清鎮(zhèn)市近40年雨量、雨日及雨強變化特征分析

楊濤　張皓　蔡志穎　滕萬里　金昭貴

摘 要：本文利用清鎮(zhèn)市1980-2019年共40年逐日氣象數(shù)據(jù)資料，分析了清鎮(zhèn)市年、季降雨量、雨日和雨強變化趨勢及其演變規(guī)律。結(jié)果表明，清鎮(zhèn)市近40年降水量呈上升趨勢，平均每10年增加37 mm，降水量序列在4～6 a、12～14 a及23～26 a左右的尺度上存在較為明顯的周期波動，且降水量表現(xiàn)為夏多冬少，變化趨勢為春強冬弱的季節(jié)特征。清鎮(zhèn)年平均雨日數(shù)為184.5 d，約占全年天數(shù)的50.5 %，近40年來呈減少趨勢，平均每10年減少3.6 d，在3～4 a、8～12 a、18～21 a及22～25 a左右的尺度上存在周期波動。在不同等級的雨日序列中，小、中雨日呈減小趨勢;而大雨、暴雨日及以上量級變化則呈上升趨勢。雨日月、季變化特征明顯，春季雨日最多，夏季次之，在5、6月份達到峰值。最長連續(xù)降雨日和無雨日數(shù)均呈減少趨勢，其中年最長連續(xù)雨日為22 d（1991年），最長連續(xù)無雨日為25 d（1983年）。

關(guān)鍵詞：雨量;雨日;氣候趨勢

中圖分類號：P467? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0457（2021）05-0069-07? ? 國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2021.05.011

Analysis of Rainfall，Rainy Days and Rain Intensity Variation Characteristics in Qingzhen City in the Past 40 Years

YANG Tao1，ZHANG Hao2，3*，CAI Zhiying4，TENG Wanli2，JIN Zhaogui2

（1.Meteorological Bureau of Guiyang，Guiyang，Guizhou 550001，China;2.Meteorological Bureau of Qingzhen，Qingzhen，Guizhou 551400，China;3.Country Level Agrometeorological Test Station in Guiyang，Qingzhen，Guizhou 551400，China;4.Meteorological Burean of Ningbo，Ningbo，Zhejiang 315099，China）

Abstract：Based on daily meteorological data of Qingzhen City ranging from 1980 to 2019，we analyzed the trend and evolution of annual and seasonal rainfall，rainy days and rainfall intensities.The results showed that precipitation in Qingzhen City showed an upward trend in the past 40 years，with an average increase of 37 mm every 10 years.There were obvious periodic fluctuations in precipitation series at the scales of 4～6 a，12～14 a and 23～26 a，and the precipitation was characterized by more in summer and less in winter，and this change trend was shown strong in spring and weak in winter.The annual average number of rainy days in Qingzhen was 184.5 days，accounting for 50.5% of the total number of days in the whole year.It showed a decreasing trend in the past 40 years with an average reduction of 3.63 days per 10 years.There were periodic fluctuations in the rain-day sequence on the scales of 3～4 a，8～12 a，18～21 a and 22～25 a.In the analysis of rainy days，light and moderate rainy days showed a decreasing trend，while the change of heavy rainy days，rainstorm days and above magnitude displayed an upward trend during the past 40 years.The month and season of rainy days had obvious characteristics，with the most rainy days in spring，followed by summer，peaking in May and June.Both the longest continuous rainy days and the number of rain-free days displayed a decreasing trend，and the longest continuous rainy days was 22 days per year（1991），and the longest continuous rain-free days was up to 25 days（1983）.

Keywords：rainfall;rainy day;climate trend

基金項目：貴州省氣象局項目（黔氣科登[2020]08-12）;貴陽市科技計劃項目（筑科合同[2020]7-3）

全球氣候變暖背景下的極端降水事件頻繁發(fā)生，自20世紀(jì)50年代以來尤為突出，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，在分析極端降水與降水量、雨日數(shù)、降水強度的相關(guān)性研究中，馮新靈等[1]指出，我國西南、西北等五大區(qū)域的雨日數(shù)表現(xiàn)出完全一致的減少趨勢;王穎等[2]研究發(fā)現(xiàn)，中國雨日數(shù)的趨勢變化與降水量的長期變化趨勢并不完全相同，雨日減少趨勢比降水量減少趨勢更加顯著，中國平均雨日每10年減少3.8 d;汪青春等[3]研究表明，青海近年來夏半年雖降水量和雨日有所減少，但日平均降水量有所增大且降水愈發(fā)集中，20世紀(jì)90年代夜間出現(xiàn)強降水的幾率高于80年代。王芬等[4]對近49年來貴州不同等級降水頻率變化的研究發(fā)現(xiàn)，雖然總雨日、中雨日、小雨日顯著減少，但貴州的暴雨日卻有所增加，且隨著降水等級的上升，雨日與降水量的相關(guān)系數(shù)迅速增大。嚴(yán)小冬等[5]指出，貴州省秋季雨日時空變化與大氣環(huán)流存在密切關(guān)系。

清鎮(zhèn)“一山有四季、十里不同天”屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，位于我國西南喀斯特地貌中心區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，暴雨、大風(fēng)、冰雹等氣象災(zāi)害多發(fā)。金昭貴等[6]發(fā)現(xiàn)清鎮(zhèn)2006-2015年降水量變化差異大，降水量分布呈現(xiàn)中間低，兩邊高的態(tài)勢，近10年清鎮(zhèn)出現(xiàn)了不同程度的干旱和洪澇災(zāi)害。張皓等[7]指出清鎮(zhèn)1965-2015年降水變化存在3～7 a、7～12 a 和 22～32 a 的3類尺度的周期變化特征。本文擬利用清鎮(zhèn)1980-2019年降水資料，采用線性趨勢、小波分析等方法對清鎮(zhèn)市雨量、雨日及雨強進行分析，以期為當(dāng)?shù)貧庀鬄?zāi)害防御提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于貴州省信息中心，選用清鎮(zhèn)市1980-2019年逐日氣象數(shù)據(jù)，建立出年、季、月、汛期、非汛期雨日和降水量的逐年時間序列。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[7]劃分3-5月為春季、6-8月為夏季、9-11月為秋季、12月-次年2月為冬季。雨日數(shù)定義為日降水量大于等于0.1 mm的日數(shù)、小雨日（日降水量0.1～9.9 mm/d）、中雨日（日降水量10.0～24.9 mm/d）、大雨日（日降水量25.0～49.9 mm/d）、暴雨日（日降水量50～99.99 mm/d）、大暴雨日（日降水量100～249.9 mm/d）、特大暴雨日（日降水量≥250.0 mm/d）。年最長連續(xù)雨日數(shù)則被定義為該年連續(xù)出現(xiàn)有效降水（≥0.1 mm）天數(shù)的最大值，年最長連續(xù)無雨日為該年連續(xù)出現(xiàn)無有效降水的天數(shù)最大值。

1.2 分析方法

1.2.1 線性傾向率

采用最小二乘法，計算氣象要素的時間傾向率b，氣象要素的時間序列與自然數(shù)數(shù)列之間的相關(guān)系數(shù)r也被稱為趨勢系數(shù)。用Xi表示樣本量為n的某一氣象要素時間序列， Ti表示Xi所對應(yīng)的時間，建立Xi與Ti之間的一元線性回歸方程：

X_i=bT_i+a ，其中i=1 … n （n為樣本數(shù)）

其中a為常數(shù)，b為回歸系數(shù)，回歸系數(shù)b的符號表示氣候變量X_i的趨勢傾向，|b|值的大小反映了上升或下降的快慢，即表示上升或下降的傾向程度：b>0表示隨時間t的增加，X_i呈上升趨勢，b<0則表示X_i呈下降趨勢。

1.2.2 小波分析

小波分析法是傅立葉思想的延伸和拓展，其基本思想是用一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一信號或函數(shù)，選擇合適的小波函數(shù)則是小波分析的關(guān)鍵。本文利用Morlet連續(xù)復(fù)小波變換來分析氣象要素時間序列的多時間尺度特征，以往使用實小波變換系數(shù)作為判據(jù)的過程將產(chǎn)生虛假振蕩，而復(fù)數(shù)小波則可對其進行有效的消除，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[8]。再借助小波方差來確認(rèn)時間尺度的周期對氣象要素序列變化起主要作用，小波方差峰值即為主要變化周期。利用MATLAB、Surfer軟件分別繪制對應(yīng)的圖形。采用此方法，本文對清鎮(zhèn)市雨量、雨日序列做了周期分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 年平均降水量變化

1980-2019年間，清鎮(zhèn)年平均最大、最小降水量為1648.3 mm，699.1 mm，分別出現(xiàn)在2014和1981年，最大降水量為最少年的2.36倍，年際差異較大。圖1給出清鎮(zhèn)市近40年年平均降水量及其線性趨勢特征?？傮w而言，清鎮(zhèn)年平均降水量呈顯著的上升趨勢，平均每10年增加37 mm。從年降水量的10年滑動平均變化中可見，清鎮(zhèn)市降水經(jīng)歷“少—多—少—多”4個階段，尤其在2012年以后，年平均降水量呈波動上升，進入一個相對多雨期，近10年的平均降水量與前30年相比增加約98.5 mm。近40年最高日降水量為287.8 mm，達到了特大暴雨量級，出現(xiàn)在2014年7月16日，受中層低槽、低層低渦切變和地面弱冷空氣影響[12]。

對年平均降水量采用了小波分析方法，以期得到其周期變化特征，結(jié)果如圖2所示。圖2 a中的小波系數(shù)實部可反映降水量序列在不同時間尺度上的周期變化及其在時間域中的分布，進而可判斷不同時間尺度上，降水量的變化趨勢。小波系數(shù)的正（負）對應(yīng)降水的多（少）。由圖可見，清鎮(zhèn)年平均降水量在4～6 a、12～14 a及23～26 a左右的尺度上存在較為明顯的周期波動，三個周期波動可貫穿整個分析時域，并且12～14 a左右的時間尺度上，出現(xiàn)了五次周期波動，表明了該時域內(nèi)清鎮(zhèn)降水存在明顯的豐枯交替變化;小波方差在尺度分別為5 a、9 a、13 a和24 a出現(xiàn)峰值， 且24 a最為明顯，表明該序列第一主周期為24 a，第二、三、四主周期則分別為5 a、9 a和13 a。除此之外，在5 a尺度上波動周期等值線和13 a尺度上，2018-2019年左右波動周期等值線為正的已閉合和負的未閉合，在尺度為24 a上，等值線為正的未閉合，表明2019年后清鎮(zhèn)年平均降水量將在一定時間內(nèi)保持下降趨勢并轉(zhuǎn)呈上升趨勢。

2.2 季節(jié)平均降水量變化

圖3為清鎮(zhèn)市各季節(jié)降雨量變化趨勢圖，可以看出清鎮(zhèn)四季降水變化差異明顯，降水量主要集中在夏季，其次為春季，冬季最少。40年來春、夏兩季降水呈上升趨勢，春季平均10年增加27 mm，夏季增加14 mm：秋、冬季呈下降趨勢，秋季平均10年減少4 mm，冬季減少1 mm;且春、夏季變化趨勢比秋、冬季更加明顯。

2.3 雨日氣候統(tǒng)計及其變化特征

表1給出近40年清鎮(zhèn)雨日氣候統(tǒng)計特征量及其變化趨勢?？梢钥吹?，清鎮(zhèn)年平均降水日數(shù)為184.5 d，占全年天數(shù)的50.5 %，屬多雨日地區(qū)，近40年來年最大雨日數(shù)為212 d（1997年），年最小雨日數(shù)為155 d（2003年）。從雨日量級來看，小雨日最多，年平均為153.7 d，約占雨日的83.3 %，中雨日年平均為18.6 d，暴雨日及以上量級雨日數(shù)為3.8 d，基本出現(xiàn)在4-9月（汛期），最多為9 d（2015年）。在季節(jié)分布上，春季雨日數(shù)最多，春季年平均降水日數(shù)達50.1 d，其次為夏季;清鎮(zhèn)雨日數(shù)較多，年際變化較大，標(biāo)準(zhǔn)差為14.7，最少年僅為最多年73.1%。 從季節(jié)變化來看，四季均為減少趨勢，其中秋季減少最為明顯、其次是冬季。分析雨日等級變化后發(fā)現(xiàn)，近40年來，小雨日和中雨日的出現(xiàn)次數(shù)都呈減小趨勢，其中年小雨日的減少趨勢最為明顯，氣候傾向率為-4.2 d/10 a。年小雨日和年雨日長期變化特征基本一致，相關(guān)系數(shù)可高達0.932。說明雨日減少主要是由小雨日減少所引起。大雨日及以上量級雨日數(shù)則呈明顯上升趨勢，分別每10年增加1.3 d、1.5 d和2.2 d，近10年與前30年相比，小中雨日年平均減少了2.7 d。大雨日及以上量級年平均增加1.1 d。

圖4給出清鎮(zhèn)近40年月平均降水量、雨日分布圖。可看到，清鎮(zhèn)市雨量、雨日分布均表現(xiàn)出明顯的月變化特征，雨日和降水量的逐月變化大體一致。其中降水量呈單峰型分布，降水量極大值區(qū)出現(xiàn)在6月;雨日呈雙峰型分布，在5、6月表現(xiàn)為大值;6月平均雨日為17.6 d，占6月天數(shù)的58.7 %，在9、11、12月雨日較少，平均僅為12.9 d。災(zāi)害性暴雨基本出現(xiàn)在4-10月，平均值21.1 d，占全年的98.7%。其余5個月內(nèi)，暴雨出現(xiàn)概率較低，近40年冬季（12-翌年2月）清鎮(zhèn)市未發(fā)生過暴雨，3、11月也分別僅發(fā)生一次。

圖5a給出了清鎮(zhèn)市40年雨日數(shù)在不同時間尺度上的周期振蕩，清鎮(zhèn)雨日數(shù)序列在3～4 a、8～12 a、18～21 a及22～25 a左右的尺度上存在較為明顯的周期波動，其中在8～12 a左右的時間尺度上，出現(xiàn)了六次周期波動，在13～18 a、22～25 a左右時，清鎮(zhèn)雨日在整個時域上交替也較為明顯。由圖5b知，尺度分別為4 a、10 a、20 a和23 a時，小波方差出現(xiàn)峰值，23 a峰值最高，表明該序列第一主周期為23 a，第二、三、四主周期分別為20 a、10 a和4 a。在10 a、20 a尺度上波動周期等值線上，2018-2019年左右波動周期等值線未閉合，在尺度為23 a上，波動周期等值線為負的未閉合，這表明在2019年后清鎮(zhèn)雨日將在一定時間內(nèi)保持上升趨勢，然后呈下降趨勢，與降水量變化趨勢特征（圖2）不同，之所以表現(xiàn)為不同的變化特征，主要是由于氣候逐漸變暖造成降雪日數(shù)的減少[2]，進而抵消了降水量的增加。

圖6給出清鎮(zhèn)近40年雨日（a）逐年變化趨勢和雨強（b）變化分布圖，清鎮(zhèn)近40年雨日數(shù)具有明顯的年代際變化特征，從其平滑曲線看，主要可分為四個階段：（1）在80年代表現(xiàn)下降趨勢，（2）90年代前中期為上升趨勢，1997年雨日達到最高值212 d，（3）隨后呈下降趨勢，2003年僅為155 d，（4）從2005年后呈波動上升。在40年間，清鎮(zhèn)雨日呈明顯的下降趨勢，氣候趨勢系數(shù)和氣候傾向率分別為-2.9 /10 a和-3.6 /10 a，即雨日平均每10年減少3.6 d，如此的氣候傾向率也低于全國平均水平-3.8 d/10 a[2]。從雨強變化圖可看到，清鎮(zhèn)40 a雨強總體呈上升趨勢，平均每10年增加0.31 mm/d。雨強和雨日變化趨勢完全相反，這表明年降水強度與年降水日數(shù)的長期線性變化趨勢并不一致，清鎮(zhèn)近40年雖然年降水日數(shù)有所減少，但降水強度卻有所增強。

2.4 年最長連續(xù)雨日數(shù)和最長連續(xù)無雨日數(shù)變化

如圖7所示，清鎮(zhèn)近40年連續(xù)降水雨日天數(shù)（≥0.1 mm）略呈下降趨勢，平均每10年減少0.26 d。年最大連續(xù)雨日數(shù)平均值為13.8 d。連續(xù)雨日數(shù)年最大值為22 d（1991年1月16日-2月6日）;由圖7b連續(xù)無雨日數(shù)年最大值整體也呈減少趨勢，平均每10 a減少0.6 d，且連續(xù)無雨日數(shù)的平均值為13.5 d。最長連續(xù)無雨日共計25 d（1983年11月22日-12月16日）。

3 結(jié)論與討論

清鎮(zhèn)市降水量成緩慢增長趨勢，平均每10年增加37 mm。降水量序列在4～6 a、12～14 a及23～26 a左右的尺度上存在較為明顯的周期波動。春、夏兩季呈上升趨勢，秋、冬季呈下降趨勢，且春、夏季增長趨勢更為明顯。

清鎮(zhèn)市雨日偏多，年平均值雨日可達184.5 d。雨日序列在3～4 a、8～12 a、18～21 a及22～25 a左右的尺度上存在周期波動。雨日具有明顯的季節(jié)變化，夏季偏多而冬季偏少。在不同強度的雨日統(tǒng)計中：小雨日占大多數(shù)，中雨次之，暴雨則主要存在于汛期。

清鎮(zhèn)市近40 年來雨日呈減少趨勢，平均每10年減少3.63 d，秋季最為明顯。從各量級雨日統(tǒng)計結(jié)果看，總、中、小雨日數(shù)呈下降趨勢，而大雨及以上量級則呈明顯的增加趨勢，對應(yīng)極端降水天氣事件明顯增加。此外，雨強與雨日數(shù)的長期線性變化趨勢不一致，40年中雖然雨日數(shù)有所減少，但降水強度卻有所增強。

筆者通過現(xiàn)代統(tǒng)計診斷方法，比較客觀地分析了1980-2019年清鎮(zhèn)市年、季降雨量、雨日和雨強變化趨勢及其演變規(guī)律，對當(dāng)?shù)亻_展暴雨災(zāi)害風(fēng)險普查及氣象災(zāi)害防御提供一定依據(jù)。而針對雨量、雨日數(shù)產(chǎn)生變化具體原因還未作深入研究，特別是大氣環(huán)流及城市熱島效應(yīng)是否影響該區(qū)域雨日等級變化，以及通過何種方式來影響等問題，還需要進一步研究。參 考 文 獻：

[1]? 馮新靈，羅隆誠，馮自立，等.中國雨日變化趨勢的分形研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2009，18（6）：112-117.

[2]? 王穎，施能，顧駿強，等.中國雨日的氣候變化[J].大氣科學(xué)，2006（1）：162-170.

[3]? 汪青春，李林，劉蓓，等.青海省近40年雨日、雨強氣候變化特征[J].氣象，2005（3）：69-73.

[4]? 王芬，曹杰，李腹廣，等.貴州不同等級降水日數(shù)氣候特征及其與降水量的關(guān)系[J].高原氣象，2015，34（1）：145-154.

[5]? 嚴(yán)小冬，宋燕，夏陽，等.貴州省秋季雨日時空變化及其與大氣環(huán)流的關(guān)系[J].氣象，2017，43（9）：1064-1072.

[6]? 金昭貴，張皓，吳智鳳，等.基于GIS的清鎮(zhèn)市暴雨災(zāi)害風(fēng)險分析[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2017，37（12）：225-226.

[7]? 張皓，金昭貴，劉宇鵬，等.基于M-K與Morlet的清鎮(zhèn)市降水量特征分析[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，59（4）：572-574，597.

[8]? 王濤，劉承曉.安徽省近60年雨日、降水量及雨強的氣候變化特征[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，11（1）：101-109.

[9]? 王充，李超超，申若竹，等.固原市西吉縣近67 a降水特征變化分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2020（9）：152-156，162.

[10] 杜小玲，吳磊，楊秀莊，等.梅雨鋒西段持續(xù)性暴雨的環(huán)境場特征及貴陽極端降水成因[J].暴雨災(zāi)害，2016，35（5）：415-426.

[11] 李明華，黃健，楊柳，等.惠州城區(qū)50年來雨日的氣候統(tǒng)計和變化特征[J].廣東氣象，2008（2）：27-30.

[12] 黃榮輝，蔡榕碩，陳際龍，等.我國旱澇氣候災(zāi)害的年代際變化及其與東亞氣候系統(tǒng)變化的關(guān)系[J].大氣科學(xué)，2006（5）：730-743.

[13] 浦吉存，白波，苗蓉，等.曲靖市2017年春夏旱澇成因及其對農(nóng)業(yè)的影響[J].山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報，2019，38（6）：21-27.

[14] 齊冬梅，周長艷，李躍清，等.西南區(qū)域氣候變化原因分析[J].高原山地氣象研究，2012，32（1）：35-42.

[15] 劉德祥，白虎志，梁東升，等.甘肅不同強度降水日數(shù)變化對干旱災(zāi)害的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2007（2）：212-217.

[16] 孔鋒，宋澤灝，方建，等.全球變暖背景下的近55年中國不同等級降雨空間分異規(guī)律[C].中國氣象學(xué)會，2018：280-290.

[17] 胡昌華，張軍波，夏軍，等.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計——小波分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999：210-217.

通訊作者：張皓（1988—），男，碩士，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象觀測與服務(wù)研究，E-mail：hao.0210@163.com.