北京市城市雨水排除規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)研究和疆域變化趨勢全面研究

1、北京市城市雨水排除規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)研究和疆域變化趨勢全面研究一、概述二、氣候變化事實(shí)分析三、北京市歷史降雨變化趨勢四、氣候變化對北京降雨的影響五、北京地區(qū)未來降雨變化趨勢預(yù)估六、北京市未來不同歷時最大降水量重現(xiàn)期分析七、結(jié)論與展望主 要 內(nèi) 容1.1 研究背景 城市雨水排除系統(tǒng)是現(xiàn)代城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，對城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市品味、人們的生產(chǎn)和日常生活等有著極其重要的影響。 北京市城市雨水排除系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)研究。其中，北京市氣象局氣候中心主要承擔(dān)本項(xiàng)目的子課題2北京市降雨變化趨勢研究。1.2 研究目標(biāo)與內(nèi)容 按照北京市防洪排水安全的要求，研究適合北京市實(shí)際情況的雨水排除系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目的總

2、目標(biāo)：提高城市雨水基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行能力，減少洪澇災(zāi)害。 北京市降雨變化趨勢的研究目標(biāo)是，基于北京現(xiàn)有最新的雨量觀測記錄數(shù)據(jù)，研究北京地區(qū)降雨時空變化規(guī)律，預(yù)估未來降雨趨勢及不同歷時重現(xiàn)期的降雨量，為北京城市雨水排除規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供參考。1.2 研究目標(biāo)與內(nèi)容 按照任務(wù)書的要求，主要完成兩部分的工作：1、資料的整理和提供根據(jù)北京市暴雨分區(qū)研究結(jié)論，整理和提供北京地區(qū)代表氣象站逐分鐘精細(xì)化降雨記錄資料。每站每年選取1820場最大降雨樣本。2、未來降水趨勢預(yù)估 氣候變化的趨勢：分析北京地區(qū)近五十年來降水的空間和時間變化趨勢。時間變化趨勢分析的變量包括：年總降水量、短歷時降雨強(qiáng)度。暴雨強(qiáng)度的空間分

3、布。極端降雨事件的變化趨勢。分析北京地區(qū)代表站（觀象臺）近百年降水量變化趨勢。未來降水趨勢預(yù)估：分析未來（2020、2050年）北京地區(qū)的降雨趨勢（年總降水量、最大日降雨量、最大過程降雨總量）。分析不同歷時（5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180、240、360、720、1440分鐘）重現(xiàn)期（1、2、3、5、10、20、50、100年）降雨量。1.4 研究方案（1）北京地區(qū)20個氣象站資料 20個氣象站：海淀、朝陽、觀象臺、豐臺、順義、湯河口、密云、懷柔、上甸子、平谷、通州、大興、齋堂、門頭溝、房山、霞云嶺、延慶、昌平、佛爺頂、石景山。其中，平原地區(qū)6站包括：觀象

4、臺、豐臺、順義、密云、房山、昌平。（2）北京地區(qū)121個雨量站資料 北京市潮白、薊運(yùn)、北運(yùn)、永定、大清河五個水系共121個雨量站1956-2008年降雨資料，包括年、汛期、10分鐘、30分鐘、60分鐘、1440分鐘等六個不同時間尺度。 1.資料的收集整理1.4 研究方案（3）短歷時代表氣象站逐分鐘雨量資料短歷時（24小時）資料取代表站：觀象臺、密云、海淀，自建站起2008年12月31日的自記降水紙記錄資料。應(yīng)用國家氣象局預(yù)測減災(zāi)司提供的“降水自記紙數(shù)字化處理軟件”（2004）對降水記錄紙進(jìn)行掃描、掃描檢查、降水曲線提取、降水強(qiáng)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和質(zhì)量檢查，提取逐分鐘雨量資料。除了降水自記紙預(yù)處理系人工

5、作業(yè)外，降水自記紙數(shù)字化處理軟件由四部分組成：掃描、掃描檢查、降水曲線提取、降水強(qiáng)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和質(zhì)量檢查。 1.資料的收集整理1.4 研究方案1.資料的收集整理（3）短歷時代表氣象站逐分鐘雨量資料 降水自記紙數(shù)字化處理業(yè)務(wù)流程如下：1.降水自記紙預(yù)處理：對降水自記紙進(jìn)行掃描輸入和數(shù)字化處理之前，首先要對降水自記紙進(jìn)行一系列技術(shù)處理，為降水自記紙圖像掃描和圖形數(shù)字化的順利和準(zhǔn)確進(jìn)行做好準(zhǔn)備。這種技術(shù)處理，稱為降水自記紙預(yù)處理。2.降水自記紙圖形掃描輸入，形成掃描圖像文件。3.掃描圖形檢查（掃描質(zhì)量、相關(guān)信息和補(bǔ)遺）。4.降水曲線自動提取，人機(jī)對話認(rèn)可或修正，形成降水曲線文件。5.計算降水分鐘強(qiáng)度，

6、按規(guī)定格式存儲。按站形成降水自記數(shù)據(jù)（降水分鐘強(qiáng)度）文件和標(biāo)準(zhǔn)（降水分鐘強(qiáng)度、降水小時強(qiáng)度）文件。1.4 研究方案1.資料的收集整理（3）短歷時代表氣象站逐分鐘雨量資料1.4 研究方案分析北京市近百年和近五十年來的降雨變化趨勢，包括多個歷時（年、1440分鐘、720分鐘、360分鐘、120分鐘、60分鐘和5分鐘）的時間變化趨勢，并應(yīng)用arcgis繪制空間分布圖，探討空間變化規(guī)律。重點(diǎn)分析1981年至今的降雨趨勢，北京市極端降雨事件頻率和強(qiáng)度的變化趨勢。 2.北京市降雨變化趨勢研究1.4 研究方案應(yīng)用國家氣象局發(fā)布的中國地區(qū)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)集和天氣發(fā)生器方法預(yù)估北京地區(qū)未來（2020、2050年

7、）的降雨趨勢（日降雨量極值、次降雨量極值）。4.北京市未來降雨趨勢分析應(yīng)用極大似然法和概率加權(quán)法（PWM），對中國東部地區(qū)日降水廣義極值分布（GEV）和廣義帕雷托分布（GPD）模擬的情況進(jìn)行比較。利用概率散點(diǎn)圖和百分位散點(diǎn)圖對北京短歷時降水的情況進(jìn)行擬合效果檢驗(yàn)，最終GPD對降水的擬合效果最好，并利用GPD方法預(yù)估了北京城區(qū)代表站不同歷時重現(xiàn)期降雨量。5.北京市未來不同歷時最大降雨量重現(xiàn)期分析1.5 主要研究成果收集整理并提供了北京地區(qū)代表氣象站逐分鐘降雨信息化資料。觀象臺站為19412008年，海淀為19752008年，密云為19612008年。分析了北京市短歷時降雨變化的趨勢，包括時間變化

8、趨勢和空間分布規(guī)律。分析了極端降雨的時間變化趨勢，并探討了影響北京地區(qū)強(qiáng)降雨的因子。分析了氣候變化對北京地區(qū)降雨的影響，包括水汽輸送總量和水汽輸送路徑的變化規(guī)律。預(yù)估了北京地區(qū)未來（2020、2050年）降雨趨勢，并預(yù)測了各個歷時（5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180、240、360、720、1440分鐘）的重現(xiàn)期（1、2、3、5、10、20、50、100年）降雨量。二、氣候變化事實(shí)分析2.1 中國及華北地區(qū)氣候變化事實(shí)2.2 北京市氣候變化事實(shí)2.1 中國及華北地區(qū)氣候變化事實(shí)降水 華北區(qū)域暴雨頻數(shù)與暴雨雨量均表現(xiàn)出顯著下降趨勢。1956-2007 年間，華北

9、區(qū)域降雨頻數(shù)下降是導(dǎo)致降雨量顯著下降的首要原因，而其最主要原因是暴雨頻數(shù)下降導(dǎo)致暴雨雨量下降。氣候變化國家評估報告華北地區(qū)年降水量極值的面積覆蓋率表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，與此同時，年降水日數(shù)極端偏多的范圍表現(xiàn)出更為明顯的下降趨勢，這就造成了平均降水強(qiáng)度極端偏強(qiáng)范圍的明顯增加。 氣候變化對北京市的影響體現(xiàn)在諸多方面，諸如農(nóng)業(yè)、水資源、森林和其它自然生態(tài)系統(tǒng)、城市運(yùn)行保障、人體健康等。就對水資源的影響而言，氣候變暖加劇了北京市水資源的供需矛盾。隨著氣溫的升高，降雨量也呈現(xiàn)出逐年降低的趨勢，對北京市水資源供需平衡造成了不利影響。而隨著社會經(jīng)濟(jì)活動和居民生活水平的提高，加劇了水資源的供需矛盾。另外，極端

10、氣候事件頻發(fā)，局地強(qiáng)降雨頻現(xiàn)。2.2 北京市氣候變化事實(shí)三、北京市歷史降雨變化趨勢分析3.1 一百多年來北京降雨量的趨勢3.2 極端降雨事件的趨勢分析3.3 短歷時強(qiáng)降雨的演變趨勢3.4 影響北京地區(qū)強(qiáng)降雨的因子分析3.1 一百多年來北京降雨量的趨勢（1）一百多年來，北京地區(qū)有兩個多雨時段，一段是1880年代中期至1890年代中期，另外一段是1950年代；三個少雨期是1850年代中期至1860年代中期、1940年代、1970年代中期至今。（2）1950年代以來降雨量呈減少趨勢，1960年以后年降雨距平百分率基本為負(fù)值，即降雨量少于常年平均值，平均每10年降雨量減少16毫米。（3）1999200

11、7年連續(xù)9年降雨偏少，造成水資源總量、地表水和地下水資源量持續(xù)偏少。北京每年的降雨很容易產(chǎn)生重大的偏離，以致出現(xiàn)旱澇無常的狀況。據(jù)統(tǒng)計，北京地區(qū)旱多于澇，但大澇遠(yuǎn)多于大旱。時間變化趨勢近五十年北京平原地區(qū)年降水量呈減少趨勢，減少速率為31毫米/10年。尤其是近9年（19992007年）連續(xù)為偏少年，年平均降水量為毫米，比近30年平均（毫米）偏少17%。目前北京處于20世紀(jì)50年代后的相對少雨時段，干旱現(xiàn)象十分嚴(yán)重。近五十年降水最少的三個年份分別為1999年、1965年、2006年。降水日數(shù)也呈減少趨勢。降水日數(shù)降水距平百分率3.1 一百多年來北京降雨量的趨勢時間變化趨勢3.1 一百多年來北京降

12、雨量的趨勢位于懷柔、密云附近的大于600mm降雨量等值線的范圍隨年代發(fā)生明顯改變。1980年代降雨中心主要位于懷柔、密云一帶。1990年代降雨中心逐漸向城區(qū)移動，城區(qū)北部的降雨量逐漸增加。另外，位于房山的霞云嶺附近出現(xiàn)一個降雨高值區(qū)，北京的主要降雨落區(qū)呈東北西南向分布。2000年之后降雨中心量值減少非常明顯，中心位置回撤到密云附近。空間變化趨勢1980年代1990年代2000年代3.1 一百多年來北京降雨量的趨勢北京地區(qū)20個氣象觀測站近三十年降雨量變化趨勢： 全市各站降雨均呈減少趨勢，東部地區(qū)減少最為明顯，每十年減少4050毫米?？臻g變化趨勢3.2 極端降雨時間的趨勢分析19712007年，

13、北京年極端降雨發(fā)生的頻次在減小，1970年代極端降水事件的頻次為次/年，到近十年（19992007年）僅為次/年。但日降雨強(qiáng)度有增大的趨勢。這表明，北京的暴雨集中度在增加，極易出現(xiàn)強(qiáng)降雨。極端降水事件近年我國各地頻繁出現(xiàn)多個破歷史記錄的極端氣候事件。極端降水指數(shù)定義單位降水量極端降水R99T超過99%的降水百分?jǐn)?shù)的總降水量毫米3.3 短歷時強(qiáng)降雨的演變趨勢5分鐘北京地區(qū)代表站（觀象臺、海淀和密云）近50年短歷時5分鐘年最大雨強(qiáng)，19412008年5分鐘雨強(qiáng)年際間差異較大，最大值主要集中在1950年代和1960年代。其中，1959年、1963年、1976和1951年最高，5分鐘雨量在毫米之間。從

14、1980年代中期1990年代末，5分鐘雨強(qiáng)呈減小的趨勢。但從2001年至今，北京地區(qū)5分鐘雨強(qiáng)呈增加的趨勢。3.3 短歷時強(qiáng)降雨的演變趨勢60分鐘19412008年北京地區(qū)60分鐘雨強(qiáng)的年際差異明顯，從毫米/60分鐘。1950年代和1960年代60分鐘雨強(qiáng)最大，從1985年至2002年，60分鐘雨強(qiáng)呈減小的趨勢。2003年至今，海淀和密云的60分鐘雨強(qiáng)呈增加的趨勢，觀象臺變化趨勢不大3.3 短歷時強(qiáng)降雨的演變趨勢60分鐘利用北京地區(qū)121個水文站60分鐘最大降雨量資料，從1980年代中期到2001年，北京地區(qū)60分鐘時間間隔內(nèi)發(fā)生的強(qiáng)降雨極值呈明顯減小的趨勢，而從20022008年60分鐘雨強(qiáng)

15、極值呈增加的趨勢，尤其是近3年來，60分鐘強(qiáng)降雨為近五十年來最大值。各年代的60分鐘雨強(qiáng)極值從大到小依次為：1980年代1970年代2000年代1990年代。1980年代最大，1990年代1小時雨強(qiáng)最小，20012008年雨強(qiáng)比1990年代增大。3.3 短歷時強(qiáng)降雨的演變趨勢120分鐘360分鐘3.3 短歷時強(qiáng)降雨的演變趨勢3.3 短歷時強(qiáng)降雨的演變趨勢1980年代后，一方面北京地區(qū)的降雨明顯偏少，另一方面，發(fā)生區(qū)域性大雨的頻次明顯減小，近年來北京暴雨多呈現(xiàn)出局地性的強(qiáng)對流天氣，它是由尺度很小的積雨云單體或單個雨團(tuán)所引起的，這種天氣的產(chǎn)生具有一定隨機(jī)性，并且生命史極短，所以生消發(fā)展都很迅速，這

16、種特點(diǎn)大大增加了預(yù)報難度，一旦出現(xiàn)，極易造成局地積澇，使得交通癱瘓、市民出行受到影響。另外，由于現(xiàn)代城市的發(fā)展，不透水路面增多，地表容易形成徑流，即使遇到一般暴雨也會出現(xiàn)局部地區(qū)積水，影響城市交通。1960和1970年代發(fā)生區(qū)域性大雨的頻次較高，1970年代最為明顯，一次大雨過程可以導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)大范圍臺站24小時之內(nèi)同時出現(xiàn)大于25毫米的降雨。2.廣義帕雷托分布: GPD的最大優(yōu)點(diǎn)在于，它直接由原始資料數(shù)據(jù)以給定門限值為標(biāo)準(zhǔn)來抽取超過該門限值的極大(或極小)值，其所需資料年限大大節(jié)省，從而增加了極值的樣本量，該分布更加符合實(shí)際。廣義Pareto分布函數(shù)為：分布密度函數(shù)(PDF)為：GPD的重現(xiàn)期

17、值公式為：6.1 方法介紹2.廣義帕雷托分布:廣義帕雷托GPD分布參數(shù)估計方法，采用概率加權(quán)矩法(PWM)，不但有較高的精度可與公認(rèn)的“極大似然法”相媲美，而且其計算簡便易行，不需要利用繁瑣的迭代計算。PMW定義為其通式可寫為根據(jù)前三個參數(shù)無偏估計式，GPD分布參數(shù)的估計通式為6.1 方法介紹2.廣義帕雷托分布:（4）廣義帕雷托分布擬合及其效果檢驗(yàn)選取我國不同區(qū)域的幾個代表站，用pareto 函數(shù)擬合1050 年不同長度樣本資料的極端降雨。該方法能達(dá)到較高的擬合度，且基本上資料年份越長，效果越好。這也說明極端降雨采用pareto分布擬合是可行的。6.1 方法介紹檢驗(yàn)方法：概率散點(diǎn)圖（P-P圖）

18、和百分位散點(diǎn)圖（Q-Q圖） 概率散點(diǎn)圖： 概率散點(diǎn)圖描述了樣本的次序統(tǒng)計量與經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)的擬合程度。對于極值模型最關(guān)心的就是數(shù)據(jù)取大值時模型是否合適，即關(guān)心較低次序統(tǒng)計量 (相對于較小的k)的擬合度。 百分位散點(diǎn)圖：極值理論認(rèn)為，當(dāng)X的分布函數(shù)為 F(X) 時，P-P圖和Q-Q圖應(yīng)近似為直線。這是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃侠硇缘闹饕鶕?jù)。6.2 廣義極值分布和廣義帕雷托分布對北京降雨模擬5分鐘6.2 廣義極值分布和廣義帕雷托分布對北京降雨模擬（2）廣義帕雷托分布對北京觀象臺短歷時降雨擬合檢驗(yàn)120分鐘6.2 廣義極值分布和廣義帕雷托分布對北京降雨模擬（2）廣義帕雷托分布對北京觀象臺短歷時降雨擬合檢驗(yàn)K-S檢驗(yàn)

19、是一種擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，研究樣本觀察值的分布和設(shè)定的理論分布間是否吻合，通過對兩個分布差異的分析，確定是否有理由認(rèn)為樣本的觀察結(jié)果來自所設(shè)定的理論分布總體。觀象臺不同歷時極端降雨分布擬合效果檢驗(yàn)6.2 廣義極值分布和廣義帕雷托分布對北京降雨模擬（4）科斯（K-S）檢驗(yàn)方法對GEV和GPD模擬效果的檢驗(yàn)歷時極值分布科斯檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)均方誤差5GEV0.140.990.03GPD0.031.000.0120GEV0.170.990.04GPD0.050.990.0160GEV0.160.970.04GPD0.040.990.01120GEV0.160.990.07GPD0.030.990.01720GE

20、V0.170.970.04GPD0.030.990.016.3 廣義帕雷托分布的重現(xiàn)期結(jié)果計算步驟：（1）門限值的選定利用年平均交叉率接近于1的方法計算出不同歷時的門限值。 參數(shù) 歷時（分鐘）門限值（）單位：毫米尺度參數(shù)（）線性參數(shù)（）59.00.9854-0.63771013.02.8227-0.33581518.03.9518-0.35672021.04.0709-0.43983026.06.0124-0.35064530.012.1463-0.03206034.09.6707-0.25619038.013.4458-0.092412042.014.3436-0.162315043.013

21、.8098-0.272118046.013.388-0.337124049.017.6711-0.233736056.013.2849-0.406572061.028.3976-0.0972144063.029.5871-0.12386.4 北京市各歷時降雨量的重現(xiàn)期結(jié)果 重現(xiàn)期（年） 歷時（分鐘）23510205010059.5199.98510.80511.95813.58417.39423.0021015.25316.89318.80921.46524.53330.21037.2161519.52021.55123.90227.10530.69737.05344.5682022.7842

22、5.44828.39232.34036.64842.92967.1373033.67838.67444.42652.12960.56774.90191.1464534.58340.71047.80057.45672.27887.404109.9916038.96844.77352.23963.36371.156111.244133.8039044.40952.82262.63676.21191.834120.585155.89012047.52155.71364.45779.44396.500130.519175.27415049.98158.65469.02284.040102.608140

23、.288180.53918053.02961.77272.21887.334105.997143.799194.14124057.64267.51279.77297.165118.013158.643211.3936062.43371.76882.87398.817118.102157.103218.21572073.56786.201101.560121.601143.426180.205221.525144082.419100.51121.369149.568180.781234.827297.343七、結(jié)論與展望北京市歷史降雨變化趨勢研究（1）北京地區(qū)18412008年年降雨量變化曲線顯示：北京有兩個多雨時段和三個少雨時段。近三十年，全市各站降雨均呈下降趨勢，東部地區(qū)下降最為明顯。同時，降雨日數(shù)也呈減少趨勢。（2）19712008年，北京地區(qū)年極端降雨發(fā)生的頻次在減小，但日降雨強(qiáng)度有增大的趨勢，北京的暴雨集中度