1961-2015年安徽省小时降水变化特征与极值分布*

谢五三，吴 蓉，宋阿伟

(安徽省气候中心，安徽 合肥 230031)

1961-2015年安徽省小时降水变化特征与极值分布*

谢五三，吴 蓉，宋阿伟

(安徽省气候中心，安徽 合肥 230031)

运用安徽省79个国家站1961-2015年逐小时降水资料，结合多种数理统计方法分析近55年来安徽省小时降水的分布及变化特征，并基于广义极值分布研究小时降水的概率分布及重现期，旨在为当前暴雨洪涝灾害风险预警以及实时气象防灾减灾等业务提供技术支撑。结果表明：安徽省最大1 h、3 h、6 h、12 h降水量空间分布型基本一致，极端强降水局地性特征明显，且主要发生在梅雨期及台风引发的强降水；不同等级小时降水日变化特征存在明显差异，特大暴雨和大暴雨日变化呈单峰型分布，而其它等级的小时降水均呈双峰型分布，全省绝大部分地区的小时强降水存在增多趋势；全省62%台站小时雨量服从于极值Ⅱ型分布，其余38%台站服从于极值Ⅲ型分布，8个典型代表站概率密度分布重尾均在右侧，属于右偏态分布，其中安庆、宿州和合肥呈现“尖峰厚尾”的分布特征，出现小时极端强降水的概率相对较大，各典型代表站不同重现期小时雨量差异明显，但与其空间分布没有明显的相关性。

小时降水；变化趋势；极值分布；重现期；安徽省

在全球气候变化背景下，降水变化越来越受到社会各界的广泛关注，特别是针对极端强降水的研究愈显重要。受资料限制，对日、月、年等时间尺度的极端强降水研究较多[1-2]，而对小时尺度强降水的研究相对较少，如翟盘茂等[3]研究指出，我国的极端强降水平均强度和极端强降水量都呈增加的趋势，极端强降水事件也趋于增多，但存在明显的区域差异[4-5]，我国西部、东北北部、长江中下游、东南沿海增加，而东北南部、华北、西北东部减少。符娇兰等[6]指出近45年来长江中下游地区大雨和暴雨的发生频率增加。近年来，随着气象自动站的广泛应用以及历史降水自记纸的信息化，不少学者开始对更高时间分辨率的逐小时降水资料进行深入研究[7-8]，李建等[9-10]利用中国321站小时降水资料分析中国中东部极端降水的持续性和季节特征以及小时极端降水阈值等；韩宁等[11]利用2005-2010年5-9月区域站1h降水资料分析陕甘宁三省不同强度短时强降水时空分布特征及天气学概念模型。极端降水的模拟研究对水利工程设计、农业经济发展、气候变化监测、气象防灾减灾等方面至关重要[12]，研究表明，广义极值分布对洪涝、干旱及大风等气象极端事件的拟合适用性较好[13-15]，苏布达等[16]利用Weibull分布研究长江流域降水极值时间序列的分布特征，田付友等[17]基于Γ函数分析我国暖季小时降水概率分布，相关研究对于人们认识极端强降水的极值分布特征具有重要意义。

安徽地处我国南北气候过渡带，天气气候复杂多变，极端强降水事件多发频发，常引发中小河流洪水、山洪、城市内涝等灾害，造成严重的经济损失和人员伤亡，因而对安徽省极端强降水的研究具有重要意义。本文应用安徽省所有国家站逐小时降水资料，分析1961-2015年安徽省小时降水变化特征，并基于广义极值分布研究安徽省小时降水极值分布及不同重现期小时雨量，可为气象灾害风险预警及实时气象防灾减灾等业务提供技术支撑。

表1 安徽省1 h降水量等级划分

1 资料与方法

本文选用安徽省79个国家站1961-2015年逐小时降水资料，分析安徽省小时降水特征，所有资料来自安徽省气象信息中心并经过严格质量控制，站点分布和资料质量均满足研究需要。针对小时降水强度分级，采用现行的安徽省地方标准《短时临近降雨强度等级划分》(DB 34/T 1592-2012)[18]进行划分，1h降水强度等级划分如表1所示。

根据该等级划分，统计分析不同等级(小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨)小时降水日变化特征，进而通过年际、年代际演变以及线性倾向和趋势系数[19]等分析近55年安徽省小时强降水(暴雨及以上小时降水)变化特征。

广义极值分布(GEV)对于强降水、干旱等极端天气气候事件的拟合适用性较强，将Gumbel(耿贝尔)、Frechet(弗雷歇)、Weibull(威布尔)三种极值分布统一为具有三个参数的分布函数如下：

(1)

式中：ζ、μ、σ分别为形状、位置和尺度参数。当ζ→0时为极值Ⅰ型(Gumbel分布)；当ζ<0时为极值Ⅱ型(Frechet分布)；当ζ>0时为极值Ⅲ型(Weibull分布)。本文运用广义极值分布研究安徽省小时极端强降水累积频率及概率分布特征，进而计算得到各地区不同概率以及不同重现期下小时极端降水量。

2 结果分析

2.1 不同时段最大降水量

根据安徽省79个国家站1961-2015年逐小时降水资料，提取各站最大1 h、3 h、6 h、12 h降水量可知：最大1 h、6 h、12 h降水均出现在界首站，降水量(出现时间)分别为120.0 mm(2000年7月13日23时)、369.5 mm(1972年7月1日21时至1972年7月2日02时)和416.3 mm(1972年7月1日21时至1972年7月2日08时)，最大3 h降水出现在来安站，降水量(出现时间)为276.9 mm(1975年8月17日22时至1975年8月18日00时)。

从各站最大1 h、3 h、6 h、12 h降水量分布图(图1)可以看出，各时段最大降水量分布型基本一致，均没有明显的经向或纬向空间分布特征，局地性较强，高值区主要位于淮北西部、淮北至沿江东部、大别山区以及江南中部等地。根据各站不同时段强降水出现时间可知，安徽省短时强降水主要出现在梅雨期，也即梅雨期强降水，如1972年、1984年、1991年以及2007年等；此外就是台风引发的强降水，如2005年第13号台风“泰利”、2008年第8号台风“凤凰”、2010年第6号台风“狮子山”等，造成多个台站出现强降水并创历史极值。

2.2 小时降水日变化特征

根据安徽省地方标准《短时临近降雨强度等级划分》[18]，对所有台站1 h降水强度进行等级划分，统计不同等级1 h降水在各时次出现的频率，分析1961-2015年安徽省不同等级小时降水日变化特征(图2)，由图2可以看出：特大暴雨日变化特征最为明显，呈单峰型分布，峰值出现在午后15时至傍晚18时，其次为大暴雨，分布类型和峰值出现时间与特大暴雨基本一致，而小雨、中雨、大雨、暴雨都呈双峰型分布，其中中雨、大雨、暴雨峰值分别出现在早晨6时至上午9时、午后15时至傍晚18时，小雨峰值分别出现在早晨5时至7时、晚上18时至20时。

2.3 小时强降水变化趋势

不同等级小时降水中，小时强降水是造成山洪、泥石流、城市内涝等灾害的主要因素，其特征及变化趋势历来为社会关注的热点。本文选取安徽省所有台站1961-2015年暴雨及以上等级(1 h降水≥8.0 mm)的1 h降水资料，统计分析安徽省小时强降水年际变化、年代际变化、线性趋势以及各站线性倾向、趋势系数等特征。由图3可以看出：1961年以来，安徽省出现小时强降水的年际波动较大，最多出现在1991年，全省平均达38次，最少为1978年，全省平均仅10次，两者相差近4倍；从线性趋势线的趋势项系数(0.1208)和复相关系数(R2=0.1271)可知，安徽省小时强降水次数存在明显的增多趋势，且通过了99%的显著性检验；从年代际变化曲线也可以看出，小时强降水在各年代基本呈稳步增多趋势。

从各站小时强降水线性倾向分布图(图4)可以看出，仅淮北北部线性倾向为负值，其它绝大部分地区数值为正，表明安徽省绝大部分地区的小时强降水存在增多趋势，由线性倾向高值区分布可知，增多趋势最显著地区位于淮北中部、大别山区、沿江大部及江南西南部。

图1 1961-2015年安徽省最大1 h、3 h、6 h、12 h降水量分布(mm)

图2 不同等级小时降水日变化特征

图3 1961-2015年安徽省历年出现小时强降水次数

图4 1961-2015年安徽省各站小时强降水线性倾向

2.4 小时降水极值分布特征

为掌握近55年安徽省小时降水极值分布特征，基于安徽省所有台站1961-2015年逐小时雨量资料，采用广义极值分布确定各站小时降水极值分布函数。由各站小时雨量极值分布函数的形状参数(图5)可知：大部分台站(62%)小时雨量极值分布函数形状参数为负值，服从于极值Ⅱ型分布(也即Frechet分布)，最小为岳西站(-0.249)，其余38%台站形状参数为正值，服从于极值Ⅲ型分布(也即Weibull分布)，最大为界首站(0.364)。

图5 安徽省各站小时雨量极值分布函数形状参数(红色为负值，绿色为正值)

2.5 典型代表站小时降水概率分布

为进一步了解安徽省小时降水概率分布特征，自北向南选取8个典型代表站进行分析，分别为：宿州、阜阳、寿县、蚌埠、合肥、芜湖、安庆、屯溪，其中寿县和屯溪为国家基准站，其余均为国家基本站。

根据8个典型代表站1961-2015年逐小时雨量资料，采用广义极值分布计算各站小时雨量累积频率分布及概率密度分布(图6)，由小时雨量累积频率分布的原始曲线和拟合曲线可知，各站累积频率分布曲线形态各不一样，但拟合效果均较好。

图6 典型代表站小时雨量累积频率分布及概率密度分布

站号站名极值分布参数形状参数(ζ)尺度参数(σ)位置参数(μ)峰度系数偏度系数58122宿州011011302343704359124358203阜阳-006210414335072872058258215寿县-019011205319352584031658221蚌埠-009011079326384442081858321合肥004510129316074457123058334芜湖-014310824306084106065058424安庆011912521354924585128458531屯溪-004883053162232110778

图7 典型代表站不同重现期小时雨量

2.6 典型代表站不同重现期小时雨量

根据8个典型代表站小时雨量极值分布，计算各站不同重现期下(5年、10年、15年、20年、30年、50年和100年一遇)小时雨量(图7)，由图7可以看出，各典型代表站不同重现期小时雨量差异明显，在同一重现期下，安庆、宿州和合肥3个站小时雨量较大，出现小时极端强降水的概率也相对较大；其中5年一遇小时雨量最大为安庆站(56.1 mm/h)，最小为屯溪站(43.6 mm/h)，相差近30%，100年一遇小时雨量最大为安庆站(112.2 mm/h)，最小为屯溪站(65.9 mm/h)，相差近70%。此外，分析比较各典型代表站不同重现期小时雨量与空间分布之间的关系，两者没有明显的相关性，这也表明安徽省小时极端强降水局地性较强。

3 结论与讨论

(1)安徽省最大1 h、3 h、6 h、12 h降水量分别为120.0 mm、276.9 mm 、369.5 mm和416.3 mm，各站不同时段极端强降水均没有明显的经向或纬向空间分布特征，局地性较强，高值区主要位于淮北西部、淮北至沿江东部、大别山区以及江南中部等地；极端强降水主要出现在梅雨期，其次为台风引发的强降水。

(2)不同等级小时降水日变化特征存在明显差异，特大暴雨日变化呈单峰型分布，峰值出现在午后15时至傍晚18时，大暴雨的分布类型和峰值出现时间与特大暴雨基本一致，而小雨、中雨、大雨、暴雨都呈双峰型分布。小时强降水次数年际波动较大，最大相差近4倍；全省绝大部分地区小时强降水存在增多趋势，最显著地区位于淮北中部、大别山区、沿江大部及江南西南部。

(3)全省大部分台站(62%)小时雨量服从于极值Ⅱ型分布，其余38%的台站服从于极值Ⅲ型分布，各站累积频率分布曲线形态各不一样，极值分布拟合效果均较好。8个典型代表站概率密度分布均属于右偏态分布，安庆、宿州和合肥呈现“尖峰厚尾”分布特征，出现小时极端强降水概率相对较大。各典型代表站不同重现期小时雨量差异明显，但与其空间分布没有明显的相关性，小时极端强降水局地性较强。

陶诗言先生曾指出：考虑地形对暴雨的影响时要注意降水的时间尺度，对于时间尺度很短的暴雨，不容易看出地形对暴雨的作用。日本学者二宫洸三也曾指出：短时间雨量极值分布与地形没有关系，而日雨量极值分布与地形关系密切；本文在分析安徽省最大1 h、3 h、6 h、12 h降水分布、小时降水极值分布以及不同重现期小时雨强分布时，均未发现其有明显的空间分布特征，局地性较强，这与前人研究结论是一致的，但这并不表明地形对短时强降水没有影响，相反，其关系非常复杂，要深入了解安徽省小时强降水空间分布及极值分布形态的成因，需要综合分析不同尺度的天气系统、动力和水汽条件、环流背景以及地形等多方面因素，这有待于进一步研究。

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为完整起见，首先简单介绍柱面坐标系。设M（x,y,z）是空间中一点，过点M作直线和坐标面xOy垂直相交于点 M'，称点 M'为点 M在坐标面 xOy上的投影；设点M'的 极 坐 标 是 （r,θ），称 有 序 三 元 数 组 （r,θ,z） 为 点 M的柱面坐标(如图 1所示)。

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Variation Characteristics and Extreme Value Distribution of HourlyPrecipitation of Anhui Province from 1961 to 2015

XIE Wusan, WU Rong and SONG Awei

(AnhuiClimateCenter,Hefei230031,China)

Byusinghourlyprecipitationdataof79nationalmeteorologicalstationsfrom1961to2015inAnhuiprovince,andcombiningwithavarietyofmathematicalstatisticalmethods,Weanalyzethedistributionandvariationcharacteristicsofhourlyprecipitationinrecent55yearsinAnhuiprovince,andstudytheprobabilitydistributionandreturnperiodofhourlyprecipitationbasedongeneralizedextremevaluedistribution,andaimtoprovidethetechnicalsupportforcurrentservicesincludingflooddisasterriskearlywarningandreal-timemeteorologicaldisasterpreventionandmitigation.Theresultsshowthatspatialdistributionsofmaximumprecipitationof1hour, 3hours, 6hoursand12hoursarebasicallysimilar,extremeheavyprecipitationhaveobviouslocalcharacteristicsandhavemainlyoccurredinMeiyuandtyphoonperiods.Therearesignificantdifferencesinthediurnalvariationcharacteristicsofhourlyprecipitationatdifferentlevels,thetorrentialrainanddownpourshowthesinglepeakdistribution,butotherlevelsofhourlyprecipitationshowthedouble-peakdistribution,andalsothereisanincreasingtrendofhourlyprecipitationinmostpartsofAnhuiprovince.Thehourlyprecipitationof62%stationsfollowtheprobabilitydistributionofextremevaluetypeⅡ,theother38%stationsfollowtypeⅢ.Forthe8typicalrepresentativestations,theheavytailedofprobabilitydensitydistributionareallontherightside,andbelongtotherightskeweddistribution.Anqing,SuzhouandHefeiareasthedistributioncharacteristicsof“highpeakandfattail”,theprobabilityofoccurrenceofextremeheavyprecipitationisrelativelylarge.Indifferentreturnperiods,thehourlyprecipitationsofthetypicalstationsaresignificantlydifferent,butthereisnoobviouscorrelationwithitsspatialdistribution.

hourlyprecipitation;changetrend;extremevaluedistribution;returnperiod;Anhuiprovince.

2016-10-28

2017-01-15

中国气象局气候变化专项(CCSF201714)；淮河流域气象开放研究基金(HRM201607)；安徽省气象局科技发展基金项目(KM201504)

谢五三(1981-)，男，汉族，安徽枞阳人，硕士，高级工程师，主要从事极端天气气候事件监测及气候影响评估工作. E-mail：xiewusan2008@sina.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.009.]

X43；P456

A

1000-811X(2017)03-0045-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.009

谢五三，吴蓉，宋阿伟. 1961-2015年安徽省小时降水变化特征与极值分布[J]. 灾害学，2017，32(3)：45-50. [XIE Wusan, WU Rong and SONG Awei. Variation Characteristics and Extreme Value Distribution of Hourly Precipitation of Anhui Province from 1961 to 2015[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(3)：45-50.