浙江省降水特征及其參數空間變化分析

黃志珍，樓峰青，丁伯良，呂耀光，許紅燕，吳珍梅

(浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009)

降水是水災害的重要致災因素之一，其中面雨量是重要的區域降雨強度特征指標，是防洪形勢分析和水文預報的重要因子之一。已有面雨量研究主要有3大類，第一類對不同面雨量推算方法進行結果比較及方法選優。如王增凱等[1]采用等值線、泰森多邊形、算術平均法；王漢東等[2]采用反距離加權、普通克里金、協同克里金3種空間插值算法；陳晨等[3]采用泰森多邊形和算術平均法；段瑋等[4]采用泰森多邊形法、反距離權重法、改進的謝別德法、最小曲面法、克里金插值法5種柵格化插值算法；王皓等[5]采用網格算術平均法和泰森多邊形法分別對招遠市、三峽區間、上海閔行區、瀾滄江上游流域和淮河流域面雨量進行了計算結果對比分析。第二類采用多種降水時空特征表征指標和時序性趨勢法對某一流域區域或行政區域面雨量進行時空分布特征和趨勢分析。如姚越等[6]利用降水發生率和貢獻率分析了貴州省不同歷時和等級降水條件下的時空變化規律，并用 Mann-Kendall非參數檢驗法(以下簡稱MK法)分析變化趨勢；張潔祥等[7]采用一元線性回歸、MK法和小波分析法分析了上海市年代際降水、年降水、汛期與非汛期降水變化以及降水周期變化和頻率特征；雷婧等[8]從時間分布、頻次分布及持續時間等方面對湖北省強降水特征進行了分析，并重點分析了局地短歷時強降水時空分布特征；楊春等[9]從降水比率、強降水頻次、極大強降水及極端強降水閾值等方面分析了重慶地區降水時空分布特征；張文朝等[10-11]采用氣候傾向率、小波分析、MK法分析了山東地區降水分布時間變化特征和 “一帶一路”西亞主體水資源區降水時空變化及其空間均衡特征；董滿宇等[12]運用MK法、R/S法分析了太湖流域不同等級降水時空變化特征及其對年降水影響；寧學鵬[13]利用樣條函數空間插值、滑動平均、距平趨勢及MK法分析了石羊河流域雨季逐月平均降水量時空分布及趨勢變化特征；徐東坡等[14]采用MK法、Pettitt突變分析和小波分析法分析了全國及分區域降水量演變特征及相應時空分布規律；鄒磊等[15]采用創新趨勢分析法、MK法和Pettiti突變檢驗法分析了海河流域不同量級降水量時空演變特征；李鴻雁等[16]選取降水量、降水日數和降水強度等指標，采用MK法和線性回歸法分析了嫩江流域降水時空變化特征；王珂等[17]采用趨勢性檢驗等方法分析了青藏高原羌塘內流區降水時空分布特征；高冰等[18]采用線性回歸法進行趨勢檢驗，分析了鄱陽湖流域極端降水時空變化特征；榮艷淑等[19]分析了淮河流域極端日降水量、極端最大過程降水量和最大持續降水日數3個極端降水指標的時空變化特征；任國玉等[20]采用平均年降水量距平百分率分析了海河流域1956年、1880年和1736年以來降水量變化的主要特征。與前兩類分析實際面雨量不同，第三類是分析設計面雨量，主要用于工程設計領域，當缺乏實測資料時，采用短歷時暴雨“時面深”(時段-面積-深度)法，由點雨量推求面雨量，進而推求設計洪水[21]。如郭金燕等[22-27]采用“時面深”法分別對北京、山東、浙江、山西等省(市)和宿州、淮北、黃山等市暴雨定點定面關系進行了分析，研究成果為防洪排澇、工程設計和規劃提供了重要的科學依據。這些成果距今已近20年，部分地區由于氣候變化引起的降雨特征已發生較大改變，原先構建的點面關系已發生了一定程度的變化，隨著降水量站點不斷加密、系列不斷加長，有必要基于目前豐富的降水數據對面雨量推算提出一種新方法，作為“時面深”法的補充。

本文針對水災害防御需求，從歷史長系列降水數據概率分布及其空間變化的角度，分析流域區域和縣級行政區域(以下簡稱縣區)兩種尺度不同時段和頻率的面雨量及其統計參數在不同雨區、地形區分布特征和空間變化，建立各流域區域和縣區時段-頻率-面積-深度(duration-frequency-area-depth，DFAD)關系。

1 研究區概況

浙江省位于長三角南翼，陸域面積10.56萬 km2，地形為“七山一水二分田”。浙江的山脈屬嶺南山系，分北、中、南3支進入浙江，這些山脈構成浙江地貌的基本骨架，且多為省內各江河的發源地。天目山脈是長江和錢塘江水系的分水嶺；仙霞嶺山脈是錢塘江與甌江分水嶺；向東北伸展的天臺山脈是椒江、曹娥江及甬江分水嶺；南雁蕩山脈是甌江與飛云江分水嶺；括蒼山脈是甌江與椒江分水嶺。

浙江省面臨大海，水汽來源豐富，屬于典型的亞熱帶季風氣候，降水豐沛，產水量大，多年平均降水量為1 603.8 mm，為全國降水量較多的地區。浙江省降水時空分布不均，降水量地區差異顯著，各降水量站多年平均降水量在1 100～2 400 mm間，多年平均降水量最多站點是最少站點的2.38倍；降水量自西向東、自南向北遞減，山區大于平原，沿海山地大于內陸盆地，主要暴雨區分布在浙江東部的會稽山、四明山、大盤山、天臺山、括蒼山、北雁蕩山、南雁蕩山和浙江西部的天目山等地；降水受季風進退、臺風活動的影響，年內分配很不均勻，主要集中在4—9月的梅汛期和臺汛期，降水量占全年的65%，易發生洪澇、洪潮災害；降水量年際變化較大，有連續豐水年、枯水年，豐、平、枯交替發生，各降水量站歷年最大降水量與最小降水量的比值為1.59～3.38，平均為2.23。

按降水成因大致可將全省分為梅雨主控區、臺風雨主控區和梅雨臺風雨兼容區3大雨區。梅雨主控區主要包括苕溪(含長興平原)、錢塘江中上游、甌江中上游麗水以上地區，降水年內分配呈單峰型，雨峰出現在3—6月或4—7月。臺風雨主控區主要包括甬江、曹娥江下游、椒江中下游、甌江下游及飛云江、鰲江一帶，降水年內分配呈雙峰型，雨峰分別出現在3—6月和8—9月。梅雨臺風雨兼容區主要包括錢塘江下游、椒江上游、甌江中游麗水以下地區，降水年內分配呈雙峰型，雨峰分別出現在3—6月和8—9月。

浙江省獨特的地形地貌形成發達的水系、眾多的河湖，主要有錢塘江、甌江、椒江、苕溪、甬江、飛云江、鰲江和運河(杭嘉湖東部平原)八大水系[28]，集水面積均在1 000 km2以上，其中錢塘江為浙江“母親河”。八大水系中，除苕溪及長興平原流入太湖，其余均流入東海。浙江山溪性河流多呈羽狀分布，源短、坡陡、流急，下游感潮，遇大暴雨時，山溪性河流的洪峰流量極大，其洪峰模數在全國屬高值區。平原河網主要分布于杭嘉湖、蕭紹甬及溫臺等地。

浙江省洪澇臺災害主要呈現4大特點：暴雨強度大，災害嚴重；旱澇急轉近年多發，災害防御難度大；局地降雨頻發，小流域山洪災害損失大；城鄉一體化進程快，流域內硬化面積比例大，大中城市及中小城鎮內澇損失嚴重。

2 研究方法

2.1 對象選取及數據來源

研究區域包含流域區域和縣區，以每個區域所含降水量站作為計算依據站點集。流域區域選取山區流域、平原不同地形條件共48個重要區域作為研究對象，其中，山區流域區域包含干支流上中下游重要控制斷面以上各區域；縣區選取全省82個區域(部分合并)作為研究對象。流域區域面積大、站點多，以系列較長的322個省級報汛站作為計算依據站；縣區多數面積較小，涵蓋省級報汛站少，故采用資料系列較長、分布密度更高的600余個國家基本降水量站(含省級報汛站)作為計算依據站。資料均選自《中華人民共和國水文年鑒》，實測資料大多60年以上，系列長，涵蓋豐、平、枯水年，具有較好的可靠性、代表性和一致性。

2.2 時段及頻率選取

浙江省主要降水類型為梅雨和臺風雨，臺風雨時間短、強度大，梅雨強度相對較小，但持續時間長，因此降水頻率分析時段須根據防汛所關注的降水對研究區影響的時間跨度進行選擇，流域區域選取1 d、3 d、5 d、7 d和15 d，縣區選取1 d、3 d、7 d和15 d；頻率選取較常用的1%、2%、5%、10%、20%和50%。

2.3 分析方法

因防汛時需同時關注流域區域和縣區水雨情，本文從流域區域和縣區兩種尺度進行分析。

a.面雨量計算。采用年最大值法取樣，得出各區域歷年不同時段最大面雨量，組成數據系列，即用算術平均和滑動統計法得出各區域最大1 d、3 d、5 d、7 d和15 d面雨量系列，然后采用P-Ⅲ型頻率曲線適線，得出各區域不同時段和頻率的面雨量，并將結果與相關規劃設計值和《浙江省短歷時暴雨》(以下稱暴雨圖集)相關結果進行對比，驗證結果的合理性。

b.降水特征和統計參數空間變化分析。分別從流域區域和縣區兩種尺度分析各區域不同時段和頻率面雨量及其統計參數——變差系數Cv和偏態系數Cs的空間分布特征，在此基礎上，建立各流域區域和縣區面雨量的DFAD關系。

DFAD法運用于流域區域尺度時，將同一干流或支流從上游至下游各斷面以上區域不同時段和頻率的面雨量與集水面積點繪于圖中，防汛應急分析時可根據DFAD關系由已知區域面雨量推斷未知區域面雨量或重現期。若已知兩控制斷面間任一區間的集水面積，可推求相應區域不同時段和頻率的面雨量；若已知某一斷面以上區域的集水面積及某時段實時面雨量，可快速判斷其相應頻率或頻率區間，預估可能發生的水雨情和災情嚴重程度。DFAD法運用于縣區尺度時，基于DFAD關系和ArcGIS技術，構建全省縣區各時段面雨量等值面分布圖，直觀地展現各縣區不同時段和頻率面雨量和參數的空間分布，可預報一定時段類似重現期暴雨的空間分布情況(高值區、低值區空間變化趨勢)，為分析和預報暴雨可能影響范圍及致災嚴重程度并采取適度防災救災措施提供科學依據。該方法有望為防汛提供較為有效、便捷的汛情預判手段，支撐調度決策。

3 結果與分析

3.1 流域區域面雨量特征及其統計參數空間變化

3.1.1面雨量計算

對48個重要流域區域不同時段面雨量作頻率適線和統計參數空間協調分析，得出各流域區域不同時段和頻率面雨量結果。表1為梅雨臺風雨兼容區的運河流域區域不同頻率面雨量和統計參數計算結果。

表1 運河流域區域面雨量和統計參數計算結果

流域區域面雨量分析中，Cv、Cs取值有以下特點：隨時段從1 d增長至15 d，Cv逐漸減小或相同；為遵循浙江省地區規律和工程設計值分布規律，且適線方便，根據經驗，Cs一般取Cv的倍數(為0.5的若干倍)。基于各流域區域不同時段和頻率的面雨量統計參數空間協調性分析，確定除甌江流域上顯灘以上區域Cs值取3.5Cv外，其他流域區域的Cs值均取4.0Cv。

將流域區域面雨量分析結果與流域綜合規劃、防洪規劃、排澇工程規劃設計值以及暴雨圖集相關結果進行比較，一致性較好，故流域區域不同時段和頻率的面雨量計算結果總體較合理。

3.1.2面雨量特征及其統計參數空間變化分析

表2為流域區域不同時段面雨量統計參數按不同雨區分析的結果。從表2可以看出，流域區域臺風雨主控區和梅雨臺風雨兼容區各時段面雨量的Cv平均值，即面雨量的平均相對離散程度，總體比梅雨主控區大。Cv主要表征降雨的年際變化，而這又與降雨籠罩面積和空間分布均勻性的年際間變化有關。相對于臺風雨而言，梅雨往往空間覆蓋面更廣，降雨空間分布更均勻，持續時間更長，年際變化更小；而臺風雨影響范圍主要受臺風活動路徑及風圈規模、活動方式影響，一般降雨影響范圍較集中，空間分布不均勻，持續時間較短，年際間變化較大，因此，梅雨主控區Cv相對較小，其余兩個區較大。

表2 流域區域不同雨區面雨量統計參數變化范圍

利用DFAD法對不同時段和頻率的面雨量及其統計參數按山區流域、平原不同地形區進行空間變化分析，其中，山區流域區域以控制斷面較多的錢塘江流域為例，平原區域以典型平原為例，結果(以時段為1 d不同頻率的面雨量為例) 如圖1所示，圖1(a)橫軸用開化、常山、衢州、洋港、蘭溪、富春江電站和閘口7個錢塘江干流斷面代表相應斷面以上區域；圖1(b)橫軸表示典型平原。由圖1(a)可知，山區流域一方面受暴雨中心分布和兩側山脈等自然地理條件影響，面雨量及其參數高值區分布在新安江水庫和湖南鎮水庫大壩以上區域，低值區在金華以上區域。其中，高值區新安江水庫地處浙江北支的白際山脈和千里崗山脈之間，湖南鎮水庫地處浙江中支的仙霞嶺山脈處，因此，高值區分布與其地勢有密切關系。另一方面，對同一干流或支流，從上游至下游隨著集水面積空間尺度逐漸增大，地勢逐漸低平，面雨量離散程度逐漸坦化，因此，同一時段各頻率各區域面雨量從上游至下游逐漸減小，與集水面積呈負相關關系；相應面雨量的Cv值總體與集水面積呈負相關關系，僅錢塘江干流蘭溪以上區域Cv值(0.51)稍大于洋港以上區域Cv值(0.50)。洋港以上區域僅涵蓋衢江大部，而蘭溪以上區域除包含干流衢江區域外，還涵蓋另一大支流金華江區域，因此，洋港—蘭溪間大面積區間入流一定程度加大了蘭溪以上區域面雨量的相對離散程度。由圖1(b)可知，平原區域因受山脈和暴雨中心分布影響，降水量高值區分布在雁蕩山以東、臺風雨主控的瑞平平原；受臺風雨、南部會稽山和龍門山山脈分布及瀕臨杭州灣等因素的影響，Cv高值區分布在臺風雨主控的蕭紹平原；從北部梅雨主控的長興平原到梅雨臺風雨兼容的杭嘉湖東部平原，再到東部、東南部臺風雨主控的蕭紹、溫黃、溫瑞、瑞平平原，面雨量呈逐漸上升趨勢。因此平原區域面雨量和Cv空間分布主要與主控雨型分布有關。

圖1 錢塘江干流區域和典型平原時段為1 d不同頻率的面雨量及Cv分布

根據面雨量參數空間分布及影響因子，采用DFAD法分析各流域區域DFAD關系，以錢塘江干流為例，分析自上游至下游7個斷面以上區域時段為1 d不同頻率的面雨量與集水面積的關系，結果如圖2所示。從圖2可看出，時段為1 d的面雨量和集水面積呈負相關關系，尤其是上游河段(開化—衢州)面雨量下降趨勢較為明顯，下游河段(洋港—閘口)面雨量下降趨勢減緩，其他時段有類似的規律。

圖2 錢塘江干流不同斷面以上區域時段為1 d不同頻率的面雨量與集水面積的關系

3.2 縣區面雨量特征及其統計參數空間變化

3.2.1面雨量計算

對82個縣區不同時段面雨量作頻率適線和統計參數空間協調分析，得出各縣區不同時段和頻率面雨量計算結果，見表3(以杭州主城區為例)。

表3 杭州主城區面雨量和統計參數計算結果

縣區面雨量分析中，參數Cv、Cs取值主要遵循以下規律：隨著時段從1 d增長至15 d，Cv逐漸減小或相同；Cs一般取Cv的倍數，全省范圍取3.0Cv、3.5Cv或4.0Cv，其中，取4.0Cv的縣區占縣區總數的70%。

將縣區不同頻率面雨量分析結果與暴雨圖集中相關結果、規劃中鄰近流域區域和重要大中型水庫面雨量設計值和前述流域區域面雨量計算值相比較可知，縣區各時段和頻率的面雨量空間分布與相應時段點雨量經點面關系轉換后得到的面雨量空間分布趨勢基本吻合，且與流域區域面雨量及其統計參數空間分布趨勢相符。

3.2.2面雨量特征及其統計參數空間變化分析

各縣區不同時段面雨量統計參數按不同雨區的分析結果如表4所示，其變化情況與流域區域相同，梅雨臺風雨兼容區和臺風雨主控區各時段面雨量的Cv平均值比梅雨主控區大。

表4 縣區不同雨區面雨量統計參數變化范圍

利用DFAD法對全省各縣區面雨量特征進行分析。各縣區相互獨立、面積無套合關系。為更好地反映縣區面雨量空間分布，采用ArcGIS技術制作縣區不同時段和頻率的面雨量等值面圖，利用DFAD關系對面雨量空間變化進行分析，以時段分別為1 d和3 d 、頻率為1%的面雨量為例，結果如圖3所示(嵊泗及一些小海島未顯示)。

從圖3可看出全省各縣區面雨量共分4個等級。時段為1 d、頻率為1%的面雨量在450 mm以上(一級)和350～450 mm(二級)的區域主要分布在臺風雨主控的沿海縣區，從南至北涉及溫州、臺州和寧波部分縣區，主要位于雁蕩山、括蒼山、天臺山、四明山附近，Cv值分別為0.57～0.72和0.49～0.73，相對較高；面雨量為250～350 mm(三級)的區域在3種雨區均有分布，主要集中在面雨量一、二級分布區域西側和浙江北部，位于洞宮山、會稽山、龍門山、天目山附近，從南到北涉及麗水、臺州、金華、紹興、寧波、杭州、湖州、嘉興、舟山的部分縣區；面雨量為170～250 mm(四級)的區域主要集中在浙江西部和中部，屬梅雨主控和梅雨臺風雨兼容區，涉及麗水、衢州、金華、紹興、杭州、寧波、湖州、舟山的部分縣區，Cv值為0.36～0.57，相對較低。因此，時段為1 d、頻率為1%的面雨量與Cv的空間分布呈現高值區集中在臺風雨主控區，且從東部沿海臺風雨主控區到梅雨臺風雨兼容區、北部梅雨主控區再到西部內陸梅雨主控區逐漸遞減的規律。時段為3 d、頻率為1%的面雨量與Cv空間分布呈現出臺風雨主控區最高，北部、西部和南部梅雨主控區次之，中部梅雨臺風雨兼容區最小的分布規律。因臺風雨主控區最鄰近東海、位于幾大山脈所處的暴雨區，降水年內分配呈雙峰型且降水變率大，因此，不同時段和頻率的面雨量和Cv的空間分布均呈現臺風雨主控區最高，其余降雨主控區次之的空間分布規律。由此可知，各縣區不同時段和頻率的面雨量及Cv的空間分布主要受主控雨型時空分布、下墊面山脈地形分布、距離東海遠近等因素的綜合影響。

(a)時段1 d

4 結 論

a.面雨量及其統計參數計算結果與相關規劃設計值、暴雨圖集相關結果一致性較好，流域區域和縣區面雨量計算結果空間分布趨勢相符，驗證了結果的合理性。

b.在流域區域中，梅雨臺風雨兼容區和臺風雨主控區各時段面雨量的Cv平均值大于梅雨主控區。對于山區流域區域，在同一干流或支流上，相同時段和頻率各區域的面雨量及其Cv值與集水面積呈負相關關系；對于平原區域，面雨量從北部梅雨主控區、梅雨臺風雨兼容區到東部、東南部臺風雨主控區呈逐漸上升的趨勢，而Cv高值區分布在臺風雨主控的蕭紹平原。山區流域區域面雨量及其Cv高值區分布與地勢有密切關系，平原區域面雨量及其Cv空間分布主要與主控雨型分布有關。

c.各縣區各時段面雨量的Cv平均值隨雨區的空間變化與流域區域相同，縣區不同時段和頻率的面雨量及其Cv空間分布均為臺風雨主控區最高，梅雨主控區和梅雨臺風雨兼容區次之，其空間分布主要受主控雨型時空分布、下墊面山脈地形分布、與東海距離遠近等因素綜合影響。

d.通過建立各流域區域和縣區DFAD關系，防汛時可由已知流域區域面雨量快速預報其他流域區域面雨量或重現期，預報一定時段類似重現期暴雨在縣區尺度上的可能分布情況。