重慶暴雨面積估測技術(shù)應用

李　晶，陳貴川，王　歡，朱　巖

（重慶市氣象臺，重慶 401147）

暴雨是重慶市的主要氣象災害之一，同時引發(fā)山洪、地質(zhì)災害、城市內(nèi)澇等衍生災害，每年造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失都是非常嚴重的。多年來不同研究者在暴雨的時空分布、成因分析、風險區(qū)劃、影響評估等多個方面進行了大量研究分析[1-8]，研究者通常將氣象站點的雨量資料作為暴雨研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由此計算分析出暴雨日數(shù)、暴雨站數(shù)、暴雨強度等。但是，從空間分布看，一場暴雨過程的雨量分布往往不均，氣象站點的地理位置與疏密程度不同，僅僅用達到暴雨等級的站點數(shù)作為暴雨影響范圍的依據(jù)實際上缺乏準確性和可比性，而通過對暴雨面積進行估測，則能更客觀地反映一場暴雨的影響范圍。下面以重慶氣象自動觀測站雨量數(shù)據(jù)為例，介紹格點化與面積估測方法，以及重慶暴雨面積估測系統(tǒng)，主要分析重慶市近10 a的暴雨面積變化趨勢。期望對區(qū)域暴雨的界定、暴雨影響評估等業(yè)務以及氣象服務方面具有更科學的指導意義。

1　格點化及面積估測方法

1.1　資料選取

重慶市現(xiàn)有國家氣象自動觀測站34個，2007年開始大量建設(shè)區(qū)域氣象自動觀測站，現(xiàn)有2066個（表1）。利用2007—2016年重慶市自動觀測站的雨量數(shù)據(jù)，分別對每年中各次區(qū)域暴雨天氣過程的暴雨面積進行估測，并分析研究近10 a的變化趨勢。

表1　2007—2016年重慶市雨量自動站站數(shù)

在選取自動站雨量的日雨量數(shù)據(jù)時，采取了一定的質(zhì)量控制，對明顯的日雨量數(shù)據(jù)有誤的站點進行了篩選，一些雨量站因儀器故障出現(xiàn)的奇異大值屬于明顯的數(shù)據(jù)誤差，插值計算時忽略這些站點。

1.2　格點插值方法

在過往的研究中，常用于氣象要素的空間插值方法有距離權(quán)重法、多項式插值法、克立格法、樣條插值法等[9]。所有這些方法中，并不存在一種所謂的最佳插值方法[9]。距離權(quán)重反比法（IDW，Inverse Distance Weighting）是一種常用而簡便的空間插值方法，它具有效率高、插值中所需存儲空間小等特點，在氣象要素的格點化中大量應用[9-14]。對降水而言，IDW估值精度較高，插值結(jié)果的平滑程度較小，更適合于日降水量的空間插值[11]。

距離權(quán)重反比法以插值點與樣本點間的距離為權(quán)重進行加權(quán)平均，離插值點近的樣本賦予的權(quán)重越大[12]。具體公式如下：

式中，n為用于插值的雨量自動站數(shù)，Z為插值后的格點雨量值，Zi為第i個雨量自動站的實況雨量數(shù)據(jù)，Wi為第i個站點的權(quán)重系數(shù)[12]。以格點到自動站的距離反比作為權(quán)重系數(shù)。

具體編程計算時，對重慶市的格點范圍取105.28～110.20°E、28.16～32.22°N，格點的格距為0.02°×0.02°，格點數(shù)為247×204，取與格點距離最近的5個自動站雨量數(shù)據(jù)進行插值，即n為5（圖1）。

圖1　插值站點選取示意圖

由于2007—2016年重慶市每年的自動雨量站數(shù)量不同（表1），用距離權(quán)重反比法進行插值時，取與格點距離最近的5個自動站雨量數(shù)據(jù)進行插值，可減小因站點疏密程度而對插值造成的影響。

1.3　格點面積計算方法

插值后的格點雨量數(shù)據(jù)根據(jù)邊界判斷出重慶市邊界以內(nèi)的格點，通過計算達到暴雨量級的格點的總面積，從而估測出暴雨面積。對不同經(jīng)緯度地區(qū)的格點面積的計算，采用地球橢球體梯形面積的計算方法[15]，具體公式如下：

式中，a為地球半徑，e為地球偏心率，λ為經(jīng)度，φ為緯度，T為格點面積。

為了驗證該面積計算方法的適用性，利用重慶全市及各區(qū)縣邊界內(nèi)的格點，用該公式計算出對應的面積，與全市及各區(qū)縣的實際面積進行對比（表2），面積偏差比率范圍在-2.551%～1.957%，而全市總面積的偏差較小，為-0.123%。

表2　重慶全市及各區(qū)縣格點計算面積與實際面積的偏差比率

1.4　重慶暴雨面積估測系統(tǒng)

運用以上方法，基于VB建立了“重慶暴雨面積估測系統(tǒng)”，可計算出重慶全市及各區(qū)縣的暴雨面積及比率，系統(tǒng)界面圖略。

2　應用實例

利用“重慶暴雨面積估測系統(tǒng)”，對2016年重慶市“6.23”區(qū)域暴雨進行暴雨面積估測。此次過程的時間為2016年6月23日傍晚至24日夜間，分別對23日08時—24日08時、24日08時—25日08時的日雨量進行格點化，并估測出重慶全市及各區(qū)縣的暴雨面積（表3）。累計兩天的暴雨面積，此次暴雨過程的總暴雨面積達到了38 362.55 km2，暴雨面積比率達到了46.56%。

表3　2016年“6.23”暴雨重慶全市及各區(qū)縣暴雨面積及比率/%

區(qū)縣23日08時—24日08時　24日08時—25日08時暴雨面積/km2　面積比率　暴雨面積/km2　面積比率墊江　0　0.00%　8.51　0.56%大足　656.15　45.69%　81.45　5.67%城口　175.60　5.43%　247.88　7.67%璧山　17.19　1.88%　0　0%北碚　444.96　58.94%　0　0%巴南　111.74　6.12%　0　0%

3　重慶市近10 a暴雨面積變化分析

運用建立的重慶暴雨面積估測系統(tǒng)，對重慶市近10 a，即2007—2016年的暴雨面積變化趨勢進行研究分析。

3.1　區(qū)域暴雨天氣過程的暴雨面積分析

2007—2016年重慶市共有80次區(qū)域暴雨天氣過程，對各次過程的暴雨面積及面積比率進行估測，結(jié)果如表4。

表4　2007—2016年重慶市歷次區(qū)域暴雨天氣過程的暴雨面積及比率/%

暴雨個例暴雨面積/km2面積比率/%暴雨個例暴雨面積/km2面積比率/%2010.6.23 10 333.71　12.54　2014.8.31　35705.25　43.33 2010.7.4　20 029.42　24.30　2014.9.12　12032.20　14.60 2010.7.8　24 084.84　29.23　2014.9.17　42381.63　51.43 2010.8.14 14 596.01　17.72　2014.9.27　9078.66　11.01 2010.8.21　8 905.20　10.80　2014.10.28 24 505.66　29.74 2010.9.6　13 372.31　16.23　2015.5.14　5 755.15　6.99 2011.5.21　7 219.50　8.76　2015.6.15　12 202.10　14.80 2011.6.13 20 342.53　24.69　2015.6.29　16 788.67　20.37 2011.6.17 19 987.35　24.26　2015.7.14　39 367.52　47.77 2011.6.22 28 253.87　34.28　2015.7.22　30 594.36　37.13 2011.7.7　16 506.75　20.03　2015.8.7　4 816.84　5.85 2011.8.4　37 611.77　45.64　2015.8.16　24 929.00　30.25 2011.8.22 23 307.73　28.29　2015.9.5　9 759.15　11.84 2011.10.1 16 090.05　19.53　2015.9.11　17 837.98　21.65 2012.5.11　8 962.08　10.88　2016.5.7　16 015.37　19.44 2012.5.21 12 499.95　15.17　2016.6.1　31 409.40　38.12 2012.5.28 17 894.03　21.72　2016.6.19　20 161.11　24.46 2012.6.25　8 466.25　10.27　2016.6.23　38 362.55　46.56 2012.7.4　16 059.74　19.49　2016.6.27　21 613.49　26.23 2012.7.10 11 035.69　13.39　2016.6.30　37 594.43　45.62 2012.7.22　7 076.94　8.59　2016.7.13　19 692.48　23.90 2012.8.30 3 0921.34　37.52　2016.7.18　22 811.94　27.69

可以看出，在近10 a重慶市的區(qū)域暴雨天氣過程中，2014年“9.17”區(qū)域暴雨的暴雨面積最大，暴雨面積比率高達51.43%，這與該場暴雨為2014年重慶市影響范圍最大的暴雨的實際情況相吻合。此外，另有7次區(qū)域暴雨天氣過程的暴雨面積比率超過了40%，10次區(qū)域暴雨天氣過程的暴雨面積比率超過30%，23次區(qū)域暴雨天氣過程的暴雨面積比率超過20%。

累計計算出2007—2016年重慶市歷年的區(qū)域暴雨天氣過程的累計暴雨面積，作出暴雨面積變化圖（圖2）。

圖2　2007—2016年重慶歷年區(qū)域暴雨過程累計暴雨面積變化

可以看出，2014年重慶市的區(qū)域暴雨天氣過程累計暴雨面積最大，2016年次之，2008年最小。2014年重慶市出現(xiàn)了12次區(qū)域暴雨天氣過程，是近10 a中次數(shù)最多的一年，“9·17”區(qū)域暴雨的暴雨面積比率高達51.43%，也是近10 a中暴雨面積最大的一次。2016年重慶市出現(xiàn)了8次區(qū)域暴雨天氣過程，其中“6·23”、“6·30”的暴雨面積比率超過了40%。2008年重慶市僅出現(xiàn)了4次區(qū)域暴雨天氣過程，是近10 a最少的，其累計暴雨面積也最小。從近10 a的總體趨勢來看，重慶市區(qū)域暴雨過程的暴雨面積呈增大的趨勢。

在2007—2016年這10 a中，由于每年的雨量站站點都在增加，尤其2011年開始建設(shè)山洪站以后，2013年的站點增加了1000余個。為了討論雨量站數(shù)對暴雨面積估測的影響，對2014年的12次區(qū)域暴雨天氣過程，固定使用2010年的925個雨量站進行暴雨面積估測，結(jié)果如表5。

表5　使用不同雨量站點估測的重慶市2014年12次區(qū)域暴雨天氣過程的暴雨面積及比率/%

可以看出，12次區(qū)域暴雨天氣過程，有3次估測出的暴雨面積略有減小，其余9次略有增大，偏差范圍僅-0.76%～1.67%。重慶市2014年的雨量站較2010年增加了1000多個，然而雨量站的增加對暴雨面積的估測整體影響較小。

為討論雨量站點的增加對年度累計區(qū)域暴雨天氣過程的暴雨面積估測的影響，對2013—2016年使用2010年的雨量站點進行暴雨面積估測（圖3）。可以看出，雨量站的增加，使2013、2014、2015年的年度區(qū)域暴雨過程累計暴雨面積略有增大，而2016年略有減小，但增大或減小的量很小，而對整體趨勢并無改變。

圖3　2007—2016年重慶歷年區(qū)域暴雨過程累計暴雨面積變化

3.2　暴雨面積年變化特征

計算出2007—2016年重慶市歷年的暴雨面積、大暴雨面積及特大暴雨面積，分別作出暴雨面積、大暴雨和特大暴雨面積、暴雨及以上雨量面積變化圖（圖4～6）。

圖4　2007—2016年重慶市歷年暴雨面積變化

圖5　2007—2016年重慶市歷年大暴雨和特大暴雨面積變化

圖6　2007—2016年重慶市歷年暴雨及以上雨量面積變化

可以看出，暴雨面積2014年最大，2016年次之，2007年居第三位；從近10 a的整體趨勢來看，重慶市的年暴雨面積呈增大趨勢。由于特大暴雨面積僅2007、2013、2014、2015年有，且量值小，所以將特大暴雨面積和大暴雨面積合在一起；如圖5，最大值也是2014年，2016年次之；從近10 a的整體趨勢來看，重慶市的年大暴雨面積和特大暴雨面積總值也是呈增大趨勢。暴雨及以上雨量面積，及暴雨、大暴雨、特大暴雨的總面積，同樣是2014年最大，2016年次之，2007年居第3位；從近10年的整體趨勢來看，重慶市的年暴雨及以上雨量面積也是呈增大趨勢。此外也能看出，通過對重慶暴雨面積估測的分析研究，能正確反映出2014年重慶市暴雨嚴重[16]這一事實。

3.3　與年降水量、暴雨日數(shù)的趨勢比較

為了討論估測的暴雨面積的趨勢與近10 a降雨及暴雨情況的趨勢比較，作出2007—2016年重慶市的年降水量與暴雨日數(shù)的歷年變化圖（圖7、8）。

圖7　2007—2016年重慶市年降水量歷年變化

圖8　2007—2016年重慶市暴雨日數(shù)歷年變化

可以看出，2007—2016年重慶市的年降水量，2014年最大，2016年次之，2007年居第3位，且近10 a整體呈增多的趨勢，這與暴雨面積（圖5）、暴雨及以上雨量面積（圖6）的變化及趨勢是完全一致的。暴雨日數(shù)2016年最多，2014年次之，2015年居第3位，近10 a整體呈增多的趨勢；雖然暴雨日數(shù)的最大值不是2014年，但峰值區(qū)仍在2014—2016年，且變化趨勢與暴雨面積、暴雨及以上雨量面積的趨勢也是相同的。

通過以上應用分析，可以發(fā)現(xiàn)：暴雨面積估測相比暴雨站數(shù)統(tǒng)計能更合理地反映一場暴雨天氣過程的影響范圍，能更準確地判斷一場降雨天氣過程是否達到區(qū)域暴雨的標準。

4　結(jié)論與討論

（1）應用距離權(quán)重反比法對重慶市的自動站雨量資料進行格點化處理，用地球橢球體梯形面積的計算方法計算出不同經(jīng)緯度的格點面積，最后估測出重慶全市及各區(qū)縣的暴雨面積，建立了重慶暴雨面積估測系統(tǒng)，實現(xiàn)了暴雨面積估測技術(shù)的業(yè)務應用。

（2）估測重慶市2007—2016年的歷年暴雨面積表明，重慶市的暴雨面積2014年最大，2016年次之，近10 a總體呈增大趨勢。其反映的變化趨勢，與重慶市近10 a的年降水量及暴雨日數(shù)變化趨勢一致，可以看出，將暴雨面積作為研究暴雨變化的一項指標具有一定的可靠性。由于自動站雨量資料的時序有限，估測的暴雨面積僅能反映近10 a的變化趨勢，有待后續(xù)長時間序列資料的分析，以驗證暴雨面積估測技術(shù)作為暴雨指標的可研性和適用性。

（3）將暴雨面積作為研究暴雨的一項指標，相比站點數(shù)統(tǒng)計能更合理地反映暴雨的影響范圍。如果將暴雨面積與地區(qū)的人口、經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)等地理信息數(shù)據(jù)相結(jié)合，相信可以得出更有指導意義的暴雨影響評估、風險區(qū)劃等量化的指標數(shù)據(jù)。