湖南省降水強度等級標準探討

蔡榮輝， 姚 蓉， 李巧媛*，唐 佳，蘇 濤，歐小鋒，王曉雷

(1.湖南省氣象臺，湖南長沙 410118；2.湖南省懷化市氣象局，湖南懷化 418000)

近年來，在全球氣候變暖的背景下，各地洪澇災(zāi)害嚴重。最近幾十年強降水事件的發(fā)生頻率明顯上升，并且這種趨勢會進一步發(fā)展[1-2]。江南、華南地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，地理環(huán)境復(fù)雜，氣候多變，洪澇災(zāi)害頻發(fā)。同時，受臺風(fēng)登陸后減弱的低氣壓也能導(dǎo)致我國沿海或內(nèi)陸部分省份強降水的發(fā)生。由于對流性短時強降水強、累計雨量大、影響范圍廣，常帶來山洪、地質(zhì)災(zāi)害及流域洪水，給國民經(jīng)濟帶來了嚴重損失。如2005年新邵太子廟鄉(xiāng)特大山洪暴雨，2006年“碧利斯”、2007年“圣帕”臺風(fēng)暴雨。尤其在2016年5—7月，我國南、北方多省出現(xiàn)了大范圍暴雨、大暴雨或特大暴雨，強降水事件造成了較大的財產(chǎn)損失和人員傷亡。

在全球氣候變化的背景下，湖南省的降水也有強降水、極端降水增加的趨勢。張劍明等[3]研究湖南省極端暴雨事件表明，1960—2009年湖南省極端降水事件增多、強度增大；李巧媛等[4-5]研究表明，湖南省近幾十年來大量級降水(大雨以上量級)均有增加的趨勢，大暴雨的發(fā)生頻率明顯上升，并且這種趨勢會進一步維持。對于降水的極端性和致災(zāi)因子等，已有較多研究，并取得一定成果[6-10]。湖南省內(nèi)強降水的致災(zāi)能力差異成因十分復(fù)雜[7]。強降雨是導(dǎo)致包括湖南在內(nèi)的中國南方山洪災(zāi)害的主要致災(zāi)因子[9]，李婷婷等[10]采用最大3日降雨量為指標來衡量一次降雨的致災(zāi)能力，研究了湘水流域的山洪災(zāi)害成因與防治。上述研究表明，降水強度等級不僅與降水量級有關(guān)，還與降水范圍有著重要的聯(lián)系，不同降水強度與山洪和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有較好的相關(guān)性，強降水影響范圍的大小是衡量洪澇災(zāi)害的一項重要指標。然而，目前為止全國對于降水強度等級尚無統(tǒng)一的標準，很難客觀評價每次降水事件的強度和等級，影響了對暴雨災(zāi)害的評估，增加了政府部門科學(xué)組織防汛救災(zāi)工作的難度。因此，開展降水強度等級標準的研究迫在眉睫。開展湖南降水強度等級標準的相關(guān)研究，不僅能監(jiān)測和評估洪澇災(zāi)害的影響程度，還能對政府部門進行防汛救災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)，對防災(zāi)減災(zāi)、促進經(jīng)濟發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值，并能針對性地指導(dǎo)公眾生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等相關(guān)活動。

1 降水強度分級標準

1.1降水強度等級分級標準說明該標準劃分在按照國家有關(guān)法律、法規(guī)原則下，根據(jù)氣象行業(yè)實際情況，參考當(dāng)?shù)?4 h降水量級劃分標準、24 h最大降水量及最大小時雨量與災(zāi)害的關(guān)系，同時考慮影響區(qū)域范圍大小和南北方降水差異，確定24 h最大日降水量、最大小時降水量、降水量百分位、站點降水最大降水量級站次等作為降水強度等級主要影響指標。

該標準根據(jù)《中華人民共和國國家標準化法》《中華人民共和國標準化法實施條例》《中華人民共和國氣象法》及有關(guān)法規(guī)、規(guī)章，按GB/T1.1—2009《標準化工作導(dǎo)則 第1部分：標準的結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)則》、GB/T1.2—2009《標準化工作導(dǎo)則 第2部分：標準的制定方法》中的原則要求及相關(guān)領(lǐng)域有關(guān)標準進行編寫[11-18]。

1.2單站降水強度指標研究

1.2.1基于日降水量強度等級指數(shù)。24 h累計降水量h1的大小能直接反映出該站降水的強弱，依據(jù)湖南省氣象部門降水強度的劃分(表1)，將其應(yīng)用到降水強度指數(shù)Ih1公式(1)中，其強度指數(shù)分為1～4級。

(1)

其中，Ih1為24 h降雨量強度指數(shù)，指某站08:00—次日08:00或20:00—次日20:00累積降雨量相應(yīng)等級指數(shù)。

表1 湖南地方標準降雨等級

1.2.2基于小時最大降水量強度等級指數(shù)。h2為某一站24 h內(nèi)最大小時降水量。該標準之所以引入小時最大降水量，一是因為結(jié)合了湖南省氣象部門暴雨預(yù)警降水量，二是由歷史資料統(tǒng)計的降水型地質(zhì)災(zāi)害小時雨量閾值等作為參考依據(jù)。最終確定Ih2強度指數(shù)為1～4級，具體見公式(2)。

(2)

式中，Ih2為24 h內(nèi)小時降雨強度指數(shù)，指某站08:00—次日08:00或20:00—次日20:00最大小時雨量相應(yīng)等級指數(shù)。

1.2.3基于降水量百分位強度等級指數(shù)。h3為某一站降水序列百分位，指某一站24 h降水量在該站歷史上的排序。該因子的引入，不僅能反映出不同站點的歷史排序，還能反映出降水的極端性，同時能體現(xiàn)出南北方降水用固定的量級所不能全面刻畫的差異，如一些少雨區(qū)年降水量還不足南方一天的降水量等問題。根據(jù)公式(3)，確定Ih3強度指數(shù)為1～4級。

(3)

式中，Ih3為24 h內(nèi)單站多年歷史降水序列百分位降水強度指數(shù)，指某站08:00—次日08:00或20:00—次日20:00降水序列百分位相應(yīng)等級指數(shù)。

1.2.4單站降水強度等級指數(shù)。單站降水強度指數(shù)Ih與降水量級和降水速率有關(guān)，表征著降水活動的極端性，為了全面考慮單站降水強度，該標準通過比較24 h累計降水的強度指數(shù)Ih1(公式1)、24 h最大降水的強度指數(shù)Ih2(公式2)和單站降水序列百分位指數(shù)Ih3(公式3)，選取其中最大的指數(shù)作為單站降水強度指數(shù)Ih(公式4)。這就意味著單站降水強度指數(shù)綜合考慮了累計降水量、小時雨量和降水極端性3項指標，并將單站降水強度指數(shù)劃分為4個等級：降水強度指數(shù)1對應(yīng)為較強降水；2對應(yīng)為強降水；3對應(yīng)為特強降水；4對應(yīng)為極端降水。

Ih=max(h1+h2+h3)

(4)

1.3降水區(qū)域等級指標研究降水區(qū)域指數(shù)Id表征降水過程中，強降水的發(fā)生范圍和影響區(qū)域，這也是討論一次降水過程重要性和評價其強度等級的標準之一。該標準利用降水量級發(fā)生的站次數(shù)來劃分降水區(qū)域指數(shù)，發(fā)生站數(shù)越多，指數(shù)越大。在單站降水強度確定后，降水范圍越大，其影響范圍也更大，致災(zāi)性也更強。根據(jù)實際工作經(jīng)驗與多地區(qū)域暴雨過程等劃分原則，確定Id區(qū)域指數(shù)為0～4級，具體見公式5。

(5)

式中，d為不同降水量級站次。Id為降水區(qū)域指數(shù)，在相應(yīng)的時間范圍內(nèi)出現(xiàn)相應(yīng)級別降雨則賦予相應(yīng)的指數(shù)值。

1.4降水強度等級區(qū)域降水強度指數(shù)Is是由不同降水量級站次所代表的降水區(qū)域指數(shù)Id與單站降水強度等級指數(shù)Ih之和組成。由此說明，區(qū)域降水強度指數(shù)不僅考慮了單站降水量級及極端性，還充分考慮了影響范圍大小。用單站降水強度和降水范圍來綜合衡量降水等級的大小，兩項對降水強度都有較好的正相關(guān)關(guān)系。同時滿足這2個條件作為降水強度等級各級別的下限，降水等級指數(shù)可用下式表示：

Is=Ih+Id

(6)

計算得出降水等級指數(shù)Is，是表征單站降水強度和降水影響范圍的綜合指數(shù)，并將其進行分級，Is指數(shù)為1和2時，判斷為較強降水；Is指數(shù)為3和4時，判斷為強降水；Is指數(shù)為5和6時，判斷為特強降水；Is指數(shù)為7和8時，判斷為極端降水。單站降水強度指數(shù)和降水等級指數(shù)所對應(yīng)的降水等級如表2所示。

2 汛期降水強度等級標準檢驗

2.12016年6月30日—7月4日降水過程檢驗2016年6月30日—7月4日湖南出現(xiàn)了一次持續(xù)暴雨和大暴雨過程，此次降水過程具有持續(xù)時間長、降水強度大、累積雨量大、致災(zāi)性強特點。6月30日20：00—7月6日14：00，湘西、湘中以北出現(xiàn)了持續(xù)性強降雨，共1 761個鄉(xiāng)鎮(zhèn)累計降雨量超過100 mm，其中760個鄉(xiāng)鎮(zhèn)累計降雨量超過200 mm，37個鄉(xiāng)鎮(zhèn)累計降雨量超過400 mm，6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)累計降雨量超過500 mm；1 h最大雨強為96.3 mm(懷化鶴城涼亭坳7月3日22:00—23:00)。

為了解制定的降水強度等級標準是否能合理，根據(jù)初步確定的降水強度等級劃分標準，對2016年7月1—4日影響湖南省強降水過程的降水強度各項指數(shù)進行了計算，最后得出了此次強降水過程中每一天的降水強度等級(表3)。由表3可見，2016年7月1日和4日湖南的降水強度達到了特強等級標準，7月2、3日湖南的降水強度達到了極端降水標準。

表2 降水強度等級劃分

表3 2016年7月1—4日湖南降水強度等級

從過程本身的發(fā)展特征來看，根據(jù)標準劃分得到的結(jié)果是合理的，與事實吻合。從過程的影響來看，此次強降水過程是湖南2016年汛期最強的一次降水過程，造成了嚴重的災(zāi)害，資水流域出現(xiàn)了超記錄的水位，洞庭湖出現(xiàn)了超警戒水位且高居不下，是1998年以來湖南最嚴重的汛情。

2.22016年1月1日—9月30日降水過程檢驗對湖南省2016年1月1日—9月30日的降水的分析結(jié)果顯示，全省共有232 d出現(xiàn)了降雨(84.98%)，其中共有191 d的降水強度在Ⅰ～Ⅳ(75.49%)。降水強度為Ⅰ級的降水共出現(xiàn)了5 d，分別是5月19日、6月15日、7月2日、7月3日和9月9日，其中7月3日Ih1、Ih2、Ih33個指數(shù)均為4(最強)。Ⅱ級降水的分布中，可以比較清楚地對應(yīng)相應(yīng)的降水過程，包括3月19—22日、5月6—7日、6月2—3日、10—11日、27—28日、7月1—4日、13—18日、8月6—10日、9月9—10日，與業(yè)務(wù)實際相比較，降水過程中影響范圍大、降雨強度大的降水過程有較好的體現(xiàn)，但是實際決策氣象服務(wù)中服務(wù)的次數(shù)更多。另外，一次特強降水過程中常常只有其中的某一天達到了特強降水級別，特強降水等級在時間上的持續(xù)性較差，這與2016年湖南強對流性質(zhì)降水比較多、降水局地性較強等也有較好的對應(yīng)。Ⅲ級降水的數(shù)量最多，高達129 d，其中主要由Ih3的數(shù)值較大造成降水強度等級高，此種結(jié)構(gòu)與決策氣象服務(wù)的實際相差較大，且造成工作中不能抓住重點，因此指數(shù)還有待進一步調(diào)整。Ⅳ級降水雖然只有30 d，但這與Ih3的低閾值關(guān)系非常大。

通過對2016年前期降水的強度等級劃分檢驗可知，初步設(shè)置的湖南省降水強度等級劃分標準總體可行，但是對其中百分位指數(shù)的確定方法還要進一步修正。

3 結(jié)語

(1)降水強度等級標準的研究，不僅遵循了國家法律法規(guī)、參考了相關(guān)標準，還解決了全國無統(tǒng)一標準且以主觀判斷降水強度等級的現(xiàn)狀，對實際工作具有較好的指導(dǎo)作用。

(2)24 h最大日降水量、最大小時降水量，降水量百分位、站點降水最大降水量級站次是降水強度等級主要影響指標。并最終確定了降水強度等級標準分為4級，分別對應(yīng)了較強降水、強降水、特強降水和極端降水。

(3)利用該標準對2016年7月1—4日暴雨、大暴雨過程以及1月1日—9月10日降水過程檢驗表明，該標準能客觀評價降水強度等級，不僅兼顧了科學(xué)性、客觀性和適應(yīng)性，且可操作性較強。

(4)該標準適應(yīng)于國家級、省級及地市級氣象臺站對于降水強度等級的劃分，并在一定程度上解決了南北方降水差異所帶來的影響，但因標準中最大小時降水量及降水量百分位各地存在一定差異，在實際應(yīng)用過程中需靈活掌握。

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