城鎮(zhèn)化對(duì)上海市極值降雨時(shí)程規(guī)律的影響研究

鄭偉強(qiáng)，劉曙光，周正正

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引 言

暴雨及其造成的洪澇是我國(guó)主要自然災(zāi)害之一，在大城市地區(qū)往往會(huì)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。上海市地處長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高度發(fā)達(dá)區(qū)和人口的高度集中區(qū)，對(duì)暴雨的敏感程度較高。2013年10月臺(tái)風(fēng)“菲特”帶來(lái)的特大暴雨導(dǎo)致上海市嚴(yán)重內(nèi)澇，交通癱瘓，致使近10萬(wàn)人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)9 300萬(wàn)余元[1]。隨著近年來(lái)長(zhǎng)江三角洲區(qū)域一體化戰(zhàn)略的深入實(shí)施，長(zhǎng)三角地區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程會(huì)進(jìn)一步加快；區(qū)域一體化是建立在生態(tài)一體化的基礎(chǔ)上的，而極端氣候?qū)ι鷳B(tài)文明建設(shè)有著顯著影響。上海市是長(zhǎng)三角地區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)的先導(dǎo)，在長(zhǎng)江三角洲快速發(fā)展的背景下，對(duì)上海市地區(qū)極端氣候變化規(guī)律及暴雨頻率進(jìn)行分析具有重要意義。

近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)上海市及其周邊地區(qū)的降雨時(shí)程變化規(guī)律及其響應(yīng)做了大量的研究，取得了很多成果。殷健等[2]分析了城鎮(zhèn)化對(duì)上海市年降雨量、月降雨量等的影響。王安琪等[3]通過(guò)多種方法確定了楊浦區(qū)的設(shè)計(jì)面暴雨量和設(shè)計(jì)暴雨雨型。胡子琛等[4]探究了降雨時(shí)程分布對(duì)太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)洪水響應(yīng)的影響。然而，目前對(duì)上海市暴雨的研究主要側(cè)重暴雨雨型研究及其洪災(zāi)響應(yīng)等方面[4- 6]，缺乏對(duì)暴雨序列多時(shí)間尺度變化規(guī)律的探究；同時(shí)，城鎮(zhèn)化會(huì)改變地區(qū)氣候條件，進(jìn)而影響暴雨的降雨規(guī)律[7-10]，目前關(guān)于城鎮(zhèn)化對(duì)上海市極端降雨事件影響的研究也較少。

本文選取上海市徐匯站、寶山站1961年～2019年連續(xù)59年實(shí)測(cè)極值降雨數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行時(shí)程規(guī)律分析，包括趨勢(shì)分析、多時(shí)間尺度變化規(guī)律研究等。研究成果可以為上海市防洪建設(shè)與雨情區(qū)域分析提供參考，亦可以向長(zhǎng)三角其他地區(qū)推廣，助力城郊地區(qū)和郊區(qū)的發(fā)展規(guī)劃，為基于生態(tài)一體化的長(zhǎng)三角區(qū)域協(xié)同發(fā)展提供技術(shù)保障與理論支持。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 上海市城鎮(zhèn)化進(jìn)程

常用的衡量地區(qū)城鎮(zhèn)化水平的指標(biāo)包括城市人口占比、城市建設(shè)用地占比、非農(nóng)人口占比等[11]。本文用上海市非農(nóng)人口占比作為城鎮(zhèn)化率，上海市城鎮(zhèn)化進(jìn)程曲線見(jiàn)圖1(數(shù)據(jù)來(lái)源為各相應(yīng)年份的《上海統(tǒng)計(jì)年鑒》)。

圖1 上海市城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程(1961年～2014年)

1961年以來(lái)上海市城鎮(zhèn)化進(jìn)程可分為三個(gè)階段。1961年～1977年為逆發(fā)展階段，該時(shí)期由于政治、經(jīng)濟(jì)等因素影響，大批人口遷出上海市，非農(nóng)人口數(shù)量急劇減少，城鎮(zhèn)化率降低。1978年～2012年為快速發(fā)展階段，改革開(kāi)放以后上海城市建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，城鎮(zhèn)化率快速升高。其中，1992年～2007年的16年間尤為顯著，城鎮(zhèn)化率年均上升1.26%，城鎮(zhèn)化水平顯著提高。2013年以后為緩慢發(fā)展階段，城鎮(zhèn)化率超過(guò)90%，城市建設(shè)已較為完善。

1.2 降雨數(shù)據(jù)

本文選用徐匯站和寶山站1961年～2019年逐日20時(shí)～20時(shí)降水量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源為中國(guó)氣象局實(shí)測(cè)站點(diǎn)資料，具有較好的一致性和連續(xù)性。徐匯站(31°10′N，121°26′E，海拔2.6 m)和寶山站(31°24′N，121°27′E，海拔5.5 m)分別位于上海市徐匯區(qū)和寶山區(qū)(見(jiàn)圖2)。兩站點(diǎn)距離較近，屬于同一水利分區(qū)：一方面，徐匯站地處市區(qū)，同一時(shí)期內(nèi)城鎮(zhèn)化程度較地處郊區(qū)的寶山站高；另一方面，隨著時(shí)間推移兩站均受到城鎮(zhèn)化的影響。本文將徐匯站和寶山站分別看作城區(qū)站點(diǎn)和郊區(qū)站點(diǎn)，從空間橫向和時(shí)間縱向兩個(gè)維角度，對(duì)比分析城鎮(zhèn)化對(duì)上海市極端降雨事件的影響。參照世界氣象組織(WMO)推薦的極端氣候指標(biāo)，本文對(duì)兩測(cè)站的年最大1日降雨(Rx1d)序列和年最大五日降雨(Rx5d)序列進(jìn)行分析。其中Rx1d可代表短歷時(shí)極值降雨的特征，Rx5d可代表長(zhǎng)歷時(shí)極值降雨的特征。

圖2 徐匯站、寶山站位置示意

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法(MK檢驗(yàn))是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[12]，對(duì)于樣本量為n的極值降雨序列x1，x2， … ，xn，構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量序列

(1)

式中，

(2)

式中，

(3)

則序列Sk的數(shù)學(xué)期望E(Sk)和方差Var(Sk)分別為

(4)

給定顯著性水平α，對(duì)應(yīng)的正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量值為Zα，當(dāng)|UFk|>Zα?xí)r認(rèn)為序列存在顯著變化的趨勢(shì)。當(dāng)α=0.05時(shí)對(duì)應(yīng)的Zα=1.96。

2.2 Morlet小波分析

對(duì)于水文序列f(t)，連續(xù)小波變換(CWT)的離散形式為[13]

(5)

Morlet小波為復(fù)數(shù)小波，定義為

ψ(t)=eiω0te-0.5t2

(6)

式中，Wf(a，b)為小波系數(shù)；a為周期尺度；b為時(shí)間因子；Δt為時(shí)間間隔；i為虛數(shù)單位；ω0為常數(shù)。小波系數(shù)的實(shí)部表征不同尺度信號(hào)在不同時(shí)間上的分布和相位，模的大小表示信號(hào)的強(qiáng)弱。以時(shí)間因子為橫坐標(biāo)、周期尺度為縱坐標(biāo)，繪制小波系數(shù)Wf(a，b)實(shí)部等值線圖，即可直觀表示各尺度的作用年限；而Wf(a，b)模等值圖則能反映相應(yīng)尺度作用的相對(duì)強(qiáng)弱。

小波方差隨周期尺度a的變化過(guò)程稱為小波方差圖，它反映了波動(dòng)的能量隨尺度的分布。通過(guò)小波方差的極大值可以確定一個(gè)水文序列中存在的主要時(shí)間尺度，即主周期。將時(shí)間域上的關(guān)于a的所有小波變換系數(shù)的平方進(jìn)行積分即得到小波方差，其定義式為

(7)

3 極值降雨年際變化規(guī)律及趨勢(shì)檢驗(yàn)

徐匯站、寶山站Rx1d、Rx5d的年際變化曲線見(jiàn)圖3，MK檢驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。徐匯站、寶山站59年來(lái)Rx1d和Rx5d均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，且兩站變化趨勢(shì)相近，基本滿足“同增同減”的變化規(guī)律。徐匯站的Rx5d量級(jí)整體上略高于寶山站，年際增速與寶山站相近。平均每10年，徐匯站Rx1d和Rx5d分別增加7.5 mm和10.5 mm，寶山站Rx1d和Rx5d分別增加5.6 mm和9.8 mm。1977年寶山站的Rx1d與Rx5d均顯著高于徐匯站，其原因是1977年8月21日～22日，冷空氣伴隨著西北低槽急速南下，與滯留在上海北部的7707號(hào)臺(tái)風(fēng)倒槽相互作用，致使寶山、嘉定兩縣出現(xiàn)高強(qiáng)度降雨[14]。而2001年徐匯站的極值降雨又顯著強(qiáng)于寶山站，其原因是2001年8月5日～6日，西太平洋副高壓突然減弱南退， 促使北上的熱帶低壓東移至上海， 導(dǎo)致上海市區(qū)出現(xiàn)特大暴雨[15]。

圖3 極值降雨年際變化

圖4 MK檢驗(yàn)結(jié)果

MK檢驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于徐匯站，Rx1d在1970年～1989年呈不顯著下降趨勢(shì)，在1990年～2012年呈不顯著上升趨勢(shì)，2012年以后呈顯著上升趨勢(shì)；Rx5d在1965年～1990年呈不顯著下降趨勢(shì)，在1991年～2016年呈不顯著上升趨勢(shì)。對(duì)于寶山站，Rx1d在1977年以前呈下降趨勢(shì)，在1984年～2011年呈不顯著上升趨勢(shì)，在2012年以后呈顯著上升趨勢(shì)；Rx5d在1979年以前呈下降趨勢(shì)，在1980年～2016年呈不顯著上升趨勢(shì)，在2016年以后呈顯著上升趨勢(shì)。

圖5 徐匯站Rx1d小波系數(shù)等值線

圖6 徐匯站Rx5d小波系數(shù)等值線

對(duì)于同一測(cè)站，Rx1d與Rx5d的年際變化趨勢(shì)相近；上海市城區(qū)和郊區(qū)極端降雨年際變化趨勢(shì)存在差異，但這種差異在1996年以后明顯減小。

4 極值降雨的多時(shí)間尺度分析

為研究上海市城區(qū)與郊區(qū)極值降雨的多時(shí)間尺度變化規(guī)律，選定時(shí)間尺度為研究時(shí)段(1961年～2019年)，周期標(biāo)度為1～32 a，將徐匯站、寶山站數(shù)據(jù)分別作Morlet小波變換后計(jì)算小波系數(shù)實(shí)部和小波系數(shù)模值，繪制其等值線，其中徐匯站小波分析結(jié)果如圖5、6所示，寶山站小波分析結(jié)果如圖7、8所示。根據(jù)兩站小波系數(shù)計(jì)算其小波方差，結(jié)果如圖9所示(圖中已分別將各曲線的小波方差進(jìn)行歸一化處理)。

圖7 寶山站Rx1d小波系數(shù)等值線

圖8 寶山站Rx5d小波系數(shù)等值線

圖9 小波方差

徐匯站Rx1d在研究期內(nèi)主要存在3類周期尺度、4個(gè)主周期。其中3～10 a的周期僅在1997年～2007年間有顯著的作用。25 a以上周期整體較強(qiáng)，在研究期內(nèi)均有作用，但在1980年～1999年間作用效果較弱。7～18 a的周期僅在1980年以前作用較為顯著，1980年以后該尺度的周期演化成為7～12 a和13～18 a兩類周期，作用效果減弱。主周期分別為5、10、15、28 a。

徐匯站Rx5d在研究期內(nèi)也主要存在3類周期尺度、4個(gè)主周期。其中25 a以上周期最強(qiáng)、作用最穩(wěn)定，在研究期內(nèi)始終存在，該尺度偏強(qiáng)和偏弱中心的交替時(shí)間約為18 a，徐匯站當(dāng)前(2020年)正處于該尺度偏強(qiáng)中心附近(靠后)。3～11 a周期僅在1995年～2010年間作用較為顯著。14～21 a的周期作用最弱，在研究期內(nèi)始終存在，但尺度中心由20 a逐漸向15 a降低。主周期分別為5、7、19、28 a。

寶山站Rx1d在研究期內(nèi)主要存在3類周期尺度、4個(gè)主周期。其中3～7 a周期僅在1974～1984年間有明顯的作用。7～14 a的周期在研究期內(nèi)均有作用，但在1990年以后作用明顯減弱。20～25 a的周期作用在1985年以前十分穩(wěn)定；1985年以后該尺度逐漸演化為25 a以上和15～20 a兩類尺度，其中25 a以上周期的作用不斷加強(qiáng)，該尺度的強(qiáng)弱交替時(shí)間約為11 a，當(dāng)前寶山站正處于該尺度偏強(qiáng)中心；而15～20 a的周期作用自1985年以后不斷減弱，當(dāng)前作用效果已不顯著。主周期分別為6、11、22、28 a。

寶山站Rx5d在研究期內(nèi)主要存在3類周期尺度、3個(gè)主周期。其中18～26 a的周期最強(qiáng)，該尺度在1977年以前十分穩(wěn)定，在1977年以后演化為25 a以上和15～23 a兩類尺度。其中，25 a以上周期的作用不斷加強(qiáng)，強(qiáng)弱交替時(shí)間約為10 a，當(dāng)前寶山站正處于該尺度偏強(qiáng)中心附近(靠后)；而15～23 a周期的作用不斷減小，尺度中心也由20 a向15 a降低，至1995年以后該周期已幾乎沒(méi)有作用。3～8 a周期僅在1974年～1983年間較為顯著。10～15 a的周期作用效果相對(duì)較弱，但自1973年以來(lái)十分穩(wěn)定，出現(xiàn)了7次強(qiáng)-弱交替。主周期分別為6、11、28 a。

綜上，相比于城區(qū)，郊區(qū)極值降雨受多尺度周期的調(diào)控作用更加顯著，且城區(qū)與郊區(qū)之間Rx1d的差異比Rx5d更加顯著，這表明城鎮(zhèn)化對(duì)Rx1d的影響要明顯強(qiáng)于Rx5d。無(wú)論是Rx1d還是Rx5d，上海市城區(qū)與郊區(qū)的主要周期尺度相近，在研究期內(nèi)均始終存在較穩(wěn)定的長(zhǎng)尺度周期(20 a以上)作用，其中郊區(qū)始終是長(zhǎng)尺度周期作用占優(yōu)，城區(qū)偶爾存在短尺度周期(15 a以下)占優(yōu)的時(shí)段。Rx1d和Rx5d的多尺度周期特性均受城鎮(zhèn)化的推進(jìn)影響，且主要表現(xiàn)在長(zhǎng)尺度周期上，城鎮(zhèn)化使上海地區(qū)原先的17～30 a周期尺度逐漸分化為25 a以上和15～20 a兩類尺度，其中25 a以上的尺度作用不斷加強(qiáng)，15～20 a的尺度逐漸減弱；而對(duì)于短尺度周期，城鎮(zhèn)化的影響十分有限。上海市城區(qū)與郊區(qū)的長(zhǎng)短歷時(shí)極值降雨均存在6 a左右和28 a的主周期，這兩個(gè)尺度的主周期受城鎮(zhèn)化的影響較小。

5 結(jié) 論

本文選取了上海市徐匯站和寶山站的連續(xù)59年實(shí)測(cè)極值降雨數(shù)據(jù)Rx1d和Rx5d，對(duì)其進(jìn)行了年際變化分析、MK趨勢(shì)檢驗(yàn)分析、小波分析等，得到如下結(jié)論：

(1)無(wú)論是城區(qū)還是郊區(qū)，上海市近60年來(lái)Rx1d和Rx5d均處于增大趨勢(shì)當(dāng)中，城鎮(zhèn)化使得城區(qū)和郊區(qū)極值降雨量級(jí)增大，也使得1996年以后城郊極值降雨年際變化趨勢(shì)之間的差異減小。

(2)Rx1d和Rx5d的多尺度周期規(guī)律均受城鎮(zhèn)化推進(jìn)影響，城鎮(zhèn)化對(duì)Rx1d的影響要顯著強(qiáng)于Rx5d，且影響主要集中在20 a以上的長(zhǎng)尺度周期。城鎮(zhèn)化會(huì)顯著削弱Rx1d的多尺度周期規(guī)律，但對(duì)Rx5d的影響十分有限。此外，城鎮(zhèn)化使得寶山站的20～25 a的長(zhǎng)尺度周期演化為兩類周期尺度。其中，一類尺度增長(zhǎng)到25 a以上，且作用效果增強(qiáng)，成為1990年以后的主導(dǎo)周期尺度；另一類尺度減短到15～20 a，作用效果不斷減弱。