鄒 燕 葉殿秀 林 毅 劉愛鳴

1）（福建省氣候中心，福州350001）2）（國家氣候中心，北京100081）3）（福建省氣象臺，福州350001）

福建區(qū)域性暴雨過程綜合強(qiáng)度定量化評估方法

鄒 燕1）葉殿秀2）＊林 毅3）劉愛鳴3）

1）（福建省氣候中心，福州350001）2）（國家氣候中心，北京100081）3）（福建省氣象臺，福州350001）

該文以福建省為例，探討了區(qū)域性暴雨過程的識別方法和綜合強(qiáng)度評估模型。采用福建省66個國家級氣象觀測站1961—2010年逐日降水量資料，首先在給定區(qū)域性暴雨過程識別方法的基礎(chǔ)上，篩選出941次區(qū)域性暴雨過程；其次選取區(qū)域最大日降水量、區(qū)域最大過程降水量、區(qū)域暴雨范圍和區(qū)域暴雨持續(xù)時間4項(xiàng)暴雨過程指標(biāo)，采用百分位數(shù)方法分別確定4項(xiàng)指標(biāo)的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)；采用相關(guān)系數(shù)法確定各指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建福建區(qū)域性暴雨過程的綜合強(qiáng)度評估模型，并給出福建區(qū)域性暴雨過程的綜合強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。業(yè)務(wù)服務(wù)和歷史事件驗(yàn)證表明：采用該方法的評估結(jié)果較為合理，且與歷史重大暴雨事件具有良好的一致性。

區(qū)域性暴雨過程；強(qiáng)度；評估模型

引 言

區(qū)域性暴雨過程往往與冷暖空氣的持續(xù)交綏以及穩(wěn)定的大尺度環(huán)流密切相關(guān)，是我國東部季風(fēng)區(qū)雨季強(qiáng)降水的主要天氣過程。因其在空間上常常表現(xiàn)為成片或帶狀，在時間上又具有天氣尺度特征，往往會引發(fā)較大氣象災(zāi)害［1－3］。

客觀定量判別暴雨過程強(qiáng)度是暴雨預(yù)報(bào)、分析和服務(wù)的重要基礎(chǔ)，也是及時監(jiān)測預(yù)警極端降水事件的重要技術(shù)支撐。大量研究顯示，全球氣候變化背景下，我國降水的顯著年代際變化不僅表現(xiàn)在不同尺度的降水量和極端事件方面［4－6］，也表現(xiàn)在降水強(qiáng)度上［7－8］。因此，加強(qiáng)對暴雨過程強(qiáng)度的評估方法研究是實(shí)際業(yè)務(wù)和應(yīng)對氣候變化的迫切需要。

早年對區(qū)域性暴雨過程強(qiáng)度的評判，常依據(jù)其經(jīng)濟(jì)損失或者最大日降水量等部分指標(biāo)［9－11］。由于暴雨致災(zāi)機(jī)理的復(fù)雜性和災(zāi)情數(shù)據(jù)的不完備性，直接建立災(zāi)損與暴雨過程強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系，不僅其歷史可比性較差，而且在實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行中也易存在滯后現(xiàn)象。另外，以暴雨過程的部分指標(biāo)來表征整體強(qiáng)度也缺乏全面性。近年來，暴雨過程綜合評估方法的探討越來越多［12－16］。

已有的暴雨過程強(qiáng)度評估模型中，多數(shù)是將標(biāo)準(zhǔn)化后的各指標(biāo)值按等權(quán)重或?qū)＜以u分結(jié)果作為權(quán)重進(jìn)行累加［15－16］，而針對各指標(biāo)序列自身變率對評估結(jié)果的影響考慮不足。區(qū)域性暴雨過程的界定常以單日一定數(shù)量或一定比例站點(diǎn)出現(xiàn)暴雨［12，16－20］或以過程降水量作為識別指標(biāo)［21］。這樣會出現(xiàn)區(qū)域性暴雨過程未考慮“區(qū)域性暴雨日”間斷或暴雨過程可能無暴雨出現(xiàn)的情況。而歷史上重大暴雨過程多存在“區(qū)域性暴雨日”間歇現(xiàn)象［22］，且區(qū)域性暴雨日之間出現(xiàn)短暫中斷的情況下，短暫中斷后的區(qū)域性暴雨日對災(zāi)害的形成仍有影響，應(yīng)合并考慮。

為此，本文以福建省為例，建立較為全面反映區(qū)域性暴雨過程各主要指標(biāo)特征的客觀、定量化的綜合強(qiáng)度評估模型，并給出評估等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，以期為開展區(qū)域性暴雨過程的客觀定量化評估業(yè)務(wù)提供參考。

1 資料和方法

1.1 資 料

1961—2010年福建省66個國家級氣象觀測站20：00（北京時，下同）—次日20：00降水量，資料來自福建省氣象信息中心。本文的國家級氣象觀測站是以中國氣象局現(xiàn)代氣候業(yè)務(wù)監(jiān)測預(yù)測評估站（2288站）為基礎(chǔ)，包括基準(zhǔn)站、基本站和一般站。

1.2 方 法

1.2.1 百分位數(shù)計(jì)算方法

百分位數(shù)計(jì)算采用Hyndman等的經(jīng)驗(yàn)公式［23］。

1.2.2 樣本序列標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式

式（1）中，Ci為第i個樣本標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值，Yi為第i個樣本值，為樣本序列的氣候平均值，δ為樣本序列的標(biāo)準(zhǔn)差。

2 區(qū)域性暴雨過程的有關(guān)規(guī)定

2.1 暴雨日

單站暴雨日：單個國家級氣象觀測站日降水量不小于50mm的雨日。

區(qū)域性暴雨日：福建省國家級氣象觀測站中，至少3個（或至少5%）站達(dá)單站暴雨日的雨日。

2.2 區(qū)域性暴雨過程

區(qū)域性暴雨日持續(xù)日數(shù)至少1d的過程或者間斷1d且間斷日福建省66個國家級氣象觀測站日降水量滿足以下條件之一：①至少1個站達(dá)暴雨及以上；②至少5個站達(dá)大雨及以上，且次日至少5個站達(dá)暴雨及以上；③至少5個站達(dá)中雨及以上，且次日至少10個站達(dá)暴雨及以上。

以上規(guī)定遵循的原則包括：①中斷日若仍有暴雨站，前后串接為同一個區(qū)域性暴雨過程，以保證持續(xù)區(qū)域性暴雨過程的連貫性；②中斷日仍有較大范圍的強(qiáng)降水，且緊接其后仍有較大范圍的區(qū)域性暴雨日，前后過程也串接為同一個區(qū)域性暴雨過程。

區(qū)域性暴雨過程的首個（最后一個）區(qū)域性暴雨日為區(qū)域性暴雨過程的開始日（結(jié)束日）。

區(qū)域性暴雨過程的持續(xù)時間：區(qū)域性暴雨過程開始日至結(jié)束日的日數(shù)。

3 區(qū)域性暴雨過程的綜合強(qiáng)度評估模型

3.1 評估指標(biāo)的選擇

本文選擇區(qū)域最大過程降水量、區(qū)域最大日降水量、區(qū)域暴雨范圍和區(qū)域暴雨持續(xù)時間4個評估指標(biāo)表征區(qū)域性暴雨過程綜合強(qiáng)度。各指標(biāo)定義如下。

區(qū)域最大過程降水量：區(qū)域性暴雨過程中，福建省66個國家級氣象觀測站過程累積降水量最大值。

區(qū)域最大日降水量：區(qū)域性暴雨過程中，福建省66個國家級氣象觀測站日降水量最大值。

區(qū)域暴雨范圍：區(qū)域性暴雨過程中，福建省66個國家級氣象觀測站出現(xiàn)單站暴雨日的站數(shù)。

區(qū)域暴雨持續(xù)時間：區(qū)域性暴雨過程的開始日至結(jié)束日總?cè)諗?shù)。

3.2 評估指標(biāo)的等級劃分

按2.1節(jié)和2.2節(jié)規(guī)定的區(qū)域性暴雨過程條件統(tǒng)計(jì)，福建省1961—2010年共出現(xiàn)941次區(qū)域性暴雨過程。分別以941次區(qū)域性暴雨過程的區(qū)域最大過程雨量、區(qū)域最大日降水量、區(qū)域暴雨范圍和區(qū)域暴雨持續(xù)時間4個指標(biāo)序列為樣本序列，以各樣本序列的第60%、第80%、第90%、第95%和第98%對應(yīng)的百分位數(shù)作為各指標(biāo)的等級劃分閾值，0級、1級、2級、3級、4級、5級評估等級所對應(yīng)的百分位數(shù)范 圍 分 別 為 ［0，60%），［60%，80%），［80%，90%），［90%，95%），［95%，98%），［98%，100%］。

3.3 區(qū)域性暴雨過程綜合強(qiáng)度評估模型

通常各項(xiàng)指標(biāo)強(qiáng)度越強(qiáng)，其致災(zāi)性也越強(qiáng)。不同強(qiáng)度指標(biāo)在致災(zāi)過程中作用不同，在建立區(qū)域性暴雨過程綜合強(qiáng)度評估模型中應(yīng)予以考慮。本研究以某一指標(biāo)序列與其余3個指標(biāo)序列之間相關(guān)系數(shù)的平均值占所有指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)平均值總和的比值作為該指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)［24］。統(tǒng)計(jì)顯示，福建省區(qū)域最大過程降水量、區(qū)域最大日降水量、區(qū)域暴雨范圍和區(qū)域暴雨持續(xù)時間4個指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分別為0.29，0.23，0.25和0.23。區(qū)域性暴雨過程綜合強(qiáng)度評估模型見式（2）：

式（2）中，Irain為區(qū)域性暴雨過程綜合強(qiáng)度指數(shù)；Gpre，G24pre，Gcov和Gday分別是區(qū)域最大過程降水量、區(qū)域最大日降水量、區(qū)域暴雨范圍和區(qū)域暴雨持續(xù)時間4個指標(biāo)的評估等級；Rpre，R24pre，Rcov和Rday分別是標(biāo)準(zhǔn)化后的4個指標(biāo)值；A，B，C和D為權(quán)重系數(shù)。

3.4 區(qū)域性暴雨過程綜合強(qiáng)度指數(shù)等級劃分

基于福建省941次區(qū)域性暴雨過程的綜合強(qiáng)度指數(shù)序列，采用百分位數(shù)法，分別計(jì)算第60%、第80%、第90%、第95%和第98%對應(yīng)的百分位數(shù)；以上述5個百分位數(shù)為閾值確定等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，從而得到各場區(qū)域性暴雨過程綜合強(qiáng)度的評估等級。4個指標(biāo)和綜合強(qiáng)度指數(shù)的評估等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 福建區(qū)域性暴雨過程主要指標(biāo)及綜合強(qiáng)度指數(shù)的評估等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification and assessment of composite intensity and four major statistics index of Fujian regional heavy rainfall

4 模型檢驗(yàn)

為說明本文所構(gòu)建的綜合強(qiáng)度評估模型的合理性，以下將從日常業(yè)務(wù)服務(wù)及歷史重大暴雨事件兩方面進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 日常業(yè)務(wù)檢驗(yàn)

業(yè)務(wù)服務(wù)總結(jié)的暴雨過程一般都是較大的暴雨過程。1991—2005年福建省氣象臺重要天氣過程服務(wù)總結(jié)的暴雨過程共計(jì)108個，本文統(tǒng)計(jì)的1級及以上的暴雨過程為123個。二者較為一致，且服務(wù)中的所有暴雨過程在本研究建立的暴雨過程序列中無缺漏情況。本文統(tǒng)計(jì)的過程略多主要原因包括：①持續(xù)強(qiáng)降水出現(xiàn)長于1d的間歇將分段，而業(yè)務(wù)中因預(yù)報(bào)服務(wù)需求常進(jìn)行拼接；②持續(xù)短、范圍小的暴雨過程，業(yè)務(wù)中沒有進(jìn)行過程總結(jié)。

2010年該評估模型和等級劃分標(biāo)準(zhǔn)在福建省災(zāi)害性天氣氣候事件監(jiān)測與評估業(yè)務(wù)中投入運(yùn)用。本方法識別出2010年6月14—26日的暴雨過程為1次特強(qiáng)區(qū)域性暴雨過程，其綜合強(qiáng)度指數(shù)位居1961年以來第3位，僅次于福建省“98.6”和“68.6”暴雨過程。而2010年災(zāi)情損失和水文數(shù)據(jù)顯示，該次暴雨過程經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)144.6億元，閩江上游發(fā)生自1998年以來最嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行也顯示了本評估結(jié)果的合理性。

4.2 歷史重大暴雨事件檢驗(yàn)

表2為采用本文方法得到的1961—2010年的19次特強(qiáng)區(qū)域性暴雨過程。參照《中國氣象災(zāi)害大典（福建卷）》［25］、福建政府網(wǎng)（http：∥www.fujian.gov.cn／ztzl／60zn）、福建省情資料庫（http：∥www.fjsq.gov.cn）等歷史災(zāi)害事件記載，本文結(jié)果與歷史重大暴雨事件具有較好的一致性。表2中排名前5位的區(qū)域性暴雨過程均是造成重大社會影響或嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的罕見持續(xù)性暴雨到大暴雨過程。其中，最強(qiáng)的“98.6”暴雨過程與多個部門的歷史記載均相吻合。

表2 1961—2010年綜合強(qiáng)度評估等級達(dá)5級的區(qū)域性暴雨過程一覽表Table 2 Regional heavy rainfall cases with composite intensity up to classⅤfrom 1961to 2010

續(xù)表2

5 結(jié)論和討論

本研究表明：

1）本文給出的區(qū)域性暴雨過程識別指標(biāo)考慮了區(qū)域性暴雨日出現(xiàn)短暫中斷但中斷期又有大范圍強(qiáng)降水出現(xiàn)的情況，基于此規(guī)定的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與歷史區(qū)域性暴雨過程基本吻合。

2）構(gòu)建了福建區(qū)域性暴雨過程的綜合強(qiáng)度評估模型。模型既考慮了區(qū)域最大日降水量、區(qū)域最大過程降水量、區(qū)域暴雨范圍和區(qū)域暴雨持續(xù)時間4個指標(biāo)，也客觀考慮了各指標(biāo)的權(quán)重及其自身變率，對區(qū)域性暴雨過程的描述更加全面。

3）業(yè)務(wù)服務(wù)和歷史重大暴雨過程驗(yàn)證表明，本研究采用的建模方法和評估等級劃分合理。

本文的“區(qū)域”適用于省域或者地區(qū)域的“目標(biāo)區(qū)”。以往有的省級氣象部門在成文或不成文的業(yè)務(wù)規(guī)定中以同一日有3～5個氣象觀測站出現(xiàn)暴雨為“區(qū)域性暴雨日”標(biāo)準(zhǔn)［26－27］。統(tǒng)計(jì)顯示，我國東部近50年至少1個氣象觀測站出現(xiàn)暴雨的雨日中，2～4個氣象觀測站出現(xiàn)暴雨的雨日占61.2%［28］。近60年區(qū)域持續(xù)性暴雨事件的識別，也體現(xiàn)了以至少3個氣象觀測站作為區(qū)域性暴雨過程站數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的合理性［29］。對于華南前汛期暴雨、江淮梅雨等大范圍目標(biāo)區(qū)的區(qū)域性暴雨過程，其臺站數(shù)量要求應(yīng)根據(jù)目標(biāo)區(qū)暴雨氣候特征進(jìn)行調(diào)整；同時，研究目標(biāo)區(qū)若有符合本地氣候特征的單站暴雨日標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)優(yōu)先遵從。

另外，本研究的區(qū)域性暴雨過程中的間歇日僅考慮1d。對間斷日持續(xù)時間長短和雨情狀況的識別指標(biāo)，應(yīng)結(jié)合目標(biāo)區(qū)的區(qū)域性暴雨氣候和歷史重大暴雨事件情況，以保證識別指標(biāo)既符合強(qiáng)降水天氣過程也與歷史重大暴雨事件一致。

［1］ 陶詩言.中國之暴雨.北京：科學(xué)出版社，1980：3－5.

［2］ 丁一匯，張建云.暴雨洪澇.北京：氣象出版社，2009.

［3］ 陶詩言，倪允琪，趙思雄，等.1998年夏季中國暴雨的形成機(jī)理與以預(yù)報(bào)研究.北京：氣象出版社，2001.

［4］ 陳隆勛，周秀驥，李維亮，等.中國近80年來氣候變化特征及其形成機(jī)制.氣象學(xué)報(bào)，2004，62（5）：634－646.

［5］ Yao Cai，Yang Song，Qian Weihong，et al.Regional summer precipitation events in Asia and their changes in the past decades.J Geophys Res，2008，113，D17107.

［6］ Zhai P M，Sun A J，Ren F M，et al.Changes of climatic extremes in China.Climatic Change，1999，42（1）：203－219.

［7］ 王小玲，翟盤茂.1957—2004年中國不同強(qiáng)度級別降水的變化趨勢特征.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2008，24（5）：459－466.

［8］ 陳冬冬，戴永久.近五十年我國西北地區(qū)降水強(qiáng)度變化特征.大氣科學(xué)，2009，33（5）：923－935.

［9］ 尤紅，姜麗萍，彭端.2005年6月廣東特大暴雨垂直螺旋度分析.氣象，2007，33（4）：71－76.

［10］ 朱炳海.中國夏季降水強(qiáng)度的分析.氣象學(xué)報(bào)，1955，26（4）：249－268.

［11］ 陳波，史瑞琴，陳正洪.近45年華中地區(qū)不同級別強(qiáng)降水事件變化趨勢.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2010，21（1）：47－54.

［12］ 鄭國，薛建軍，范廣洲，等.淮河上游暴雨事件評估模型.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2011，22（6）：753－759.

［13］ 扈海波，軒春怡，諸立尚.北京地區(qū)城市暴雨積澇災(zāi)害風(fēng)險預(yù)評估.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2013，24（1）：99－108.

［14］ 任雨，李明材，郭軍，等.天津地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度的推算與適用.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2012，23（3）：364－368.

［15］ 袁慧敏，王秀榮，范廣州，等.長江中下游沿江地區(qū)暴雨過程綜合評估模型及應(yīng)用.氣象，2012，38（10）：1189－1195.

［16］ 陳艷秋，袁子鵬，盛永，等.氣象災(zāi)害評估 第1部分：暴雨.遼寧省地方標(biāo)準(zhǔn)，B21／T1454.1—2006.2006.

［17］ 謝炯光，紀(jì)忠萍，谷德軍，等.廣東省前汛期連續(xù)暴雨的氣候背景及中期環(huán)流特征.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17（3）：354－362.

［18］ 劉愛鳴，潘寧，鄒燕，等.福建前汛期區(qū)域暴雨客觀預(yù)報(bào)模型研究.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2003，14（4）：419－429.

［19］ 黃士松.華南前汛期暴雨.廣州：廣東科技出版社，1986.

［20］ 85－906－08－04專題組.暴雨天氣氣候研究.北京：氣象出版社，1996.

［21］ 鮑名.近50年我國持續(xù)性暴雨的統(tǒng)計(jì)分析及其大尺度環(huán)流背景.大氣科學(xué)，2007，31（5）：779－792.

［22］ 水利部水文局，水利部珠江水利委員會水文局.1998年珠江、閩江暴雨洪水.北京：中國水利水電出版社，2001.

［23］ Hyndman R J，F(xiàn)an Y.Sample quantiles in statistical packages.American Statistician，1996，50（4）：361－365.

［24］ 呂曉男，陸允甫，王人潮.土壤肥力綜合評價初步研究.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，25（4）：378－382.

［25］ 宋德眾，蔡詩樹.中國氣象災(zāi)害大典（福建卷）.北京：氣象出版社，2007.

［26］ 鄭秀雅，張廷治，白人海.東北暴雨.北京：氣象出版社，1992.

［27］ 郭新，侯建忠，雷斌，等.災(zāi)害性天氣氣候第1部分：暴雨等級.陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)，DB61／T 442.1—2008.2008.

［28］ 單曉龍.中國區(qū)域暴雨事件的天氣擾動分析.北京：北京大學(xué)，2013：26－30.

［29］ 陳陽.中國持續(xù)性暴雨特征及中東部地區(qū)事件異常大尺度環(huán)流分析.北京：中國氣象科學(xué)研究院，2013：19－23.

A Quantitative Method for Assessment of Regional Heavy Rainfall Intensity

Zou Yan1）Ye Dianxiu2）Lin Yi3）Liu Aiming3）

1）（Fujian Provincial Climate Center，F(xiàn)uzhou350001）2）（National Climate Center，Beijing100081）
3）（Fujian Provincial Meteorological Observatory，F(xiàn)uzhou350001）

A quantitative method for assessment of regional heavy rainfall intensity is proposed，cases of Fujian Province are taken as examples.Based on the daily precipitation dataset of 66stations in Fujian from 1961 to 2010，a definition of the regional heavy rainfall is first determined.Then four indices including maximum daily precipitation and maximum accumulated precipitation during the process are constructed as factors to evaluate an objective assessment model of composite intensity of regional rainfall.

Using statistical methods such as percentile，the grade－level standards for the four indicating factors are studied.Finally，an assessment model of composite intensity of regional rainstorm is built.Compared with historical cases，the assessment model is reasonable and consistent with historical extreme cases.

regional rainfall；intensity；assessment model

鄒燕，葉殿秀，林毅，等.福建區(qū)域性暴雨過程綜合強(qiáng)度定量化評估方法.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2014，25（3）：360－364.

2013－06－07收到，2014－01－07收到再改稿。

公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY200906014），中國氣象局氣候變化專項(xiàng)（CCSF201304）

＊通信作者，email：ydx＠cma.gov.cn