陳申鵬，丁鈺林，胡媛媛

（深圳市國家氣候觀象臺，廣東深圳 518040）

海綿城市是低沖擊開發(fā)（low impact development，LID）中國化的產(chǎn)物，是指城市能夠像海綿一樣，在適應環(huán)境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用。海綿城市建設是我國在新的歷史條件下節(jié)約水資源，保護和改善城市生態(tài)環(huán)境，促進生態(tài)文明建設的一項重要舉措。深圳于2016年入選國家海綿城市建設試點，在全市多個片區(qū)開展海綿城市建設，并確立了到2030年建成區(qū)80%以上的面積達到海綿城市要求的遠大目標。然而深圳地處華南沿海，地域狹長，地勢東南高，西北低，大部分為低丘陵地，間以平緩的臺地，西部為濱海平原，降雨東、西分布差異大，深圳國家基本氣象站單站資料無法反映這種差異。針對這種情況，利用區(qū)域氣象站降雨量數(shù)據(jù)，圍繞深圳海綿城市建設需求開展了深圳分區(qū)降雨規(guī)律的相關研究。

關于華南降雨規(guī)律，相關研究主要集中在兩方面，一是圍繞降雨多年氣候特點和變化規(guī)律，主要基于長時間序列的國家站降雨數(shù)據(jù)［1-4］，二是利用區(qū)域氣象站數(shù)據(jù)，圍繞降雨空間分布特征進行［5-7］。比較一致的結論是華南多年降雨量年際波動大，一般無顯著變化趨勢，空間分布差異大，受地形影響明顯。年徑流總量控制率是海綿城市建設的一個重要參數(shù)，隨著海綿城市建設的深入推進，國內相關學者圍繞年徑流總量控制率相關概念辨析、推求方法和影響因素等開展了諸多探索［8-10］，各地也圍繞海綿城市相關的降雨規(guī)律和年徑流總量控制率相關參數(shù)推求進行了研究［11-12］，但未見利用區(qū)域氣象站針對單個城市年徑流總量控制率和設計降雨量地域差異開展的研究。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)說明

本研究主要采用深圳國家基本氣象站1976—2018年共43年的降雨日數(shù)據(jù)，以及近10年（2009—2018年，下同）數(shù)據(jù)完整性高、質量好的90個區(qū)域氣象站的降雨量數(shù)據(jù)，包括日雨量和分鐘雨量數(shù)據(jù)。選取的區(qū)域氣象站日雨量數(shù)據(jù)逐年完整率最低為94.5%，總體則高達99.9%。

日降雨量在經(jīng)過嚴格質控的小時降雨量基礎上統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)，小時降雨量質控處理包括：（1）氣候極值檢驗。以0～180 mm作為小時降雨量的合理范圍，則認為該站的雨量非法并剔除；（2）空間一致性檢驗。選定站點周邊臨近且環(huán)境條件相近的數(shù)站到十數(shù)站為參考站，若某站降雨量超過30 mm（或40 mm），但參考站的平均降雨量為0（或＜1 mm），或降雨量與參考站的平均降雨量之差超過50 mm，但參考站的平均降雨量＜5 mm，則認為該站的雨量非法并剔除。

分鐘降雨量的質控主要是閾值控制，以6 mm作為分鐘雨量的合理上限，超過6 mm則認為是非法值并剔除。

1.2 方法說明

滑動雨量極值求?。豪梅昼娊涤炅?，以不同降雨歷時為累計時長，以1 min為步長滑動求取累計雨量并挑選極值，每年得到一個該歷時條件下的滑動雨量年極值。2009—2018年多年滑動雨量年極值求平均，得到不同歷時滑動雨量年極值平均。

強降雨頻次統(tǒng)計：利用分鐘降雨量，以不同降雨歷時為累計時長，以1 min為步長滑動求取累計雨量，并判斷其是否超過指定閾值，超過則統(tǒng)計一次該閾值強降雨，然后跳過該強降雨時段并繼續(xù)滑動求取累計雨量，超過閾值則增加一次該強降雨頻次……如此重復得到各站不同歷時強降雨頻次。

年徑流總量控制率與設計降雨量關系推求方法：對日降雨量資料扣除≤2 mm的降雨事件的降雨量，按雨量由小到大進行排序，統(tǒng)計小于某一個降雨量的降雨總量（小于該降雨量的按真實雨量計算出降雨總量，大于該降雨量的按該降雨量計算出降雨總量，兩者累計總和）在總降雨量中的比率，此比率（即年徑流總量控制率）對應的降雨量（日值）即為設計降雨量［16］。假設升序處理后的日雨量數(shù)據(jù)集為｛X1、X2…Xi、Xi+1…Xn-1、Xn｝，則Xi對應的年徑流總量控制率P＝，Xi即為設計降雨量（mm），n為數(shù)據(jù)集樣本數(shù)，由此即可得出年徑流總量控制率（P）和設計降雨量（Xi）的關系。

2 深圳降雨區(qū)域差異

2.1 降雨量和暴雨日空間分布

圖1為深圳近10年年均降雨量和暴雨日數(shù)分布。從圖1可以看出，深圳降雨量呈現(xiàn)“東多西少”分布，年均降雨量大致在1 400～2 200 mm之間，其中羅湖區(qū)及其以東各區(qū)（包括羅湖區(qū)、鹽田區(qū)、龍崗區(qū)、坪山區(qū)和大鵬新區(qū)）普遍在1 900 mm以上，降雨量大值中心位于羅湖區(qū)東部、鹽田區(qū)西部和龍崗區(qū)南部的3區(qū)交界區(qū)域，以及羅湖區(qū)以北的龍崗區(qū)布吉街道、大鵬新區(qū)北部的葵涌街道等區(qū)域，羅湖區(qū)以西各區(qū)（包括福田區(qū)、南山區(qū)、寶安區(qū)、龍華區(qū)和光明區(qū)）普遍不足1 900 mm，降雨量最小出現(xiàn)在西南部的蛇口半島及珠江口島嶼。暴雨日數(shù)分布類似，普遍在6～11 d之間，其中羅湖區(qū)及其以東各區(qū)（新區(qū)）普遍超過9 d，暴雨日最多的區(qū)域與降雨量大值中心幾乎重合，羅湖區(qū)以西的5個區(qū)普遍不足9 d，暴雨日最少的區(qū)域也主要是西南部的蛇口半島和珠江口島嶼。

圖1 深圳近10年年均降雨量（單位：mm）（a）及暴雨日數(shù)（單位：d）（b）分布

出現(xiàn)這種差異，主要與地形有關，深圳東部多山，受地形抬升作用容易形成強降雨，導致降雨量和暴雨日數(shù)偏多。其中羅湖、鹽田和龍崗交界區(qū)域正好是深圳最高峰大梧桐山所在區(qū)域，布吉街道則位于梧桐山和銀湖山所形成的喇叭口，葵涌街道則為三面環(huán)山地形，西南部開口朝向大鵬灣，特殊的地形使這些區(qū)域成為深圳降雨量和雨日的大值中心。

2.2 強降雨極值和頻次空間分布

由深圳不同歷時滑動雨量年極值平均圖（圖略）可見，深圳2 h以內短歷時降雨極值大值區(qū)較分散，東、西部均有分布；隨著降雨歷時的加長，3～6 h歷時降雨量極值大值區(qū)主要分布在東部，特別是大鵬半島；降雨歷時繼續(xù)加長，12～24 h歷時降雨量極值中心有向中部擴展的趨勢，在羅湖、鹽田交界的梧桐山等區(qū)域出現(xiàn)了一個大值中心；到48～72 h歷時，降雨量極值的大值中心主要是羅湖和鹽田交界的梧桐山區(qū)，東部的大值中心相對較弱。

從區(qū)域平均值也能清楚看到這種變化，如圖2所示，在3 h以內的短歷時條件下，深圳各區(qū)降雨量年極值平均的區(qū)域平均值差異不大，30 min歷時下在41.5～45.6 mm之間，1 h歷時下在57.1～63.8 mm之間，2 h歷時下在72.9～87.7 mm之間，相差在20%以內，但隨著降雨歷時增加逐步出現(xiàn)分化，在12 h以上長歷時條件下，東部各區(qū)（包括羅湖、鹽田、龍崗、坪山和大鵬）降雨量極值平均值明顯大于西部各區(qū)，12 h歷時各區(qū)降雨量年極值平均的區(qū)域平均值，最小的光明區(qū)為119.2 mm，最大的大鵬新區(qū)達到175.1 mm，相差46.9%，6、24、48和72 h歷時下最小和最大相差都在33%以上，東、西差異明顯較短歷時條件下增大。

圖2 深圳各站各歷時降雨量年極值平均值分區(qū)平均分布圖

深圳不同歷時強降雨頻次也存在類似的變化規(guī)律（圖略），即隨著降雨歷時增加，東、西差異顯著增大。這種變化反映了深圳不同季節(jié)的降雨特點：春季強對流自西向東影響，容易在西部出現(xiàn)短歷時強降水，后汛期的午后熱對流降水主要受城市熱島和地形影響，在中、東部出現(xiàn)短歷時強降水，全年來看短歷時強降水東、西差異不大；龍舟水和臺風是長歷時強降雨的主要來源，降雨分布的主要決定因素是地形，東部的山地喇叭口、迎風坡地形引起的上升運動使對流發(fā)展，也可能成為中小尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)機制，從而出現(xiàn)明顯的降水增幅［13］，導致長歷時強降水極值、頻次都出現(xiàn)明顯的東、西差異。

3 分區(qū)年徑流總量控制率和設計降雨量關系

綜合分析可知，深圳降雨的東、西差異較大，而城市年徑流總量控制率對應的設計降雨量值的確定，需要用中國地面國際交換站至少近30年日降雨（不包括降雪）資料來統(tǒng)計計算，以反映長期的降雨規(guī)律和近年氣候的變化［14］，深圳境內符合條件的站點僅有深圳國家基本氣象站。首先分析用近10年區(qū)域氣象站降雨量數(shù)據(jù)進行分區(qū)年徑流總量控制率的研究的可行性和必要性。

3.1 可行性和必要性分析

由于城市發(fā)展導致的探測環(huán)境變化等原因，深圳國家基本氣象站于2006年由羅湖區(qū)蔡屋圍遷至現(xiàn)在的福田區(qū)竹子林。兩站址雖滿足遷站要求，但年均降雨量卻相差15%左右（圖3）。

圖3 深圳國家基本氣象站遷站前后位置及深圳2009—2018年10年年均降雨量示意圖

圖4展示了深圳國家基本氣象站和蔡屋圍基地站不同年限數(shù)據(jù)統(tǒng)計的年徑流總量控制率和設計降雨量的對應關系。由圖4a可知，用深圳國家基本氣象站最近20和30年降雨量資料統(tǒng)計的年徑流總量控制率與設計降雨量的關系十分接近，用最近10年資料統(tǒng)計的結果有較大差異，相同年徑流總量控制率下設計降雨量總體較20和30年偏小。而用原站址的區(qū)域氣象站（蔡屋圍基地站）近10年數(shù)據(jù)所得的設計降雨量就很接近（圖4b），這說明上述結果的差異主要來自遷站，因為深圳國家基本氣象站近10年數(shù)據(jù)全部來自降雨量更小的福田區(qū)竹子林站址。進一步排除遷站因素，比較深圳國家基本氣象站遷站前的10、20和30年數(shù)據(jù)計算的年徑流總量控制率與設計降雨量的關系（圖4c），就可以發(fā)現(xiàn)，同站址條件下，深圳國家基本氣象站10年數(shù)據(jù)的結果與30年數(shù)據(jù)結果幾乎重合，差異微乎其微。

圖4 不同站點和年限降雨量數(shù)據(jù)計算的年徑流總量控制率與設計降雨量的關系

由此可以推斷，在深圳近幾十年來大的氣候背景下，用10年以上日降雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算年徑流總量控制率與設計降雨量的關系，其結果受所用數(shù)據(jù)年限長度影響不大，反而地域的差異更需要考慮。因此，在缺乏30年以上分區(qū)氣象觀測數(shù)據(jù)的情況下，用近10年區(qū)域氣象站數(shù)據(jù)作分區(qū)年徑流總量控制率和設計降雨量的關系是可行的，也是必要性的。

3.2 結果分析

根據(jù)《海綿城市建設技術指南》，深圳年徑流總量控制率分區(qū)屬于V區(qū)，年徑流總量控制率需在60%到85%之間。利用深圳90個區(qū)域氣象站近10年日降雨量數(shù)據(jù)，分別計算了各站60%、65%、70%、75%、80%和85%年徑流總量控制率下的設計降雨量，發(fā)現(xiàn)各個年徑流總量控制率下設計量降雨量差異隨年徑流總量控制率增大而增大，相對極差（最大值與最小值之差相對于平均值的比例）60%和65%年徑流總量控制率下最小，為0.45，85%年徑流總量控制率下最大，達到0.54。即同一年徑流總量控制率下，深圳最大與最小設計降雨量的差值可達到全市平均設計降雨量的50%左右。圖5給出了不同年徑流總量控制率下的深圳全市設計降雨量分布。

圖5 深圳不同年徑流總量控制率下的設計降雨量分布圖（單位：mm）

由圖5可見，深圳設計降雨量區(qū)域差異較大，與年降雨量分布類似，呈現(xiàn)“東大西小”分布，且不同年徑流總量控制率下設計降雨量分布高度相似，大值中心主要是3個區(qū)域，羅湖區(qū)東部、鹽田區(qū)西部和龍崗區(qū)南部的3區(qū)交界區(qū)域，大鵬新區(qū)葵沖街道，這與2.1節(jié)中降雨量和暴雨日數(shù)大值中心的2個基本重合，第3個大值中心是大鵬新區(qū)南部的南澳半島，設計降雨量較小的區(qū)域主要是西南部的蛇口半島，以及光明區(qū)和龍華區(qū)北部等區(qū)域。圖5中給出的具體數(shù)值范圍可作為各區(qū)域海綿城市建設的參考。

統(tǒng)計深圳各區(qū)不同年徑流總量控制率下設計降雨量的最大、最小和平均值（表略），可以看出，60%～85%各年徑流總量控制率下，平均設計降雨量最大值都出現(xiàn)在大鵬新區(qū)，平均設計降雨量最小值所在區(qū)有所變化，60%和65%年徑流總量控制率下，在光明區(qū)，70%和75%年徑流總量控制率下，在光明區(qū)和南山區(qū)，80%和85%年徑流總量控制率下，在南山區(qū)，最大的區(qū)和最小的區(qū)相差在25.4%～31.2%之間。此外，除了80%和85%年徑流總量控制率下東部鹽田區(qū)最小設計降雨量略小于福田區(qū)外，東部羅湖、鹽田、龍崗、坪山和大鵬5區(qū)各年徑流總量控制率下的設計降雨量各統(tǒng)計值均大于西部福田、南山、寶安、龍華和光明5區(qū)。這進一步說明了分區(qū)研究和適用不同設計降雨量的必要性。

4 結論

1）受地形影響，深圳年均降雨量和暴雨日數(shù)均呈現(xiàn)“東多西少”分布，東部5區(qū)（羅湖、鹽田、龍崗、坪山和大鵬）年均降雨量普遍在過1 900 mm以上，暴雨日超過9 d，降雨量和暴雨日大值中心均主要位于梧桐山區(qū)、龍崗區(qū)布吉街道和大鵬新區(qū)葵沖街道，西部5區(qū)（福田、南山、寶安、龍華和光明）年均降雨量普遍不足1 900 mm，暴雨日普遍不到9 d，西南部蛇口半島和珠江口島嶼降雨量和暴雨日均最少。

2）深圳短歷時（2 h以內）降雨量極值空間差異較小，隨著降雨歷時的增加，東、西部差異顯著增大，特別是在12 h以上歷時條件下，東部羅湖、鹽田及其以東區(qū)域成為全市雨量極值的中心。強降雨頻次也存在隨著歷時增加東、西差異增大的情況，這些差異是深圳不同季節(jié)降雨特點的具體反映。

3）在深圳利用近10年區(qū)域氣象站數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算分區(qū)年徑流總量控制率和設計降雨量的關系具有可行性和必要性。結果表明，深圳不同年徑流總量控制率下設計降雨量分布高度相似，均呈“東大西小”分布，同一年徑流總量控制率下，深圳最大與最小設計降雨量的差值可達到全市平均設計降雨量的50%左右，各區(qū)平均設計降雨量均是大鵬新區(qū)最大，光明區(qū)或南山區(qū)最小，最大和最小相差在25%以上。

本研究所得結果可供深圳各區(qū)海綿城市建設參考應用，這源于深圳獨特的降雨氣候特征：（1）降水豐富，10年數(shù)據(jù)便包含了足夠多有代表性的日雨量數(shù)據(jù)樣本；（2）降水空間差異較大；（3）降水氣候變化不明顯，同站址條件下10年數(shù)據(jù)所得年徑流總量控制率與設計降雨量關系與20、30年數(shù)據(jù)所得結果幾乎重合。其它城市在開展類似工作時，應進行相應的必要性和可行性評估，考慮當?shù)亟涤昕臻g差異和氣候變化哪個更為主要，若當?shù)亟涤陞^(qū)域差異較小，而降雨氣候變化較明顯，則不宜進行此類嘗試。