上海城市降雨量和强度分析

上海位于北纬31°14′,东经121°29′,居于我国大陆海岸线的中心,是长江流域的门户,东濒浩瀚的东海,西连富庶的太湖流域,南临杭州湾,北届长江,是中国最大的江海港口。上海的气候属北亚热带季风气候,四季分明,雨量充沛,平均年降雨量约为1 150．6 mm,全年70%以上的雨量集中在5—9月的汛期,汛期易受到热带气旋暴雨的袭击。上海是典型的平原河网城市,是长江三角洲冲积平原的一部分,地势平坦,境内除西南部有少数丘陵山脉外,多为低平的平原,地势总趋势由东向西低微倾斜,平均海拔高度约为4 m。

1．上海城市降雨量趋势分析

根据1873—2008年上海年降雨量距平和趋势(图2-8),可见上海年降水量的变化比较复杂,2000年以后降水偏多,总体有微弱增加的趋势。1991—2014年,上海平均年降水量为1 132．9 mm,比前30年年降水量的平均值增加11%(图2-9)。城市化是影响其下风向降水量变化的可能原因之一,其影响机制包括热岛效应、阻碍效应和凝结核效应。如在有利于对流性天气发生的条件下,城市热岛可能产生叠加机制,即湿热的不稳定空气层结条件下由热岛上升气流触发的暴雨;且城市高大建筑物的粗糙程度大于空旷地区,能减缓降水系统的移动速度使其在城区滞留,导致降水强度增大,降雨时间延长;此外,悬浮颗粒物中硫酸盐、盐酸盐含量高,容易形成城市高密度凝结核。

就降雨量分布情况而言,总体上呈现南多北少的特征。上海平均年降雨量日数为122～136 d,南部金山降雨日数最多,与最少的宝山相差111 d;年降水日数的区域差异性有所增大,闵行、松江和宝山的降水日数减少最多;各季节降水日数的增减变化幅度的地区差异性较小。

图2-8　1873—2008年年降水量距平和趋势

图2-9　2005—2014年上海年平均降雨量(上海气象中心资料)(www.xing528.com)

此外,上海地区各级降水日数以小雨日数地区变化差异最大,如宝山、闵行和松江减少8～11 d,南汇、金山仅减少1 d,中雨日数以黄浦、闵行、宝山和松江增加较多,大雨和暴雨的日数变化地区差异性较小,大部分地区仅增加了1 d左右。

2．上海城市降雨强度分析

除降雨量之外,降水强度也是影响城乡绿地蓄水功能的重要自然环境因素之一。降雨强度表示单位时间内(d)降水量的大小,也代表了降水量的可利用程度。一般根据过程雨量来划分暴雨强度,如大雨的过程雨量25～50 mm/24 h,中雨的过程雨量在10～25 mm/24 h,小雨的过程雨量在＜10 mm/24 h。根据上海1979—2008年的降水数据,大雨、中雨和小雨分别占14%、27%和59%,可见小雨和中雨占总暴雨的一半以上;48%的降水是局部性的,22%的降水是小片区的,仅15%的降水是整个上海市的;80%的降水过程不超过1 d,其中短、特短暴雨分别占18%和17%,最大雨强达16．1 mm/h。短时暴雨雨强越大,越容易导致城市水涝问题。由于近年上海地区降水量增加,而降水日数却有所减少,致使年平均降水强度达9．2 mm/d,比前30年增强了12%,各季降水强度以夏季(6—8月)和冬季增强最明显,增大幅度为23%～48%。上海各区县的平均降水强度8．6～10．1 mm/h,黄浦和浦东的降雨强度最大,增强了15%～17%,而西南郊区金山的降雨强度最小,增强仅5%。降水强度最高的市区与最低的金山之间相差约1．5 mm/d,且降水强度的地理分布差异有明显增大。从不同强度降水频次的年际变化来看,1991年以后小雨有逐渐减少的趋势,而中雨和大雨的发生频数却有逐年增多的趋势,年平均中、大雨发生频数同比增多约1．6次。近30年,上海地区降水主要出现在5—9月,集中于8、9月,中、小雨分布均匀,以小雨最多,中雨次之,大到暴雨最少。综上所述,1995年以来,上海地区5—9月降水特征逐渐转向强、中、局部、特短的方向演变,且年平均降水雨强增加(以50．9 mm/10 a速度递增),短时局部性强降水产生的大量地表径流易对农田、城市交通、地下建筑等产生不利影响,已经成为上海地区最有破坏力的气象灾害之一。

以上海宝山站2001—2010年分钟降雨数据为基础,对上海的降雨短历时强度特征进行分析,并将数据划分为不同场次的独立降雨事件,以分析各降雨事件最大小时降雨强度的频率分布特征。最大1 h降雨强度的分析结果表明,90%的降雨事件强度不超过10 mm/h(图2-10)。根据上海市排水系统1年一遇36 mm/h重现期标准,仅有12场降雨达到或高于该设计标准,4场高于3年一遇重现期标准(50 mm/h),2场高于5年一遇重现期标准(57 mm/h)。因此,从灰色基础设施(排水系统)设计角度,降雨短历时强度的出现频率基本与设计频率相吻合。但近5年来,上海的短历时强降雨频率增多,这无疑会增加城市灰色基础设施的负荷,加剧城市内涝风险。

综上所述,受到城市热岛效应、阻碍效应和凝结核效应等因素的影响,近10年上海平均年降雨量增加约11%,降雨强度增强约12%,且90%降雨的瞬时雨强约在10 mm/h,即以小雨和中雨为主。由于城市雨岛效应,上海市区的降水增幅较大平均年增长率高于周边郊县约0．5倍;降雨强度也以黄浦和浦东等地区最大。短时降水强度的增大容易导致地表径流量增加,径流系数增大,灰色基础设施负荷增大,城市内涝风险提升。可见,相比近郊及远郊地区,上海市区的水生态环境恢复面临着更大的困难和挑战,对城市低影响开发设施的需求也更迫切,其目标主要是应对小雨和中雨产生的径流影响,这也符合海绵城市的雨洪管控功能的服务范围。

图2-10　上海最大瞬时降雨量频率分布