基于成都市中心城區暴雨強度公式修訂的暴雨樣本優選研究

趙劉偉，張 葵

（1.中國建筑西南設計研究院有限公司，四川 成都 610041；2.成都市氣象局，四川 成都 610072）

0 引言

目前，對城市型水災害成因和防災減災對策的研究越來越受到政府和社會的重視，已成為一個國際性的研究熱點[1]。為適應氣候趨勢性變化，保障城市安全，客觀表達城市暴雨特征，提高城市室外排水工程設計的科學性，編制和修訂城市暴雨強度公式顯得尤為重要[2]。暴雨強度公式編制常用的暴雨選樣方法主要有年最大值法和年多個樣法。2015年之前，我國城市使用的暴雨公式大多是采用年多個樣法推導出來的，而發達國家由于城市雨量資料年限較長且城市排水設計重現期取值較高，于上世紀70年代就采取年最大值法[3-4]。目前國內暴雨選樣專家學者及規范推薦采用年最大值法[5-10]，采用年最大值法編制暴雨強度公式暴雨樣本資料年限至少需要二十年以上，須有最近年份的降雨資料，且資料年份越長越為可靠[11]。

成都市中心城區分鐘降水量資料比較完善的氣象站有國家監測站成都站，區域自動氣象站青羊區光華村西、金牛區稅務局、成華區二仙橋等四個氣象站。由于歷史原因，國家監測站成都站2004年遷至溫江，國家監測站成都站分鐘降水量資料有自1971年至2003年共33年的詳細記錄，而區域自動氣象站及溫江氣象站降雨數據記錄自2005年以來開始使用。截至暴雨強度公式修訂工作啟動時（2015年），青羊區光華村西、金牛區稅務局、成華區二仙橋及溫江氣象站連續降雨記錄資料才有十年，樣本的代表性不足，而國家監測站成都站又缺少近十年的降雨記錄，因此對暴雨樣本系列的選取帶來一定困難。現以國家監測站成都站暴雨樣本為基礎，通過對續接站點的合理性論證分析，選擇出了成都市中心城區暴雨強度公式修編的最優暴雨樣本系列，對類似情況的暴雨樣本選取具有一定的借鑒意義。成都市已于2015年完成中心城區暴雨強度公式的修訂工作，目前已發布并較好地用于指導成都市中心城區排水設施的建設。

1 數據來源

1.1 研究區概況

成都市地處四川盆地西部，青藏高原東緣，地理位置介于東經102°54′～104°53′、北緯30°05′～31°26′之間。全市土地面積為14 335 km2。地勢由西北向東南傾斜，西部屬于四川盆地邊緣地區，東部屬于四川盆地盆底平原。成都屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16℃，年降雨量1 000 mm 左右，成都的雨水集中在7、8 兩個月，冬春兩季干旱少雨，極少冰雪。

1.2 數據來源

該項研究所有所涉及的降雨量數據均來自氣象部門的觀測數據，均符合氣象觀測規范，具有足夠的可靠性。同一觀測站點的連續觀測資料均來自同一類型或同一條件，具有一致性和代表性；各個觀測站點均是相互獨立的，因此其觀測資料具有獨立性。具體的降水資料及年限見表1 所列。

表1 暴雨樣本氣象站點概況一覽表

因成都市中心城區國家氣象站2004年之后遷站至溫江，2005年之后的樣本資料選取只有從中心城區其余站點選取，為了研究續接站點的合理性，初步擬定以下4 個系列樣本，然后論證分析選擇最優的樣本系列（見表2）。

表2 暴雨樣本序列一覽表

按照相關要求[2]，暴雨公式編制的降雨歷時應采用5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min 共11 個歷時。選取降雨資料樣本中各降雨歷時雨量的逐年最大值，作為暴雨強度公式編制的有效暴雨資料樣本。采用逐分鐘滑動統計法，選取各降雨歷時雨量逐年最大值的降雨場次，記錄選定降雨場次過程開始時間及逐分鐘降雨量,作為各降雨歷時的有效降雨資料樣本。同一場次降雨過程中，同一種歷時降雨不可以交叉，不受日、月界的限制（但不跨年）。選取降雨資料樣本中各降雨歷時雨量的逐年最大值，作為暴雨強度公式編制的有效暴雨資料樣本。

2 研究方法

2.1 與周邊區域氣象站點的降雨特性相關性分析

由于相鄰區域地理氣候差異性不大，降雨具有空間的連續性和相似性，若周邊相鄰地區具有足夠的降雨監測數據，則可結合當地滿足規范要求的降雨資料，確定該地區定點定面的綜合關系，進行暴雨樣本的比選[12-13]。選取成都地區所有大監站（成都市中心城區周邊13 個區市縣）資料齊整的年總降水量與年1 小時暴雨個數作為樣本，以各系列樣本為代表的站點與成都市中心城區周邊區域內上述13 個氣象站點的年總降水量與年1 小時暴雨個數進行相關性分析，如果所選暴雨樣本系列和周邊降雨特性相似的站點樣本相關性較好，則該暴雨樣本具有較好的代表性。

樣本的簡單相關系數一般用r 表示，其中n 為樣本量，Xi和分別為兩個變量的觀測值和均值。r 描述的是兩個變量間線性相關強弱的程度。r 的取值在-1 與+1 之間，若r＞0，表明兩個變量是正相關，即一個變量的值越大，另一個變量的值也會越大；若r＜0，表明兩個變量是負相關，即一個變量的值越大另一個變量的值反而會越小。的絕對值越大表明相關性越強，要注意的是這里并不存在因果關系。r=0，表明兩個變量間不是線性相關。

2.2 與降水特性變化相似區域降雨統計的類比分析

根據成都地區降水空間特性和各站點降雨特征分析，成都市中心城區降水特性變化與都江堰氣象站為代表的片區降水特性變化有很大相似性。基于成都市中心城區暴雨樣本推導出的暴雨強度值的變化特性，應與利用都江堰氣象站樣本資料（暴雨資料年份為1971-2014年）推導出的暴雨強度值的變化特性相似。以國家監測站成都站暴雨樣本為基礎（1971-2003年份資料），分別續接成都市中心城區范圍內區域站（成華區二仙橋、金牛區稅務局、青羊區光華區）的樣本資料，運用理論頻率分布曲線進行調整后的暴雨強度值變化特性對比研究。如果續接區域站的暴雨強度計算值的變化特性與都江堰暴雨強度值的變化特性較接近，那么該區域站的代表性最好，推導出的暴雨強度公式最可信。

對城市暴雨樣本常使用三種理論分布曲線進行擬合調整，分別是皮爾遜Ⅲ（P-Ⅲ）型分布、指數分布和耿貝爾分布，各國家和地區采用的方法均不同[14]。根據相關資料及研究成果[15-16]，應用耿貝爾分布模型對暴雨樣本進行頻率分布曲線調整的精度更好。因此，采用耿貝爾分布曲線對暴雨樣本進行頻率調整。耿貝爾分布函數[15]為:

式中：x 為水文量；P（x＜xp）為耿貝爾分布的水文量小于xp概率；u、v 為為統計參數。

3 結果分析與討論

3.1 依據年總降水量與年1 小時暴雨個數進行優選研究

選取成都地區所有大監站資料齊整的年總降水量與年1 小時暴雨個數作為樣本，進行相關系數計算。

統計結果如圖1 所示，以各系列樣本為代表的站點與區域內其他站點年總降水量相關系數平均差值最小的是樣本系列3，平均差值為0.01，這說明樣本系列3 與各站的相關系數差值波動最小。

圖1 各樣本系列與成都年總降水量相關系數的差值圖（無量綱）

統計結果如圖2 所示，以各系列樣本為代表的站點與區域內其他站點成都年1 小時暴雨個數相關系數平均差值最小的是樣本系列3，平均差值為0.03，這說明樣本系列3 與各站的相關系數差值波動最小。

圖2 各樣本系列與成都年1 小時暴雨個數相關系數的差值圖（無量綱）

3.2 依據汛期24 小時降水進行優選研究

利用國家監測站成都站和溫江、青羊區光華村西、金牛區稅務局、成華區二仙橋三個氣象站汛期24小時降水資料分析，成都站和溫江站10年降水資料（1994-2003）進行比較，兩站降水序列相關系數為0.692；市區3 個站點與溫江站8年資料（2006-2013）進行比較，青羊區光華村西和溫江站降水序列相關系數0.560，金牛區稅務局和溫江站降水序列相關系數0.666，成華區二仙橋和溫江站降水序列相關系數0.58。從相關系數來看金牛區稅務局降水序列效果好于青羊區光華村西站點和成華區二仙橋站點；分析青羊區光華村西和金牛區稅務局兩降水序列相關系數為0.732，表明市區兩序列相關性較好，能代表市區降水真實情況，而溫江區站點由于距離市區距離較遠，相關性稍差。

進一步分析，假設成都站點降水與青羊區光華村西、金牛區稅務局和成華區二仙橋降水連續，續借1994-2003年和2006-2013年兩時段，比較與同時段的溫江降水序列相關。青羊區光華村西與溫江站相關系數為0.625 787，成華區二仙橋與溫江站相關系數為0.636 545，金牛區稅務局與溫江區相關系數為0.677 572。即金牛區稅務局與56 294 降水序列相關較高，與之前單獨的相關相近，因此我們認為用金牛區稅務局站點的數值代表成都后續年限的降水量是最優選擇。

3.3 與降水特性變化相似區域降雨統計的類比分析

根據續接區域站后的暴雨樣本推導的暴雨強度值與基于都江堰氣象站點暴雨樣本推求的暴雨強度值絕對量及相對量的變化形態研究（見圖3～圖6），可以發現，從絕對變化量來看，續接金牛區站點樣本資料推導出來的暴雨強度值變化曲線較接近（或平行）于都江堰樣本系列推導的暴雨強度值，且隨著重現期的增加，變化形態接近度越大；從相對變化量來看，變化形態與絕對變化量的變化形態一致，且續接金牛區站點樣本資料推導出來的暴雨強度值較接近都江堰樣本系列推導的暴雨強度值。因此可以判定，成都市國家氣象站樣本系列+金牛區稅務局區域站的樣本系列作為暴雨強度公式推導的暴雨樣本最優。

圖3 T=5年的暴雨強度值形態變化曲線圖

圖4 T=10年的暴雨強度值形態變化曲線圖

圖5 T=30年的暴雨強度值形態變化曲線圖

圖6 T=50年的暴雨強度值形態變化曲線圖

4 結論

（1）以各系列樣本為代表的站點與成都市中心城區周邊區域內13 個氣象站點的年總降水量與年1小時暴雨個數進行相關性分析表明，成都市國家氣象站+金牛區稅務局區域站為代表的降雨特性總體一致性較好。

（2）溫江站、青羊區光華村西和金牛區稅務局、成華區二仙橋三個站2005-2014年的汛期24 小時降水資料的相關性分析表明，金牛區稅務局降水序列效果好于青羊區光華村西站點和成華區二仙橋站點，能代表成都市中心城區降水特性。

（3）續接區域站后的暴雨樣本推導的暴雨強度值與基于都江堰氣象站點暴雨樣本推求的暴雨強度值絕對量及相對量的變化形態研究表明，續接金牛區站點樣本資料推導出來的暴雨強度值與都江堰樣本系列推導的暴雨強度值的形態變化總體一致。

（4）通過以上分析，均認為國家監測站成都站續接金牛區稅務局氣象站的暴雨樣本能較好的代表成都市區的降水規律，該暴雨樣本系列是成都市中心城區進行暴雨強度公式推求的最優暴雨樣本。