中國(guó)設(shè)計(jì)暴雨量變化及其對(duì)降水變化的響應(yīng)

吉戴婧琪，戈文艷，2，韓劍橋，2，劉儀航

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

0 引 言

暴雨引發(fā)的洪水災(zāi)害在世界范圍內(nèi)廣泛分布，導(dǎo)致人類生命、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)遭受巨大損失［1］。因受東亞季風(fēng)與大氣環(huán)流影響，中國(guó)的暴雨洪水災(zāi)害尤為嚴(yán)重，災(zāi)害損失占全球的10%左右（1990-2017年）［2］。為抵御暴雨洪水，我國(guó)修建了大量水利工程，如水庫(kù)、堤防和防洪閘等［3］，構(gòu)筑了較為完備的防洪體系。在防洪體系的工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，設(shè)計(jì)暴雨量是確定防洪標(biāo)準(zhǔn)的重要參數(shù)，主要指特定設(shè)計(jì)頻率下的可能最大暴雨量，可由實(shí)測(cè)降水資料計(jì)算得到。但在近期氣候變化背景下，頻發(fā)的極端暴雨導(dǎo)致水文序列平穩(wěn)性發(fā)生變化，相同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨量可能隨之改變。因此，研究設(shè)計(jì)暴雨量的變化及其對(duì)降水變化的響應(yīng)，對(duì)于暴雨洪水的防災(zāi)減災(zāi)、防洪體系工程的可靠性評(píng)估具有重要的理論與實(shí)踐意義。

已有研究從多個(gè)角度對(duì)降水與設(shè)計(jì)暴雨變化進(jìn)行了深入剖析。部分學(xué)者認(rèn)為全球總降水量沒(méi)有顯著變化，但極端降水事件有所增加［4］。近年來(lái)，全球有96個(gè)國(guó)家降水量增加，104個(gè)國(guó)家減少［5］。美國(guó)的降水量呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)，但極端降水事件發(fā)生的強(qiáng)度與頻率增加［6］；中亞地區(qū)的年降水量以0.46 mm/a 的速率增加［7］；中國(guó)的年降水量不存在顯著變化趨勢(shì)，而極端降水顯著增長(zhǎng)，且均具有區(qū)域性差異［8］。年降水量主要在長(zhǎng)江中下游、東南沿海和西北地區(qū)呈上升趨勢(shì)，華北、東北地區(qū)呈下降趨勢(shì)［9］；極端降水主要在東北-西南向的地帶呈負(fù)趨勢(shì)，其兩側(cè)呈正趨勢(shì)［10］。國(guó)外的多項(xiàng)研究表明，受近期極端暴雨影響，日最大降水量序列中新加入了許多數(shù)值較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)［11］，導(dǎo)致特定重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨量增加。國(guó)內(nèi)學(xué)者也發(fā)現(xiàn)，100 a重現(xiàn)期下的全國(guó)日設(shè)計(jì)暴雨量的增長(zhǎng)速率約為0.08～0.13 mm/a，部分地區(qū)甚至超過(guò)了0.3～0.8 mm/a［12］。如，2011-2020年漢江流域百年一遇的設(shè)計(jì)暴雨量為364.7 mm，與1961-1990年相比增加了11.56%［13］。

目前，針對(duì)中國(guó)降水和設(shè)計(jì)暴雨量時(shí)空變化的研究成果豐碩，但設(shè)計(jì)暴雨量與降水變化的關(guān)系仍需深入探究。為此，本文根據(jù)全國(guó)639 個(gè)氣象臺(tái)站降水?dāng)?shù)據(jù)，分析了不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨量及其時(shí)空變化規(guī)律，并在研究多年平均降水量及日最大降水量變化特征的基礎(chǔ)上，揭示了降水變化對(duì)設(shè)計(jì)暴雨量的影響，以期為我國(guó)工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐，也為人類應(yīng)對(duì)極端暴雨的策略優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)位于亞洲東部、太平洋西岸，總面積約960 萬(wàn)km2（圖1），東西相距約5 000 km；地勢(shì)西高東低，呈階梯狀分布。氣候復(fù)雜多樣，東部屬季風(fēng)氣候，西北部屬溫帶大陸性氣候，青藏高原屬高寒氣候；以秦嶺—淮河一線為界，以南地區(qū)降水豐沛，以北地區(qū)降水稀少［8］。近年來(lái)氣溫與降水變化顯著，為了應(yīng)對(duì)降水變化引發(fā)的暴雨洪水，我國(guó)從新中國(guó)成立以來(lái)修建了大量的水利工程，至2018年底，已建水庫(kù)超過(guò)9 萬(wàn)座，95%以上為土石壩［3］，大部分修建于20世紀(jì)80年代以前。本文根據(jù)地理區(qū)劃將中國(guó)劃為華南、華東、華中、西北、西南、華北、東北七個(gè)地區(qū)進(jìn)行研究。

圖1 中國(guó)七大地理分區(qū)及氣象站點(diǎn)位置圖Fig.1 Seven geographic regions and meteorological stations in China

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//data.cma.cn/）提供的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0），時(shí)間序列為1951-2017年；由于1958年之前可獲取的降水?dāng)?shù)據(jù)較少，本文的研究時(shí)間為1958-2017年。同時(shí)，為了減少因缺失數(shù)據(jù)引起的數(shù)據(jù)偏差，本文去除了117個(gè)存在缺測(cè)問(wèn)題的氣象臺(tái)站，最終從756 個(gè)站點(diǎn)中選取了639 個(gè)作為研究對(duì)象，站點(diǎn)分布如圖1。中國(guó)地圖來(lái)源自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站（http：//211.159.153.75/）。

1.3 研究方法

1.3.1 設(shè)計(jì)暴雨量計(jì)算方法

為計(jì)算設(shè)計(jì)降雨量，先將各站點(diǎn)1958-2017年中每年的日最大降水量樣本取出，再以十年為步長(zhǎng)累積分段，共分為6個(gè)子序 列（1958-1967、1958-1977、1958-1987、1958-1997、1958-2007、1958-2017），再利用Pearson-III 型曲線計(jì)算不同子序列在20、50、100、200、500 及1 000 a 重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨量，最后組成不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨量時(shí)間序列。同時(shí)，為與設(shè)計(jì)暴雨量的長(zhǎng)序列統(tǒng)計(jì)值保持一致，年降水量和日最大降水量均采用動(dòng)態(tài)水文序列的計(jì)算方式，其過(guò)程設(shè)計(jì)如下：以一年為步長(zhǎng)將研究時(shí)段累積分段（1958、1958-1959、1958-1960、…、1958-2017），并利用算術(shù)平均法計(jì)算各子序列的年降水量與日最大降水量，分別再組成降水均值序列。

Pearson-III 型頻率分布曲線（簡(jiǎn)稱P-III 曲線）適用于統(tǒng)計(jì)降水量等左偏分布變量，是用來(lái)擬合降雨徑流或氣象頻率分布的數(shù)學(xué)模型，在我國(guó)水文設(shè)計(jì)中廣泛使用［14］。P-Ⅲ曲線的概率密度函數(shù)為：

式中：Г（α）為α的伽馬函數(shù)；α、β、a0為統(tǒng)計(jì)參數(shù)，可以通過(guò)變差系數(shù)Cv、偏態(tài)系數(shù)Cs和平均數(shù)求得。

根據(jù)我國(guó)暴雨特性以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文Cs與Cv的比值取3.5［15］，因此下式中的Cs=3.5Cv。

1.3.2 趨勢(shì)變化分析方法

本文為分析多年平均降水量和多年平均日最大降水量以及不同時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨量的定量變化程度，采用了普通最小二乘法計(jì)算其線性趨勢(shì)及變化速率［16］。為表現(xiàn)各個(gè)變量趨勢(shì)變化的空間特征，選用了普通克里金插值法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值。同時(shí)，利用F檢驗(yàn)（方差比率檢驗(yàn)）分析趨勢(shì)變化的顯著性（取5%的顯著性水平作為檢驗(yàn)依據(jù)）［17］，建立零假設(shè)H0：σ12=σ22，則F值計(jì)算公式如下：

式中：均為標(biāo)準(zhǔn)差的平方數(shù)，若計(jì)算F值大于5%顯著性水平下的設(shè)計(jì)F值，則變化趨勢(shì)通過(guò)了5%的顯著性檢驗(yàn)，p值表現(xiàn)為小于0.05（p＜0.05）。

此外，本文采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)（r值）探究了降水變量之間的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)r＞0 時(shí)表示變量間呈正相關(guān)，且相關(guān)性隨r的增大而增強(qiáng)；并用置信橢圓和置信帶展現(xiàn)相關(guān)關(guān)系的置信度（置信水平為95%）。

2 結(jié)果

2.1 多年平均降水量的時(shí)空變化特征

中國(guó)1958-2017年的多年平均降水量在空間上由東南向西北方向不斷遞減［圖2（a）］。華南、華東、華中地區(qū)的多年平均降水量大部分在1 200 mm 以上，華南地區(qū)最大（1 688.7 mm）；華北和西北地區(qū)大部分在300 mm 以下，西北地區(qū)最?。?90.9 mm）。從時(shí)間序列變化來(lái)看［圖2（b）］，全國(guó)共503 個(gè)站點(diǎn)的多年平均降水量具有顯著變化趨勢(shì)（p＜0.05），其中275 個(gè)顯著增加的站點(diǎn)主要集中于華南、華中、華東中部、西北、西南地區(qū)；228個(gè)顯著減少的站點(diǎn)主要集中于華東北部、華北、東北地區(qū)。

圖2 1958-2017年中國(guó)多年平均降水量時(shí)空變化圖Fig.2 Changes of multi-year average precipitation in China during 1958-2017

整體而言，中國(guó)的多年平均降水量在5%的顯著性水平下呈不顯著增加趨勢(shì)，但在10%的顯著性水平下顯著增加（0.05＜p＜0.1），增長(zhǎng)速率為0.07 mm/a。華南、華中、西北、西南地區(qū)的多年平均降水量顯著增加（p＜0.05），平均增長(zhǎng)速率分別為0.82、0.46、0.24 和0.21 mm/a；華北（-0.41 mm/a）、東北地區(qū)（-0.67 mm/a）顯著減少，華東地區(qū)則呈不顯著減少。

2.2 多年平均日最大降水量的時(shí)空變化特征

我國(guó)1958-2017年的多年平均日最大降水量呈現(xiàn)沿東南向西北逐漸減少的階梯狀分布規(guī)律［圖3（a）］。華南（139.1 mm）、華東（102.3 mm）、華中地區(qū)（94.1 mm）的多年平均日最大降水量較大；華北、西南和西北地區(qū)較?。ǖ陀?0 mm）。圖3（b）為各地區(qū)多年平均日最大降水量時(shí)間序列變化圖。全國(guó)有307個(gè)站點(diǎn)的日最大降水量在5%的顯著性水平下增加（占比48%），207 個(gè)站點(diǎn)顯著減少（占比32%）。其中，西南地區(qū)顯著增加的站點(diǎn)占比最大（60%），華中地區(qū)次之（58%），華北地區(qū)最?。?3%）?？傮w來(lái)看，中國(guó)的日最大降水量呈增加趨勢(shì)（0.05＜p＜0.1），增長(zhǎng)速率為0.01 mm/a。華南、華中、西北和西南地區(qū)的日最大降水量顯著增加（p＜0.05），增長(zhǎng)率分別為0.06、0.06、0.02和0.03 mm/a，東北地區(qū)（-0.08 mm/a）和華北地區(qū)（-0.04 mm/a）顯著減少，華東地區(qū)則呈不顯著增加趨勢(shì)。

圖3 1958-2017年中國(guó)多年平均日最大降水量時(shí)空變化圖Fig.3 Changes of multi-year average annual daily maximum precipitation in China during 1958-2017

2.3 設(shè)計(jì)暴雨量的變化特征

2.3.1 不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)暴雨量的空間分布特征

圖4 為1958-2017年不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨量空間分布圖。與降水的空間分布類似，不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨量均呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的階梯狀分布特征，最高和最低量級(jí)分別位于華南地區(qū)東部與西北地區(qū)中部。在7 個(gè)分區(qū)中，華南地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨量最大，華東和華中地區(qū)次之，東北、西南和華北地區(qū)較小，西北地區(qū)最小，均值分別為244.7、185.8、112.4、117.4、97.5、113.4、50.0 mm（20 a重現(xiàn)期下）。

圖4 1958-2017年不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)暴雨量的等值線圖Fig.4 Contour map of design rainstorm in the seven regions under different return periods

2.3.2 不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)暴雨量的時(shí)間變化特征

由不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)暴雨量的時(shí)間序列變化（圖5）和各地區(qū)站點(diǎn)的趨勢(shì)變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖6）可知，不同重現(xiàn)期下，全國(guó)均有20%左右站點(diǎn)的設(shè)計(jì)暴雨量序列呈顯著增加趨勢(shì)（p＜0.05），15%左右的站點(diǎn)顯著減少。全國(guó)設(shè)計(jì)暴雨量均值的增加速率在20、100 和500 a 一 遇 下 分 別 為0.005、0.007 和0.009 mm/a（0.05＜p＜0.1）。

圖5 不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)暴雨量的時(shí)間變化分布圖Fig.5 Changes of the design rainstorm in the seven regions under different return periods

圖6 不同重現(xiàn)期下地區(qū)站點(diǎn)設(shè)計(jì)暴雨量時(shí)間變化統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Statistical chart of temporal variation of design rainstorm for stations under different return periods

20 a重現(xiàn)期下，華中、西北和西南地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨量序列呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)（p＜0.05），平均增長(zhǎng)速率分別為0.19、0.05 和0.15 mm/a；區(qū)內(nèi)呈顯著增加趨勢(shì)的站點(diǎn)比例為20%以上。華南地區(qū)（0.03 mm/a）和華東地區(qū)（0.10 mm/a）呈不顯著增加趨勢(shì)，區(qū)內(nèi)呈顯著增加的站點(diǎn)比例分別為16%和25%。華北地區(qū)呈顯著減少趨勢(shì)（p＜0.05），平均減少速率為-0.08 mm/a；區(qū)內(nèi)呈顯著減少趨勢(shì)站點(diǎn)比例為24%。東北地區(qū)呈不顯著減少趨勢(shì)（-0.03 mm/a），區(qū)內(nèi)呈顯著減少趨勢(shì)的站點(diǎn)比例為19%。

隨重現(xiàn)期的增長(zhǎng)，除華南地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨量變化趨勢(shì)略有改變以外，其他地區(qū)的變化趨勢(shì)均保持不變，且變化速率呈現(xiàn)“增的愈增，減的愈減”的特征。當(dāng)重現(xiàn)期增長(zhǎng)至1 000 a 一遇，華中、西北和西南地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨量增加速率分別達(dá)到0.41、0.09和0.33 mm/a。

2.4 降水變化與設(shè)計(jì)暴雨量變化的關(guān)系

根據(jù)降水變化與設(shè)計(jì)暴雨量變化的相關(guān)性分析（圖7）可知，在5%的顯著性水平下，設(shè)計(jì)暴雨量變化與日最大降水量變化具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，兩者的趨勢(shì)均呈增加的站點(diǎn)數(shù)量為276 個(gè)，均呈減少趨勢(shì)的站點(diǎn)數(shù)量為189 個(gè)，其相關(guān)系數(shù)r分別為0.53 和0.63；而趨勢(shì)不一致的站點(diǎn)數(shù)量為174 個(gè)（27%），遠(yuǎn)低于趨勢(shì)一致的站點(diǎn)數(shù)量。設(shè)計(jì)暴雨量變化與年降水量變化也存在正相關(guān)性（p＜0.05），兩者的趨勢(shì)均呈增加的站點(diǎn)數(shù)量為227 個(gè)，均呈減少趨勢(shì)的站點(diǎn)數(shù)量為160 個(gè)，其相關(guān)系數(shù)r分別為0.34和0.40；而趨勢(shì)不一致的站點(diǎn)數(shù)量為253個(gè)，占總站點(diǎn)數(shù)的40%，略低于趨勢(shì)一致的站點(diǎn)數(shù)量。因此，設(shè)計(jì)暴雨量主要受到降水變化的影響，尤其與日最大降水量變化的相關(guān)性較強(qiáng)。

圖7 降水變化與設(shè)計(jì)暴雨量變化的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation between precipitation change and design storm change

3 討 論

中國(guó)1958-2017年的多年平均降水量和日最大降水量有所增加，華南、華中、西北和西南地區(qū)的降水顯著增加，華北、東北地區(qū)顯著減少，這種變化主要受氣候變暖的影響。IPCC6 報(bào)告指出［18］，在氣溫升高0.5 ℃的情況下，大氣水汽的含量增加了3.5%左右，降水上升了1%～3%，該結(jié)果與中國(guó)的研究結(jié)論一致［11］。在不同變暖程度下，中國(guó)華南、華中、華東、西南地區(qū)的夏季水汽輸送逐漸減少，多年平均降水量及日最大降水量表現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)［19］。此外，這種降水變化還與大氣環(huán)流密切相關(guān)。西太平洋副高強(qiáng)度的增加加劇了熱帶太平洋的水汽輸送，引發(fā)我國(guó)東部地區(qū)的暴雨現(xiàn)象；推動(dòng)了東亞夏季風(fēng)向西移動(dòng)，增加我國(guó)西北地區(qū)的水汽，導(dǎo)致降水量與日最大降水量增多［20］。而華北地區(qū)的降水量減少主要與東亞夏季風(fēng)環(huán)流的減弱有關(guān)，這種異常的大氣環(huán)流變化主要是受海陸熱力差異的影響［21］。此外，本文發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)暴雨量變化與降水變化關(guān)系密切，尤其與日最大降水量相關(guān)性較強(qiáng)。在中國(guó)多年平均日最大降水量增長(zhǎng)3%的情況下，20、50、100、200、500及1 000 a重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨量分別增長(zhǎng)5%、6%、6.2%、7.3%、8%和8.4%，與已有研究成果相似［22，23］。因此，極端暴雨引起的日最大降水量增加，會(huì)使相同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨量隨之增加。

在目前降水變化的背景下，特別是日最大降水量不斷增加的地區(qū)，相同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨量可能會(huì)被低估［24］。例如，在美國(guó)加利福尼亞州，20 世紀(jì)80年代按100 a 一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)修建的13 個(gè)大壩，在經(jīng)歷了多年降水變化后，100 a一遇的設(shè)計(jì)暴雨量?jī)H對(duì)應(yīng)目前30 a 一遇的重現(xiàn)期［25］。由此可見(jiàn)，許多工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)隨著時(shí)間的推移已經(jīng)無(wú)法達(dá)到原有的預(yù)期。中國(guó)大部分80年代建造且未除險(xiǎn)加固的工程在經(jīng)歷相同重現(xiàn)期下的暴雨時(shí)，可能因設(shè)計(jì)暴雨量被低估而導(dǎo)致工程的防洪能力及自身安全受到威脅，增大工程發(fā)生失事（如滲漏、滑坡、潰壩等）的概率，其下游的洪水災(zāi)害和水土流失風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)加劇。

隨著時(shí)間序列長(zhǎng)度的增加和氣候變化的持續(xù)影響，極端暴雨將導(dǎo)致更多且更高的降水極大值加入水文序列?；贑MIP6的預(yù)測(cè)結(jié)果，中國(guó)極端暴雨事件在21世紀(jì)末的可能增長(zhǎng)幅度將達(dá)到20%～30%［26］。在此背景下，我國(guó)未來(lái)的設(shè)計(jì)暴雨量可能會(huì)隨極端暴雨的增長(zhǎng)而繼續(xù)增加，對(duì)防洪工程及其可靠性的威脅也將進(jìn)一步加劇，特別是在設(shè)計(jì)暴雨量呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)的華中、西南和西北地區(qū)。因此，亟需校核修訂已建重大工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)，保障工程的防洪能力及正常運(yùn)行。

4 結(jié) 論

基于639 個(gè)氣象站點(diǎn)1958-2017年的日降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了我國(guó)不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)空變化特征，研究了設(shè)計(jì)暴雨變化與降水變化的相關(guān)關(guān)系，探討了設(shè)計(jì)暴雨量變化對(duì)工程防洪標(biāo)準(zhǔn)及其自身安全的影響，得出的結(jié)論如下。

（1）中國(guó)的多年平均降水量與日最大降水量均呈增加趨勢(shì)（0.05＜p＜0.1）。華南、華中、西北和西南地區(qū)的降水呈顯著增加趨勢(shì)（p＜0.05），而華北、東北地區(qū)則顯著減少。

（2）不同重現(xiàn)期下，中國(guó)的設(shè)計(jì)暴雨量均有所增加（0.05＜p＜0.1）。華中、西北和西南地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨量呈顯著增加趨勢(shì)（p＜0.05），華北地區(qū)顯著減少。隨重現(xiàn)期的增長(zhǎng)，各地區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨量變化速率呈現(xiàn)“增的愈增，減的愈減”的變化特征。

（3）特定重現(xiàn)期下，設(shè)計(jì)暴雨量因受降水變化而改變，尤其與多年平均日最大降水量的相關(guān)性較強(qiáng)。

（4）相同重現(xiàn)期下，設(shè)計(jì)暴雨量的增加可能會(huì)使我國(guó)的水文工程無(wú)法達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，威脅工程防洪標(biāo)準(zhǔn)及其自身安全，尤其是在設(shè)計(jì)暴雨量顯著增加的華中、西北和西南地區(qū)。隨著未來(lái)極端降水不斷增加，該情況可能會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重。