南京地區(qū)暴雨變化特性分析

杜 堯，陳啟慧，和鵬飛，陳蕓蕓，沈紅霞，李瓊芳,3

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.江蘇省淮沭新河管理處， 江蘇 淮安 223005；3.江蘇省“世界水谷”與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210000)

21世紀(jì)以來，受全球氣候變化及城市化進(jìn)程影響，我國(guó)城市暴雨頻發(fā)，由此引發(fā)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)不斷加劇[1-5]，嚴(yán)重影響了城市居民正常生產(chǎn)生活，在一定程度上制約了城市的可持續(xù)發(fā)展。因此，城市的暴雨變化特征受到相關(guān)學(xué)者和管理者的高度關(guān)注。李鵬程等[6]采用北京、天津兩個(gè)氣象站近51年的日降水資料，剖析了兩地區(qū)降水量的趨勢(shì)性和周期性；張潔祥等[7]基于1971—2010年徐家匯站的日降雨資料，分析了上海市年代際降水、年降水、汛期與非汛期降水的變化和周期變化特征；趙琳娜等[8]采用模糊識(shí)別法對(duì)北京降雨過程進(jìn)行了雨型劃分，得到北京雨型特征；Chen等[9]利用STRP和Huff RP法分析了廣州市的降雨模式，對(duì)比了兩種方法的優(yōu)劣性；賀芳芳[10]利用不同氣象站30年降水資料，分析了上海地區(qū)暴雨的氣候變化特征及城市化對(duì)暴雨的影響；王羱等[11-12]分析了近64年南京夏季降水峰期變化特征；沈澄等[13]剖析了2008—2012年南京短時(shí)強(qiáng)降水特征；朱鑫君等[14]分析了南京一次特大暴雨天氣過程的中尺度特征。近些年南京市多次發(fā)生了導(dǎo)致嚴(yán)重內(nèi)澇災(zāi)害的極端暴雨事件，進(jìn)一步研究南京地區(qū)暴雨變化特性很有必要。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

南京市位于長(zhǎng)江下游中部地區(qū)，屬北亞熱帶濕潤(rùn)氣候，四季分明，雨水充沛[15]，多年平均降雨117 d，多年平均降雨量1 106.5 mm。每年6月下旬到7月上旬為梅雨期，常發(fā)生暴雨、大暴雨。選取分布在南京不同行政區(qū)的7個(gè)雨量站點(diǎn)：南京站、東山站、曉橋站、江寧鎮(zhèn)站、六合站、天生橋閘站和高淳站為研究對(duì)象，站點(diǎn)分布見圖1，其中南京站是主城區(qū)的代表站。

圖1 南京地區(qū)雨量站空間分布

1.2 研究方法

受中小尺度天氣系統(tǒng)影響，南京地區(qū)降雨過程常在12 h以內(nèi)，這種歷時(shí)短、強(qiáng)度大的降雨對(duì)區(qū)域排澇和城市排水的影響更大，更容易引起城市內(nèi)澇。依據(jù)我國(guó)氣象規(guī)定，以連續(xù)12 h降雨超過30 mm為標(biāo)準(zhǔn)，滑動(dòng)選取次暴雨過程，從滑動(dòng)開始的時(shí)段到滑動(dòng)結(jié)束的時(shí)段來計(jì)算此次暴雨的總歷時(shí)。選用南京站1975—2015年以及東山站、曉橋站、江寧鎮(zhèn)站、六合站、天生橋閘站和高淳站1985—2015年的逐時(shí)降水資料，依據(jù)雨量30～59.9 mm為弱暴雨、60～99.9 mm為中暴雨、≥100 mm為強(qiáng)暴雨的原則對(duì)暴雨強(qiáng)度進(jìn)行劃分。依據(jù)暴雨持續(xù)時(shí)間小于6h為特短暴雨、6～11 h為短暴雨、12～23 h為一般暴雨、24～30 h為長(zhǎng)暴雨、>30 h為特長(zhǎng)暴雨的原則對(duì)暴雨歷時(shí)進(jìn)行劃分。運(yùn)用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)[16]、小波分析[17]、模糊識(shí)別法[18]等統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析。

2 南京地區(qū)暴雨特征變化規(guī)律分析

2.1 時(shí)空分布規(guī)律

2.1.1暴雨時(shí)程分布規(guī)律

南京站1975—2015年3—10月多年平均暴雨次數(shù)分別為1、3、26、62、63、54、33、2次。1975—2015年南京站暴雨次數(shù)共出現(xiàn)244次，汛期(6—9月)與非汛期暴雨次數(shù)差異明顯。暴雨主要集中在春末到秋末，6—8月暴雨最多，總暴雨次數(shù)分別占全部暴雨的25.4%、25.8%和22.1%；9月和5月次之，占全部暴雨的13.5%和10.7%；3月、4月和10月共出現(xiàn)了6場(chǎng)暴雨，11月至次年2月沒有出現(xiàn)暴雨。

圖2為南京站1975—2015年暴雨次數(shù)的變化情況。可見，1975—2015年南京城區(qū)年均暴雨次數(shù)波動(dòng)較大，多年平均為6次左右，1975、1979、2015年發(fā)生了10次以上暴雨，降水偏少年份則只出現(xiàn)了2～3次暴雨。20世紀(jì)90年代南京城區(qū)年暴雨次數(shù)呈減少趨勢(shì)，2000年后年均暴雨次數(shù)呈增加趨勢(shì)。

圖2 南京站1975—2015年暴雨次數(shù)變化

2.1.2暴雨空間分布規(guī)律

表1為各雨量站1985—2015年多年平均暴雨量及暴雨次數(shù)。由表1可見，南京地區(qū)年平均暴雨量市區(qū)多于郊區(qū)，東部多于西部，臨水區(qū)大，遠(yuǎn)水區(qū)小。主城區(qū)南京站年平均暴雨量最大，東山站次之，天生橋閘站、江寧鎮(zhèn)站和高淳站年平均降水量最少。主城區(qū)暴雨偏多與城市熱島效應(yīng)的疊加影響有關(guān)，城市中心氣溫高，下墊面向近地層輸送熱量較為強(qiáng)烈，對(duì)流加強(qiáng)，更易發(fā)生強(qiáng)度大的降雨。暴雨次數(shù)的空間分布與多年平均暴雨量分布相似。六合站和高淳站暴雨次數(shù)最大，江寧鎮(zhèn)站暴雨次數(shù)最少。多年平均暴雨量最大的南京站為182次，相對(duì)偏少，表明與其他雨量站相比，南京站代表的主城區(qū)平均暴雨強(qiáng)度更大。

表1 各雨量站1985—2015年多年平均暴雨量及暴雨次數(shù)

2.2 不同歷時(shí)年最大降水量變化趨勢(shì)

選取代表主城區(qū)的南京站和位于南京地區(qū)南部的高淳站以及位于北部的六合站，統(tǒng)計(jì)1985—2015年歷年最大1 h、3 h、6 h、12 h和24 h降水量，結(jié)果如圖3所示。3站不同歷時(shí)年最大降水量總體呈現(xiàn)出先增加、后略有減少的趨勢(shì)。表2為1985—2015年3站不同歷時(shí)年最大降水量的特征值統(tǒng)計(jì)。M-K檢驗(yàn)結(jié)果表明，南京站最大1 h、3 h、6 h、12 h和24 h雨量都呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，其中最大1 h雨量、最大24 h雨量的M-K值分別為1.66和1.67，通過了置信度95%的顯著性檢驗(yàn)，最大3 h、6 h和12 h雨量的M-K值分別為1.33、1.39和1.34，通過了置信度90%的顯著性檢驗(yàn)。六合站和高淳站的最大1 h年降水量呈略減少的趨勢(shì)，其余歷時(shí)年最大降水量呈不同程度的增加趨勢(shì)，但都未通過置信度90%的顯著性檢驗(yàn)。可以看出，除最大1 h雨量外，南京站其余歷時(shí)年最大雨量的最大值明顯高于高淳站和六合站，且南京站不同歷時(shí)年最大雨量的平均值都明顯大于其余兩站，這表明南京主城區(qū)的降雨強(qiáng)度明顯高于其他地區(qū)，應(yīng)對(duì)暴雨內(nèi)澇的壓力更大。

圖3 1985—2015年3站歷年年最大降水量

2.3 雨強(qiáng)變化規(guī)律

圖4為南京站和江寧鎮(zhèn)站不同強(qiáng)度暴雨分布。1985—2015年南京站出現(xiàn)弱暴雨111次、中暴雨48次和強(qiáng)暴雨23次，分別占61.0%、26.4%和12.6%。1月、2月、11月和12月沒有出現(xiàn)暴雨，暴雨主要集中在5—9月，其中弱暴雨次數(shù)占比始終最多，中暴雨次之，強(qiáng)暴雨最少。中暴雨主要出現(xiàn)在6—9月，7月次數(shù)占比最多。強(qiáng)暴雨主要出現(xiàn)在6—8月，其中7月次數(shù)占比最多，6月次之。對(duì)比南京站的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，江寧鎮(zhèn)站弱暴雨占總暴雨次數(shù)的比例更大，中暴雨占比相近，而強(qiáng)暴雨占比明顯偏少。分析兩站年內(nèi)分布特征，6—7月南京站弱暴雨次數(shù)占比略有減少，中暴雨占比略有增加，而江寧鎮(zhèn)站與之相反，弱暴雨占比明顯增加，中暴雨占比略有減少，這表明當(dāng)南京地區(qū)進(jìn)入汛期后，南京市中心更易出現(xiàn)高強(qiáng)度的暴雨。

圖4 南京站和江寧鎮(zhèn)站不同強(qiáng)度暴雨分布

表2 3站1985—2015年不同歷時(shí)年最大降水量特征值統(tǒng)計(jì)

圖5為南京站不同強(qiáng)度暴雨次數(shù)5年滑動(dòng)平均曲線。南京主城區(qū)的年均暴雨次數(shù)波動(dòng)較大，1985—1996年主城區(qū)總暴雨、弱暴雨和中暴雨次數(shù)都呈現(xiàn)明顯的減少趨勢(shì)，1996年后整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中弱暴雨和總暴雨的變化趨勢(shì)基本一致。強(qiáng)暴雨1985—2015年一直呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。為進(jìn)一步分析不同強(qiáng)度暴雨的變化趨勢(shì)，對(duì)比不同站點(diǎn)差異，對(duì)7個(gè)雨量站不同強(qiáng)度暴雨次數(shù)進(jìn)行M-K統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。由表3可見，對(duì)于弱暴雨，除江寧站M-K值大于0，弱暴雨次數(shù)略有增加外，其余雨量站的弱暴雨次數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，但M-K值絕對(duì)值都未超過1.28，未通過置信度90%的顯著性檢驗(yàn)。對(duì)于中暴雨，南京站中暴雨次數(shù)呈略微減少趨勢(shì)，曉橋站中暴雨次數(shù)的M-K值為1.73，增加顯著，其余雨量站中暴雨次數(shù)略有增加。各站強(qiáng)暴雨次數(shù)都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中南京站的M-K值為2.57，通過了置信度99%的顯著性檢驗(yàn)，東山站和六合站的M-K值分別為2.21和1.70，通過了置信度95%的顯著性檢驗(yàn)。南京地區(qū)整體的暴雨強(qiáng)度呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)，且代表主城區(qū)的南京站和靠近水域的六合站、東山站的強(qiáng)暴雨增加趨勢(shì)相較于其他站點(diǎn)更為明顯。

圖5 南京站不同強(qiáng)度暴雨5年滑動(dòng)平均曲線

表3 各雨量站不同強(qiáng)度暴雨次數(shù)M-K值

雨量站弱暴雨中暴雨強(qiáng)暴雨南 京-0.83-0.372.57東 山-1.020.322.21曉 橋-0.461.731.04江寧鎮(zhèn)0.080.610.48六 合-0.490.901.70天生橋閘-0.920.200.90高 淳-0.420.850.42

圖6為南京站1985—2015年不同強(qiáng)度暴雨小波方差圖，圖中方差越大表示波動(dòng)能量越大，即相應(yīng)的周期性越明顯。南京站弱暴雨豐枯變化周期分別為3年、8年和14年，其中14年的周期震蕩最為劇烈，為第一主周期。中暴雨的豐枯變化周期分別為3年、4年和8年，8年左右的周期震蕩最為劇烈，為第一主周期。強(qiáng)暴雨豐枯變化周期分別為3年、8年和18年，其中3年的周期震蕩最為劇烈，為第一主周期。南京站總暴雨的豐枯變化周期分別為3年、4年、6年和14年，3年周期震蕩最劇烈，為第一主周期。

圖6 南京站不同強(qiáng)度暴雨小波方差

2.4 歷時(shí)變化規(guī)律

圖7為南京站和江寧鎮(zhèn)站不同歷時(shí)暴雨分布。1985—2015年南京站特短暴雨出現(xiàn)30次、短暴雨出現(xiàn)68次、一般暴雨出現(xiàn)5次、長(zhǎng)暴雨出現(xiàn)4次、特長(zhǎng)暴雨出現(xiàn)4次。一般暴雨最多，占41.2%，短暴雨和特短暴雨分別占37.4%和16.5%，而長(zhǎng)暴雨和特長(zhǎng)暴雨共僅占4.7%，南京主城區(qū)的大部分暴雨過程持續(xù)時(shí)間不超過1 d。

圖7 南京站和江寧鎮(zhèn)站不同歷時(shí)暴雨分布

由圖7可見，南京站3、4月僅出現(xiàn)了短暴雨,在暴雨集中出現(xiàn)的5—9月，7、8月短暴雨占比最多，其余月份一般暴雨占比最多。6—8月特短暴雨占比逐漸增加，一般暴雨占比減少，一般歷時(shí)以上暴雨的比例明顯下降。與南京站相比，江寧鎮(zhèn)站特短暴雨和短暴雨占總暴雨次數(shù)的比例明顯更少，一般暴雨和長(zhǎng)暴雨占比更多，特長(zhǎng)暴雨占比相近。與南京站相比，5—9月江寧鎮(zhèn)長(zhǎng)暴雨出現(xiàn)更多，主要集中在6—7月，此時(shí)一般暴雨也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。可以看出，當(dāng)南京地區(qū)進(jìn)入汛期時(shí)，相較于江寧鎮(zhèn)，城市化程度更高的市中心區(qū)域出現(xiàn)的暴雨歷時(shí)更短。

圖8為南京站不同歷時(shí)暴雨次數(shù)5年滑動(dòng)平均曲線。可以看出，南京主城區(qū)以一般暴雨和短暴雨為主，且呈現(xiàn)暴雨歷時(shí)縮短的趨勢(shì)。1985—1996年，特短暴雨、短暴雨和一般暴雨都呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中一般暴雨減少趨勢(shì)顯著。1996年后，一般暴雨年平均次數(shù)變化不大，特短暴雨年平均次數(shù)整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，短暴雨年平均次數(shù)先顯著增加后呈略減少趨勢(shì)。長(zhǎng)暴雨和特長(zhǎng)暴雨出現(xiàn)次數(shù)極少，年平均次數(shù)都少于0.5。

圖8 南京站不同歷時(shí)暴雨次數(shù)5年滑動(dòng)平均曲線

因各雨量站長(zhǎng)暴雨和特長(zhǎng)暴雨的出現(xiàn)次數(shù)極少，故只對(duì)各站特短暴雨、短暴雨和一般暴雨進(jìn)行M-K檢驗(yàn)，結(jié)果見表4。對(duì)于特短暴雨，各站統(tǒng)計(jì)量都大于0，呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。其中南京站和六合站的M-K值分別為1.87和1.64，通過了95%的顯著性檢驗(yàn)，東山站和曉橋站的M-K值分別為1.56和1.46，通過了90%的顯著性檢驗(yàn)，特短暴雨次數(shù)增加趨勢(shì)顯著。對(duì)于短暴雨和一般暴雨，各站的M-K值絕對(duì)值都未超過1.28，未通過90%的顯著性檢驗(yàn)，增加或減少趨勢(shì)都不明顯?？梢钥闯觯暇┑貐^(qū)短暴雨和一般暴雨次數(shù)沒有明顯的增減變化，但特短暴雨整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中代表主城區(qū)的南京站和靠近水系的六合站、東山站、曉橋站相較于其他站點(diǎn)弱暴雨增加趨勢(shì)更顯著。

表4 各雨量站不同歷時(shí)暴雨次數(shù)的M-K值

1985—2015年南京地區(qū)長(zhǎng)暴雨和特長(zhǎng)暴雨出現(xiàn)次數(shù)極少，只對(duì)特短暴雨、短暴雨和一般暴雨進(jìn)行小波分析。圖9為南京站不同歷時(shí)暴雨的小波方差，南京站特短暴雨存在3年、4年及14年左右的豐枯周期變化，其中3年左右的周期震蕩能量最強(qiáng)，為第一主周期。短暴雨存在3年和15年的豐枯周期變化，其中3年左右的周期震蕩能量最強(qiáng)，為第一主周期，15年的周期震蕩能量與3年周期的震蕩能量相近。一般暴雨存在3年、5年和12年的左右的豐枯周期變化，其中3年左右的周期震蕩能量最強(qiáng)，為第一主周期。

圖9 南京站不同歷時(shí)暴雨小波方差

2.5 雨型特征

雨型特征判斷采用常用的模糊識(shí)別法，將12 h暴雨雨型劃分為單峰型、均勻型(Ⅳ型)和雙峰型，其中單峰型又分為前單峰(Ⅰ型)、后單峰(Ⅱ型)和中單峰(Ⅲ型)，雙峰型分為前后相等的雙峰(Ⅴ型)、前后不等的雙峰(Ⅵ型)和中后雙峰(Ⅶ型)。各站雨型統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5(受原始數(shù)據(jù)限制，江寧鎮(zhèn)站未統(tǒng)計(jì)雨型)。南京地區(qū)歷時(shí)12h暴雨雨型以單峰為主，占67.86%；雙峰型次之，占20.65%；均勻型最少，只占11.48%。7種雨型中，出現(xiàn)頻數(shù)排在前3位的雨型分別為Ⅲ型、Ⅱ型和Ⅰ型，均為單峰型暴雨。在單峰雨型中，雨峰在后部所占的比例最大，約占單峰雨型總數(shù)的38%，其次是前單峰和中單峰。在雙峰雨型中，雨峰在前后兩頭的所占比例最大，約占雙峰雨型的46%，雨峰在中間的最少。同時(shí)，對(duì)比各雨量站的單峰型暴雨可以發(fā)現(xiàn)，位于南京地區(qū)北部的南京站、六合站的Ⅰ型暴雨明顯多于Ⅲ型暴雨，而位于南京地區(qū)南部的東山站、高淳站和天生橋閘站的Ⅲ型暴雨明顯多于Ⅰ型暴雨。單峰型暴雨雨量集中，特別是雨峰在后部的暴雨，對(duì)區(qū)域除澇和城市排水的影響更大，容易引起農(nóng)田受淹和城市大面積積水。

表5 各雨量站12 h暴雨雨型

3 結(jié) 論

a. 南京地區(qū)暴雨時(shí)空分布不均性顯著。暴雨主要集中在6～8月，其中7月暴雨最多。市區(qū)年暴雨量和暴雨次數(shù)明顯多于郊區(qū)。

b. 南京地區(qū)不同歷時(shí)年最大降雨量總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且主城區(qū)增加趨勢(shì)最為顯著，其中最大3 h、6 h和12 h雨量通過了置信度90%的M-K顯著性檢驗(yàn)，最大1 h、24 h雨量通過了置信度95%的M-K顯著性檢驗(yàn)；主城區(qū)的多年平均值明顯高于其他區(qū)域。

c. 南京地區(qū)以弱暴雨、一般暴雨為主，但易引起內(nèi)澇的短歷時(shí)、高強(qiáng)度暴雨頻次呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且主城區(qū)比其他行政區(qū)的增加趨勢(shì)更顯著，面臨的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)更大。

d. 南京主城區(qū)的弱暴雨、中暴雨、強(qiáng)暴雨分別具有14年、8年和3年的豐枯變化周期；特短暴雨、短暴雨和一般暴雨均具有3年左右的豐枯變化周期；主城區(qū)總暴雨次數(shù)同樣也具有3年的豐枯變化周期。

e. 南京地區(qū)歷時(shí)12h暴雨以容易引起內(nèi)澇的單峰型雨型為主，其中單峰型中Ⅲ型(中單峰)暴雨最多。從空間分布看，南京北部Ⅰ型(前單峰)暴雨偏多，而南部Ⅲ型(中單峰)暴雨偏多。