玉屏縣暴雨氣候特征與日最大降雨量重現(xiàn)期分析

吳麗華，楊 明，李小蘭，陳 軍

(1.貴州省玉屏侗族自治縣氣象局，貴州 玉屏 554000；2.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300)

玉屏縣暴雨氣候特征與日最大降雨量重現(xiàn)期分析

吳麗華1，楊 明1，李小蘭1，陳 軍2

(1.貴州省玉屏侗族自治縣氣象局，貴州 玉屏 554000；2.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300)

利用貴州玉屏國家氣象站1959—2015年逐日降水資料及鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域自動氣象站2010—2015年逐日降水資料，采用線性傾向估計法、皮爾森-Ⅲ等方法，對玉屏縣暴雨氣候特征及日最大降雨量進行分析。結(jié)果表明：玉屏縣暴雨日數(shù)年變化呈略上升趨勢，20世紀(jì)70年代中期—80年代前期為暴雨偏少時段，60年代后期—70年代前期、80年代中后期為暴雨偏多時段。暴雨發(fā)生在夜間的概率較大，尤其是4—7月；玉屏縣暴雨降雨持續(xù)時間大多在3～12 h之間，占72%。暴雨過程出現(xiàn)短時強降水的概率及極值較大。玉屏縣有2個多暴雨中心，分別位于亞魚鄉(xiāng)、大龍鎮(zhèn)。用皮爾森-Ⅲ推算，玉屏縣10 a出現(xiàn)一次的日最大降雨量為114.8 mm，20 a出現(xiàn)一次的日最大降雨量為139.6 mm，50 a出現(xiàn)一次的日最大降雨量為174.0 mm。1960年出現(xiàn)的日降雨量226.2 mm，屬于188 a重現(xiàn)一次，2007年出現(xiàn)的次大日降雨量191.9 mm，屬于75 a重現(xiàn)一次。

暴雨；氣候特征；日最大降雨量；重現(xiàn)期

1 引言

暴雨是貴州玉屏縣主要災(zāi)害性天氣之一，暴雨時常引起山洪暴發(fā)、城市內(nèi)澇、山體滑坡等災(zāi)害。在玉屏縣有“有雨遍坡流，無雨渴死?！钡恼f法。國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者對暴雨進行了多方面的研究[1-5]，得出了不同地區(qū)暴雨的氣候特征，也提出了不同預(yù)報方法，但暴雨的成因錯綜復(fù)雜，局地性很強，各地氣候特征差異大，對其落區(qū)和強度預(yù)報是一個很大難題。本文擬通過對玉屏縣暴雨氣候特征進行統(tǒng)計，為開展暴雨短時臨近預(yù)警服務(wù)，提供一些基礎(chǔ)依據(jù)和氣候背景。

2 資料來源

本文所用資料為貴州玉屏國家氣象站1959年1月1日—2015年12月31日逐日降水資料及玉屏縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域自動氣象站2010年1月1日—2015年12月31日逐日降水資料。資料取自貴州省氣象信息中心，所用的A文件經(jīng)過格式審查和質(zhì)量控制。

3 暴雨的時間變化特征

3.1 暴雨的年變化特征

采用線性傾向估計法分析玉屏縣暴雨日數(shù)的年變化趨勢如圖1[6]。由圖1可以得出，1959—2015年玉屏縣共出現(xiàn)暴雨日134 d，年平均暴雨日2.4 d。暴雨日數(shù)的年變化呈略上升趨勢，氣候傾向率為0.167 d/10 a，但未能通過0.05顯著性檢驗，20世紀(jì)70年代中期—80年代前期為暴雨偏少時段，有3 a未出現(xiàn)暴雨天氣，年平均暴雨日1.1 d，60年代后期—70年代前期、80年代中后期，為暴雨偏多時段，年平均暴雨日3.0 d和3.2 d， 90年代以后，暴雨日數(shù)呈波動式上升階段。

圖1 玉屏縣1959—2015年暴雨日數(shù)趨勢演變圖(左圖粗實線為5 a滑動曲線，右圖粗實線為6階多項式擬合曲線)Fig.1 The trend evolution chart of rainstorm days for Yuping County from1959 to 2015 year (The left solid line was 5 years sliding curve, and the thick solid line on the right was a sixth order polynomial fitting curve)

3.2 暴雨的月分布特征

統(tǒng)計玉屏縣各月暴雨出現(xiàn)的頻率如圖2所示。從圖2中可以看出，玉屏縣暴雨最早出現(xiàn)在3月，最晚出現(xiàn)在11月， 5—8月是暴雨集中出現(xiàn)時段，占總次數(shù)的79.9%， 6月暴雨出現(xiàn)的頻率最大(占暴雨總次數(shù)的29.1%)，5月次之(占暴雨總次數(shù)的20.1%)。

圖2 玉屏縣1959—2015年各月暴雨頻率分布圖Fig.2 The distribution map of monthly rainstorm frequency for Yuping County from1959 to 2015 year

3.3 暴雨出現(xiàn)的時段特征

按僅夜間降雨量達到了暴雨(20—08時降雨量≥50 mm)、僅白天降雨量達到了暴雨(08—20時降雨量≥50 mm)、從夜間到白天累計降雨量達到了暴雨(20—20時降雨量≥50 mm，統(tǒng)計時，剔除夜間或白天已單獨出現(xiàn)暴雨的次數(shù))，對玉屏縣暴雨在各時段出現(xiàn)的次數(shù)進行統(tǒng)計如表1。從表1可以看出，玉屏縣暴雨出現(xiàn)在夜間的概率最大，為54次，出現(xiàn)在白天的概率最小，為33次，夜間到白天累計降雨量達到暴雨的次數(shù)居中，為47次。同時，還可以看出，4—7月暴雨主要出現(xiàn)在夜間，3月、10月、11月暴雨，降雨時間較長，以夜間累計到白天時段為主，8—9月暴雨在出現(xiàn)時段上沒有明顯差異。

3.4 暴雨的降雨持續(xù)時間特征

玉屏縣連續(xù)2 d降雨量達到暴雨的過程共出現(xiàn)4次，即1996年7月15日(109.8 mm)、16日(55.6 mm)，2004年7月18日(86.7 mm)、19日(74.9 mm)，1990年9月21日(69.3 mm)、22日(59.7 mm)，2013年9月24日(90.9 mm)、25日(75.9 mm)，還未出現(xiàn)連續(xù)3 d達到暴雨的天氣過程。

表1 玉屏縣暴雨各時段出現(xiàn)的次數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 The statistical table of rainstorm times in Yuping County

暴雨過程的降雨持續(xù)時間長短將直接影響災(zāi)害的嚴(yán)重程度。降雨時間長，降雨就緩，降雨時間短，降雨就急。統(tǒng)計得出，玉屏縣暴雨過程持續(xù)時間最短為1 h，最長為24 h，持續(xù)時間在7～12 h最多，達38次占43%，持續(xù)時間在3～6 h次之，為26次占29%，持續(xù)時間在2 h以內(nèi)最少，僅有2次(表2)。

表2 玉屏縣暴雨過程降雨持續(xù)時間統(tǒng)計Tab.2 The statistics of duration for rainstorm in Yuchang County

4 暴雨的空間分布

當(dāng)某日20—20時只要有一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域自動站出現(xiàn)暴雨統(tǒng)計為一次暴雨過程。2010—2015年玉屏縣共出現(xiàn)暴雨過程38次95站，其中，只有1個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨的過程最多達16次，有2～3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨的過程次之達13次，有4～6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)同時出現(xiàn)暴雨的過程最少僅9次，說明玉屏縣暴雨的局地性很強。進一步統(tǒng)計玉屏縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)暴雨出現(xiàn)次數(shù)如圖3，從圖3可以看出，玉屏縣有2個多暴雨中心，1個是亞魚鄉(xiāng)，平均每年3.2 d，1個是大龍鎮(zhèn)，平均每年3.0 d，朱家場鎮(zhèn)的暴雨最少，平均每年2.0 d。

根據(jù)定義，1 h降雨量≥20 mm時，稱為短時強降水。1981年以前沒有自記雨量記錄，統(tǒng)計玉屏國家氣象站1981—2015年90次暴雨天氣過程中，有35次出現(xiàn)了短時強降水，占總暴雨次數(shù)的38.9%； 3月、10月、11月的暴雨過程中未出現(xiàn)短時強降水，6月、7月出現(xiàn)短時強降水的頻率達到72.0%和83.3%，也就說，6—7月多突發(fā)性強降水發(fā)生。

玉屏縣短時強降水最大值為72.6mm，出現(xiàn)在1997年9月2日，短時強降水的第95%個百分位閾值55.8mm。3 h累計降雨量最大值為93.9mm，出現(xiàn)在1982年5月12日，3 h累計降雨量第95%個百分位閾值78.5mm。

圖3 玉屏縣2010—2015年暴雨空間分布圖Fig.3 The spatial distribution of rainstorm in Yuping County from 2010 to 2015 year

各鄉(xiāng)鎮(zhèn)暴雨過程出現(xiàn)短時強降水次數(shù)及短時強降水最大值如表3。從表3可以看出，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)短時強降水的極值及概率較大，當(dāng)短時強降水的降雨量與過程降雨量均偏大時，由此造成的災(zāi)害就相當(dāng)嚴(yán)重。如 2012年5月14時暴雨造成大龍鎮(zhèn)山體滑坡、居民房屋倒塌，2012年7月17日亞魚暴雨導(dǎo)致山洪暴發(fā)，出現(xiàn)山體滑坡、垮塌，溪水泛濫，沖刷農(nóng)田，損壞房屋。

表3 玉屏縣2010—2015年鄉(xiāng)鎮(zhèn)短時強降水統(tǒng)計Tab.3 The short-term and severe precipitation statistics for townships in Yuping County from 2010 to 2015 year

5 暴雨日數(shù)與年降水量的關(guān)系

定義將年降雨量比常年偏少10%的年份為降雨量偏少年，偏多10%的年份為降雨量偏多年，年暴雨日數(shù)≤1次為少暴雨年，年暴雨日數(shù)≥4次為多暴雨年。統(tǒng)計得出，玉屏縣57 a中有14 a為多暴雨年，19 a為少暴雨年。在14 a多暴雨年中，年降雨量偏多有3 a；在19 a的少暴雨年中，年降雨量偏少有9 a(表4、表5)。由此可以得出，玉屏縣多暴雨年份的暴雨量對年降雨量的貢獻不明顯，少暴雨年份的暴雨量對年降雨量的影響相對較大。

表4 玉屏縣暴雨日數(shù)≥4次的年份與年降雨量統(tǒng)計Tab.4 The years of rainstorm day for more than 4 times and annual rainfall

表5 玉屏縣暴雨日數(shù)≤1次的年份與年降雨量統(tǒng)計Tab.5 The years of rainstorm day for less than 1 times and annual rainfall

6 日最大降雨量重現(xiàn)期分析

皮爾森P-Ⅲ分布[7-10]具有廣泛的概括和模擬能力，在氣象上用來擬合年、月的最大風(fēng)速和日最大降雨量的極值分布。P-Ⅲ分布的概率密度函數(shù)和保證率分布函數(shù)分別為：

(1)

和

(2)

其中參數(shù)x0為隨機變量x所能取的最小值，α稱為形狀參數(shù)，它反映了隨機變量x的離散程度，β稱為尺度參數(shù)，它是以方差為單位來衡量隨機變量x平均值的大小，Γ(α)是α的伽瑪函數(shù)。3個參數(shù)x0、α、β可以通過下式分別計算：

(3)

(4)

(5)

用適線法對P-Ⅲ參數(shù)估計，對玉屏縣日最大降雨量資料進行擬合如圖4。由圖4可以看出，玉屏縣日最大降雨量與實況曲線比較一致，平均誤差為0.43mm，擬合較好。由此可見，用P-Ⅲ分布來推算玉屏縣日最大降雨量的重現(xiàn)期及不同重現(xiàn)期下的極值估計結(jié)果是可信的。

圖4 玉屏縣日最大降雨量p-Ⅲ型保證率曲線的適線圖Fig.4 The guarantee rate curve of the maximum rainfall p-Ⅲ type

用適線法確定P-Ⅲ分布曲線后，即可算出各種概率P對應(yīng)的P-Ⅲ分布的日最大降雨量的理論值，也即各種重現(xiàn)期下的極值(圖5)。

圖5 玉屏縣日最大降雨量重現(xiàn)期分布曲線圖Fig.5 The distribution curve of the maximum rainfall reappearing period in Yuping County

由圖5可以看出：玉屏縣10a出現(xiàn)一次的日最大降雨量是114.8mm，20a出現(xiàn)一次的日最大降雨量是139.6mm，50a出現(xiàn)一次的日最大降雨量是174.0mm，100a出現(xiàn)一次的日最大降雨量是201.0mm，200a出現(xiàn)一次的日最大降水量是228.3mm。用玉屏縣57a實況資料對比(圖略)，1960年已出現(xiàn)的最大日降雨量226.2mm，屬于188a重現(xiàn)一次，2007年出現(xiàn)的次大日降雨量191.9mm，屬于75a重現(xiàn)一次。

7 小結(jié)

①玉屏縣暴雨日數(shù)年變化呈略上升趨勢，20世紀(jì)70年代中期—80年代前期為暴雨偏少時段,60年代后期—70年代前期、80年代中后期為暴雨偏多時段，90年代以后，暴雨日數(shù)呈波動式上升階段。月際分布上，5—8月為暴雨集中發(fā)生時段，6月份暴雨出現(xiàn)的概率最大。

②玉屏縣暴雨多發(fā)生在夜間，尤其是4—7月；暴雨的降雨持續(xù)時間大多在3～12h之間，占總暴雨過程的72%；暴雨過程中出現(xiàn)短時強降水的概率及短時強降水極值較大，尤其是6—7月出現(xiàn)短時強降水的概率達到78.3%和82.4%。玉屏縣短時強降水最大閾值為72.6mm，第95%個百分位閾值55.8mm，3h累計降雨量最大閾值為93.9mm，第95%個百分位閾值78.5mm。

③玉屏縣有2個多暴雨有中心，分別位于亞魚鄉(xiāng)、大龍鎮(zhèn)。

④在14a多暴雨年中，降雨量偏多年份只有3a，在19a少暴雨年中，降雨量偏少年份有9a，多暴雨年的暴雨對年降雨量的貢獻不明顯，少暴雨年的暴雨對年降雨量的影響相對較大。

⑤采用皮爾森-Ⅲ分布擬合，玉屏縣10a出現(xiàn)一次的日最大降雨量為114.8mm，20a出現(xiàn)一次的日最大降雨量為139.6mm，50a出現(xiàn)一次的日最大降雨量為174.0mm，100a出現(xiàn)一次的日最大降雨量為201.0mm，200a出現(xiàn)一次的日最大降水量為228.3mm。對比實況，1960年出現(xiàn)的最大日降雨量226.2mm，屬于188年重現(xiàn)一次， 2007年出現(xiàn)的次大日降雨量191.9mm，屬于75a重現(xiàn)一次。

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Study on climate characteristic of rainstorm and rainfall reappearing period of maximum daily precipitation in Yuping of Guizhou Province

WU Lihua1, YANG Ming1, LI Xiaolan1, CHEN Jun2

(1.Yuping Meteorological Station of Guizhou Province, Yuping 554000, Guizhou;2.Tongren Meteorological Bureau of Guizhou Province, Tongren 554300, Guizhou)

Based on daily data of surface observations during 1959—2014 and daily data of automatic stations during 2010-2014,climate trend analysis, Pearson III method were applied to analyze the rainstorm and annual maximum daily precipitation. The results indicate that the annual rainstorm days revealed an increasing tendency.The rainstorms were less than normal during the mid-1970 s to the early 1980s, but it was more than normal from the late 1960s to the early 1970s and in the middle and late 1980s.The rainstorms often occurred at night, especially from April to July. The duration of rainstorm was mostly between 3～12 hours, which account for 72%. The probability and extreme value of short - term heavy rainfall were larger. There were two more rain centers that located in Yayu township and Dalong town. Pearson-III projected that appeared the maximum daily rainfall in 10 years was 114.8 mm, and 139.6mm for 20 years, and 174.0 mm for 50 years. The daily rainfall of 226.2 mm in 1960 year was reappeared for 188 years, and 191.9 mm in 2007 year was reappeared for 75 years.

rainstorm; climate characteristics; daily maximum precipitation; reappearing period

1003-6598(2017)02-0020-06

2016-11-14

吳麗華(1964—)，女(侗族)，副高，主要從事氣象服務(wù)和應(yīng)用氣象工作，E-mail:ypgxj@163.com。

貴州省氣象局氣象科技開放研究基金項目(黔氣科合﹝2016)08號)：基于區(qū)域自動氣象站資料的暴雨‘三個叫應(yīng)’閾值研究。

P426.6

A