气象与环境科学
Meteorological and Environmental Sciences
& Cordery Design
Storm
Pattern
on Different
Vol.41 No. 1 Feb.2018
成丹％陈正洪.不同选样方法对*/1m & Codey设计暴雨雨型的对比研究[J].气象与环境科学%2018%41(1):132 - 137.
Cheng Dan，Chen Zhenghong. Contrastive Study of the Pilgrim vironmental Sciences ,2018 %41 ( 1) ：132 -137. doi ：10.16765/j. cnki. 1673 - 7148.2018.01.017
Sampling Methods) J] •
不同选样方法对Pilgrim & Cordery设计暴雨
雨型的对比研究
成丹，陈正洪
(湖北省气象服务中心，武汉430205)
摘要：采用宜昌市主城区国家基本站长序列的逐分钟降雨过程资料，利用Pilgim & Cordery法（简称）P& C 法”）比较通过自然降雨过程和最大历时过程两种降雨场次样本选样方法推求的设计暴雨雨型，并分析结果差异。 结果表明：基于自然降雨过程和最大历时过程选样，利用P
&C法推求的宜昌市主城区短历时设计暴雨雨型基本
都为单峰型，且雨峰均出现在整场降雨过程的前1/3时段。两种选样方法推求的短历时设计暴雨雨型的雨量分配 比例存在较大差异，自然降雨过程选样推求的雨型雨峰峰值占总雨量的比例相较于最大历时过程的数值偏大，更 为突出。实际工程设计中，设计师应当根据最大历时过程的选样规则进行推求，结合一定重现期下各个历时的降 雨量值，进而得到各历时时程分配的具体雨强；计算得到宜昌市主城区重现期2a历时60、120、180 min的雨峰时段 雨强分别为 1.16、0.86、0.72 mm/min。
关键词：暴雨雨型；取样方法；Pilgim&中图分类号：P468.0
COTdery;分
文献标识码：A
比例
文章编号：1673 -7148(2018)01 -0132 -06
引言
近年来，由于城市化规模不断扩大，城市的硬质 地面大幅度增加，致使相同降雨条件下径流系数增 大，洪量增大，洪峰提前，加之“城市热岛效应”等特殊 的降雨条件，导致城市暴雨造成的内涝积水现象颇为 严重[1_4]。城市雨水排水系统的设计标准不科学是 导致城市暴雨内涝灾害的重要原因之一，而设计暴雨 是校准城市雨水排水系统设计的重要因素，能够为之 提供科学的理论依据和准确的设计参数[5]。
设计暴雨包括降雨的平均雨强和时空变化[6_7]。 雨强可用暴雨强度公式表征[8-10];时空变化通常用 雨型，即降雨强度在时间尺度上的分配过程表 示[11-12]。国内外诸多学者近年来利用不同方法对 城市暴雨雨型进行设计。早在20世纪40年代，前 苏联的包高马佐娃等就对乌克兰等地的降雨资料进收稿日期：2016 -05 -02;修订日期：2016-11 -15
行统计分析，划分了 7种雨型[13]，发现强度大致均 勻的雨型很少。1957年
Kelfer[14]、成
丹[15]等根据强
度-历时-频率关系得到一种不均勻的设计雨型， 即芝加哥雨型。之后 H
uff[16]、P1lgnm
[17]、Yen[18]等
都提出过各自的设计暴雨雨型。在国内，岑国平 等[6]采用模糊模式识别方法对我国4个雨量站的雨 型进行分类和统计，获得了短历时暴雨雨型的分布 特性并找出了一种较好地满足城市排水设计要求的 设计雨型[6]。霍勇峰[19]对山西省的4个暴雨分区进 行分析，得到了各分区的设计日雨型和时雨型。牟金 磊[20]采用
P &in
C法，对北京市推算研究得到60、
120和180 m共3个短历时雨型，同时采用同频率分
析法，计算推得北京市的24 h设计暴雨雨型。
在诸多设计暴雨雨型的方法中
，P &
C法对当
地降雨过程资料依赖性强，更接近实际降雨[21_22]。 因此本文利用湖北省宜昌市主城区国家基本站长序
基金项目：湖北省自然科学基金（2014CFB593);湖北工业大学科研启动基金（BSQD2016037);国家科技基础性工作专项（2013FY112500)资助 作者筒介：成丹（1988-)，女，咸宁通山人，工程师，硕士，从事城市气象与专业气象服务研究.E-mail:Chengdan19880423@126.cm
第1期成丹等：不同选样方法对Pilgrim3Cordery设计暴雨雨型的对比研冗133
列的连续降雨资料，采用
的设
系统设
供依据。
P 3 C法，比较不同样本选 中确定的分配比例安排时段，构成雨量过程线。1.3
型，为宜昌市城市：排
量阈值及提取方法
气象部门
，24 h的暴雨标准值定义为24 h
m
i
1.1
雨量大于等于50 m。对于短历时（例如1 ~3 h)，
)提出的各历时暴雨的临
资料与方法
降雨原始资料
文
的
原始资料为宜昌市主城区国家
过程资料，取自湖北中心数据库。资料年限为
本文采用伍索夫（W界
值
来
ussow
[25]。公式如下：
/5tt < 120
min
基本站长 气象信息与
的逐分钟
j5t -
谅）
m
120 m
in
1956—2013年，其中1956—2004年为自记纸降雨记录 资料，使用中气象局组织 扫描数字化 机扫描、
的“
记纸彩记录纸进行
K
当一定降雨历时（单位：m)内的降雨量\"大
于时称为暴雨。本文对各历时 所设
的
量
历时的
准
次选取
，
系统”)23_24*对
、数据
体
，将气象站
见表1。
表1
降雨时长、降雨量阈值界定
记纸图像转换成逐分钟雨量资料，并经人工审核或 修正后，
数据库。2005 —2013年为新型自动气象
降雨历时/min
60120180
降雨时长参考区间/min
[45，75)[105，135)[165，195)
量 17.3223.9829.05
；nm
记录的逐分钟雨量数据。
1.2
PP 3
3C 型设.法 C法是把雨峰时段放在出现可能性最大的
时
总雨量中的比例，其 体
时段的位置和比例也如下：
。选出降雨量最
愈明显。
位置，
所占比例的5
。
(1) 大的
1.4降雨场次样本选样
过程（方案一）：降雨场次样本取自自
然降雨过程。在独立 近9分钟的 ， 的所有 型，
次中分别选取降雨历时，按照
历时
量从大到小进行量
in
一定历时的大
件，场次愈多统
(2) 将历时分为若干时段，时段长短取决于所期望的时程分布时间步长，一越小越好。如推求 5 m
in
量大于对 (
H
表 1)
次。例如推求60 m历时约60 m
i
的设计
时段120 m
in
设
。
型，将步骤1中选取(为选取尽可 <75 m
m
i
的
的历时 次分为24 场次，设置降雨历时为45 m
，根据各时段雨量
量大于60 m1(J73 m
in
i^f
)且降雨
(3)对 已选的每一 由大到小 对应时段的
时 5
雨量阈值17. 32 m的降雨场次。图
，降雨历时为
，大量对应小号，将每个，
由小到大分
I
为1976年9月6日的一
in
定
，总雨量为43.23 m
m
，该段分钟降雨量即可
为雨强由大到小的顺序。
(4) 百分比，
(5)
每时 时
5 所
次降雨量与总雨量的
分数。
的最大可 次
和
作为雨型设的 所有独立
。最大历时过程（方案二）：
过（见
次中，截其连续9分钟
程，挑选该9分钟雨量大于对应历时雨量 表1)的所有
次。图1 (b)为1989年9月24日
图1
方案一（a)和方案二（b)的降雨场次实例
134
气象与环境科学
表2
第41卷
的一场降雨，该场降雨总历时为266 min,总雨量为 宜昌市主城区各降雨历时降雨场次样本统计（方案一）
jA
207.28 mm,截取其最大的60 min降雨时段（灰色竖直
降雨历
时/min60120180
/. ■、外.
I
数
单峰型 比例/%100.0070.0073.33
雨峰时段处于前1/3 时段的比例/%
69.2370.0080.00
线内部分），总雨量为113. 73 mm (大于阈值17. 32
mm)，
量/I131015
可将该段降雨量作为雨型设计的
+2结果分析
2.1.2雨型分配结果
2.1方案一雨型结果 2.1.1降雨场次分析
根据方案一对宜昌市主城区国家基本站长序列 的连续降雨资料分别进行60、120、180 mm的降雨 场次
，统
历时的样本数量、峰型比例及
由表2可见，历时
根据P 3 C法原理，在级序最大的位置上放置峰
值，综合级序和比例，即可得到各历时的雨型分配比 例。图2为采用P& C法通过自然降雨过程选样推 求的各历时设计暴雨雨型。由图2可见，历时60、
雨峰时段比例，具体结果见表2+
120、180 min的设计暴雨雨型均为典型的单峰型，雨
60、120、180 min的降雨场次样本中，70%以上的降
峰分别位于第3、7、8时段，相应的雨峰系数分别为
雨过程雨型呈单峰型，其中历时60 mm的所有样本 均呈单峰型。
，
历时样本中，雨峰出现在整场
0.25、0.29、0.22。也就是说宜昌市主城区短历时暴
雨会在降雨时程的前1/3时段快速达到峰值，降雨量 达到最大，随后逐步减弱。因此当气象部门发出短历 时暴雨预警时，宜昌市水利、水文等相关部门必须第 一时间做好排水排涝准备，防止城市内涝。
降雨前1/3时段的比例高达69%以上，其中历时
180 mm的比例最高，15场降雨过程中共12场降雨
的雨峰出现在整场降雨的前1/3时段。
12
10 -
(b)
«
$
运6[激4-
2|
m
I
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
时段/5 min
u
_
llili-.
时段/5]
图2
P& C法推求宜昌市主城区60 min( a)、120 min( b)、180 min( c)设计暴雨雨型（方案一）
呈现快速集中的特点，因此各历时样本中，雨峰出现 在整场降雨前1/3时段的比例高达72%以上，其中 历时60 min的比例最高，达到75.63%。
2.2方案二雨型结果 2.2.1降雨场次分析
根据方案二对宜昌市主城区国家基本站长序列 的
续
料 分
60 、 120 、 180 min 的
2.2.2雨型分配结果
图3为采用P 3 C法通过最大历时过程选样推
求的各历时设计暴雨雨型。由
场次样本选样，统计各历时的样本数量、峰型比例及 雨峰时段比例，具体结果见表3。由表3可见，历时
3可见，历时60、
60、120、180 min的降雨场次样本中，70%以上的降
i的比例最
120 mi的设计暴雨雨型为典型的单峰型，雨峰分别
i的降雨过程中，降雨
雨过程雨型呈单峰型，其中历时60 m
位于第4、6时段；历时180 m量
高，达到84. 22%。此外，由于宜昌市主城区的暴雨3#宜昌
历时/min60120180
城
jA/. I ■.
5时段达到主雨峰， 量稍有减弱，在第
10时段达到次雨峰，虽有两个明显峰值，但是两峰
历 时
数
型比例ZB84.2272.5170.34
次 本
时
(
案二)
值相隔时间为整个降雨历时的1/10左右，并且次雨 峰雨量值小于主雨峰的，因此历时180 min的设计 暴雨雨型从整体趋势上也可视为单峰型。3个历时 相应的雨峰系数分别为0.33、0.25、0. 14,雨峰均出 现在整场降雨过程的前1/3时段。
于前1/3
量I323268225
时段的比例/%
75.6373.5272.82
第1期成丹等：不同选样方法对Pilgrim 3 Cordery设计暴雨雨型的对比研冗135
时段/5 min 时段/5 ^ 时段/5 min
图3
P3 C法推求宜昌市主城区60 min ( a)、120 min ( b)、180 min ( c)设计暴雨雨型（方案二）
雨量占总雨量的比例较方案二更为突出。历时
2.3方案一与方案二雨型结果的比较
将方案一与方案二历时60、120、180 mm的设 计暴雨雨型进行对比，得到图4和表4。由此发现，
型分布形状上％3
历时下两种方案推求的形
60 min设计暴雨雨型，方案一的雨峰时段降雨量比
例为18.79%，方案二的为12.05%，方案一较方案 二偏大了 6.74% ;历时120、180 min设计暴雨雨型， 方案一较方案二分别偏大了 4. 27%、5. 15%。究其 原因，主要是因为：方案一为相应历时的自然降雨过
状基本一致，均为单峰型，雨峰位置均处于整场降雨 过程的前1/3时段。历时60 min设计暴雨雨型，方 案一的雨峰出现时间较方案二的提前；历时120、
180 m
程，是一次实际的“开始一峰值一结束”的完整降雨
i设计暴雨雨型，方案一的雨峰出现时间较方
案二的 。其中，方案一 的历时60、120、
过程，而方案二为一次完整降雨过程中的最大降雨 时段，且短历时降雨多为对流性降水，降雨的生命周 期短，降雨量集中且雨强较大，因此方案一降雨的峰 值及衰减相较方案二的会更加明显，雨峰峰值占总 雨量的比例也会更为突出。
180 mi的雨峰系数分别为0. 25、0. 29、0. 22;方案二
分别为 0.33、0.25、0.14。
量分配比例上，两种方案存在较大的差异。
3个历时的设计暴雨雨型中，方案一的雨峰时段降
时段/5 min 时段/5 min
图4
两种方案下P3
表4
C法推求宜昌市主城区60 min( a)、120 min( b)、180 min( c)设计暴雨雨型对比图
两种方案下P3 C法推求宜昌市主城区各降雨历时设计暴雨雨型的主要参数
60 min
方案一
0.2518.79
方案二0.3312 .05
方案一0.2911.60
120 min
方案二
0.257.33
方案一0.2210 .71
180 min
方案二
0. 145.56
设计暴雨雨型雨峰系数时
比例/%
2.4方案一与方案二雨型的适用性分析
总观方案一与方案二利用P 3 C法推求宜昌市 主城区的短历时设计暴雨雨型的理论结果，两种方 案雨型分布形状基本一致，均为单峰型，雨峰位置均 处于整场降雨过程的前部，只是雨量分配比例上两 者存在差异。但是
工程设计中，设
最终
体雨强数值。究竟利用哪种选样方法才能得到更精 确的雨强数值，就必须对两种方案的雨型适用性进
分析。
由方案一与方案二利用P 3 C法推求得到历时
60、120、180 mi的时段分配比例后，必须将比例值
同一定重现期下相应历时的降雨量相乘，才能得到 相应历时时程分配的具体雨强。而一定重现期下各
需要的是不同重现期下各个降雨历时时程分配的具
136
气象与环境科学
第41卷
个历时的降雨量，取自所推求的雨强-历时-重现 期三联表（简称“.-P三联表”）。根据《室外排水 设计规范》[26]规定，对宜昌市主城区国家基本站长 序列的逐分钟降雨过程资料进行5、10、15、20、30、 45、60、90、120、150、180 min 共 11 个历时的滑动选 样，挑选各个历时每年最大值作为样本数据，进而通 过理论频率分布曲线对各历时样本数据进行趋势拟 合调整，得到i-P三联表。因此一定重现期下各个 历时的降雨量值是通过最大历时过程的滑动选样进 行推求得到的，故该雨量值可同方案二得到的时段 分配比例相乘，进而得到一定重现期下各个历时的 降雨过程线。而方案一的自然降雨过程选样同推求 一定重现期下各个历时的降雨量选样方法的原理不 同，因此通过方案一得到的结果只能说明独立降雨 场次的时程分配，并不能给工程设计提供具体的雨 数
。
此外，由表2和表3将方案一与方案二的样本
表5
时段（5 mi)
数量进行比较可发现，方案一满足条件的样本数量 不足方案二的1/15,样本数量的稀少会直接导致数 理统计结果精确度的降低。综合相关因素的考虑， 对于实际工程设计，应当采用最大历时过程选样得 到的雨型分配比例进行应用，才能得到一定重现期 下相应历时时程分配的具体雨强。《室外排水设计 规范》规定：中等城市和小城市的中心城区，雨水管 渠设计重现期标准为2〜3年。本文根据皮尔逊- $型函数分布曲线对11个历时的样本数据进行趋 势拟合调整，得到宜昌市主城区重现期2 j历时60、 120、180 mi 的降雨量分别为 48.06、58.56、64.44 mm， 结合 案 二 到 的 时 分 比 例，
到 宜 市
主城区重现期2 a历时60、120、180 min的各时段雨 强（表5)。由表5可得，宜昌市主城区重现期21. 16、0■ 86、0■ 72 mm/min。
J历
时60、120、180 min的雨峰时段的降雨强度分别为
宜昌市主城区重现期2a历时60、120、180 min的各时段降雨强度 mm/min
10
0.550.540.63220.280.25340.16
110.500.480.42230.260.26350. 15
120.370.450.44240. 190.25360. 14
10.690.390.33130.470.40250.25
60 min120 min180 min时 ( 5min)120 min180 min时 ( 5 min)180 min
20.970.730.51140.450.35260.25
31.080.790.53150.440.36270.2341.160.770.68160.410.34280.23
51.110.840.72170.340.34290.2461.030.860.68180.320.31300.2470.830.620.60190.300.31310.24
80.700.650.54200.290.27320.21
90.600.560.55210.290.29330.19
3结论
本文使用宜昌市主城区国家基本站长序列的逐
180 mm自然降雨过程较最大历时过程比例分别偏
大 6.74%、4.27%、5.15%。
(3)实际工程设计中，设计师应当根据最大历 时过程的选样规则进行推求，结合一定重现期下各 历时的
量 ，
到 历 时时 程 分 的
体雨强。计算得到宜昌市主城区重现期2 a历时 0. 72 mm/min。参考文献
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分钟降雨过程资料，利用P3 C法比较通过自然降 雨过程和最大历时过程两种降雨场次样本选样方法 推求的设计暴雨雨型，并分析结果差异，结论如下：
(1)
利用P 3 C法推求的宜昌市主城区短历时设计暴雨 雨型分布形状基本一致，均为单峰型，且雨峰均出现 在整场降雨过程的前1/3时段。其中，自然降雨过 程选样推求的历时60、120、180 min的雨峰系数分 别为0.25、0. 29、0. 22;最大历时过程相应的雨峰系 数分别为 0.33、0.25、0.14。
(2)
120、180 min的雨峰时段雨强分别为1. 16、0. 86、 基于自然降雨过程和最大历时过程选样60， 、
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Contrastive Study of the Pilgrim & Cordery DesignStorm Pattern
on Different Sampling Methods
Cheng Dan，Chen Zhenghong
(Hubei Meteorological Service Center，Wuhan 430205，China)
Abstract:
3 C
In this paper，the long sequences rainfall data of national stations over the main urban
area of Yichang are used to investigate the design hyetograph，which are analyzed by Pilgrim & C
onieiy
(
P
)
metliod on two sampling metliods of tlie natural rainfall process and the biggest diachronic process.
The results show that on the base of the sampling methods of the natural rainfall process and the biggestdiachronic process，the design peak patern
hyetograph of rainfall peak
short are
durations located in
on
Yichang by
P 3tiie
C
metiio
uniformly，and the the pre 1/3 of
whole
performance of the rainfall distribution proportions on the short duration design hyetograph by two
sampling metiiods is not consistent. The rainfall rate on the rainfall peak of the natural rainfall processappears larger and the designer should
more
outstanding than the
biggest diachronic
process and
process. In
practical enginprecipitation
choose the biggest diachronic combine the o
duration over a return period to calculate the specific rainfall intensitypeak on 6
. The rainfall intensity of rainfall
mm
0，120，180 m
storm
in over 2 years return period of Yichang are 1
Key words:
pattern
;
sampling method
;
Pilgrim
3 C
ordery
. 16，0. 86，0. 72
;
distribution
^m
in
.
proportion
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