辽宁葫芦岛市新旧暴雨强度公式对比及暴雨雨型分析

根据 1973—2014年葫芦岛市分钟降雨资料建立暴雨统计样本，通过对比分析确定采用年最大值法，基于 P-Ⅲ型
概率分布曲线拟合，推求出新一代暴雨强度公式。对比新、旧暴雨强度公式，5~30 min历时各重现期雨强以旧暴雨强度
公式计算结果偏大，新、旧公式计算的 45 min历时各重现期雨强基本相当，60~180 min历时各重现期雨强以新暴雨强度
公式计算结果较大。在此基础上，开展葫芦岛市短历时暴雨雨型研究。统计确定雨峰位置系数为 0.32，采用芝加哥雨型
进行短历时暴雨雨型分析，重现期 2 a、降雨历时 60、90、120、150、180 min的累计降雨量在 38.73~66.99 mm，均以初期累计
降雨增长较慢，雨峰前后增长速度较快，之后降雨增速明显放缓。
关键词：暴雨；暴雨强度公式；暴雨雨型；雨峰位置；葫芦岛

引 言
受全球气候变化的影响，各地极端暴雨事件频繁发生，特别是最近二十多年城市化飞速发展的进程中，区域暴雨的时空分布和变化特征均可能发生了显著变化，暴雨强度(以下简称雨强)有所加强[1-4]。暴雨的变化趋势对城市的防灾减灾提出新的挑战，设计暴雨主要包括雨强和雨型两方面[5]。暴雨强度公式是科学合理制定城市和重大工程区域给排水工程规划和工程设计的重要基础[6-8]，雨型主要用于确定设计暴雨的时间变化过程，可以更加准确的反映地表径流的产生过程和径流流量[9-10]，雨型在排水管道系统计算模型建立时是必须的，在研究雨水调蓄系统时，也需采用雨型进行设计校核[11-13]。葫芦岛市(锦西)现行的暴雨强度公式依据1962—1982 年的降雨资料所编制，观测资料有限且时间较早，已不能恰当反映当前的暴雨特征规律，也不能充分适应当前排水工程规划的需要，因此亟需编制新的暴雨强度公式。暴雨观测资料的累积及暴雨强度公式推算方法的深入研究，为新一代暴雨强度公式的推算提供了基础[14-16]。当前，常用的短历时暴雨雨型确定方法有芝加哥雨型、Huff法、Pilgrim和Cordery法等[5, 9]。芝加哥雨型法是当前相关导则中推荐采用的设计方法，已在国内外得到较广泛的应用[9,17]。本文依据《室外排水设计规范》[17]及《城市暴雨强度公式和设计暴雨雨型确定技术导则》[11]，分别采用年最大值法和年多个样法，拟合多种概率模型，以确定最佳的新暴雨强度公式，并与现行(旧)暴雨强度公式进行对比分析。在此基础上，采用芝加哥雨型法确定短历时暴雨雨型，以期为城市排水设计等提供一定的参考。
1 资料与方法
1.1 资料
葫芦岛城区仅有1个国家气象站(连山区气象站)具有长期降雨观测资料，本文选用该站作为代表站。所用资料为连山区气象站1959—2014年日降雨数据、1973—2014年分钟降雨数据。其中，1973—2003年分钟降雨数据为中国气象局统一开展的降雨自记纸信息化处理数据，该资料通过对降雨自记纸进行扫描、图像处理和数据处理，将降雨自记纸图像进行数字化转换，获得逐分钟降雨资料；2004—2014 年分钟降雨数据为逐分钟的自动观测数据。根据滑动平均法计算1973—2014年5、l0、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min共11个降雨历时的资料[11]。
1.2 方法
1.2.1 暴雨强度公式计算
(1) 暴雨选样。年最大值法选样选取降雨资料样本中各降雨历时雨量的逐年最大值，即42个样本。年多个样法选样则不论年次将各个降雨历时有效资料样本(每个历时有 42×8 个)按从大到小排序排列，并从大到小选取年数的4倍(42×4个)数据，作为统计样本。
(2) 频率分布曲线拟合。文献[11、17]推荐皮尔逊Ⅲ型(简称P-Ⅲ型)分布曲线、耿贝尔分布曲线和指数分布曲线，本文从中选取拟合效果较好、误差最小的概率分布函数曲线，推求暴雨强度公式。上述三种理论概论曲线的数学表达式以及原理等可参见文献[11]。
(3) 暴雨强度公式及参数求解。暴雨强度公式定义为[17]：
2 新暴雨强度公式编制
2.1 估算方法的优选
根据葫芦岛连山区气象站 1973—2014 年 5、l0、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min 共 11 个历时
降雨数据，采用年最大值法和年多个样法选样，依据三种频率分布曲线拟合，应用最小二乘法求参数，并计算均方差。辽宁地区属于一般降雨强度的地方，因此首要考虑平均绝对均方差，再参考平均相对均方差。
表1给出多种暴雨强度公式推算结果精度检验，从中可见，采用年最大值法时，P-Ⅲ型分布曲线和耿贝尔分布曲线拟合公式的平均绝对均方差和相对均方差均满足规范要求；采用年多个样法时，仅P-Ⅲ型分布曲线拟合的暴雨强度公式平均绝对均方差满足规范要求。其中，年最大值法P-Ⅲ型分布曲线拟合的公式误差最小。

2.2 暴雨强度公式
根据估算方法优选结果，采用年最大值法P-Ⅲ型分布曲线拟合的新暴雨强度公式精度最高，公式为：