南昌市城市化進(jìn)程對(duì)極端降水的影響

萬一帆，劉衛(wèi)林，劉麗娜，朱圣男，黃一鵬

(南昌工程學(xué)院江西省水文水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099)

0 引 言

極端降水是造成洪澇災(zāi)害的重要原因之一，往往導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。造成極端降雨的原因有內(nèi)、外因，而城市化是較為顯著的外部原因之一，這引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2]。在氣候變暖及城市化加速發(fā)展的背景下，我國(guó)極端天氣頻發(fā)，呈現(xiàn)出增多、增強(qiáng)的趨勢(shì)。多年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各地極端降水事件進(jìn)行了大量的研究[3- 8]。現(xiàn)有研究主要集中在城市化對(duì)大中城市的降雨時(shí)空分布影響研究，而對(duì)南昌市的研究較少。特別是，以往對(duì)南昌降水的影響研究主要集中在南昌年降雨量、降雨頻率及降雨日數(shù)等降雨特征的影響，對(duì)極端降水的影響研究相對(duì)不足。因此，本文選取統(tǒng)計(jì)年鑒中的社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料將南昌發(fā)展劃分為城市化高速發(fā)展前后兩個(gè)階段，并選取南昌市1960年～2005年的降雨數(shù)據(jù)以安義站為對(duì)比分析站分析城市化對(duì)南昌市極端降雨的影響，計(jì)算城市化對(duì)極端降水的貢獻(xiàn)率等。結(jié)合前者的研究成果可為南昌市的發(fā)展規(guī)劃提供指導(dǎo)和預(yù)警作用。

1 數(shù)據(jù)及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)

采用南昌、安義兩站1960年～2005年的連續(xù)逐日降水觀測(cè)資料以及城鎮(zhèn)人口、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料。其中，社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料來源于《南昌市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

南昌站位于東經(jīng)115°52′48.2″，北緯28°41′38.4″，緊鄰贛江中大道，屬于城市化程度較高的地區(qū)。安義站位于東經(jīng)115°32′27.1″，北緯28°50′25.9″，近鄰安義縣碼頭村北潦河，農(nóng)田區(qū)域較多，基本屬于農(nóng)村地區(qū)。兩站屬同一個(gè)氣象分區(qū)，地形相似，因此以南昌站、安義站分別作為城市、鄉(xiāng)村代表雨量站來分析城市化對(duì)南昌市降雨特征的影響情況。

1.2 研究方法

本文首先基于《南昌市統(tǒng)計(jì)年鑒》的相關(guān)資料，從三大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)占比及南昌市人口結(jié)構(gòu)占比來分析得出城市化加速發(fā)展的突變年。選取極端降水指標(biāo)，通過增雨系數(shù)[5]對(duì)南昌城市化前后不同量級(jí)的降雨量進(jìn)行對(duì)比；以城市化前后降雨量的比值來分析不同強(qiáng)度降雨日數(shù)的變化；同時(shí)使用小波變換[9]分析來探究降雨的周期性變化，從而得出城市化對(duì)降雨的影響；最后使用廖鏡彪[8]等、王麗娟[10]提出的城市化對(duì)降雨貢獻(xiàn)率的計(jì)算方法求出城市化對(duì)南昌市降雨的貢獻(xiàn)。

(1)極端降水指標(biāo)。極端降水事件可以定義為降水序列中超過極端降水時(shí)間閾值的降水事件，其中極端降水閾值可以通過絕對(duì)閾值法(如在我國(guó)24 h降雨量在50 mm以上為暴雨)和相對(duì)閾值法(如降水序列中超過一定百分位的降水量)確定[11]，本文采用世界氣象組織推薦的極端氣候指標(biāo)中的10個(gè)極端降水指標(biāo)(見表1)，對(duì)南昌市的極端降水進(jìn)行分析。

表1 降雨指標(biāo)閾值

(2)增雨系數(shù)。以增雨系數(shù)K增=P市/P郊來表達(dá)城市化對(duì)降雨量的影響[12]，將多年降雨數(shù)據(jù)以1995年為界劃分為城市化前及城市化后兩個(gè)階段，計(jì)算雨日降雨量、極端降雨量等降雨指標(biāo)的增雨系數(shù)，比較城市化對(duì)降雨量的影響。

(3)小波變換。小波函數(shù)是指具有周期震蕩性、能夠迅速衰減到零的一類函數(shù)，即ψ(t)∈L2(R)一般滿足[7]

(1)

式中，ψ(t)為基小波函數(shù)，它可通過尺度的伸縮和時(shí)間軸上的平移變換構(gòu)成一簇函數(shù)系。即

(2)

式中，ψa，b(t)為子小波；a為伸縮尺度因子，反映小波的周期長(zhǎng)度；b為平移因子，反應(yīng)時(shí)間上的平移。

若ψa，b(t)是由公式(4)給出的基小波函數(shù)，那么對(duì)于給定的能量有限信號(hào)f(t)∈L2(R)，其連續(xù)小波變換為

(3)

(4)

(4)貢獻(xiàn)率計(jì)算。本文采用廖鏡彪、王麗娟等人對(duì)城市化貢獻(xiàn)的計(jì)算方法進(jìn)行貢獻(xiàn)值及貢獻(xiàn)率的計(jì)算[3]。選取南昌站、安義站降雨量相差較小的1960年作為基準(zhǔn)年，并取當(dāng)年兩站降雨量的平均值為基準(zhǔn)值，其他年份降雨相對(duì)于1960年的變化值為ΔP，區(qū)域背景對(duì)于1960年的降雨量變化值為ΔP1，城市化對(duì)南昌市降雨量影響值為ΔP2，因南昌市降雨是通過區(qū)域背景和城市化共同作用的，則ΔP2=ΔP-ΔP1[10]。歷年ΔP通過南昌站1960年～2005年的年降雨量計(jì)算得到，區(qū)域背景變化ΔP1通過安義站的年降雨量計(jì)算得到。同時(shí)城市對(duì)降雨的貢獻(xiàn)率可用1995年前后城市化對(duì)南昌降雨影響值的總和∑ΔP2/ΔP得到。

2 結(jié)果分析

2.1 南昌市城市化進(jìn)程

選取南昌市三大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的多年變化，同時(shí)結(jié)合人口數(shù)據(jù)對(duì)南昌市城市化進(jìn)程進(jìn)行分析。自1978年到2017年南昌市第一產(chǎn)業(yè)占比由21.8%到3.8%呈現(xiàn)逐年降低的趨勢(shì)，降低幅度可達(dá)18個(gè)百分點(diǎn)；第二產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期占據(jù)主導(dǎo)地位，比重從49.2%到52.2%呈小幅度增長(zhǎng)，并在1990年出現(xiàn)驟降現(xiàn)象，同期第三產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)驟增現(xiàn)象，直至2000年左右增長(zhǎng)才趨于穩(wěn)定；第三產(chǎn)業(yè)比重從38.4%到44%呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨后逐漸趨于穩(wěn)定。由此說明，在城市化進(jìn)程中南昌市三大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，以農(nóng)業(yè)為主的第一產(chǎn)業(yè)的占比降低及第三產(chǎn)業(yè)的占比提升在一定程度上加速了城市化進(jìn)程。

根據(jù)南昌統(tǒng)計(jì)年鑒已有人口數(shù)據(jù)，繪制人口占比結(jié)構(gòu)圖(圖略)。自20世紀(jì)60年代起截至2009年南昌市總?cè)丝诔史€(wěn)定上升趨勢(shì)。其中，農(nóng)業(yè)人口由126.18萬人上升至263.21萬人，平均每年增長(zhǎng)2.85萬人；非農(nóng)人口由67.59萬人上升至234.13萬人，平均每年增長(zhǎng)3.47萬人；從增長(zhǎng)速度來看，南昌市非農(nóng)業(yè)人口年均增長(zhǎng)約為農(nóng)業(yè)人口的1.22倍；從人口占比來看，南昌市非農(nóng)人口占比持續(xù)增長(zhǎng)，由35%上升到47%。此外南昌市城鎮(zhèn)人口由72.19萬人上升至391.29萬人，平均每年增長(zhǎng)6.65萬人；農(nóng)村人口由121.58萬人下降至106.04萬人，平均每年減少0.32萬人。由此可見在人口總體呈上升趨勢(shì)的前提下，南昌存在大批量人口自農(nóng)村向城市轉(zhuǎn)移。自1962年起轉(zhuǎn)移人數(shù)逐漸增加，且在1995年后出現(xiàn)驟增現(xiàn)象，當(dāng)年城鎮(zhèn)人口自221.92萬人上升至264.6萬人，年增長(zhǎng)人數(shù)是多年平均增長(zhǎng)人數(shù)的6.42倍，城鎮(zhèn)人口占比從17%上升至28%，2000年以后增長(zhǎng)逐漸趨于平緩。

從以上兩個(gè)方面來看，自建國(guó)以來南昌市城市化發(fā)展快速、進(jìn)程明顯，尤其是1990年～2000年期間，城市化規(guī)模迅速擴(kuò)大。因此本文以1995年為南昌市城市化發(fā)展的時(shí)間突變點(diǎn)，研究城市化進(jìn)程前后南昌市降雨指標(biāo)的變化，以此來分析城市化對(duì)南昌市降雨特征的影響作用，推求城市化對(duì)降雨的貢獻(xiàn)。

2.2 極端降雨影響分析

2.2.1降雨量的影響分析

1995年城市化進(jìn)程加快以后，南昌市城區(qū)雨日降雨量、極端降雨量、非常極端降雨量、1日最大降雨量及5日最大降雨量存在不同程度的增減。其中，雨日降雨量及非常極端降雨的增雨系數(shù)有所增加，增雨系數(shù)分別增加0.01和0.03，相應(yīng)增量為15.7mm和4.7mm；極端降水量、1日最大降水量及5日最大降水量均沒有增加，相反存在小幅度減小，增雨系數(shù)分別減小0.09、0.03和0.07，相應(yīng)減少量為38.7、2.5mm和14.2mm。通過以上分析，說明城市化發(fā)展對(duì)南昌降雨量影響較小。

2.2.2降雨日數(shù)的影響分析

將南昌站、安義站1960年～2005年降雨量按照不同雨量級(jí)進(jìn)行劃分，對(duì)比城市化前后不同降雨強(qiáng)度天數(shù)的變化。統(tǒng)計(jì)分析表明，自1995年后南昌R10mm和R25mm平均降雨天數(shù)相對(duì)城市化其有所增加，比值增量分別為0.01和0.02；R50mm、極端降水和非常極端降水日數(shù)相對(duì)減少，比值減少量分別為0.17、0.12和0.11。通過以上分析可認(rèn)為南昌市城市化進(jìn)程對(duì)雨量較小的R10 mm和R25 mm降雨天數(shù)具有小幅正向影響，對(duì)雨量稍大的R50 mm、極端降水日數(shù)及非常極端降水日數(shù)有小的負(fù)向影響。而在降雨量變化分析中已得到城市化使得非常降雨量有所增加，但同時(shí)降雨天數(shù)又相反有所減?。灰虼?，認(rèn)為城市化降雨加大了非常降雨的單次降雨量。

2.2.3降雨周期分析

2.2.3.1 降雨量的周期分析

南昌市降雨量變化存在多個(gè)時(shí)間尺度的周期性變化。其中，雨日降水量以28年以上年代大尺度的周期變化最為明顯，此外還存在2個(gè)相對(duì)較小尺度周期分別為18～22年尺度及4～6年尺度。在28年時(shí)間尺度上存在3個(gè)偏多期和3個(gè)偏少期，即1962年以前的偏多期、1962年～1970年的偏少期、1970年～1980年的偏多期、1980年～1990年的偏少期、1990年～2000年的偏多期以及2000年以后的偏少期，在此時(shí)段上的周期變化較為穩(wěn)定，有全時(shí)域性；18～22年時(shí)間尺度上約以10年左右的周期交替震蕩，存在3個(gè)偏多期和4個(gè)偏少期；4～6年時(shí)間尺度在1960年至1985年間具有較為明顯的周期，1985年以后10年周期不明顯，此后又開始增強(qiáng)。

極端降水量以29年以上年代大尺度的周期變化最為明顯，此外還存在2個(gè)小尺度周期分別為18～21年和8～11年。在29年時(shí)間尺度上存在3個(gè)偏多期和3個(gè)偏少期。即：1963年以前的偏多期，1963年～1972年的偏少期、1972年～1982年的偏多期、1982年～1993年的偏少期、1993年～2002年的偏多期及2002年以后的偏少期，在此時(shí)段上的周期變化較為穩(wěn)定；18～21年時(shí)間尺度上約以10年左右的周期交替出現(xiàn)，存在4個(gè)偏多期和4個(gè)偏少期；8～11年時(shí)間尺度上約以3年為周期出現(xiàn)6個(gè)偏多期和7個(gè)偏少期。

非常極端降水量以25年以上年代大尺度的周期變化最為明顯，其次在14～16年和尺度3～5年尺度上也存在較為明顯的變化。在25年時(shí)間尺度上存在2個(gè)偏多期和3個(gè)偏少期，即1960年～1970年的偏少期、1970年～1980年的偏多期、1980年～1990年的偏少期、1990年～2000年的偏多期及2000年以后的偏多期，在此時(shí)段上的周期變化較為穩(wěn)定；14～16年時(shí)間尺度上約以6年為周期出現(xiàn)5個(gè)偏多期和5個(gè)偏少期；3～5年尺度上的周期變化在1980年以前較為明顯，大約以2年為周期交替出現(xiàn)。

5日最大降水量以28年以上年代尺度的周期變化最為明顯，此外在15～17年和7～9年時(shí)間尺度上存在較為明顯的周期變化。在28年時(shí)間尺度上存在3個(gè)偏多期和3個(gè)偏少期，即1961年以前的偏多期、1961年～1970年的偏少期、1970年～1978年的偏多期、1978年～1988年的偏少期、1988年～1998年的偏多期及1998年以后的偏少期，在此時(shí)段上的周期變化較為穩(wěn)定；15～17年時(shí)間尺度上約以8年為周期存在5個(gè)偏多期和5個(gè)偏少期；7～9年時(shí)間尺度在1960年～1980年具有較明顯的周期，80年以后的10年周期不明顯，此后又開始增強(qiáng)。

一日最大降水量在28年以上、13～16年尺度上具有明顯的周期變化，在7～9年尺度上具有較為明顯的周期變化。在28年時(shí)間尺度上存在3個(gè)偏多期和3個(gè)偏少期，即1962年以前的偏多期、1962年～1967年的偏少期、1967年～1977年的偏多期、1977年～1987年的偏少期、1987年～1997年的偏多期及1997年以后的偏少期；13～16年尺度上約以10年為周期存在5個(gè)偏多期和5個(gè)偏少期；7～9年尺度上約以4年為周期出現(xiàn)10個(gè)偏多期和9個(gè)偏少期，周期變化不明顯。

通過對(duì)極端降水量指標(biāo)的周期性分析可知，南昌市降雨周期受大尺度和小尺度的共同影響，且年代變化較為明顯。各指標(biāo)28年以上尺度的周期變化最為顯著，且由28年尺度發(fā)現(xiàn)2005年處于降雨偏少期的末期，等值線均未閉合，說明2005年后短期會(huì)出現(xiàn)雨量減少的趨勢(shì)。

2.2.3.2 降雨日數(shù)的周期分析

南昌市不同強(qiáng)度降水日數(shù)存在不同尺度的周期變化。其中，極端降水日數(shù)在25年以上尺度的周期變化最為明顯，此外在15～18年和8～11年尺度上存在較為明顯的周期變化。在25年時(shí)間尺度上存在3個(gè)偏多期和3個(gè)偏少期，即為1962年以前的偏多期、1962年～1972年的偏少期、1972年～1982年的偏多期、1982年～1992年的偏少期、1992年～2002年的偏多期及2002年以后的偏少期；在15～18年尺度上以10年左右的周期交替出現(xiàn)4個(gè)偏多期和4個(gè)偏少期；在8～11年時(shí)間尺度上以5年為周期呈現(xiàn)6個(gè)偏多期和7個(gè)偏少期。極端降水日數(shù)在以上3個(gè)尺度上均有較為明顯的震蕩周期且周期變化較為穩(wěn)定。

非常極端降雨日數(shù)在28年以上尺度的周期變化最為明顯，其次是19～24年及4～6年尺度上較為明顯。在28年以上時(shí)間尺度上，非常極端降雨日數(shù)存在2個(gè)偏多期和2個(gè)偏少期，即1960年～1970年的偏少期、1970年～1980年的偏多期、1980年～1990年的偏少期1990年～2000年的偏多期及2000年以后的偏少期，在此時(shí)段上的周期變化較為穩(wěn)定；在19～24年尺度上以8年左右為周期出現(xiàn)了3個(gè)偏多期和4個(gè)偏少期；在4～6年尺度上偏多偏少交替較為頻繁，出現(xiàn)13個(gè)偏多期和12個(gè)偏少期。

中雨降雨日數(shù)在28年以上尺度的周期變化最為明顯；此外在14～16年變化較為明顯，其他尺度上周期變化明顯程度較弱。在28年以上尺度上存在3個(gè)偏多、偏少期，即1962年以前的偏多期、1962年～1972年的偏少期、1972年～1982年的偏多期、1982年～1990年的偏少期、1990年～1998年的偏多期及1998年以后的偏少期，在此時(shí)間尺度上周期變化穩(wěn)定；在14～16年尺度上以8年左右為周期出現(xiàn)5個(gè)偏多期和5個(gè)偏少期，周期變化較為穩(wěn)定。

大雨降雨日數(shù)在28年以上尺度的周期變化最為明顯，此外還存在22～24年、7～9年2個(gè)周期較為明顯的時(shí)間尺度。在28年以上的尺度上存在3個(gè)偏多期和3個(gè)偏少期，即1962年以前的偏多期、1962年～1972年的偏少期、1972年～1982年的偏多期、1982年～1992年的偏少期、1992年～1998年的偏多期及1998年以后的偏少期，在這個(gè)時(shí)間尺度上周期變化穩(wěn)定；在22～24年時(shí)間尺度上，以15年左右為周期存在3個(gè)偏多期和3個(gè)半偏少期，周期變化較為明顯；在7～9年時(shí)間尺度上，偏多期和偏少期大約每3年交替出現(xiàn)，周期變化較年代大尺度要弱。

暴雨降雨日數(shù)在周期上存在3個(gè)變化同等明顯的時(shí)間尺度分別為年代大尺度25年以上、17～22年及9～14年。在25年以上的時(shí)間尺度上，存在3個(gè)偏多期和3個(gè)偏少期；在17～22年尺度上存在4個(gè)偏多期和4個(gè)偏少期；在9～14年尺度上存在6個(gè)偏多期和7個(gè)偏少期。在3個(gè)時(shí)間尺度上的周期變化均比較穩(wěn)定，存在明顯的周期性。

2.3 城市化對(duì)降雨的貢獻(xiàn)

城市化的發(fā)展在不同程度上會(huì)對(duì)降雨造成一定的影響(見圖1)。從增雨和減雨的方面來看，自1960年來南昌市城市化對(duì)降雨有正向(增雨)或負(fù)向(減雨)的影響，其中1961年、1964年～1967年、1969年、1972年、1974年～1975年、1978年、1986年～1988年、1990年、1995年、1997年、2000年及2004年為負(fù)向影響，其他年份為正向影響?？梢?，1995年城市化高速發(fā)展前的影響不具明顯的規(guī)律性，1995年后城市化對(duì)降雨多為正向影響。此外，從與區(qū)域背景影響的一致性來看，1995年前城市化的影響與區(qū)域背景影響基本沒有規(guī)律性，時(shí)而同向，時(shí)而反向；而1995年后城市化的影響與區(qū)域背景的影響基本一致。從量上看，城市化的影響在多年降雨量中的占比較小。從城市化的貢獻(xiàn)率來看，1995年以前城市化的貢獻(xiàn)率為3.31%，城市化后的貢獻(xiàn)率為3.39%，相對(duì)城市化前提高了0.08%。分析認(rèn)為，自城市化進(jìn)程加快以后，南昌降雨受城市化的影響逐步趨于明顯，但影響雨量較小，整體還是以區(qū)域氣候的影響為主導(dǎo)。

圖1 南昌城市化對(duì)降雨的貢獻(xiàn)

3 結(jié) 論

近年來南昌市發(fā)展迅速，城市化程度加大，這對(duì)降雨等氣象因素產(chǎn)生了不同影響。本文首先選取南昌市統(tǒng)計(jì)年鑒的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)其城市化進(jìn)程進(jìn)行了分析，確認(rèn)城市化高速發(fā)展的突變點(diǎn)為1995年；其次以安義站為對(duì)比站，對(duì)南昌站1960年～2005年的降雨進(jìn)行分析，研究城市化發(fā)展對(duì)降雨特征的影響并計(jì)算其對(duì)降雨的貢獻(xiàn)，得到以下結(jié)論：

(1)隨著城市化的加快，南昌市區(qū)的雨日降雨量、極端降雨量、非常極端降雨量、1日最大降雨量及5日最大降雨量受到不同程度的影響，其中雨日降雨量、非常極端降雨量有小幅度增加，增量為15.7 mm和4.7 mm，極端降水量、1日最大降水量及5日最大降水量分別減小38.7、2.5 mm和14.2 mm；降雨量總體受城市化影響較小。

(2)從降雨周期來看，南昌市降雨量在28年大尺度上存在明顯的偏多偏少期，自1960年起以10年左右的時(shí)間交替出現(xiàn)，具有全時(shí)域性；在13～18年及4～6年周期上周期性相對(duì)較弱，多集中在20世紀(jì)90年代中期以前。

(3)1995年后南昌市城區(qū)小量級(jí)降雨R10 mm、R25 mm的降雨天數(shù)相對(duì)1995年以前有輕微增加，增加比值為0.01和0.02；而R50 mm、極端降雨日數(shù)、非常極端降雨日數(shù)有所降低，降低比值為0.17、0.12及0.11。

(4)自1960年起至2005年，南昌市城市化發(fā)展對(duì)降雨量的增減影響有正有負(fù)，1995年前的影響不具有明顯的規(guī)律性，其后多為正向影響；1995年前城市化的影響與區(qū)域背景的影響方向一致性不具有規(guī)律性，而后則與區(qū)域背景的影響基本一致；而城市化對(duì)降雨的貢獻(xiàn)率自3.31%到3.39%，提高了0.08%；南昌市降雨受城市化影響趨勢(shì)逐漸明顯，但整體還是以氣候影響為主導(dǎo)。