雷東洋，何衛(wèi)平，周 雪，丁麗麗，杜 裕，向 焱

(1.湖北省宜昌市氣象局，湖北 宜昌 443000；2.湖北省遠(yuǎn)安縣氣象局，湖北 宜昌 444200；3.湖北省宜昌市葛洲壩中學(xué)，湖北 宜昌 444300)

0 引言

全球變暖加速了地表水的蒸發(fā)，使得大氣中水分增多，促進(jìn)地表及大氣之間的水循環(huán)，導(dǎo)致降水愈加不均勻，造成極端降水事件呈增多和增強(qiáng)趨勢，進(jìn)而不斷引起山洪、內(nèi)澇、泥石流等災(zāi)害事件。極端降水事件對國民經(jīng)濟(jì)及人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大威脅，成為各國學(xué)者關(guān)注和研究的重點(diǎn)[1]。近年來，國內(nèi)多位學(xué)者對小時(shí)極端降水分布特征進(jìn)行了分析。付超等[2]利用江西省2010—2016年5—9月1597個(gè)觀測站逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)分析了短時(shí)強(qiáng)降水高頻區(qū)主要分布。王靖羽等[3]根據(jù)河南省2929個(gè)地面觀測站2010—2015年5—9月逐時(shí)降水量數(shù)據(jù)分析了短時(shí)強(qiáng)降水集中發(fā)生期、主要大值區(qū)及地形對降水的增幅作用。李強(qiáng)等[4]利用四川和重慶123個(gè)氣象觀測站1980—2012年小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，分析了川渝地區(qū)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征和持續(xù)性特征。楊熠等[5]利用2010—2019年4—8月遵義13個(gè)國家站逐時(shí)地面降水觀測資料，從不同等級雨強(qiáng)的時(shí)空分布進(jìn)行分析，研究了遵義短時(shí)強(qiáng)降水事件的時(shí)空分布特征。以上分析多側(cè)重于強(qiáng)降水的空間分布特征，缺少對長期變化趨勢的研究。也有學(xué)者采用多年觀測資料對極端降水長年代變化趨勢進(jìn)行了研究，部分研究發(fā)現(xiàn)極端降水呈增加趨勢[6-7]，部分研究則發(fā)現(xiàn)極端降水呈減少趨勢[8-9]，表明在不同區(qū)域，極端降水變化情況并非一致。以上研究多是針對平原地區(qū)，而山區(qū)極端強(qiáng)降水的監(jiān)測和預(yù)報(bào)一直是氣象科研和業(yè)務(wù)工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，有必要對山區(qū)極端強(qiáng)降水的長期變化趨勢進(jìn)行分析研究。本文利用宜昌1956—2020年4—10月逐分鐘資料分析了宜昌極端小時(shí)降水的長期變化特征，有助于提高對該地區(qū)極端降水發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為山區(qū)防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料說明

本文采用的降水?dāng)?shù)據(jù)來源于湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心提供的1956—2020年4—10月逐分鐘資料。其中1956—2002年原始降雨資料為自記紙降雨資料，經(jīng)過湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心的信息化處理，對降水記錄紙進(jìn)行掃描、檢查及降水曲線提取，得到人工審核后的逐分鐘雨量資料。2003—2020年降雨資料為新型自動(dòng)氣象站自動(dòng)記錄的逐分鐘雨量數(shù)據(jù)。

1.2 小時(shí)極端降水事件的定義

通過宜昌逐分鐘降水資料統(tǒng)計(jì)逐小時(shí)降水量，得到宜昌1956—2020年逐小時(shí)雨量。小時(shí)雨量分布具有較大的隨機(jī)性，顯然不遵從均勻分布，因此小時(shí)雨量分布不能按均勻分布處理，本文采用實(shí)際累積頻率分布來計(jì)算閾值。此方法是按小時(shí)雨量遵從的實(shí)際概率分布來確定百分位閾值。具體計(jì)算方法如下：首先確定宜昌1956—2020年小時(shí)雨量序列樣本頻率分布的組數(shù)，即：

組數(shù)=1+3.22logN

(1)

其中：N為序列的樣本容量，這里N=23 081。用極值(最大值和最小值的差)除以組數(shù)，得到每組的組距，依組距進(jìn)行分組，確定各組上限和下限。計(jì)算落入各組的頻數(shù)、頻率和累積頻率，作為實(shí)際概率分布的估計(jì)。然后將P=5%的百分位與各組的累積頻率值進(jìn)行比較，當(dāng)P落入某兩組的累積頻率值時(shí)，使用該對應(yīng)的兩組邊界值，線性插值求取第5百分位閾值，此法被稱為使用實(shí)際概率分布閾值法[10]。

按宜昌小時(shí)雨量遵從的實(shí)際概率分布來確定百分位閾值。第5百分位的閾值為10.3 mm，而對樣本數(shù)據(jù)按傳統(tǒng)的從大到小升序排列的方法，計(jì)算第5百分位值都是8.8 mm，與實(shí)際頻率分布計(jì)算得到的差值為1.5 mm。本文將小時(shí)雨量的極端氣候事件確定為小時(shí)雨量≥10.3 mm的事件。

2 結(jié)果分析

2.1 小時(shí)極端降水事件多年變化規(guī)律

從1956—2020年宜昌小時(shí)極端降水頻次年際、年代際變化圖(圖1)可以看到，宜昌小時(shí)極端降水頻次每年均有差別，年際變化明顯，總體來說，年平均出現(xiàn)小時(shí)極端降水頻次為14次，具有弱增加趨勢(0.18次·10a-1)。短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)最多的年份為1973年，達(dá)29次，出現(xiàn)最少的年份為1959年，僅出現(xiàn)1次。從年代際變化來看，各年代交替變化明顯，最多出現(xiàn)在2000年代，達(dá)15.5次·a-1，最少出現(xiàn)在1970年代，為12.4次·a-1。

采用滑動(dòng)步長為10 a的滑動(dòng)T檢驗(yàn)法對1956—2020年宜昌逐年小時(shí)極端降水事件頻次進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，小時(shí)極端降水事件頻次在1975年前后發(fā)生了1次由多到少的突變，在1985年前后發(fā)生了1次由少到多的突變，均通過了0.1的顯著性檢驗(yàn)。進(jìn)一步將1956—2020年宜昌逐年小時(shí)極端降水事件頻次的逐年變化序列進(jìn)行譜分析，采用一維連續(xù)功率譜分析方法，取最大落后時(shí)間步長為18 a，圖2給出了的功率譜分布曲線。可見存在2.6 a周期通過了95%置信上限，說明宜昌小時(shí)極端降水頻次除長期趨勢變化外，還存在2.6 a左右的周期變化。

圖1 宜昌小時(shí)極端降水事件頻次年際、年代際變化Fig.1 Interannual and interdecadal variation of hourly extreme precipitation event frequency in Yichang

圖2 宜昌小時(shí)極端降水事件頻次滑動(dòng)T突變檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量(a)及功率譜分布(b)Fig.2 Sliding T abrupt change test statistics (a) and power spectrum distribution (b) of hourly extreme precipitation event frequency in Yichang

2.2 小時(shí)極端降水事件旬、日變化規(guī)律

從宜昌小時(shí)極端降水頻次旬變化分布來看(圖略)，小時(shí)極端降水頻次呈單峰型變化，這種單峰型分布與中國大陸降水量的季節(jié)分布基本一致，是典型的季風(fēng)氣候。其中4月上旬—6月中旬緩慢增多，6月下旬開始顯著增多；7月下旬達(dá)到峰值，平均小時(shí)極端降水次數(shù)為1.8次；隨后平均次數(shù)迅速較少，9月上旬降到1.0次以下。其中，6月下旬—8月下旬小時(shí)極端降水頻次占比達(dá)69%，可見該時(shí)段是宜昌小時(shí)極端降水出現(xiàn)較為集中的時(shí)段。

從宜昌平均小時(shí)極端降水頻次日變化分布來看(圖略)，小時(shí)極端降水頻次呈“V字型”分布，17時(shí)—次日03時(shí)是小時(shí)極端降水發(fā)生最為集中的時(shí)段，尤其是22時(shí)出現(xiàn)的頻次最高，年均出現(xiàn)小時(shí)極端降水次數(shù)為0.89次。13時(shí)出現(xiàn)頻次最低，僅為0.2次。

2.3 極端降水事件的持續(xù)性

極端強(qiáng)降水事件的長時(shí)間持續(xù)往往是暴雨洪澇災(zāi)害的主要原因，因此有必要對極端降水的持續(xù)性進(jìn)行研究。定義當(dāng)某一時(shí)次降水之后連續(xù)2 h沒有降水時(shí)，判定1次降水過程結(jié)束，將1次降水事件開始至結(jié)束的小時(shí)數(shù)定義為其持續(xù)時(shí)間。當(dāng)1次降水過程包含至少1 h極端降水事件時(shí)，定義該過程為1次極端降水事件。分析1956—2020年期間宜昌極端降水的持續(xù)時(shí)間分布(圖3)發(fā)現(xiàn)，極端降水的持續(xù)時(shí)間為1～40 h之間。從圖中可看出，宜昌極端降水的持續(xù)時(shí)間頻次分布多集中在2～4 h。其中以持續(xù)時(shí)間2 h出現(xiàn)最多，并隨著持續(xù)時(shí)數(shù)增加而迅速遞減。最長持續(xù)時(shí)間為40 h，歷史上僅發(fā)生了1次，從2013年9月23日17時(shí)開始，持續(xù)到25日09時(shí)結(jié)束，過程累積雨量106.9 mm。

不同極端降水的持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)頻率是通過不同持續(xù)時(shí)間的極端降水頻次除以65 a總降水時(shí)數(shù)(即前文提到的23 081 h降水樣本數(shù))得到的。為了求出極端降水最多出現(xiàn)的持續(xù)時(shí)數(shù)，利用期望公式，即：

(2)

其中：xi為持續(xù)i小時(shí)的極端降水事件出現(xiàn)總小時(shí)數(shù)；pi為對應(yīng)出現(xiàn)的頻率。由公式(2)可以求得宜昌極端降水的持續(xù)時(shí)間的期望為2.4 h?？梢娨瞬龢O端降水事件最為常見的降水持續(xù)時(shí)長是2.4 h。

圖3 宜昌極端降水事件持續(xù)時(shí)長分布Fig.3 Duration distribution of extreme precipitation events in Yichang

2.4 極端降水事件的強(qiáng)度特征

2.4.1 極端降水強(qiáng)度年際變化 本文定義某時(shí)段內(nèi)所有小時(shí)極端降水降水量總和為該時(shí)段降水極端強(qiáng)度。圖4給出的是1956—2020年宜昌極端降水強(qiáng)度年際及年代際變化曲線。由圖可知，宜昌極端降水強(qiáng)度總體上呈弱上升趨勢(3.4 mm·10 a-1)，波動(dòng)變化明顯。最大強(qiáng)度為562.6 mm(1989年)，最小值為11.1 mm(1959年)。從年代際變化來看，各年代極端降水強(qiáng)度也呈明顯的波動(dòng)變化趨勢，最大值出現(xiàn)在2000年代，年均強(qiáng)度為307.8 mm，最小值出現(xiàn)在1970年代，年均強(qiáng)度為230.8 mm。

圖4 宜昌極端降水強(qiáng)度年際、年代際變化Fig.4 Interannual and interdecadal variation of extreme precipitation intensity in Yichang

采用滑動(dòng)步長為10 a的滑動(dòng)T檢驗(yàn)法分析1956—2020年宜昌逐年極端降水強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，極端降水事件頻次在1975年前后發(fā)生了1次由強(qiáng)到弱的突變，在1986年前后發(fā)生了1次由弱到強(qiáng)的突變，均通過了0.1的顯著性檢驗(yàn)。進(jìn)一步將1956—2020年宜昌逐年極端降水強(qiáng)度的逐年變化序列進(jìn)行譜分析，發(fā)現(xiàn)宜昌逐年極端降水強(qiáng)度存在2.8 a左右的周期變化，與小時(shí)極端降水頻次2.6 a的周期變化較為接近，并通過了95%置信度檢驗(yàn)。

2.4.2 極端降水集中期強(qiáng)度特征 由前文對小時(shí)極端降水旬變化特征的分析可知，宜昌小時(shí)極端降水分布主要集中在6月下旬—8月下旬之間。對宜昌1956—2020年6月下旬—8月下旬逐年逐旬極端降水強(qiáng)度組成的二維矩陣歸一化后進(jìn)行主分量分析，得到前3個(gè)模態(tài)解釋方差。第1模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為50.19%，第2模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為14.12%，第3模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為11.44%，第4模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為8.94%。前3個(gè)模態(tài)方差明顯大于第4個(gè)模態(tài)，且累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到75.75%，基本能夠反映出宜昌極端降水的主要分布特征。

第1模態(tài)荷載向量均為正值，屬于正值同相位，表明宜昌極端降水強(qiáng)度變化呈現(xiàn)整體一致特性，即同時(shí)增大或同時(shí)減小，出現(xiàn)這種特征的分布顯然與共同的氣候變化因素具有明顯相關(guān)性。7月下旬是主要的高值區(qū)域，表明該旬極端降水強(qiáng)度變化相對顯著。這種分布類型占總方差的50.19%，是宜昌極端降水強(qiáng)度變化趨勢的最主要分布特征。從第1時(shí)模態(tài)間系數(shù)曲線看出，1956—2020時(shí)間系數(shù)均為正值，表明在各年份里宜昌極端降水強(qiáng)度在6月下旬—8月下旬的分布與第1特征向量的分布是一致的。

第2模態(tài)荷載向量在7月下旬與其他各旬呈反向分布，表明宜昌極端降水強(qiáng)度變化趨勢在7月下旬和其他各旬呈反向分布。這種空間分布特征類型占總方差的14.12%，是宜昌極端降水強(qiáng)度變化趨勢的另一個(gè)重要分布特征。從第2模態(tài)時(shí)間系數(shù)曲線看出，1956—2020年波動(dòng)性變化明顯，無顯著趨勢性變化。其中1970年、1988年、2013年有明顯的極大值，表明在上述年份宜昌極端降水強(qiáng)度變化分布與第2特征向量空間分布較接近，在上述年份里，7月下旬強(qiáng)度顯著偏弱；1973年、1995年、2018年有明顯的極小值，表明在上述年份里宜昌極端降水強(qiáng)度變化分布與第2特征向量空間反向分布較接近，即7月下旬強(qiáng)度偏強(qiáng)，其他旬強(qiáng)度偏弱。

圖5 宜昌極端降水強(qiáng)度前3個(gè)模態(tài)特征向量及時(shí)間系數(shù)分布(第1模態(tài)a、b；第2模態(tài)c、d；第3模態(tài)e、f)Fig.5 Eigenvector field distribution and time coefficient curve of the first three modalities of extreme precipitation intensity in Yichang(modality 1:a,b; modality 2:c,d; modality 3:e,f)

第3模態(tài)荷載向量在分布上與第2模態(tài)較為類似，7月下旬—8月上旬與其他各旬呈反向分布，表明宜昌極端降水強(qiáng)度變化趨勢在7月下旬—8月上旬與其他各旬呈反向分布。這種分布特征類型占總方差的11.44%，是宜昌極端降水強(qiáng)度變化趨勢的另一個(gè)重要特征。從第3時(shí)間系數(shù)曲線看，1962年、1989年、2020年有明顯的極大值，表明在上述年份里宜昌極端降水強(qiáng)度分布與第3特征向量空間分布較接近，即在上述年份里，7月下旬—8月上旬顯著偏弱；另外1970年、1988年、1995年有明顯的極小值，表明在上述年份里宜昌極端降水強(qiáng)度分布與第3特征向量反向空間分布較接近，即7月下旬—8月上旬偏強(qiáng)，其他各旬偏弱。

3 結(jié)論與討論

利用宜昌1956—2020年4—10月逐分鐘資料分析了宜昌極端小時(shí)降水的長期變化特征，主要結(jié)論如下：

①宜昌年均小時(shí)極端降水頻次為14次，呈弱增加趨勢，1975年左右發(fā)生1次由多變少的突變，1985年左右出現(xiàn)1次由少變多的突變，且都通過0.1的信度檢驗(yàn)，除長期變化趨勢以外，小時(shí)極端降水頻次還存在2.6 a左右的周期比變化趨勢，且通過了95%的置信度檢驗(yàn)。表明宜昌小時(shí)極端降水頻次除長期趨勢性變化外還存在突變和周期性變化特征。

②宜昌小時(shí)極端降水頻次旬變化呈單峰型分布，主要集中在6月下旬—8月下旬，峰值出現(xiàn)在7月下旬。其中4月上旬—6月中旬西太平洋副高脊線通常位于20 °N以南，宜昌處于前汛期，小時(shí)極端降水增加并不明顯； 6月下旬—7月中旬，宜昌往往處于梅雨期間，此時(shí)大型降水過程增多，小時(shí)極端降水也相應(yīng)增多；7月下旬—8月下旬，副高脊線通常繼續(xù)西伸北抬，宜昌位于副高邊緣對流不穩(wěn)定區(qū)域，局地強(qiáng)對流天氣頻發(fā)，小時(shí)極端降水顯著增多；隨后副高脊線通常繼續(xù)北抬，宜昌進(jìn)入盛夏，小時(shí)極端降水減少。可見宜昌小時(shí)極端降水頻次旬變化與西太平洋副熱帶高壓脊線的調(diào)整密切相關(guān)。

宜昌小時(shí)極端降水頻次日變化呈“V字型”分布，主要集中在17時(shí)—次日03時(shí)之間，峰值出現(xiàn)在22—23時(shí)之間。鄂西山區(qū)強(qiáng)降水在凌晨多發(fā)與西南低空急流通常在凌晨達(dá)到最大值有關(guān)，而且凌晨03—04時(shí)的地面氣壓是一天中的次低值，地面氣壓的降低使輻合增強(qiáng)，也有利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展，這也與高原東側(cè)地區(qū)“夜雨”多發(fā)類似。

③宜昌極端降水持續(xù)時(shí)間多集中在2～4 h之間，其中以2 h居多，數(shù)學(xué)期望值是2.4 h。

④宜昌逐年極端降水強(qiáng)度與降水頻次類似，呈弱增加趨勢，在1975年左右出現(xiàn)了由強(qiáng)到弱的突變，1986年左右出現(xiàn)了由弱到強(qiáng)的突變，且都通過了90%的信度檢驗(yàn)，除長期變化趨勢以外，極端降水強(qiáng)度還存在2.8 a左右的周期比變化趨勢，且通過了95%的置信度檢驗(yàn)。通過主分量分析發(fā)現(xiàn)，在6月下旬—8月下旬的降水集中期，宜昌極端降水強(qiáng)度具備以下特征：極端降水強(qiáng)度變化呈現(xiàn)整體一致特性，即同時(shí)增大或同時(shí)減小，該特征方差貢獻(xiàn)率為50.19%；極端降水強(qiáng)度變化在7月下旬和其他各旬呈反向分布，該特征方差貢獻(xiàn)率為14.12%；極端降水強(qiáng)度變化在7月下旬—8月上旬與其他各旬呈反向分布，該特征方差貢獻(xiàn)率為11.44%。