陳申鵬，丁鈺林，胡媛媛

（深圳市國(guó)家氣候觀象臺(tái)，廣東深圳 518040）

海綿城市是低沖擊開(kāi)發(fā)（low impact development，LID）中國(guó)化的產(chǎn)物，是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用。海綿城市建設(shè)是我國(guó)在新的歷史條件下節(jié)約水資源，保護(hù)和改善城市生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的一項(xiàng)重要舉措。深圳于2016年入選國(guó)家海綿城市建設(shè)試點(diǎn)，在全市多個(gè)片區(qū)開(kāi)展海綿城市建設(shè)，并確立了到2030年建成區(qū)80%以上的面積達(dá)到海綿城市要求的遠(yuǎn)大目標(biāo)。然而深圳地處華南沿海，地域狹長(zhǎng)，地勢(shì)東南高，西北低，大部分為低丘陵地，間以平緩的臺(tái)地，西部為濱海平原，降雨?yáng)|、西分布差異大，深圳國(guó)家基本氣象站單站資料無(wú)法反映這種差異。針對(duì)這種情況，利用區(qū)域氣象站降雨量數(shù)據(jù)，圍繞深圳海綿城市建設(shè)需求開(kāi)展了深圳分區(qū)降雨規(guī)律的相關(guān)研究。

關(guān)于華南降雨規(guī)律，相關(guān)研究主要集中在兩方面，一是圍繞降雨多年氣候特點(diǎn)和變化規(guī)律，主要基于長(zhǎng)時(shí)間序列的國(guó)家站降雨數(shù)據(jù)［1-4］，二是利用區(qū)域氣象站數(shù)據(jù)，圍繞降雨空間分布特征進(jìn)行［5-7］。比較一致的結(jié)論是華南多年降雨量年際波動(dòng)大，一般無(wú)顯著變化趨勢(shì)，空間分布差異大，受地形影響明顯。年徑流總量控制率是海綿城市建設(shè)的一個(gè)重要參數(shù)，隨著海綿城市建設(shè)的深入推進(jìn)，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者圍繞年徑流總量控制率相關(guān)概念辨析、推求方法和影響因素等開(kāi)展了諸多探索［8-10］，各地也圍繞海綿城市相關(guān)的降雨規(guī)律和年徑流總量控制率相關(guān)參數(shù)推求進(jìn)行了研究［11-12］，但未見(jiàn)利用區(qū)域氣象站針對(duì)單個(gè)城市年徑流總量控制率和設(shè)計(jì)降雨量地域差異開(kāi)展的研究。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)說(shuō)明

本研究主要采用深圳國(guó)家基本氣象站1976—2018年共43年的降雨日數(shù)據(jù)，以及近10年（2009—2018年，下同）數(shù)據(jù)完整性高、質(zhì)量好的90個(gè)區(qū)域氣象站的降雨量數(shù)據(jù)，包括日雨量和分鐘雨量數(shù)據(jù)。選取的區(qū)域氣象站日雨量數(shù)據(jù)逐年完整率最低為94.5%，總體則高達(dá)99.9%。

日降雨量在經(jīng)過(guò)嚴(yán)格質(zhì)控的小時(shí)降雨量基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù)，小時(shí)降雨量質(zhì)控處理包括：（1）氣候極值檢驗(yàn)。以0～180 mm作為小時(shí)降雨量的合理范圍，則認(rèn)為該站的雨量非法并剔除；（2）空間一致性檢驗(yàn)。選定站點(diǎn)周邊臨近且環(huán)境條件相近的數(shù)站到十?dāng)?shù)站為參考站，若某站降雨量超過(guò)30 mm（或40 mm），但參考站的平均降雨量為0（或＜1 mm），或降雨量與參考站的平均降雨量之差超過(guò)50 mm，但參考站的平均降雨量＜5 mm，則認(rèn)為該站的雨量非法并剔除。

分鐘降雨量的質(zhì)控主要是閾值控制，以6 mm作為分鐘雨量的合理上限，超過(guò)6 mm則認(rèn)為是非法值并剔除。

1.2 方法說(shuō)明

滑動(dòng)雨量極值求?。豪梅昼娊涤炅?，以不同降雨歷時(shí)為累計(jì)時(shí)長(zhǎng)，以1 min為步長(zhǎng)滑動(dòng)求取累計(jì)雨量并挑選極值，每年得到一個(gè)該歷時(shí)條件下的滑動(dòng)雨量年極值。2009—2018年多年滑動(dòng)雨量年極值求平均，得到不同歷時(shí)滑動(dòng)雨量年極值平均。

強(qiáng)降雨頻次統(tǒng)計(jì)：利用分鐘降雨量，以不同降雨歷時(shí)為累計(jì)時(shí)長(zhǎng)，以1 min為步長(zhǎng)滑動(dòng)求取累計(jì)雨量，并判斷其是否超過(guò)指定閾值，超過(guò)則統(tǒng)計(jì)一次該閾值強(qiáng)降雨，然后跳過(guò)該強(qiáng)降雨時(shí)段并繼續(xù)滑動(dòng)求取累計(jì)雨量，超過(guò)閾值則增加一次該強(qiáng)降雨頻次……如此重復(fù)得到各站不同歷時(shí)強(qiáng)降雨頻次。

年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量關(guān)系推求方法：對(duì)日降雨量資料扣除≤2 mm的降雨事件的降雨量，按雨量由小到大進(jìn)行排序，統(tǒng)計(jì)小于某一個(gè)降雨量的降雨總量（小于該降雨量的按真實(shí)雨量計(jì)算出降雨總量，大于該降雨量的按該降雨量計(jì)算出降雨總量，兩者累計(jì)總和）在總降雨量中的比率，此比率（即年徑流總量控制率）對(duì)應(yīng)的降雨量（日值）即為設(shè)計(jì)降雨量［16］。假設(shè)升序處理后的日雨量數(shù)據(jù)集為｛X1、X2…Xi、Xi+1…Xn-1、Xn｝，則Xi對(duì)應(yīng)的年徑流總量控制率P＝，Xi即為設(shè)計(jì)降雨量（mm），n為數(shù)據(jù)集樣本數(shù)，由此即可得出年徑流總量控制率（P）和設(shè)計(jì)降雨量（Xi）的關(guān)系。

2 深圳降雨區(qū)域差異

2.1 降雨量和暴雨日空間分布

圖1為深圳近10年年均降雨量和暴雨日數(shù)分布。從圖1可以看出，深圳降雨量呈現(xiàn)“東多西少”分布，年均降雨量大致在1 400～2 200 mm之間，其中羅湖區(qū)及其以東各區(qū)（包括羅湖區(qū)、鹽田區(qū)、龍崗區(qū)、坪山區(qū)和大鵬新區(qū)）普遍在1 900 mm以上，降雨量大值中心位于羅湖區(qū)東部、鹽田區(qū)西部和龍崗區(qū)南部的3區(qū)交界區(qū)域，以及羅湖區(qū)以北的龍崗區(qū)布吉街道、大鵬新區(qū)北部的葵涌街道等區(qū)域，羅湖區(qū)以西各區(qū)（包括福田區(qū)、南山區(qū)、寶安區(qū)、龍華區(qū)和光明區(qū)）普遍不足1 900 mm，降雨量最小出現(xiàn)在西南部的蛇口半島及珠江口島嶼。暴雨日數(shù)分布類似，普遍在6～11 d之間，其中羅湖區(qū)及其以東各區(qū)（新區(qū)）普遍超過(guò)9 d，暴雨日最多的區(qū)域與降雨量大值中心幾乎重合，羅湖區(qū)以西的5個(gè)區(qū)普遍不足9 d，暴雨日最少的區(qū)域也主要是西南部的蛇口半島和珠江口島嶼。

圖1 深圳近10年年均降雨量（單位：mm）（a）及暴雨日數(shù)（單位：d）（b）分布

出現(xiàn)這種差異，主要與地形有關(guān)，深圳東部多山，受地形抬升作用容易形成強(qiáng)降雨，導(dǎo)致降雨量和暴雨日數(shù)偏多。其中羅湖、鹽田和龍崗交界區(qū)域正好是深圳最高峰大梧桐山所在區(qū)域，布吉街道則位于梧桐山和銀湖山所形成的喇叭口，葵涌街道則為三面環(huán)山地形，西南部開(kāi)口朝向大鵬灣，特殊的地形使這些區(qū)域成為深圳降雨量和雨日的大值中心。

2.2 強(qiáng)降雨極值和頻次空間分布

由深圳不同歷時(shí)滑動(dòng)雨量年極值平均圖（圖略）可見(jiàn)，深圳2 h以內(nèi)短歷時(shí)降雨極值大值區(qū)較分散，東、西部均有分布；隨著降雨歷時(shí)的加長(zhǎng)，3～6 h歷時(shí)降雨量極值大值區(qū)主要分布在東部，特別是大鵬半島；降雨歷時(shí)繼續(xù)加長(zhǎng)，12～24 h歷時(shí)降雨量極值中心有向中部擴(kuò)展的趨勢(shì)，在羅湖、鹽田交界的梧桐山等區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)大值中心；到48～72 h歷時(shí)，降雨量極值的大值中心主要是羅湖和鹽田交界的梧桐山區(qū)，東部的大值中心相對(duì)較弱。

從區(qū)域平均值也能清楚看到這種變化，如圖2所示，在3 h以內(nèi)的短歷時(shí)條件下，深圳各區(qū)降雨量年極值平均的區(qū)域平均值差異不大，30 min歷時(shí)下在41.5～45.6 mm之間，1 h歷時(shí)下在57.1～63.8 mm之間，2 h歷時(shí)下在72.9～87.7 mm之間，相差在20%以內(nèi)，但隨著降雨歷時(shí)增加逐步出現(xiàn)分化，在12 h以上長(zhǎng)歷時(shí)條件下，東部各區(qū)（包括羅湖、鹽田、龍崗、坪山和大鵬）降雨量極值平均值明顯大于西部各區(qū)，12 h歷時(shí)各區(qū)降雨量年極值平均的區(qū)域平均值，最小的光明區(qū)為119.2 mm，最大的大鵬新區(qū)達(dá)到175.1 mm，相差46.9%，6、24、48和72 h歷時(shí)下最小和最大相差都在33%以上，東、西差異明顯較短歷時(shí)條件下增大。

圖2 深圳各站各歷時(shí)降雨量年極值平均值分區(qū)平均分布圖

深圳不同歷時(shí)強(qiáng)降雨頻次也存在類似的變化規(guī)律（圖略），即隨著降雨歷時(shí)增加，東、西差異顯著增大。這種變化反映了深圳不同季節(jié)的降雨特點(diǎn)：春季強(qiáng)對(duì)流自西向東影響，容易在西部出現(xiàn)短歷時(shí)強(qiáng)降水，后汛期的午后熱對(duì)流降水主要受城市熱島和地形影響，在中、東部出現(xiàn)短歷時(shí)強(qiáng)降水，全年來(lái)看短歷時(shí)強(qiáng)降水東、西差異不大；龍舟水和臺(tái)風(fēng)是長(zhǎng)歷時(shí)強(qiáng)降雨的主要來(lái)源，降雨分布的主要決定因素是地形，東部的山地喇叭口、迎風(fēng)坡地形引起的上升運(yùn)動(dòng)使對(duì)流發(fā)展，也可能成為中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制，從而出現(xiàn)明顯的降水增幅［13］，導(dǎo)致長(zhǎng)歷時(shí)強(qiáng)降水極值、頻次都出現(xiàn)明顯的東、西差異。

3 分區(qū)年徑流總量控制率和設(shè)計(jì)降雨量關(guān)系

綜合分析可知，深圳降雨的東、西差異較大，而城市年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量值的確定，需要用中國(guó)地面國(guó)際交換站至少近30年日降雨（不包括降雪）資料來(lái)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，以反映長(zhǎng)期的降雨規(guī)律和近年氣候的變化［14］，深圳境內(nèi)符合條件的站點(diǎn)僅有深圳國(guó)家基本氣象站。首先分析用近10年區(qū)域氣象站降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)年徑流總量控制率的研究的可行性和必要性。

3.1 可行性和必要性分析

由于城市發(fā)展導(dǎo)致的探測(cè)環(huán)境變化等原因，深圳國(guó)家基本氣象站于2006年由羅湖區(qū)蔡屋圍遷至現(xiàn)在的福田區(qū)竹子林。兩站址雖滿足遷站要求，但年均降雨量卻相差15%左右（圖3）。

圖3 深圳國(guó)家基本氣象站遷站前后位置及深圳2009—2018年10年年均降雨量示意圖

圖4展示了深圳國(guó)家基本氣象站和蔡屋圍基地站不同年限數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的年徑流總量控制率和設(shè)計(jì)降雨量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖4a可知，用深圳國(guó)家基本氣象站最近20和30年降雨量資料統(tǒng)計(jì)的年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量的關(guān)系十分接近，用最近10年資料統(tǒng)計(jì)的結(jié)果有較大差異，相同年徑流總量控制率下設(shè)計(jì)降雨量總體較20和30年偏小。而用原站址的區(qū)域氣象站（蔡屋圍基地站）近10年數(shù)據(jù)所得的設(shè)計(jì)降雨量就很接近（圖4b），這說(shuō)明上述結(jié)果的差異主要來(lái)自遷站，因?yàn)樯钲趪?guó)家基本氣象站近10年數(shù)據(jù)全部來(lái)自降雨量更小的福田區(qū)竹子林站址。進(jìn)一步排除遷站因素，比較深圳國(guó)家基本氣象站遷站前的10、20和30年數(shù)據(jù)計(jì)算的年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量的關(guān)系（圖4c），就可以發(fā)現(xiàn)，同站址條件下，深圳國(guó)家基本氣象站10年數(shù)據(jù)的結(jié)果與30年數(shù)據(jù)結(jié)果幾乎重合，差異微乎其微。

圖4 不同站點(diǎn)和年限降雨量數(shù)據(jù)計(jì)算的年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量的關(guān)系

由此可以推斷，在深圳近幾十年來(lái)大的氣候背景下，用10年以上日降雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量的關(guān)系，其結(jié)果受所用數(shù)據(jù)年限長(zhǎng)度影響不大，反而地域的差異更需要考慮。因此，在缺乏30年以上分區(qū)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，用近10年區(qū)域氣象站數(shù)據(jù)作分區(qū)年徑流總量控制率和設(shè)計(jì)降雨量的關(guān)系是可行的，也是必要性的。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，深圳年徑流總量控制率分區(qū)屬于V區(qū)，年徑流總量控制率需在60%到85%之間。利用深圳90個(gè)區(qū)域氣象站近10年日降雨量數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了各站60%、65%、70%、75%、80%和85%年徑流總量控制率下的設(shè)計(jì)降雨量，發(fā)現(xiàn)各個(gè)年徑流總量控制率下設(shè)計(jì)量降雨量差異隨年徑流總量控制率增大而增大，相對(duì)極差（最大值與最小值之差相對(duì)于平均值的比例）60%和65%年徑流總量控制率下最小，為0.45，85%年徑流總量控制率下最大，達(dá)到0.54。即同一年徑流總量控制率下，深圳最大與最小設(shè)計(jì)降雨量的差值可達(dá)到全市平均設(shè)計(jì)降雨量的50%左右。圖5給出了不同年徑流總量控制率下的深圳全市設(shè)計(jì)降雨量分布。

圖5 深圳不同年徑流總量控制率下的設(shè)計(jì)降雨量分布圖（單位：mm）

由圖5可見(jiàn)，深圳設(shè)計(jì)降雨量區(qū)域差異較大，與年降雨量分布類似，呈現(xiàn)“東大西小”分布，且不同年徑流總量控制率下設(shè)計(jì)降雨量分布高度相似，大值中心主要是3個(gè)區(qū)域，羅湖區(qū)東部、鹽田區(qū)西部和龍崗區(qū)南部的3區(qū)交界區(qū)域，大鵬新區(qū)葵沖街道，這與2.1節(jié)中降雨量和暴雨日數(shù)大值中心的2個(gè)基本重合，第3個(gè)大值中心是大鵬新區(qū)南部的南澳半島，設(shè)計(jì)降雨量較小的區(qū)域主要是西南部的蛇口半島，以及光明區(qū)和龍華區(qū)北部等區(qū)域。圖5中給出的具體數(shù)值范圍可作為各區(qū)域海綿城市建設(shè)的參考。

統(tǒng)計(jì)深圳各區(qū)不同年徑流總量控制率下設(shè)計(jì)降雨量的最大、最小和平均值（表略），可以看出，60%～85%各年徑流總量控制率下，平均設(shè)計(jì)降雨量最大值都出現(xiàn)在大鵬新區(qū)，平均設(shè)計(jì)降雨量最小值所在區(qū)有所變化，60%和65%年徑流總量控制率下，在光明區(qū)，70%和75%年徑流總量控制率下，在光明區(qū)和南山區(qū)，80%和85%年徑流總量控制率下，在南山區(qū)，最大的區(qū)和最小的區(qū)相差在25.4%～31.2%之間。此外，除了80%和85%年徑流總量控制率下東部鹽田區(qū)最小設(shè)計(jì)降雨量略小于福田區(qū)外，東部羅湖、鹽田、龍崗、坪山和大鵬5區(qū)各年徑流總量控制率下的設(shè)計(jì)降雨量各統(tǒng)計(jì)值均大于西部福田、南山、寶安、龍華和光明5區(qū)。這進(jìn)一步說(shuō)明了分區(qū)研究和適用不同設(shè)計(jì)降雨量的必要性。

4 結(jié)論

1）受地形影響，深圳年均降雨量和暴雨日數(shù)均呈現(xiàn)“東多西少”分布，東部5區(qū)（羅湖、鹽田、龍崗、坪山和大鵬）年均降雨量普遍在過(guò)1 900 mm以上，暴雨日超過(guò)9 d，降雨量和暴雨日大值中心均主要位于梧桐山區(qū)、龍崗區(qū)布吉街道和大鵬新區(qū)葵沖街道，西部5區(qū)（福田、南山、寶安、龍華和光明）年均降雨量普遍不足1 900 mm，暴雨日普遍不到9 d，西南部蛇口半島和珠江口島嶼降雨量和暴雨日均最少。

2）深圳短歷時(shí)（2 h以內(nèi)）降雨量極值空間差異較小，隨著降雨歷時(shí)的增加，東、西部差異顯著增大，特別是在12 h以上歷時(shí)條件下，東部羅湖、鹽田及其以東區(qū)域成為全市雨量極值的中心。強(qiáng)降雨頻次也存在隨著歷時(shí)增加?xùn)|、西差異增大的情況，這些差異是深圳不同季節(jié)降雨特點(diǎn)的具體反映。

3）在深圳利用近10年區(qū)域氣象站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算分區(qū)年徑流總量控制率和設(shè)計(jì)降雨量的關(guān)系具有可行性和必要性。結(jié)果表明，深圳不同年徑流總量控制率下設(shè)計(jì)降雨量分布高度相似，均呈“東大西小”分布，同一年徑流總量控制率下，深圳最大與最小設(shè)計(jì)降雨量的差值可達(dá)到全市平均設(shè)計(jì)降雨量的50%左右，各區(qū)平均設(shè)計(jì)降雨量均是大鵬新區(qū)最大，光明區(qū)或南山區(qū)最小，最大和最小相差在25%以上。

本研究所得結(jié)果可供深圳各區(qū)海綿城市建設(shè)參考應(yīng)用，這源于深圳獨(dú)特的降雨氣候特征：（1）降水豐富，10年數(shù)據(jù)便包含了足夠多有代表性的日雨量數(shù)據(jù)樣本；（2）降水空間差異較大；（3）降水氣候變化不明顯，同站址條件下10年數(shù)據(jù)所得年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量關(guān)系與20、30年數(shù)據(jù)所得結(jié)果幾乎重合。其它城市在開(kāi)展類似工作時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的必要性和可行性評(píng)估，考慮當(dāng)?shù)亟涤昕臻g差異和氣候變化哪個(gè)更為主要，若當(dāng)?shù)亟涤陞^(qū)域差異較小，而降雨氣候變化較明顯，則不宜進(jìn)行此類嘗試。