云南省紅河下游暴雨特征分析：以河口縣為例

馬俊明，齊 實，程柏涵，梁 斌，郭虎波，陳建輝

(北京林業(yè)大學，水土保持學院，水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083，北京)

暴雨是在大氣環(huán)流、水汽輸送、不穩(wěn)定層結(jié)和上升運動、地形作用等方面的因素共同作用下形成的[1]，是我國常見的氣象災(zāi)害之一[2]。云南省是我國暴雨多發(fā)的省份之一，由暴雨引起的洪水及引發(fā)的滑坡泥石流等山地災(zāi)害，給人民的生命財產(chǎn)帶來巨大的威脅[3-4]，如受2016年第4號“妮妲”臺風影響，河口縣瑤山鄉(xiāng)自8月2日至8月3日，共有2 497人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積836 hm2畝，直接經(jīng)濟損失高達5 608.94萬元。

由于全球變暖，地表蒸發(fā)和水循環(huán)加快，造成部分地區(qū)降水增加[5-6]，同時IPCC SREX和IPCC AR5報告指出全球強降雨事件顯著增加，預(yù)計隨著全球變暖，增加趨勢會隨之加劇[7-8]，且研究表明極端強降水事件顯著增加區(qū)域多于顯著減少的區(qū)域[9]。鮑名等[10]指出我國是夏季暴雨的多發(fā)區(qū)，暴雨具有明顯的年際變化且不同地區(qū)存在差異性。史培軍等[11]認為我國年際暴雨雨量、時間及降雨強度呈增加趨勢。林建等[12]在研究近30年(1981—2010年)我國暴雨時空特征中指出進入21世紀之后我國南方暴雨時間存在增加趨勢。

目前，針對云南暴雨特征的研究主要集中在暴雨空間分布、暴雨次數(shù)以及變化趨勢等方面。李家垣等[13]基于云南10年(1970—1979年)的降雨資料，指出云南暴雨存在季節(jié)性和地域性，暴雨極值和暴雨次數(shù)均呈現(xiàn)南多北少。周鵬康等[14]基于云南30年(1981—2010年)的降雨資料也得出類似的結(jié)論，同時指出進入21世紀，云南暴雨次數(shù)呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，且以一般暴雨(日雨量50～99.9 mm)為主。彭貴芳等[15]、程建剛等[16]、田永麗等[17]研究云南暴雨變化趨勢，指出云南暴雨時間呈現(xiàn)增加趨勢，且由于地形的復雜性，暴雨多為局部暴雨且表現(xiàn)出地域差異性。因此研究小范圍的局部暴雨特征對預(yù)防暴雨引起的災(zāi)害具有十分重要的現(xiàn)實意義。

云南省紅河下游地處低緯度，海拔低，是暴雨多發(fā)區(qū)域；河口縣地處紅河下游，是云南6大暴雨中心之一，平均每年有2～5次暴雨過程，云南24 h歷史暴雨最大值為1983年7月31日—8月l日在河口達到的253.3 mm[18-19]。筆者以河口縣為例，基于河口縣近年來177場暴雨數(shù)，采用K-均值聚類方法劃分河口縣暴雨雨型，并分析不同暴雨雨型降雨強度、歷時和雨量分布規(guī)律，結(jié)合暴雨預(yù)警，提出該地區(qū)開展暴雨預(yù)防的建議。

1 研究區(qū)概況

河口縣位于紅河哈尼族彝族自治州東南端，位于E 103°23′～104°17′，N 22°30′～23°02′之間(圖1)。河口縣總面積1 332 km2，山區(qū)占河口縣總面積的97.76%，河谷平壩面積占2.24%，地勢呈階梯狀，北高南低，漸向東南傾斜，以縣城河口鎮(zhèn)為中心，沿紅河、南溪河向東北、西北方向作扇形擴散(圖2)。屬熱帶季風雨林溫熱型氣候，年平均氣溫22 ℃，年平均降雨量1 765.7 mm，降雨長達182 d，雨季(5—10月)降雨量占全年降雨量的82%，是全省暴雨強度最大(日降雨量≥100 mm的天數(shù))的地區(qū)，大雨天氣過程多年平均達20次之多[20]。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

圖2 河口縣高程圖Fig.2 Elevation map of Hekou county

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

我國氣象上一般規(guī)定：暴雨指每h降雨量16 mm以上，或連續(xù)12 h降雨量30 mm以上，或連續(xù)24 h降雨量50 mm以上的降水[21]，不同暴雨類型表示如表1。進入21世紀以來，極端天氣呈現(xiàn)增加趨勢，暴雨也多呈現(xiàn)增加趨勢[14]，為了研究21世紀以來河口縣暴雨特征，筆者選取2004—2014年作為研究時間系列。研究數(shù)據(jù)來源于河口縣國家一般氣象站，降雨量由自記式雨量計記錄，精度為0.1 mm，降雨記錄1 d時間為20:00—20:00。基于上述暴雨的定義，處理得到177場暴雨數(shù)據(jù)，即為筆者研究數(shù)據(jù)。我國暴雨預(yù)警信號分4級，分別以藍色(廣東省除外)、黃色、橙色、紅色表示[22]，各等級暴雨標準如表2所示。

表1 暴雨類型Tab.1 Rainstorm type

表2 暴雨預(yù)警等級Tab.2 Rainstorm warning level

2.2 暴雨雨型劃分

雨型劃分有多種方法，常見的有根據(jù)降雨資料進行模糊統(tǒng)計的7種雨型劃分法；根據(jù)強度—歷時—頻率關(guān)系得到一種不均勻的設(shè)計雨型，即芝加哥雨型[23]; Huff根據(jù)最大雨強發(fā)生在歷時具體時間段的4種雨型劃分法[24]。岑國平等[25]研究表明芝加哥雨型效果較好，一般能滿足精度要求，且參數(shù)較少，建議采用此雨型作為設(shè)計雨型; 但研究同時指出芝加哥雨型雨峰過于尖瘦，與實際不相符合。D. Dunkerley[26]研究表明瞬時降雨強度不斷變化的降雨過程與降雨強度不變的降雨過程相比，徑流系數(shù)和洪峰流量都顯著增加；因此，為了更好地反映暴雨實際過程，為后期徑流和洪峰流量計算提供參考依據(jù)，筆者采用K-均值聚類的方法進行暴雨雨型劃分[27]。

1)量綱變換，獲取聚類指標。先求出每場降雨的總降雨歷時(T)、總降雨量(P)、累積降雨歷時(t=1，2，…，T)和累積降雨量(Pt)。將累積降雨歷時除以總歷時進行量綱處理并作為橫坐標，累積降雨量除以總降雨量進行量綱處理并作為縱坐標，得到降雨過程的量綱累積降雨曲線。將量綱累積降雨歷時0～1之間每隔0.05等分為21個部分，起點和終點分別取0.01和0.99，即0.01，0.05，0.10，0.15，…，0.85，0.90，0.95，0.99，得到21個對應(yīng)的雨量累積占比，作為聚類指標。因筆者所采用的數(shù)據(jù)為逐小時降雨，故對累積降雨量和累積歷時歸一化后，采用線性內(nèi)差的方法獲取對應(yīng)21點的雨量累積比例，利用SPSS軟件進行聚類。內(nèi)插公式如下：

(1)

式中：(x1，y1)(x2，y2)為歸一化之后的已知點，(x0，y0)為待求點。其中x0、x1和x2為歸一化后降雨歷時，y0、y1和y2為歸一化后累積降雨量。

2)確定分類個數(shù)(k)。筆者采用聚類方差和誤差等作為判斷的依據(jù)，根據(jù)多次聚類的結(jié)果，以k=10時，聚類方差和誤差較小，因此確定聚類個數(shù)為10個。

3)繪制關(guān)系曲線。將屬于相同雨型的降雨過程對應(yīng)的累積降雨量按照21個累積降雨歷時點分別進行平均，每類雨型概化出一條雨型曲線，得到暴雨雨量隨歷時的變化關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 暴雨特征

對河口縣177場暴雨發(fā)生的月份進行統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。可以看出河口縣暴雨主要集中在4—9月之間，有164次，占總暴雨次數(shù)的93%，10月到次年3月之間暴雨很少，有13次，占總暴雨次數(shù)的7%，1月份沒有暴雨發(fā)生。從暴雨類型來看，在5—9月和12月，暴雨以P24為主，4和10月以P12為主，2—3月和11月則以P1為主。根據(jù)表3結(jié)果，對各月暴雨量統(tǒng)計，結(jié)果如表4所示。可以看出河口縣暴雨量主要集中在5—9月之間，占全年暴雨量的89%，且暴雨量以P24為主，占總量的71%。從年內(nèi)暴雨次數(shù)和暴雨量分布可以看出，河口縣暴雨具有明顯的季節(jié)性。

表3 河口縣暴雨次數(shù)年內(nèi)分布Tab.3 Distribution of rainstorms count in Hekou county

表4 河口縣暴雨量年內(nèi)分布Tab.4 Distribution of rainstorms amount in Hekou county

對河口縣177場暴雨發(fā)生的年份進行統(tǒng)計，結(jié)果如表5所示。從暴雨類型來看，河口縣暴雨次數(shù)P24占主要部分，P12次之，P1最少，其中P24占暴雨總次數(shù)的50%左右，平均每年發(fā)生7.9次。

3.2 暴雨雨型劃分及特征

根據(jù)聚類結(jié)果，河口縣暴雨雨型可以歸為Ⅰ(前期降雨)型(1、4、7、10)、Ⅱ(中期降雨)型(8、9)、Ⅲ(后期降雨)型(2、3、6)、Ⅳ(均勻降雨)型(5)4類，各雨型雨量—歷時曲線如圖3。

表5 河口縣暴雨次數(shù)(2004—2014)Tab.5 Number of rainstorm in the Hekou county (2004-2014)

3.2.1 不同雨型的暴雨次數(shù) 根據(jù)聚類結(jié)果，對不同類型暴雨次數(shù)統(tǒng)計，結(jié)果如表6所示。可以看出河口縣暴雨主要為Ⅰ前期降雨型，占總暴雨次數(shù)的59%，Ⅱ中期降雨型、Ⅲ后期降雨型、Ⅳ均勻降雨型三者所占比例相近，分別占總次數(shù)的17%、11%、13%。

表6 不同雨型暴雨次數(shù)Tab.6 Different type rainstorm counts

3.2.2 不同雨型的暴雨雨量分布 從暴雨量分布上來看，由圖3可以看到Ⅰ型暴雨80%暴雨量在前0.4累積降雨歷時內(nèi)，Ⅱ型暴雨在0.3～0.6累積降雨歷時期間暴雨量約占總暴雨量的65%，Ⅲ型暴雨近90%的暴雨量在0.5累積降雨歷時之后產(chǎn)生，Ⅳ型暴雨量則是均勻的分布在整個降雨歷時。

圖3 暴雨雨型劃分Fig.3 Rainstorm type division

3.2.3 不同雨型暴雨的歷時 不同雨型暴雨的降雨歷時如表7所示。可以看出4種類型的暴雨歷時主要分布在4～18 h之間，占總暴雨次數(shù)的88%，其中歷時7～12 h的暴雨次數(shù)占總暴雨次數(shù)的1/2左右。

表7 不同暴雨雨型降雨歷時分布Tab.7 Duration distribution of different rainstorm types

圖4 不同暴雨雨型降雨強度的分布Fig.4 Distribution of rain intensity of different rainstorm types

3.2.4 不同雨型暴雨的降雨強度 不同暴雨雨型降雨強度分布如圖4所示，其中降雨強度是歸一化處理后暴雨量和歷時的比值。可知不同雨型暴雨平均降雨強度較高值出現(xiàn)的時間不同：Ⅰ型暴雨在前0.4累計降雨歷時，在此期間暴雨維持在較大降雨強度且相差不大；Ⅱ型暴雨在0.3～0.6累積降雨歷時，在此期間暴雨降雨強度先增加后降低，在0.5累積降雨歷時達到最大降雨強度；Ⅲ型暴雨在0.65累積降雨歷時之后并維持到暴雨結(jié)束，存在2個先增加后降低的變化，在0.8累積降雨歷時達到最大降雨強度；Ⅳ型暴雨在整個降雨過程中降雨強度沒有明顯較大的降雨強度，基本在量綱降雨強度1的上下浮動。

3.3 暴雨災(zāi)害預(yù)警

暴雨預(yù)警是進行暴雨災(zāi)害預(yù)防的最主要的措施之一和編制暴雨災(zāi)害預(yù)案的依據(jù)。根據(jù)表2暴雨預(yù)警等級劃分，得出河口縣4種暴雨雨型的預(yù)警分布(表8)。由表8可知：河口縣預(yù)警總場次約占暴雨總場次的45%；從預(yù)警等級來看，橙色預(yù)警最多，約占預(yù)警總場次的42%；黃色預(yù)警次之，約占預(yù)警總場次的32%；紅色預(yù)警最少，約占預(yù)警總場次的6%。總體上，河口縣暴雨危險性較高，應(yīng)該加強對暴雨災(zāi)害的防范；從暴雨雨型來看，暴雨預(yù)警以Ⅰ型暴雨為主，占預(yù)警總場次的71%， Ⅲ型暴雨最少，占預(yù)警總場次的4%。其中Ⅰ型暴雨預(yù)警以橙色預(yù)警為主，占預(yù)警總場次的50%左右，且存在4次紅色預(yù)警，由于該型暴雨主要發(fā)生在夜間，災(zāi)害防范難度較大，應(yīng)該引起足夠的重視；從暴雨年內(nèi)分布來看(表9)，暴雨預(yù)警主要集中在5—9月份，其中暴雨藍色、黃色以及橙色預(yù)警各月相對比較均勻，暴雨紅色預(yù)警主要集中在盛夏8月和9月。

表8 暴雨預(yù)警等級分布Tab.8 Rainstorm warning level distribution

4 結(jié)論與討論

1)河口縣暴雨呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性特征，其暴雨主要發(fā)生在4—9月份，有164次，占總暴雨次數(shù)的93%，暴雨類型以P24為主。相比全省暴雨多發(fā)時間(5—10月)而言，由于河口縣地處滇南暴雨活動中心，受孟加拉灣風暴和冷空氣的影響，河口縣暴雨有所提前[28]而10月份暴雨多發(fā)生在滇中及以北的區(qū)域。

2)河口縣暴雨可分為前期降雨(Ⅰ)型、中期降雨(Ⅱ)型、后期降雨(Ⅲ)型、均勻降雨(Ⅳ)型4種雨型。其中以前期降雨型為主，占總暴雨次數(shù)的68.57%，多集中在6～8月，歷時以7～12 h為主，80%暴雨量和平均降雨強度的較大值發(fā)生在前0.4累計降雨歷時內(nèi)，即大概4 h以內(nèi)。從預(yù)防的角度上來看，前期降雨型降雨比較集中，短時間內(nèi)降雨強度較大，容易引發(fā)災(zāi)害；因此，應(yīng)該注意和加強對該暴雨的預(yù)防。同時前期降雨暴雨發(fā)生時間主要集中在夜間，預(yù)防的難度加大，因此，更應(yīng)該引起高度重視。

3)河口縣預(yù)警暴雨場次占總暴雨場次的45%，暴雨預(yù)警等級以橙色和黃色為主，分別占預(yù)警總場次的42%和32%，是災(zāi)害多發(fā)區(qū)域。其中紅色預(yù)警主要發(fā)生在后期，可能會會引起山洪、泥石流等災(zāi)害，因此，應(yīng)提前做好相應(yīng)的防范和治理措施，減少災(zāi)害造成的損失。