蔣元華，曾向紅，段麗潔，湯亦豪，吳 浩

(湖南省氣候中心，湖南 長沙 410118)

引 言

受全球氣候變暖和人類活動日益加劇的影響，大氣環(huán)流和水汽循環(huán)都發(fā)生了顯著變化[1-3]。降水是響應(yīng)氣候變化最敏感的因子之一，深入了解其結(jié)構(gòu)變化特征有助于探索區(qū)域水循環(huán)規(guī)律。湖南省位于長江中下游地區(qū)，東北為地勢開闊平坦的洞庭湖區(qū)，中部有衡邵盆地，其他三面為山地，地形復(fù)雜，地表熱力差異明顯。湖南省受季風(fēng)影響顯著，降水時空分布不均，省內(nèi)不同區(qū)域的降水結(jié)構(gòu)可能存在顯著差異，深入研究湖南省降水結(jié)構(gòu)的演變特征對于防汛抗旱具有重要意義[4]。

降水結(jié)構(gòu)主要包括降水量等級和降水歷時。關(guān)于降水量等級方面的研究主要集中在其時空演變特征上。在全球氣候變化背景下，大部分地區(qū)極端降水量呈增加趨勢，且具有明顯的區(qū)域特征。如歐洲雨季和冬季的極端降水量呈增加趨勢[5-6]，美國極端降水量也呈增多趨勢[7]。多種氣候模式結(jié)果均顯示隨著氣候變暖，全球極端降水量呈增多趨勢[8-10]。中國降水量等級也發(fā)生了顯著變化[11-13]，如華南夏季弱降水日數(shù)減少而強降水日數(shù)呈增加趨勢[14-15]，且有向極端強降水偏移的演變趨勢[16]。降水歷時作為降水結(jié)構(gòu)的另一重要特征量，由于受降水資料限制，對于其分析多是基于日降水資料進(jìn)行，如基于日降水資料研究發(fā)現(xiàn)，長江上游和淮河流域短歷時降水事件增多，其降水量所占比例較大[17-18]。而北江流域中短歷時降水事件發(fā)生頻率呈下降趨勢，降水量貢獻(xiàn)率呈上升趨勢，長歷時降水發(fā)生頻率、降水量貢獻(xiàn)率均呈顯著下降趨勢[15]。然而，由于降水分布具有高度的時空不均勻性[19-21]，基于日值和小時降水資料分析的結(jié)果可能會存在差異。如基于小時降水資料發(fā)現(xiàn)長江中下游地區(qū)降水量主要是短歷時中等或較弱降水的貢獻(xiàn)[22]，這與基于日降水資料的研究成果明顯不同[23-24]。利用高分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)能更為細(xì)致地研究區(qū)域性降水結(jié)構(gòu)的演變特征[25-26]。如基于小時降水?dāng)?shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)南北區(qū)域性降水結(jié)構(gòu)有明顯差異，北京地區(qū)1～3 h超短歷時降水發(fā)生頻率呈下降趨勢，降水量貢獻(xiàn)率呈增加趨勢，而其他歷時降水發(fā)生頻率則呈增加趨勢[27]；渭河流域短歷時和長歷時降水發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率均表現(xiàn)為減小趨勢，中長歷時降水發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率則呈增加趨勢[28]；廣西大部分地區(qū)短歷時降水發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率均呈下降趨勢，長歷時降水事件的發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率均呈上升趨勢[29]。由于我國地形復(fù)雜，熱量分布存在顯著的區(qū)域差異，不同區(qū)域降水影響機制也不相同[30-32]。

湖南是暴雨洪澇頻發(fā)地區(qū)，極端降水近年呈明顯增強趨勢[33-34]。本文分別研究不同降水歷時、不同降水量等級的降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率的時空演變特征，以期為生產(chǎn)建設(shè)及洪澇災(zāi)害防御等提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資 料

所用數(shù)據(jù)為1980—2018年湖南省96個地面氣象觀測站(圖1)汛期逐小時降水資料，所有臺站數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)量控制，由國家氣象信息中心提供。為確保資料完整性，統(tǒng)計的各站點數(shù)據(jù)逐年缺測率均小于5%。湖南汛期為4—9月，汛期平均降水量為930.9 mm，約占全年總降水量的70%，汛期是強降水事件的主要發(fā)生時段，因此本文將4—9月作為研究時段。

圖1 湖南省雨量站與地形(陰影，單位：m)分布

文中附圖所涉及地圖基于湖南省標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為湘S(2017)170號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

1.2 方 法

降水歷時和降水量級是降水結(jié)構(gòu)最為重要的特征參量。氣象上以0.1 mm作為有效降水閾值，以連續(xù)2 h無有效降水作為劃分降水事件的標(biāo)準(zhǔn)，每一個降水事件的總降水量定義為過程內(nèi)逐小時雨量之和，降水時段內(nèi)的有效降水時數(shù)作為降水歷時。

將降水歷時劃分為4類： 1～3 h，4～6 h，7～12 h和12 h以上，其中1～6 h為短歷時降水，超過6 h為長歷時降水。參考降水量等級標(biāo)準(zhǔn)[35]劃分不同歷時降水事件降水量等級(表1)。

表1 不同歷時降水事件降雨量等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

以降水發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率作為分析湖南省降水結(jié)構(gòu)時空分布特征的兩個指標(biāo)，其中降水發(fā)生頻率為不同歷時/不同降水量級降水事件發(fā)生次數(shù)占總降水次數(shù)的百分率；降水量貢獻(xiàn)率為不同歷時/不同降水量級降水事件的降水量占總降水量的百分率。

統(tǒng)計1980—2018年湖南省汛期96個地面氣象觀測站逐小時降水資料，發(fā)現(xiàn)共發(fā)生413 546次降水事件，其中1～3 h、4～6 h、7～12 h、12 h以上降水事件分別246 365、76 564、57 682和32 935次；降水量等級為小雨、中雨、大雨和暴雨的降水事件分別40 304、13 894、6881和4456次。

2 不同歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率

2.1 統(tǒng)計特征

圖2為1980—2018年湖南省汛期不同歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率分布?？梢钥闯?，湖南省降水事件發(fā)生頻率隨著降水歷時的增長呈冪函數(shù)規(guī)律遞減，且通過α=0.05的顯著性檢驗。短歷時降水事件發(fā)生頻率較高，約占77.8%，其中1～3 h和4～6 h降水事件發(fā)生頻率分別為59.3%和18.5%；長歷時降水事件發(fā)生頻率較低(22.2%)，其中7～12 h和12 h以上降水事件發(fā)生頻率分別為14.1%和8.1%。而降水量貢獻(xiàn)率隨降水歷時的增長呈顯著線性增加趨勢且通過α=0.05的顯著性檢驗。長歷時降水事件降水量貢獻(xiàn)率為66.0%，其中7～12 h和12 h以上歷時降水量貢獻(xiàn)率分別為28.3%和37.7%；短歷時降水量貢獻(xiàn)率較低(34.0%)，其中1～3 h和4～6 h降水量貢獻(xiàn)率分別為15.6%和18.4%。

圖2 1980—2018年湖南省汛期不同歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率分布

湖南省汛期短歷時降水事件發(fā)生頻率高、降水量貢獻(xiàn)率低；長歷時降水事件發(fā)生頻率低但降水量貢獻(xiàn)率高，其中12 h以上歷時的降水事件是汛期強降水的主體，容易導(dǎo)致區(qū)域性洪澇。

2.2 空間分布

圖3為1980—2018年湖南省汛期不同歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率的空間分布?？梢钥闯?，1～3 h的短歷時降水事件發(fā)生頻率最高，呈南高北低的空間分布，最高值(65.4%)出現(xiàn)在永州市新田縣，最低值(52.6%)出現(xiàn)在益陽市[圖3(a)]；降水量貢獻(xiàn)率也基本呈現(xiàn)南高北低的空間分布，但降水量貢獻(xiàn)率整體較低，最高值(23.0%)出現(xiàn)在株洲市炎陵縣，最低值(10.0%)出現(xiàn)在常德市臨澧縣[圖3(b)]。4～6 h短歷時降水事件的發(fā)生頻率沒有明顯的空間差異[圖3(c)]，與1～3 h短歷時降水事件發(fā)生頻率在空間分布上呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.383，4～6 h短歷時降水事件發(fā)生頻率較高值往往分布在1～3 h降水事件發(fā)生頻率較低值附近。最高值(19.9%)出現(xiàn)在益陽市，最低值(16.7%)出現(xiàn)在永州市新田縣；4～6 h短歷時降水量貢獻(xiàn)率呈南高北低的空間分布[圖3(d)]，最高值(24.1%)出現(xiàn)在郴州市汝城縣，最低值(13.6%)出現(xiàn)在常德市澧縣。7～12 h長歷時降水事件發(fā)生頻率呈北高南低分布，高值區(qū)主要位于湘西北和湘北一帶，最高值(16.6%)出現(xiàn)在常德市，最低值(10.6%)出現(xiàn)在郴州市汝城縣[圖3(e)]；7～12 h長歷時降水事件降水量貢獻(xiàn)率呈西高東低的空間分布，高值區(qū)主要位于湘西北和湘西南地區(qū)，雖然發(fā)生頻率較低，但降水量貢獻(xiàn)率較高，最高值(33.4%)出現(xiàn)在湘西自治州瀘溪縣，最低值(22.3%)出現(xiàn)在郴州市汝城縣[圖3(f)]。12 h以上長歷時降水事件發(fā)生頻率呈北高南低的空間分布，高值區(qū)主要位于洞庭湖流域，最高值(11.8%)出現(xiàn)在益陽市桃江縣，最低值(5.6%)出現(xiàn)在永州市江永縣[圖3(g)]；12 h以上長歷時降水事件降水量貢獻(xiàn)率呈北高南低的空間分布，高值區(qū)主要位于湘西北和湘北地區(qū)，雖然發(fā)生頻率最低，但是降水量貢獻(xiàn)率最高，最高值(49.8%)出現(xiàn)在常德市澧縣，最低值(28.8%)出現(xiàn)在懷化市新晃縣[圖3(h)]。

圖3 1980—2018年湖南省汛期1～3 h(a、b)、4～6 h(c、d)、7～12 h(e、f)和12 h以上(g、h)降水事件發(fā)生頻率(a、c、e、g)和降水量貢獻(xiàn)率(b、d、f、h)空間分布(單位：%)

綜上所述，不同歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率具有明顯的空間分布差異，短歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率湘南高于湘北，而長歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率則與短歷時呈相反空間分布，湘北高于湘南。

2.3 年際變化

利用線性回歸方法分析不同歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率的演變趨勢，1～3 h、4～6 h、7～12 h和12 h以上歷時的降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率均未發(fā)生顯著變化(圖略)。進(jìn)一步分析短歷時和長歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率的演變(圖4)，發(fā)現(xiàn)降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率也未發(fā)生顯著變化，但2009—2018年短歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率都呈增加趨勢，而長歷時降水事件兩者則呈下降趨勢，且均通過α=0.05的顯著性檢驗。

圖4 1980—2018年湖南省1～6 h(a)和6 h以上(b)歷時的降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率年際變化及其線性趨勢

3 不同等級降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率

3.1 統(tǒng)計特征

圖5為1980—2018年湖南省汛期不同等級降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率分布?？梢钥闯觯鲜〗邓录l(fā)生頻率隨降水量等級的增大呈冪函數(shù)規(guī)律減小，且通過α=0.05的顯著性檢驗。其中小雨降水事件發(fā)生頻率最高(61.5%)；中雨降水事件發(fā)生頻率較高(21.2%)；大雨降水事件發(fā)生頻率較低(10.5%)；暴雨降水事件發(fā)生頻率最低(6.8%)。降水量貢獻(xiàn)率則隨降水量等級的增加呈線性增加趨勢，且通過了α=0.05的顯著性檢驗，其中小雨降水事件貢獻(xiàn)率最低(7.2%)；中雨降水事件貢獻(xiàn)率較低(21.3%)；大雨降水事件貢獻(xiàn)率較高(28.5%)；暴雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率最高(43.0%)。統(tǒng)計結(jié)果表明，湖南省汛期降水事件以小到中雨降水事件為主，但其降水量貢獻(xiàn)率較低。大到暴雨降水事件雖然發(fā)生頻率較低，但卻是降水量的貢獻(xiàn)主體，其中暴雨降水事件為降水量主要貢獻(xiàn)者。

圖5 1980—2018年湖南省汛期不同等級降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率分布

3.2 空間分布

圖6為1980—2018年湖南省汛期不同等級降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率空間分布?？梢钥闯觯〗邓录孕∮杲邓录l(fā)生頻率最高，所有站點其發(fā)生頻率均超過50%， 呈南高北低的空間分布，最高值(65.5%)出現(xiàn)在邵陽市新寧縣，最低值(57.2%)出現(xiàn)在岳陽市平江縣[圖6(a)]；小雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率較低，呈南高北低分布，但南北總體差異不大，最高值(9.3%)出現(xiàn)在邵陽市新寧縣，最低值(5.6%)出現(xiàn)在益陽市安化縣[圖6(b)]。中雨降水事件發(fā)生頻率空間分布不均，高值區(qū)處于小雨降水事件發(fā)生頻率的低值區(qū)附近，低值區(qū)也對應(yīng)小雨降水事件發(fā)生頻率的高值區(qū)，兩者空間相關(guān)系數(shù)為-0.644，中雨降水事件發(fā)生頻率最高值(23.5%)出現(xiàn)在衡陽市祁東縣，最低值(19.0%)出現(xiàn)在懷化市懷化縣[圖6(c)]；中雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率較低，呈南高北低的空間分布，湘西南貢獻(xiàn)率較高，最高值(26.6%)出現(xiàn)在邵陽市城步縣，最低值(16.1%)出現(xiàn)在岳陽市臨湘縣[圖6(d)]。大雨降水事件發(fā)生頻率空間分布不均，但全省差異不大，最高值(12.0%)出現(xiàn)在益陽市南縣，最低值(9.0%)出現(xiàn)在懷化市靖州縣[圖6(e)]；大雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率較高，湘西南和湘南較高，湘西北較低，最高值(32.8%)出現(xiàn)在邵陽市邵陽縣，最低值(23.8%)出現(xiàn)在懷化市辰溪縣[圖6(f)]。暴雨降水事件發(fā)生頻率呈北高南低的空間分布，湘西北和湘北一帶是高發(fā)區(qū)，湘西南和湘南一帶其發(fā)生頻率較低，最高值(9.4%)出現(xiàn)在岳陽市臨湘縣，最低值(4.7%)出現(xiàn)在邵陽市城步縣[圖6(g)]；暴雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率分布與發(fā)生頻率分布基本相似，湘中以北降水量貢獻(xiàn)率較高，湘西南及湘南貢獻(xiàn)率較低，且與大雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.833，暴雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率的高值區(qū)往往對應(yīng)大雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率的低值區(qū)，而其低值區(qū)往往對應(yīng)大雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率的高值區(qū)，暴雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率最高值(52.8%)出現(xiàn)在岳陽市臨湘縣，最低值(33.1%)出現(xiàn)在邵陽市城步縣[圖6(h)]。

圖6 1980—2018年湖南省汛期小雨(a、b)、中雨(c、d)、大雨(e、f)和暴雨(g、h)降水事件發(fā)生頻率(a、c、e、g)和降水量貢獻(xiàn)率(b、d、f、h)空間分布(單位：%)

綜上所述，不同等級降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率空間分布具有明顯的地理差異，其中不同地區(qū)小雨降水事件發(fā)生頻率差值約8.3%，暴雨降水事件發(fā)生頻率差值約4.7%。暴雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率差異最大，變化幅度高達(dá)19.7%。小到中雨降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率大致呈湘南高于湘北的空間分布；而大到暴雨降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率則呈現(xiàn)湘北高于湘南的空間分布。

3.3 年際變化

圖7為1980—2018年湖南省汛期不同等級降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率年際變化及其線性趨勢?？梢钥闯?，小雨、中雨和大雨降水事件發(fā)生頻率年際變化不顯著；暴雨降水事件發(fā)生頻率年際變化呈顯著增加趨勢，且通過α=0.05的顯著性檢驗，暴雨降水事件發(fā)生頻率20世紀(jì)90年代后明顯增加。小雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率年際變化不顯著，但中雨和大雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率呈下降趨勢，且通過了α=0.05的顯著性檢驗，大雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率下降速率大于中雨降水事件。暴雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率則呈顯著上升趨勢，且通過α=0.05的顯著性檢驗，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)前10 a處于高值區(qū)。

圖7 1980—2018年湖南省汛期小雨(a) 、 中雨 (b) 、大雨(c)和暴雨(d)降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率年際變化及其線性趨勢

4 結(jié)論與討論

(1)湖南省汛期各歷時降水事件發(fā)生頻率隨歷時的增加呈冪函數(shù)規(guī)律減小，而各歷時降水事件降水量貢獻(xiàn)率則隨歷時的增加呈顯著線性增加趨勢。汛期降水以短歷時降水事件發(fā)生頻率最高，但是其貢獻(xiàn)的降水量較少；長歷時降水事件雖然發(fā)生頻率較低，但降水量貢獻(xiàn)率高，是汛期降水的貢獻(xiàn)主體。降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率具有明顯的空間分布差異，短歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率湘南高于湘北，而長歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率湘北高于湘南。

(2)1980—2018年不同歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率均未呈現(xiàn)明顯的年際變化趨勢，但近10 a長歷時和短歷時降水事件降水特征發(fā)生顯著變化：短歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率均呈增加趨勢，而長歷時降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率則呈下降趨勢，表明近10 a，短歷時降水事件更加集中，預(yù)計未來短歷時強降水的極端天氣氣候事件概率將增加。

(3)湖南省汛期各等級降水事件發(fā)生頻率隨降水量等級增加呈冪函數(shù)規(guī)律顯著減小，降水量貢獻(xiàn)率則隨著降水量等級增加呈顯著線性上升趨勢。汛期降水事件以小到中雨為主，但是降水量貢獻(xiàn)率低；大到暴雨降水事件雖然發(fā)生頻率較低，卻是降水量的貢獻(xiàn)主體，其中暴雨降水事件為降水主要貢獻(xiàn)者。各等級降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率空間分布差異明顯，小到中雨降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率大致湘南高于湘北；而大到暴雨降水事件發(fā)生頻率和降水量貢獻(xiàn)率湘北高于湘南。

(4) 湖南省汛期小雨、中雨和大雨降水事件發(fā)生頻率年際變化不顯著，暴雨降水事件發(fā)生頻率則呈顯著增加趨勢。小雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率年際變化不顯著，中雨和大雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率呈顯著下降趨勢，暴雨降水事件降水量貢獻(xiàn)率呈顯著上升趨勢。暴雨降水事件發(fā)生頻率增加，降水量呈顯著增加趨勢，區(qū)域性暴雨洪澇風(fēng)險在增加。

研究表明，中國地區(qū)弱降水頻率總體呈減小趨勢，但強降水頻數(shù)在增加[36-38]，湖南省小到大雨降水事件發(fā)生頻率和降水量沒有顯著變化，但暴雨事件發(fā)生頻率呈顯著增加趨勢。28°N以南的華南地區(qū)以6 h以下歷時降水為主[39-40]，而湖南省(24°N—32°N)各地均以6 h以上歷時降水為主。我國氣候復(fù)雜多樣，針對湖南省汛期降水結(jié)構(gòu)特征的研究，可以為全面了解湖南省汛期降水氣候特征和防御城市內(nèi)澇提供科學(xué)參考。