武陵山片区夏季暴雨天气统计分析与风险评估

刘建国,袁 洁,白业珊,袁 鹍,易 攀,杨海滨

(1.怀化学院数学与计算科学学院，湖南 怀化 418008；2.怀化学院武陵山片区生态农业智能控制技术湖南省重点实验室，湖南 怀化 418008)

在全球气候变暖背景下，极端天气事件频繁发生，而极端天气事件衍生的气象灾害也对全球多个国家造成了巨大的影响，已引起国际上对灾害影响人类文明进程的重新认识[1].建立一个与风险共存的人类社会和经济系统己逐渐得到各国的重视，并在一些经济发达国家和地区得到实施[2].通常来说，极端天气主要分为2类：一类是基于简单的气候统计学原理的极端天气.这些极端气候事件每年都会发生，如极端最高或者极端最低的逐日气温，以及强的逐日或者逐月降水量.另一类较复杂.例如洪涝、飓风等灾害，这些事件对于给定的某些地点并不是每年都发生[3].极端暴雨天气属于第1类极端天气事件，是南方地区夏季主要的极端天气之一，对人们的生产、生活有重要的影响.美国在20世纪30年代曾对气象灾害进行了风险分析，对洪涝灾害风险分析的理论和方法作了初步探讨[4].21世纪以来，国外学者对自然灾害风险的评估进行了大量的研究，建立了多种评估模型[5].气象灾害风险评估工作在我国20世纪50年代才开始起步，当时主要是对干旱和洪涝等灾种进行研究.灾害损失和风险评估也主要是针对特定区域而进行的[3]，针对社会易损性的风险评估研究较少，对气象灾害评估理论进行系统研究的更少[6].近年来，随着气象灾害频繁地发生，人们越来越意识到气象灾害评估的重要性，大批的科研人员和科研机构加入到气象灾害评估系统的研究队伍中[7].

武陵山片区属于气候脆弱区，而暴雨是夏季主要的气象灾害之一，出现频率高，造成的损失大.片区主要以农业生产为主，气象灾害成为制约经济发展的主要障碍之一.区域发展研究中心对气象防灾减灾工作给予了高度的重视，对气象防灾减灾工作的开展提供了很好的客观条件.防灾减灾工作必须建立在掌握当地气象灾害活动规律和合理防灾减灾规划的基础上，但目前针对武陵山片区极端天气的统计分析和风险评估的工作较少.为了有效地开展极端暴雨天气气象灾害防御工作，笔者拟选取武陵山片区18个气象观测站的气象数据，通过线性回归、相关系数等统计方法，从时间和空间上分析片区夏季暴雨天气的变化规律，并运用信息扩散技术计算片区夏季暴雨天气风险的空间分布.

1 数据和方法

1.1 武陵山片区概况

武陵山片区跨湖北、湖南、重庆和贵州4省市，具体地理位置如图1所示.片区属于中亚热带季风气候区，对农作物生长有利，但受地形影响，地域差异和垂直差异明显，气候类型多种多样，干旱、暴雨等自然灾害时有发生[8].

图1 武陵山片区地理位置示意Fig. 1 Geographical Location of Wuling-Mountain Area

1.2 数据

为了保证各站点资料系列的同步性和具有较长的观测系列，剔除缺测数据太多的气象站，最终选取武陵山片区1961—2008年18个气象站的日降水观测数据作为本研究数据. 数据来源于中国气象局国家气象信息中心中国气象数据网(http:∥data.cma.cn).

1.3 研究方法

本研究采用的一元线性回归模型为xi=a+bti(i=1,2,…,n).其中：xi为样本量为n的某一气候变量;ti为对应的时间;b为回归常数,a为回归系数,它们可以用最小二乘法进行估计[9].相关系数r又称皮尔逊(Pearson)相关系数，是描述随机变量x=(x1,x2,…,xn)和y=(y1,y2,…,yn)线性相关的统计量，

信息扩散理论是为了弥补信息不足而对样本进行集值化的模糊数学处理方法.设某研究指标论域u={u1,u2,…,un}，则一个单值观测样本yj可以将其所携带的信息扩散给u中的所有点，即

其中h为扩散系数，由样本集合中样本的最大值b、最小值a和样本个数m所确定[10-11]，

2 结果与讨论

2.1 武陵山片区暴雨日数时间变化特征

根据中国气象局规定，24 h降雨量为50 mm或以上的强降雨称为“暴雨”. 基于武陵山片区1961—2008年18个代表站的暴雨日数观测数据，绘制暴雨日数逐年变化图(图2)，并求解年平均暴雨日数一元回归方程(表1).

图2 1961—2008年武陵山片区暴雨日数距平年际序列及变化趋势Fig. 2 Anomaly of Stormy Days and Its Trend in Wuling-Mountain Area from 1961 to 2008

表1 暴雨日数线性拟合方程及相关系数

由图2可以看出，武陵山片区1961—2008年暴雨日数年际变化呈现一定的波动性，年暴雨日数最大值出现在1998年(6.16 d)，最小值出现在1997年(1.78 d).武陵山片区暴雨日数年际间差异很大，这与片区地形复杂有一定的关系.从表1可知：整个武陵山片区年平均暴雨日数呈现上升趋势(未通过α=0.05的显著性检验)，年平均上升率为每10年0.085；除了酉阳、恩施、巴东、沅陵、武冈和邵阳呈下降趋势(未通过显著性检验)之外，其余12个代表站的变化趋势与整个武陵山片区的基本一致，但都未通过显著性检验.

2.2 武陵山片区暴雨空间变化特征

基于武陵山片区1961—2008年18个代表站的暴雨日数观测数据，并结合片区行政区域分布情况和地形地貌，绘制武陵山片区1961—2008年年平均暴雨日数和平均暴雨量级空间分布图(图3)，以及平均暴雨雨量柱状图(图4).

图3 武陵山片区1961—2008年平均暴雨日数和量级空间分布Fig. 3 Spatial Distribution of Stormy Days and Magnitude in Wuling-Mountain Area from 1961 to 2008

图4 武陵山片区1961—2008年平均暴雨雨量Fig. 4 Histogram of Mean Storm Rainfall in Wuling-Mountain Area from 1961 to 2008

从图3可以看出，武陵山片区多年平均暴雨日数约3.7 d，总体呈现南少北多、东多西少和中部高于边缘的分布特征.年平均暴雨日数高值区主要分布在武陵山片区中部，其中最大值在恩施(约4.9 d)，其次在沅陵(约4.8 d)；低值区主要分布在武陵山片区正北、西北、西南和东南部的小片区域，其中最小值在湄潭(约2.5 d).

从图4可以看出，武陵山片区多年平均暴雨雨量约74 mm.平均暴雨雨量高值区主要分布在武陵山片区东部，其中最大值在沅陵(约79 mm)；低值区主要分布在武陵山片区正北、西北、西南和东南部的小片区域，其中最小值在武冈(约67 mm).对比图3和图4发现，武陵山片区年平均暴雨日数与平均暴雨雨量的空间分布情况基本相似.由此说明，暴雨发生次数的多少对暴雨雨量的大小影响较大.

2.3 武陵山片区暴雨日数风险概率分析

选取武陵山片区1961—2008年18个代表站的暴雨日数作为样本，利用信息扩散理论，从0～13 d之间每间隔1 d选取1个控制点，共13个控制点，分别计算不同代表站的暴雨日数风险概率，其中5个代表站的暴雨日数风险概率曲线如图5所示.

图5 武陵山片区代表站暴雨日数风险概率曲线Fig. 5 Risk Probability Curve of Stormy Days in Representative Stations of Wuling-Mountain Area

从图5可以看出，5个代表站的暴雨日数风险概率曲线均为单峰型，且在1～4 d时风险概率值所占比例较大.其中巴东平均每年发生2～3 d的暴雨风险性水平最高，其次为思南、邵阳和通道，而沅陵平均每年发生5 d的暴雨风险性水平最高.

按照年平均暴雨日数风险概率分析的方法，对武陵山片区暴雨日数进行风险值分级计算，并根据片区暴雨日数的特点，将年平均暴雨日数分为3个级别，绘制风险概率分布图(图6).

图6 武陵山片区1961—2008年平均暴雨日数风险概率空间分布Fig. 6 Spatial Probability Distribution of Annual Mean Stormy Days in Wuling-Mountain Area from 1961 to 2008

从图6可以看出：武陵山片区多年平均暴雨日数大多在第一级别(0～4 d)，风险概率为40%～80%，东南(资水流域)、西南和东北角(清江流x域)地区年平均暴雨日数在此区间的风险概率最大；年平均暴雨日数在第二级别(5～8 d)的风险概率为20%～50%，北部年平均暴雨日数普遍多于东南、西南和东北角地区，恩施、沅陵在此区间的年平均暴雨日数风险概率接近50%；年平均暴雨日数在第三级别(9～13 d)的风险概率较小，大部分区域分布在武陵山东部，东南、西南和北部少部分区域是零风险概率(如湄潭、石开). 总体来说，武陵山片区年平均暴雨日数呈现西少东多、北多南少的分布特征，这可能是受地形的影响，武陵山南部的降水普遍高于北部.

2.4 武陵山片区暴雨量级风险空间分析

按照暴雨日数的统计方法，对武陵山片区1961—2008年18个代表站的暴雨量级(50～300 mm)进行统计分析，计算暴雨雨量风险值.根据武陵山片区暴雨特点及中国气象局暴雨预警分级情况，将片区平均暴雨雨量分为3个级别，绘制风险概率分布图(图7).

图7 武陵山片区1961—2008年平均暴雨量级风险概率空间分布Fig. 7 Spatial Probability Distribution of Annual Mean Rainstorm Magnitude in Wuling-Mountain Area from 1961 to 2008

由图7可看出：平均暴雨量级在50～125 mm的为第一级别，发生的风险概率相对较高，最低值达91%，高值区主要分布在恩施-酉阳-思南一带(乌江、清江流域)和东南角的邵阳、新宁、武冈(资水流域)；平均暴雨量级在125～200 mm的为第二级别，发生的风险概率相对最低，最高值为7%，高值区(6%～7%)主要分布在东部的沅陵和东北部的石门；平均暴雨量级在200～300 mm的为第三级别，发生的风险概率较低，其中风险概率相对较高的主要在武陵山东部的石门、桑植和沅陵一带，少部分区域是零风险概率.整体而言，武陵山及附近地区平均暴雨量级较大(这与降水量和海拔之间的关系是一致的)，其次是乌江、清江和资水等流域.由此说明，平均暴雨量级的多少受地形地貌的影响相对较大.

3 结语

选取1961—2008年武陵山片区中18个观测站的气象数据，采用线性回归、相关系数等统计方法分析了夏季暴雨天气的时空变化规律，并运用信息扩散技术计算出夏季暴雨天气风险概率的空间分布.具体结果如下：

(1)整个武陵山片区年平均暴雨日数呈现上升趋势.除了恩施、巴东、酉阳、沅陵、武冈和邵阳呈下降趋势外，其余12个代表站的变化趋势与片区的总体变化趋势基本一致，但均未通过显著性检验.

(2)武陵山片区多年平均暴雨日数约3.7 d，平均暴雨雨量约74 mm，总体呈现南少北多、东多西少和中部高于边缘的分布特征.暴雨发生次数的多少对暴雨雨量大小的影响较大.

(3)武陵山片区中5个代表站的年平均暴雨日数风险概率均为“单峰型”. 年平均暴雨日数在0～4 d 的风险概率较大，且高值区域位于武陵山片区东南、西南和东北角；年平均暴雨日数5～8 d时，区域分布情况与第一级别恰好相反，高值区域主要位于恩施、沅陵；年平均暴雨日数9～13 d的高风险中心主要在北部的石门县.

(4)武陵山片区第一级别的平均暴雨量级风险概率大于91%，高值区主要在恩施—酉阳—思南一带和东南角的邵阳、新宁等地区；第二级别的风险区域恰好与第一级别相反；第三级别风险概率相对较高的区域主要集中在武陵山东部的石门、桑植和沅陵一带，少部分区域是零风险概率.暴雨量级的多少受暴雨日数和地形地貌的影响相对较大.

掌握武陵山片区夏季暴雨极端天气的时空变化规律和暴雨日数、雨量风险概率时空变化特征，对于减少极端暴雨气象灾害、洪涝灾害带来的经济和生命财产损失，以及武陵山片区区域发展政策制定、防灾减灾和生态建设均有一定的指导意义.