龐婷婷， 柳金杰， 呂樹峰， 滿子豪， 董 森， 何 帥

（1.河北工程大學(xué)河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，邯鄲 056038； 2.河北省邯鄲市水文勘測(cè)研究中心，邯鄲 056001；3.邯鄲市漳滏河灌溉供水管理處，邯鄲 056001； 4.上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200204）

設(shè)計(jì)降雨過程是工程水文計(jì)算的重要部分，降雨過程的客觀與否會(huì)直接影響區(qū)域工程水文計(jì)算的準(zhǔn)確性，進(jìn)而會(huì)影響工程的運(yùn)行管理.2021年7月20日，河南鄭州發(fā)生罕見特大暴雨災(zāi)害，造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，引發(fā)了公眾對(duì)城市暴雨洪澇應(yīng)急管理的熱議，也凸顯了解析降雨時(shí)程特征及準(zhǔn)確描繪暴雨洪水過程對(duì)于城市洪澇運(yùn)行管理的重要性.

國(guó)內(nèi)外有關(guān)設(shè)計(jì)降雨的研究大多采用區(qū)域經(jīng)驗(yàn)性暴雨公式結(jié)合芝加哥雨型法［1-2］、Pilgrim&Cordery 雨型法［3］，但它們僅適用于城市洪澇模擬或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究［4-6］，得出的結(jié)果與實(shí)際降雨過程的差異性較大. 為改進(jìn)套用固定雨型計(jì)算的不足，有學(xué)者嘗試用其他方法進(jìn)行設(shè)計(jì)降雨. 張建平等［7］引入量化指標(biāo)暴雨衰減指數(shù)對(duì)雨型進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果表明采用暴雨衰減指數(shù)設(shè)計(jì)的雨型具有區(qū)域代表性；唐明等［8］分析了不同典型暴雨放大方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最終得出“復(fù)合雨型”可以兼顧城市排水與流域排澇系統(tǒng)的能力復(fù)核，雨型生成過程相對(duì)簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用的結(jié)論；朱秀迪等［9］采用Circular統(tǒng)計(jì)法分析了北京市不同類型降水的精細(xì)化特征，對(duì)于改進(jìn)區(qū)域數(shù)值模式和提高氣象預(yù)測(cè)水平有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義；程昶等［10］采用牛頓-高斯法計(jì)算了各重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度分公式和暴雨強(qiáng)度總公式的參數(shù)，并通過誤差檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)暴雨強(qiáng)度分公式的精度符合要求，適用于計(jì)算相應(yīng)重現(xiàn)期下各歷時(shí)的暴雨強(qiáng)度. 盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在設(shè)計(jì)暴雨雨型、推求暴雨強(qiáng)度公式上做了大量研究，但這些研究在時(shí)間尺度上都集中于長(zhǎng)短歷時(shí)暴雨的設(shè)計(jì)，鮮有研究對(duì)汛期和非汛期的典型降雨過程進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算.

本研究選取河北省永年站1980—2018年4月1日至10月31日的逐小時(shí)降雨數(shù)據(jù)為研究數(shù)據(jù)，在分析其數(shù)百場(chǎng)降雨年際和年內(nèi)分布特征的基礎(chǔ)上，采用以降雨量和降雨歷時(shí)為主的排頻法分別對(duì)永年站汛期、非汛期的典型降雨過程進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，以期為城市洪澇計(jì)算、灌區(qū)干旱應(yīng)急管理提供關(guān)鍵支撐. 本研究也可為其他區(qū)域典型設(shè)計(jì)降雨的計(jì)算提供參考.

1 氣象站概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 氣象站概況

本研究選擇的典型氣象站——永年站是國(guó)家級(jí)氣象站，位于河北省邯鄲市永年區(qū)境內(nèi)，永年區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)114°20′～114°52′，北緯36°35′～36°56′，如圖1所示. 永年站位于半濕潤(rùn)半干旱地區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14 ℃，最冷月份1月的平均氣溫-2.5 ℃，極端最低氣溫-20 ℃，最熱月份7月的平均氣溫27 ℃，極端最高氣溫42.5 ℃，全年無(wú)霜期200 d，年日照2557 h. 該氣象站冬季寒冷干燥、春季風(fēng)多雨少、秋季天高氣爽、夏季炎熱多雨的氣象特征與華北地區(qū)的氣象特征較為一致［11］.

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Study area location

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與數(shù)據(jù)處理

本研究只考慮降雨，不考慮雪、霜等其他降水. 結(jié)合區(qū)域調(diào)研的結(jié)果，選取永年站1980—2018年4月1日至10月31日的逐小時(shí)降雨數(shù)據(jù)為研究數(shù)據(jù). 所有數(shù)據(jù)來(lái)源于“中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)集（V1.0）”，所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過質(zhì)量控制，且每組數(shù)據(jù)都設(shè)有質(zhì)量控制碼. 其中，每組降雨數(shù)據(jù)由20—21 時(shí)開始記錄，至次日19—20 時(shí)結(jié)束，單位為0.1 mm. 當(dāng)涉及連續(xù)降雨時(shí)，將發(fā)生降雨的前后6 h 未檢測(cè)到雨情的降雨過程劃分為一場(chǎng)降雨事件［12-13］. 由于數(shù)據(jù)較為龐大，以區(qū)域是否產(chǎn)流作為初步篩選條件，依據(jù)華北平原產(chǎn)流特性［14］，將降雨量小于10 mm 的降雨場(chǎng)次剔除，僅將降雨總量≥10 mm 的392 場(chǎng)降雨過程用于典型降雨過程的設(shè)計(jì).

2 降雨分布特征分析

2.1 計(jì)算方法

以篩選后的永年站長(zhǎng)序列逐小時(shí)降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)該氣象站各年總降雨量，并采用算數(shù)平均法對(duì)各年總降雨量均值進(jìn)行計(jì)算. 降雨年際特征分布分析采用5 a滑動(dòng)平均法［15］，其表達(dá)式如式（1）所示.

式中：Yt為t點(diǎn)滑動(dòng)平均值. 分析降雨年內(nèi)分布特征時(shí)，對(duì)每年4—10月各月分配的降雨量求平均值處理.

2.2 降雨年際分布特征分析

通過算數(shù)平均法可計(jì)算得出永年站1980—2018年的多年平均降雨量為405.2 mm，年際降雨量變化過程如圖2 所示. 由圖2 可知，永年站各年總降雨量在多年平均降雨量附近上下波動(dòng)，且波動(dòng)范圍較大，其中2016年的總降雨量最大，為765.7 mm，1997年的總降雨量最小，為183.6 mm，極值比為4.17，年降雨量最大值和最小值與多年平均降雨量之比分別為1.89、0.45，說(shuō)明永年站年際降雨量變化較大.

圖2 1980—2018年永年站年際降雨量變化Fig.2 Inter-annual rainfall variation of Yongnian Station from 1980 to 2018

分析1980—2018 年的5 a 滑動(dòng)平均值可知，降雨量最大值為501.52 mm，發(fā)生在2012—2016 年；降雨量最小值為301.98 mm，發(fā)生在1985—1989年，兩者相差199.54 mm. 對(duì)比多年5 a滑動(dòng)平均值可知：2006年以前永年站降雨量相對(duì)偏少，其中1980—1982年、1991年、1999—2000年的降雨量略多，2006年后永年站的降雨量整體偏多，僅在2010—2011年略有下降. 總體上看，1980—2018年永年站的降雨量在多年平均降雨量附近上下波動(dòng)，具有明顯的豐平枯交替變化特征.

2.3 降雨年內(nèi)分布特征分析

依據(jù)2.1小節(jié)所述方法分析永年站年內(nèi)降雨量變化，結(jié)果如圖3所示. 整體上看，永年站年內(nèi)降雨量分布相對(duì)集中，降雨量最多的三個(gè)月集中于6—8月，分別占統(tǒng)計(jì)降雨總量的11.4%、31.6%、26.9%，且7月份所占比例最大；9月份降雨量也相對(duì)較多，為40.4 mm，約占統(tǒng)計(jì)降雨總量的10.0%；降雨量最少的三個(gè)月份分別為4 月、5 月、10 月，這三個(gè)月份的降雨量分別占統(tǒng)計(jì)降雨總量的5.4%、9.3%、5.6%. 其中，6—9月的總降雨量達(dá)到323.2 mm，占統(tǒng)計(jì)降雨總量的79.8%，4月、5月和10 月的總降雨量為82 mm，占統(tǒng)計(jì)降雨總量的20.2%.

圖3 1980—2018年永年站年內(nèi)降雨量變化Fig.3 Intra-annual rainfall variation of Yongnian Station from 1980 to 2018

此外，分別計(jì)算了永年站1980—2018 年中每年6—9 月的降雨總量及其占該年降雨總量的比例. 結(jié)果顯示，1980—2018 年永年站每年6—9 月的降雨總量占該年降雨總量的比例在57%～97%之間. 其中，1981年6—9月的降雨總量占該年降雨總量的比例最大，達(dá)96.2%；1991年6—9月的降雨總量占該年降雨總量的比例最小，為57.9%. 永年站的年內(nèi)降雨分布特征和其他學(xué)者［16-17］對(duì)華北地區(qū)年內(nèi)降雨分布特征的分析結(jié)論一致.

2.4 汛期和非汛期的降雨統(tǒng)計(jì)分析

分別對(duì)永年站1980—2018年的汛期及非汛期降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示. 結(jié)果顯示，39年間永年站汛期降雨量的最大值是660.2 mm，發(fā)生在2016年，最小值是134.8 mm，發(fā)生在1986年；非汛期降雨量的最大值是183.1 mm，發(fā)生在1983年，最小值是22.7 mm，發(fā)生在1997年. 2016年永年站汛期和非汛期的降雨量差值最大，為554.7 mm.

圖4 1980—2018年永年站汛期及非汛期各年降雨量Fig.4 Annual rainfall in flood season and non-flood season of Yongnian Station from 1980 to 2018

盡管永年站1983年的非汛期降雨量最多，但因?yàn)槠溲雌诮涤炅績(jī)H為288 mm，所以會(huì)導(dǎo)致其年內(nèi)降雨量偏少，年際降雨量也偏少. 雖然永年站2016年的非汛期降雨量較少，僅為105.5 mm，但其汛期降雨量卻高達(dá)660.2 mm，最終使得其年內(nèi)降雨量及年際降雨量偏多. 以上結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明，汛期降雨量可顯著影響區(qū)域年內(nèi)、年際降雨分布特征.

綜上，考慮到永年站汛期與非汛期降雨量的差異性以及汛期降雨量對(duì)年內(nèi)、年際降雨分布特征影響的顯著性，本研究將降雨數(shù)據(jù)按照汛期、非汛期進(jìn)行劃分，并分別推求不同時(shí)期的典型降雨過程，以保證最大限度地反映永年站所在區(qū)域的降雨特征，為產(chǎn)流規(guī)律研究提供準(zhǔn)確、可靠的設(shè)計(jì)降雨過程. 經(jīng)統(tǒng)計(jì)最終得出，1980—2018年永年站汛期共308場(chǎng)降雨，非汛期共84場(chǎng)降雨.

3 典型設(shè)計(jì)降雨計(jì)算與分析

3.1 計(jì)算方法

降雨量、降雨歷時(shí)、降雨峰值、峰值比是用于表述降雨特征的重要變量［18］. 降雨量是最能直觀體現(xiàn)降雨總體特征的最常用的指標(biāo). 降雨歷時(shí)是指從降雨開始時(shí)刻至降雨結(jié)束時(shí)刻的時(shí)長(zhǎng)，在此以h為單位，其長(zhǎng)短也可直觀地反映一場(chǎng)降雨的總體特征. 降雨峰值是指一場(chǎng)降雨中某一時(shí)刻降雨量的最大值，單位mm，它是反映降雨極值特征的一個(gè)重要指標(biāo). 峰值比可用來(lái)反映降雨峰值出現(xiàn)的時(shí)間及位置，是較好反映降雨過程的一個(gè)定性指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

式中：ti表示降雨峰值出現(xiàn)的時(shí)間；T表示降雨總歷時(shí)；R表示峰值比，該峰值比可以具體地反映出降雨峰值出現(xiàn)的時(shí)間.

在參考文獻(xiàn)［19-20］的基礎(chǔ)上，結(jié)合永年站降雨分布特征，以峰值比作為判定要素，可將典型降雨過程分為6 種，如圖5 所示. 圖5（a）、（b）、（c）展示的三種雨型均為單峰型雨型，其降雨峰值分別位于前部、中部、后部，圖5（d）、（e）、（f）展示的三種雨型均為雙峰型雨型，其降雨峰值特點(diǎn)分別為前大后小、前后相等、前小后大.本研究首先根據(jù)降雨量和降雨歷時(shí)這兩個(gè)能直觀反映降雨總體特征的指標(biāo)對(duì)永年站1980—2018年的降雨場(chǎng)次進(jìn)行分級(jí)和排頻計(jì)算，然后依據(jù)降雨峰值、峰值比這兩個(gè)指標(biāo)再次對(duì)篩選出的降雨場(chǎng)次進(jìn)行分級(jí)和排頻計(jì)算，最后通過對(duì)比分析求得永年站各時(shí)期典型降雨過程的特征值，具體過程如下.

圖5 不同峰值特征的典型降雨過程示意圖Fig.5 Typical rainfall processes with different peak characteristics

3.1.1 以降雨量等級(jí)為主的排頻計(jì)算

首先依據(jù)降水量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)［21］，結(jié)合永年站實(shí)測(cè)大暴雨數(shù)據(jù)，將1980—2018 年永年站所有降雨場(chǎng)次的降雨量分為6 個(gè)等級(jí)，如表1 所示. 然后以不同等級(jí)的降雨量為變量進(jìn)行排頻，將發(fā)生頻次最高的降雨量等級(jí)對(duì)應(yīng)的所有降雨場(chǎng)次篩選出來(lái)，并以篩選后的這些降雨數(shù)據(jù)作為計(jì)算樣本（記為樣本1）來(lái)進(jìn)行典型降雨過程的設(shè)計(jì). 最后計(jì)算該等級(jí)降雨量的平均值，并將其作為典型降雨過程的降雨總量.

表1 降雨量等級(jí)劃分表Tab.1 Classification table of rainfall grades

將樣本1 中的降雨場(chǎng)次分別以降雨峰值和降雨歷時(shí)為變量進(jìn)行排頻，其中降雨峰值每1 mm為一個(gè)等級(jí)，降雨歷時(shí)每1 h為一個(gè)等級(jí)，對(duì)樣本1中發(fā)生頻次最高的降雨峰值及降雨歷時(shí)等級(jí)對(duì)應(yīng)的降雨場(chǎng)次篩選出來(lái)，并對(duì)篩選出來(lái)的所有降雨場(chǎng)次的降雨峰值和降雨歷時(shí)分別求平均值，即為典型降雨過程的降雨峰值和降雨歷時(shí).

從樣本1中將發(fā)生頻次最高的降雨歷時(shí)等級(jí)對(duì)應(yīng)的降雨場(chǎng)次篩選出來(lái)，記為樣本2. 參考公式（2），再對(duì)樣本2的降雨場(chǎng)次以峰值比為變量進(jìn)行排頻，將發(fā)生頻次最高的峰值比對(duì)應(yīng)的降雨場(chǎng)次篩選出來(lái)，并對(duì)篩選出來(lái)的降雨場(chǎng)次的峰值比求平均值，即為典型降雨過程的峰值比.

通過以上方法可得到一套典型降雨過程的降雨量、降雨峰值、降雨歷時(shí)、峰值比這四種基本變量的初值. 為方便理解，在此記為A過程特征值.

3.1.2 以降雨歷時(shí)等級(jí)為主的排頻計(jì)算

首先以所有降雨場(chǎng)次的降雨歷時(shí)為變量進(jìn)行等級(jí)劃分，并進(jìn)行排頻，每1 h為一個(gè)等級(jí)，將發(fā)生頻次最高的降雨歷時(shí)等級(jí)對(duì)應(yīng)的所有降雨場(chǎng)次篩選出來(lái)，用于下一步典型降雨過程的設(shè)計(jì)分析計(jì)算，在此記為樣本3. 然后計(jì)算該等級(jí)降雨歷時(shí)的平均值，即為典型降雨過程的降雨歷時(shí).

將樣本3中的所有降雨場(chǎng)次分別以降雨量和峰值比為變量進(jìn)行排頻，對(duì)發(fā)生頻次最高的降雨量及峰值比等級(jí)對(duì)應(yīng)的降雨場(chǎng)次篩選出來(lái)，再對(duì)篩選出來(lái)的所有降雨場(chǎng)次的降雨量和峰值比分別求平均值，即為典型降雨過程的降雨量及峰值比.

從樣本3中將發(fā)生頻次最高的降雨量等級(jí)所對(duì)應(yīng)的降雨場(chǎng)次篩選出來(lái)，記為樣本4，再將這些降雨場(chǎng)次（樣本4）以降雨峰值為變量進(jìn)行排頻，對(duì)發(fā)生頻次最高的降雨峰值等級(jí)對(duì)應(yīng)的降雨場(chǎng)次篩選出來(lái)，并對(duì)這些篩選出來(lái)的降雨場(chǎng)次的降雨峰值求平均值，即為典型降雨過程的降雨峰值.

通過以上方法可得到一套典型降雨過程的降雨量、降雨峰值、降雨歷時(shí)、峰值比這四種基本變量的初值. 為方便理解，在此記為B過程特征值.

3.1.3 典型降雨過程推求方法

對(duì)以上兩種特征排頻法分別推求出的典型降雨過程的特征值進(jìn)行比較分析：

1）A、B兩種過程所得出的特征值基本一致. 若A、B兩種過程得出的降雨量和降雨峰值的等級(jí)一致，且A、B兩種過程的均值相差不大，則對(duì)兩種過程的結(jié)果再次求均值，即為設(shè)計(jì)典型降雨過程的降雨量及降雨峰值；若A、B兩種過程得出的峰值比及降雨歷時(shí)等級(jí)均一致，則B過程得出的峰值比和降雨歷時(shí)即為設(shè)計(jì)典型降雨過程的峰值比和降雨歷時(shí).

2）A、B兩種過程所得出的特征值有差異. 若A、B兩種過程得出的降雨量等級(jí)不一致，不管A、B兩種過程的均值相差多少，都以A過程求得的降雨量作為設(shè)計(jì)典型降雨過程的降雨量；若A、B兩種過程得出的降雨峰值等級(jí)不一致，則以不同的降雨峰值等級(jí)為變量對(duì)所有降雨場(chǎng)次進(jìn)行排頻求均值，選擇與其最接近的特征值初值作為設(shè)計(jì)典型降雨過程的降雨峰值；若A、B兩種過程得出的降雨歷時(shí)等級(jí)不一致，不管A、B兩種過程的結(jié)果相差多少，均以B過程求得的降雨歷時(shí)作為設(shè)計(jì)典型降雨過程的降雨歷時(shí)；由于A、B兩種過程得出的峰值比都是在降雨歷時(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行排頻的，因此當(dāng)A、B兩種過程得出的峰值比不一致時(shí)，同樣選擇B過程求得的峰值比作為設(shè)計(jì)典型降雨過程的峰值比，即對(duì)樣本3進(jìn)行排頻計(jì)算后得出的峰值比.

依據(jù)上述推求方法，即可推求出典型降雨過程的降雨量、降雨歷時(shí)、降雨峰值、峰值比這四個(gè)變量最終的特征值. 然后，同樣以出現(xiàn)頻次為依據(jù)，以峰值比的峰型及位置為節(jié)點(diǎn)，以降雨峰值為控制點(diǎn)，將不同典型降雨過程（樣本3）前后的增加和減少過程進(jìn)行逐小時(shí)繪制，分別選取不同時(shí)段中出現(xiàn)頻次最高的雨強(qiáng)（mm/h），即可得出不同時(shí)段雨強(qiáng)之間的比值，之后再以降雨量和降雨歷時(shí)為控制點(diǎn)，進(jìn)行不同時(shí)段的同倍比放大，即可設(shè)計(jì)出典型降雨過程. 典型降雨過程的具體推求過程如圖6所示.

圖6 典型降雨過程的推求過程Fig.6 The designed workflow of typical rainfall process

3.2 汛期典型降雨統(tǒng)計(jì)分析

先依據(jù)3.1.1 小節(jié)方法，以降雨量為變量對(duì)永年站1980—2018 年汛期的308 場(chǎng)降雨進(jìn)行排頻計(jì)算. 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1980—2018年永年站汛期發(fā)生頻次最高的降雨量等級(jí)為10.0～24.9 mm的中雨，其對(duì)應(yīng)的降雨場(chǎng)次共179 場(chǎng)，占汛期總降雨場(chǎng)次的58.1%，其降雨量均值為16.2 mm. 這179場(chǎng)降雨中，降雨峰值為6～7 mm等級(jí)的降雨發(fā)生的頻次最多，達(dá)24場(chǎng)，占所選降雨量等級(jí)場(chǎng)次的13.4%，且這24場(chǎng)降雨的降雨峰值均值為6.2 mm；降雨歷時(shí)等級(jí)為2 h的降雨發(fā)生的頻次最多，達(dá)26場(chǎng)，占所選降雨量等級(jí)場(chǎng)次的14.5%；峰值比的峰值特征為單峰靠前的降雨發(fā)生的頻次最多，達(dá)18場(chǎng)，占所選降雨歷時(shí)等級(jí)場(chǎng)次的69.2%.

再根據(jù)3.1.2小節(jié)方法，以降雨歷時(shí)為變量對(duì)永年站1980—2018年汛期的308場(chǎng)降雨進(jìn)行排頻計(jì)算. 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1980—2018年永年站汛期發(fā)生頻次最高的降雨歷時(shí)等級(jí)為3 h，其對(duì)應(yīng)的降雨場(chǎng)次的共40場(chǎng)，占汛期總降雨場(chǎng)次的13.0%. 這40場(chǎng)降雨中，發(fā)生頻次最高的降雨量等級(jí)為10.0～24.9 mm的中雨，其對(duì)應(yīng)的降雨場(chǎng)次共23場(chǎng)，占所選降雨歷時(shí)等級(jí)場(chǎng)次的57.5%，且這23場(chǎng)降雨的降雨量均值為16.7 mm；峰值比的峰值特征為單峰靠后的降雨發(fā)生的頻次最多，共20場(chǎng)，占所選降雨歷時(shí)等級(jí)場(chǎng)次的50%；降雨峰值為11～12 mm等級(jí)的降雨發(fā)生的頻次最多，共11場(chǎng)，占所選降雨量等級(jí)場(chǎng)次的47.8%，且這11場(chǎng)降雨的降雨峰值均值為11.6 mm.

在此基礎(chǔ)上，按照3.1.3小節(jié)的方法即可推求出永年站汛期典型降雨過程最終的特征值，如表2所示. 由表2可知，兩種方法計(jì)算出的發(fā)生頻次最高的降雨量等級(jí)均為10.0～24.9 mm的中雨，且得出的降雨量均值相差不大，降雨峰值、降雨歷時(shí)和峰值比的結(jié)果都存在較大差異. 就降雨量而言，對(duì)兩種方法的結(jié)果求平均值，即可得到永年站汛期典型降雨過程的降雨量，為16.5 mm；就降雨峰值而言，對(duì)永年站汛期所有降雨場(chǎng)次的降雨峰值進(jìn)行排頻，發(fā)現(xiàn)降雨峰值等級(jí)為5～6 mm 的降雨發(fā)生的頻次最高，共24 場(chǎng)，占汛期總降雨場(chǎng)次的7.8%，且這24 場(chǎng)降雨的降雨峰值均值為5.8 mm，再對(duì)比兩種方法得出的降雨峰值均值，最后確定永年站汛期典型降雨過程的降雨峰值為6.2 mm；因峰值比和降雨歷時(shí)出現(xiàn)差異時(shí)，應(yīng)以降雨歷時(shí)為變量排頻得出的結(jié)果為主，故最終確定永年站汛期典型降雨過程的降雨歷時(shí)為3 h，峰值比的峰值特征為單峰靠后.

表2 基于不同排頻方法得出的永年站汛期典型降雨過程特征值Tab.2 Characteristic values of typical rainfall process in flood season of Yongnian Station obtained by different frequency analysis methods

依據(jù)表2結(jié)果，結(jié)合3.1.3小節(jié)所述方法可得出永年站汛期典型降雨過程（圖7）. 由圖7 可知，永年站汛期典型降雨過程的雨型屬于單峰型，降雨量逐漸增多，降雨歷時(shí)短，降雨峰值位于降雨過程的后部，降雨峰值時(shí)段降雨量占汛期降雨過程總降雨量的37.6%，降雨峰值時(shí)段的雨強(qiáng)大，降雨量在整個(gè)降雨過程后期更為集中. 根據(jù)實(shí)地調(diào)研并參考其他文獻(xiàn)［17］可知，華北地區(qū)汛期降雨多為對(duì)流雨，對(duì)流雨具有強(qiáng)度大、雨量多、歷時(shí)短的特點(diǎn)，通常表現(xiàn)為雷暴雨、短時(shí)強(qiáng)降雨、陣性降雨等. 由此可知，本研究結(jié)果符合區(qū)域汛期降雨特征.

圖7 永年站汛期典型降雨過程Fig.7 Typical rainfall process in flood season of Yongnian Station

3.3 非汛期典型降雨統(tǒng)計(jì)分析

先根據(jù)3.1.1小節(jié)計(jì)算方法，以降雨量為變量對(duì)永年站1980—2018年非汛期的84場(chǎng)降雨進(jìn)行排頻計(jì)算.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1980—2018年永年站非汛期發(fā)生頻次最高的降雨量等級(jí)為10.0～24.9 mm 的中雨，其對(duì)應(yīng)的降雨場(chǎng)次共59 場(chǎng)，占非汛期總降雨場(chǎng)次的70.2%，其降雨量均值為15.8 mm. 這59 場(chǎng)降雨中，降雨峰值為2～3 mm等級(jí)的降雨發(fā)生的頻次最多，達(dá)10 場(chǎng)，占所選降雨量等級(jí)場(chǎng)次的16.9%，且這10 場(chǎng)降雨的降雨峰值均值為2.6 mm；降雨歷時(shí)等級(jí)為10 h的降雨發(fā)生的頻次最多，達(dá)7場(chǎng)，占所選降雨量等級(jí)場(chǎng)次的11.9%；峰值比的峰值特征為單峰居中的降雨發(fā)生的頻次最多，達(dá)4場(chǎng)，占所選降雨歷時(shí)等級(jí)場(chǎng)次的57.1%.

再根據(jù)3.1.2 小節(jié)方法，以降雨歷時(shí)為變量對(duì)永年站1980—2018 年非汛期的84 場(chǎng)降雨進(jìn)行排頻計(jì)算.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1980—2018年永年站非汛期發(fā)生頻次最高的降雨歷時(shí)等級(jí)為10 h，其對(duì)應(yīng)的降雨場(chǎng)次共9場(chǎng)，占非汛期總降雨場(chǎng)次的10.7%. 這9場(chǎng)降雨中，發(fā)生頻次最高的降雨量等級(jí)為10.0～24.9 mm的中雨，其對(duì)應(yīng)的降雨場(chǎng)次共7場(chǎng)，占所選降雨歷時(shí)等級(jí)場(chǎng)次的77.8%，且這7場(chǎng)降雨的降雨量均值為15.9 mm；峰值比的峰值特征為單峰居中的降雨發(fā)生的頻次最多，共3場(chǎng)，占所選降雨歷時(shí)等級(jí)場(chǎng)次的33.3%；降雨峰值為3～4 mm等級(jí)的降雨發(fā)生的頻次最多，共2場(chǎng)，占所選降雨量等級(jí)場(chǎng)次的28.6%，且這2場(chǎng)降雨的降雨峰值均值為3.2 mm.

在此基礎(chǔ)上，按照3.1.3 小節(jié)方法即可推求出永年站非汛期典型降雨過程最終的特征值，如表3 所示.由表3可知，兩種方法計(jì)算出的發(fā)生頻次最高的降雨量等級(jí)均為10.0～24.9 mm的中雨，且得出的降雨量均值相差不大，故對(duì)兩種方法得出的降雨量再次求平均值即可得到永年站非汛期典型降雨過程的降雨量，為15.9 mm. 因?yàn)閮煞N方法得出的降雨歷時(shí)和峰值比完全一致，所以永年站非汛期典型降雨過程的降雨歷時(shí)為10 h，峰值比的峰值特征為單峰居中. 由于兩種方法計(jì)算得出的降雨峰值等級(jí)不一致，因此需對(duì)永年站非汛期所有降雨場(chǎng)次的降雨峰值進(jìn)行排頻，結(jié)果顯示降雨峰值等級(jí)為2～3 mm的降雨發(fā)生的頻次最多，共15場(chǎng)，占非汛期總降雨場(chǎng)次的17.9%，且這15場(chǎng)降雨的降雨峰值均值為2.8 mm，與兩種方法得出的降雨峰值均值進(jìn)行對(duì)比后，最終確定的永年站非汛期典型降雨過程的降雨峰值為2.6 mm.

表3 基于不同排頻方法得出的永年站非汛期典型降雨過程特征值Tab.3 Characteristic values of typical rainfall process in non-flood season of Yongnian Station obtained by different frequency analysis methods

同樣，可得永年站非汛期典型降雨過程（圖8）. 由圖8可知，永年站非汛期典型降雨過程的雨型也屬于單峰型，降雨峰值位于中部，降雨峰值時(shí)段的降雨量?jī)H占非汛期降雨過程總降雨量的16.4%，前期持續(xù)降雨且降雨量呈階梯狀逐步增加，后期降雨量呈緩慢下降趨勢(shì)，且降雨峰值前的降雨量要低于降雨峰值后的降雨量. 根據(jù)調(diào)研可知，華北地區(qū)非汛期降雨大多以鋒面雨為主，具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、雨強(qiáng)小等降雨特征. 由以上分析可知，本研究結(jié)果符合區(qū)域非汛期降雨特征.

圖8 永年站非汛期典型降雨過程Fig.8 Typical rainfall process in non-flood season of Yongnian Station

綜合對(duì)比永年站汛期和非汛期的典型降雨過程可知，汛期典型降雨過程的雨強(qiáng)較大、降雨過程短而急，非汛期典型降雨過程的雨強(qiáng)相對(duì)較小，降雨過程長(zhǎng)而緩；就雨型而言，汛期及非汛期典型降雨過程的降雨量均集中在中后部.

華北地區(qū)屬于典型的暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，其汛期降雨量的變化是影響其年降雨量變化的主要因素. 由于華北地區(qū)汛期降雨具有時(shí)程短、變化急、雨量大的特點(diǎn)，因此該類型降雨的發(fā)生往往具有突發(fā)性. 若此類型降雨發(fā)生在西部山丘地區(qū)，則極易產(chǎn)生山洪且極易伴有滑坡、泥石流等次生災(zāi)害發(fā)生；若此類型降雨發(fā)生在城市區(qū)域，則極易形成城中“看海”現(xiàn)象，且會(huì)嚴(yán)重影響居民交通出行，甚至造成人員傷亡. 因此，應(yīng)針對(duì)區(qū)域汛期的降雨特征開展典型降雨過程設(shè)計(jì)并用于相應(yīng)的工程防洪排澇計(jì)算，以進(jìn)一步減少區(qū)域財(cái)產(chǎn)損失. 由于非汛期降雨的降雨時(shí)程長(zhǎng)且往往發(fā)生在4—5月冬小麥關(guān)鍵生長(zhǎng)期，因此其是影響區(qū)域糧食產(chǎn)量的重要因素，故應(yīng)針對(duì)區(qū)域非汛期的降雨特征開展典型降雨過程設(shè)計(jì)并用于相應(yīng)的灌區(qū)設(shè)計(jì)及其灌溉制度的科學(xué)制定，以優(yōu)化農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)利用，進(jìn)一步增加灌區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量及其用水效益和效率.

此外，針對(duì)不同時(shí)期的降雨特征開展人工降雨設(shè)計(jì)及其產(chǎn)流試驗(yàn)和規(guī)律分析，可為深入了解區(qū)域產(chǎn)流機(jī)理及水資源特性等研究提供關(guān)鍵支撐.

4 結(jié)論

基于永年站1980—2018年4月1日至10月31日的逐小時(shí)降雨數(shù)據(jù)，對(duì)其年際和年內(nèi)降雨分布特征進(jìn)行了分析，然后以降雨量、降雨歷時(shí)、降雨峰值和峰值比為關(guān)鍵要素，通過排頻計(jì)算分別推求出永年站汛期及非汛期的典型降雨過程，得出以下結(jié)論：

1）永年站近39 年的降雨過程具有明顯的豐平枯交替變化特征，且大部分屬于枯水年，只有1980—1982年、1991年、1999—2000年以及2007—2018年屬于豐水年；每年6—9月的降雨量占比較大，在57%～97%之間. 汛期降雨量對(duì)區(qū)域降雨年內(nèi)、年際分布特征影響顯著.

2）永年站汛期典型降雨過程具有短而急的特點(diǎn)，降雨量主要集中在后部，設(shè)計(jì)典型降雨過程的降雨量為16.5 mm、降雨峰值為6.2 mm、降雨歷時(shí)為3 h、雨型為單峰靠后；非汛期典型降雨過程具有長(zhǎng)而緩的特點(diǎn)，降雨量主要集中在中后部，設(shè)計(jì)典型降雨過程的降雨量為15.9 mm、降雨峰值為2.6 mm、降雨歷時(shí)為10 h、雨型為單峰居中.