陜西短歷時(shí)降水極值特征和致災(zāi)性分析

李亞麗，雷向杰，余　鵬

(1.陜西省氣象信息中心，西安　710014；2.陜西省氣候中心，西安　710014)

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陜西短歷時(shí)降水極值特征和致災(zāi)性分析

李亞麗1，雷向杰2，余鵬1

(1.陜西省氣象信息中心，西安710014；2.陜西省氣候中心，西安710014)

摘要：利用陜西95個(gè)氣象站1980—2013年的短歷時(shí)(1 h、3 h、6 h、12 h、24 h)降水極值及相應(yīng)縣域1984—2013年的氣象地質(zhì)災(zāi)害記錄，對(duì)陜西短歷時(shí)降水極值、氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)空分布特征及兩者間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，并通過耿貝爾(Gumbel)極值分布模型擬合短歷時(shí)降水百年極值。結(jié)果表明：陜北的子長、佳縣，關(guān)中的彬縣、華陰、武功、千陽，陜南的鎮(zhèn)巴、商南、佛坪為短歷時(shí)降水極值中心。超過一半的站降水極值呈緩慢增大趨勢，降水極值與災(zāi)害均集中出現(xiàn)在4—10月，兩者發(fā)生時(shí)間有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。陜北54.62%、關(guān)中48.5%、陜南68.97%的短歷時(shí)降水極值出現(xiàn)的當(dāng)天，當(dāng)?shù)匕l(fā)生了氣象地質(zhì)災(zāi)害。利用耿貝爾極值分布模型擬合5個(gè)短歷時(shí)降水百年極值發(fā)現(xiàn)，百年一遇降水極值的空間分布特征與歷史極值特征相似，這對(duì)短歷時(shí)降水極值的預(yù)測與可能引發(fā)的暴雨洪澇地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：短歷時(shí)降水極值；氣象地質(zhì)災(zāi)害；耿貝爾極值分布模型；百年一遇

降水是氣候系統(tǒng)中最關(guān)鍵的要素之一，降水的變化直接影響著氣候、水文以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。關(guān)于降水的研究多集中在極端降水事件的變化[1-3]。近50年來中國極端降水事件的發(fā)生頻率有所增加，且具有明顯的區(qū)域性[2-3]，在西部地區(qū)、長江流域和東南沿海有上升趨勢[1]?；谌战邓抠Y料得出的研究表明[4-5]，陜西地區(qū)的年降水量呈明顯減少趨勢，但平均降水強(qiáng)度總體呈微弱增強(qiáng)趨勢，暴雨增多、強(qiáng)度增強(qiáng)，區(qū)域內(nèi)降水不均衡、南北降水量分布差異很大，有極端化發(fā)展的趨勢。受資料信息化水平影響，之前對(duì)降雨的特征研究多限于日、月、年尺度降水量的變化趨勢等研究，而短歷時(shí)強(qiáng)降水因歷時(shí)短、強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)等特點(diǎn)，更易造成局部嚴(yán)重或毀滅性的洪澇、山體滑坡等災(zāi)害[6-7]，其頻率和強(qiáng)度的變化可能對(duì)社會(huì)和環(huán)境產(chǎn)生更大的影響，因此對(duì)其變化特征等進(jìn)行研究顯得尤為重要。短歷時(shí)強(qiáng)降水的極值作為隨機(jī)變量具有一定的不確定性，但仍表現(xiàn)出明顯的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[8]。借用統(tǒng)計(jì)推斷的手段尋求氣候極值的概率分布模型，可推算出一定重現(xiàn)期的可能極值，揭示其內(nèi)在規(guī)律[9]。概率分布理論作為研究極值最重要的理論基礎(chǔ)，應(yīng)用較為廣泛的有皮爾遜-Ⅲ型分布、指數(shù)分布、極值I型分布(Gumbel耿貝爾極值分布)以及對(duì)數(shù)正態(tài)分布等分布線型，均可用來擬合短歷時(shí)降水極值的概率分布函數(shù)、進(jìn)而求得不同重現(xiàn)期，且具有較好的擬合能力[10-13]。

本文主要分析陜西短歷時(shí)降水極值的時(shí)空分布、變化趨勢特征以及氣象地質(zhì)災(zāi)害與各歷時(shí)降水極值間的關(guān)系，并運(yùn)用耿貝爾(Gumbel)極值分布模型擬合短歷時(shí)降水百年極值，以期為短時(shí)強(qiáng)降雨預(yù)報(bào)、暴雨誘發(fā)的泥石流、滑坡等氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估提供參考信息，這對(duì)短歷時(shí)強(qiáng)降水可能引發(fā)的氣象地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防具有重要意義。

1資料與方法

文中短歷時(shí)降水是指1 h、3 h、6 h、12 h和24 h等5個(gè)歷時(shí)的降水量，氣象地質(zhì)災(zāi)害指由強(qiáng)降水(暴雨、連陰雨)引發(fā)的洪澇、泥石流、山體滑坡、山體崩塌、地面塌陷等災(zāi)害。利用陜西95個(gè)國家級(jí)氣象站1980—2013年的分鐘降水量構(gòu)建以上5個(gè)時(shí)段降水極值序列，采用線性趨勢估計(jì)分析序列變化趨勢。數(shù)據(jù)全部來自陜西省氣象檔案館，均經(jīng)過了嚴(yán)格的質(zhì)量控制。搜集、匯總來源于氣象災(zāi)害普查數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過了市、省、國家三級(jí)業(yè)務(wù)部門審核的1984—2013年氣象地質(zhì)災(zāi)害記錄，災(zāi)害整理原則：與國家級(jí)氣象站相對(duì)應(yīng)的縣級(jí)行政區(qū)內(nèi)一天之內(nèi)無論幾處出現(xiàn)災(zāi)害只算一次，連續(xù)2天或以上出現(xiàn)災(zāi)害，同樣只算一次，間隔一天或以上，分別計(jì)數(shù)。

經(jīng)對(duì)降水極值分布的最佳擬合檢驗(yàn)后，確定以耿貝爾分布(Gumbel)方法[8-9，14]作為主要極值分析方法，建立短歷時(shí)降水極值的分布模型及重現(xiàn)期預(yù)測。耿貝爾分布函數(shù)為

F(x)=exp(-exp(-a(x-u))，

(a>0,-∞

(1)

式(1)中a為分布的尺度參數(shù)，u為分布的位置參數(shù)。

(2)

參數(shù)估計(jì)選擇矩法，一階矩(數(shù)學(xué)期望)

2短歷時(shí)降水極值時(shí)空分布特征

2.1空間分布

陜西位于我國西部，呈南北高、中間低、西北高、東南低的地貌特點(diǎn)，境內(nèi)地形復(fù)雜，地質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣，以北山、秦嶺為界，形成陜北黃土高原、關(guān)中平原和陜南秦巴山地三個(gè)自然區(qū)。雖然對(duì)多年平均年降水量來講陜北最小，關(guān)中次之，陜南最大，統(tǒng)計(jì)95站34 a各歷時(shí)降水極值發(fā)現(xiàn)，全省范圍內(nèi)1 h、3 h降水極大值出現(xiàn)在關(guān)中，6 h、12 h極大值出現(xiàn)在陜北，24 h降水極值出現(xiàn)在陜南(圖1)。

從圖1可看出，子長、佳縣是陜北5個(gè)短歷時(shí)降水的極值中心，安塞、綏德、府谷、延川等地短歷時(shí)降水也較大。關(guān)中的極值主要出現(xiàn)在彬縣、華陰、禮泉、武功、千陽、扶風(fēng)等地。鎮(zhèn)巴、商南、佛坪為陜南的5個(gè)歷時(shí)降水極值中心，而留壩、寧陜、寧強(qiáng)的12 h、24 h降水極值也較大。從95個(gè)臺(tái)站的5個(gè)短歷時(shí)降水極值序列中分別選取降水量最大的10個(gè)臺(tái)站，1 h、3 h、6 h極大值排名前十的站中關(guān)中地區(qū)所占比率較大，而12 h、24 h排名前十的站中陜南地區(qū)的站明顯增多，占50%以上。

2.2時(shí)間變化趨勢

分析95站的短歷時(shí)降水極值的發(fā)生時(shí)間發(fā)現(xiàn)，各歷時(shí)降水極值集中出現(xiàn)在7、8月，最早出現(xiàn)在4月(銅川站1996年4月16日，1 h降水極值54 mm)，最晚出現(xiàn)在10月(洋縣1985年10月2日，1 h降水極值57.8 mm)。一天中，短歷時(shí)降水極值的開始時(shí)間集中出現(xiàn)在16—24時(shí)，03—05時(shí)開始的概率也較大。

從年代際特征來看，1980—2013年95站的5個(gè)短歷時(shí)降水極值55%以上發(fā)生在2000年以后，20世紀(jì)80年代極值出現(xiàn)頻次最少，90年代次之。分別計(jì)算1980—2013年95站5個(gè)歷時(shí)降水極值的線性趨勢率發(fā)現(xiàn)，超過一半的站降水極值呈緩慢增大趨勢。其中，1 h降水極值的線性趨勢率漢陰3.6 mm/10 a、鳳縣4.1 mm/10 a、平利 6.5 mm/10 a，3 h降水極值線性趨勢率平利7.3 mm/10 a，6 h降水極值線性趨勢率漢中7.7 mm/10 a，12 h降水極值線性趨勢率旬邑6.6 mm/10 a、宜君7.5 mm/10 a、佳縣11.1 mm/10 a、延川11.8 mm/10 a，24 h降水極值線性趨勢率禮泉10.3 mm/10 a、宜君10.5 mm/10 a、延川10.8 mm/10 a、商南12.6 mm/10 a、佳縣15.3 mm/10 a，增多趨勢比較明顯(通過0.05的顯著性檢驗(yàn))。另外，有部分臺(tái)站為減小趨勢。線性趨勢率臨渭24 h降水極值-8.9 mm/10 a、12 h降水極值-6.5 mm/10 a，減少趨勢比較明顯。總的來看，在陜北黃河沿岸、渭北西部、陜南安康地區(qū)降水極值增大趨勢較明顯，關(guān)中東部、陜南中西部為弱減小趨勢(圖略)。

圖1　1980—2013年陜西各時(shí)段短歷時(shí)降水極值空間分布 (單位：mm)

3氣象地質(zhì)災(zāi)害情況以及與短歷時(shí)降水極值的關(guān)系

3.1氣象地質(zhì)災(zāi)害情況分析

圖2　1984—2013年陜西氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻次(單位為次)的空間分布

對(duì)1984—2013年95個(gè)縣級(jí)行政區(qū)內(nèi)的氣象地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)匯總，共有1 788次記錄，且暴雨洪澇是氣象地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因。分區(qū)域來看氣象地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻次(圖2)，陜南最多，28站平均每站31次，其中安康市白河境內(nèi)最多為81次，丹鳳最少為11次。陜北平均每站14次，關(guān)中13次，其中延川縣、寶雞市共36次，分別為陜北、關(guān)中災(zāi)害發(fā)生頻次最多縣。95個(gè)縣中22個(gè)縣災(zāi)害發(fā)生頻次小于10次，其中關(guān)中15個(gè)縣，陜北7個(gè)縣。高陵縣、合陽縣境內(nèi)最少，30 a僅發(fā)生2次。分析發(fā)現(xiàn)，災(zāi)害發(fā)生頻次有增加趨勢，一年中災(zāi)害發(fā)生時(shí)間主要集中在4—10月(圖3)，7、8月為氣象地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)期，5、6、9月為易發(fā)期。

圖3　1984—2013年陜西氣象地質(zhì)災(zāi)害頻次的月分布

3.2氣象地質(zhì)災(zāi)害與短歷時(shí)降水極值的關(guān)系

將95個(gè)氣象站的5個(gè)短歷時(shí)降水極值分別與本站所在行政區(qū)域內(nèi)災(zāi)害發(fā)生時(shí)間進(jìn)行簡單關(guān)聯(lián)，分析各歷時(shí)降水極值的致災(zāi)情況，即若某站出現(xiàn)某個(gè)歷時(shí)降水極值的當(dāng)日(24 h以內(nèi))，與之對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)氣象地質(zhì)災(zāi)害時(shí)記1次關(guān)聯(lián)，該站災(zāi)害發(fā)生概率為關(guān)聯(lián)頻次合計(jì)除以極值個(gè)數(shù)(5個(gè))表示。分析發(fā)現(xiàn)，95站中有60站12 h降水極值出現(xiàn)的同時(shí)，區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)氣象地質(zhì)災(zāi)害，關(guān)聯(lián)頻次為60次，居5個(gè)歷時(shí)降水極值中最多；3 h、24 h次之，為55次；6 h為54次；1 h為46次。

另外，從圖4可以看出，95站中有23站的5個(gè)短歷時(shí)降水極值均沒有對(duì)應(yīng)的氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，即發(fā)生概率為0；27站的5個(gè)短歷時(shí)降水極值出現(xiàn)的當(dāng)天在其縣域內(nèi)均有氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，即降水過程誘發(fā)災(zāi)害的概率為100%；5個(gè)短歷時(shí)降水極值出現(xiàn)時(shí)，災(zāi)害發(fā)生概率為80%和60%的分別有18站和14站。從區(qū)域平均來看，陜北54.62%、關(guān)中48.5%、陜南68.97%的短歷時(shí)降水極值出現(xiàn)的當(dāng)天，當(dāng)?shù)匕l(fā)生了氣象地質(zhì)災(zāi)害。

圖4　1984—2013年陜西短歷時(shí)降水極值出現(xiàn)時(shí)氣象地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生累計(jì)頻次(單位為次)

從災(zāi)害與極值發(fā)生時(shí)間來看，一次大范圍的降水過程往往會(huì)刷新很多極值記錄，比如2010年7月22—24日的降水過程刷新了33個(gè)短歷時(shí)降水極值記錄，導(dǎo)致宜君、隴縣、寶雞、彬縣等12個(gè)縣發(fā)生滑坡泥石流等氣象地質(zhì)災(zāi)害。2007年8月7—9日的降水過程刷新了30個(gè)短歷時(shí)降水極值記錄，導(dǎo)致關(guān)中(麟游、岐山、禮泉、興平、永壽)、陜南(佛坪、嵐皋)共7個(gè)縣發(fā)生嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。分析記錄發(fā)現(xiàn)本次過程同時(shí)刷新了高陵站的5個(gè)歷時(shí)降水極值記錄，但無災(zāi)害發(fā)生。該縣地處關(guān)中平原，地貌形態(tài)簡單。因此，氣象地質(zhì)災(zāi)害是否發(fā)生除與降水量大小有關(guān)外，與當(dāng)?shù)氐牡孛埠偷刭|(zhì)結(jié)構(gòu)關(guān)系也較大。

4短歷時(shí)降水重現(xiàn)期極值的空間分布

從第3節(jié)的分析可以看出，降水極值的發(fā)生與氣象地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有著緊密的關(guān)系，因此準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)估降水極值可以減少或降低由此引發(fā)的災(zāi)害損失。采用Gumbel分布擬合陜西短歷時(shí)降水極值的分布，用矩陣法估計(jì)其分布參數(shù)，對(duì)給定重現(xiàn)期的各歷時(shí)降水的理論值與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比，以(實(shí)測值-預(yù)測值)/實(shí)測值×100%表示誤差率，檢驗(yàn)用Gumbel分布在給定重現(xiàn)期的條件下擬合短歷時(shí)降水極值的預(yù)測效果。結(jié)果表明(表略)，在全省5個(gè)短歷時(shí)降水極值均無缺測記錄的73個(gè)臺(tái)站中，除陜北的佳縣、子長、綏德，關(guān)中的隴縣、寶雞、武功、高陵、大荔、咸陽、華陰以及陜南的洋縣、佛坪、寧陜外，其余臺(tái)站的短歷時(shí)降水理論極值有較高的精度，誤差率不超過10%。

分析給定重現(xiàn)期(100年)短歷時(shí)降水極值的空間分布(圖5)發(fā)現(xiàn)，百年一遇降水極值空間分布的中心與圖1較為一致，1 h降水極值出現(xiàn)在關(guān)中的武功，3 h、6 h、12 h百年一遇降水最大值均出現(xiàn)在陜南的商南，24 h降水最大值出現(xiàn)在陜南的寧陜。分區(qū)域來看，陜北除12 h百年一遇降水極值出現(xiàn)在佳縣外，其余4個(gè)極值均出現(xiàn)在子長。關(guān)中3 h、6 h、12 h、24 h百年一遇降水極值較為集中地出現(xiàn)在渭北的白水、大荔、華陰一帶，1 h降水極值出現(xiàn)在武功、岐山。陜南除商南外，寧陜、佛坪、寧強(qiáng)等區(qū)域5個(gè)短歷時(shí)降水極值也較大。

圖5　Gumbel分布擬合的陜西百年一遇短歷時(shí)降水極值空間分布(單位：mm)

5結(jié)論

(1)全省范圍內(nèi)1 h、3 h降水量極大值出現(xiàn)在關(guān)中，6 h、12 h極大值出現(xiàn)在陜北，24 h降水極值出現(xiàn)在陜南。陜北的子長、佳縣，關(guān)中的彬縣、華陰、武功，陜南的鎮(zhèn)巴、商南、佛坪為降水極值中心。超過一半的站短歷時(shí)降水極值呈緩慢增大趨勢。

(2)暴雨洪澇是氣象地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因，陜南災(zāi)害的發(fā)生頻次最多。各歷時(shí)降水極值的發(fā)生時(shí)間與災(zāi)害發(fā)生時(shí)間有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。短歷時(shí)降水極值與災(zāi)害均集中出現(xiàn)在4—10月。平均而言，陜北54.62%、關(guān)中48.5%、陜南68.97%的短歷時(shí)降水極值出現(xiàn)的當(dāng)天，當(dāng)?shù)匕l(fā)生了氣象地質(zhì)災(zāi)害。

(3)利用耿貝爾(Gumbel)極值分布模型擬合5個(gè)短歷時(shí)降水百年極值，并將理論值與實(shí)測值驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，耿貝爾極值分布模型能較好地?cái)M合短歷時(shí)降水極值。各地百年一遇降水極值的空間分布特征與1980—2013年的歷史極值特征相似，這對(duì)各縣的短歷時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)測與可能引發(fā)的氣象地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防有一定的借鑒意義。

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文章編號(hào)：1006-4354(2016)04-0018-06

收稿日期：2015-11-24

作者簡介：李亞麗(1978—)，女，陜西韓城人，碩士，高工，從事氣象資料分析及氣候變化研究。

基金項(xiàng)目：陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014k13-09)；陜西省氣象局氣象科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2014M-27)

中圖分類號(hào)：P426.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

李亞麗，雷向杰，余鵬. 陜西短歷時(shí)降水極值特征和致災(zāi)性分析[J].陜西氣象，2016(4)：18-23.