1961—2010年上海市各量级降水的多尺度变化特征研究

王 轩，尹占娥，迟潇潇，殷 杰

doi：10.7515/JEE201503004

1961—2010年上海市各量级降水的多尺度变化特征研究

王 轩1，尹占娥1，迟潇潇1，殷 杰2

（1.上海师范大学 地理系，上海 200234；2.浙江工商大学，杭州 310018）

为了详尽地了解气候变化下上海市降水变化特征，合理开发管理城市水资源，利用上海市10个地方气象站1961—2010年逐日降水数据，综合利用累积距平、滑动平均、线性倾向估计、百分位、去趋势波动等方法系统分析近50年来上海市10个站点降水指标的季节、年际、年代际变化特征。研究发现：1）研究区降水经历了1960s、1970s年代的下降期，1980s、1990s和2000s年代的快速增长期，最早出现变化的是上海市南部地区，但是变化幅度最大、变化趋势最为复杂的是市区徐家汇站；2）研究区季节降水分配不均，且市区与郊区存在较大的数值差异，变化幅度上，各站点夏季、冬季降水呈显著增加趋势，春季和秋季降水呈不显著下降趋势；3）研究区各站点降水强度有增强趋势，主要表现在暴雨量级以下降水频次变少，但是总量增多，且暴雨与大暴雨以上量级降水频次增多，空间上各站点响应时间与幅度存在差异；4）基于百分位和DFA两种方法计算的极端降水研究都表明，研究区各站点极端降水呈显著增强趋势，两种方法计算的市区徐家汇站5年滑动降水量年递增率分别为20.1 mm·（10a）-1和28.3 mm·（10a）-1。

水资源；降水特征；指标；差异；上海

IPCC评估报告显示，当前全球气候正处于持续变暖期（IPCC，2007），气候变暖通过陆地水循环影响水资源在时空分布上的重新分配，而降水变化直接影响着各地区水资源利用、农业生产、生态系统管理等，进而间接影响着地区经济发展（Ashiq et al，2010；常远勇等，2012）。因此，区域降水的时空变化特征引起了众多学者的广泛关注（Goswam i et al，2006；Guhathakurta et al，2011；姜德娟等，2011；于文金等，2012；郭雪等，2013）。

目前气象领域对降水的研究大多集中于全国或流域等大空间尺度（Chen et al，2009；于文金等，2012；郭雪等，2013），而基于大尺度的降水研究常常受限于气象站点分布不均，其空间分辨率偏低，不能详尽地揭示区域内部降水差异问题，对地方政府在水资源利用与管理上提供的参考有限。因此，为了更好地揭示气候变化背景下区域降水的变化特征，必须重视城市尺度的降水研究。上海地处亚洲大陆东沿，属亚热带季风气候，由于处于天气系统过渡带，受冷暖气流的交替作用十分明显，气候特征比较复杂，以往学者虽然对上海市降水情况已有研究（周丽英和杨凯，2001；贺芳芳和徐家良，2006 ），但是限于降水资料的时间与空间精度，不能完全反映出上海市长时间降水的空间差异。本文选取上海作为典型城市实证区，重点研究气候变化背景下上海市长时间序列的降水变化特征，力求全面详尽地揭示上海市区域内部的降水时空特征与差异性，为相关部门因地制宜地管理城市水资源提供参考和依据。站基本均匀覆盖上海市全境（图1），确保了研究数据在空间上能够详尽地展现区域降水内部差异，该数据精度为0.1 mm，资料来源为上海市气象局。

图1 研究区及气象站点分布Fig.1 Study area and distribution of meteorological stations

1 研究数据与方法

1.1 研究数据

本研究所用的气象资料为上海市10个地方气象站1961—2010年逐日降水数据，时间跨度上能够满足长时间序列的降水特征分析，气象台

1.2 研究方法

参考国家气象局对于降水量等级的划分，定义暴雨以下（＜50 mm）、暴雨（50 ～ 99.9 mm）、大暴雨及以上（≥100 mm）三个降水等级的降水频次、降水总量六个指标，从季节、年际、年代际等时间尺度，综合运用累积距平（黄嘉佑，1995）、滑动平均、线性倾向估计、百分位、去趋势波动（杨萍等，2008）等气象分析方法研究上海市近50年的降水变化趋势和特征；同时，借助于ArcGIS强大的空间展示能力，利用自然断点分类法对研究区降水量的空间变化进行可视化表达。

2 研究结果

2.1 上海降水季节性变化

综合利用5年滑动平均以及线性倾向估计方法，研究上海市10个地方台站的季节降水总量变化情况，限于篇幅，只列出徐家汇站作为代表（下文同），见图2。分析所有站点发现：

1）上海市降水季节性差异较大，春季、夏季降水偏多，冬季降水最少，以徐家汇站为例，春季降水年平均量为290.9 mm，夏季为488.5 mm，秋季为251.9 mm，冬季只有154 mm；同时，研究区各站点季节降水存在较大的数值差异，市区春季、冬季降水少于郊区，夏季、秋季降水多于郊区，且距市区越远，数值差异越显著，例如，闵行、宝山站离市区较近，季节平均降水量接近于徐家汇站，奉贤站离市区较远，季节降水与市区差异较大，春季降水量为304.3 mm，夏季为419.6 mm，秋季为247 mm，冬季为160.7 mm。

2）降水倾向率方面，上海市春季、秋季降水呈不显著下降趋势，夏季、冬季降水呈明显的增强趋势，但是各区域，尤其是城郊变化幅度存在较大差异，例如，徐家汇站春季降水5年滑动降水量年递减率为5.5 mm·（10a）-1，秋季为5.8 mm·（10a）-1；夏季降水5年滑动降水量年递增率为69.9 mm·（10a）-1，冬季为18.1 mm·（10a）-1；宝山站春季、秋季5年滑动降水量年递减率分别为9.7 mm·（10a）-1和4.6 mm·（10a）-1；夏季、冬季5年滑动降水量年递增率分别为57.3 mm·（10a）-1和18.9 mm·（10a）-1；奉贤站春季、秋季5年滑动降水量年递减率分别为4.4 mm·（10a）-1和16.3 mm·（10a）-1；夏季、冬季5年滑动降水量年递增率分别为56 mm·（10a）-1和13 mm·（10a）-1。

图2 徐家汇站季节降水特征Fig.2 Seasonal precipitation characteristic of Xujiahui station

2.2 上海降水年际变化

参考国家气象局24小时降水量等级划分标准，统计研究区10个台站的各年暴雨以下（＜50 mm）、暴雨（50～99.9 mm）及大暴雨以上（≥100 mm）的降水日数与降水总量，计算各量级降水指标的多年距平值，采用累积距平法研究上海市多年降水特征，研究结果见图3。分析发现：

1）暴雨量级以下降水频次呈现“减—增—减”趋势，1970年之前下降趋势明显，1971—2000年增加趋势显著，之后呈显著下降趋势，且正距平居多，但是变化幅度上，市区徐家汇站与其他站点差异较大，徐家汇站暴雨量级以下降水频次累积距平最大值出现在1985年左右，为49 d，其他站点最大累积距平都突破80 d，时间大概在1991年左右，说明市区该量级降水频次波动较大，其他区域增长趋势较为稳定；降水总量基本呈现“减增”趋势，市区徐家汇站在1997年之前下降趋势明显，之后出现增加趋势，其他站点发生趋势转换的时间较早，基本在1972年左右，研究区暴雨以下降水总量负距平偏多，且市区徐家汇站最大累积负距平远远大于其他站点，达到-1751 mm，时间为1997年，其他区域最大负距平出现在1972年左右，值为-1000 mm左右。

图3 徐家汇站降水年际变化Fig.3 Precipitation inter-annual change of Xujiahui station

2）暴雨量级降水频次在1988年之前较为稳定，之后突然出现显著增加趋势，且各区域差异较大，市区最大累积距平达到13 d，时间为2000年，最小累积距平为-9.6 d，时间为1984年，郊区如奉贤等站点的最大累积距平为4 d，时间为2001年，最小累积距平为-13 d，时间为1982年，说明1988年之前市区徐家汇站暴雨量级降水频次减少幅度小于其他区域，但是1988年之后增长幅度远大于其他区域；降水总量与降水频次变化趋势基本一致，且城郊差异较大，市区徐家汇站降水量最大累积距平超过900 mm，其他站点大概为350 mm左右。

3）大暴雨量级以上降水频次与总量变化趋势高度一致，都表现为“减—增”趋势，这是由于该等级降水强度已经达到或超过极端降水阈值，趋势变化时间点为1994年左右，但是市区、郊区变化幅度上仍存在差异，市区徐家汇站变化幅度最大，最小降水频次累积距平为-7 d，降水量累积距平为-988.1 mm。

2.3 上海降水年代际变化

利用研究区10个气象站点逐日降水数据统计50年来的各量级年降水量，并以每10年为一个年代，计算各量级年代平均降水量，最后计算各量级降水年代际距平值，基于ArcGIS强大的空间数据显示能力，采用自然间断点与手动分类结合的方法，得到各年代降水变化的空间表达，见图4。

分析发现，研究区年代际降水变化规律性明显：整体上，1960s和1970s年代降水总量呈现下降趋势，市区徐家汇站下降幅度要远远大于其他地区，但是研究区南部地区暴雨以下降水开始出现增加趋势；1980s和1990s研究区整体上迎来了降水总量的大增长，大部分站点各等级降水总量都大幅增长，尤以市区徐家汇站在90年代暴雨量级降水增长的最多；进入21世纪后，研究区暴雨量级降水减少，但是特大暴雨量级降水显著增多，说明降水向更高等级转变，仍然以市区徐家汇站增长最多。

2.4 极端降水研究

从前文对上海市各站点降水特征分析可以发现，上海市降水强度有向高等级转化的趋势，即部分降水有可能构成极端降水。前文虽然已经基于国家气象局标准对暴雨及以上等级降水进行了分析，但是国家气象局定义的暴雨阈值标准并不一定适用于上海本地的极端降水研究，而上海又是极端气候事件发生频繁的城市，极端降水的研究对于上海市水务管理、城市暴雨内涝管理等都有着重要的意义，因此，有必要更好地识别适合上海市本地的极端降水阈值及极端降水的变化特征。

2.4.1 极端降水定义

极端降水阈值定义方法多种多样（罗梦森等，2013），本文基于各站点逐日降水资料采用百分位法以及DFA法定义适合上海本地的极端降水阈值，见表1。

图4 上海市降水年代际变化?Fig.4 Precipitation inter-decadal change of Shanghai

表1 各站点极端降水阈值Table 1 Extreme precipitation threshold for the meteorological stations

2.4.2 极端降水变化特征

基于前文百分位法以及DFA法定义的极端降水阈值，统计各站点1961—2010年来各年超过阈值的极端降水总量，综合利用5年滑动平均与气候倾向估计法研究极端降水时间变化特征，见图5。分析发现：

1）根据DFA法定义的极端降水阈值，计算多年平均极端降水量，上海市各区县年均极端降水总量分布在76.1～123.5 mm，郊区极端降水起伏大于市区，市区徐家汇站1990年之前表现为降水偏少，之后显著偏多，郊区站点降水偏多偏少年份比较复杂；各站点极端降水总量在波动中都呈增长趋势，5年滑动降水量年递增率在11.2～28.3 mm·（10a）-1，极端降水变化幅度从市区向近郊区（如闵行、宝山等地），再向远郊区（如崇明、南汇等区域）逐渐变小。

2）根据百分位法定义的极端降水阈值，计算多年平均极端降水量，上海市各区县年均极端降水总量分布在110.2～129.7 mm，变化范围明显小于DFA法计算的极端降水量，且极端降水起伏度小于DFA法计算结果，各站降水偏多偏少年份比较一致；各站点极端降水变化趋势与DFA法表现一致，都是在波动中呈增加趋势，5年滑动降水量年递增率在13.1～41.6 mm·（10a）-1，且极端降水变化幅度也存在明显的地域分布。

综上，两种方法都证实了研究区极端降水存在显著的增加趋势，且城郊雨岛差异性明显。

图5 徐家汇站极端降水年际变化Fig 5 Extreme precipitation inter-annual change of Xujiahui station

3 讨论与结论

本文基于上海市长时间序列降水资料，综合采用累积距平、滑动平均、线性倾向估计、百分位、DFA等方法，从气候变化角度研究了上海市各量级降水的多时间尺度变化特征，研究发现了城市降水的一些规律性，如：研究区整体上夏季、冬季降水呈显著增加趋势，春季和秋季降水呈不显著下降趋势；研究区降水强度有增强趋势，主要表现在暴雨量级以下降水频次变少，但是总量增多，且暴雨与大暴雨以上量级降水频次增多；研究区降水大致经历了1960s、1970s年代的下降期，1980s、1990s和2000s年代的快速增长期。

同时，研究也发现上海市降水空间差异显著，最早发生降水变化趋势改变的是上海市南部地区，时间大概出现在70年代，查阅前人研究成果发现，这段时间东亚夏季风处于增强期（施能等，1996），上海市降水特征比较符合东亚夏季风对降水的影响规律；而90年代之后市区徐家汇站各等级降水变化幅度远大于上海市其他站点，这段时间正是上海高速城市化的发展时期，结合前人研究成果（陈敏和张国琏，2007）可以发现，城市化产生的热岛效应对局部天气的影响已经越来越明显，现如今，在气候变化和城市化的双重大背景下，城市降水的不均匀性以及极端降水发生概率的增大引发了一系列的城市问题，因此，未来城市建设、城市规划、城市排水、城市生态保护等都应该充分考虑降水的影响，尤其是加强应对极端降水潜在影响的措施与保障。

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Characteristics of different magnitude precipitation change in Shanghai during 1961—2010

WANG Xuan1，YIN Zhan-e1，CHI Xiao-xiao1，YIN Jie2
（1.Department of Geography，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China；2.Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310018，China）

In order to understand the characteristics of precipitation under climate change completely，develop and manage the water resources rationally in Shanghai，the daily rainfall data from 1961 to 2010 of 10 meteorological stations were used.The seasonal，inter-annual and inter-decadal variation of different precipitation index in latest 50 years in Shanghai were analyzed by the methods of cumulative departure，smoothing averages，linear trend analysis，percentile，de-trended f uctuation analysis （DFA） and so on.The research indicated that f rstly，Shanghai experienced a precipitation declining period in 1960s and 1970s，a rapid grow th in 1980s，1990s and 2000s，and the southern part of Shanghai was the f rst area which began to experience the trend variation，but the urban area was the most complex and experienced the maximum variation trend.Secondly，the seasonal distribution of precipitation was quite different both in time and spatial scale in Shanghai，besides，there was an obvious increasing trend in precipitation amount in summer and w inter and annual increasing rate of precipitation amount sliding 5 years reaches 56.23 mm·（10a）-1and 16.71 mm·（10a）-1while spring and autumn experiencedan unobvious decreasing trend.Thirdly，there was an increasing trend about precipitation intensity，mainly displayed in that the frequency under rainstorm decreased while the amount increased，and the frequency increased in rainstorm as well as heavy rain，but there were signi f cant time and intensity differences in urban，suburban and outer suburban district.Finally，the extreme rainfall was studied by the method of percentile and DFA，both of the two methods indicated that the extreme rainfall increased a lot under the climate change scenarios，the urban area experienced a bigger grow th rate than other areas.

water resources；precipitation characteristics；index；divergence；Shanghai

P426.6

A

1674-9901（2015）03-0161-07

2014-10-14

国家自然科学基金资助项目（41371493，41071324，41201550）；上海市教委科研创新项目（13YZ061）

尹占娥，E-mail：zhaneyin@126.com