上杭縣1961—2019年降水變化及重現(xiàn)期分析

李國(guó)景 鄧麗萍

(福建省龍巖市氣象局，福建 龍巖 364000)

全球氣候變化問(wèn)題是各國(guó)政府和社會(huì)公眾普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣候變化及其對(duì)各行各業(yè)影響的研究正在不斷深入。目前，我國(guó)對(duì)各地降水的變化特征已進(jìn)行了大量的研究。研究表明[1-6]，在全球氣候系統(tǒng)復(fù)雜變化背景下，我國(guó)氣候變化趨勢(shì)明顯，降水格局進(jìn)行了重大調(diào)整，我國(guó)不少地區(qū)的年降水日數(shù)在明顯減少，總降水量變化趨勢(shì)不明顯，但極端降水強(qiáng)度在增強(qiáng)。鄭禮新等[7]分析指出，福建省年降水變化有增加趨勢(shì)，尤其以中南部沿海地區(qū)增加趨勢(shì)明顯，而年雨日大范圍表現(xiàn)為減少趨勢(shì),而且小雨日減少明顯，暴雨及以上量級(jí)降水日數(shù)卻明顯增加。

上杭縣地處閩西的中心地帶，屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候。研究和分析上杭縣的降水變化特征，對(duì)于上杭縣防災(zāi)減災(zāi)，揭示上杭縣的氣候變化規(guī)律以及應(yīng)對(duì)氣候變化的影響有重要意義。為科學(xué)有效地利用水資源，本文采用耿貝爾分布理論方法[8-10]對(duì)上杭縣1961—2019年最大日降水量及年降水量的重現(xiàn)期進(jìn)行分析，以保障地方經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

選用上杭縣1961—2019年地面觀測(cè)的逐月平均降水量、逐月不同量級(jí)(≥0.1mm、≥10.0 mm、≥25.0 mm、≥50.0 mm、≥100.0 mm)的降水日數(shù)、日最大降水量等資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 分析方法

利用常規(guī)氣候統(tǒng)計(jì)方法，統(tǒng)計(jì)上杭縣1961—2019年降水特征并分析其演變趨勢(shì)。季節(jié)劃分：春季(3～6月)、夏季(7～9月)、秋季(10～11月)、冬季(12月～次年2月)。汛期：4～9月。降水等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(r為24h降水量，單位：mm)：0.1≤r<10.0，小雨；10.0≤r<25.0，中雨；25.0≤r<50.0，大雨；50.0≤r<100.0，暴雨；100.0≤r<250.0，大暴雨。

應(yīng)用耿貝爾極值Ⅰ型分布理論計(jì)算不同重現(xiàn)期的理論降水量。通過(guò)耿貝爾極值Ⅰ型分布推導(dǎo)出來(lái)的計(jì)算公式為：

式中,μ—分布的位置參數(shù)，α—分布的尺度函數(shù)。此二者為待定系數(shù)。

利用已有的數(shù)據(jù)序列x1，x2，...,xn計(jì)算參數(shù)μ、α值后，設(shè)定一個(gè)重現(xiàn)期R年，依以上公式可求出該站R年一遇的最大日降水量及年降水量。

2 降水量的變化特征

2.1 降水量的年變化

上杭縣1961—2019年的年平均降水量為1632.5mm，最高值在2016年，達(dá)2352.0mm，1975年出現(xiàn)次高值2176.6mm，最低值在1991年，僅為1053.9mm，1963年出現(xiàn)次低值(1208.5mm)，最高值與最低值相差1298.1mm。上杭縣近59年的年平均降水量歷年變化情況如圖1所示，20世紀(jì)60年代的降水量處于偏少時(shí)期，此后波動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，70年代～本世紀(jì)00年代的降水量比較均勻，本世紀(jì)10年代降水量增加較多，其中2015年和2016年的降水量均超過(guò)2000.0mm。

圖1 降水量歷年變化

上杭縣近59年各年代降水量及氣候傾向率的統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1，上杭縣年平均降水量的氣候傾向率為35.358mm/10a，呈現(xiàn)增多態(tài)勢(shì)。

表1 上杭縣1961—2019年各年代降水量(mm)及氣候傾向率(mm/10a)

2.2 降水量的汛期變化

上杭縣近59年汛期的年平均降水量為1194.7mm，占全年降水量73.18%，其中前汛期(4～6月)降水量為716.6mm，占全年降水量的43.90%，后汛期(7～9月)降水量為478.1mm，占全年降水量的29.28%。汛期降水量最高時(shí)達(dá)到全年降水量的89.74%(1973年)，最低時(shí)僅占全年降水量的51.98%(1998年)。汛期降水量的氣候傾向率為22.203mm/10a，呈現(xiàn)增多趨勢(shì)。

2.3 降水量的季節(jié)變化和月變化

1961—2019年上杭縣四季降水量占全年降水量的比率分別是：春季53.72%，夏季29.28%，秋季5.75%，冬季11.28%。四季降水量的氣候傾向率均是正值，夏季降水量增加的速率最大，秋季最小。

上杭縣月平均降水量的變化呈雙峰型分布，變化情況如圖2所示，最高峰值在6月，另一個(gè)較小波峰值在8月。6月降水量283.5mm，為全年最大值，次高值在5月，降水量為244.5mm；最低值在12月，降水量為40.2mm，次低值在11月，降水量為45.0mm。降水量最多的6月與降水量最少的12月相差243.3mm。

圖2 降水量的月變化

2.4 降水相對(duì)變率分析

降水相對(duì)變率反映一個(gè)地區(qū)降水量的可靠性或穩(wěn)定程度，降水變率越大，表明降水越不穩(wěn)定，引發(fā)旱澇災(zāi)害頻率較高。計(jì)算降水相對(duì)變率的公式為：

表2 上杭縣1961—2019年降水相對(duì)變率

1961—2019年上杭縣年降水量的降水相對(duì)變率較小，僅為13.79%，表明上杭縣年降水量相對(duì)穩(wěn)定。四季中降水相對(duì)變率最小的是春季，為18.03%，3～4月是福建春雨季節(jié)，5～6月是福建梅雨季節(jié)，此兩個(gè)時(shí)期的降水十分豐富，降水相對(duì)變率由此最小。夏季降水量也較多，多雷陣雨或臺(tái)風(fēng)雨，降水相對(duì)變率為27.42%。冬季降水量少于夏季，降水相對(duì)變率為43.49%。秋季降水量最少，降水很不穩(wěn)定，降水相對(duì)變率達(dá)到59.22%。

2.5 異常旱澇與嚴(yán)重旱澇年份

依照旱澇的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，序列距平達(dá)到1.3倍標(biāo)準(zhǔn)差(1.3σ)的事件稱(chēng)為異常事件, 距平達(dá)到2倍標(biāo)準(zhǔn)差(2σ)的事件稱(chēng)為嚴(yán)重事件。1961—2019年上杭縣年降水量序列距平的標(biāo)準(zhǔn)差為272.3mm。在此59年期間，上杭縣存在異常旱澇或嚴(yán)重旱澇的年份共有11年，其中異常旱年有：1963年(4.4σ)、1967年(4.6σ)、2004年(4.7σ)；嚴(yán)重旱年有：1991年(3.9σ)；異常澇年有：1973年(7.6σ)、1975年(8.0σ)、1983年(7.8σ)、1997年(7.9σ)、2013年(7.3σ)、2015年(7.4σ)；嚴(yán)重澇年有：2016年(8.6σ)。

3 降水日數(shù)的變化特征

3.1 日降水量≥0.1mm降水日數(shù)的變化

上杭縣1961—2019年日降水量≥0.1mm的年平均降水日數(shù)為152.9d，最高值在1975年，達(dá)到199d，最低值在2003年，僅為114d，兩者相差85d，其歷年變化情況如圖3。上杭縣近59年的年平均降水日數(shù)及其氣候傾向率情況如表3，年平均降水日數(shù)的氣候傾向率為-2.136d/10a，呈減少的趨勢(shì)，日降水量≥10.0mm以上降水日數(shù)的氣候傾向率均為正值。小雨日數(shù)的年氣候傾向率為-3.057d/10a，中雨日數(shù)至大暴雨日數(shù)的年氣候傾向率同樣均呈正值。由此可知，近59年來(lái)，上杭縣年平均降水日數(shù)減少的主要原因是小雨日數(shù)在顯著減少，日降水量≥10.0mm以上的降水日數(shù)在增加，其中中雨日數(shù)增加最多，其次是暴雨日數(shù)。上杭縣近59年四季降水日數(shù)的變化均呈下降趨勢(shì)，具體數(shù)值見(jiàn)表4，冬季降水日數(shù)減少的速率最大，秋季最小。

圖3 日降水量≥0.1mm降水日數(shù)的歷年變化

表3 上杭縣1961—2019年降水日數(shù)(d)及氣候傾向率(d/10a)

表4 上杭縣1961—2019年日降水量≥0.1mm 降水日數(shù)的平均值及氣候傾向率

3.2 日降水量≥50.0mm暴雨日數(shù)的變化

上杭縣1961—2019年日降水量≥50.0mm的年平均暴雨日數(shù)為5.02d，其歷年變化情況如圖4。年降水量與暴雨日數(shù)之間有較好的相關(guān)性，年暴雨日數(shù)多，年降水量基本相應(yīng)較多，兩者相關(guān)系數(shù)為0.626，呈正相關(guān)。暴雨日數(shù)基本集中在春季和夏季，汛期暴雨日數(shù)為4.2d，占全年暴雨日數(shù)的84.46%。上杭縣異常和嚴(yán)重澇年的年平均暴雨日數(shù)為6.1d，異常和嚴(yán)重旱年的年平均暴雨日數(shù)為2.5d，兩者相差3.6d。

圖4 日降水量≥50.0mm暴雨日數(shù)的歷年變化

上杭縣月平均暴雨日數(shù)的變化同樣呈雙峰型分布，如圖5所示，其變化情況與月平均降水量的變化相似。6月平均暴雨日數(shù)1.3d，是全年暴雨日數(shù)最多的月份，其次是5月，暴雨日數(shù)0.9d。1月和2月的暴雨日極少。

圖5 日降水量≥50.0暴雨日數(shù)的月變化

1961—2019年上杭縣日降水量≥100.0mm的年平均大暴雨日數(shù)為0.44d。在此59年，出現(xiàn)過(guò)年平均2d的大暴雨日共有6年，其中5次發(fā)生在2003—2013年之間，出現(xiàn)年平均1d的大暴雨日共有14年，有39年未出現(xiàn)大暴雨日。從月份變化看，大暴雨日只出現(xiàn)在3～9月，其它月份均未出現(xiàn)。8月平均大暴雨日數(shù)0.12d，為全年最高值，之后為6月、5月，4月和9月再次之，3月和7月的大暴雨日極少，近59年內(nèi)均只出現(xiàn)1d。

3.3 2d或2d以上的連續(xù)性暴雨

上杭縣在1961—2019年共出現(xiàn)22次2d或2d以上的連續(xù)性暴雨，其中3d的連續(xù)性暴雨出現(xiàn)2次，分別在1993年8月28—30日和2013年5月19—21日，4d的連續(xù)性暴雨只有1次，出現(xiàn)在1964年6月13—16日，此4d的總降水量為323.1mm。2d或2d以上的連續(xù)性暴雨最早開(kāi)始的月份是2018年1月7—8日，最遲結(jié)束的月份是1974年10月18—19日。11—12月、2月未出現(xiàn)2d或以上的連續(xù)性暴雨，1—5月、7月、9—10月均只出現(xiàn)1次，5月出現(xiàn)5次，6月出現(xiàn)4次，8月出現(xiàn)7次，此結(jié)果與上杭縣歷年降水量在5—6月、8月最多的情況基本相一致，尤其是后汛期的8月，2d或2d以上的連續(xù)性暴雨次數(shù)多，對(duì)該月降水量的貢獻(xiàn)比較明顯。

4 降水量的周期分析

小波分析方法能夠詳細(xì)而準(zhǔn)確地揭示時(shí)間序列中瞬時(shí)頻率結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化，從中得出降水變化過(guò)程中的多層次演變規(guī)律[11]。如圖6所示，上杭縣近59年降水量序列主要存在時(shí)間尺度5年、7年、13年、18年、26年、32年左右等6個(gè)振蕩周期，其中13年左右的振蕩周期在59年內(nèi)基本存在，周期振蕩比較均勻穩(wěn)定，此周期在小波方差圖(如圖7)表現(xiàn)顯著。5年左右的高頻振蕩周期，出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代后期～80年代中期及本世紀(jì)10年代。7年左右的高頻振蕩周期主要存在于20世紀(jì)60年代、90年代初期～21世紀(jì)10年代初期。18年左右的振蕩周期出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代初期～90年代后期。26年左右的振蕩周期，存在于20世紀(jì)90年代中期～本世紀(jì)10年代初期。32年的低頻振蕩周期存在于20世紀(jì)60年代初期～80年代中期。

圖6 上杭縣1961—2019年降水量小波分析圖

圖7 上杭縣1961—2019年降水量小波方差圖

5 降水量的重現(xiàn)期分析

利用上杭縣近59年的最大日降水量及年降水量數(shù)據(jù)，應(yīng)用耿貝爾分布理論公式，計(jì)算得出最大日降水量μ、α值分別為86.007、0.034，年降水量μ、α值分別為1504.474、0.004。設(shè)定重現(xiàn)期R=5、10、15、20、30、50、100、150和200年，計(jì)算上杭縣最大日降水量及年降水量的理論氣候值，其結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 上杭縣不同重現(xiàn)期的最大日降水量及年降水量理論值

根據(jù)耿貝爾分布理論公式計(jì)算上杭縣1961—2019年極值降水量的重現(xiàn)期，得出的結(jié)果如表6所示，最大日降水量242.0mm(出現(xiàn)于1983年6月16日)及年降水量2352.0mm(出現(xiàn)于2016年)的重現(xiàn)期分別為209.7年、39.07年。上杭縣不同量級(jí)降水量估算的重現(xiàn)期與實(shí)際重現(xiàn)期的比較情況如表7所示，除了≥150.0mm降水量估算的重現(xiàn)期和實(shí)際重現(xiàn)期的數(shù)值相差2.34年之外，其它3類(lèi)降水量估算的重現(xiàn)期和實(shí)際重現(xiàn)期都相差在1年以?xún)?nèi)，兩者數(shù)值上基本相近，誤差較小，因此，利用耿貝爾極值Ⅰ型分布理論進(jìn)行上杭縣1961—2019年降水量的重現(xiàn)期分析具有可行性，能夠得到相對(duì)理想的計(jì)算結(jié)果。

表6 上杭縣1961—2019年最大日降水量及年降水量的重現(xiàn)期

表7 上杭縣1961—2019年降水量估算重現(xiàn)期與實(shí)際重現(xiàn)期比較

6 結(jié)論

近59年來(lái)，上杭縣年平均降水量呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，日降水量≥0.1mm的年平均降水日數(shù)在減少，其主要原因是小雨日數(shù)的顯著減少，日降水量≥10.0mm以上的降水日數(shù)在增加，中雨日數(shù)增加最多，其次是暴雨日數(shù)。

1961—2019年上杭縣共出現(xiàn)22次2d或2d以上的連續(xù)性暴雨，存在異常旱澇或嚴(yán)重旱澇的年份共有11年，降水序列存在時(shí)間尺度5年、7年、13年、18年、26年、32年左右等6個(gè)振蕩周期，時(shí)間尺度13年左右的周期振蕩比較均勻穩(wěn)定。

利用耿貝爾極值Ⅰ型分布理論對(duì)上杭縣近59年降水量的重現(xiàn)期進(jìn)行分析，可知其估算的重現(xiàn)期和實(shí)際重現(xiàn)期數(shù)值相差較小。通過(guò)計(jì)算不同重現(xiàn)期的理論降水量，得出上杭縣50年一遇的最大日降水量及年降水量分別是199.9mm和2409.9mm，100年一遇的分別是220.3mm和2572.0mm。