摘要
气候变化背景下极端降水增加是当前基础设施防洪安全面临的重要问题，喀斯特地区由于复杂的地形和下垫面条件使得该地区的不确定性更高。对于许多中小型工程项目，基于设计暴雨推求设计洪水是广泛采用的方法，但极端降水在气候变化背景下如何演变、不同时期的大小和已建成项目在不同重现期水平的防洪风险如何仍较难评价。因此，研究基于贵州省典型区域 1951-2019 年的历年最大24h暴雨量，分析其变化趋势、显著性水平及其时空变化特征；并按照30年的最低设计资料长度要求，以1980年为初始时段（1951-1980），逐年分析（1951-1980， 1951-1981，1951-1982，…，1951-2019）基于我国相关设计标准各区域典型频率下设计暴雨量的动态变化和空间差异；再通过趋势分析、周期识别和随机过程综合耦合建立暴雨序列时域动态演变模型，并评价了模型的精度；最后采用模型重构获得不同时间典型频率下的设计暴雨量，对比其与基于不同时期观测值所得设计暴雨量的偏差及其面临的风险。主要研究结论如下。 （1）贵州省典型区域年最大24h暴雨时空分布特征。基于全省较均匀分布的17个气象站数据分析表明，多数区域呈现增加趋势但不显著。除铜仁站达到0.05的显著水平以外，其余站点均呈现增加趋势但并不显著，西南至东北对角沿线附近 4 个站点呈现出不明显减小的特征，降水量的变化由大尺度水汽输送和局地陆面过程共同决定。西南地区气候变化背景下的主要特点为南海水汽活动增强而孟加拉湾水汽活动减弱，贵州省的降雨量基本变化特征与相关研究结论一致，即东南部增加为主，中西部呈减小趋势，贵州省复杂的下垫面喀斯特地形和丰富的植被覆盖导致其空间异质性可能较大、局地陆面活动可能会更加强烈。 （2）基于不同时期监测资料典型频率设计暴雨动态变化。不同区域典型频率设计暴雨量多呈现出显著增加的趋势，并且设计暴雨量的变化趋势明显大于最大24h暴雨量的显著性。其原因是基于PⅢ型曲线推求设计暴雨量时，其要求Cs≥2CV的约束条件导致估算结果更大，同时在适线时极端值在曲线拟合过程中占有较大的权重所致。对于同一站点，其设计暴雨量的平均变化率与设计频率或重现期之间呈良好的对数关系，说明设计暴雨的频率越小、其增加率越大；相同设计频率下的设计暴雨极差平均增加10%-20%，最大可达45%，并且呈现出随重现期的增加而增大的特点。这要求开展防洪风险评价时不能简单地按区域进行，而是针对不同的工程项目逐一进行深入分析。 （3）降水序列时频特征分析与模型重构。结果表明所采用的站点均具有明显的趋势性、周期性和随机性。Mann-Kendall 趋势分析表明最大 24h 暴雨量主要呈增加的特征，斜率最大与最小之差为9.35 mm/10yr；Morlet小波分析结果表明其呈现出两个明显的主周期：第一主周期主要集中在 35-45a，第二主周期多在 3-8a；除去周期性、趋势性的残差项能够很好地通过 Lbqtest 的白噪声检验，共 16 个站点通过。通过对重构模型不同时期模拟值和实测值进行对照表明，93.77%的年最大24h暴雨量能够落在预测结果的95%置信区间，单站点的最高准确率达到98.55%，单站最低准确率为84.05%，表明基于模型重构的暴雨序列具有较高的置信度。 （4）基于模型模拟结果的已建项目设计暴雨量偏差分析。结果表明按照设计标准仅仅考虑资料的频域特征将显著的低估其设计暴雨量。二者的平均绝对偏差随设计频率的增加而呈对数增加（即随设计暴雨重现期的增加而减小），这表明对于设计防洪能力在50年一遇及以下的中小型项目和基础设施，其面临的风险水平更大。如10年一遇的设计暴雨量，17个站的平均绝对偏差为57mm，相对偏差平均偏小约 30%；特殊地，基于监测资料所得的最小设计暴雨量和模型修正后的最大设计暴雨量，其绝对偏差在 P=0.2，P=0.1，P=0.05，P=0.02，P=0.01，P=0.005的设计频率下，平均分别为 63.48mm、57.34mm、49.81mm、38.77mm、29.8mm、20.50mm。相对偏差平均分别偏小0.41、0.34、0.28、0.21、0.15、0.10。最大分别可达106.7mm、101.5mm、94.0mm、82.0mm、71.8mm、60.9mm。 上述结果表明已建成项目在不同频率的设计暴雨量远低于模型重构后的校正值，在基础设施的维护、运营管理和应急预案方面，均应采取相应策略。
NETL