1963—2017年四川自貢市不同歷時(shí)年最大降水量變化特征

段修榮，羅 偉，郭海燕

(1.四川省自貢市氣象局，四川 自貢 643000；2.四川省氣候中心，四川 成都 610072；3.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610072)

引 言

以全球變暖為主的氣候變化已成為當(dāng)今世界最重要的環(huán)境問題之一，氣候變化必將引起全球水循環(huán)的變化，并對降水造成直接影響，引起水資源在時(shí)間和空間上的重新分配以及水資源總量的改變[1]。強(qiáng)降水是引發(fā)山洪地質(zhì)災(zāi)害、河流洪水、城市內(nèi)澇的直接原因之一。由于氣候變化、城市規(guī)模擴(kuò)大和人類活動(dòng)增多，強(qiáng)降水引發(fā)的各類災(zāi)害呈多發(fā)頻發(fā)趨勢，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對降水強(qiáng)度的變化已表現(xiàn)出極高的敏感性。為了應(yīng)對強(qiáng)降水引發(fā)的城市內(nèi)澇對城市健康發(fā)展、人民生命財(cái)產(chǎn)安全的影響，2014年5月4日，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、中國氣象局組織專家編制了《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》，明確要求暴雨強(qiáng)度公式編制所需的降水資料年限至少需要30 a以上，共11個(gè)降水歷時(shí)。因此，研究長時(shí)間序列的多歷時(shí)最大降水量變化特征，不僅可為暴雨強(qiáng)度公式修訂編制、城市排水防洪系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確可靠的技術(shù)支撐，同時(shí)為暴雨、山洪地質(zhì)災(zāi)害、城市內(nèi)澇的預(yù)警預(yù)報(bào)和防御提供氣候背景參考依據(jù)。

我國幅員遼闊，氣候復(fù)雜多樣，各區(qū)域降水特征差異明顯。近年來，為適應(yīng)防災(zāi)減災(zāi)和氣象服務(wù)的迫切需要，對不同歷時(shí)降水氣候特征和變化的研究逐漸開展起來。有研究表明，夏季中國中東部降水事件的平均歷時(shí)由南向北呈“短-長-短”分布型，華南和北方地區(qū)以6 h以下歷時(shí)降水為主，兩地區(qū)之間的中部地區(qū)(28°N—37°N)6 h以上歷時(shí)降水占總降水量60%以上[2]。近54 a來，廣東平均年、前汛期、后汛期小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)、強(qiáng)度、降水量和貢獻(xiàn)率均呈顯著增加趨勢[3]；江西短歷時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在4—9月，6月最多[4]；短歷時(shí)降水過程次數(shù)的極顯著減少是山東降水次數(shù)減少的主要原因[5]。中國西北地區(qū)東部1981—2012年夏季24 h歷時(shí)降水以小雨和中雨為主，夏季小雨、中雨日數(shù)和降水量呈明顯減少趨勢[6]；1960—2011年甘肅省降水量整體呈逐年減少趨勢，空間上由東南向西北遞減[7]，小時(shí)降水比率(某小時(shí)降水量占日降水量的百分比)低值集中在11:00—15:00，高值出現(xiàn)在20:00前后[8]；陜西汛期24 h極端降水閾值(95%分位數(shù))平均為33.4 mm，空間上以秦嶺為界，以南大部分站點(diǎn)高于該平均值，以北低于該平均值[9]。西南地區(qū)降水量整體呈“東多西少”分布特征，雅安和滇西南區(qū)為降水高值區(qū)[10]，該區(qū)域近50 a來平均小時(shí)雨強(qiáng)增大趨勢明顯[11]；四川盆地西部沿山一帶發(fā)生量級較大的小時(shí)降水概率高[12]，大于等于20 mm·h-1強(qiáng)降水高頻次區(qū)位于盆地西北部的龍山山脈、西南部雅安及樂山周圍與盆地過渡區(qū)[13]；重慶短歷時(shí)強(qiáng)降水呈西部和東南部偏大、東北部偏小的分布特征[14]；貴州汛期24 h極端降水閾值(95%分位數(shù))在南部和東北部地區(qū)較高，大于45.0 mm，西部和西北部較低，在35.0 mm左右[15]。上述對我國不同區(qū)域降水特征研究結(jié)果的不同也正說明了我國氣候的復(fù)雜多樣性，為全面、細(xì)致地了解中國降水氣候特征提供了有益參考。但以往研究選取的歷時(shí)長度主要以較短歷時(shí)或24 h為主，針對多種不同歷時(shí)降水量的變化特征進(jìn)行精細(xì)化研究較少，不能滿足防御城市內(nèi)澇和暴雨強(qiáng)度公式修訂編制的要求。

由于降水為非連續(xù)性變量，即使在同一類型氣候區(qū)域內(nèi)，不同地區(qū)降水也有很大差異。四川自貢市地處我國西南濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，夏季強(qiáng)降水發(fā)生頻繁，城市內(nèi)澇時(shí)有發(fā)生。原有的自貢市暴雨強(qiáng)度公式編制所用的資料年數(shù)僅有5 a，已不符合現(xiàn)在暴雨強(qiáng)度公式編制所需的降水資料年限至少30 a以上的要求。本文基于自貢市1963—2017年逐分鐘降水資料，構(gòu)建12個(gè)不同歷時(shí)年最大降水量序列，研究不同歷時(shí)年最大降水量的氣候特征，以期為暴雨強(qiáng)度公式修訂編制和城市排水防洪系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供全面、客觀和科學(xué)的技術(shù)支撐，為強(qiáng)降水的分析預(yù)警預(yù)報(bào)和城市排水防洪服務(wù)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

自貢市地處四川盆地南部，位于28°55′37″N—29°38′25″N、104°02′57″E—105°16′11″E之間，地勢由西北向東南傾斜，境內(nèi)大部屬于丘陵地貌，海拔為300～500 m，水系主要屬于岷江水系和沱江水系，轄區(qū)面積4381 km2。自貢市屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均年降水量為989 mm，年降水量年際差異大，最多可達(dá)1478 mm，最少僅605 mm，夏季(6—8月)降水量最多，占全年降水量的56%；年平均氣溫為17.9 ℃，年平均氣溫年際差異較小，最高為19.2 ℃，最低為17.1 ℃。暴雨和短歷時(shí)強(qiáng)降水是自貢市夏季的主要?dú)庀鬄?zāi)害，是引發(fā)城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害的主要因素。

1.2 資料及處理

數(shù)據(jù)包括自貢國家氣象觀測站(29°21′N、104°45′E，海拔387.8 m)1963—2001年共計(jì)39 a的自記紙降水?dāng)?shù)據(jù)和2002—2017年共計(jì)16 a的自動(dòng)氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)。其中1963—2001年的降水資料在降水自記紙的數(shù)字信息化過程中，已對降水自記紙的掃描、數(shù)據(jù)提取等進(jìn)行了嚴(yán)格質(zhì)量控制[16]，采用逐分鐘滑動(dòng)統(tǒng)計(jì)逐年各歷時(shí)降水量，采用年最大值法[17]在每年各歷時(shí)降水量中選取一個(gè)最大降水量值；2002—2017年歷時(shí)年最大降水量資料則從審核后的地面氣象記錄年報(bào)表中直接讀取。整理形成1963—2017年5、10、20、30 min和1、2、3、4、6、9、12、24 h共55 a年12個(gè)歷時(shí)年最大降水量數(shù)據(jù)。

1.3 方 法

設(shè)有一樣本x1，x2，x3，…，xn，則

(1)

(2)

式中：n為樣本容量，xi為樣本的第i個(gè)值，g1為樣本的偏度系數(shù)[18]，用來衡量隨機(jī)變量分布密度曲線形狀的參量，描述曲線峰點(diǎn)對期望值偏離的程度，g1>0表示正偏(右偏)，g1<0表示負(fù)偏(左偏)，g1越接近于0，說明數(shù)據(jù)越接近正態(tài)分布。

(3)

式中：g2為樣本的峰度系數(shù)[18]，是表示直方圖中“峰”的陡峭程度的一個(gè)量，g2>0表示直方圖中“峰”的坡度陡峭些；g2<0表示直方圖中“峰”的坡度平緩些。

2 不同歷時(shí)年最大降水量統(tǒng)計(jì)特征

2.1 年變化

表1列出1963—2017年四川省自貢市不同歷時(shí)年最大降水量逐月出現(xiàn)次數(shù)。可以看出，自貢市4和6 h年最大降水量出現(xiàn)時(shí)間最早為1971年4月30日，降水量分別為52.4 mm和55.1 mm；5和10 min年最大降水量最晚出現(xiàn)時(shí)間為1968年10月9日，降水量分別為4.3 mm和6.2 mm。近55 a12個(gè)歷時(shí)共有660次年最大降水量數(shù)據(jù)，夏季(6—8月)出現(xiàn)582次，占總次數(shù)的88%，其中7和8月最多，分別達(dá)217次和213次，共計(jì)430次，占總次數(shù)的65%；4、5、9和10月共出現(xiàn)78次，僅占總次數(shù)的12%，表明自貢市各歷時(shí)年最大降水量主要出現(xiàn)在夏季。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在7—8月出現(xiàn)5、10、20、30 min及1、2 h年最大降水量的次數(shù)占這6個(gè)歷時(shí)所有月份降水總次數(shù)的72%；3～24 h歷時(shí)降水主要出現(xiàn)在6—8月，每個(gè)月出現(xiàn)的次數(shù)大體相當(dāng)，共292次，占這6個(gè)歷時(shí)所有月份降水總次數(shù)的89%。自貢市不同歷時(shí)年最大降水量出現(xiàn)次數(shù)的逐月分布與毛冬艷等[19]分析的西南地區(qū)降水強(qiáng)度出現(xiàn)次數(shù)逐月分布特征相一致。

表1 1963—2017年自貢市不同歷時(shí)年最大降水量逐月出現(xiàn)次數(shù)Tab.1 The frequency of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province in each month during 1963-2017 單位：次

注：由于1—3月，11—12月不同歷時(shí)年最大降水量未出現(xiàn)，表中未列出

2.2 不同歷時(shí)年最大降水量日變化

將一天按早晨(05:00—08:00，北京時(shí)，下同)、上午(08:00—12:00)、中午(12:00—14:00)、下午(14:00—18:00)、傍晚(18:00—20:00)、前半夜(20:00—00:00)和后半夜(00:00—05:00)劃分為7個(gè)時(shí)段，分別統(tǒng)計(jì)各歷時(shí)年最大降水量開始時(shí)間在不同時(shí)段的出現(xiàn)次數(shù)(表2)?？梢钥闯?，前半夜和后半夜開始出現(xiàn)次數(shù)分別達(dá)199次和219次；傍晚和中午開始出現(xiàn)次數(shù)最少，分別僅有23次和25次。如果按夜間(20:00—08:00)和白天(08:00—20:00)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，則夜間開始出現(xiàn)488次，占總次數(shù)的74%，表明各歷時(shí)降水具有明顯的夜雨特征。有研究表明，中國夜雨現(xiàn)象站點(diǎn)多且分布廣，其中各歷時(shí)年最大降水量出現(xiàn)次數(shù)的峰值時(shí)間主要集中在夜間的最顯著區(qū)域是西南地區(qū)[20]；四川雨季夜雨占日降水量的百分比較大，且具有顯著的區(qū)域性差異，其中盆地西南部夜雨占日降水量的百分比最大[21]。

表2 1963—2017年自貢市不同歷時(shí)年最大降水開始時(shí)間在不同時(shí)段的出現(xiàn)次數(shù)Tab.2 The frequency of the begining time of annual maximum precipitation with different duration in different period in a day in Zigong City of Sichuan Province 單位：次

2.3 不同歷時(shí)年最大降水量統(tǒng)計(jì)特征

為了解各歷時(shí)年最大降水量的統(tǒng)計(jì)特征，給出各歷時(shí)年最大降水量統(tǒng)計(jì)特征值(表3)和頻數(shù)直方圖(圖1)?？梢钥闯觯瑲v時(shí)越短，年最大降水量的標(biāo)準(zhǔn)差越小、變異系數(shù)越小、偏度系數(shù)越小且為正偏、峰度系數(shù)越小。5、10和20 min年最大降水量的標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.74、4.57和7.63 mm，5和10 min年最大降水量的變異系數(shù)分別為0.27和0.27，10和20 min年最大降水量的偏度系數(shù)分別為0.38和0.59，10、20和30 min年最大降水量的峰度系數(shù)接近于零。即歷時(shí)越短的年最大降水量的離散程度越小，且為正偏，均值偏離樣本的最小值較近，偏離樣本的最大值較遠(yuǎn)，在直方圖中“峰”的坡度平緩些。歷時(shí)越長的年最大降水量的標(biāo)準(zhǔn)差越大、變異系數(shù)越大、偏度系數(shù)越大且為正偏、峰度系數(shù)越大。9、12和24 h年最大降水量的標(biāo)準(zhǔn)差分別為41.32、43.60和43.94 mm，9和12 h年最大降水量的變異系數(shù)分別為0.48和0.47，9、12和24 h年最大降水量的偏度系數(shù)分別為2.02、2.14和2.05，9、12和24 h年最大降水量的峰度系數(shù)分別為5.66、6.23和6.10。即歷時(shí)越長的年最大降水量的離散程度越大，且為正偏，均值偏離樣本的最小值較短歷時(shí)更近，偏離樣本的最大值較短歷時(shí)更遠(yuǎn)，在直方圖中“峰”的坡度相對陡峭。經(jīng)檢驗(yàn)，在0.05顯著性水平下，10、20、30 min和1 h年最大降水量近似遵從正態(tài)分布。2～24 h各歷時(shí)年最大降水量為57.2～100.5 mm，相鄰歷時(shí)年最大降水量平均值的差值均未超過10 mm，24 h與6 h的差值也僅有20 mm左右。雖然暴雨標(biāo)準(zhǔn)是24 h內(nèi)降水量≥50 mm，但暴雨過程中降水在時(shí)間上并非均勻分布，強(qiáng)降水往往集中在有限的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)。

2.4 不同歷時(shí)年最大降水量閾值確定

如果定義25%分位對應(yīng)的降水量為弱降水，75%分位對應(yīng)的降水量為強(qiáng)降水，95%分位對應(yīng)的降水量為極強(qiáng)降水，表4列出1963—2017四川省自貢市不同歷時(shí)年最大降水量閾值?？梢钥闯觯?5%的年份1 h年最大降水量可達(dá)34.9 mm以上，極大值可達(dá)105.7 mm；有75%的年份24 h年最大降水量可達(dá)70.4 mm以上，極大值可達(dá)302.0 mm。這表明，歷時(shí)不同，降水量等級閾值不同。例如，1 h年最大降水量的極強(qiáng)降水閾值可達(dá)85.4 mm，遠(yuǎn)超過中國氣象局1 h降水量≥20 mm的短時(shí)強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)①，極易引發(fā)城市內(nèi)澇、山洪地質(zhì)災(zāi)害；24 h年最大降水量的弱降水閾值為70.4 mm，雖然已經(jīng)超過24 h降水量≥50 mm的暴雨標(biāo)準(zhǔn)，但降水持續(xù)時(shí)間長，不一定會(huì)造成災(zāi)害，這種情況與在自貢市實(shí)際氣象監(jiān)測服務(wù)工作中遇到的情況相符。

表3 1963—2017年自貢市不同歷時(shí)年最大降水量統(tǒng)計(jì)特征Tab.3 Statistical characteristics of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

① 中國氣象局. 全國短時(shí)、臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)規(guī)定,2010.

圖1 1963—2017年四川省自貢市不同歷時(shí)年最大降水量頻數(shù)直方圖Fig.1 Frequency histogram of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

表4 1963—2017年四川省自貢市不同歷時(shí)年最大降水量閾值Tab.4 Threshold of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

2.5 不同歷時(shí)年最大降水量之間的相關(guān)性

定義相關(guān)系數(shù)在0.80～1.00之間為極強(qiáng)相關(guān)，在0.61～0.79之間為強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)≤0.60為中等程度或弱相關(guān)。通過計(jì)算各歷時(shí)年最大降水量之間的相關(guān)系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)歷時(shí)間隔越近，年最大降水量之間相關(guān)性越強(qiáng)；歷時(shí)間隔越遠(yuǎn)，年最大降水量之間的相關(guān)性越差。例如，5、10、20和30 min年最大降水量兩兩間均存在強(qiáng)相關(guān)，70%存在極強(qiáng)相關(guān)，1～24 h年最大降水量兩兩間均存在強(qiáng)相關(guān)，75%存在極強(qiáng)相關(guān)；而5 min分別與4、6、9、12、24 h降水量，10 min分別與3、4、6、9、12、24 h降水量，20 min分別與6、9、12、24 h降水量，30 min分別與9、12、24 h降水量之間的相關(guān)系數(shù)均低于0.60，為中等程度或弱相關(guān)。除5 min與24 h年最大降水量之間相關(guān)系數(shù)通過0.05的顯著性檢驗(yàn)外，其余各歷時(shí)年最大降水量之間的相關(guān)系數(shù)均通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，且均為正相關(guān)。

3 不同歷時(shí)年最大降水量變化特征

3.1 變化趨勢與突變分析

運(yùn)用線性傾向估計(jì)法[22]分析各歷時(shí)年最大降水量的變化趨勢，5 min和10 min年最大降水量呈弱下降趨勢，其余各歷時(shí)年最大降水量均呈弱上升趨勢，氣候傾向率均小于1 mm·(10 a)-1，各歷時(shí)年最大降水量的變化趨勢均不顯著。

圖2為1963—2017年自貢市1～24 h年最大降水量Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線。可以看出，1、2、3、4、6、9、12和24 h年最大降水量從2000年代初開始呈下降趨勢，突變點(diǎn)分別出現(xiàn)在2002、2002、2006、2002、2004、2003、2002、2000年，但均未通過0.05顯著性檢驗(yàn)。

3.2 年代際變化

表5列出1963—2017年自貢市不同歷時(shí)年最大降水量距平年代際變化?？梢钥闯觯?960年代、1970年代各歷時(shí)年最大降水量距平均為負(fù)值；1980年代、1990年代轉(zhuǎn)為正值；2000年代又轉(zhuǎn)為負(fù)值；2010年代大部分為負(fù)值。其中1960年代2～24 h以及2000年代各歷時(shí)年最大降水量距平最小，1980年代2～24 h以及1990年代各歷時(shí)年最大降水量距平最大。采用u檢驗(yàn)法[22]檢驗(yàn)?zāi)甏H變化的顯著性，發(fā)現(xiàn)1990年代5、10、30 min和1～4 h以及2000年代4 h年最大降水量的年代變化通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

3.3 不同歷時(shí)年最大降水量的階段性變化

運(yùn)用累積距平法[22]分析各歷時(shí)年最大降水量的階段性變化，累積距平曲線的上升段和下降段分別反映要素隨時(shí)間變化的增加和減少。圖3為1963—2017年四川省自貢市不同歷時(shí)年最大降水量累積距平曲線?？梢钥闯觯?和10 min年最大降水量在1970年代呈小幅波動(dòng)變化特征， 1980年代初到1990年代末呈增加趨勢， 2000年代初到2010年代末呈減少趨勢。20、30 min年最大降水量1960—1970年代末呈減少趨勢， 1980—1990年代末呈增加趨勢， 2000—2010年代初呈減少趨勢。1 h年最大降水量在1970—1990年代中期呈波動(dòng)變化， 1990年代中期到1990年代末呈增加趨勢， 2000年代初到2010年代初呈減少趨勢。2、3和4 h年最大降水量在1970年代初到1980年代中期呈波動(dòng)變化， 1980年代中期到1990年代末呈增加趨勢， 2000年代初到2010年代初呈減少趨勢。6、9、12和24 h年最大降水量在1960年代呈減少趨勢， 1970年代呈波動(dòng)變化，1980年代初到1990年代末總體呈增加趨勢，從2000年代初到2010年代初呈減少趨勢。

綜上所述，各歷時(shí)年最大降水量1980年代初到1990年代末呈增加趨勢，在1960年代初以及2000年代初到2010年代初均呈減少趨勢。

圖2 1963—2017年四川省自貢市1～24 h年最大降水量Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線Fig.2 Mann-Kendall statistical curves of annual maximum precipitation for 1-24 h duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

圖3 1963—2017年四川省自貢市不同歷時(shí)年最大降水量累積距平曲線Fig.3 Accumulative anomaly curves of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

表5 1963—2017年自貢市不同歷時(shí)年最大降水量距平年代際變化Tab.5 Interdecadal variation of annual maximum precipitation anomaly with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

注： *表示通過0.05顯著性檢驗(yàn)

4 結(jié)論與討論

(1)四川省自貢市各歷時(shí)年最大降水量集中出現(xiàn)在夏季(6—8月)，占各歷時(shí)年最大降水量總次數(shù)的88%；各歷時(shí)年最大降水量出現(xiàn)次數(shù)的峰值時(shí)間主要在夜間(20:00—08:00)，占總次數(shù)的74%，各歷時(shí)年最大降水的發(fā)生具有明顯的夜雨特性。

(2)隨著降水歷時(shí)的延長，各歷時(shí)年最大降水量的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、偏度系數(shù)、峰度系數(shù)逐步增大，即離散程度也逐步增大。各歷時(shí)年最大降水量均呈正偏態(tài)分布，且歷時(shí)越長均值偏離樣本的最小值較短歷時(shí)更近，偏離樣本的最大值較短歷時(shí)更遠(yuǎn)；10、20和30 min年最大降水量的峰度系數(shù)接近于零，“峰”的坡度平緩；9、12和24 h年最大降水量的峰度系數(shù)為5.66～6.23，“峰”的坡度相對陡峭；在0.05顯著性水平下，10、20、30 min和1 h年最大降水量近似遵從正態(tài)分布。

(3)1 h年最大降水量的極強(qiáng)降水閾值可達(dá)85.4 mm，遠(yuǎn)超過中國氣象局20 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)，極易引發(fā)城市內(nèi)澇、山洪地質(zhì)災(zāi)害等；24 h年最大降水量的弱降水閾值為70.4 mm，由于降水持續(xù)時(shí)間長，不一定會(huì)造成災(zāi)害。

(4)各歷時(shí)年最大降水量的年際變化趨勢均不顯著，但年代際變化明顯，各歷時(shí)年最大降水量在1960年代以及2000年代最小，在1980年代以及1990年代最大。

(5)1～24 h年最大降水量從2000年代初開始出現(xiàn)下降，并具有突變現(xiàn)象，但突變并不顯著。