度公式中的參數(shù)；r為雨峰位置參數(shù)，是對(duì)一組各種歷時(shí)的次暴雨計(jì)算最大強(qiáng)度時(shí)間與暴雨歷時(shí)之間的比值，按照各次降雨歷時(shí)加權(quán)平均后，這個(gè)比值的均值作為r的值[22]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算比較簡(jiǎn)單，而且還可以獲得同頻率降雨事件的合成暴雨過程。

(2)長(zhǎng)歷時(shí)暴雨雨型：本文采用同頻率放大法推求總歷時(shí)為1440 min的設(shè)計(jì)雨型。從分鐘降雨數(shù)據(jù)中挑選出歷時(shí)1440 min降雨量最大前10場(chǎng)降雨，綜合考慮挑選最具代表性的降雨過程的雨峰位置，采用10場(chǎng)暴雨各時(shí)段平均計(jì)算分配系數(shù)。

同頻率降雨事件組合合成暴雨過程即通過實(shí)際降雨過程挑選出典型暴雨進(jìn)行分析，控制不同歷時(shí)的同頻率設(shè)計(jì)雨量，借鑒洪水分析的方法，進(jìn)行同頻率分時(shí)段控制縮放[24-25]。具體步驟如下：

①按照主雨峰對(duì)齊的原理，以上述提取出的最大的1440 min降雨過程為標(biāo)準(zhǔn)，移動(dòng)選定的剩下9場(chǎng)降雨過程，在對(duì)應(yīng)的位置上截取1440 min降雨過程，截取出來的1440 min降雨可能不是這場(chǎng)降雨中最大的1440 min進(jìn)程。

②對(duì)于截出的10場(chǎng)1440 min降雨，以5 min為統(tǒng)計(jì)單位，分別求各場(chǎng)降雨5 min對(duì)應(yīng)位置上的分配比例，然后不論場(chǎng)次，基于平均情況(即均值)來定義各時(shí)段雨量比例的原理求出對(duì)應(yīng)位置每5 min上比例的平均值，總共有288個(gè)。

③基于出現(xiàn)次數(shù)最多的情況(即眾值)確定時(shí)間序位為設(shè)計(jì)雨型的選用原則，在288個(gè)平均值中找到連續(xù)的最大的144個(gè)數(shù)和的位置，即最大的720 min的降雨過程，將720 min的降雨過程分為一段，從而將1440 min降雨分為145段，去掉720 min的分配比例，重新計(jì)算其他144段上各段的分配比例。從而得到雨型中H1440～H720這一段最終的分配比例。

④同理，按步驟2和步驟3來確定最大720 min降雨過程中所包含的最大的360 min的降雨過程，最終確定H720～H360的分配比例。

⑤以此類推分別求出H360～H240、H240～H180、H180～H120、H120～H90、H90～H60、H60～H45、H45～H30、H30～H15、H15～H5的分配比例。

⑥其中最大的5 min的分配比例為100%。

⑦ 根據(jù)以上方法，將已獲得歷時(shí)1440 min降雨量，以每5 min時(shí)段的分配比例計(jì)算暴雨強(qiáng)度。

2 結(jié)果分析

2.1 暴雨強(qiáng)度年代變化特征

從濟(jì)南1961—2017年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(gè)降雨歷時(shí)的每年最大雨量，建立1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年、1991—2017年等4個(gè)不同年代下的樣本數(shù)據(jù)，各年代不同歷時(shí)平均暴雨強(qiáng)度變化特征見圖1。由圖1可見，1961—1990年、1971—2000年兩個(gè)年代各歷時(shí)下平均暴雨強(qiáng)度基本一致；隨著時(shí)間的推移，自20世紀(jì)80年代開始，1981—2010年各歷時(shí)下平均暴雨強(qiáng)度有所加強(qiáng)，尤其是1991—2017年期間各歷時(shí)下平均暴雨強(qiáng)度最強(qiáng)，特別是45 min以內(nèi)歷時(shí)下暴雨強(qiáng)度最大，表明自20世紀(jì)90年代以來，超短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度明顯增加。

圖1 濟(jì)南各年代不同歷時(shí)平均暴雨強(qiáng)度

2.2 不同年代暴雨強(qiáng)度公式推算

根據(jù)1.2.1節(jié)介紹的方法，推算得到濟(jì)南1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年、1991—2017年等4個(gè)不同年代的暴雨強(qiáng)度公式，其精度檢驗(yàn)見表1。由表1可以看出，4個(gè)年代中，P-Ⅲ型分布曲線擬合的暴雨強(qiáng)度公式精度均滿足規(guī)范要求；指數(shù)型分布曲線擬合的暴雨強(qiáng)度公式只有1991—2017年資料序列滿足規(guī)范要求；耿貝爾型分布曲線擬合的暴雨強(qiáng)度公式有1981—2017年、1991—2017年資料序列滿足規(guī)范要求。因此，本文采用P-Ⅲ型分布擬合的暴雨強(qiáng)度公式，計(jì)算各時(shí)段不同歷時(shí)、不同重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度并進(jìn)行對(duì)比分析，暴雨強(qiáng)度公式參數(shù)見表2。

表1 暴雨強(qiáng)度公式精度檢驗(yàn)

表2 推薦暴雨強(qiáng)度公式參數(shù)

2.3 不同年代暴雨強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年、1991—2017年4個(gè)不同年代的暴雨強(qiáng)度公式，分別計(jì)算各歷時(shí)、各重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度值并進(jìn)行對(duì)比分析。分別計(jì)算各年代間暴雨強(qiáng)度的變化率(表3)。變化率η公式如下：

(4)

其中，q1為某一年代暴雨強(qiáng)度，q2為q1后一年代暴雨強(qiáng)度。

由表3可見，各歷時(shí)不同重現(xiàn)期條件下，1971—2000年代相對(duì)于1961—1990年代，暴雨強(qiáng)度偏弱，變化率在-4.16%～0.00%，平均變化率為-1.5%。各重現(xiàn)期下隨著歷時(shí)的增加，1981—2010年代相對(duì)于1971—2000年代，暴雨強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，變化率在0.87%～9.54%，平均變化率為5.6%。1991—2017年代相對(duì)于1981—2010年代暴雨強(qiáng)度增強(qiáng)，平均變化率為5.9%，其中，各重現(xiàn)期下5、10、15、20、30、45、60、90 min暴雨強(qiáng)度變化率在4.26%～9.81%，120、150、180 min暴雨強(qiáng)度變化率在4.47%～5.54%，表明短歷時(shí)強(qiáng)降水自20世紀(jì)80年代開始增強(qiáng)，特別是20世紀(jì)90年代以來增大的趨勢(shì)較明顯。

表3 各年代間暴雨強(qiáng)度推算值變化率

2.4 暴雨雨型變化特征

2.4.1 短歷時(shí)暴雨雨型

統(tǒng)計(jì)得到60、90、120、150、180 min等各歷時(shí)平均雨峰位置及綜合雨峰位置系數(shù)r見圖2。由圖2可見，濟(jì)南 60、90、120、150、180 min等短歷時(shí)降水不同年代下的平均峰值位置差異明顯。各年代下，60 min和90 min平均峰值分別處于降水時(shí)間過程的0.48～0.53和0.46～0.50位置，表明各年代下60 min和90 min強(qiáng)降水主要集中在降水過程的中期階段。其中，1991—2017年時(shí)段60 min和90 min平均峰值稍有提前，分別出現(xiàn)在0.48和0.47位置。120、150、180 min平均峰值分別處于降水時(shí)間過程的0.37～0.42、0.34～0.39、0.33～0.37位置，表明120、150、180 min強(qiáng)降水主要集中在降水過程的前半程。

圖2 芝加哥雨型雨峰位置圖

1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年、1991—2017年4個(gè)年代的綜合雨峰系數(shù)分別為0.40、0.43、0.43、0.42。可以看出，隨著時(shí)間的推移，雨峰位置有推后的趨勢(shì)。歷時(shí)120 min芝加哥雨型示意圖如圖3所示。

圖3 歷時(shí)120 min芝加哥雨型示意圖(重現(xiàn)期：50 a)

2.4.2 長(zhǎng)歷時(shí)暴雨雨型變化特征

變化背景下，濟(jì)南歷時(shí)1440 min長(zhǎng)歷時(shí)降水不同年代下的峰值位置、峰值平均強(qiáng)度變化差異明顯(圖4、表4)。1961—1990年、1981—2010年、1991—2017年等3個(gè)年代1440 min長(zhǎng)歷時(shí)降水設(shè)計(jì)暴雨雨型為單峰型，且雨峰時(shí)段位置逐年代推后，平均雨峰強(qiáng)度逐年代增大。其中，1961—1990年時(shí)段雨峰出現(xiàn)在第100時(shí)段(第500 min)，1981—2010年時(shí)段雨峰出現(xiàn)在第114時(shí)段(第570 min)，1991—2017年時(shí)段雨峰出現(xiàn)在第120時(shí)段(第 600 min)。1971—2000年時(shí)段1440 min歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型為多峰型，主雨峰出現(xiàn)在第95時(shí)段(第475 min)，均比其他3個(gè)時(shí)段提前，且雨峰強(qiáng)度均小于其他3個(gè)時(shí)段；次雨峰出現(xiàn)在第121時(shí)段(第605 min)；第三雨峰出現(xiàn)在第144時(shí)段(第720 min)。表明不同年代下，濟(jì)南1440 min長(zhǎng)歷時(shí)降水主要集中在降水過程的前半程，且20世紀(jì)80年代以來，雨峰推后降水強(qiáng)度增強(qiáng)。由此，隨著長(zhǎng)歷時(shí)暴雨雨峰位置的推后，地面積水會(huì)大量增加，應(yīng)引起重視。

圖4 歷時(shí)1440 min設(shè)計(jì)暴雨雨型示意圖(重現(xiàn)期：100 a)

表4 各重現(xiàn)期、各時(shí)段雨峰位置及平均強(qiáng)度表

3 結(jié)論

(1)濟(jì)南自1961年以來，1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年、1991—2017年等4個(gè)不同年代下，各歷時(shí)暴雨強(qiáng)度存在差異。自20世紀(jì)80年代開始，1981—2010年各歷時(shí)下平均暴雨強(qiáng)度有所加強(qiáng)，尤其是1991—2017年期間各歷時(shí)下平均暴雨強(qiáng)度最強(qiáng)，特別是45 min以內(nèi)歷時(shí)下暴雨強(qiáng)度最大，表明自20世紀(jì)90年代以來，超短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度明顯增加。

(2)濟(jì)南各年代間不同歷時(shí)各重現(xiàn)期下暴雨強(qiáng)度推算結(jié)果差異明顯，1971—2000年代暴雨強(qiáng)度較1961—1990年代偏弱，其平均變化率為-1.5%；1981—2010年代暴雨強(qiáng)度較1971—2000年代在各重現(xiàn)期下隨著歷時(shí)的增加暴雨強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，平均變化率為5.6%；1991—2017年代暴雨強(qiáng)度較1981—2010年代增強(qiáng)值最大，平均變化率為5.9%，表明濟(jì)南短歷時(shí)強(qiáng)降水自20世紀(jì)80年代開始增強(qiáng)，特別是20世紀(jì)90年代以來增大的趨勢(shì)較明顯。因此，建議每隔10年或當(dāng)暴雨強(qiáng)度變化率超過5%時(shí)，應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式進(jìn)行修訂。

(3)濟(jì)南1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年、1991—2017年4個(gè)年代的芝加哥雨型綜合雨峰系數(shù)分別為0.40、0.43、0.43、0.42，表明濟(jì)南市短歷時(shí)強(qiáng)降水主要集中在降水過程的前半程且有推后的趨勢(shì)。1440 min長(zhǎng)歷時(shí)降水主要集中在降水過程的前半程，且20世紀(jì)80年代以來，雨峰推后降水強(qiáng)度增強(qiáng)。因此，隨著長(zhǎng)短歷時(shí)暴雨雨峰位置的推后，地面積水會(huì)大量增加，應(yīng)引起有關(guān)部門的重視。