近40年湘西州暴雨特征研究

顧 雪，米楚陽，羅 霄

(湘西州氣象局，湖南吉首 416000)

全球氣候變暖[1-2]，極端天氣增多，暴雨頻發(fā)使得氣候變化越來越受到人類重視。暴雨研究[3-5]表明，進(jìn)入21世紀(jì)以來我國南方暴雨增多。國家氣候中心最新發(fā)布2019年中國氣候變化藍(lán)皮書指出，氣候變暖趨勢持續(xù)，中國平均年降水量有微弱上升趨勢，極端天氣氣候事件趨多趨強(qiáng)。在此背景下，湖南地區(qū)暴雨日數(shù)和暴雨強(qiáng)度呈上升趨勢[6]。湘西州地處云貴高原東側(cè)，季風(fēng)性氣候特點(diǎn)明顯，暴雨具有顯著的季節(jié)性特征，加之河流密布，暴雨容易誘發(fā)山洪、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)安全，影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)，如鳳凰2014年的7月15日特大暴雨洪災(zāi)，鳳凰古城被淹，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到12億；古丈2016年7月17日默戎突發(fā)暴雨山洪，其中17日默戎鎮(zhèn)降雨量達(dá)203 mm，約1萬 m3的泥石流傾瀉而下，沖毀了房屋5棟14間。歷年因局地暴雨導(dǎo)致的山體滑坡、崩塌等事件更是數(shù)不勝數(shù)。眾多專家學(xué)者[7-10]從天氣學(xué)角度研究了湖南大范圍的暴雨及環(huán)流狀況，湖南暴雨天氣過程與低空急流關(guān)系非常密切[6]。邱軍、張新主、李萍云等[11-14]研究了地形對暴雨的特殊作用。湘西州南東低—北西高，州內(nèi)山地海拔較高，與湖南東部和南部地形差異明顯。冷暖氣流交匯、山地對暖濕氣流的阻擋以及山地有利于平原地區(qū)暖氣團(tuán)維持是湖南暴雨時(shí)空分布的一個(gè)重要原因[12]。因此湘西州的暴雨和湖南其他地區(qū)有一定區(qū)別。切變線、低空西南急流和高空槽是造成區(qū)域內(nèi)暴雨的主要天氣系統(tǒng)，其次是冷鋒和西南渦。針對性分析湘西州的暴雨時(shí)空特征、量級(jí)特征及周期具有重要意義，可為湘西州乃至湖南全省的暴雨研究和防汛工作提供一定參考。

1 研究區(qū)域、資料及分析方法

1.1 研究區(qū)域

湘西州(東經(jīng)109°10′～110°22.5′，北緯27°44.5′～29°38′之間)地處湘西北，和貴州高原接壤，山地地貌特征明顯，武陵山脈自東北向西南貫穿全州。湘西州地勢西北高、東南低。北部的龍山縣、永順縣海拔較高，有成片山脈海拔高度超過1 000 m，南部吉首市、瀘溪縣、鳳凰縣東部海拔較低，在70～500 m之間。

1.2 資料及分析方法

分析所用的1979—2018年的降雨量資料，由中國氣象局CMISS數(shù)據(jù)庫提供。湘西州境內(nèi)共8個(gè)氣象站，包括：吉首市國家基準(zhǔn)氣候站，龍山縣、永順縣、花垣縣、古丈縣、瀘溪縣和鳳凰縣等6個(gè)一般國家氣象觀測站以及保靖縣國家基本氣象站。24小時(shí)日雨量(20—20時(shí))≥50.0 mm為暴雨，單站某日出現(xiàn)暴雨記為一個(gè)暴雨日，分析單站時(shí)統(tǒng)計(jì)暴雨日數(shù)(單位為d)，分析湘西州時(shí)統(tǒng)計(jì)暴雨頻次，即為8縣、市暴雨日合計(jì)(單位為站次)，平均值則為8縣、市平均。

通過近40年的觀測資料，統(tǒng)計(jì)分析湘西州暴雨日的時(shí)間變化及空間分布特點(diǎn)。通過箱線分析方法，分析不同季節(jié)的暴雨雨強(qiáng)。利用Morlet小波分析方法，分析暴雨日數(shù)的周期變化特征，以及暴雨的較強(qiáng)周期。

2 暴雨的時(shí)空特征

2.1 總體特征

湘西州1979—2018年全州暴雨頻次為1 310 站次(表1)，其中2—11月均有暴雨發(fā)生。在汛期5—9月暴雨出現(xiàn)最多，共有1 155 站次，占暴雨總數(shù)的88%。從月變化來看，湘西州暴雨呈現(xiàn)先增加后減少趨勢。2—3月有零星暴雨發(fā)生；4月暴雨顯著增加；6—7月達(dá)到極大值，共691 站次，占暴雨總數(shù)的52.7%；8—10月暴雨逐漸減少；進(jìn)入11月后暴雨明顯減少，全州僅有22站次。

表1 1979—2018年湘西州各月暴雨頻次 單位：站次

由暴雨日數(shù)極值(表2)可知，各縣、市最多暴雨年份中有8～11 d暴雨，而最少暴雨年份中保靖、花垣、古丈、吉首和鳳凰等縣、市沒有暴雨發(fā)生，而龍山、永順、瀘溪等縣只有1 d出現(xiàn)暴雨。各縣、市年平均暴雨日數(shù)為3.5 d(花垣)～4.5 d(吉首)。

表2 1979—2018年湘西州年暴雨日數(shù)極值 單位：d

1979—2018年湘西州不同年份暴雨頻次差異較大，最少年為1994年僅有9 站次，最多年為1996年62 站次，平均為32.75 站次/a，無明顯的年變化趨勢(圖1)。40年間湘西州有4個(gè)暴雨峰值時(shí)段，1980年、1995—1996年、1998—1999年、2014—2017年。1995—1996年和1998—1999年暴雨頻次最多，1980年次多，2014—2017年較少，說明2000—2018年間暴雨頻次極端性比20世紀(jì)80年代和90年代弱。

湘西州各縣、市40年暴雨日數(shù)為139(花垣)～181(吉首)d(圖2)，暴雨總?cè)諗?shù)總體呈現(xiàn)東部(古丈東部、永順東部)、東南(吉首、瀘溪)多，西部(花垣)、西南(鳳凰)少的分布，其中吉首為全州的暴雨中心，花垣暴雨日數(shù)最少。結(jié)合地形可發(fā)現(xiàn)，湘西州暴雨分布與地形有一定的相關(guān)性，地形最低處(吉首、瀘溪)暴雨日數(shù)最多，隨著海拔向西增高，以及北部山脈阻擋，暴雨日數(shù)有所減少。

圖1 1979—2018年湘西州暴雨頻次年際變化

圖2 1979—2018年湘西州各縣、市累積暴雨日數(shù)

2.2 季節(jié)變化

湘西州暴雨受地形和季節(jié)性天氣系統(tǒng)影響，對季節(jié)性暴雨空間分布分析，了解季節(jié)性的空間分布差異，可提高對湘西州不同季節(jié)暴雨的主要落區(qū)的認(rèn)識(shí)。

湘西州春季暴雨主要受850 hPa低渦和地面氣旋波影響產(chǎn)生。1979—2018年全州春季暴雨頻次累計(jì)為269 站次，占全年暴雨頻次的20%。空間分布(圖3 a)具有明顯的由南向北遞減的特征，北部少，東南多，最大為吉首、瀘溪。

夏季暴雨由副高及其西部的槽或西南渦共同產(chǎn)生。全州夏季暴雨頻次累計(jì)為860 站次，占全年66%。由圖3 b可見，其空間分布北部(龍山)較多，其次為東南部(吉首)，其他縣、市呈現(xiàn)東多西少的分布，最少為西部花垣、保靖。

秋季暴雨為高原槽東移加深在湘西州產(chǎn)生。全州秋季暴雨頻次為179 站次，占全年14%，空間分布(圖3 c)最少為西南部(鳳凰)，最多為中部(保靖)，總體分布除西南部暴雨日最少外，其他縣、市分布相對較均勻。

3 暴雨強(qiáng)度特征

湘西州各個(gè)季節(jié)的主要影響天氣系統(tǒng)不同，水汽和能量供應(yīng)等也有差異，因此暴雨強(qiáng)度也不盡相同。暴雨強(qiáng)度(單位為mm/d)是暴雨特征研究的一個(gè)重要方面，亦可對湘西州的暴雨量級(jí)預(yù)報(bào)和防汛提供一定的參考依據(jù)。為此，通過箱線分析方法，統(tǒng)計(jì)分析不同季節(jié)的暴雨雨強(qiáng)。

圖3 1979—2018年湘西州春季(a)、夏季(b)、秋季(c)累計(jì)暴雨日數(shù)空間分布

春季各縣、市暴雨強(qiáng)度(圖4 a)主要集中在50～115.7 mm/d之間。箱線分析中115.7 mm/d以上的離群值共有15個(gè)，占樣本總數(shù)的5.6%，最大離群值為1995年5月31日永順的344.1 mm，其他基本在164.3 mm以下。344.1 mm為40年來最大的暴雨日值，且與第二大值(265.1 mm)差異較大。因此可以認(rèn)為春季暴雨強(qiáng)度主要集中在50～115.7 mm/d之間，在115.7～164.3 mm/d之間有5.6%的可能性。

夏季暴雨強(qiáng)度增強(qiáng)，暴雨強(qiáng)度主要集中在50～164.7 mm/d(圖4 b)，比春季暴雨強(qiáng)度增加49 mm。164.7 mm以上的離群值點(diǎn)共有36個(gè)，占樣本總數(shù)的4.2%，最大離群值為1998年7月22日永順的日暴雨265.1 mm，表明湘西州夏季暴雨中有4.2%的可能性發(fā)生強(qiáng)度在164.7～265.1 mm/d的暴雨，由此可見夏季暴雨的極端性更強(qiáng)。

秋季暴雨強(qiáng)度與春季暴雨強(qiáng)度相當(dāng)，主要集中在50～116.1 mm/d(圖4 c)。箱線圖中離群值點(diǎn)共有9個(gè)，占樣本總數(shù)的5%，最大為1989年9月2日龍山的205.7 mm，表明秋季暴雨中有5%的可能性發(fā)生強(qiáng)度在116.1～205.7 mm/d之間的暴雨。

通過季節(jié)性暴雨強(qiáng)度分析，對湘西州日暴雨強(qiáng)度有了清楚的認(rèn)識(shí)，由于夏季日暴雨強(qiáng)度更大，極端性更強(qiáng)，需要重點(diǎn)防御夏季的暴雨，但春季和秋季的暴雨防御工作也不可松懈。

圖4 1979—2018年湘西州各縣、市春季(a)、夏季(b)、秋季(c)暴雨強(qiáng)度箱線分析

4 周期分析

為了解湘西州暴雨頻次的周期性，利用小波分析方法，分析了1979—2018年湘西州年暴雨頻次的周期變化特征，以及暴雨的較強(qiáng)周期。圖5給出了暴雨頻次小波變化系數(shù)實(shí)部等值線圖和較強(qiáng)震蕩周期小波系數(shù)時(shí)序圖。

湘西州年暴雨在變動(dòng)過程中存在多時(shí)間尺度特征，大的震蕩周期尺度為11～19 a。小波實(shí)部時(shí)頻分布中(圖5 a)，1987年為負(fù)中心，1997年為正中心，2007年為負(fù)中心，2017年為正中心。小的的震蕩周期表現(xiàn)為6～10 a，同樣其中心為負(fù)(1984年)-正(1989年)-負(fù)(1993年)-正(1998年)-負(fù)(2003年)-正(2007年)-負(fù)(2012年)-正(2016年)轉(zhuǎn)換。選取最強(qiáng)震蕩中心的周期做小波系數(shù)時(shí)序圖(圖5 b)，所選兩周期分別為第7 a和第15 a。1979—1984年，1993—2002年，2011—2018年兩周期震蕩位相相同，其余年份位相相反或交叉。當(dāng)位相相同，且小波系數(shù)逐漸加大、振幅增強(qiáng)時(shí)可發(fā)現(xiàn)年暴雨頻次有增多傾向；當(dāng)位相相同，且小波系數(shù)逐漸減小時(shí)暴雨頻次有減少傾向。2017年后第7 a和15 a周期曲線同時(shí)下降，根據(jù)周期演變趨勢，第7 a周期需要在2017年后3～4 a后才會(huì)到達(dá)波谷反彈上升，同時(shí)15 a則需要更長時(shí)間。

圖5 1979—2018年湘西州年暴雨日數(shù)小波變化系數(shù)實(shí)部等值線圖(a)和較強(qiáng)震蕩周期小波系數(shù)時(shí)序圖(b)

5 結(jié)論

(1)湘西州暴雨頻次在汛期5—9月最多，占全年的88%；州內(nèi)年暴雨日數(shù)空間分布呈現(xiàn)東部和東南部多，西部和西南部少的特點(diǎn)。夏季暴雨頻次占全年的66%，空間分布北部(龍山)多，其他縣、市具有東多西少特征；春季暴雨頻次占全年的20%，具有自南向北減少的特征；秋季暴雨占全年14%，空間分布西南部(鳳凰)最少，中部(保靖)最多，其他縣、市分布相對較均勻。

(2)春季各縣、市暴雨強(qiáng)度主要集中在50～115.7 mm/d之間，有5.6%可能性在115.7～164.3 mm/d之間；夏季暴雨強(qiáng)度主要集中在50～164.7 mm/d之間，在164.7～265.1 mm/d 有4.2%的可能性；秋季暴雨強(qiáng)度主要集中在50～116.1 mm/d之間，在116.1～205.7mm/d有5%的可能性。

(3)暴雨周期分析表明，年暴雨頻次具有11～19 a的大震蕩周期，小的震蕩周期為6～10 a。2017年后兩較強(qiáng)的震蕩周期(7 a和15 a)曲線同時(shí)下降明顯，根據(jù)周期演變趨勢，第7 a周期需要在2017年后的3～4 a后才會(huì)到達(dá)波谷反彈上升，而15 a則需要更長時(shí)間。