鄭偉強(qiáng)，劉曙光，周正正

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引 言

暴雨及其造成的洪澇是我國主要自然災(zāi)害之一，在大城市地區(qū)往往會帶來更大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。上海市地處長江三角洲地區(qū)，是我國經(jīng)濟(jì)的高度發(fā)達(dá)區(qū)和人口的高度集中區(qū)，對暴雨的敏感程度較高。2013年10月臺風(fēng)“菲特”帶來的特大暴雨導(dǎo)致上海市嚴(yán)重內(nèi)澇，交通癱瘓，致使近10萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)9 300萬余元[1]。隨著近年來長江三角洲區(qū)域一體化戰(zhàn)略的深入實(shí)施，長三角地區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程會進(jìn)一步加快；區(qū)域一體化是建立在生態(tài)一體化的基礎(chǔ)上的，而極端氣候?qū)ι鷳B(tài)文明建設(shè)有著顯著影響。上海市是長三角地區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)的先導(dǎo)，在長江三角洲快速發(fā)展的背景下，對上海市地區(qū)極端氣候變化規(guī)律及暴雨頻率進(jìn)行分析具有重要意義。

近年來，很多學(xué)者對上海市及其周邊地區(qū)的降雨時程變化規(guī)律及其響應(yīng)做了大量的研究，取得了很多成果。殷健等[2]分析了城鎮(zhèn)化對上海市年降雨量、月降雨量等的影響。王安琪等[3]通過多種方法確定了楊浦區(qū)的設(shè)計面暴雨量和設(shè)計暴雨雨型。胡子琛等[4]探究了降雨時程分布對太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)洪水響應(yīng)的影響。然而，目前對上海市暴雨的研究主要側(cè)重暴雨雨型研究及其洪災(zāi)響應(yīng)等方面[4- 6]，缺乏對暴雨序列多時間尺度變化規(guī)律的探究；同時，城鎮(zhèn)化會改變地區(qū)氣候條件，進(jìn)而影響暴雨的降雨規(guī)律[7-10]，目前關(guān)于城鎮(zhèn)化對上海市極端降雨事件影響的研究也較少。

本文選取上海市徐匯站、寶山站1961年～2019年連續(xù)59年實(shí)測極值降雨數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行時程規(guī)律分析，包括趨勢分析、多時間尺度變化規(guī)律研究等。研究成果可以為上海市防洪建設(shè)與雨情區(qū)域分析提供參考，亦可以向長三角其他地區(qū)推廣，助力城郊地區(qū)和郊區(qū)的發(fā)展規(guī)劃，為基于生態(tài)一體化的長三角區(qū)域協(xié)同發(fā)展提供技術(shù)保障與理論支持。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 上海市城鎮(zhèn)化進(jìn)程

常用的衡量地區(qū)城鎮(zhèn)化水平的指標(biāo)包括城市人口占比、城市建設(shè)用地占比、非農(nóng)人口占比等[11]。本文用上海市非農(nóng)人口占比作為城鎮(zhèn)化率，上海市城鎮(zhèn)化進(jìn)程曲線見圖1(數(shù)據(jù)來源為各相應(yīng)年份的《上海統(tǒng)計年鑒》)。

圖1 上海市城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程(1961年～2014年)

1961年以來上海市城鎮(zhèn)化進(jìn)程可分為三個階段。1961年～1977年為逆發(fā)展階段，該時期由于政治、經(jīng)濟(jì)等因素影響，大批人口遷出上海市，非農(nóng)人口數(shù)量急劇減少，城鎮(zhèn)化率降低。1978年～2012年為快速發(fā)展階段，改革開放以后上海城市建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時期，城鎮(zhèn)化率快速升高。其中，1992年～2007年的16年間尤為顯著，城鎮(zhèn)化率年均上升1.26%，城鎮(zhèn)化水平顯著提高。2013年以后為緩慢發(fā)展階段，城鎮(zhèn)化率超過90%，城市建設(shè)已較為完善。

1.2 降雨數(shù)據(jù)

本文選用徐匯站和寶山站1961年～2019年逐日20時～20時降水量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源為中國氣象局實(shí)測站點(diǎn)資料，具有較好的一致性和連續(xù)性。徐匯站(31°10′N，121°26′E，海拔2.6 m)和寶山站(31°24′N，121°27′E，海拔5.5 m)分別位于上海市徐匯區(qū)和寶山區(qū)(見圖2)。兩站點(diǎn)距離較近，屬于同一水利分區(qū)：一方面，徐匯站地處市區(qū)，同一時期內(nèi)城鎮(zhèn)化程度較地處郊區(qū)的寶山站高；另一方面，隨著時間推移兩站均受到城鎮(zhèn)化的影響。本文將徐匯站和寶山站分別看作城區(qū)站點(diǎn)和郊區(qū)站點(diǎn)，從空間橫向和時間縱向兩個維角度，對比分析城鎮(zhèn)化對上海市極端降雨事件的影響。參照世界氣象組織(WMO)推薦的極端氣候指標(biāo)，本文對兩測站的年最大1日降雨(Rx1d)序列和年最大五日降雨(Rx5d)序列進(jìn)行分析。其中Rx1d可代表短歷時極值降雨的特征，Rx5d可代表長歷時極值降雨的特征。

圖2 徐匯站、寶山站位置示意

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法

Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法(MK檢驗(yàn))是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗(yàn)方法[12]，對于樣本量為n的極值降雨序列x1，x2， … ，xn，構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布統(tǒng)計量序列

(1)

式中，

(2)

式中，

(3)

則序列Sk的數(shù)學(xué)期望E(Sk)和方差Var(Sk)分別為

(4)

給定顯著性水平α，對應(yīng)的正態(tài)分布統(tǒng)計量值為Zα，當(dāng)|UFk|>Zα?xí)r認(rèn)為序列存在顯著變化的趨勢。當(dāng)α=0.05時對應(yīng)的Zα=1.96。

2.2 Morlet小波分析

對于水文序列f(t)，連續(xù)小波變換(CWT)的離散形式為[13]

(5)

Morlet小波為復(fù)數(shù)小波，定義為

ψ(t)=eiω0te-0.5t2

(6)

式中，Wf(a，b)為小波系數(shù)；a為周期尺度；b為時間因子；Δt為時間間隔；i為虛數(shù)單位；ω0為常數(shù)。小波系數(shù)的實(shí)部表征不同尺度信號在不同時間上的分布和相位，模的大小表示信號的強(qiáng)弱。以時間因子為橫坐標(biāo)、周期尺度為縱坐標(biāo)，繪制小波系數(shù)Wf(a，b)實(shí)部等值線圖，即可直觀表示各尺度的作用年限；而Wf(a，b)模等值圖則能反映相應(yīng)尺度作用的相對強(qiáng)弱。

小波方差隨周期尺度a的變化過程稱為小波方差圖，它反映了波動的能量隨尺度的分布。通過小波方差的極大值可以確定一個水文序列中存在的主要時間尺度，即主周期。將時間域上的關(guān)于a的所有小波變換系數(shù)的平方進(jìn)行積分即得到小波方差，其定義式為

(7)

3 極值降雨年際變化規(guī)律及趨勢檢驗(yàn)

徐匯站、寶山站Rx1d、Rx5d的年際變化曲線見圖3，MK檢驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。徐匯站、寶山站59年來Rx1d和Rx5d均呈波動上升趨勢，且兩站變化趨勢相近，基本滿足“同增同減”的變化規(guī)律。徐匯站的Rx5d量級整體上略高于寶山站，年際增速與寶山站相近。平均每10年，徐匯站Rx1d和Rx5d分別增加7.5 mm和10.5 mm，寶山站Rx1d和Rx5d分別增加5.6 mm和9.8 mm。1977年寶山站的Rx1d與Rx5d均顯著高于徐匯站，其原因是1977年8月21日～22日，冷空氣伴隨著西北低槽急速南下，與滯留在上海北部的7707號臺風(fēng)倒槽相互作用，致使寶山、嘉定兩縣出現(xiàn)高強(qiáng)度降雨[14]。而2001年徐匯站的極值降雨又顯著強(qiáng)于寶山站，其原因是2001年8月5日～6日，西太平洋副高壓突然減弱南退， 促使北上的熱帶低壓東移至上海， 導(dǎo)致上海市區(qū)出現(xiàn)特大暴雨[15]。

圖3 極值降雨年際變化

圖4 MK檢驗(yàn)結(jié)果

MK檢驗(yàn)結(jié)果表明，對于徐匯站，Rx1d在1970年～1989年呈不顯著下降趨勢，在1990年～2012年呈不顯著上升趨勢，2012年以后呈顯著上升趨勢；Rx5d在1965年～1990年呈不顯著下降趨勢，在1991年～2016年呈不顯著上升趨勢。對于寶山站，Rx1d在1977年以前呈下降趨勢，在1984年～2011年呈不顯著上升趨勢，在2012年以后呈顯著上升趨勢；Rx5d在1979年以前呈下降趨勢，在1980年～2016年呈不顯著上升趨勢，在2016年以后呈顯著上升趨勢。

圖5 徐匯站Rx1d小波系數(shù)等值線

圖6 徐匯站Rx5d小波系數(shù)等值線

對于同一測站，Rx1d與Rx5d的年際變化趨勢相近；上海市城區(qū)和郊區(qū)極端降雨年際變化趨勢存在差異，但這種差異在1996年以后明顯減小。

4 極值降雨的多時間尺度分析

為研究上海市城區(qū)與郊區(qū)極值降雨的多時間尺度變化規(guī)律，選定時間尺度為研究時段(1961年～2019年)，周期標(biāo)度為1～32 a，將徐匯站、寶山站數(shù)據(jù)分別作Morlet小波變換后計算小波系數(shù)實(shí)部和小波系數(shù)模值，繪制其等值線，其中徐匯站小波分析結(jié)果如圖5、6所示，寶山站小波分析結(jié)果如圖7、8所示。根據(jù)兩站小波系數(shù)計算其小波方差，結(jié)果如圖9所示(圖中已分別將各曲線的小波方差進(jìn)行歸一化處理)。

圖7 寶山站Rx1d小波系數(shù)等值線

圖8 寶山站Rx5d小波系數(shù)等值線

圖9 小波方差

徐匯站Rx1d在研究期內(nèi)主要存在3類周期尺度、4個主周期。其中3～10 a的周期僅在1997年～2007年間有顯著的作用。25 a以上周期整體較強(qiáng)，在研究期內(nèi)均有作用，但在1980年～1999年間作用效果較弱。7～18 a的周期僅在1980年以前作用較為顯著，1980年以后該尺度的周期演化成為7～12 a和13～18 a兩類周期，作用效果減弱。主周期分別為5、10、15、28 a。

徐匯站Rx5d在研究期內(nèi)也主要存在3類周期尺度、4個主周期。其中25 a以上周期最強(qiáng)、作用最穩(wěn)定，在研究期內(nèi)始終存在，該尺度偏強(qiáng)和偏弱中心的交替時間約為18 a，徐匯站當(dāng)前(2020年)正處于該尺度偏強(qiáng)中心附近(靠后)。3～11 a周期僅在1995年～2010年間作用較為顯著。14～21 a的周期作用最弱，在研究期內(nèi)始終存在，但尺度中心由20 a逐漸向15 a降低。主周期分別為5、7、19、28 a。

寶山站Rx1d在研究期內(nèi)主要存在3類周期尺度、4個主周期。其中3～7 a周期僅在1974～1984年間有明顯的作用。7～14 a的周期在研究期內(nèi)均有作用，但在1990年以后作用明顯減弱。20～25 a的周期作用在1985年以前十分穩(wěn)定；1985年以后該尺度逐漸演化為25 a以上和15～20 a兩類尺度，其中25 a以上周期的作用不斷加強(qiáng)，該尺度的強(qiáng)弱交替時間約為11 a，當(dāng)前寶山站正處于該尺度偏強(qiáng)中心；而15～20 a的周期作用自1985年以后不斷減弱，當(dāng)前作用效果已不顯著。主周期分別為6、11、22、28 a。

寶山站Rx5d在研究期內(nèi)主要存在3類周期尺度、3個主周期。其中18～26 a的周期最強(qiáng)，該尺度在1977年以前十分穩(wěn)定，在1977年以后演化為25 a以上和15～23 a兩類尺度。其中，25 a以上周期的作用不斷加強(qiáng)，強(qiáng)弱交替時間約為10 a，當(dāng)前寶山站正處于該尺度偏強(qiáng)中心附近(靠后)；而15～23 a周期的作用不斷減小，尺度中心也由20 a向15 a降低，至1995年以后該周期已幾乎沒有作用。3～8 a周期僅在1974年～1983年間較為顯著。10～15 a的周期作用效果相對較弱，但自1973年以來十分穩(wěn)定，出現(xiàn)了7次強(qiáng)-弱交替。主周期分別為6、11、28 a。

綜上，相比于城區(qū)，郊區(qū)極值降雨受多尺度周期的調(diào)控作用更加顯著，且城區(qū)與郊區(qū)之間Rx1d的差異比Rx5d更加顯著，這表明城鎮(zhèn)化對Rx1d的影響要明顯強(qiáng)于Rx5d。無論是Rx1d還是Rx5d，上海市城區(qū)與郊區(qū)的主要周期尺度相近，在研究期內(nèi)均始終存在較穩(wěn)定的長尺度周期(20 a以上)作用，其中郊區(qū)始終是長尺度周期作用占優(yōu)，城區(qū)偶爾存在短尺度周期(15 a以下)占優(yōu)的時段。Rx1d和Rx5d的多尺度周期特性均受城鎮(zhèn)化的推進(jìn)影響，且主要表現(xiàn)在長尺度周期上，城鎮(zhèn)化使上海地區(qū)原先的17～30 a周期尺度逐漸分化為25 a以上和15～20 a兩類尺度，其中25 a以上的尺度作用不斷加強(qiáng)，15～20 a的尺度逐漸減弱；而對于短尺度周期，城鎮(zhèn)化的影響十分有限。上海市城區(qū)與郊區(qū)的長短歷時極值降雨均存在6 a左右和28 a的主周期，這兩個尺度的主周期受城鎮(zhèn)化的影響較小。

5 結(jié) 論

本文選取了上海市徐匯站和寶山站的連續(xù)59年實(shí)測極值降雨數(shù)據(jù)Rx1d和Rx5d，對其進(jìn)行了年際變化分析、MK趨勢檢驗(yàn)分析、小波分析等，得到如下結(jié)論：

(1)無論是城區(qū)還是郊區(qū)，上海市近60年來Rx1d和Rx5d均處于增大趨勢當(dāng)中，城鎮(zhèn)化使得城區(qū)和郊區(qū)極值降雨量級增大，也使得1996年以后城郊極值降雨年際變化趨勢之間的差異減小。

(2)Rx1d和Rx5d的多尺度周期規(guī)律均受城鎮(zhèn)化推進(jìn)影響，城鎮(zhèn)化對Rx1d的影響要顯著強(qiáng)于Rx5d，且影響主要集中在20 a以上的長尺度周期。城鎮(zhèn)化會顯著削弱Rx1d的多尺度周期規(guī)律，但對Rx5d的影響十分有限。此外，城鎮(zhèn)化使得寶山站的20～25 a的長尺度周期演化為兩類周期尺度。其中，一類尺度增長到25 a以上，且作用效果增強(qiáng)，成為1990年以后的主導(dǎo)周期尺度；另一類尺度減短到15～20 a，作用效果不斷減弱。