北京市城市雨水排除規(guī)劃設(shè)計標準研究

《北京市降雨變化趨勢研究》

一、概述二、氣候變化事實分析三、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)計標準研究》。其中，北京市氣象局氣候中心主要承擔本項目的子課題2－《北京市降雨變化趨勢研究》。1.2研究目標與內(nèi)容按照北京市防洪排水安全的要求，研究適合北京市實際情況的雨水排除系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計標準。本項目的總目標：提高城市雨水基礎(chǔ)設(shè)施的運行能力，減少洪澇災害。《北京市降雨變化趨勢》的研究目標是，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)計標準的修訂提供參考。1.2研究目標與內(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化降雨記錄資料。每站每年選取18～20場最大降雨樣本。2、未來降水趨勢預估

2.1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、短歷時降雨強度。暴雨強度的空間分布。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。2.2未來降水趨勢預估：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、北運、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)用國家氣象局預測減災司提供的“降水自記紙數(shù)字化處理軟件”（2004）對降水記錄紙進行掃描、掃描檢查、降水曲線提取、降水強度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和質(zhì)量檢查，提取逐分鐘雨量資料。除了降水自記紙預處理系人工作業(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.降水自記紙預處理：對降水自記紙進行掃描輸入和數(shù)字化處理之前，首先要對降水自記紙進行一系列技術(shù)處理，為降水自記紙圖像掃描和圖形數(shù)字化的順利和準確進行做好準備。這種技術(shù)處理，稱為降水自記紙預處理。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)信息和補遺）。4.降水曲線自動提取，人機對話認可或修正，形成降水曲線文件。5.計算降水分鐘強度，按規(guī)定格式存儲。按站形成降水自記數(shù)據(jù)（降水分鐘強度）文件和標準（降水分鐘強度、降水小時強度）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。重點分析1981年至今的降雨趨勢，北京市極端降雨事件頻率和強度的變化趨勢。

2.北京市降雨變化趨勢研究1.4研究方案案應(yīng)用國家家氣象局局發(fā)布的的《中國地區(qū)區(qū)氣候變變化預估估數(shù)據(jù)集集》和天氣發(fā)發(fā)生器方方法預估估北京地地區(qū)未來來（2020、2050年）的降降雨趨勢勢（日降降雨量極極值、次次降雨量量極值））。4.北京市未未來降雨雨趨勢分分析應(yīng)用極大大似然法法和概率率加權(quán)法法（PWM），對中中國東部部地區(qū)日日降水廣廣義極值值分布（（GEV）和廣義義帕雷托托分布（（GPD）模擬的的情況進進行比較較。利用用概率散散點圖和和百分位位散點圖圖對北京京短歷時時降水的的情況進進行擬合合效果檢檢驗，最最終GPD對降水的的擬合效效果最好好，并利利用GPD方法預估估了北京京城區(qū)代代表站不不同歷時時重現(xiàn)期期降雨量量。5.北京市未未來不同同歷時最最大降雨雨量重現(xiàn)現(xiàn)期分析析1.5主要研究究成果收集整理理并提供供了北京京地區(qū)代代表氣象象站逐分鐘降降雨信息息化資料料。觀象臺臺站為1941～2008年，海淀淀為1975～2008年，密云云為1961～2008年。分析了北北京市短歷時降降雨變化化的趨勢勢，包括時時間變化化趨勢和和空間分分布規(guī)律律。分析析了極端端降雨的的時間變變化趨勢勢，并探探討了影影響北京京地區(qū)強強降雨的的因子。。分析了氣候變化化對北京京地區(qū)降降雨的影影響，包括水水汽輸送送總量和和水汽輸輸送路徑徑的變化化規(guī)律。。預估了北北京地區(qū)區(qū)未來（2020、2050年）降雨雨趨勢，并預測測了各個個歷時（（5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180、240、360、720、1440分鐘）的的重現(xiàn)期（1、2、3、5、10、20、50、100年）降雨量。二、氣候候變化事事實分析析2.1中國及華華北地區(qū)區(qū)氣候變變化事實實2.2北京市氣氣候變化化事實2.1中國及華華北地區(qū)區(qū)氣候變變化事實實降水華北區(qū)域域暴雨頻頻數(shù)與暴暴雨雨量量均表現(xiàn)現(xiàn)出顯著著下降趨趨勢。1956-2007年間，華華北區(qū)域域降雨頻頻數(shù)下降降是導致致降雨量量顯著下下降的首首要原因因，而其其最主要要原因是是暴雨頻頻數(shù)下降降導致暴暴雨雨量量下降。。《氣候變化化國家評評估報告告》－－華北北地區(qū)年年降水量量極值的的面積覆覆蓋率表表現(xiàn)出明明顯的下下降趨勢勢，與此此同時，，年降水水日數(shù)極極端偏多多的范圍圍表現(xiàn)出出更為明明顯的下下降趨勢勢，這就就造成了了平均降水水強度極極端偏強強范圍的的明顯增增加。氣候變化化對北京京市的影影響體現(xiàn)現(xiàn)在諸多多方面，，諸如農(nóng)農(nóng)業(yè)、水水資源、、森林和和其它自自然生態(tài)態(tài)系統(tǒng)、、城市運運行保障障、人體體健康等等。就對對水資源源的影響響而言，，氣候變變暖加劇劇了北京京市水資資源的供供需矛盾盾。隨著著氣溫的的升高，，降雨量量也呈現(xiàn)現(xiàn)出逐年年降低的的趨勢，，對北京京市水資資源供需需平衡造造成了不不利影響響。而隨隨著社會會經(jīng)濟活活動和居居民生活活水平的的提高，，加劇了了水資源源的供需需矛盾。。另外，，極端氣氣候事件件頻發(fā)，，局地強強降雨頻頻現(xiàn)。2.2北京市氣氣候變化化事實三、北京京市歷史史降雨變變化趨勢勢分析3.1一百多年年來北京京降雨量量的趨勢勢3.2極端降雨雨事件的的趨勢分分析3.3短歷時強強降雨的的演變趨趨勢3.4影響北京京地區(qū)強強降雨的的因子分分析3.1一百多年年來北京京降雨量量的趨勢勢（1）一百多多年來，，北京地地區(qū)有兩兩個多雨雨時段，，一段是是1880年代中期期至1890年代中期期，另外外一段是是1950年代；三三個少雨雨期是1850年代中期期至1860年代中期期、1940年代、1970年代中期期至今。。（2）1950年代以來來降雨量量呈減少少趨勢，，1960年以后年年降雨距距平百分分率基本本為負值值，即降降雨量少少于常年年平均值值，平均均每10年降雨雨量減減少16毫米。。（3）1999——2007年連續(xù)續(xù)9年降雨雨偏少少，造造成水水資源源總量量、地地表水水和地地下水水資源源量持持續(xù)偏偏少。。北京每每年的的降雨雨很容容易產(chǎn)產(chǎn)生重重大的的偏離離，以以致出出現(xiàn)旱旱澇無無常的的狀況況。據(jù)據(jù)統(tǒng)計計，北北京地地區(qū)旱旱多于于澇，，但大大澇遠遠多于于大旱旱。時間變變化趨趨勢近五十十年北北京平平原地地區(qū)年年降水水量呈呈減少少趨勢勢，減減少速速率為為31毫米/10年。尤尤其是是近9年（1999～2007年）連連續(xù)為為偏少少年，，年平平均降降水量量為462.1毫米，，比近近30年平均均（556.0毫米））偏少少17%。目前前北京京處于于20世紀50年代后后的相相對少少雨時時段，，干旱旱現(xiàn)象象十分分嚴重重。近近五十十年降降水最最少的的三個個年份份分別別為1999年、1965年、2006年。降水日日數(shù)也也呈減減少趨趨勢。。降水日日數(shù)降水距距平百百分率率3.1一百多多年來來北京京降雨雨量的的趨勢勢時間變變化趨趨勢3.1一百多多年來來北京京降雨雨量的的趨勢勢位于懷懷柔、、密云云附近近的大大于600mm降雨量量等值值線的的范圍圍隨年年代發(fā)發(fā)生明明顯改改變。。1980年代降降雨中中心主主要位位于懷懷柔、、密云云一帶帶。1990年代降降雨中中心逐逐漸向向城區(qū)區(qū)移動動，城城區(qū)北北部的的降雨雨量逐逐漸增增加。。另外外，位位于房房山的的霞云云嶺附附近出出現(xiàn)一一個降降雨高高值區(qū)區(qū)，北北京的的主要要降雨雨落區(qū)區(qū)呈東東北－－西南南向分分布。。2000年之后后降雨雨中心心量值值減少少非常常明顯顯，中中心位位置回回撤到到密云云附近近。空間變變化趨趨勢1980年代1990年代2000年代3.1一百多多年來來北京京降雨雨量的的趨勢勢北京地地區(qū)20個氣象象觀測測站近近三十十年降降雨量量變化化趨勢勢：全市各各站降降雨均均呈減減少趨趨勢，，東部部地區(qū)區(qū)減少少最為為明顯顯，每每十年年減少少40～50毫米。。空間變變化趨趨勢3.2極端降降雨時時間的的趨勢勢分析析1971～2007年，北北京年年極端端降雨雨發(fā)生生的頻頻次在在減小小，1970年代極極端降降水事事件的的頻次次為6.4次/年，到到近十十年（（1999～2007年）僅僅為2.6次/年。但但日降降雨強強度有有增大大的趨趨勢。。這表明明，北北京的的暴雨雨集中中度在在增加加，極極易出出現(xiàn)強強降雨雨。極端降降水事事件近年我我國各各地頻頻繁出出現(xiàn)多多個破破歷史史記錄錄的極極端氣氣候事事件。。極端降水指數(shù)定義單位降水量極端降水R99T超過99%的降水百分數(shù)的總降水量毫米3.3短歷時時強降降雨的的演變變趨勢勢5分鐘北京地地區(qū)代代表站站（觀觀象臺臺、海海淀和和密云云）近近50年短歷歷時5分鐘年年最大大雨強強，1941～2008年5分鐘雨雨強年年際間間差異異較大大，最最大值值主要要集中中在1950年代和和1960年代。。其中中，1959年、1963年、1976和1951年最高高，5分鐘雨雨量在在19.2～21.5毫米之之間。。從1980年代中期～～1990年代末，5分鐘雨強呈呈減小的趨趨勢。但從從2001年至今，北北京地區(qū)5分鐘雨強呈呈增加的趨趨勢。3.3短歷時強降降雨的演變變趨勢60分鐘1941～2008年北京地區(qū)區(qū)60分鐘雨強的的年際差異異明顯，從從18.2－129.7毫米/60分鐘。1950年代和1960年代60分鐘雨強最最大，從1985年至2002年，60分鐘雨強呈呈減小的趨趨勢。2003年至今，海海淀和密云云的60分鐘雨強呈呈增加的趨趨勢，觀象象臺變化趨趨勢不大3.3短歷時強降降雨的演變變趨勢60分鐘利用北京地地區(qū)121個水文站60分鐘最大降降雨量資料料，從1980年代中期到到2001年，北京地地區(qū)60分鐘時間間間隔內(nèi)發(fā)生生的強降雨雨極值呈明明顯減小的的趨勢，而而從2002～2008年60分鐘雨強極極值呈增加加的趨勢，，尤其是近近3年來，60分鐘強降雨雨為近五十十年來最大大值。各年代的60分鐘雨強極極值從大到到小依次為為：1980年代＞1970年代＞2000年代＞1990年代。1980年代最大，，1990年代1小時雨強最最小，2001～2008年雨強比1990年代增大。。3.3短歷時強降降雨的演變變趨勢120分鐘360分鐘3.3短歷時強降降雨的演變變趨勢3.3短歷時強降降雨的演變變趨勢1980年代后，一一方面北京京地區(qū)的降降雨明顯偏偏少，另一一方面，發(fā)發(fā)生區(qū)域性性大雨的頻頻次明顯減減小，近年年來北京暴暴雨多呈現(xiàn)現(xiàn)出局地性性的強對流流天氣，它它是由尺度度很小的積積雨云單體體或單個雨雨團所引起起的，這種種天氣的產(chǎn)產(chǎn)生具有一一定隨機性性，并且生生命史極短短，所以生生消發(fā)展都都很迅速，，這種特點點大大增加加了預報難難度，一旦旦出現(xiàn)，極極易造成局局地積澇，，使得交通通癱瘓、市市民出行受受到影響。。另外，由由于現(xiàn)代城城市的發(fā)展展，不透水水路面增多多，地表容容易形成徑徑流，即使使遇到一般般暴雨也會會出現(xiàn)局部部地區(qū)積水水，影響城城市交通。。1960和1970年代發(fā)生區(qū)區(qū)域性大雨雨的頻次較較高，1970年代最為明明顯，一次次大雨過程程可以導致致區(qū)域內(nèi)大大范圍臺站站24小時之內(nèi)同同時出現(xiàn)大大于25毫米的降雨雨。2.廣義帕帕雷托分布布:GPD的最大優(yōu)點點在于，它它直接由原原始資料數(shù)數(shù)據(jù)以給定定門限值為為標準來抽抽取超過該該門限值的的極大(或極小)值，其所需需資料年限限大大節(jié)省省，從而增增加了極值值的樣本量量，該分布布更加符合合實際。廣義Pareto分布函數(shù)為為：分布密度函函數(shù)(PDF)為：GPD的重現(xiàn)期值值公式為：：6.1方法介紹2.廣義帕帕雷托分布布:廣義帕雷托托GPD分布參數(shù)估估計方法，，采用概率率加權(quán)矩法法(PWM)，不但有較較高的精度度可與公認認的“極大大似然法””相媲美，，而且其計計算簡便易易行，不需需要利用繁繁瑣的迭代代計算。PMW定義為其通式可寫寫為根據(jù)前三個個參數(shù)無偏偏估計式，，GPD分布參數(shù)的的估計通式式為6.1方法介紹2.廣義帕帕雷托分布布:（4）廣義帕雷雷托分布擬擬合及其效效果檢驗選取我國不不同區(qū)域的的幾個代表表站，用pareto函數(shù)擬合10～50年不同長度度樣本資料料的極端降降雨。該方法能達達到較高的的擬合度，，且基本上上資料年份份越長，效效果越好。。這也說明明極端降雨雨采用pareto分布擬合是是可行的。。6.1方法介紹檢驗方法：：概率散點圖圖（P-P圖））和百分位位散點圖（（Q-Q圖圖）概率散點圖圖：概率散點圖圖描述了樣本本的次序統(tǒng)統(tǒng)計量與經(jīng)經(jīng)驗分布函函數(shù)的擬合合程度。對于于極極值值模模型型最最關(guān)關(guān)心心的的就就是是數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)取取大大值值時時模模型型是是否否合合適適，，即即關(guān)關(guān)心心較較低低次次序序統(tǒng)統(tǒng)計計量量(相對對于于較較小小的的k)的擬擬合合度度。。百分分位位散散點點圖圖：：極值值理理論論認認為為，，當當X的分分布布函函數(shù)數(shù)為為F(X)時，，P-P圖和和Q-Q圖應(yīng)應(yīng)近近似似為為直直線線。。這這是是檢檢驗驗模模型型合合理理性性的的主主要要根根據(jù)據(jù)。。6.2廣義義極極值值分分布布和和廣廣義義帕帕雷雷托托分分布布對對北北京京降降雨雨模模擬擬5分鐘鐘6.2廣義義極極值值分分布布和和廣廣義義帕帕雷雷托托分分布布對對北北京京降降雨雨模模擬擬（2）廣義義帕帕雷雷托托分分布布對北北京京觀觀象象臺臺短短歷歷時時降降雨雨擬擬合合檢檢驗驗120分鐘鐘6.2廣義義極極值值分分布布和和廣廣義義帕帕雷雷托托分分布布對對北北京京降降雨雨模模擬擬（2）廣義義帕帕雷雷托托分分布布對北北京京觀觀象象臺臺短短歷歷時時降降雨雨擬擬合合檢檢驗驗K-S檢驗驗是是一一種種擬擬合合優(yōu)優(yōu)度度檢檢驗驗，，研研究究樣樣本本觀觀察察值值的的分分布布和和設(shè)設(shè)定定的的理理論論分分布布間間是是否否吻吻合合，，通通過過對對兩兩個個分分布布差差異異的的分分析析，，確確定定是是否否有有理理由由認認為為樣樣本本的的觀觀察察結(jié)結(jié)果果來來自自所所設(shè)設(shè)定定的的理理論論分分布布總總體體。。觀象象臺臺不不同同歷歷時時極極端端降降雨雨分分布布擬擬合合效效果果檢檢驗驗6.2廣義義極極值值分分布布和和廣廣義義帕帕雷雷托托分分布布對對北北京京降降雨雨模模擬擬（4）科科斯斯（（K-S）檢檢驗驗方方法法對對GEV和GPD模擬擬效效果果的的檢檢驗驗歷時極值分布科斯檢驗相關(guān)系數(shù)均方誤差5GEV0.140.990.03GPD0.031.000.0120GEV0.170.990.04GPD0.050.990.0160GEV0.160.970.04GPD0.040.990.01120GEV0.160.990.07GPD0.030.990.01720GEV0.170.970.04GPD0.030.990.016.3廣義義帕帕雷雷托托分分布布的的重重現(xiàn)現(xiàn)期期結(jié)結(jié)果果計算算步步驟驟：：（1）門門限限值值的的選選定定利用年平均交交叉率接近于于1的方法計算出出不同歷時的的門限值。參數(shù)

歷時（分鐘）門限值（ζ）單位：毫米尺度參數(shù)（α）線性參數(shù)（κ）59.00.9854-0.63771013.02.8227-0.33581518.03.9518-0.35672021.04.0709-0.43983026.06.0124-0.35064530.012.1463-0.03206034.09.6707-0.25619038.013.4458-0.092412042.014.3436-0.162315043.013.8098-0.272118046.013.388-0.337124049.017.6711-0.233736056.013.2849-0.406572061.028.3976-0.0972144063.029.5871-0.12386.4北京市各歷時時降雨量的重重現(xiàn)期結(jié)果

重現(xiàn)期（年）

歷時（分鐘）23510205010059.5199.98510.80511.95813.58417.39423.0021015.25316.89318.80921.46524.53330.21037.2161519.52021.55123.90227.10530.69737.05344.5682022.78425.44828.39232.34036.64842.92967.1373033.67838.67444.42652.12960.56774.90191.1464534.58340.71047.80057.45672.27887.404109.9916038.96844.77352.23963.36371.156111.244133.8039044.40952.82262.63676.21191.834120.585155.89012047.52155.71364.45779.44396.500130.519175.27415049.98158.65469.02284.040102.608140.288180.53918053.02961.77272.21887.334105.997143.799194.14124057.64267.51279.77297.165118.013158.643211.3936062.43371.76882.87398.817118.102157.103218.21572073.56786.201101.560121.601143.426180.205221.525144082.419100.51121.369149.568180.781234.827297.343七、結(jié)論與展展望北京市歷史降降雨變化趨勢勢研究（1）北京地區(qū)1841～2008年年降雨量變變化曲線顯示示：北京有兩兩個多雨時段段和三個少雨雨時段。近三三十年，全市市各站降雨均均呈下降趨勢勢，東部地區(qū)區(qū)下降最為明明顯。同時，，降雨日數(shù)也也呈減少趨勢勢。（2）1971～2008年，北京地區(qū)區(qū)年極端降雨雨發(fā)生的頻次次在減小，但但日降雨強度度有增大的趨趨勢，北京的的暴雨集中度度在增加。（3）北京地區(qū)近近五十年短歷歷時強降雨呈呈波動變