朱占云 陳光宇 潘婭英 張玨 王亞男

(1.浙江省氣象服務中心，浙江 杭州 310017；2.杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

0 引 言

緊水灘流域地處浙江省西南部山區(qū)，河流西南至東北走向，穿越峽谷，河道坡降在上游較大，下游較緩。流域徑流主要由降水形成，洪水全部由暴雨產生，河道坡降陡，河槽調蓄能力低，集流迅速，洪水猛漲猛落[1-2]。從氣候角度看，緊水灘流域屬于亞熱帶季風氣候，3—4月冷暖空氣常在此交綏，造成連綿細雨，為春雨期[3]；5—9月為汛期[4-5]，其中5—6月為梅汛期，降水主要受西風帶梅雨鋒擺動、低渦、切變線或西北太平洋副熱帶高壓邊緣影響，多連陰雨或區(qū)域性大暴雨過程，7—9月為臺汛期，降水主要由東風帶中的熱帶氣旋、東風波等天氣系統引發(fā)，降水強度大，歷時短[6]，且時空分布不均。

流域面雨量是指一定區(qū)域內的實際平均降水量，能客觀地描述該區(qū)域實際降水資源狀況[7]，它作為洪水與水庫調度中非常重要的參數，是各級政府組織防汛抗洪和水庫調度等決策的重要依據，對流域面雨量進行氣候特征分析及實際業(yè)務預測，也是氣象部門拓展服務領域的新舉措。對于流域面雨量的估算，國內外學者進行了大量的研究，包括針對站點降水觀測資料的空間插值方法[8]以及基于雷達[9]和衛(wèi)星[10-11]進行的定量估計降水方法，流域面雨量的估算精度得到很大提高，這使得面雨量的業(yè)務化預報成為可能[12-14]。隨著觀測資料的累積，掌握緊水灘流域多年面雨量的時空變化規(guī)律，是提高緊水灘流域面雨量預報水平，規(guī)劃長遠防災減災戰(zhàn)略的一項重要工作[7]。本文旨在利用緊水灘水庫相關部門提供的長時間序列降水數據，通過分析緊水灘流域多年面雨量時空分布特征，從而為指導業(yè)務人員更好地開展水庫氣象服務工作提供科學依據，為更有效地提高浙江省流域防汛抗旱和水資源調度氣象服務能力提供決策參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

緊水灘水電站(圖1所示)壩址以上設有13個雨量(水位)觀測報汛站(小梅、源底、官浦垟、壇湖、上錦、龍泉、上東、大白岸、安仁、緊水灘、崇頭、石塘、竹坑)，采用自動測報系統與人工報汛相結合的方法收集流域水雨情，從而確保了基礎資料的可靠性，各雨量站控制面積按泰森多邊形法則進行劃分計算。

研究資料包括1986年1月1日—2017年12月31日緊水灘流域逐日面雨量資料，序列長度為32 a，以及1952年1月—2017年12月緊水灘流域逐月面雨量資料，序列長度為66 a。

圖1 浙江省緊水灘、新安江等6大水庫流域分布圖

1.2 研究方法

1.2.1 流域面雨量計算方法

面雨量定義為由各個點雨量推求出的平均降雨量，最常用的推求方法有網格插值法、格點法、等雨量線法、算術平均法、泰森多邊形法等[15-17]。文中計算緊水灘流域面雨量采用的是泰森多邊形法(Thiessen Polygons)。其方法首先通過連接相鄰雨量站點，把區(qū)域劃分為大量的銳角三角形，接著在三角形的每一邊作垂直平分線，每一站點周圍的相互的垂直平分線形成一個多邊形，計算該多邊形面積與流域面積之比，作為該站點相對整個流域的雨量權重系數，最后用各站點雨量與其所占面積權重相乘后累加即得該流域面雨量值，計算公式如下：

(1)

1.2.2 線性傾向估計

用一元線性回歸擬合觀測要素的時間序列和氣候變量的關系。計算公式如下：

X(i)=a+bx(i)。

(2)

式(2)中：x(i)表示第i年的氣候變量，b稱為氣候變量的傾向率，即變量的變化趨勢，其正負說明變化趨勢的方向，值為正表示增多，值為負表示減少。

2 結果分析

2.1 面雨量年際變化特征

圖2為緊水灘流域1952—2017年年面雨量及其距平百分率的歷年變化。總體來看，20世紀90年代以前存在約6～10 a的豐(水期)枯(水期)交替特征，表現為：1952—1962年多雨，1963—1968年少雨，1969—1977年多雨，1978—1986年少雨。90年代到2000年初豐(水期)枯(水期)交替出現的時間縮短，以2～4 a交替為主。2003年至今豐(水期)枯(水期)交替周期恢復為6～10 a。利用功率譜分析發(fā)現(圖3所示)，緊水灘流域年降水功率譜曲線中有兩個峰值，分別對應3.6 a和8 a，且均通過95%的噪音譜檢驗，所以緊水灘年降水在年際尺度上存在明顯的2～4 a和6～10 a周期振蕩。

圖2 緊水灘流域1952—2017年年面雨量及其距平百分率的歷年變化

通過降水序列的10 a滑動平均可以看出降水在年代際尺度上的變化特征(圖2黑色實線)，20世紀50年代、90年代和21世紀10年代，表現為明顯偏多狀態(tài)，分別比平均水平偏多10.3%、6.1%和15.2%。20世紀70年代到80年代和21世紀初降水量為負距平，其中70—80年代降水偏少程度明顯，比平均水平偏少7.2%，尤其1978—1986年年均降水量僅1613 mm，比平均偏少183 mm(約10%)，一元線性回歸分析顯示，流域年降水量略呈下降趨勢(灰色虛線)。

圖3 緊水灘流域年降水量功率譜曲線圖

用降水距平百分率來衡量旱澇的發(fā)生發(fā)展情況，定義降水量距平百分率≤-25%為旱，降水量距平百分率≥25%為澇[18]。圖2可以看出(黑色柱狀序列)，66 a來緊水灘流域旱澇年份近于持平，達到干旱指標的有7 a，多集中在20世紀70—80年代和21世紀初，其中1978年干旱程度最明顯，降水距平百分率達-34%。達到水澇指標的有9 a，多集中在20世紀50年代和21世紀10年代，其中2010年的降水距平百分率高達47%，是流域自有氣象記錄以來降水量最多的一年。

2.2 面雨量月際變化特征

緊水灘流域春、夏季的3—8月各月月均面雨量都在150 mm以上(圖4實線序列)，為流域的多雨季，遠高于其它月份，多雨季常年平均雨量達1323 mm，占全年的74%。秋、冬季的9月至次年2月為少雨季，總雨量占全年的26%。此外，緊水灘流域梅汛期(5、6月)面雨量高出臺汛期(7、8、9月)47%，這是因為梅汛期流域內持續(xù)性降雨并多區(qū)域性大到暴雨過程，而臺汛期多晴熱高溫天氣，雖偶爾年份受到熱帶氣旋影響帶來大降水過程，但此類降水影響時間短，且年際變化大，在歷年平均下對年降水總量的貢獻不顯著[6、19]。

對66 a流域各月的降水距平百分率做一元線性回歸分析，得到緊水灘流域1—12月份各月面雨量的線性傾斜率(圖4柱狀序列)。在季節(jié)轉換的5月(春季向夏季轉換)和9月(夏季向秋季轉換)的降水減少趨勢較明顯，其中，5月降水傾斜率-0.72%(相關系數為-0.32，通過了0.01的顯著性水平檢驗)，相當于每10 a減少20 mm；9月降水傾斜率-0.73%(相關系數為-0.25，通過了0.05的顯著性水平檢驗)，相當于每10 a減少8 mm。11月和12月的增加趨勢較明顯，其中，11月降水傾斜率1.24%(相關系數為0.28，通過了0.05的顯著性水平檢驗)，相當于每10 a增加8 mm。按不同季節(jié)來看，春季降水總體減少趨勢明顯，降水傾斜率-0.3%(相關系數為-0.25，通過了0.05的顯著性水平檢驗)，相當于每10 a減少21 mm；其他季節(jié)降水增減趨勢不明顯。

圖4 1952—2017年平均的1—12月份緊水灘水庫流域面雨量及其距平百分率線性的傾斜率

2.3 不同量級面雨量分布特征

在以上研究的基礎上，本文利用近32 a緊水灘流域逐日降水資料，并參考我國江河面雨量等級劃分標準[20](小雨(0.1～5.9 mm)、中雨(6.0～14.9 mm)、大雨(15.0～29.9 mm)、暴雨(30.0～49.9 mm)、大暴雨(≥50.0 mm))統計分析1986—2017年流域不同量級降水日數及降水量的分布情況，發(fā)現32 a來流域年均雨日為195 d，其中小雨日114 d，占總雨日的58%，中雨日數占22%，大雨日數占13%，暴雨及以上量級雨日占7%。從降水量來看，緊水灘流域年均面雨量1805.6 mm，其中小雨占9.2%，中雨占12.7%，大雨占24.4%，暴雨及以上量級占53.8%。

表1給出1986—2017年緊水灘流域不同量級降水日數在各個月份的分布情況。從各月雨日來看，3—8月份雨日居多，最多的8月平均雨日達23.1 d，6月為21 d，最少的10月和12月的雨日不足10 d。

從不同量級降水在各月的分布情況看，小雨和中雨量級降水多出現在7、8、9月，降水日數約占全年的32%，這是因為7—9月受副熱帶高壓控制，為高溫少雨期，這一時期的降水主要為對流雨或臺風雨，對流雨發(fā)生頻次高，但發(fā)生發(fā)展迅速，局地性強[21-23]，一般不形成大范圍降雨，因而累積面雨量比較小，臺風雨則出現頻次較低。大雨及以上量級降水多出現在4、5、6月，降水日數約占全年的49%，其中，4—6月出現暴雨及以上降水日數占全年59%。這是由于5—6月份處于梅汛期，西南暖濕氣流充沛，暴雨迭見，其降雨量在夏季降水中占較大比重，是汛期預報的重點[24-27]，3—4月則是春雨期，多連綿細雨[3，27]。

表1 1986—2017年緊水灘流域各月不同量級的降水日數統計總天數 d

2.4 流域暴雨的年際變化特征

我們知道，流域強降水是水庫防汛調度的關鍵。由于緊水灘流域面積不大，研究中定義該流域日面雨量大于等于30 mm為流域暴雨。由表1可知，緊水灘流域1986—2017年暴雨日數共432 d，年均13.5 d，其中2010年達26 d，為近30 a來最多，1991年僅為4 d，為近30 a來最少。

圖5分析了緊水灘流域1986—2017年暴雨日數圖5a和降水量圖5b的年變化，可見在2000年以前，緊水灘流域暴雨日數和降水量隨年份變化較大，1986、1991、1996和2000年暴雨日數不足10 d，暴雨日累計雨量小于500 mm；1995年和1998年暴雨日數均在20 d以上，累計雨量大于1000 mm。2000年以后，暴雨日數和累計雨量序列均呈穩(wěn)定上升趨勢，尤其2010年以后，大于等于30 mm的降水日數均在10 d以上，累計雨量也都在500 mm以上。這與林建等[28]的研究結果相一致，即21世紀以來南方地區(qū)暴雨過程明顯增多，且以短持續(xù)性、強降水過程為主。

從暴雨日數和累計降水量的變化趨勢上看，兩者均呈上升趨勢，線性傾斜率分別為0.12和5.7(均通過0.1的顯著性水平檢驗)，即每10 a分別增加1.2 d和57 mm。對累計雨量做5 a平滑，發(fā)現在上升趨勢中還存在一個15～20 a的震蕩，1992—1999年流域暴雨明顯偏多，期間年均累計雨量741 mm，較32 a均值(648 mm)偏多近14%，2000—2005年明顯偏少，年均累計雨量526 mm，偏少19%。

圖5 緊水灘流域1986—2017年日雨量≥30 mm的雨日數(a)，累計降水量(b)的年變化序列

2.5 3 d以上集中強降水特征

根據盧珊等研究成果，定義水庫流域連續(xù)3 d以上日雨量大于等于20 mm的連續(xù)降水過程為集中強降水過程。表2統計了1986—2017年緊水灘流域集中強降水過程的各參量，32 a來共出現39次集中強降水過程，共134 d。從各月分布來看，除了1月、2月和10月外，其它月份均有出現，其中6月最多，共20次(累計72d)，占所有集中強降水過程的50%以上，6月平均過程雨量(186.8 mm)也遠高于其它月份。此外，近32 a共有兩次出現持續(xù)6 d的強降水過程，一次發(fā)生在1998年6月16—21日，過程雨量387 mm，另外一次是2010年6月16—21日，過程雨量達392 mm，這兩年也是前文提到30 a來典型偏澇的年份。

除6月外，集中強降水過程在4月出現6次(累計20 d)，7月出現4次(累計14 d)，過程雨量上看，7月的集中強降水平均過程雨量為124 mm(最大186 mm)，略高于4月的107 mm(最大153 mm)，是除6月以外集中強降水高發(fā)的兩個時段。這是因為4月緊水灘流域處于江南春雨季，江南春雨是以持續(xù)4 d及以上的連陰雨為主，主要發(fā)生在第13—27候(3、4月)[27]。據統計，32 a來浙江省有21次出梅日期在7月份，其中9次延伸到了7月中旬以后，受其影響，7月成為僅次于6、4月集中強降水高發(fā)的月份。

表2 1986—2017年緊水灘流域各月集中強降水過程參數的統計

圖6給出緊水灘流域1986—2017年集中強降水的年變化序列，可見在2002年以前，集中強降水發(fā)生頻次較高，除個別年份(1986、1991和1994年)，其它每年都會出現1～2次，最多的1988年出現了4次該類降水過程。相應的，該類降水過程造成的平均過程雨量在2002年以前呈逐年增大趨勢，尤其1995—2002年集中強降水連年出現的幾年里，每年的平均過程雨量一般在150～350 mm之間。2002年以后，集中強降水出現的頻次降低，基本間隔1～2 a出現，平均過程雨量也有所下降。

3 水庫流域氣象服務思考

目前浙江省氣象服務中心專業(yè)服務室主要承擔浙江省各大水庫的氣象服務工作，為更有效地提高浙江省水庫流域防汛抗旱和水資源調度氣象服務能力，更好地為用戶服務，專業(yè)服務室多次趕赴包括緊水灘在內的各大水庫流域開展調研，制作宣講報告，普及氣象知識，開展應用培訓，并在充分聽取用戶需求的基礎上開發(fā)了浙江省水文氣象服務平臺，為水庫用戶提供更加全面、科學的決策服務依據，積累了較為豐富的水庫氣象預報服務經驗。為進一步提升水文氣象服務的效益，為水庫用戶趨利避害，提質增效，可以著重做好以下幾方面工作。

3.1 加強氣象、水文部門信息資料匯集共享

目前氣象部門雖有高密度的氣象觀測網，但大部分區(qū)域站建成于2010年后，資料序列較短，而流域水文站自水庫建成后就開始布設，時間序列較長，積累了長序列觀測資料，可以研究其氣候變化特征。但受體制影響，這些監(jiān)測資料僅在水利部門內部使用，氣象部門獲取較少，氣象、水文信息匯集和共享渠道不暢，應用效率不高，而流域氣象、水文信息資料共享是做好流域監(jiān)測和預報服務工作的基礎，因此要加快兩部門信息資料共享進程，建立流域信息匯集和共享的機制和渠道，可以通過共同建設實時數據庫、資料存儲和發(fā)布系統，實現全省氣象觀測、預報和水文信息的快速傳輸，實現流域氣象、水文信息共享。

3.2 根據氣候特征，做好水庫年雨量的趨勢預報

影響年雨量的氣候因子有很多，且影響機制存在不確定性，為水庫年雨量的趨勢預報帶來了難度。因此在水庫年雨量的預報服務中，可以從各水庫雨量的氣候特征出發(fā)，如雨量的年際、月際變化特征，周期性特征，旱澇特點等，在客觀預報的基礎上作針對性的訂正，提高水庫年雨量預報的準確性。

3.3 把握關鍵時期，著重做好汛期水庫雨量預報服務

緊水灘流域多雨期(3—8月)雨量占全年的70%以上，是水庫氣象服務的關鍵期。入梅日、出梅日等重要時間點以及梅汛期雨量的預報準確與否，對水庫防洪削峰、保障人民生命財產安全具有重要意義，也是水庫產生直接經濟效益和社會效益的關鍵。梅汛期結束后進入晴熱高溫期，此時雨量明顯減少，短期、中期的晴熱高溫預報是水庫為保障居民供水和社會用電需求，安排發(fā)電供水的重要參考依據。因此做好水庫流域的汛期預報，是做好全年水庫氣象服務成敗的關鍵。

3.4 突出重點過程，做好集中降水的短期預報

梅汛期內或者臺風影響時集中強降水過程多，累積雨量大，經驗表明，梅汛期內強降水過程來臨前或臺風影響前的短期和中期雨量預報，是水庫決定提前加大流量進行滿負荷發(fā)電，留出必要庫容的重要依據，也是水庫爭取多蓄水、少棄水的關鍵性預報，對增加發(fā)電效益和減少水災經濟損失具有重大作用。

4 結 語

1)近66 a來緊水灘流域旱、澇年份相近，年降水量存在明顯的年代際和年際變化特征。在年際尺度上2～4 a周期振蕩顯著。在年代際尺度上，20世紀50年代、90年代和21世紀10年代，緊水灘年降水量偏多，20世紀70年代到80年代和21世紀初降水量偏少。流域年降水量呈下降趨勢，但不顯著，從各季節(jié)看，春季下降趨勢比較顯著，其余季節(jié)變化趨勢不明顯，春、夏季(3—8月)總降水占全年的七成以上，為該流域的多雨季，秋季和冬季為該流域的少雨季。

2)緊水灘流域年均有雨日數195 d，年總面雨量1806 mm，暴雨及以上量級雨日占7%，雨量占53.8%。降水分布集中，雨日主要集中在3—8月，小雨和中雨多出現在7、8、9月，大雨及以上量級降水多出現在4、5、6月，連續(xù)3 d以上的集中強降水32 a中累計出現39次，其中6月有20次。近32 a流域暴雨呈顯著增多趨勢，其中連續(xù)3 d以上集中強降水過程在2002年以前出現頻繁，尤其1995—2002年連年出現，2002年以后在強降水過程和雨量增多的背景下，連續(xù)3 d以上強降水過程及雨量有減少趨勢。

3)在水庫雨量預報服務過程中，應大力加強氣象、水文部門信息資料匯集共享，并突出預報重點，把握關鍵時段，分別做好水庫年雨量的趨勢預測、汛期多雨期預報和集中強降水過程的短期預報，為水庫流域趨利避害、提質增效保駕護航。