南京地区暴雨变化特性分析

南京地区暴雨变化特性分析杜尧; 陈启慧; 和鹏飞; 陈芸芸; 沈红霞; 李琼芳期刊名称】水资源保护年(卷),期】2019(035)006【总页数】7页(P89-94,114)【关键词】暴雨特性;暴雨雨型;M-K趋势检验;小波分析;南京地区作 者】 杜尧; 陈启慧; 和鹏飞; 陈芸芸; 沈红霞; 李琼芳 【作者单位】 河海大学水文水资源学院 江苏 南京210098; 江苏省淮沭新河管理处 江苏 淮安223005; 江苏省世界水谷与水生态文明协同创新中心 江苏 南京 210000正文语种】 中 文中图分类】 TV122; P45821世纪以来，受全球气候变化及城市化进程影响，我国城市暴雨频发，由此引发的内涝风险不断加剧1-5，严重影响了城市居民正常生产生活，在一定程度上制 约了城市的可持续发展。因此，城市的暴雨变化特征受到相关学者和管理者的高度 关注。李鹏程等6采用北京、天津两个气象站近51年的日降水资料，剖析了两地 区降水量的趋势性和周期性；张洁祥等7基于19712010年徐家汇站的日降雨 资料，分析了上海市年代际降水、年降水、汛期与非汛期降水的变化和周期变化特征；赵琳娜等8采用模糊识别法对北京降雨过程进行了雨型划分，得到北京雨型 特征；Chen等9利用STRP和Huff RP法分析了广州市的降雨模式，对比了两 种方法的优劣性；贺芳芳10利用不同气象站30年降水资料，分析了上海地区暴 雨的气候变化特征及城市化对暴雨的影响；王羱等11-12分析了近64年南京夏 季降水峰期变化特征；沈澄等13剖析了20082012年南京短时强降水特征； 朱鑫君等14分析了南京一次特大暴雨天气过程的中尺度特征。近些年南京市多次 发生了导致严重内涝灾害的极端暴雨事件，进一步研究南京地区暴雨变化特性很有 必要。1 研究区概况与研究方法1.1 研究区概况 南京市位于长江下游中部地区，属北亚热带湿润气候，四季分明，雨水充沛15， 多年平均降雨117 d，多年平均降雨量1 106.5 mm。每年6月下旬到7月上旬 为梅雨期，常发生暴雨、大暴雨。选取分布在南京不同行政区的7个雨量站点： 南京站、东山站、晓桥站、江宁镇站、六合站、天生桥闸站和高淳站为研究对象， 站点分布见图1，其中南京站是主城区的代表站。图1 南京地区雨量站空间分布1.2 研究方法受中小尺度天气系统影响，南京地区降雨过程常在12 h以内，这种历时短、强度大的降雨对区域排涝和城市排水的影响更大，更容易引起城市内涝。依据我国气象 规定，以连续12 h降雨超过30 mm为标准，滑动选取次暴雨过程，从滑动开始 的时段到滑动结束的时段来计算此次暴雨的总历时。选用南京站19752015年 以及东山站、晓桥站、江宁镇站、六合站、天生桥闸站和高淳站19852015年的逐时降水资料，依据雨量30 59.9 mm为弱暴雨、60 99.9 mm为中暴雨、 100 mm为强暴雨的原则对暴雨强度进行划分。依据暴雨持续时间小于6h为特 短暴雨、6-11 h为短暴雨、12-23 h为一般暴雨、24-30 h为长暴雨、30 h 为特长暴雨的原则对暴雨历时进行划分。运用 Mann-Kendall 趋势检验16、小 波分析17、模糊识别法18等统计方法进行分析。2 南京地区暴雨特征变化规律分析2.1 时空分布规律2.1.1 暴雨时程分布规律南京站 19752015 年 310 月多年平均暴雨次数分别为 1、3、26、62、63、 54、33、2 次。19752015 年南京站暴雨次数共出现 244 次，汛期（69 月）与 非汛期暴雨次数差异明显。暴雨主要集中在春末到秋末，68 月暴雨最多，总暴 雨次数分别占全部暴雨的 25.4%、25.8%和 22.1%；9 月和 5 月次之，占全部暴 雨的 13.5%和 10.7%；3 月、4 月和 10 月共出现了 6 场暴雨，11 月至次年 2 月 没有出现暴雨。图 2 为南京站 19752015 年暴雨次数的变化情况。可见，19752015 年南京 城区年均暴雨次数波动较大，多年平均为 6 次左右，1975、1979、2015 年发生 了 10次以上暴雨，降水偏少年份则只出现了 2 3次暴雨。20世纪90年代南京 城区年暴雨次数呈减少趋势，2000 年后年均暴雨次数呈增加趋势。图 2 南京站 19752015 年暴雨次数变化2.1.2 暴雨空间分布规律表 1 为各雨量站 19852015 年多年平均暴雨量及暴雨次数。由表 1 可见，南京 地区年平均暴雨量市区多于郊区，东部多于西部，临水区大，远水区小。主城区南 京站年平均暴雨量最大，东山站次之，天生桥闸站、江宁镇站和高淳站年平均降水 量最少。主城区暴雨偏多与城市热岛效应的叠加影响有关，城市中心气温高，下垫 面向近地层输送热量较为强烈，对流加强，更易发生强度大的降雨。暴雨次数的空 间分布与多年平均暴雨量分布相似。六合站和高淳站暴雨次数最大，江宁镇站暴雨 次数最少。多年平均暴雨量最大的南京站为 182 次，相对偏少，表明与其他雨量 站相比，南京站代表的主城区平均暴雨强度更大。表1 各雨量站19852015年多年平均暴雨量及暴雨次数雨量站多年平均暴雨量/mm暴雨次数/次南京398.8182六合383.1209晓桥387.4190东山 389.6193天生桥闸372.3195江宁镇370.7178高淳373.92092.2 不同历时年最大降水量变化趋势 选取代表主城区的南京站和位于南京地区南部的高淳站以及位于北部的六合站，统 计19852015年历年最大1 h、3 h、6 h、12 h和24 h降水量，结果如图3 所示。3站不同历时年最大降水量总体呈现出先增加、后略有减少的趋势。表2为 19852015年3站不同历时年最大降水量的特征值统计。M-K检验结果表明， 南京站最大1 h、3 h、6 h、12 h和24 h雨量都呈现明显的增加趋势，其中最大1 h雨量、最大24 h雨量的M-K值分别为1.66和1.67，通过了置信度95%的显 著性检验，最大3 h、6 h和12 h雨量的M-K值分别为1.33、1.39和1.34，通 过了置信度90%的显著性检验。六合站和高淳站的最大1 h年降水量呈略减少的 趋势，其余历时年最大降水量呈不同程度的增加趋势，但都未通过置信度90%的 显著性检验。可以看出，除最大1h雨量外，南京站其余历时年最大雨量的最大值 明显高于高淳站和六合站，且南京站不同历时年最大雨量的平均值都明显大于其余 两站，这表明南京主城区的降雨强度明显高于其他地区，应对暴雨内涝的压力更大 图3 19852015年3站历年年最大降水量2.3 雨强变化规律图4为南京站和江宁镇站不同强度暴雨分布。 19852015年南京站出现弱暴雨 111次、中暴雨48次和强暴雨23次，分别占61.0%、26.4%和12.6%。1月、2 月、 11月和12月没有出现暴雨，暴雨主要集中在59月，其中弱暴雨次数占比 始终最多，中暴雨次之，强暴雨最少。中暴雨主要出现在69月， 7月次数占比 最多。强暴雨主要出现在68月，其中7月次数占比最多，6月次之。对比南京 站的统计结果，江宁镇站弱暴雨占总暴雨次数的比例更大，中暴雨占比相近，而强 暴雨占比明显偏少。分析两站年内分布特征，67月南京站弱暴雨次数占比略有 减少，中暴雨占比略有增加，而江宁镇站与之相反，弱暴雨占比明显增加，中暴雨 占比略有减少，这表明当南京地区进入汛期后，南京市中心更易出现高强度的暴雨。 图4 南京站和江宁镇站不同强度暴雨分布表2 3站19852015年不同历时年最大降水量特征值统计雨量站最大1h雨量最 大值/mm平均值/mmM-K值最大3h雨量最大值/mm平均值/mmM-K值最大 6h雨量最大值/mm平均值/mmM-K值最大12h雨量最大值/mm平均值 /mmM-K值最大24h雨量最大值/mm平均值/mmM-K值南京 68.542.21.66143.170.91.33174.989.21.39291109.41.34297.9124.11.67六合 73.339.4-0.32109.462.20.27124.7740.44208881.27213.996.80.85高 淳 85.140.3-0.4297.260.30.17168.876.20.1420188.90.37210.9101.30.65 图5为南京站不同强度暴雨次数5年滑动平均曲线。南京主城区的年均暴雨次数 波动较大，19851996年主城区总暴雨、弱暴雨和中暴雨次数都呈现明显的减 少趋势，1996 年后整体呈现增加趋势，其中弱暴雨和总暴雨的变化趋势基本一致。 强暴雨19852015年一直呈现增加趋势。为进一步分析不同强度暴雨的变化趋 势，对比不同站点差异，对7个雨量站不同强度暴雨次数进行M-K统计检验，结 果如表3所示。由表3可见，对于弱暴雨，除江宁站M-K值大于0,弱暴雨次数 略有增加外，其余雨量站的弱暴雨次数均呈现减少趋势，但M-K值绝对值都未超 过1.28，未通过置信度90%的显著性检验。对于中暴雨，南京站中暴雨次数呈略 微减少趋势，晓桥站中暴雨次数的M-K值为1.73，增加显著，其余雨量站中暴雨 次数略有增加。各站强暴雨次数都呈现增加趋势，其中南京站的M-K值为2.57， 通过了置信度 99%的显著性检验，东山站和六合站的 M-K 值分别为 2.21 和 1.70， 通过了置信度95%的显著性检验。南京地区整体的暴雨强度呈现增强的趋势，且 代表主城区的南京站和靠近水域的六合站、东山站的强暴雨增加趋势相较于其他站 点更为明显。图5 南京站不同强度暴雨5年滑动平均曲线表3各雨量站不同强度暴雨次数M-K值雨量站弱暴雨中暴雨强暴雨南京-0.83-0.372.57东 山-1.020.322.21晓 桥- 0.461.731.04江宁镇0.080.610.48六 合-0.490.901.70天生桥闸-0.920.200.90 高 淳-0.420.850.42 图6为南京站19852015年不同强度暴雨小波方差图，图中方差越大表示波动 能量越大，即相应的周期性越明显。南京站弱暴雨丰枯变化周期分别为3年、8年 和14年，其中14年的周期震荡最为剧烈，为第一主周期。中暴雨的丰枯变化周 期分别为3年、4年和8年，8年左右的周期震荡最为剧烈，为第一主周期。强暴 雨丰枯变化周期分别为3年、8年和18年，其中3年的周期震荡最为剧烈，为第 一主周期。南京站总暴雨的丰枯变化周期分别为3年、4年、6年和14年，3年 周期震荡最剧烈，为第一主周期。图6 南京站不同强度暴雨小波方差2.4 历时变化规律 图7为南京站和江宁镇站不同历时暴雨分布。19852015年南京站特短暴雨出 现30次、短暴雨出现68次、一般暴雨出现5次、长暴雨出现4次、特长暴雨出 现4次。一般暴雨最多，占41.2%，短暴雨和特短暴雨分别占37.4%和16.5%， 而长暴雨和特长暴雨共仅占4.7%，南京主城区的大部分暴雨过程持续时间不超过 1 d。图7 南京站和江宁镇站不同历时暴雨分布 由图7可见，南京站3、4月仅出现了短暴雨,在暴雨集中出现的59月，7、8 月短暴雨占比最多，其余月份一般暴雨占比最多。68 月特短暴雨占比逐渐增加， 一般暴雨占比减少，一般历时以上暴雨的比例明显下降。与南京站相比，江宁镇站 特短暴雨和短暴雨占总暴雨次数的比例明显更少，一般暴雨和长暴雨占比更多，特 长暴雨占比相近。与南京站相比，59 月江宁镇长暴雨出现更多，主要集中在 67 月，此时一般暴雨也呈现增加趋势。可以看出，当南京地区进入汛期时，相 较于江宁镇，城市化程度更高的市中心区域出现的暴雨历时更短。图8 为南京站不同历时暴雨次数 5 年滑动平均曲线。可以看出，南京主城区以一 般暴雨和短暴雨为主，且呈现暴雨历时缩短的趋势。 19851996 年，特短暴雨 短暴雨和一般暴雨都呈现减少趋势，其中一般暴雨减少趋势显著。1996 年后，一 般暴雨年平均次数变化不大，特短暴雨年平均次数整体呈现增加趋势，短暴雨年平 均次数先显著增加后呈略减少趋势。长暴雨和特长暴雨出现次数极少，年平均次数 都少于 0.5。图8 南京站不同历时暴雨次数5年滑动平均曲线 因各雨量站长暴雨和特长暴雨的出现次数极少，故只对各站特短暴雨、短暴雨和一 般暴雨进行M-K检验，结果见表4。对于特短暴雨，各站统计量都大于0,呈现 增加趋势。其中南京站和六合站的M-K值分别为1.87和1.64，通过了 95%的显 著性检验，东山站和晓桥站的M-K值分别为1.56和1.46，通过了 90%的显著性 检验，特短暴雨次数增加趋势显著。对于短暴雨和一般暴雨，各站的M-K值绝对 值都未超过1.28 ，未通过90%的显著性检验，增加或减少趋势都不明显。可以看 出，南京地区短暴雨和一般暴雨次数没有明显的增减变化，但特短暴雨整体呈现增 加趋势，其中代表主城区的南京站和靠近水系的六合站、东山站、晓桥站相较于其 他站点弱暴雨增加趋势更显著。表4各雨量站不同历时暴雨次数的M-K值雨量站特短暴雨短暴雨一般暴雨南京 1.870.82-0.03东山1.56-0.73-0.98晓桥1.460.630.65江宁镇0.860.540.12六 合1.64-0.730.21天生桥闸0.97-0.850.54高淳0.760.651.1419852015年南京地区长暴雨和特长暴雨出现次数极少，只对特短暴雨、短暴 雨和一般暴雨进行小波分析。图9为南京站不同历时暴雨的小波方差，南京站特 短暴雨存在3年、4年及14年左右的丰枯周期变化，其中3年左右的周期震荡能 量最强，为第一主周期。短暴雨存在3年和15年的丰枯周期变化，其中3年左右 的周期震荡能量最强，为第一主周期，15年的周期震荡能量与3年周期的震荡能 量相近。一般暴雨存在3年、5年和12年的左右的丰枯周期变化，其中3年左右 的周期震荡能量最强，为第一主周期。图9 南京站不同历时暴雨小波方差2.5 雨型特征雨型特征判断采用常用的模糊识别法，将12 h暴雨雨型划分为单峰型、均匀型（IV 型）和双峰型，其中单峰型又分为前单峰（I型）、后单峰（口型）和中单峰（皿型），双 峰型分为前后相等的双峰（V型）、前后不等的双峰（VI型）和中后双峰（VU型）。各站 雨型统计结果见表5（受原始数据限制，江宁镇站未统计雨型）。南京地区历时12h 暴雨雨型以单峰为主，占67.86%；双峰型次之，占20.65%；均匀型最少，只占 11.48%。7种雨型中，出现频数排在前3位的雨型分别为皿型、口型和I型，均 为单峰型暴雨。在单峰雨型中，雨峰在后部所占的比例最大，约占单峰雨型总数的 38% ，其次是前单峰和中单峰。在双峰雨型中，雨峰在前后两头的所占比例最大， 约占双峰雨型的46% ，雨峰在中间的最少。同时，对比各雨量站的单峰型暴雨可 以发现，位于南京地区北部的南京站、六合站的I型暴雨明显多于皿型暴雨，而位 于南京地区南部的东山站、高淳站和天生桥闸站的皿型暴雨明显多于I型暴雨。单 峰型暴雨雨量集中，特别是雨峰在后部的暴雨，对区域除涝和城市排水的影响更大， 容易引起农田受淹和城市大面积积水。表5各雨量站12 h暴雨雨型雨量站单峰 mm均匀V双峰vvivv南京站23.6119.4418.756.949.7213.198.33 六合26.3618.1822.734.558.1813.646.36 高 淳11.8625.4227.1225.423.393.393.39晓 桥26.6722.6728.008.004.008.002.67东 山19.7024.2425.764.5510.6112.123.03 天生桥闸11.1122.2233.3319.444.176.942.78平 均19.8922.0325.9511.486.689.554.433结论a. 南京地区暴雨时空分布不均性显著。暴雨主要集中在68月，其中7月暴雨最 多。市区年暴雨量和暴雨次数明显多于郊区。b. 南京地区不同历时年最大降雨量总体呈现增加趋势，且主城区增加趋势最为显著，其中最大3 h、6 h和12 h雨量通过了置信度90%的M-K显著性检验，最大1 h、24 h雨量通过了置信度95%的M-K显著性检验；主城区的多年平均值明显 高于其他区域。c. 南京地区以弱暴雨、一般暴雨为主，但易引起内涝的短历时、高强度暴雨频次 呈现增加趋势，且主城区比其他行政区的增加趋势更显著，面临的内涝风险更大。d. 南京主城区的弱暴雨、中暴雨、强暴雨分别具有14年、8年和3年的丰枯变化 周期；特短暴雨、短暴雨和一般暴雨均具有3年左右的丰枯变化周期；主城区总 暴雨次数同样也具有3年的丰枯变化周期。e. 南京地区历时12h暴雨以容易引起内涝的单峰型雨型为主，其中单峰型中皿型 （中单峰）暴雨最多。从空间分布看，南京北部I型（前单峰）暴雨偏多，而南部皿型 （中单峰）暴雨偏多。参考文献：相关文献】1 叶斌,盛代林，门小瑜城市内涝的成因及其对策几水利经济,2010,28(4):62-65.(YE Bin, SHENGDailin, MEN Xiaoyu.Causes and countermeasures of urban water loggingJ.Journal ofEconomics of Water Resources,2010,28(4):62-65.(in Chinese)2 姜仁贵，解建仓城市内涝的集合应对体系J.水资源保护,2017,33(1):17.JIANG Ren gui,XIEJiancang.An integrated coping system for urban waterloggingJ.Water ResourcesProtection,2017,33(1):17.(in Chinese)3 贾绍凤我国城市雨洪管理近期应以防涝达标为重点J.水资源保护,2017,33 (2) :13-15.(JIAShaofeng.China should prioritize waterlogging prevention for recent urban storm watermanagementJ.Water Resources Protection,2017,33(2):13-15. 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