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。

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(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

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(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

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(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。

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(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。

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—?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)。

3.3 暴雨災(zāi)害預(yù)警

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

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(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。