海口市近年短历时暴雨演变特征分析

黄国如，冼卓雁，陈文杰（.华南理工大学土木与交通学院，广东广州50640；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州50640）

海口市近年短历时暴雨演变特征分析

黄国如1，2，冼卓雁1，陈文杰1
（1.华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640；
2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州510640）

城市内涝与短历时暴雨有重要关系，为揭示城市暴雨内涝成因，选取海口站1951年—2012年逐时降雨资料，通过趋势线、小波分析、Mann-Kendall趋势检验、集中度等方法对海口市年最大1h降雨序列和暴雨频次进行统计分析。结果表明，海口市年最大1 h、3 h、6 h降雨量均呈增加趋势，且时段越长增加越明显，最大1 h降雨量存在17 a时间尺度上的变化周期，1 h降雨量≥20 mm、30 mm、40 mm的暴雨次数呈不同程度增加趋势，但增加幅度不明显。短历时暴雨次数呈现双高峰，6月和9月为高发时期，一天中短历时暴雨多发生在下午时段。

海口市；短历时暴雨；暴雨频次；集中度

暴雨内涝与强降雨特征息息相关，研究城市短历时暴雨特征，分析暴雨集中状况，进行暴雨内涝预警预报、确保人民生命财产安全、减少社会经济损失具有重要意义。随着城市化进程的不断加快，温室气体排放量快速上升，加之全球气候变化，城区气温上升导致城市降雨时空分布趋于不均匀，增强了各种极端降雨事件发生频率。近年来，国内外不少学者对短历时暴雨特征进行过研究，其研究方法主要有统计方法、气候学分析、天气学分析、中尺度分析等［1-5］。有学者对海口市暴雨时空特征演变规律进行过分析，令聪婧等［6］分析了1951年—2008年海口秋汛期（9月—10月）的旱涝特征及其影响因子，吴胜安等［7］分析了海南岛热带气旋降雨与年总降雨量的时空相关性，李福胜等［8］分析了海口市1951年—2010年降雨在年尺度和季尺度上的趋势、周期和突变情况，杨馥祯［9］对海口市夏秋（汛期）、冬春及逐年降雨序列进行距平分析和小波变换计算，吴慧等［10］分析了1951年—2000年海口市汛期不同等级降雨日数与汛期总降雨量的关系。上述已有的海口市暴雨研究成果主要针对海口市暴雨中长时间尺度开展研究，近年来海口市暴雨内涝事件频发 ，需利用相关短历时暴雨指标进行深入研究，进一步揭示海口市极端气候事件演变规律。

1 短历时暴雨年际变化特征

1.1 年最大1 h、3 h、6 h降雨量演变过程

选用海口站1951年—2012年逐年1 h降雨资料，统计62 a来历年最大1 h、3 h和6 h降雨量，其变化规律如图1所示。

图1 海口市年最大1 h、3 h、6 h降雨量序列

由图1可知，海口市年最大1 h、3 h、6 h降雨量以不同程度整体波动缓慢增加。年最大1 h降雨量的多年平均值为57.43 mm，最大值为1998年的128.7 mm，最小值为1984年的35.2 mm，整体上升幅度为0.10 mm/10 a。而年最大3 h和6 h降雨量序列分别以幅度为0.45 mm/10 a和4.17 mm/10 a增加，上下波动程度较大，两者峰值和次峰值出现年份相同，分别为1998年和1996年。降雨历时由1 h增加至6 h的同时，降雨量序列变化的波动程度增加，增加趋势明显，年最大短时降雨量增加的同时，连续强降雨的时间更长。

1.2 短历时暴雨频次分析

（1）暴雨频次多年变化

内涝频次受暴雨频次直接影响，研究短历时暴雨次数的变化特征具有重要意义。考虑到海口市常年湿润多雨、雨量偏大，本文以年为单位，统计了1 h降雨量超过20 mm、30 mm、40 mm的暴雨次数，如图2所示。

从图2可知，海口市不同级别的1 h暴雨次数表现出不同程度的增加趋势 ，1 h降雨量≥20 mm的暴雨平均每年发生15次，整体以0.76次/10 a增加，历史最多为2010年的31次，且近几年暴雨次数都相对偏多。1 h降雨量≥30 mm的暴雨平均每年发生6次，整体以0.2次/10 a增加，增幅较小。而1h降雨量≥40 mm的暴雨次数增加更为微弱，仅为0.01次/10 a，且在整个序列中多次出现零值。总体来说 ，短历时暴雨次数波动增加，但增加幅度不明显，特别是极端恶劣的暴雨次数变化不大。

（2）暴雨频次趋势检验

Mann-Kendall检验法是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法［11］，检验统计量 Z是服从标准正态分布的统计量，如果|Z|大于或等于1.40、1.64和1.96，分别表示序列通过了置信度为80%、90%和95%的显著性趋势检验。利用Mann -Kendall法计算1 h降雨量≥20 mm、30 mm、40 mm暴雨次数序列变化趋势，结果如表1所示。从表1可看出，不同级别的暴雨次数呈现出不同程度的增加趋势，其中超过20 mm/h暴雨次数序列通过了置信度水平为80%的显著性检验，呈弱增加趋势。同时暴雨强度阈值越小，增加趋势越明显，表明海口市短历时暴雨次数的频次变化主要是≥20 mm/h的暴雨次数增加 ，极端暴雨（≥30 mm/h和40 mm/h）次数的增加趋势较为微弱。

图2 海口市短历时暴雨次数序列

表1海口市短历时暴雨频次趋势分析结果

2 年最大1 h降雨量周期特征

小波分析作为研究水文序列特性的新兴工具，有别于传统的水文序列分析方法，它可反映水文序列在时间频率上的精细结构及多尺度变化特征，具有较强的周期特征提取能力。本文选用Morlet连续复小波［12］分析海口市年最大1 h降雨量序列的多尺度特征，得到小波系数实部等值线图（图3）。从图3可看出，海口市年最大1 h降雨序列中主要存在22 a～32 a、10 a～21 a和3 a～9 a三类尺度的周期变化规律，其中10 a～21 a尺度上位相变化关系的周期规律最为明显，在整个分析时段均表现出稳定的变化特征，中心尺度约为17 a；3 a～9 a尺度的位相变化次之 ，周期变化在20世纪90年代以后表现得较为稳定，中心尺度约为7 a；22 a～32 a尺度上也存在着正负交替变化的周期特征，中心尺度约为32 a。

图3 海口市最大1 h降雨小波系数实部等值线图

图4为年最大1 h降雨标准化序列的小波方差图，它反映了时间序列的能量随尺度的分布情况，可用来确定年最大1 h降雨量演化过程中存在的主周期尺度。从图4可看出，海口市年最大1 h降雨序列存在3个较为明显的峰值，依次为32 a、17 a和7 a，其中最大峰值对应的时间尺度为17 a，表明17 a左右的周期震荡最强烈，为年最大1 h降雨变化的最大主周期。第二、三峰值分别为7 a和32 a，对应着第二、三主周期，上述3个周期的波动控制着年最大1 h降雨在整个时间序列中的变化特征。

图4 海口市年最大1 h降雨小波方差图

为进一步说明年最大1 h降雨的周期变化特征，给出了海口市最大1 h降雨量在第一主周期（17 a）和第二主周期（7 a）时间尺度的小波实部过程线（图5），正值表示年最大1 h降雨量偏多。从图5可看出 ，17 a时间尺度上大致经历了6个偏多期和5个偏少期，平均周期约为12 a，在1956年以前、1962年—1967年、1974年—1979年、1985年—1990年、1996年—2001年、2008年以后为正相位，年最大1 h降雨量偏多。7 a时间尺度上的年最大1 h降雨量也出现正负波动，大致经历了13个偏多期和13个偏少期，平均周期约为5 a。同时由两图的曲线波动特征可知 ，大概在2013年或2014年之后，海口市年最大1 h降雨量进入偏少时期。

图5 海口市年最大1 h降雨序列17 a和7 a特征时间尺度小波实部过程线

3 短历时暴雨集中特点

3.1 暴雨次数的月分布规律

降雨不可能在一年12个月内均匀分布，即使在汛期，不同月份的降雨量也有所不同，因此有必要研究短历时暴雨的主要发生月份。选取不同阈值（20 mm/h、30 mm/h、40 mm/h），统计62 a不同级别短历时暴雨次数，每个月分布情况如图6所示。结果表明，海口市短历时暴雨次数高度集中在汛期（5月—10月）的同时，降雨量≥20 mm/h的暴雨次数呈现出双高峰的分布特征，6月份以总共154次排在首位，9月份以144次次之；降雨量≥30 mm/h的暴雨次数则以6月份的68次为最高，往后开始逐渐减少；降雨量≥40 mm/h的暴雨次数6月和9月最多，均为26次，其余几个月份之间差别不大。

3.2 短历时暴雨量集中情况

以半个月为一个研究个体，将每个个体的降雨量视为向量，一年汛期6个月看作一个圆周（360°），将某半个月降雨量看作该半个月降雨向量的模 ，该半个月月序与30度的乘积作为该半个月降雨向量的方向，定义了表征单站降雨时间分配特征的降雨集中度和集中期［13］。整个雨季12个个体组成一个圆周，每个半月的短历时暴雨事件的方向角度如表2所示。

图6 短历时暴雨次数月分布特征图

表2每个半月对应的角度值范围与代表的角度值

定义表征短历时暴雨时间分配的参量如下:

式中:PCD和PCP分别为短历时暴雨事件集中度和集中期；N为整个汛期短历时暴雨量；Nx和Ny计算方法如下:

式中:i为个体序号；θi为个体i对应的代表角度；ni为个体i对应的暴雨量。

PCD和PCP能反映短历时暴雨事件的集中程度和时段 ，如果暴雨事件的降雨量主要集中在某个半月，则合成向量的模与整个汛期短历时强降雨量的比值（即 PCD）较大，越接近1表示越集中，反之越分散。PCP是合成向量的方位角，可对照表2得到短历时暴雨集中出现的时间。

为了进一步分析短历时暴雨的分布状况，将汛期各个月分为上下半个月，计算每年汛期短历时强降雨（1 h降雨量≥20 mm）的集中期，再统计62 a中集中在某个半月的比例和平均集中度，结果如图7所示。从图7可看出，62 a中有16.13%的年份是集中发生在7月上半月，另外集中在6月下半月、8月下半月和10月上半月的年份也较多，集中比例分别为12.9%、12.9%和11.29%，总体形成一个三高峰的集中情况。但平均集中度均不超过0.5，说明短历时暴雨虽集中在某个时段 ，但集中程度不高。

图7 海口市汛期短历时暴雨集中情况

3.3 短历时暴雨的日变化特征

根据标准化降雨日变率可直观了解短历时暴雨的高发时段，本文将汛期各月均进行标准化降雨日变率分析，得到汛期各月份短历时暴雨的多发时段，并分析不同月份之间的差异。

标准化降雨日变率是将一天24 h某时段的降雨频率定义为这一时段内发生降雨的次数与全序列总观测的次数之比，再进行标准化处理，即可比较一天中不同时段的降雨频率［14］。计算过程如下:

式中:Pdn为小时降雨量（mm）；Cdn为短历时暴雨计数器；n为当地标准时间；D为观测天数，如5月份62 a有1922 d；fn为降雨发生频率；NFn为标准化的降雨发生频率，数值越大表示当地标准时间为 n时降雨发生频率越高。

计算海口市汛期短历时强降雨（1 h降雨量≥20 mm）的标准化降雨日变率（图8）。由图8可知，5月至8月短历时暴雨大多发生在下午13时～18时，频率远大于其他时段，峰型明显。进入9月份后高发时段扩大到上午8时至下午18时，短历时暴雨在白昼发生频率较高。而10月份的短历时暴雨分布较为均匀，在清晨3、4时的发生频率略高于其他时段。总体来看，随着汛期进行，一天中短历时暴雨的高发时段从下午扩大至白昼，再均匀分布至全天。

4 结 论

（1）海口市年最大1 h、3 h、6 h降雨量呈增加趋势，时段越长的短历时降雨量增加越显著，说明短历时强降雨的连续性更强。最大1 h降雨量存在17 a的第一主周期尺度和7 a的第二主周期尺度。1 h降雨量≥20 mm、30 mm、40 mm的暴雨次数呈不同程度的波动增加，但增加幅度不明显，特别是极端恶劣的暴雨次数变化不大。

（2）降雨量≥20 mm/h的暴雨次数呈现双高峰的分布特征，主要集中在6月份和9月份；降雨量≥30 mm/h的暴雨次数则主要集中在6月份，降雨量≥40 mm/h的暴雨次数6月和9月并列第一，其余几个月份之间差别不大。短历时降雨量主要集中在6月下半月至7月上半月、8月下半月和10月上半月，大体上与暴雨发生次数吻合。

（3）一天中短历时暴雨多发生在下午时段，由5月至8月下午13时至18时，9月份扩大到上午8时至下午18时，10月份全天范围内均等频率发生，随着汛期进行，一天中短历时暴雨的高发时段从下午扩大至白昼，再均匀分布至全天。

图8 海口市标准化降雨日变率气候特征（1951年—2012年）

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Analysis on Evolution Characteristics of Short Duration Rainstorm at Haikou City in Recent Years

HUANG Guo-ru1，2，XIAN Zhuo-yan1，CHEN Wen-jie1
（1.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510640，China；
2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510640，China）

Urban waterlogging is greatly related to the short duration rainstorms.In order to understand the causes of urban rainstorm waterlogging，based on the hourly precipitation data at Haikou station during the period of 1951—2012，the characteristics of the rainstorms in Haikou city were analyzed from the aspects of trend line，wavelet analysis，Mann -Kendall trend method，concentration degree，etc.The results showed that the annual maximum precipitation of 1 h，3 h，6 h were increasing，and the array of 6 h increased more obviously.There existed a periodicity of 17 a timescale of the annual maximum 1 h precipitation.The frequency of rain intensity≥20 mm/h，30 mm/h，40 mm/h increased at different rate in a small range.The frequency of rainstorm occurring in June and September was much higher than the other months.and mostly happened in the afternoon of the day.

Haikou city；short duration rainstorm；rainstorm frequency；degree of concentration

P333.2

A

1672—1144（2015）02—0121—06

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.025

2014-09-29

2014-10-30

水利部公益性行业科研专项经费项目（201301093，201401048）；华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究课题项目（2014ZC09）

黄国如（1969—），男，江苏南京人，教授 ，博导 ，主要从事水文水资源方面的教学与科研工作。E-mail:huanggr@scut.edu.cn