?？谑薪甓虤v時(shí)暴雨演變特征分析

黃國(guó)如，冼卓雁，陳文杰（.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州50640；2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州50640）

?？谑薪甓虤v時(shí)暴雨演變特征分析

黃國(guó)如1，2，冼卓雁1，陳文杰1
（1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州510640；
2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640）

城市內(nèi)澇與短歷時(shí)暴雨有重要關(guān)系，為揭示城市暴雨內(nèi)澇成因，選取海口站1951年—2012年逐時(shí)降雨資料，通過(guò)趨勢(shì)線、小波分析、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)、集中度等方法對(duì)?？谑心曜畲?h降雨序列和暴雨頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，?？谑心曜畲? h、3 h、6 h降雨量均呈增加趨勢(shì)，且時(shí)段越長(zhǎng)增加越明顯，最大1 h降雨量存在17 a時(shí)間尺度上的變化周期，1 h降雨量≥20 mm、30 mm、40 mm的暴雨次數(shù)呈不同程度增加趨勢(shì)，但增加幅度不明顯。短歷時(shí)暴雨次數(shù)呈現(xiàn)雙高峰，6月和9月為高發(fā)時(shí)期，一天中短歷時(shí)暴雨多發(fā)生在下午時(shí)段。

海口市；短歷時(shí)暴雨；暴雨頻次；集中度

暴雨內(nèi)澇與強(qiáng)降雨特征息息相關(guān)，研究城市短歷時(shí)暴雨特征，分析暴雨集中狀況，進(jìn)行暴雨內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)、確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全、減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，溫室氣體排放量快速上升，加之全球氣候變化，城區(qū)氣溫上升導(dǎo)致城市降雨時(shí)空分布趨于不均勻，增強(qiáng)了各種極端降雨事件發(fā)生頻率。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)短歷時(shí)暴雨特征進(jìn)行過(guò)研究，其研究方法主要有統(tǒng)計(jì)方法、氣候?qū)W分析、天氣學(xué)分析、中尺度分析等［1-5］。有學(xué)者對(duì)?？谑斜┯陼r(shí)空特征演變規(guī)律進(jìn)行過(guò)分析，令聰婧等［6］分析了1951年—2008年?？谇镅雌冢?月—10月）的旱澇特征及其影響因子，吳勝安等［7］分析了海南島熱帶氣旋降雨與年總降雨量的時(shí)空相關(guān)性，李福勝等［8］分析了?？谑?951年—2010年降雨在年尺度和季尺度上的趨勢(shì)、周期和突變情況，楊馥禎［9］對(duì)?？谑邢那铮ㄑ雌冢⒍杭爸鹉杲涤晷蛄羞M(jìn)行距平分析和小波變換計(jì)算，吳慧等［10］分析了1951年—2000年?？谑醒雌诓煌燃?jí)降雨日數(shù)與汛期總降雨量的關(guān)系。上述已有的?？谑斜┯暄芯砍晒饕槍?duì)?？谑斜┯曛虚L(zhǎng)時(shí)間尺度開(kāi)展研究，近年來(lái)?？谑斜┯陜?nèi)澇事件頻發(fā) ，需利用相關(guān)短歷時(shí)暴雨指標(biāo)進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步揭示?？谑袠O端氣候事件演變規(guī)律。

1 短歷時(shí)暴雨年際變化特征

1.1 年最大1 h、3 h、6 h降雨量演變過(guò)程

選用?？谡?951年—2012年逐年1 h降雨資料，統(tǒng)計(jì)62 a來(lái)歷年最大1 h、3 h和6 h降雨量，其變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 ?？谑心曜畲? h、3 h、6 h降雨量序列

由圖1可知，?？谑心曜畲? h、3 h、6 h降雨量以不同程度整體波動(dòng)緩慢增加。年最大1 h降雨量的多年平均值為57.43 mm，最大值為1998年的128.7 mm，最小值為1984年的35.2 mm，整體上升幅度為0.10 mm/10 a。而年最大3 h和6 h降雨量序列分別以幅度為0.45 mm/10 a和4.17 mm/10 a增加，上下波動(dòng)程度較大，兩者峰值和次峰值出現(xiàn)年份相同，分別為1998年和1996年。降雨歷時(shí)由1 h增加至6 h的同時(shí)，降雨量序列變化的波動(dòng)程度增加，增加趨勢(shì)明顯，年最大短時(shí)降雨量增加的同時(shí)，連續(xù)強(qiáng)降雨的時(shí)間更長(zhǎng)。

1.2 短歷時(shí)暴雨頻次分析

（1）暴雨頻次多年變化

內(nèi)澇頻次受暴雨頻次直接影響，研究短歷時(shí)暴雨次數(shù)的變化特征具有重要意義?？紤]到?？谑谐Ｄ隄駶?rùn)多雨、雨量偏大，本文以年為單位，統(tǒng)計(jì)了1 h降雨量超過(guò)20 mm、30 mm、40 mm的暴雨次數(shù)，如圖2所示。

從圖2可知，海口市不同級(jí)別的1 h暴雨次數(shù)表現(xiàn)出不同程度的增加趨勢(shì) ，1 h降雨量≥20 mm的暴雨平均每年發(fā)生15次，整體以0.76次/10 a增加，歷史最多為2010年的31次，且近幾年暴雨次數(shù)都相對(duì)偏多。1 h降雨量≥30 mm的暴雨平均每年發(fā)生6次，整體以0.2次/10 a增加，增幅較小。而1h降雨量≥40 mm的暴雨次數(shù)增加更為微弱，僅為0.01次/10 a，且在整個(gè)序列中多次出現(xiàn)零值?？傮w來(lái)說(shuō) ，短歷時(shí)暴雨次數(shù)波動(dòng)增加，但增加幅度不明顯，特別是極端惡劣的暴雨次數(shù)變化不大。

（2）暴雨頻次趨勢(shì)檢驗(yàn)

Mann-Kendall檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法［11］，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量 Z是服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)量，如果|Z|大于或等于1.40、1.64和1.96，分別表示序列通過(guò)了置信度為80%、90%和95%的顯著性趨勢(shì)檢驗(yàn)。利用Mann -Kendall法計(jì)算1 h降雨量≥20 mm、30 mm、40 mm暴雨次數(shù)序列變化趨勢(shì)，結(jié)果如表1所示。從表1可看出，不同級(jí)別的暴雨次數(shù)呈現(xiàn)出不同程度的增加趨勢(shì)，其中超過(guò)20 mm/h暴雨次數(shù)序列通過(guò)了置信度水平為80%的顯著性檢驗(yàn)，呈弱增加趨勢(shì)。同時(shí)暴雨強(qiáng)度閾值越小，增加趨勢(shì)越明顯，表明?？谑卸虤v時(shí)暴雨次數(shù)的頻次變化主要是≥20 mm/h的暴雨次數(shù)增加 ，極端暴雨（≥30 mm/h和40 mm/h）次數(shù)的增加趨勢(shì)較為微弱。

圖2 ?？谑卸虤v時(shí)暴雨次數(shù)序列

表1海口市短歷時(shí)暴雨頻次趨勢(shì)分析結(jié)果

2 年最大1 h降雨量周期特征

小波分析作為研究水文序列特性的新興工具，有別于傳統(tǒng)的水文序列分析方法，它可反映水文序列在時(shí)間頻率上的精細(xì)結(jié)構(gòu)及多尺度變化特征，具有較強(qiáng)的周期特征提取能力。本文選用Morlet連續(xù)復(fù)小波［12］分析?？谑心曜畲? h降雨量序列的多尺度特征，得到小波系數(shù)實(shí)部等值線圖（圖3）。從圖3可看出，?？谑心曜畲? h降雨序列中主要存在22 a～32 a、10 a～21 a和3 a～9 a三類尺度的周期變化規(guī)律，其中10 a～21 a尺度上位相變化關(guān)系的周期規(guī)律最為明顯，在整個(gè)分析時(shí)段均表現(xiàn)出穩(wěn)定的變化特征，中心尺度約為17 a；3 a～9 a尺度的位相變化次之 ，周期變化在20世紀(jì)90年代以后表現(xiàn)得較為穩(wěn)定，中心尺度約為7 a；22 a～32 a尺度上也存在著正負(fù)交替變化的周期特征，中心尺度約為32 a。

圖3 ?？谑凶畲? h降雨小波系數(shù)實(shí)部等值線圖

圖4為年最大1 h降雨標(biāo)準(zhǔn)化序列的小波方差圖，它反映了時(shí)間序列的能量隨尺度的分布情況，可用來(lái)確定年最大1 h降雨量演化過(guò)程中存在的主周期尺度。從圖4可看出，海口市年最大1 h降雨序列存在3個(gè)較為明顯的峰值，依次為32 a、17 a和7 a，其中最大峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度為17 a，表明17 a左右的周期震蕩最強(qiáng)烈，為年最大1 h降雨變化的最大主周期。第二、三峰值分別為7 a和32 a，對(duì)應(yīng)著第二、三主周期，上述3個(gè)周期的波動(dòng)控制著年最大1 h降雨在整個(gè)時(shí)間序列中的變化特征。

圖4 ?？谑心曜畲? h降雨小波方差圖

為進(jìn)一步說(shuō)明年最大1 h降雨的周期變化特征，給出了?？谑凶畲? h降雨量在第一主周期（17 a）和第二主周期（7 a）時(shí)間尺度的小波實(shí)部過(guò)程線（圖5），正值表示年最大1 h降雨量偏多。從圖5可看出 ，17 a時(shí)間尺度上大致經(jīng)歷了6個(gè)偏多期和5個(gè)偏少期，平均周期約為12 a，在1956年以前、1962年—1967年、1974年—1979年、1985年—1990年、1996年—2001年、2008年以后為正相位，年最大1 h降雨量偏多。7 a時(shí)間尺度上的年最大1 h降雨量也出現(xiàn)正負(fù)波動(dòng)，大致經(jīng)歷了13個(gè)偏多期和13個(gè)偏少期，平均周期約為5 a。同時(shí)由兩圖的曲線波動(dòng)特征可知 ，大概在2013年或2014年之后，?？谑心曜畲? h降雨量進(jìn)入偏少時(shí)期。

圖5 海口市年最大1 h降雨序列17 a和7 a特征時(shí)間尺度小波實(shí)部過(guò)程線

3 短歷時(shí)暴雨集中特點(diǎn)

3.1 暴雨次數(shù)的月分布規(guī)律

降雨不可能在一年12個(gè)月內(nèi)均勻分布，即使在汛期，不同月份的降雨量也有所不同，因此有必要研究短歷時(shí)暴雨的主要發(fā)生月份。選取不同閾值（20 mm/h、30 mm/h、40 mm/h），統(tǒng)計(jì)62 a不同級(jí)別短歷時(shí)暴雨次數(shù)，每個(gè)月分布情況如圖6所示。結(jié)果表明，?？谑卸虤v時(shí)暴雨次數(shù)高度集中在汛期（5月—10月）的同時(shí)，降雨量≥20 mm/h的暴雨次數(shù)呈現(xiàn)出雙高峰的分布特征，6月份以總共154次排在首位，9月份以144次次之；降雨量≥30 mm/h的暴雨次數(shù)則以6月份的68次為最高，往后開(kāi)始逐漸減少；降雨量≥40 mm/h的暴雨次數(shù)6月和9月最多，均為26次，其余幾個(gè)月份之間差別不大。

3.2 短歷時(shí)暴雨量集中情況

以半個(gè)月為一個(gè)研究個(gè)體，將每個(gè)個(gè)體的降雨量視為向量，一年汛期6個(gè)月看作一個(gè)圓周（360°），將某半個(gè)月降雨量看作該半個(gè)月降雨向量的模 ，該半個(gè)月月序與30度的乘積作為該半個(gè)月降雨向量的方向，定義了表征單站降雨時(shí)間分配特征的降雨集中度和集中期［13］。整個(gè)雨季12個(gè)個(gè)體組成一個(gè)圓周，每個(gè)半月的短歷時(shí)暴雨事件的方向角度如表2所示。

圖6 短歷時(shí)暴雨次數(shù)月分布特征圖

表2每個(gè)半月對(duì)應(yīng)的角度值范圍與代表的角度值

定義表征短歷時(shí)暴雨時(shí)間分配的參量如下:

式中:PCD和PCP分別為短歷時(shí)暴雨事件集中度和集中期；N為整個(gè)汛期短歷時(shí)暴雨量；Nx和Ny計(jì)算方法如下:

式中:i為個(gè)體序號(hào)；θi為個(gè)體i對(duì)應(yīng)的代表角度；ni為個(gè)體i對(duì)應(yīng)的暴雨量。

PCD和PCP能反映短歷時(shí)暴雨事件的集中程度和時(shí)段 ，如果暴雨事件的降雨量主要集中在某個(gè)半月，則合成向量的模與整個(gè)汛期短歷時(shí)強(qiáng)降雨量的比值（即 PCD）較大，越接近1表示越集中，反之越分散。PCP是合成向量的方位角，可對(duì)照表2得到短歷時(shí)暴雨集中出現(xiàn)的時(shí)間。

為了進(jìn)一步分析短歷時(shí)暴雨的分布狀況，將汛期各個(gè)月分為上下半個(gè)月，計(jì)算每年汛期短歷時(shí)強(qiáng)降雨（1 h降雨量≥20 mm）的集中期，再統(tǒng)計(jì)62 a中集中在某個(gè)半月的比例和平均集中度，結(jié)果如圖7所示。從圖7可看出，62 a中有16.13%的年份是集中發(fā)生在7月上半月，另外集中在6月下半月、8月下半月和10月上半月的年份也較多，集中比例分別為12.9%、12.9%和11.29%，總體形成一個(gè)三高峰的集中情況。但平均集中度均不超過(guò)0.5，說(shuō)明短歷時(shí)暴雨雖集中在某個(gè)時(shí)段 ，但集中程度不高。

圖7 ?？谑醒雌诙虤v時(shí)暴雨集中情況

3.3 短歷時(shí)暴雨的日變化特征

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化降雨日變率可直觀了解短歷時(shí)暴雨的高發(fā)時(shí)段，本文將汛期各月均進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化降雨日變率分析，得到汛期各月份短歷時(shí)暴雨的多發(fā)時(shí)段，并分析不同月份之間的差異。

標(biāo)準(zhǔn)化降雨日變率是將一天24 h某時(shí)段的降雨頻率定義為這一時(shí)段內(nèi)發(fā)生降雨的次數(shù)與全序列總觀測(cè)的次數(shù)之比，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即可比較一天中不同時(shí)段的降雨頻率［14］。計(jì)算過(guò)程如下:

式中:Pdn為小時(shí)降雨量（mm）；Cdn為短歷時(shí)暴雨計(jì)數(shù)器；n為當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時(shí)間；D為觀測(cè)天數(shù)，如5月份62 a有1922 d；fn為降雨發(fā)生頻率；NFn為標(biāo)準(zhǔn)化的降雨發(fā)生頻率，數(shù)值越大表示當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時(shí)間為 n時(shí)降雨發(fā)生頻率越高。

計(jì)算?？谑醒雌诙虤v時(shí)強(qiáng)降雨（1 h降雨量≥20 mm）的標(biāo)準(zhǔn)化降雨日變率（圖8）。由圖8可知，5月至8月短歷時(shí)暴雨大多發(fā)生在下午13時(shí)～18時(shí)，頻率遠(yuǎn)大于其他時(shí)段，峰型明顯。進(jìn)入9月份后高發(fā)時(shí)段擴(kuò)大到上午8時(shí)至下午18時(shí)，短歷時(shí)暴雨在白晝發(fā)生頻率較高。而10月份的短歷時(shí)暴雨分布較為均勻，在清晨3、4時(shí)的發(fā)生頻率略高于其他時(shí)段?？傮w來(lái)看，隨著汛期進(jìn)行，一天中短歷時(shí)暴雨的高發(fā)時(shí)段從下午擴(kuò)大至白晝，再均勻分布至全天。

4 結(jié) 論

（1）?？谑心曜畲? h、3 h、6 h降雨量呈增加趨勢(shì)，時(shí)段越長(zhǎng)的短歷時(shí)降雨量增加越顯著，說(shuō)明短歷時(shí)強(qiáng)降雨的連續(xù)性更強(qiáng)。最大1 h降雨量存在17 a的第一主周期尺度和7 a的第二主周期尺度。1 h降雨量≥20 mm、30 mm、40 mm的暴雨次數(shù)呈不同程度的波動(dòng)增加，但增加幅度不明顯，特別是極端惡劣的暴雨次數(shù)變化不大。

（2）降雨量≥20 mm/h的暴雨次數(shù)呈現(xiàn)雙高峰的分布特征，主要集中在6月份和9月份；降雨量≥30 mm/h的暴雨次數(shù)則主要集中在6月份，降雨量≥40 mm/h的暴雨次數(shù)6月和9月并列第一，其余幾個(gè)月份之間差別不大。短歷時(shí)降雨量主要集中在6月下半月至7月上半月、8月下半月和10月上半月，大體上與暴雨發(fā)生次數(shù)吻合。

（3）一天中短歷時(shí)暴雨多發(fā)生在下午時(shí)段，由5月至8月下午13時(shí)至18時(shí)，9月份擴(kuò)大到上午8時(shí)至下午18時(shí)，10月份全天范圍內(nèi)均等頻率發(fā)生，隨著汛期進(jìn)行，一天中短歷時(shí)暴雨的高發(fā)時(shí)段從下午擴(kuò)大至白晝，再均勻分布至全天。

圖8 ?？谑袠?biāo)準(zhǔn)化降雨日變率氣候特征（1951年—2012年）

［1］ 毛以偉.武漢短歷時(shí)暴雨分析及預(yù)報(bào)研究［D］.蘭州 :蘭州大學(xué)，2013.

［2］ 吳正華.京津冀夏季短歷時(shí)降水氣候分析［J］.大氣科學(xué)，1993，17（3）:268-273.

［3］ 林新彬，劉增基，鄒 燕 ，等.福建省前汛期短歷時(shí)降水氣候的統(tǒng)計(jì)特征［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2002，13（4）:469-477.

［4］ Roy S S，Rouault M.Spatial patterns of seasonal scale trends in extreme hourly precipitation in South Africa［J］.Applied Geography，2013，39:151-157.

［5］ Kiely G，Albertson J D，Parlange M B.Recent trends in diurnal variation of precipitation at valentia on the west coast of ireland［J］.Journal of Hydrology，1998，207（3-4）:270-279.

［6］ 令聰婧，任廣成.海口秋汛期（9—10月）降水異常變化特征及影響因子分析［J］.海洋預(yù)報(bào)，2011，28（3）:62-67.

［7］ 吳勝安，郭冬艷，楊金虎.海南熱帶氣旋降水的氣候特征［J］.氣象科學(xué)，2007，27（3）:307-311.

［8］ 李福勝，張 仲.?？谑?951—2010年降水的多時(shí)間尺度分析［J］.廣東氣象，2013，35（3）:40-44.

［9］ 楊馥禎.近五十多年?？诮涤晏卣鞣治觯跩］.湖北氣象，2002，（3）:12-14.

［10］ 吳 慧，陳小麗.?？谘雌诓煌燃?jí)降水與旱澇關(guān)系的分析［J］.廣東氣象 ，2003，（3）:13-15.

［11］ 鄭杰元，黃國(guó)如，王質(zhì)軍，等.廣州市近年降雨時(shí)空變化規(guī)律分析［J］.水電能源科學(xué)，2011，29（3）:5-8，192.

［12］ 黃國(guó)如，馮 杰，劉寧寧，等.城市雨洪模型及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2013:41-47.

［13］ 張之賢，張 強(qiáng)，趙慶云，等.隴東南地區(qū)短歷時(shí)降水特征及其分布規(guī)律［J］.中國(guó)沙漠，2013，33（4）:1184-1190.

［14］ 殷水清，高 歌，李維京，等.1961—2004年海河流域夏季逐時(shí)降水變化趨勢(shì)［J］.中國(guó)科學(xué):地球科學(xué)，2012，42（2）:256-266.

Analysis on Evolution Characteristics of Short Duration Rainstorm at Haikou City in Recent Years

HUANG Guo-ru1，2，XIAN Zhuo-yan1，CHEN Wen-jie1
（1.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510640，China；
2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510640，China）

Urban waterlogging is greatly related to the short duration rainstorms.In order to understand the causes of urban rainstorm waterlogging，based on the hourly precipitation data at Haikou station during the period of 1951—2012，the characteristics of the rainstorms in Haikou city were analyzed from the aspects of trend line，wavelet analysis，Mann -Kendall trend method，concentration degree，etc.The results showed that the annual maximum precipitation of 1 h，3 h，6 h were increasing，and the array of 6 h increased more obviously.There existed a periodicity of 17 a timescale of the annual maximum 1 h precipitation.The frequency of rain intensity≥20 mm/h，30 mm/h，40 mm/h increased at different rate in a small range.The frequency of rainstorm occurring in June and September was much higher than the other months.and mostly happened in the afternoon of the day.

Haikou city；short duration rainstorm；rainstorm frequency；degree of concentration

P333.2

A

1672—1144（2015）02—0121—06

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.025

2014-09-29

2014-10-30

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201301093，201401048）；華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題項(xiàng)目（2014ZC09）

黃國(guó)如（1969—），男，江蘇南京人，教授 ，博導(dǎo) ，主要從事水文水資源方面的教學(xué)與科研工作。E-mail:huanggr@scut.edu.cn