1960-2017年來長江流域暴雨特征分析

王 樂，邢雯慧

(長江水利委員會水文局，武漢 430010)

暴雨是我國主要的天氣災(zāi)害之一，其對人民生命財產(chǎn)安全和國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[1]。長江流域地形復(fù)雜、氣候濕潤，受夏季風(fēng)、臺風(fēng)、青藏高原等因素影響，它是我國暴雨發(fā)生最頻繁的區(qū)域之一[2-4]。頻發(fā)的暴雨在丘陵山地容易引發(fā)山洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，而在長江河道內(nèi)容易引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，歷史上幾次特大洪澇災(zāi)害大多發(fā)生在長江流域[5-8]。由于長江經(jīng)濟(jì)帶人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，每年受暴雨洪澇影響的損失十分巨大，要正確預(yù)防和減輕暴雨洪澇災(zāi)害，首先需要了解長江流域的暴雨時空分布特征。研究表明，在當(dāng)前全球變暖的背景下，全球極端事件頻發(fā)，長江流域的暴雨有顯著增加的趨勢[9-20]。鮑名[11]指出長江流域是我國局地持續(xù)性暴雨事件的主要發(fā)生地之一。王學(xué)龍[12]等人分析了長江中下游暴雨頻次的時空分布，并提出了5種暴雨空間分布型。楊宏青[13]、白淑英[14]等人指出1961-2010年長江中下游大部分地區(qū)暴雨日數(shù)呈增加趨勢。俄有浩[15]等人研究表明1961-2012年長江中下游暴雨日數(shù)和強(qiáng)度呈不顯著增加趨勢。IPCC第五次報告[16]研究進(jìn)一步表明未來情境下極端降水事件影響區(qū)域可能更廣，影響程度更嚴(yán)重。因此，研究長江流域暴雨具有重要的科研和經(jīng)濟(jì)意義。

由于過去長江上游雨量站網(wǎng)稀疏、數(shù)據(jù)資料較少，以往學(xué)者主要研究長江中下游流域的暴雨日數(shù)變化，針對長江上游和整個長江流域暴雨特征的詳細(xì)研究相對較少。本文使用長江流域1960-2017年高密度670個雨量站逐日降水?dāng)?shù)據(jù)集，對整個長江流域近60 a暴雨日數(shù)和強(qiáng)度的空間分布、變化趨勢、時間演變等特征進(jìn)行細(xì)致研究，同時計算了長江上游和中下游不同重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度。研究有助于更好地認(rèn)識長江流域的暴雨時空演變特征，為長江流域防災(zāi)減災(zāi)工作開展提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 區(qū)域概況和數(shù)據(jù)資料

本研究所用的資料為長江水利委員會水文局和湖北省氣象局聯(lián)合制作的長江流域1960-2017年670個雨量站逐日(北京時間08時-次日08時)降水資料(站點分布如圖1所示，圖中黑色邊界為長江上游流域，紅色邊界為長江中下游流域，站點顏色代表海拔高度)，所有站點都通過系統(tǒng)的質(zhì)量控制和均一性檢驗，保證了資料的連續(xù)性和完整性。金沙江上游位于青藏高原的地區(qū)暫時沒有通過質(zhì)控的雨量站點，但由于其海拔高度較高，幾乎不發(fā)生暴雨，因此對研究沒有影響。

圖1 長江流域670雨量站點分布Fig.1 Distribution of 670 rainfall stations in the Yangtze River Basin

1.2 研究方法

1.2.1 暴雨特征量識別

按照中國氣象部門規(guī)定，將24 h雨量在50 mm以上的降水稱之為暴雨。參考俄有浩等人[15]的方法，采用暴雨日數(shù)和日最大暴雨量作為表征暴雨的特征量，其中暴雨日數(shù)可以有效反映暴雨的頻次、日最大暴雨量可以反映暴雨的強(qiáng)度。文中某區(qū)域的總暴雨日數(shù)指一段時間內(nèi)該區(qū)域所有站點的暴雨日數(shù)之和，某區(qū)域的平均日最大暴雨量指一段時間內(nèi)該區(qū)域有暴雨站點的日最大暴雨量平均值。此外，計算單站多年平均的日最大暴雨量時，僅考慮該站有暴雨的年份。某站暴雨最早發(fā)生月份定義為多年平均情況下，第一場暴雨出現(xiàn)最多的月份。

1.2.2 統(tǒng)計分析方法

采用線性回歸、顯著性t檢驗等方法分析研究區(qū)暴雨日數(shù)和強(qiáng)度特征。此外，統(tǒng)計研究區(qū)各站日降水量不同強(qiáng)度等級的暴雨發(fā)生頻數(shù)(50～59、60～69、70～79、80～89、90～99、100～109、110～119、120～129、130～139、140～149、150～159、160～199、200～250、>250 mm)、計算不同強(qiáng)度下的暴雨發(fā)生頻率，利用指數(shù)函數(shù)擬合得到研究區(qū)暴雨頻率累計曲線，計算各研究區(qū)不同重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度。

2 長江流域暴雨空間分布特征

2.1 暴雨季節(jié)空間分布

圖2(a)顯示，1960-2017年長江流域年暴雨日數(shù)空間分布存在較大地域差異，總體呈現(xiàn)長江中下游偏多、上游偏少的分布形勢。長江上游各區(qū)中，金沙江、雅礱江和岷江三者上游基本不發(fā)生暴雨。烏江流域和金沙江下游為暴雨少發(fā)區(qū)，年均暴雨日數(shù)在3 d以下。嘉岷流域是暴雨易發(fā)區(qū)，年均暴雨日數(shù)達(dá)3 d以上，其中大渡河下游可達(dá)6 d以上；長江中下游各區(qū)中，漢江中上游是暴雨少發(fā)區(qū)，年均暴雨日數(shù)在2 d以下。鄱陽湖水系是暴雨高發(fā)區(qū)，年均暴雨日數(shù)基本在6 d以上；長江流域暴雨日數(shù)的空間分布反映了地理位置和地形分布對降水的影響，暴雨頻發(fā)區(qū)主要位于中下游近海平原地區(qū)和上游山區(qū)。

圖2(b)為長江流域多年平均的日最大暴雨量空間分布，其與暴雨日數(shù)分布有一定相似，暴雨日數(shù)明顯偏多的地方通常對應(yīng)最大暴雨偏強(qiáng)。但最大暴雨的高值分布范圍明顯大于暴雨日數(shù)，這說明即使在一些暴雨非高發(fā)地區(qū)，也可能發(fā)生強(qiáng)暴雨。長江中下游干流、鄱陽湖水系、洞庭湖水系西北部、長江上游嘉岷流域均是強(qiáng)暴雨的發(fā)生區(qū)，其多年平均的日最大暴雨量基本在100 mm以上、局地可達(dá)120 mm以上。

圖2 1960-2017年長江流域年暴雨日數(shù)和年日最大暴雨量空間分布Fig.2 The spatial distribution of annual rainstorm days and annual maximum daily rainstorm in 1960-2017 in the Yangtze River Basin

從多年平均的月暴雨日數(shù)分布來看(圖3)：4月，長江流域暴雨主要發(fā)生在鄱陽湖水系，月均暴雨日數(shù)基本在1 d以下。5-6月，暴雨區(qū)范圍西擴(kuò)且暴雨日數(shù)增加，鄱陽湖水系仍為暴雨主發(fā)區(qū)，其中6月鄱陽湖水系中北部月均暴雨日數(shù)可達(dá)2 d以上，為當(dāng)年長江流域之最。7月，暴雨區(qū)西移北抬，暴雨中心主要位于長江中下游干流附近和嘉岷流域，月均暴雨日數(shù)多在1～1.5 d，其中大渡河下游暴雨日數(shù)達(dá)2 d以上。8月，長江中下游暴雨日數(shù)明顯減少，暴雨主要發(fā)生在長江上游嘉岷流域，日數(shù)以0.5～1 d為主，其中大渡河下游仍達(dá)2 d以上。9月，長江流域暴雨日數(shù)整體減少，暴雨主要發(fā)生在嘉陵江、渠江，日數(shù)在0.5～1 d。此外，3月以前、10月以后，長江流域內(nèi)很少發(fā)生暴雨(圖略)。

圖3 1960-2017年多年平均4-9月暴雨日數(shù)空間分布Fig.3 The spatial distribution of rainstorm days from April to September in 1960-2017

相應(yīng)的各月日最大暴雨量空間分布表明(圖4)：4月，長江流域大部地區(qū)平均日最大暴雨量偏小，主要在70 mm以下。5月，日最大暴雨量增加，長江中下游大部地區(qū)平均日最大暴雨量達(dá)80 mm左右。6、7月，日最大暴雨量明顯增加，長江中下游流域、長江上游嘉岷流域平均日最大暴雨量達(dá)80～100 mm。8月，長江流域日最大暴雨量有所減弱，流域暴雨區(qū)的平均日最大暴雨量多在70～90 mm。9月，長江中下游日最大暴雨量明顯減弱，但嘉岷流域部分地區(qū)日最大暴雨量反而有所增加，可達(dá)80～100 mm。

綜合來看，長江流域暴雨日數(shù)總體呈現(xiàn)中下游偏多、上游偏少的分布，其中長江上游和中下游各存在1個暴雨區(qū)，上游暴雨區(qū)位于嘉岷流域、中下游暴雨區(qū)主要位于鄱陽湖水系，除大渡河下游以外長江上游暴雨區(qū)暴雨日數(shù)明顯小于中下游，但二者的最大暴雨強(qiáng)度相當(dāng)。從時間來看，4-9月長江流域暴雨區(qū)位置有明顯的西移北抬現(xiàn)象，4-6月暴雨主要發(fā)生在長江中下游流域，7月暴雨發(fā)生在長江中下游干流和上游嘉岷流域，8-9月暴雨主要發(fā)生在長江上游嘉岷流域。流域最大暴雨強(qiáng)度主要表現(xiàn)為先增強(qiáng)后減弱，6、7月份為長江流域暴雨強(qiáng)度最強(qiáng)時段，但值得注意的是8、9月份長江上游嘉岷流域部分地區(qū)暴雨強(qiáng)度依然偏強(qiáng)。

2.2 暴雨空間變化趨勢分析

利用一元線性回歸方法對長江流域暴雨空間年際變化趨勢進(jìn)行分析。由圖5(a)可知，長江中下游干流及兩湖水系暴雨日數(shù)主要表現(xiàn)為增加趨勢[中心達(dá)0.6 d/(10 a)以上]，長江上游岷沱江流域表現(xiàn)為減少趨勢[中心達(dá)-0.5 d/(10 a)]，但各地暴雨變化趨勢通過顯著性檢驗的區(qū)域范圍較小、呈零星分布。從日最大暴雨量看[圖5(b)]，沅江-洞庭湖區(qū)-長江下游干流一帶日最大暴雨量呈顯著增加趨勢[中心達(dá)10 mm/(10 a)以上]，岷沱江流域(圖5紅框所示)、漢江中下游呈減少趨勢[中心達(dá)-10 mm/(10 a)]，其余地區(qū)變化趨勢有正有負(fù)，且變化幅度較小。

圖4 1960-2017年多年平均4-9月日最大暴雨量空間分布Fig.4 The spatial distribution of maximum daily rainstorm from April to September in 1960-2017

圖5 1960-2017年長江流域暴雨日數(shù)和日最大暴雨量年際變化趨勢空間分布(等值線表示通過95%的顯著性檢驗)Fig.5 The spatial distribution of annual variations of rainstorm days and maximum daily rainstorm in 1960-2017 in the Yangtze River Basin

由于6-8月為當(dāng)年長江流域暴雨日數(shù)和強(qiáng)度的峰值時段(圖3、4)，因此給出6-8月的長江流域暴雨空間變化趨勢分布(圖6)。由圖可知，各月的暴雨日數(shù)變化趨勢與日最大暴雨量較為相似，通常暴雨日數(shù)顯著增加或減少的區(qū)域?qū)?yīng)著日最大暴雨量的顯著增加或減少。6月，長江流域主要表現(xiàn)為長江下游干流南部、兩湖水系中北部暴雨日數(shù)和日最大暴雨強(qiáng)度的顯著增加。7月，暴雨區(qū)北抬，長江中下游干流附近、洞庭湖水系西北部暴雨日數(shù)和日最大暴雨強(qiáng)度顯著增加。8月，長江上游岷沱江中下游、嘉陵江上游暴雨日數(shù)和強(qiáng)度顯著減少，長江流域東部邊界暴雨日數(shù)和強(qiáng)度顯著增加。

圖6 1960-2017年長江流域6-8月暴雨日數(shù)和日最大暴雨量變化趨勢空間分布Fig.6 The spatial distribution of annual variations of rainstorm days and maximum daily rainstorm from June to August in 1960-2017 in the Yangtze River Basin

2.3 暴雨集中和開始時段空間分布

為進(jìn)一步分析長江流域各地的暴雨集中發(fā)生時段和最早發(fā)生時間，圖7給出了1960-2017年多年平均的長江流域670個站點暴雨日數(shù)最多月份和暴雨最早發(fā)生月份的空間分布圖。由圖7(a)可知，長江流域暴雨集中時段呈現(xiàn)自東南向西北逐漸增加的分布，除兩湖水系南部個別站點外，長江下游干流和兩湖水系的暴雨主要發(fā)生在6月份，長江上中游干流、漢江流域、嘉陵江流域暴雨主要發(fā)生在7月，岷江下游、向寸區(qū)間部分地區(qū)暴雨主要發(fā)生在8月；從暴雨開始月份來看[圖7(b)]，長江流域暴雨開始時段主要表現(xiàn)為自東向西逐漸增加的分布，鄱陽湖水系東部通常在3月份開始發(fā)生暴雨，鄱陽湖水系西部、長江中游干流及洞庭湖水系主要在4月開始發(fā)生暴雨，長江下游干流、烏江、渠江主要在5月開始發(fā)生暴雨，岷沱江、金沙江下游主要在6月份開始發(fā)生暴雨，漢江上中游主要在6、7月份開始發(fā)生暴雨。

圖7 1960-2017年長江流域暴雨集中時段和開始月份空間分布Fig.7 The spatial distribution of rainstorm concentration period and beginning month in the Yangtze River Basin in 1960-2017

3 長江流域暴雨時間演變特征

3.1 季節(jié)變化

根據(jù)670個雨量站降水序列，計算1960-2017年長江流域一級水系(圖8)的區(qū)域總暴雨日數(shù)和區(qū)域平均日最大暴雨量的季節(jié)和年際變化。圖9結(jié)果表明，金沙江水系暴雨主要發(fā)生在6-8月(峰值為7月)，期間平均暴雨強(qiáng)度在60～70 mm；岷江水系的暴雨主要發(fā)生在7、8月份，兩個月的區(qū)域總暴雨日數(shù)大致相當(dāng)，6月的平均暴雨強(qiáng)度接近90 mm，7月的平均暴雨強(qiáng)度在85 mm左右；嘉陵江水系暴雨主要發(fā)生在7月，期間平均暴雨強(qiáng)度在85 mm左右；烏江水系的暴雨主要發(fā)生在6、7月(峰值為6月)，期間平均暴雨強(qiáng)度在75 mm左右；漢江水系的暴雨主要發(fā)生在7月，期間平均暴雨強(qiáng)度在83 mm左右；長江干流水系的暴雨主要發(fā)生在6、7月，期間平均暴雨強(qiáng)度在85 mm左右；太湖水系的暴雨主要發(fā)生在6月，期間的平均暴雨強(qiáng)度在75 mm左右，但7-9月其暴雨強(qiáng)度反而比6月要高，這主要是因為7-9月太湖水系受臺風(fēng)影響，容易發(fā)生極端的暴雨天氣；洞庭湖水系暴雨日數(shù)主要發(fā)生在5-7月，峰值為6月，但其平均暴雨強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)在7月，強(qiáng)度在80 mm左右；鄱陽湖水系的暴雨主要發(fā)生在5、6月份(峰值為6月)，其平均暴雨強(qiáng)度的峰值同樣出現(xiàn)在6月、接近90 mm。

綜合來看，暴雨日數(shù)與強(qiáng)度在季節(jié)變化上基本呈同步變化，通常暴雨日數(shù)的峰值時段對應(yīng)著暴雨強(qiáng)度最強(qiáng)的時段。長江上游各水系的暴雨峰值多出現(xiàn)在7、8月，而中下游流域各水系的暴雨峰值多在6月。6月鄱陽湖水系的暴雨強(qiáng)度和7月岷江水系的暴雨強(qiáng)度均接近90 mm，為流域內(nèi)最強(qiáng)。

圖8 長江流域一級水系分布Fig.8 Distribution of the first-order stream in the Yangtze River Basin

圖9 1960-2017年長江流域一級水系總暴雨日數(shù)和平均日最大暴雨量的季節(jié)變化Fig.9 Seasonal variations of total rainstorm days and average maximum daily rainstorm in first-order stream of the Yangtze River Basin from 1960 to 2017

3.2 年際變化

圖10給出了1960-2017年長江流域一級水系年內(nèi)的總暴雨日數(shù)和區(qū)域平均日最大暴雨量的年際變化。可以看到，金沙江水系的年暴雨日數(shù)和平均暴雨強(qiáng)度均呈顯著增加趨勢[分別為2.8 d·站/(10 a)和1.2 mm/(10 a)，通過95%的顯著性檢驗]；岷江水系的暴雨日數(shù)和強(qiáng)度均呈顯著減少趨勢[分別為-3.7 d·站/(10 a)和-1.7 mm/(10 a)，通過90%的顯著性檢驗]；嘉陵江水系的暴雨日數(shù)沒有明顯的變化趨勢，其暴雨強(qiáng)度呈不顯著增加趨勢[1.5 mm/(10 a)]；烏江水系的暴雨日數(shù)和強(qiáng)度均未通過顯著性檢驗，無明顯的變化趨勢；漢江水系的暴雨日數(shù)無明顯變化，但其平均暴雨強(qiáng)度有不顯著的減弱趨勢[-1.2 mm/(10 a)]；長江干流的暴雨日數(shù)有顯著增加的趨勢[24.9 d·站/(10 a)，通過95%的顯著性檢驗]，暴雨強(qiáng)度為不顯著增加的趨勢[0.9 mm/(10 a)]；太湖水系的暴雨日數(shù)有顯著增加趨勢[14.6 d·站/(10 a)，通過99%的顯著性檢驗]，其暴雨強(qiáng)度有不顯著的減少趨勢[-1.2 mm/(10 a)]；洞庭湖水系的暴雨日數(shù)有顯著增加趨勢[23.9 d·站/(10 a)，通過99%的顯著性檢驗]，其暴雨強(qiáng)度同樣呈顯著增加趨勢[1.3 mm/(10 a)，通過90%的顯著性檢驗]；鄱陽湖水系的暴雨日數(shù)有顯著增加趨勢[20.6 d·站/(10 a)，通過95%的顯著性檢驗]，其暴雨強(qiáng)度有不顯著的增加趨勢[1.2 mm/(10 a)]。

總體而言，長江流域除岷江外其余一級水系的暴雨日數(shù)均呈增加趨勢，長江上游水系的增加趨勢較弱，中下游水系的增加趨勢顯著，其中洞庭湖水系和太湖水系的增加趨勢最為顯著，岷江則有顯著減少趨勢；各水系的暴雨強(qiáng)度變化趨勢相對較小，僅洞庭湖水系和金沙江水系有顯著增強(qiáng)趨勢、岷江水系有顯著減弱趨勢。

4 長江流域暴雨頻率分析

統(tǒng)計1960-2017年長江上游和中下游所有雨量站不同等級強(qiáng)度暴雨的頻數(shù)，分別計算其對應(yīng)的頻率分布，并根據(jù)暴雨頻率分布擬合暴雨頻率累計曲線，從而計算不同重現(xiàn)期的暴雨。重現(xiàn)期是指在一定年代的雨量記錄資料期內(nèi)，等于或大于某暴雨強(qiáng)度的降雨出現(xiàn)一次的平均間隔時間。圖11(a)和(b)的結(jié)果表明，長江上游和中下游的日暴雨強(qiáng)度分布較為接近，均以50～100 mm的強(qiáng)度為主，其中上游和中下游強(qiáng)度在50～59 mm的暴雨分別占總數(shù)的36.9%和36.5%，強(qiáng)度60～69 mm的均占22.2%，強(qiáng)度70～79 mm的分別占13.9%和13.8%，強(qiáng)度80～100 mm的均占18.4%，強(qiáng)度100～120 mm分別占5.4%和5.6%，120 mm以上強(qiáng)度降水均占總體的4%不到。

圖10 1960-2017年長江流域一級水系總暴雨日數(shù)和區(qū)域平均日最大暴雨量的年際變化Fig.10 Interannual variations of total rainstorm days and average maximum daily rainstorm in first-order stream of Yangtze River Basin from 1960 to 2017

圖11 研究區(qū)不同強(qiáng)度暴雨頻率分布及其累計頻率擬合曲線Fig.11 The frequency of rainstorm intensity (top)and its cumulative curve (bottom)

通過擬合暴雨頻率分布散點圖，得到暴雨頻率累計曲線[圖11(c)和(d)]。長江上游和中下游指數(shù)擬合的R2分別達(dá)到了0.995 7和0.994 0，說明擬合曲線具有極高的擬合相似度。二者的擬合方程分別為：Y=438.7x-0.076 84-255.8和Y=526.3x-0.071 5-326.6。式中，x表示暴雨頻率，Y表示暴雨強(qiáng)度，mm/d。

查詢暴雨頻率累計曲線可知，長江上游“百年一遇”暴雨(P=1%)的強(qiáng)度為183 mm/d，“五十年一遇”暴雨(P=2%)的強(qiáng)度為160 mm/d，“十年一遇”暴雨(P=10%)的強(qiáng)度為112 mm/d。長江中下游“百年一遇”暴雨的強(qiáng)度為200 mm/d，“五十年一遇”暴雨的強(qiáng)度為174 mm/d，“十年一遇”暴雨的強(qiáng)度為120 mm/d。

5 結(jié) 語

本文使用1960-2017年長江流域670個雨量觀測站資料，采用多種統(tǒng)計方法分析了長江流域暴雨日數(shù)和日最大暴雨量的時空變化特征，得到如下結(jié)論：

(1)長江上游和中下游各存在1個暴雨區(qū)，其中上游主暴雨區(qū)位于嘉岷流域、中下游主暴雨區(qū)位于鄱陽湖水系，除大渡河下游以外上游暴雨區(qū)暴雨日數(shù)明顯小于中下游，但二者的最大暴雨強(qiáng)度相當(dāng)。

(2)長江流域暴雨區(qū)在4-9月有明顯的西移北抬現(xiàn)象，4-6月暴雨主要位于長江中下游流域，7月暴雨主要位于長江中下游干流和嘉岷流域，8-9月暴雨主要位于長江上游流域。長江流域日最大暴雨量在4-9月表現(xiàn)為先增強(qiáng)后減弱，其中長江上游嘉岷流域暴雨在7月最強(qiáng)，而長江中下游暴雨通常在6月最強(qiáng)。

(3)長江流域除岷江外其余一級水系的暴雨日數(shù)均呈增加趨勢，其中長江上游水系增加較弱，中下游水系增加顯著，洞庭湖水系和太湖水系增加最為明顯，岷江水系則有顯著減少趨勢；各水系的暴雨強(qiáng)度變化趨勢相對較小，僅洞庭湖水系和金沙江水系有顯著增強(qiáng)趨勢，岷江水系有顯著減弱趨勢。

(4)長江上游和中下游的暴雨主要集中在50～100 mm左右，二者均占暴雨總數(shù)的90%以上。長江上游“百年一遇”、“五十年一遇”、“十年一遇”的暴雨強(qiáng)度分別為183、160、112 mm/d，長江中下游為200、174、120 mm/d。

本文從暴雨日數(shù)和日最大暴雨量的角度分析了長江流域近60 a暴雨時空分布特征，揭示出長江流域暴雨事件總體增多增強(qiáng)的現(xiàn)狀，為長江流域極端降水事件研究和防范提供一定基礎(chǔ)。但本研究僅分析了流域暴雨特征，未曾考慮連續(xù)性降水成災(zāi)的極端事件和暴雨形成機(jī)制，今后仍需在此方面做進(jìn)一步工作。