近57a咸寧市暴雨變化特征和降水極值重現(xiàn)期研究

姜娥 李江峰

摘 要： 利用湖北省咸寧市6個國家站1961-2017年降水量資料，首先分析暴雨日數(shù)時空分布和近57年來暴雨變化特征，并通過廣義極值分布和擬合優(yōu)度檢驗來推求咸寧市國家站30a、50a、100a重現(xiàn)期對應(yīng)的極值降水，討論咸寧市在不同重現(xiàn)期下降水極值的分布情況。

關(guān)鍵詞：咸寧;暴雨特征;極值重現(xiàn)期

極端天氣和氣候事件一直是對人類社會危害最大的氣象災(zāi)害之一，近年來全球變暖背景下，極端氣候事件強度和頻率的變化對人類生活和生產(chǎn)造成巨大的影響而被大眾持續(xù)關(guān)注。極端天氣氣候事件是指一定地區(qū)在一定時間內(nèi)出現(xiàn)的歷史上罕見的氣象事件，其發(fā)生概率通常小于5%或10%。對中國近50年來極端降水事件的研究表明，在全球變暖背景下極端降水事件的頻率和強度均有升高的趨勢，極端降水事件趨多，1990年代尤為明顯，但存在明顯的區(qū)域差異，因此研究降水極端事件十分重要和意義重大。

咸寧，為湖北省地級市，位于湖北省東南部，長江中游南岸，與湖南、江西接壤。咸寧市氣候溫和，降水充沛，日照充足，四季分明，無霜期長。冬季盛行偏北風，偏冷干燥;夏季盛行偏南風，高溫多雨。本文使用Morlet小波分析和統(tǒng)計方法對咸寧市暴雨特征進行了分析并使用廣義極值分布（GEV）模型和擬合優(yōu)度檢驗（KS）方法，推求咸寧市6個國家站（咸寧站、通山站、通城站、嘉魚站、崇陽站、赤壁站）的30a、50a、100a重現(xiàn)期日極大降水量來研究暴雨的變化特征和降水極值的重現(xiàn)期。

一、資料和方法

1.資料

使用咸寧站、通山站、通城站、嘉魚站、崇陽站、赤壁站六個國家站的日08時降水觀測資料，資料年限為1961-2017年，日降水量指某站24小時（北京時08時-08時）累計總降水量。

2.廣義極值分布（GEV）

基于極值分布理論，利用年最大降水量選樣方法，采用廣義極值分布（GEV）模型以及擬合優(yōu)度檢驗方法，推求單站30a、50a、100a等重現(xiàn)期對應(yīng)的日極大降水量。

年最大日降水量序列采用AM（Annual Maximum）法在逐日降水資料中抽樣得到。AM法是每年選取一個日降水量（或連續(xù)2d、3d、5d、7d）的最大值，即在N年的逐日降水資料中選取N個最大值，逐年進行抽樣選取。

對于給定的重現(xiàn)期長度T（年），GEV分位數(shù)計算，可解得相應(yīng)重現(xiàn)期T的分位數(shù)為：

3.Morlet小波分析

20世紀80年代初， Morlet提出了一種具有時-頻多分辨功效的小波分析（Wavelet Analysis）為我們更好的研究時間序列問題提供了可能，小波分析能清晰的揭示出隱藏在時間序列中的多重變化周期，充分反映系統(tǒng)在不同時間尺度中的變化趨勢，并能對系統(tǒng)未來發(fā)展的趨勢進行定性估計。

對于時間序列f（t），連續(xù)小波變化為：

其中，a為尺度因子，b為時間因子，Wf （a，b）為小波系數(shù)。

下文中小波變換均使用MATLAB軟件中自帶的Morlet小波變換工具包進行。

二、暴雨日數(shù)的時空分布特征

暴雨是指24小時日降水量達到50mm及以上的強降水天氣現(xiàn)象，使用咸寧站、通山站、通城站、嘉魚站、崇陽站、赤壁站六個國家站的逐日降水數(shù)據(jù)來分析暴雨日數(shù)的時空分布，以探求咸寧市暴雨變化特征。

1.暴雨日數(shù)的空間分布

使用咸寧地區(qū)六個國家站1961-2017年逐日降水資料（08時-08時）對暴雨日分析統(tǒng)計（表1），結(jié)果表明近57a以來，咸寧市各縣暴雨發(fā)生最多的都是6月份，占據(jù)了全年的30%左右，90%的暴雨發(fā)生在四月到八月之間;赤壁、嘉魚、崇陽、通城、咸寧、通山分別出現(xiàn)了292、276、303、321、285、262個暴雨日，年平均發(fā)生暴雨4.60-5.63次，從地理位置分布來看，基本呈現(xiàn)西南多東北少的態(tài)勢。

此外，分析了各個站點暴雨日的相關(guān)情況發(fā)現(xiàn)：咸寧市僅單站出現(xiàn)暴雨387次，占49.2%;兩站同時出現(xiàn)暴雨153次，占19.4%;三站同時出現(xiàn)暴雨95次，占12.1%;四站同時出現(xiàn)暴雨53次，占6.7%;五站同時出現(xiàn)暴雨45次，占5.7%;六站同時出現(xiàn)暴雨54次，占6.9%。分析情況可以得出咸寧市大多數(shù)暴雨是受中小尺度系統(tǒng)影響產(chǎn)生的，降水范圍較為不均勻，具有局地多發(fā)的特征。

2.暴雨日數(shù)的時間分布

（1） 暴雨的月變化特征

表2將1961-2017年咸寧市六個國家站總和分級，結(jié)果表明咸寧市暴雨時間分布十分廣泛，在近57a年以來，每個月份都有暴雨發(fā)生，暴雨主要發(fā)生在四月到八月之間，九月到十一月也有年均一次左右的暴雨，暴雨發(fā)生最多的是六月，占全年的28.0%;大暴雨絕大多數(shù)發(fā)生在四月到八月之間，一月、二月、九月和十二月未發(fā)生過大暴雨天氣;特大暴雨僅六月一次。暴雨、大暴雨、特大暴雨分別占總數(shù)的85.7%、14.2%和0.1%。

（2）暴雨的年際和年代際變化

咸寧市六個國家站1961-2017年暴雨日數(shù)總和統(tǒng)計如圖1，可以看出咸寧市暴雨日數(shù)年際波動很大，最多的是1983年暴雨日59d，其次是1999年暴雨日54d，最少的年份是1968年，全咸寧市六個國家站總暴雨日僅7d，相當于單站年均暴雨1.2d。

咸寧市暴雨量年際波動同樣很大（圖2），暴雨量一定程度上與暴雨日數(shù)成正比，最多的年份為1999年（年暴雨量4641.9mm），其次是1983年（年暴雨量4400.7mm），最少的年暴雨量僅為431.5mm（1968年），其次是721.9mm（1972年），最少年暴雨量與最大年暴雨量相差十倍有余。

表3為咸寧市1961-2017年六個國家站各類暴雨日年代際變化表，從表中可以看出年代際分布較為不均，從1961-2000年暴雨和大暴雨都呈現(xiàn)逐年代增多的趨勢，2001-2010年代急劇減少，2010-2017年代又開始增多;暴雨最多的年代是1991-2000年，年均暴雨日36.3d，大暴雨發(fā)生的比例也是所有年代中最高的，最少的年代是2001-2010年，年均暴雨日25.2d。

3.暴雨的周期變化

為了進一步分析咸寧市暴雨日數(shù)的時間特征，對咸寧地區(qū)赤壁站、嘉魚站、通城站、咸寧站、通山站、崇陽站六個國家站暴雨總頻次進行Morlet小波分析。對1961-2017年咸寧地區(qū)暴雨日進行Morlet小波分析得到圖3，右側(cè)顏色表示小波分析實部，當實部為正時代表暴雨處于偏多期，為負時表示為偏少期;圖中藍色越深表示暴雨日頻率越大于常年，而綠色越深代表暴雨日頻率越小于常年。對于時間分析可以看出暴雨發(fā)生頻率演變過程中1961-2000年間明顯存在2-4a，6-7a的短期周期變化規(guī)律，在2000年后有5a左右的周期變化規(guī)律，1961-2017年均存在13-15a的周期變化。

三、咸寧市國家站降水極值重現(xiàn)期分析

1.咸寧市國家站1961-2017年極大值時間序列

通過AM法計算咸寧市赤壁站、嘉魚站、通城站、咸寧站、通山站、崇陽站六個站點1961-2017年08時-08時（北京時）日降水資料得到各站年日降水量極大值時間序列。從圖4可以看出嘉魚站、通城站和咸寧站的年日降水量極大值都超過了50mm，達到了暴雨標準;赤壁站1968年、通山站的1961年和崇陽站1968、1972、1976年日降水量極大值不到50mm，沒有達到暴雨標準。總體來說年日降水量極大值時間序列分布不均，各個站點在不同年份極大值降水量差異較大，日降水極大值的年代際變化較為明顯。

2.降水極值周期分析

采用咸寧市通山站、赤壁站、咸寧站、嘉魚站、通城站和崇陽站1961-2017年的極值資料，由于站點為每個縣一個站，站點在咸寧市空間分布比較均勻，因此對6個站的年降水極大值做算術(shù)平均代表咸寧市該年的年日極大降水量，并以此序列來做Mrolet小波分析來研究極端氣候變化的周期特征。

圖5是咸寧市1961-2017年年日極大降水量的Morlet小波分析時頻分布圖，由圖2可以看出，咸寧市年日降水極大值具有2-5年、13年、32年左右的周期，而極大值的周期并非僅與站點本身有關(guān)，更是不同長短周期疊加的綜合結(jié)果，極值的發(fā)生規(guī)律是比較復(fù)雜的。

圖6是分別對每個站點1961-2017年年日極大降水量做Morlet小波分析，縱觀六張圖可以看出各個站點時頻分布相差較大，赤壁站、通城站、咸寧站和崇陽站與圖2中咸寧市平均值時頻分布相似，具有2-5年、12-13年、30-32年左右的周期;嘉魚站同樣具有2-5年、30年左右的周期，但嘉魚站在1961-2000年有17-18年左右的周期，在1990-2017年有12年左右的周期;通山站有2-5年、7-9年左右的周期，在1980年以前中長周期不明顯，1980年以后有32年和17-19年左右的周期。

3.咸寧市降水極值重現(xiàn)期研究

基于1961-2017年咸寧市6個國家站日降水最大值序列（AM），推算出咸寧市崇陽站、通山站、通城站、赤壁站、咸寧站、嘉魚站重現(xiàn)期分別為30年、50年和100年的日極大降水量如表4，總體來說各個站點30a、50a和100a重現(xiàn)期推算的日極大降水量相差不大，6個站點在30a、50a和100a的平均值分別為196.3mm、214.2mm和239.0mm，赤壁站和咸寧站日極大降水量明顯高于其他站點，嘉魚站日極大降水量明顯低于其他站點。

表5對咸寧市6個國家站30a、50a、100a一遇降水進行了分級，總體來看30a、50a、100a重現(xiàn)期推算出的日最大降水量都大于100mm，達到了大暴雨和特大暴雨級別;30a和50a重現(xiàn)期推算的日最大降水量都處于大暴雨量級，100a重現(xiàn)期推算的日極大降水量有66.7%站點為大暴雨量級，33.3%的格點為特大暴雨量級。

（1） 30a、50a、100a重現(xiàn)期年最大日降水量分布

圖7是咸寧地區(qū)六個國家站1961-2017年日降水資料推求的重現(xiàn)期最大日降水空間分布，從圖中可以看出，咸寧市重現(xiàn)期最大日降水總體呈現(xiàn)中部多、南北少的態(tài)勢，最北部的嘉魚和東南部的通山相對較低，赤壁市和咸寧市相對較高。30a和50a重現(xiàn)期均達到了150mm/d，達到了大暴雨的標準，100a重現(xiàn)期部分區(qū)域超過250mm/d，達到了特大暴雨的標準。

四、結(jié)語

經(jīng)過以上資料分析研究，咸寧暴雨特征及極值重現(xiàn)期結(jié)論如下：

咸寧地區(qū)暴雨日基本呈現(xiàn)西南多東北少的態(tài)勢，降水范圍較為不均勻，具有局地多發(fā)的特征;暴雨主要發(fā)生在四月到八月之間，最多的是六月;咸寧市暴雨的年際和年代際變化明顯，暴雨日數(shù)和暴雨量的年際相差達到十倍之多，1961-2000年暴雨日數(shù)逐年代緩慢增多，2001-2010年代驟減，2010年后又開始增多;1961-2000年間明顯存在2-4a，6-7a的短期周期變化規(guī)律，在2000年后有5a左右的周期變化規(guī)律，1961-2017年均存在13-15a的周期變化。

咸寧地區(qū)年日降水量極大值時間序列分布不均，日降水極大值的年代際變化較為明顯。咸寧地區(qū)年日降水極大值具有2-5年、13年、32年左右的周期，單站的周期與咸寧地區(qū)總體相似;咸寧市重現(xiàn)期最大日降水總體呈現(xiàn)中部多、南北少的態(tài)勢，最北部的嘉魚和東南部的通山相對較低，赤壁市和咸寧市區(qū)相對較高。30a和50a重現(xiàn)期均達到了150mm/d，達到了大暴雨的標準，100a重現(xiàn)期部分區(qū)域超過250mm/d，達到了特大暴雨的標準。

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