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  暴雨灾害   2020, Vol. 39 Issue (1): 96-101.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2020.01.011

短论

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2020.01.011

资助项目

公益性(气象)科研专项(GYHY201506014);重庆市悦来新城海绵城市建设科研项目(城科字2015第2-10号)

第一作者

孙佳, 主要从事气候可行性论证及气候应用服务工作。E-mail:sunjia5024@126.com.

通信作者

刘晓冉, 主要从事天气气候动力学研究。E-mail:liuxiaoran8283@126.com.

文章历史

收稿日期:2018-12-10
定稿日期:2019-04-20
重庆不同天气系统短历时设计暴雨雨型比较研究
孙佳1 , 刘晓冉1 , 程炳岩2 , 王颖1 , 柴闯闯2 , 廖代强1 , 龙美希3 , 苏定江4     
1. 重庆市气候中心, 重庆 401147;
2. 重庆舍特气象应用研究所, 重庆 401120;
3. 重庆市气象台, 重庆 401147;
4. 重庆市市政设计研究院, 重庆 400020
摘要:利用重庆主城区沙坪坝国家基本气象站1961-2017年逐分钟降雨资料,根据暴雨成因选取大范围区域暴雨型和局地强对流天气型两类短历时暴雨样本,采用Pilgrim&Cordery法推求设计暴雨雨型,并比较两类天气系统下短历时设计暴雨雨型的差异。结果显示:区域暴雨型样本数占总样本数52.6%,60 min历时单峰型和均匀型占比分别为36.7%和26.7%,120 min历时多为单峰型且峰值在中部,180 min历时雨型主要为峰值在前部的单峰型。而强对流天气型样本数占总样本数的47.4%,短历时雨型基本都为峰值在前部的单峰型。相比区域暴雨型,强对流天气型设计暴雨雨型峰值位置出现较早,峰值强度偏强,降雨累积过程更快。60 min、120 min和180 min峰值分别提前5 min、35 min和20 min,10 a重现期峰值强度分别偏强0.5 mm·min-1、0.9 mm·min-1和0.9 mm·min-1。在设计降雨量相同的情况下,强对流天气型平均积水时间更长,积水量更大,导致的内涝问题更突出。
关键词短历时设计暴雨雨型    区域暴雨    强对流天气    Pilgrim&Cordery法    
Comparative study on short-duration designed storm patterns of different weather systems in Chongqing
SUN Jia1 , LIU Xiaoran1 , CHENG Bingyan2 , WANG Ying1 , CHAI Chuangchuang2 , LIAO Daiqiang1 , LONG Meixi3 , SU Dingjiang4     
1. Chongqing Climate Center, Chongqing 401147;
2. Chongqing Shelter Institute Of Applied Meteorology, Chongqing 401120;
3. Chongqing Meteorological Observatory, Chongqing 401147;
4. Chongqing Municipal Research Institute of Design, Chongqing 400020
Abstract: In this paper, using 1-minute precipitation data from 1961 to 2017 at the national basic meteorological station of Shapingba in Chongqing, regional and convective designed storm patterns calculated by the method of Pilgrim&Cordery are comparatively studied, which are classified according to weather system. The results show that regional storm samples account for 52.6%. Regional designed storm pattern for 60-minute single-peak pattern and uniform distribution account for 36.7% and 26.7%, respectively. The 120-minute is also single-peak, but the peak was in the middle. The 180-minute is single-peak and the peak is in the front. The convective storm samples account for 47.4%. The Short-duration convective designed storm patterns are mainly single-peak and the peaks are in the front. By comparison, the convective designed storm pattern's peak occurs in advance, the intensity is stronger and the rainfall accumulates more quickly. The peak occurs 5 minutes earlier for 60-minute, 35 minutes for 120-minute and 20 minutes for 180-minute. Under a 10-year recurrence period, the peak intensity is 0.5 mm·min-1 higher for 60-minute, 0.9 mm·min-1 higher for 120-minute and 0.9 mm·min-1 higher for 180-minute. With the same designed rainfall, the convective designed storm pattern results in longer waterlogging time, more accumulated water and more severe flooding.
Key words: design storm pattern    regional storm    convective weather    Pilgrim & Cordery    
引言

随着全球变暖,降水量增加的区域极强降水可能以更大比例增加,即使平均降水量减少的区域强降水量及其频率亦有可能增加(IPCC AR5,2013)。强降水往往造成城市内涝、山洪、滑坡等灾害性事件,给人民生命财产和国民经济带来巨大损失。随着城市化发展,短历时强降水使城市内涝风险进一步加剧。设计暴雨雨型是暴雨强度随时间的变化过程,它是城市室外排水工程设计的重要依据,关系到工程设计的安全性和经济性(芮孝芳等,2015)。众多研究表明,设计暴雨雨型对集水区洪峰流量和流量过程有很大影响。岑国平(1989, 1998)研究表明,不均匀降雨下汇流形成的洪峰一般要大于均匀降雨所形成的洪峰,而且雨峰位置对汇流也有影响,雨峰偏在中部或后部的三角型比均匀雨型的洪峰大30%以上。张小娜等(2008)通过实验也得出,同一降雨量、历时和下垫面条件下,三角形雨型比矩型雨型产流量多12.5%。

近年来,国内针对短历时设计暴雨雨型的研究,常用方法有芝加哥雨型法和Pilgrim & Cordery法,芝加哥雨型法较为简便,但Pilgrim & Cordery法所得的雨型更加接近实际降雨过程(岑国平,1999)。一些学者利用这些常用方法推求各地的设计暴雨雨型(王敏和谭向诚,1994朱勇年,2016成丹和陈正洪,2017),但针对不同取样方法推求设计暴雨雨型的比较研究相对较少(马京津等,2016成丹和陈正洪,2018),更是缺乏从暴雨成因出发比较设计暴雨雨型特征。暴雨是中尺度天气系统作用的产物。中尺度天气系统的生成和发展有两种情形,一种是在一定的大尺度环流背景下,由于冷暖空气的交换,使得引起暴雨的天气尺度系统或中尺度系统发展,从而产生强而持续的区域性暴雨,一种是局地强对流引发的暴雨,此类暴雨突发性强,历时短,但破坏力大(刘德等,2012)。

重庆主城区地形复杂,城区座落在长江与嘉陵江汇合处,两江环抱,依山建城,是典型的山城。气候属东亚内陆季风区,夏季受西南夏季风影响,高温多雨,是我国暴雨频发的大城市之一,因此,对重庆市的不同天气系统下的短历时暴雨特征进行分析具有重要意义。2017年“7.17”强降水事件中,沙坪坝的陈家桥最大24 h降雨量351.3 mm,最大6 h降雨量268.0 mm,城市排水不及,积涝严重,交通、电力、通信、供水、供气一度中断,此次事件造成七百多万人受灾,死亡56人,失踪6人,直接经济损失达31.26亿元(唐余学,2007唐钱奎等,2008王中等,2008)。本文基于暴雨成因,对区域型暴雨和强对流天气型暴雨进行短历时设计暴雨雨型推求、比较以及适用性分析。

1 资料和方法 1.1 短历时暴雨分类

所用资料为重庆主城区沙坪坝国家基本气象站(站号57516)1961—2017年逐分钟降雨以及34个国家气象站逐日降雨资料,站点分布如图 1所示,其中包括1个基准站、11个基本站和23个一般站。根据2016版《室外设计排水规范》(上海市政工程设计研究总院,2016)规定,具有20年以上自记雨量记录的地区,应采用年最大值法选取样本。因此,本文采用基于最大历时滑动的年最大值法选取60 min、120 min、180 min历时暴雨样本,每年1个样本。鉴于区域暴雨无统一的定义(鲍名,2007蔡新玲等,2012戴泽民等,2015),文中根据气象业务标准定义的区域暴雨(全市出现4站以上暴雨为区域暴雨)筛选区域暴雨型短历时暴雨样本,其余作为强对流天气型短历时暴雨样本。

图 1 重庆34个国家气象站空间分布图 Fig. 1 Spatial distribution of 34 national meteorological stations in Chongqing
1.2 模糊识别法

暴雨过程千变万化,大致归纳为7种类型(莫洛可夫等,1956),Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类为单峰型,雨峰分别在前、后和中部,Ⅳ类为大致均匀型,Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ为双峰型。

通过模糊识别判断每场过程的大致雨型。具体计算方法如下:

首先构建判断矩阵和目标矩阵。构建方法为用时段雨量占总雨量的比例构建判断矩阵和目标矩阵,将降雨样本划分为6个相等的时段,每个时段雨量占总雨量的比例为xi(i = 1, 2, …, 6)。

判断矩阵用vk表示

$ v_{k}=\left[\begin{array}{lllll} 7 / 23 & 6 / 23 & 4 / 23 & 3 / 23 & 2 / 23 & 1 / 23 \\ 1 / 26 & 2 / 26 & 3 / 26 & 6 / 26 & 8 / 26 & 6 / 26 \\ 1 / 20 & 4 / 20 & 7 / 20 & 5 / 20 & 2 / 20 & 1 / 20 \\ 3 / 21 & 4 / 21 & 3 / 21 & 4 / 21 & 3 / 21 & 4 / 21 \\ 5 / 20 & 3 / 20 & 1 / 20 & 2 / 20 & 5 / 20 & 4 / 20 \\ 4 / 18 & 2 / 18 & 3 / 18 & 5 / 18 & 3 / 18 & 1 / 18 \\ 2 / 23 & 3 / 23 & 7 / 23 & 4 / 23 & 2 / 23 & 5 / 23 \end{array}\right] $ (1)

目标矩阵用x表示

$ x=\left[x_{1}, x_{2}, x_{3}, x_{4}, x_{5}, x_{6}\right] $ (2)

相似度计算公式为

$ \sigma_{k}=1-\sqrt{\frac{1}{6} \sum\limits_{i=1}^{6}\left(v_{k i}-x_{i}\right)^{2}} $ (3)

其中k = 1, 2, …, 7。若第k个相似度σk最大,该场雨就划分为第k种雨型。

1.3 Pilgrim & Cordery雨型分析法

Pilgrim& Cordery雨型分析法是把雨峰时段放在出现可能性最大的位置上,而雨峰时段在总雨量中的比例取各场降雨雨峰所占比例的平均值,其它各时段的位置和比例也用同样方法确定。具体步骤如下:

(1) 选取的每场降雨,根据各时段雨量由大到小确定各时段序号,大雨量对应小号,将每个对应时段的序号取平均值,取值由小到大分别确定为雨强由大到小的顺序;

(2) 计算每个时段各次降雨量与总雨量的百分比,取各时段平均百分数;

(3) 以第一步所确定的最大可能次序和第二步中确定的分配比例安排时段,构成雨量过程线。

2 结果与分析 2.1 区域暴雨型短历时设计暴雨雨型

根据年最大值法及区域暴雨定义,选取重庆主城区沙坪坝国家气象站60 min、120 min、180 min历时区域暴雨型样本,按照Pilgrim & Cordery法推算设计暴雨雨型。

表 1为区域暴雨型短历时暴雨样本及统计结果,57个样本中区域暴雨型样本占多数,60 min样本数为30个,占样本总数的52.6%,120 min和180 min样本数均为34个,占样本总数的59.6%。根据模糊识别,60 min历时样本中有8场为均匀型,占到26.7%,其次是单峰型,占到36.7%,其中单峰且峰值在中部型,占到20%;120 min历时以单峰型为主,峰值在中部和前部占到一半以上,其中峰值在中部型占32.4%,峰值在前部型占20.6%;180 min历时单峰型且峰值在前部占到近一半,其次是单峰且峰值在中部型,占20.6%。

表 1 重庆市区域暴雨型短历时暴雨样本统计结果 Table 1 Statistical results of short-duration samples for regional rainstorm in Chongqing

图 2为区域暴雨型短历时设计暴雨雨型分配情况,由图可知, 短历时设计暴雨雨型都为单峰型。从峰值位置来看,60 min和120 min历时峰值位置在降雨过程的中部,峰值位置系数分别为0.50和0.54,180 min历时峰值位置在降雨过程的前部,峰值位置系数为0.28。从峰值强度来看,60 min、120 min和180 min峰值强度(5 min)占总雨量的百分比分别为19.5%、14.6%和12.1%。从降雨分配过程来看,短历时降雨主要集中在前2/4时段,峰前降雨逐步增加,达到峰值后迅速减弱。以重现期10 a为例,60 min、120 min和180 min设计暴雨量分别为66.2 mm、89.9 mm和106.0 mm。60 min时由于历时较短,整个降雨过程的前3/4时段雨强基本都在1.0 mm·min-1以上,峰值雨强达2.6 mm·min-1;120min整个降雨过程的前1/4时段比较均匀,第二个1/4时段逐渐达到峰值,峰值雨强为2.6 mm·min-1,随后迅速减弱,最后1/4雨强都在0.5 mm·min-1以下;180 min降雨集中在前2/4时段, 峰值强度达2.6 mm·min-1, 后2/4时段雨强较弱,基本在0.5 mm·min-1以下。

图 2 重庆市区域暴雨型短历时(a. 60 min; b.120 min; c.180 min)设计暴雨雨型分布 Fig. 2 Distribution of designed storm patterns for (a) 60 minutes, (b)120 minutes and (c)180 minutes for regional storms in Chongqing
2.2 强对流天气型短历时设计暴雨雨型

根据强对流天气型短历时暴雨样本, 按照Pilgrim&Cordery法推算设计暴雨雨型。表 2给出选样及样本统计结果,结果显示57个样本中强对流天气型暴雨型样本略少于区域暴雨型样本,60 min样本数为27个,占样本总数的47.4%,120 min和180 min样本数均为23个,占样本总数的40.4%。根据模糊识别,60 min历时单峰型占85.2%,其中峰值在前部占到51.9%,其次为峰值在中部型,120 min历时单峰型占到91.3%,其中峰值在前部占到65.2%,180 min历时单峰型占到78.2%,峰值在前部占43.5%,其次为峰值在中部型占26.1%。

表 2 重庆市强对流天气型短历时暴雨样本统计结果 Table 2 Statistical results of short-duration samples for convective weather pattern in Chongqing

图 3为强对流天气型短历时设计暴雨雨型分配情况,由图可知强对流天气型短历时设计暴雨雨型也都为单峰型。从峰值位置来看,三个历时峰值位置都分布在降雨过程的前部,60 min、120 min和180 min峰值位置系数分别为0.42、0.25和0.17,历时越长峰值位置提前越明显。从峰值强度来看,60 min、120 min和180 min峰值强度占总雨量的百分比分别为23.5%、19.5%和16.7%。从降雨分配过程来看,与区域暴雨型相似,降雨主要集中在前2/4时段,峰前降雨逐步增加,达到峰值后迅速减弱。同样以重现期10 a为例,60 min降雨主要集中在前35 min,峰值雨强达3.1 mm·min-1;120 min降雨主要集中在前2/4时段,在1/4时段末达到峰值, 峰值雨强为3.5 mm·min-1,随后开始减弱;180 min降雨主要集中在前1/4时段, 在30分钟左右达到峰值,峰值强度为3.5 mm·min-1,随后有一个次峰,峰值强度达1.2 mm·min-1

图 3 重庆市强对流天气型短历时(a. 60 min; b.120 min; c.180 min)设计暴雨雨型分布 Fig. 3 Distribution of designed rainstorm patterns for (a) 60 minutes, (b)120 minutes and (c)180 minutes for convective weather in Chongqing
2.3 两种天气系统短历时设计暴雨雨型的比较

下面从雨型类型、雨峰位置、雨峰强度、暴雨累积过程等对比分析两类天气系统下暴雨过程的一些特征值。从两种天气系统下设计暴雨雨型对比可以发现(见表 3),二者表现出明显差异,虽然都为单峰型,但强对流天气型相比区域暴雨型设计暴雨雨型峰值位置出现提前。60 min历时峰值提前约5 min左右,120 min历时峰值提前大约35 min,180 min历时峰值提前约20 min。从峰值强度来看,强对流天气型峰值强度比区域暴雨型偏强,60 min、120 min和180 min分别偏强4.0%、4.9%和4.6%,按10 a重现期强度计算,分别偏强0.5 mm·min-1、0.9 mm·min-1和0.9 mm·min-1。从累积降水过程线图来看(图 4),强对流天气型相比区域暴雨型降水集中度更强,累积更快。

表 3 两种天气系统下重庆主城区不同历时设计暴雨雨型特征对比 Table 3 A comparison among the designed patterns of different weather system in Chongqing

图 4 重庆市两种雨型不同历时(a. 60 min; b.120 min; c.180 min)累积降雨百分比 Fig. 4 Cumulative percentage of precipitation of two rainfall patterns for (a) 60 minutes, (b)120 minutes and (c)180 minutes in Chongqing
3 设计暴雨雨型适用性讨论

设计暴雨雨型主要用于城市排水防涝,假定当实际降雨强度小于设计雨强时,管网可将其全部排走,当实际降雨强度大于设计雨强时内涝发生。降雨过程中内涝发生的时间累积称为积水时间,超出设计雨强的降水量称为积水量。以10 a重现期为例,分别对比分析两类天气系统下短历时设计暴雨雨型与实际降雨过程,统计内涝发生时长以及积水量来探讨雨型的适用性问题。

根据重庆市沙坪坝暴雨强度公式计算得到10 a重现期设计暴雨量,分别与设计暴雨过程比例相乘得到相应的设计暴雨雨型。基于此统计分析各历时57场实际降雨过程中平均积水时间和积水量(表 4)。

表 4 57场暴雨平均积水时间和积水量 Table 4 Average time and accumulated water about waterlogging during 57 samples

表 4中可以看出,在设计降雨量相同的情况下,不同的设计暴雨雨型平均积水时间和积水量都有所不同。区域性暴雨下,短历时暴雨平均积水时间占总历时的27.8%,平均积水量占设计暴雨量的15.2%;强对流天气下,短历时暴雨平均积水时间占总历时的35%,平均积水量占设计暴雨量的18.5%。由此可见,在10 a重现期下强对流天气型设计暴雨雨型导致的内涝问题更突出。结合城市管网分布情况,在特定集水区的设计暴雨雨型适用问题还有待采用水文模型进一步研究。

4 结论

基于暴雨成因,利用重庆主城区沙坪坝国家基本气象站1961—2017年逐分钟降雨资料,选取区域暴雨型和强对流天气型两类暴雨样本,采用Pilgrim&Cordery法推求设计暴雨雨型,比较了不同天气系统下短历时设计暴雨雨型的差异,主要结论如下:

(1) 57 a区域暴雨型和强对流天气型样本数分别占总样本的52.6%和47.4%, 强对流天气型各历时及区域暴雨型180 min历时雨型主要为单峰型且峰值在前部,区域暴雨型120 min历时多为单峰型且峰值在中部,60 min历时均匀型和单峰型占比分别为26.7%和36.7%,其中单峰且峰值在中部型,占到20%。

(2) 从降雨分配过程来看,短历时降雨主要集中在前2/4时段。区域暴雨型10 a重现期峰值强度达2.6 mm·min-1,强对流天气型降雨过程分配集中度更高,在1/4时段末达到峰值,峰值强度达3.5 mm·min-1

(3) 两类天气系统下短历时设计暴雨雨型表现出明显差异。强对流天气型相比区域暴雨型设计暴雨雨型峰值位置出现提前,峰值强度偏强且降水累积更快。60 min、120 min和180 min历时峰值分别提前5 min、35 min和20 min,10 a重现期峰值强度分别偏强0.5 mm·min-1、0.9 mm·min-1和0.9 mm·min-1

(4) 在设计降雨量相同的情况下,区域暴雨型和强对流天气型设计暴雨雨型造成的平均积水时间和积水量有所不同。强对流天气型相比区域暴雨型,平均积水时间更长,积水量更大,导致的内涝问题更突出。

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