河南省区域性暴雨过程时空变化分析及定量化评估模型的建立

孟寒冬

（1.中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，郑州 450003； 2.河南省气候中心，郑州 450003）

近年来，关于暴雨过程评估方法的探讨较多，但因为暴雨致灾机理复杂和灾情数据不完备，所以直接建立灾损与暴雨过程强度的对应关系，不仅其历史可比性较差，而且在实际业务运行中也易存在时间滞后现象. 已有的暴雨过程强度评估模型中，多数是将标准化后的各指标值按等权重或专家评分结果作为权重进行累加，而对各指标序列自身变率对评估结果的影响考虑不足. 另外，以暴雨过程的部分指标来表征暴雨过程整体强度也缺乏全面性. 袭祝香［1］在吉林省暴雨过程评估方法研究中，对选取的暴雨平均降水量、区域最大日降水量和暴雨出现范围3个评估指标进行极差标准化处理后，计算得到暴雨过程评估指数. 郑国等［2］在对淮河上游暴雨事件评估中，选取区域平均日降水量、区域最大日降水量、覆盖范围和持续时间4个指标，按概率分布划分指标等级标准，建立暴雨事件等级标准评估矩阵，按某暴雨事件向量与评估矩阵列向量的欧式距离来确定暴雨事件等级. 袁慧敏等［3］在长江中下游沿江地区暴雨过程评估模型研究中，选取平均降水量、降水强度、覆盖范围和持续时间4个指标，运用分布概率密度函数和权重分析法建立了评估模型. 邹燕等［4］在构建福建省区域性暴雨过程强度评估模型研究中，选取区域最大日降水量、区域最大过程降水量、区域暴雨范围和区域暴雨持续时间等4个指标，采用百分位数和相关系数法构建了评估模型. 甘薇薇等［5］在四川省暴雨过程评估模型研究中，选取平均降水量、降水强度、暴雨范围和持续时间等4项指标，运用历史重现期和欧式距离函数方法建立了评估模型. 王莉萍等［6］综合考虑日降水强度、降水覆盖范围和持续时间，采用自然灾害风险计算方法，计算单站和区域降水过程综合指数，建立了面向任意区域降水过程强度评估方法. 温泉沛等［7］通过灰色关联法和曲线拟合法，构建湖北省暴雨洪涝灾害脆弱性曲线模型，定量化评估强降水过程造成的影响.

周存旭和金世海［8］、张竟竟等［9］、张建忠［10］、李亚男等［11］研究指出，在全球气候变暖大背景下，河南省暴雨极端气候事件发生呈上升态势，区域性暴雨过程作为重要灾害性天气之一，对人民生产生活影响极大.区域性暴雨过程定量化评估方法是指导地方政府防灾减灾工作的重要基础性研究，同时对于提高气象部门对重大暴雨灾害的应急服务能力也具有重要作用. 但河南省暴雨过程评估工作开展较晚，且主要是对降水范围、极值降水等进行分析，尚缺乏对暴雨过程强度的定量化评估.

本文使用河南省111 个国家级气象站逐日降水数据，统计了1956—2016 年河南省区域性暴雨过程事件，对其进行了时空变化分析，建立了河南省区域性暴雨过程强度定量化评估模型，给出强度等级划分标准，并探索了引入区域气象站降水资料改进区域性暴雨过程评估结果的可行性. 研究成果可以为开展区域性暴雨过程的客观定量化评估业务提供参考.

1 资料与方法

1.1 使用资料

文中气象资料采用河南省111个国家级气象站1956—2016年20—20时日降水资料，资料来源为河南省气候中心存储的中国地面基本气象要素（降水量）日值数据集.

1.2 研究方法

1.2.1 区域性暴雨日和区域性暴雨过程判定标准 本文参考邵末兰等［12］、张一平等［13］、戴泽军等［14］、孔锋等［15］关于区域性暴雨的研究成果，同时考虑区域性暴雨日、区域性暴雨过程判定标准应能较好反映河南省区域性暴雨过程特征，故定义区域性暴雨日为≥10个国家气象观测站连片且各站日降水量≥25 mm，其中≥5站日降水量≥50 mm. 区域性暴雨过程为区域性暴雨日持续日数≥1日的过程，为了准确描述连续多日的区域性暴雨过程，引入区域性暴雨过程间断日. 间断日指连续多日的暴雨过程中，有一日虽有降水，但不满足区域暴雨日的条件. 间断日确定规则是：间断日若仍有暴雨站，前后可串接为同一个区域性暴雨过程；或间断日仍有较大范围的强降水，前后也可串接为同一个区域性暴雨过程. 因此，本文定义区域性暴雨过程为区域性暴雨日持续日数≥1日或者间断1日且间断日河南省111个国家气象站满足下列条件之一：至少1个站达暴雨及以上；至少5个站达大雨及以上；至少10个站达中雨及以上.

1.2.2 等级的确定方法 百分位数法是一种适用于各类分布型资料的非参数方法. 目前在气候极值变化研究中，多采用某个百分位值作为极值阈值. 超过此阈值的值被认为是极值. 如翟盘茂和潘晓华［16］在中国北方近50年温度和降水极端事件变化研究中、黄琰等［17］在近50年中国气温降水极值分区的时空变化特征研究中、李建等［18］在小时降水强度阈值确定中，都应用了百分位数法进行极值阈值划分. 百分位数计算采用Hyndman和Fan经验公式：

式中：p为百分位；Qˆ( )p为P百分位对应的百分位数；X为升序排列后的某要素样本序列；n为样本长度；Xj为升序排列后的样本序列的第j个值.

1.2.3 标准化处理 考虑到评估指标间单位和量级的不同，需要将各指标数值进行无量纲化处理，即指标标准化. 对各指标数值序列进行标准化处理的公式为：

式中：Ri为指标数值序列中第i个数值标准化后的数值；Yi为第i个数值；考虑到业务化需要，文中Yˉ为各指标数值序列中1981—2010年数值的平均值；δ为1981—2010年数值的标准差.

1.2.4 权重系数的确定方法 各评估指标对于区域性暴雨过程强度的贡献是不同的，应分别给以不同的权重系数. 为了避免人为因素的影响，本文采用相关系数法［19-20］来确定各评估指标的权重系数，即以某一指标序列与其余指标序列之间相关系数的平均值占所有指标相关系数平均值总和的比值，作为该指标的权重系数. 该方法适合于各指标间相关性比较显著的样本. 具体来说，第一步计算单个评估指标与其他指标之间的相关系数；第二步计算单个评估指标与其他评估指标之间相关系数的平均值；第三步计算该平均值占所有评估指标相关系数平均值总和的比值，作为该单个评估指标的权重系数.

2 结果与分析

2.1 区域性暴雨过程时空分布特征

2.1.1 区域性暴雨过程年际变化 根据1956—2016年河南省区域性暴雨过程统计结果，得到全省区域性暴雨过程次数的逐年变化（图1）. 从图1中可以看出，全省区域性暴雨过程发生次数呈缓慢上升趋势（未通过0.05显著性检验），年际间波动较大. 累计出现区域性暴雨过程506次，平均每年出现7.6次. 出现次数最多的是1998年（14次），最少的是1956年（2次），超过年平均次数的年份有36年. 1970年代、1980年代及2000年代区域性暴雨过程出现次数较多，均超过90次/10 a.

图1 河南省1956—2016年区域性暴雨过程发生次数年际变化Fig.1 Annual variation of occurring times of regional rainstorm process in Henan during 1956-2016

将逐年区域性暴雨过程序列进行标准化处理，得到河南省1956—2016年区域性暴雨过程次数距平年变化（图2）. 一般以标准化值大于1的年份定为异常偏多年份，以标准化值小于-1的年份定为异常偏少年份.研究时段内，区域性暴雨过程异常偏多的年份有15年（1963、1964、1973、1977、1979、1980、1983、1984、1987、1995、1996、1998、2003、2005、2007 年），异常偏少的年份有10 年（1956、1957、1959、1966、1974、1978、1986、1997、1999、2001年）.

图2 河南省1956—2016年区域性暴雨过程发生次数距平年际变化Fig.2 Annual departure of occurring times of regional rainstorm process in Henan during 1956-2016

2.1.2 区域性暴雨过程月际变化 从月份上看，河南省区域性暴雨过程集中出现在7月、8月（占总次数的53%）. 其中，7月最多（163次），占总次数的32%；8月次之（108次），占总次数的21%；1月、2月、12月没有出现过区域性暴雨过程. 一年中最早在3月即出现区域性暴雨过程（1972年3月29日，1998年3月31日，2007年3月3日），最晚出现在11月（2015年11月6日）. 从季节上看，发生最多的季节是夏季（6—8月，占69%），春季（3—5月，占15%）和秋季（9—11月，占16%）出现的次数基本持平，冬季没有出现过区域性暴雨过程.

2.1.3 区域性暴雨过程空间分布 根据1956—2016年河南省区域性暴雨过程普查结果，统计得到全省国家级气象站出现区域性暴雨过程频次占总区域性暴雨过程频次的百分比（图3）. 由图3可以看出，全省各站区域性暴雨过程发生频次自西北向东南递增，周口、驻马店和信阳为区域性暴雨发生集中地，这些地区也是河南省暴雨洪涝灾害最严重的区域，豫西山地丘陵地区发生暴雨频次最少，汪小康等［21］的研究也得出类似结果.

图3 河南省国家级气象站1956—2016年出现区域性暴雨过程频次占比Fig.3 Percentage of the frequency of regional rainstorm process of the national weather stations in Henan during 1956-2016

2.2 区域性暴雨过程评估

2.2.1 评估指标 评估指标的选取决定了评估结果的科学性、合理性. 综合考虑河南省区域性暴雨过程的强度、持续时间和影响范围，选取5个评估指标：①持续天数. 区域性暴雨过程的开始日至结束日总日数，反映区域性暴雨过程持续时间长短. ②过程范围. 过程中河南省111个国家气象站出现暴雨站数（不重复计数，即一个站点出现多次暴雨，也只算一个站点），反映区域性暴雨过程的影响范围. ③过程最大日降水量.过程中河南省111个国家气象站日降水量最大值，反映过程日降水量极端情况. ④过程单日最大范围. 过程中河南省111个国家气象站单日出现最多的暴雨站数，反映过程单日暴雨影响范围极端情况. ⑤过程区域平均降水量. 过程中每天河南省111个国家气象站出现暴雨及以上降水站点（≥50 mm）的平均降水量的平均值，反映过程累积降水的极端情况.

2.2.2 等级的确定结果 本文在评估指标等级确定、评估强度等级确定中运用百分位数法进行计算. 结合业务工作实践，本文以样本序列的第60%、80%、90%、95%和98%对应的百分位数作为各指标的等级划分阈值，共分为1 到6 级，对应的百分位数范围分别为［0，60%），［60，80%），［80，90%），［90，95%），［95，98%），［98，100%］. 各评估指标分别以河南省1981—2010年区域性暴雨过程中的指标值为样本序列，应用百分位法，计算得到的每个评估指标各等级阈值范围如表1所示.

表1 评估指标的阈值范围Tab.1 Assessment index range of regional rainstorm process in Henan

2.2.3 权重系数的确定结果 选取河南省1981—2010年共265个区域性暴雨过程样本，应用相关系数法，计算各评估指标间相关系数，得到如表2所示的结果. 所有指标相关系数平均值总和为2.962 3. 从表2结果可知，各指标之间具有显著相关性（通过了0.01显著性检验）.

表2 评估指标之间相关系数Tab.2 Correlation coefficient among the evaluation indexes

按前述权重系数确定方法进行权重系数计算，结果如表3所示.

表3 评估指标的权重系数Tab.3 Weight coefficient of evaluation index

2.2.4 评估模型的建立 建立如下区域性暴雨过程评估模型：

式中：I为区域性暴雨过程强度；Gpd、Gpr、Gpm、Grm、Gpa为持续天数、过程范围、过程最大日降水量、过程单日最大范围、过程区域平均降水量5 个指标的等级值；Rpd、Rpr、Rpm、Rrm、Rpa为5 个指标的标准化值.

应用百分位法确定区域性暴雨过程强度等级范围，以1981—2010年区域性暴雨过程强度序列的第60%、80%、90%、95%和98%对应的百分位数作为评估等级划分阈值，得到区域性暴雨过程评估强度（I）等级范围（表4）.

表4 河南省区域性暴雨过程评估强度等级范围Tab.4 Assessment intensity grade range of regional rainstorm process in Henan

2.2.5 区域性暴雨过程评估结果 河南省1956—2016年共506次区域性暴雨过程中，一般强度占61%，轻度占19%，中度占10%，重度占4%，严重占3%，特重占3%，不同等级之间暴雨过程数差异明显. 重度及以上等级区域性暴雨过程仅占总数的10%，但重度及以上区域性暴雨过程发生时均造成了非常严重的社会影响.

全省重度及以上等级区域性暴雨过程的发生具有明显季节特点，一般只发生在5—10月，7月最多，10月最少，发生最多的季节是夏季. 这种分布特征与河南省夏季暴雨洪涝灾害最重，春秋季洪涝偶发、冬季无涝而干旱较为频繁的气候特征相符. 发生重度及以上等级区域性暴雨过程最多的年份是1967年和1982年.

特重等级的13 次区域性暴雨过程主要集中在20 世纪70、80 年代（超过半数），而2000 年以后，只出现2次特重等级的区域性暴雨过程（表5）.

表5 河南省1956—2016年发生的特重级区域性暴雨过程Tab.5 Regional rainstorm process with extra heavy grade in Henan during 1956-2016

2.2.6 区域性暴雨过程评估结果检验 为了验证评估方法和评估结果的科学合理性，以本模型评估的河南省13次特重等级的区域性暴雨过程为例，查阅了《中国气象灾害大典》（河南卷）［22］、暴雨过程的总结（资料来自河南省气象台）、河南省月气候评价（资料来自河南省气候中心）等资料. 结果发现，其中12次暴雨过程在以上材料中均有较为详细的灾情记录，且灾情较为严重，说明历史重大区域性暴雨过程评估结果与灾情资料记载反映的灾情在时间上、强度上均有较好的一致性. 例如2016年7月18—20日，河南省出现强降水过程，全省平均降水量74 mm，安阳市、鹤壁市、新乡市、平顶山市、南阳市局地出现特大暴雨. 依本文提出的区域性暴雨过程评估模型，此次区域性暴雨过程强度达到严重级别，历史排位22位. 从评估等级来看，与历史上同等级过程造成的灾情损失基本相当.

2.3 应用区域气象站资料改进评估结果的探索

选用建站时间长且代表性强的国家级气象站降水资料来建立评估模型. 近年来，由于气候变化及城市气候效应的影响，降水局地性特征增强. 2010年以后区域气象站普遍增加，区域性气象站的加密可以更全面、更准确地反映暴雨点的位置、暴雨强度. 如“2016-07-19”暴雨过程，河南省安阳市出现罕见特大暴雨，安阳市所辖林州市东马鞍区域气象站日降水量达703 mm，同期林州市国家站日降水量仅为208 mm. 若将林州市国家站日降水量视为日最大降水量，将与实际情况不符，影响该暴雨过程强度的评估结果. 因此针对引入区域气象站降水资料是否可以改进暴雨强度评估模型的精准性，本文进行了初步的探讨.

综合考虑区域气象站降水资料的可靠性和连续性，选取河南省气象局确定的251个骨干网区域气象站的降水资料，利用本文建立的评估模型对河南省2016年发生的10个区域性暴雨过程进行评估. 对比加入区域气象站资料前后的两次评估结果（表6），发现有两个特点：①持续天数指标不受影响，保持不变；过程范围指标影响不大，虽然区域气象站的加入导致出现区域暴雨的总站数增加，但站次百分比变化不大；单日最大降水量指标多为增大，且量值增加较多，说明考虑区域气象站降水对单日最大降水量指标影响较大；单日最大范围变化与过程范围变化类似；区域平均降水量指标有增有减，但增减量值不大，说明考虑区域气象站降水对区域平均降水量指标影响也不大. ②各过程强度评估排序略有变化，评估等级保持不变，说明只使用国家级站点降水资料进行区域暴雨过程强度评估的结果是科学、有效的.

3 结论和讨论

1）建立了河南省区域性暴雨日和区域性暴雨过程判定标准，使用河南省111 个国家级气象站1956—2016年逐日降水量资料，分析河南省区域性暴雨过程时空特征，发现全省区域性暴雨过程发生次数存在缓慢上升趋势，年际间波动较大，主要出现在7—8月，发生频次从豫西北向豫东南逐渐递增，周口、驻马店和信阳发生频率较高，豫西山地丘陵地区发生频次最少.

2）综合考虑河南省区域性暴雨过程的强度、持续时间和影响范围，选取持续天数、过程范围、过程最大日降水量、过程单日最大范围、过程区域平均降水量作为河南省区域性暴雨过程综合强度评估指标. 运用标准化方法、百分位法和相关系数法，建立河南区域性暴雨过程综合强度评估模型，并将暴雨过程强度等级划分为特重、严重、重、中、轻、一般6个等级.

3）模型评估的区域性暴雨过程强度与历史灾情和气象部门重大暴雨过程记录均在时间、强度上具有较好的一致性，说明评估模型科学、有效.

4）对应用区域气象站降水资料进行区域性暴雨过程综合强度评估进行了初步探索. 结果表明，引入区域气象站降水资料可以订正个别指标的计算结果，但对暴雨过程强度等级影响较小，进一步证明建立的评估模型的科学性.

由于区域气象站资料序列的不断延长，区域气象站资料的可用性更强，因此在以后的研究中应该从区域性暴雨过程识别开始，引入区域气象站资料，进一步优化区域性暴雨过程评估模型.