極端暴雨對雷州半島及粵西可能最大暴雨的影響

熊靜 張康 劉學明 水利部珠江河口動力學及伴生過程重點實驗室 珠江水利委員會珠江水利科學研究院

可能最大暴雨（PMP）是指在現代氣候條件下，一年的某一時期，特定設計流域或區域上一定歷時內、物理上可能發生的近似上限降水量。高風險水庫工程或重要工程（如核電工程等）防洪排澇設計時常常需要確定流域（或區域）的可能最大暴雨（PMP），進而推求流域或區域的可能最大設計洪水（PMF）。一直以來，PMP的推求主要有兩類途徑，其一是基于實際觀測統計理論的頻率分析方法；其二是基于研究降水形成的物理機制的氣象水文分析方法。兩種途徑推求PMP從方法上看具有互補性，頻率分析法能較好的利用歷史資料數據信息，有明確的頻率概念，但對暴雨形成的物理成因并不清楚，在人類活動及自然氣候變化雙重影響條件下長系列資料常表現出非一致性，以往歷史經驗數據難以反饋未來極端氣候變化對PMP的影響，例如全球大氣環流模型模擬預測21世紀水汽濃度將增高，導致PMP的增大，一系列案例研究也表明氣候變化對PMP的影響是顯而易見的。因此，綜合降水物理成因的氣象水文分析及實測統計的方法改進PMP估算成為許多研究的熱點。

鑒于各種計算方式的適用條件及資料情況，目前實際計算PMP時常用的方法仍以暴雨當地放大、暴雨移置放大及暴雨組合放大為主，即選取某地歷史極大暴雨進行一系列放大修正，從而得出區域或流域的PMP。對于暴雨的放大，則考慮影響降水的主要因子（如水汽因子和動力因子）進行放大，當設計流域或氣象一致區內具有實測的特大暴雨資料時，就可以采用當地模式的暴雨放大或移置暴雨放大方法推求設計流域（或區域）的PMP。

高效典型的暴雨的選取至關重要，例如在廣東雷州半島地區，年最大24 h 降雨量平均值僅150mm～180mm，2000年以前當地歷史實測最大24h降雨量僅為694.4 mm（1985年8月26日，雷州紀家），周邊區域（粵西地區，包括廣東省陽江、茂名、湛江等地）最大24h降雨量也僅為858 mm（1959年5月20日，電白利垌）。而2007年8月雷州半島受臺風影響，雷州市幸福農場發生最大24h降雨量達1188.2 mm，為中國大陸目前實測最大暴雨。此極端暴雨在雷州半島和廣東省都十分罕見，對傳統PMP推求勢必產生影響。為衡量這種影響，本研究擬采用傳統PMP推求方法對發生極端暴雨前后選擇不同高效暴雨放大，分析雷州半島及粵西地區PMP數值變化。研究不僅可對該區域PMP推求提供技術支撐，亦可為極端天氣事件影響下的防汛及工程安全防范提供參考。

1.研究區域概況

雷州半島位于中國大陸最南端（圖1），南北長約140 km，東西寬約60 km～70 km，面積8845 km2。半島三面環海，受海洋性季風氣候的影響，來自南海和孟加拉灣的水汽輸送帶經過雷州半島上空，特別是春季南支槽頻繁東移，大量的水汽穿越雷州半島上空，在雷州半島上空形成一條西南-東北走向的水汽輸送帶，但由于雷州半島地勢低緩（海拔多在100m以下），地形抬升觸發降水的機制較弱，降水甚微。夏季降水天氣系統主要是熱帶輻合帶、西南季風槽及熱帶氣旋等，來自西太平洋和南海的熱帶氣旋攜帶大量水汽，是本區域降水的主要水汽來源。

雷州半島多年平均降雨量約1500 mm，降水量年內分配極不均勻，降雨量主要集中在6～9月，占年降雨量的81%以上。2007年8月9日～12日受臺風“帕布”與熱帶輻合帶共同影響，雷州半島普降暴雨，在土貢河上游幸福農場站測得總雨量1381.8 mm（暴雨過程等值線圖見圖1），其中10日最大24h降雨量1188.2 mm，創全國大陸地區歷史實測最高紀錄（超過河南省“75.8”洪水24h最大降雨量1060 mm）。

圖1 雷州半島07.8暴雨過程等值線圖

2.研究方法

2.1 PMP推求方法

目前推求PMP的計算方法仍以當地放大模式、移置放大模式及組合放大模式為主。當地放大模式即選擇設計區域當地時空分布較嚴重特大暴雨作為典型，然后予以放大。放大方法包括水汽放大法、水汽效率放大法、水汽輸送率放大（水汽風速聯合放大法）、水汽凈輸送量放大法等。若設計區域缺少時空分布較惡劣的特大暴雨資料，則從分析區域暴雨成因出發，從鄰近的暴雨一致區域選擇實測特大暴雨作為典型搬移過來，加以必要的改正，作為暴雨模式，然后再進行適當放大求得PMP，這種方法稱為移置模式法。組合放大模式主要應用于設計區域缺少長歷時大范圍的特大暴雨資料時，選擇兩場或兩場以上實測暴雨，按天氣氣候學原理合理組合在一起構建成新的理想特大暴雨序列，以此作為典型暴雨來推求PMP，通常適用于流域面積大、設計洪水歷時長的工程。結合區域暴雨特點，本次推求PMP采用傳統的當地放大模式和移置放大模式。因降水主要受水汽和動力因子影響，其中降水反映水汽因子，風速和效率反映動力因子，因此放大過程以水汽放大、水汽效率放大方法為主。

2.2 水汽放大

產生暴雨的主要物理條件是充足的水汽和持續的上升運動，當地發生有實測極端特大暴雨的情況下，往往僅對水汽進行放大即可得到PMP，推求公式見式（1）：

式中：PM—可能最大暴雨降雨量；Kw—水汽放大系數；P—典型暴雨降雨量；Wm—最大可降水量，mm；W典—典型暴雨可降水量，mm。

2.3 水汽效率放大

當設計區域或鄰近區域缺乏特大暴雨資料，而有較大實測暴雨資料時，可假定水汽與效率相互獨立，對水汽和效率同時進行放大即可推求得到PMP，推求公式見式（2）：

式中：η＝I/W，代表降水效率；Xm及Xd—可能最大暴雨及典型暴雨，mm；Wm及Wd—最大可降水及典型暴雨可降水，mm；ηm及ηd—最大暴雨效率及典型暴雨效率，1/h%；I—為降雨強度mm/h。

2.4 移置暴雨放大

當設計區域缺乏特大暴雨資料時，可將暴雨一致區的實測特大暴雨搬移到設計區域，進行移置改正后適當放大，便可得到設計區域的PMP。其中移置改正主要是對設計區域和暴雨原地由于區域的幾何形狀、地理、地形等條件的差異而造成的降雨量改變作定量估算，一般包括區域形狀改正、地理改正和地形改正三項。移置暴雨一般都是高效暴雨，放大時僅需進行水汽放大即可，由此移置暴雨放大的推求公式見式（3）：

式中：K1＝(WBm1)ZA1/(WAm1)ZA1，表示位移水汽改正系數；(WBm1)ZA1代表設計區最大露點相應的移置區地面高程以上可降水；(WAm1)ZA1代表暴雨原地最大露點相應的地面高程以上可降水；K2＝(WBm2)ZB2/(WBm2)ZA2，表示高程水汽改正系數；(WBm2)ZB2代表設計區最大露點相應的地面高程以上可降水；(WBm2)ZA2代表設計區最大露點相應的移置區地面高程以上可降水；Xm及Xd分別為可能最大暴雨及典型暴雨的降雨量。

3.雷州半島1日PMP推求計算實例

根據中國暴雨區劃圖和廣東省年最大24小時點雨量均值等值線圖，雷州半島與粵西沿海的暴雨高值區可視為暴雨一致區，在該片區域選取24h降雨量最大的6場暴雨作為典型暴雨推求PMP，6場暴雨基本情況詳見表1。

表1 雷州半島及粵西地區典型歷史暴雨情況表

推求雷州半島PMP時，對雷州半島的3場特大暴雨采用當地放大模式，粵西地區的特大暴雨采用移置放大模式。其中當地放大模式中，雷州半島發生有最大24h降雨量排名中國大陸第一的“07?8”幸福農場暴雨，其降水效率η達54.1%，已為高效暴雨，對其采用式（1）進行水汽放大即可得到PMP。而對“76?9”吳陽暴雨及“85?5”紀家暴雨，選取“07?8”幸福農場暴雨效率作為最大暴雨效率，采用式（2）求得水汽效率放大的PMP成果。代表露點選取水汽入流方向的代表站湛江站和遂溪站，以典型暴雨的主雨日為準，提前24h內選取持續12h最大露點，換算到1000hPa，得到暴雨的持續12h最大露點?？赡茏畲舐饵c由湛江站1980-2013年實測露點資料統計其持續12h最大露點為28.56℃，換算到1000hPa得對應露點為28.8℃。當地模式推求PMP的計算結果詳見表2及表3?；浳鞯貐^3場暴雨采用式（3）的移置放大模式進行推求，相關計算參數及成果詳見表4。

表2 雷州半島當地暴雨水汽放大成果

表3 雷州半島當地暴雨水汽效率放大成果

由表2、表3和表4可取6場暴雨放大后的外包成果，便可得到雷州半島區域的24h PMP為1433.3 mm。

表4 雷州半島移置放大法24h PMP成果

4.“07?8”極端暴雨影響分析

以上推求算例中，可以看出典型暴雨的選取至關重要，為式（1）～（3）推求的根本，在2007年8月以前，雷州半島歷史實測最大暴雨為1976年9月21日7619號臺風帶來的吳陽暴雨，其最大24h降雨量達794 mm，與“07?8”幸福農場暴雨相比相差399 mm，“07?8”暴雨不僅成為罕見的中國大陸最大24h降雨量，而且使得該地區實測最大24h降雨量陡增50%，選取“07?8”幸福農場暴雨作為典型暴雨推求PMP已成為該暴雨一致區合理選擇。

為分析其對推求該區域PMP的影響，假定選擇雷州半島及粵西地區實測最大24h降雨量第二的“59?5”利垌暴雨作為典型暴雨（最大24h降雨量858 mm），其降水效率為48.57%，采用水汽效率放大的方法對“76?9”吳陽暴雨和“85?8”紀家暴雨進行放大，所得當地放大模式下推求PMP的計算結果見表5。

表5 雷州半島當地暴雨水汽效率放大成果（以“59·5”利垌暴雨作典型暴雨）

綜合表5成果與表4移置放大成果，得出以“59?5”利垌暴雨作典型暴雨推求的雷州半島24h PMP為1286.6 mm。相比“07?8”幸福農場暴雨，“59?5”利垌暴雨實測最大24h降雨量減小330.2 mm，選取“59?5”利垌暴雨作為典型暴雨，最終24h PMP成果減小146.7 mm，減小幅度達11.4%。

5.結論

本研究采用傳統PMP推求方法，分別選擇“07?8”幸福農場暴雨和“59?5”利垌暴雨作為典型暴雨，推求了雷州半島24h PMP成果，通過分析PMP成果的數值變化，主要得出以下結論：（1）推求PMP時選擇典型暴雨至關重要，不同降水效率的典型暴雨對PMP成果影響很大；（2）極端暴雨的發生會明顯改變暴雨一致區的PMP成果，在地區防汛工作及重要工程防洪排澇設計時需結合更新暴雨資料，尤其注重極端天氣事件影響，加強暴雨成因分析，確保地區防汛及工程安全。