近37年來湖南暴雨時空變化特征分析

王琪 吳賢云

（1 湖南省氣象服務(wù)中心，長沙 410108；2 湖南省氣候中心，長沙 410108）

0 引言

近年來，許多學(xué)者對我國暴雨氣候變化開展了廣泛研究，取得了大量科研成果。鮑名等[1]研究表明，長江流域暴雨呈增多的趨勢，華北暴雨卻呈減少的趨勢。孫杰等[2]采用趨勢分析、周期分析和突變檢驗等方法揭示了華中地區(qū)年降水量整體表現(xiàn)為增多的趨勢，但各站表現(xiàn)不一，大部分站增多的趨勢不明顯。賀芳芳等[3]研究表明，上海1995年以來呈現(xiàn)暴雨強度增強、持續(xù)時間變短的變化趨勢。朱宵峰等[4]采用小波分析方法分析出長江下游地區(qū)汛期暴雨呈現(xiàn)增加的趨勢，并具有多重時間尺度的周期變化。白淑英等[5]利用近50年的長江流域逐日降水資料，分析了長江流域年均暴雨日數(shù)時空變化特征，指出長江流域暴雨變化具體區(qū)域性，長江中下游大部分區(qū)域暴雨日數(shù)有增加的趨勢。張?zhí)煊畹萚6]對三峽庫區(qū)氣象站1961—2008年各氣象要素的資料，系統(tǒng)地分析了庫區(qū)48年的氣候變化特征，并探討了三峽水庫的局地氣候效應(yīng)，指出了局地地形對暴雨的影響較大。

眾所周知，暴雨的局地性較強，由于受地型的影響，往往存在一些暴雨易發(fā)地，同時，暴雨的變化特征在不同的區(qū)域差異較大，有些區(qū)域出現(xiàn)暴雨頻次增加，有些區(qū)域卻在減少，加強這方面的研究，對暴雨預(yù)報與暴雨災(zāi)害評估有著直接的指示作用。本研究主要是利用湖南現(xiàn)有的97個觀測站資料，分析湖南暴雨地域分布及其變化特征，旨在為湖南暴雨預(yù)報提供有益參考。

1 資料與方法

本文所用資料是經(jīng)過質(zhì)量控制了的湖南97個站點逐日降水量資料。資料的時段為1981—2017年。暴雨日數(shù)定義為日降水量≥50.0 mm的日數(shù)，大暴雨日數(shù)定義為日降水量≥100.0 mm的日數(shù)；平均暴雨強度定義為暴雨以上的降水量之和與暴雨日數(shù)之比；暴雨貢獻(xiàn)率為暴雨以上降水量之和與同期降水總量之比。暴雨日數(shù)、平均暴雨強度、暴雨貢獻(xiàn)率、暴雨以上降水量都分別形成年、雨季（MJJ）兩個序列。

使用方法包括線性趨勢分析、集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EEMD）方法等。本文使用這些方法分析湖南近37年來暴雨日數(shù)的空間分布、暴雨日數(shù)變化特征、暴雨強度的變化特征及暴雨貢獻(xiàn)率的變化特征。

2 暴雨日數(shù)的空間分布

暴雨日數(shù)是指日雨量≥50 mm的降水日數(shù)。圖1為1981—2017年平均年暴雨日數(shù)和大暴雨日數(shù)的空間分布圖。湖南年平均暴雨日數(shù)為3.88 d，總體分布為北多南少，有三個暴雨日數(shù)大值區(qū)，最大值出現(xiàn)在南岳山（6.95 d），第二個大值區(qū)出現(xiàn)在安化（6.10 d），第三個大值區(qū)出現(xiàn)在湖南東北角岳陽臨湘（5.70 d），湖南西南部為少暴雨區(qū)，年暴雨日數(shù)在2.0～3.0 d，最少在邵陽城步（2.40 d），最多與最少相差達(dá)4.55 d，湖南暴雨地區(qū)差異較為明顯（圖1a）。

湖南近37年來，大暴雨日數(shù)的空間分布（圖1b）與暴雨分布大體相同，平均大暴雨日數(shù)為0.51 d，總體上也是北多南少，最多大暴雨日數(shù)出現(xiàn)在高山站南岳山站（1.19 d），但范圍比較小，第二個大值中心出現(xiàn)在益陽安化（1.16 d），與其相鄰的沅陵、辰溪的大暴雨日數(shù)也在1.0 d附近，這主要與湖南的地形影響相關(guān)。其小值區(qū)出現(xiàn)在湖南的西南部（邵陽城步，0.11 d）。湖南大暴雨 的區(qū)域差異也比較明顯。

圖1 1981—2017年湖南平均年暴雨日數(shù)（a）、大暴雨日數(shù)（b）的空間分布Fig. 1 The spatial distribution of annual rainstorm days (a) and heavy rainstorm days (b) in Hunan (from 1981 to 2017)

3 暴雨日數(shù)的變化特征

3.1 暴雨日數(shù)的年際變化

圖2為湖南年平均暴雨日數(shù)與大暴雨日數(shù)。從圖2a可以看出，近37年來湖南平均暴雨日數(shù)為3.88 d，2002年最多（6.62 d），1985年最少（2.27 d）。1981—2017年湖南暴雨稍有增多的趨勢。20世紀(jì)90年代末期至21世紀(jì)初，是湖南暴雨顯著增多的時期，在那段時期，湖南的年降水量也明顯增多。由圖2b可見，1981—2017年湖南的大暴雨也呈逐步上升的趨勢。

3.2 暴雨日數(shù)的月變化

對1981—2017年湖南暴雨與大暴雨日數(shù)按月進(jìn)行統(tǒng)計（圖3），可以發(fā)現(xiàn)，湖南的暴雨各月均可以發(fā)生，1—12月呈單峰型分布，6月發(fā)生的暴雨日數(shù)最多（1.02 d），7月、5月次之（分別為 0.72 d與0.64 d），1月最少（0.01 d），12月次之（0.03 d），與湖南月降水的分布相似。湖南的大暴雨在冬季（12月—次年2月）沒有出現(xiàn)過，發(fā)生最多的月份為6月（0.17 d），7月次之（0.15 d）。

3.3 暴雨日數(shù)的周期分析

湖南暴雨主要發(fā)生在夏季，受季風(fēng)活動影響很大，夏季季風(fēng)活動具有較強的周期振蕩特征，由此是否可以推測湖南暴雨也具有周期變化性質(zhì)？降水演變具有非線性非平穩(wěn)特征，這里采用EEMD方法分析湖南年暴雨與大暴雨日數(shù)的可能周期變化性質(zhì)。表1和圖4是1981—2017年的暴雨日數(shù)的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解結(jié)果。

圖2 湖南1981—2017年年平均暴雨日數(shù)（a）與大暴雨日數(shù)（b）Fig. 2 Annual days of rainstorm (a) and heavy rainstorm (b) from 1981 to 2017 in Hunan

圖3 湖南1981—2017年暴雨（a）與大暴雨月際分布Fig. 3 Monthly distribution of rainstorm (a) and heavy rainstorm (b) in Hunan from 1981 to 2017

表1 湖南年暴雨日數(shù)EEMD分析Table 1 EEMD analysis of annual rainstorm days in Hunan

從1981—2017年湖南暴雨日數(shù)變化來看（圖4a），在20世紀(jì)90年代至本世紀(jì)初，湖南有一個暴雨日數(shù)多發(fā)期，而20世紀(jì)80—90年代初，暴雨日數(shù)明顯偏少，但近些年來，暴雨日數(shù)又有增多的趨勢，這與湖南年降水的總體趨勢基本一致。對暴雨日數(shù)進(jìn)行EEMD分析，選取5個本征函數(shù)，從分析結(jié)果來看，這5個本征函數(shù)均體現(xiàn)了湖南暴雨日數(shù)的周期性質(zhì)（表1）。

湖南暴雨日數(shù)呈現(xiàn)了多種周期變化。其中2～3年周期變化最為顯著，方差貢獻(xiàn)率達(dá)到74.6%，與原序列的相關(guān)系數(shù)達(dá)到78%（圖4b）。在20世紀(jì)80—90年代中期，基本表現(xiàn)為3年的變化周期，而在20世紀(jì)90年代中后期至21世紀(jì)前10年，其變化頻率加大，基本上為2年一個周期（偏多、偏少交替出現(xiàn)）。第二個為4～8年的變化周期，方差貢獻(xiàn)率達(dá)14.5，相關(guān)系數(shù)為27%，這一周期變化也呈階段性轉(zhuǎn)折，在2000年以前，基本上表現(xiàn)為8年左右的變化周期，而進(jìn)入21世紀(jì)以后，其周期相對變小，為4～6年（圖4c）。另外，還存在18年（圖4d）、21年（圖4e）與36年（圖4f）左右的周期變化特征。

同樣，對湖南大暴雨日數(shù)進(jìn)行EEMD分析（圖略），得到湖南大暴雨日數(shù)與湖南暴雨日數(shù)基本相同的周期變化性質(zhì)，其中，2～3年與4～8年為其主要周期，方差貢獻(xiàn)率分別達(dá)到67.4%與20.1%。

4 平均暴雨強度的變化特征

平均暴雨強度表示發(fā)生暴雨時，平均雨量的大小。它反映在較長時間尺度上強降水的集中程度。圖5為湖南年暴雨及大暴雨強度距平年際變化。1981—2017年，湖南年平均暴雨強度為74.1 mm·d-1，整體來看，20世紀(jì)80—90年代初，暴雨強度偏少，基本上為負(fù)距平，而從90年代開始，只有少數(shù)幾年為負(fù)距平，大部分年份為正距平（圖5a）。最大暴雨強度出現(xiàn)在1998年，距平達(dá)6.39 mm·d-1，其次為2017年，距平為5.78 mm·d-1；最小暴雨強度發(fā)生在1986年，距平為-5.48 mm·d-1，其次為1985年，距平為-5.39 mm·d-1，近37年來年平均暴雨強度距平以0.17 mm·d-1的速率增加（P＜0.01）。

圖4 1981—2017年湖南暴雨日數(shù)集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（單位：d）（a）原始序列，（b～f）第1～5模態(tài)Fig. 4 The results of EEMD of rainstorm days in Hunan form 1981 to 2017 (unit: d)(a) original values, (b-f) the 1-5th IMF

湖南的大暴雨強度變化與暴雨變化不盡相同（圖5b）。大暴雨的平均強度為130.7 mm·d-1，1981—2017年，其強度變化趨勢不明顯，每10年稍增加0.8 mm·d-1，比暴雨增加的幅度小，且沒有通過0.01的顯著性檢驗。大暴雨強度最大的年份出現(xiàn)在1991年，距平為15.1 mm·d-1，其次為1998年，為13.4 mm·d-1，最小的年份出現(xiàn)在2005年，距平為-14.7 mm·d-1，其次為2001年，為-13.2 mm·d-1。

5 暴雨貢獻(xiàn)率的變化特征

暴雨的貢獻(xiàn)率是指該地區(qū)總降水量中暴雨占了多大的比例。圖6為湖南年暴雨量及大暴雨量分別占年降水量的比例變化。從圖6a可以看出，1981—2017年，湖南多年平均暴雨貢獻(xiàn)率為20.3%，即湖南年降水中有2成多是由暴雨所貢獻(xiàn)的。最大暴雨貢獻(xiàn)率出現(xiàn)在1999年，達(dá)28.4 %，最小暴雨貢獻(xiàn)率發(fā)生在1985年，為13.3%。近37年來年暴雨貢獻(xiàn)率以1.8%/10a的速率顯著增加，通過了0.01的顯著性水平檢驗，增加趨勢較明顯。

對湖南大暴雨的貢獻(xiàn)率計算得知，1981—2017年湖南大暴雨的對年降水的平均貢獻(xiàn)率為4.7%，最多年份出現(xiàn)在1996年，貢獻(xiàn)率為8.5%，最小出現(xiàn)在1991年，貢獻(xiàn)率為1.6%，從近37年來看，湖南大暴雨對年降水的貢獻(xiàn)率也呈顯著增加的趨勢，每10年增加了0.9%，通過了0.01的顯著性水平檢驗。

湖南的年降水量（圖略），1981—2017年變化趨勢不明顯，而暴雨與大暴雨對降水的貢獻(xiàn)率呈增加的趨勢，這與湖南暴雨的發(fā)生頻次及暴雨強度增強的結(jié)論相一致。這也說明了，在氣候變暖的大背景下，湖南極端強降水事件有增強的趨勢。

圖5 湖南1981—2017年年暴雨（a）及大暴雨（b）平均強度距平變化（單位：mm·d-1，色條表示強度值，實線表示線性趨勢）Fig. 5 Annual variations of intensity of rainstorm (a) and heavy rainstorm (b) in Hunan from 1981 to 2017( unit: mm·d-1, colored bar: intensity values, solid line: its linear trend)

圖6 湖南1981—2017年暴雨（a）與大暴雨（b）貢獻(xiàn)率年際變化（虛線：暴雨貢獻(xiàn)率，實線：線性趨勢線）Fig. 6 Annual contribution rate to total rainfall of rainstorm (a) and heavy rainstorm (b) in Hunan from 1981 to 2017 (line with markers represents contribution rate, solid line represents the linear trend)

6 結(jié)論

1）1981—2017年湖南平均暴雨與大暴雨日數(shù)總體呈現(xiàn)北多南少的分布特征，大值中心除開南岳高山站外，另外一個中心就是安化（暴雨6.1 d，大暴雨1.16 d），說明安化是本省的一個主要暴雨中心。暴雨出現(xiàn)最少的區(qū)域為湘西南，城步出現(xiàn)的暴雨與大暴雨均最少，分別為2.4 d與0.11 d。

2）湖南近37年來年平均暴雨日數(shù)為3.88 d，大暴雨日數(shù)為0.51 d，暴雨與大暴雨日數(shù)與降水的季節(jié)分布較為相近，呈單峰型，6月發(fā)生頻次最多。20世紀(jì)90年代中后期至本世紀(jì)初，是暴雨與大暴雨多發(fā)時期，近些年又有增多的趨勢。1981— 2017年湖南暴雨與大暴雨日數(shù)均為顯著增多的趨勢。

3）湖南暴雨與大暴雨日數(shù)具有2～3年、4～8年、18年、21年、36年等周期變化性質(zhì)，其中2～3年與4～8年的周期變化最為明顯，但其周期性在20世紀(jì)90年代中期發(fā)生變化，近期有周期加快的趨勢。

4）湖南暴雨強度平均為74.1 mm·d-1，大暴雨強度為130.7 mm·d-1，1981—2017年暴雨與大暴雨強度呈現(xiàn)顯著增加的趨勢。平均暴雨與大暴雨貢獻(xiàn)率分別為20.3%與4.7%，近37年來，暴雨與大暴雨貢獻(xiàn)率也呈顯著增加的趨勢，可能主要是由于暴雨頻次增加與暴雨強度增加所引起的。