1973—2021年南京地區不同等級降水時空變化特征

湛忠宇 嚴 鋒 姜紅梅

(江蘇省水文水資源勘測局南京分局,江蘇 南京 211500)

由于全球氣候變化和人類活動的雙重因素影響,導致水循環系統產生一定的變化,大氣降水作為水循環過程的主要驅動因素,深入了解其結構變化特征對于探索區域水循環的變異規律有著重要意義。諸多學者圍繞不同降水歷時的降水變化規律進行了有益探索,而不同等級降水因其劃分方便使用有效,近年來受到廣泛關注[1-2]。已有學者對北京地區[3]、太湖流域[4]、海河流域[5]、贛江流域[6]等區域不同等級降水的變化進行了研究。結果表明:不同等級降水的降水量、降水天數、降水強度在時空分布上存在著明顯差異。

南京市地處長江下游,屬亞熱帶季風氣候,降水的變化是造成災害性天氣頻發的重要因素。因此,分析南京地區降水變化規律對于防御旱澇風險有著重要意義。已有涉及南京地區降水變化的文獻較多,大致分為:?針對降水的基礎性研究,主要是通過數理統計分析年尺度降水特征,研究表明南京地區年降水量存在增加趨勢,周期變化明顯[7-8];?從對暴雨的研究結果來看,主要表現為不同歷時年最大降水量總體呈現增大趨勢,短歷時、高強度的暴雨頻次呈現增加趨勢,主城區變化趨勢顯著[9];?試圖通過數理統計方法或模型,分析某一特定時期降水或異常降水事件的影響因素[10]。

綜上所述,雖然已有的研究中關于南京地區降水變化探討較多,但系統、全面闡述該區域不同等級降水的文獻仍較少見。鑒于此,本文利用南京地區7個雨量站點1973—2021年逐日降水數據,分析了南京地區不同等級降水量、降水天數及降水強度的時空變化特征,以期為提高城市適應氣候變化能力提供科學依據。

1 數據來源及研究方法

考慮到行政區不同,本研究選用南京站、東山站、曉橋站、江寧鎮站、六合站、天生橋閘站和高淳站共7個雨量站1973—2021年日降水數據。根據采用的降水數據特點,定義8∶00至次日8∶00降水量不低于0.1mm為1個降水日。參考國家標準《降水量等級》(GB/T 28592—2012),將日降水量劃分為小雨(0.1～9.9mm)、中雨(10.0～24.9mm)、大雨(25.0～49.9mm)和暴雨(≥50.0mm)共4個等級。定義南京地區降水量、降水天數及降水強度分別為7個雨量站測定的降水量、降水天數及計算降水強度平均值。

采用氣候傾向率法分析降水量、降水天數、降水強度等降水指標趨勢,運用Mann-Kendall法檢驗趨勢變化顯著性和不同等級降水指標的突變情況,選定顯著性水平α=0.05,其對應臨界值為1.96。此外,利用反距離權重插值法對降水數據進行空間插值,并根據插值結果分析南京地區降水的空間特征。

2 結果與分析

2.1 時間變化分析

2.1.1 不同等級降水年際變化

利用南京地區7個雨量站降水數據,計算研究區年降水量、降水天數和降水強度距平百分率,繪制出年降水量、降水天數、降水強度距平百分率年際變化曲線。

由圖1(a)～(e)可以看出,年降水量距平百分率傾向率為0.04%/10a,表明南京地區年降水量呈不顯著上升趨勢,結論與尹婭婷[7]、王曉瑩等[8]的研究結果一致,除小雨降水量以外,其余各等級降水量均呈增加趨勢,暴雨量變化趨勢顯著;由圖1(f)～(j)可以看出,年降水天數距平百分率降幅為-0.009%/10a,趨勢不顯著,不同等級降水天數與其對應的降水量趨勢一致,小雨天數以0.027%/10a速度下降,趨勢顯著;由圖1(k)～(o)可以看出,受年降水量增加和年降水天數減少影響,南京地區年降水強度距平百分率增幅為0.05%/10a,上升趨勢顯著,受小雨降水天數減少影響,小雨強度上升趨勢顯著。

圖1 不同等級年降水量、降水天數、降水強度距平百分率年際變化

2.1.2 不同等級降水突變分析

使用Mann-Kendall突變檢驗進行突變分析,監測突變點,表1和圖2列出了不同等級降水指標M-K檢驗成果。暴雨量UF和UB在2010年相交,且交點在置信區間內,是突變點,突變前后的多年平均年暴雨量分別為239.4mm、344.1mm。中雨天數UF和UB在2020年有交點,在置信區間內,是突變點。年降水強度UF和UB在2013年相交,且交點在置信區間內,是突變點,突變前后的多年平均降雨強度分別為9.5mm/d、10.9mm/d,突變明顯。年降水量、中雨量、暴雨強度、小雨強度、暴雨天數在2013年以后反復出現上升與下降的轉折變化,波動性強。從圖2可以看出,年降水量年際變化與年降水強度關系比與降水天數的關系更為密切,而中雨及以上等級降水量年際變化與降雨天數關系比與降雨強度的關系更為密切。

圖2 不同等級降水量、降水天數和降水強度突變檢驗

受氣候變化和人類活動影響,近10年南京地區降水量和降水強度明顯增加,尤其是短歷時強降水頻發,更易引發流域及區域洪水,2015年、2016年秦淮河流域先后發生超歷史洪水,2020年滁河流域多個水文站點水位為有觀測記錄以來歷史極值,曉橋水文站實測流量排名第一。

2.2 空間變化分析

2.2.1 不同等級降水均值空間分布

采用反距離權重插值法對7個雨量站點的降水量、降水強度、降水天數進行插值,得到各指標的空間分布情況。

從圖3(a)～(e)所示的各級別降水量可見,南京市年平均降水量大致呈“南多北少”的帶狀分布,年降水量為1045.5～1238.8mm。小雨與中雨降水量空間分布相似,降水高值出現在南部高淳站、天生橋閘站,六合站、曉橋站較少,大雨降水量分布呈現“南部>北部>中部”的特點,暴雨降水量空間分布最為特殊,呈現“東多西少,臨水區大,遠水區小”的特點,城區南京站年平均暴雨量最大,可達288mm以上,這可能與城市雨島效應有關,與杜堯等[9]研究結論基本一致。

從圖3(f)～(j)所示的各級別降水天數可見,年降水天數空間分布與年降水量相似,各站年降水天數為104.9～124.8d。小雨天數、中雨天數和大雨天數分布與其相應等級降水量分布基本一致,暴雨天數空間總體相差不大,為3.1～3.4d。

從圖3(k)～(o)所示的各級別降水強度可以看出,年降水強度分布與年降水量、降水天數明顯不同,高值位于南京站和六合站,曉橋站最小。江寧鎮小雨強度最大,曉橋站小雨強度最小;中雨強度空間差異較小,強度為15.51～15.80mm/a;大雨強度呈現南北高中間低、北部高于南部的空間格局;暴雨強度則與暴雨量分布空間規律一致。

2.2.2 不同等級降水年際變化空間分布

圖4顯示了1973—2021年南京市不同等級降水量變化趨勢的空間分布情況。整個區域年降水量呈上升趨勢,變化格局為中間增幅大兩側增幅小,北側大于南側,天生橋閘增加趨勢達到0.05顯著性水平,變幅為78.92mm/10a。小雨量變化從東向西表現為“下降+上升+下降”相間分布,以南京市、江寧鎮為中心呈增加趨勢,變幅為1.66～3.30mm/10a;整個區域中雨量呈現不同程度的增加趨勢,變化速率表現為中間低兩側高的空間格局,高值區位于天生橋閘,增加趨勢達到0.05顯著性水平,江寧鎮為低值區,變幅在1.50mm/10a;大雨量從南到北呈現“上升+下降+上升+下降”的分布格局,六合、江寧鎮呈下降趨勢,變幅為-1.69～4.74mm/10a;暴雨量變化呈現不同程度的上升趨勢,變化速率空間格局與年降水量相似,高值區位于天生橋閘,變幅為47.30mm/10a,江寧鎮增加趨勢也達到了0.05顯著性水平,高淳增幅較小,變化速率為10.10mm/10a。

圖4 不同等級降水量、天數、強度變化趨勢空間分布

年降水天數變化自西向東表現為“下降+上升+下降”相間分布,其中江寧鎮呈現不顯著的增加趨勢,變幅為1.96d/10a;天生橋閘降幅最小,為-0.04d/10a;高淳站減少趨勢達到0.05顯著性水平。小雨天數變化速率空間格局與年降水天數相似,除江寧鎮外,其他站點的減少趨勢都達到了0.05顯著性水平。中雨天數變化趨勢空間格局與其對應的降水量變化相一致,天生橋閘增加趨勢顯著。區域各站點大雨天數呈不顯著增加趨勢,其變化格局為東北、西南兩側增幅較大,中間相對較小。區域暴雨天數變化趨勢空間格局與其對應的降水量變化相一致,江寧鎮、天生橋閘增加趨勢達到了0.05顯著性水平。

除江寧鎮外,其他站點年降水強度顯著增強,高值區分別位于東部天生橋閘、西部曉橋,江寧鎮變幅較小,在0.164mm/(d·10a)。小雨強度存在空間差異,江寧鎮呈下降趨勢,除天生橋閘以外站點顯著增加;中雨強度變化從南到北表現為“下降+上升+下降+上升”相間分布;大雨強度從南到北大致表現為“上升+下降+上升”分布,江寧鎮顯著下降,高淳顯著上升;暴雨強度除高淳外,整體呈上升趨勢,其中六合、天生橋閘上升顯著,高值區位于南京站,增幅為5.158mm/(d·10a)。

2.3 不同等級降水貢獻率及發生率

對南京地區近49年平均降水量、平均降水天數、平均降水強度進行了統計。結果表明,南京地區年平均降水量為1120.0mm,平均降水天數為113.4d,平均降水強度為9.88mm/d。圖5為各站1973—2021年不同等級降水貢獻率與發生率,總體來看,不同等級降水貢獻率在各站數值較接近,中雨對多年平均降水量的貢獻率最多,其次是大雨、暴雨、小雨。各等級降水發生率在各站比較接近,不同等級降雨天數差異明顯,各等級降水發生率隨降水等級增加大致呈指數形式遞減。

由表2可以看出,49年來,南京地區年總降水量的變化受暴雨的影響較大,年總降水天數與不同等級降水天數的相關系數大小為:小雨>中雨>大雨>暴雨,說明小雨天數對年總降水天數的變化起主導作用;就年降水強度而言,其與中雨、大雨、暴雨的降水量、降水天數都呈現極顯著正相關,而中雨以上等級降水天數占比較小(圖5),對年降水天數影響有限。基于中雨以上等級降水量與降水天數呈顯著正相關關系,降水天數主要通過對應等級的降水量變化影響年降水強度。因此,南京地區近49年年降水強度的增強受暴雨量增加的影響較大。

表2 不同等級降水與年降水相關系數

3 結 語

1973—2021年,南京地區年降水量呈增加趨勢,小雨及以上等級降水量增加,年降水天數減少主要表現為小雨降水天數減少;暴雨量在2010年發生突變,年降水強度突變發生在2013年;空間分布上,降水量及降水天數整體呈南多北少分布,暴雨量及強度高值區主要分布在中部,天生橋閘暴雨量、降水天數、降水強度增加顯著。

本文基于數理統計方法對南京地區不同等級降水時空差異進行了探討,豐富了南京地區旱澇分析基礎研究,但是,不同等級降水的氣候變化過程機理和原因比較復雜,且具有很強的區域性,尚有待于在今后的工作中進一步探討和研究。