張潔祥,張雨鳳,李瓊芳,虞美秀,任錦亮,李鵬程,王凱燕

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098;3.河海大學國際河流研究所,江蘇南京 210098; 4.鹽城市水利勘測設(shè)計研究院,江蘇鹽城 224000)

1971—2010年上海市降水變化特征分析

張潔祥1,2,3,張雨鳳1,2,3,李瓊芳1,3,2,虞美秀1,2,3,任錦亮4,李鵬程1,2,3,王凱燕1,2,3

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098;3.河海大學國際河流研究所,江蘇南京 210098; 4.鹽城市水利勘測設(shè)計研究院,江蘇鹽城 224000)

基于1971—2010年上海市徐家匯站的日降雨資料,采用一元線性回歸法、Mann-Kendall法和小波分析等方法,對上海市40年來的年代際降水、年降水、汛期與非汛期降水的變化和周期變化特征進行研究和分析,并對降水的頻率特征和典型臺風期間的暴雨特征進行了分析。結(jié)果表明：上海市年代際降水、年降水、汛期與非汛期降水均呈增加趨勢；年降水和汛期降水的震蕩周期吻合,主周期均為8 a左右,汛期降水與年降水的變化趨勢相似性很大,說明汛期降水量較大程度地決定年降水量；非汛期降水主周期為4 a左右；小雨所占比例隨年代逐漸減少,而暴雨所占比例隨年代逐漸增多,臺風期間的暴雨雨量高度集中,強度大。

降水變化；頻率特征；暴雨特征；一元線性回歸法；Mann-Kendall檢驗法；小波分析；上海市

近一個世紀以來,中國年平均地表氣溫明顯增加,升溫幅度約為0.5～0.8℃,略高于全球氣溫的平均升幅[1]。在全球增暖背景下,許多學者對中國不同地區(qū)的降水變化特征進行了分析[2-7]。上海是我國最大的城市和經(jīng)濟中心,位于長江入?？谀习?屬副熱帶季風氣候。由于處于天氣系統(tǒng)過渡帶、中緯度過渡帶和海陸相過渡帶,受冷暖氣流的交替作用十分明顯,上海天氣情況比較復(fù)雜,災(zāi)害性天氣時有發(fā)生,每年汛期幾乎都會受到熱帶氣旋、暴雨的襲擊,而且臺風、暴雨、天文高潮等“三碰頭”、“兩碰頭”現(xiàn)象時有發(fā)生,如,2005年第9號臺風“麥莎”影響上海市期間,同時遭遇汛期第5次天文高潮,出現(xiàn)了臺風、暴雨、高潮“三碰頭”的局面,造成水位猛漲,市區(qū)大面積積水,內(nèi)澇嚴重,帶來了巨大損失[8]。筆者基于上海市徐家匯站1971—2010年的日降水量數(shù)據(jù),對上海市40年來的年代際降水、年降水、汛期(5—10月)與非汛期(11—次年4月)降水的變化和周期變化特征進行研究,并對降水的頻率特征和典型臺風期間的暴雨特征進行分析,以揭示上海市降水的變化特點。

1 資料和方法

選取上海市徐家匯雨量站(31.2°N,121.4°E) 1971—2010年逐日降水量數(shù)據(jù),分析上海市40年間降水的變化特征。文中的雨日指1 d內(nèi)只要有降水(降水量大于等于0.1 mm,包括“微量”),當日即被計算為雨日。對于降水強度,按照我國常用的分級標準[9],分別定義24 h降水量小于10 mm為小雨、10～25 mm為中雨、25～50 mm為大雨、50～100 mm為暴雨,100～200 mm為大暴雨、大于200 mm為特大暴雨。對于降水頻率,本文計算的是日降水頻率,采用水文學方法計算。研究主要采用線性傾向估計法[10]、Mann-Kendall趨勢分析法[11]和小波分析法[12]。

2 結(jié)果分析

2.1 年降水量特征分析

圖1為上海市1971—2010年年降水量變化圖。由圖1可看出：上海市年降水量總體上呈明顯上升趨勢,線性傾向估計增幅每10年73.8 mm,M-K統(tǒng)計量為1.99,通過置信水平為95%的顯著性檢驗,上升趨勢顯著。由年代際均值可以看出：20世紀80年代年降水量比20世紀70年代顯著增加,90年代也有增加但沒有80年代明顯,2000年代增加且高于任何一個年代。上海市年降水量總體上呈顯著上升趨勢。

圖1 1971—2010年上海市年降水量變化情況

上海市多年平均降水量為1 222.8 mm,其中1999年為罕見的暴雨年,降水量為1 793.7 mm,降水主要集中在當年的6月,該月降水量達725.5 mm。最旱年份發(fā)生在1978年,降水量為771.1 mm,最小年降水量是多年平均降水量的63%,年際間變化劇烈。降水有明顯的季節(jié)性差異,夏季降水量占降水總量的42.9%,其他季節(jié)降水量僅占降水總量的57.1%。

圖2為上海市年降水量小波周期分析實部圖和方差圖。圖中信號的強弱通過小波系數(shù)的大小表示,等值線為正的用實線表示,代表降水量偏多;等值線為負的用虛線表示,代表降水量偏少。由圖2 (a)可見,上海市年降水量主要存在2個時間尺度的波動變化,在8～9a時間尺度上,周期震蕩非常明顯,而且直到2010年等值線未閉合,說明未來一段時間內(nèi)年降水將繼續(xù)偏多。此外還存在時間尺度為2～3a左右的小尺度波動變化。圖2(b)中年降水量小波方差圖有3個峰值,分別對應(yīng)時間尺度8 a、9 a和3 a。鑒于8 a和9a兩個峰值比較相似,說明主振蕩周期約在8～9 a。

2.2 汛期和非汛期降水的變化特征

2.2.1 汛期降水的變化特征

上海市全年降水在年內(nèi)分配上汛期、枯期差異顯著,根據(jù)1971—2010年降水資料統(tǒng)計,汛期多年平均降水日數(shù)為69d,占全年降水日數(shù)的53.5%,降水量約為822.4 mm,占全年降水量的67.3%,而枯期降水量只占32.7%。上海市的汛期也是大雨和暴雨的多發(fā)時段,全年幾乎所有的大雨和暴雨都集中在汛期。統(tǒng)計上海市徐家匯雨量站1971—2010年日降水量數(shù)據(jù)可知,1971—2010年,上海市共發(fā)生18次大暴雨和1次特大暴雨,幾乎全部出現(xiàn)汛期,因此汛期的安全保障工作是全年防汛的重中之重。圖3為上海市1971—2010年汛期降水量變化圖。從其中的年代際均值可以看出,20世紀80年代汛期降水量比70年代顯著增加,90年代稍有增加但沒有80年代明顯,2000年代比90年代略有下降,但是仍高于70年代和80年代。可見,汛期降水量總體上呈微弱上升趨勢。上海市汛期降水總體上呈上升趨勢,線性傾向估計增幅為每10 a 40.9 mm, M-K統(tǒng)計量為1.13,未通過顯著性檢驗,上升趨勢不顯著。

圖2 上海市年降水量小波變換及方差

圖3 1971—2010年上海市汛期降水量變化

圖4 是1971—2010年上海市汛期降水日數(shù)的變化圖。由圖3和圖4可知：汛期降水總量和降水總?cè)諗?shù)呈現(xiàn)出相反的變化,降水總量處于增加趨勢,而降水日數(shù)則表現(xiàn)為減少趨勢。表明隨著時間的增加,更多的降水集中于較少的雨日上,即汛期降水更為集中。故近年來,上海市除增暖的氣候變化特征[13]外,還表現(xiàn)為汛期降水更為集中,降水強度增強的特征。

圖4 1971—2010年上海市汛期降水日數(shù)變化

圖5 為上海市汛期降水量小波周期分析實部圖和方差圖。通過圖5可以看到汛期降水量序列主要存在兩個時間尺度的波動變化,主周期為8 a左右,此外還存在時間尺度為3 a左右的小尺度波動變化。

圖5 上海市汛期降水量小波變換及方差

為分析年降水變化與汛期降水變化的關(guān)系,分別比較汛期降水量小波方差圖與年降水量小波方差圖,以尋找規(guī)律性。可知,年降水震蕩周期與汛期降水震蕩周期完全吻合,汛期降水與年降水的變化趨勢相似性很大。汛期平均降雨量822 mm,多年平均降雨量1222mm,故汛期降雨量占年降雨量的68%。從而表明汛期降水的變化很大程度上決定年降水變化,年降水周期與汛期降水周期間具有相關(guān)性。

2.2.2 非汛期降水的變化特征

圖6為1971—2010年上海市非汛期降水量變化圖。由非汛期的降水年代際均值可以看出：20世紀80年代非汛期降水量比70年代略有下降,90年代明顯增加且高出80年代許多,2000年代明顯增加且遠遠高于任何一個年代。所以非汛期降水總體上呈顯著上升趨勢。由圖6可看出,上海市非汛期降水總體上呈明顯上升趨勢,非汛期降水線性傾向估計增幅為每10 a 31.4 mm,M-K統(tǒng)計量為2.00,通過置信度為95%的顯著性檢驗,上升趨勢顯著。

圖6 1971—2010年上海市非汛期降水量變化

圖7 上海市非汛期降水量小波變化及方差

圖7 為上海市非汛期降水量小波周期分析實部圖和方差圖。通過圖7可以看到非汛期降水量序列主要存在兩個時間尺度的波動變化,主周期為4 a左右,此外還存在時間尺度為11a左右的波動變化。

2.3 頻率分析

圖8為1971—2010年上海市逐日降水量頻率曲線圖。由圖8可知：1971—2010年間,上海市65%為無雨天氣,35%為有雨天氣。降雨量小于10 mm的天氣占25%。中雨及以上降雨等級所占比例為10%。其中中雨為7%,大雨為3%,暴雨為1%。由圖9可知,從20世紀70年代到2000年代,降雨類型基本上以小雨為主,中雨次之,暴雨發(fā)生頻率最少。在2000年代,大雨類型降雨比以往明顯增加。從表1可以看出：20世紀70年代到2000年代,小雨類型降雨所占比例隨年代逐漸減少,中雨和大雨類型降雨所占比例隨年代是波動變化的趨勢,而1980年代、1990年代和2000年代暴雨頻率均比1970年代增加。暴雨類型降雨頻率的增加,為以后上海市的防汛提供了壓力。

圖8 1971—2010年上海市逐日降水量頻率曲線

圖9 1971—2010年上海市日降水量頻率

表1 上海市降雨類型年代際頻率變化%

2.4 典型臺風期間暴雨特征分析

上海市是我國受臺風影響嚴重的城市之一,平均每年有2～3次臺風影響,臺風往往伴隨暴雨。而由典型臺風造成的暴雨,一般雨量較大,降水集中,對上海造成嚴重的洪災(zāi)。分析典型臺風期間的暴雨特征,可以為上海市局部暴雨的防洪減災(zāi)工作提供決策依據(jù)。本研究分別選擇上海市歷史上規(guī)模大、破壞力強的8506號、9015號、9116號、9711號、0108號以及0509號等典型臺風,對其期間的暴雨特征進行統(tǒng)計分析(表2)。由典型臺風的起止時間可以知道,臺風歷時除了0108號其他基本上均在1周左右。每場臺風的最大1 d降水量均達到暴雨級別。最大1 d降水量最大的0108號臺風,竟達到278.0mm,為特大暴雨級別,即為上海市歷史上著名的“8.5”特大暴雨,2001年8月5日下午起至8月6日上午,上海市電閃雷鳴、暴雨如注,數(shù)萬戶居民進水[14]。除了9711號臺風最大3 d降水量所占比例沒有達到100%外,其他場次臺風降水均在3 d內(nèi)結(jié)束。說明臺風期間降水十分集中,易形成局部洪澇災(zāi)害。

分別繪制每場臺風的降水強度歷時曲線(圖10)并分析臺風期間暴雨特性的變化。由圖10可以看到,降雨強度最大的是0108號臺風,0509號臺風次之,降雨強度最小的是9711號臺風。每場臺風降水強度基本上均在3 d之內(nèi)就從最大值減少至最小值,3 d之后減小速度變化很緩慢。說明臺風期間暴雨的雨量高度集中、強度大。這進一步說明了臺風期間降水的危害性。

表2 典型臺風期間暴雨特征統(tǒng)計

圖10 上海市典型臺風期間降雨強度歷時曲線

3 結(jié) 論

a.在1971—2010年間,上海市年降水量呈增加趨勢。降水季節(jié)性差異顯著,主要集中在夏季。上海市年降水主振蕩周期約在8～9 a之間,且未來一段時間內(nèi)年降水將處于偏多時期。

b.上海市汛期和非汛期降水均呈增加趨勢。汛期的降水日數(shù)和降水量都遠高于其他月份,降水日數(shù)占全年降水日數(shù)的53.5%,降水量占全年降水量的67.3%。汛期降水主周期為8 a左右。汛期降水和年降水變化趨勢具有較大相似性,不同時間尺度的周期特征之間有不同程度的吻合,說明汛期降水量較大程度地決定了年降水量。并且歷史上上海市大部分極端強降水天氣都集中在汛期。非汛期降水主周期為4 a左右。

c.在1971—2010年間,上海市大部分降雨天氣為小雨天氣,暴雨發(fā)生的頻率小。但是小雨頻率隨年代際基本上逐漸減少,而暴雨頻率則隨年代際呈上升趨勢,說明在未來一段時間內(nèi),上海市的降水強度會呈現(xiàn)增強趨勢。典型臺風期間的暴雨雨量高度集中,強度大。

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Analysis of precipitation variation characteristics in Shanghai City over period from 1971 to 2010 ZHANG Jiexiang1,2,3,ZHANG Yufeng1,2,3,LI Qiongfang1,3,2,YU Meixiu1,2,3,REN Jinliang4, LI Pengcheng1,2,3,WANG Kaiyan1,2,3

(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing 210098,China 2.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China; 3.Institute of International Rivers Research Academy,Hohai University,Nanjing 210098,China; 4.Yancheng Survey and Design Institute of Water Resources,Yancheng 224000,China)

Based on daily precipitation data at Xujiahui Station during the period from 1971 to 2010,the characteristics of precipitation in Shanghai City over the past 40 years were analyzed using methods including the linear regression analysis method,Mann-Kendall testing,and wavelet analysis.The variations of inter-decadal precipitation,annual precipitation,and precipitation in flood and non-flood seasons were studied,and the characteristics of precipitation frequency and rainstorms during typical typhoons were analyzed.The results show that the inter-decadal precipitation,annual precipitation,and precipitation in flood and non-flood seasons all have an increasing trend.There is a principal periodic oscillation of eight years for the annual precipitation and flood season precipitation.The variation trend of the flood season precipitation is similar to that of the annual precipitation,indicating that the flood season precipitation dominates the annual precipitation to a great extent.The non-flood season precipitation has a principal period of four years.The percentage of light precipitation gradually decreases over decades,while that of rainstorms gradually increases over decades.During the typhoons,the rainstorm was highly concentrated,with greater intensity.

precipitation variation;Mann-Kendall test;wavelet analysis;frequency analysis;typhoon rainstorm; Shanghai City

20131216 編輯：彭桃英)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.010

國家自然科學基金(41171220);國家科技支撐計劃課題(2012BAB03B03);水利部公益行業(yè)科研專項(201001069,201101052)

張潔祥(1991—),女,碩士研究生,研究方向為水文水資源。E-mail：xiang20080520127@163.com

李瓊芳,教授。E-mail：qfli@hhu.edu.cn

P457.6

A

10046933(2014)04004706