云南省红河下游暴雨特征分析：以河口县为例

马俊明，齐 实，程柏涵，梁 斌，郭虎波，陈建辉

(北京林业大学，水土保持学院，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083，北京)

暴雨是在大气环流、水汽输送、不稳定层结和上升运动、地形作用等方面的因素共同作用下形成的[1]，是我国常见的气象灾害之一[2]。云南省是我国暴雨多发的省份之一，由暴雨引起的洪水及引发的滑坡泥石流等山地灾害，给人民的生命财产带来巨大的威胁[3-4]，如受2016年第4号“妮妲”台风影响，河口县瑶山乡自8月2日至8月3日，共有2 497人受灾，农作物受灾面积836 hm2亩，直接经济损失高达5 608.94万元。

由于全球变暖，地表蒸发和水循环加快，造成部分地区降水增加[5-6]，同时IPCC SREX和IPCC AR5报告指出全球强降雨事件显著增加，预计随着全球变暖，增加趋势会随之加剧[7-8]，且研究表明极端强降水事件显著增加区域多于显著减少的区域[9]。鲍名等[10]指出我国是夏季暴雨的多发区，暴雨具有明显的年际变化且不同地区存在差异性。史培军等[11]认为我国年际暴雨雨量、时间及降雨强度呈增加趋势。林建等[12]在研究近30年(1981—2010年)我国暴雨时空特征中指出进入21世纪之后我国南方暴雨时间存在增加趋势。

目前，针对云南暴雨特征的研究主要集中在暴雨空间分布、暴雨次数以及变化趋势等方面。李家垣等[13]基于云南10年(1970—1979年)的降雨资料，指出云南暴雨存在季节性和地域性，暴雨极值和暴雨次数均呈现南多北少。周鹏康等[14]基于云南30年(1981—2010年)的降雨资料也得出类似的结论，同时指出进入21世纪，云南暴雨次数呈现明显的增加趋势，且以一般暴雨(日雨量50～99.9 mm)为主。彭贵芳等[15]、程建刚等[16]、田永丽等[17]研究云南暴雨变化趋势，指出云南暴雨时间呈现增加趋势，且由于地形的复杂性，暴雨多为局部暴雨且表现出地域差异性。因此研究小范围的局部暴雨特征对预防暴雨引起的灾害具有十分重要的现实意义。

云南省红河下游地处低纬度，海拔低，是暴雨多发区域；河口县地处红河下游，是云南6大暴雨中心之一，平均每年有2～5次暴雨过程，云南24 h历史暴雨最大值为1983年7月31日—8月l日在河口达到的253.3 mm[18-19]。笔者以河口县为例，基于河口县近年来177场暴雨数，采用K-均值聚类方法划分河口县暴雨雨型，并分析不同暴雨雨型降雨强度、历时和雨量分布规律，结合暴雨预警，提出该地区开展暴雨预防的建议。

1 研究区概况

河口县位于红河哈尼族彝族自治州东南端，位于E 103°23′～104°17′，N 22°30′～23°02′之间(图1)。河口县总面积1 332 km2，山区占河口县总面积的97.76%，河谷平坝面积占2.24%，地势呈阶梯状，北高南低，渐向东南倾斜，以县城河口镇为中心，沿红河、南溪河向东北、西北方向作扇形扩散(图2)。属热带季风雨林温热型气候，年平均气温22 ℃，年平均降雨量1 765.7 mm，降雨长达182 d，雨季(5—10月)降雨量占全年降雨量的82%，是全省暴雨强度最大(日降雨量≥100 mm的天数)的地区，大雨天气过程多年平均达20次之多[20]。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study area

图2 河口县高程图Fig.2 Elevation map of Hekou county

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

我国气象上一般规定：暴雨指每h降雨量16 mm以上，或连续12 h降雨量30 mm以上，或连续24 h降雨量50 mm以上的降水[21]，不同暴雨类型表示如表1。进入21世纪以来，极端天气呈现增加趋势，暴雨也多呈现增加趋势[14]，为了研究21世纪以来河口县暴雨特征，笔者选取2004—2014年作为研究时间系列。研究数据来源于河口县国家一般气象站，降雨量由自记式雨量计记录，精度为0.1 mm，降雨记录1 d时间为20:00—20:00。基于上述暴雨的定义，处理得到177场暴雨数据，即为笔者研究数据。我国暴雨预警信号分4级，分别以蓝色(广东省除外)、黄色、橙色、红色表示[22]，各等级暴雨标准如表2所示。

表1 暴雨类型Tab.1 Rainstorm type

表2 暴雨预警等级Tab.2 Rainstorm warning level

2.2 暴雨雨型划分

雨型划分有多种方法，常见的有根据降雨资料进行模糊统计的7种雨型划分法；根据强度—历时—频率关系得到一种不均匀的设计雨型，即芝加哥雨型[23]; Huff根据最大雨强发生在历时具体时间段的4种雨型划分法[24]。岑国平等[25]研究表明芝加哥雨型效果较好，一般能满足精度要求，且参数较少，建议采用此雨型作为设计雨型; 但研究同时指出芝加哥雨型雨峰过于尖瘦，与实际不相符合。D. Dunkerley[26]研究表明瞬时降雨强度不断变化的降雨过程与降雨强度不变的降雨过程相比，径流系数和洪峰流量都显著增加；因此，为了更好地反映暴雨实际过程，为后期径流和洪峰流量计算提供参考依据，笔者采用K-均值聚类的方法进行暴雨雨型划分[27]。

1)量纲变换，获取聚类指标。先求出每场降雨的总降雨历时(T)、总降雨量(P)、累积降雨历时(t=1，2，…，T)和累积降雨量(Pt)。将累积降雨历时除以总历时进行量纲处理并作为横坐标，累积降雨量除以总降雨量进行量纲处理并作为纵坐标，得到降雨过程的量纲累积降雨曲线。将量纲累积降雨历时0～1之间每隔0.05等分为21个部分，起点和终点分别取0.01和0.99，即0.01，0.05，0.10，0.15，…，0.85，0.90，0.95，0.99，得到21个对应的雨量累积占比，作为聚类指标。因笔者所采用的数据为逐小时降雨，故对累积降雨量和累积历时归一化后，采用线性内差的方法获取对应21点的雨量累积比例，利用SPSS软件进行聚类。内插公式如下：

(1)

式中：(x1，y1)(x2，y2)为归一化之后的已知点，(x0，y0)为待求点。其中x0、x1和x2为归一化后降雨历时，y0、y1和y2为归一化后累积降雨量。

2)确定分类个数(k)。笔者采用聚类方差和误差等作为判断的依据，根据多次聚类的结果，以k=10时，聚类方差和误差较小，因此确定聚类个数为10个。

3)绘制关系曲线。将属于相同雨型的降雨过程对应的累积降雨量按照21个累积降雨历时点分别进行平均，每类雨型概化出一条雨型曲线，得到暴雨雨量随历时的变化关系。

3 结果与分析

3.1 暴雨特征

对河口县177场暴雨发生的月份进行统计，结果如表3所示。可以看出河口县暴雨主要集中在4—9月之间，有164次，占总暴雨次数的93%，10月到次年3月之间暴雨很少，有13次，占总暴雨次数的7%，1月份没有暴雨发生。从暴雨类型来看，在5—9月和12月，暴雨以P24为主，4和10月以P12为主，2—3月和11月则以P1为主。根据表3结果，对各月暴雨量统计，结果如表4所示。可以看出河口县暴雨量主要集中在5—9月之间，占全年暴雨量的89%，且暴雨量以P24为主，占总量的71%。从年内暴雨次数和暴雨量分布可以看出，河口县暴雨具有明显的季节性。

表3 河口县暴雨次数年内分布Tab.3 Distribution of rainstorms count in Hekou county

表4 河口县暴雨量年内分布Tab.4 Distribution of rainstorms amount in Hekou county

对河口县177场暴雨发生的年份进行统计，结果如表5所示。从暴雨类型来看，河口县暴雨次数P24占主要部分，P12次之，P1最少，其中P24占暴雨总次数的50%左右，平均每年发生7.9次。

3.2 暴雨雨型划分及特征

根据聚类结果，河口县暴雨雨型可以归为Ⅰ(前期降雨)型(1、4、7、10)、Ⅱ(中期降雨)型(8、9)、Ⅲ(后期降雨)型(2、3、6)、Ⅳ(均匀降雨)型(5)4类，各雨型雨量—历时曲线如图3。

表5 河口县暴雨次数(2004—2014)Tab.5 Number of rainstorm in the Hekou county (2004-2014)

3.2.1 不同雨型的暴雨次数 根据聚类结果，对不同类型暴雨次数统计，结果如表6所示。可以看出河口县暴雨主要为Ⅰ前期降雨型，占总暴雨次数的59%，Ⅱ中期降雨型、Ⅲ后期降雨型、Ⅳ均匀降雨型三者所占比例相近，分别占总次数的17%、11%、13%。

表6 不同雨型暴雨次数Tab.6 Different type rainstorm counts

3.2.2 不同雨型的暴雨雨量分布 从暴雨量分布上来看，由图3可以看到Ⅰ型暴雨80%暴雨量在前0.4累积降雨历时内，Ⅱ型暴雨在0.3～0.6累积降雨历时期间暴雨量约占总暴雨量的65%，Ⅲ型暴雨近90%的暴雨量在0.5累积降雨历时之后产生，Ⅳ型暴雨量则是均匀的分布在整个降雨历时。

图3 暴雨雨型划分Fig.3 Rainstorm type division

3.2.3 不同雨型暴雨的历时 不同雨型暴雨的降雨历时如表7所示。可以看出4种类型的暴雨历时主要分布在4～18 h之间，占总暴雨次数的88%，其中历时7～12 h的暴雨次数占总暴雨次数的1/2左右。

表7 不同暴雨雨型降雨历时分布Tab.7 Duration distribution of different rainstorm types

图4 不同暴雨雨型降雨强度的分布Fig.4 Distribution of rain intensity of different rainstorm types

3.2.4 不同雨型暴雨的降雨强度 不同暴雨雨型降雨强度分布如图4所示，其中降雨强度是归一化处理后暴雨量和历时的比值。可知不同雨型暴雨平均降雨强度较高值出现的时间不同：Ⅰ型暴雨在前0.4累计降雨历时，在此期间暴雨维持在较大降雨强度且相差不大；Ⅱ型暴雨在0.3～0.6累积降雨历时，在此期间暴雨降雨强度先增加后降低，在0.5累积降雨历时达到最大降雨强度；Ⅲ型暴雨在0.65累积降雨历时之后并维持到暴雨结束，存在2个先增加后降低的变化，在0.8累积降雨历时达到最大降雨强度；Ⅳ型暴雨在整个降雨过程中降雨强度没有明显较大的降雨强度，基本在量纲降雨强度1的上下浮动。

3.3 暴雨灾害预警

暴雨预警是进行暴雨灾害预防的最主要的措施之一和编制暴雨灾害预案的依据。根据表2暴雨预警等级划分，得出河口县4种暴雨雨型的预警分布(表8)。由表8可知：河口县预警总场次约占暴雨总场次的45%；从预警等级来看，橙色预警最多，约占预警总场次的42%；黄色预警次之，约占预警总场次的32%；红色预警最少，约占预警总场次的6%。总体上，河口县暴雨危险性较高，应该加强对暴雨灾害的防范；从暴雨雨型来看，暴雨预警以Ⅰ型暴雨为主，占预警总场次的71%， Ⅲ型暴雨最少，占预警总场次的4%。其中Ⅰ型暴雨预警以橙色预警为主，占预警总场次的50%左右，且存在4次红色预警，由于该型暴雨主要发生在夜间，灾害防范难度较大，应该引起足够的重视；从暴雨年内分布来看(表9)，暴雨预警主要集中在5—9月份，其中暴雨蓝色、黄色以及橙色预警各月相对比较均匀，暴雨红色预警主要集中在盛夏8月和9月。

表8 暴雨预警等级分布Tab.8 Rainstorm warning level distribution

4 结论与讨论

1)河口县暴雨呈现明显的季节性特征，其暴雨主要发生在4—9月份，有164次，占总暴雨次数的93%，暴雨类型以P24为主。相比全省暴雨多发时间(5—10月)而言，由于河口县地处滇南暴雨活动中心，受孟加拉湾风暴和冷空气的影响，河口县暴雨有所提前[28]而10月份暴雨多发生在滇中及以北的区域。

2)河口县暴雨可分为前期降雨(Ⅰ)型、中期降雨(Ⅱ)型、后期降雨(Ⅲ)型、均匀降雨(Ⅳ)型4种雨型。其中以前期降雨型为主，占总暴雨次数的68.57%，多集中在6～8月，历时以7～12 h为主，80%暴雨量和平均降雨强度的较大值发生在前0.4累计降雨历时内，即大概4 h以内。从预防的角度上来看，前期降雨型降雨比较集中，短时间内降雨强度较大，容易引发灾害；因此，应该注意和加强对该暴雨的预防。同时前期降雨暴雨发生时间主要集中在夜间，预防的难度加大，因此，更应该引起高度重视。

3)河口县预警暴雨场次占总暴雨场次的45%，暴雨预警等级以橙色和黄色为主，分别占预警总场次的42%和32%，是灾害多发区域。其中红色预警主要发生在后期，可能会会引起山洪、泥石流等灾害，因此，应提前做好相应的防范和治理措施，减少灾害造成的损失。