桑友偉， 孟 蕾*， 周 玉

(1.中國氣象局氣象干部培訓學院湖南分院， 長沙 410125； 2.氣象防災減災湖南省重點實驗室， 長沙 410118)

暴雨對國民經(jīng)濟和人民生活危害嚴重，研究暴雨天氣過程有利于更好地進行防災減災，保護人民生命財產(chǎn)安全。除了氣象預報業(yè)務上常用的天氣圖分析和數(shù)值預報[1-2]等方法可進行暴雨過程研究，王坤等[3]、黃建豪等[4]從異常度、大氣微物理等角度對暴雨過程進行了深入分析。眾多研究表明，影響暴雨過程的因素較多，但從氣候統(tǒng)計角度而言，中國暴雨過程主要受東亞夏季風和副熱帶高壓影響。湘北地區(qū)處于湖南省北部，是洞庭湖地區(qū)的中心區(qū)域，主要包括岳陽市、益陽市和常德市，受東亞夏季風、副熱帶高壓以及地形地貌共同影響，湘北地區(qū)自古以來便是易澇區(qū)[5]。近些年湖南發(fā)生的特大致洪暴雨過程中，湘北地區(qū)常是強降水中心[6-8]，暴雨所引發(fā)的自然災害嚴重影響了湘北地區(qū)的農(nóng)業(yè)農(nóng)事、城市建設，也威脅到洞庭湖的生態(tài)環(huán)境。因此，探索湘北地區(qū)暴雨過程特征，及時做好預報預警工作十分重要。許多學者對湘北地區(qū)的暴雨過程進行了細致研究，彭嘉棟等[9]構建了該地區(qū)近百年降水序列并分析其變化特征，表明近百年湘北地區(qū)年降水量和冬季降水量存在顯著增多的突變。為了找尋影響暴雨發(fā)生的各項因子，彭莉莉等[10]研究了湖南汛期區(qū)域持續(xù)性暴雨環(huán)流型和落區(qū)的關系，除了臺風低壓型以外，其他多種環(huán)流形勢皆容易導致湘北地區(qū)成為暴雨落區(qū)。陳靜靜等[11]分析5類南岳高山氣象站風場與湖南不同天氣型強降水關系后認為，南岳高山站南風超過 10 m/s 的時刻較湘北地區(qū)開始出現(xiàn)強降水通常有2～6 h的預報提前量。針對暴雨過程中必不可少的水汽條件，周慧等[12]，蔡榮輝等[13]、陳紅專等[14]分別利用HYSPLIT模式追蹤了2016—2017年三例極端暴雨過程的水汽來源，為暴雨強度預報提供參考。

上述研究主要分析了湘北地區(qū)的年暴雨日數(shù)、暴雨主要落區(qū)、暴雨強度以及影響因子，而暴雨的持續(xù)時間、覆蓋范圍、綜合強度等往往是引發(fā)洪澇災害的關鍵要素[11-13]，厘清暴雨過程的細節(jié)特征更有利于湘北地區(qū)的暴雨災害預警。已有研究[15]表明湘北地區(qū)暴雨過程在降雨量總體減少的情況下，降雨強度在增加，但鮮有文獻總結出降雨強度顯著增加的月份、影響因子和未來趨勢?，F(xiàn)利用湘北地區(qū)18個氣象觀測站1968—2018年逐日降水資料，基于暴雨發(fā)生次數(shù)、持續(xù)時間、覆蓋范圍、綜合強度等4個指標，重點分析湘北地區(qū)各月份暴雨過程的氣候特征及變化趨勢，探討該地暴雨強度增強的時段和原因，并利用重標極差(rescaled range analysis,R/S)分析法進行初步預測，為進一步作好防災減災精細化部署提供科學參考。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源和研究區(qū)介紹

選取1968—2018年湘北地區(qū)岳陽、汨羅、臨湘、華容、湘陰、平江、安化、桃江、赫山、沅江、南縣、石門、澧縣、臨澧、安鄉(xiāng)、常德、桃源、漢壽等18個國家級氣象觀測站逐日降水數(shù)據(jù)進行分析，該資料由湖南省氣象局氣象信息中心提供，數(shù)據(jù)已由中國氣象局國家氣象信息中心進行了質量控制和均一化處理，各站缺測率較低，資料突變性較小。

研究所指湘北地區(qū)是指湖南常德、益陽和岳陽3個地區(qū)，是洞庭湖區(qū)的中心地帶，中部地區(qū)地勢總體平坦，西部和東南部地區(qū)地勢稍高，氣象觀測站點分布如圖1所示。

圖1 湘北地區(qū)氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Northern Hunan

1.2 研究方法

1.2.1 暴雨過程相關指標

研究以討論暴雨過程的發(fā)生次數(shù)、持續(xù)時間、覆蓋范圍和綜合強度等4項指標為主，故做如下規(guī)定：若湘北地區(qū)1個及以上站點開始出現(xiàn)降水，且日降水量大于等于50 mm，則認為湘北地區(qū)開始出現(xiàn)暴雨，為暴雨過程首日；一次暴雨過程開始后，湘北地區(qū)單日不再出現(xiàn)1個及以上站點日降水量大于等于50 mm的前一日為當次暴雨過程結束日；一次暴雨過程開始日至暴雨過程結束日之間的持續(xù)天數(shù)稱為一次暴雨過程持續(xù)時間(簡稱“持續(xù)時間”)；一次暴雨過程中湘北地區(qū)出現(xiàn)日降水量大于等于 50 mm 的站數(shù)稱為一次暴雨過程覆蓋范圍(簡稱“覆蓋范圍”)；根據(jù)極端降水過程綜合強度數(shù)學模型[16]，利用一次區(qū)域性暴雨過程的暴雨強度Ia、覆蓋范圍Aa和持續(xù)時間T構建一次暴雨過程綜合強度(簡稱“綜合強度”)指標Z，具體公式[17]為

Z=IaAa0.5T0.5

(1)

若單次暴雨過程綜合強度指數(shù)超過多年平均值的暴雨過程為較強暴雨過程。

湘北地區(qū)一年中第一次暴雨過程稱為首場暴雨過程，首場暴雨過程的開始日為當年首場暴雨日期；湘北地區(qū)一年中最后一次暴雨過程稱為末場暴雨過程，末場暴雨過程的結束日為當年末場暴雨日期。末場暴雨日期與首場暴雨日期之間的天數(shù)為一年中暴雨過程發(fā)生期。

1.2.2 氣候特征及變化趨勢分析方法

暴雨過程各項指標隨時間變化趨勢采用線性傾向估計方法[18]，顯著性檢驗采用Mann-Kendall方法[19]，保證率則利用頻率進行計算[20]。其中，對歷年首場(末場)暴雨日期進行線性傾向趨勢分析時，以每年1月1日為當年的第一天，計算歷年首場(末場)暴雨日期距離當年第一天的天數(shù)，分析歷年首場(末場)暴雨日期對應的天數(shù)序號隨時間變化情況來表征首場(末場)暴雨日期年際變化趨勢。

利用R/S分析法[21]計算Hurst指數(shù)，預測未來湘北地區(qū)暴雨過程變化趨勢。通過R/S分析法計算出Hurst 指數(shù)H(0

2 結果與分析

2.1 湘北地區(qū)暴雨過程氣候特征

2.1.1 歷年首、末場暴雨氣候特征

如表1所示，1968—2018年，湘北地區(qū)首場暴雨過程出現(xiàn)日期最早為1月17日(1971年)，最遲為5月5日(1988年)，80%保證率下4月14日之前會出現(xiàn)首場暴雨過程。湘北地區(qū)末場暴雨出現(xiàn)日期最早在8月3日(2003年)，最遲出現(xiàn)在12月17日(2002年)，80%保證率下11月8日之前會出現(xiàn)末場暴雨過程。暴雨過程發(fā)生期平均值204 d，年際變化大，最大值為272 d，最小值僅為136 d。

表1 湘北地區(qū)年首場暴雨與年末場暴雨日期

湘北地區(qū)首場暴雨過程較高概率出現(xiàn)在南部，末場暴雨落區(qū)相對首場暴雨分布更加均勻。1968—2018年首場暴雨過程出現(xiàn)頻次空間分布如圖2(a)所示，首場暴雨歷史上在18個氣象觀測站均出現(xiàn)過，但每個觀測站出現(xiàn)頻次不同，其中位于洞庭湖南部的安化、湘陰、桃江、赫山、平江、汨羅等站出現(xiàn)頻次較高，總次數(shù)超過10次，而石門、澧縣只出現(xiàn)1次，這一現(xiàn)象與由春季往夏季，中國雨帶隨副熱帶高壓北跳由南往北移動有較好對應關系[23]。末場暴雨過程出現(xiàn)頻次空間分布如圖2(b)所示，末場暴雨在18個觀測站也都曾出現(xiàn)，其中出現(xiàn)在安化的頻次最高，達到15次，出現(xiàn)頻次最低的地區(qū)為安鄉(xiāng)和桃源，只有7次，出現(xiàn)頻次大于等于10次的有14個站，占總數(shù)的77.7%。

圖2 1968—2018年首、末場暴雨過程出現(xiàn)頻次空間分布Fig.2 Spatial distribution of the occurrence frequency of the first and last rainstorm from 1968 to 2018

分析湘北地區(qū)首、末場暴雨過程中單站單日最大雨量等級分布如表2所示，單站單日首場暴雨和末場暴雨皆在50～99.9 mm等級的頻次最高，末場暴雨略少于首場暴雨，但在100 mm以上等級末場暴雨單站單日最大雨量是高于首場暴雨的，這說明末場暴雨單站單日暴雨量極端性更強。

表2 湘北地區(qū)首末場暴雨過程單站單日最大雨量等級分布

湘北地區(qū)末場暴雨過程單站極端降水出現(xiàn)次數(shù)比首場暴雨過程多，且多出現(xiàn)在地勢相對較高的山區(qū)。首場暴雨過程單站單日雨量大于99.9 mm的分別是沅江106.2 mm(1978年)、常德110.8 mm(1988年)、南縣105.0 mm(2002年)；而末場暴雨過程單站單日雨量大于99.9 mm的分別是石門134.0 mm(1974年)、臨湘213.6 mm(1987年)、平江115.9 mm(1998年)、平江114.0 mm(2005年)、臨澧189.2 mm(2013年)?？梢娤姹钡貐^(qū)極端首場暴雨與極端末場暴雨落區(qū)有明顯區(qū)別，極端末場暴雨主要落在山區(qū)。

2.1.2 暴雨過程氣候特征

1968—2018年湘北地區(qū)暴雨過程平均持續(xù)時間為1.38 d，最短1 d，最長7 d。持續(xù)時間2 d及 2 d 以內(nèi)的暴雨過程次數(shù)占93.69%，持續(xù)時間3 d及以上的過程次數(shù)很少，僅6.31%。其中1980年7月30日—8月5日暴雨過程持續(xù)時間最長，達到 7 d，其次是2002年7月20—25日暴雨過程，持續(xù)時間為6 d。

如圖3所示，暴雨過程覆蓋范圍出現(xiàn)頻率隨著覆蓋站數(shù)增加而迅速減小，覆蓋站數(shù)在1～7站之間時，出現(xiàn)頻率由28.7%迅速下降到2.9%，8站以上則減小緩慢。平均覆蓋范圍為4.5站，最小為1站，最大為32站；覆蓋范圍在1～7站的頻率為82.68%；覆蓋范圍在8～20站的頻率為11.7%；覆蓋范圍在20站以上出現(xiàn)的頻率極低。2002年7月20日—25日湘北地區(qū)一次暴雨過程覆蓋范圍最廣，達到32站。

圖3 暴雨過程覆蓋范圍頻率分布Fig.3 Frequency distribution of rainstorm coverage

暴雨過程綜合強度指數(shù)平均值136，最大一次過程綜合強度指數(shù)為531，出現(xiàn)在2016年。對比歷年平均綜合強度指數(shù)發(fā)現(xiàn)，最大年平均綜合強度指數(shù)為186.2，出現(xiàn)在1998年。1998年和2016年汛期長江中下游地區(qū)暴雨引發(fā)特大洪澇災害，通過綜合強度指數(shù)可反映出當年湘北地區(qū)的暴雨過程強度。

2.1.3 暴雨過程各項指標年變化

分析1968—2018年湘北地區(qū)暴雨過程各項指標的逐月分布如圖4所示，可知，6、7月是湘北地區(qū)暴雨過程次數(shù)最多、平均持續(xù)時間最長、平均覆蓋范圍最廣、平均綜合指數(shù)最強的月份，這與夏季湘北地區(qū)多大范圍持續(xù)性暴雨過程的特點相符[24]。1月的暴雨過程次數(shù)很少，但持續(xù)時間是除夏季6—8月之外最長的月份，12月暴雨過程次數(shù)最少，持續(xù)時間最短，覆蓋范圍最小。

圖4 湘北地區(qū)暴雨過程指標年變化Fig.4 The monthly distribution of rainstorm process indexes in northern Hunan

較強暴雨過程各項指標逐月分布如圖4所示，除1月和12月無較強暴雨過程外，諸多月份的情況與整體情況相近，但是11月比較特殊，雖然11月較強暴雨過程次數(shù)少，但是其覆蓋范圍、綜合強度2項指標對應的值都很高，11月是較強暴雨過程平均覆蓋范圍最高的月份，綜合強度也僅次于5—7月。說明湘北地區(qū)暴雨過程的極端性不僅容易出現(xiàn)在5—7月，出現(xiàn)在11月的概率同樣很高，而11月往往是末場暴雨出現(xiàn)的月份，與上述湘北地區(qū)末場暴雨過程出現(xiàn)極端性可能性較大的結果一致。

2.2 湘北地區(qū)暴雨過程變化趨勢

2.2.1 首、末場暴雨過程變化趨勢

分析湘北地區(qū)首、末場暴雨日期年際變化如圖5(a)所示，湘北地區(qū)首場暴雨日期略有提前，但未通過顯著性檢驗，末場暴雨日期顯著推后，推后速率為5.6 d/10 a，暴雨過程發(fā)生期顯著延長，延長速率為6.1 d/10 a。

2.2.2 暴雨過程各項指標年際變化

分析1968—2018年湘北地區(qū)暴雨過程各項指標年際變化如圖5(b)～圖5(e)可知，湘北地區(qū)暴雨過程發(fā)生次數(shù)增加不顯著，未通過顯著性檢驗，但較強暴雨過程發(fā)生次數(shù)以0.25 次/10 a的速率顯著增加，通過0.1水平上的顯著性檢驗。平均持續(xù)時間略有增加，但不顯著，而較強暴雨過程平均持續(xù)時間則顯著增加，通過0.1水平上的顯著性檢驗，增加速率為0.06 d/10 a。平均覆蓋范圍顯著增加，通過0.1水平上的顯著性檢驗，增加速率為0.11 站/10 a，較強暴雨過程平均覆蓋范圍變化不顯著。暴雨過程總體平均綜合強度和較強暴雨過程綜合強度顯著增加，均通過0.1水平上的顯著性檢驗，增加速率分別為3.1/10 a和7.0/10 a。

圖5 湘北地區(qū)暴雨過程變化趨勢Fig.5 The trend of rainstorm process in northern Hunan

進一步分析不同月份暴雨過程各項指標的年際變化，如表3所示，雖然湘北地區(qū)7月和10月暴雨過程發(fā)生次數(shù)無顯著變化，但持續(xù)時間、覆蓋范圍和綜合強度皆顯著增加；4月暴雨過程次數(shù)顯著增加，5月綜合強度顯著增加，其他指標沒有顯著變化。

分析不同月份較強暴雨過程各項指標的年際變化如表3所示，湘北地區(qū)5月較強暴雨過程的發(fā)生次數(shù)、持續(xù)時間和綜合強度都是顯著增加的，但覆蓋范圍變化不顯著；7月較強暴雨過程的發(fā)生次數(shù)無顯著變化，但是持續(xù)時間、覆蓋范圍和綜合強度都是顯著增加的。

表3 湘北地區(qū)每月總體暴雨過程和較強暴雨過程各項指標氣候傾向率

2.3 湘北地區(qū)暴雨過程未來趨勢

根據(jù)暴雨過程總體各項指標的Hurst指數(shù)和較強暴雨過程各項指標的Hurst指數(shù)如表4所示，首場暴雨日期和末場暴雨日期的Hurst指數(shù)大于等于0.6低于0.7，未來趨勢一定程度上延續(xù)歷史趨勢。暴雨過程總體各項指標的Hurst指數(shù)均大于0.5，但平均覆蓋范圍、平均綜合強度指數(shù)2項指標的Hurst指數(shù)低于0.6，未來隨機性較大；暴雨過程發(fā)生次數(shù)、持續(xù)時間2項指標的Hurst指數(shù)大于0.6低于0.7，表明未來趨勢將在一定程度上延續(xù)歷史趨勢。較強暴雨過程各項指標的Hurst指數(shù)均大于等于0.6，說明這幾項指標未來趨勢將一定程度上延續(xù)歷史趨勢，其中持續(xù)時間指標的Hurst指數(shù)最高，達到0.8，未來趨勢將較大程度上延續(xù)歷史趨勢。

表4 各項指標的總體Hurst指數(shù)和各項指標各月份的Hurst指數(shù)

暴雨過程各項指標各月份的Hurst指數(shù)的可計算性主要表現(xiàn)在4—8月，未來暴雨過程總體的發(fā)生次數(shù)在4—7月將一定程度上延續(xù)歷史趨勢，持續(xù)時間6月將在較大程度上延續(xù)歷史趨勢，覆蓋范圍在4月隨機性較大，但將在5—7月一定程度上延續(xù)歷史趨勢，綜合強度指數(shù)在4月的隨機性很大，未來在5—8月將一定程度上延續(xù)歷史趨勢。未來較強暴雨過程的發(fā)生次數(shù)在8月隨機性較大，持續(xù)時間主要將在6—8月較大程度上延續(xù)歷史趨勢，覆蓋范圍、綜合強度指數(shù)在5—8月都將延續(xù)歷史趨勢，尤其是6月Hurst指數(shù)分別達到0.85、0.79，說明這2項指標6月將很大程度上延續(xù)歷史趨勢。

3 結論

通過對湘北地區(qū)1968—2018年暴雨過程發(fā)生次數(shù)、持續(xù)時間、覆蓋范圍、綜合強度等指標進行統(tǒng)計分析及初步預測，得到如下結論。

(1)80%保證率下，湘北地區(qū)每年4月14日之前出現(xiàn)首場暴雨過程，11月8日之前出現(xiàn)末場暴雨過程。首場暴雨過程落區(qū)大概率在湘北地區(qū)南部，而末場暴雨過程落區(qū)分布較均勻。1968—2018年首場暴雨日期變化趨勢不顯著，末場暴雨日期顯著推后，暴雨過程發(fā)生期顯著延長。未來首場暴雨日期變化較小，而末場暴雨日期將繼續(xù)推后，暴雨發(fā)生期將繼續(xù)延長。

(2)湘北地區(qū)各月都有出現(xiàn)暴雨過程的可能，2—11月還有可能出現(xiàn)較強暴雨過程。暴雨過程和較強暴雨過程主要出現(xiàn)在4—8月，其中6—7月多發(fā)。6—7月暴雨過程持續(xù)時間長、覆蓋范圍廣、綜合強度強，11月暴雨過程次數(shù)雖然少，但極端性較強。周慧等[25]的研究表明11月份在環(huán)流形勢配合的情況下，依然有條件出現(xiàn)較強暴雨過程。

(3)1968—2018年間，湘北地區(qū)暴雨過程覆蓋范圍、綜合強度顯著增加；較強暴雨過程的發(fā)生次數(shù)、持續(xù)時間、綜合強度顯著增加。7月和10月暴雨過程持續(xù)時間、覆蓋范圍、綜合強度顯著增加；4月暴雨過程發(fā)生次數(shù)、5月綜合強度顯著增加；7月較強暴雨過程的持續(xù)時間、覆蓋范圍、綜合強度顯著增加；5月較強暴雨過程次數(shù)、持續(xù)時間、綜合強度顯著增加。湘北地區(qū)暴雨過程在7月向極端化方向發(fā)展最顯著，其次是5月。

(4)總體而言，未來湘北地區(qū)暴雨過程的發(fā)生次數(shù)和持續(xù)時間將會繼續(xù)呈增加趨勢，未來較強暴雨過程次數(shù)、持續(xù)時間、綜合強度將繼續(xù)呈增加趨勢。具體4月暴雨過程的發(fā)生次數(shù)，5月的綜合強度，7月的持續(xù)時間、覆蓋范圍和綜合強度都將延續(xù)歷史趨勢，未來繼續(xù)增加；5月較強暴雨過程的綜合強度、7月的持續(xù)時間、覆蓋范圍和綜合強度都將繼續(xù)增加。

(5)黃菊梅等[26]研究表明湘北地區(qū)降雨量幾十年來總體無顯著變化，張曉艷等[15]研究表明湘北地區(qū)夏冬兩季降水量呈上升趨勢，春秋兩季降雨量呈下降趨勢，在此情況下，本研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)除了夏季7月暴雨過程4項指標總體增強之外，春秋兩季暴雨過程4項指標總體也呈增加趨勢，說明在氣候變暖背景下，湘北地區(qū)暴雨過程的極端性除了在夏季進一步增強之外，暴雨期還在向春秋兩季延展，尤其是春季極端降水出現(xiàn)的概率在增大，這將導致暴雨洪澇災害的風險更高，且時間跨度更大。