江西暴雨氣候特征及降水極值重現(xiàn)期分析

唐傳師 ， 甘瑞杰 , 程宗佩 , 馬鋒敏

1. 南昌市氣象局， 江西 南昌 330038

2. 江西省氣候中心， 江西 南昌 330096

0 引 言

江西省地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，是暴雨頻發(fā)、多發(fā)省份之一，暴雨常常導(dǎo)致嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，造成國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失。如2020年7月7—10日江西省出現(xiàn)連續(xù)區(qū)域性大暴雨天氣過程，雨量之多排歷史同期第一位，區(qū)域性大暴雨持續(xù)時(shí)間和縣市站次均為1961年以來歷史之最，致使全省99個(gè)縣(市、區(qū))746.8萬人受災(zāi)，緊急轉(zhuǎn)移安置70.2萬人，需緊急生活救助30.3萬人，農(nóng)作物受災(zāi)面積7.38×105hm2，絕收1.86×105hm2，倒塌房屋950戶1 866間，嚴(yán)重?fù)p壞房屋3 796戶7 245間，一般損壞房屋1.81萬戶2.39萬間，直接經(jīng)濟(jì)損失245.7億元。因此，暴雨預(yù)報(bào)服務(wù)是我國南方地區(qū)暴雨洪澇防災(zāi)減災(zāi)的重中之重，加強(qiáng)暴雨方面的研究有著迫切的業(yè)務(wù)與服務(wù)需求和防災(zāi)減災(zāi)意義。

近幾年，許多氣象工作者開展了全國或區(qū)域暴雨氣候變化特征方面的研究，取得了有意義的研究成果。鮑名等(2006)研究了1961—2000年我國暴雨發(fā)生頻率的變化特征，指出我國夏季暴雨多發(fā)生在長江中下游、華南、四川中東部、黃淮地區(qū)和華北東部，夏季暴雨發(fā)生頻率具有明顯的年代際變化，且各地區(qū)暴雨的年代際變化有一定差異，東部季風(fēng)區(qū)夏季暴雨與洪澇的關(guān)系非常密切。伍紅雨等(2011)研究了華南地區(qū)暴雨的氣候特征，指出72%的華南暴雨發(fā)生在汛期，華南年平均暴雨日數(shù)和暴雨強(qiáng)度有微弱上升趨勢(shì)。李施穎等(2016)研究了1980—2014年云貴高原暴雨的特征，指出云貴高原的暴雨貢獻(xiàn)率為5%—20%，暴雨量未出現(xiàn)明顯變化趨勢(shì)。劉毅等(2020)指出重慶暴雨日數(shù)變化趨勢(shì)不明顯，年平均暴雨強(qiáng)度和貢獻(xiàn)率在增加。王琪等(2020)指出湖南年暴雨與大暴雨日數(shù)、強(qiáng)度及對(duì)降水的貢獻(xiàn)率在1981—2017年呈顯著上升趨勢(shì)。

江西省也有不少氣象工作者從以下幾個(gè)方面開展了關(guān)于暴雨的相關(guān)研究，單九生等(2007)通過分析江西省致洪暴雨天氣形勢(shì)特征，根據(jù)中低層天氣形勢(shì)特征分型建立了致洪暴雨的預(yù)報(bào)模式；尹潔等(2004)對(duì)江西省主汛期53個(gè)連續(xù)暴雨過程中的阻塞高壓、副高等系統(tǒng)的活動(dòng)規(guī)律及連續(xù)暴雨的動(dòng)力、熱力條件分布特征進(jìn)行了分析,并利用歐洲中心數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品建立了汛期連續(xù)暴雨中期預(yù)報(bào)模型；鄒海波等(2013)分析了江西省82次持續(xù)性強(qiáng)降雨過程的年代際變化以及空間分布特征，指出江西省持續(xù)性強(qiáng)降雨的大尺度背景環(huán)流形勢(shì)主要?jiǎng)澐譃榈筒坌?、南槽北脊型、臺(tái)風(fēng)型和轉(zhuǎn)換型等4種類型；馬鋒敏等(2013)對(duì)江西省汛期極端降水的空間模態(tài)特征及其影響機(jī)制進(jìn)行了分析，指出赤道東太平洋前期5—6月和冬季的海表溫度與江西省汛期極端降水存在明顯的正相關(guān)；孫素琴等(2016)對(duì)江西省汛期暴雨時(shí)空特征進(jìn)行了分析，將汛期區(qū)域性暴雨分為6種分布型態(tài)。同時(shí)還有不少氣象工作者開展了江西暴雨個(gè)例研究(孫素琴等，2015；詹華斌等，2015；周雨等，2016；孫素琴等，2017；胡洋等，2019；許彬等，2019；凌婷等，2020)。暴雨和極端降水的預(yù)報(bào)一直是江西汛期防汛會(huì)商的重點(diǎn)，也是決策服務(wù)中的難點(diǎn)。但目前關(guān)于江西省暴雨日數(shù)、強(qiáng)度、貢獻(xiàn)率等總體氣候特征和降水極值及其變化規(guī)律的研究較少。文中利用江西省83個(gè)國家氣象觀測(cè)站的逐日降水資料，分析暴雨日數(shù)、強(qiáng)度、貢獻(xiàn)率等的氣候特征及其變化規(guī)律，并進(jìn)一步分析不同重現(xiàn)期的降水極值問題。這些研究將有助于了解江西暴雨變化特征，對(duì)暴雨預(yù)報(bào)與暴雨災(zāi)害評(píng)估有直接的指示作用，以期為開展防洪防澇、減災(zāi)氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

文中選取1961—2020年江西省83站國家氣象觀測(cè)站的日降水量資料，日降水量大于等于50 mm為一個(gè)暴雨日，暴雨降水量定義為暴雨期間降水量之和，暴雨強(qiáng)度定義為暴雨降水量與暴雨頻次之比，暴雨貢獻(xiàn)率定義為暴雨降水量與年降水總量之比。采用線性傾向估計(jì)法，分析暴雨日數(shù)、暴雨降水量、暴雨貢獻(xiàn)率的變化趨勢(shì)；采用年最大值法以及耿貝爾Ι型極值分布理論(戴有學(xué)等，2017)，進(jìn)行不同重現(xiàn)期的降水極值分析。

2 暴雨時(shí)空分布特征

2.1 暴雨日數(shù)

圖1a為1961—2020年江西省83站年平均暴雨日數(shù)空間分布，從氣候分布上，江西省各地年平均暴雨日數(shù)存在明顯的差異，總體呈現(xiàn)“東北多、西南少”的分布特征。江西省年均暴雨日數(shù)為3.3—7.5 d，年均暴雨日數(shù)以九江廬山7.5 d最多，其次為上饒婺源、德興、弋陽7.3 d，上饒為暴雨高發(fā)中心，各站年平均暴雨日數(shù)大多在6 d以上；年均暴雨日數(shù)最少為吉安遂川、泰和兩地，均為3.3 d，吉安和贛州為暴雨發(fā)生次數(shù)較少的地區(qū)，各站年均暴雨日數(shù)大部分在5 d以下。

為了了解暴雨日數(shù)的長期時(shí)空變化特征，對(duì)江西省83站逐年暴雨日數(shù)進(jìn)行線性傾向分析，得到年暴雨日數(shù)傾向率空間分布(圖1b)。從分析結(jié)果可以看出，江西省除2站年暴雨日數(shù)傾向率小于0(贛州瑞金暴雨日數(shù)傾向率為-0.10 d/(10 a)，宜春上高暴雨日數(shù)傾向率為-0.07 d/(10 a))，其他所有站點(diǎn)年暴雨日數(shù)傾向率均大于0，表明在全球氣候變暖的大背景下，江西省絕大部分地區(qū)年暴雨日數(shù)均呈增加趨勢(shì)。同時(shí)，年暴雨日數(shù)增加趨勢(shì)呈現(xiàn)東部和東北部快速增加，西部和南部增速略慢的態(tài)勢(shì)。增速較快的撫州、景德鎮(zhèn)和上饒等地以0.30—0.80 d/(10 a)的趨勢(shì)增加，撫州南城0.88 d/(10 a)為最大，其次為撫州資溪(0.57 d/(10 a))、景德鎮(zhèn)(0.53 d/(10 a))、上饒婺源(0.51 d/(10 a))等地；宜春和贛州等地以0.10—0.20 d/(10 a)的趨勢(shì)增加,增速略慢。值得注意的是，江西省東北地區(qū)既是暴雨的高發(fā)中心，也是暴雨日數(shù)的增長中心，以0.30—0.50 d/(10 a)的增速增加；吉安暴雨發(fā)生次數(shù)偏少，其暴雨日數(shù)增速為0.20—0.40 d/(10 a)。

圖1 1961—2020年江西省年平均暴雨日數(shù)(a，單位:d)和年暴雨日數(shù)傾向率(b，單位:d/(10 a))分布

2.2 暴雨降水量

對(duì)1961—2020年江西省83站暴雨降水量進(jìn)行分析，得到各站年平均暴雨降水量空間分布以及暴雨貢獻(xiàn)率空間分布(圖2a、b)。分析可知，江西省各地年平均暴雨降水量和暴雨貢獻(xiàn)率分布形態(tài)較為一致，呈現(xiàn)“東北多、西南少”的分布特征。江西省年平均暴雨降水量達(dá)231.7—633.3 mm，最大值633.3 mm出現(xiàn)在廬山，其次婺源為582.6 mm、德興564.9 mm；最小出現(xiàn)在遂川為231.7 mm，其次為泰和240.7 mm、萬安254.5 mm。江西省年平均暴雨貢獻(xiàn)率為14.9%—29.8%，最大出現(xiàn)在廬山為29.8%，其次為婺源29.0%、景德鎮(zhèn)28.9%；最小出現(xiàn)在遂川為14.9%，其次為泰和16.2%、井岡山16.5%。景德鎮(zhèn)和上饒為年暴雨降水量高值區(qū)，年均441.6—582.6 mm，其暴雨貢獻(xiàn)率也對(duì)應(yīng)高值區(qū)，為25.8%—29.0%；贛州北部和吉安南部為暴雨降水量低值區(qū)，年均231.7—277.8 mm，其暴雨貢獻(xiàn)率也對(duì)應(yīng)低值區(qū)，為14.9%—18.4%；其他地區(qū)年均暴雨降水量300.0—450.0 mm，其暴雨貢獻(xiàn)率為22.0%—26.0%。

為了了解年暴雨降水量及暴雨貢獻(xiàn)率長期時(shí)空變化情況，對(duì)江西省83站逐年暴雨降水量及暴雨貢獻(xiàn)率進(jìn)行線性傾向分析，得到各站暴雨降水量傾向率空間分布以及暴雨貢獻(xiàn)率傾向率空間分布(圖2c、d)。通過對(duì)各站逐年暴雨降水量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，暴雨降水量傾向率分布有2個(gè)呈明顯增長趨勢(shì)的中心，一個(gè)高增長中心是撫州市，其中南城暴雨降水量增長幅度最大達(dá)60.3 mm/(10 a)，其次資溪增長幅度為50.3 mm/(10 a)；另一個(gè)高增長中心是景德鎮(zhèn)和上饒婺源，其中景德鎮(zhèn)暴雨降水量增長幅度為49.6 mm/(10 a)，婺源為47.1 mm/(10 a)。暴雨降水量低值區(qū)的贛州北部和吉安南部以20—30 mm/(10 a)的中等幅度增長。另外，暴雨降水量增長趨勢(shì)不明顯的地區(qū)位于宜春、萍鄉(xiāng)、新余、贛州南部等地，其暴雨降水量傾向率大部分都小于10.0 mm/(10 a)。

圖2 1961—2020年江西省年平均暴雨降水量(a，單位:mm)、暴雨貢獻(xiàn)率(b，單位:%)、暴雨降水量傾向率(c，單位:mm/(10 a))、暴雨貢獻(xiàn)率傾向率(d，單位:%/(10 a))分布

分析各站逐年暴雨貢獻(xiàn)率發(fā)現(xiàn)，暴雨貢獻(xiàn)率有3個(gè)明顯的增長中心，一個(gè)是撫州，增長幅度為1.5%/(10 a)—2.5 %/(10 a)，其中南城暴雨貢獻(xiàn)率增長幅度最大為2.5 %/(10 a)，其次資溪增長幅度為1.7 %/(10 a)；第二個(gè)中心是景德鎮(zhèn)和上饒，增長幅度為1.3 %/(10 a)—1.8 %/(10 a)，其中景德鎮(zhèn)暴雨貢獻(xiàn)率增長幅度最大，為1.8 %/(10 a)，其次上饒婺源增長幅度為1.5 %/(10 a)；第三個(gè)高增長中心是暴雨貢獻(xiàn)率為低值區(qū)的贛州北部和吉安南部，增長幅度為1.2 %/(10 a)—1.4 %/(10 a)，其中石城增長幅度最大為1.4 %/(10 a)，其次興國增長幅度為1.3 %/(10 a)。九江西部、宜春、萍鄉(xiāng)、新余、贛州中南部等地的增長趨勢(shì)不明顯，暴雨貢獻(xiàn)率傾向率大多低于0.5 %/(10 a)。

2.3 暴雨降水強(qiáng)度

對(duì)1961—2020年江西省83站暴雨降水量及暴雨頻次進(jìn)行分析，得到各站平均暴雨強(qiáng)度空間分布以及暴雨強(qiáng)度傾向率空間分布(圖3)。分析發(fā)現(xiàn)，江西省各地平均暴雨強(qiáng)度呈北部大、南部小的分布特征。平均暴雨強(qiáng)度的高值中心在上饒、景德鎮(zhèn)、南昌、九江東部等地，平均暴雨強(qiáng)度為76—80 mm；低值中心在贛州北部，平均暴雨強(qiáng)度為68—70 mm；其他地區(qū)平均暴雨強(qiáng)度大部在72—76 mm。而暴雨強(qiáng)度長期變化則呈現(xiàn)西部增強(qiáng)、東部減弱的趨勢(shì)。暴雨強(qiáng)度變化有3個(gè)明顯的強(qiáng)度增強(qiáng)中心，贛州北部有一個(gè)2.7—3.2 mm/(10 a)的強(qiáng)度增長中心，在宜春和鷹潭也分別有一個(gè)2.5—2.9 mm/(10 a)和2.1—2.3 mm/(10 a)的強(qiáng)度增長中心。而在上饒、九江東部，有一個(gè)-2.4—-1.9 mm/(10 a)的強(qiáng)度負(fù)增長中心，在撫州有一個(gè)-0.5—-1.1 mm/(10 a)的強(qiáng)度負(fù)增長中心。綜上所述，在平均暴雨強(qiáng)度低值區(qū)的贛州北部，其暴雨強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的增長趨勢(shì)，而在平均暴雨強(qiáng)度高值區(qū)的上饒、九江東部，其暴雨強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)增長趨勢(shì)。

圖3 1961—2020年江西省平均暴雨強(qiáng)度(a，單位：mm)、暴雨強(qiáng)度傾向率(b，單位：mm/(10 a))分布

3 日雨量極值特征

圖4為1961—2020年江西省83站日雨量極值空間分布。從日雨量極值空間分布來看，江西省日雨量極值大致呈現(xiàn)東北部大、西南部小的分布特點(diǎn)。日雨量極值有3個(gè)高值中心，以宜春靖安為最大達(dá)399.7 mm，其次分別為撫州廣昌393.8 mm和景德鎮(zhèn)364.6 mm；日雨量極值高值區(qū)主要分布在景德鎮(zhèn)、上饒、宜春和撫州一帶，為260—300 mm；低值區(qū)在吉安南部以及贛州中北部，日雨量極值為150—180 mm；其他地區(qū)大部為180—240 mm。

圖4 1961—2020年江西省日雨量極值分布(單位：mm)

根據(jù)1961—2020年江西省各站年最大日雨量，采用年最大值法以及耿貝爾Ι型極值分布理論，按照5、10、50、100 a的重現(xiàn)期進(jìn)行極值分析，給出江西省不同重現(xiàn)期日雨量極值空間分布(圖5)。分析可見，江西省不同重現(xiàn)期的日雨量極值空間分布較為一致，均呈現(xiàn)東北大、西南小的特征，高值區(qū)主要分布在上饒、景德鎮(zhèn)和撫州一帶，低值區(qū)主要在吉安南部和贛州。5 a一遇的極值高值區(qū)為180—190 mm，低值區(qū)為100—120 mm；10 a一遇的極值高值區(qū)為180—200 mm，低值區(qū)為120—140 mm；50 a一遇的極值高值區(qū)為240—300 mm，低值區(qū)為160—200 mm；100 a一遇的極值高值區(qū)為270—330 mm，低值區(qū)為180—210 mm。

圖5 江西省5(a)、10(b)、50(c)和100(d) a重現(xiàn)期日雨量極值空間分布(單位：mm)

為了了解江西各地市日雨量不同重現(xiàn)期極值情況，每年從各市所轄縣區(qū)挑選出本市年最大日雨量，得到江西省11個(gè)地市1961—2020年逐年最大日雨量，采用年最大值法以及耿貝爾Ι型極值分布理論，按照5、10、50、100 a的重現(xiàn)期進(jìn)行極值分析，給出江西省11市不同重現(xiàn)期日雨量極值分布(表1)。從表1可以看出，江西省11個(gè)市5 a一遇的日雨量極值為151.4—232.7 mm，10 a一遇的日雨量極值為146.8—271.2 mm，50 a一遇的日雨量極值為187.5—355.9 mm，100 a一遇的日雨量極值為204.7—391.8 mm。江西全省5 a一遇的日雨量極值為295.6 mm，10 a一遇的日雨量極值為332.4 mm，50 a一遇的日雨量極值為413.5 mm，100 a一遇的日雨量極值為447.7 mm。

表1 1961—2020年江西省各地區(qū)不同重現(xiàn)期日雨量極值(單位：mm)

4 結(jié) 論

文中利用1961—2020年江西省83站國家氣象觀測(cè)站的日雨量資料，對(duì)江西省各地年平均暴雨日數(shù)、暴雨降水量、暴雨貢獻(xiàn)率、暴雨強(qiáng)度等變化特征進(jìn)行了研究和分析，并采用年最大值法以及耿貝爾Ι型極值分布理論，進(jìn)行給定重現(xiàn)期極值分析。主要結(jié)論如下：

1) 江西省各地年平均暴雨日數(shù)總體呈現(xiàn)西南向東北遞增分布，且呈增加趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為西部和南部增加略慢，東部和東北部快速增加的態(tài)勢(shì)；尤其是江西省東北地區(qū)既是暴雨高發(fā)中心，也是暴雨日數(shù)增長中心。

2) 江西省各地年平均暴雨降水量和暴雨貢獻(xiàn)率一致呈現(xiàn)東北多、西南少分布。景德鎮(zhèn)和上饒既是暴雨降水量高值區(qū)，也是暴雨貢獻(xiàn)率高值區(qū)，同時(shí)還是暴雨降水量和暴雨貢獻(xiàn)率增長中心；贛州北部和吉安南部既是暴雨降水量低值區(qū)，也是暴雨貢獻(xiàn)率低值區(qū)，但其暴雨降水量及暴雨貢獻(xiàn)率也呈現(xiàn)較明顯的增長趨勢(shì)。

3) 江西省各地平均暴雨強(qiáng)度呈現(xiàn)較明顯的北部大、南部小的分布特征，暴雨強(qiáng)度長期變化呈現(xiàn)西部增強(qiáng)，東部減弱的趨勢(shì)。

4) 江西省不同重現(xiàn)期的日雨量極值一致呈現(xiàn)東北大、西南小分布，高值區(qū)主要分布在上饒、景德鎮(zhèn)和撫州一帶，低值區(qū)主要在吉安南部和贛州。