伊寧市1956—2015年強降雨特征及對洪災的影響

李 政，張文太，軒俊偉

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆農(nóng)業(yè)大學土壤與植物生態(tài)過程自治區(qū)級重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

降雨是研究氣候變化的重要指標之一，降雨變化在很大程度上影響著人們社會生產(chǎn)活動[1]。越來越多的研究表明中國氣候朝著“增暖、增濕”方向發(fā)展，降雨變化呈增長趨勢，并且在西北半干旱、干旱區(qū)尤為明顯[2]。一些學者對西北干旱區(qū)的降雨進行研究，結(jié)果表明西北干旱地區(qū)降雨主要以強降雨為主，且強降雨的降雨量、強度等指標與年降雨總量均有較好的相關性，并表現(xiàn)出增長趨勢[3-5]。在西北干旱地區(qū)中，新疆降雨的增加趨勢無論在范圍上還是強度上都是最大的，強降雨作為新疆降雨的重要組成部分，很大程度上加速了新疆氣候由“暖干”轉(zhuǎn)向“暖濕”的變化過程[6]。強降雨在逐年增加的同時也使新疆地區(qū)發(fā)生洪澇災害的概率增大，姜逢清等[7]研究結(jié)果表明新疆洪災與年降雨量有較強的相關性，同時指出強降雨是新疆洪災頻繁的重要影響因子。因此研究新疆地區(qū)強降雨變化，可以對進一步了解該地區(qū)氣候變化及水資源的持續(xù)利用提供參考。

伊犁河谷作為新疆的“塞外江南”，是新疆降雨最充沛的地區(qū)，也是新疆洪水災害的頻發(fā)區(qū)。伊犁河谷從4月開始，隨著氣溫的持續(xù)升高，積雪消融，河道流量開始持續(xù)上漲，進入春汛期；直至6月，隨降雨強度的增大，進入夏汛期，6—8月成為伊犁河谷的主汛期；9月中旬至10月中旬，全地區(qū)連綿的秋雨再一次使河道流量上漲，迎來短暫的秋汛期[8-9]。過長的汛期加大了伊犁河谷發(fā)生洪澇災害的隱患，據(jù)統(tǒng)計1951—2006年河谷全流域洪澇災害發(fā)生17次，發(fā)生頻率約為30%，主要是由全地區(qū)強降雨引發(fā)的洪水災害[10]，已有研究表明該地區(qū)降雨及強降雨都表現(xiàn)出增加的趨勢[11-12]。伊寧市作為伊犁河谷的政治、經(jīng)濟、文化中心，對伊寧市強降雨特征的研究顯得尤為重要。本文通過線性傾向估計、M-K突變分析及R/S 分析法對1956—2015年伊寧市汛期強降雨規(guī)律進行分析，并結(jié)合伊寧市的洪澇災害，探討強降雨與洪澇災害之間的關系。

1 研究區(qū)概況

伊寧市(43°50′N～44°15′N，80°04′E～80°29′E)地處天山西部，新疆伊犁河谷中部，伊犁河北岸，北臨科古爾琴山，南依伊犁河沖積平原，地勢北高南低。伊寧市屬北溫帶大陸性氣候，氣候溫暖濕潤，四季分明，晝夜溫差大，年日照時數(shù)2 786 h，無霜期147 d，年均氣溫8.9℃，年均降雨量274.6 mm，降雨量山區(qū)多于平原，素有干旱區(qū)“濕島”之稱。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

降雨數(shù)據(jù)來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)提供的《中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集》(http://cdc.cma.gov.cn/)，選取伊寧市1956—2015年的汛期(4—10月)逐日降雨數(shù)據(jù)。由于國家降水量級標準不適合干旱、半干旱氣候背景下的新疆地區(qū)，經(jīng)過眾多研究機構(gòu)及研究人員多年預報、服務實踐和概率統(tǒng)計分析，提出了適合新疆氣候特點的降雨量級標準[13-14]，定義日累積降雨量大于或等于24 mm為暴雨標準，日累積降雨量10～24 mm 為大降雨標準。結(jié)合新疆特殊的降雨量級標準及與可引起洪水的日降雨量，定義日累積降雨量大于或等于10 mm為強降雨標準[7,15]。

洪災數(shù)據(jù)來自《中國氣象災害大典：新疆卷》[16]、《新疆災荒史》[17]、水利部門的防汛抗旱簡報及民政部門數(shù)據(jù)，選取1956—2015年伊寧市由強降雨引發(fā)的暴雨型洪水災害，總計39次。

2.2 研究方法

2.2.1 線性傾向估計

采用線性方程來擬合強降雨總變化趨勢[18-19]：

y=at+b

(1)

式中：y為強降雨特征值；a為氣候傾向率；t為時間；b為常數(shù)。求出時間t與強降雨特征值y之間的相關系數(shù)R，通過對其進行顯著性檢驗，判斷強降雨變化趨勢是否顯著。

2.2.2 M-K突變分析

M-K非參數(shù)檢驗法廣泛用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)序列[20-21]。通過對兩個定義統(tǒng)計量UB、UF進行序列分析，可以得到原氣象樣本序列的變化趨勢，UF>0序列表現(xiàn)為增加趨勢，UF<0序列表現(xiàn)為減少趨勢，當|UF|>1.96時表明變化趨勢顯著，通過95%信度檢驗。同時利用M-K突變分析可以找出序列突變點，即UB、UF的交點，本文用該方法分析伊寧市汛期強降雨的年際變化特征。

2.2.3 R/S分析法

R/S分析法常用赫斯特指數(shù)H(0

3 結(jié)果分析

3.1 強降雨年際變化特征

3.1.1 強降雨量年際變化及M-K突變分析

圖1為1956—2015年伊寧市強降雨量年際變化和M-K突變分析。由圖1可見，1956—2015年伊寧市強降雨量年際變化波動明顯，平均值為55.7 mm，1975年、2012年未出現(xiàn)強降雨，在2004年達到最大值(162 mm)。線性傾向估計顯示變化趨勢總體呈現(xiàn)出顯著增加趨勢(R=0.330，P<0.05)，氣候傾向率為每10年 6.7 mm。通過M-K突變分析，強降雨量在1991—1992年發(fā)生由少到多的一次突變，在1956—1961年、1972—1986年呈減少趨勢，在1962—1971年及1989年以后呈增加趨勢，2001年以后變化趨勢顯著(通過95%信度檢驗)。

(a)年際變化

(b)M-K突變分析

圖2為1956—2015年伊寧市強降雨日數(shù)年際變化和M-K突變分析。由圖2可見，強降雨日數(shù)年際變化與強降雨量趨勢相似，但增加趨勢未達到顯著水平(R=0.251，P=0.054)，年均強降雨日數(shù)為3.6 d，最大日數(shù)出現(xiàn)于2002年，這一年強降雨日數(shù)為10 d，氣候傾向率為每10年0.6 d。通過M-K突變分析，強降雨日數(shù)在1999年前總體呈下降趨勢，1999年以后呈上升趨勢，在1997年發(fā)生一次明顯突變，2006—2012年發(fā)生連續(xù)4次突變，表明這7年來強降雨日數(shù)變化很不穩(wěn)定。伊寧市汛期強降雨總體呈現(xiàn)增加趨勢，特別在進入21世紀以來強降雨量及日數(shù)同時表現(xiàn)出增加趨勢，強降雨量變化趨勢明顯，強降雨頻次雖然發(fā)生連續(xù)性的突變，但不影響總體趨勢的變化。

3.1.2 強降雨貢獻率年際變化

圖3為1956—2015年伊寧市強降雨量和強降雨日數(shù)貢獻率年際變化。由圖3(a)可見，整個汛期強降雨量對總降雨量平均貢獻率為32.3%，二者呈極顯著相關(R=0.838,P<0.01)，強降雨量對伊寧地區(qū)總降雨量起決定性作用。

(a)年際變化

(b)M-K突變分析

強降雨量對汛期總降雨量的貢獻率的年際變化也呈現(xiàn)顯著增加趨勢(R=0.262，P<0.05)，氣候傾向率為每10年2.24%。強降雨日數(shù)對總降雨日數(shù)貢獻率較低，均不超過20%(圖3(b))，但仍然以每10年0.72%的趨勢增加，且變化趨勢顯著(R=0.322，P<0.05)。

(a)強降雨量

(b)強降雨日數(shù)

表1 1956—2015年伊寧市強降雨信息統(tǒng)計情況

3.2 強降雨年內(nèi)變化特征

3.2.1 強降雨年內(nèi)分配及變化特征

表1為1956—2015年伊寧市強降雨信息統(tǒng)計情況。由表1可見，4—7月強降雨日數(shù)變化比較穩(wěn)定，從8月開始急劇減少，月平均強降雨日數(shù)為 0.3 d，僅為7月的一半，9月與8月相等，但10月又開始顯著增加。強降雨量年內(nèi)變化總趨勢與強降雨日數(shù)一致，4—7月緩慢增加，6、7月出現(xiàn)最大值，6、7月強降雨量占整個汛期的39.50%，隨后8、9月達到最低，10月的強降雨量同日數(shù)一樣有著明顯的增加。由此可見，伊寧市強降雨主要集中在6、7月。

1956—2015年伊寧市各月強降雨量及強降雨日數(shù)變化趨勢均不顯著(P>0.05)，說明各月強降雨的年際變化波動性較大。各月強降雨量均呈現(xiàn)增加趨勢，強降雨日數(shù)除5月外均呈增加趨勢。7月強降雨量的增加趨勢強于其他月份，氣候傾向率為每10年2.1 mm。6月強降雨日數(shù)增加趨勢最強，氣候傾向率為每10年0.8 d。10月強降雨日數(shù)、強降雨量變化趨勢僅次于6、7月，這表明在未來10月，強降雨占整個汛期的比例將與6月、7月持平。

3.2.2 各月強降雨貢獻率特征

圖4 伊寧市4—10月強降雨對于總降雨貢獻率

圖4為伊寧市4—10月強降雨對總降雨的貢獻率情況。由圖4可見，4—10月強降雨日數(shù)對于總降雨日數(shù)貢獻率都比較低，均未超過10%，最大貢獻率在4月為9.13%。但強降雨量對于各月總降雨量的貢獻率卻均大于20%，7月的貢獻率達到40.65%，這說明強降雨量在很大程度上影響月降雨總量。相關性分析表明除8月外，各月總降雨量與月強降雨量都呈極顯著相關(P<0.01)，4—10月強降雨量與總降雨量相關系數(shù)分別為0.756、0.551、0.719、0.938、0.604、0.290和0.838。7月強降雨量貢獻率最大，與總降雨量相關性最好，因此強降雨對7月降雨的影響遠大于其他月份。

3.2.3 強降雨集中度分析

圖5為1956—2015年伊寧市強降雨頻次分布情況。由圖5可見，強降雨在1984年后出現(xiàn)的頻次要高于1984年之前，強降雨日數(shù)在1998—2008年這10年間尤為集中，這與圖2(b)中1997年是強降雨日數(shù)由少到多的突變年相關聯(lián)，也反映出強降雨出現(xiàn)頻率在增加。強降雨在年內(nèi)的集中度隨年份在變化，1956—1975年主要集中于4—5月，其次是6—7月，而8—10月強降雨出現(xiàn)較少。1978—1995年，年內(nèi)強降雨在4—5月的集中度與6—7月接近，8—10月較小，但強降雨在8—9月出現(xiàn)頻率達到1956—2015年的最大值，10月出現(xiàn)最小值。1995年以后，強降雨在6—7月的集中度大于4—5月，且在6—7月的增加幅度也大于之前，8—9月強降雨的集中度的回落至1975年前的水平，10月達到最大值?？傮w而言，1956—2015年強降雨越來越集中于6—7月，其次為4—5月。8—9月的強降雨集中度變化呈現(xiàn)出小--大--小的趨勢，10月的變化趨勢與8—9月相反。

圖5 1956—2015年伊寧市強降雨頻次分布

3.2.4 不同等級強降雨年內(nèi)分配及變化特征

將伊寧市各月份降雨量分為10～15 mm、15～20 mm 以及大于20 mm 3個等級，圖6為1956—2015年伊寧市4—10月不同等級累計強降雨日數(shù)變化。1956—2015年3個等級累積強降雨日數(shù)之比為18∶5∶7，各月強降雨均以10～15 mm為主，4—10月10～15 mm強降雨日數(shù)占各月總強降雨日數(shù)比例分別為66.7%、55.5%、55.0%、48.6%、76.5%、69.2%和68.6%。10～15 mm 強降雨日數(shù)4—9月遞減，10月急劇上升，并與4月相當。15～20 mm強降雨日數(shù)在5月出現(xiàn)最大值，5—8月逐月遞減，9月和10月雖有所增加，但增幅較小。大于20 mm強降雨日數(shù)4—7月逐月增加，7—10月的變化與10～15 mm強降雨相同，且主要集中在6、7月，約占整個汛期的48.98%，6、7月成為伊寧市暴雨的頻發(fā)月。

圖6 伊寧市4—10月不同等級強降雨日數(shù)變化

表2 洪災發(fā)生日期及與其對應降雨量 mm

3.3 強降雨對伊寧市洪災影響

3.3.1 伊寧市洪災年變化

圖7 洪水災害與強降雨關系

以10年為一個小尺度分析了伊寧市1956—2015年洪水災害與強降雨關系，結(jié)果見圖7。由圖7可見，洪災變化趨勢與強降雨日數(shù)及降雨量基本保持一致。洪災在1986年之前發(fā)生頻次較少，平均每10年發(fā)生3.7次，1986年后顯著增加，約為前30年的2.43倍，發(fā)生頻率為每10年9次。洪災次數(shù)與強降雨量存在極顯著相關(P<0.01)，與強降雨日數(shù)存在顯著相關(P<0.05)。1986年以后強降雨的急劇增加，是近年來洪災頻繁的重要原因。

3.3.2 洪災與不同等級強降雨對應關系

表2為洪災發(fā)生日期及與其對應降雨量。由表2可見，日降雨量為10～15 mm、15～20 mm、大于20 mm 3個等級的強降雨所引起的洪災次數(shù)占總洪災次數(shù)的比例分別為35.90%、23.08%、41.03%，大于20 mm強降雨引發(fā)洪災次數(shù)最多。用3個等級的強降雨引發(fā)的洪災次數(shù)與對應總強降雨日數(shù)的比值進行推斷不同等級強降雨引起洪災的概率，3個等級的強降水引發(fā)洪水的概率分別為0.108、0.265和0.326。10～15 mm的強降雨引發(fā)洪水的概率最低，但所引發(fā)的洪災次數(shù)較多，其原因是洪災的發(fā)生除了受洪災當日降雨量影響外，還受洪災前的累積降雨量的影響。雖然日降雨量小于其他兩個等級，但在洪災發(fā)生前3 d往往有較高的累積降雨量，由于前期降雨使土壤含水接近飽和或達到飽和狀態(tài)，即使洪災發(fā)生當日的降雨量不大，同樣有可能引起洪水災害[24]。因此，日降雨量為10～15 mm時，洪災發(fā)生概率受洪災發(fā)生時刻之前的累積降雨量影響較大，如果前期沒有較高的累積降雨量，引發(fā)洪災的概率將大大降低。日降雨量為15～20 mm的強降水引起洪災時，洪災發(fā)生概率受洪災發(fā)生時刻之前的累積降雨量影響開始減小，隨著洪災當日的降雨量增大，洪災發(fā)生概率增大。日降雨量達到20 mm時，洪災的發(fā)生幾乎不受之前的累積降雨量影響，洪災發(fā)生時的日降雨量成為引起洪災的決定性因素，此時引起洪災的概率接近1/3。

經(jīng)統(tǒng)計得到1956—2015年伊寧市4—10月的洪災中，除9、10月未記載洪災外，4—8月強降雨引起的洪災次數(shù)分別為4次、9次、14次、10次和2次，洪災次數(shù)與4—8月中大于20 mm的強降雨日數(shù)變化趨勢相同，都表現(xiàn)為先增后減，進一步說明當日降雨量大于20 mm時，極易發(fā)生洪水災害。強降雨在6、7月的降雨量大且頻次高的特點使6、7月便成為暴雨型洪水的頻發(fā)月份。4、5月強降雨量及日數(shù)僅次于6、7月，但4、5月由于有氣溫升高較快的特點，冬季積雪迅速融化，因此暴雨與升溫融雪型洪水多集中在4、5月[25]。

3.4 強降雨未來趨勢預測

通過R/S分析法對1956—2015年伊寧市4—10月的強降雨序列進行分析得到各月赫斯特系數(shù)H(表3)。由表3可見，各月強降雨序列的H值均大于0.5，說明整個汛期強降雨在未來將延續(xù)之前已表現(xiàn)出的增長趨勢。4月強降雨量及日數(shù)序列的H值均小于0.550，說明4月強降雨變化雖呈增長趨勢但持續(xù)性較差。5月強降雨量及日數(shù)序列的H值分別為0.602和0.579，則5月未來的強降雨量及日數(shù)都將延續(xù)之前的變化趨勢，即強降雨量在未來依舊保持增加趨勢，強降雨日數(shù)保持下降趨勢，且持續(xù)性較強。6—10月強降雨量及日數(shù)序列的H值都比較高，則說明強降雨量及日數(shù)在未來均保持增加趨勢。6月強降雨量及日數(shù)序列的H值均在0.7以上，表明在未來6月的強降雨的趨勢變化的正持續(xù)性最高，延續(xù)之前變化趨勢的可能性最大。

表3 1956—2015年伊寧市4—10月強降雨序列H值

綜合伊寧市汛期的強降雨變化特征、洪災情況及H值，可以預測伊寧市汛期的強降雨量及日數(shù)在未來呈現(xiàn)增加趨勢，且正持續(xù)性強，因此在未來發(fā)生暴雨型洪水的概率增大。特別在降雨量大于20 mm強降雨集中分布的6、7月，6、7月強降雨變化不僅持續(xù)性強，同時增幅大，發(fā)生洪災的頻率遠大于其他月份，在未來要著重加強對6、7月防汛措施。

4 結(jié) 論

a. 伊寧市1956—2015年強降雨總體呈現(xiàn)出增加趨勢，且2001年以后強降雨增加趨勢明顯。強降雨量對伊寧市總降雨量起著主導作用，對總降雨量的平均貢獻率為32.3%，貢獻率保持每10年2.24%的趨勢在增加。

b. 汛期強降雨主要集中在6、7月，年內(nèi)變化表現(xiàn)為4—7月較為穩(wěn)定，8、9月急劇減少，10月又明顯增加。各月強降雨量變化都呈增加趨勢，7月增幅最大，幅度達到每10年2.1 mm，強降雨日數(shù)除5月外均表現(xiàn)增加趨勢，增幅在每10年0.02～0.08 d。

c. 伊寧市1956—2015年洪災發(fā)生頻率從1986年開始顯著增加，前30年頻率為每10年3.7次，后30年為每10年9次。洪災次數(shù)和強降雨量、強降雨日數(shù)都有著明顯的相關性。當日降雨量為10～15 mm、15～20 mm、大于20 mm時，引發(fā)洪水的概率分別為0.108、0.265和0.326。

d. 伊寧市整個汛期強降雨變化在未來將繼續(xù)保持增加趨勢，并且具有較強的持續(xù)性。6、7月是降雨量大于20 mm的強降雨及洪災頻發(fā)月，強降雨增幅相比其他月較大，持續(xù)性較強。強降雨的增加加速了伊寧市的氣候的轉(zhuǎn)濕過程，也對今后的防汛工作提出了更高的要求。