摘要：利用上海市30個自動氣象站2007—2016年逐小時降水數據和上海市應急聯動平臺110 接報內澇災情數據，分析了近10 a上海市暴雨和內澇災情特征，并進一步研究致災暴雨過程與內澇災情的關系。結果表明：1)上海市暴雨空間分布反映了明顯的城市雨島特征，在水汽充沛的東部沿海和城市化水平較高的中心城區相對容易出現極端雨強;2)暴雨內澇災情年變化較大，月分布呈單峰型，日分布呈雙峰型，且內澇災情數在中心城區及各區中心較為密集，反映了承災體的空間分布特征;3)暴雨過程對內澇災情的貢獻作用明顯，內澇災情數與暴雨過程雨量、逐小時最大雨量和最大雨強顯著相關，與持續時間和影響站次低度相關;4)逐小時最大雨量等于過程雨量且<60 mm時，內澇災情數基本在20次以下，隨著過程雨量增加，特別是過程雨量>100 mm時，災情數急劇增加。暴雨特征與內澇災情關系研究對于暴雨內澇的預報、預警和服務具有重要意義。

　　關 鍵 詞：暴雨日數;暴雨過程;小時雨強;城市內澇;氣候變化

　　近年來，在全球氣候持續變暖和城市化進程加速發展的大背景下，極端降水發生的頻率和強度具有增加的趨勢[1-2]，極端降水造成的城市暴雨內澇災害已成為最突出的城市災害，危及城市的正常運轉和公眾的正常生活[3]。如2013年10月6—8日“菲特”臺風帶來的特大暴雨導致上海嚴重內澇，交通癱瘓，9.7萬人受災，直接經濟損失達9 300余萬元(據上海市民政局2013年10月10日報告)。目前，已有不少學者針對上海市降水時空分布、指標特征、趨勢變化和災害性降水開展研究，取得了許多有價值的研究成果[4-22]。但這些研究存在以下問題：1) 集中于11個氣象基準站或有代表性的個別站點，受限于空間分辨率較低，不能詳盡地揭示上海市內部降水空間差異特征;2)降水標準和指標選取過于單一，不能很好地反映不同標準和指標下降水的時空分布和變化特征;3)單一研究降水或災害性降水特征、極端降水與內澇災情關系的研究并不多見。鑒于此，本文利用上海市30個自動氣象站2007—2016年逐小時降水資料，分別從暴雨日數、暴雨過程和小時雨強三方面分析近10 a上海市暴雨時空分布特征，同時結合110接報的暴雨內澇災情數據，分析致災暴雨過程特征及特征量與內澇災情數的關系，以期為城市暴雨內澇的預報、預警和服務提供依據。

　　1 數據與方法

　　1.1 數據資料本文主要用到兩種類型的數據：一是上海市氣象局信息中心提供的2007—2016年上海市30個自動氣象站 (包含11個基準站) 小時雨量數據 (站點分布如圖1所示);二是 2007—2016 年上海市應急聯動平臺 110 接報的暴雨內澇災情數據，具體包括災情接報日期和時間、經緯度位置、災情內容、承災體及所屬行政區等指標，其中災情內容是指積水深度，以及房屋、道路、車輛、車庫等承災體受災描述。為保證小時雨量數據質量，綜合考慮降水資料的連續性、可靠性以及站點空間分布的均勻性：1) 剔除缺測數據超過總數據3% 的自動站點;2) 剔除小時降水量超過標準站2倍標準差、過程降水量超過周圍5 km范圍站點2倍標準差、年降水量超過周圍 5 km 范圍站點 50% 以上的自動站;3) 剔除站距小于 7 km 的自動站。最終選取圖 1 中 30 個自動氣象站的小時雨量數據進行暴雨特征分析。

　　1.2 分析方法

　　本文主要從暴雨日數、暴雨過程和小時雨強三方面對近10 a上海市暴雨時空特征進行對比分析，相關指標定義及來源如表1所示。其中，單站以12 h滑動雨量≥30.0 mm最先滑動時段的開始到最后滑動時段的結束作為一次暴雨過程，暴雨過程的起訖時間以最早站暴雨開始時間到最晚站暴雨結束時間來計算，且最早站暴雨結束時間與最晚站暴雨開始時間相隔<3 h，該時段單站最大總降水量作為該暴雨過程雨量[9]。針對一次暴雨過程，又可以根據暴雨強度、暴雨范圍和暴雨歷時等二級指標進一步分級。由于我國目前沒有關于小時雨強的劃分標準，本文暫以暴雨黃色預警信號 (1 h雨量≥ 35 mm)和暴雨紅色預警信號 (1 h雨量≥ 60 mm) [23]的小時雨強標準作為依據將暴雨的小時雨強分為3 個等級。

　　基于小時降水觀測數據和內澇災情報警數記錄，本文綜合運用氣象學、統計學與地理信息系統等研究方法與手段，在對上海市暴雨特征分析基礎上，進一步研究其與暴雨內澇災情的相關關系。基礎數據的處理采用Excel、Origin、Access、SPSS等常用統計分析軟件，空間分析采用ArcGIS的空間分析模塊進行制圖輸出，其中空間制圖采用克里金法和核密度法。

　　2 結果分析

　　根據上述上海市 2007—2016 年小時降水觀測數據統計可知：1) 從年統計值來看，以徐家匯站為例，年平均降水量為 1 348.3 mm;年最大降水量為 1 698.3 mm，出現在 2015年;年最少降水量為828.9 mm，出現在2011年。2) 從日統計值來看，日最大降水量出現在2016年9月15—16日，浦東新區雷達站日雨量達305.8 mm。3) 從暴雨過程統計值來看，過程最大降水量出現在 2016年9月15—16日，浦東新區雷達站過程雨量達 346.1 mm;過程最長持續時間出現在2010年7月3—5日，長達61 h;過程最大小時雨強出現在2008年8月25日，徐家匯站07：00～08：00雨強達117.5 mm;極端性最強過程出現在 2008 年 8 月 24—25 日，小時雨強超過 50.0 mm 出現 6 個時次，其中小時雨強超過 100.0 mm出現2個時次。

　　2.1 基于小時降水數據的上海市暴雨時空分布特征

　　基于表 1 中的暴雨指標定義和上海市 2007—2016 年小時降水數據，上海市暴雨日數、暴雨過程和小時雨強的年際和月際分布如圖2、圖3、圖4所示。

　　從暴雨日數時空分布特征來看(圖2)：1)近10 a上海市共出現暴雨日數172 d [圖2 (a)]，平均每年17.2 d，其中汛期6—9月出現暴雨日數143 d，占總暴雨日數的83%。2)暴雨日數最多的年份是 2008、2014 和 2016 年，暴雨日數達 20 d，最少的年份是 2013 年，僅12 d。3) 暴雨日數月際分布呈雙峰型 [圖2(b)]，6月和8月為兩個峰值，暴雨日數均為44 d。4)暴雨日數空間呈東北—西南向的帶狀分布 [圖3(a)]，由中心城區向西北和東南方向遞減，且東南沿海地區的暴雨日數明顯多于西北內陸地區的暴雨日數，這與年平均雨量空間分布大體一致。其中，浦東站 (其位于內環高架內，更多代表中心城區氣象狀況) 的暴雨日數最多，達42 d，嘉定瀏河站的暴雨日數最少，為21 d，僅為浦東站暴雨日數的一半。

　　從暴雨過程來看 (表2)：1) 近10 a上海市共出現暴雨過程 328次，平均每年 32.8 次，其中汛期6—9月出現暴雨過程242次，占總暴雨過程的74%。2)弱暴雨過程占總暴雨過程一半以上，有近2/3的暴雨過程是局部的，絕大部分暴雨過程歷時不超過1 d。3)近10 a上海市暴雨過程呈震蕩變化 [圖2(c)、(d)]，2013年以后逐年增加，最多的年份是 2016年，44次，最少的年份是2013年，21次。4) 暴雨過程的月際變化呈現以下特征： ① 8月暴雨過程頻數最多，近10 a達71次，即每年8月平均發生7次以上暴雨過程，6月和7月次之，平均發生6次以上暴雨過程;② 強暴雨、大片及以上暴雨、長歷時及以上暴雨更容易在6月出現，局部暴雨和小片暴雨在8月出現的頻數最高，10月為長歷時及以上暴雨發生頻數的最高月、全區暴雨發生的次高月。

　　小時雨強分布特征如下 (圖3、圖4)：1) 從月分布來看 [圖4(a)]，Ⅰ級雨強具有兩個峰值，分別出現在6月和8月，Ⅱ級雨強和Ⅲ級雨強僅在8月出現一個峰值，即雨強介于16.0~34.9 mm/h的暴雨在6月和8月出現的概率較大，雨強≥35.0 mm/h的暴雨更容易在8月出現。2) 從日分布來看 [圖4(b)]，Ⅰ級雨強集中出現的時段為15：00～19：00，其次是早晨 (05：00) 到上午 (11：00) 之間，但早晨到上午分布相對分散;Ⅱ級雨強集中出現的時段為13：00～16：00，比Ⅰ級雨強出現的集中時段相對偏早，其次是早晨07：00 前后;Ⅲ級雨強的日分布相對分散，14：00和16：00是兩個相對容易出現Ⅲ級雨強的時次。3) 由雨強頻數的空間分布 [圖3(b)、(c)、(d)] 可知，Ⅰ級雨強分布呈現東部沿海地區頻數明顯多于西部內陸地區，中心城區時數相對更多;Ⅱ級雨強空間分布相比Ⅰ級雨強更向中心城區集中;Ⅲ級雨強分布相對分散，但東部沿海、中心城區、各區交界處(如閔行、松江及奉賢交界處和嘉定、青浦及閔行交界處)相對更容易出現Ⅲ級雨強。

　　2.2 基于110報警數據的上海市內澇災情時空分布特征

　　根據上海市應急聯動平臺110接報暴雨內澇災情數據，暴雨內澇災情時空分布特征如圖5所示：1)近10 a上海市共出現暴雨內澇災情數16 655條 [圖5(a)]，平均每年1 665.5 條，其中汛期6—9月出現內澇災情數12 846條，占總內澇災情數的77%;內澇災情數年際變化差異大，最多的年份是 2013 年，4 817 條，最少的年份是 2010 年，僅 89 條。2)內澇災情數月際分布呈單峰型 [圖5(b)]，8月最多，6 685條，即8月年均接報內澇災情 668.5條，其次是10月和6月，分別為3 702條和3 082條。3) 內澇災情數日分布呈雙峰型 [圖5(c)]，16：00為接報內澇災情的峰值，近10 a共接報1 902條，08：00為接報內澇災情的次峰值，近10 a共接報1 277條。4) 內澇災情數空間分布在中心城區較為密集，中心城區占全市面積不到5%，但內澇災情數占全市內澇災情數的34%，這與人口活動的空間分布密不可分;內澇災情次密集區位于與中心城區相鄰地區和各區中心。

　　2.3 致災暴雨過程及其特征量與災情數的關系本文將有暴雨內澇災情接報的暴雨過程稱為致災暴雨過程，從致災暴雨過程來看(圖6)：1)近10 a上海市共出現致災暴雨過程172次，占全部暴雨過程的52%。2)災情數小于50條的致災暴雨過程占全部致災暴雨過程的82%，災情數大于1 000條的致災暴雨過程僅占全部致災暴雨過程的 2%左右。3) 最多的災情數達 3 500 多條，為 2013 年 “菲特”臺風引發的暴雨過程。

　　從近10 a上海市致災暴雨過程頻次 (表3) 來看，災情數超過50條的致災暴雨過程具有累計雨量大 (中等強度及以上)、持續時間長 (一般歷時及以上)、小時雨強強(70%的過程在Ⅱ級雨強及以上)、影響范圍廣 (70%的過程在大片范圍及以上) 的特點，其中災情數大于1 000條的致災暴雨過程均由強暴雨、長歷時以上及大片以上暴雨造成。

　　為分析暴雨內澇災情接報數與致災暴雨特征量的關系，本文首先分析了致災暴雨特征量與暴雨內澇災情接報數對數的相關關系(圖7)，從圖7可以看出：1)暴雨過程接報內澇災情數與暴雨持續時間、過程雨量、平均雨強、最大雨強、影響站次、逐1~6 h最大雨量都密切相關(P<0.01)[圖7(a)]，其中，從相關系數高低可以看出，內澇災情數與過程雨量、最大雨強和逐 1~6 h最大雨量顯著相關，與持續時間和影響站次低度相關，與平均雨強微弱相關。2) 隨著暴雨過程雨量和4 h最大雨量的增加，暴雨內澇災情數呈上升的趨勢 [圖7(b)、(c)]。

　　在相關關系分析基礎上，圖8進一步給出暴雨過程接報災情數與逐小時最大雨量的定量關系：1) 當逐小時最大雨量等于過程雨量，逐1 h、2 h、3 h最大雨量<50 mm或逐 4 h、5 h、6 h最大雨量<60 mm時，災情數變化不大，基本在20條以下;2) 當逐1 h、 2 h、3 h最大雨量≥ 50 mm或逐4 h、5 h、6 h最大雨量≥60 mm時，災情數逐漸增多，大部分致災暴雨過程的災情數都超過20條;3)當逐1 h最大雨量<20 mm，或逐2 h最大雨量<30 mm，或逐3 h最大雨量<40 mm，或逐4 h以上最大雨量<50 mm，過程雨量逐漸增加時，災情數的變化并不明顯，基本在20條以下;4) 當逐1 h最大雨量超過20 mm，或逐2 h最大雨量超過30 mm，或逐3 h最大雨量超過40 mm，或逐4 h以上雨量超過50 mm，隨著過程雨量逐漸增加，特別是過程雨量超過100 mm時，災情數急劇增加。

　　期刊推薦：《暴雨災害》(季刊)創刊于1982年，由中國氣象局武漢暴雨研究所主辦。本刊將注重特色、打造精品、強調學術品位作為辦刊初期的編輯思想，將該刊定位為著眼大氣科學，立足暴雨及氣象災害子學科，延伸至天氣氣候等鄰近學科，以專業化、精品化、特色化為主線，演繹學科交叉滲透產生的學術新成果。

　　3 討論

　　3.1 不同暴雨標準對比本文以暴雨日數、暴雨過程和小時雨強3個一級指標對2007—2016年上海市暴雨的趨勢性、完整性和極端性進行分析。暴雨日數是氣象部門常用來表征一定時間內暴雨變化趨勢的指標量，但該指標有兩個明顯不足：1) 無法揭示中小尺度天氣系統形成的暴雨;2)無法描述一次完整的暴雨過程。暴雨過程指標可以彌補暴雨日數指標的不足，既可以揭示天氣尺度和中小尺度天氣系統形成的暴雨，同時保證暴雨過程的完整性。小時雨強在一定程度上描述了暴雨過程的極端性。總之，除了暴雨日數和小時雨強，暴雨過程指標是刻畫暴雨影響的關鍵表征指標，且暴雨過程雨量、最大雨強和逐1~6 h最大雨量與暴雨內澇災情密切相關(圖7)。