信阳市近30年短历时暴雨雨型特征研究_黄冬凌.pdf

地球科学与环境工程河南科技Henan Science and Technology总第806期第12期2023年6月信阳市近30年短历时暴雨雨型特征研究黄冬凌1,2（1.信阳市茶叶气象重点实验室，河南信阳464000；2.信阳市气象局，河南信阳464000）摘要：【目的目的】研究信阳市近30年短历时暴雨雨型特征，为防灾减灾、服务地方提供技术支撑。【方法方法】运用信阳国家气象站 19912020 年逐分钟雨量资料，通过模糊识别法确定了 60 min、120 min和180 min历时暴雨雨型，并通过计算雨峰系数总结出雨峰分布规律。【结果结果】不同历时暴雨中雨型出现概率大，占比为33.6%36.5%。在不同年代中，历时60 min和120 min暴雨雨型均以雨型为主，而180 min暴雨雨型在2000s以雨型I为主。信阳市短历时强降雨量较为集中，各历时暴雨雨峰均位于降雨过程1/2偏前位置。【结论结论】信阳市区短历时暴雨雨型的主要特征为“单峰型、速度快、强度高、尾巴长”，在工程设计中需重视单峰雨型雨峰前置引发的城市内涝风险。关键词：短历时暴雨；模糊识别法；信阳市；雨型特征中图分类号：P426.6文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）12-0106-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.12.021Research on Short-Duration Rainstorm Pattern Characteristicsin Xinyang City in the Past 30 YearsHUANG Dongling1,2（1.Xinyang Key Laboratory of Tea Meteorology,Xinyang 464000,China;2.Xinyang Meteorological Burea，Xinyang 464000,China）Abstract:Purposes To study the characteristics of the short duration rainstorm rainfall pattern in Xinyang City in the past 30 years and provide technical support for disaster prevention and mitigation and local service.Methods Based on the minute rainfall data of Xinyang National Meteorological Station from1991 to 2020,the rain patterns of 60 min,120 min and 180 min rainstorm are determined by fuzzy recognition method.In addition,the distribution rules of rain peaks are summarized by calculating the rainpeak coefficient.Findings The occurrence probability of moderate rain type in heavy rains withdifferent durations is high,accounting for 33.6%36.5%.In different years,the 60 min and 120 mintorrential rain types were dominated by rain type,while the 180-min torrential rain types were dominated by rain type I in 2000s.The short duration strong rainfall in Xinyang City is concentrated,andthe rainstorm peaks are located in 1/2 of the rainfall process.Conclusions The main characteristics ofthe short duration rainstorm pattern in Xinyang urban area are single peak pattern,fast speed,high intensity and long tail.In engineering design,attention should be paid to the urban waterlogging riskcaused by the front of single peak pattern.Keywords:short-duration rainstorm;fuzzy identification method;Xinyang City;rainfall pattern characteristics收稿日期：2023-03-23作者简介：黄冬凌（1995），女，硕士，工程师，研究方向：气象服务。第12期1070引言21世纪以来，受气候变化的影响，导致极端暴雨事件多发频发1。根据住建部针对20082010年全国范围内涝事故的调查结果显示，出现严重内涝事故的城市所占比例为62%，且有超过一百个城市出现内涝的次数为三次及以上2。由于城市排水防涝的技术标准不高，很多城市应对暴雨洪涝事件的防洪调蓄能力及应急处理能力严重欠缺3。信阳市地处河南省最南端，是中国长江流域和淮河流域的分水岭。20102020年信阳因暴雨致灾16次，其中 2020年“719”特大暴雨造成的灾害仍历历在目。暴雨雨型分析是科学设计城市排水管网和防洪调蓄的基础，对山洪、滑坡等地质灾害的预报预警也十分重要4。信阳市暴雨内涝灾害频发，现有研究多集中于降水量或是针对某次具体暴雨过程的原因分析，对信阳市区多年来暴雨雨型特征的专门研究较少。本研究的目的就是通过信阳市区近30年（19912020年）的降雨观测资料，对信阳市区暴雨雨型进行分类并分析短历时暴雨雨型特征，有利于深入了解信阳市区暴雨演变规律，为防灾减灾、服务地方提供技术支撑，对短历时暴雨预警预报、重点区域气象灾害风险评估等工作具有重要意义。1资料与方法1.1资料来源本研究采用信阳国家气象站19912020年逐分钟降雨观测资料，资料来源于河南省气象探测数据中心，均经过河南省气象探测数据中心数据质量控制和均一性检验。1.2雨型模糊识别法雨型模糊识别法具体计算方法为：将暴雨样本划分为n个时间段；具体计算每个时间段内降水量在总降水量中所占比例xi，获得n个时间段降水量比例的矩阵X；将每个暴雨样本获得的降水矩阵与7 种雨型模式矩阵进行比较，以相似度最高位原则确定每个暴雨样本属于的暴雨雨型5。7种暴雨雨型示意如图1所示。1.3降雨量阈值本研究短历时暴雨降水量的阈值判定选用高绍凤等6提出的计算方法判定暴雨的阈值r（t），具体计算方法见式（1）。r()t|5tt 120min5t-|t24t 120min（1）式中:r（t）表示不同暴雨历时样本计算出的各历时暴雨阈值；暴雨的阈值为r（t）。各历时暴雨等级判定的临界值见表1。1.4降雨样本选取方法采用逐时段滑动统计法，分别提取 60 min、120 min、180 min暴雨过程样本，并从所有暴雨样本中按降水量从多到少选择某历时暴雨过程，直到暴雨样本的降水量达不到阈值为止7，统计样本数量见表2。1.5雨峰位置系数计算雨峰位置系数（简称雨峰系数）采用戴有学等提出的计算公式8。将选出的不同历时暴雨样本以5 min时间间隔长度进行分段，统计计算降雨过程的雨峰位置系数。具体计算公式为式（2）。ri=tiTi（2）式中：ri为雨峰位置系数，ti为降雨峰值时刻，Ti为降雨历时。2结果分析2.1暴雨雨型特征通过模糊识别法对信阳市19912020年不同图17种暴雨雨型示意图表1短历时暴雨等级临界值表2短历时暴雨样本统计历时/min60120180暴雨/mm17.324.429.9历时/min60120180暴雨/次189156137黄冬凌.信阳市近30年短历时暴雨雨型特征研究强度强度强度强度强度强度强度历时历时历时历时历时历时历时108第12期历时暴雨雨型分布情况进行分析，结果如图 2 所示。60 min、120 min以及180 min短历时暴雨雨型主要表现为单峰型，约占58.7%67.8%。其中，60 min短历时暴雨雨型中主要以第类单峰雨型为主，近30年共出现69次，占36.5%；其次为第类双峰雨型和第类单峰雨型分别出现 24 次和 23 次，占12.7%和 12.2%。120 min 短历时暴雨雨型中主要以第类单峰雨型为主，近 30年共出现 56次，占35.8%；其次为第I类单峰雨型出现30次，占19.2%。180 min短历时暴雨雨型中仍然以第类单峰雨型为主，近30年共出现46次，占33.6%，其次为第类单峰雨型出现30次，占21.9%。从雨型组成结构可知，60 min、120 min 以及180 min短历时暴雨雨型均为第类雨型所占比例最高，因此近30年信阳市区短历时暴雨雨型主要以第类单峰雨型为主。随着暴雨历时的不断增长，雨型所占比例逐渐减小，而雨型I所占比例逐渐增大。2.2雨型时间变化各历时暴雨不同年代的雨型变化特征如图 3所示。历时60 min暴雨雨型中，1990s第、类单峰雨型出现概率为 82.1%，2000s出现的概率为 55.1%，2010s出现的概率为 50.0%，随着年代变化单峰雨型出现的概率逐渐降低。其中均为雨型占比最高，为 29.2%56.4%，随着年代变化雨型占比逐渐降低。历时120 min的暴雨雨型中，1990s第、类单峰雨型出现概率为 59.0%，2000s出现的概率为 59.6%，2010s出现的概率为 75.4%，随着年代变化单峰雨型出现的概率逐渐增加。其中均为雨型占比最高，为 30.8%43.1%，随着年代变化雨型出现的概率逐渐增加；雨型I占比其次，为17%图2各历时暴雨雨型分布概率/%概率/%概率/%图3各历时暴雨雨型时间变化趋势黄冬凌.信阳市近30年短历时暴雨雨型特征研究（a）60 min（b）120 min（c）180 min（a）60 min（b）120 min（c）180 min概率/%概率/%暴雨年代年代1990s2000s2010s1990s2000s2010s1990s2000s2010s年代次数概率次数次数次数5040302010050403020100605040302010040302010040302010040302010080604020060402006040200雨型第12期10921.2%，雨型I没有明显年代变化规律。历时180 min的暴雨雨型中，1990s第、类单峰雨型出现概率为 65.2%，2000s出现的概率为 65.7%，2010s出现的概率为 71.7%，随着年代变化单峰雨型出现的概率逐渐增加。其中 1990s和2010s 雨型 III 占比最高，分别为 26.3%和 41.7%，2000s雨型 I占比最高，为 34.8%，年代变化规律不明显。2.3雨峰特征分析利用 60 min、120 min 和 180 min 暴雨样本，计算分析近30年信阳市各历时暴雨雨峰系数（表3）。60 min、120 min 和 180 min 暴 雨 雨 峰 系 数 介 于0.3780.478之间，综合雨峰系数为0.423。其中，不同历时暴雨样本中，历时60 min和120 min暴雨雨峰系数分别为0.478和0.393，雨峰位置处于样本过程 1/2 偏前位置；历时 180 min 暴雨雨峰系数为0.378，雨峰位置处于样本过程的1/3的位置。通过60 min、120 min和180 min暴雨雨峰位置分析，信阳市短历时暴雨强度较为集中，多位于样本过程1/2偏前位置。3结论总体上，19912020 年信阳市区 60 min、120 min和180 min短历时暴雨雨型单峰型出现频率最高，双峰型其次，均匀性最少。短历时暴雨单峰型雨型中，雨型所占比例最高，为 33.6%36.5%；其次为雨型，所占比例为12.2%21.9%。从不同年代分析可知，1990s、2000s及2010s信阳市区短历时暴雨雨型均以单峰型为主。其中，历时60 min和120 min暴雨雨型中各年代均为雨型所占比例最高，且随着年代变化历时 60 min暴雨雨型中雨型占比逐渐降低，而历时120 min暴雨雨型中雨型占比逐渐增加；历时180 min暴雨雨型中，除2000s外均为雨型III所占比例最高，年代变化规律不明显。各时段雨峰系数介于 0.3780.478 之间，综合雨峰系数为0.423。信阳市短历时强降雨量较为集中，历时60 min和120 min暴雨雨峰在降雨过程1/2偏前位置，历时180 min暴雨雨峰位于降雨过程1/3的位置。信阳市区短历时暴雨雨型的主要特征为“单峰型、速度快、强度高、尾巴长”。当短历时暴雨来临，短时间内降水量将快速增加，对城市管网排水造成巨大压力，增加城市内涝风险。因此，当气象部门发布短历时暴雨预警信号时，需要迅速启动应急响应。相关部门必须尽快做好排水排涝相关准备工作，加大疏通抢排力度，以避免因短历时暴雨强度过大造成的城市内涝灾害。参考文献：1 杨柳，赵俊虎，封国林.中国北方季风区盛夏典型雨型的大气环流背景和海表温度演变特征 J.气候与环境研究，2021，26（5）:493-508.2 陈鹏，赵剑伟.城市暴雨内涝灾害起源分析与对策研究 J.灾害学，2022，37（3）：33-36，60.3 唐明，许文斌，尧俊辉，等.基于城市内涝数值模拟的设计暴雨雨型研究 J.中国给水排水，2021，37（5）：97-105.4 邱译萱，任晓峰，杨雪艳，等.吉林市暴雨强度公式推求和设计雨型 J.干旱气象，2021，39（1）：151-158.5 曹经福，杨艳娟，郭军，等.天津市短时暴雨雨型时空分异及其对城市内涝的影响 J.气象与环境学报，2021，37（4）：114-121.6 高绍凤，陈万隆，朱超群，等.应用气候学 M.北京：气象出版社，2001：2787 孙周亮，鲍振鑫，舒章康，等.南京市近25年短历时暴雨雨型特性 J.水文，2019，39（5）：78-83.8 戴有学，王振华，戴临栋，等.芝加哥雨型法在短历时暴雨雨型设计中的应用 J.干旱气象，2017，35（6）：1061-1069.表319912020年信阳市各历时平均雨峰系数降雨历时/min60120180暴雨样本/次189156137各降雨历时雨峰位置系数0.4780.3930.378综合雨峰系数0.423黄冬凌.信阳市近30年短历时暴雨雨型特征研究