1968—2018年湘北地區暴雨過程氣候特征及變化趨勢

桑友偉， 孟 蕾*， 周 玉

(1.中國氣象局氣象干部培訓學院湖南分院， 長沙 410125； 2.氣象防災減災湖南省重點實驗室， 長沙 410118)

暴雨對國民經濟和人民生活危害嚴重，研究暴雨天氣過程有利于更好地進行防災減災，保護人民生命財產安全。除了氣象預報業務上常用的天氣圖分析和數值預報[1-2]等方法可進行暴雨過程研究，王坤等[3]、黃建豪等[4]從異常度、大氣微物理等角度對暴雨過程進行了深入分析。眾多研究表明，影響暴雨過程的因素較多，但從氣候統計角度而言，中國暴雨過程主要受東亞夏季風和副熱帶高壓影響。湘北地區處于湖南省北部，是洞庭湖地區的中心區域，主要包括岳陽市、益陽市和常德市，受東亞夏季風、副熱帶高壓以及地形地貌共同影響，湘北地區自古以來便是易澇區[5]。近些年湖南發生的特大致洪暴雨過程中，湘北地區常是強降水中心[6-8]，暴雨所引發的自然災害嚴重影響了湘北地區的農業農事、城市建設，也威脅到洞庭湖的生態環境。因此，探索湘北地區暴雨過程特征，及時做好預報預警工作十分重要。許多學者對湘北地區的暴雨過程進行了細致研究，彭嘉棟等[9]構建了該地區近百年降水序列并分析其變化特征，表明近百年湘北地區年降水量和冬季降水量存在顯著增多的突變。為了找尋影響暴雨發生的各項因子，彭莉莉等[10]研究了湖南汛期區域持續性暴雨環流型和落區的關系，除了臺風低壓型以外，其他多種環流形勢皆容易導致湘北地區成為暴雨落區。陳靜靜等[11]分析5類南岳高山氣象站風場與湖南不同天氣型強降水關系后認為，南岳高山站南風超過 10 m/s 的時刻較湘北地區開始出現強降水通常有2～6 h的預報提前量。針對暴雨過程中必不可少的水汽條件，周慧等[12]，蔡榮輝等[13]、陳紅專等[14]分別利用HYSPLIT模式追蹤了2016—2017年三例極端暴雨過程的水汽來源，為暴雨強度預報提供參考。

上述研究主要分析了湘北地區的年暴雨日數、暴雨主要落區、暴雨強度以及影響因子，而暴雨的持續時間、覆蓋范圍、綜合強度等往往是引發洪澇災害的關鍵要素[11-13]，厘清暴雨過程的細節特征更有利于湘北地區的暴雨災害預警。已有研究[15]表明湘北地區暴雨過程在降雨量總體減少的情況下，降雨強度在增加，但鮮有文獻總結出降雨強度顯著增加的月份、影響因子和未來趨勢。現利用湘北地區18個氣象觀測站1968—2018年逐日降水資料，基于暴雨發生次數、持續時間、覆蓋范圍、綜合強度等4個指標，重點分析湘北地區各月份暴雨過程的氣候特征及變化趨勢，探討該地暴雨強度增強的時段和原因，并利用重標極差(rescaled range analysis,R/S)分析法進行初步預測，為進一步作好防災減災精細化部署提供科學參考。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源和研究區介紹

選取1968—2018年湘北地區岳陽、汨羅、臨湘、華容、湘陰、平江、安化、桃江、赫山、沅江、南縣、石門、澧縣、臨澧、安鄉、常德、桃源、漢壽等18個國家級氣象觀測站逐日降水數據進行分析，該資料由湖南省氣象局氣象信息中心提供，數據已由中國氣象局國家氣象信息中心進行了質量控制和均一化處理，各站缺測率較低，資料突變性較小。

研究所指湘北地區是指湖南常德、益陽和岳陽3個地區，是洞庭湖區的中心地帶，中部地區地勢總體平坦，西部和東南部地區地勢稍高，氣象觀測站點分布如圖1所示。

圖1 湘北地區氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Northern Hunan

1.2 研究方法

1.2.1 暴雨過程相關指標

研究以討論暴雨過程的發生次數、持續時間、覆蓋范圍和綜合強度等4項指標為主，故做如下規定：若湘北地區1個及以上站點開始出現降水，且日降水量大于等于50 mm，則認為湘北地區開始出現暴雨，為暴雨過程首日；一次暴雨過程開始后，湘北地區單日不再出現1個及以上站點日降水量大于等于50 mm的前一日為當次暴雨過程結束日；一次暴雨過程開始日至暴雨過程結束日之間的持續天數稱為一次暴雨過程持續時間(簡稱“持續時間”)；一次暴雨過程中湘北地區出現日降水量大于等于 50 mm 的站數稱為一次暴雨過程覆蓋范圍(簡稱“覆蓋范圍”)；根據極端降水過程綜合強度數學模型[16]，利用一次區域性暴雨過程的暴雨強度Ia、覆蓋范圍Aa和持續時間T構建一次暴雨過程綜合強度(簡稱“綜合強度”)指標Z，具體公式[17]為

Z=IaAa0.5T0.5

(1)

若單次暴雨過程綜合強度指數超過多年平均值的暴雨過程為較強暴雨過程。

湘北地區一年中第一次暴雨過程稱為首場暴雨過程，首場暴雨過程的開始日為當年首場暴雨日期；湘北地區一年中最后一次暴雨過程稱為末場暴雨過程，末場暴雨過程的結束日為當年末場暴雨日期。末場暴雨日期與首場暴雨日期之間的天數為一年中暴雨過程發生期。

1.2.2 氣候特征及變化趨勢分析方法

暴雨過程各項指標隨時間變化趨勢采用線性傾向估計方法[18]，顯著性檢驗采用Mann-Kendall方法[19]，保證率則利用頻率進行計算[20]。其中，對歷年首場(末場)暴雨日期進行線性傾向趨勢分析時，以每年1月1日為當年的第一天，計算歷年首場(末場)暴雨日期距離當年第一天的天數，分析歷年首場(末場)暴雨日期對應的天數序號隨時間變化情況來表征首場(末場)暴雨日期年際變化趨勢。

利用R/S分析法[21]計算Hurst指數，預測未來湘北地區暴雨過程變化趨勢。通過R/S分析法計算出Hurst 指數H(0

2 結果與分析

2.1 湘北地區暴雨過程氣候特征

2.1.1 歷年首、末場暴雨氣候特征

如表1所示，1968—2018年，湘北地區首場暴雨過程出現日期最早為1月17日(1971年)，最遲為5月5日(1988年)，80%保證率下4月14日之前會出現首場暴雨過程。湘北地區末場暴雨出現日期最早在8月3日(2003年)，最遲出現在12月17日(2002年)，80%保證率下11月8日之前會出現末場暴雨過程。暴雨過程發生期平均值204 d，年際變化大，最大值為272 d，最小值僅為136 d。

表1 湘北地區年首場暴雨與年末場暴雨日期

湘北地區首場暴雨過程較高概率出現在南部，末場暴雨落區相對首場暴雨分布更加均勻。1968—2018年首場暴雨過程出現頻次空間分布如圖2(a)所示，首場暴雨歷史上在18個氣象觀測站均出現過，但每個觀測站出現頻次不同，其中位于洞庭湖南部的安化、湘陰、桃江、赫山、平江、汨羅等站出現頻次較高，總次數超過10次，而石門、澧縣只出現1次，這一現象與由春季往夏季，中國雨帶隨副熱帶高壓北跳由南往北移動有較好對應關系[23]。末場暴雨過程出現頻次空間分布如圖2(b)所示，末場暴雨在18個觀測站也都曾出現，其中出現在安化的頻次最高，達到15次，出現頻次最低的地區為安鄉和桃源，只有7次，出現頻次大于等于10次的有14個站，占總數的77.7%。

圖2 1968—2018年首、末場暴雨過程出現頻次空間分布Fig.2 Spatial distribution of the occurrence frequency of the first and last rainstorm from 1968 to 2018

分析湘北地區首、末場暴雨過程中單站單日最大雨量等級分布如表2所示，單站單日首場暴雨和末場暴雨皆在50～99.9 mm等級的頻次最高，末場暴雨略少于首場暴雨，但在100 mm以上等級末場暴雨單站單日最大雨量是高于首場暴雨的，這說明末場暴雨單站單日暴雨量極端性更強。

表2 湘北地區首末場暴雨過程單站單日最大雨量等級分布

湘北地區末場暴雨過程單站極端降水出現次數比首場暴雨過程多，且多出現在地勢相對較高的山區。首場暴雨過程單站單日雨量大于99.9 mm的分別是沅江106.2 mm(1978年)、常德110.8 mm(1988年)、南縣105.0 mm(2002年)；而末場暴雨過程單站單日雨量大于99.9 mm的分別是石門134.0 mm(1974年)、臨湘213.6 mm(1987年)、平江115.9 mm(1998年)、平江114.0 mm(2005年)、臨澧189.2 mm(2013年)。可見湘北地區極端首場暴雨與極端末場暴雨落區有明顯區別，極端末場暴雨主要落在山區。

2.1.2 暴雨過程氣候特征

1968—2018年湘北地區暴雨過程平均持續時間為1.38 d，最短1 d，最長7 d。持續時間2 d及 2 d 以內的暴雨過程次數占93.69%，持續時間3 d及以上的過程次數很少，僅6.31%。其中1980年7月30日—8月5日暴雨過程持續時間最長，達到 7 d，其次是2002年7月20—25日暴雨過程，持續時間為6 d。

如圖3所示，暴雨過程覆蓋范圍出現頻率隨著覆蓋站數增加而迅速減小，覆蓋站數在1～7站之間時，出現頻率由28.7%迅速下降到2.9%，8站以上則減小緩慢。平均覆蓋范圍為4.5站，最小為1站，最大為32站；覆蓋范圍在1～7站的頻率為82.68%；覆蓋范圍在8～20站的頻率為11.7%；覆蓋范圍在20站以上出現的頻率極低。2002年7月20日—25日湘北地區一次暴雨過程覆蓋范圍最廣，達到32站。

圖3 暴雨過程覆蓋范圍頻率分布Fig.3 Frequency distribution of rainstorm coverage

暴雨過程綜合強度指數平均值136，最大一次過程綜合強度指數為531，出現在2016年。對比歷年平均綜合強度指數發現，最大年平均綜合強度指數為186.2，出現在1998年。1998年和2016年汛期長江中下游地區暴雨引發特大洪澇災害，通過綜合強度指數可反映出當年湘北地區的暴雨過程強度。

2.1.3 暴雨過程各項指標年變化

分析1968—2018年湘北地區暴雨過程各項指標的逐月分布如圖4所示，可知，6、7月是湘北地區暴雨過程次數最多、平均持續時間最長、平均覆蓋范圍最廣、平均綜合指數最強的月份，這與夏季湘北地區多大范圍持續性暴雨過程的特點相符[24]。1月的暴雨過程次數很少，但持續時間是除夏季6—8月之外最長的月份，12月暴雨過程次數最少，持續時間最短，覆蓋范圍最小。

圖4 湘北地區暴雨過程指標年變化Fig.4 The monthly distribution of rainstorm process indexes in northern Hunan

較強暴雨過程各項指標逐月分布如圖4所示，除1月和12月無較強暴雨過程外，諸多月份的情況與整體情況相近，但是11月比較特殊，雖然11月較強暴雨過程次數少，但是其覆蓋范圍、綜合強度2項指標對應的值都很高，11月是較強暴雨過程平均覆蓋范圍最高的月份，綜合強度也僅次于5—7月。說明湘北地區暴雨過程的極端性不僅容易出現在5—7月，出現在11月的概率同樣很高，而11月往往是末場暴雨出現的月份，與上述湘北地區末場暴雨過程出現極端性可能性較大的結果一致。

2.2 湘北地區暴雨過程變化趨勢

2.2.1 首、末場暴雨過程變化趨勢

分析湘北地區首、末場暴雨日期年際變化如圖5(a)所示，湘北地區首場暴雨日期略有提前，但未通過顯著性檢驗，末場暴雨日期顯著推后，推后速率為5.6 d/10 a，暴雨過程發生期顯著延長，延長速率為6.1 d/10 a。

2.2.2 暴雨過程各項指標年際變化

分析1968—2018年湘北地區暴雨過程各項指標年際變化如圖5(b)～圖5(e)可知，湘北地區暴雨過程發生次數增加不顯著，未通過顯著性檢驗，但較強暴雨過程發生次數以0.25 次/10 a的速率顯著增加，通過0.1水平上的顯著性檢驗。平均持續時間略有增加，但不顯著，而較強暴雨過程平均持續時間則顯著增加，通過0.1水平上的顯著性檢驗，增加速率為0.06 d/10 a。平均覆蓋范圍顯著增加，通過0.1水平上的顯著性檢驗，增加速率為0.11 站/10 a，較強暴雨過程平均覆蓋范圍變化不顯著。暴雨過程總體平均綜合強度和較強暴雨過程綜合強度顯著增加，均通過0.1水平上的顯著性檢驗，增加速率分別為3.1/10 a和7.0/10 a。

圖5 湘北地區暴雨過程變化趨勢Fig.5 The trend of rainstorm process in northern Hunan

進一步分析不同月份暴雨過程各項指標的年際變化，如表3所示，雖然湘北地區7月和10月暴雨過程發生次數無顯著變化，但持續時間、覆蓋范圍和綜合強度皆顯著增加；4月暴雨過程次數顯著增加，5月綜合強度顯著增加，其他指標沒有顯著變化。

分析不同月份較強暴雨過程各項指標的年際變化如表3所示，湘北地區5月較強暴雨過程的發生次數、持續時間和綜合強度都是顯著增加的，但覆蓋范圍變化不顯著；7月較強暴雨過程的發生次數無顯著變化，但是持續時間、覆蓋范圍和綜合強度都是顯著增加的。

表3 湘北地區每月總體暴雨過程和較強暴雨過程各項指標氣候傾向率

2.3 湘北地區暴雨過程未來趨勢

根據暴雨過程總體各項指標的Hurst指數和較強暴雨過程各項指標的Hurst指數如表4所示，首場暴雨日期和末場暴雨日期的Hurst指數大于等于0.6低于0.7，未來趨勢一定程度上延續歷史趨勢。暴雨過程總體各項指標的Hurst指數均大于0.5，但平均覆蓋范圍、平均綜合強度指數2項指標的Hurst指數低于0.6，未來隨機性較大；暴雨過程發生次數、持續時間2項指標的Hurst指數大于0.6低于0.7，表明未來趨勢將在一定程度上延續歷史趨勢。較強暴雨過程各項指標的Hurst指數均大于等于0.6，說明這幾項指標未來趨勢將一定程度上延續歷史趨勢，其中持續時間指標的Hurst指數最高，達到0.8，未來趨勢將較大程度上延續歷史趨勢。

表4 各項指標的總體Hurst指數和各項指標各月份的Hurst指數

暴雨過程各項指標各月份的Hurst指數的可計算性主要表現在4—8月，未來暴雨過程總體的發生次數在4—7月將一定程度上延續歷史趨勢，持續時間6月將在較大程度上延續歷史趨勢，覆蓋范圍在4月隨機性較大，但將在5—7月一定程度上延續歷史趨勢，綜合強度指數在4月的隨機性很大，未來在5—8月將一定程度上延續歷史趨勢。未來較強暴雨過程的發生次數在8月隨機性較大，持續時間主要將在6—8月較大程度上延續歷史趨勢，覆蓋范圍、綜合強度指數在5—8月都將延續歷史趨勢，尤其是6月Hurst指數分別達到0.85、0.79，說明這2項指標6月將很大程度上延續歷史趨勢。

3 結論

通過對湘北地區1968—2018年暴雨過程發生次數、持續時間、覆蓋范圍、綜合強度等指標進行統計分析及初步預測，得到如下結論。

(1)80%保證率下，湘北地區每年4月14日之前出現首場暴雨過程，11月8日之前出現末場暴雨過程。首場暴雨過程落區大概率在湘北地區南部，而末場暴雨過程落區分布較均勻。1968—2018年首場暴雨日期變化趨勢不顯著，末場暴雨日期顯著推后，暴雨過程發生期顯著延長。未來首場暴雨日期變化較小，而末場暴雨日期將繼續推后，暴雨發生期將繼續延長。

(2)湘北地區各月都有出現暴雨過程的可能，2—11月還有可能出現較強暴雨過程。暴雨過程和較強暴雨過程主要出現在4—8月，其中6—7月多發。6—7月暴雨過程持續時間長、覆蓋范圍廣、綜合強度強，11月暴雨過程次數雖然少，但極端性較強。周慧等[25]的研究表明11月份在環流形勢配合的情況下，依然有條件出現較強暴雨過程。

(3)1968—2018年間，湘北地區暴雨過程覆蓋范圍、綜合強度顯著增加；較強暴雨過程的發生次數、持續時間、綜合強度顯著增加。7月和10月暴雨過程持續時間、覆蓋范圍、綜合強度顯著增加；4月暴雨過程發生次數、5月綜合強度顯著增加；7月較強暴雨過程的持續時間、覆蓋范圍、綜合強度顯著增加；5月較強暴雨過程次數、持續時間、綜合強度顯著增加。湘北地區暴雨過程在7月向極端化方向發展最顯著，其次是5月。

(4)總體而言，未來湘北地區暴雨過程的發生次數和持續時間將會繼續呈增加趨勢，未來較強暴雨過程次數、持續時間、綜合強度將繼續呈增加趨勢。具體4月暴雨過程的發生次數，5月的綜合強度，7月的持續時間、覆蓋范圍和綜合強度都將延續歷史趨勢，未來繼續增加；5月較強暴雨過程的綜合強度、7月的持續時間、覆蓋范圍和綜合強度都將繼續增加。

(5)黃菊梅等[26]研究表明湘北地區降雨量幾十年來總體無顯著變化，張曉艷等[15]研究表明湘北地區夏冬兩季降水量呈上升趨勢，春秋兩季降雨量呈下降趨勢，在此情況下，本研究發現該地區除了夏季7月暴雨過程4項指標總體增強之外，春秋兩季暴雨過程4項指標總體也呈增加趨勢，說明在氣候變暖背景下，湘北地區暴雨過程的極端性除了在夏季進一步增強之外，暴雨期還在向春秋兩季延展，尤其是春季極端降水出現的概率在增大，這將導致暴雨洪澇災害的風險更高，且時間跨度更大。