近40年三峽庫區(qū)面雨量時(shí)空分布特征

高琦 徐明 李波 徐衛(wèi)立 王海燕

（1 中國氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430205；2 武漢中心氣象臺(tái)，武漢 430074；3 三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，宜昌 443133）

0 引言

三峽庫區(qū)地處四川盆地與長江中游平原的結(jié)合部，總面積1084 km2，在長江流域的防汛中起著非常重要的作用。發(fā)生在三峽庫區(qū)（重慶至宜昌區(qū)間）的強(qiáng)降水，由于直接匯入水庫中，產(chǎn)流快，反應(yīng)時(shí)間短，給調(diào)度和決策帶來了極大的困難，特別是在水庫在高水位運(yùn)行的情況下，能否準(zhǔn)確預(yù)報(bào)發(fā)生在庫區(qū)的強(qiáng)降水，可能直接關(guān)系到整個(gè)流域的防洪調(diào)度及壩體本身的安全。面雨量是一個(gè)經(jīng)典的水文學(xué)概念，它是指某一時(shí)段一定面積上的平均雨量，因其能夠客觀反映降水對(duì)確定流域的影響，因而成為防汛部門分析水情，進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)的重要參數(shù)[1-9]。針對(duì)面雨量的

統(tǒng)計(jì)特征，國內(nèi)學(xué)者先后開展了一系列研究，如王仁喬等[10]、于大峰等[11]、高琦等[12]分別研究了不同時(shí)段長江上游的面雨量特征，發(fā)現(xiàn)在各個(gè)時(shí)期，重慶—萬州、萬州—宜昌的面雨量的極值均高于長江上游其他流域；李武階等[13]、孫士型等[14]分別從不同角度研究了金沙江流域的面雨量特征；李才媛等[15]、盧珊等[16]、張曉紅等[17]分別研究了漢江和淮河流域的面雨量特征；陳正洪等[18]研究了長江流域的面雨量變化趨勢；史玉光等[19]、陳寧等[20]分別研究了新疆和江蘇省的面雨量特征；強(qiáng)芳[21]等基于格點(diǎn)數(shù)據(jù)研究了1961—2012年祁連山的面雨量特征，而目前專門針對(duì)三峽庫區(qū)面雨量統(tǒng)計(jì)特征的研究仍較為缺乏，當(dāng)前長江流域面雨量的預(yù)報(bào)一般是在數(shù)值預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上進(jìn)行，對(duì)天氣系統(tǒng)進(jìn)行分析后再進(jìn)行訂正，研究面雨量的時(shí)空分布特征，為面雨量訂正提供氣候上出現(xiàn)概率的參考，尤為必要。因而本文擬利用1980—2016年近40年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，重點(diǎn)針對(duì)三峽庫區(qū)東西兩段的強(qiáng)降水面雨量的季節(jié)分布、頻次分布、強(qiáng)降水等級(jí)分布、極值分布等統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行研究，以期為庫區(qū)面雨量預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

三峽庫區(qū)重慶—宜昌區(qū)間本身可作為一個(gè)流域，另可細(xì)分為三峽庫區(qū)西段（重慶—萬州）、三峽庫區(qū)東段（萬州—宜昌）兩子流域，利用1980—2016年共37年氣象站點(diǎn)逐日（08：00—次日08：00）雨量實(shí)況資料，流域面雨量采用站點(diǎn)平均法計(jì)算得出。所有分析中的雨量均為流域面雨量，其中流域日面雨量≥20 mm，在庫區(qū)的測站多出現(xiàn)大雨以上的降水，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，將強(qiáng)降水面雨量劃分為20～29.9，30～49.9，50～69.9，70～89.9，≥90 mm這5個(gè)等級(jí)。三峽庫區(qū)流域分布及流域內(nèi)國家級(jí)氣象臺(tái)站詳見圖1。

圖1 三峽庫區(qū)流域及氣象站點(diǎn)分布示意圖Fig. 1 Locations of meteorological stations and 2 sub areas in the Three Gorges Reservoir area

2 年面雨量分布特征

把三峽庫區(qū)，即重慶至宜昌區(qū)間作為一個(gè)整體，研究其年流域面雨量總量的年際變化，從圖2所示的1980—2016年逐年面雨量的分布來看，1980—2016年三峽庫區(qū)年面雨量為800～1400 mm，37 a平均年面雨量為1095 mm。年面雨量最多的為1982年1404 mm，最少的為2001年805 mm，相差約600 mm，約為多年平均值的一半還多，可見年際差異還是較大的。從年面雨量的逐年變化趨勢上來看，年面雨量總體呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢， 2003年以后年面雨量的年際差異逐漸減小。

圖2 1980—2016年三峽庫區(qū)年面雨量演變Fig. 2 The variation of annual rainfall in the Three Gorges Reservoir area during 1980-2016

重慶—萬州、萬州—宜昌兩子流域的年面雨量變化趨勢來看（圖3）。重慶—萬州、萬州—宜昌兩子流域，年面雨量總體接近，且變化趨勢基本是一致的，在2004年以前，重慶—萬州年面雨量整體高于萬州—宜昌，2005年以后，萬州—宜昌略高于重慶—萬州。

圖3 1980—2016年重慶—萬州、萬州—宜昌年面雨量演變Fig. 3 Variations of annual rainfall in two subareas between Chongqing and Wanzhou, Wanzhou and Yichang during 1980-2016

3 月面雨量分布特征

從三峽庫區(qū)兩子流域及整個(gè)三峽庫區(qū)37 a平均的月面雨量（圖4）來看，基本分為3個(gè)等級(jí)：1、2、12月的月面雨量基本在15～30 mm的范圍內(nèi)，為降水最少的時(shí)段；3及11月的月面雨量基本在40～60 mm之間，為降水次少的時(shí)段；4—10月的月面雨量在100～250 mm，是降水最多的時(shí)段。

37 a平均的月面雨量最大值出現(xiàn)的月份：重慶—萬州月面雨量超過150 mm的月份有3個(gè)月，為5—7月，從大到小依次為6月（195 mm）、5月（176 mm）、7月（165 mm）；萬州—宜昌月面雨量超過150 mm的月份有5個(gè)，為5—9月，從大到小依次為7月（235 mm）、6月（209 mm）、8月（196 mm）、5月（176 mm）、9月（152 mm）；對(duì)于整個(gè)三峽庫區(qū)，月面雨量超過150 mm的月份有4個(gè)，為5—8月，最大月份為6月，為202 mm，其次為7月200 mm，5月176 mm，8月172 mm分別位列第三、四位。

37 a平均的月面雨量最小值出現(xiàn)的月份：重慶—萬州月面雨量最小的的3個(gè)月依次為1月（20.2 mm）、2月（22.4 mm）、12月（25.6 mm），萬州—宜昌最小的3個(gè)月依次為12月（19.3 mm）、1月（19.4 mm）、2月（33 mm）；對(duì)于整個(gè)三峽庫區(qū)，月面雨量最小月份為1月，僅為19.8 mm，其次為12月22.45 mm，2月第三為27.7 mm。

兩個(gè)子流域月面雨量特征的異同：兩個(gè)子流域全年月面雨量的變化趨勢，都是從11月至次年3月降水較弱，自4月降水開始明顯增多，主要的差異在于月面雨量的峰值出現(xiàn)的月份及多雨時(shí)段持續(xù)的時(shí)間，重慶—萬州至6月發(fā)展至最強(qiáng)，超過150 mm的多雨時(shí)段維持了3個(gè)月左右，而萬州—宜昌至7月發(fā)展至最強(qiáng)，超過150 mm的多雨時(shí)段維持了足足有5個(gè)月之久。從兩子流域?qū)υ旅嬗炅康呢暙I(xiàn)來看，除11、12、1月重慶—萬州略大于萬州—宜昌外，萬州—宜昌在整個(gè)2—10月始終是大于重慶—萬州的。

圖4 重慶—萬州、萬州—宜昌、三峽庫區(qū)37年平均月面雨量演變Fig. 4 Climatic monthly rainfall over the 37 years for areas between Chongqing and Wanzhou, Wanzhou and Yichang and the whole Three Gorges Reservoir area

4 強(qiáng)降水日面雨量分布特征

4.1 頻次分布特征

分析1980—2016年三峽庫區(qū)兩子流域強(qiáng)降水頻次分布（表1），主要有以下特征：1）三峽庫區(qū)強(qiáng)降水面雨量主要出現(xiàn)在5—9月，37年中共出現(xiàn)951 次，占總次數(shù)的82%，強(qiáng)降水出現(xiàn)的頻率最高的前4依次為7月220次，6月219次，8月185次，9月138次；2）12月至次年3月基本無≥20 mm強(qiáng)降水；3）從流域分布上來看，萬州—宜昌20 mm以上的強(qiáng)降水出現(xiàn)的頻次最高，達(dá)662次，是重慶—萬州的1.33倍。3）對(duì)于重慶—萬州，主要的強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)段為5—8月，強(qiáng)降水過程出現(xiàn)最多的當(dāng)屬6月，37年中有109次，平均一個(gè)月有3次過程，5、7、8月總體相當(dāng)，總量都是在80～90次，平均每個(gè)月有2～3次過程；4）對(duì)于萬州—宜昌，主要的強(qiáng)降水時(shí)段較重慶—萬州多了一個(gè)9月，即整個(gè)5—9月強(qiáng)降水強(qiáng)降水次數(shù)都在80次以上，其中又以7月最多，37年有134次，平均每個(gè)月可達(dá)4次，6月110次次之，平均每月有3次過程，5、8、9月基本都是每月2～3次過程。

分析1980—2016年三峽庫區(qū)2子流域分級(jí)強(qiáng)降水頻次分布（表2），可以看出：1）兩流域89%的強(qiáng)降水日面雨量集中在50 mm以下，其中20～29.9 mm占51.4%，30～49.9 mm占37.6%；2）50 mm以上的降水僅占10%，且在各個(gè)量級(jí)都是萬州—宜昌出現(xiàn)的次數(shù)明顯多于重慶—萬州；3）從各個(gè)量級(jí)降水的年均頻次分布上來看，對(duì)于20～29.9 mm的降水，兩子流域平均每年各有7～9次過程；對(duì)于30～49.9 mm的降水，兩子流域平均每年各有5～7次過程；對(duì)于50～69.9 mm的降水，每年會(huì)在兩個(gè)子流域各出現(xiàn)1～2次。20～29.9、30～49.9、50～69.9 mm這3個(gè)量級(jí)較為常見，是日常預(yù)報(bào)服務(wù)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的量級(jí)；對(duì)于70 mm以上的降水，平均2～5 a才1次，特別是90 mm以上降水，在重慶—萬州37 a中只出現(xiàn)1次，在萬州—宜昌也僅出現(xiàn)8次，可見70 mm以上的降水出現(xiàn)的頻率低，可供研究的樣本少，而造成的影響又較大，是預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)。

4.2 極值分布特征

表3 為37 a三峽庫區(qū)各子流域日面雨量的月極值分布。從表中可以看出：1）對(duì)比各月兩流域極值的強(qiáng)度，萬州—宜昌強(qiáng)降水明顯強(qiáng)于重慶—萬州，兩流域中最大日面雨量值出現(xiàn)在萬州—宜昌，為117.3 mm（2005年7月9日）；2）兩流域強(qiáng)降水的極值均出現(xiàn)在7月；3）按日面雨量極大值按出現(xiàn)的月份排序，重慶—萬州前4位依次為7、8、9、6月，萬州—宜昌前4位依次為7、6、9、8月；4）根據(jù)之前的研究，9月總的強(qiáng)降水次數(shù)明顯減少，但仍然可能出現(xiàn)極端強(qiáng)降水，值得關(guān)注。

表1 1980—2016年1—12月三峽庫區(qū)各子流域強(qiáng)降水頻次分布Table 1 The monthly frequency of heavy rainfall in each subarea in the Three Gorges Reservoir area for 1980-2016

表2 1980—2016年三峽庫區(qū)各子流域分級(jí)強(qiáng)降水頻次分布Table 2 The frequency distribution of heavy rainfall in sub areas in the Three Gorges Reservoir area for 1980-2016

5 子流域分級(jí)強(qiáng)降水月分布特征

5.1 重慶—萬州強(qiáng)降水月分布特征

表4 是1980—2016年重慶—萬州段分級(jí)強(qiáng)降水頻次分布，從表中可以看出：1）強(qiáng)降水一般3月即可出現(xiàn)，一直到11月，都會(huì)有強(qiáng)降水的出現(xiàn)，而12月—次年2月無20 mm以上的強(qiáng)降水；2）≥20 mm的強(qiáng)降水83.7%以上都出現(xiàn)在5—9月，從各月強(qiáng)降水的總次數(shù)來看，6月出現(xiàn)的頻率最高為109次，占總次數(shù)的22%，5月89次次之，占比18%，7月第三，為85次，占17.2%；3）69.9 mm以下的各級(jí)強(qiáng)降水均是6月出現(xiàn)最多，70 mm以上的強(qiáng)降水則都是7月出現(xiàn)最多；4）≥90 mm的降水在該流域非常罕見，37年中僅在7月出現(xiàn)過1次。

5.2 萬州—宜昌強(qiáng)降水月分布特征

1980—2016年萬州—宜昌段分級(jí)強(qiáng)降水頻次分布如表5，從表中可以看出：1）12月至次年1月無面雨量20 mm以上的強(qiáng)降水，2月雖然有出現(xiàn)過，但37 a僅出現(xiàn)1次，非常罕見，81%以上的20 mm以上的強(qiáng)降水均出現(xiàn)在5—9月；2）69.9 mm以下的各級(jí)強(qiáng)降水均是7月出現(xiàn)最多，70 mm以上的強(qiáng)降水則都是6月出現(xiàn)最多，這與重慶—萬州段恰好是相反的；3）≥90 mm的降水出現(xiàn)的次數(shù)較重慶—萬州明顯增多，37 a共出現(xiàn)8次，出現(xiàn)次數(shù)最多的為6月（4次），7月（3次）次之。

5.3 兩子流域分級(jí)強(qiáng)降水月分布的異同

對(duì)比兩子流域分級(jí)強(qiáng)降水月分布（表4和表5）的異同可以看出：1）12月—次年2月基本無20 mm以上的強(qiáng)降水；2）≥20 mm的強(qiáng)降水絕大多數(shù)出現(xiàn)在5—9月；3）從各月各級(jí)強(qiáng)降水的總次數(shù)來看，重慶—萬州超過100次的月份有1個(gè)，為6月（109次），超過80次的月份有3個(gè)，為5月（89次）、7月（85次）、8月（81次） 。萬州—宜昌超過100次的月份有4個(gè)，依次為7月（134次）、6月（110次）、8月（104次）、5月（100次），超過80次的月份有1個(gè)，為9月（88次），可見，萬州—宜昌在強(qiáng)降水的高頻月份數(shù)量和各月強(qiáng)降水的總次數(shù)上均超過重慶—萬州；3）69.9 mm以下的降水重慶—萬州6月出現(xiàn)最多，70 mm以上的強(qiáng)降水則都是7月出現(xiàn)最多，而萬州—宜昌則正好與此相反；4）≥90 mm的降水在萬州—宜昌出現(xiàn)的次數(shù)明顯多于重慶—萬州，重慶—萬州僅在6月出現(xiàn)，而萬州—宜昌在6、7、9月 均有出現(xiàn)。

6 結(jié)論與討論

6.1 結(jié)論

1）三峽庫區(qū)年面雨量的年際差異較大，且37 a以來總體呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢。重慶—萬州、萬州—宜昌兩子流域在2000年以前，年面雨量總體接近，且變化趨勢基本是一致的， 2000年以后，變化趨勢仍較為同步，但二者面雨量的差距顯著增大，萬州—宜昌年面雨量明顯高于重慶—萬州段；

2）月面雨量的峰值出現(xiàn)的月份，在兩個(gè)子流域各不相同，重慶—萬州為6月，萬州—宜昌為7月，即重慶—萬州在5月降水開始明顯增多，至6月發(fā)展至最強(qiáng)，7、8月降水量逐漸減??；而萬州—宜昌也是在5月降水明顯增多，至7月發(fā)展至最強(qiáng)，8月降水逐漸回落。從兩子流域?qū)θ龒{庫區(qū)月面雨量的貢獻(xiàn)來看，萬州—宜昌在整個(gè)2—10月始終是大于重慶—萬州的。

表4 1980—2016年重慶—萬州分級(jí)強(qiáng)降水頻次分布Table 4 The monthly frequency at 10 mm-intervals of heavy area rainfall in subarea between Chongqing and Wanzhou for 1980-2016

表5 1980—2016年萬州—宜昌分級(jí)強(qiáng)降水頻次分布Table 5 The monthly frequency at 10mm-intervals of heavy area rainfall in subarea between Wanzhou and Yichang for 1980-2016

3）三峽庫區(qū)強(qiáng)降水面雨量主要出現(xiàn)在5—9月，強(qiáng)降水出現(xiàn)的頻率最高的前四依次為，7、6、8、9月，12月至次年3月基本無≥20 mm強(qiáng)降水；

4）日面雨量在20 mm以上的強(qiáng)降水出現(xiàn)的總數(shù)，萬州—宜昌明顯高于重慶—萬州，且在各個(gè)量級(jí)都是萬州—宜昌明顯多于重慶—萬州。從各月各級(jí)強(qiáng)降水的總次數(shù)來看，萬州—宜昌在強(qiáng)降水的高頻月份數(shù)量和各月強(qiáng)降水的總次數(shù)上均超過重慶—萬州。

5）重慶—萬州，主要的強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)段為5—8月，強(qiáng)降水過程出現(xiàn)最多為6月，平均一個(gè)月有3次過程，5、7、8月總體相當(dāng)，平均每個(gè)月有2～3次過程。 69.9 mm以下的各級(jí)強(qiáng)降水均是6月出現(xiàn)最多，70 mm以上的強(qiáng)降水則都是7月出現(xiàn)最多；

6）萬州—宜昌，主要的強(qiáng)降水時(shí)段為5—9月，其中又以7月最多，平均一個(gè)月有4次過程，6月次之，平均一個(gè)月有3次過程，5、8、9月基本都是每月2～3次過程。69.9 mm以下的各級(jí)強(qiáng)降水均是7月出現(xiàn)最多，70 mm以上的強(qiáng)降水則都是6月出現(xiàn)最多，這與重慶—萬州段恰好是相反的；

7）從各個(gè)量級(jí)降水的年均頻次分布上來看，對(duì)于20～29.9 mm的降水，兩子流域平均每年各有7～9次過程。對(duì)于30～49.9 mm的降水，兩子流域平均每年各有5～7次過程；對(duì)于50～69.9 mm的降水，每年會(huì)在兩個(gè)子流域各出現(xiàn)1～2次，上述幾個(gè)量級(jí)出現(xiàn)的頻率相對(duì)較高，是預(yù)報(bào)服務(wù)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的量級(jí)。對(duì)于70 mm以上的降水，平均2～5 a才1次，特別是90 mm以上降水，在重慶—萬州37 a中只出現(xiàn)1次，在萬州—宜昌也僅出現(xiàn)8次，可見 50 mm以上降水出現(xiàn)的頻率低，而造成的影響又較大，應(yīng)在后期重點(diǎn)研究其形成機(jī)理。

6.2 面雨量預(yù)報(bào)建議

1）12月—次年2月，重慶—萬州、萬州—宜昌兩子流域基本無強(qiáng)降水出現(xiàn)，預(yù)報(bào)中也基本不考慮≥20 mm的強(qiáng)降水；

2）在3—4月，建議面雨量預(yù)報(bào)區(qū)間多考慮20～30 mm，偶有一些30～50 mm的過程， 50 mm以上強(qiáng)降水出現(xiàn)的概率較小，另10—11月基本與3—4月接近；

3）5月，相比3—4月強(qiáng)降水過程明顯增多，強(qiáng)度也增強(qiáng)，30～50 mm的降水明顯增多，時(shí)值三峽水庫的消落期，水位仍然較高，50 mm以上的降水雖歷史發(fā)生頻次較少，還應(yīng)重點(diǎn)防范，但在此時(shí)段一般不考慮90 mm以上強(qiáng)降水。8月的情況也基本類似；

4）6—7 月，是三峽庫區(qū)強(qiáng)降水發(fā)展最為顯著的時(shí)段，也是70 mm以上甚至90 mm以上的降水最有可能出現(xiàn)的時(shí)段，其中要特別關(guān)注重慶—萬州在7月，萬州—宜昌在6月、7月可能出現(xiàn)的90 mm以上降水的預(yù)報(bào)。這個(gè)時(shí)段一般為長江中下游梅雨期，極易在中下游地區(qū)形成洪水，此時(shí)特別要防范上游與中下游洪水遭遇，需提供預(yù)見期長、精度高的預(yù)報(bào)以利于及時(shí)開展調(diào)度；

5）9月，強(qiáng)降水過程明顯減少，建議面雨量預(yù)報(bào)區(qū)間多考慮20～30 mm，偶有一些30～50 mm，這個(gè)時(shí)期的強(qiáng)降水的強(qiáng)度仍然可達(dá)70 mm甚至90 mm以上，時(shí)值三峽水庫的蓄水期，需特別關(guān)注此類極端強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)。