信陽市近30年短歷時暴雨雨型特征研究

摘 要：【目的】研究信陽市近30年短歷時暴雨雨型特征，為防災(zāi)減災(zāi)、服務(wù)地方提供技術(shù)支撐。【方法】運用信陽國家氣象站1991—2020年逐分鐘雨量資料，通過模糊識別法確定了60 min、120 min和180 min歷時暴雨雨型，并通過計算雨峰系數(shù)總結(jié)出雨峰分布規(guī)律。【結(jié)果】①不同歷時暴雨中雨型Ⅲ出現(xiàn)概率大，占比為33.6%～36.5%。②在不同年代中，歷時60 min和120 min暴雨雨型均以雨型Ⅲ為主，而180 min暴雨雨型在2000s以雨型I為主。③信陽市短歷時強降雨量較為集中，各歷時暴雨雨峰均位于降雨過程1/2偏前位置。【結(jié)論】信陽市區(qū)短歷時暴雨雨型的主要特征為“單峰型、速度快、強度高、尾巴長”，在工程設(shè)計中需重視單峰雨型雨峰前置引發(fā)的城市內(nèi)澇風險。

關(guān)鍵詞：短歷時暴雨；模糊識別法；信陽市；雨型特征

中圖分類號：P426.6" " " " " " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " " " "文章編號：1003-5168（2023）12-0106-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.021

Research on Short-Duration Rainstorm Pattern Characteristics

in Xinyang City in the Past 30 Years

HUANG 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 from 1991 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 rain peak coefficient. [Findings] ①The occurrence probability of moderate rain type Ⅲ in heavy rains with different durations is high， accounting for 33.6%～36.5%. ②In different years， the 60 min and 120 min torrential rain types were dominated by rain type Ⅲ， while the 180-min torrential rain types were dominated by rain type I in 2000s. ③The short duration strong rainfall in Xinyang City is concentrated， and the rainstorm peaks are located in 1/2 of the rainfall process. [Conclusions] The main characteristics of the 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 risk caused by the front of single peak pattern.

Keywords： short-duration rainstorm; fuzzy identification method; Xinyang City; rainfall pattern characteristics

0 引言

21世紀以來，受氣候變化的影響，導(dǎo)致極端暴雨事件多發(fā)頻發(fā) ［1］。根據(jù)住建部針對2008—2010年全國范圍內(nèi)澇事故的調(diào)查結(jié)果顯示，出現(xiàn)嚴重內(nèi)澇事故的城市所占比例為62%，且有超過一百個城市出現(xiàn)內(nèi)澇的次數(shù)為三次及以上［2］。由于城市排水防澇的技術(shù)標準不高，很多城市應(yīng)對暴雨洪澇事件的防洪調(diào)蓄能力及應(yīng)急處理能力嚴重欠缺［3］。信陽市地處河南省最南端，是中國長江流域和淮河流域的分水嶺。2010—2020年信陽因暴雨致災(zāi)16次，其中2020年“7·19”特大暴雨造成的災(zāi)害仍歷歷在目。暴雨雨型分析是科學設(shè)計城市排水管網(wǎng)和防洪調(diào)蓄的基礎(chǔ)，對山洪、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報預(yù)警也十分重要［4］。信陽市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，現(xiàn)有研究多集中于降水量或是針對某次具體暴雨過程的原因分析，對信陽市區(qū)多年來暴雨雨型特征的專門研究較少。本研究的目的就是通過信陽市區(qū)近30年（1991—2020年）的降雨觀測資料，對信陽市區(qū)暴雨雨型進行分類并分析短歷時暴雨雨型特征，有利于深入了解信陽市區(qū)暴雨演變規(guī)律，為防災(zāi)減災(zāi)、服務(wù)地方提供技術(shù)支撐，對短歷時暴雨預(yù)警預(yù)報、重點區(qū)域氣象災(zāi)害風險評估等工作具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究采用信陽國家氣象站1991—2020年逐分鐘降雨觀測資料，資料來源于河南省氣象探測數(shù)據(jù)中心，均經(jīng)過河南省氣象探測數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和均一性檢驗。

1.2 雨型模糊識別法

雨型模糊識別法具體計算方法為：①將暴雨樣本劃分為n個時間段；②具體計算每個時間段內(nèi)降水量在總降水量中所占比例xi，獲得n個時間段降水量比例的矩陣X；③將每個暴雨樣本獲得的降水矩陣與7 種雨型模式矩陣進行比較，以相似度最高位原則確定每個暴雨樣本屬于的暴雨雨型［5］。7種暴雨雨型示意如圖1所示。

1.3 降雨量閾值

本研究短歷時暴雨降水量的閾值判定選用高紹鳳等［6］提出的計算方法判定暴雨的閾值r（t），具體計算方法見式（1）。

式中： r（t）表示不同暴雨歷時樣本計算出的各歷時暴雨閾值；暴雨的閾值為r（t）。各歷時暴雨等級判定的臨界值見表1。

1.4 降雨樣本選取方法

采用逐時段滑動統(tǒng)計法，分別提取60 min、120 min、180 min暴雨過程樣本，并從所有暴雨樣本中按降水量從多到少選擇某歷時暴雨過程，直到暴雨樣本的降水量達不到閾值為止［7］，統(tǒng)計樣本數(shù)量見表2。

1.5 雨峰位置系數(shù)計算

雨峰位置系數(shù)（簡稱雨峰系數(shù)）采用戴有學等提出的計算公式［8］。將選出的不同歷時暴雨樣本以5 min時間間隔長度進行分段，統(tǒng)計計算降雨過程的雨峰位置系數(shù)。具體計算公式為式（2）。

式中：[ri]為雨峰位置系數(shù)，[ti]為降雨峰值時刻，[Ti]為降雨歷時。

2 結(jié)果分析

2.1 暴雨雨型特征

通過模糊識別法對信陽市1991—2020年不同歷時暴雨雨型分布情況進行分析，結(jié)果如圖2所示。60 min、120 min以及180 min短歷時暴雨雨型主要表現(xiàn)為單峰型，約占58.7%～67.8%。其中，60 min短歷時暴雨雨型中主要以第Ⅲ類單峰雨型為主，近30年共出現(xiàn)69次，占36.5%；其次為第Ⅵ類雙峰雨型和第Ⅰ類單峰雨型分別出現(xiàn)24次和23次，占12.7%和12.2%。120 min短歷時暴雨雨型中主要以第Ⅲ類單峰雨型為主，近30年共出現(xiàn)56次，占35.8%；其次為第I類單峰雨型出現(xiàn)30次，占19.2%。180 min短歷時暴雨雨型中仍然以第Ⅲ類單峰雨型為主，近30年共出現(xiàn)46次，占33.6%，其次為第Ⅰ類單峰雨型出現(xiàn)30次，占21.9%。

從雨型組成結(jié)構(gòu)可知，60 min、120 min以及180 min短歷時暴雨雨型均為第Ⅲ類雨型所占比例最高，因此近30年信陽市區(qū)短歷時暴雨雨型主要以第Ⅲ類單峰雨型為主。隨著暴雨歷時的不斷增長，雨型Ⅲ所占比例逐漸減小，而雨型I所占比例逐漸增大。

2.2 雨型時間變化

各歷時暴雨不同年代的雨型變化特征如圖3所示。歷時60 min暴雨雨型中，1990s第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類單峰雨型出現(xiàn)概率為82.1%，2000s出現(xiàn)的概率為55.1%，2010s出現(xiàn)的概率為50.0%，隨著年代變化單峰雨型出現(xiàn)的概率逐漸降低。其中均為雨型Ⅲ占比最高，為29.2%～56.4%，隨著年代變化雨型Ⅲ占比逐漸降低。

歷時120 min的暴雨雨型中，1990s第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類單峰雨型出現(xiàn)概率為59.0%，2000s出現(xiàn)的概率為59.6%，2010s出現(xiàn)的概率為75.4%，隨著年代變化單峰雨型出現(xiàn)的概率逐漸增加。其中均為雨型Ⅲ占比最高，為30.8%～43.1%，隨著年代變化雨型Ⅲ出現(xiàn)的概率逐漸增加；雨型I占比其次，為17%～21.2%，雨型I沒有明顯年代變化規(guī)律。

歷時180 min的暴雨雨型中，1990s第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類單峰雨型出現(xiàn)概率為65.2%，2000s出現(xiàn)的概率為65.7%，2010s出現(xiàn)的概率為71.7%，隨著年代變化單峰雨型出現(xiàn)的概率逐漸增加。其中1990s和2010s雨型III占比最高，分別為26.3%和41.7%，2000s雨型I占比最高，為34.8%，年代變化規(guī)律不明顯。

2.3 雨峰特征分析

利用60 min、120 min和180 min暴雨樣本，計算分析近30年信陽市各歷時暴雨雨峰系數(shù)（表3）。60 min、120 min和180 min暴雨雨峰系數(shù)介于0.378～0.478之間，綜合雨峰系數(shù)為0.423。其中，不同歷時暴雨樣本中，歷時60 min和120 min暴雨雨峰系數(shù)分別為0.478和0.393，雨峰位置處于樣本過程1/2偏前位置；歷時180 min暴雨雨峰系數(shù)為0.378，雨峰位置處于樣本過程的1/3的位置。通過60 min、120 min和180 min暴雨雨峰位置分析，信陽市短歷時暴雨強度較為集中，多位于樣本過程1/2偏前位置。

3 結(jié)論

①總體上，1991—2020年信陽市區(qū)60 min、120 min和180 min短歷時暴雨雨型單峰型出現(xiàn)頻率最高，雙峰型其次，均勻性最少。短歷時暴雨單峰型雨型中，雨型Ⅲ所占比例最高，為33.6%～36.5%；其次為雨型Ⅰ，所占比例為12.2%～21.9%。

②從不同年代分析可知，1990s、2000s及2010s信陽市區(qū)短歷時暴雨雨型均以單峰型為主。其中，歷時60 min和120 min暴雨雨型中各年代均為雨型Ⅲ所占比例最高，且隨著年代變化歷時60 min暴雨雨型中雨型Ⅲ占比逐漸降低，而歷時120 min暴雨雨型中雨型Ⅲ占比逐漸增加；歷時180 min暴雨雨型中，除2000s外均為雨型III所占比例最高，年代變化規(guī)律不明顯。

③各時段雨峰系數(shù)介于0.378～0.478之間，綜合雨峰系數(shù)為0.423。信陽市短歷時強降雨量較為集中，歷時60 min和120 min暴雨雨峰在降雨過程1/2偏前位置，歷時180 min暴雨雨峰位于降雨過程1/3的位置。

④信陽市區(qū)短歷時暴雨雨型的主要特征為“單峰型、速度快、強度高、尾巴長”。當短歷時暴雨來臨，短時間內(nèi)降水量將快速增加，對城市管網(wǎng)排水造成巨大壓力，增加城市內(nèi)澇風險。因此，當氣象部門發(fā)布短歷時暴雨預(yù)警信號時，需要迅速啟動應(yīng)急響應(yīng)。相關(guān)部門必須盡快做好排水排澇相關(guān)準備工作，加大疏通搶排力度，以避免因短歷時暴雨強度過大造成的城市內(nèi)澇災(zāi)害。

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