重庆暴雨面积估测技术应用

李　晶，陈贵川，王　欢，朱　岩

（重庆市气象台，重庆 401147）

暴雨是重庆市的主要气象灾害之一，同时引发山洪、地质灾害、城市内涝等衍生灾害，每年造成的人员伤亡、财产损失都是非常严重的。多年来不同研究者在暴雨的时空分布、成因分析、风险区划、影响评估等多个方面进行了大量研究分析[1-8]，研究者通常将气象站点的雨量资料作为暴雨研究的基础数据，由此计算分析出暴雨日数、暴雨站数、暴雨强度等。但是，从空间分布看，一场暴雨过程的雨量分布往往不均，气象站点的地理位置与疏密程度不同，仅仅用达到暴雨等级的站点数作为暴雨影响范围的依据实际上缺乏准确性和可比性，而通过对暴雨面积进行估测，则能更客观地反映一场暴雨的影响范围。下面以重庆气象自动观测站雨量数据为例，介绍格点化与面积估测方法，以及重庆暴雨面积估测系统，主要分析重庆市近10 a的暴雨面积变化趋势。期望对区域暴雨的界定、暴雨影响评估等业务以及气象服务方面具有更科学的指导意义。

1　格点化及面积估测方法

1.1　资料选取

重庆市现有国家气象自动观测站34个，2007年开始大量建设区域气象自动观测站，现有2066个（表1）。利用2007—2016年重庆市自动观测站的雨量数据，分别对每年中各次区域暴雨天气过程的暴雨面积进行估测，并分析研究近10 a的变化趋势。

表1　2007—2016年重庆市雨量自动站站数

在选取自动站雨量的日雨量数据时，采取了一定的质量控制，对明显的日雨量数据有误的站点进行了筛选，一些雨量站因仪器故障出现的奇异大值属于明显的数据误差，插值计算时忽略这些站点。

1.2　格点插值方法

在过往的研究中，常用于气象要素的空间插值方法有距离权重法、多项式插值法、克立格法、样条插值法等[9]。所有这些方法中，并不存在一种所谓的最佳插值方法[9]。距离权重反比法（IDW，Inverse Distance Weighting）是一种常用而简便的空间插值方法，它具有效率高、插值中所需存储空间小等特点，在气象要素的格点化中大量应用[9-14]。对降水而言，IDW估值精度较高，插值结果的平滑程度较小，更适合于日降水量的空间插值[11]。

距离权重反比法以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点近的样本赋予的权重越大[12]。具体公式如下：

式中，n为用于插值的雨量自动站数，Z为插值后的格点雨量值，Zi为第i个雨量自动站的实况雨量数据，Wi为第i个站点的权重系数[12]。以格点到自动站的距离反比作为权重系数。

具体编程计算时，对重庆市的格点范围取105.28～110.20°E、28.16～32.22°N，格点的格距为0.02°×0.02°，格点数为247×204，取与格点距离最近的5个自动站雨量数据进行插值，即n为5（图1）。

图1　插值站点选取示意图

由于2007—2016年重庆市每年的自动雨量站数量不同（表1），用距离权重反比法进行插值时，取与格点距离最近的5个自动站雨量数据进行插值，可减小因站点疏密程度而对插值造成的影响。

1.3　格点面积计算方法

插值后的格点雨量数据根据边界判断出重庆市边界以内的格点，通过计算达到暴雨量级的格点的总面积，从而估测出暴雨面积。对不同经纬度地区的格点面积的计算，采用地球椭球体梯形面积的计算方法[15]，具体公式如下：

式中，a为地球半径，e为地球偏心率，λ为经度，φ为纬度，T为格点面积。

为了验证该面积计算方法的适用性，利用重庆全市及各区县边界内的格点，用该公式计算出对应的面积，与全市及各区县的实际面积进行对比（表2），面积偏差比率范围在-2.551%～1.957%，而全市总面积的偏差较小，为-0.123%。

表2　重庆全市及各区县格点计算面积与实际面积的偏差比率

1.4　重庆暴雨面积估测系统

运用以上方法，基于VB建立了“重庆暴雨面积估测系统”，可计算出重庆全市及各区县的暴雨面积及比率，系统界面图略。

2　应用实例

利用“重庆暴雨面积估测系统”，对2016年重庆市“6.23”区域暴雨进行暴雨面积估测。此次过程的时间为2016年6月23日傍晚至24日夜间，分别对23日08时—24日08时、24日08时—25日08时的日雨量进行格点化，并估测出重庆全市及各区县的暴雨面积（表3）。累计两天的暴雨面积，此次暴雨过程的总暴雨面积达到了38 362.55 km2，暴雨面积比率达到了46.56%。

表3　2016年“6.23”暴雨重庆全市及各区县暴雨面积及比率/%

区县23日08时—24日08时　24日08时—25日08时暴雨面积/km2　面积比率　暴雨面积/km2　面积比率垫江　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　重庆市近10 a暴雨面积变化分析

运用建立的重庆暴雨面积估测系统，对重庆市近10 a，即2007—2016年的暴雨面积变化趋势进行研究分析。

3.1　区域暴雨天气过程的暴雨面积分析

2007—2016年重庆市共有80次区域暴雨天气过程，对各次过程的暴雨面积及面积比率进行估测，结果如表4。

表4　2007—2016年重庆市历次区域暴雨天气过程的暴雨面积及比率/%

暴雨个例暴雨面积/km2面积比率/%暴雨个例暴雨面积/km2面积比率/%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重庆市的区域暴雨天气过程中，2014年“9.17”区域暴雨的暴雨面积最大，暴雨面积比率高达51.43%，这与该场暴雨为2014年重庆市影响范围最大的暴雨的实际情况相吻合。此外，另有7次区域暴雨天气过程的暴雨面积比率超过了40%，10次区域暴雨天气过程的暴雨面积比率超过30%，23次区域暴雨天气过程的暴雨面积比率超过20%。

累计计算出2007—2016年重庆市历年的区域暴雨天气过程的累计暴雨面积，作出暴雨面积变化图（图2）。

图2　2007—2016年重庆历年区域暴雨过程累计暴雨面积变化

可以看出，2014年重庆市的区域暴雨天气过程累计暴雨面积最大，2016年次之，2008年最小。2014年重庆市出现了12次区域暴雨天气过程，是近10 a中次数最多的一年，“9·17”区域暴雨的暴雨面积比率高达51.43%，也是近10 a中暴雨面积最大的一次。2016年重庆市出现了8次区域暴雨天气过程，其中“6·23”、“6·30”的暴雨面积比率超过了40%。2008年重庆市仅出现了4次区域暴雨天气过程，是近10 a最少的，其累计暴雨面积也最小。从近10 a的总体趋势来看，重庆市区域暴雨过程的暴雨面积呈增大的趋势。

在2007—2016年这10 a中，由于每年的雨量站站点都在增加，尤其2011年开始建设山洪站以后，2013年的站点增加了1000余个。为了讨论雨量站数对暴雨面积估测的影响，对2014年的12次区域暴雨天气过程，固定使用2010年的925个雨量站进行暴雨面积估测，结果如表5。

表5　使用不同雨量站点估测的重庆市2014年12次区域暴雨天气过程的暴雨面积及比率/%

可以看出，12次区域暴雨天气过程，有3次估测出的暴雨面积略有减小，其余9次略有增大，偏差范围仅-0.76%～1.67%。重庆市2014年的雨量站较2010年增加了1000多个，然而雨量站的增加对暴雨面积的估测整体影响较小。

为讨论雨量站点的增加对年度累计区域暴雨天气过程的暴雨面积估测的影响，对2013—2016年使用2010年的雨量站点进行暴雨面积估测（图3）。可以看出，雨量站的增加，使2013、2014、2015年的年度区域暴雨过程累计暴雨面积略有增大，而2016年略有减小，但增大或减小的量很小，而对整体趋势并无改变。

图3　2007—2016年重庆历年区域暴雨过程累计暴雨面积变化

3.2　暴雨面积年变化特征

计算出2007—2016年重庆市历年的暴雨面积、大暴雨面积及特大暴雨面积，分别作出暴雨面积、大暴雨和特大暴雨面积、暴雨及以上雨量面积变化图（图4～6）。

图4　2007—2016年重庆市历年暴雨面积变化

图5　2007—2016年重庆市历年大暴雨和特大暴雨面积变化

图6　2007—2016年重庆市历年暴雨及以上雨量面积变化

可以看出，暴雨面积2014年最大，2016年次之，2007年居第三位；从近10 a的整体趋势来看，重庆市的年暴雨面积呈增大趋势。由于特大暴雨面积仅2007、2013、2014、2015年有，且量值小，所以将特大暴雨面积和大暴雨面积合在一起；如图5，最大值也是2014年，2016年次之；从近10 a的整体趋势来看，重庆市的年大暴雨面积和特大暴雨面积总值也是呈增大趋势。暴雨及以上雨量面积，及暴雨、大暴雨、特大暴雨的总面积，同样是2014年最大，2016年次之，2007年居第3位；从近10年的整体趋势来看，重庆市的年暴雨及以上雨量面积也是呈增大趋势。此外也能看出，通过对重庆暴雨面积估测的分析研究，能正确反映出2014年重庆市暴雨严重[16]这一事实。

3.3　与年降水量、暴雨日数的趋势比较

为了讨论估测的暴雨面积的趋势与近10 a降雨及暴雨情况的趋势比较，作出2007—2016年重庆市的年降水量与暴雨日数的历年变化图（图7、8）。

图7　2007—2016年重庆市年降水量历年变化

图8　2007—2016年重庆市暴雨日数历年变化

可以看出，2007—2016年重庆市的年降水量，2014年最大，2016年次之，2007年居第3位，且近10 a整体呈增多的趋势，这与暴雨面积（图5）、暴雨及以上雨量面积（图6）的变化及趋势是完全一致的。暴雨日数2016年最多，2014年次之，2015年居第3位，近10 a整体呈增多的趋势；虽然暴雨日数的最大值不是2014年，但峰值区仍在2014—2016年，且变化趋势与暴雨面积、暴雨及以上雨量面积的趋势也是相同的。

通过以上应用分析，可以发现：暴雨面积估测相比暴雨站数统计能更合理地反映一场暴雨天气过程的影响范围，能更准确地判断一场降雨天气过程是否达到区域暴雨的标准。

4　结论与讨论

（1）应用距离权重反比法对重庆市的自动站雨量资料进行格点化处理，用地球椭球体梯形面积的计算方法计算出不同经纬度的格点面积，最后估测出重庆全市及各区县的暴雨面积，建立了重庆暴雨面积估测系统，实现了暴雨面积估测技术的业务应用。

（2）估测重庆市2007—2016年的历年暴雨面积表明，重庆市的暴雨面积2014年最大，2016年次之，近10 a总体呈增大趋势。其反映的变化趋势，与重庆市近10 a的年降水量及暴雨日数变化趋势一致，可以看出，将暴雨面积作为研究暴雨变化的一项指标具有一定的可靠性。由于自动站雨量资料的时序有限，估测的暴雨面积仅能反映近10 a的变化趋势，有待后续长时间序列资料的分析，以验证暴雨面积估测技术作为暴雨指标的可研性和适用性。

（3）将暴雨面积作为研究暴雨的一项指标，相比站点数统计能更合理地反映暴雨的影响范围。如果将暴雨面积与地区的人口、经济、农业等地理信息数据相结合，相信可以得出更有指导意义的暴雨影响评估、风险区划等量化的指标数据。