段修榮，羅 偉，郭海燕

(1.四川省自貢市氣象局，四川 自貢 643000；2.四川省氣候中心，四川 成都 610072；3.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，四川 成都 610072)

引 言

以全球變暖為主的氣候變化已成為當(dāng)今世界最重要的環(huán)境問題之一，氣候變化必將引起全球水循環(huán)的變化，并對降水造成直接影響，引起水資源在時間和空間上的重新分配以及水資源總量的改變[1]。強降水是引發(fā)山洪地質(zhì)災(zāi)害、河流洪水、城市內(nèi)澇的直接原因之一。由于氣候變化、城市規(guī)模擴(kuò)大和人類活動增多，強降水引發(fā)的各類災(zāi)害呈多發(fā)頻發(fā)趨勢，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對降水強度的變化已表現(xiàn)出極高的敏感性。為了應(yīng)對強降水引發(fā)的城市內(nèi)澇對城市健康發(fā)展、人民生命財產(chǎn)安全的影響，2014年5月4日，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、中國氣象局組織專家編制了《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》，明確要求暴雨強度公式編制所需的降水資料年限至少需要30 a以上，共11個降水歷時。因此，研究長時間序列的多歷時最大降水量變化特征，不僅可為暴雨強度公式修訂編制、城市排水防洪系統(tǒng)設(shè)計提供準(zhǔn)確可靠的技術(shù)支撐，同時為暴雨、山洪地質(zhì)災(zāi)害、城市內(nèi)澇的預(yù)警預(yù)報和防御提供氣候背景參考依據(jù)。

我國幅員遼闊，氣候復(fù)雜多樣，各區(qū)域降水特征差異明顯。近年來，為適應(yīng)防災(zāi)減災(zāi)和氣象服務(wù)的迫切需要，對不同歷時降水氣候特征和變化的研究逐漸開展起來。有研究表明，夏季中國中東部降水事件的平均歷時由南向北呈“短-長-短”分布型，華南和北方地區(qū)以6 h以下歷時降水為主，兩地區(qū)之間的中部地區(qū)(28°N—37°N)6 h以上歷時降水占總降水量60%以上[2]。近54 a來，廣東平均年、前汛期、后汛期小時強降水次數(shù)、強度、降水量和貢獻(xiàn)率均呈顯著增加趨勢[3]；江西短歷時強降水主要出現(xiàn)在4—9月，6月最多[4]；短歷時降水過程次數(shù)的極顯著減少是山東降水次數(shù)減少的主要原因[5]。中國西北地區(qū)東部1981—2012年夏季24 h歷時降水以小雨和中雨為主，夏季小雨、中雨日數(shù)和降水量呈明顯減少趨勢[6]；1960—2011年甘肅省降水量整體呈逐年減少趨勢，空間上由東南向西北遞減[7]，小時降水比率(某小時降水量占日降水量的百分比)低值集中在11:00—15:00，高值出現(xiàn)在20:00前后[8]；陜西汛期24 h極端降水閾值(95%分位數(shù))平均為33.4 mm，空間上以秦嶺為界，以南大部分站點高于該平均值，以北低于該平均值[9]。西南地區(qū)降水量整體呈“東多西少”分布特征，雅安和滇西南區(qū)為降水高值區(qū)[10]，該區(qū)域近50 a來平均小時雨強增大趨勢明顯[11]；四川盆地西部沿山一帶發(fā)生量級較大的小時降水概率高[12]，大于等于20 mm·h-1強降水高頻次區(qū)位于盆地西北部的龍山山脈、西南部雅安及樂山周圍與盆地過渡區(qū)[13]；重慶短歷時強降水呈西部和東南部偏大、東北部偏小的分布特征[14]；貴州汛期24 h極端降水閾值(95%分位數(shù))在南部和東北部地區(qū)較高，大于45.0 mm，西部和西北部較低，在35.0 mm左右[15]。上述對我國不同區(qū)域降水特征研究結(jié)果的不同也正說明了我國氣候的復(fù)雜多樣性，為全面、細(xì)致地了解中國降水氣候特征提供了有益參考。但以往研究選取的歷時長度主要以較短歷時或24 h為主，針對多種不同歷時降水量的變化特征進(jìn)行精細(xì)化研究較少，不能滿足防御城市內(nèi)澇和暴雨強度公式修訂編制的要求。

由于降水為非連續(xù)性變量，即使在同一類型氣候區(qū)域內(nèi)，不同地區(qū)降水也有很大差異。四川自貢市地處我國西南濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，夏季強降水發(fā)生頻繁，城市內(nèi)澇時有發(fā)生。原有的自貢市暴雨強度公式編制所用的資料年數(shù)僅有5 a，已不符合現(xiàn)在暴雨強度公式編制所需的降水資料年限至少30 a以上的要求。本文基于自貢市1963—2017年逐分鐘降水資料，構(gòu)建12個不同歷時年最大降水量序列，研究不同歷時年最大降水量的氣候特征，以期為暴雨強度公式修訂編制和城市排水防洪系統(tǒng)設(shè)計提供全面、客觀和科學(xué)的技術(shù)支撐，為強降水的分析預(yù)警預(yù)報和城市排水防洪服務(wù)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

自貢市地處四川盆地南部，位于28°55′37″N—29°38′25″N、104°02′57″E—105°16′11″E之間，地勢由西北向東南傾斜，境內(nèi)大部屬于丘陵地貌，海拔為300～500 m，水系主要屬于岷江水系和沱江水系，轄區(qū)面積4381 km2。自貢市屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均年降水量為989 mm，年降水量年際差異大，最多可達(dá)1478 mm，最少僅605 mm，夏季(6—8月)降水量最多，占全年降水量的56%；年平均氣溫為17.9 ℃，年平均氣溫年際差異較小，最高為19.2 ℃，最低為17.1 ℃。暴雨和短歷時強降水是自貢市夏季的主要氣象災(zāi)害，是引發(fā)城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害的主要因素。

1.2 資料及處理

數(shù)據(jù)包括自貢國家氣象觀測站(29°21′N、104°45′E，海拔387.8 m)1963—2001年共計39 a的自記紙降水?dāng)?shù)據(jù)和2002—2017年共計16 a的自動氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)。其中1963—2001年的降水資料在降水自記紙的數(shù)字信息化過程中，已對降水自記紙的掃描、數(shù)據(jù)提取等進(jìn)行了嚴(yán)格質(zhì)量控制[16]，采用逐分鐘滑動統(tǒng)計逐年各歷時降水量，采用年最大值法[17]在每年各歷時降水量中選取一個最大降水量值；2002—2017年歷時年最大降水量資料則從審核后的地面氣象記錄年報表中直接讀取。整理形成1963—2017年5、10、20、30 min和1、2、3、4、6、9、12、24 h共55 a年12個歷時年最大降水量數(shù)據(jù)。

1.3 方 法

設(shè)有一樣本x1，x2，x3，…，xn，則

(1)

(2)

式中：n為樣本容量，xi為樣本的第i個值，g1為樣本的偏度系數(shù)[18]，用來衡量隨機變量分布密度曲線形狀的參量，描述曲線峰點對期望值偏離的程度，g1>0表示正偏(右偏)，g1<0表示負(fù)偏(左偏)，g1越接近于0，說明數(shù)據(jù)越接近正態(tài)分布。

(3)

式中：g2為樣本的峰度系數(shù)[18]，是表示直方圖中“峰”的陡峭程度的一個量，g2>0表示直方圖中“峰”的坡度陡峭些；g2<0表示直方圖中“峰”的坡度平緩些。

2 不同歷時年最大降水量統(tǒng)計特征

2.1 年變化

表1列出1963—2017年四川省自貢市不同歷時年最大降水量逐月出現(xiàn)次數(shù)?？梢钥闯觯载暿?和6 h年最大降水量出現(xiàn)時間最早為1971年4月30日，降水量分別為52.4 mm和55.1 mm；5和10 min年最大降水量最晚出現(xiàn)時間為1968年10月9日，降水量分別為4.3 mm和6.2 mm。近55 a12個歷時共有660次年最大降水量數(shù)據(jù)，夏季(6—8月)出現(xiàn)582次，占總次數(shù)的88%，其中7和8月最多，分別達(dá)217次和213次，共計430次，占總次數(shù)的65%；4、5、9和10月共出現(xiàn)78次，僅占總次數(shù)的12%，表明自貢市各歷時年最大降水量主要出現(xiàn)在夏季。同時發(fā)現(xiàn)，在7—8月出現(xiàn)5、10、20、30 min及1、2 h年最大降水量的次數(shù)占這6個歷時所有月份降水總次數(shù)的72%；3～24 h歷時降水主要出現(xiàn)在6—8月，每個月出現(xiàn)的次數(shù)大體相當(dāng)，共292次，占這6個歷時所有月份降水總次數(shù)的89%。自貢市不同歷時年最大降水量出現(xiàn)次數(shù)的逐月分布與毛冬艷等[19]分析的西南地區(qū)降水強度出現(xiàn)次數(shù)逐月分布特征相一致。

表1 1963—2017年自貢市不同歷時年最大降水量逐月出現(xiàn)次數(shù)Tab.1 The frequency of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province in each month during 1963-2017 單位：次

注：由于1—3月，11—12月不同歷時年最大降水量未出現(xiàn)，表中未列出

2.2 不同歷時年最大降水量日變化

將一天按早晨(05:00—08:00，北京時，下同)、上午(08:00—12:00)、中午(12:00—14:00)、下午(14:00—18:00)、傍晚(18:00—20:00)、前半夜(20:00—00:00)和后半夜(00:00—05:00)劃分為7個時段，分別統(tǒng)計各歷時年最大降水量開始時間在不同時段的出現(xiàn)次數(shù)(表2)?？梢钥闯觯鞍胍购秃蟀胍归_始出現(xiàn)次數(shù)分別達(dá)199次和219次；傍晚和中午開始出現(xiàn)次數(shù)最少，分別僅有23次和25次。如果按夜間(20:00—08:00)和白天(08:00—20:00)進(jìn)行統(tǒng)計，則夜間開始出現(xiàn)488次，占總次數(shù)的74%，表明各歷時降水具有明顯的夜雨特征。有研究表明，中國夜雨現(xiàn)象站點多且分布廣，其中各歷時年最大降水量出現(xiàn)次數(shù)的峰值時間主要集中在夜間的最顯著區(qū)域是西南地區(qū)[20]；四川雨季夜雨占日降水量的百分比較大，且具有顯著的區(qū)域性差異，其中盆地西南部夜雨占日降水量的百分比最大[21]。

表2 1963—2017年自貢市不同歷時年最大降水開始時間在不同時段的出現(xiàn)次數(shù)Tab.2 The frequency of the begining time of annual maximum precipitation with different duration in different period in a day in Zigong City of Sichuan Province 單位：次

2.3 不同歷時年最大降水量統(tǒng)計特征

為了解各歷時年最大降水量的統(tǒng)計特征，給出各歷時年最大降水量統(tǒng)計特征值(表3)和頻數(shù)直方圖(圖1)?？梢钥闯?，歷時越短，年最大降水量的標(biāo)準(zhǔn)差越小、變異系數(shù)越小、偏度系數(shù)越小且為正偏、峰度系數(shù)越小。5、10和20 min年最大降水量的標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.74、4.57和7.63 mm，5和10 min年最大降水量的變異系數(shù)分別為0.27和0.27，10和20 min年最大降水量的偏度系數(shù)分別為0.38和0.59，10、20和30 min年最大降水量的峰度系數(shù)接近于零。即歷時越短的年最大降水量的離散程度越小，且為正偏，均值偏離樣本的最小值較近，偏離樣本的最大值較遠(yuǎn)，在直方圖中“峰”的坡度平緩些。歷時越長的年最大降水量的標(biāo)準(zhǔn)差越大、變異系數(shù)越大、偏度系數(shù)越大且為正偏、峰度系數(shù)越大。9、12和24 h年最大降水量的標(biāo)準(zhǔn)差分別為41.32、43.60和43.94 mm，9和12 h年最大降水量的變異系數(shù)分別為0.48和0.47，9、12和24 h年最大降水量的偏度系數(shù)分別為2.02、2.14和2.05，9、12和24 h年最大降水量的峰度系數(shù)分別為5.66、6.23和6.10。即歷時越長的年最大降水量的離散程度越大，且為正偏，均值偏離樣本的最小值較短歷時更近，偏離樣本的最大值較短歷時更遠(yuǎn)，在直方圖中“峰”的坡度相對陡峭。經(jīng)檢驗，在0.05顯著性水平下，10、20、30 min和1 h年最大降水量近似遵從正態(tài)分布。2～24 h各歷時年最大降水量為57.2～100.5 mm，相鄰歷時年最大降水量平均值的差值均未超過10 mm，24 h與6 h的差值也僅有20 mm左右。雖然暴雨標(biāo)準(zhǔn)是24 h內(nèi)降水量≥50 mm，但暴雨過程中降水在時間上并非均勻分布，強降水往往集中在有限的幾個小時內(nèi)。

2.4 不同歷時年最大降水量閾值確定

如果定義25%分位對應(yīng)的降水量為弱降水，75%分位對應(yīng)的降水量為強降水，95%分位對應(yīng)的降水量為極強降水，表4列出1963—2017四川省自貢市不同歷時年最大降水量閾值?？梢钥闯?，有75%的年份1 h年最大降水量可達(dá)34.9 mm以上，極大值可達(dá)105.7 mm；有75%的年份24 h年最大降水量可達(dá)70.4 mm以上，極大值可達(dá)302.0 mm。這表明，歷時不同，降水量等級閾值不同。例如，1 h年最大降水量的極強降水閾值可達(dá)85.4 mm，遠(yuǎn)超過中國氣象局1 h降水量≥20 mm的短時強降水標(biāo)準(zhǔn)①，極易引發(fā)城市內(nèi)澇、山洪地質(zhì)災(zāi)害；24 h年最大降水量的弱降水閾值為70.4 mm，雖然已經(jīng)超過24 h降水量≥50 mm的暴雨標(biāo)準(zhǔn)，但降水持續(xù)時間長，不一定會造成災(zāi)害，這種情況與在自貢市實際氣象監(jiān)測服務(wù)工作中遇到的情況相符。

表3 1963—2017年自貢市不同歷時年最大降水量統(tǒng)計特征Tab.3 Statistical characteristics of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

① 中國氣象局. 全國短時、臨近預(yù)報業(yè)務(wù)規(guī)定,2010.

圖1 1963—2017年四川省自貢市不同歷時年最大降水量頻數(shù)直方圖Fig.1 Frequency histogram of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

表4 1963—2017年四川省自貢市不同歷時年最大降水量閾值Tab.4 Threshold of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

2.5 不同歷時年最大降水量之間的相關(guān)性

定義相關(guān)系數(shù)在0.80～1.00之間為極強相關(guān)，在0.61～0.79之間為強相關(guān)，相關(guān)系數(shù)≤0.60為中等程度或弱相關(guān)。通過計算各歷時年最大降水量之間的相關(guān)系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)歷時間隔越近，年最大降水量之間相關(guān)性越強；歷時間隔越遠(yuǎn)，年最大降水量之間的相關(guān)性越差。例如，5、10、20和30 min年最大降水量兩兩間均存在強相關(guān)，70%存在極強相關(guān)，1～24 h年最大降水量兩兩間均存在強相關(guān)，75%存在極強相關(guān)；而5 min分別與4、6、9、12、24 h降水量，10 min分別與3、4、6、9、12、24 h降水量，20 min分別與6、9、12、24 h降水量，30 min分別與9、12、24 h降水量之間的相關(guān)系數(shù)均低于0.60，為中等程度或弱相關(guān)。除5 min與24 h年最大降水量之間相關(guān)系數(shù)通過0.05的顯著性檢驗外，其余各歷時年最大降水量之間的相關(guān)系數(shù)均通過0.01的顯著性檢驗，且均為正相關(guān)。

3 不同歷時年最大降水量變化特征

3.1 變化趨勢與突變分析

運用線性傾向估計法[22]分析各歷時年最大降水量的變化趨勢，5 min和10 min年最大降水量呈弱下降趨勢，其余各歷時年最大降水量均呈弱上升趨勢，氣候傾向率均小于1 mm·(10 a)-1，各歷時年最大降水量的變化趨勢均不顯著。

圖2為1963—2017年自貢市1～24 h年最大降水量Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線?？梢钥闯觯?、2、3、4、6、9、12和24 h年最大降水量從2000年代初開始呈下降趨勢，突變點分別出現(xiàn)在2002、2002、2006、2002、2004、2003、2002、2000年，但均未通過0.05顯著性檢驗。

3.2 年代際變化

表5列出1963—2017年自貢市不同歷時年最大降水量距平年代際變化?？梢钥闯觯?960年代、1970年代各歷時年最大降水量距平均為負(fù)值；1980年代、1990年代轉(zhuǎn)為正值；2000年代又轉(zhuǎn)為負(fù)值；2010年代大部分為負(fù)值。其中1960年代2～24 h以及2000年代各歷時年最大降水量距平最小，1980年代2～24 h以及1990年代各歷時年最大降水量距平最大。采用u檢驗法[22]檢驗?zāi)甏H變化的顯著性，發(fā)現(xiàn)1990年代5、10、30 min和1～4 h以及2000年代4 h年最大降水量的年代變化通過了0.05的顯著性檢驗。

3.3 不同歷時年最大降水量的階段性變化

運用累積距平法[22]分析各歷時年最大降水量的階段性變化，累積距平曲線的上升段和下降段分別反映要素隨時間變化的增加和減少。圖3為1963—2017年四川省自貢市不同歷時年最大降水量累積距平曲線?？梢钥闯?，5和10 min年最大降水量在1970年代呈小幅波動變化特征， 1980年代初到1990年代末呈增加趨勢， 2000年代初到2010年代末呈減少趨勢。20、30 min年最大降水量1960—1970年代末呈減少趨勢， 1980—1990年代末呈增加趨勢， 2000—2010年代初呈減少趨勢。1 h年最大降水量在1970—1990年代中期呈波動變化， 1990年代中期到1990年代末呈增加趨勢， 2000年代初到2010年代初呈減少趨勢。2、3和4 h年最大降水量在1970年代初到1980年代中期呈波動變化， 1980年代中期到1990年代末呈增加趨勢， 2000年代初到2010年代初呈減少趨勢。6、9、12和24 h年最大降水量在1960年代呈減少趨勢， 1970年代呈波動變化，1980年代初到1990年代末總體呈增加趨勢，從2000年代初到2010年代初呈減少趨勢。

綜上所述，各歷時年最大降水量1980年代初到1990年代末呈增加趨勢，在1960年代初以及2000年代初到2010年代初均呈減少趨勢。

圖2 1963—2017年四川省自貢市1～24 h年最大降水量Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線Fig.2 Mann-Kendall statistical curves of annual maximum precipitation for 1-24 h duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

圖3 1963—2017年四川省自貢市不同歷時年最大降水量累積距平曲線Fig.3 Accumulative anomaly curves of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

表5 1963—2017年自貢市不同歷時年最大降水量距平年代際變化Tab.5 Interdecadal variation of annual maximum precipitation anomaly with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

注： *表示通過0.05顯著性檢驗

4 結(jié)論與討論

(1)四川省自貢市各歷時年最大降水量集中出現(xiàn)在夏季(6—8月)，占各歷時年最大降水量總次數(shù)的88%；各歷時年最大降水量出現(xiàn)次數(shù)的峰值時間主要在夜間(20:00—08:00)，占總次數(shù)的74%，各歷時年最大降水的發(fā)生具有明顯的夜雨特性。

(2)隨著降水歷時的延長，各歷時年最大降水量的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、偏度系數(shù)、峰度系數(shù)逐步增大，即離散程度也逐步增大。各歷時年最大降水量均呈正偏態(tài)分布，且歷時越長均值偏離樣本的最小值較短歷時更近，偏離樣本的最大值較短歷時更遠(yuǎn)；10、20和30 min年最大降水量的峰度系數(shù)接近于零，“峰”的坡度平緩；9、12和24 h年最大降水量的峰度系數(shù)為5.66～6.23，“峰”的坡度相對陡峭；在0.05顯著性水平下，10、20、30 min和1 h年最大降水量近似遵從正態(tài)分布。

(3)1 h年最大降水量的極強降水閾值可達(dá)85.4 mm，遠(yuǎn)超過中國氣象局20 mm·h-1的短時強降水標(biāo)準(zhǔn)，極易引發(fā)城市內(nèi)澇、山洪地質(zhì)災(zāi)害等；24 h年最大降水量的弱降水閾值為70.4 mm，由于降水持續(xù)時間長，不一定會造成災(zāi)害。

(4)各歷時年最大降水量的年際變化趨勢均不顯著，但年代際變化明顯，各歷時年最大降水量在1960年代以及2000年代最小，在1980年代以及1990年代最大。

(5)1～24 h年最大降水量從2000年代初開始出現(xiàn)下降，并具有突變現(xiàn)象，但突變并不顯著。