近40年三峽庫區面雨量時空分布特征

高琦 徐明 李波 徐衛立 王海燕

（1 中國氣象局武漢暴雨研究所暴雨監測預警湖北省重點實驗室，武漢 430205；2 武漢中心氣象臺，武漢 430074；3 三峽水利樞紐梯級調度通信中心，宜昌 443133）

0 引言

三峽庫區地處四川盆地與長江中游平原的結合部，總面積1084 km2，在長江流域的防汛中起著非常重要的作用。發生在三峽庫區（重慶至宜昌區間）的強降水，由于直接匯入水庫中，產流快，反應時間短，給調度和決策帶來了極大的困難，特別是在水庫在高水位運行的情況下，能否準確預報發生在庫區的強降水，可能直接關系到整個流域的防洪調度及壩體本身的安全。面雨量是一個經典的水文學概念，它是指某一時段一定面積上的平均雨量，因其能夠客觀反映降水對確定流域的影響，因而成為防汛部門分析水情，進行洪水預報的重要參數[1-9]。針對面雨量的

統計特征，國內學者先后開展了一系列研究，如王仁喬等[10]、于大峰等[11]、高琦等[12]分別研究了不同時段長江上游的面雨量特征，發現在各個時期，重慶—萬州、萬州—宜昌的面雨量的極值均高于長江上游其他流域；李武階等[13]、孫士型等[14]分別從不同角度研究了金沙江流域的面雨量特征；李才媛等[15]、盧珊等[16]、張曉紅等[17]分別研究了漢江和淮河流域的面雨量特征；陳正洪等[18]研究了長江流域的面雨量變化趨勢；史玉光等[19]、陳寧等[20]分別研究了新疆和江蘇省的面雨量特征；強芳[21]等基于格點數據研究了1961—2012年祁連山的面雨量特征，而目前專門針對三峽庫區面雨量統計特征的研究仍較為缺乏，當前長江流域面雨量的預報一般是在數值預報基礎上進行，對天氣系統進行分析后再進行訂正，研究面雨量的時空分布特征，為面雨量訂正提供氣候上出現概率的參考，尤為必要。因而本文擬利用1980—2016年近40年的數據進行分析，重點針對三峽庫區東西兩段的強降水面雨量的季節分布、頻次分布、強降水等級分布、極值分布等統計特征進行研究，以期為庫區面雨量預報提供參考依據。

1 資料與方法

三峽庫區重慶—宜昌區間本身可作為一個流域，另可細分為三峽庫區西段（重慶—萬州）、三峽庫區東段（萬州—宜昌）兩子流域，利用1980—2016年共37年氣象站點逐日（08：00—次日08：00）雨量實況資料，流域面雨量采用站點平均法計算得出。所有分析中的雨量均為流域面雨量，其中流域日面雨量≥20 mm，在庫區的測站多出現大雨以上的降水，根據文獻[10]，將強降水面雨量劃分為20～29.9，30～49.9，50～69.9，70～89.9，≥90 mm這5個等級。三峽庫區流域分布及流域內國家級氣象臺站詳見圖1。

圖1 三峽庫區流域及氣象站點分布示意圖Fig. 1 Locations of meteorological stations and 2 sub areas in the Three Gorges Reservoir area

2 年面雨量分布特征

把三峽庫區，即重慶至宜昌區間作為一個整體，研究其年流域面雨量總量的年際變化，從圖2所示的1980—2016年逐年面雨量的分布來看，1980—2016年三峽庫區年面雨量為800～1400 mm，37 a平均年面雨量為1095 mm。年面雨量最多的為1982年1404 mm，最少的為2001年805 mm，相差約600 mm，約為多年平均值的一半還多，可見年際差異還是較大的。從年面雨量的逐年變化趨勢上來看，年面雨量總體呈現緩慢下降的趨勢， 2003年以后年面雨量的年際差異逐漸減小。

圖2 1980—2016年三峽庫區年面雨量演變Fig. 2 The variation of annual rainfall in the Three Gorges Reservoir area during 1980-2016

重慶—萬州、萬州—宜昌兩子流域的年面雨量變化趨勢來看（圖3）。重慶—萬州、萬州—宜昌兩子流域，年面雨量總體接近，且變化趨勢基本是一致的，在2004年以前，重慶—萬州年面雨量整體高于萬州—宜昌，2005年以后，萬州—宜昌略高于重慶—萬州。

圖3 1980—2016年重慶—萬州、萬州—宜昌年面雨量演變Fig. 3 Variations of annual rainfall in two subareas between Chongqing and Wanzhou, Wanzhou and Yichang during 1980-2016

3 月面雨量分布特征

從三峽庫區兩子流域及整個三峽庫區37 a平均的月面雨量（圖4）來看，基本分為3個等級：1、2、12月的月面雨量基本在15～30 mm的范圍內，為降水最少的時段；3及11月的月面雨量基本在40～60 mm之間，為降水次少的時段；4—10月的月面雨量在100～250 mm，是降水最多的時段。

37 a平均的月面雨量最大值出現的月份：重慶—萬州月面雨量超過150 mm的月份有3個月，為5—7月，從大到小依次為6月（195 mm）、5月（176 mm）、7月（165 mm）；萬州—宜昌月面雨量超過150 mm的月份有5個，為5—9月，從大到小依次為7月（235 mm）、6月（209 mm）、8月（196 mm）、5月（176 mm）、9月（152 mm）；對于整個三峽庫區，月面雨量超過150 mm的月份有4個，為5—8月，最大月份為6月，為202 mm，其次為7月200 mm，5月176 mm，8月172 mm分別位列第三、四位。

37 a平均的月面雨量最小值出現的月份：重慶—萬州月面雨量最小的的3個月依次為1月（20.2 mm）、2月（22.4 mm）、12月（25.6 mm），萬州—宜昌最小的3個月依次為12月（19.3 mm）、1月（19.4 mm）、2月（33 mm）；對于整個三峽庫區，月面雨量最小月份為1月，僅為19.8 mm，其次為12月22.45 mm，2月第三為27.7 mm。

兩個子流域月面雨量特征的異同：兩個子流域全年月面雨量的變化趨勢，都是從11月至次年3月降水較弱，自4月降水開始明顯增多，主要的差異在于月面雨量的峰值出現的月份及多雨時段持續的時間，重慶—萬州至6月發展至最強，超過150 mm的多雨時段維持了3個月左右，而萬州—宜昌至7月發展至最強，超過150 mm的多雨時段維持了足足有5個月之久。從兩子流域對月面雨量的貢獻來看，除11、12、1月重慶—萬州略大于萬州—宜昌外，萬州—宜昌在整個2—10月始終是大于重慶—萬州的。

圖4 重慶—萬州、萬州—宜昌、三峽庫區37年平均月面雨量演變Fig. 4 Climatic monthly rainfall over the 37 years for areas between Chongqing and Wanzhou, Wanzhou and Yichang and the whole Three Gorges Reservoir area

4 強降水日面雨量分布特征

4.1 頻次分布特征

分析1980—2016年三峽庫區兩子流域強降水頻次分布（表1），主要有以下特征：1）三峽庫區強降水面雨量主要出現在5—9月，37年中共出現951 次，占總次數的82%，強降水出現的頻率最高的前4依次為7月220次，6月219次，8月185次，9月138次；2）12月至次年3月基本無≥20 mm強降水；3）從流域分布上來看，萬州—宜昌20 mm以上的強降水出現的頻次最高，達662次，是重慶—萬州的1.33倍。3）對于重慶—萬州，主要的強降水出現時段為5—8月，強降水過程出現最多的當屬6月，37年中有109次，平均一個月有3次過程，5、7、8月總體相當，總量都是在80～90次，平均每個月有2～3次過程；4）對于萬州—宜昌，主要的強降水時段較重慶—萬州多了一個9月，即整個5—9月強降水強降水次數都在80次以上，其中又以7月最多，37年有134次，平均每個月可達4次，6月110次次之，平均每月有3次過程，5、8、9月基本都是每月2～3次過程。

分析1980—2016年三峽庫區2子流域分級強降水頻次分布（表2），可以看出：1）兩流域89%的強降水日面雨量集中在50 mm以下，其中20～29.9 mm占51.4%，30～49.9 mm占37.6%；2）50 mm以上的降水僅占10%，且在各個量級都是萬州—宜昌出現的次數明顯多于重慶—萬州；3）從各個量級降水的年均頻次分布上來看，對于20～29.9 mm的降水，兩子流域平均每年各有7～9次過程；對于30～49.9 mm的降水，兩子流域平均每年各有5～7次過程；對于50～69.9 mm的降水，每年會在兩個子流域各出現1～2次。20～29.9、30～49.9、50～69.9 mm這3個量級較為常見，是日常預報服務應當重點關注的量級；對于70 mm以上的降水，平均2～5 a才1次，特別是90 mm以上降水，在重慶—萬州37 a中只出現1次，在萬州—宜昌也僅出現8次，可見70 mm以上的降水出現的頻率低，可供研究的樣本少，而造成的影響又較大，是預報中的難點。

4.2 極值分布特征

表3 為37 a三峽庫區各子流域日面雨量的月極值分布。從表中可以看出：1）對比各月兩流域極值的強度，萬州—宜昌強降水明顯強于重慶—萬州，兩流域中最大日面雨量值出現在萬州—宜昌，為117.3 mm（2005年7月9日）；2）兩流域強降水的極值均出現在7月；3）按日面雨量極大值按出現的月份排序，重慶—萬州前4位依次為7、8、9、6月，萬州—宜昌前4位依次為7、6、9、8月；4）根據之前的研究，9月總的強降水次數明顯減少，但仍然可能出現極端強降水，值得關注。

表1 1980—2016年1—12月三峽庫區各子流域強降水頻次分布Table 1 The monthly frequency of heavy rainfall in each subarea in the Three Gorges Reservoir area for 1980-2016

表2 1980—2016年三峽庫區各子流域分級強降水頻次分布Table 2 The frequency distribution of heavy rainfall in sub areas in the Three Gorges Reservoir area for 1980-2016

5 子流域分級強降水月分布特征

5.1 重慶—萬州強降水月分布特征

表4 是1980—2016年重慶—萬州段分級強降水頻次分布，從表中可以看出：1）強降水一般3月即可出現，一直到11月，都會有強降水的出現，而12月—次年2月無20 mm以上的強降水；2）≥20 mm的強降水83.7%以上都出現在5—9月，從各月強降水的總次數來看，6月出現的頻率最高為109次，占總次數的22%，5月89次次之，占比18%，7月第三，為85次，占17.2%；3）69.9 mm以下的各級強降水均是6月出現最多，70 mm以上的強降水則都是7月出現最多；4）≥90 mm的降水在該流域非常罕見，37年中僅在7月出現過1次。

5.2 萬州—宜昌強降水月分布特征

1980—2016年萬州—宜昌段分級強降水頻次分布如表5，從表中可以看出：1）12月至次年1月無面雨量20 mm以上的強降水，2月雖然有出現過，但37 a僅出現1次，非常罕見，81%以上的20 mm以上的強降水均出現在5—9月；2）69.9 mm以下的各級強降水均是7月出現最多，70 mm以上的強降水則都是6月出現最多，這與重慶—萬州段恰好是相反的；3）≥90 mm的降水出現的次數較重慶—萬州明顯增多，37 a共出現8次，出現次數最多的為6月（4次），7月（3次）次之。

5.3 兩子流域分級強降水月分布的異同

對比兩子流域分級強降水月分布（表4和表5）的異同可以看出：1）12月—次年2月基本無20 mm以上的強降水；2）≥20 mm的強降水絕大多數出現在5—9月；3）從各月各級強降水的總次數來看，重慶—萬州超過100次的月份有1個，為6月（109次），超過80次的月份有3個，為5月（89次）、7月（85次）、8月（81次） 。萬州—宜昌超過100次的月份有4個，依次為7月（134次）、6月（110次）、8月（104次）、5月（100次），超過80次的月份有1個，為9月（88次），可見，萬州—宜昌在強降水的高頻月份數量和各月強降水的總次數上均超過重慶—萬州；3）69.9 mm以下的降水重慶—萬州6月出現最多，70 mm以上的強降水則都是7月出現最多，而萬州—宜昌則正好與此相反；4）≥90 mm的降水在萬州—宜昌出現的次數明顯多于重慶—萬州，重慶—萬州僅在6月出現，而萬州—宜昌在6、7、9月 均有出現。

6 結論與討論

6.1 結論

1）三峽庫區年面雨量的年際差異較大，且37 a以來總體呈現逐漸增長的趨勢。重慶—萬州、萬州—宜昌兩子流域在2000年以前，年面雨量總體接近，且變化趨勢基本是一致的， 2000年以后，變化趨勢仍較為同步，但二者面雨量的差距顯著增大，萬州—宜昌年面雨量明顯高于重慶—萬州段；

2）月面雨量的峰值出現的月份，在兩個子流域各不相同，重慶—萬州為6月，萬州—宜昌為7月，即重慶—萬州在5月降水開始明顯增多，至6月發展至最強，7、8月降水量逐漸減小；而萬州—宜昌也是在5月降水明顯增多，至7月發展至最強，8月降水逐漸回落。從兩子流域對三峽庫區月面雨量的貢獻來看，萬州—宜昌在整個2—10月始終是大于重慶—萬州的。

表4 1980—2016年重慶—萬州分級強降水頻次分布Table 4 The monthly frequency at 10 mm-intervals of heavy area rainfall in subarea between Chongqing and Wanzhou for 1980-2016

表5 1980—2016年萬州—宜昌分級強降水頻次分布Table 5 The monthly frequency at 10mm-intervals of heavy area rainfall in subarea between Wanzhou and Yichang for 1980-2016

3）三峽庫區強降水面雨量主要出現在5—9月，強降水出現的頻率最高的前四依次為，7、6、8、9月，12月至次年3月基本無≥20 mm強降水；

4）日面雨量在20 mm以上的強降水出現的總數，萬州—宜昌明顯高于重慶—萬州，且在各個量級都是萬州—宜昌明顯多于重慶—萬州。從各月各級強降水的總次數來看，萬州—宜昌在強降水的高頻月份數量和各月強降水的總次數上均超過重慶—萬州。

5）重慶—萬州，主要的強降水出現時段為5—8月，強降水過程出現最多為6月，平均一個月有3次過程，5、7、8月總體相當，平均每個月有2～3次過程。 69.9 mm以下的各級強降水均是6月出現最多，70 mm以上的強降水則都是7月出現最多；

6）萬州—宜昌，主要的強降水時段為5—9月，其中又以7月最多，平均一個月有4次過程，6月次之，平均一個月有3次過程，5、8、9月基本都是每月2～3次過程。69.9 mm以下的各級強降水均是7月出現最多，70 mm以上的強降水則都是6月出現最多，這與重慶—萬州段恰好是相反的；

7）從各個量級降水的年均頻次分布上來看，對于20～29.9 mm的降水，兩子流域平均每年各有7～9次過程。對于30～49.9 mm的降水，兩子流域平均每年各有5～7次過程；對于50～69.9 mm的降水，每年會在兩個子流域各出現1～2次，上述幾個量級出現的頻率相對較高，是預報服務應當重點關注的量級。對于70 mm以上的降水，平均2～5 a才1次，特別是90 mm以上降水，在重慶—萬州37 a中只出現1次，在萬州—宜昌也僅出現8次，可見 50 mm以上降水出現的頻率低，而造成的影響又較大，應在后期重點研究其形成機理。

6.2 面雨量預報建議

1）12月—次年2月，重慶—萬州、萬州—宜昌兩子流域基本無強降水出現，預報中也基本不考慮≥20 mm的強降水；

2）在3—4月，建議面雨量預報區間多考慮20～30 mm，偶有一些30～50 mm的過程， 50 mm以上強降水出現的概率較小，另10—11月基本與3—4月接近；

3）5月，相比3—4月強降水過程明顯增多，強度也增強，30～50 mm的降水明顯增多，時值三峽水庫的消落期，水位仍然較高，50 mm以上的降水雖歷史發生頻次較少，還應重點防范，但在此時段一般不考慮90 mm以上強降水。8月的情況也基本類似；

4）6—7 月，是三峽庫區強降水發展最為顯著的時段，也是70 mm以上甚至90 mm以上的降水最有可能出現的時段，其中要特別關注重慶—萬州在7月，萬州—宜昌在6月、7月可能出現的90 mm以上降水的預報。這個時段一般為長江中下游梅雨期，極易在中下游地區形成洪水，此時特別要防范上游與中下游洪水遭遇，需提供預見期長、精度高的預報以利于及時開展調度；

5）9月，強降水過程明顯減少，建議面雨量預報區間多考慮20～30 mm，偶有一些30～50 mm，這個時期的強降水的強度仍然可達70 mm甚至90 mm以上，時值三峽水庫的蓄水期，需特別關注此類極端強降水的預報。