西安城區(qū)暴雨雨型分析

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)

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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，對西安城區(qū)短歷時降水的雨型進(jìn)行了分析、計(jì)算，計(jì)算得出各短歷時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，短歷時降水雨峰位置偏前，短歷時強(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極端降水過程逐小時雨量分布不均勻，較為集中。

短歷時；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暴雨的能力。

1 資料與方法

1.1 資料

1.1.1 短歷時暴雨資料。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個歷時最大降水量極值資料中[4]，挑選出歷時為30、45、60、90、120、150、180 min共7個歷時的過程降水量資料，確定每個過程的開始時間和結(jié)束時間，按照開始和結(jié)束時間建立這7個歷時52年每年最大降雨量過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)，將降雨歷時時間序列分為鋒前和峰后2個部分，令峰前的瞬時強(qiáng)度為i(tb)(mm/min)，相應(yīng)的峰前歷時為tb，峰后的瞬時強(qiáng)度為i(ta)(mm/min)，相應(yīng)的峰后歷時為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)對應(yīng)單個重現(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降雨量所對應(yīng)的降雨過程，按照逐小時雨量為累積時段，可以將西安52年最大降雨量分為5個類型，分型標(biāo)準(zhǔn)如下：選取逐小時中的最大雨量為峰值，對應(yīng)小時標(biāo)注為峰值位置，如果是2個峰值或者多個峰值雨量一樣，峰值位置取2個峰值或者多個峰值位置的平均值，如峰值出現(xiàn)在降雨過程的第3小時，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有超過最大峰值雨量的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個的雨峰值與最大雨峰雨量差值沒有超過1/3，則統(tǒng)計(jì)為多峰型，5個及以上則統(tǒng)計(jì)為均勻型。同時以最大雨峰出現(xiàn)的位置定類型，如果出現(xiàn)在降雨過程的前1～8時統(tǒng)計(jì)為偏前，最大雨峰出現(xiàn)在降雨過程的9～16時統(tǒng)計(jì)為居中，最大雨峰出現(xiàn)在降雨過程的17～24時統(tǒng)計(jì)為偏后。

2 西安城區(qū)暴雨雨型分析

2.1 短歷時暴雨雨型分析

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

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、不同重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度公式，通過對比分析確定指數(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52個最大降雨量降水過程的雨峰位置系數(shù)介于0.317 31～0.496 79，7個歷時的綜合雨峰位置系數(shù)為r=0.354 81，表明西安城區(qū)短歷時降水雨峰位置偏前，短歷時強(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5 min時段的峰前雨強(qiáng)和峰后雨強(qiáng)，即可計(jì)算芝加哥合成暴雨過程線各時段(以5 min為一時段)的累積降雨量及各時段的平均降雨量，最終確定出不同降雨歷時對應(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24 h降雨過程中，雨峰位置出現(xiàn)在1～8時最多，9～16時的其次，17～24時的最少，但相差并不大；最大雨峰位置平均值為第11.3小時，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、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。對于24 h降雨過程雨型，則采用相當(dāng)于一定重現(xiàn)期的實(shí)際降水過程的逐小時雨量分布為對應(yīng)重現(xiàn)期該類型的雨型分布曲線。如2012年8月31日暴雨天氣過程是雙峰型降雨過程(圖3a)，雨量50.0 mm，接近于兩年一遇；1981年8月9日暴雨天氣過程是主副型降雨過程(圖3b)，降雨量77.7 mm，介于5～10年一遇；1986年9月7日暴雨天氣過程是多峰型降雨過程(圖3c)，降雨量92.3 mm，接近于20年一遇；1989年7月17日暴雨天氣過程是單峰型降雨過程(圖3d)，24 h雨量92.5 mm，接近于20年一遇；1991年7月27日暴雨過程是單峰型降雨過程(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，西安城區(qū)實(shí)際的24 h極端降水過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，對西安城區(qū)短歷時降水的雨型進(jìn)行了分析計(jì)算，計(jì)算的各短歷時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)短歷時降水雨峰位置偏前，短歷時強(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極端降水過程逐小時雨量分布不均勻，但較為集中。

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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，高級工程師，從事天氣預(yù)報預(yù)警及相關(guān)技術(shù)研究。

2015-10-30

S 161.6

A

0517-6611(2015)35-295-03