遼寧地區(qū)可能最大24h降水分析

李晨濤

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

在現(xiàn)代氣候條件及地理?xiàng)l件下，某一流域或某一地區(qū)上，一定歷時(shí)內(nèi)物理上有可能發(fā)生的近似上限降水，包括降水總量及其時(shí)空分布稱(chēng)為可能最大降水[1]。PMP估算的成果是否安全可靠，是水文工作者常遇到的一個(gè)問(wèn)題[2]。可能最大降水的估算方法可為4種：一是暴雨物理因子放大法(包括暴雨模型)[3- 4]，即根據(jù)暴雨成因分析得出的物理因子或指標(biāo)。例如，水汽入流指標(biāo)，水汽輻合上升指標(biāo)等，然后將這些因子加以放大。二是暴雨移置法[5- 7]，當(dāng)設(shè)計(jì)流域有可供移置的暴雨時(shí)，但必須在氣候地理一致區(qū)內(nèi)應(yīng)用。三是暴雨組合法[8- 9]，該方法適用于推求大面積、長(zhǎng)歷時(shí)的設(shè)計(jì)暴雨。四是數(shù)理統(tǒng)計(jì)法[10- 12]，影響水文現(xiàn)象的因素眾多，各因素本身在時(shí)間上不斷地發(fā)生變化，所以受其影響的水文現(xiàn)象也處于不斷變化之中。它們?cè)跁r(shí)程上和數(shù)量上的變化過(guò)程，伴隨周期性出現(xiàn)的同時(shí)，也存在不重復(fù)的特點(diǎn)，這就是所謂隨機(jī)性。因?yàn)橛绊懳磥?lái)水文情勢(shì)的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，當(dāng)我們不可能用成因分析法一一處理得當(dāng)時(shí)，也可以用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法作為估算可能最大降水的方法之一[13]。本文主要選用基于數(shù)量統(tǒng)計(jì)方法的雨濕比法，在遼寧地區(qū)歷史暴雨普查的基礎(chǔ)上，對(duì)其最大24h可能最大降水進(jìn)行計(jì)算分析，研究成果對(duì)于遼寧地區(qū)最大可能降水計(jì)算提供重要參考。

1 研究方法與資料介紹

1.1 研究方法

本文采用雨濕比法對(duì)遼寧地區(qū)最大可能降水進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中，PM—可能最大降水量，mm；P—典型暴雨暴雨中心降水量，mm；WM—最大可降水量，mm；W—可降水量，mm；KM—最大雨濕比；K—雨濕比；WTd—典型暴雨持續(xù)12h代表性露點(diǎn)Td相應(yīng)可能最大降水，mm；WH—典型暴雨中心相應(yīng)高程H可降水，mm；WTd-WH—典型暴雨中心有效可降水，mm。從公式(1)可以看出，某地的可能最大降雨P(guān)M與最大雨濕比KM關(guān)系密切，是該地的“最大可降水”與“最大雨濕比”的乘積。雨濕比K的推求可選用24h暴雨量推求，則公式(2)可變?yōu)椋?/p>

(3)

式中，P24h—24h雨量，mm；Td—暴雨代表性露點(diǎn)，mm；H—測(cè)站高程，m；其它參數(shù)意義同前。根據(jù)公式(1)可推導(dǎo)出24h最大可能降雨量，計(jì)算公式如下：

PMP24h=KM(WTdM-WMH)

(4)

式中，PMP24h—24h可能最大點(diǎn)雨量，mm；KM—采用的最大雨濕比；WTdM—計(jì)算地點(diǎn)持續(xù)12h歷史最大露點(diǎn)；TdM—相應(yīng)的可降水，mm；WMH—計(jì)算地點(diǎn)持續(xù)12h歷史最大露點(diǎn)相應(yīng)可降水高程修正值，mm；WTdM-WMH—計(jì)算地點(diǎn)最大有效可降水，mm。

1.2 資料選取與要素分析

(1)資料選取

在遼寧地區(qū)大暴雨調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)區(qū)域自然地理概況，大氣環(huán)流形勢(shì)和天氣系統(tǒng)，以及暴雨洪水特點(diǎn)和分布規(guī)律，分區(qū)選用特大暴雨。選用場(chǎng)次大暴雨對(duì)應(yīng)的持續(xù)12h最大露點(diǎn)Td12(℃)及高程H(m)資料。

(2)暴雨高值區(qū)選取

遼寧省有5個(gè)暴雨高值區(qū)，即丹東地區(qū)、遼東半島地區(qū)、渾太地區(qū)、遼西沿海地區(qū)和清柴汎上游地區(qū)。特別是丹東地區(qū)和遼西沿海地區(qū)，由于分別地處千山、江南山和醫(yī)巫閭山、松山、黑山的迎風(fēng)坡，離海近，水汽來(lái)源充沛，且地形似喇叭口和逐漸抬高的地形作用，致使這兩個(gè)地區(qū)暴雨頻繁，雨量最大。

(3)暴雨天氣系統(tǒng)出現(xiàn)次數(shù)、序位統(tǒng)計(jì)

按照選取的暴雨出現(xiàn)高值區(qū)，對(duì)選用暴雨天氣系統(tǒng)出現(xiàn)次數(shù)、序位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1—2。

表1 天氣系統(tǒng)出現(xiàn)次數(shù)

表2 遼寧地區(qū)暴雨序位

從表1—2可以看出，選取的遼寧省各暴雨高值區(qū)有的天氣系統(tǒng)出現(xiàn)的次數(shù)雖多，但形成的降雨量并不太大。如千山山脈以南，冷鋒出現(xiàn)次數(shù)最多，但產(chǎn)生大暴雨的天氣系統(tǒng)卻是低壓冷鋒、江淮氣旋及靜止鋒。因此，在暴雨高值區(qū)內(nèi)，主要選用量級(jí)大的暴雨及其相應(yīng)的天氣系統(tǒng)。

2 研究結(jié)果

2.1 露點(diǎn)及可降水分析

在推求可能最大降水時(shí)，常用可降水(W)表示水汽條件。可降水(W)是指垂直空氣柱中的全部水汽在氣柱底面上凝結(jié)后的深度，一般利用露點(diǎn)溫度來(lái)推求可降水。當(dāng)氣壓一定時(shí)，露點(diǎn)溫度的高低與空氣中水汽含量有關(guān)，水汽含量高，露點(diǎn)就高。由于高空資料比較缺乏，故推算暴雨時(shí)，假定氣團(tuán)整層是飽和的，濕度的垂直分布可以由當(dāng)?shù)芈饵c(diǎn)(Td)按飽和假絕熱直減率(假絕熱直減率：在假絕熱過(guò)程中，氣溫隨高度降低的變化)隨高度的遞減來(lái)代表。此時(shí)，可降水量只是地面露點(diǎn)的單值函數(shù)，直接用露點(diǎn)推求可降水。

2.2 代表性露點(diǎn)Td的確定

所謂代表性露點(diǎn)，就是適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)、適當(dāng)時(shí)間內(nèi)所確定的一個(gè)地面露點(diǎn)。它所對(duì)應(yīng)的可降水能反映暴雨暖濕氣團(tuán)的水汽特征。表3給出遼寧省典型場(chǎng)次大暴雨代表性露點(diǎn)。

2.3 雨濕比K推求成果

根據(jù)實(shí)測(cè)或調(diào)查暴雨，選用表3 中的Td121000雨量站的平均值推求WTd，再用H求WH，最后用公式(2)計(jì)算得雨濕比(K)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 遼寧省典型場(chǎng)次大暴雨代表性露點(diǎn)實(shí)例

表4 遼寧省主要大暴雨雨濕比計(jì)算成果

通常取歷史露點(diǎn)最大值作為可能最大露點(diǎn)。按飽和假絕熱直減率推求，即可求得200毫巴以下氣柱內(nèi)的水汽總含量，作為可降水的近似物理上限值。遼寧省特大暴雨多發(fā)生在7—8月份，故在7—8月內(nèi)按選取暴雨代表性露點(diǎn)相同的原則，并考慮日降水量在0.1mm以上、總云量在50%以上的條件，選取持續(xù)12h最大露點(diǎn)的極值TdM。最大雨濕比采用的原則：若當(dāng)?shù)匾寻l(fā)生高效暴雨，就選用當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)的最大雨濕比；若當(dāng)?shù)貨](méi)發(fā)生高效暴雨，就移用鄰近地區(qū)天氣系統(tǒng)能在本地發(fā)生的高效暴雨的雨濕比。各地區(qū)最大雨濕比確定結(jié)果如下：

千山山脈以南：根據(jù)本地區(qū)實(shí)測(cè)資料推算(“62.7”黒溝站天氣系統(tǒng)低壓冷鋒雨濕比為11.3、“58.8”荒溝站江淮氣旋雨濕比為10.2、“64.8”梨樹(shù)溝站華北氣旋雨濕比為8.8)，結(jié)合歷史洪水(1888年為該地區(qū)多數(shù)的河流的第一位洪水)比較，參考海河“63.8”的雨濕比。在丹東附近經(jīng)常出現(xiàn)暴雨中心的地點(diǎn)，最大雨濕比選13.5，其他地點(diǎn)按各站實(shí)測(cè)最大24h暴雨分布的趨勢(shì)內(nèi)插采用，最小雨濕比選用9.2。

遼東半島：由實(shí)測(cè)資料推求該地區(qū)各站雨濕比采用8.2～7.5之間。

渾、太地區(qū)：本區(qū)暴雨有兩個(gè)實(shí)測(cè)暴雨中心，最大的暴雨中心在丹東黒溝，天氣系統(tǒng)冷鋒雨濕比為7.4。但本溪地區(qū)也有一個(gè)暴雨中心，在暴雨中心地區(qū)的本溪附近最大雨濕比采用9.5，在降雨小的地方，最低雨濕比選用7.9。

清、柴、汎地區(qū)：根據(jù)我省實(shí)測(cè)最大24h雨量分布及24h暴雨均值、Cv的分布情況，在哈達(dá)嶺及大黑山夾峙地帶的西豐、涼水泉子均是暴雨中心。從天氣系統(tǒng)來(lái)看，這個(gè)地區(qū)產(chǎn)生大暴雨的天氣系統(tǒng)為低壓冷鋒及華北氣旋，參照東部地區(qū)低壓冷鋒的雨濕比為11.3，華北氣旋雨濕比為8.8，在西豐附近高值地區(qū)，雨濕比采用9.4，其它地點(diǎn)按實(shí)測(cè)24h降雨量分布趨勢(shì)，并考慮平原地區(qū)的雨濕比，采用內(nèi)插值。

中部平原：該區(qū)以華北氣旋降雨為主，大連永記站華北氣旋的雨濕比為8.8，遼西沿海永安堡華北氣旋的雨濕比為6.2，中部平原取其中間值，雨濕比選用7.5。

遼西地區(qū)：遼西沿海是我省經(jīng)常發(fā)生暴雨的地方。本區(qū)實(shí)測(cè)資料推算雨濕比為10.3，在該區(qū)暴雨中心處，參照河北省“63.8”的雨濕比而選用13.1，其他地點(diǎn)按本地區(qū)的暴雨分布情況最低雨濕比采用9.37，朝陽(yáng)西北部局部雷暴雨天氣系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生，根據(jù)暴雨調(diào)查數(shù)據(jù)推算的雨濕比在5.2～10.5之間。

2.4 24h可能最大點(diǎn)降水(PMP24h)推算

各站確定了WTdM-WMH、KM值后，利用公式(4)，可以推算各站的PMP24h值。估算成果見(jiàn)表5。

表5 遼寧省雨濕比法估算可能最大點(diǎn)降水(PMP24h)

(續(xù)表)

2.5 成果驗(yàn)證

選取遼寧省24h暴雨超過(guò)300mm的部分站點(diǎn)進(jìn)行可能最大降水計(jì)算的成果驗(yàn)證，各站點(diǎn)最大可能24h降水以及站點(diǎn)記錄的最大24h雨量分別見(jiàn)表6。

表6 最大可能24h降水驗(yàn)證

表6中各站點(diǎn)24h雨量為有資料記錄以來(lái)的最大雨量值，其中西豐站點(diǎn)為暴雨調(diào)查值，可能最大24h主要表示區(qū)域在極端天氣條件下的24h內(nèi)可能最大降水量估算值，其估算值應(yīng)高于各站點(diǎn)記錄的24h暴雨量才合理，從表6對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果可看出，計(jì)算的各站點(diǎn)可能最大24h雨量值均遠(yuǎn)高于其對(duì)應(yīng)雨量站點(diǎn)調(diào)查和記錄的24h雨量值，可能最大24h降水估算結(jié)果總體較為合理。

3 結(jié)論

(1)遼寧地區(qū)各暴雨高值區(qū)有的天氣系統(tǒng)出現(xiàn)的次數(shù)雖多，但形成的降雨量并不太大。如千山山脈以南，冷鋒出現(xiàn)次數(shù)最多，但產(chǎn)生大暴雨的天氣系統(tǒng)卻是低壓冷鋒、江淮氣旋及靜止鋒。因此，在暴雨高值區(qū)內(nèi)，建議選用量級(jí)大的暴雨及其相應(yīng)的天氣系統(tǒng)進(jìn)行可能最大降水分析。

(2)由于高空資料比較缺乏，故推算可能最大降水時(shí)，建議假定氣團(tuán)整層是飽和的，濕度的垂直分布可以由當(dāng)?shù)芈饵c(diǎn)(Td)按飽和假絕熱直減率(假絕熱直減率：在假絕熱過(guò)程中，氣溫隨高度降低的變化)隨高度的遞減來(lái)代表。

(3)本文的研究成果和方法可以為遼寧及其他地區(qū)最大可能降水以及可能最大洪水計(jì)算提供重要的參考，在后期研究中還應(yīng)結(jié)合歷史調(diào)查的暴雨資料對(duì)可能最大降水計(jì)算成果進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證。