1960-2017年來長江流域暴雨特征分析

王 樂，邢雯慧

(長江水利委員會水文局，武漢 430010)

暴雨是我國主要的天氣災害之一，其對人民生命財產安全和國家經濟建設產生嚴重威脅[1]。長江流域地形復雜、氣候濕潤，受夏季風、臺風、青藏高原等因素影響，它是我國暴雨發(fā)生最頻繁的區(qū)域之一[2-4]。頻發(fā)的暴雨在丘陵山地容易引發(fā)山洪、滑坡、泥石流等地質災害，而在長江河道內容易引發(fā)嚴重的洪澇災害，歷史上幾次特大洪澇災害大多發(fā)生在長江流域[5-8]。由于長江經濟帶人口稠密、經濟發(fā)達，每年受暴雨洪澇影響的損失十分巨大，要正確預防和減輕暴雨洪澇災害，首先需要了解長江流域的暴雨時空分布特征。研究表明，在當前全球變暖的背景下，全球極端事件頻發(fā)，長江流域的暴雨有顯著增加的趨勢[9-20]。鮑名[11]指出長江流域是我國局地持續(xù)性暴雨事件的主要發(fā)生地之一。王學龍[12]等人分析了長江中下游暴雨頻次的時空分布，并提出了5種暴雨空間分布型。楊宏青[13]、白淑英[14]等人指出1961-2010年長江中下游大部分地區(qū)暴雨日數呈增加趨勢。俄有浩[15]等人研究表明1961-2012年長江中下游暴雨日數和強度呈不顯著增加趨勢。IPCC第五次報告[16]研究進一步表明未來情境下極端降水事件影響區(qū)域可能更廣，影響程度更嚴重。因此，研究長江流域暴雨具有重要的科研和經濟意義。

由于過去長江上游雨量站網稀疏、數據資料較少，以往學者主要研究長江中下游流域的暴雨日數變化，針對長江上游和整個長江流域暴雨特征的詳細研究相對較少。本文使用長江流域1960-2017年高密度670個雨量站逐日降水數據集，對整個長江流域近60 a暴雨日數和強度的空間分布、變化趨勢、時間演變等特征進行細致研究，同時計算了長江上游和中下游不同重現期的暴雨強度。研究有助于更好地認識長江流域的暴雨時空演變特征，為長江流域防災減災工作開展提供理論基礎。

1 數據與方法

1.1 區(qū)域概況和數據資料

本研究所用的資料為長江水利委員會水文局和湖北省氣象局聯合制作的長江流域1960-2017年670個雨量站逐日(北京時間08時-次日08時)降水資料(站點分布如圖1所示，圖中黑色邊界為長江上游流域，紅色邊界為長江中下游流域，站點顏色代表海拔高度)，所有站點都通過系統(tǒng)的質量控制和均一性檢驗，保證了資料的連續(xù)性和完整性。金沙江上游位于青藏高原的地區(qū)暫時沒有通過質控的雨量站點，但由于其海拔高度較高，幾乎不發(fā)生暴雨，因此對研究沒有影響。

圖1 長江流域670雨量站點分布Fig.1 Distribution of 670 rainfall stations in the Yangtze River Basin

1.2 研究方法

1.2.1 暴雨特征量識別

按照中國氣象部門規(guī)定，將24 h雨量在50 mm以上的降水稱之為暴雨。參考俄有浩等人[15]的方法，采用暴雨日數和日最大暴雨量作為表征暴雨的特征量，其中暴雨日數可以有效反映暴雨的頻次、日最大暴雨量可以反映暴雨的強度。文中某區(qū)域的總暴雨日數指一段時間內該區(qū)域所有站點的暴雨日數之和，某區(qū)域的平均日最大暴雨量指一段時間內該區(qū)域有暴雨站點的日最大暴雨量平均值。此外，計算單站多年平均的日最大暴雨量時，僅考慮該站有暴雨的年份。某站暴雨最早發(fā)生月份定義為多年平均情況下，第一場暴雨出現最多的月份。

1.2.2 統(tǒng)計分析方法

采用線性回歸、顯著性t檢驗等方法分析研究區(qū)暴雨日數和強度特征。此外，統(tǒng)計研究區(qū)各站日降水量不同強度等級的暴雨發(fā)生頻數(50～59、60～69、70～79、80～89、90～99、100～109、110～119、120～129、130～139、140～149、150～159、160～199、200～250、>250 mm)、計算不同強度下的暴雨發(fā)生頻率，利用指數函數擬合得到研究區(qū)暴雨頻率累計曲線，計算各研究區(qū)不同重現期的暴雨強度。

2 長江流域暴雨空間分布特征

2.1 暴雨季節(jié)空間分布

圖2(a)顯示，1960-2017年長江流域年暴雨日數空間分布存在較大地域差異，總體呈現長江中下游偏多、上游偏少的分布形勢。長江上游各區(qū)中，金沙江、雅礱江和岷江三者上游基本不發(fā)生暴雨。烏江流域和金沙江下游為暴雨少發(fā)區(qū)，年均暴雨日數在3 d以下。嘉岷流域是暴雨易發(fā)區(qū)，年均暴雨日數達3 d以上，其中大渡河下游可達6 d以上；長江中下游各區(qū)中，漢江中上游是暴雨少發(fā)區(qū)，年均暴雨日數在2 d以下。鄱陽湖水系是暴雨高發(fā)區(qū)，年均暴雨日數基本在6 d以上；長江流域暴雨日數的空間分布反映了地理位置和地形分布對降水的影響，暴雨頻發(fā)區(qū)主要位于中下游近海平原地區(qū)和上游山區(qū)。

圖2(b)為長江流域多年平均的日最大暴雨量空間分布，其與暴雨日數分布有一定相似，暴雨日數明顯偏多的地方通常對應最大暴雨偏強。但最大暴雨的高值分布范圍明顯大于暴雨日數，這說明即使在一些暴雨非高發(fā)地區(qū)，也可能發(fā)生強暴雨。長江中下游干流、鄱陽湖水系、洞庭湖水系西北部、長江上游嘉岷流域均是強暴雨的發(fā)生區(qū)，其多年平均的日最大暴雨量基本在100 mm以上、局地可達120 mm以上。

圖2 1960-2017年長江流域年暴雨日數和年日最大暴雨量空間分布Fig.2 The spatial distribution of annual rainstorm days and annual maximum daily rainstorm in 1960-2017 in the Yangtze River Basin

從多年平均的月暴雨日數分布來看(圖3)：4月，長江流域暴雨主要發(fā)生在鄱陽湖水系，月均暴雨日數基本在1 d以下。5-6月，暴雨區(qū)范圍西擴且暴雨日數增加，鄱陽湖水系仍為暴雨主發(fā)區(qū)，其中6月鄱陽湖水系中北部月均暴雨日數可達2 d以上，為當年長江流域之最。7月，暴雨區(qū)西移北抬，暴雨中心主要位于長江中下游干流附近和嘉岷流域，月均暴雨日數多在1～1.5 d，其中大渡河下游暴雨日數達2 d以上。8月，長江中下游暴雨日數明顯減少，暴雨主要發(fā)生在長江上游嘉岷流域，日數以0.5～1 d為主，其中大渡河下游仍達2 d以上。9月，長江流域暴雨日數整體減少，暴雨主要發(fā)生在嘉陵江、渠江，日數在0.5～1 d。此外，3月以前、10月以后，長江流域內很少發(fā)生暴雨(圖略)。

圖3 1960-2017年多年平均4-9月暴雨日數空間分布Fig.3 The spatial distribution of rainstorm days from April to September in 1960-2017

相應的各月日最大暴雨量空間分布表明(圖4)：4月，長江流域大部地區(qū)平均日最大暴雨量偏小，主要在70 mm以下。5月，日最大暴雨量增加，長江中下游大部地區(qū)平均日最大暴雨量達80 mm左右。6、7月，日最大暴雨量明顯增加，長江中下游流域、長江上游嘉岷流域平均日最大暴雨量達80～100 mm。8月，長江流域日最大暴雨量有所減弱，流域暴雨區(qū)的平均日最大暴雨量多在70～90 mm。9月，長江中下游日最大暴雨量明顯減弱，但嘉岷流域部分地區(qū)日最大暴雨量反而有所增加，可達80～100 mm。

綜合來看，長江流域暴雨日數總體呈現中下游偏多、上游偏少的分布，其中長江上游和中下游各存在1個暴雨區(qū)，上游暴雨區(qū)位于嘉岷流域、中下游暴雨區(qū)主要位于鄱陽湖水系，除大渡河下游以外長江上游暴雨區(qū)暴雨日數明顯小于中下游，但二者的最大暴雨強度相當。從時間來看，4-9月長江流域暴雨區(qū)位置有明顯的西移北抬現象，4-6月暴雨主要發(fā)生在長江中下游流域，7月暴雨發(fā)生在長江中下游干流和上游嘉岷流域，8-9月暴雨主要發(fā)生在長江上游嘉岷流域。流域最大暴雨強度主要表現為先增強后減弱，6、7月份為長江流域暴雨強度最強時段，但值得注意的是8、9月份長江上游嘉岷流域部分地區(qū)暴雨強度依然偏強。

2.2 暴雨空間變化趨勢分析

利用一元線性回歸方法對長江流域暴雨空間年際變化趨勢進行分析。由圖5(a)可知，長江中下游干流及兩湖水系暴雨日數主要表現為增加趨勢[中心達0.6 d/(10 a)以上]，長江上游岷沱江流域表現為減少趨勢[中心達-0.5 d/(10 a)]，但各地暴雨變化趨勢通過顯著性檢驗的區(qū)域范圍較小、呈零星分布。從日最大暴雨量看[圖5(b)]，沅江-洞庭湖區(qū)-長江下游干流一帶日最大暴雨量呈顯著增加趨勢[中心達10 mm/(10 a)以上]，岷沱江流域(圖5紅框所示)、漢江中下游呈減少趨勢[中心達-10 mm/(10 a)]，其余地區(qū)變化趨勢有正有負，且變化幅度較小。

圖4 1960-2017年多年平均4-9月日最大暴雨量空間分布Fig.4 The spatial distribution of maximum daily rainstorm from April to September in 1960-2017

圖5 1960-2017年長江流域暴雨日數和日最大暴雨量年際變化趨勢空間分布(等值線表示通過95%的顯著性檢驗)Fig.5 The spatial distribution of annual variations of rainstorm days and maximum daily rainstorm in 1960-2017 in the Yangtze River Basin

由于6-8月為當年長江流域暴雨日數和強度的峰值時段(圖3、4)，因此給出6-8月的長江流域暴雨空間變化趨勢分布(圖6)。由圖可知，各月的暴雨日數變化趨勢與日最大暴雨量較為相似，通常暴雨日數顯著增加或減少的區(qū)域對應著日最大暴雨量的顯著增加或減少。6月，長江流域主要表現為長江下游干流南部、兩湖水系中北部暴雨日數和日最大暴雨強度的顯著增加。7月，暴雨區(qū)北抬，長江中下游干流附近、洞庭湖水系西北部暴雨日數和日最大暴雨強度顯著增加。8月，長江上游岷沱江中下游、嘉陵江上游暴雨日數和強度顯著減少，長江流域東部邊界暴雨日數和強度顯著增加。

圖6 1960-2017年長江流域6-8月暴雨日數和日最大暴雨量變化趨勢空間分布Fig.6 The spatial distribution of annual variations of rainstorm days and maximum daily rainstorm from June to August in 1960-2017 in the Yangtze River Basin

2.3 暴雨集中和開始時段空間分布

為進一步分析長江流域各地的暴雨集中發(fā)生時段和最早發(fā)生時間，圖7給出了1960-2017年多年平均的長江流域670個站點暴雨日數最多月份和暴雨最早發(fā)生月份的空間分布圖。由圖7(a)可知，長江流域暴雨集中時段呈現自東南向西北逐漸增加的分布，除兩湖水系南部個別站點外，長江下游干流和兩湖水系的暴雨主要發(fā)生在6月份，長江上中游干流、漢江流域、嘉陵江流域暴雨主要發(fā)生在7月，岷江下游、向寸區(qū)間部分地區(qū)暴雨主要發(fā)生在8月；從暴雨開始月份來看[圖7(b)]，長江流域暴雨開始時段主要表現為自東向西逐漸增加的分布，鄱陽湖水系東部通常在3月份開始發(fā)生暴雨，鄱陽湖水系西部、長江中游干流及洞庭湖水系主要在4月開始發(fā)生暴雨，長江下游干流、烏江、渠江主要在5月開始發(fā)生暴雨，岷沱江、金沙江下游主要在6月份開始發(fā)生暴雨，漢江上中游主要在6、7月份開始發(fā)生暴雨。

圖7 1960-2017年長江流域暴雨集中時段和開始月份空間分布Fig.7 The spatial distribution of rainstorm concentration period and beginning month in the Yangtze River Basin in 1960-2017

3 長江流域暴雨時間演變特征

3.1 季節(jié)變化

根據670個雨量站降水序列，計算1960-2017年長江流域一級水系(圖8)的區(qū)域總暴雨日數和區(qū)域平均日最大暴雨量的季節(jié)和年際變化。圖9結果表明，金沙江水系暴雨主要發(fā)生在6-8月(峰值為7月)，期間平均暴雨強度在60～70 mm；岷江水系的暴雨主要發(fā)生在7、8月份，兩個月的區(qū)域總暴雨日數大致相當，6月的平均暴雨強度接近90 mm，7月的平均暴雨強度在85 mm左右；嘉陵江水系暴雨主要發(fā)生在7月，期間平均暴雨強度在85 mm左右；烏江水系的暴雨主要發(fā)生在6、7月(峰值為6月)，期間平均暴雨強度在75 mm左右；漢江水系的暴雨主要發(fā)生在7月，期間平均暴雨強度在83 mm左右；長江干流水系的暴雨主要發(fā)生在6、7月，期間平均暴雨強度在85 mm左右；太湖水系的暴雨主要發(fā)生在6月，期間的平均暴雨強度在75 mm左右，但7-9月其暴雨強度反而比6月要高，這主要是因為7-9月太湖水系受臺風影響，容易發(fā)生極端的暴雨天氣；洞庭湖水系暴雨日數主要發(fā)生在5-7月，峰值為6月，但其平均暴雨強度的峰值出現在7月，強度在80 mm左右；鄱陽湖水系的暴雨主要發(fā)生在5、6月份(峰值為6月)，其平均暴雨強度的峰值同樣出現在6月、接近90 mm。

綜合來看，暴雨日數與強度在季節(jié)變化上基本呈同步變化，通常暴雨日數的峰值時段對應著暴雨強度最強的時段。長江上游各水系的暴雨峰值多出現在7、8月，而中下游流域各水系的暴雨峰值多在6月。6月鄱陽湖水系的暴雨強度和7月岷江水系的暴雨強度均接近90 mm，為流域內最強。

圖8 長江流域一級水系分布Fig.8 Distribution of the first-order stream in the Yangtze River Basin

圖9 1960-2017年長江流域一級水系總暴雨日數和平均日最大暴雨量的季節(jié)變化Fig.9 Seasonal variations of total rainstorm days and average maximum daily rainstorm in first-order stream of the Yangtze River Basin from 1960 to 2017

3.2 年際變化

圖10給出了1960-2017年長江流域一級水系年內的總暴雨日數和區(qū)域平均日最大暴雨量的年際變化。可以看到，金沙江水系的年暴雨日數和平均暴雨強度均呈顯著增加趨勢[分別為2.8 d·站/(10 a)和1.2 mm/(10 a)，通過95%的顯著性檢驗]；岷江水系的暴雨日數和強度均呈顯著減少趨勢[分別為-3.7 d·站/(10 a)和-1.7 mm/(10 a)，通過90%的顯著性檢驗]；嘉陵江水系的暴雨日數沒有明顯的變化趨勢，其暴雨強度呈不顯著增加趨勢[1.5 mm/(10 a)]；烏江水系的暴雨日數和強度均未通過顯著性檢驗，無明顯的變化趨勢；漢江水系的暴雨日數無明顯變化，但其平均暴雨強度有不顯著的減弱趨勢[-1.2 mm/(10 a)]；長江干流的暴雨日數有顯著增加的趨勢[24.9 d·站/(10 a)，通過95%的顯著性檢驗]，暴雨強度為不顯著增加的趨勢[0.9 mm/(10 a)]；太湖水系的暴雨日數有顯著增加趨勢[14.6 d·站/(10 a)，通過99%的顯著性檢驗]，其暴雨強度有不顯著的減少趨勢[-1.2 mm/(10 a)]；洞庭湖水系的暴雨日數有顯著增加趨勢[23.9 d·站/(10 a)，通過99%的顯著性檢驗]，其暴雨強度同樣呈顯著增加趨勢[1.3 mm/(10 a)，通過90%的顯著性檢驗]；鄱陽湖水系的暴雨日數有顯著增加趨勢[20.6 d·站/(10 a)，通過95%的顯著性檢驗]，其暴雨強度有不顯著的增加趨勢[1.2 mm/(10 a)]。

總體而言，長江流域除岷江外其余一級水系的暴雨日數均呈增加趨勢，長江上游水系的增加趨勢較弱，中下游水系的增加趨勢顯著，其中洞庭湖水系和太湖水系的增加趨勢最為顯著，岷江則有顯著減少趨勢；各水系的暴雨強度變化趨勢相對較小，僅洞庭湖水系和金沙江水系有顯著增強趨勢、岷江水系有顯著減弱趨勢。

4 長江流域暴雨頻率分析

統(tǒng)計1960-2017年長江上游和中下游所有雨量站不同等級強度暴雨的頻數，分別計算其對應的頻率分布，并根據暴雨頻率分布擬合暴雨頻率累計曲線，從而計算不同重現期的暴雨。重現期是指在一定年代的雨量記錄資料期內，等于或大于某暴雨強度的降雨出現一次的平均間隔時間。圖11(a)和(b)的結果表明，長江上游和中下游的日暴雨強度分布較為接近，均以50～100 mm的強度為主，其中上游和中下游強度在50～59 mm的暴雨分別占總數的36.9%和36.5%，強度60～69 mm的均占22.2%，強度70～79 mm的分別占13.9%和13.8%，強度80～100 mm的均占18.4%，強度100～120 mm分別占5.4%和5.6%，120 mm以上強度降水均占總體的4%不到。

圖10 1960-2017年長江流域一級水系總暴雨日數和區(qū)域平均日最大暴雨量的年際變化Fig.10 Interannual variations of total rainstorm days and average maximum daily rainstorm in first-order stream of Yangtze River Basin from 1960 to 2017

圖11 研究區(qū)不同強度暴雨頻率分布及其累計頻率擬合曲線Fig.11 The frequency of rainstorm intensity (top)and its cumulative curve (bottom)

通過擬合暴雨頻率分布散點圖，得到暴雨頻率累計曲線[圖11(c)和(d)]。長江上游和中下游指數擬合的R2分別達到了0.995 7和0.994 0，說明擬合曲線具有極高的擬合相似度。二者的擬合方程分別為：Y=438.7x-0.076 84-255.8和Y=526.3x-0.071 5-326.6。式中，x表示暴雨頻率，Y表示暴雨強度，mm/d。

查詢暴雨頻率累計曲線可知，長江上游“百年一遇”暴雨(P=1%)的強度為183 mm/d，“五十年一遇”暴雨(P=2%)的強度為160 mm/d，“十年一遇”暴雨(P=10%)的強度為112 mm/d。長江中下游“百年一遇”暴雨的強度為200 mm/d，“五十年一遇”暴雨的強度為174 mm/d，“十年一遇”暴雨的強度為120 mm/d。

5 結 語

本文使用1960-2017年長江流域670個雨量觀測站資料，采用多種統(tǒng)計方法分析了長江流域暴雨日數和日最大暴雨量的時空變化特征，得到如下結論：

(1)長江上游和中下游各存在1個暴雨區(qū)，其中上游主暴雨區(qū)位于嘉岷流域、中下游主暴雨區(qū)位于鄱陽湖水系，除大渡河下游以外上游暴雨區(qū)暴雨日數明顯小于中下游，但二者的最大暴雨強度相當。

(2)長江流域暴雨區(qū)在4-9月有明顯的西移北抬現象，4-6月暴雨主要位于長江中下游流域，7月暴雨主要位于長江中下游干流和嘉岷流域，8-9月暴雨主要位于長江上游流域。長江流域日最大暴雨量在4-9月表現為先增強后減弱，其中長江上游嘉岷流域暴雨在7月最強，而長江中下游暴雨通常在6月最強。

(3)長江流域除岷江外其余一級水系的暴雨日數均呈增加趨勢，其中長江上游水系增加較弱，中下游水系增加顯著，洞庭湖水系和太湖水系增加最為明顯，岷江水系則有顯著減少趨勢；各水系的暴雨強度變化趨勢相對較小，僅洞庭湖水系和金沙江水系有顯著增強趨勢，岷江水系有顯著減弱趨勢。

(4)長江上游和中下游的暴雨主要集中在50～100 mm左右，二者均占暴雨總數的90%以上。長江上游“百年一遇”、“五十年一遇”、“十年一遇”的暴雨強度分別為183、160、112 mm/d，長江中下游為200、174、120 mm/d。

本文從暴雨日數和日最大暴雨量的角度分析了長江流域近60 a暴雨時空分布特征，揭示出長江流域暴雨事件總體增多增強的現狀，為長江流域極端降水事件研究和防范提供一定基礎。但本研究僅分析了流域暴雨特征，未曾考慮連續(xù)性降水成災的極端事件和暴雨形成機制，今后仍需在此方面做進一步工作。