吉戴婧琪，戈文艷，2，韓劍橋，2，劉儀航

（1.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

0 引 言

暴雨引發(fā)的洪水災害在世界范圍內廣泛分布，導致人類生命、生態(tài)環(huán)境和經濟社會遭受巨大損失［1］。因受東亞季風與大氣環(huán)流影響，中國的暴雨洪水災害尤為嚴重，災害損失占全球的10%左右（1990-2017年）［2］。為抵御暴雨洪水，我國修建了大量水利工程，如水庫、堤防和防洪閘等［3］，構筑了較為完備的防洪體系。在防洪體系的工程規(guī)劃設計和運行中，設計暴雨量是確定防洪標準的重要參數(shù)，主要指特定設計頻率下的可能最大暴雨量，可由實測降水資料計算得到。但在近期氣候變化背景下，頻發(fā)的極端暴雨導致水文序列平穩(wěn)性發(fā)生變化，相同重現(xiàn)期下的設計暴雨量可能隨之改變。因此，研究設計暴雨量的變化及其對降水變化的響應，對于暴雨洪水的防災減災、防洪體系工程的可靠性評估具有重要的理論與實踐意義。

已有研究從多個角度對降水與設計暴雨變化進行了深入剖析。部分學者認為全球總降水量沒有顯著變化，但極端降水事件有所增加［4］。近年來，全球有96個國家降水量增加，104個國家減少［5］。美國的降水量呈現(xiàn)不顯著下降趨勢，但極端降水事件發(fā)生的強度與頻率增加［6］；中亞地區(qū)的年降水量以0.46 mm/a 的速率增加［7］；中國的年降水量不存在顯著變化趨勢，而極端降水顯著增長，且均具有區(qū)域性差異［8］。年降水量主要在長江中下游、東南沿海和西北地區(qū)呈上升趨勢，華北、東北地區(qū)呈下降趨勢［9］；極端降水主要在東北-西南向的地帶呈負趨勢，其兩側呈正趨勢［10］。國外的多項研究表明，受近期極端暴雨影響，日最大降水量序列中新加入了許多數(shù)值較大的數(shù)據(jù)點［11］，導致特定重現(xiàn)期下的設計暴雨量增加。國內學者也發(fā)現(xiàn)，100 a重現(xiàn)期下的全國日設計暴雨量的增長速率約為0.08～0.13 mm/a，部分地區(qū)甚至超過了0.3～0.8 mm/a［12］。如，2011-2020年漢江流域百年一遇的設計暴雨量為364.7 mm，與1961-1990年相比增加了11.56%［13］。

目前，針對中國降水和設計暴雨量時空變化的研究成果豐碩，但設計暴雨量與降水變化的關系仍需深入探究。為此，本文根據(jù)全國639 個氣象臺站降水數(shù)據(jù)，分析了不同重現(xiàn)期下的設計暴雨量及其時空變化規(guī)律，并在研究多年平均降水量及日最大降水量變化特征的基礎上，揭示了降水變化對設計暴雨量的影響，以期為我國工程的規(guī)劃設計與安全運行提供技術支撐，也為人類應對極端暴雨的策略優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

中國位于亞洲東部、太平洋西岸，總面積約960 萬km2（圖1），東西相距約5 000 km；地勢西高東低，呈階梯狀分布。氣候復雜多樣，東部屬季風氣候，西北部屬溫帶大陸性氣候，青藏高原屬高寒氣候；以秦嶺—淮河一線為界，以南地區(qū)降水豐沛，以北地區(qū)降水稀少［8］。近年來氣溫與降水變化顯著，為了應對降水變化引發(fā)的暴雨洪水，我國從新中國成立以來修建了大量的水利工程，至2018年底，已建水庫超過9 萬座，95%以上為土石壩［3］，大部分修建于20世紀80年代以前。本文根據(jù)地理區(qū)劃將中國劃為華南、華東、華中、西北、西南、華北、東北七個地區(qū)進行研究。

圖1 中國七大地理分區(qū)及氣象站點位置圖Fig.1 Seven geographic regions and meteorological stations in China

1.2 數(shù)據(jù)來源

降水數(shù)據(jù)來自中國氣象科學數(shù)據(jù)中心（http：//data.cma.cn/）提供的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0），時間序列為1951-2017年；由于1958年之前可獲取的降水數(shù)據(jù)較少，本文的研究時間為1958-2017年。同時，為了減少因缺失數(shù)據(jù)引起的數(shù)據(jù)偏差，本文去除了117個存在缺測問題的氣象臺站，最終從756 個站點中選取了639 個作為研究對象，站點分布如圖1。中國地圖來源自然資源部標準地圖服務網站（http：//211.159.153.75/）。

1.3 研究方法

1.3.1 設計暴雨量計算方法

為計算設計降雨量，先將各站點1958-2017年中每年的日最大降水量樣本取出，再以十年為步長累積分段，共分為6個子序 列（1958-1967、1958-1977、1958-1987、1958-1997、1958-2007、1958-2017），再利用Pearson-III 型曲線計算不同子序列在20、50、100、200、500 及1 000 a 重現(xiàn)期下的設計暴雨量，最后組成不同重現(xiàn)期下的設計暴雨量時間序列。同時，為與設計暴雨量的長序列統(tǒng)計值保持一致，年降水量和日最大降水量均采用動態(tài)水文序列的計算方式，其過程設計如下：以一年為步長將研究時段累積分段（1958、1958-1959、1958-1960、…、1958-2017），并利用算術平均法計算各子序列的年降水量與日最大降水量，分別再組成降水均值序列。

Pearson-III 型頻率分布曲線（簡稱P-III 曲線）適用于統(tǒng)計降水量等左偏分布變量，是用來擬合降雨徑流或氣象頻率分布的數(shù)學模型，在我國水文設計中廣泛使用［14］。P-Ⅲ曲線的概率密度函數(shù)為：

式中：Г（α）為α的伽馬函數(shù)；α、β、a0為統(tǒng)計參數(shù)，可以通過變差系數(shù)Cv、偏態(tài)系數(shù)Cs和平均數(shù)求得。

根據(jù)我國暴雨特性以及實踐經驗，本文Cs與Cv的比值取3.5［15］，因此下式中的Cs=3.5Cv。

1.3.2 趨勢變化分析方法

本文為分析多年平均降水量和多年平均日最大降水量以及不同時段設計暴雨量的定量變化程度，采用了普通最小二乘法計算其線性趨勢及變化速率［16］。為表現(xiàn)各個變量趨勢變化的空間特征，選用了普通克里金插值法對數(shù)據(jù)進行空間插值。同時，利用F檢驗（方差比率檢驗）分析趨勢變化的顯著性（取5%的顯著性水平作為檢驗依據(jù)）［17］，建立零假設H0：σ12=σ22，則F值計算公式如下：

式中：均為標準差的平方數(shù)，若計算F值大于5%顯著性水平下的設計F值，則變化趨勢通過了5%的顯著性檢驗，p值表現(xiàn)為小于0.05（p＜0.05）。

此外，本文采用皮爾遜相關系數(shù)（r值）探究了降水變量之間的相關關系，當r＞0 時表示變量間呈正相關，且相關性隨r的增大而增強；并用置信橢圓和置信帶展現(xiàn)相關關系的置信度（置信水平為95%）。

2 結果

2.1 多年平均降水量的時空變化特征

中國1958-2017年的多年平均降水量在空間上由東南向西北方向不斷遞減［圖2（a）］。華南、華東、華中地區(qū)的多年平均降水量大部分在1 200 mm 以上，華南地區(qū)最大（1 688.7 mm）；華北和西北地區(qū)大部分在300 mm 以下，西北地區(qū)最?。?90.9 mm）。從時間序列變化來看［圖2（b）］，全國共503 個站點的多年平均降水量具有顯著變化趨勢（p＜0.05），其中275 個顯著增加的站點主要集中于華南、華中、華東中部、西北、西南地區(qū)；228個顯著減少的站點主要集中于華東北部、華北、東北地區(qū)。

圖2 1958-2017年中國多年平均降水量時空變化圖Fig.2 Changes of multi-year average precipitation in China during 1958-2017

整體而言，中國的多年平均降水量在5%的顯著性水平下呈不顯著增加趨勢，但在10%的顯著性水平下顯著增加（0.05＜p＜0.1），增長速率為0.07 mm/a。華南、華中、西北、西南地區(qū)的多年平均降水量顯著增加（p＜0.05），平均增長速率分別為0.82、0.46、0.24 和0.21 mm/a；華北（-0.41 mm/a）、東北地區(qū)（-0.67 mm/a）顯著減少，華東地區(qū)則呈不顯著減少。

2.2 多年平均日最大降水量的時空變化特征

我國1958-2017年的多年平均日最大降水量呈現(xiàn)沿東南向西北逐漸減少的階梯狀分布規(guī)律［圖3（a）］。華南（139.1 mm）、華東（102.3 mm）、華中地區(qū)（94.1 mm）的多年平均日最大降水量較大；華北、西南和西北地區(qū)較?。ǖ陀?0 mm）。圖3（b）為各地區(qū)多年平均日最大降水量時間序列變化圖。全國有307個站點的日最大降水量在5%的顯著性水平下增加（占比48%），207 個站點顯著減少（占比32%）。其中，西南地區(qū)顯著增加的站點占比最大（60%），華中地區(qū)次之（58%），華北地區(qū)最?。?3%）。總體來看，中國的日最大降水量呈增加趨勢（0.05＜p＜0.1），增長速率為0.01 mm/a。華南、華中、西北和西南地區(qū)的日最大降水量顯著增加（p＜0.05），增長率分別為0.06、0.06、0.02和0.03 mm/a，東北地區(qū)（-0.08 mm/a）和華北地區(qū)（-0.04 mm/a）顯著減少，華東地區(qū)則呈不顯著增加趨勢。

圖3 1958-2017年中國多年平均日最大降水量時空變化圖Fig.3 Changes of multi-year average annual daily maximum precipitation in China during 1958-2017

2.3 設計暴雨量的變化特征

2.3.1 不同重現(xiàn)期下設計暴雨量的空間分布特征

圖4 為1958-2017年不同重現(xiàn)期下的設計暴雨量空間分布圖。與降水的空間分布類似，不同重現(xiàn)期下的設計暴雨量均呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的階梯狀分布特征，最高和最低量級分別位于華南地區(qū)東部與西北地區(qū)中部。在7 個分區(qū)中，華南地區(qū)的設計暴雨量最大，華東和華中地區(qū)次之，東北、西南和華北地區(qū)較小，西北地區(qū)最小，均值分別為244.7、185.8、112.4、117.4、97.5、113.4、50.0 mm（20 a重現(xiàn)期下）。

圖4 1958-2017年不同重現(xiàn)期下設計暴雨量的等值線圖Fig.4 Contour map of design rainstorm in the seven regions under different return periods

2.3.2 不同重現(xiàn)期下設計暴雨量的時間變化特征

由不同重現(xiàn)期下設計暴雨量的時間序列變化（圖5）和各地區(qū)站點的趨勢變化統(tǒng)計結果（圖6）可知，不同重現(xiàn)期下，全國均有20%左右站點的設計暴雨量序列呈顯著增加趨勢（p＜0.05），15%左右的站點顯著減少。全國設計暴雨量均值的增加速率在20、100 和500 a 一 遇 下 分 別 為0.005、0.007 和0.009 mm/a（0.05＜p＜0.1）。

圖5 不同重現(xiàn)期下設計暴雨量的時間變化分布圖Fig.5 Changes of the design rainstorm in the seven regions under different return periods

圖6 不同重現(xiàn)期下地區(qū)站點設計暴雨量時間變化統(tǒng)計圖Fig.6 Statistical chart of temporal variation of design rainstorm for stations under different return periods

20 a重現(xiàn)期下，華中、西北和西南地區(qū)的設計暴雨量序列呈顯著增長趨勢（p＜0.05），平均增長速率分別為0.19、0.05 和0.15 mm/a；區(qū)內呈顯著增加趨勢的站點比例為20%以上。華南地區(qū)（0.03 mm/a）和華東地區(qū)（0.10 mm/a）呈不顯著增加趨勢，區(qū)內呈顯著增加的站點比例分別為16%和25%。華北地區(qū)呈顯著減少趨勢（p＜0.05），平均減少速率為-0.08 mm/a；區(qū)內呈顯著減少趨勢站點比例為24%。東北地區(qū)呈不顯著減少趨勢（-0.03 mm/a），區(qū)內呈顯著減少趨勢的站點比例為19%。

隨重現(xiàn)期的增長，除華南地區(qū)的設計暴雨量變化趨勢略有改變以外，其他地區(qū)的變化趨勢均保持不變，且變化速率呈現(xiàn)“增的愈增，減的愈減”的特征。當重現(xiàn)期增長至1 000 a 一遇，華中、西北和西南地區(qū)的設計暴雨量增加速率分別達到0.41、0.09和0.33 mm/a。

2.4 降水變化與設計暴雨量變化的關系

根據(jù)降水變化與設計暴雨量變化的相關性分析（圖7）可知，在5%的顯著性水平下，設計暴雨量變化與日最大降水量變化具有較強的正相關性，兩者的趨勢均呈增加的站點數(shù)量為276 個，均呈減少趨勢的站點數(shù)量為189 個，其相關系數(shù)r分別為0.53 和0.63；而趨勢不一致的站點數(shù)量為174 個（27%），遠低于趨勢一致的站點數(shù)量。設計暴雨量變化與年降水量變化也存在正相關性（p＜0.05），兩者的趨勢均呈增加的站點數(shù)量為227 個，均呈減少趨勢的站點數(shù)量為160 個，其相關系數(shù)r分別為0.34和0.40；而趨勢不一致的站點數(shù)量為253個，占總站點數(shù)的40%，略低于趨勢一致的站點數(shù)量。因此，設計暴雨量主要受到降水變化的影響，尤其與日最大降水量變化的相關性較強。

圖7 降水變化與設計暴雨量變化的相關關系Fig.7 Correlation between precipitation change and design storm change

3 討 論

中國1958-2017年的多年平均降水量和日最大降水量有所增加，華南、華中、西北和西南地區(qū)的降水顯著增加，華北、東北地區(qū)顯著減少，這種變化主要受氣候變暖的影響。IPCC6 報告指出［18］，在氣溫升高0.5 ℃的情況下，大氣水汽的含量增加了3.5%左右，降水上升了1%～3%，該結果與中國的研究結論一致［11］。在不同變暖程度下，中國華南、華中、華東、西南地區(qū)的夏季水汽輸送逐漸減少，多年平均降水量及日最大降水量表現(xiàn)出增長趨勢［19］。此外，這種降水變化還與大氣環(huán)流密切相關。西太平洋副高強度的增加加劇了熱帶太平洋的水汽輸送，引發(fā)我國東部地區(qū)的暴雨現(xiàn)象；推動了東亞夏季風向西移動，增加我國西北地區(qū)的水汽，導致降水量與日最大降水量增多［20］。而華北地區(qū)的降水量減少主要與東亞夏季風環(huán)流的減弱有關，這種異常的大氣環(huán)流變化主要是受海陸熱力差異的影響［21］。此外，本文發(fā)現(xiàn)設計暴雨量變化與降水變化關系密切，尤其與日最大降水量相關性較強。在中國多年平均日最大降水量增長3%的情況下，20、50、100、200、500及1 000 a重現(xiàn)期下的設計暴雨量分別增長5%、6%、6.2%、7.3%、8%和8.4%，與已有研究成果相似［22，23］。因此，極端暴雨引起的日最大降水量增加，會使相同重現(xiàn)期下的設計暴雨量隨之增加。

在目前降水變化的背景下，特別是日最大降水量不斷增加的地區(qū)，相同重現(xiàn)期下的設計暴雨量可能會被低估［24］。例如，在美國加利福尼亞州，20 世紀80年代按100 a 一遇設計標準修建的13 個大壩，在經歷了多年降水變化后，100 a一遇的設計暴雨量僅對應目前30 a 一遇的重現(xiàn)期［25］。由此可見，許多工程的設計標準隨著時間的推移已經無法達到原有的預期。中國大部分80年代建造且未除險加固的工程在經歷相同重現(xiàn)期下的暴雨時，可能因設計暴雨量被低估而導致工程的防洪能力及自身安全受到威脅，增大工程發(fā)生失事（如滲漏、滑坡、潰壩等）的概率，其下游的洪水災害和水土流失風險可能會加劇。

隨著時間序列長度的增加和氣候變化的持續(xù)影響，極端暴雨將導致更多且更高的降水極大值加入水文序列?；贑MIP6的預測結果，中國極端暴雨事件在21世紀末的可能增長幅度將達到20%～30%［26］。在此背景下，我國未來的設計暴雨量可能會隨極端暴雨的增長而繼續(xù)增加，對防洪工程及其可靠性的威脅也將進一步加劇，特別是在設計暴雨量呈顯著增長趨勢的華中、西南和西北地區(qū)。因此，亟需校核修訂已建重大工程的防洪標準，保障工程的防洪能力及正常運行。

4 結 論

基于639 個氣象站點1958-2017年的日降雨觀測數(shù)據(jù)，分析了我國不同重現(xiàn)期下設計暴雨的時空變化特征，研究了設計暴雨變化與降水變化的相關關系，探討了設計暴雨量變化對工程防洪標準及其自身安全的影響，得出的結論如下。

（1）中國的多年平均降水量與日最大降水量均呈增加趨勢（0.05＜p＜0.1）。華南、華中、西北和西南地區(qū)的降水呈顯著增加趨勢（p＜0.05），而華北、東北地區(qū)則顯著減少。

（2）不同重現(xiàn)期下，中國的設計暴雨量均有所增加（0.05＜p＜0.1）。華中、西北和西南地區(qū)的設計暴雨量呈顯著增加趨勢（p＜0.05），華北地區(qū)顯著減少。隨重現(xiàn)期的增長，各地區(qū)的設計暴雨量變化速率呈現(xiàn)“增的愈增，減的愈減”的變化特征。

（3）特定重現(xiàn)期下，設計暴雨量因受降水變化而改變，尤其與多年平均日最大降水量的相關性較強。

（4）相同重現(xiàn)期下，設計暴雨量的增加可能會使我國的水文工程無法達到預期的設計標準，威脅工程防洪標準及其自身安全，尤其是在設計暴雨量顯著增加的華中、西北和西南地區(qū)。隨著未來極端降水不斷增加，該情況可能會愈發(fā)嚴重。