梁彩欣，張守平，李欣曈

(重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074)

受全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，全國(guó)各地呈現(xiàn)出不同的降雨趨勢(shì)。了解降雨變化的原因，分析影響降雨時(shí)長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度的主要因素，得出降雨特性的變化趨勢(shì)，對(duì)降雨預(yù)測(cè)，以及應(yīng)對(duì)極端氣候事件和洪澇災(zāi)害防治等有參考作用。眾多學(xué)者[1-8]基于長(zhǎng)系列日降雨數(shù)據(jù)，分析城市降水強(qiáng)度、降水頻率、降水結(jié)構(gòu)、暴雨日數(shù)的變化趨勢(shì)，對(duì)降雨特性分析、降水時(shí)間和空間分布特征、城市化對(duì)降雨特性影響等進(jìn)行了一系列研究，討論了未來(lái)降雨趨勢(shì)變化對(duì)該地干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)或防洪減汛風(fēng)險(xiǎn)的影響。盡管許多學(xué)者對(duì)于降雨趨勢(shì)變化影響的結(jié)果做出了一系列研究，但由于地區(qū)的差異性，不同地區(qū)的降雨趨勢(shì)截然不同。

中山市位于廣東省中南部，地形以平原為主，四周平坦，全市均在北回歸線以南，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛。市內(nèi)建有中順大圍以防御洪水與臺(tái)風(fēng)暴潮，但在熱島效應(yīng)、雨島效應(yīng)的影響下，加之市內(nèi)排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低，使得中山市每年汛期都出現(xiàn)“水浸”現(xiàn)象。本文選取中山市作為降雨變化的研究區(qū)域，以中山市1955—2014年60 a日降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，對(duì)中山市降雨量變化進(jìn)行分析，運(yùn)用滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall非參數(shù)秩次檢驗(yàn)法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、目估適線法等方法，從趨勢(shì)分析和結(jié)構(gòu)分析上對(duì)中山市降水特性演變規(guī)律進(jìn)行研究，為日后防澇減災(zāi)工作提供科學(xué)理論。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及分析方法

1.1 資料準(zhǔn)備

本文選取國(guó)家氣象站地面基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)，并篩選出位于中山市內(nèi)編號(hào)為59478、59488、59493的3個(gè)國(guó)家氣象站，提取站點(diǎn)1955—2014年60 a日降雨數(shù)據(jù)作為研究資料。

1.2 研究方法

滑動(dòng)平均法：可以通過(guò)增加滑動(dòng)長(zhǎng)度使得序列之間相關(guān)度增加，長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)顯現(xiàn)出變化趨勢(shì)。本文采用的是5 a滑動(dòng)平均法。

Mann-Kendall非參數(shù)秩次檢驗(yàn)法：可以客觀地表現(xiàn)樣本序列的整體變化趨勢(shì)，計(jì)算簡(jiǎn)便且不受異常值干擾。當(dāng)統(tǒng)計(jì)量Z值大于0時(shí)，表示原序列呈上升趨勢(shì)；否則為下降趨勢(shì)。其絕對(duì)值大于等于1.28和1.64分別表示通過(guò)了置信度為90%、95%的顯著性檢驗(yàn)[9]。

Mann-Kendall突變檢驗(yàn)：是在時(shí)間序列穩(wěn)定的前提下，設(shè)定原假設(shè)時(shí)間序列無(wú)變化，且要求序列獨(dú)立，隨機(jī)變量概率服從同一分布[10]。UF(k)服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，如果UF(k)大于零，表明系列有上升趨勢(shì)，如果UF(k)小于零，表明有下降趨勢(shì)。通過(guò)正序列UF(k)曲線和反序列UB(k)曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)位置，可確定序列突變點(diǎn)位置。

2 結(jié)果分析

2.1 降水趨勢(shì)分析

運(yùn)用5 a滑動(dòng)平均法和Mann-Kendall非參數(shù)秩次檢驗(yàn)法對(duì)中山市年降水量進(jìn)行趨勢(shì)分析，結(jié)果見(jiàn)圖1和表1所示。

根據(jù)圖1可知中山市年降水量處于波動(dòng)狀態(tài)，豐枯變化頻繁，年降水量最大值與最小值之比為2.73?；瑒?dòng)平均曲線波動(dòng)幅度大，總體呈上升趨勢(shì)。對(duì)中山市年降水量進(jìn)行M-K統(tǒng)計(jì)分析，由表1可知年降水量統(tǒng)計(jì)量值為1.30，通過(guò)保證率為90%的M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)，呈顯著上升趨勢(shì)，這與滑動(dòng)平均的檢驗(yàn)結(jié)果一致。

圖1 1955—2014中山市年降水量變化示意

表1 中山市年降水序列M-K統(tǒng)計(jì)

檢測(cè)項(xiàng)名稱 Z置信度90%臨界值趨勢(shì)性年降水量1.301.28顯著

對(duì)年降水量序列進(jìn)行M-K突變性分析得到圖2，圖2中若UF(k)和UB(k)的交點(diǎn)位于置信度線之間，則此點(diǎn)可能就是突變點(diǎn)的開(kāi)始，觀察可得UF(k)和UB(k)曲線于1959年和2012年有一個(gè)交叉點(diǎn)，說(shuō)明有較小程度的突變現(xiàn)象發(fā)生。在1962年、1974—1979年、1982年超過(guò)2.56臨界線，說(shuō)明中山市在這3 a的年降雨量顯著上升?？傮w而言，1955—2014年中山市年降雨量呈現(xiàn)出“減—增—減—增”平緩波動(dòng)的趨勢(shì)，但總體呈上升趨勢(shì)。

圖2 中山市年降水序列M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值U變化示意

降水量受降水日數(shù)及日平均降水強(qiáng)度共同影響[11]，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行趨勢(shì)性分析和突變性分析，可以探討中山市年降水量變化的主要影響因素，結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4和表2所示。

圖3 中山市年降水日數(shù)序列5 a滑動(dòng)平均過(guò)程線示意

圖3中年降雨日數(shù)波動(dòng)幅度較大，降水日數(shù)在1955—2000年間呈輕微上升趨勢(shì)，但在2000年后呈波動(dòng)幅度較大的下降趨勢(shì)，整體降雨日數(shù)呈輕微減少趨勢(shì)。圖4中滑動(dòng)平均曲線則呈顯著上升趨勢(shì)，表明日平均降水強(qiáng)度整體上上升趨勢(shì)明顯。由表2檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量可知，年降水天數(shù)未通過(guò)M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)，其統(tǒng)計(jì)量值接近0，表明年降水天數(shù)呈微弱減小趨勢(shì)。而日平均降雨強(qiáng)度通過(guò)保證率為95%的趨勢(shì)性檢驗(yàn)，表明日平均降雨強(qiáng)度呈顯著增加趨勢(shì)。綜上可分析得近 60 a 內(nèi)，中山市降水日數(shù)呈輕微下降趨勢(shì)，而降水強(qiáng)度顯著增加，從而年降雨量增加。

圖4 中山市降水強(qiáng)度序列5 a滑動(dòng)平均過(guò)程線示意

表2 中山市降水日數(shù)、降水強(qiáng)度M-K統(tǒng)計(jì)

檢測(cè)項(xiàng)名稱 Z置信度95%臨界值趨勢(shì)性年降水日數(shù)0.371.64不顯著日均降水強(qiáng)度1.971.64顯著

2.2 降水結(jié)構(gòu)分析

降水結(jié)構(gòu)分析能從微觀上解決宏觀狀況，更好地說(shuō)明降水結(jié)構(gòu)特征，分析區(qū)域降水結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)[12]，本文分別對(duì)長(zhǎng)系列年降雨組成、代表年降雨組成和不同強(qiáng)度降水組成進(jìn)行了分析。

2.2.1長(zhǎng)系列年降雨組成

日降雨特征分析則能夠反應(yīng)降雨頻率的組成占比，直觀展現(xiàn)不同等級(jí)降雨的貢獻(xiàn)率。將降雨分為小雨、中雨、大雨和暴雨等級(jí)進(jìn)行分析，其中當(dāng)日降雨量大于50 mm統(tǒng)稱為暴雨，根據(jù)對(duì)中山市日降雨量資料分析，1955—2014年間共有6 696 d降雨，最大降雨發(fā)生在2003年9月15日，降雨量達(dá)到了285.5 mm。對(duì)中山市60 a的日降雨資料進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，不同降雨等級(jí)所占比例見(jiàn)圖5所示。

根據(jù)圖5分析可知，小雨和中雨的降雨天數(shù)占總降雨天數(shù)的78.8%，即中山市的降雨主要還是以中小雨為主，但是從降雨量上看，雖然大雨和暴雨的降雨天數(shù)僅占總降雨天數(shù)的19%，但暴雨和大雨所占總降雨量比例超過(guò)50%，說(shuō)明中山的降雨總量主要還是由大雨和暴雨決定。大暴雨和特大暴雨在中山市也會(huì)發(fā)生，但是降雨天數(shù)占比少，說(shuō)明中山市防洪對(duì)象還是應(yīng)該以暴雨和大雨為主。

圖5 中山市不同降雨等級(jí)所占比例示意

2.2.2代表年降雨組成

根據(jù)中山市日降雨資料分析得，中山市年均降雨為1 881.3 mm。降雨量頻率計(jì)算分析采用目估適線法，水文頻率分布線型采用皮爾遜Ⅲ型，按照目估適線法的步驟進(jìn)行配線，其中，樣本均值為1 881.3，Cv值為0.194。選取最優(yōu)配線結(jié)果作為最后采用的理論頻率曲線，其中Cv值為0.18，倍比為3，Cs值為0.54。

根據(jù)適線結(jié)果，選取頻率為0.5%、25%、50%、75%左右的年份作為代表年，選取2016年、2012年、2010年、2007年，年降雨量分別為2 888.2 mm、2 102 mm、1 845.2 mm、1 568 mm。統(tǒng)計(jì)代表年內(nèi)不同降雨量等級(jí)的發(fā)生次數(shù)以及降雨量，不同代表年的降雨頻率占比見(jiàn)圖6所示。

圖6 中山市不同代表年的降雨頻率占比示意

從圖6可以看出，在豐水年、平水年和枯水年，小雨的降雨頻率大于50%，而暴雨以上的降雨事件占比小于10%，說(shuō)明在正常年份，中山市1 a內(nèi)的降雨等級(jí)主要還是以小雨為主。但對(duì)比發(fā)生頻率為0.5%的特豐水年，可以明顯看出小雨的降雨頻率僅為10.7%，暴雨以上的降雨事件占比高達(dá)43.2%，說(shuō)明特豐水年的降雨量主要是以暴雨及以上等級(jí)的降雨決定的。

2.2.3不同強(qiáng)度降水的變化

研究中將日降水量劃分為0.1～10 mm、10～25 mm、25～50 mm、>50 mm 4個(gè)量級(jí)，計(jì)算出降水頻率(%)與降水量百分比(%)，并對(duì)比分析降水頻率和降水百分比在不同量級(jí)的貢獻(xiàn)率，結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8所示。

圖7 中山市降水頻率變化曲線示意

圖8 中山市降水量百分比變化曲線示意

由圖7可分看出，各量級(jí)降水的降水頻率呈波動(dòng)性變化，0.1～10 mm、10～25 mm、25～50 mm、>50 mm 4個(gè)量級(jí)的降水頻率分別以63%、17%、11%、8%為均值上下波動(dòng)，0.1～10 mm量級(jí)波動(dòng)較大，最高達(dá)75.7%。由圖8可以看出，不同量級(jí)的降水量百分比波動(dòng)幅度較大，其中>50 mm量級(jí)的降水百分比整體呈上升趨勢(shì)，而0.1～10 mm量級(jí)的降水百分比則呈整體下降趨勢(shì)。暴雨雨量有較明顯的上升趨勢(shì)，降水潛力上升，降水結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

3 結(jié)論與建議

本文采用中山市近60 a長(zhǎng)序列年降雨量資料，從趨勢(shì)分析和結(jié)構(gòu)分析上對(duì)中山市降水特性演變規(guī)律進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

1) 中山市年降水量通過(guò)保證率為90%的M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)，呈顯著上升趨勢(shì)；對(duì)年降水量序列進(jìn)行M-K突變性分析，得到1955—2014年中有兩個(gè)突變點(diǎn)，分別為1959年和2012年，年降雨量呈現(xiàn)出“減—增—減—增”平緩波動(dòng)但總體為上升趨勢(shì)；年降雨量呈上升趨勢(shì)的主要原因是由日平均降雨強(qiáng)度呈顯著增加。

2) 利用日降雨資料對(duì)中山市降雨等級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從降雨天數(shù)來(lái)看，得出中山市降雨以中小雨為主；從降雨量來(lái)看，中山市總降雨量主要由大雨和暴雨組成。

3) 利用目估適線法，選用Ⅲ型曲線，對(duì)降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出在正常年份，中山市1 a內(nèi)的降雨等級(jí)主要還是以小雨為主，但特豐水年的降雨量主要是以暴雨及以上等級(jí)的降雨為主。

4) 將日降水量劃分為0.1～10 mm、10～25 mm、25～50 mm、>50 mm 4個(gè)量級(jí)，各量級(jí)降水的降水頻率呈波動(dòng)性變化，其中>50 mm量級(jí)的降水百分比整體呈上升趨勢(shì)，而0.1～10 mm量級(jí)的降水百分比則呈整體下降趨勢(shì)。暴雨雨量有較明顯的上升趨勢(shì)，降水潛力上升，降水結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

在年降雨量呈上升趨勢(shì)，降水潛力上升，降水結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的情況下，中山市應(yīng)該更加注重汛期即4—9月的防洪防汛，尤其注意對(duì)于大雨及暴雨等級(jí)降雨發(fā)生時(shí)的應(yīng)急防汛，利用10月到次年3月這段時(shí)間，對(duì)圍堤進(jìn)行加固，應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸帶來(lái)的強(qiáng)降水和風(fēng)暴潮。