湖南省汛期降水結構演變特征分析

蔣元華，曾向紅，段麗潔，湯亦豪，吳 浩

(湖南省氣候中心，湖南 長沙 410118)

引 言

受全球氣候變暖和人類活動日益加劇的影響，大氣環流和水汽循環都發生了顯著變化[1-3]。降水是響應氣候變化最敏感的因子之一，深入了解其結構變化特征有助于探索區域水循環規律。湖南省位于長江中下游地區，東北為地勢開闊平坦的洞庭湖區，中部有衡邵盆地，其他三面為山地，地形復雜，地表熱力差異明顯。湖南省受季風影響顯著，降水時空分布不均，省內不同區域的降水結構可能存在顯著差異，深入研究湖南省降水結構的演變特征對于防汛抗旱具有重要意義[4]。

降水結構主要包括降水量等級和降水歷時。關于降水量等級方面的研究主要集中在其時空演變特征上。在全球氣候變化背景下，大部分地區極端降水量呈增加趨勢，且具有明顯的區域特征。如歐洲雨季和冬季的極端降水量呈增加趨勢[5-6]，美國極端降水量也呈增多趨勢[7]。多種氣候模式結果均顯示隨著氣候變暖，全球極端降水量呈增多趨勢[8-10]。中國降水量等級也發生了顯著變化[11-13]，如華南夏季弱降水日數減少而強降水日數呈增加趨勢[14-15]，且有向極端強降水偏移的演變趨勢[16]。降水歷時作為降水結構的另一重要特征量，由于受降水資料限制，對于其分析多是基于日降水資料進行，如基于日降水資料研究發現，長江上游和淮河流域短歷時降水事件增多，其降水量所占比例較大[17-18]。而北江流域中短歷時降水事件發生頻率呈下降趨勢，降水量貢獻率呈上升趨勢，長歷時降水發生頻率、降水量貢獻率均呈顯著下降趨勢[15]。然而，由于降水分布具有高度的時空不均勻性[19-21]，基于日值和小時降水資料分析的結果可能會存在差異。如基于小時降水資料發現長江中下游地區降水量主要是短歷時中等或較弱降水的貢獻[22]，這與基于日降水資料的研究成果明顯不同[23-24]。利用高分辨率的降水數據能更為細致地研究區域性降水結構的演變特征[25-26]。如基于小時降水數據研究發現南北區域性降水結構有明顯差異，北京地區1～3 h超短歷時降水發生頻率呈下降趨勢，降水量貢獻率呈增加趨勢，而其他歷時降水發生頻率則呈增加趨勢[27]；渭河流域短歷時和長歷時降水發生頻率和降水量貢獻率均表現為減小趨勢，中長歷時降水發生頻率和降水量貢獻率則呈增加趨勢[28]；廣西大部分地區短歷時降水發生頻率和降水量貢獻率均呈下降趨勢，長歷時降水事件的發生頻率和降水量貢獻率均呈上升趨勢[29]。由于我國地形復雜，熱量分布存在顯著的區域差異，不同區域降水影響機制也不相同[30-32]。

湖南是暴雨洪澇頻發地區，極端降水近年呈明顯增強趨勢[33-34]。本文分別研究不同降水歷時、不同降水量等級的降水事件發生頻率和降水量貢獻率的時空演變特征，以期為生產建設及洪澇災害防御等提供科學依據。

1 資料和方法

1.1 資 料

所用數據為1980—2018年湖南省96個地面氣象觀測站(圖1)汛期逐小時降水資料，所有臺站數據均經過嚴格質量控制，由國家氣象信息中心提供。為確保資料完整性，統計的各站點數據逐年缺測率均小于5%。湖南汛期為4—9月，汛期平均降水量為930.9 mm，約占全年總降水量的70%，汛期是強降水事件的主要發生時段，因此本文將4—9月作為研究時段。

圖1 湖南省雨量站與地形(陰影，單位：m)分布

文中附圖所涉及地圖基于湖南省標準地圖服務網站下載的審圖號為湘S(2017)170號的標準地圖制作，底圖無修改。

1.2 方 法

降水歷時和降水量級是降水結構最為重要的特征參量。氣象上以0.1 mm作為有效降水閾值，以連續2 h無有效降水作為劃分降水事件的標準，每一個降水事件的總降水量定義為過程內逐小時雨量之和，降水時段內的有效降水時數作為降水歷時。

將降水歷時劃分為4類： 1～3 h，4～6 h，7～12 h和12 h以上，其中1～6 h為短歷時降水，超過6 h為長歷時降水。參考降水量等級標準[35]劃分不同歷時降水事件降水量等級(表1)。

表1 不同歷時降水事件降雨量等級劃分標準

以降水發生頻率和降水量貢獻率作為分析湖南省降水結構時空分布特征的兩個指標，其中降水發生頻率為不同歷時/不同降水量級降水事件發生次數占總降水次數的百分率；降水量貢獻率為不同歷時/不同降水量級降水事件的降水量占總降水量的百分率。

統計1980—2018年湖南省汛期96個地面氣象觀測站逐小時降水資料，發現共發生413 546次降水事件，其中1～3 h、4～6 h、7～12 h、12 h以上降水事件分別246 365、76 564、57 682和32 935次；降水量等級為小雨、中雨、大雨和暴雨的降水事件分別40 304、13 894、6881和4456次。

2 不同歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率

2.1 統計特征

圖2為1980—2018年湖南省汛期不同歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率分布。可以看出，湖南省降水事件發生頻率隨著降水歷時的增長呈冪函數規律遞減，且通過α=0.05的顯著性檢驗。短歷時降水事件發生頻率較高，約占77.8%，其中1～3 h和4～6 h降水事件發生頻率分別為59.3%和18.5%；長歷時降水事件發生頻率較低(22.2%)，其中7～12 h和12 h以上降水事件發生頻率分別為14.1%和8.1%。而降水量貢獻率隨降水歷時的增長呈顯著線性增加趨勢且通過α=0.05的顯著性檢驗。長歷時降水事件降水量貢獻率為66.0%，其中7～12 h和12 h以上歷時降水量貢獻率分別為28.3%和37.7%；短歷時降水量貢獻率較低(34.0%)，其中1～3 h和4～6 h降水量貢獻率分別為15.6%和18.4%。

圖2 1980—2018年湖南省汛期不同歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率分布

湖南省汛期短歷時降水事件發生頻率高、降水量貢獻率低；長歷時降水事件發生頻率低但降水量貢獻率高，其中12 h以上歷時的降水事件是汛期強降水的主體，容易導致區域性洪澇。

2.2 空間分布

圖3為1980—2018年湖南省汛期不同歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率的空間分布。可以看出，1～3 h的短歷時降水事件發生頻率最高，呈南高北低的空間分布，最高值(65.4%)出現在永州市新田縣，最低值(52.6%)出現在益陽市[圖3(a)]；降水量貢獻率也基本呈現南高北低的空間分布，但降水量貢獻率整體較低，最高值(23.0%)出現在株洲市炎陵縣，最低值(10.0%)出現在常德市臨澧縣[圖3(b)]。4～6 h短歷時降水事件的發生頻率沒有明顯的空間差異[圖3(c)]，與1～3 h短歷時降水事件發生頻率在空間分布上呈負相關，相關系數為-0.383，4～6 h短歷時降水事件發生頻率較高值往往分布在1～3 h降水事件發生頻率較低值附近。最高值(19.9%)出現在益陽市，最低值(16.7%)出現在永州市新田縣；4～6 h短歷時降水量貢獻率呈南高北低的空間分布[圖3(d)]，最高值(24.1%)出現在郴州市汝城縣，最低值(13.6%)出現在常德市澧縣。7～12 h長歷時降水事件發生頻率呈北高南低分布，高值區主要位于湘西北和湘北一帶，最高值(16.6%)出現在常德市，最低值(10.6%)出現在郴州市汝城縣[圖3(e)]；7～12 h長歷時降水事件降水量貢獻率呈西高東低的空間分布，高值區主要位于湘西北和湘西南地區，雖然發生頻率較低，但降水量貢獻率較高，最高值(33.4%)出現在湘西自治州瀘溪縣，最低值(22.3%)出現在郴州市汝城縣[圖3(f)]。12 h以上長歷時降水事件發生頻率呈北高南低的空間分布，高值區主要位于洞庭湖流域，最高值(11.8%)出現在益陽市桃江縣，最低值(5.6%)出現在永州市江永縣[圖3(g)]；12 h以上長歷時降水事件降水量貢獻率呈北高南低的空間分布，高值區主要位于湘西北和湘北地區，雖然發生頻率最低，但是降水量貢獻率最高，最高值(49.8%)出現在常德市澧縣，最低值(28.8%)出現在懷化市新晃縣[圖3(h)]。

圖3 1980—2018年湖南省汛期1～3 h(a、b)、4～6 h(c、d)、7～12 h(e、f)和12 h以上(g、h)降水事件發生頻率(a、c、e、g)和降水量貢獻率(b、d、f、h)空間分布(單位：%)

綜上所述，不同歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率具有明顯的空間分布差異，短歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率湘南高于湘北，而長歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率則與短歷時呈相反空間分布，湘北高于湘南。

2.3 年際變化

利用線性回歸方法分析不同歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率的演變趨勢，1～3 h、4～6 h、7～12 h和12 h以上歷時的降水事件發生頻率和降水量貢獻率均未發生顯著變化(圖略)。進一步分析短歷時和長歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率的演變(圖4)，發現降水事件發生頻率和降水量貢獻率也未發生顯著變化，但2009—2018年短歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率都呈增加趨勢，而長歷時降水事件兩者則呈下降趨勢，且均通過α=0.05的顯著性檢驗。

圖4 1980—2018年湖南省1～6 h(a)和6 h以上(b)歷時的降水事件發生頻率和降水量貢獻率年際變化及其線性趨勢

3 不同等級降水事件發生頻率和降水量貢獻率

3.1 統計特征

圖5為1980—2018年湖南省汛期不同等級降水事件發生頻率和降水量貢獻率分布。可以看出，湖南省降水事件發生頻率隨降水量等級的增大呈冪函數規律減小，且通過α=0.05的顯著性檢驗。其中小雨降水事件發生頻率最高(61.5%)；中雨降水事件發生頻率較高(21.2%)；大雨降水事件發生頻率較低(10.5%)；暴雨降水事件發生頻率最低(6.8%)。降水量貢獻率則隨降水量等級的增加呈線性增加趨勢，且通過了α=0.05的顯著性檢驗，其中小雨降水事件貢獻率最低(7.2%)；中雨降水事件貢獻率較低(21.3%)；大雨降水事件貢獻率較高(28.5%)；暴雨降水事件降水量貢獻率最高(43.0%)。統計結果表明，湖南省汛期降水事件以小到中雨降水事件為主，但其降水量貢獻率較低。大到暴雨降水事件雖然發生頻率較低，但卻是降水量的貢獻主體，其中暴雨降水事件為降水量主要貢獻者。

圖5 1980—2018年湖南省汛期不同等級降水事件發生頻率和降水量貢獻率分布

3.2 空間分布

圖6為1980—2018年湖南省汛期不同等級降水事件發生頻率和降水量貢獻率空間分布。可以看出，全省降水事件以小雨降水事件發生頻率最高，所有站點其發生頻率均超過50%， 呈南高北低的空間分布，最高值(65.5%)出現在邵陽市新寧縣，最低值(57.2%)出現在岳陽市平江縣[圖6(a)]；小雨降水事件降水量貢獻率較低，呈南高北低分布，但南北總體差異不大，最高值(9.3%)出現在邵陽市新寧縣，最低值(5.6%)出現在益陽市安化縣[圖6(b)]。中雨降水事件發生頻率空間分布不均，高值區處于小雨降水事件發生頻率的低值區附近，低值區也對應小雨降水事件發生頻率的高值區，兩者空間相關系數為-0.644，中雨降水事件發生頻率最高值(23.5%)出現在衡陽市祁東縣，最低值(19.0%)出現在懷化市懷化縣[圖6(c)]；中雨降水事件降水量貢獻率較低，呈南高北低的空間分布，湘西南貢獻率較高，最高值(26.6%)出現在邵陽市城步縣，最低值(16.1%)出現在岳陽市臨湘縣[圖6(d)]。大雨降水事件發生頻率空間分布不均，但全省差異不大，最高值(12.0%)出現在益陽市南縣，最低值(9.0%)出現在懷化市靖州縣[圖6(e)]；大雨降水事件降水量貢獻率較高，湘西南和湘南較高，湘西北較低，最高值(32.8%)出現在邵陽市邵陽縣，最低值(23.8%)出現在懷化市辰溪縣[圖6(f)]。暴雨降水事件發生頻率呈北高南低的空間分布，湘西北和湘北一帶是高發區，湘西南和湘南一帶其發生頻率較低，最高值(9.4%)出現在岳陽市臨湘縣，最低值(4.7%)出現在邵陽市城步縣[圖6(g)]；暴雨降水事件降水量貢獻率分布與發生頻率分布基本相似，湘中以北降水量貢獻率較高，湘西南及湘南貢獻率較低，且與大雨降水事件降水量貢獻率呈負相關，相關系數為-0.833，暴雨降水事件降水量貢獻率的高值區往往對應大雨降水事件降水量貢獻率的低值區，而其低值區往往對應大雨降水事件降水量貢獻率的高值區，暴雨降水事件降水量貢獻率最高值(52.8%)出現在岳陽市臨湘縣，最低值(33.1%)出現在邵陽市城步縣[圖6(h)]。

圖6 1980—2018年湖南省汛期小雨(a、b)、中雨(c、d)、大雨(e、f)和暴雨(g、h)降水事件發生頻率(a、c、e、g)和降水量貢獻率(b、d、f、h)空間分布(單位：%)

綜上所述，不同等級降水事件發生頻率和降水量貢獻率空間分布具有明顯的地理差異，其中不同地區小雨降水事件發生頻率差值約8.3%，暴雨降水事件發生頻率差值約4.7%。暴雨降水事件降水量貢獻率差異最大，變化幅度高達19.7%。小到中雨降水事件發生頻率和降水量貢獻率大致呈湘南高于湘北的空間分布；而大到暴雨降水事件發生頻率和降水量貢獻率則呈現湘北高于湘南的空間分布。

3.3 年際變化

圖7為1980—2018年湖南省汛期不同等級降水事件發生頻率和降水量貢獻率年際變化及其線性趨勢?？梢钥闯觯∮辍⒅杏旰痛笥杲邓录l生頻率年際變化不顯著；暴雨降水事件發生頻率年際變化呈顯著增加趨勢，且通過α=0.05的顯著性檢驗，暴雨降水事件發生頻率20世紀90年代后明顯增加。小雨降水事件降水量貢獻率年際變化不顯著，但中雨和大雨降水事件降水量貢獻率呈下降趨勢，且通過了α=0.05的顯著性檢驗，大雨降水事件降水量貢獻率下降速率大于中雨降水事件。暴雨降水事件降水量貢獻率則呈顯著上升趨勢，且通過α=0.05的顯著性檢驗，20世紀90年代至21世紀前10 a處于高值區。

圖7 1980—2018年湖南省汛期小雨(a) 、 中雨 (b) 、大雨(c)和暴雨(d)降水事件發生頻率和降水量貢獻率年際變化及其線性趨勢

4 結論與討論

(1)湖南省汛期各歷時降水事件發生頻率隨歷時的增加呈冪函數規律減小，而各歷時降水事件降水量貢獻率則隨歷時的增加呈顯著線性增加趨勢。汛期降水以短歷時降水事件發生頻率最高，但是其貢獻的降水量較少；長歷時降水事件雖然發生頻率較低，但降水量貢獻率高，是汛期降水的貢獻主體。降水事件發生頻率和降水量貢獻率具有明顯的空間分布差異，短歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率湘南高于湘北，而長歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率湘北高于湘南。

(2)1980—2018年不同歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率均未呈現明顯的年際變化趨勢，但近10 a長歷時和短歷時降水事件降水特征發生顯著變化：短歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率均呈增加趨勢，而長歷時降水事件發生頻率和降水量貢獻率則呈下降趨勢，表明近10 a，短歷時降水事件更加集中，預計未來短歷時強降水的極端天氣氣候事件概率將增加。

(3)湖南省汛期各等級降水事件發生頻率隨降水量等級增加呈冪函數規律顯著減小，降水量貢獻率則隨著降水量等級增加呈顯著線性上升趨勢。汛期降水事件以小到中雨為主，但是降水量貢獻率低；大到暴雨降水事件雖然發生頻率較低，卻是降水量的貢獻主體，其中暴雨降水事件為降水主要貢獻者。各等級降水事件發生頻率和降水量貢獻率空間分布差異明顯，小到中雨降水事件發生頻率和降水量貢獻率大致湘南高于湘北；而大到暴雨降水事件發生頻率和降水量貢獻率湘北高于湘南。

(4) 湖南省汛期小雨、中雨和大雨降水事件發生頻率年際變化不顯著，暴雨降水事件發生頻率則呈顯著增加趨勢。小雨降水事件降水量貢獻率年際變化不顯著，中雨和大雨降水事件降水量貢獻率呈顯著下降趨勢，暴雨降水事件降水量貢獻率呈顯著上升趨勢。暴雨降水事件發生頻率增加，降水量呈顯著增加趨勢，區域性暴雨洪澇風險在增加。

研究表明，中國地區弱降水頻率總體呈減小趨勢，但強降水頻數在增加[36-38]，湖南省小到大雨降水事件發生頻率和降水量沒有顯著變化，但暴雨事件發生頻率呈顯著增加趨勢。28°N以南的華南地區以6 h以下歷時降水為主[39-40]，而湖南省(24°N—32°N)各地均以6 h以上歷時降水為主。我國氣候復雜多樣，針對湖南省汛期降水結構特征的研究，可以為全面了解湖南省汛期降水氣候特征和防御城市內澇提供科學參考。