适用于海绵城市规划建设的北京城市副中心降水特征研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月气 象 与 环 境 学 报 .收收稿稿日日期期:修修订订日日期期:资资助助项项目目:国国家家自自然然科科学学基基金金(、)和和北北京京市市气气象象局局科科技技项项目目(、)共共同同资资助助 作作者者简简介介:杨杨若若子子 女女 年年生生 高高级级工工程程师师 主主要要从从事事气气候候变变化化和和应应用用气气候候研研究究 :通通信信作作者者:轩轩春春怡怡 女女 高高级级工工程程师师 :杨杨若若子子 轩轩春春怡怡 王王冀冀 等等.适适用用于于海海绵绵城城市市规规划划建建设设的的北北京京城城市市副副中中心心降降水水特特征征研研究究 .气气象象与与环环境境学学报报 ():.():
2、.适适用用于于海海绵绵城城市市规规划划建建设设的的北北京京城城市市副副中中心心降降水水特特征征研研究究杨杨若若子子 轩轩春春怡怡 王王冀冀 杜杜吴吴鹏鹏 王王华华(北北京京市市气气候候中中心心 北北京京 北北京京市市气气象象服服务务中中心心 北北京京 )摘摘 要要:利利用用气气象象观观测测站站降降水水数数据据 分分析析了了北北京京城城市市副副中中心心所所在在区区域域日日降降水水的的时时空空变变化化特特征征 编编制制了了适适用用于于副副中中心心的的短短历历时时暴暴雨雨强强度度公公式式 最最后后计计算算了了海海绵绵城城市市建建设设的的控控制制目目标标指指标标 年年径径流流总总量量控控制制率率 结结
3、果果表表明明:研研究究区区降降水水量量年年际际变变化化较较大大 降降水水量量最最多多与与最最少少年年差差值值可可达达 年年内内降降水水量量分分布布不不均均 汛汛期期 月月降降水水量量()占占全全年年总总降降水水量量的的 汛汛期期降降水水量量、强强度度和和频频次次的的日日变变化化均均为为单单峰峰位位相相 降降水水量量和和降降水水强强度度位位相相分分布布特特征征一一致致 主主峰峰值值出出现现在在 时时 主主谷谷值值出出现现在在 时时 降降水水频频次次主主峰峰值值出出现现在在 时时 主主谷谷值值出出现现在在 时时 降降水水量量和和强强度度的的多多年年变变化化趋趋势势在在大大部部分分时时刻刻是是一一致
4、致的的 均均在在凌凌晨晨和和下下午午时时间间段段呈呈增增加加和和变变强强的的特特点点 在在上上午午、中中午午和和夜夜间间有有减减少少和和减减弱弱的的特特点点 空空间间分分布布上上 北北京京市市副副中中心心北北部部地地区区降降水水量量峰峰值值大大都都出出现现在在夜夜间间 南南部部地地区区降降水水量量峰峰值值大大都都出出现现在在清清晨晨 对对比比新新编编暴暴雨雨强强度度公公式式和和现现行行公公式式结结果果 当当重重现现期期越越大大时时 新新编编公公式式对对应应的的降降水水强强度度就就越越大大 新新编编公公式式更更加加适适应应未未来来极极端端降降水水频频发发背背景景下下的的海海绵绵城城市市设设计计和
5、和建建设设 海海绵绵城城市市建建设设控控制制指指标标 年年径径流流总总量量控控制制率率为为 和和 时时 对对应应的的设设计计降降水水量量为为 和和 关关键键词词:降降水水日日变变化化 暴暴雨雨强强度度 年年径径流流总总量量 控控制制率率 中中图图分分类类号号:文文献献标标识识码码:./.引引言言 世世纪纪以以来来 极极端端降降水水事事件件多多发发频频发发 城城市市内内涝涝日日趋趋严严重重 北北京京城城市市副副中中心心位位于于北北京京市市东东南南部部 京京杭杭大大运运河河北北端端 北北运运河河、潮潮白白河河流流域域下下游游 属属北北温温带带半半湿湿润润大大陆陆性性季季风风气气候候区区 北北京京城
6、城市市副副中中心心降降水水具具有有年年际际变变化化大大、季季节节分分配配不不均均、夏夏季季降降水水强强度度大大的的特特点点 因因其其地地势势低低洼洼、多多河河汇汇聚聚 所所以以洪洪涝涝灾灾害害频频发发 作作为为北北京京未未来来发发展展的的新新城城区区和和城城市市综综合合服服务务中中心心 北北京京城城市市副副中中心心计计划划疏疏解解中中心心城城区区 人人的的人人口口压压力力 促促进进京京津津冀冀协协同同发发展展 年年 月月 日日 北北京京城城市市副副中中心心普普降降暴暴雨雨 梨梨园园地地铁铁站站小小时时降降水水超超过过了了 年年一一遇遇 造造成成较较大大范范围围的的积积水水 个个别别下下凹凹桥桥
7、区区积积水水深深度度高高达达 多多处处路路段段因因积积水水封封路路 年年汛汛期期通通州州国国家家站站降降水水量量达达 超超常常年年(年年)降降水水量量 降降水水日日数数达达 是是建建站站以以来来历历史史最最多多的的 为为了了缓缓解解城城市市内内涝涝、更更好好地地管管理理雨雨水水 海海绵绵城城市市这这一一概概念念被被提提了了出出来来 其其定定义义是是指指城城市市能能够够像像海海绵绵一一样样 在在适适应应环环境境变变化化和和应应对对自自然然灾灾害害等等方方面面具具有有良良好好的的弹弹性性 下下雨雨时时吸吸水水、蓄蓄水水、渗渗水水、净净水水 需需要要时时将将续续存存的的水水释释放放并并加加以以利利用
8、用 海海绵绵城城市市建建设设能能够够明明显显地地改改善善城城市市内内涝涝问问题题 转转变变土土地地开开发发利利用用思思路路 降降低低地地面面硬硬化化 增增加加下下垫垫面面的的透透水水性性 扩扩大大雨雨洪洪的的蓄蓄洪洪空空间间 进进一一步步合合理理地地利利用用资资源源 为为经经济济下下行行提提供供支支撑撑和和改改善善民民生生 因因此此得得到到了了从从中中央央到到地地方方各各级级政政府府的的全全力力推推进进 科科学学地地认认识识城城市市的的降降水水信信息息和和过过程程特特点点是是海海绵绵城城市市建建设设首首当当其其冲冲的的问问题题 已已有有研研究究取取得得了了诸诸多多成成果果 郑郑祚祚芳芳等等 分
9、分析析了了北北京京地地区区夏夏季季降降水水的的时时空空分分布布特特征征和和城城郊郊差差异异 宋宋晓晓猛猛等等 利利用用年年最最大大值值法法和和百百分分位位阈阈值值法法分分析析了了城城市市化化对对极极端端降降水水的的影影响响效效应应 左左斌斌斌斌等等 利利用用水水文文站站降降水水数数据据分分析析了了极极端端降降水水阈阈值值及及时时空空演演变变规规律律 袁袁宇宇锋锋等等 分分析析了了北北京京山山区区、郊郊区区以以及及城城区区夏夏季季不不同同强强度度等等级级降降水水的的变变化化特特征征 以以往往研研究究往往往往集集中中于于全全国国、地地理理区区划划、省省市市尺尺度度的的降降水水特特征征分分析析 较较
10、少少针针对对区区县县尺尺度度进进行行小小时时降降水水变变化化特特征征分分析析 随随着着自自动动气气象象站站的的不不断断建建立立和和高高时时空空分分辨辨率率降降水水数数据据的的不不断断积积累累 基基于于更更高高密密度度的的观观测测站站网网开开展展更更高高空空间间分分辨辨率率的的日日变变化化降降水水特特征征分分析析 第 期杨若子等:适用于海绵城市规划建设的北京城市副中心降水特征研究 变变成成可可能能 与与日日降降水水量量相相比比 小小时时降降水水量量更更能能准准确确反反映映降降水水强强度度和和降降水水过过程程 因因此此更更适适合合于于对对极极端端降降水水事事件件的的研研究究 北北京京城城市市副副中
11、中心心的的快快速速城城市市化化带带来来路路面面硬硬化化的的加加剧剧 增增加加了了暴暴雨雨内内涝涝风风险险 随随着着运运河河的的通通航航 如如何何应应对对暴暴雨雨内内涝涝风风险险 值值得得进进一一步步研研究究 本本文文利利用用气气象象观观测测站站降降水水数数据据 从从气气象象学学角角度度降降水水日日变变化化整整体体特特征征入入手手 深深入入认认识识研研究究区区高高时时空空分分辨辨率率的的降降水水位位相相特特征征 从从水水文文学学角角度度计计算算海海绵绵城城市市防防洪洪排排涝涝体体系系规规划划建建设设所所需需的的暴暴雨雨强强度度公公式式 从从海海绵绵城城市市建建设设控控制制目目标标指指标标角角度度
12、计计算算年年径径流流总总量量控控制制率率及及其其对对应应设设计计降降水水量量 研研究究结结果果可可为为北北京京城城市市副副中中心心海海绵绵城城市市建建设设提提供供科科技技支支撑撑 资资料料与与方方法法 资资料料来来源源及及处处理理 北北京京城城市市副副中中心心规规划划范范围围为为原原北北京京市市通通州州新新城城规规划划建建设设区区 总总面面积积约约 外外围围控控制制区区即即通通州州全全区区约约 降降水水数数据据来来源源于于北北京京市市气气象象数数据据中中心心 包包含含了了北北京京市市通通州州区区国国家家级级气气象象观观测测站站(简简称称国国家家站站)年年逐逐分分钟钟降降水水数数据据 区区域域自
13、自动动气气象象观观测测站站(简简称称区区域域站站)年年汛汛期期(月月)逐逐时时降降水水数数据据 考考虑虑到到区区域域站站数数据据的的完完整整性性 最最终终选选取取了了研研究究区区内内的的 个个区区域域站站参参与与降降水水空空间间特特征征的的计计算算分分析析 在在本本研研究究中中 降降水水量量为为 时时逐逐时时刻刻的的降降水水量量在在整整个个分分析析时时段段内内分分别别累累加加得得出出 降降水水频频次次为为所所有有有有效效降降水水小小时时数数在在 时时分分别别累累加加得得出出 降降水水强强度度为为累累积积降降水水量量除除以以累累积积降降水水频频次次 对对降降水水量量、降降水水频频次次和和降降水水
14、强强度度的的日日变变化化位位相相各各自自除除以以 均均值值做做无无量量纲纲化化处处理理 使使三三者者日日变变化化位位相相可可在在同同一一纵纵坐坐标标中中得得到到显显示示 降降水水量量日日变变化化峰峰值值时时间间位位相相用用日日最最大大值值出出现现时时刻刻表表示示 降降水水量量日日变变化化峰峰值值的的振振幅幅用用峰峰值值的的量量值值与与日日均均值值的的比比值值表表示示 暴暴雨雨强强度度公公式式编编制制方方法法依依 据据 室室 外外 排排 水水 设设 计计 规规 范范 ()建建议议 本本研研究究利利用用年年最最大大值值采采样样方方法法 选选取取了了国国家家站站 个个降降水水历历时时(、)每每年年的
15、的最最大大降降水水量量值值作作为为暴暴雨雨强强度度公公式式的的编编制制样样本本 以以上上资资料料均均经经过过审审核核和和质质量量控控制制 暴暴雨雨强强度度公公式式 为为 ()()()式式()中中 为为暴暴雨雨强强度度计计算算值值 单单位位为为 /为为重重现现期期 单单位位 为为降降水水历历时时 单单位位为为 、为为参参数数 对对暴暴雨雨强强度度计计算算的的结结果果进进行行精精度度检检验验 计计算算绝绝对对均均方方根根误误差差和和相相对对均均方方根根误误差差 绝绝对对均均方方根根误误差差:()()相相对对均均方方根根误误差差:()式式()式式()中中 为为计计算算抽抽样样误误差差的的样样本本个个
16、数数 、分分别别是是同同一一频频率率对对应应的的实实际际值值、拟拟合合值值(理理论论曲曲线线估估计计值值)有有研研究究表表明明 在在一一般般强强度度的的地地方方 平平均均绝绝对对均均方方根根误误差差不不宜宜大大于于 /在在较较大大强强度度的的地地方方 平平均均相相对对均均方方根根误误差差不不宜宜大大于于 年年径径流流总总量量控控制制率率对对应应设设计计降降水水量量计计算算方方法法 依依据据 海海绵绵城城市市建建设设技技术术指指南南 低低影影响响开开发发雨雨水水系系统统构构建建(试试行行(以以下下简简称称 指指南南)年年径径流流总总量量控控制制率率的的定定义义为为根根据据多多年年日日降降水水量量
17、统统计计数数据据分分析析计计算算 通通过过自自然然和和人人工工强强化化的的渗渗透透、储储存存、蒸蒸发发(腾腾)等等方方式式 场场地地内内累累计计全全年年得得到到控控制制(不不外外排排)的的降降水水量量占占全全年年总总降降水水量量的的百百分分比比 设设计计降降水水量量是是各各城城市市实实施施年年径径流流总总量量控控制制的的专专有有量量值值 各各区区域域的的设设计计降降水水量量值值应应单单独独推推求求 选选取取研研究究区区代代表表站站近近期期超超过过 日日降降水水数数据据 扣扣除除小小于于等等于于 的的降降水水事事件件 将将降降水水量量日日值值 按按雨雨量量由由小小到到大大进进行行排排序序()统统
18、计计小小于于某某一一降降水水量量 的的降降水水总总量量 其其中中小小于于 的的按按实实际际降降水水量量计计算算降降水水总总量量 大大于于等等于于 的的按按 计计算算降降水水总总量量 最最后后两两者者求求总总 计计算算其其在在总总降降水水量量中中的的比比率率 公公式式为为 ()()式式()中中 为为年年径径流流量量总总量量控控制制率率 为为扣扣除除小小于于等等于于 的的降降水水事事件件的的降降水水量量 为为 对对应应的的设设计计降降水水量量 且且 结结果果分分析析 降降水水日日变变化化整整体体特特征征 年年通通州州国国家家站站年年平平均均降降水水量量为为 略略低低于于北北京京主主城城区区(代代表
19、表站站朝朝阳阳、海海淀淀、丰丰台台和和石石景景山山)年年平平均均降降水水量量()通通州州国国家家站站降降水水量量年年际际变变化化较较大大 最最大大值值出出现现在在 年年()最最小小值值出出现现在在 年年 降降水水量量仅仅为为 雨雨量量差差值值为为 (图图 )分分析析降降水水量量年年代代际际变变化化 世世纪纪 年年代代降降水水量量年年代代际际变变化化不不大大 为为 世世纪纪初初降降水水量量急急速速下下降降 达达到到有有历历史史记记录录以以来来最最低低值值()年年后后降降水水量量迅迅速速回回升升 世世纪纪 年年代代降降水水量量达达到到 年年降降水水量量为为 近近 (年年)降降水水量量呈呈快快速速增
20、增多多的的变变化化趋趋势势 变变化化速速率率达达到到 /降降水水量量 的的暴暴雨雨雨雨量量值值主主要要集集中中在在 范范围围 占占暴暴雨雨总总雨雨量量 气 象 与 环 境 学 报第 卷的的 (图图 )降降水水量量 的的大大暴暴雨雨雨雨量量占占暴暴雨雨总总雨雨量量的的 年年大大暴暴雨雨日日数数共共有有 其其中中有有 发发生生在在近近 内内 降降水水量量年年内内分分布布也也极极不不均均匀匀 国国家家站站 图图 年年降降水水量量变变化化()和和日日暴暴雨雨不不同同级级别别降降水水量量分分布布()()()年年汛汛期期 月月降降水水量量多多年年平平均均值值为为 占占全全年年总总降降水水量量的的 由由图图
21、 可可以以看看出出 在在大大部部分分时时刻刻降降水水量量和和降降水水强强度度增增加加和和减减少少的的变变化化趋趋势势一一致致 在在凌凌晨晨、下下午午(时时、时时和和 时时)均均为为正正趋趋势势 表表明明随随着着年年变变化化降降水水量量和和降降水水强强度度在在上上述述时时刻刻是是增增加加和和变变强强的的 而而在在上上午午、中中午午和和夜夜间间(时时、时时、时时和和 时时)随随着着年年变变化化降降水水量量和和降降水水强强度度是是减减少少和和减减弱弱的的 仅仅有有 个个时时刻刻(、时时)降降水水量量和和降降水水强强度度变变化化趋趋势势不不一一致致 总总的的来来看看 降降水水强强度度与与降降水水量量的
22、的变变化化趋趋势势一一致致 降降水水量量和和强强度度在在凌凌晨晨和和下下午午呈呈增增加加和和变变强强 在在上上午午、中中午午和和夜夜间间减减少少和和减减弱弱 图图 年年汛汛期期降降水水量量和和降降水水强强度度 进进一一步步分分析析降降水水日日变变化化特特征征 从从区区域域站站多多站站平平均均 年年汛汛期期平平均均的的降降水水量量、降降水水频频次次和和降降水水强强度度的的日日变变化化演演变变曲曲线线(图图 )可可以以看看出出 降降水水量量的的日日变变化化显显示示主主要要是是单单峰峰位位相相 在在峰峰值值与与谷谷值值之之间间偶偶有有小小的的峰峰谷谷 主主峰峰值值出出现现时时间间为为 时时和和 时时
23、 主主谷谷值值在在 时时 除除位位相相外外 振振幅幅是是日日变变化化的的另另一一个个重重要要特特征征 降降水水量量在在不不同同时时刻刻的的振振幅幅差差异异较较大大 最最大大振振图图 年年汛汛期期降降水水量量、频频次次和和强强度度的的日日变变化化 幅幅为为 最最小小振振幅幅为为 对对比比频频次次和和强强度度 降降水水量量的的日日变变化化振振幅幅差差异异最最大大()降降水水强强度度峰峰谷谷值值位位相相分分布布特特征征与与降降水水量量一一致致 只只是是振振幅幅略略小小 位位相相主主要要是是单单峰峰位位相相 在在 时时达达到到峰峰值值 清清晨晨逐逐步步降降低低 在在 时时达达到到最最低低 之之后后逐逐
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