城市降雨趋势与特征分析

《上海市区域除涝能力调查评估专项报告》统计分析了上海市1981—2010年共30年的气象站资料，结果显示，上海市平均每年遇到暴雨频次东部多于西部，市区最多，浦东次之，青浦、嘉定、崇明最少。一方面是由于台风暴雨较多；另一方面受城市热岛效应、雨岛效应的影响，相同天气和水汽条件下城市中心区下垫面向近地层输送热量较为强烈，易加强近地层的对流运动，形成暴雨。同时，气候变化的影响造成上海市气温升高、降水量小幅增加、极端降水频次增加、台风频次增加、降水强度增强、海平面上升等。

以下从降雨强度、降雨历时和降雨雨型三方面分析上海市中心城区的降雨特征与趋势。

1．降雨强度

降雨强度是指单位时间单位面积上的降水高度，是划分降雨类型的重要指标。如《上海市防汛手册》规定将24 h降雨量超过200 mm的降水称为特大暴雨。在城市防内涝对策中，预测暴雨强度公式是制定防洪设施建设标准的重要依据。一般通过对降雨事件历史数据的观测、收集，按照一定的概率统计分析方法，如皮尔逊Ⅲ型分布曲线，以年最大值法或年多个样法构建设计暴雨强度公式。按照目前我国《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）的要求，明确在具有20年以上自记雨量记录的地区，有条件的地区可用30年以上的雨量系列，选样方法采用年最大值法。上海市已积累了64年的雨量系统资料，客观反映了当前的气候变化规律，因此采用年最大值法对原暴雨强度公式进行修编。

上海现行暴雨强度公式：

修编公式：

式中　q——设计暴雨强度[L/（s·hm2）]；

P——设计暴雨重现期（a）；

t——设计降雨历时（min）。

暴雨强度公式应用于城市排水设计最终反映在设计雨量或强度上，为此根据修编公式的计算得到的1 h降雨量与现行公式进行对比，以反映城区降雨的现状，结果见图5-1及表5-1。同时为了对比分析，也将根据年多个样法编制的暴雨强度公式的结果进行了对比。

图5-1　修编公式与现行公式的1 h设计降雨量比较

来源：《上海市区域除涝能力调查评估专项报告》。

表5-1　修编公式与现行公式的1 h设计降雨量比较　（单位：mm）(www.xing528.com)

来源：《上海市区域除涝能力调查评估专项报告》。

从图5-1和表5-1中可以看出，重现期为1～20年范围内的修编公式计算的1 h设计降雨量比现行公式的计算值分别偏大1．0 mm，1．5 mm，1．7 mm，1．8 mm，1．6 mm及0．9 mm，增加幅度分别为2．8%，3．4%，3．4%，3．2%，2．4%及1．2%。

上海年均降雨量以50．9 mm/10 a的速率递增，降雨天数以3 d/10 a的速率递减，灾害性降雨多为暴雨和短历时强降雨，年均暴雨天数为3 d，但雨量占全年雨量的1/5。因气候变暖和城市热岛效应，上海地区近年来暴雨有逐渐向强、局部、短时间方向变化。因此，按照修编的暴雨强度公式，可以较好地适应目前上海市降雨强度增加的趋势。但从长远看，降雨强度增加幅度仍有很大的不确定性。

2．降雨历时

研究表明，上海市降雨历时出现明显两级分化的特征：一方面暴雨强降雨历时短、峰值大，另一方面台风携带降雨历时长、强度大。参考《上海市短历时暴雨强度公式修编与设计雨型研究》的初步成果，上海1980—2013年的129场暴雨样本中，最大的特大暴雨发生于2001年8月5日，该降雨总历时26 h，总雨量288．6 mm，其中最大24 h降雨量为286．8 mm，在24 h降雨历时内，雨量主要集中于降雨的前半段，见图5-2。暴雨雨峰位于第13 h，最大小时雨量达到50 mm，接近3年一遇的标准；最大2 h降雨量为78．2 mm；最大3 h降雨量为119 mm。可见，同一场降雨，降雨历时的取值越短，最大雨量越大。上海市城市排水系统设计中用于估计雨量的降雨历时通常考虑0．5 h，1 h及1．5 h。

3．降雨雨型

降雨量时程分布，即降雨雨型，是表示一场降雨历时的降雨强度分布情况。常用的降雨量时程分布（即雨型）有：均匀雨型、Keifer＆Chu雨型（芝加哥雨型）、SCS雨型、Huff雨型、Pilgrim＆Cordery雨型、Yen＆Chow雨型（三角形雨型）等。不同的雨型，对设计暴雨量影响较大，会引起较大误差。如比较均匀雨型和芝加哥雨型，同一历时的相同降雨量，由于雨型的不同，造成的降雨强度显著不同，芝加哥雨型下的最大降雨强度为14 mm/5 min，均匀雨型下的最大降雨强度为4．9 mm/5 min，如图5-3所示，从而根据降雨强度规划建设的排水设施设计值也不同。根据宁静（2006）的研究，120 min 1年一遇和3年一遇均匀雨型计算下的暴雨洪峰径流量较芝加哥雨型分别偏小43%和47%，可见如果忽略雨型变化的影响，以均匀雨型作为洪峰径流量的计算前提，其结果比实际情况偏小，多余的洪水将造成安全隐患。目前，上海市的降雨雨型以芝加哥雨型为主，但是一些强降雨引起的严重内涝事件雨型变化较多，如图5-2所示，2001年8月5日特大暴雨24 h历时具有两个雨峰，具有较大的不确定性。

图5-2　2001年8月5日暴雨最大24 h实测降雨过程

来源：《上海市短历时暴雨强度公式修编与设计雨型研究》。

图5-3　5年一遇芝加哥雨型（T=120 m in，r=0.405）和均匀雨型（T=120 m in，r=1）

全球气候变化和局地小气候（热岛雨岛效应）叠加影响，推测上海市中心城区在可以预见的将来其降雨发展趋势为：短期降雨强度增加、长历时降雨频次增加以及雨型紊乱。但是由于环境变化和人类活动影响的不确定性，降雨发展趋势仍无法定量化。通常的应对办法是以历史数据统计分析进行未来一定概率下的确定性预测，如暴雨强度公式、芝加哥雨型等。因此，以确定性的经验公式应对未来的不确定性问题，存在一定的风险，尤其是降雨特征的发展趋势向不利于城市防灾的方向发展，如何提高未来降雨趋势预测的可靠度？合理的城市排水分区是措施之一。