昆山市暴雨短歷時(shí)設(shè)計(jì)雨型的推求

汪婷 包云軒 陳粲 唐倩 吳俊梅 夏蘊(yùn)玉

(1 昆山市氣象局，江蘇 昆山 215337；2 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)和評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044)

引 言

隨著城市化的發(fā)展，城市下墊面不透水面積顯著增加，導(dǎo)致城市的排水能力大幅度減小[1-3]。同時(shí)在全球氣候變化的影響下，多地極端暴雨事件發(fā)生頻繁，很多城市和地區(qū)遭受嚴(yán)重的暴雨內(nèi)澇災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著城市和人民的安全[4-6]。雖然導(dǎo)致城市內(nèi)澇災(zāi)害的原因有很多，但其中一個(gè)重要原因就是城市的雨水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低，而研究城市的設(shè)計(jì)暴雨雨型可以為城市的建設(shè)和排水提供參考[7-8]。

至今，研究雨型的方法已有很多，Keifer, et al[9]在1957年就曾依據(jù)強(qiáng)度—?dú)v時(shí)—頻率關(guān)系得出了不均勻的芝加哥設(shè)計(jì)雨型。Pilgrim, et al[10]在1975年提出了一種無(wú)級(jí)序平均法推求短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型，即Pilgrim & Cordery法。此外還有Huff雨型[11]和三角形雨型[12]等。目前，國(guó)內(nèi)外常用的主要是芝加哥雨型法和Pilgrim & Cordery雨型法。我國(guó)學(xué)者也對(duì)這兩種雨型進(jìn)行了很多的研究。鄧培德[13]曾利用芝加哥雨型對(duì)調(diào)蓄池容積進(jìn)行了計(jì)算。岑國(guó)平等[14]等曾經(jīng)過(guò)大量的模擬和比較，最終得出芝加哥雨型的效果較好，一般能滿足精度要求，并且比較容易確定雨強(qiáng)過(guò)程。馬京津等[15]曾采用Pilgrim & Cordery法，比較分析了兩種取樣方法下的北京市短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型，結(jié)果表明兩種取樣方法下60 min歷時(shí)和120 min歷時(shí)雨型分布形狀相同，但具體的降雨量分配比例不同。王光明等[16]利用模糊識(shí)別法、芝加哥法、Pilgrim & cordery法及同頻率法對(duì)湖南地區(qū)短歷時(shí)暴雨雨型進(jìn)行了識(shí)別和推求，最終得出芝加哥法和Pilgrim & cordery法推求的各歷時(shí)大部分暴雨雨型基本一致，與實(shí)際更接近。各種設(shè)計(jì)雨型之間及其與實(shí)際雨型之間均存在著一定的差異，如何找到與實(shí)際雨型最相近的設(shè)計(jì)雨型是目前“海綿城市”建設(shè)中急需解決的問(wèn)題。

昆山地處長(zhǎng)江中下游地區(qū)太湖平原，屬于北亞熱帶南部季風(fēng)性氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，在夏季易發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害，但目前尚無(wú)昆山市短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式及其雨型的相關(guān)研究。因此，本文基于2008—2016年昆山市自動(dòng)氣象觀測(cè)站網(wǎng)的逐分鐘降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別利用芝加哥雨型法和Pilgrim & Cordery雨型法推求昆山市不同生態(tài)系統(tǒng)在不同重現(xiàn)期下的60 min歷時(shí)和120 min歷時(shí)的設(shè)計(jì)暴雨雨型，以期為昆山城市排水防洪設(shè)計(jì)及“海綿城市”建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

昆山市在江蘇省東南部(圖1a)，地處長(zhǎng)江中下游地區(qū)太湖平原，總面積為927.7 km2，其中水域面積占比23.1%，境內(nèi)河網(wǎng)分布密集，地勢(shì)從西南(高)向東北(低)略呈傾斜，地面高程平均為3.4 m。在這種地形地勢(shì)和水系環(huán)境下，受氣候特征影響，夏季更易發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害，尤其是6月中旬至7月上旬，受梅雨天氣影響，會(huì)出現(xiàn)持續(xù)不斷的陰雨天氣，城市內(nèi)澇更易形成。

1.2 資料來(lái)源

降水資料采用2008—2016年江蘇省昆山市自動(dòng)氣象觀測(cè)站逐分鐘降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)選取1個(gè)代表站：張浦鎮(zhèn)站(城市生態(tài)系統(tǒng))、崇寧寺站(湖泊生態(tài)系統(tǒng))、周莊鎮(zhèn)站(濕地生態(tài)系統(tǒng))、苗圃場(chǎng)站(農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng))、森林公園站(森林生態(tài)系統(tǒng))，其分布如圖1b所示。

1.3 雨型選樣方案

降雨場(chǎng)次樣本的選取采用最大歷時(shí)過(guò)程，其中各歷時(shí)雨型的閾值雨量采用各歷時(shí)暴雨的臨界值R(t) 來(lái)定義[17]。公式如下：

(1)

式中：R(t)為暴雨的臨界值，t為降雨歷時(shí)。根據(jù)公式計(jì)算得出60 min雨型的閾值為17.32 mm；120 min雨型的閾值為23.98 mm。

圖1 昆山市地理位置(a)和各生態(tài)系統(tǒng)代表站位置(b)Fig.1 Geographical location (a) and the representative stations(b) for different ecosystems of Kunshan City

1.4 雨型的推求方法

1.4.1 芝加哥雨型法

芝加哥雨型法[16,18-19]對(duì)雨型的確定主要包括：確定綜合雨峰位置系數(shù)、確定芝加哥降雨過(guò)程線模型。以下為具體流程：

(1)計(jì)算綜合雨峰位置系數(shù)r。先將降雨過(guò)程樣本按逐5 min進(jìn)行分段，再以“降雨峰值時(shí)刻/降雨歷時(shí)”求得相應(yīng)降雨樣本的雨峰位置系數(shù)；然后再把同一歷時(shí)降雨樣本的雨峰位置系數(shù)求平均，最后以歷時(shí)長(zhǎng)度將各歷時(shí)的雨峰位置系數(shù)求加權(quán)平均，得到綜合雨峰位置系數(shù)r。

(2)計(jì)算暴雨強(qiáng)度公式。暴雨選樣方法為年多個(gè)樣法[20]，然后使用皮爾遜Ⅲ型分布[21]對(duì)頻率進(jìn)行分析，最后運(yùn)用高斯—牛頓法[22]求解暴雨強(qiáng)度公式參數(shù)，暴雨強(qiáng)度公式采用我國(guó)《室外排水規(guī)范》[23]推薦的形式：

(2)

式中：i為降雨強(qiáng)度(單位：mm·min-1)；A1為雨力參數(shù)；C為雨力變動(dòng)參數(shù)；P為降雨重現(xiàn)期(單位：a)；t為降雨歷時(shí)(單位：min)；b為歷時(shí)修正參數(shù)；n為雨力衰減指數(shù)。

(3)

(4)

(4)根據(jù)芝加哥法雨型公式計(jì)算出降雨歷時(shí)各時(shí)段的累積降水量和平均降水量，最后可得到相應(yīng)重現(xiàn)期、降雨歷時(shí)下的芝加哥法雨型。

1.4.2 Pilgrim & Cordery雨型法

Pilgrim & Cordery雨型法[15]推求雨型主要包括確定各時(shí)段雨量大小的排序序號(hào)和各時(shí)段雨量大小的雨量比例序位。具體流程如下：

(1)挑選各歷時(shí)下降雨量最大的前多場(chǎng)降雨事件。

(2)將各歷時(shí)按逐5 min分成若干時(shí)段。

(3)對(duì)于挑選出的每一場(chǎng)降雨，將各時(shí)段的雨量從大到小排列并標(biāo)出各時(shí)段的序號(hào)，小序號(hào)與大雨量對(duì)應(yīng)，然后將各對(duì)應(yīng)時(shí)段的序號(hào)求平均，平均值按從小到大的順序?qū)?yīng)雨強(qiáng)從大到小的順序。

(4)計(jì)算各時(shí)段各次降雨量占總雨量的比例，然后對(duì)各時(shí)段的占比取平均值。

(5)根據(jù)(3)中的最大可能次序和(4)中的分配比例安排每個(gè)時(shí)段，即可確定雨量過(guò)程線。

根據(jù)實(shí)際樣本，分析5個(gè)代表站實(shí)際降水樣本中各種峰型及雨峰位置的降水場(chǎng)次占樣本總場(chǎng)次的比例，結(jié)果如表1所示。60 min歷時(shí)的實(shí)際降水結(jié)果中，除森林公園站的雨型以多峰型為主外，其他站點(diǎn)均以單峰型為主，各個(gè)站點(diǎn)的雨峰位置多在整場(chǎng)降水過(guò)程的前部或中間位置；120 min歷時(shí)的實(shí)際降水結(jié)果中，除張浦鎮(zhèn)站的雨型以單峰型為主外，其他站點(diǎn)均以多峰型為主，各個(gè)站點(diǎn)的雨峰位置多在整場(chǎng)降水過(guò)程的前部。

表1 60 min和120 min歷時(shí)的實(shí)際降水雨樣中各種峰型及雨峰位置的降水場(chǎng)次占樣本總場(chǎng)次的比例Table 1 The proportion of precipitation events of various peak types and rain peak positions in the total rainfall of the sample in theactual precipitation rain sample lasting for 60 minutes and 120 minutes %

2 芝加哥雨型法推求設(shè)計(jì)暴雨雨型結(jié)果

2.1 雨峰位置系數(shù)

根據(jù)公式(2)計(jì)算出不同站點(diǎn)的雨峰位置系數(shù)，見(jiàn)表2。從表中可以看出，60 min歷時(shí)和120 min歷時(shí)下的雨峰位置均處于靠前的位置。

表2 5個(gè)代表站的各歷時(shí)雨峰系數(shù)及綜合雨峰系數(shù)Table 2 Diachronic rainfall peak coefficients and comprehensive rainfall peak coefficient at five representational stations

2.2 芝加哥法雨型公式

根據(jù)計(jì)算，得到各代表站的暴雨強(qiáng)度公式，見(jiàn)表3。然后根據(jù)綜合雨峰位置系數(shù)r和暴雨強(qiáng)度公式，可以導(dǎo)出芝加哥法雨型公式(即雨峰前后瞬時(shí)降雨強(qiáng)度公式)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 5個(gè)代表站的暴雨強(qiáng)度公式Table 3 Rainstorm intensity formula at five representativestations in five ecosystems

2.3 芝加哥雨型法的暴雨雨型結(jié)果

圖2給出了5個(gè)代表站的60 min設(shè)計(jì)暴雨雨型，從中可以看出，在60 min的暴雨過(guò)程中，瞬時(shí)雨強(qiáng)分布均為單峰型分布，瞬時(shí)雨強(qiáng)隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增后減，但各個(gè)站點(diǎn)達(dá)到峰值的時(shí)間有所差異，依次是在張浦鎮(zhèn)站25 min、崇定寺站29 min、周莊鎮(zhèn)站23 min、苗圃場(chǎng)站21 min、森林公園站26 min左右達(dá)到峰值，雨峰位置均位于中間偏前，與實(shí)際降水雨樣雨峰位置的分析結(jié)果相符。各個(gè)站點(diǎn)對(duì)比60 min暴雨過(guò)程的不同重現(xiàn)期瞬時(shí)雨強(qiáng)的變化：重現(xiàn)期越大，瞬時(shí)雨強(qiáng)越大；重現(xiàn)期P=0.25 a時(shí)的瞬時(shí)雨強(qiáng)峰值最小，重現(xiàn)期P=10 a時(shí)的瞬時(shí)強(qiáng)度峰值最大。

表4 5個(gè)代表站的芝加哥法雨型公式Table 4 Rainfall formulas of five representational stations based on the Chicago rainfall pattern method

圖2 不同重現(xiàn)期下5個(gè)代表站的60 min設(shè)計(jì)暴雨雨型：(a)張浦鎮(zhèn)站; (b)崇寧寺站; (c)周莊鎮(zhèn)站; (d)苗圃場(chǎng)站; (e)森林公園站Fig.2 Design of rainstorm patterns for 60 min at five representation stations in different reproduction periods: (a)Zhangpuzhen; (b)Chongningsi;(c)Zhouzhuangzhen; (d)Miaopuchang; (e) forest park

圖4 不同重現(xiàn)期下5個(gè)代表站的60 min暴雨最大分段降水Fig.4 Maximum subsection precipitation of 60-minute rainstorm atfive representative stations in different recurrence periods

從5個(gè)代表站的60 min暴雨分段降水過(guò)程(圖3)可以看出，除崇寧寺站、森林公園站外，其它站點(diǎn)均是在0～20 min中區(qū)間內(nèi)分段降水量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在20～25 min時(shí)達(dá)到最大值，崇寧寺站、森林公園站是在0～25 min中區(qū)間內(nèi)分段降水量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在25～30 min時(shí)達(dá)到最大值。各站點(diǎn)重現(xiàn)期P=0.25 a時(shí)分段降水最小，重現(xiàn)期P=10 a時(shí)分段降水最大，其他重現(xiàn)期的分段降水介于二者之間。

對(duì)比5個(gè)代表站60 min雨型的最大分段降水量(圖4)，同一重現(xiàn)期下，苗圃場(chǎng)站(農(nóng)田)的值最大，森林公園站(森林)的值最小。120 min雨型的瞬時(shí)雨強(qiáng)變化趨勢(shì)以及分布型(圖5)與歷時(shí)60 min暴雨過(guò)程基本一致，只是在時(shí)間分配上略有差別，雨峰位置也均在中間靠前的位置，與實(shí)際降水雨樣雨峰位置的分析結(jié)果相符。各個(gè)站點(diǎn)對(duì)比120 min暴雨過(guò)程的不同重現(xiàn)期瞬時(shí)雨強(qiáng)的變化，重現(xiàn)期越大瞬時(shí)雨強(qiáng)越大，重現(xiàn)期P=0.25 a時(shí)的瞬時(shí)雨強(qiáng)峰值最小，重現(xiàn)期P=10 a時(shí)的瞬時(shí)強(qiáng)度峰值最大。

根據(jù)5個(gè)代表站的120 min暴雨分段降水過(guò)程(圖6)可以看出，張浦鎮(zhèn)站、周莊鎮(zhèn)站、森林公園站是在降雨開始后45～50 min時(shí)達(dá)到最大值，崇寧寺站是在55～60 min時(shí)達(dá)到最大值，苗圃場(chǎng)站是在40～45 min時(shí)達(dá)到最大值。不同重現(xiàn)期分段降水的變化也是重現(xiàn)期越大分段降水越大。

從圖7可以看出，同一重現(xiàn)期下，5個(gè)代表站的120 min雨型最大分段降水量與60 min雨型的結(jié)果相同，苗圃場(chǎng)站(農(nóng)田)的值依然是所以站點(diǎn)中最大的，森林公園站(森林)的值最小，其他站點(diǎn)的值介于中間。

3 Pilgrim & Cordery法推求設(shè)計(jì)暴雨雨型結(jié)果

3.1 60 min暴雨雨型結(jié)果

根據(jù)Pilgrim&Cordery雨型模型的原理，雨峰出現(xiàn)在級(jí)序最大的位置上，結(jié)合各時(shí)段的綜合級(jí)序和比例，可得到各站點(diǎn)歷時(shí)60 min設(shè)計(jì)暴雨雨型的分布圖，見(jiàn)圖8。從圖中可知，張浦鎮(zhèn)站、森林公園站的暴雨雨型為多峰型，設(shè)計(jì)暴雨雨型峰值分別在50～55 min時(shí)段和20～25 min時(shí)段；崇寧寺站、周莊鎮(zhèn)站、苗圃場(chǎng)站為單峰型，設(shè)計(jì)暴雨雨型峰值分別在15～20 min時(shí)段、10～15 min時(shí)段和20～25 min時(shí)段。5個(gè)站相應(yīng)雨峰發(fā)生位置為張浦鎮(zhèn)站0.92、崇寧寺站0.33、周莊鎮(zhèn)站0.25、苗圃場(chǎng)站0.42、森林公園站0.42，除了張浦鎮(zhèn)站的雨峰位置靠后外，其他站點(diǎn)的雨峰位置均在中間偏前。

圖5 不同重現(xiàn)期下5個(gè)代表站的120 min設(shè)計(jì)暴雨雨型：(a)張浦鎮(zhèn)站; (b)崇寧寺站; (c)周莊鎮(zhèn)站; (d)苗圃場(chǎng)站; (e)森林公園站Fig.5 Design 5 of rainstorm patterns for 120 min at five representation stations in different reproduction periods:(a)Zhangpuzhen; (b)Chongningsi; (c)Zhouzhuangzhen; (d)Miaopuchang; (e) forest park

圖6 不同重現(xiàn)期下5個(gè)代表站的120 min暴雨分段降水過(guò)程(a)張浦鎮(zhèn)站; (b)崇寧寺站; (c)周莊鎮(zhèn)站; (d)苗圃場(chǎng)站; (e)森林公園站Fig.6 120-minute subsection rainstorm processes of five representative stations in different recurrence periods:(a)Zhangpuzhen; (b)Chongningsi; (c)Zhouzhuangzhen; (d)Miaopuchang; (e) forest park

圖7 不同重現(xiàn)期下5個(gè)代表站的120 min暴雨最大分段降水量Fig.7 Maximum subsection precipitation of 120-minute rainstorm atfive representative stations in different recurrence periods

從圖9可以看出，同一重現(xiàn)期下各生態(tài)系統(tǒng)的最大分段降水量大小為：苗圃場(chǎng)站(農(nóng)田)>周莊鎮(zhèn)站(濕地)>崇寧寺站(湖泊)>張浦鎮(zhèn)站(城市)>森林公園站(森林)，規(guī)律與芝加哥雨型法結(jié)果相似，苗圃場(chǎng)站的值仍然是所有站點(diǎn)中最大的。

3.2 120 min暴雨雨型結(jié)果

類似地，求得各站點(diǎn)歷時(shí)120 min設(shè)計(jì)暴雨雨型的分布圖(圖10)。由此可見(jiàn)，5個(gè)站點(diǎn)的暴雨雨型均為多峰型，設(shè)計(jì)暴雨雨型的峰值依次是在10～15 min時(shí)段、110～115 min時(shí)段、30～35 min時(shí)段、0～5 min時(shí)段、50～55 min時(shí)段。相應(yīng)的雨峰發(fā)生位置為張浦鎮(zhèn)站0.125、崇寧寺站0.96、周莊鎮(zhèn)站0.29、苗圃場(chǎng)站0.04、森林公園站0.46，除了崇寧寺站的雨峰位置靠后外，其他站點(diǎn)的雨峰位置均出現(xiàn)在中間偏前。120 min設(shè)計(jì)暴雨雨型的分布結(jié)果均是多峰型，與實(shí)際降水雨型中多峰型為主的結(jié)果相符，這表明Pilgrim & Cordery雨型法在推求昆山市120 min暴雨雨型分布時(shí)更接近實(shí)際。

從圖11可以看出，同一重現(xiàn)期下各生態(tài)系統(tǒng)的最大分段降水量大小為：苗圃場(chǎng)站(農(nóng)田)>張浦鎮(zhèn)站(城市)>森林公園站(森林)>崇寧寺站(湖泊)>周莊鎮(zhèn)站(濕地)，與歷時(shí)60 min雨型的結(jié)果相同的是，其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的最大分段降水量依然是五個(gè)系統(tǒng)中最大的。

4 兩種設(shè)計(jì)雨型方法的結(jié)果對(duì)比

實(shí)際雨樣的分布在歷時(shí)60 min時(shí)以單峰型為主，雨峰位置多靠前部，在歷時(shí)120 min時(shí)以多峰型為主，雨峰位置也多靠前部。芝加哥雨型法推求的昆山市短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型均為單峰型，雨峰位置均位于中間偏前。Pilgrim & Cordery雨型法推求設(shè)計(jì)暴雨雨型時(shí)，歷時(shí)60 min設(shè)計(jì)暴雨雨型的分布以單峰型為主，除張浦鎮(zhèn)站的雨峰位置靠后外，其他站點(diǎn)的雨峰位置均在中間偏前；歷時(shí)120 min設(shè)計(jì)暴雨雨型均為多峰型，除崇寧寺站的雨峰位置靠后外，其他站點(diǎn)的雨峰位置均出現(xiàn)在中間偏前。兩種方法在推求歷時(shí)60 min設(shè)計(jì)暴雨雨型分布時(shí)結(jié)果基本一致，即單峰型雨型，雨峰位置位于中間偏前，與實(shí)際雨樣的分布情況基本一致；在推求歷時(shí)120 min設(shè)計(jì)暴雨雨型分布時(shí)結(jié)果有所差異，芝加哥雨型法結(jié)果為單峰型，Pilgrim & Cordery雨型法結(jié)果為多峰型，但雨峰位置基本都位于中間偏前，Pilgrim & Cordery雨型法的結(jié)果與實(shí)際雨樣更為接近。

圖9 60 min歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型下5個(gè)代表站不同重現(xiàn)期的最大分段降水量對(duì)比Fig.9 Comparison of maximum segmented precipitation at fiverepresentation stations in different reproduction periods under thedesigned rainstorm patterns of 60 minutes duration

為了進(jìn)一步比較兩種方法的結(jié)果與實(shí)際雨樣的區(qū)別，將芝加哥雨型法和Pilgrim & Cordery雨型法得到的每個(gè)代表站的各歷時(shí)最大分段降水量與實(shí)際降水雨樣的平均最大分段降水量進(jìn)行比較(圖略)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)60 min和120 min歷時(shí)下，芝加哥雨型法得到的平均最大分段降水量均比Pilgrim & Cordery法和實(shí)際雨樣大，Pilgrim & Cordery法的結(jié)果略小于實(shí)際雨樣。芝加哥雨型法的結(jié)果與實(shí)際雨樣的差距較大，其平均最大分段降水量接近實(shí)際雨樣的兩倍；而Pilgrim & Cordery法雨型結(jié)果與實(shí)際雨樣的差距相對(duì)較小，除了在苗圃場(chǎng)站Pilgrim & Cordery法的平均最大分段降水量略大于實(shí)際雨樣外，在其他站點(diǎn)均小于實(shí)際雨樣。

圖10 5個(gè)代表站歷時(shí)120 min設(shè)計(jì)暴雨雨型分布：(a)張浦鎮(zhèn)站; (b)崇寧寺站; (c)周莊鎮(zhèn)站; (d)苗圃場(chǎng)站; (e)森林公園站Fig.10 Designs of rainstorm pattern distribution at five representation stations for 120 minutes: (a)Zhangpuzhen; (b)Chongningsi; (c)Zhouzhuangzhen; (d)Miaopuchang; (e) forest park

根據(jù)前述分析結(jié)果，芝加哥雨型法和Pilgrim & Cordery雨型法均得出，同一重現(xiàn)期下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的峰值降雨強(qiáng)度、最大分段降水量、累積降水量是五種生態(tài)系統(tǒng)中最大的。對(duì)于其他生態(tài)系統(tǒng)，在60 min歷時(shí)情況下，濕地生態(tài)系統(tǒng)的最大分段降水量?jī)H次于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，而森林生態(tài)系統(tǒng)的最大分段降水量總是最小的；當(dāng)歷時(shí)為120 min時(shí)，不同生態(tài)系統(tǒng)之間的最大分段降水量有差異，但是規(guī)律不明顯?？梢?jiàn)生態(tài)系統(tǒng)的類型對(duì)昆山市降水是有影響的，且在5種生態(tài)系統(tǒng)中，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)降水的影響最為顯著。

5 結(jié)論

本文根據(jù)昆山市自動(dòng)氣象觀測(cè)站網(wǎng)2008—2016年的逐分鐘降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別利用芝加哥雨型法和Pilgrim & Cordery雨型法推求了昆山市不同生態(tài)系統(tǒng)在不同重現(xiàn)期下60 min歷時(shí)和120 min歷時(shí)的設(shè)計(jì)暴雨雨型，通過(guò)分析得到如下結(jié)論：

(1)采用芝加哥雨型法設(shè)計(jì)昆山市短歷時(shí)暴雨雨型，在歷時(shí)60 min和120 min時(shí)均為單峰型，雨峰位置均是中間靠前的位置。

(2)采用Pilgrim & Cordery雨型法設(shè)計(jì)昆山市短歷時(shí)暴雨雨型，歷時(shí)60 min設(shè)計(jì)暴雨雨型中，除城市和森林生態(tài)系統(tǒng)代表站為多峰型外，其它均為單峰型；除城市生態(tài)系統(tǒng)代表站的雨峰位置靠后外，其它生態(tài)系統(tǒng)代表站均是中間靠前的位置。歷時(shí)120 min的設(shè)計(jì)暴雨雨型均為多峰型，除湖泊生態(tài)系統(tǒng)代表站的雨峰位置靠后外，其它生態(tài)系統(tǒng)代表站均是中間靠前的位置。

圖11 120 min歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型下5個(gè)代表站不同重現(xiàn)期的最大分段降水量對(duì)比Fig.11 Comparison of maximum segmented precipitation atfive representation stations in different reproduction periods underthe designed rainstorm patterns of 120 minutes duration

(3)芝加哥雨型法和Pilgrim & Cordery雨型法在推求歷時(shí)60 min設(shè)計(jì)暴雨雨型分布時(shí)結(jié)果基本一致，為單峰型雨型，雨峰位置中間偏前，與實(shí)際雨樣的分布基本一致。歷時(shí)120 min設(shè)計(jì)暴雨雨型分布推求時(shí)，芝加哥雨型法為單峰型，Pilgrim & Cordery雨型法與實(shí)際雨樣一樣以多峰型為主，但兩種方法求得的雨峰位置都是多位于中間偏前位置。60 min和120 min歷時(shí)下，芝加哥雨型法求得的平均最大分段降水量大于Pilgrim & Cordery法和實(shí)際雨樣，Pilgrim & Cordery法的結(jié)果略小于實(shí)際雨樣。芝加哥雨型法的平均最大分段降水量與實(shí)際雨樣的差距較大，接近實(shí)際雨樣的兩倍，而Pilgrim & Cordery法雨型的結(jié)果與實(shí)際雨樣的差距相對(duì)較小。芝加哥雨型法強(qiáng)烈依靠暴雨強(qiáng)度公式，僅能推導(dǎo)單峰型雨型，方法簡(jiǎn)單，根據(jù)本文結(jié)果，芝加哥雨型法在短歷時(shí)情況下比較適用，其計(jì)算值相較于實(shí)際降水偏大。Pilgrim & Cordery雨型法相對(duì)比較復(fù)雜，其求得的雨型分布、最大分段降水量以及雨峰位置均與實(shí)際雨樣結(jié)果更為接近。

(4)生態(tài)系統(tǒng)的類型對(duì)昆山市降水是有影響的，五種生態(tài)系統(tǒng)中以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響最為顯著。芝加哥雨型法和Pilgrim & Cordery雨型法的結(jié)果均表示，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的最大分段降水量是五種生態(tài)系統(tǒng)中最大的。對(duì)于其他生態(tài)系統(tǒng)，歷時(shí)60 min時(shí)，濕地生態(tài)系統(tǒng)的最大分段降水量?jī)H次于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，森林生態(tài)系統(tǒng)的最大分段降水量最?。粴v時(shí)120 min時(shí)，不同生態(tài)系統(tǒng)之間的差異無(wú)明顯規(guī)律。

分析昆山市各自動(dòng)氣象站、人工氣象站和水文雨量站的多年降水觀測(cè)資料后發(fā)現(xiàn)：通常昆山白天的降水量和降水時(shí)段明顯多于夜間，且苗圃場(chǎng)站為連片農(nóng)田區(qū)域，夏半年農(nóng)田地表蒸散發(fā)較強(qiáng)，周圍水系與其形成局地環(huán)流，白天在農(nóng)田上方為上升氣流，在水系上方為下沉氣流，上升氣流加水汽發(fā)展到一定程度就形成云系和降水，因此，白天農(nóng)田上方形方易產(chǎn)生降水，而水系上方相對(duì)來(lái)說(shuō)，不如農(nóng)田那樣容易產(chǎn)生降水。暴雨形成的條件主要有5個(gè)：天氣系統(tǒng)、水汽條件、大氣穩(wěn)定度、觸發(fā)機(jī)制和有利的地理環(huán)境。據(jù)蘇州市氣象局和昆山市氣象局多年來(lái)對(duì)入侵蘇州地區(qū)和昆山市的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的移動(dòng)路徑進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：入侵昆山市的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)移動(dòng)路徑主要有4條：①西北偏西路徑：從沿江南岸取西北偏西至東南偏東方向入侵昆山北部和東部地區(qū)；②東南路徑：隨東南季風(fēng)從上海地區(qū)入侵昆山東部地區(qū)；③偏南路徑：從浙北地區(qū)北上入侵昆山南部地區(qū)；④西南偏西路徑：從太湖東岸的蘇州工業(yè)區(qū)向東北偏東方向移動(dòng)入侵昆山大部和上海西部。這4條路徑影響頻次最多、發(fā)生強(qiáng)度最強(qiáng)的地區(qū)正好是昆山東部的苗圃場(chǎng)地區(qū)。本研究中的苗圃場(chǎng)站地處上海超大型城市區(qū)與昆山中小城市區(qū)的過(guò)渡農(nóng)田帶，是地勢(shì)相對(duì)較低的南北向廊道區(qū)，也是來(lái)自北面長(zhǎng)江和南面淀山湖、澄湖的水汽輸送通道，無(wú)論是夏季還是冬季都有較多的高水汽含量氣流經(jīng)過(guò)或匯聚該地區(qū)。雖然作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)代表的苗圃場(chǎng)站的地表水汽來(lái)源分布條件不如崇寧寺站(湖泊)、周莊鎮(zhèn)站(濕地)和森林公園站(森林)，但優(yōu)于張浦鎮(zhèn)站(城市)，且因南北向江岸風(fēng)環(huán)流、東西向“雙熱島環(huán)流”(東與上海市、西與昆山市的城郊熱島環(huán)流)的共同影響，不僅大氣不穩(wěn)定度、垂直運(yùn)動(dòng)和對(duì)流條件要比其它站強(qiáng)，而且實(shí)際的水汽垂直輸送條件也優(yōu)于其它站，特別在夏半年因受東南季風(fēng)影響，來(lái)自東南面海上的暖濕空氣穿經(jīng)該廊道時(shí)，在局地環(huán)流的擾動(dòng)下，水汽抬升，更易產(chǎn)生積狀云系，形成暴雨。因此，作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)代表的苗圃場(chǎng)站的最大分段降水量總是5個(gè)系統(tǒng)中最大的。

受限于本文所用的資料長(zhǎng)度較短，最終結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)受到一定的影響，但本文所推求的短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型結(jié)果，對(duì)昆山市“海綿城市建設(shè)”的規(guī)劃設(shè)計(jì)和城市排水工程的改造仍具有一定的參考意義。