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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。