山东省区域性暴雨事件时空变化特征及个例分析—以台风“利奇马”暴雨过程为例

邱粲 陈艳春 刘焕彬 李娟 曹洁

(1 山东省气候中心，济南 250031；2 上海师范大学 地理系，上海 200234)

引 言

近年来，在全球气候变暖的大背景下，暴雨、高温等极端事件频发[1-3]。区域性暴雨事件通常是中小尺度与大尺度天气系统相互作用的结果，强度大、范围广，极易引发内涝、山洪、滑坡等自然灾害，给人民生命财产和社会经济造成巨大损失[4-8]。如2007年7月18日出现短时强降水造成济南部分地区被淹；2018年8月17—20日，受台风“温比亚”影响，山东省出现大范围强降雨过程，城市、乡村、农田被淹，其中潍坊市灾情最重达到特大型气象灾害标准。2019年8月10—13日，受台风“利奇马”和西风槽共同影响，潍坊、临沂、淄博、滨州等地区遭受暴雨、大暴雨局部地区特大暴雨，受连续降雨影响，农作物受灾严重，有房屋倒塌或不同程度受损，大棚受淹、道路积水。因此，针对区域性暴雨事件的客观定量的判别和评估，是进行洪涝灾害风险评估的前提和基础，也是监测、预警服务的重要技术保障。

在不同空间尺度的区域性极端事件监测评估方面。任福民等[9]提出了区域性极端事件客观识别法；邹燕等[10]采用暴雨、大雨及中雨台站数确定了福建省区域性暴雨过程标准，综合加权构建区域性暴雨过程综合强度定量评估方法；蔡新玲等[11]开展陕西省区域性暴雨过程综合评估方法的研究；陈艳秋[12]、袭祝香等[13]等采用概率分布法和距离函数对辽宁、吉林等地的区域暴雨过程进行综合强度等级评估。王莹等[14]在确定暴雨致灾因子综合强度分级标准的基础上对辽宁省暴雨灾害及其对农业的影响进行了评估。邵末兰等[15]采用暴雨、大暴雨及特大暴雨台站点数确定了湖北省区域性暴雨过程判识指标，并建立了基于距离函数的区域性暴雨灾害风险预估方法。陆尔等[16]研制了从时域上检测极端降水过程的EID方法。暴雨具有很强的地域性特征，其定量化评估的指标、模型不能简单的照搬或移植。针对山东地区，许多学者从不同时间尺度进行了大量研究，揭示了夏季或汛期强降水的时空分布特征[17-19]。但已有研究多关注暴雨日数、频率、强度等单个指标的特征分析，但对暴雨过程整体及其致灾性的定量化评估研究较少。

鉴于此，本文在充分考虑暴雨事件持续时间、覆盖范围、极端强度的基础上，选取评估指标，建立本地区域性暴雨事件综合强度评估模型，对历史区域性暴雨事件特征进行分析，并利用台风“利奇马”典型暴雨过程进行检验。

1 资料与方法

1.1 资料来源

气象资料为山东省气象信息中心提供的质控后的1961年1月1日—2019年8月31日山东省123个国家地面气象观测站逐日和逐时降水量观测资料；灾情数据由山东省气候中心气象灾害历史灾情数据库提供。

1.2 方法

采用区域性暴雨事件评估方法[10,20]，结合山东地区实际情况进行改进和参数本地化，扩充评估因子，并增加单次区域暴雨事件中的单站暴雨事件综合强度评估。

1.2.1 暴雨事件的定义

区域性暴雨事件：按照实际无缺测站点数，将至少5%的站点日降水量大于等于50 mm时，定义为区域性暴雨日。对暴雨事件过程中的间断设置一定的条件[10]，以保证持续性暴雨事件的连贯性。首个区域性暴雨日数至末个区域性暴雨日之间的过程为一次区域性暴雨事件。在一次过程中，两个区域性暴雨日之间允许存在某1 d未达到区域性暴雨日的标准，但该日应满足如下条件之一：(1)当日至少1站日降水量达暴雨及以上量级；(2)当日至少5%的站点日降水量达大雨及以上量级；(3)当日至少5%的站点日降水量达中雨及以上量级，且次日(区域性暴雨日)至少10%的站点日降水量达暴雨及以上量级。

单站暴雨事件：包含日降水量大于等于50 mm且连续2 d及以上降水过程，过程内允许中断1 d。

1.2.2 评估指标及等级确定

根据暴雨事件判别条件，形成暴雨事件历史序列，以1961—2010年暴雨事件为样本，分别对区域暴雨事件中最大站点过程降水量、最大站点日降水量、最大站点1 h降水量、暴雨范围(站数)4个指标的序列，采用百分位计算各等级阈值，暴雨持续时间采用确定赋值(表1)，进行单站暴雨事件综合评估时无需计算暴雨范围指标。

表1 山东省区域性暴雨事件评估指标等级阈值Table 1 Threshold of regional heavy rain event assessment index level

1.2.3 暴雨事件综合强度评估模型

各评价指标从暴雨事件的强度、范围、持续时间等不同方面反映致灾事件的危险性，但由于其影响不同，实测值的量纲各异，在建立综合强度评估模型时不应将各单项指标简单相加，应予以考虑各项指标的权重。采用单一指标与其他指标相关系数的平均值在所有指标间相关系数平均值总和的占比作为该指标的权重系数[21]，计算各指标之间的相关系数。山东省区域性暴雨事件综合强度评估模型如下式：

RSI=PP×PPgrade×ωpp+DP×DPgrade×ωdp+
HP×HPgrade×ωhp+T×Tgrade×ωt+R×Rgrade×ωr。

(1)

其中：RSI为区域性暴雨事件综合强度指数；PP、DP、HP、T和R分别是最大过程降水量、最大日降水量、最大1 h降水量、暴雨范围和暴雨持续时间5个指标标准化后的数值；PPgrade、DPgrade、HPgrade、Tgrade和Rgrade分别是5个指标的评估等级；ωpp、ωdp、ωhp、ωt和ωr为各项的权重系数，经统计，山东省区域暴雨此5项值分别为0.25、0.22、0.17、0.19和0.18。单站暴雨事件综合强度计算时，暴雨范围项为零。

2 区域性暴雨事件时空特征

1961年以来，山东区域性暴雨事件共发生545次，其中1级一般性区域暴雨事件发生次数最多，为318次。随着综合强度等级升高，发生次数依次降低，2～4级区域性暴雨事件发生次数分别为111、60和44次；5级特强区域性暴雨事件发生12次(表2)。其中1999年8月11—12日暴雨事件综合强度最高，过程内全省平均降水量43.1 mm，单站过程最大降水量、日最大降水量分别达到651.4 mm和619.7 mm，均出现在诸城，其造成的灾害损失评估结果与历史记载相吻合。

2.1 区域暴雨事件年际变化趋势

近50 a山东省平均区域暴雨事件次数为9.2次/a，总体呈现不显著的缓慢下降趋势，先后经历了1961—1985年以1.7/(10 a)的速率的下降，1986—2010年以1.2/(10 a)的速率的增加，2011年之后开始以3.6/(10 a)的速率下降3个阶段(图1a)。各等级暴雨事件中，1级区域暴雨事件次数以0.44/(10 a)的速率减少，2、4等级呈现微弱增加趋势，速率分别为0.06/(10 a)和0.03/(10 a)。第3和第5等级区域性暴雨事件发生次数基本持平，没有明显的趋势。

与过程次数变化趋势不同，全省年平均区域暴雨事件综合强度呈现缓慢的上升趋势，历年平均综合强度为3.27。与区域暴雨事件次数变化趋势相一致，1961—1985年和1986—2010年两个阶段呈现先降后升的趋势；2011年以来年平均区域暴雨事件综合强度以2.5/(10 a)的速率增加，呈现与暴雨事件次数相反的变化趋势(图1b)。

表2 1961年1月1日—2019年8月31日山东省特强(5级)区域性暴雨事件表Table 2 List of regional heavy rain events in Shandong Province (5th grade) from January 1, 1961 to August 31, 2019

图1 山东区域暴雨事件次数:(a)和年平均综合强度；(b)逐年演变Fig.1 Interannual variation of (a)the number of heavy rain events in Shandong and (b) annual average comprehensive intensity

2.2 区域暴雨事件月变化趋势

1961年以来，山东省区域暴雨事件在3—11月均有发生，主要时段集中在夏季，占比达79.63%，春、秋两季区域暴雨过程发生占比分别为8.62%和11.74%。月分布上，7、8月是区域性暴雨事件多发时段，其中，7月发生暴雨过程次数最多，占总次数的36.51%；8月区域暴雨过程次数，占比达29.36%，位居第二；但从平均综合强度来看，8月为最高。

2.3 区域暴雨事件空间分布

近50 a山东区域暴雨事件的降雨中心主要分布于半岛东部和鲁东南地区，降雨中心位于日照、威海、临沂各站的平均次数分别为9次、7.5次和7次(图3a)。1961—1985年降雨中心分布形态与常年总体形态一致(图3b)，1986—2010年半岛东部降雨中心减弱，鲁南降雨中心有向鲁中山区延伸的趋势(图3c)，但2011年以来区域暴雨过程的降雨中心分布较为分散，主要仍位于半岛东部和鲁东南地区(图3d)。

图2 山东区域暴雨事件次数与月平均综合强度年变化Fig.2 The annual variation of number of heavy rain events andmonthly average comprehensive intensity

3 灾情检验与台风“利奇马”区域性暴雨事件个例评估

3.1 历史回算结果的灾情检验

图3 山东区域暴雨事件降雨中心出现次数分布：(a)1961—2018年; (b)1961—1985年; (c)1986—2010年; (d)2011—2018年Fig.3 Distribution of the number of occurrences of rainfall centers in the Shandong heavy rain events:(a)1961-2018; (b)1961-1985; (c)1986-2010; (d)2011-2018

从区域性暴雨评估模型的历史回算结果来看，对比《中国气象灾害大典(山东卷)》[22]、山东省气象灾害历史灾情数据库等历史灾害事件记载，研究结果与重大暴雨致灾事件具有良好的一致性。应用1984年以来的气象灾情数据库(260条暴雨洪涝灾情记录)对区域性暴雨事件识别结果进行客观评估发现，事件识别漏报率为0，即所有灾情记录均有区域性暴雨事件与之对应。事件空报率为20.25%，其中，5级特强区域性暴雨事件空报率0%，即5级事件均有灾情记录与之对应；空报率次低的是3级事件，为3.13%，4级和2级事件空报率分别为6.90%和7.46%；1级事件空报率最高，为30.37%。选取信息记录完备的100个样本，应用直接经济损失、农作物受灾面积、倒塌房屋数量作为灾情严重程度的反映因子与区域性暴雨事件综合强度进行相关性分析可知，标准化后的区域性暴雨事件综合强度与灾情相关性显著，其中与直接经济损失相关系数最大，为0.49；其次是倒塌房屋数量，相关系数为0.48，与农作物受灾面积的相关系数为0.42(图4)，均通过α=0.01的显著性检验。

3.2 台风“利奇马”区域性暴雨事件综合等级评估

台风“利奇马”于2019年8月4日14时(北京时，下同)在西北太平洋洋面生成，11日20时50分再次从青岛黄岛区登陆山东，强度为热带风暴级，中心附近最大风力9级(23 m·s-1)。受其与西风槽的共同影响，8月10—12日，山东省出现区域暴雨事件，降水主要集中于鲁西北东部和鲁中的北部(图5)。对此次过程应用区域暴雨事件综合强度评估模型进行评估，其过程平均降水量176.6 mm，为1961年以来区域暴雨事件过程降水量历史最多值，单站最大过程雨量为历史第6位，单站最大日雨量为历史第3位，暴雨及以上降水站次达155站次，为历史最多值。

图4 1984年以来山东省区域性暴雨事件标准化综合强度与(a)直接经济损失、(b)农作物受灾面积和(c)倒塌房屋数相关性Fig.4 Scatter plot of correlation between the standardized intensity of regional rainstorm and (a) direct loss, (b) crop area affected and (c) number of collapsed houses in Shandong since 1984

图5 2019年8月10—12日台风“利奇马”过程中山东省累计降水量空间分布(单位:mm)Fig.5 The spatial distribution of cumulative precipitation inShandong Province during the typhoon “Lekima”process from August 10 to 12, 2019(unit:mm)

最大过程降水量(临朐459.0 mm)、最大日降水量(11日，临朐386.7 mm)、暴雨及以上级别的降水出现站数(106站)3项评估指标均达到5级标准，暴雨持续日数为3 d，属偏长区域暴雨事件，综合评估等级为5级，属特强区域性暴雨事件，综合强度值为历史第4位高值。

2018年8月18—20日台风“温比亚”造成的区域暴雨事件综合强度值为历史第18位，与之相比，本次台风“利奇马”影响造成的区域暴雨过程在最大过程雨量、最大日雨量、暴雨过程范围三方面均超过该过程。从灾情验证来看，“温比亚”过程区域暴雨事件共造成受灾人口525.90万人，农作物受灾面积61.80万公顷，倒塌房屋1.41万间，直接经济损失221.97亿元。截至2019年8月14日的统计结果，“利奇马”过程导致受灾人口567.53万人，农作物受灾面积74.80万公顷，倒塌房屋9 118间，直接经济损失已达324.2亿以上。

3.3 台风“利奇马”区域性暴雨事件单站综合等级评估与灾情检验

应用单站暴雨事件综合强度评估模型对台风“利奇马”区域性暴雨事件中各站点降水强度进行综合评估并分析县级行政区划的灾情实际情况可知，标准化后的暴雨综合强度与各县标准化直接经济损失二者相关性显著(图6)，相关系数为0.60(通过α=0.01的显著性检验)。由其分布(图7)可见，综合强度等级为5级的区域，主要位于东营、淄博两市，滨州、济南、潍坊、枣庄市的部分区县，以及临沂费县；半岛地区、鲁西南和鲁西北的西部暴雨综合强度等级较低，多在1～2级。与分县灾情直报的直接经济损失(图8)进行对比，暴雨综合强度等级5级以上的区县与直接经济损失在1亿元以上的地区吻合度极高。暴雨综合强度等级为3级的区县，其灾情损失对比在鲁南地区较为一致，在鲁西北中部有所差异。暴雨综合强度等级为1～2级的区县，在灾情损失中体现的差异较不明显。

图6 台风“利奇马”过程山东省各县暴雨事件标准化综合强度与直接经济损失相关性Fig.6 Scatter plot for correlation between standardizedintensity of rainstorm and direct economic loss inShandong during the typhoon “Lekima” process

图7 2019年8月10—12日台风“利奇马”过程山东省暴雨事件综合强度等级Fig.7 Comprehensive intensity level of rainstorm events inShandong Province during the typhoon “Lekima” processfrom 10 to 12 August in 2019

图8 2019年8月10—12日台风“利奇马”过程导致山东省直接经济损失空间分布(单位：万元)Fig.8 Statistical distribution of direct economic losses in ShandongProvince by county during the typhoon “Lekima” processfrom 10 to 12 August in 2019(unit: RMB ten thousand)

4 结论

(1)考虑区域性暴雨事件的连续性，综合降水强度、降水范围和降水持续时间等指标构建了山东省区域暴雨事件综合强度评估模型。建立了1961年以来山东省区域暴雨事件历史序列，与历史灾情记录一致性良好，特强等级区域暴雨事件与历史重大灾害过程记录吻合较高。

(2)近50 a山东区域性暴雨事件共计发生545次，其中综合强度5级的特强区域性暴雨事件发生12次。1999年8月11—12日区域性暴雨事件综合强度最高。区域暴雨事件发生次数呈现波动变化、缓慢下降趋势，暴雨事件平均综合强度呈现缓慢上升趋势，2011年以来上升趋势显著。区域暴雨事件集中发生于7、8月，其中以7月发生次数最多，8月平均综合强度最高。区域暴雨事件的降雨中心主要分布于半岛东部和鲁南地区，不同时段分布配置略有不同，但差别不大。

(3)2019年台风“利奇马”与西风槽共同影响造成的区域暴雨事件综合评估等级为5级，属特强区域性暴雨事件，综合强度值居历史第四位，其过程平均降水量176.6 mm，为1961年以来区域暴雨事件过程降水量历史最多值，单站最大日雨量居历史第三位，暴雨及以上降水站次达155站次，为历史最多值。单站暴雨事件综合强度评估结果与分县灾情对比一致性较高。

由于灾情数据收集过程中不确定性因素较多，使得对比验证区域暴雨综合强度评估结果时还存在许多的不匹配现象，尤其低等级区域性暴雨事件空报率较高。已有灾情记录中存在大量非标准化信息，使得定量化评估模型结果准确性时存在样本不足等情况。如在台风“利奇马”过程，个别灾情损失等级较低，与有些行政区漏报或本身不单独进行灾情统计有关。此外，历史灾情数据缺失较多，也是较低等级的暴雨事件匹配结果不理想的原因，这需要不断收集新个例，进一步调整暴雨事件判别和等级划分的参数，以期得到更加精确的定量化评估结果。针对暴雨事件的定量化评估仅仅是对灾害风险三要素之一的致灾因子进行了研究，但灾害风险的大小与灾害过程中的承灾体暴露、脆弱性也是分不开的，灾害损失的大小更与防灾应急的管理和应对有着密切的关系。

致谢：诚挚的感谢福建省气候中心邹燕研究员在本文技术方法中提供了悉心指导和无私帮助。