貴州近50 a來夏季不同等級強降水事件特征研究

嚴小冬，孫 翔，楊春艷，夏 陽

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002；2.中國氣象局國家氣候中心，北京 100081；3.貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553001)

1 引言

貴州位于西南地區東南部，屬于低緯高原，省內地形地貌復雜，具有顯著的喀斯特山區特征，是全國唯一沒有平原支撐的省份，處于最強盛的東亞季風、印度季風和南海季風交替影響的范圍內，形成一年中干濕季區別顯著的立體氣候，其夏半年的降水量可達到占全年的70%以上[1-2]，加上特殊的地形特征，使得當地強降水事件的時空分布十分復雜[3-4]。

近年來，貴州旱澇頻發，不少科技工作者針對貴州降水日數、不同等級降水事件等做了大量的研究，如王芬等[4]分析指出，不同等級降水頻率發生明顯變化，總雨日、小雨日、中雨日顯著減少，但暴雨日(日雨量≥50 mm)卻有一定的增加趨勢，而大雨以下量級的降雨日數增加時，卻使得貴州的總降水量偏多，這亦從一方面體現了貴州地區強降水事件所具有的復雜性。袁文德等[5]對西南地區近50 a來極端降水事件變化趨勢的研究結果同樣表明，包含貴州在內的西南地區極端降水事件雖呈現出一定的上升趨勢，但并不顯著。雖然上述研究均說明我國西南地區的強降水事件具有不斷增多的特征，但仍有部分研究[6-8]在我國西南地區強降水事件頻數和強度的長期變化上存在不同意見。如Qian[9]以及鮑名[10]等的研究指出，我國華北和西南地區的降雨日數在顯著減少，使得當地的干旱事件頻發。

由于貴州地區特殊的地形地貌特征，加上強降水事件較強的突發性和局地性，使得目前貴州較強降水事件的預報預測，無法滿足日常業務的需求[11-12]，且以往大部分的研究在強降水事件的定義方面仍采用業務中的降水量級進行劃分[13-14]，而這在降水分布極不均勻的貴州地區并不能完全說明降水事件的強度和極端性。此外，關于強降水事件的研究常側重于針對小范圍甚至某些局地的單站現象進行[15]，對于區域性尤其是山地地區的強降水事件研究并不多見[16]，而強降水事件給包含貴州在內的云貴高原等喀斯特山地地區帶來的潛在風險遠遠高于東部發達地區[17]，當地突發的強降水事件引起的山洪、滑坡、泥石流等地質災害對于人民生命財產安全和社會經濟穩定發展的威脅不容忽視。

因此，本文將從貴州地區的夏季日降水資料出發，利用百分位法[18]對貴州的區域性強降水事件進行定義，并采用多種統計診斷方法，探討1967—2016年共50 a間貴州夏季不同等級區域性強降水事件的氣候變化特征，以期加深對于貴州日降水事件的認識，為強降水事件的預報預測提供參考。

2 資料與方法

2.1 資料

觀測資料來源于貴州省氣象局整編資料，考慮到缺測及臺站遷徙所導致的觀測資料的不完整性，剔除了缺失數據的站點，最終選取81站1967—2016年6—8月日降水資料。

2.2 區域性強降水事件的定義

考慮到貴州地區的站點分布較為均勻(見圖1a實心圓點)，且本文的研究將從日降水量出發，不考慮將連續出現了多日的強降水事件合并作為一次事件，從而把區域性強降水事件的定義為：貴州地區所有站點的日降水量采用簡單的算術平均進行區域平均，而后將有降水日(日降水量≥0.1 mm)的降水值進行從大到小的排序，選取99%分位上的降水值作為閾值，將大于此閾值的日降水值定義為99%分位的強降水事件；以此類推，可分別得到95%、90%和75%分位的日降水事件。需要說明的是，95%分位等級的日降水事件是指95%～99%百分位間的降水事件，并不包含99%分位在內，且即使存在連續多日的強降水事件，仍將其分開計算。

文中主要采用滑動平均、線性回歸、Morlet小波分析、功率譜分析等多種診斷方法，除沒有特別說明外，文中的氣候態值均指1967—2016年夏季(6—8月)平均值。

3 貴州夏季降水的氣候特征

針對貴州夏季降水的氣候態分析表明，貴州近50 a夏季降水量大致呈西南多、東北少的空間分布特征(圖1a)，夏季降水大值中心位于黔西南州西北部及六盤水南部，中心值超過了750 mm，而降水的低值中心則主要位于黔中以北以東的部分地區，包含遵義大部、銅仁中西部和黔東南州北部，上述地區夏季降雨量低于500 mm，總體說來，貴州省內夏季降水量的地域差異并不大。而貴州夏季降水的年際變率分布特征則與降水量的分布略有不同，盡管同樣呈現出南多北少的分布，但在黔東北的銅仁地區(夏季降水量低于550 mm)卻存在大于170 mm的年際變率大值中心，這與當地頻發的夏季旱澇事件[19]存在重要聯系。此外，年際變率的低值中心位于黔西北地區，中心值低于120 mm，高值中心則位于同樣為降水量大值中心的黔西南地區。

圖1 貴州近50 a夏季降水量的氣候分布特征(a，陰影為降水量，等值線為年際變率，單位:mm)及標準化時間序列(b，實線為降水量，虛線為9 a滑動平均)Fig.1 The climatic characteristics of summer precipitation in Guizhou for the last 50 years(a,shaded is precipitation,contour line is interannual variability,unit:mm)and standardized time series(b,solid line is for the precipitation,dotted line is for 9 year sliding average)

從貴州夏季降水量的標準化時間序列(圖1b)來看，其具有明顯的年(代)際變化特征，其中1972年、2013年與2011年為過去50 a中降水量最少的3 a，上述3 a貴州地區亦發生了較為嚴重的區域性夏旱事件[19]，其中1972年的降水距平百分率超過了-45%，2013年和2011年則在-40%左右。而在年代際變化尺度上，過去50 a貴州夏季降水呈現出一定雙峰型分布特征，具體表現為1967—1970年代初、1990年代初—2000年代前期為降水量偏多的時期，而在1970年代中期—1990年代初和2000年代中后期—2016年這2個時間段里貴州的夏季降水量偏少，其中在后一時段內降水量偏少的程度較前一時段更甚。

4 不同等級區域性強降水事件的氣候特征

根據前文對區域性日降水事件的定義，對貴州地區81站平均后的降水日數進行了統計，得到1967—2016年共50 a間貴州夏季的降水日數(日降水量≥0.1 mm)共有4 182 d。按照不同等級強降水事件的甄選標準，其中99%分位、95%分位、90%分位、75%分位的強降水事件的閾值分別為37.1 mm、23.7 mm、17.9 mm、9.7 mm(表1)，發生頻數分別有42次、166次、213次、624次。

表1 貴州不同等級區域性強降水事件年均值的氣候統計Tab.1 Climatic statistics of annual mean value of regional strong precipitation events in Guizhou

表1的統計結果顯示，99%分位、95%分位、90%分位、75%分位4個等級的強降水事件盡管只占到了貴州整個夏季降水日數的25%，但其帶來的降水量卻已占到貴州整個夏季降水量的66.7%。其中，99%分位的強降水事件以年均0.8次的頻數和42.8 mm的平均降水量，占到了整個夏季降水量的5.8%，此比例遠高于95%分位(4%的降水日數帶來16.7%的降水量)和90%分位(5%的降水日數帶來14.8%的降水量)。從中還可發現，95%分位強降水事件的降水量貢獻率要多于99%分位甚至90%分位，加上較大的發生頻數(年均3.4次)和降水閾值(23.7 mm)，表明95%分位的強降水事件在貴州夏季降水中起到了最為重要的作用，且其所帶來的危害是各個等級中最大的。

4.1 旬際分布

圖2為貴州夏季各個等級強降水事件頻數和降水量的旬際分布。如圖所示，在所有等級的強降水事件中，降水頻數都與降水量有很好的對應關系，較多的降水頻數同樣帶來了較大的降水量，而在降水發生頻數較少的時候，降水量相應的偏少。且無論是降水頻數還是降水量，在夏季中前期(6月上旬—7月中旬)的均明顯多于后期，99%分位、95%分位和90%分位尤為明顯，其中99%分位強降水事件發生在6月中旬—7月中旬的共有27 d，總降水量達1 163.9 mm，分別占到整個夏季的64.3%和64.8%。

圖2 貴州不同等級區域性強降水事件頻數(單位：d或次)及降水量(單位：mm)的旬際分布(a，99%分位；b,95%分位；c，90%分位；d，75%分位)Fig.2 The ten days distribution of frequency (unit:days) and precipitation (unit:mm)of regional strong precipitation events at different levels in Guizhou(a,99% division;b,95% division;c,90% division;d,75%)

具體到各個等級的旬際分布來看，99%分位的強降水事件出現在7月上旬的最多，共有8 d，降水量達338.5 mm，而在8月上旬沒有發生過。95%分位的強降水事件出現頻數和降水量最多的是6月上旬，最少的同樣是8月上旬。而90%分位和75%分位強降水事件出現頻數最多的是在6月下旬，在發生頻數最少的旬上，90%分位與前2個分位相一致，為8月上旬，75%分位則在7月上旬。總體看來，99%分位、95%分位和90%分位3個等級的強降水事件的頻數都是8月上旬最少，可見8月上旬是貴州夏季高等級日降水事件出現最少的時期。與前3個等級的強降水事件相比，75%分位的強降水事件的頻數和降水量都要高得多，但其旬際變化較弱，整個夏季的降水頻數都沒有太大變化。

4.2 年(代)際變化

由于降水頻數與降水量之間存在較好的對應關系，因此在年(代)際變化方面，只給出了各個等級強降水事件發生頻數的時間序列(圖3)。由圖可知，與夏季總降水量的變化(圖1b)相一致，貴州夏季區域性強降水事件的頻數同樣表現了明顯的年(代)際變化特征。

圖3a顯示，99%分位強降水事件除具有一定的年代際變化，在過去50 a里還存在顯著的上升趨勢(通過了α=0.001的顯著性檢驗)與突變特征。在1990年以前，99%分位強降水事件發生的頻數相對較少，而在1994年以后迅速增加，42次的總發生頻數中有23次發生在1994年以來的23 a中，且在1996年就發生了4次。而過去50 a中沒有發生99%分位強降水事件的年份共有26 a，但仍主要集中在1994年以前(有18 a)。

而其余3個等級(95%、90%和75%分位)的強降水事件的發生頻數最大值分別出現在1987年、1993年和2014年，且其長期變化趨勢表現出一定的下降趨勢，但從回歸方程中可以看到，此下降趨勢并不顯著。此外，除了95%分位，其余2個等級的強降水事件年代際變化特征較99%分位更為明顯，并且具有相似的峰谷特征。其中，1960年代末—70年中期、80年代中期—90年代初是貴州夏季90%和75%分位強降水事件發生的一個波谷時期，進入2000年以后則有所不同，90%分位的強降水事件主要自2000年代后期以后才出現明顯的偏少，而75%分位的偏少時段則是出現在2000年代中前期。除此之外，1970年代末以及80年代末至2000年代初均是90%和75%分位的強降水事件偏多的一個時段。

圖3 說明同圖2，但為1967—2016年降水頻數的年(代)際變化，單位：d(圖中空心柱為降水頻數，虛線為9年滑動平均，粗實線為線性趨勢)Fig.3 As to Fig.2,but for the interannualor interdecadalvariation of precipitation frequency from 1967 to 2016,unit:days(hollow column is for precipitation frequency,the dotted line is for the 9 year runninging average,the thick solid line is a linear trend)

4.3 波動周期

為分析不同等級的強降水事件在過去50 a里的活動周期，且考慮到貴州夏季強降水頻數和降水量之間存在較好的相關關系，因此這里給出了各等級強降水事件頻數的全時域功率譜和Morlet小波分析(圖4)。

圖4 說明同圖2，但為降水頻數的Morlet小波分析及全時域功率譜Fig.4 As to Fig.2,but for the Morlet wavelet analysis and power spectrum analysis of precipitation frequency

結果表明，各個等級的強降水事件均存在2～4 a的活動周期，但時段有所不同。99%分位的強降水事件除了在1980年代中后期—2000年代存在顯著的2～4 a的活動周期，還在整個時段內存在顯著的準8 a的活動周期。而95%分位的強降水頻數則在1980年代初—2000年代初存在準4 a的活動周期，準2 a的活動周期相對比較分散。90%分位的強降水頻數在1970年代中期—1990年代末期表現出顯著的準12 a波動周期，同時段還表現出明顯的準3 a和準5 a周期，另外近年來也有準3 a的周期。75%分位的強降水頻數的強波動周期則主要集中在2010年代以后，以2～3 a為主。

5 貴州大范圍日降水量與總降水量的關系

圖5給出了貴州夏季所出現的不同日降水量值及其所對應的累積降水量變化曲線，統計表明，過去50 a里貴州的日降水量從0.1～63.5 mm，共有362個值，產生了28 161.5 mm的總降水量。由于超過35 mm/d范圍的日降水量值具有較大的不連續性，且大部分日降水值僅出現了1次，因此在曲線繪制中去除了大于35 mm/d的部分。

圖5 貴州夏季不同日降水量值及其累積降水量(細實線)的統計分布(粗實線為11點滑動平均)Fig.5 The statistical relationship distribution between diurnal precipitation with it’saccumulated precipitation(thin line is for the precipitation,with the thick lines is for 11 point moving average) of summer in Guizhou

由圖可知，在0～3 mm/d的范圍內，隨著日降水量增加，累計降水量明顯增加，并在日降水值達到2.1 mm/d時累計降水量迅速超過了90 mm，當日降水值繼續增大至3～11 mm/d時，累計降水量隨日降水量增加的趨勢明顯減小，并在11～19 mm/d之間時，累計降水量曲線出現了明顯的波動，在日降水值超過19 mm/d以后，累計降水量開始出現緩慢的下降。累計降水量峰值為181.9 mm，由10.7 mm/d的日降水量產生，總體說來，各個范圍內的日降水量所帶來的累計降水量較為平均，并未出現小日降水量跨度內占大比例總降水量的情況出現，亦說明了2～20 mm/d范圍內的日降水量均對貴州的夏季降水有同等重要的貢獻。

6 小結

本文對1967—2016年近50 a貴州夏季不同等級的區域性強降水事件的氣候特征進行了統計分析，初步得出：

①貴州夏季降水量及其年際變率均大致呈東北向西南遞增的分布特征，不同等級(99%、95%、90%和75%)的區域性強降水事件的降水閾值分別為37.1、23.7、17.9和9.7 mm，其中75%分位的區域性強降水事件對貴州夏季降水量的貢獻率最大，95%分位次之，甚至要高于90%分位，99%分位最小。

②在所有等級的強降水事件中，無論降水頻數還是降水量，發生在夏季中前期(6月上旬—7月中旬)的頻數均明顯多于后期，99%分位、95%分位和90%分位更為明顯。且99%分位的區域性強降水事件的降水頻數在近50 a呈顯著的增多趨勢，其余分位的降水頻數則表現出一定程度的減少，但并不顯著。此外，各個等級的強降水事件均存在2～4 a的振蕩周期，但時段有所差別。

③貴州夏季累計降水量峰值出現于10.7 mm/d所帶來的181.9 mm，但總體看來，各個范圍內的日降水量所帶來的累計降水量較為平均，并未出現明顯的峰谷的分布特征。

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