上海市城市暴雨内涝评估建模及模拟研究

随着城市化的推进,暴雨内涝逐渐成为许多城市的主要自然灾害,但当前暴雨内涝模型大多基于水动力学方法,需要大量的输入参数,不便于推广和应用。研究采用概化方法针对外环内中心城区构建上海暴雨内涝评估模型(Shanghai Urban Flooding Assessment Model,SUM),通过对接逐时次的降雨量,实现了对城市内涝的逐小时连续模拟。在此基础上,利用报警灾情资料和区内积水监测数据对模型模拟结果进行了评估。结果表明,该模型可以较好地模拟本市中心城区的内涝积水状况,且随着降雨量的增大,积水面积的增幅也逐渐变大;致灾阈值的分析表明浦西地区的内涝致灾雨量总体上低于浦东,其中本市黄浦、徐汇、虹口、闸北等中心城区以及宝山区部分街道的致灾雨量相对较低。     

天津市暴雨内涝灾害风险分析

分析了城市化对暴雨内涝灾害风险分布的影响，介绍了天津市暴雨内涝灾害仿真模型的基本原理及实际暴雨过程的验证情况。在分析天津市暴雨频次分布的基础上，根据天津市的暴雨特点和汛期排水运作规则，利用天津市内涝灾害仿真模型，对不同类型的降水过程进行了数值模拟，并对暴雨引起内涝灾害的风险进行了初步的量化评估。     

广州城市暴雨内涝模型模拟效果评估

基于水动力方法构建的广州城市暴雨内涝模型,结合精细化降水预报,对内涝点的积水深度及风险等级进行模拟,结果表明,模型对近两年内涝点内涝风险等级命中率达65%,对总降水量为50～100 mm的降水过程命中率最高为72.8%。模型对2020年“5.22”特大暴雨过程模拟的积水深度和实况相比偏弱,误差主要分布在30 cm以内,大约占64%,大部分模型模拟积水深度偏小,主要位于广州中北部地区;此外,模型对积水1m以下内涝点的积水有不错的模拟能力,而对2m左右的深积水模拟能力还有限。不同重现期雨情下,广州中心城区的降雨量和历时越大,积水面积越大。1 h重现期雨情下,积水深度一般在20 cm以下,部分在20～59 cm;3 h降雨情景下,积水明显加深,积水深度一般在20～59 cm,部分在0～20 cm和60～119 cm。总体而言,模型模拟结果与实测内涝积水情况基本一致,模型准确度可满足业务需求。     

基于城市暴雨内涝数学模型的福州内涝灾害风险评估

以福州市城区地表和明渠河道为主要模拟对象,结合福州市城区高精度地理信息、排水设施、排水运作方式等数据,建立福州城市暴雨内涝数学模型。利用该模型对福州市历史上3次典型降雨过程以及不同重现期降雨造成的城区内涝灾害进行模拟。对模型的模拟结果与实况积水进行评估表明,3次降雨过程的模拟与实况积水深度绝对误差小于10 cm的积水点分别占比为50%、78%、76%。模型对雨强较大的短时强降雨过程,模拟效果稍差,模拟积水比实况积水整体偏小;对长时间、雨强比较平均的降雨,整体模拟效果较好。利用模型对不同重现期降雨下福州市城区内涝灾害风险进行评估表明,模型能够客观反映不同重现期降雨过程下福州市城区内涝灾害风险分布。     

基于设计暴雨雨型的天津城市内涝模拟研究

为分析不同设计暴雨雨型对天津中心城区内涝的影响,采用天津城市暴雨内涝模型水动力数学模型,以天津中心城区为研究区域进行城市内涝数值模拟。通过对2018—2019年天津市3次不同降水过程进行模型模拟效果检验表明,该模型具有一定的模拟精度。在此基础上,对不同重现期、不同历时、不同概率的时段雨型为降雨边界的内涝过程进行模拟,对比分析内涝积水总量、积水面积等模拟结果。结果表明：3种代表性设计暴雨雨型,短历时(6 h)且重现期较短(<10 a)的暴雨,强降水持续时间长,且峰现时间较早的雨型,积水总量及面积最大,而重现期较长的暴雨(≥10 a),强降水时段集中,峰值出现最早的雨型,积水总量及面积最大。12 h和24 h等长历时的降水,则规律相反。     

基于暴雨内涝模型的天津市西青区中小河流暴雨洪涝灾害评估

利用ARCGIS对天津市西青区的高精度地理信息数据、排水设施和排水方式进行预处理,以西青区下垫面和明渠河道的水流运动为模拟对象,建立天津市西青区中小河流暴雨洪涝仿真模型。以区内14条二级河道的水位变化作为模型的动态侧边界条件,针对2016年7月20日的大暴雨过程,设计了4个模拟方案,对河道高水位及暴雨造成的洪涝淹没过程进行评估,并将模拟结果与实际调查内涝灾情进行对比,结果表明,模型可以较客观地反映暴雨和河道水位变化对城镇造成的内涝灾害情况。     

湖州城市暴雨内涝预警预报系统研制

在引进暴雨内涝仿真模型基础上,基于GIS,集合湖州市城市地理、河道地形、工程设施、气象监测、防洪调度等基础空间信息,构建了完整的湖州市暴雨内涝数学模型,以城区气象自动站资料、数值预报产品、雷达估测降水、主观降水预报等作为实况和预报用降雨边界条件,建立了湖州城市暴雨内涝预警预报系统。并运用该系统对发生在1999年6月24日—7月1日的连续暴雨造成严重城市内涝过程,以5种内河水位为初始水位条件,进行了历史反演,反演结果与历史描述基本相符,最大积水深度和位置基本一致,积水面积偏小。反演结果显示:本系统具备一定的暴雨内涝动态监测预报能力,对拓展城市灾害预报服务领域,提高城市暴雨内涝灾害监测、预报、灾害风险评估水平具有一定的参考作用。     

南宁市暴雨内涝监测预警系统

利用多普勒雷达产品、精细化数值预报产品和城市密集自动雨量观测站数据,以内涝积水模型和内涝风险等级划分原理为核心,研发精细化到街区的南宁市暴雨内涝监测系统,实现城市内涝的实时监测、提前预警和风险预估,并将内涝预警信息以多种途径发布;将该系统用于2015年5月4日的短时强降雨造成城市内涝过程,验证结果表明:模拟结果与观测结果基本相符,最大积水深度和位置基本一致,但个别点存在两者异常偏大情况,排水管网初始场数据不完善是导致模拟结果产生异常的主要原因。应用结果表明,该系统具备一定的暴雨内涝动态监测预报能力,对提高对城市暴雨内涝灾害的监测预警和风险评估水平起到了一定作用。     

上海中心城区暴雨内涝阈值研究

基于上海暴雨积水110报警数据和自动气象站逐小时降水数据,利用时空过程分析法研究了暴雨积水与降水强度以及累积雨量的关系,建立了中心城区暴雨内涝的阈值指标,结果表明,中心城区暴雨积水程度与1 h降水强度和2 h累积雨量密切相关。当降水强度达30~40 mm·h-1时,中心城区就会出现暴雨积水。当降水强度达50 mm·h-1、2 h累积雨量达70 mm时,暴雨积水会明显增多。相对于暴雨发生的时间,暴雨积水具有明显的滞后效应,一般滞后1~2 h。下垫面状况、人口和道路密度也影响到暴雨积水的发生。综合海拔高程、下垫面类型、排水管网等多因素,开展中心城区精细化的暴雨内涝风险情景模拟及灾害损失评估,是下一步的研究方向。     

RCP4.5情景下长江上游流域未来气候变化及其对径流的影响

基于1961—2010年长江寸滩以上流域50个气象站的逐日观测数据和寸滩水文控制站的逐日径流数据,结合流域的地形、土地利用和土壤信息,采用HBV和SWAT水文模型,模拟了流域降水径流定量关系,并利用CCLM区域气候模式,开展了气候变化背景下,寸滩未来径流的可能演变趋势分析。结果表明:HBV和SWAT水文模型都适用于位于湿润地区的长江寸滩以上流域,月径流的模拟Nash-Sutcliffe效率系数都在0.90以上。相比较,SWAT水文模型对于枯水径流的模拟较差,HBV水文模型峰值流量的模拟高于实测。相对于基准期(1986—2005年),RCP4.5情景下,2011—2040年寸滩以上流域平均气温、最高气温、最低气温将明显增加,并呈持续上升趋势;流域降水也有一定的增加,但2030年后呈弱减少趋势。从两类水文模型对径流模拟的集合结果来看,2011—2040年年径流将上升14.2%;而径流量的概率分布尾部特征及径流分位数变化进一步表明,流域的未来峰值流量预计将有所增大。     

气候变化背景下蚌埠市暴雨与淮河上游洪水遭遇概率分析

利用6个全球/区域气候模式和VIC模型,预估了IPCC RCPs情景下2021—2050年淮河干流蚌埠水文站(吴家渡断面)的日流量过程。在此基础上,运用Copula函数构建了蚌埠市暴雨与淮河上游洪水遭遇概率模型,分析了RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下不同重现期暴雨和洪水组合遭遇概率的变化趋势。结果表明,2021—2050年多模式预估上游洪水与城市暴雨遭遇的概率较基准期(1971—2000年)有所增大,具有较高的一致性,平均增幅46%~79%。暴雨与洪水遭遇概率的增大,将会增加未来蚌埠市防洪工作的难度。     

气候变化背景下北京市短历时暴雨的强度及雨型变化特征

利用1961—2017年北京观象台站逐分钟降雨资料,根据《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》,建立了北京市1961—1990年和1991—2017年两个气候态下的暴雨强度公式和2 a重现期下历时30 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min以5 min为时间段的设计暴雨雨型。结果表明：1）P-Ⅲ型分布曲线对北京市两个气候态下各历时降雨量的拟合效果最好,暴雨强度公式精度最高。2）对比1961—1990年和1991—2017年暴雨强度公式,整体而言,后者各历时重现期的暴雨强度值较低,但随着重现期的增大,两者的雨强差值也增大。3）1961—1990年和1991—2017年短历时雨型的雨峰位置系数分别为0.436和0.382,2 a重现期下前者的各历时雨峰位置比后者提前,各历时累积降雨均在初期增长较慢、雨峰前后增长较快,之后增速明显减缓。     

RCP4.5情景下四川省猕猴桃溃疡病菌适生性分析

分析RCP4.5情景下猕猴桃溃疡病菌在四川范围内的适生性,旨在为猕猴桃种植区划和科学风险评估、监测、预防猕猴桃溃疡病提供参考。选用MaxEnt模型(the maximum entropy model),结合ArcGIS(geographic information system)软件,预测猕猴桃溃疡病致病因子在四川的潜在适生区面积及质心位移变化。利用ROC曲线对模型模拟的准确度进行评价,训练数据和测试数据AUC值均高于0.9。到21世纪80年代,高适生区和低适生区面积在RCP4.5情景下较当前情景下分别增长75.51%和334.75%,而中适生区面积减少25.45%,不同适生区质心位置和迁移规律均有所不同,但总体上均向西北移动。研究虽不能涵盖所有影响猕猴桃溃疡病菌分布的环境因素,但病菌及寄主的分布很大程度上是由气候因子决定。     

极端暴雨威胁下的城市内涝风险预警系统研究

传统内涝风险预报系统多基于单一降雨产品驱动城市水文水动力模型的模式,难以解决由于暴雨观测或数值模拟带来的不确定性问题。综合利用多源降雨（雷达、地面雨量计,地面雨滴谱）、积水观测数据,有利于提高内涝预报精度,改善风险空间描述。因此,为了进一步加强洪涝预测能力以更好地应对极端暴雨威胁,本研究提出了基于综合观测的城市内涝风险预警系统,并在北京市清河流域进行了初步实践和检验。该系统包含六个模块,融合了新兴的降雨积水观测技术,引入了主流的降雨临近预报方法,采用了成熟的城市雨洪模拟手段,可为道路交通提供实时的积水深度和风险等级,为城市内涝灾害应急管理提供内涝风险预测和预警产品。     

1961-2008年京津冀地区暴雨的气候变化特征分析

利用北京市、天津市和河北省1961-2008年逐日台站降水资料,采用经验正交函数分解（empirical orthogonal function）、Morlet小波、曼-肯德尔（Mann-Kendall）突变检验等方法,统计分析了京津冀地区暴雨量及暴雨频次的气候变化特征。结果表明：气候态下,京津冀地区暴雨量及暴雨频次沿地形呈东南多—西北少的分布型,暴雨发生时间相对集中在7月下旬和8月上旬。1961-2008年京津冀大部分地区暴雨量呈减少的趋势,且在1980年发生显著突变,2000年代以后暴雨量进一步减少。小波功率谱分析结果表明,京津冀地区暴雨量主要存在2-4a的显著主周期。该地区暴雨量EOF展开的前3模态显示,暴雨量主要呈全区一致变化以及东西反向、南北反向的空间变化特征。     

气候变化对中国水资源影响的适应性评估与管理框架

 通过论述气候变化对中国水资源影响的适应性评估与管理框架,提出一个气候变化影响决策评估工具,它包括：未来气候变化对中国水资源潜在影响的定性描述分析、半定量与定量分析以及适应性对策评估。由于不同气候区域所面临的水资源问题不同,选择中国4个典型案例区域,并确定不同的目标进行气候变化适应性管理综合研究,提出了甄别气候变化影响和适应性管理的新的思路、框架与方法论。该项研究为应对未来气候变化影响的水资源规划与风险管理提供了途径与方法。     

基于暴雨内涝模型的莆田沿海地区风暴潮灾害评估

利用ArcGIS对莆田沿海地区的地形、下垫面属性和排水设施及排水运作方式进行预处理,建立台风降水、风暴潮共同影响下的莆田沿海地区内涝模型。应用雷达估算降水及自动雨量站数据计算的热带气旋"南玛都"过程面雨量,以及此次暴雨过程沿岸海区和河口的时变水位作为模型的边界条件,对莆田地区风暴潮灾害风险进行评估试验。针对2011年9月1日热带气旋"南玛都"造成的莆田沿海地区风暴潮及暴雨灾害,利用暴雨内涝模型进行评估试验研究,将模拟结果与实况灾情进行对比,结果表明模型能够较客观地反映"南玛都"过程降水和风暴潮共同作用的灾害情况。     

气候变化对中国水资源影响的适应性评估与管理框架

通过论述气候变化对中国水资源影响的适应性评估与管理框架,提出一个气候变化影响决策评估工具,它包括：未来气候变化对中国水资源潜在影响的定性描述分析、半定量与定量分析以及适应性对策评估。由于不同气候区域所面临的水资源问题不同,选择中国4个典型案例区域,并确定不同的目标进行气候变化适应性管理综合研究,提出了甄别气候变化影响和适应性管理的新的思路、框架与方法论。该项研究为应对未来气候变化影响的水资源规划与风险管理提供了途径与方法。     

1963—2012年连平县暴雨的气候变化特征

利用1963—2012年连平县逐日降水资料,采用统计方法分析了近50年来连平县暴雨的逐月分布及年际与年代际变化特征,并对暴雨的初终日变化及持续天数等也进行了分析。结果表明:连平每个月都有暴雨出现的可能,但主要集中在4—9月,暴雨与大暴雨日数均具有单峰特征,峰值都出现在6月。暴雨日的年际变化大,近50年来,连平县年暴雨中日数呈减少趋势,且与年降水量存在着显著正相关。取NCEP再分析资料的月平均850、200 h Pa经纬风u、v资料,分析了暴雨偏多年和偏少年的大气环流背景,结果表明:6月连平高空的高、低层环流对形成暴雨最为有利。而暴雨偏少年,前汛期各月连平高空通常没有明显的高层辐散及低层辐合异常,不利于上升运动及水汽输送的加强,这是导致这些年份持续性暴雨偏少的一个主要原因。     

黔东南相当暴雨日数与雨日数的气候变化

利用1961—2015年共55 a黔东南地区16个气象观测站实时降水量观测资料,建立相当暴雨日数和雨日数的时间序列,分析黔东南地区相当暴雨日数与雨日数的时空变化特征。结果表明:黔东南相当暴雨日数的分布是以西南侧的雷公山脉为中心沿东北方向递减,雨日数则以东部和西部为大值区,南部和北部为小值区;相当暴雨日数主模态分别为西北—东南向递减的同位相型、西南—东北向为反位相型;雨日数主模态以西北至东部一线为中心,向两边递减的同位相分布,这与地形对降水机制影响有很大关系。相当暴雨日数呈上升趋势,雨日数在上世纪60年代中期至21世纪初相对稳定变化,之后呈下降趋势;相当暴雨日数和雨日数均具有2 a左右的主周期变化,雨日数还具有11 a左右的长周期变化。