封開縣暴雨氣候特征分析及重現(xiàn)期雨量計算

吳桂明

摘要：利用1972-2018年封開縣逐日降水資料，采用線性傾向估計、Mann-Kendall、滑動T檢驗及小波分析等方法，對封開縣暴雨的氣候特征及變化規(guī)律進行分析，結(jié)果表明：封開縣全年均可出現(xiàn)暴雨，暴雨主要集中出現(xiàn)在4月到7月份，占到暴雨總?cè)諗?shù)的66.5%;封開縣近47年的年平均暴雨日數(shù)為4.3d，年暴雨量為298.4mm，年暴雨強度為69.1mm/d，暴雨洪澇貢獻率為19.6%。暴雨日數(shù)的年際變化較大，最多年份暴雨日數(shù)為8d，最小的年份為1d，年暴雨日數(shù)以0.205d/10a的速率減少。近47年封開縣封開縣暴雨初日的日期為上升趨勢;終日的日期為下降趨勢，但變化都不明顯;年暴雨日數(shù)、暴雨量、暴雨貢獻率呈現(xiàn)減少趨勢，暴雨強度呈現(xiàn)增加趨勢，但減少和增加趨勢都不明顯;暴雨日數(shù)、暴雨量、暴雨強度、暴雨貢獻率均沒有發(fā)生明顯突變;年暴雨日數(shù)和年暴雨量分別都存在準(zhǔn)4-6a和準(zhǔn)24-26a的振蕩周期。重現(xiàn)期計算中，封開50a一遇的最大日降水量為161.8mm，100a一遇的最大日降水量為179.7mm。

關(guān)鍵詞：暴雨;趨勢分析;特征分析;Mann-Kendall檢驗;滑動T檢驗

封開縣屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，受到季候風(fēng)影響，太陽輻射強，光照充足，雨量充沛，氣候溫暖，冬短夏長，無霜期長;年雨量較充足，但年際間變率大;雨熱同季，但由于干季和濕季的差異明顯，常導(dǎo)致在汛期期間出現(xiàn)不同程度的洪澇，而在冬、春季容易出現(xiàn)干旱，俗稱“十年有九旱”。為了做好科學(xué)的蓄水工作，預(yù)防出現(xiàn)冬春季節(jié)性干旱缺水，首先需要做短期氣候預(yù)測，其次更需要對封開縣降雨的氣候特征做深入的分析研究，降雨量的多年一遇的特大降水，以及暴雨的氣候變化趨勢等。國內(nèi)在暴雨的氣候特征及暴雨多年一遇極值方面已有不少研究，如王麗文對珠海市年雨量和年最大日雨量多年一遇的極值進行計算統(tǒng)計，得出了珠海市20年一遇的估算年最大日雨量是455mm，30年一遇是503mm，50年一遇是565mm，100年一遇的則是648mm等結(jié)論作為參考。董國業(yè)等分析近51年廣東暴雨的氣候特征發(fā)現(xiàn)，暴雨雨量有明顯的年際變化。楊水泉用極值分布計算過黔南各縣市最大降雨量的重現(xiàn)期，得出了都勻、羅甸等地的50年、100年、200年一遇的降雨量。本文利用封開縣1972～2018年的降水資料，對封開縣暴雨的氣候特征以及極端降水的重現(xiàn)期進行分析，以期為當(dāng)?shù)卣罏?zāi)減災(zāi)工作、防汛抗洪等都具有重要的現(xiàn)實意義參考依據(jù)。

1 資料與方法

采用1972～2018年封開縣國家基本站逐日降水量資料，按照廣東省降水強度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，以24h（20：00～次日20：00）日降水量R≥50mm統(tǒng)計為一個暴雨日，R≥100mm統(tǒng)計為一個大暴雨日，R≥250mm統(tǒng)計為一個特大暴雨日。暴雨降水量為暴雨以上的降水量之和，暴雨強度定義為暴雨量與同時段暴雨日數(shù)之比，暴雨貢獻率定義為暴雨以上降水總量與年總降水量之比。本文利用線性趨勢系數(shù)進行相關(guān)性檢驗、采用Mann-Kendall檢驗法進行暴雨日數(shù)、暴雨強度、暴雨貢獻率突變檢驗，Morlet小波法進行暴雨日數(shù)、暴雨量周期分析，并用指數(shù)（Exponential）曲線分布理論計算不同重現(xiàn)期的降水極值。

2 暴雨特征分析

2.1 月暴雨日數(shù)

圖1可知封開縣暴雨日數(shù)存在明顯的月變化，呈現(xiàn)單峰型，3月開始為暴雨的突增期，11月為暴雨的陡減期。封開縣6月份暴雨日數(shù)最多，其后是5月、7月和4月，暴雨主要集中出現(xiàn)在4月到7月份，占到暴雨總?cè)諗?shù)的66.5%。近47a，封開前汛期（4到6月）出現(xiàn)暴雨頻次共109d，占全年暴雨日數(shù)的53.7%，其中大暴雨7d，特大暴雨0d;后汛期（7到9月）出現(xiàn)暴雨頻次共58d，占全年暴雨日數(shù)的28.6%，其中大暴雨8d，特大暴雨0d;暴雨主要出現(xiàn)在前汛期，大暴雨在前汛期和后汛期出現(xiàn)次數(shù)相當(dāng)。

2.2 年暴雨日數(shù)

1972-2018年封開縣年平均暴雨日數(shù)為4.3d。從圖2（圖略）中可知，封開縣暴雨日數(shù)年際差較為明顯，1976年、1996年和2013年暴雨日數(shù)最多達到8d，最少為1977年、1989年、1990年、1999年和2014年都為1d，暴雨日數(shù)最多年和最少年相差7d。近47a來，封開縣年暴雨日數(shù)以0.205d/10a的速率減少，在通過線性傾向估計，利用最小二乘法，得出復(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.142，小于查表值r0.05=0.27594，表示未通過α=0.05的顯著性水平檢驗，減少趨勢不明顯。從暴雨五年滑動平均值趨勢分析來看，封開縣暴雨日數(shù)出現(xiàn)了3次波動，分別在1976年、1996年和2013年達到波峰;在1997年、1989年、和2014年達到波谷，從而也表明封開暴雨日數(shù)變化存在15到16年的一個波動周期。

2.3 年暴雨量

通過數(shù)據(jù)分析可得近47年以來封開縣平均年暴雨量為298.4mm，年暴雨量1989年和1990年最少，為55.9mm，2013年最多，為619.2mm，兩者相差563.3mm。從圖3中可知，暴雨量線性傾向方程b=-1.4147為負值，表明暴雨量有減少的趨勢，但沒有通過α=0.05水平信度檢驗，說明暴雨量減少趨勢不明顯。通過暴雨量5年滑動平均變化可知，主要存在4個明顯的多暴雨期和5個少暴雨期，4個多暴雨期分別為20世紀(jì)70年代中期、20世紀(jì)80年代初期、20世紀(jì)90年代中后期、21世紀(jì)10年代初期;5個少暴雨期分別為20世紀(jì)70年代后期、20世紀(jì)90年代初期、20世紀(jì)90年代后期、21世紀(jì)00年代后期、21世紀(jì)10年代中期。從年代際暴雨量來看，1972—2018年封開縣年暴雨量變化趨勢為14.14mm/10a，47年來年暴雨量減少了66.5mm。

2.4 年暴雨強度

近47年來，封開縣年暴雨強度平均值為69.1mm/d，最大值為104.3mm/d（2014年），最小值52.8mm/d（2007年）。從圖4可知，年暴雨強度呈現(xiàn)多波動變化，并且根據(jù)線性傾向方程可知封開縣年平均暴雨強度呈增加的趨勢，但未通過α=0.05的顯著性檢驗，表明暴雨強度增加趨勢不明顯。從五年滑動平均變化可知，20世紀(jì)80年代初期到中期暴雨強度處于偏強階段;20世紀(jì)80年代后期到21世紀(jì)10年代初期暴雨強度處于偏弱階段;21世紀(jì)中期暴雨強度處于偏強階段。近47年封開縣暴雨強度變化可知，大致變化為2個偏強階段，1 個偏弱階段。

2.5 年暴雨貢獻率

為研究暴雨在總降水中的作用，暴雨貢獻率可反映暴雨對洪澇的貢獻大小，貢獻率越大說明暴雨越集中，更容易發(fā)生洪澇。1972—2018年封開縣暴雨洪澇貢獻率年平均為19.6%，接近占總降水的四分之一，暴雨貢獻率最大達38.5%（1976年），最小為4.1%（1990年）。從圖5可知，封開縣年暴雨貢獻率呈微弱的減少趨勢，但未通過α=0.05的顯著性檢驗，表明暴雨貢獻率減少趨勢不明顯。從五年滑動平均變化可知，1972—2018年封開縣暴雨洪澇貢獻率呈波動變化（圖5），4個波峰分別出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代中期、80年代初期到中期、90年代中期和21世紀(jì)10年代初期;4個波谷分別在1977年、1990年、1999年和2014年。

2.6 年暴雨初日和終日變化

近47年封開縣暴雨的初終日和初日主要集中出現(xiàn)在4月，最早出現(xiàn)在1月3日（1992年），最遲出現(xiàn)在11月16日（1990年），平均初日為4月28日;暴雨終日最早出現(xiàn)在3月30日（2014年），最晚終日出現(xiàn)在12月16日（2013年），平均終日為8月22日。圖6可知，1972-2018年封開縣暴雨初日的日期為上升趨勢;終日的日期為下降趨勢，但變化的速度都較小，相關(guān)系數(shù)均未通過了置信度=0.05的顯著性水平檢驗，說明暴雨初終日變化不明顯。

3 周期變化

3.1 突變分析

Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法（簡稱M-K）是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，優(yōu)點在于不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制出UF和UB曲線圖，然后據(jù)圖進行分析。UF或UB大于0，說明序列呈上升趨勢;反之，小于0，說明序列呈下降趨勢。如果UF或UB超過臨界值線（α=0.05的水平臨界值±1.96），則表明上升或下降趨勢顯著，超出的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。若兩者在臨界值內(nèi)有交點，則該交點為突變開始的時間。如果檢驗出現(xiàn)多個突變點或者突變點在置信區(qū)外的時候，使用滑動T檢驗法，對上述突變點進行檢驗，檢驗中子序列長度分別為5、10、15a和20a來分析是否通過α=0.01信度檢驗，從而判斷真正的突變開始時間。

從圖7（a）中的UF和UB曲線可知，存在多個交點，暴雨日數(shù)呈波動變化，在顯著性水平α=0.05的臨界線內(nèi)有10個交點，說明在這10年暴雨日數(shù)可能發(fā)生突變，經(jīng)滑動T檢驗進一步檢驗，當(dāng)子序列n（5a、10a、15a、20a）時，這些突變點都沒超過99%的置信水平，表明暴雨日數(shù)近47年變化中未發(fā)生顯著突變。從圖7（b）封開縣暴雨量M-K突變檢驗中可知，UF和UB曲線存在10個交點，說明暴雨量在這10年可能發(fā)生突變，經(jīng)滑動T檢驗進一步檢驗，當(dāng)子序列n（5、10、15、20a）時，這些突變點都沒超過99%的置信水平，表明暴雨量近47年變化中未發(fā)生顯著突變。從圖7（c）封開縣暴雨強度M-K突變檢驗中可知，UF和UB曲線存在19個交點，同樣經(jīng)滑動T進一步檢驗，當(dāng)子序列n（5、10、15、20a）時，這些突變點都沒超過99%的置信水平，表明暴雨量近47年變化中未發(fā)生顯著突變。從圖7（d）封開縣暴雨貢獻率M-K突變檢驗中可知，UF和UB曲線存在6個交點，進一步通過滑動T檢驗，當(dāng)子序列n（5、10、15、20a）時，這些突變點都沒超過99%的置信水平，表明暴雨量近47年變化中未發(fā)生顯著突變。總體說明封開縣近47年暴雨日數(shù)、暴雨量、暴雨強度和暴雨貢獻率均沒有發(fā)生明顯突變。

3.2 小波分析

基于上述對暴雨日數(shù)和暴雨量的趨勢變化分析，利用小波變化方法對氣象要素的年際變化進行了周期分析。圖示中白色區(qū)域為低值中心，紅色區(qū)域為高值中心，分別代表了暴雨日數(shù)和暴雨量的增多和減少趨勢。1972年到2018年，封開縣暴雨日數(shù)和暴雨量都存在著“少一多-少”震蕩周期變化。

圖8中可知，暴雨日數(shù)和暴雨量的小波實部在尺度、時空分布上都比較相似。暴雨日數(shù)（圖8a）存24-26a的長周期特征，20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)00年代存在較明顯10-14a周期特征，準(zhǔn)4-6a年的周期特征貫穿整個時間段。暴雨量（圖8b）在20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)00年代存在24-26a的長周期，同樣在20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)00年代存在較明顯12-14a周期特征，準(zhǔn)4-6a年的周期為主尺度。

4 重現(xiàn)期變化

近47年來，封開最大日降水量為149.0mm，通過指數(shù)曲線分布理論，計算最大日降水量a、b值分別為59.31、61.04，取重現(xiàn)期t=5、10、15、20、30、50、100、150、200，計算封開最大日降水量的設(shè)計氣候極值結(jié)果見表1。

由表1可知，封開縣5年一遇的最大日降水量是102.5mm，10年一遇的是120.4mm，50年一遇的是161.8mm，100年一遇的則是179.7mm，200年一遇的則是197.5mm。用實況資料對比計算可知，如果降水量是120mm以上，則估算重現(xiàn)期為9.8年，實測值中封開47年來共出現(xiàn)5次120mm以上的日降水量，平均9.7年1次，與估算值幾乎一致;如果日降水量是90mm，實測值中平均2.2年1次，略低于估算的重現(xiàn)期3.0年1次;如果日降水量是80mm，平均1.7年1次，略低于估算的重現(xiàn)期2.0年1次。從而可知用指數(shù)分布函數(shù)來估算的重現(xiàn)期與封開實際的重現(xiàn)期大體相近，表明此方法是可用的，并且參考價值高。

5 結(jié)論

（1）封開縣全年均有暴雨出現(xiàn)，6月份暴雨日數(shù)最多，其后是5月、7月和4月;近47a，封開前汛期（4到6月）出現(xiàn)暴雨頻次共109d，占全年暴雨日數(shù)的53.7%;后汛期（7到9月）出現(xiàn)暴雨頻次共58d，占全年暴雨日數(shù)的28.6%;大暴雨日數(shù)主要集中在6到9月，占全年大暴雨總?cè)諗?shù)的66.7%，特大暴雨日數(shù)0d。