区域暴雨强度等级综合评估研究—以长江中下游为例

梅平 张强 邹旭恺

(1 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京 210044;2 国家气候中心，北京 100081)

引 言

近年来，在全球气候变化的背景下，极端降水事件引发山洪、城市内涝，地质灾害频发，气象灾害的危险性增强[1]。我国气象灾害多发、频发，其中暴雨引发的灾害占比较大[2]。而暴雨过程通常呈区域性和持续性的特征，特别是长江中下游地区占极端区域性强降水事件的81%[3-6]。一般来说，区域暴雨过程强度越强，造成的危害越大，因此定量、客观地评估暴雨过程强度非常关键，也是防灾减灾重要的技术支撑。国内很多学者在极端降水阈值计算[7-8]、暴雨过程识别和暴雨灾害风险评估方面做了很多工作[9-14]。邹燕等[9]利用百分位法和相关系数法确定了4 个暴雨事件指标的等级和权重，构建了福建区域性暴雨过程的综合强度评估模型及其等级划分标准；王莉萍等[10]考虑了中国暴雨区域的时空特性，将其分为4个暴雨灾害敏感区域，基于降水影响定义降水过程，以3个评估指标指数划分为基础，建立降水过程综合强度等级划分评估模型；袁慧敏等[11]利用统计方法建立长江中下游沿江地区暴雨过程综合评估模型。上述研究在评估特定区域的暴雨过程等级时成果显著，但在区域暴雨过程的识别方法中，都是基于日降水量，采用单站或者几个站日降水量大于等于50 mm为暴雨日这一标准进行识别，忽略了以下情况：对于单站来说，若连续几日出现较强降水日，即使都没达到暴雨级别，但造成的危害可能比单日达到暴雨级别造成的危害更大。事实上，历史上重大暴雨过程多存在“区域性暴雨日”间歇现象。忽略上述情况会造成：(1)漏掉一些可能造成重大灾害的暴雨过程；(2)在识别暴雨过程的时候，需要设置特定条件来考察暴雨过程是否间断。吴正华等[15]提出相当暴雨日的概念，根据相关逐日降水资料，研究相当暴雨日数与总降水量及旱涝等级的相关性。因此，针对上述问题，借鉴LU,et al[16]提出的极端降水事件中降水持续时间和强度关系，考虑到降水过程的累积效应，提出降水衰减指数的概念，建立降水相当强度公式，并以此为标准识别区域暴雨过程和构建暴雨强度综合评估模型。所谓降水相当强度就是通过不断滑动降水日期，通过搜索最大的平均降水强度作为当日的降水强度。相比较于大部分文献所采用的降水平均强度[17]，该方法有如下优点：(1)不必考虑降水中断或者少雨的影响；(2)所考虑的降水持续时间不再是固定的一段时间。通过该方法可以找到最有可能致灾的暴雨持续时间和暴雨强度。

本文首先介绍相当强度的概念，基于相当强度识别区域暴雨过程。然后用过程相当强度和暴雨影响范围建立暴雨综合强度评估模型，利用百分位法将区域暴雨强度进行等级划分，最后通过与历史灾情记录的对比对模型进行校验。

1 资料和方法

1.1 资料

由国家气象信息中心提供的1951—2015年长江中下游地区113个国家级气象观测站20∶00—次日20∶00(北京时，下同)逐日降水资料，以及国家气候中心统计提供的暴雨灾情资料。

1.2 方法

1.2.1 百分位

百分位数计算采用Hyndman,et al[18]的经验公式。

1.2.2 相当强度公式

考虑到暴雨降落至地面因土壤吸收、径流等原因，对承灾体灾害的影响是非线性累积的[2,19]，即一场连续性暴雨过程的致灾影响大于1 d最大降水量，但小于过程累积总降水量。基于这一原理，给出降水衰减指数的概念，表征过程总降水量对承灾体影响的衰减程度。降水衰减指数I，定义为：I=n-α，其中：0<α<1，(文献[16]，取α=0.5)；n为降水持续时间(天数)。

降水对承灾体致灾的影响的雨强，称为降水相当强度，是一个综合考虑了降水天数和总降水强度的统计特征量，既表示了连续降水的累积效果又表示了降水(暴雨)过程的强度衰减程度。 一次出现m天降水的暴雨过程，可以组合计算m(m+1)/2个降水相当强度，一般组合中最大的降水相当强度对承灾体致灾的影响为最大，故用该最大降水相当强度，来表征暴雨过程强度 (IR)，降水过程强度定义为：

IR=maxmR(n,m),

(1)

其中：max( )表示通过不断滑动暴雨过程内天数进行组合，找到最大的降水相当强度，由此来确定n；R(n,m)=n-αP(n)为降水相当强度，n-α为降水衰减指数，P(n)=P1+P2+…Pn，(P1,P2,…Pn为某日降水量)为n天降水总量。

1.3 区域暴雨过程识别

为了进行区域暴雨过程识别，对单站、区域暴雨日、暴雨过程开始、结束时间按照文献[10]给出如下定义：

单站暴雨日：单站降水相当强度大于等于50 mm；

区域暴雨日：对于长将中下游地区，至少7个 (或者至少5%)站达到单站暴雨日的雨日；

区域暴雨过程：区域性暴雨日持续日数超过或等于1 d；

区域暴雨过程开始： 至少7个站暴雨相当强度达到50 mm以上；

区域暴雨过程结束：小于7个站暴雨相当强度达到50 mm以上。

2 区域暴雨过程的综合强度评估模型

2.1 暴雨过程相当强度

暴雨过程相当强度是过程最大相当强度和过程平均相当强度加权求和，权重系数为0.5。具体公式如下：

(2)

其中：Ip指暴雨过程相当强度；s指按照区域暴雨过程定义所选取的测站数；T指区域暴雨过程从开始到结束的时间间隔；Imax指按照暴雨过程定义所选测站中日最大相当强度；IR指按照暴雨过程定义所选测站的日相当强度。

2.2 暴雨影响范围

暴雨影响范围定义为：

Z=s/N,

(3)

其中：s是按照区域暴雨过程定义所选取的测站数；N为有资料站数。

2.3 综合评估模型

以影响范围和暴雨过程相当强度为评价指标建立暴雨过程的综合强度如下：

I综=ZIp。

(4)

暴雨综合强度等级评价标准按照百分位法，分别取95百分位、80百分位和60百分位点的综合强度值，将区域暴雨过程分为1～4级，分别对应特重，严重，较重和一般4个等级。

3 模型检验

用评估模型分别对长江中下游地区113个国家级观测站1951—2015年间的暴雨过程进行评估，分别给出排名前10的暴雨过程，并与历史灾害记录的平均暴雨日数和受灾面积对比，见表1。

从表1可以看出，1954年和1998年的暴雨过程强度分别占据前两位。而据记录[20]，长江中下游地区1951—2015年发生的10次特大暴雨洪涝的年份是1954、1969、1980、1983、1991、1993、1996、1998、2002和2011年，其中1954年无论是暴雨日数、累计雨量、长江中下游梅雨期长度和梅雨量都是最强的一年，1998年次之。利用本文评估模型对暴雨过程的评估无论从暴雨过程持续时间、平均暴雨日数，还是历史灾情记录(受灾面积)均有较好的对应关系。

同时，用本文方法识别出长江中下游1951—2015年共有区域性暴雨过程459次，其中特重的暴雨过程有423次，严重的有69次，较重的有92次，一般的有275次。

为了对本文评估模型定量化分析，利用模型中的两个评估因子，即暴雨过程的综合强度和暴雨影响范围，分别与历史灾害资料中的受灾面积做相关性分析，结果如表2：本文评估模型选取的评估因子跟历史灾害资料的受灾面积有很好的相关关系，其中暴雨过程综合强度与受灾面积的相关性明显，为0.73，通过α=0.01信度检验。

表1 1951—2015年长江中下游地区综合强度排名前10的暴雨过程及与历史灾害记录在平均暴雨日数和受灾面积的对比Table 1 The top 10 rainstorm processes and comparisons between average heavy rain days and the area affected with the historical disaster record in the middle and lower reaches of the Yangtze River during 1951-2015

4 暴雨洪涝个例分析

特别说明地是，据记载[2,21]，1998年长江中下游入梅(6月11日)略偏早，出梅(8月4日)偏晚22 d，梅雨期长达2个月，梅雨量(572.4 mm)为历史第三。

持续降水造成江河洪水泛滥、山洪爆发及山体滑坡、泥石流等地质灾害，外洪内涝给湖北、江西、湖南、安徽、浙江、福建、江苏、河南、广西、广东、四川、云南等省(区)造成严重损失，受灾人口超过1亿人，受灾农作物1 000多万公顷，死亡1 800多人，伤(病)100多万人，倒塌房屋430多万间，损坏房屋800多万间，经济损失1 500多亿元。

对这一典型暴雨年，用本文的评估模型进行评估，评估结果见表3：1998年长江中下游最强暴雨过程主要集中在6月中旬到7月下旬阶段，影响站点达80多个，影响范围大。无论是在暴雨持续时间和影响范围上都与历史灾情记录有较好地对应。

利用暴雨相当强度指标分析了1998年6月15日全国暴雨强度分布(图1)。可以看出暴雨主要集中在长江中下游地区，特别是江南一带，与历史灾害记录基本相符。

本文提出的暴雨过程强度综合评估模型除了能分析特定地区和特定暴雨事件个例的暴雨过程特征，还能对众多暴雨过程历史特征进行分析。利用本文综合评估模型对长江中下游地区1951—2015年的暴雨过程的年际变化特征进行分析。

图1 1998年6月15日全国暴雨相对强度分布图(单位:mm)Fig.1 Relative intensity distribution of rainstorm in China on June 15, 1998(unit:mm)

表2 模型评估因子与受灾面积相关性分析Table 2 Correlation analysis between model evaluation factors and disaster area

表3 1998年暴雨过程评估结果Table 3 Evaluation results of rainstorm process in 1998

5 年际变化特征分析

从暴雨过程次数逐年变化(图2)可以看出，暴雨过程次数波动较大，其中10次以上的暴雨过程对应的年份分别是1954、1960、1962、1965、1977、1980、1989、1999、2001、2005、2007和2015年。从年代际变化来看，暴雨过程次数在1970s之后缓慢增多，其中1971—1981年暴雨过程次数增多的趋势较为明显，随后直到1991年发生次数较少且相对平稳，总体暴雨过程次数呈现增多趋势。通过与历史暴雨日数的比较，二者整体变化趋势一致。

图2 1951—2015年长江中下游区域暴雨过程次数和历史暴雨日数逐年变化情况(虚线为线性趋势)Fig.2 The frequency change of the rainfall process in themiddle and lower reaches of the Yangtze River during1951-2015 (dashed line refers to linear trend)

从暴雨过程开始时间和结束时间逐年变化(图3)可以看出，1951—2015年长江中下游地区暴雨开始日和结束日都比较稳定，暴雨过程开始日大部分集中在6月，而结束日期大部分集中在8、9月。

图3 1951—2015年长江中下游地区暴雨过程开始日期和结束日期变化情况Fig.3 Changes in the start and end dates of the rainstorm process in the middle and lower reaches of the Yangtze River during 1951-2015

从长江中下游地区暴雨过程综合强度变化(图4)可以看出，在1951—2015年间暴雨综合强度变化呈微弱增强趋势，1970s之前暴雨综合强度更强，其中1954年达到历年之最。暴雨综合强度年际变化呈趋缓趋势。

图4 1951—2015年长江中下游地区暴雨过程综合强度变化情况(虚线为线性趋势)Fig.4 The comprehensive intensity change of the rainstorm process in the middle and lower reaches of the Yangtze River during 1951-2015(dashed line refers to linear trend)

从长江中下游地区暴雨过程总量(图5)可以看出，1951—2015年呈明显增多趋势，暴雨总量趋势及暴雨总量大小与图4有较好的对应关系。

图5 1951—2015年长江中下游地区暴雨过程总量变化情况(虚线为线性趋势)Fig.5 The total amount change of the rainstorm process in the middle and lower reaches of the Yangtze River during1951-2015(dashed line refers to linear trend)

6 结论

(1)本文提出了区域暴雨过程等级的定量评估方法，提出了降水衰减指数的概念，利用降水相当强度代替日降水量来识别暴雨过程，可以更客观地识别暴雨过程，尤其是不遗漏影响较大的暴雨过程。

(2)利用本文提出的评估模型对长江中下游地区1951—2015年暴雨过程进行了检验，其中特重的暴雨过程有423次，严重的有69次，较重的有92次，一般的有275次，1954年和1998年的暴雨过程分别占据前两位，这与历史灾害记录基本相符。另外本文对灾害个例，即1998年长江下游的暴雨过程进行个例评估，结果表明最强暴雨过程出现在6月中旬到7月下旬，这与历史灾害记录也是一致的。

(3)从年际变化来看，长江中下游近70 a来暴雨过程次数呈逐渐增多趋势，其中1971—1981年暴雨过程次数增加明显，与历史暴雨日相比，二者整体趋势一致。暴雨过程综合强度年际变化趋缓。

本文建立的区域暴雨过程综合评估模型，对暴雨过程的识别操作简单，并与农业受灾面积进行了验证对比，对暴雨过程等级的评估准确，易于业务对暴雨致灾等级的监测、评估和预测。但是该模型主要是基于气象数据，研究的是气象致灾强度等级，缺乏社会经济、人口分布、暴雨影响经济灾情等数据信息，建立的暴雨洪涝灾害评估模型不够全面。以后计划致力于考虑对致灾因子、承灾体和孕灾环境三者的综合考虑，尽量全面客观的对暴雨灾害等级进行综合评估分析。