近45 a宜昌市暴雨日數(shù)的氣候特征及變化

張盛超，張 明，高琪清，楊在銀

(1.湖北省宜都市氣象局，湖北 宜都 443300;2.湖北省當(dāng)陽(yáng)市氣象局，湖北 當(dāng)陽(yáng) 444100;3.湖北省宜昌市氣象局，湖北 宜昌 443000)

1 引言

暴雨是夏季常見(jiàn)的一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，也是最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，特別是一些強(qiáng)度高、總量大的特大暴雨，能造成山洪暴發(fā)、土壤流失、甚至水庫(kù)垮壩、河堤決口、淹沒(méi)農(nóng)田、中斷交通，引起山體滑坡、地層沉陷、產(chǎn)生泥石流等一系列次生災(zāi)害，因其突發(fā)性以及對(duì)受災(zāi)地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)及人民生命財(cái)產(chǎn)造成的毀滅性影響而受到廣泛的社會(huì)關(guān)注。近些年來(lái)，氣象學(xué)者對(duì)我國(guó)或區(qū)域的暴雨氣候特征研究取得了許多有意義的成果。鮑名等［1］分析了我國(guó)近40 a暴雨發(fā)生頻率的時(shí)空變化特征，指出我國(guó)夏季暴雨多發(fā)生在長(zhǎng)江中下游、華南、四川中東部、黃淮地區(qū)和東北地區(qū)，夏季暴雨發(fā)生頻率具有明顯的年代際變化。楊賢為等［2］對(duì)長(zhǎng)江中游暴雨天氣氣候特征進(jìn)行研究，指出長(zhǎng)江中游區(qū)域性暴雨主要發(fā)生在梅雨期。王龍學(xué)等［3］分析了長(zhǎng)江中下游地區(qū)汛期暴雨頻次時(shí)空分布特征。本文利用宜昌市9個(gè)觀測(cè)站近45 a的逐日降水資料，分析宜昌市暴雨日數(shù)的氣候特征及變化規(guī)律，以期為該地區(qū)暴雨的氣候診斷和汛期旱澇預(yù)測(cè)提供科學(xué)的依據(jù)，也為當(dāng)?shù)卣块T(mén)開(kāi)展防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

2 材料和方法

本文定義暴雨日數(shù)為日降水量≥50.0 mm的日數(shù)，大暴雨日數(shù)為日降水量≥100.0 mm的日數(shù)，利用宜昌市9個(gè)觀測(cè)站1966—2010年的逐日降水資料，統(tǒng)計(jì)了近45 a暴雨日數(shù)資料。采用線性趨勢(shì)分析方法分析宜昌市暴雨日數(shù)的變化趨勢(shì)，用Morlet復(fù)值小波分析方法［4－8］分析暴雨日數(shù)的周期變化特征，用Mann－Kendall法［9］對(duì)暴雨日數(shù)進(jìn)行氣候突變檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

圖1 宜昌市暴雨日數(shù)的空間分布(單位:d)

3.1 暴雨日數(shù)的空間分布

圖1為宜昌市1966—2010年年平均暴雨日數(shù)的空間分布，從氣候分布上，宜昌市年平均暴雨日數(shù)存在明顯差異，基本表現(xiàn)為南多北少，年平均暴雨日數(shù)最多的是長(zhǎng)陽(yáng)為4.3 d，最少的是興山僅為1.9 d，兩者相差了2.4 d。就單站而言，年暴雨日數(shù)最多為長(zhǎng)陽(yáng)12 d(1983年)，其次是五峰11 d(1983年)，最少有全年沒(méi)有暴雨發(fā)生的，如興山45 a中有8 a沒(méi)有暴雨發(fā)生。年平均大暴雨日數(shù)分布(圖略)與年平均暴雨日數(shù)分布類似，但年平均大暴雨日數(shù)最多為五峰0.6 d，最少是興山約為0.1 d，近45 a只出現(xiàn)了4次大暴雨。

3.2 暴雨日數(shù)的時(shí)間變化特征

圖2是宜昌市9個(gè)站空間平均后的年暴雨日數(shù)的時(shí)間演變，可以看出，近45 a宜昌市年平均暴雨日數(shù)為3.2 d，最多為1983年6.3 d，最少為1966年僅為0.8 d，年暴雨日數(shù)以0.17 d/(10 a)速率增加，沒(méi)有通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)，增加趨勢(shì)不明顯。20世紀(jì)60年代后期、70年代、80年代中期至90年代中期和21世紀(jì)近10 a大致為少暴雨時(shí)段，80年代前中期和90年代前中期為多暴雨時(shí)段。

就季節(jié)分布而言，暴雨日數(shù)主要集中在汛期(5－9月)，約占全年暴雨日數(shù)的87.5%，暴雨日數(shù)的月分布呈單峰型(圖略)，其中7月份暴雨最多，約占全年暴雨日數(shù)的31.3%。

圖2 宜昌市暴雨日數(shù)逐年變化圖

3.3 暴雨日數(shù)的周期分析

小波分析不僅能反映信號(hào)在時(shí)頻域上的總體特征，還能提供局部變化的信息。既可給出信號(hào)變化的時(shí)間尺度，也可以顯示出信號(hào)變化的時(shí)間位置，同時(shí)還具有對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行診斷的能力，因此廣泛應(yīng)用于氣候變化分析與預(yù)測(cè)［10－12］。本文利用Morlet復(fù)值小波分析宜昌市暴雨日數(shù)的周期變化。

圖3 宜昌市年暴雨日數(shù)距平的Morlet小波系數(shù)實(shí)部等值線圖

圖3為根據(jù)宜昌市1966—2010年暴雨日數(shù)年距平做Morlet小波變換得到的小波系數(shù)實(shí)部等值線分布圖。小波系數(shù)的實(shí)部包含給定時(shí)間和尺度下，相對(duì)于其他時(shí)間和尺度，信號(hào)的強(qiáng)度和位相兩方面的信息。小波系數(shù)為正時(shí)，表示暴雨日數(shù)相對(duì)偏多，圖中用實(shí)線表示;小波系數(shù)為負(fù)時(shí)，表示暴雨日數(shù)相對(duì)偏少，用虛線表示;小波系數(shù)為0的地方則為突變點(diǎn);圖中的符號(hào)反映了振蕩的位相，等值線中心反映了不同尺度振蕩的振幅最大值。因此，從圖中可以看出不同尺度下宜昌市暴雨日數(shù)的偏多(偏少)狀況。由圖可見(jiàn)，宜昌市暴雨日數(shù)存在明顯的年際變化和年代際變化，存在2～4 a、6 a、準(zhǔn)10 a、準(zhǔn)16a的4類尺度的周期變化規(guī)律。從較大尺度16 a分析，暴雨日數(shù)變化存呈偏高—偏低—偏高—偏低—偏高交替振蕩，具體表現(xiàn)為1966—1973年偏高，1974—1978年偏低，1979—1986年偏高，1987—1993年偏低，1994—2010年偏高，且等值線未閉合，這說(shuō)明16 a時(shí)間尺度下，在2010年后一段時(shí)間宜昌市暴雨日數(shù)還是處于相對(duì)偏多期。在時(shí)間尺度準(zhǔn)10 a上，暴雨日數(shù)變化存在偏低—偏高交替的準(zhǔn)5次振蕩，具體表現(xiàn)為1966—1967年偏低，1968—1973年偏高，1974—1978年偏低，1979—1983年偏高，1984—1987年偏低，1988—1992偏高，1993—1995年偏低，1996—2001偏高，2002—2006年偏低，2007—2010偏高且等值線未閉合，這說(shuō)明10 a時(shí)間尺度下，在2010年后一段時(shí)間宜昌市暴雨日數(shù)同樣還是處于相對(duì)偏多期。在10 a以下年際尺度上的變化，由于振蕩比較頻繁，這里不做具體分析。

圖4 宜昌市年暴雨日數(shù)距平的Morlet小波系數(shù)數(shù)模等值線圖

Morlet小波系數(shù)的模值表示能量密度。模值圖把各種時(shí)間尺度的周期變化在時(shí)間域中的分布情況展示出來(lái)，小波變換系數(shù)的模值越大，表明所反應(yīng)的時(shí)段和尺度的周期性振蕩越強(qiáng)。從圖4可以看出，模值最大的是2～4 a時(shí)間尺度，表明在這一時(shí)間尺度下，宜昌市暴雨日數(shù)的周期振蕩最強(qiáng)，其次是準(zhǔn)10 a。

3.4 暴雨的突變檢驗(yàn)

利用Mann－Kendall法對(duì)宜昌市年暴雨日數(shù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)。如圖5所示，用原氣象序列構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量UF，用原氣象序列反序列構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量UB，暴雨日數(shù)UF線在1967年超過(guò)臨界值上限，說(shuō)明該年份暴雨日數(shù)增加趨勢(shì)明顯，UF線從20世紀(jì)60年代后期持續(xù)下降至70年代后期，之后呈持續(xù)上升趨勢(shì)，從UF線與UB線的交點(diǎn)判斷，宜昌市年暴雨日數(shù)在1979年前后發(fā)生了氣候突變。

圖5 宜昌市暴雨日數(shù)的Mann－Kendall檢驗(yàn)圖

4 結(jié)論

①宜昌市暴雨日數(shù)空間分布存在明顯差異，基本表現(xiàn)為南多北少，年平均暴雨日數(shù)最多的是長(zhǎng)陽(yáng)為4.3 d，最少的是興山僅為1.9 d，兩者相差了2.4 d。

②近45 a宜昌市暴雨日數(shù)呈現(xiàn)不明顯增加趨勢(shì)，且存在明顯的2次波動(dòng)，20世紀(jì)60年代后期—70年代后期呈下降趨勢(shì)，70年代后期—80年代前期呈上升趨勢(shì)，從80年代中期之后—90年代中期呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，90年代中期以后又呈上升趨勢(shì)。

③暴雨日數(shù)存在2 ～4 a、6 a、準(zhǔn)10 a、準(zhǔn)16 a的4類尺度的周期變化規(guī)律，其中在2～4 a時(shí)間尺度下周期振蕩最強(qiáng);從準(zhǔn)10 a和準(zhǔn)16 a時(shí)間尺度來(lái)看，在2010年后一段時(shí)間宜昌市暴雨日數(shù)還是處于相對(duì)偏多期。

④利用Mann－Kendall法進(jìn)行突變檢測(cè)顯示，暴雨日數(shù)在1979年前后發(fā)生了氣候突變。

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