皋 云,李瓊芳,2,周正模,杜 堯,和鵬飛
(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.江蘇省“世界水谷”與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210098)
快速城市化改變了局部氣候,城市熱島效應(yīng)、阻礙效應(yīng)、凝結(jié)核效應(yīng)顯著改變了城區(qū)降雨模式與分布[1],暴雨頻次和短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度不斷增加,城市暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)增大,危及城市居民生命和財(cái)產(chǎn)安全,嚴(yán)重制約了城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)有序發(fā)展[2-3]。降雨場(chǎng)次的劃分是暴雨特性研究的基礎(chǔ),對(duì)于精準(zhǔn)地解析暴雨特性至關(guān)重要。然而,目前尚未形成統(tǒng)一的降雨場(chǎng)次劃分方法。李俊奇等[4]將每日降雨(20:00至次日20:00)作為一場(chǎng)降雨,但該劃分方法得到的場(chǎng)次降雨與實(shí)際情況存在較大偏差;Adams等[5]在分析降雨間隔時(shí)間與降雨自相關(guān)系數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上,確定了最小降雨間隔時(shí)間,并提出降雨間隔在1~6 h之內(nèi)時(shí)實(shí)際應(yīng)用性較強(qiáng),但亟須驗(yàn)證其在中國(guó)高強(qiáng)度城市化地區(qū)的適用性。由于不同城市在城市規(guī)模、城市化程度、人類活動(dòng)干擾程度、地形地貌及氣候條件等方面均有較大差異,在氣候變化和人類活動(dòng)共同作用下其暴雨特性變化規(guī)律也不盡相同,因此,一些學(xué)者針對(duì)不同城市開展了暴雨特性研究[6-8]。張潔祥等[9]分析了上海市年代際降水、年降水、汛期與非汛期降水的變化和周期變化特征,但未對(duì)不同歷時(shí)降雨的變化特征進(jìn)行研究;李政等[10]解析了伊寧市的強(qiáng)降雨特征以及對(duì)洪災(zāi)的影響。在江蘇省,南京、無錫、常州已開展了關(guān)于城市暴雨特性的研究[11-13],然而,鎮(zhèn)江市作為第一批國(guó)家海綿試點(diǎn)城市,對(duì)其暴雨變化規(guī)律的精細(xì)化分析卻鮮見報(bào)道。城市雨洪管理應(yīng)以防澇達(dá)標(biāo)為重點(diǎn)[14],清楚地認(rèn)識(shí)城市暴雨規(guī)律既是科學(xué)推求設(shè)計(jì)暴雨、合理規(guī)劃與設(shè)計(jì)城市排水防澇系統(tǒng)的前提,也是有效制定海綿城市設(shè)計(jì)指標(biāo)以及評(píng)估不同降雨條件下海綿城市建設(shè)效果的重要依據(jù),對(duì)建立完善的城市排水防澇系統(tǒng)、提高城市防災(zāi)減災(zāi)能力、保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全也至關(guān)重要[15-16]。因此,亟須在科學(xué)合理劃分鎮(zhèn)江市場(chǎng)次暴雨的基礎(chǔ)上,對(duì)其暴雨變化規(guī)律進(jìn)行深入細(xì)致的分析。
鎮(zhèn)江市(北緯31°37′~32°19′、東經(jīng)118°58′~119°58′)位于江蘇省南部,長(zhǎng)江下游南岸,長(zhǎng)江和京杭大運(yùn)河在此交匯。鎮(zhèn)江市屬暖溫帶向北亞熱帶過渡的季風(fēng)氣候,氣候濕潤(rùn)溫和,雨量充沛,雨熱同期,全年無霜期239 d,降雨多集中在5—10月,多年平均降水量1 106.2 mm,汛期平均雨量達(dá)781.3 mm。隨著鎮(zhèn)江城市化建設(shè)進(jìn)程加快,下墊面不透水面積增加,鎮(zhèn)江市熱島效應(yīng)明顯,降雨增多。特殊的地理位置、快速的城市化進(jìn)程與汛期的集中降水使得鎮(zhèn)江市區(qū)面臨外洪與內(nèi)澇的夾擊,不斷出現(xiàn)嚴(yán)重的暴雨洪澇災(zāi)害[17]。
降雨具有持續(xù)性和間斷性的特點(diǎn),長(zhǎng)時(shí)間序列的降雨數(shù)據(jù)可劃分為多場(chǎng)獨(dú)立的場(chǎng)次降雨。對(duì)于某一場(chǎng)確定的降雨序列,不同的降雨場(chǎng)次劃分對(duì)應(yīng)著不同的降雨場(chǎng)次和降水量。工程實(shí)踐中,海綿城市建設(shè)的降雨總量控制目標(biāo)、城市雨洪模型的降水量過程線模擬、防洪工程及城市管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均與場(chǎng)次降雨數(shù)據(jù)密切相關(guān)。因此,合理地確定降雨間隔時(shí)間、劃分降雨場(chǎng)次尤為重要,但因最小降雨間隔T及無雨標(biāo)準(zhǔn)需人為確定,劃分結(jié)果受主觀因素影響較大[4]。在數(shù)據(jù)資料的時(shí)間分辨率達(dá)到小時(shí)降雨數(shù)據(jù)時(shí),按照T進(jìn)行場(chǎng)次劃分更為合理[18]。當(dāng)兩場(chǎng)雨的間隔時(shí)間t≥T時(shí),視為2場(chǎng)降雨;當(dāng)t (1) 圖1 基于降雨時(shí)間間隔的降雨場(chǎng)次劃分示意圖 通過對(duì)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)分析,得到自相關(guān)系數(shù)與間隔時(shí)間的關(guān)系(圖2),自相關(guān)系數(shù)在0~0.3之間可認(rèn)為數(shù)據(jù)之間相關(guān)性較弱,一定間隔時(shí)間后,降雨數(shù)據(jù)自相關(guān)系數(shù)顯著下降并且接近0,可選擇此間隔時(shí)間作為最小降雨間隔。該劃分方法根據(jù)研究區(qū)實(shí)測(cè)的降雨數(shù)據(jù)確定間隔時(shí)間,減少了由于主觀因素造成的誤差,更符合研究區(qū)實(shí)際的降雨過程,得到的降雨歷時(shí)、降水量、降雨強(qiáng)度更具代表性。 圖2 自相關(guān)分析 為揭示鎮(zhèn)江市暴雨變化規(guī)律,在選用長(zhǎng)系列降雨資料時(shí),既要考慮降雨站點(diǎn)的區(qū)域代表性,也要考慮歷史數(shù)據(jù)連續(xù)性和一致性要求,還要考慮資料系列至少30年以上。鑒于鎮(zhèn)江站于1997年停測(cè)后直接移用丹徒站資料,而丹徒站是除鎮(zhèn)江站之外最具代表性的觀測(cè)站點(diǎn),本文選用丹徒站1981—2016年降雨資料進(jìn)行鎮(zhèn)江市暴雨變化規(guī)律研究?;阪?zhèn)江市丹徒站汛期5—10月逐分鐘降雨資料,采用自相關(guān)分析法[5]確定降雨間隔時(shí)間,劃分降雨場(chǎng)次,以我國(guó)氣象上規(guī)定的12 h降水量超過30 mm為標(biāo)準(zhǔn)篩選暴雨場(chǎng)次。進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析汛期各月暴雨場(chǎng)次、各月暴雨量和汛期總暴雨次數(shù)、總暴雨量。以月為時(shí)間尺度研究汛期暴雨場(chǎng)次和暴雨量的分布規(guī)律,基于線性傾向估計(jì)、M-K法[15]解析汛期及各月暴雨次數(shù)和暴雨量的年際變化特性,并分析各月暴雨量對(duì)汛期總降水量的貢獻(xiàn)。依據(jù)暴雨歷時(shí)小于 6 h、6~11 h、12~23 h、24~30 h、大于30 h將暴雨劃分為特短暴雨、短暴雨、一般暴雨、長(zhǎng)暴雨、特長(zhǎng)暴雨;依據(jù)場(chǎng)次總雨量為30~60 mm、60~100 mm、大于 100 mm 將暴雨分為弱暴雨、中暴雨、強(qiáng)暴雨[16]。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法分析汛期各月不同歷時(shí)和不同強(qiáng)度暴雨次數(shù)的分布情況,探明汛期不同歷時(shí)和不同強(qiáng)度的暴雨次數(shù)的變化趨勢(shì)、年際及年代際變化特征。針對(duì)選取的汛期特短暴雨和短暴雨,分析不同年代特短暴雨、短暴雨的強(qiáng)度變化規(guī)律,揭示短歷時(shí)暴雨的頻次和強(qiáng)度演變特征。 基于鎮(zhèn)江市丹徒站1981—2016年汛期5—10月降雨資料進(jìn)行自相關(guān)分析(圖3)。由圖3可見,隨著降雨間隔時(shí)間的增大,自相關(guān)系數(shù)逐漸趨近于0,自相關(guān)系數(shù)小于0.2的合理降雨間隔為2~10 h,因此將2 h作為降雨間隔時(shí)間,這與建設(shè)部頒布的《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》中推薦的以2 h作為降雨間隔時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)一致[4],驗(yàn)證了該方法在高度城市化的鎮(zhèn)江的適用性。以12 h降水量超過30 mm為標(biāo)準(zhǔn)篩選暴雨場(chǎng)次,對(duì)降雨場(chǎng)次進(jìn)行篩選,得到1981—2016年汛期5—10月暴雨共252次。 圖3 鎮(zhèn)江市降雨自相關(guān)分析 圖4為鎮(zhèn)江市1981—2016年汛期總暴雨次數(shù)和總暴雨量變化。由圖4可見,鎮(zhèn)江市1981—2016年汛期共出現(xiàn)暴雨252次,年平均暴雨次數(shù)為7次。鎮(zhèn)江市的汛期年暴雨次數(shù)和汛期年暴雨量年際變化大,汛期年暴雨次數(shù)呈略微增長(zhǎng)的趨勢(shì),汛期年暴雨量以每10年43.4 mm的速度增加,這可能是氣候變暖與城市化共同影響的結(jié)果[19]。1991年華東水災(zāi),1998年長(zhǎng)江全流域洪水,2009年盛夏極端異常氣候造成鎮(zhèn)江市低溫多雨,2016年受厄爾尼諾現(xiàn)象導(dǎo)致強(qiáng)降雨頻發(fā),這4年均發(fā)生10次以上暴雨。1993年、1994年、1997年、2006年、2013年汛期均發(fā)生持續(xù)1~7個(gè)月的一般干旱或重旱事件[20],這5年暴雨次數(shù)均在1~3次。 圖4 鎮(zhèn)江市1981—2016年汛期總暴雨次數(shù)和總暴雨量變化 圖5為鎮(zhèn)江市1981—2016年汛期總暴雨次數(shù)和總暴雨量的各月分布。由圖5可見,鎮(zhèn)江市汛期暴雨分布不均性顯著,夏季多發(fā)性明顯,主要集中在6—8月。7月出現(xiàn)最多,為72次,占汛期總暴雨次數(shù)的28.6%,7月暴雨量占汛期總暴雨量的29.4%;6月次之,發(fā)生64次暴雨,占汛期總暴雨次數(shù)的25%,6月暴雨量占汛期總暴雨的27.1%;8月略低于6月,發(fā)生49次暴雨,占總場(chǎng)次的19.4%,8月暴雨量占汛期總暴雨量的17.0%;5月和10月暴雨次數(shù)較少,僅占汛期總暴雨次數(shù)的7.5%和6.3%,5月和10月暴雨量分別占汛期暴雨量的7.2%和5.4%。 圖5 鎮(zhèn)江市1981—2016年汛期總暴雨次數(shù)和總暴雨量各月分布 研究汛期多年月平均暴雨量以及月暴雨量對(duì)汛期總暴雨量貢獻(xiàn)率并進(jìn)行M-K檢驗(yàn)(表1)。5月暴雨量M-K統(tǒng)計(jì)量絕對(duì)值大于1.64,通過了置信度為90%的顯著性檢驗(yàn),表明5月暴雨量下降趨勢(shì)顯著;7月暴雨量M-K統(tǒng)計(jì)量大于1.96,通過了置信度為95%的顯著性檢驗(yàn),表明7月暴雨量上升趨勢(shì)顯著。月暴雨量貢獻(xiàn)率M-K值中,5月、7月暴雨量對(duì)總暴雨量的貢獻(xiàn)均通過了置信度為95%的顯著性檢驗(yàn),表明5月形成暴雨的概率低,7月形成暴雨的概率較高。7月與8月暴雨量增多,對(duì)汛期總暴雨量貢獻(xiàn)增大,其他月份暴雨量減少,對(duì)暴雨貢獻(xiàn)減小,暴雨集中度增強(qiáng),這可能是由東亞季風(fēng)以及西北太平洋臺(tái)風(fēng)登陸的影響造成的[21]。因此,7月與8月的防汛任務(wù)較為艱巨,這與林恒等[22]研究表明長(zhǎng)江三角洲地區(qū)春秋季節(jié)各強(qiáng)度降水減少,夏季降水增多,且夏季降雨強(qiáng)度較大的結(jié)論是一致的。 表1 汛期不同月份暴雨量、暴雨量貢獻(xiàn)率M-K統(tǒng)計(jì)量及變化趨勢(shì) 圖6統(tǒng)計(jì)了鎮(zhèn)江市汛期各月特短暴雨、短暴雨、一般暴雨、長(zhǎng)暴雨、特長(zhǎng)暴雨次數(shù)占比。鎮(zhèn)江市各歷時(shí)暴雨中,一般暴雨出現(xiàn)次數(shù)最多,為83次,占汛期總暴雨次數(shù)的32.9%;特短和短暴雨次之,分別為55次和51次,占比21.8%和20.2%;長(zhǎng)暴雨和特長(zhǎng)暴雨出現(xiàn)次數(shù)最少,分別為32次和31次,僅占12.7%和12.3%。由圖6可知,進(jìn)入汛期后,特短暴雨和短暴雨出現(xiàn)次數(shù)逐漸增多,暴雨次數(shù)占比增大,8月達(dá)到峰值后次數(shù)開始減少,一般暴雨呈汛期頻發(fā)的特點(diǎn),長(zhǎng)暴雨在汛期占比都較小,特長(zhǎng)暴雨僅在9月、10月出現(xiàn)次數(shù)較多。5—7月,一般暴雨次數(shù)占比最大,8月,特短暴雨、短暴雨次數(shù)占比最大,9—10月,一般暴雨次數(shù)占比最大。 圖6 鎮(zhèn)江市1981—2016汛期各月不同歷時(shí)暴雨次數(shù)占比 圖7統(tǒng)計(jì)了不同歷時(shí)暴雨次數(shù)的5年滑動(dòng)平均值。由圖7可知,鎮(zhèn)江市暴雨以短暴雨和一般暴雨為主,1981—1996年,特短暴雨和短暴雨5年滑動(dòng)平均次數(shù)略微減少,1996年后,短暴雨和特短暴雨平均次數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著;一般暴雨平均次數(shù)變化趨勢(shì)顯著,1981—2003年,一般暴雨平均次數(shù)略微增長(zhǎng),2003年后呈逐漸下降趨勢(shì);1981—2016年,長(zhǎng)暴雨次數(shù)5年滑動(dòng)平均值都在1次左右;特長(zhǎng)暴雨平均次數(shù)總體呈下降趨勢(shì),2003—2015年,僅出現(xiàn)2次特長(zhǎng)暴雨。 圖7 鎮(zhèn)江市1981—2016汛期不同歷時(shí)暴雨次數(shù)5年滑動(dòng)平均變化 對(duì)各歷時(shí)暴雨次數(shù)進(jìn)行M-K檢驗(yàn)(表2),特短暴雨次數(shù)通過了置信度為95%顯著性檢驗(yàn),短暴雨次數(shù)的M-K統(tǒng)計(jì)量大于2.58,通過了置信度為99%的顯著性檢驗(yàn),說明特短和短暴雨次數(shù)增加趨勢(shì)顯著。短歷時(shí)暴雨的增多可能與太陽輻射加熱或城市熱島效應(yīng)密切相關(guān)[23]。一般暴雨次數(shù)M-K統(tǒng)計(jì)量小于0,但絕對(duì)值未超過1.64,說明一般暴雨次數(shù)呈減少趨勢(shì),但趨勢(shì)不明顯;長(zhǎng)暴雨次數(shù)M-K統(tǒng)計(jì)量大于0,但未通過顯著性檢驗(yàn),說明長(zhǎng)暴雨次數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì),但趨勢(shì)不明顯;特長(zhǎng)暴雨次數(shù)M-K統(tǒng)計(jì)量小于0,表明特長(zhǎng)暴雨次數(shù)呈減少趨勢(shì),但減少趨勢(shì)不顯著。 表2 汛期不同歷時(shí)暴雨次數(shù)的變化趨勢(shì) 圖8為不同年代不同歷時(shí)暴雨次數(shù)占比。由圖8可見,1981—2000年,特短暴雨、短暴雨占比略微減??;2010年后,特短暴雨和短暴雨次占比顯著增大;1981—2010年,一般暴雨、特長(zhǎng)暴雨呈現(xiàn)占比減小的趨勢(shì),長(zhǎng)暴雨占比略微增大。2010年前,均為一般暴雨占比最大,2010年后,特短暴雨占比最大。 圖8 汛期不同年代的不同歷時(shí)暴雨次數(shù)占比 圖9統(tǒng)計(jì)了鎮(zhèn)江市汛期弱暴雨、中暴雨、強(qiáng)暴雨次數(shù)的占比。由圖9可見,鎮(zhèn)江市各強(qiáng)度暴雨中,弱暴雨出現(xiàn)次數(shù)最多,為152次,占汛期總暴雨次數(shù)的60.3%;中暴雨次之,為73次,占到29.0%;強(qiáng)暴雨出現(xiàn)次數(shù)最少,為27次,僅占10.7%。由圖9可得,弱暴雨8月占比最多,中暴雨除在7—8月占比較小,其他月份占比相近,強(qiáng)暴雨主要集中在7月,占汛期總強(qiáng)暴雨次數(shù)的48.1%。 圖9 鎮(zhèn)江市1981—2016汛期各月不同強(qiáng)度暴雨次數(shù)占比 圖10為不同強(qiáng)度暴雨次數(shù)的5年滑動(dòng)平均值。由圖10可見,1981—1996年,弱暴雨5年滑動(dòng)平均次數(shù)呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì),1997年后暴雨平均次數(shù)逐漸增多;中暴雨平均次數(shù)變化幅度較小,5年滑動(dòng)平均值均在2次左右;1981—1991年,強(qiáng)暴雨平均次數(shù)略微增長(zhǎng),1992—2006年,僅發(fā)生4次強(qiáng)暴雨,2007年后,強(qiáng)暴雨平均次數(shù)呈上升趨勢(shì)。 圖10 鎮(zhèn)江市1981—2016汛期不同強(qiáng)度暴雨次數(shù)5年滑動(dòng)平均變化 對(duì)各強(qiáng)度暴雨次數(shù)進(jìn)行M-K檢驗(yàn)(表3),由表3可見,弱暴雨、中暴雨和強(qiáng)暴雨的暴雨次數(shù)的M-K統(tǒng)計(jì)量均大于0,均未通過顯著性檢驗(yàn),說明各強(qiáng)度暴雨次數(shù)均呈增多趨勢(shì),但趨勢(shì)均不明顯。 表3 汛期不同強(qiáng)度暴雨次數(shù)的變化趨勢(shì) 圖11為不同年代不同歷時(shí)暴雨次數(shù)的占比。由圖11可見,1981—2000年,弱暴雨占比小幅度增大,中暴雨、強(qiáng)暴雨占比小幅度減小,2010年后,弱暴雨占比減小,中暴雨、強(qiáng)暴雨占比略微增大。 圖11 汛期不同強(qiáng)度暴雨次數(shù)占比的不同年代分布 作為海綿城市試點(diǎn)城市的鎮(zhèn)江,近年來內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā),短歷時(shí)、高強(qiáng)度的暴雨是造成城市內(nèi)澇的重要原因。因此,著重對(duì)特短暴雨和短暴雨強(qiáng)度進(jìn)行分析,統(tǒng)計(jì)了不同年代特短暴雨、短暴雨中的弱暴雨、中暴雨、強(qiáng)暴雨次數(shù)及其占比,結(jié)果見圖12、圖13。由圖12、圖13可見,各個(gè)年代特短暴雨和短暴雨均以弱暴雨為主,中暴雨次之,1981—2016年,僅發(fā)生1次短歷時(shí)強(qiáng)暴雨;特短暴雨中,1981—1990年,弱暴雨和中暴雨次數(shù)減少,但特短暴雨中的弱暴雨占比增大,中暴雨占比減小,2000年后,弱暴雨和中暴雨次數(shù)呈增多趨勢(shì),特短暴雨中的弱暴雨占比呈減小趨勢(shì),中暴雨占比呈增大趨勢(shì);短暴雨中,1981—1990年未發(fā)生短歷時(shí)的中暴雨,1991—2000年,弱暴雨次數(shù)減少,中暴雨次數(shù)增多,弱暴雨占比減小,中暴雨占比增長(zhǎng)顯著,2000年后,短暴雨中的弱暴雨次數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì),中暴雨次數(shù)變化不明顯,因此,弱暴雨占比增大,中暴雨占比減小。從不同年代特短暴雨、短暴雨中弱暴雨、中暴雨、強(qiáng)暴雨的占比來看,特短暴雨的強(qiáng)度呈增強(qiáng)的趨勢(shì),短暴雨的強(qiáng)度略微減弱,但2010年后,出現(xiàn)了1981—2016年間唯一的1次短歷時(shí)強(qiáng)暴雨。 圖12 汛期不同強(qiáng)度的特短暴雨次數(shù)分布 圖13 汛期不同強(qiáng)度的短暴雨次數(shù)分布 a. 鎮(zhèn)江市合理的降雨場(chǎng)次劃分間隔時(shí)間為 2 h,與建設(shè)部頒布的《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》中推薦的以2 h作為降雨間隔時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)一致。 b. 鎮(zhèn)江市汛期暴雨次數(shù)、暴雨量均呈增加趨勢(shì)。6—8月暴雨次數(shù)、暴雨量遠(yuǎn)高于其他月份,分別占汛期總暴雨的73.0%和73.5%。7月和8月的暴雨量及其對(duì)總降雨的貢獻(xiàn)率呈增加趨勢(shì),其他月份呈減少趨勢(shì),暴雨集中度增強(qiáng)。 c. 鎮(zhèn)江市不同歷時(shí)的暴雨中,一般暴雨占比最大,占汛期總暴雨次數(shù)的32.9%。特短、短暴雨次數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著,分別通過了95%和99%的顯著性檢驗(yàn),且特短暴雨的強(qiáng)度也呈增強(qiáng)趨勢(shì)。 d. 鎮(zhèn)江市不同強(qiáng)度的暴雨中,弱暴雨占比最大,占汛期總暴雨次數(shù)的60.3%,弱、中、強(qiáng)暴雨次數(shù)均有不同程度的增長(zhǎng),但沒有通過顯著性檢驗(yàn)。3 結(jié)果與分析
3.1 鎮(zhèn)江市暴雨場(chǎng)次劃分結(jié)果
3.2 汛期各月暴雨次數(shù)及暴雨量變化規(guī)律
3.3 不同歷時(shí)暴雨變化規(guī)律
3.4 不同強(qiáng)度暴雨變化規(guī)律
3.5 特短暴雨與短暴雨的強(qiáng)度變化特征
4 結(jié) 論