馬俊明,齊 實(shí),程柏涵,梁 斌,郭虎波,陳建輝
(北京林業(yè)大學(xué),水土保持學(xué)院,水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)、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(cái)產(chǎn)帶來巨大的威脅[3-4],如受2016年第4號“妮妲”臺風(fēng)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(jì)損失高達(dá)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(shí)IPCC SREX和IPCC AR5報(bào)告指出全球強(qiáng)降雨事件顯著增加,預(yù)計(jì)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(qiáng)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(rèn)為我國年際暴雨雨量、時(shí)間及降雨強(qiáng)度呈增加趨勢。林建等[12]在研究近30年(1981—2010年)我國暴雨時(shí)空特征中指出進(jìn)入21世紀(jì)之后我國南方暴雨時(shí)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(shí)指出進(jìn)入21世紀(jì),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(shí)間呈現(xiàn)增加趨勢,且由于地形的復(fù)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(shí)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(dá)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(qiáng)度、歷時(shí)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。
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(kuò)散(圖2)。屬熱帶季風(fēng)雨林溫?zé)嵝蜌夂?,年平均氣?2 ℃,年平均降雨量1 765.7 mm,降雨長達(dá)182 d,雨季(5—10月)降雨量占全年降雨量的82%,是全省暴雨強(qiáng)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(dá)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
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(jìn)入21世紀(jì)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(jì)以來河口縣暴雨特征,筆者選取2004—2014年作為研究時(shí)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(jì)記錄,精度為0.1 mm,降雨記錄1 d時(shí)間為20:00—20:00?;谏鲜霰┯甑亩x,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(lán)色(廣東省除外)、黃色、橙色、紅色表示[22],各等級暴雨標(biāo)準(zhǔn)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
雨型劃分有多種方法,常見的有根據(jù)降雨資料進(jìn)行模糊統(tǒng)計(jì)的7種雨型劃分法;根據(jù)強(qiáng)度—?dú)v時(shí)—頻率關(guān)系得到一種不均勻的設(shè)計(jì)雨型,即芝加哥雨型[23]; Huff根據(jù)最大雨強(qiáng)發(fā)生在歷時(shí)具體時(shí)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(jì)雨型; 但研究同時(shí)指出芝加哥雨型雨峰過于尖瘦,與實(shí)際不相符合。D. Dunkerley[26]研究表明瞬時(shí)降雨強(qiáng)度不斷變化的降雨過程與降雨強(qiáng)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(shí)際過程,為后期徑流和洪峰流量計(jì)算提供參考依據(jù),筆者采用K-均值聚類的方法進(jìn)行暴雨雨型劃分[27]。
1)量綱變換,獲取聚類指標(biāo)。先求出每場降雨的總降雨歷時(shí)(T)、總降雨量(P)、累積降雨歷時(shí)(t=1,2,…,T)和累積降雨量(Pt)。將累積降雨歷時(shí)除以總歷時(shí)進(jìn)行量綱處理并作為橫坐標(biāo),累積降雨量除以總降雨量進(jìn)行量綱處理并作為縱坐標(biāo),得到降雨過程的量綱累積降雨曲線。將量綱累積降雨歷時(shí)0~1之間每隔0.05等分為21個(gè)部分,起點(diǎn)和終點(diǎn)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(gè)對應(yīng)的雨量累積占比,作為聚類指標(biāo)。因筆者所采用的數(shù)據(jù)為逐小時(shí)降雨,故對累積降雨量和累積歷時(shí)歸一化后,采用線性內(nèi)差的方法獲取對應(yīng)21點(diǎn)的雨量累積比例,利用SPSS軟件進(jìn)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(diǎn),(x0,y0)為待求點(diǎn)。其中x0、x1和x2為歸一化后降雨歷時(shí),y0、y1和y2為歸一化后累積降雨量。
2)確定分類個(gè)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(shí),聚類方差和誤差較小,因此確定聚類個(gè)數(shù)為10個(gè)。
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(gè)累積降雨歷時(shí)點(diǎn)分別進(jìn)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(shí)的變化關(guān)系。
對河口縣177場暴雨發(fā)生的月份進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表3所示??梢钥闯龊涌诳h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(jì),結(jié)果如表4所示??梢钥闯龊涌诳h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(jìn)行統(tǒng)計(jì),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。
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—?dú)v時(shí)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(jì),結(jié)果如表6所示??梢钥闯龊涌诳h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(shí)內(nèi),Ⅱ型暴雨在0.3~0.6累積降雨歷時(shí)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(shí)之后產(chǎn)生,Ⅳ型暴雨量則是均勻的分布在整個(gè)降雨歷時(shí)。
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(shí) 不同雨型暴雨的降雨歷時(shí)如表7所示??梢钥闯?種類型的暴雨歷時(shí)主要分布在4~18 h之間,占總暴雨次數(shù)的88%,其中歷時(shí)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(shí)分布Tab.7 Duration distribution of different rainstorm types
圖4 不同暴雨雨型降雨強(qiáng)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(qiáng)度 不同暴雨雨型降雨強(qiáng)度分布如圖4所示,其中降雨強(qiáng)度是歸一化處理后暴雨量和歷時(shí)的比值??芍煌晷捅┯昶骄涤陱?qiáng)度較高值出現(xiàn)的時(shí)間不同:Ⅰ型暴雨在前0.4累計(jì)降雨歷時(shí),在此期間暴雨維持在較大降雨強(qiáng)度且相差不大;Ⅱ型暴雨在0.3~0.6累積降雨歷時(shí),在此期間暴雨降雨強(qiáng)度先增加后降低,在0.5累積降雨歷時(shí)達(dá)到最大降雨強(qiáng)度;Ⅲ型暴雨在0.65累積降雨歷時(shí)之后并維持到暴雨結(jié)束,存在2個(gè)先增加后降低的變化,在0.8累積降雨歷時(shí)達(dá)到最大降雨強(qiáng)度;Ⅳ型暴雨在整個(gè)降雨過程中降雨強(qiáng)度沒有明顯較大的降雨強(qiáng)度,基本在量綱降雨強(qiáng)度1的上下浮動(dòng)。
暴雨預(yù)警是進(jìn)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%??傮w上,河口縣暴雨危險(xiǎn)性較高,應(yīng)該加強(qiáng)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(lán)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
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(shí)間(5—10月)而言,由于河口縣地處滇南暴雨活動(dòng)中心,受孟加拉灣風(fēng)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(shí)以7~12 h為主,80%暴雨量和平均降雨強(qiáng)度的較大值發(fā)生在前0.4累計(jì)降雨歷時(shí)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(shí)間內(nèi)降雨強(qiáng)度較大,容易引發(fā)災(zāi)害;因此,應(yīng)該注意和加強(qiáng)對該暴雨的預(yù)防。同時(shí)前期降雨暴雨發(fā)生時(shí)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。