摘要：利用上海市30個自動氣象站2007—2016年逐小時降水?dāng)?shù)據(jù)和上海市應(yīng)急聯(lián)動平臺110 接報內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)據(jù)，分析了近10 a上海市暴雨和內(nèi)澇災(zāi)情特征，并進一步研究致災(zāi)暴雨過程與內(nèi)澇災(zāi)情的關(guān)系。結(jié)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(qū)相對容易出現(xiàn)極端雨強;2)暴雨內(nèi)澇災(zāi)情年變化較大，月分布呈單峰型，日分布呈雙峰型，且內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)在中心城區(qū)及各區(qū)中心較為密集，反映了承災(zāi)體的空間分布特征;3)暴雨過程對內(nèi)澇災(zāi)情的貢獻作用明顯，內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)與暴雨過程雨量、逐小時最大雨量和最大雨強顯著相關(guān)，與持續(xù)時間和影響站次低度相關(guān);4)逐小時最大雨量等于過程雨量且<60 mm時，內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)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(zāi)情數(shù)急劇增加。暴雨特征與內(nèi)澇災(zāi)情關(guān)系研究對于暴雨內(nèi)澇的預(yù)報、預(yù)警和服務(wù)具有重要意義。

　　關(guān) 鍵 詞：暴雨日數(shù);暴雨過程;小時雨強;城市內(nèi)澇;氣候變化

　　近年來，在全球氣候持續(xù)變暖和城市化進程加速發(fā)展的大背景下，極端降水發(fā)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(nèi)澇災(zāi)害已成為最突出的城市災(zāi)害，危及城市的正常運轉(zhuǎn)和公眾的正常生活[3]。如2013年10月6—8日“菲特”臺風(fēng)帶來的特大暴雨導(dǎo)致上海嚴(yán)重內(nèi)澇，交通癱瘓，9.7萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失達9 300余萬元(據(jù)上海市民政局2013年10月10日報告)。目前，已有不少學(xué)者針對上海市降水時空分布、指標(biāo)特征、趨勢變化和災(zāi)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(zhǔn)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(nèi)部降水空間差異特征;2)降水標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)選取過于單一，不能很好地反映不同標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)下降水的時空分布和變化特征;3)單一研究降水或災(zāi)害性降水特征、極端降水與內(nèi)澇災(zāi)情關(guān)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(shù)、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(jié)合110接報的暴雨內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)據(jù)，分析致災(zāi)暴雨過程特征及特征量與內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)的關(guān)系，以期為城市暴雨內(nèi)澇的預(yù)報、預(yù)警和服務(wù)提供依據(jù)。

　　1 數(shù)據(jù)與方法

　　1.1 數(shù)據(jù)資料本文主要用到兩種類型的數(shù)據(jù)：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(zhǔn)站) 小時雨量數(shù)據(jù) (站點分布如圖1所示);二是 2007—2016 年上海市應(yīng)急聯(lián)動平臺 110 接報的暴雨內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)據(jù)，具體包括災(zāi)情接報日期和時間、經(jīng)緯度位置、災(zāi)情內(nèi)容、承災(zāi)體及所屬行政區(qū)等指標(biāo)，其中災(zāi)情內(nèi)容是指積水深度，以及房屋、道路、車輛、車庫等承災(zāi)體受災(zāi)描述。為保證小時雨量數(shù)據(jù)質(zhì)量，綜合考慮降水資料的連續(xù)性、可靠性以及站點空間分布的均勻性：1) 剔除缺測數(shù)據(jù)超過總數(shù)據(jù)3% 的自動站點;2) 剔除小時降水量超過標(biāo)準(zhǔn)站2倍標(biāo)準(zhǔn)差、過程降水量超過周圍5 km范圍站點2倍標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)進行暴雨特征分析。

　　1.2 分析方法

　　本文主要從暴雨日數(shù)、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(guān)指標(biāo)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(jié)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(jié)束時間來計算，且最早站暴雨結(jié)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(jù)暴雨強度、暴雨范圍和暴雨歷時等二級指標(biāo)進一步分級。由于我國目前沒有關(guān)于小時雨強的劃分標(biāo)準(zhǔn)，本文暫以暴雨黃色預(yù)警信號 (1 h雨量≥ 35 mm)和暴雨紅色預(yù)警信號 (1 h雨量≥ 60 mm) [23]的小時雨強標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)將暴雨的小時雨強分為3 個等級。

　　基于小時降水觀測數(shù)據(jù)和內(nèi)澇災(zāi)情報警數(shù)記錄，本文綜合運用氣象學(xué)、統(tǒng)計學(xué)與地理信息系統(tǒng)等研究方法與手段，在對上海市暴雨特征分析基礎(chǔ)上，進一步研究其與暴雨內(nèi)澇災(zāi)情的相關(guān)關(guān)系。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理采用Excel、Origin、Access、SPSS等常用統(tǒng)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(jié)果分析

　　根據(jù)上述上海市 2007—2016 年小時降水觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知：1) 從年統(tǒng)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(xiàn)在 2015年;年最少降水量為828.9 mm，出現(xiàn)在2011年。2) 從日統(tǒng)計值來看，日最大降水量出現(xiàn)在2016年9月15—16日，浦東新區(qū)雷達站日雨量達305.8 mm。3) 從暴雨過程統(tǒng)計值來看，過程最大降水量出現(xiàn)在 2016年9月15—16日，浦東新區(qū)雷達站過程雨量達 346.1 mm;過程最長持續(xù)時間出現(xiàn)在2010年7月3—5日，長達61 h;過程最大小時雨強出現(xiàn)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(xiàn)在 2008 年 8 月 24—25 日，小時雨強超過 50.0 mm 出現(xiàn) 6 個時次，其中小時雨強超過 100.0 mm出現(xiàn)2個時次。

　　2.1 基于小時降水?dāng)?shù)據(jù)的上海市暴雨時空分布特征

　　基于表 1 中的暴雨指標(biāo)定義和上海市 2007—2016 年小時降水?dāng)?shù)據(jù)，上海市暴雨日數(shù)、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(shù)時空分布特征來看(圖2)：1)近10 a上海市共出現(xiàn)暴雨日數(shù)172 d [圖2 (a)]，平均每年17.2 d，其中汛期6—9月出現(xiàn)暴雨日數(shù)143 d，占總暴雨日數(shù)的83%。2)暴雨日數(shù)最多的年份是 2008、2014 和 2016 年，暴雨日數(shù)達 20 d，最少的年份是 2013 年，僅12 d。3) 暴雨日數(shù)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(shù)均為44 d。4)暴雨日數(shù)空間呈東北—西南向的帶狀分布 [圖3(a)]，由中心城區(qū)向西北和東南方向遞減，且東南沿海地區(qū)的暴雨日數(shù)明顯多于西北內(nèi)陸地區(qū)的暴雨日數(shù)，這與年平均雨量空間分布大體一致。其中，浦東站 (其位于內(nèi)環(huán)高架內(nèi)，更多代表中心城區(qū)氣象狀況) 的暴雨日數(shù)最多，達42 d，嘉定瀏河站的暴雨日數(shù)最少，為21 d，僅為浦東站暴雨日數(shù)的一半。

　　從暴雨過程來看 (表2)：1) 近10 a上海市共出現(xiàn)暴雨過程 328次，平均每年 32.8 次，其中汛期6—9月出現(xiàn)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(xiàn)以下特征： ① 8月暴雨過程頻數(shù)最多，近10 a達71次，即每年8月平均發(fā)生7次以上暴雨過程，6月和7月次之，平均發(fā)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(xiàn)，局部暴雨和小片暴雨在8月出現(xiàn)的頻數(shù)最高，10月為長歷時及以上暴雨發(fā)生頻數(shù)的最高月、全區(qū)暴雨發(fā)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(xiàn)在6月和8月，Ⅱ級雨強和Ⅲ級雨強僅在8月出現(xiàn)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(xiàn)的概率較大，雨強≥35.0 mm/h的暴雨更容易在8月出現(xiàn)。2) 從日分布來看 [圖4(b)]，Ⅰ級雨強集中出現(xiàn)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(xiàn)的時段為13：00～16：00，比Ⅰ級雨強出現(xiàn)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(xiàn)Ⅲ級雨強的時次。3) 由雨強頻數(shù)的空間分布 [圖3(b)、(c)、(d)] 可知，Ⅰ級雨強分布呈現(xiàn)東部沿海地區(qū)頻數(shù)明顯多于西部內(nèi)陸地區(qū)，中心城區(qū)時數(shù)相對更多;Ⅱ級雨強空間分布相比Ⅰ級雨強更向中心城區(qū)集中;Ⅲ級雨強分布相對分散，但東部沿海、中心城區(qū)、各區(qū)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(xiàn)Ⅲ級雨強。

　　2.2 基于110報警數(shù)據(jù)的上海市內(nèi)澇災(zāi)情時空分布特征

　　根據(jù)上海市應(yīng)急聯(lián)動平臺110接報暴雨內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)據(jù)，暴雨內(nèi)澇災(zāi)情時空分布特征如圖5所示：1)近10 a上海市共出現(xiàn)暴雨內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)16 655條 [圖5(a)]，平均每年1 665.5 條，其中汛期6—9月出現(xiàn)內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)12 846條，占總內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)的77%;內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)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(nèi)澇災(zāi)情數(shù)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(nèi)澇災(zāi)情 668.5條，其次是10月和6月，分別為3 702條和3 082條。3) 內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)日分布呈雙峰型 [圖5(c)]，16：00為接報內(nèi)澇災(zāi)情的峰值，近10 a共接報1 902條，08：00為接報內(nèi)澇災(zāi)情的次峰值，近10 a共接報1 277條。4) 內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)空間分布在中心城區(qū)較為密集，中心城區(qū)占全市面積不到5%，但內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)占全市內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)的34%，這與人口活動的空間分布密不可分;內(nèi)澇災(zāi)情次密集區(qū)位于與中心城區(qū)相鄰地區(qū)和各區(qū)中心。

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

　　從近10 a上海市致災(zāi)暴雨過程頻次 (表3) 來看，災(zāi)情數(shù)超過50條的致災(zāi)暴雨過程具有累計雨量大 (中等強度及以上)、持續(xù)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(zāi)情數(shù)大于1 000條的致災(zāi)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(nèi)澇災(zāi)情接報數(shù)與致災(zāi)暴雨特征量的關(guān)系，本文首先分析了致災(zāi)暴雨特征量與暴雨內(nèi)澇災(zāi)情接報數(shù)對數(shù)的相關(guān)關(guān)系(圖7)，從圖7可以看出：1)暴雨過程接報內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)與暴雨持續(xù)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(guān)(P<0.01)[圖7(a)]，其中，從相關(guān)系數(shù)高低可以看出，內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)與過程雨量、最大雨強和逐 1~6 h最大雨量顯著相關(guān)，與持續(xù)時間和影響站次低度相關(guān)，與平均雨強微弱相關(guān)。2) 隨著暴雨過程雨量和4 h最大雨量的增加，暴雨內(nèi)澇災(zāi)情數(shù)呈上升的趨勢 [圖7(b)、(c)]。

　　在相關(guān)關(guān)系分析基礎(chǔ)上，圖8進一步給出暴雨過程接報災(zāi)情數(shù)與逐小時最大雨量的定量關(guān)系：1) 當(dāng)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(zāi)情數(shù)變化不大，基本在20條以下;2) 當(dāng)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(zāi)情數(shù)逐漸增多，大部分致災(zāi)暴雨過程的災(zāi)情數(shù)都超過20條;3)當(dāng)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(zāi)情數(shù)的變化并不明顯，基本在20條以下;4) 當(dāng)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(zāi)情數(shù)急劇增加。

　　期刊推薦：《暴雨災(zāi)害》(季刊)創(chuàng)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(diào)學(xué)術(shù)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(xué)，立足暴雨及氣象災(zāi)害子學(xué)科，延伸至天氣氣候等鄰近學(xué)科，以專業(yè)化、精品化、特色化為主線，演繹學(xué)科交叉滲透產(chǎn)生的學(xué)術(shù)新成果。

　　3 討論

　　3.1 不同暴雨標(biāo)準(zhǔn)對比本文以暴雨日數(shù)、暴雨過程和小時雨強3個一級指標(biāo)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(shù)是氣象部門常用來表征一定時間內(nèi)暴雨變化趨勢的指標(biāo)量，但該指標(biāo)有兩個明顯不足：1) 無法揭示中小尺度天氣系統(tǒng)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(biāo)可以彌補暴雨日數(shù)指標(biāo)的不足，既可以揭示天氣尺度和中小尺度天氣系統(tǒng)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(shù)和小時雨強，暴雨過程指標(biāo)是刻畫暴雨影響的關(guān)鍵表征指標(biāo)，且暴雨過程雨量、最大雨強和逐1~6 h最大雨量與暴雨內(nèi)澇災(zāi)情密切相關(guān)(圖7)。