天街小雨润如酥，草色遥看近却无

—基于暴雨强度公式对城市建设高质量发展、精准实策的解读
杨丽丽
呼和浩特市暴雨强度公式是呼和浩特市气象局“呼和浩特地区暴雨强度公式修订及应用系统建设”项目的阶段成果，采用呼和浩特气象站1954-2018年降水资料，严格执行《室外排水设计规范》（GB50014－2006，2016年版）对“原暴雨强度公式“进行重新修订，为呼和浩特市城市建设及供排水管道规划设计提供科学、精准的基础依据。
一、什么是暴雨强度公式
暴雨强度公式，很多人可能会觉得陌生，但50年一遇或者100年一遇暴雨的说法，你一定听说过，其实这和暴雨强度公式有着莫大的关系。多少年一遇专业的说法叫做重现期，通过暴雨强度公式就能计算出不同重现期下的降雨强度是多少，当然连续降雨的时段不同，计算出来的暴雨强度也不同。知道了一个地方多少年一遇的暴雨强度，就能在城市排水管网设计和建设中科学决策，兼顾经济性的同时，合理布局排水管网，有效减少城市内涝的发生。所以，暴雨强度公式是反映降雨规律、指导城市排水防涝工程设计和相关设施建设的重要基础。
二、修编目的与意义
通常说的多少年一遇是频率的概念，是基于大量的实测资料，用数理统计方法估算的多次试验中某一事件重复出现的平均时间间隔。暴雨强度公式正是基于某地多年的实测降水资料推算出来的。呼和浩特市原来使用的暴雨强度公式编制于上世纪七十年代，由于受当时设备限制，所用资料样本少，不能充分反映近年来呼和浩特市的暴雨发生特征，直接关系到城市排水系统规划及设计建设的合理、高效和经济性。因此，编制呼和浩特市暴雨强度公式非常必要。
呼和浩特市作为内蒙古自治区的首府，随着城市的快速发展，城市不断扩容、建筑密度加大，不透水下垫面逐渐增多，城市出现的排水不畅和内涝现象逐渐加重，增加了防洪排涝难度，城市遭受水浸的自然风险也在加大。
呼和浩特市现在使用的暴雨强度公式编制于上世纪七十年代，由于编制时间久远、采用的样本少，不能充分代表近年来呼和浩特市的暴雨发生特征，直接关系到城市排水系统规划及设计建设的合理、高效和经济性。因此，编制呼和浩特市暴雨强度公式非常必要。
三、修编的依据
暴雨强度公式作为城市雨水排水系统规划和设计的基本依据之一，是科学、合理地规划设计城市排水系统的基础，2013年3月，国务院办公厅下发的《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》明确提出：“结合气象、水文资料，对现有暴雨强度公式进行评价和修订，全面评估城市排水防涝能力和风险”。中华人民共和国《室外排水设计规范》于2013年进行了重新修订，明确规定了编制暴雨强度公式过程中降水资料的选样方法和最小重现期。2014年5月，住房城乡建设部、中国气象局下发了《关于做好暴雨强度公式修订有关工作的通知》；2014年9月，自治区住房城乡建设厅、气象局下发通知（内建城[2014]479号）对此项工作提出了明确的要求。本公式遵循了依据全面性、资料可靠性及方法科学性原则。
四、暴雨强度公式编制的流程
呼和浩特市暴雨强度公式编制的主要内容包括资料处理、单一重现期暴雨强度公式拟合、区间参数公式拟合、暴雨强度总公式拟合、常用查算图表编制、精度检验、各强度暴雨时间变化特征和暴雨强度空间分布特征分析等内容，具体流程如下：

图2-1-1 暴雨强度公式编制流程图
（1）站点沿革：公式降水资料选择在呼和浩特国家基本气象站（53463）站点，本气象站沿革情况如下
呼和浩特国家基本气象观测站沿革
时  间 纬  度 经  度 海拔高度(m) 地  址 地理环境
1951.1.1～1953.12.31 40°49′ 111°41′ 1062.2 归绥市东门外机场 郊 外
1954.1.1～1955.12.31 40°49′ 111°41′ 1062.2 归绥市麻花板 市 区
1956.1.1～2012.12.31 40°49′ 111°41′ 1063.0 呼和浩特市麻花板 市 区
2013.1.1～至  今 40°51′ 111°34′ 1153.5 呼和浩特市乌苏图森林公园 郊 外
呼和浩特市各气象观测站使用的观测仪器设备符合《地面气象观测规范》，资料整理符合《地面气象观测资料质量控制》（QX/T 118-2010 ）和《地面气候资料30年整编常规项目及其统计方法》（QX/T 22-2004）等国家规定。降雨观测始于上世纪五十年代末或六十年代初，符合《地面气象观测规范》（QX/T 52-2007)第8部分。降水观测样本序列长，资料完整，数据连续性和一致性比较强。降水数据记录方式采用虹吸式雨量计和双阀容栅式雨量传感器（双翻斗式雨量计），资料统计按照“不漏场次、不漏大值”的原则选取。
（2）降水历时
短历时暴雨统计样本分为：5、10、15、20、30、45、60、90、120、150、180 min共 11 种降水历时。
（3）统计方法
从全年的降水自记纸或每分钟降水量数据文件中，挑取本年内11个时段最大降水量及相应开始时间。
各时段年最大降水量及相应开始时间，只有当 1440 min降水量≥10.0mm时才挑取。
各时段最大降水量从年内各月降水量自记纸或每分钟降水量数据滑动挑取，且不受日、月界的限制（但不跨年挑取）。
各时段年最大降水量出现两次或以上相同时，开始时间栏记出现次数。
雨量大而降雨历时不足时，要将降雨历时按零雨量外延至降雨历时。
（4）资料样本选取
按照国家标准《室外排水设计规范》（GB50014-2006，2014版）和《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》的要求，本项目采用最大值法建立样本资料，从呼和浩特市各气象观测站逐分钟降雨数据中分别提取 5、10、15、20、30、45、60、90、120 、150、180min11个降雨历时逐年降雨资料的最大值作为原始数据，分别建立各历时年最大值历年样本序列和近三十年的样本序列，作为编制暴雨强度公式的有效暴雨资料样本。
（5）样本资料的理论频率分布曲线拟合由于设计采用的重现期（100 年一遇）大于现有样本资料年限，对市区1954-2018年样本原始样本数据采用“适线法”调整各降雨历时的变差系数、偏态系数，使得理论频率分布曲线均匀分布，且对原始数据采用皮尔逊Ⅲ型分布曲线、耿贝尔分布曲线、指数分布曲线对呼和浩特市区统计样本进行拟合，拟合的误差达到最小（图3-1-1）。按照《室外排水设计规范》（GB50014-2006，2014版）推荐的理论频率曲线皮尔逊Ⅲ型分布曲线、耿贝尔曲线、指数分布曲线（理论频率分布曲线原理见附件二），进行理论频率分布曲线调整，最终选择对原始数据的拟合程度高，误差小的理论频率曲线对现有各历时样本资料进行延长。选择何种理论频率分布曲线，关键是看分布曲线对原始数据的拟合程度，按照《室外排水设计规范》（GB50014-2006，2014版）的要求，所选择的理论频率曲线拟合应具备误差小、精度高的特点，且必须满足：2-20年重现期的绝对均方误差（）≤0.05mm/min、相对均方误差（）≤5%。
（6）通过单一重现期暴雨强度公式与区间暴雨强度公式得出任意重现期暴雨强度公式。
并且对暴雨强度计算结果进行了精度检验，计算出重现期2～20年的暴雨强度，并计算暴雨强度理论值和实测值的平均绝对均方误差和平均相对均方误差：
运用暴雨强度计算系统，采用耿贝尔分布曲线对1954-2018年统计样本和指数曲线对1989-2018年统计样本拟合，使用误差最小的最小二乘法推算暴雨强度公式的各系数，得出呼和浩特市区暴雨强度公式：
                               
公式说明：技术术语说明
降雨历时 （rainfall duration）：指连续降雨的时段，为累积雨量的时间长度，以分钟（min）计。
降雨量（rainfall amount）：雨水累积深度，以毫米计（某一时段内降落到水平面上的降水量，单位：mm）。
降雨强度（rainfall intensity）：指某一历时内单位时间（每分钟或每小时）的降雨量。
短历时降雨（short duration precipitation）：指降雨历时小于120 分钟的降雨。
有效暴雨资料样本（effective rainstorm sample）：作为暴雨公式和暴雨雨型编制的降雨数据样本。
暴雨重现期（rainstorm return period）：某一强度的暴雨重复出现的统计平均时间间隔，以年（a）计。
暴雨雨型（rainstorm profile）：不同降雨历时内的暴雨强度随时间变化的特征，以不同降雨历时的降雨过程线型表达。
雨峰位置系数（peak intensity position coefficient）：表征暴雨强度过程的雨峰位置的参数，从降雨历时开始至降雨峰值出现的时间段长度与降雨历时的比值。
技术符号说明
i——设计暴雨强度，单位：mm/min
q——设计暴雨强度，单位：L/（s·hm2）
P——设计暴雨重现期，单位：a
t——降雨历时,单位：min
A——雨力参数；
C——雨力变动参数；
b——降雨历时修正参数；
n——暴雨衰减指数；
ri——雨峰位置系数。
五、 呼和浩特市区新编暴雨强度公式的合理性分析
呼和浩特市沿用是上世纪七十年代后期编制的暴雨强度公式为：
                
（1）呼和浩特市原暴雨强度公式编制年限、编制单位、编制方法、误差精度无记载，查证困难。
（2）呼和浩特市原暴雨强度公式编制所用资料样本年代少，编制时间久远，推算过程中的数据量比较少。
（3）由于受当时设备限制，呼和浩特市原暴雨强度公式编制时所用资料并不是准确的分钟降雨记录，依靠人工用专用取样尺从记录曲线上摘取各历时所需样本，资料取得受主观影响较大。
（4）呼和浩特市原暴雨强度公式，只有总公式，没有区间公式和单一重现期公式，无法找到当时的推算方法以及相关的参数。
（5）新编暴雨强度公式所用资料序列为65 年的降雨记录，样本充足，能比较充分反应呼和浩特市的降雨特征。
（6）新编公式的推算，得益于计算机技术的优势，对于以前无法实现的降雨自记纸资料进行了数据化处理，样本获取、计算过程完全依靠计算机完成，不受主观影响，可靠度有保证。
（7）新编暴雨强度公式严格按《室外排水设计规范》（GB50014-2006，2014版）编制，精度符合国标要求，并形成了总公式、区间公式、单一重现期公式、相关图表等系列成果，为公式的应用创造了便利条件。
（8）呼和浩特市新编的暴雨强度公式的暴雨强度曲线与实测拟合暴雨强度曲线的一致性优于原暴雨强度公式曲线；各重现期原公式暴雨强度大于新编公式的暴雨强度，且差值在短历时最大，随历时延长而逐渐减小，降雨历时30分钟以后趋于一致。
总之，新编暴雨强度公式的暴雨强度曲线与呼和浩特市区降水实测拟合暴雨强度曲线更为接近，新编的呼和浩特市区暴雨强度公式对于反应呼和浩特市暴雨特征要优于原公式。（文：杨丽丽）