區(qū)域暴雨強(qiáng)度等級綜合評估研究—以長江中下游為例

梅平 張強(qiáng) 鄒旭愷

(1 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044;2 國家氣候中心，北京 100081)

引 言

近年來，在全球氣候變化的背景下，極端降水事件引發(fā)山洪、城市內(nèi)澇，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，氣象災(zāi)害的危險性增強(qiáng)[1]。我國氣象災(zāi)害多發(fā)、頻發(fā)，其中暴雨引發(fā)的災(zāi)害占比較大[2]。而暴雨過程通常呈區(qū)域性和持續(xù)性的特征，特別是長江中下游地區(qū)占極端區(qū)域性強(qiáng)降水事件的81%[3-6]。一般來說，區(qū)域暴雨過程強(qiáng)度越強(qiáng)，造成的危害越大，因此定量、客觀地評估暴雨過程強(qiáng)度非常關(guān)鍵，也是防災(zāi)減災(zāi)重要的技術(shù)支撐。國內(nèi)很多學(xué)者在極端降水閾值計算[7-8]、暴雨過程識別和暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估方面做了很多工作[9-14]。鄒燕等[9]利用百分位法和相關(guān)系數(shù)法確定了4 個暴雨事件指標(biāo)的等級和權(quán)重，構(gòu)建了福建區(qū)域性暴雨過程的綜合強(qiáng)度評估模型及其等級劃分標(biāo)準(zhǔn)；王莉萍等[10]考慮了中國暴雨區(qū)域的時空特性，將其分為4個暴雨災(zāi)害敏感區(qū)域，基于降水影響定義降水過程，以3個評估指標(biāo)指數(shù)劃分為基礎(chǔ)，建立降水過程綜合強(qiáng)度等級劃分評估模型；袁慧敏等[11]利用統(tǒng)計方法建立長江中下游沿江地區(qū)暴雨過程綜合評估模型。上述研究在評估特定區(qū)域的暴雨過程等級時成果顯著，但在區(qū)域暴雨過程的識別方法中，都是基于日降水量，采用單站或者幾個站日降水量大于等于50 mm為暴雨日這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行識別，忽略了以下情況：對于單站來說，若連續(xù)幾日出現(xiàn)較強(qiáng)降水日，即使都沒達(dá)到暴雨級別，但造成的危害可能比單日達(dá)到暴雨級別造成的危害更大。事實(shí)上，歷史上重大暴雨過程多存在“區(qū)域性暴雨日”間歇現(xiàn)象。忽略上述情況會造成：(1)漏掉一些可能造成重大災(zāi)害的暴雨過程；(2)在識別暴雨過程的時候，需要設(shè)置特定條件來考察暴雨過程是否間斷。吳正華等[15]提出相當(dāng)暴雨日的概念，根據(jù)相關(guān)逐日降水資料，研究相當(dāng)暴雨日數(shù)與總降水量及旱澇等級的相關(guān)性。因此，針對上述問題，借鑒LU,et al[16]提出的極端降水事件中降水持續(xù)時間和強(qiáng)度關(guān)系，考慮到降水過程的累積效應(yīng)，提出降水衰減指數(shù)的概念，建立降水相當(dāng)強(qiáng)度公式，并以此為標(biāo)準(zhǔn)識別區(qū)域暴雨過程和構(gòu)建暴雨強(qiáng)度綜合評估模型。所謂降水相當(dāng)強(qiáng)度就是通過不斷滑動降水日期，通過搜索最大的平均降水強(qiáng)度作為當(dāng)日的降水強(qiáng)度。相比較于大部分文獻(xiàn)所采用的降水平均強(qiáng)度[17]，該方法有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)不必考慮降水中斷或者少雨的影響；(2)所考慮的降水持續(xù)時間不再是固定的一段時間。通過該方法可以找到最有可能致災(zāi)的暴雨持續(xù)時間和暴雨強(qiáng)度。

本文首先介紹相當(dāng)強(qiáng)度的概念，基于相當(dāng)強(qiáng)度識別區(qū)域暴雨過程。然后用過程相當(dāng)強(qiáng)度和暴雨影響范圍建立暴雨綜合強(qiáng)度評估模型，利用百分位法將區(qū)域暴雨強(qiáng)度進(jìn)行等級劃分，最后通過與歷史災(zāi)情記錄的對比對模型進(jìn)行校驗(yàn)。

1 資料和方法

1.1 資料

由國家氣象信息中心提供的1951—2015年長江中下游地區(qū)113個國家級氣象觀測站20∶00—次日20∶00(北京時，下同)逐日降水資料，以及國家氣候中心統(tǒng)計提供的暴雨災(zāi)情資料。

1.2 方法

1.2.1 百分位

百分位數(shù)計算采用Hyndman,et al[18]的經(jīng)驗(yàn)公式。

1.2.2 相當(dāng)強(qiáng)度公式

考慮到暴雨降落至地面因土壤吸收、徑流等原因，對承災(zāi)體災(zāi)害的影響是非線性累積的[2,19]，即一場連續(xù)性暴雨過程的致災(zāi)影響大于1 d最大降水量，但小于過程累積總降水量。基于這一原理，給出降水衰減指數(shù)的概念，表征過程總降水量對承災(zāi)體影響的衰減程度。降水衰減指數(shù)I，定義為：I=n-α，其中：0<α<1，(文獻(xiàn)[16]，取α=0.5)；n為降水持續(xù)時間(天數(shù))。

降水對承災(zāi)體致災(zāi)的影響的雨強(qiáng)，稱為降水相當(dāng)強(qiáng)度，是一個綜合考慮了降水天數(shù)和總降水強(qiáng)度的統(tǒng)計特征量，既表示了連續(xù)降水的累積效果又表示了降水(暴雨)過程的強(qiáng)度衰減程度。 一次出現(xiàn)m天降水的暴雨過程，可以組合計算m(m+1)/2個降水相當(dāng)強(qiáng)度，一般組合中最大的降水相當(dāng)強(qiáng)度對承災(zāi)體致災(zāi)的影響為最大，故用該最大降水相當(dāng)強(qiáng)度，來表征暴雨過程強(qiáng)度 (IR)，降水過程強(qiáng)度定義為：

IR=maxmR(n,m),

(1)

其中：max( )表示通過不斷滑動暴雨過程內(nèi)天數(shù)進(jìn)行組合，找到最大的降水相當(dāng)強(qiáng)度，由此來確定n；R(n,m)=n-αP(n)為降水相當(dāng)強(qiáng)度，n-α為降水衰減指數(shù)，P(n)=P1+P2+…Pn，(P1,P2,…Pn為某日降水量)為n天降水總量。

1.3 區(qū)域暴雨過程識別

為了進(jìn)行區(qū)域暴雨過程識別，對單站、區(qū)域暴雨日、暴雨過程開始、結(jié)束時間按照文獻(xiàn)[10]給出如下定義：

單站暴雨日：單站降水相當(dāng)強(qiáng)度大于等于50 mm；

區(qū)域暴雨日：對于長將中下游地區(qū)，至少7個 (或者至少5%)站達(dá)到單站暴雨日的雨日；

區(qū)域暴雨過程：區(qū)域性暴雨日持續(xù)日數(shù)超過或等于1 d；

區(qū)域暴雨過程開始： 至少7個站暴雨相當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到50 mm以上；

區(qū)域暴雨過程結(jié)束：小于7個站暴雨相當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到50 mm以上。

2 區(qū)域暴雨過程的綜合強(qiáng)度評估模型

2.1 暴雨過程相當(dāng)強(qiáng)度

暴雨過程相當(dāng)強(qiáng)度是過程最大相當(dāng)強(qiáng)度和過程平均相當(dāng)強(qiáng)度加權(quán)求和，權(quán)重系數(shù)為0.5。具體公式如下：

(2)

其中：Ip指暴雨過程相當(dāng)強(qiáng)度；s指按照區(qū)域暴雨過程定義所選取的測站數(shù)；T指區(qū)域暴雨過程從開始到結(jié)束的時間間隔；Imax指按照暴雨過程定義所選測站中日最大相當(dāng)強(qiáng)度；IR指按照暴雨過程定義所選測站的日相當(dāng)強(qiáng)度。

2.2 暴雨影響范圍

暴雨影響范圍定義為：

Z=s/N,

(3)

其中：s是按照區(qū)域暴雨過程定義所選取的測站數(shù)；N為有資料站數(shù)。

2.3 綜合評估模型

以影響范圍和暴雨過程相當(dāng)強(qiáng)度為評價指標(biāo)建立暴雨過程的綜合強(qiáng)度如下：

I綜=ZIp。

(4)

暴雨綜合強(qiáng)度等級評價標(biāo)準(zhǔn)按照百分位法，分別取95百分位、80百分位和60百分位點(diǎn)的綜合強(qiáng)度值，將區(qū)域暴雨過程分為1～4級，分別對應(yīng)特重，嚴(yán)重，較重和一般4個等級。

3 模型檢驗(yàn)

用評估模型分別對長江中下游地區(qū)113個國家級觀測站1951—2015年間的暴雨過程進(jìn)行評估，分別給出排名前10的暴雨過程，并與歷史災(zāi)害記錄的平均暴雨日數(shù)和受災(zāi)面積對比，見表1。

從表1可以看出，1954年和1998年的暴雨過程強(qiáng)度分別占據(jù)前兩位。而據(jù)記錄[20]，長江中下游地區(qū)1951—2015年發(fā)生的10次特大暴雨洪澇的年份是1954、1969、1980、1983、1991、1993、1996、1998、2002和2011年，其中1954年無論是暴雨日數(shù)、累計雨量、長江中下游梅雨期長度和梅雨量都是最強(qiáng)的一年，1998年次之。利用本文評估模型對暴雨過程的評估無論從暴雨過程持續(xù)時間、平均暴雨日數(shù)，還是歷史災(zāi)情記錄(受災(zāi)面積)均有較好的對應(yīng)關(guān)系。

同時，用本文方法識別出長江中下游1951—2015年共有區(qū)域性暴雨過程459次，其中特重的暴雨過程有423次，嚴(yán)重的有69次，較重的有92次，一般的有275次。

為了對本文評估模型定量化分析，利用模型中的兩個評估因子，即暴雨過程的綜合強(qiáng)度和暴雨影響范圍，分別與歷史災(zāi)害資料中的受災(zāi)面積做相關(guān)性分析，結(jié)果如表2：本文評估模型選取的評估因子跟歷史災(zāi)害資料的受災(zāi)面積有很好的相關(guān)關(guān)系，其中暴雨過程綜合強(qiáng)度與受災(zāi)面積的相關(guān)性明顯，為0.73，通過α=0.01信度檢驗(yàn)。

表1 1951—2015年長江中下游地區(qū)綜合強(qiáng)度排名前10的暴雨過程及與歷史災(zāi)害記錄在平均暴雨日數(shù)和受災(zāi)面積的對比Table 1 The top 10 rainstorm processes and comparisons between average heavy rain days and the area affected with the historical disaster record in the middle and lower reaches of the Yangtze River during 1951-2015

4 暴雨洪澇個例分析

特別說明地是，據(jù)記載[2,21]，1998年長江中下游入梅(6月11日)略偏早，出梅(8月4日)偏晚22 d，梅雨期長達(dá)2個月，梅雨量(572.4 mm)為歷史第三。

持續(xù)降水造成江河洪水泛濫、山洪爆發(fā)及山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，外洪內(nèi)澇給湖北、江西、湖南、安徽、浙江、福建、江蘇、河南、廣西、廣東、四川、云南等省(區(qū))造成嚴(yán)重?fù)p失，受災(zāi)人口超過1億人，受災(zāi)農(nóng)作物1 000多萬公頃，死亡1 800多人，傷(病)100多萬人，倒塌房屋430多萬間，損壞房屋800多萬間，經(jīng)濟(jì)損失1 500多億元。

對這一典型暴雨年，用本文的評估模型進(jìn)行評估，評估結(jié)果見表3：1998年長江中下游最強(qiáng)暴雨過程主要集中在6月中旬到7月下旬階段，影響站點(diǎn)達(dá)80多個，影響范圍大。無論是在暴雨持續(xù)時間和影響范圍上都與歷史災(zāi)情記錄有較好地對應(yīng)。

利用暴雨相當(dāng)強(qiáng)度指標(biāo)分析了1998年6月15日全國暴雨強(qiáng)度分布(圖1)?？梢钥闯霰┯曛饕性陂L江中下游地區(qū)，特別是江南一帶，與歷史災(zāi)害記錄基本相符。

本文提出的暴雨過程強(qiáng)度綜合評估模型除了能分析特定地區(qū)和特定暴雨事件個例的暴雨過程特征，還能對眾多暴雨過程歷史特征進(jìn)行分析。利用本文綜合評估模型對長江中下游地區(qū)1951—2015年的暴雨過程的年際變化特征進(jìn)行分析。

圖1 1998年6月15日全國暴雨相對強(qiáng)度分布圖(單位:mm)Fig.1 Relative intensity distribution of rainstorm in China on June 15, 1998(unit:mm)

表2 模型評估因子與受災(zāi)面積相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between model evaluation factors and disaster area

表3 1998年暴雨過程評估結(jié)果Table 3 Evaluation results of rainstorm process in 1998

5 年際變化特征分析

從暴雨過程次數(shù)逐年變化(圖2)可以看出，暴雨過程次數(shù)波動較大，其中10次以上的暴雨過程對應(yīng)的年份分別是1954、1960、1962、1965、1977、1980、1989、1999、2001、2005、2007和2015年。從年代際變化來看，暴雨過程次數(shù)在1970s之后緩慢增多，其中1971—1981年暴雨過程次數(shù)增多的趨勢較為明顯，隨后直到1991年發(fā)生次數(shù)較少且相對平穩(wěn)，總體暴雨過程次數(shù)呈現(xiàn)增多趨勢。通過與歷史暴雨日數(shù)的比較，二者整體變化趨勢一致。

圖2 1951—2015年長江中下游區(qū)域暴雨過程次數(shù)和歷史暴雨日數(shù)逐年變化情況(虛線為線性趨勢)Fig.2 The frequency change of the rainfall process in themiddle and lower reaches of the Yangtze River during1951-2015 (dashed line refers to linear trend)

從暴雨過程開始時間和結(jié)束時間逐年變化(圖3)可以看出，1951—2015年長江中下游地區(qū)暴雨開始日和結(jié)束日都比較穩(wěn)定，暴雨過程開始日大部分集中在6月，而結(jié)束日期大部分集中在8、9月。

圖3 1951—2015年長江中下游地區(qū)暴雨過程開始日期和結(jié)束日期變化情況Fig.3 Changes in the start and end dates of the rainstorm process in the middle and lower reaches of the Yangtze River during 1951-2015

從長江中下游地區(qū)暴雨過程綜合強(qiáng)度變化(圖4)可以看出，在1951—2015年間暴雨綜合強(qiáng)度變化呈微弱增強(qiáng)趨勢，1970s之前暴雨綜合強(qiáng)度更強(qiáng)，其中1954年達(dá)到歷年之最。暴雨綜合強(qiáng)度年際變化呈趨緩趨勢。

圖4 1951—2015年長江中下游地區(qū)暴雨過程綜合強(qiáng)度變化情況(虛線為線性趨勢)Fig.4 The comprehensive intensity change of the rainstorm process in the middle and lower reaches of the Yangtze River during 1951-2015(dashed line refers to linear trend)

從長江中下游地區(qū)暴雨過程總量(圖5)可以看出，1951—2015年呈明顯增多趨勢，暴雨總量趨勢及暴雨總量大小與圖4有較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖5 1951—2015年長江中下游地區(qū)暴雨過程總量變化情況(虛線為線性趨勢)Fig.5 The total amount change of the rainstorm process in the middle and lower reaches of the Yangtze River during1951-2015(dashed line refers to linear trend)

6 結(jié)論

(1)本文提出了區(qū)域暴雨過程等級的定量評估方法，提出了降水衰減指數(shù)的概念，利用降水相當(dāng)強(qiáng)度代替日降水量來識別暴雨過程，可以更客觀地識別暴雨過程，尤其是不遺漏影響較大的暴雨過程。

(2)利用本文提出的評估模型對長江中下游地區(qū)1951—2015年暴雨過程進(jìn)行了檢驗(yàn)，其中特重的暴雨過程有423次，嚴(yán)重的有69次，較重的有92次，一般的有275次，1954年和1998年的暴雨過程分別占據(jù)前兩位，這與歷史災(zāi)害記錄基本相符。另外本文對災(zāi)害個例，即1998年長江下游的暴雨過程進(jìn)行個例評估，結(jié)果表明最強(qiáng)暴雨過程出現(xiàn)在6月中旬到7月下旬，這與歷史災(zāi)害記錄也是一致的。

(3)從年際變化來看，長江中下游近70 a來暴雨過程次數(shù)呈逐漸增多趨勢，其中1971—1981年暴雨過程次數(shù)增加明顯，與歷史暴雨日相比，二者整體趨勢一致。暴雨過程綜合強(qiáng)度年際變化趨緩。

本文建立的區(qū)域暴雨過程綜合評估模型，對暴雨過程的識別操作簡單，并與農(nóng)業(yè)受災(zāi)面積進(jìn)行了驗(yàn)證對比，對暴雨過程等級的評估準(zhǔn)確，易于業(yè)務(wù)對暴雨致災(zāi)等級的監(jiān)測、評估和預(yù)測。但是該模型主要是基于氣象數(shù)據(jù)，研究的是氣象致災(zāi)強(qiáng)度等級，缺乏社會經(jīng)濟(jì)、人口分布、暴雨影響經(jīng)濟(jì)災(zāi)情等數(shù)據(jù)信息，建立的暴雨洪澇災(zāi)害評估模型不夠全面。以后計劃致力于考慮對致災(zāi)因子、承災(zāi)體和孕災(zāi)環(huán)境三者的綜合考慮，盡量全面客觀的對暴雨災(zāi)害等級進(jìn)行綜合評估分析。