1961—2010年上海市各量級降水的多尺度變化特征研究

王 軒，尹占娥，遲瀟瀟，殷 杰

doi：10.7515/JEE201503004

1961—2010年上海市各量級降水的多尺度變化特征研究

王 軒1，尹占娥1，遲瀟瀟1，殷 杰2

（1.上海師范大學(xué) 地理系，上海 200234；2.浙江工商大學(xué)，杭州 310018）

為了詳盡地了解氣候變化下上海市降水變化特征，合理開發(fā)管理城市水資源，利用上海市10個地方氣象站1961—2010年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，綜合利用累積距平、滑動平均、線性傾向估計、百分位、去趨勢波動等方法系統(tǒng)分析近50年來上海市10個站點降水指標(biāo)的季節(jié)、年際、年代際變化特征。研究發(fā)現(xiàn)：1）研究區(qū)降水經(jīng)歷了1960s、1970s年代的下降期，1980s、1990s和2000s年代的快速增長期，最早出現(xiàn)變化的是上海市南部地區(qū)，但是變化幅度最大、變化趨勢最為復(fù)雜的是市區(qū)徐家匯站；2）研究區(qū)季節(jié)降水分配不均，且市區(qū)與郊區(qū)存在較大的數(shù)值差異，變化幅度上，各站點夏季、冬季降水呈顯著增加趨勢，春季和秋季降水呈不顯著下降趨勢；3）研究區(qū)各站點降水強度有增強趨勢，主要表現(xiàn)在暴雨量級以下降水頻次變少，但是總量增多，且暴雨與大暴雨以上量級降水頻次增多，空間上各站點響應(yīng)時間與幅度存在差異；4）基于百分位和DFA兩種方法計算的極端降水研究都表明，研究區(qū)各站點極端降水呈顯著增強趨勢，兩種方法計算的市區(qū)徐家匯站5年滑動降水量年遞增率分別為20.1 mm·（10a）-1和28.3 mm·（10a）-1。

水資源；降水特征；指標(biāo)；差異；上海

IPCC評估報告顯示，當(dāng)前全球氣候正處于持續(xù)變暖期（IPCC，2007），氣候變暖通過陸地水循環(huán)影響水資源在時空分布上的重新分配，而降水變化直接影響著各地區(qū)水資源利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)系統(tǒng)管理等，進(jìn)而間接影響著地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展（Ashiq et al，2010；常遠(yuǎn)勇等，2012）。因此，區(qū)域降水的時空變化特征引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注（Goswam i et al，2006；Guhathakurta et al，2011；姜德娟等，2011；于文金等，2012；郭雪等，2013）。

目前氣象領(lǐng)域?qū)邓难芯看蠖嗉杏谌珖蛄饔虻却罂臻g尺度（Chen et al，2009；于文金等，2012；郭雪等，2013），而基于大尺度的降水研究常常受限于氣象站點分布不均，其空間分辨率偏低，不能詳盡地揭示區(qū)域內(nèi)部降水差異問題，對地方政府在水資源利用與管理上提供的參考有限。因此，為了更好地揭示氣候變化背景下區(qū)域降水的變化特征，必須重視城市尺度的降水研究。上海地處亞洲大陸東沿，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，由于處于天氣系統(tǒng)過渡帶，受冷暖氣流的交替作用十分明顯，氣候特征比較復(fù)雜，以往學(xué)者雖然對上海市降水情況已有研究（周麗英和楊凱，2001；賀芳芳和徐家良，2006 ），但是限于降水資料的時間與空間精度，不能完全反映出上海市長時間降水的空間差異。本文選取上海作為典型城市實證區(qū)，重點研究氣候變化背景下上海市長時間序列的降水變化特征，力求全面詳盡地揭示上海市區(qū)域內(nèi)部的降水時空特征與差異性，為相關(guān)部門因地制宜地管理城市水資源提供參考和依據(jù)。站基本均勻覆蓋上海市全境（圖1），確保了研究數(shù)據(jù)在空間上能夠詳盡地展現(xiàn)區(qū)域降水內(nèi)部差異，該數(shù)據(jù)精度為0.1 mm，資料來源為上海市氣象局。

圖1 研究區(qū)及氣象站點分布Fig.1 Study area and distribution of meteorological stations

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

本研究所用的氣象資料為上海市10個地方氣象站1961—2010年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，時間跨度上能夠滿足長時間序列的降水特征分析，氣象臺

1.2 研究方法

參考國家氣象局對于降水量等級的劃分，定義暴雨以下（＜50 mm）、暴雨（50 ～ 99.9 mm）、大暴雨及以上（≥100 mm）三個降水等級的降水頻次、降水總量六個指標(biāo)，從季節(jié)、年際、年代際等時間尺度，綜合運用累積距平（黃嘉佑，1995）、滑動平均、線性傾向估計、百分位、去趨勢波動（楊萍等，2008）等氣象分析方法研究上海市近50年的降水變化趨勢和特征；同時，借助于ArcGIS強大的空間展示能力，利用自然斷點分類法對研究區(qū)降水量的空間變化進(jìn)行可視化表達(dá)。

2 研究結(jié)果

2.1 上海降水季節(jié)性變化

綜合利用5年滑動平均以及線性傾向估計方法，研究上海市10個地方臺站的季節(jié)降水總量變化情況，限于篇幅，只列出徐家匯站作為代表（下文同），見圖2。分析所有站點發(fā)現(xiàn)：

1）上海市降水季節(jié)性差異較大，春季、夏季降水偏多，冬季降水最少，以徐家匯站為例，春季降水年平均量為290.9 mm，夏季為488.5 mm，秋季為251.9 mm，冬季只有154 mm；同時，研究區(qū)各站點季節(jié)降水存在較大的數(shù)值差異，市區(qū)春季、冬季降水少于郊區(qū)，夏季、秋季降水多于郊區(qū)，且距市區(qū)越遠(yuǎn)，數(shù)值差異越顯著，例如，閔行、寶山站離市區(qū)較近，季節(jié)平均降水量接近于徐家匯站，奉賢站離市區(qū)較遠(yuǎn)，季節(jié)降水與市區(qū)差異較大，春季降水量為304.3 mm，夏季為419.6 mm，秋季為247 mm，冬季為160.7 mm。

2）降水傾向率方面，上海市春季、秋季降水呈不顯著下降趨勢，夏季、冬季降水呈明顯的增強趨勢，但是各區(qū)域，尤其是城郊變化幅度存在較大差異，例如，徐家匯站春季降水5年滑動降水量年遞減率為5.5 mm·（10a）-1，秋季為5.8 mm·（10a）-1；夏季降水5年滑動降水量年遞增率為69.9 mm·（10a）-1，冬季為18.1 mm·（10a）-1；寶山站春季、秋季5年滑動降水量年遞減率分別為9.7 mm·（10a）-1和4.6 mm·（10a）-1；夏季、冬季5年滑動降水量年遞增率分別為57.3 mm·（10a）-1和18.9 mm·（10a）-1；奉賢站春季、秋季5年滑動降水量年遞減率分別為4.4 mm·（10a）-1和16.3 mm·（10a）-1；夏季、冬季5年滑動降水量年遞增率分別為56 mm·（10a）-1和13 mm·（10a）-1。

圖2 徐家匯站季節(jié)降水特征Fig.2 Seasonal precipitation characteristic of Xujiahui station

2.2 上海降水年際變化

參考國家氣象局24小時降水量等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計研究區(qū)10個臺站的各年暴雨以下（＜50 mm）、暴雨（50～99.9 mm）及大暴雨以上（≥100 mm）的降水日數(shù)與降水總量，計算各量級降水指標(biāo)的多年距平值，采用累積距平法研究上海市多年降水特征，研究結(jié)果見圖3。分析發(fā)現(xiàn)：

1）暴雨量級以下降水頻次呈現(xiàn)“減—增—減”趨勢，1970年之前下降趨勢明顯，1971—2000年增加趨勢顯著，之后呈顯著下降趨勢，且正距平居多，但是變化幅度上，市區(qū)徐家匯站與其他站點差異較大，徐家匯站暴雨量級以下降水頻次累積距平最大值出現(xiàn)在1985年左右，為49 d，其他站點最大累積距平都突破80 d，時間大概在1991年左右，說明市區(qū)該量級降水頻次波動較大，其他區(qū)域增長趨勢較為穩(wěn)定；降水總量基本呈現(xiàn)“減增”趨勢，市區(qū)徐家匯站在1997年之前下降趨勢明顯，之后出現(xiàn)增加趨勢，其他站點發(fā)生趨勢轉(zhuǎn)換的時間較早，基本在1972年左右，研究區(qū)暴雨以下降水總量負(fù)距平偏多，且市區(qū)徐家匯站最大累積負(fù)距平遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他站點，達(dá)到-1751 mm，時間為1997年，其他區(qū)域最大負(fù)距平出現(xiàn)在1972年左右，值為-1000 mm左右。

圖3 徐家匯站降水年際變化Fig.3 Precipitation inter-annual change of Xujiahui station

2）暴雨量級降水頻次在1988年之前較為穩(wěn)定，之后突然出現(xiàn)顯著增加趨勢，且各區(qū)域差異較大，市區(qū)最大累積距平達(dá)到13 d，時間為2000年，最小累積距平為-9.6 d，時間為1984年，郊區(qū)如奉賢等站點的最大累積距平為4 d，時間為2001年，最小累積距平為-13 d，時間為1982年，說明1988年之前市區(qū)徐家匯站暴雨量級降水頻次減少幅度小于其他區(qū)域，但是1988年之后增長幅度遠(yuǎn)大于其他區(qū)域；降水總量與降水頻次變化趨勢基本一致，且城郊差異較大，市區(qū)徐家匯站降水量最大累積距平超過900 mm，其他站點大概為350 mm左右。

3）大暴雨量級以上降水頻次與總量變化趨勢高度一致，都表現(xiàn)為“減—增”趨勢，這是由于該等級降水強度已經(jīng)達(dá)到或超過極端降水閾值，趨勢變化時間點為1994年左右，但是市區(qū)、郊區(qū)變化幅度上仍存在差異，市區(qū)徐家匯站變化幅度最大，最小降水頻次累積距平為-7 d，降水量累積距平為-988.1 mm。

2.3 上海降水年代際變化

利用研究區(qū)10個氣象站點逐日降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計50年來的各量級年降水量，并以每10年為一個年代，計算各量級年代平均降水量，最后計算各量級降水年代際距平值，基于ArcGIS強大的空間數(shù)據(jù)顯示能力，采用自然間斷點與手動分類結(jié)合的方法，得到各年代降水變化的空間表達(dá)，見圖4。

分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)年代際降水變化規(guī)律性明顯：整體上，1960s和1970s年代降水總量呈現(xiàn)下降趨勢，市區(qū)徐家匯站下降幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他地區(qū)，但是研究區(qū)南部地區(qū)暴雨以下降水開始出現(xiàn)增加趨勢；1980s和1990s研究區(qū)整體上迎來了降水總量的大增長，大部分站點各等級降水總量都大幅增長，尤以市區(qū)徐家匯站在90年代暴雨量級降水增長的最多；進(jìn)入21世紀(jì)后，研究區(qū)暴雨量級降水減少，但是特大暴雨量級降水顯著增多，說明降水向更高等級轉(zhuǎn)變，仍然以市區(qū)徐家匯站增長最多。

2.4 極端降水研究

從前文對上海市各站點降水特征分析可以發(fā)現(xiàn)，上海市降水強度有向高等級轉(zhuǎn)化的趨勢，即部分降水有可能構(gòu)成極端降水。前文雖然已經(jīng)基于國家氣象局標(biāo)準(zhǔn)對暴雨及以上等級降水進(jìn)行了分析，但是國家氣象局定義的暴雨閾值標(biāo)準(zhǔn)并不一定適用于上海本地的極端降水研究，而上海又是極端氣候事件發(fā)生頻繁的城市，極端降水的研究對于上海市水務(wù)管理、城市暴雨內(nèi)澇管理等都有著重要的意義，因此，有必要更好地識別適合上海市本地的極端降水閾值及極端降水的變化特征。

2.4.1 極端降水定義

極端降水閾值定義方法多種多樣（羅夢森等，2013），本文基于各站點逐日降水資料采用百分位法以及DFA法定義適合上海本地的極端降水閾值，見表1。

圖4 上海市降水年代際變化?Fig.4 Precipitation inter-decadal change of Shanghai

表1 各站點極端降水閾值Table 1 Extreme precipitation threshold for the meteorological stations

2.4.2 極端降水變化特征

基于前文百分位法以及DFA法定義的極端降水閾值，統(tǒng)計各站點1961—2010年來各年超過閾值的極端降水總量，綜合利用5年滑動平均與氣候傾向估計法研究極端降水時間變化特征，見圖5。分析發(fā)現(xiàn)：

1）根據(jù)DFA法定義的極端降水閾值，計算多年平均極端降水量，上海市各區(qū)縣年均極端降水總量分布在76.1～123.5 mm，郊區(qū)極端降水起伏大于市區(qū)，市區(qū)徐家匯站1990年之前表現(xiàn)為降水偏少，之后顯著偏多，郊區(qū)站點降水偏多偏少年份比較復(fù)雜；各站點極端降水總量在波動中都呈增長趨勢，5年滑動降水量年遞增率在11.2～28.3 mm·（10a）-1，極端降水變化幅度從市區(qū)向近郊區(qū)（如閔行、寶山等地），再向遠(yuǎn)郊區(qū)（如崇明、南匯等區(qū)域）逐漸變小。

2）根據(jù)百分位法定義的極端降水閾值，計算多年平均極端降水量，上海市各區(qū)縣年均極端降水總量分布在110.2～129.7 mm，變化范圍明顯小于DFA法計算的極端降水量，且極端降水起伏度小于DFA法計算結(jié)果，各站降水偏多偏少年份比較一致；各站點極端降水變化趨勢與DFA法表現(xiàn)一致，都是在波動中呈增加趨勢，5年滑動降水量年遞增率在13.1～41.6 mm·（10a）-1，且極端降水變化幅度也存在明顯的地域分布。

綜上，兩種方法都證實了研究區(qū)極端降水存在顯著的增加趨勢，且城郊雨島差異性明顯。

圖5 徐家匯站極端降水年際變化Fig 5 Extreme precipitation inter-annual change of Xujiahui station

3 討論與結(jié)論

本文基于上海市長時間序列降水資料，綜合采用累積距平、滑動平均、線性傾向估計、百分位、DFA等方法，從氣候變化角度研究了上海市各量級降水的多時間尺度變化特征，研究發(fā)現(xiàn)了城市降水的一些規(guī)律性，如：研究區(qū)整體上夏季、冬季降水呈顯著增加趨勢，春季和秋季降水呈不顯著下降趨勢；研究區(qū)降水強度有增強趨勢，主要表現(xiàn)在暴雨量級以下降水頻次變少，但是總量增多，且暴雨與大暴雨以上量級降水頻次增多；研究區(qū)降水大致經(jīng)歷了1960s、1970s年代的下降期，1980s、1990s和2000s年代的快速增長期。

同時，研究也發(fā)現(xiàn)上海市降水空間差異顯著，最早發(fā)生降水變化趨勢改變的是上海市南部地區(qū)，時間大概出現(xiàn)在70年代，查閱前人研究成果發(fā)現(xiàn)，這段時間東亞夏季風(fēng)處于增強期（施能等，1996），上海市降水特征比較符合東亞夏季風(fēng)對降水的影響規(guī)律；而90年代之后市區(qū)徐家匯站各等級降水變化幅度遠(yuǎn)大于上海市其他站點，這段時間正是上海高速城市化的發(fā)展時期，結(jié)合前人研究成果（陳敏和張國璉，2007）可以發(fā)現(xiàn)，城市化產(chǎn)生的熱島效應(yīng)對局部天氣的影響已經(jīng)越來越明顯，現(xiàn)如今，在氣候變化和城市化的雙重大背景下，城市降水的不均勻性以及極端降水發(fā)生概率的增大引發(fā)了一系列的城市問題，因此，未來城市建設(shè)、城市規(guī)劃、城市排水、城市生態(tài)保護(hù)等都應(yīng)該充分考慮降水的影響，尤其是加強應(yīng)對極端降水潛在影響的措施與保障。

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Characteristics of different magnitude precipitation change in Shanghai during 1961—2010

WANG Xuan1，YIN Zhan-e1，CHI Xiao-xiao1，YIN Jie2
（1.Department of Geography，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China；2.Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310018，China）

In order to understand the characteristics of precipitation under climate change completely，develop and manage the water resources rationally in Shanghai，the daily rainfall data from 1961 to 2010 of 10 meteorological stations were used.The seasonal，inter-annual and inter-decadal variation of different precipitation index in latest 50 years in Shanghai were analyzed by the methods of cumulative departure，smoothing averages，linear trend analysis，percentile，de-trended f uctuation analysis （DFA） and so on.The research indicated that f rstly，Shanghai experienced a precipitation declining period in 1960s and 1970s，a rapid grow th in 1980s，1990s and 2000s，and the southern part of Shanghai was the f rst area which began to experience the trend variation，but the urban area was the most complex and experienced the maximum variation trend.Secondly，the seasonal distribution of precipitation was quite different both in time and spatial scale in Shanghai，besides，there was an obvious increasing trend in precipitation amount in summer and w inter and annual increasing rate of precipitation amount sliding 5 years reaches 56.23 mm·（10a）-1and 16.71 mm·（10a）-1while spring and autumn experiencedan unobvious decreasing trend.Thirdly，there was an increasing trend about precipitation intensity，mainly displayed in that the frequency under rainstorm decreased while the amount increased，and the frequency increased in rainstorm as well as heavy rain，but there were signi f cant time and intensity differences in urban，suburban and outer suburban district.Finally，the extreme rainfall was studied by the method of percentile and DFA，both of the two methods indicated that the extreme rainfall increased a lot under the climate change scenarios，the urban area experienced a bigger grow th rate than other areas.

water resources；precipitation characteristics；index；divergence；Shanghai

P426.6

A

1674-9901（2015）03-0161-07

2014-10-14

國家自然科學(xué)基金資助項目（41371493，41071324，41201550）；上海市教委科研創(chuàng)新項目（13YZ061）

尹占娥，E-mail：zhaneyin@126.com