2007—2016年上海市暴雨特征及其与内涝灾情关系分析

　　摘要：利用上海市30个自动气象站2007—2016年逐小时降水数据和上海市应急联动平台110 接报内涝灾情数据，分析了近10 a上海市暴雨和内涝灾情特征，并进一步研究致灾暴雨过程与内涝灾情的关系。结果表明：1)上海市暴雨空间分布反映了明显的城市雨岛特征，在水汽充沛的东部沿海和城市化水平较高的中心城区相对容易出现极端雨强;2)暴雨内涝灾情年变化较大，月分布呈单峰型，日分布呈双峰型，且内涝灾情数在中心城区及各区中心较为密集，反映了承灾体的空间分布特征;3)暴雨过程对内涝灾情的贡献作用明显，内涝灾情数与暴雨过程雨量、逐小时最大雨量和最大雨强显著相关，与持续时间和影响站次低度相关;4)逐小时最大雨量等于过程雨量且<60 mm时，内涝灾情数基本在20次以下，随着过程雨量增加，特别是过程雨量>100 mm时，灾情数急剧增加。暴雨特征与内涝灾情关系研究对于暴雨内涝的预报、预警和服务具有重要意义。

　　关 键 词：暴雨日数;暴雨过程;小时雨强;城市内涝;气候变化

　　近年来，在全球气候持续变暖和城市化进程加速发展的大背景下，极端降水发生的频率和强度具有增加的趋势[1-2]，极端降水造成的城市暴雨内涝灾害已成为最突出的城市灾害，危及城市的正常运转和公众的正常生活[3]。如2013年10月6—8日“菲特”台风带来的特大暴雨导致上海严重内涝，交通瘫痪，9.7万人受灾，直接经济损失达9 300余万元(据上海市民政局2013年10月10日报告)。目前，已有不少学者针对上海市降水时空分布、指标特征、趋势变化和灾害性降水开展研究，取得了许多有价值的研究成果[4-22]。但这些研究存在以下问题：1) 集中于11个气象基准站或有代表性的个别站点，受限于空间分辨率较低，不能详尽地揭示上海市内部降水空间差异特征;2)降水标准和指标选取过于单一，不能很好地反映不同标准和指标下降水的时空分布和变化特征;3)单一研究降水或灾害性降水特征、极端降水与内涝灾情关系的研究并不多见。鉴于此，本文利用上海市30个自动气象站2007—2016年逐小时降水资料，分别从暴雨日数、暴雨过程和小时雨强三方面分析近10 a上海市暴雨时空分布特征，同时结合110接报的暴雨内涝灾情数据，分析致灾暴雨过程特征及特征量与内涝灾情数的关系，以期为城市暴雨内涝的预报、预警和服务提供依据。

　　1 数据与方法

　　1.1 数据资料本文主要用到两种类型的数据：一是上海市气象局信息中心提供的2007—2016年上海市30个自动气象站 (包含11个基准站) 小时雨量数据 (站点分布如图1所示);二是 2007—2016 年上海市应急联动平台 110 接报的暴雨内涝灾情数据，具体包括灾情接报日期和时间、经纬度位置、灾情内容、承灾体及所属行政区等指标，其中灾情内容是指积水深度，以及房屋、道路、车辆、车库等承灾体受灾描述。为保证小时雨量数据质量，综合考虑降水资料的连续性、可靠性以及站点空间分布的均匀性：1) 剔除缺测数据超过总数据3% 的自动站点;2) 剔除小时降水量超过标准站2倍标准差、过程降水量超过周围5 km范围站点2倍标准差、年降水量超过周围 5 km 范围站点 50% 以上的自动站;3) 剔除站距小于 7 km 的自动站。最终选取图 1 中 30 个自动气象站的小时雨量数据进行暴雨特征分析。

　　1.2 分析方法

　　本文主要从暴雨日数、暴雨过程和小时雨强三方面对近10 a上海市暴雨时空特征进行对比分析，相关指标定义及来源如表1所示。其中，单站以12 h滑动雨量≥30.0 mm最先滑动时段的开始到最后滑动时段的结束作为一次暴雨过程，暴雨过程的起讫时间以最早站暴雨开始时间到最晚站暴雨结束时间来计算，且最早站暴雨结束时间与最晚站暴雨开始时间相隔<3 h，该时段单站最大总降水量作为该暴雨过程雨量[9]。针对一次暴雨过程，又可以根据暴雨强度、暴雨范围和暴雨历时等二级指标进一步分级。由于我国目前没有关于小时雨强的划分标准，本文暂以暴雨黄色预警信号 (1 h雨量≥ 35 mm)和暴雨红色预警信号 (1 h雨量≥ 60 mm) [23]的小时雨强标准作为依据将暴雨的小时雨强分为3 个等级。

　　基于小时降水观测数据和内涝灾情报警数记录，本文综合运用气象学、统计学与地理信息系统等研究方法与手段，在对上海市暴雨特征分析基础上，进一步研究其与暴雨内涝灾情的相关关系。基础数据的处理采用Excel、Origin、Access、SPSS等常用统计分析软件，空间分析采用ArcGIS的空间分析模块进行制图输出，其中空间制图采用克里金法和核密度法。

　　2 结果分析

　　根据上述上海市 2007—2016 年小时降水观测数据统计可知：1) 从年统计值来看，以徐家汇站为例，年平均降水量为 1 348.3 mm;年最大降水量为 1 698.3 mm，出现在 2015年;年最少降水量为828.9 mm，出现在2011年。2) 从日统计值来看，日最大降水量出现在2016年9月15—16日，浦东新区雷达站日雨量达305.8 mm。3) 从暴雨过程统计值来看，过程最大降水量出现在 2016年9月15—16日，浦东新区雷达站过程雨量达 346.1 mm;过程最长持续时间出现在2010年7月3—5日，长达61 h;过程最大小时雨强出现在2008年8月25日，徐家汇站07：00～08：00雨强达117.5 mm;极端性最强过程出现在 2008 年 8 月 24—25 日，小时雨强超过 50.0 mm 出现 6 个时次，其中小时雨强超过 100.0 mm出现2个时次。

　　2.1 基于小时降水数据的上海市暴雨时空分布特征

　　基于表 1 中的暴雨指标定义和上海市 2007—2016 年小时降水数据，上海市暴雨日数、暴雨过程和小时雨强的年际和月际分布如图2、图3、图4所示。

　　从暴雨日数时空分布特征来看(图2)：1)近10 a上海市共出现暴雨日数172 d [图2 (a)]，平均每年17.2 d，其中汛期6—9月出现暴雨日数143 d，占总暴雨日数的83%。2)暴雨日数最多的年份是 2008、2014 和 2016 年，暴雨日数达 20 d，最少的年份是 2013 年，仅12 d。3) 暴雨日数月际分布呈双峰型 [图2(b)]，6月和8月为两个峰值，暴雨日数均为44 d。4)暴雨日数空间呈东北—西南向的带状分布 [图3(a)]，由中心城区向西北和东南方向递减，且东南沿海地区的暴雨日数明显多于西北内陆地区的暴雨日数，这与年平均雨量空间分布大体一致。其中，浦东站 (其位于内环高架内，更多代表中心城区气象状况) 的暴雨日数最多，达42 d，嘉定浏河站的暴雨日数最少，为21 d，仅为浦东站暴雨日数的一半。

　　从暴雨过程来看 (表2)：1) 近10 a上海市共出现暴雨过程 328次，平均每年 32.8 次，其中汛期6—9月出现暴雨过程242次，占总暴雨过程的74%。2)弱暴雨过程占总暴雨过程一半以上，有近2/3的暴雨过程是局部的，绝大部分暴雨过程历时不超过1 d。3)近10 a上海市暴雨过程呈震荡变化 [图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) 暴雨过程的月际变化呈现以下特征： ① 8月暴雨过程频数最多，近10 a达71次，即每年8月平均发生7次以上暴雨过程，6月和7月次之，平均发生6次以上暴雨过程;② 强暴雨、大片及以上暴雨、长历时及以上暴雨更容易在6月出现，局部暴雨和小片暴雨在8月出现的频数最高，10月为长历时及以上暴雨发生频数的最高月、全区暴雨发生的次高月。

　　小时雨强分布特征如下 (图3、图4)：1) 从月分布来看 [图4(a)]，Ⅰ级雨强具有两个峰值，分别出现在6月和8月，Ⅱ级雨强和Ⅲ级雨强仅在8月出现一个峰值，即雨强介于16.0~34.9 mm/h的暴雨在6月和8月出现的概率较大，雨强≥35.0 mm/h的暴雨更容易在8月出现。2) 从日分布来看 [图4(b)]，Ⅰ级雨强集中出现的时段为15：00～19：00，其次是早晨 (05：00) 到上午 (11：00) 之间，但早晨到上午分布相对分散;Ⅱ级雨强集中出现的时段为13：00～16：00，比Ⅰ级雨强出现的集中时段相对偏早，其次是早晨07：00 前后;Ⅲ级雨强的日分布相对分散，14：00和16：00是两个相对容易出现Ⅲ级雨强的时次。3) 由雨强频数的空间分布 [图3(b)、(c)、(d)] 可知，Ⅰ级雨强分布呈现东部沿海地区频数明显多于西部内陆地区，中心城区时数相对更多;Ⅱ级雨强空间分布相比Ⅰ级雨强更向中心城区集中;Ⅲ级雨强分布相对分散，但东部沿海、中心城区、各区交界处(如闵行、松江及奉贤交界处和嘉定、青浦及闵行交界处)相对更容易出现Ⅲ级雨强。

　　2.2 基于110报警数据的上海市内涝灾情时空分布特征

　　根据上海市应急联动平台110接报暴雨内涝灾情数据，暴雨内涝灾情时空分布特征如图5所示：1)近10 a上海市共出现暴雨内涝灾情数16 655条 [图5(a)]，平均每年1 665.5 条，其中汛期6—9月出现内涝灾情数12 846条，占总内涝灾情数的77%;内涝灾情数年际变化差异大，最多的年份是 2013 年，4 817 条，最少的年份是 2010 年，仅 89 条。2)内涝灾情数月际分布呈单峰型 [图5(b)]，8月最多，6 685条，即8月年均接报内涝灾情 668.5条，其次是10月和6月，分别为3 702条和3 082条。3) 内涝灾情数日分布呈双峰型 [图5(c)]，16：00为接报内涝灾情的峰值，近10 a共接报1 902条，08：00为接报内涝灾情的次峰值，近10 a共接报1 277条。4) 内涝灾情数空间分布在中心城区较为密集，中心城区占全市面积不到5%，但内涝灾情数占全市内涝灾情数的34%，这与人口活动的空间分布密不可分;内涝灾情次密集区位于与中心城区相邻地区和各区中心。

　　2.3 致灾暴雨过程及其特征量与灾情数的关系本文将有暴雨内涝灾情接报的暴雨过程称为致灾暴雨过程，从致灾暴雨过程来看(图6)：1)近10 a上海市共出现致灾暴雨过程172次，占全部暴雨过程的52%。2)灾情数小于50条的致灾暴雨过程占全部致灾暴雨过程的82%，灾情数大于1 000条的致灾暴雨过程仅占全部致灾暴雨过程的 2%左右。3) 最多的灾情数达 3 500 多条，为 2013 年 “菲特”台风引发的暴雨过程。

　　从近10 a上海市致灾暴雨过程频次 (表3) 来看，灾情数超过50条的致灾暴雨过程具有累计雨量大 (中等强度及以上)、持续时间长 (一般历时及以上)、小时雨强强(70%的过程在Ⅱ级雨强及以上)、影响范围广 (70%的过程在大片范围及以上) 的特点，其中灾情数大于1 000条的致灾暴雨过程均由强暴雨、长历时以上及大片以上暴雨造成。

　　为分析暴雨内涝灾情接报数与致灾暴雨特征量的关系，本文首先分析了致灾暴雨特征量与暴雨内涝灾情接报数对数的相关关系(图7)，从图7可以看出：1)暴雨过程接报内涝灾情数与暴雨持续时间、过程雨量、平均雨强、最大雨强、影响站次、逐1~6 h最大雨量都密切相关(P<0.01)[图7(a)]，其中，从相关系数高低可以看出，内涝灾情数与过程雨量、最大雨强和逐 1~6 h最大雨量显著相关，与持续时间和影响站次低度相关，与平均雨强微弱相关。2) 随着暴雨过程雨量和4 h最大雨量的增加，暴雨内涝灾情数呈上升的趋势 [图7(b)、(c)]。

　　在相关关系分析基础上，图8进一步给出暴雨过程接报灾情数与逐小时最大雨量的定量关系：1) 当逐小时最大雨量等于过程雨量，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时，灾情数变化不大，基本在20条以下;2) 当逐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时，灾情数逐渐增多，大部分致灾暴雨过程的灾情数都超过20条;3)当逐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，过程雨量逐渐增加时，灾情数的变化并不明显，基本在20条以下;4) 当逐1 h最大雨量超过20 mm，或逐2 h最大雨量超过30 mm，或逐3 h最大雨量超过40 mm，或逐4 h以上雨量超过50 mm，随着过程雨量逐渐增加，特别是过程雨量超过100 mm时，灾情数急剧增加。

　　期刊推荐：《暴雨灾害》(季刊)创刊于1982年，由中国气象局武汉暴雨研究所主办。本刊将注重特色、打造精品、强调学术品位作为办刊初期的编辑思想，将该刊定位为着眼大气科学，立足暴雨及气象灾害子学科，延伸至天气气候等邻近学科，以专业化、精品化、特色化为主线，演绎学科交叉渗透产生的学术新成果。

　　3 讨论

　　3.1 不同暴雨标准对比本文以暴雨日数、暴雨过程和小时雨强3个一级指标对2007—2016年上海市暴雨的趋势性、完整性和极端性进行分析。暴雨日数是气象部门常用来表征一定时间内暴雨变化趋势的指标量，但该指标有两个明显不足：1) 无法揭示中小尺度天气系统形成的暴雨;2)无法描述一次完整的暴雨过程。暴雨过程指标可以弥补暴雨日数指标的不足，既可以揭示天气尺度和中小尺度天气系统形成的暴雨，同时保证暴雨过程的完整性。小时雨强在一定程度上描述了暴雨过程的极端性。总之，除了暴雨日数和小时雨强，暴雨过程指标是刻画暴雨影响的关键表征指标，且暴雨过程雨量、最大雨强和逐1~6 h最大雨量与暴雨内涝灾情密切相关(图7)。

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