福建省短歷時強(qiáng)降水氣候變化特征分析*

楊麗慧 吳 濱 白 龍 陳 立

(福建省氣候中心，福建 福州 350001)

1 概述

近年來，受全球氣候變化影響，極端暴雨事件頻繁發(fā)生，加之城市排水防澇標(biāo)準(zhǔn)偏低，調(diào)蓄雨洪和應(yīng)急管理能力不足，面對極端強(qiáng)降水天氣，很多城市頻繁出現(xiàn)了嚴(yán)重的暴雨內(nèi)澇災(zāi)害，極端暴雨事件逐漸引起了國內(nèi)外研究者的重視[1-2]。暴雨洪澇災(zāi)害已危及城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和公眾的正常生活，成為影響城市建設(shè)安全、經(jīng)濟(jì)社會平穩(wěn)發(fā)展與居民生活安定的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一[3]。福建省位于歐亞大陸東南邊緣，地處亞熱帶南沿，經(jīng)常受到熱帶氣旋的影響，每年登陸中國的臺風(fēng)中約70%會對福建產(chǎn)生影響，據(jù)統(tǒng)計，近100年來福建平均每年登陸臺風(fēng)2個，影響臺風(fēng)3個[4]。近年來隨著氣候變化，福建省暴雨、大暴雨呈日數(shù)增多、強(qiáng)度增強(qiáng)趨勢，而極端降水往往多集中在短歷時，如2005年10月2～4日“龍王”臺風(fēng)影響期間，福州市區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的內(nèi)澇，其中30分鐘雨量就達(dá)62.6mm，1小時的雨量達(dá)119.9mm，24小時雨量243.8mm。2011年8月30～9月2日，“南瑪都”熱帶風(fēng)暴造成莆田市1小時降水達(dá)75.4mm，6小時降水達(dá)295.7mm，莆田市受淹嚴(yán)重。因此，研究福建省短歷時強(qiáng)降水的特征對于完善城市排澇設(shè)計具有重要作用。

目前，短歷時強(qiáng)降雨研究多集中于暴雨強(qiáng)度公式的推算、小時及以上強(qiáng)降水特征和趨勢等方面[5-7]，姚莉等[6]基于我國1991—2005年逐小時降水觀測資料對東部地區(qū)雨強(qiáng)的研究表明，華北北部雨強(qiáng)為40～50 mm/h，其個別地區(qū)達(dá)80～90 mm/h，是大暴雨出現(xiàn)最為頻繁的地區(qū)之一。吳濱[7]等分析了福建省1h、3h、6h、24h強(qiáng)降雨頻次的時空分布特征，陳奕[8]研究了福州市暴雨強(qiáng)度公式優(yōu)化工作。然而針對市政規(guī)劃、建設(shè)部門更加關(guān)心的、更短歷時的5min、10min、15min、20min、30min、45min強(qiáng)降水特征分析的研究報道罕見。因此，本文基于全省53個氣象站逐日逐分鐘降水資料，滑動計算構(gòu)建5min、10min、15min、20min、30min、45min等各歷時的極值序列，揭示福建省不同短歷時強(qiáng)降水氣候變化特征。

2 資料與方法

2.1 資料

文中選取1980-2014年福建省53個氣象站點(diǎn)的逐日逐分鐘降水資料， 滑動計算5min、10min、15min、20min、30min、45min、60min、180min各歷時最大降水量構(gòu)建極值序列，各臺站在2004年之前采用降水自記紙記錄逐分鐘降水資料(霞浦站2007年前)，之后采用自動站自動記錄逐分鐘降水資料。站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 選取站點(diǎn)分布特征

2.2 方法

(1)用一次線性方程[9]定量描述研究對象的變化趨勢，y= a0+ a1x，a1×10為每10年的傾向率(變化趨勢)。方程中的系數(shù)采用最小二乘法確定，并分別進(jìn)行線性趨勢的顯著性檢驗(yàn)。

(2)突變檢驗(yàn)均采用M-K突變檢驗(yàn)法[10]。

(3)應(yīng)用SPSS、Arcgis對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理、分析及繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 福建省不同短歷時強(qiáng)降水時空分布特征

3.1.1 不同短歷時強(qiáng)降水時間變化特征

分析福建省不同短歷時強(qiáng)降水年際變化特征得知(圖2)，5min-15min強(qiáng)降水的年際變化特征一致，均呈弱下降趨勢，20min-180min強(qiáng)降水的年際變化特征均呈弱上升趨勢。5min、10min、15min、20min、30min、45min、60min、180min年降水極值分別是33.2mm、43.1mm、56.3mm、72.8mm、104.1mm、145.8mm、179.4mm和286.2mm。從5年滑動平均(圖2)可知，5-15min強(qiáng)降水在上世紀(jì)80年代末至90年代中期略有下降，2000年至今有所上升；其余各歷時強(qiáng)降水在上世紀(jì)80年代至今出現(xiàn)先上升后下降再上升的變化。

圖2 福建省不同短歷時強(qiáng)降水的時間變化特征

3.1.2 不同短歷時強(qiáng)降水空間分布特征

從福建省不同短歷時強(qiáng)降水空間分布特征可見(圖3)，5min強(qiáng)降水主要集中在南部沿海(漳州區(qū)域)和西南部龍巖區(qū)域和東北部鷲峰山脈地區(qū)(周寧)；10min強(qiáng)降水集中在南部沿海、西南部地區(qū)范圍擴(kuò)大、中部戴云山脈部分區(qū)域和中部沿海地區(qū)(福州、長樂、福清)；15min和20min強(qiáng)降水特征同10min空間分布特征基本一致，強(qiáng)降水范圍逐步擴(kuò)大，南平部分區(qū)域和東北部沿海有所增強(qiáng)；45min強(qiáng)降水在福建省沿海范圍開始擴(kuò)大，西南部范圍逐漸減少；60min-180min時強(qiáng)降水區(qū)轉(zhuǎn)移至福建省整個沿海地區(qū)和福建西部的長汀地區(qū)。

圖3 福建省不同短歷時強(qiáng)降水空間分布特征

福建省內(nèi)陸區(qū)域短歷時強(qiáng)降水形成的天氣背景主要是由鋒面降水造成[10]， 結(jié)合福建省地形特征可知(圖4)，福建省西南部地區(qū)、中部地區(qū)主要受玳瑁山、博平嶺山脈和戴云山地形抬升作用影響，5min～20min歷時強(qiáng)降水主要分布在這些山脈附近；沿海強(qiáng)降水主要是臺風(fēng)引起的[10]，這主要是由于受鷲峰山脈、戴云山脈動力抬升影響，45min～180min歷時強(qiáng)降水主要分布南部沿海和中北部沿海區(qū)域。

圖4 福建省地形特征

3.2 福建省不同短歷時強(qiáng)降水突變特征分析

圖5(a)～(g)顯示了福建省各短歷時強(qiáng)降水的突變特征，從UF曲線可見，各歷時在1986年以前，UF值在0附近振蕩變化，之后均大于0，并逐漸增加，5min～10min均在2004年左右發(fā)生突變,但不顯著，20min～45min是在1996年左右發(fā)生突變性增加，60min歷時強(qiáng)降水在1998年左右發(fā)生突變性增加，180min在1999年左右發(fā)生突變。說明福建省更短歷時強(qiáng)降水經(jīng)歷了由振蕩變化到增高的趨勢轉(zhuǎn)變，進(jìn)入一個相對增高的階段。

圖5 福建省不同短歷時強(qiáng)降水突變特征分析

4 結(jié)論和討論

福建省不同短歷時強(qiáng)降水年際變化特征除:5～15min歷時降水極值呈微弱下降變化，其余各歷時強(qiáng)降水均呈略上升趨勢。各歷時年際變化具有明顯的階段性特點(diǎn)，均呈上升——降低——快速上升的態(tài)勢(5～15min除外)。突變分析表明，福建省各短歷時強(qiáng)降水均在20世紀(jì)90年代中末期發(fā)生突變性增加(5～10min除外)。近30多年來福建省更短歷時暴雨也進(jìn)入相對增強(qiáng)的階段，這與吳濱[10]等研究的福建省1h、3h、6h歷時暴雨增強(qiáng)結(jié)果一致。

福建省短歷時強(qiáng)降水空間分布受地形影響較大，5～45min更短歷時強(qiáng)降水中心分布特征同1h、3h和6h[10]有所不同，其中5min降水中心主要集中在福建省南部沿海、西南部博平嶺山脈地區(qū)和東北部鷲峰山脈地區(qū)；10min降水中心增加了中部沿海地區(qū)；隨著歷時的增大，強(qiáng)降水中心范圍逐步擴(kuò)大，15min和20min歷時范圍擴(kuò)大到南平部分區(qū)域和東北部沿海區(qū)域；45min歷時強(qiáng)降水在福建省沿海范圍開始擴(kuò)大，西南部范圍逐漸減少；60min-180min歷時強(qiáng)降水區(qū)轉(zhuǎn)移至福建省整個沿海地區(qū)和福建西部部分地區(qū)。