畢 旭，程 龍，姚東升，王百鵬，王 麗，金麗娜，楊曉春

(1.西安市氣象局，陜西西安 710016；2.陜西省防雷中心，陜西西安 710014)

?

西安城區(qū)暴雨雨型分析

畢 旭1，程 龍1，姚東升2，王百鵬2，王 麗1，金麗娜1，楊曉春1

(1.西安市氣象局，陜西西安 710016；2.陜西省防雷中心，陜西西安 710014)

使用西安站電子信息化分鐘雨量資料，利用年最大值法編制的西安城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式，采用芝加哥雨型法，對(duì)西安城區(qū)短歷時(shí)降水的雨型進(jìn)行了分析、計(jì)算，計(jì)算得出各短歷時(shí)暴雨的雨峰位置系數(shù)介于0.317 31～0.496 79，綜合雨峰位置系數(shù)r=0.354 81，短歷時(shí)降水雨峰位置偏前，短歷時(shí)強(qiáng)降雨較為集中；西安城區(qū)24 h暴雨雨型分布以單峰型居多，占52年的51.9%，主副型的其次，占17.3%；24 h暴雨雨峰位置出現(xiàn)在接近于居中稍微偏前位置；西安城區(qū)24 h極端降水過(guò)程逐小時(shí)雨量分布不均勻，較為集中。

短歷時(shí)；暴雨；芝加哥法；雨型

暴雨強(qiáng)度、暴雨雨型是設(shè)計(jì)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)和防洪設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。城市排水管網(wǎng)和防洪設(shè)施建設(shè)不僅要求城市工程設(shè)計(jì)安全且需要降低建設(shè)規(guī)劃成本。因此在降雨資料處理新技術(shù)的保障下，科學(xué)規(guī)范地編制城市建設(shè)地區(qū)的暴雨強(qiáng)度公式和進(jìn)行該地的暴雨雨型分析，或重新研制修訂該地暴雨強(qiáng)度公式、分析該地暴雨雨型，已是必然。該研究利用西安氣象觀測(cè)站電子化處理的暴雨分鐘雨量資料和西安城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算結(jié)果，對(duì)西安城區(qū)的暴雨雨型進(jìn)行研究，以期為西安城區(qū)城市規(guī)劃、建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，增強(qiáng)西安城市抗御短歷時(shí)暴雨的能力。

1 資料與方法

1.1 資料

1.1.1 短歷時(shí)暴雨資料。資料按照相關(guān)氣象規(guī)范進(jìn)行了質(zhì)量控制[1-3]，從采用年最大值法計(jì)算西安暴雨強(qiáng)度公式選取的西安站1961～2012年5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min等11個(gè)歷時(shí)最大降水量極值資料中[4]，挑選出歷時(shí)為30、45、60、90、120、150、180 min共7個(gè)歷時(shí)的過(guò)程降水量資料，確定每個(gè)過(guò)程的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，按照開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間建立這7個(gè)歷時(shí)52年每年最大降雨量過(guò)程的分鐘雨量資料序列。

1.1.2 24 h暴雨資料。挑選出每年的最大24 h降雨量，利用指數(shù)分布曲線擬合，確定不同重現(xiàn)期最大降雨量，擬合得西安城區(qū)1年一遇降雨量35.4 mm，100年一遇24 h降雨量128.9 mm，50年一遇的24 h降雨量114.8 mm，與53年一遇的經(jīng)驗(yàn)頻率的110.7 mm降雨量較為接近。

1.2 方法

1.2.3 芝加哥法雨型確定。根據(jù)上述確定的綜合雨峰位置系數(shù)(r)，將降雨歷時(shí)時(shí)間序列分為鋒前和峰后2個(gè)部分，令峰前的瞬時(shí)強(qiáng)度為i(tb)(mm/min)，相應(yīng)的峰前歷時(shí)為tb，峰后的瞬時(shí)強(qiáng)度為i(ta)(mm/min)，相應(yīng)的峰后歷時(shí)為ta。取一定重現(xiàn)期下暴雨強(qiáng)度公式形式為：

(1)

雨峰前后瞬時(shí)降雨強(qiáng)度可由

(2)

(3)

計(jì)算得出，式(2)、(3)中A、b、n與式(1)對(duì)應(yīng)單個(gè)重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度公式一致。將式(1)計(jì)算的西安城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式參數(shù)代入得峰前雨強(qiáng)公式為：

(4)

峰后雨強(qiáng)公式為：

(5)

1.2.4 24 h雨型分類。挑選出西安1961～2012年每年的最大24 h降雨量所對(duì)應(yīng)的降雨過(guò)程，按照逐小時(shí)雨量為累積時(shí)段，可以將西安52年最大降雨量分為5個(gè)類型，分型標(biāo)準(zhǔn)如下：選取逐小時(shí)中的最大雨量為峰值，對(duì)應(yīng)小時(shí)標(biāo)注為峰值位置，如果是2個(gè)峰值或者多個(gè)峰值雨量一樣，峰值位置取2個(gè)峰值或者多個(gè)峰值位置的平均值，如峰值出現(xiàn)在降雨過(guò)程的第3小時(shí)，則記雨峰位置為3；如果最大雨峰雨量和次大雨峰雨量差值超過(guò)最大雨峰雨量的2/3，則統(tǒng)計(jì)為單峰型；如果最大和次大峰值雨量差值沒(méi)有超過(guò)最大峰值雨量的1/3，則統(tǒng)計(jì)為雙峰型；如果最大峰值雨量和次大峰值雨量相差在1/3～2/3，則統(tǒng)計(jì)為主副型；如果由大到小的前3～4個(gè)的雨峰值與最大雨峰雨量差值沒(méi)有超過(guò)1/3，則統(tǒng)計(jì)為多峰型，5個(gè)及以上則統(tǒng)計(jì)為均勻型。同時(shí)以最大雨峰出現(xiàn)的位置定類型，如果出現(xiàn)在降雨過(guò)程的前1～8時(shí)統(tǒng)計(jì)為偏前，最大雨峰出現(xiàn)在降雨過(guò)程的9～16時(shí)統(tǒng)計(jì)為居中，最大雨峰出現(xiàn)在降雨過(guò)程的17～24時(shí)統(tǒng)計(jì)為偏后。

2 西安城區(qū)暴雨雨型分析

2.1 短歷時(shí)暴雨雨型分析

2.1.1 短歷時(shí)極端強(qiáng)降水年代際變化。對(duì)1961～2012年30、45、60、90、120、150、180 min西安站各短歷時(shí)逐年最大降水量極值變化進(jìn)行分析，以120 min歷時(shí)的逐年降水量最大值變化趨勢(shì)(圖1)為例，在1964和1989年前后出現(xiàn)2次較大的降水量極值，其余時(shí)間較小。但就總體趨勢(shì)而言，隨著降水歷時(shí)的延長(zhǎng)，西安站30 min及以上各歷時(shí)的逐年最大降水量極值有增大的趨勢(shì)。

2.1.2 一定重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度公式確定。利用西安站1961～2012年分鐘雨量資料，采用年最大值法確定西安不同歷時(shí)、不同重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度公式，通過(guò)對(duì)比分析確定指數(shù)曲線分布，利用高斯牛頓法計(jì)算西安新一代暴雨強(qiáng)度總公式為[4]

(6)

或分公式為

(7)

式(7)中

A=13.265 22×(1+2.915lgP)

(8)

2.1.3 芝加哥雨峰位置系數(shù)的確定。經(jīng)計(jì)算，各歷時(shí)52個(gè)最大降雨量降水過(guò)程的雨峰位置系數(shù)介于0.317 31～0.496 79，7個(gè)歷時(shí)的綜合雨峰位置系數(shù)為r=0.354 81，表明西安城區(qū)短歷時(shí)降水雨峰位置偏前，短歷時(shí)強(qiáng)降雨較為集中，這與大多數(shù)地區(qū)的結(jié)果相似[7-9]。

2.1.4 芝加哥法雨型確定。利用公式(4)和(5)計(jì)算的不同重現(xiàn)期、不同歷時(shí)的芝加哥法雨型最大強(qiáng)度(表1)顯示，隨著重現(xiàn)期增大，雨強(qiáng)增大。利用公式(4)和(5)可計(jì)算每個(gè)5 min時(shí)段的峰前雨強(qiáng)和峰后雨強(qiáng)，即可計(jì)算芝加哥合成暴雨過(guò)程線各時(shí)段(以5 min為一時(shí)段)的累積降雨量及各時(shí)段的平均降雨量，最終確定出不同降雨歷時(shí)對(duì)應(yīng)一定重現(xiàn)期的芝加哥法雨型圖(圖2)。

2.2 24 h雨型分析

2.2.1 24 h雨型分類分析。由24 h雨型統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)可知，西安城區(qū)暴雨以單峰型居多，占52年的51.9%，主副型的其次，占17.3%，表明西安城區(qū)降雨較為集中；在整個(gè)24 h降雨過(guò)程中，雨峰位置出現(xiàn)在1～8時(shí)最多，9～16時(shí)的其次，17～24時(shí)的最少，但相差并不大；最大雨峰位置平均值為第11.3小時(shí)，表明24 h雨峰位置接近于居中稍微偏前位置。

表1 西安城區(qū)不同歷時(shí)、不同重現(xiàn)期芝加哥法雨型最大雨強(qiáng) mm/min

次

2.2.2 24 h暴雨雨型。對(duì)于24 h降雨過(guò)程雨型，則采用相當(dāng)于一定重現(xiàn)期的實(shí)際降水過(guò)程的逐小時(shí)雨量分布為對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期該類型的雨型分布曲線。如2012年8月31日暴雨天氣過(guò)程是雙峰型降雨過(guò)程(圖3a)，雨量50.0 mm，接近于兩年一遇；1981年8月9日暴雨天氣過(guò)程是主副型降雨過(guò)程(圖3b)，降雨量77.7 mm，介于5～10年一遇；1986年9月7日暴雨天氣過(guò)程是多峰型降雨過(guò)程(圖3c)，降雨量92.3 mm，接近于20年一遇；1989年7月17日暴雨天氣過(guò)程是單峰型降雨過(guò)程(圖3d)，24 h雨量92.5 mm，接近于20年一遇；1991年7月27日暴雨過(guò)程是單峰型降雨過(guò)程(圖3e)，24 h降雨量110.7 mm，接近于50年一遇。由不同重現(xiàn)期、不同類型降水分布的典型代表(圖3)可見(jiàn)，西安城區(qū)實(shí)際的24 h極端降水過(guò)程雨量分布非常不均勻，但雨量較為集中。

3 小結(jié)與討論

(1)使用西安站電子信息化分鐘雨量資料，利用年最大值法編制的西安城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式，采用芝加哥雨型法，對(duì)西安城區(qū)短歷時(shí)降水的雨型進(jìn)行了分析計(jì)算，計(jì)算的各短歷時(shí)暴雨的雨峰位置系數(shù)介于0.317 31～0.496 79，綜合雨峰位置系數(shù)r=0.354 81，表明西安城區(qū)短歷時(shí)降水雨峰位置偏前，短歷時(shí)強(qiáng)降雨較為集中。

(2)西安城區(qū)24 h暴雨雨型分布以單峰型居多，占52年的51.9%，主副型的其次，占17.3%。24 h暴雨雨峰位置出現(xiàn)在接近于居中稍微偏前位置。西安城區(qū)24 h極端降水過(guò)程逐小時(shí)雨量分布不均勻，但較為集中。

[1] 畢旭，黨超琪，程龍，等.西安城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式編制研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43(26)：223-228.

[2] 周玉文，姚雙龍，翁窈瑤，等.城市暴雨強(qiáng)度公式數(shù)據(jù)采樣新方法[J].中國(guó)給水排水，2012，28(6)：9-12.

[3] 陳正洪，王海軍，張小麗.深圳市新一代暴雨強(qiáng)度公式的研制[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2007，16(3)：29-34.

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

[5] 馬小蕾，孔令勇，支霞輝.室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50014-2006[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

[6] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中國(guó)氣象局.城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則[M].北京：氣象出版社，2014：1-25.

[7] 許暉，王艷萍，張亮，等.長(zhǎng)春市暴雨強(qiáng)度公式編制和雨型確定[J].氣象災(zāi)害防御，2014(4)：30-45.

[8] 蔣明.新暴雨形勢(shì)下上海市設(shè)計(jì)暴雨雨型研究[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，28(2)：69-80.

[9] 岑國(guó)平，沈晉，范榮生.城市設(shè)計(jì)暴雨雨型研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，1998，9(1)：41-46.

Analysis on Urban Rainstorm Pattern of Xi’an

BI Xu1,CHENG Long1, YAO Dong-sheng2et al

(1.Xi’an Meteological Bereau, Xi’an, Shaanxi 710016;2.Shaanxi Provincial Lightning Protection Centre,Xi’an, Shaanxi 710014)

By using the electronic information rain data of Xi’an station and the urban rainstorm instensity formula of Xi’an which is decided by the Annual Maximum Method,the pattern of urban short-duration heavy rainfall is analyzed by the Chicago formula, the result shows that all the position coefficients of rainfall peak are between 0.317 31 and 0.496 79,the comprehensive rainfall peak position coefficient is 0.354 81,the peak position of short-duration rainfall are more anterior,and the short-duration heavy rainfall are more concentrative.The statistics analysis of Xi’an urban 24 hour heavy rainfall distribution shows: the major urban heavy rainfall pattern is single peak(51.9%),the main-side pattern(17.3%)secondly. Meanwhile,the 24 hour heavy rainfall peak position is more anterior.During the process of 24hour extreme precipitation, the distribution of hourly rainfall is uneven.

Short-duration;Heavy rainfall;Chicago formula;Rainfall pattern

畢旭(1974- )，男，陜西米脂人，高級(jí)工程師，從事天氣預(yù)報(bào)預(yù)警及相關(guān)技術(shù)研究。

2015-10-30

S 161.6

A

0517-6611(2015)35-295-03