鎮江市降雨場次劃分與暴雨特性分析

皋 云，李瓊芳，2，周正模，杜 堯，和鵬飛

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.江蘇省“世界水谷”與水生態文明協同創新中心，江蘇 南京 210098)

快速城市化改變了局部氣候，城市熱島效應、阻礙效應、凝結核效應顯著改變了城區降雨模式與分布[1]，暴雨頻次和短歷時暴雨強度不斷增加，城市暴雨洪澇風險增大，危及城市居民生命和財產安全，嚴重制約了城市經濟社會有序發展[2-3]。降雨場次的劃分是暴雨特性研究的基礎，對于精準地解析暴雨特性至關重要。然而，目前尚未形成統一的降雨場次劃分方法。李俊奇等[4]將每日降雨(20：00至次日20：00)作為一場降雨，但該劃分方法得到的場次降雨與實際情況存在較大偏差；Adams等[5]在分析降雨間隔時間與降雨自相關系數關系的基礎上，確定了最小降雨間隔時間，并提出降雨間隔在1～6 h之內時實際應用性較強，但亟須驗證其在中國高強度城市化地區的適用性。由于不同城市在城市規模、城市化程度、人類活動干擾程度、地形地貌及氣候條件等方面均有較大差異，在氣候變化和人類活動共同作用下其暴雨特性變化規律也不盡相同，因此，一些學者針對不同城市開展了暴雨特性研究[6-8]。張潔祥等[9]分析了上海市年代際降水、年降水、汛期與非汛期降水的變化和周期變化特征，但未對不同歷時降雨的變化特征進行研究；李政等[10]解析了伊寧市的強降雨特征以及對洪災的影響。在江蘇省，南京、無錫、常州已開展了關于城市暴雨特性的研究[11-13]，然而，鎮江市作為第一批國家海綿試點城市，對其暴雨變化規律的精細化分析卻鮮見報道。城市雨洪管理應以防澇達標為重點[14]，清楚地認識城市暴雨規律既是科學推求設計暴雨、合理規劃與設計城市排水防澇系統的前提，也是有效制定海綿城市設計指標以及評估不同降雨條件下海綿城市建設效果的重要依據，對建立完善的城市排水防澇系統、提高城市防災減災能力、保障人民群眾生命財產安全也至關重要[15-16]。因此，亟須在科學合理劃分鎮江市場次暴雨的基礎上，對其暴雨變化規律進行深入細致的分析。

1 研究區概況

鎮江市(北緯31°37′～32°19′、東經118°58′～119°58′)位于江蘇省南部，長江下游南岸，長江和京杭大運河在此交匯。鎮江市屬暖溫帶向北亞熱帶過渡的季風氣候，氣候濕潤溫和，雨量充沛，雨熱同期，全年無霜期239 d，降雨多集中在5—10月，多年平均降水量1 106.2 mm，汛期平均雨量達781.3 mm。隨著鎮江城市化建設進程加快，下墊面不透水面積增加，鎮江市熱島效應明顯，降雨增多。特殊的地理位置、快速的城市化進程與汛期的集中降水使得鎮江市區面臨外洪與內澇的夾擊,不斷出現嚴重的暴雨洪澇災害[17]。

2 研究方法與數據

降雨具有持續性和間斷性的特點，長時間序列的降雨數據可劃分為多場獨立的場次降雨。對于某一場確定的降雨序列，不同的降雨場次劃分對應著不同的降雨場次和降水量。工程實踐中，海綿城市建設的降雨總量控制目標、城市雨洪模型的降水量過程線模擬、防洪工程及城市管網系統的設計標準均與場次降雨數據密切相關。因此，合理地確定降雨間隔時間、劃分降雨場次尤為重要，但因最小降雨間隔T及無雨標準需人為確定，劃分結果受主觀因素影響較大[4]。在數據資料的時間分辨率達到小時降雨數據時，按照T進行場次劃分更為合理[18]。當兩場雨的間隔時間t≥T時，視為2場降雨；當t

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圖1 基于降雨時間間隔的降雨場次劃分示意圖

通過對降雨數據進行自相關分析，得到自相關系數與間隔時間的關系(圖2)，自相關系數在0～0.3之間可認為數據之間相關性較弱，一定間隔時間后，降雨數據自相關系數顯著下降并且接近0，可選擇此間隔時間作為最小降雨間隔。該劃分方法根據研究區實測的降雨數據確定間隔時間，減少了由于主觀因素造成的誤差，更符合研究區實際的降雨過程，得到的降雨歷時、降水量、降雨強度更具代表性。

圖2 自相關分析

為揭示鎮江市暴雨變化規律，在選用長系列降雨資料時，既要考慮降雨站點的區域代表性，也要考慮歷史數據連續性和一致性要求，還要考慮資料系列至少30年以上。鑒于鎮江站于1997年停測后直接移用丹徒站資料，而丹徒站是除鎮江站之外最具代表性的觀測站點,本文選用丹徒站1981—2016年降雨資料進行鎮江市暴雨變化規律研究?；阪偨械ね秸狙雌?—10月逐分鐘降雨資料，采用自相關分析法[5]確定降雨間隔時間，劃分降雨場次，以我國氣象上規定的12 h降水量超過30 mm為標準篩選暴雨場次。進而統計分析汛期各月暴雨場次、各月暴雨量和汛期總暴雨次數、總暴雨量。以月為時間尺度研究汛期暴雨場次和暴雨量的分布規律，基于線性傾向估計、M-K法[15]解析汛期及各月暴雨次數和暴雨量的年際變化特性，并分析各月暴雨量對汛期總降水量的貢獻。依據暴雨歷時小于 6 h、6～11 h、12～23 h、24～30 h、大于30 h將暴雨劃分為特短暴雨、短暴雨、一般暴雨、長暴雨、特長暴雨；依據場次總雨量為30～60 mm、60～100 mm、大于 100 mm 將暴雨分為弱暴雨、中暴雨、強暴雨[16]。采用數理統計法分析汛期各月不同歷時和不同強度暴雨次數的分布情況，探明汛期不同歷時和不同強度的暴雨次數的變化趨勢、年際及年代際變化特征。針對選取的汛期特短暴雨和短暴雨，分析不同年代特短暴雨、短暴雨的強度變化規律，揭示短歷時暴雨的頻次和強度演變特征。

3 結果與分析

3.1 鎮江市暴雨場次劃分結果

基于鎮江市丹徒站1981—2016年汛期5—10月降雨資料進行自相關分析(圖3)。由圖3可見，隨著降雨間隔時間的增大，自相關系數逐漸趨近于0，自相關系數小于0.2的合理降雨間隔為2～10 h，因此將2 h作為降雨間隔時間，這與建設部頒布的《給水排水設計手冊》中推薦的以2 h作為降雨間隔時間的標準一致[4],驗證了該方法在高度城市化的鎮江的適用性。以12 h降水量超過30 mm為標準篩選暴雨場次，對降雨場次進行篩選，得到1981—2016年汛期5—10月暴雨共252次。

圖3 鎮江市降雨自相關分析

3.2 汛期各月暴雨次數及暴雨量變化規律

圖4為鎮江市1981—2016年汛期總暴雨次數和總暴雨量變化。由圖4可見，鎮江市1981—2016年汛期共出現暴雨252次，年平均暴雨次數為7次。鎮江市的汛期年暴雨次數和汛期年暴雨量年際變化大，汛期年暴雨次數呈略微增長的趨勢，汛期年暴雨量以每10年43.4 mm的速度增加，這可能是氣候變暖與城市化共同影響的結果[19]。1991年華東水災，1998年長江全流域洪水，2009年盛夏極端異常氣候造成鎮江市低溫多雨,2016年受厄爾尼諾現象導致強降雨頻發，這4年均發生10次以上暴雨。1993年、1994年、1997年、2006年、2013年汛期均發生持續1～7個月的一般干旱或重旱事件[20]，這5年暴雨次數均在1～3次。

圖4 鎮江市1981—2016年汛期總暴雨次數和總暴雨量變化

圖5為鎮江市1981—2016年汛期總暴雨次數和總暴雨量的各月分布。由圖5可見，鎮江市汛期暴雨分布不均性顯著,夏季多發性明顯，主要集中在6—8月。7月出現最多，為72次，占汛期總暴雨次數的28.6%，7月暴雨量占汛期總暴雨量的29.4%；6月次之，發生64次暴雨，占汛期總暴雨次數的25%，6月暴雨量占汛期總暴雨的27.1%；8月略低于6月，發生49次暴雨，占總場次的19.4%，8月暴雨量占汛期總暴雨量的17.0%；5月和10月暴雨次數較少，僅占汛期總暴雨次數的7.5%和6.3%，5月和10月暴雨量分別占汛期暴雨量的7.2%和5.4%。

圖5 鎮江市1981—2016年汛期總暴雨次數和總暴雨量各月分布

研究汛期多年月平均暴雨量以及月暴雨量對汛期總暴雨量貢獻率并進行M-K檢驗(表1)。5月暴雨量M-K統計量絕對值大于1.64，通過了置信度為90%的顯著性檢驗，表明5月暴雨量下降趨勢顯著；7月暴雨量M-K統計量大于1.96，通過了置信度為95%的顯著性檢驗，表明7月暴雨量上升趨勢顯著。月暴雨量貢獻率M-K值中，5月、7月暴雨量對總暴雨量的貢獻均通過了置信度為95%的顯著性檢驗，表明5月形成暴雨的概率低，7月形成暴雨的概率較高。7月與8月暴雨量增多，對汛期總暴雨量貢獻增大，其他月份暴雨量減少，對暴雨貢獻減小，暴雨集中度增強，這可能是由東亞季風以及西北太平洋臺風登陸的影響造成的[21]。因此，7月與8月的防汛任務較為艱巨，這與林恒等[22]研究表明長江三角洲地區春秋季節各強度降水減少，夏季降水增多，且夏季降雨強度較大的結論是一致的。

表1 汛期不同月份暴雨量、暴雨量貢獻率M-K統計量及變化趨勢

3.3 不同歷時暴雨變化規律

圖6統計了鎮江市汛期各月特短暴雨、短暴雨、一般暴雨、長暴雨、特長暴雨次數占比。鎮江市各歷時暴雨中，一般暴雨出現次數最多，為83次，占汛期總暴雨次數的32.9%；特短和短暴雨次之，分別為55次和51次，占比21.8%和20.2%；長暴雨和特長暴雨出現次數最少，分別為32次和31次，僅占12.7%和12.3%。由圖6可知，進入汛期后，特短暴雨和短暴雨出現次數逐漸增多，暴雨次數占比增大，8月達到峰值后次數開始減少，一般暴雨呈汛期頻發的特點，長暴雨在汛期占比都較小，特長暴雨僅在9月、10月出現次數較多。5—7月，一般暴雨次數占比最大，8月，特短暴雨、短暴雨次數占比最大，9—10月，一般暴雨次數占比最大。

圖6 鎮江市1981—2016汛期各月不同歷時暴雨次數占比

圖7統計了不同歷時暴雨次數的5年滑動平均值。由圖7可知，鎮江市暴雨以短暴雨和一般暴雨為主，1981—1996年，特短暴雨和短暴雨5年滑動平均次數略微減少，1996年后，短暴雨和特短暴雨平均次數增長趨勢顯著；一般暴雨平均次數變化趨勢顯著，1981—2003年，一般暴雨平均次數略微增長，2003年后呈逐漸下降趨勢；1981—2016年，長暴雨次數5年滑動平均值都在1次左右；特長暴雨平均次數總體呈下降趨勢，2003—2015年，僅出現2次特長暴雨。

圖7 鎮江市1981—2016汛期不同歷時暴雨次數5年滑動平均變化

對各歷時暴雨次數進行M-K檢驗(表2)，特短暴雨次數通過了置信度為95%顯著性檢驗，短暴雨次數的M-K統計量大于2.58，通過了置信度為99%的顯著性檢驗，說明特短和短暴雨次數增加趨勢顯著。短歷時暴雨的增多可能與太陽輻射加熱或城市熱島效應密切相關[23]。一般暴雨次數M-K統計量小于0，但絕對值未超過1.64，說明一般暴雨次數呈減少趨勢，但趨勢不明顯；長暴雨次數M-K統計量大于0，但未通過顯著性檢驗，說明長暴雨次數呈增長趨勢，但趨勢不明顯；特長暴雨次數M-K統計量小于0，表明特長暴雨次數呈減少趨勢，但減少趨勢不顯著。

表2 汛期不同歷時暴雨次數的變化趨勢

圖8為不同年代不同歷時暴雨次數占比。由圖8可見，1981—2000年，特短暴雨、短暴雨占比略微減?。?010年后，特短暴雨和短暴雨次占比顯著增大；1981—2010年，一般暴雨、特長暴雨呈現占比減小的趨勢，長暴雨占比略微增大。2010年前，均為一般暴雨占比最大，2010年后，特短暴雨占比最大。

圖8 汛期不同年代的不同歷時暴雨次數占比

3.4 不同強度暴雨變化規律

圖9統計了鎮江市汛期弱暴雨、中暴雨、強暴雨次數的占比。由圖9可見，鎮江市各強度暴雨中，弱暴雨出現次數最多，為152次，占汛期總暴雨次數的60.3%；中暴雨次之，為73次，占到29.0%；強暴雨出現次數最少，為27次，僅占10.7%。由圖9可得，弱暴雨8月占比最多，中暴雨除在7—8月占比較小，其他月份占比相近，強暴雨主要集中在7月，占汛期總強暴雨次數的48.1%。

圖9 鎮江市1981—2016汛期各月不同強度暴雨次數占比

圖10為不同強度暴雨次數的5年滑動平均值。由圖10可見，1981—1996年，弱暴雨5年滑動平均次數呈現出減小的趨勢，1997年后暴雨平均次數逐漸增多；中暴雨平均次數變化幅度較小，5年滑動平均值均在2次左右；1981—1991年，強暴雨平均次數略微增長，1992—2006年，僅發生4次強暴雨，2007年后，強暴雨平均次數呈上升趨勢。

圖10 鎮江市1981—2016汛期不同強度暴雨次數5年滑動平均變化

對各強度暴雨次數進行M-K檢驗(表3)，由表3可見，弱暴雨、中暴雨和強暴雨的暴雨次數的M-K統計量均大于0，均未通過顯著性檢驗，說明各強度暴雨次數均呈增多趨勢，但趨勢均不明顯。

表3 汛期不同強度暴雨次數的變化趨勢

圖11為不同年代不同歷時暴雨次數的占比。由圖11可見，1981—2000年，弱暴雨占比小幅度增大，中暴雨、強暴雨占比小幅度減小，2010年后，弱暴雨占比減小，中暴雨、強暴雨占比略微增大。

圖11 汛期不同強度暴雨次數占比的不同年代分布

3.5 特短暴雨與短暴雨的強度變化特征

作為海綿城市試點城市的鎮江，近年來內澇災害頻發，短歷時、高強度的暴雨是造成城市內澇的重要原因。因此，著重對特短暴雨和短暴雨強度進行分析，統計了不同年代特短暴雨、短暴雨中的弱暴雨、中暴雨、強暴雨次數及其占比，結果見圖12、圖13。由圖12、圖13可見，各個年代特短暴雨和短暴雨均以弱暴雨為主，中暴雨次之，1981—2016年，僅發生1次短歷時強暴雨；特短暴雨中，1981—1990年，弱暴雨和中暴雨次數減少，但特短暴雨中的弱暴雨占比增大，中暴雨占比減小，2000年后，弱暴雨和中暴雨次數呈增多趨勢，特短暴雨中的弱暴雨占比呈減小趨勢，中暴雨占比呈增大趨勢；短暴雨中，1981—1990年未發生短歷時的中暴雨，1991—2000年，弱暴雨次數減少，中暴雨次數增多，弱暴雨占比減小，中暴雨占比增長顯著，2000年后，短暴雨中的弱暴雨次數呈增長趨勢，中暴雨次數變化不明顯，因此，弱暴雨占比增大，中暴雨占比減小。從不同年代特短暴雨、短暴雨中弱暴雨、中暴雨、強暴雨的占比來看，特短暴雨的強度呈增強的趨勢，短暴雨的強度略微減弱，但2010年后，出現了1981—2016年間唯一的1次短歷時強暴雨。

圖12 汛期不同強度的特短暴雨次數分布

圖13 汛期不同強度的短暴雨次數分布

4 結 論

a. 鎮江市合理的降雨場次劃分間隔時間為 2 h，與建設部頒布的《給水排水設計手冊》中推薦的以2 h作為降雨間隔時間的標準一致。

b. 鎮江市汛期暴雨次數、暴雨量均呈增加趨勢。6—8月暴雨次數、暴雨量遠高于其他月份，分別占汛期總暴雨的73.0%和73.5%。7月和8月的暴雨量及其對總降雨的貢獻率呈增加趨勢，其他月份呈減少趨勢，暴雨集中度增強。

c. 鎮江市不同歷時的暴雨中，一般暴雨占比最大，占汛期總暴雨次數的32.9%。特短、短暴雨次數增長趨勢顯著，分別通過了95%和99%的顯著性檢驗，且特短暴雨的強度也呈增強趨勢。

d. 鎮江市不同強度的暴雨中，弱暴雨占比最大，占汛期總暴雨次數的60.3%，弱、中、強暴雨次數均有不同程度的增長，但沒有通過顯著性檢驗。