貴州近50 a來(lái)夏季不同等級(jí)強(qiáng)降水事件特征研究

嚴(yán)小冬，孫 翔，楊春艷，夏 陽(yáng)

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心，北京 100081；3.貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553001)

1 引言

貴州位于西南地區(qū)東南部，屬于低緯高原，省內(nèi)地形地貌復(fù)雜，具有顯著的喀斯特山區(qū)特征，是全國(guó)唯一沒(méi)有平原支撐的省份，處于最強(qiáng)盛的東亞季風(fēng)、印度季風(fēng)和南海季風(fēng)交替影響的范圍內(nèi)，形成一年中干濕季區(qū)別顯著的立體氣候，其夏半年的降水量可達(dá)到占全年的70%以上[1-2]，加上特殊的地形特征，使得當(dāng)?shù)貜?qiáng)降水事件的時(shí)空分布十分復(fù)雜[3-4]。

近年來(lái)，貴州旱澇頻發(fā)，不少科技工作者針對(duì)貴州降水日數(shù)、不同等級(jí)降水事件等做了大量的研究，如王芬等[4]分析指出，不同等級(jí)降水頻率發(fā)生明顯變化，總雨日、小雨日、中雨日顯著減少，但暴雨日(日雨量≥50 mm)卻有一定的增加趨勢(shì)，而大雨以下量級(jí)的降雨日數(shù)增加時(shí)，卻使得貴州的總降水量偏多，這亦從一方面體現(xiàn)了貴州地區(qū)強(qiáng)降水事件所具有的復(fù)雜性。袁文德等[5]對(duì)西南地區(qū)近50 a來(lái)極端降水事件變化趨勢(shì)的研究結(jié)果同樣表明，包含貴州在內(nèi)的西南地區(qū)極端降水事件雖呈現(xiàn)出一定的上升趨勢(shì)，但并不顯著。雖然上述研究均說(shuō)明我國(guó)西南地區(qū)的強(qiáng)降水事件具有不斷增多的特征，但仍有部分研究[6-8]在我國(guó)西南地區(qū)強(qiáng)降水事件頻數(shù)和強(qiáng)度的長(zhǎng)期變化上存在不同意見(jiàn)。如Qian[9]以及鮑名[10]等的研究指出，我國(guó)華北和西南地區(qū)的降雨日數(shù)在顯著減少，使得當(dāng)?shù)氐母珊凳录l發(fā)。

由于貴州地區(qū)特殊的地形地貌特征，加上強(qiáng)降水事件較強(qiáng)的突發(fā)性和局地性，使得目前貴州較強(qiáng)降水事件的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，無(wú)法滿足日常業(yè)務(wù)的需求[11-12]，且以往大部分的研究在強(qiáng)降水事件的定義方面仍采用業(yè)務(wù)中的降水量級(jí)進(jìn)行劃分[13-14]，而這在降水分布極不均勻的貴州地區(qū)并不能完全說(shuō)明降水事件的強(qiáng)度和極端性。此外，關(guān)于強(qiáng)降水事件的研究常側(cè)重于針對(duì)小范圍甚至某些局地的單站現(xiàn)象進(jìn)行[15]，對(duì)于區(qū)域性尤其是山地地區(qū)的強(qiáng)降水事件研究并不多見(jiàn)[16]，而強(qiáng)降水事件給包含貴州在內(nèi)的云貴高原等喀斯特山地地區(qū)帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于東部發(fā)達(dá)地區(qū)[17]，當(dāng)?shù)赝话l(fā)的強(qiáng)降水事件引起的山洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)于人民生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的威脅不容忽視。

因此，本文將從貴州地區(qū)的夏季日降水資料出發(fā)，利用百分位法[18]對(duì)貴州的區(qū)域性強(qiáng)降水事件進(jìn)行定義，并采用多種統(tǒng)計(jì)診斷方法，探討1967—2016年共50 a間貴州夏季不同等級(jí)區(qū)域性強(qiáng)降水事件的氣候變化特征，以期加深對(duì)于貴州日降水事件的認(rèn)識(shí)，為強(qiáng)降水事件的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)提供參考。

2 資料與方法

2.1 資料

觀測(cè)資料來(lái)源于貴州省氣象局整編資料，考慮到缺測(cè)及臺(tái)站遷徙所導(dǎo)致的觀測(cè)資料的不完整性，剔除了缺失數(shù)據(jù)的站點(diǎn)，最終選取81站1967—2016年6—8月日降水資料。

2.2 區(qū)域性強(qiáng)降水事件的定義

考慮到貴州地區(qū)的站點(diǎn)分布較為均勻(見(jiàn)圖1a實(shí)心圓點(diǎn))，且本文的研究將從日降水量出發(fā)，不考慮將連續(xù)出現(xiàn)了多日的強(qiáng)降水事件合并作為一次事件，從而把區(qū)域性強(qiáng)降水事件的定義為：貴州地區(qū)所有站點(diǎn)的日降水量采用簡(jiǎn)單的算術(shù)平均進(jìn)行區(qū)域平均，而后將有降水日(日降水量≥0.1 mm)的降水值進(jìn)行從大到小的排序，選取99%分位上的降水值作為閾值，將大于此閾值的日降水值定義為99%分位的強(qiáng)降水事件；以此類推，可分別得到95%、90%和75%分位的日降水事件。需要說(shuō)明的是，95%分位等級(jí)的日降水事件是指95%～99%百分位間的降水事件，并不包含99%分位在內(nèi)，且即使存在連續(xù)多日的強(qiáng)降水事件，仍將其分開(kāi)計(jì)算。

文中主要采用滑動(dòng)平均、線性回歸、Morlet小波分析、功率譜分析等多種診斷方法，除沒(méi)有特別說(shuō)明外，文中的氣候態(tài)值均指1967—2016年夏季(6—8月)平均值。

3 貴州夏季降水的氣候特征

針對(duì)貴州夏季降水的氣候態(tài)分析表明，貴州近50 a夏季降水量大致呈西南多、東北少的空間分布特征(圖1a)，夏季降水大值中心位于黔西南州西北部及六盤水南部，中心值超過(guò)了750 mm，而降水的低值中心則主要位于黔中以北以東的部分地區(qū)，包含遵義大部、銅仁中西部和黔東南州北部，上述地區(qū)夏季降雨量低于500 mm，總體說(shuō)來(lái)，貴州省內(nèi)夏季降水量的地域差異并不大。而貴州夏季降水的年際變率分布特征則與降水量的分布略有不同，盡管同樣呈現(xiàn)出南多北少的分布，但在黔東北的銅仁地區(qū)(夏季降水量低于550 mm)卻存在大于170 mm的年際變率大值中心，這與當(dāng)?shù)仡l發(fā)的夏季旱澇事件[19]存在重要聯(lián)系。此外，年際變率的低值中心位于黔西北地區(qū)，中心值低于120 mm，高值中心則位于同樣為降水量大值中心的黔西南地區(qū)。

圖1 貴州近50 a夏季降水量的氣候分布特征(a，陰影為降水量，等值線為年際變率，單位:mm)及標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列(b，實(shí)線為降水量，虛線為9 a滑動(dòng)平均)Fig.1 The climatic characteristics of summer precipitation in Guizhou for the last 50 years(a,shaded is precipitation,contour line is interannual variability,unit:mm)and standardized time series(b,solid line is for the precipitation,dotted line is for 9 year sliding average)

從貴州夏季降水量的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列(圖1b)來(lái)看，其具有明顯的年(代)際變化特征，其中1972年、2013年與2011年為過(guò)去50 a中降水量最少的3 a，上述3 a貴州地區(qū)亦發(fā)生了較為嚴(yán)重的區(qū)域性夏旱事件[19]，其中1972年的降水距平百分率超過(guò)了-45%，2013年和2011年則在-40%左右。而在年代際變化尺度上，過(guò)去50 a貴州夏季降水呈現(xiàn)出一定雙峰型分布特征，具體表現(xiàn)為1967—1970年代初、1990年代初—2000年代前期為降水量偏多的時(shí)期，而在1970年代中期—1990年代初和2000年代中后期—2016年這2個(gè)時(shí)間段里貴州的夏季降水量偏少，其中在后一時(shí)段內(nèi)降水量偏少的程度較前一時(shí)段更甚。

4 不同等級(jí)區(qū)域性強(qiáng)降水事件的氣候特征

根據(jù)前文對(duì)區(qū)域性日降水事件的定義，對(duì)貴州地區(qū)81站平均后的降水日數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到1967—2016年共50 a間貴州夏季的降水日數(shù)(日降水量≥0.1 mm)共有4 182 d。按照不同等級(jí)強(qiáng)降水事件的甄選標(biāo)準(zhǔn)，其中99%分位、95%分位、90%分位、75%分位的強(qiáng)降水事件的閾值分別為37.1 mm、23.7 mm、17.9 mm、9.7 mm(表1)，發(fā)生頻數(shù)分別有42次、166次、213次、624次。

表1 貴州不同等級(jí)區(qū)域性強(qiáng)降水事件年均值的氣候統(tǒng)計(jì)Tab.1 Climatic statistics of annual mean value of regional strong precipitation events in Guizhou

表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，99%分位、95%分位、90%分位、75%分位4個(gè)等級(jí)的強(qiáng)降水事件盡管只占到了貴州整個(gè)夏季降水日數(shù)的25%，但其帶來(lái)的降水量卻已占到貴州整個(gè)夏季降水量的66.7%。其中，99%分位的強(qiáng)降水事件以年均0.8次的頻數(shù)和42.8 mm的平均降水量，占到了整個(gè)夏季降水量的5.8%，此比例遠(yuǎn)高于95%分位(4%的降水日數(shù)帶來(lái)16.7%的降水量)和90%分位(5%的降水日數(shù)帶來(lái)14.8%的降水量)。從中還可發(fā)現(xiàn)，95%分位強(qiáng)降水事件的降水量貢獻(xiàn)率要多于99%分位甚至90%分位，加上較大的發(fā)生頻數(shù)(年均3.4次)和降水閾值(23.7 mm)，表明95%分位的強(qiáng)降水事件在貴州夏季降水中起到了最為重要的作用，且其所帶來(lái)的危害是各個(gè)等級(jí)中最大的。

4.1 旬際分布

圖2為貴州夏季各個(gè)等級(jí)強(qiáng)降水事件頻數(shù)和降水量的旬際分布。如圖所示，在所有等級(jí)的強(qiáng)降水事件中，降水頻數(shù)都與降水量有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，較多的降水頻數(shù)同樣帶來(lái)了較大的降水量，而在降水發(fā)生頻數(shù)較少的時(shí)候，降水量相應(yīng)的偏少。且無(wú)論是降水頻數(shù)還是降水量，在夏季中前期(6月上旬—7月中旬)的均明顯多于后期，99%分位、95%分位和90%分位尤為明顯，其中99%分位強(qiáng)降水事件發(fā)生在6月中旬—7月中旬的共有27 d，總降水量達(dá)1 163.9 mm，分別占到整個(gè)夏季的64.3%和64.8%。

圖2 貴州不同等級(jí)區(qū)域性強(qiáng)降水事件頻數(shù)(單位：d或次)及降水量(單位：mm)的旬際分布(a，99%分位；b,95%分位；c，90%分位；d，75%分位)Fig.2 The ten days distribution of frequency (unit:days) and precipitation (unit:mm)of regional strong precipitation events at different levels in Guizhou(a,99% division;b,95% division;c,90% division;d,75%)

具體到各個(gè)等級(jí)的旬際分布來(lái)看，99%分位的強(qiáng)降水事件出現(xiàn)在7月上旬的最多，共有8 d，降水量達(dá)338.5 mm，而在8月上旬沒(méi)有發(fā)生過(guò)。95%分位的強(qiáng)降水事件出現(xiàn)頻數(shù)和降水量最多的是6月上旬，最少的同樣是8月上旬。而90%分位和75%分位強(qiáng)降水事件出現(xiàn)頻數(shù)最多的是在6月下旬，在發(fā)生頻數(shù)最少的旬上，90%分位與前2個(gè)分位相一致，為8月上旬，75%分位則在7月上旬。總體看來(lái)，99%分位、95%分位和90%分位3個(gè)等級(jí)的強(qiáng)降水事件的頻數(shù)都是8月上旬最少，可見(jiàn)8月上旬是貴州夏季高等級(jí)日降水事件出現(xiàn)最少的時(shí)期。與前3個(gè)等級(jí)的強(qiáng)降水事件相比，75%分位的強(qiáng)降水事件的頻數(shù)和降水量都要高得多，但其旬際變化較弱，整個(gè)夏季的降水頻數(shù)都沒(méi)有太大變化。

4.2 年(代)際變化

由于降水頻數(shù)與降水量之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在年(代)際變化方面，只給出了各個(gè)等級(jí)強(qiáng)降水事件發(fā)生頻數(shù)的時(shí)間序列(圖3)。由圖可知，與夏季總降水量的變化(圖1b)相一致，貴州夏季區(qū)域性強(qiáng)降水事件的頻數(shù)同樣表現(xiàn)了明顯的年(代)際變化特征。

圖3a顯示，99%分位強(qiáng)降水事件除具有一定的年代際變化，在過(guò)去50 a里還存在顯著的上升趨勢(shì)(通過(guò)了α=0.001的顯著性檢驗(yàn))與突變特征。在1990年以前，99%分位強(qiáng)降水事件發(fā)生的頻數(shù)相對(duì)較少，而在1994年以后迅速增加，42次的總發(fā)生頻數(shù)中有23次發(fā)生在1994年以來(lái)的23 a中，且在1996年就發(fā)生了4次。而過(guò)去50 a中沒(méi)有發(fā)生99%分位強(qiáng)降水事件的年份共有26 a，但仍主要集中在1994年以前(有18 a)。

而其余3個(gè)等級(jí)(95%、90%和75%分位)的強(qiáng)降水事件的發(fā)生頻數(shù)最大值分別出現(xiàn)在1987年、1993年和2014年，且其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)表現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)，但從回歸方程中可以看到，此下降趨勢(shì)并不顯著。此外，除了95%分位，其余2個(gè)等級(jí)的強(qiáng)降水事件年代際變化特征較99%分位更為明顯，并且具有相似的峰谷特征。其中，1960年代末—70年中期、80年代中期—90年代初是貴州夏季90%和75%分位強(qiáng)降水事件發(fā)生的一個(gè)波谷時(shí)期，進(jìn)入2000年以后則有所不同，90%分位的強(qiáng)降水事件主要自2000年代后期以后才出現(xiàn)明顯的偏少，而75%分位的偏少時(shí)段則是出現(xiàn)在2000年代中前期。除此之外，1970年代末以及80年代末至2000年代初均是90%和75%分位的強(qiáng)降水事件偏多的一個(gè)時(shí)段。

圖3 說(shuō)明同圖2，但為1967—2016年降水頻數(shù)的年(代)際變化，單位：d(圖中空心柱為降水頻數(shù)，虛線為9年滑動(dòng)平均，粗實(shí)線為線性趨勢(shì))Fig.3 As to Fig.2,but for the interannualor interdecadalvariation of precipitation frequency from 1967 to 2016,unit:days(hollow column is for precipitation frequency,the dotted line is for the 9 year runninging average,the thick solid line is a linear trend)

4.3 波動(dòng)周期

為分析不同等級(jí)的強(qiáng)降水事件在過(guò)去50 a里的活動(dòng)周期，且考慮到貴州夏季強(qiáng)降水頻數(shù)和降水量之間存在較好的相關(guān)關(guān)系，因此這里給出了各等級(jí)強(qiáng)降水事件頻數(shù)的全時(shí)域功率譜和Morlet小波分析(圖4)。

圖4 說(shuō)明同圖2，但為降水頻數(shù)的Morlet小波分析及全時(shí)域功率譜Fig.4 As to Fig.2,but for the Morlet wavelet analysis and power spectrum analysis of precipitation frequency

結(jié)果表明，各個(gè)等級(jí)的強(qiáng)降水事件均存在2～4 a的活動(dòng)周期，但時(shí)段有所不同。99%分位的強(qiáng)降水事件除了在1980年代中后期—2000年代存在顯著的2～4 a的活動(dòng)周期，還在整個(gè)時(shí)段內(nèi)存在顯著的準(zhǔn)8 a的活動(dòng)周期。而95%分位的強(qiáng)降水頻數(shù)則在1980年代初—2000年代初存在準(zhǔn)4 a的活動(dòng)周期，準(zhǔn)2 a的活動(dòng)周期相對(duì)比較分散。90%分位的強(qiáng)降水頻數(shù)在1970年代中期—1990年代末期表現(xiàn)出顯著的準(zhǔn)12 a波動(dòng)周期，同時(shí)段還表現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)3 a和準(zhǔn)5 a周期，另外近年來(lái)也有準(zhǔn)3 a的周期。75%分位的強(qiáng)降水頻數(shù)的強(qiáng)波動(dòng)周期則主要集中在2010年代以后，以2～3 a為主。

5 貴州大范圍日降水量與總降水量的關(guān)系

圖5給出了貴州夏季所出現(xiàn)的不同日降水量值及其所對(duì)應(yīng)的累積降水量變化曲線，統(tǒng)計(jì)表明，過(guò)去50 a里貴州的日降水量從0.1～63.5 mm，共有362個(gè)值，產(chǎn)生了28 161.5 mm的總降水量。由于超過(guò)35 mm/d范圍的日降水量值具有較大的不連續(xù)性，且大部分日降水值僅出現(xiàn)了1次，因此在曲線繪制中去除了大于35 mm/d的部分。

圖5 貴州夏季不同日降水量值及其累積降水量(細(xì)實(shí)線)的統(tǒng)計(jì)分布(粗實(shí)線為11點(diǎn)滑動(dòng)平均)Fig.5 The statistical relationship distribution between diurnal precipitation with it’saccumulated precipitation(thin line is for the precipitation,with the thick lines is for 11 point moving average) of summer in Guizhou

由圖可知，在0～3 mm/d的范圍內(nèi)，隨著日降水量增加，累計(jì)降水量明顯增加，并在日降水值達(dá)到2.1 mm/d時(shí)累計(jì)降水量迅速超過(guò)了90 mm，當(dāng)日降水值繼續(xù)增大至3～11 mm/d時(shí)，累計(jì)降水量隨日降水量增加的趨勢(shì)明顯減小，并在11～19 mm/d之間時(shí)，累計(jì)降水量曲線出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，在日降水值超過(guò)19 mm/d以后，累計(jì)降水量開(kāi)始出現(xiàn)緩慢的下降。累計(jì)降水量峰值為181.9 mm，由10.7 mm/d的日降水量產(chǎn)生，總體說(shuō)來(lái)，各個(gè)范圍內(nèi)的日降水量所帶來(lái)的累計(jì)降水量較為平均，并未出現(xiàn)小日降水量跨度內(nèi)占大比例總降水量的情況出現(xiàn)，亦說(shuō)明了2～20 mm/d范圍內(nèi)的日降水量均對(duì)貴州的夏季降水有同等重要的貢獻(xiàn)。

6 小結(jié)

本文對(duì)1967—2016年近50 a貴州夏季不同等級(jí)的區(qū)域性強(qiáng)降水事件的氣候特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，初步得出：

①貴州夏季降水量及其年際變率均大致呈東北向西南遞增的分布特征，不同等級(jí)(99%、95%、90%和75%)的區(qū)域性強(qiáng)降水事件的降水閾值分別為37.1、23.7、17.9和9.7 mm，其中75%分位的區(qū)域性強(qiáng)降水事件對(duì)貴州夏季降水量的貢獻(xiàn)率最大，95%分位次之，甚至要高于90%分位，99%分位最小。

②在所有等級(jí)的強(qiáng)降水事件中，無(wú)論降水頻數(shù)還是降水量，發(fā)生在夏季中前期(6月上旬—7月中旬)的頻數(shù)均明顯多于后期，99%分位、95%分位和90%分位更為明顯。且99%分位的區(qū)域性強(qiáng)降水事件的降水頻數(shù)在近50 a呈顯著的增多趨勢(shì)，其余分位的降水頻數(shù)則表現(xiàn)出一定程度的減少，但并不顯著。此外，各個(gè)等級(jí)的強(qiáng)降水事件均存在2～4 a的振蕩周期，但時(shí)段有所差別。

③貴州夏季累計(jì)降水量峰值出現(xiàn)于10.7 mm/d所帶來(lái)的181.9 mm，但總體看來(lái)，各個(gè)范圍內(nèi)的日降水量所帶來(lái)的累計(jì)降水量較為平均，并未出現(xiàn)明顯的峰谷的分布特征。

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