宜昌小時極端降水長期變化特征分析

雷東洋，何衛(wèi)平，周 雪，丁麗麗，杜 裕，向 焱

(1.湖北省宜昌市氣象局，湖北 宜昌 443000；2.湖北省遠(yuǎn)安縣氣象局，湖北 宜昌 444200；3.湖北省宜昌市葛洲壩中學(xué)，湖北 宜昌 444300)

0 引言

全球變暖加速了地表水的蒸發(fā)，使得大氣中水分增多，促進(jìn)地表及大氣之間的水循環(huán)，導(dǎo)致降水愈加不均勻，造成極端降水事件呈增多和增強(qiáng)趨勢，進(jìn)而不斷引起山洪、內(nèi)澇、泥石流等災(zāi)害事件。極端降水事件對國民經(jīng)濟(jì)及人民生命財產(chǎn)安全造成重大威脅，成為各國學(xué)者關(guān)注和研究的重點(diǎn)[1]。近年來，國內(nèi)多位學(xué)者對小時極端降水分布特征進(jìn)行了分析。付超等[2]利用江西省2010—2016年5—9月1597個觀測站逐小時降水?dāng)?shù)據(jù)分析了短時強(qiáng)降水高頻區(qū)主要分布。王靖羽等[3]根據(jù)河南省2929個地面觀測站2010—2015年5—9月逐時降水量數(shù)據(jù)分析了短時強(qiáng)降水集中發(fā)生期、主要大值區(qū)及地形對降水的增幅作用。李強(qiáng)等[4]利用四川和重慶123個氣象觀測站1980—2012年小時降水?dāng)?shù)據(jù)，分析了川渝地區(qū)強(qiáng)降水時空分布特征和持續(xù)性特征。楊熠等[5]利用2010—2019年4—8月遵義13個國家站逐時地面降水觀測資料，從不同等級雨強(qiáng)的時空分布進(jìn)行分析，研究了遵義短時強(qiáng)降水事件的時空分布特征。以上分析多側(cè)重于強(qiáng)降水的空間分布特征，缺少對長期變化趨勢的研究。也有學(xué)者采用多年觀測資料對極端降水長年代變化趨勢進(jìn)行了研究，部分研究發(fā)現(xiàn)極端降水呈增加趨勢[6-7]，部分研究則發(fā)現(xiàn)極端降水呈減少趨勢[8-9]，表明在不同區(qū)域，極端降水變化情況并非一致。以上研究多是針對平原地區(qū)，而山區(qū)極端強(qiáng)降水的監(jiān)測和預(yù)報一直是氣象科研和業(yè)務(wù)工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，有必要對山區(qū)極端強(qiáng)降水的長期變化趨勢進(jìn)行分析研究。本文利用宜昌1956—2020年4—10月逐分鐘資料分析了宜昌極端小時降水的長期變化特征，有助于提高對該地區(qū)極端降水發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識，為山區(qū)防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料說明

本文采用的降水?dāng)?shù)據(jù)來源于湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心提供的1956—2020年4—10月逐分鐘資料。其中1956—2002年原始降雨資料為自記紙降雨資料，經(jīng)過湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心的信息化處理，對降水記錄紙進(jìn)行掃描、檢查及降水曲線提取，得到人工審核后的逐分鐘雨量資料。2003—2020年降雨資料為新型自動氣象站自動記錄的逐分鐘雨量數(shù)據(jù)。

1.2 小時極端降水事件的定義

通過宜昌逐分鐘降水資料統(tǒng)計逐小時降水量，得到宜昌1956—2020年逐小時雨量。小時雨量分布具有較大的隨機(jī)性，顯然不遵從均勻分布，因此小時雨量分布不能按均勻分布處理，本文采用實際累積頻率分布來計算閾值。此方法是按小時雨量遵從的實際概率分布來確定百分位閾值。具體計算方法如下：首先確定宜昌1956—2020年小時雨量序列樣本頻率分布的組數(shù)，即：

組數(shù)=1+3.22logN

(1)

其中：N為序列的樣本容量，這里N=23 081。用極值(最大值和最小值的差)除以組數(shù)，得到每組的組距，依組距進(jìn)行分組，確定各組上限和下限。計算落入各組的頻數(shù)、頻率和累積頻率，作為實際概率分布的估計。然后將P=5%的百分位與各組的累積頻率值進(jìn)行比較，當(dāng)P落入某兩組的累積頻率值時，使用該對應(yīng)的兩組邊界值，線性插值求取第5百分位閾值，此法被稱為使用實際概率分布閾值法[10]。

按宜昌小時雨量遵從的實際概率分布來確定百分位閾值。第5百分位的閾值為10.3 mm，而對樣本數(shù)據(jù)按傳統(tǒng)的從大到小升序排列的方法，計算第5百分位值都是8.8 mm，與實際頻率分布計算得到的差值為1.5 mm。本文將小時雨量的極端氣候事件確定為小時雨量≥10.3 mm的事件。

2 結(jié)果分析

2.1 小時極端降水事件多年變化規(guī)律

從1956—2020年宜昌小時極端降水頻次年際、年代際變化圖(圖1)可以看到，宜昌小時極端降水頻次每年均有差別，年際變化明顯，總體來說，年平均出現(xiàn)小時極端降水頻次為14次，具有弱增加趨勢(0.18次·10a-1)。短時強(qiáng)降水出現(xiàn)最多的年份為1973年，達(dá)29次，出現(xiàn)最少的年份為1959年，僅出現(xiàn)1次。從年代際變化來看，各年代交替變化明顯，最多出現(xiàn)在2000年代，達(dá)15.5次·a-1，最少出現(xiàn)在1970年代，為12.4次·a-1。

采用滑動步長為10 a的滑動T檢驗法對1956—2020年宜昌逐年小時極端降水事件頻次進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，小時極端降水事件頻次在1975年前后發(fā)生了1次由多到少的突變，在1985年前后發(fā)生了1次由少到多的突變，均通過了0.1的顯著性檢驗。進(jìn)一步將1956—2020年宜昌逐年小時極端降水事件頻次的逐年變化序列進(jìn)行譜分析，采用一維連續(xù)功率譜分析方法，取最大落后時間步長為18 a，圖2給出了的功率譜分布曲線?？梢姶嬖?.6 a周期通過了95%置信上限，說明宜昌小時極端降水頻次除長期趨勢變化外，還存在2.6 a左右的周期變化。

圖1 宜昌小時極端降水事件頻次年際、年代際變化Fig.1 Interannual and interdecadal variation of hourly extreme precipitation event frequency in Yichang

圖2 宜昌小時極端降水事件頻次滑動T突變檢驗統(tǒng)計量(a)及功率譜分布(b)Fig.2 Sliding T abrupt change test statistics (a) and power spectrum distribution (b) of hourly extreme precipitation event frequency in Yichang

2.2 小時極端降水事件旬、日變化規(guī)律

從宜昌小時極端降水頻次旬變化分布來看(圖略)，小時極端降水頻次呈單峰型變化，這種單峰型分布與中國大陸降水量的季節(jié)分布基本一致，是典型的季風(fēng)氣候。其中4月上旬—6月中旬緩慢增多，6月下旬開始顯著增多；7月下旬達(dá)到峰值，平均小時極端降水次數(shù)為1.8次；隨后平均次數(shù)迅速較少，9月上旬降到1.0次以下。其中，6月下旬—8月下旬小時極端降水頻次占比達(dá)69%，可見該時段是宜昌小時極端降水出現(xiàn)較為集中的時段。

從宜昌平均小時極端降水頻次日變化分布來看(圖略)，小時極端降水頻次呈“V字型”分布，17時—次日03時是小時極端降水發(fā)生最為集中的時段，尤其是22時出現(xiàn)的頻次最高，年均出現(xiàn)小時極端降水次數(shù)為0.89次。13時出現(xiàn)頻次最低，僅為0.2次。

2.3 極端降水事件的持續(xù)性

極端強(qiáng)降水事件的長時間持續(xù)往往是暴雨洪澇災(zāi)害的主要原因，因此有必要對極端降水的持續(xù)性進(jìn)行研究。定義當(dāng)某一時次降水之后連續(xù)2 h沒有降水時，判定1次降水過程結(jié)束，將1次降水事件開始至結(jié)束的小時數(shù)定義為其持續(xù)時間。當(dāng)1次降水過程包含至少1 h極端降水事件時，定義該過程為1次極端降水事件。分析1956—2020年期間宜昌極端降水的持續(xù)時間分布(圖3)發(fā)現(xiàn)，極端降水的持續(xù)時間為1～40 h之間。從圖中可看出，宜昌極端降水的持續(xù)時間頻次分布多集中在2～4 h。其中以持續(xù)時間2 h出現(xiàn)最多，并隨著持續(xù)時數(shù)增加而迅速遞減。最長持續(xù)時間為40 h，歷史上僅發(fā)生了1次，從2013年9月23日17時開始，持續(xù)到25日09時結(jié)束，過程累積雨量106.9 mm。

不同極端降水的持續(xù)時間出現(xiàn)頻率是通過不同持續(xù)時間的極端降水頻次除以65 a總降水時數(shù)(即前文提到的23 081 h降水樣本數(shù))得到的。為了求出極端降水最多出現(xiàn)的持續(xù)時數(shù)，利用期望公式，即：

(2)

其中：xi為持續(xù)i小時的極端降水事件出現(xiàn)總小時數(shù)；pi為對應(yīng)出現(xiàn)的頻率。由公式(2)可以求得宜昌極端降水的持續(xù)時間的期望為2.4 h?？梢娨瞬龢O端降水事件最為常見的降水持續(xù)時長是2.4 h。

圖3 宜昌極端降水事件持續(xù)時長分布Fig.3 Duration distribution of extreme precipitation events in Yichang

2.4 極端降水事件的強(qiáng)度特征

2.4.1 極端降水強(qiáng)度年際變化 本文定義某時段內(nèi)所有小時極端降水降水量總和為該時段降水極端強(qiáng)度。圖4給出的是1956—2020年宜昌極端降水強(qiáng)度年際及年代際變化曲線。由圖可知，宜昌極端降水強(qiáng)度總體上呈弱上升趨勢(3.4 mm·10 a-1)，波動變化明顯。最大強(qiáng)度為562.6 mm(1989年)，最小值為11.1 mm(1959年)。從年代際變化來看，各年代極端降水強(qiáng)度也呈明顯的波動變化趨勢，最大值出現(xiàn)在2000年代，年均強(qiáng)度為307.8 mm，最小值出現(xiàn)在1970年代，年均強(qiáng)度為230.8 mm。

圖4 宜昌極端降水強(qiáng)度年際、年代際變化Fig.4 Interannual and interdecadal variation of extreme precipitation intensity in Yichang

采用滑動步長為10 a的滑動T檢驗法分析1956—2020年宜昌逐年極端降水強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，極端降水事件頻次在1975年前后發(fā)生了1次由強(qiáng)到弱的突變，在1986年前后發(fā)生了1次由弱到強(qiáng)的突變，均通過了0.1的顯著性檢驗。進(jìn)一步將1956—2020年宜昌逐年極端降水強(qiáng)度的逐年變化序列進(jìn)行譜分析，發(fā)現(xiàn)宜昌逐年極端降水強(qiáng)度存在2.8 a左右的周期變化，與小時極端降水頻次2.6 a的周期變化較為接近，并通過了95%置信度檢驗。

2.4.2 極端降水集中期強(qiáng)度特征 由前文對小時極端降水旬變化特征的分析可知，宜昌小時極端降水分布主要集中在6月下旬—8月下旬之間。對宜昌1956—2020年6月下旬—8月下旬逐年逐旬極端降水強(qiáng)度組成的二維矩陣歸一化后進(jìn)行主分量分析，得到前3個模態(tài)解釋方差。第1模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為50.19%，第2模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為14.12%，第3模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為11.44%，第4模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為8.94%。前3個模態(tài)方差明顯大于第4個模態(tài)，且累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)到75.75%，基本能夠反映出宜昌極端降水的主要分布特征。

第1模態(tài)荷載向量均為正值，屬于正值同相位，表明宜昌極端降水強(qiáng)度變化呈現(xiàn)整體一致特性，即同時增大或同時減小，出現(xiàn)這種特征的分布顯然與共同的氣候變化因素具有明顯相關(guān)性。7月下旬是主要的高值區(qū)域，表明該旬極端降水強(qiáng)度變化相對顯著。這種分布類型占總方差的50.19%，是宜昌極端降水強(qiáng)度變化趨勢的最主要分布特征。從第1時模態(tài)間系數(shù)曲線看出，1956—2020時間系數(shù)均為正值，表明在各年份里宜昌極端降水強(qiáng)度在6月下旬—8月下旬的分布與第1特征向量的分布是一致的。

第2模態(tài)荷載向量在7月下旬與其他各旬呈反向分布，表明宜昌極端降水強(qiáng)度變化趨勢在7月下旬和其他各旬呈反向分布。這種空間分布特征類型占總方差的14.12%，是宜昌極端降水強(qiáng)度變化趨勢的另一個重要分布特征。從第2模態(tài)時間系數(shù)曲線看出，1956—2020年波動性變化明顯，無顯著趨勢性變化。其中1970年、1988年、2013年有明顯的極大值，表明在上述年份宜昌極端降水強(qiáng)度變化分布與第2特征向量空間分布較接近，在上述年份里，7月下旬強(qiáng)度顯著偏弱；1973年、1995年、2018年有明顯的極小值，表明在上述年份里宜昌極端降水強(qiáng)度變化分布與第2特征向量空間反向分布較接近，即7月下旬強(qiáng)度偏強(qiáng)，其他旬強(qiáng)度偏弱。

圖5 宜昌極端降水強(qiáng)度前3個模態(tài)特征向量及時間系數(shù)分布(第1模態(tài)a、b；第2模態(tài)c、d；第3模態(tài)e、f)Fig.5 Eigenvector field distribution and time coefficient curve of the first three modalities of extreme precipitation intensity in Yichang(modality 1:a,b; modality 2:c,d; modality 3:e,f)

第3模態(tài)荷載向量在分布上與第2模態(tài)較為類似，7月下旬—8月上旬與其他各旬呈反向分布，表明宜昌極端降水強(qiáng)度變化趨勢在7月下旬—8月上旬與其他各旬呈反向分布。這種分布特征類型占總方差的11.44%，是宜昌極端降水強(qiáng)度變化趨勢的另一個重要特征。從第3時間系數(shù)曲線看，1962年、1989年、2020年有明顯的極大值，表明在上述年份里宜昌極端降水強(qiáng)度分布與第3特征向量空間分布較接近，即在上述年份里，7月下旬—8月上旬顯著偏弱；另外1970年、1988年、1995年有明顯的極小值，表明在上述年份里宜昌極端降水強(qiáng)度分布與第3特征向量反向空間分布較接近，即7月下旬—8月上旬偏強(qiáng)，其他各旬偏弱。

3 結(jié)論與討論

利用宜昌1956—2020年4—10月逐分鐘資料分析了宜昌極端小時降水的長期變化特征，主要結(jié)論如下：

①宜昌年均小時極端降水頻次為14次，呈弱增加趨勢，1975年左右發(fā)生1次由多變少的突變，1985年左右出現(xiàn)1次由少變多的突變，且都通過0.1的信度檢驗，除長期變化趨勢以外，小時極端降水頻次還存在2.6 a左右的周期比變化趨勢，且通過了95%的置信度檢驗。表明宜昌小時極端降水頻次除長期趨勢性變化外還存在突變和周期性變化特征。

②宜昌小時極端降水頻次旬變化呈單峰型分布，主要集中在6月下旬—8月下旬，峰值出現(xiàn)在7月下旬。其中4月上旬—6月中旬西太平洋副高脊線通常位于20 °N以南，宜昌處于前汛期，小時極端降水增加并不明顯； 6月下旬—7月中旬，宜昌往往處于梅雨期間，此時大型降水過程增多，小時極端降水也相應(yīng)增多；7月下旬—8月下旬，副高脊線通常繼續(xù)西伸北抬，宜昌位于副高邊緣對流不穩(wěn)定區(qū)域，局地強(qiáng)對流天氣頻發(fā)，小時極端降水顯著增多；隨后副高脊線通常繼續(xù)北抬，宜昌進(jìn)入盛夏，小時極端降水減少?？梢娨瞬r極端降水頻次旬變化與西太平洋副熱帶高壓脊線的調(diào)整密切相關(guān)。

宜昌小時極端降水頻次日變化呈“V字型”分布，主要集中在17時—次日03時之間，峰值出現(xiàn)在22—23時之間。鄂西山區(qū)強(qiáng)降水在凌晨多發(fā)與西南低空急流通常在凌晨達(dá)到最大值有關(guān)，而且凌晨03—04時的地面氣壓是一天中的次低值，地面氣壓的降低使輻合增強(qiáng)，也有利于短時強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展，這也與高原東側(cè)地區(qū)“夜雨”多發(fā)類似。

③宜昌極端降水持續(xù)時間多集中在2～4 h之間，其中以2 h居多，數(shù)學(xué)期望值是2.4 h。

④宜昌逐年極端降水強(qiáng)度與降水頻次類似，呈弱增加趨勢，在1975年左右出現(xiàn)了由強(qiáng)到弱的突變，1986年左右出現(xiàn)了由弱到強(qiáng)的突變，且都通過了90%的信度檢驗，除長期變化趨勢以外，極端降水強(qiáng)度還存在2.8 a左右的周期比變化趨勢，且通過了95%的置信度檢驗。通過主分量分析發(fā)現(xiàn)，在6月下旬—8月下旬的降水集中期，宜昌極端降水強(qiáng)度具備以下特征：極端降水強(qiáng)度變化呈現(xiàn)整體一致特性，即同時增大或同時減小，該特征方差貢獻(xiàn)率為50.19%；極端降水強(qiáng)度變化在7月下旬和其他各旬呈反向分布，該特征方差貢獻(xiàn)率為14.12%；極端降水強(qiáng)度變化在7月下旬—8月上旬與其他各旬呈反向分布，該特征方差貢獻(xiàn)率為11.44%。