1959～2019 年宣漢降水變化特征分析

易云鳳

（四川省宣漢縣氣象局,宣漢 636150）

引言

宣漢位于四川盆地東北部，北靠大巴山，境內有前、中、后河，在城區匯入州河，是渠江上游重要源地，為山地向丘陵的過渡地帶，海拔高差超過2000m。受地形影響，降水量在各個鄉鎮分布不均勻。根據宣漢國家一般氣象站（107°43′E，31°22′N，海拔389.4m）觀測資料顯示，宣漢城區歷年最小年降水量為865.9mm，最大年降水量為1698mm，差異較大。降水量的多寡對宣漢當地生產生活非常重要：一是宣漢旅游經濟和特色農業的發展受降水的影響較大；二是宣漢地勢多變，地質結構不穩定，歷年來，由強降水引發的地質災害給當地居民造成了極大的經濟損失。

自1959 年宣漢國家一般氣象站建站以來，開始進行日降水量的觀測，時間序列超過60 年；自1982年開始觀測小時雨量，時間序列超過30 年。降水觀測資料細致、完備，具備了研究降水變化特征的基本條件。目前，針對宣漢降水序列特征的研究較少，更未見針對宣漢降水周期性分析的成果報道。因此有必要分析包括周期性規律在內的宣漢降水變化特征分析，揭示宣漢降水時間變化規律，為宣漢防災減災和降水預報提供參考。

1 數據及方法

1.1 數據資料

研究資料包括1959～2019 年宣漢日降水數據和1982～2019 年逐時降水數據。本文以日雨量50mm 為閾值統計暴雨日數，以日雨量100mm 為閾值統計大暴雨日數，以小時雨量20mm 為短時強降水閾值。

1.2 小波分析

小波分析是在Fourier 變換的基礎上引入了窗口函數，基于仿射群的不變性（平移和伸縮不變性），把一個時間序列分解為時間和頻率的貢獻，獲取氣候變化的內在層次結構，分析時間序列在不同尺度上的演變特征。利用小波分析[1?2]方法的伸縮和平移等運算可以對信號序列進行多尺度細化分析，研究不同尺度下隨時間的演變情況，將嵌套在大尺度下的小尺度特征展示出來。Morlet 復小波函數兼容性好，頻域分析能力突出，適合用來分析降水的周期變化特征[3?11]。因此，本文采取Morlet 復小波函數研究宣漢年降水量的周期性變化特征。

小波函數的定義：設 φ(t)為平方可積函數，即φ(t)∈L2(R)，若Fourier 變換 Ψ(ω)滿足條件：

則 φ(t) 稱 為一個基本小波或小波母函數，將 φ(t)進行伸縮和平移，得到連續小波 φa,τ(t)，公式如下：

式中：a,τ ∈R,a>0。

對于任意函數f(t)∈L2(R)的連續小波變換為：

式中：a是尺度因子，τ 是平移因子，Wf(a,τ)稱為小波系數。

本文采用的小波函數為復小波Morlet，公式如下：

式中：Fb為 帶寬因子，Fc為中心頻率因子。

2 降水年際變化特征

由圖1 可知，1959 年以來，宣漢年降水量呈增加趨勢，氣候趨勢傾向率為12.678mm/10a，變化緩慢；最小年降雨量出現在1966 年（865.9mm），最大年降雨量出現在1983 年（1698mm），相差832.1mm。

圖1 1959～2019 年宣漢年降水變化

1959～2019 年降水量年代際距平如表1 所示。可以看出，20 世紀60 年代、80 年代和21 世紀00 年代、10 年代降水距平百分率均為正值，說明在這些時期年降雨量較平均值偏大，尤其是在21 世紀00 年代降水距平百分率達7%，比其余時段顯著偏高；20 世紀70 年代和90 年代年降水量距平百分率為負值，表明在這兩個時期年降雨量較平均值偏少，尤其是20 世紀70 年代距平百分率達?6.9%，降水明顯偏少。

表1 宣漢降水量年代際距平

3 強降水變化特征

圖2 給出了1959～2019 年宣漢暴雨頻次年際變化。如圖所示，暴雨年均頻次為4.7 次/a，氣候趨勢傾向率為0.1 次/10a，有緩慢上升趨勢；除1977 年外，每年均有暴雨天氣出現，其中2003 年和2007 年暴雨頻次最多（均為10 次）；近61a 來，超過暴雨頻次平均值的年份占4 成，在時間序列上分布較均勻。

圖2 1959～2019 年宣漢暴雨頻次年際變化

從歷年觀測數據分析，暴雨日最早出現在3 月13 日（1993 年），最晚出現在11 月7 日（2003 年）。由圖3 可知，暴雨出現在3～11 月，主要集中時段為6～9 月，其中7 月出現的比例最高，占總量的近3 成，其次是8 月占17%，6 月和9 月均占13%。

圖3 1959～2019 年宣漢暴雨頻次各月占比

2009～2018 年宣漢出現的近290 次暴雨天氣過程中，日降雨量超過100mm 的大暴雨有30 次，約占暴雨頻次的10%。如圖4 所示，大暴雨年代際平均頻次為5.0 次/10a，分布不均；在20 世紀70 年代和90 年代分別為1 次和2 次，20 世紀60 年代為6 次，其余年代均為7 次（占年代際的一半）；1986～1997 年，宣漢沒有出現大暴雨，而隨后的年份大暴雨頻次分布均勻，平均值為0.7 次/a。圖5 給出了宣漢大暴雨頻次各月占比。如圖所示，大暴雨出現在5～9 月，其中7 月出現了15 次，占大暴雨總頻次的50%；其次是8 月出現了5 次，占比為17%；再次是6 月和9 月均出現了4 次，占比為13%；5 月最少，僅出現2 次，占比為7%。大暴雨最早出現在5 月7 日，最晚出現在9 月17 日，時間跨度大。

圖4 宣漢大暴雨頻次年代際分布

圖5 同圖3，但為大暴雨

宣漢城區日降水量最大值為257.0mm（2004 年9月5 日），前一日（9 月4 日）出現了122.4mm 的大暴雨。這種連續2 天出現大暴雨的情形在2005 年7 月7～8日再次出現，7、8 日降水量分別為124.9mm 和107.1mm。兩次大暴雨天氣過程直接造成了人員傷亡，同時還出現了山洪、地質災害、中小河流洪水等次生災害，造成的經濟損失超33 億元。

伴有短時強降水的頻次占暴雨頻次的41.9%，在時間序列上均勻分布，其隨月份和隨時段的分布如圖6 和圖7 所示。小時雨量最大值為66.5mm，出現在1982 年7 月10 日14～15 時。

圖6 伴有短時強降水的暴雨天氣各月占比

圖7 伴有短時強降水的暴雨天氣各時段占比

由圖6 可知，伴有短時強降水的暴雨天氣出現在4～9 月，其中7 月占比最大為48.5%，其后依次是8 月（16.5%）、6 月（13.6%）、9 月（10.7%）。由圖7 可知，在各個時段中（北京時，下同），除20～22 時沒有出現短時強降水外，其余時段均有出現。其中8～10 時最多（17.5%），其后依次是4～6 時（15.5%）、2～4 時（14.6%）、6～8 時（10.7%）。0～12 時的總占比為73.8%，其中0～8 時為49.5%，說明短時強降水主要集中在凌晨到上午。這和廖崇明等[12?14]得出達州多夜雨的結論相吻合。在暴雨出現頻次最高的7 月，短時強降水占比最大是2～4 時（20%），其次分別是4～6 時（14%），6～8 時（12%），0～2 時、8～10 時和12～14 時均為10%。0～12 時出現的占比為68%，雖不及全年占比，但基本特征仍然吻合。

短時強降水單獨出現的情況最早出現在4 月1 日，最晚出現在11 月7 日，隨月份和時段的分布和暴雨伴有短時強降水的情況基本一致。

4 周期性分析

基于Morlet 小波分析，在Matlab、Surfer、office 等平臺下，對宣漢的年降水量和暴雨頻次做周期性分析，通過小波分析的實部圖分析其周期變化特征。

4.1 年降水量周期變化特征分析

1959～2019 年宣漢年降水量的小波分析結果如圖8所示。圖中實線說明小波系數為正值，表示降水偏多；虛線說明小波系數為負值，表示降水偏少。從小波系數的實部可以看出不同的時間尺度下降水量的變化是不同的，小尺度的變化嵌套在較大尺度的變化之中。

圖8 1959～2019 年宣漢年降水量小波分析

由圖8 可知，近61a 宣漢年降水量存在23～30a、12～20a 及4～10a 的振蕩周期，年際和年代際變化特征較為顯著，與倪雪等[15]研究達州市夏季降水的時間尺度特征有所不同。在23～30a 時間尺度上，宣漢年降水量的變化出現了3 個較為完整的振蕩周期，表現為宣漢在1965 年之前偏多，1966～1979 年偏少，1980～1987 年偏多，1988～1997年偏少，1998～2007年偏多，2008～2013 年偏少，直到2019 年等值線仍未閉合，說明2019 年后一段時間仍將可能處于降水偏多期。在12～20a 時間尺度上，宣漢年降水量在1965～2003 年周期性明顯，出現了4 個完整的振蕩周期。在4～10a 時間尺度上，宣漢年降水量在1970 年以前和1978～2006年兩個時段周期性明顯。總的說來，23～30a 的振蕩周期在近61a 表現更穩定，是宣漢年降水量變化的主周期。

4.2 暴雨周期變化特征分析

圖9 是1959～2019 年宣漢暴雨頻次的小波分析結果。如圖所示，近61a 宣漢暴雨頻次存在25～32a、13～20a 及4～10a 的振蕩周期。在25～32a 時間尺度上，宣漢暴雨頻次出現了2 個較為完整的振蕩周期，表現為在1969 年以前偏多，1970～1981 年偏少，1982～1990年偏多，1991～2002 年偏少，2003～2013年偏多，2014 年之后周期變化特征不明顯。在13～20a 時間尺度上，共出現了6.5 個完整的振蕩周期，直到2019 年等值線實線仍未閉合，說明2019 年后一段時間仍可能處于偏多期。在4～10a 時間尺度上，2008 年以前周期振蕩顯著。總的說來，13～20a 的振蕩周期在近61a 表現更穩定，是宣漢暴雨頻次變化的主周期。

圖9 同圖8，但為暴雨頻次

5 討論

本文選取1959～2019 年宣漢氣象站逐日降水數據，應用數理統計的方法，分析了該地區的降水變化特征，得到如下主要結論：

（1）宣漢年降水量呈增加趨勢,氣候傾向率為12.678mm/10a。20 世紀60 年代和80 年代以及21 世紀00 年代和10 年代年降水量較平均值偏多，而20 世紀70 年代和90 年代年降水量較平均值偏少。

（2）宣漢年均暴雨頻次為4.7 次/a，空間分布較為均勻，氣候傾向率為0.1 次/10a，集中出現在6～9 月，其中7 月最多，約占30%。年均大暴雨頻次為0.5 次/a，空間分布不均，近年頻次增加，7 月占比最大。伴有短時強降水的暴雨天氣出現在4～9 月，7 月占比最大，其次是8 月。短時強降水主要出現在凌晨到上午，0～12 時約占73.8%，其中又以8～10 時最多。

（3）宣漢年降水存在23～30a、12～20a 及4～10a 的周期變化特征，其中23～30a 尺度代表性好。暴雨頻次存在25～32a、13～20a 及4～10a 的周期變化特征，其中13～20a 尺度表現較好。