近66a紧水滩流域面雨量的气候特征分析及服务对策思考*

朱占云 陈光宇 潘娅英 张珏 王亚男

(1.浙江省气象服务中心，浙江 杭州 310017；2.杭州市气象局，浙江 杭州 310051)

0 引 言

紧水滩流域地处浙江省西南部山区，河流西南至东北走向，穿越峡谷，河道坡降在上游较大，下游较缓。流域径流主要由降水形成，洪水全部由暴雨产生，河道坡降陡，河槽调蓄能力低，集流迅速，洪水猛涨猛落[1-2]。从气候角度看，紧水滩流域属于亚热带季风气候，3—4月冷暖空气常在此交绥，造成连绵细雨，为春雨期[3]；5—9月为汛期[4-5]，其中5—6月为梅汛期，降水主要受西风带梅雨锋摆动、低涡、切变线或西北太平洋副热带高压边缘影响，多连阴雨或区域性大暴雨过程，7—9月为台汛期，降水主要由东风带中的热带气旋、东风波等天气系统引发，降水强度大，历时短[6]，且时空分布不均。

流域面雨量是指一定区域内的实际平均降水量，能客观地描述该区域实际降水资源状况[7]，它作为洪水与水库调度中非常重要的参数，是各级政府组织防汛抗洪和水库调度等决策的重要依据，对流域面雨量进行气候特征分析及实际业务预测，也是气象部门拓展服务领域的新举措。对于流域面雨量的估算，国内外学者进行了大量的研究，包括针对站点降水观测资料的空间插值方法[8]以及基于雷达[9]和卫星[10-11]进行的定量估计降水方法，流域面雨量的估算精度得到很大提高，这使得面雨量的业务化预报成为可能[12-14]。随着观测资料的累积，掌握紧水滩流域多年面雨量的时空变化规律，是提高紧水滩流域面雨量预报水平，规划长远防灾减灾战略的一项重要工作[7]。本文旨在利用紧水滩水库相关部门提供的长时间序列降水数据，通过分析紧水滩流域多年面雨量时空分布特征，从而为指导业务人员更好地开展水库气象服务工作提供科学依据，为更有效地提高浙江省流域防汛抗旱和水资源调度气象服务能力提供决策参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

紧水滩水电站(图1所示)坝址以上设有13个雨量(水位)观测报汛站(小梅、源底、官浦垟、坛湖、上锦、龙泉、上东、大白岸、安仁、紧水滩、崇头、石塘、竹坑)，采用自动测报系统与人工报汛相结合的方法收集流域水雨情，从而确保了基础资料的可靠性，各雨量站控制面积按泰森多边形法则进行划分计算。

研究资料包括1986年1月1日—2017年12月31日紧水滩流域逐日面雨量资料，序列长度为32 a，以及1952年1月—2017年12月紧水滩流域逐月面雨量资料，序列长度为66 a。

图1 浙江省紧水滩、新安江等6大水库流域分布图

1.2 研究方法

1.2.1 流域面雨量计算方法

面雨量定义为由各个点雨量推求出的平均降雨量，最常用的推求方法有网格插值法、格点法、等雨量线法、算术平均法、泰森多边形法等[15-17]。文中计算紧水滩流域面雨量采用的是泰森多边形法(Thiessen Polygons)。其方法首先通过连接相邻雨量站点，把区域划分为大量的锐角三角形，接着在三角形的每一边作垂直平分线，每一站点周围的相互的垂直平分线形成一个多边形，计算该多边形面积与流域面积之比，作为该站点相对整个流域的雨量权重系数，最后用各站点雨量与其所占面积权重相乘后累加即得该流域面雨量值，计算公式如下：

(1)

1.2.2 线性倾向估计

用一元线性回归拟合观测要素的时间序列和气候变量的关系。计算公式如下：

X(i)=a+bx(i)。

(2)

式(2)中：x(i)表示第i年的气候变量，b称为气候变量的倾向率，即变量的变化趋势，其正负说明变化趋势的方向，值为正表示增多，值为负表示减少。

2 结果分析

2.1 面雨量年际变化特征

图2为紧水滩流域1952—2017年年面雨量及其距平百分率的历年变化。总体来看，20世纪90年代以前存在约6～10 a的丰(水期)枯(水期)交替特征，表现为：1952—1962年多雨，1963—1968年少雨，1969—1977年多雨，1978—1986年少雨。90年代到2000年初丰(水期)枯(水期)交替出现的时间缩短，以2～4 a交替为主。2003年至今丰(水期)枯(水期)交替周期恢复为6～10 a。利用功率谱分析发现(图3所示)，紧水滩流域年降水功率谱曲线中有两个峰值，分别对应3.6 a和8 a，且均通过95%的噪音谱检验，所以紧水滩年降水在年际尺度上存在明显的2～4 a和6～10 a周期振荡。

图2 紧水滩流域1952—2017年年面雨量及其距平百分率的历年变化

通过降水序列的10 a滑动平均可以看出降水在年代际尺度上的变化特征(图2黑色实线)，20世纪50年代、90年代和21世纪10年代，表现为明显偏多状态，分别比平均水平偏多10.3%、6.1%和15.2%。20世纪70年代到80年代和21世纪初降水量为负距平，其中70—80年代降水偏少程度明显，比平均水平偏少7.2%，尤其1978—1986年年均降水量仅1613 mm，比平均偏少183 mm(约10%)，一元线性回归分析显示，流域年降水量略呈下降趋势(灰色虚线)。

图3 紧水滩流域年降水量功率谱曲线图

用降水距平百分率来衡量旱涝的发生发展情况，定义降水量距平百分率≤-25%为旱，降水量距平百分率≥25%为涝[18]。图2可以看出(黑色柱状序列)，66 a来紧水滩流域旱涝年份近于持平，达到干旱指标的有7 a，多集中在20世纪70—80年代和21世纪初，其中1978年干旱程度最明显，降水距平百分率达-34%。达到水涝指标的有9 a，多集中在20世纪50年代和21世纪10年代，其中2010年的降水距平百分率高达47%，是流域自有气象记录以来降水量最多的一年。

2.2 面雨量月际变化特征

紧水滩流域春、夏季的3—8月各月月均面雨量都在150 mm以上(图4实线序列)，为流域的多雨季，远高于其它月份，多雨季常年平均雨量达1323 mm，占全年的74%。秋、冬季的9月至次年2月为少雨季，总雨量占全年的26%。此外，紧水滩流域梅汛期(5、6月)面雨量高出台汛期(7、8、9月)47%，这是因为梅汛期流域内持续性降雨并多区域性大到暴雨过程，而台汛期多晴热高温天气，虽偶尔年份受到热带气旋影响带来大降水过程，但此类降水影响时间短，且年际变化大，在历年平均下对年降水总量的贡献不显著[6、19]。

对66 a流域各月的降水距平百分率做一元线性回归分析，得到紧水滩流域1—12月份各月面雨量的线性倾斜率(图4柱状序列)。在季节转换的5月(春季向夏季转换)和9月(夏季向秋季转换)的降水减少趋势较明显，其中，5月降水倾斜率-0.72%(相关系数为-0.32，通过了0.01的显著性水平检验)，相当于每10 a减少20 mm；9月降水倾斜率-0.73%(相关系数为-0.25，通过了0.05的显著性水平检验)，相当于每10 a减少8 mm。11月和12月的增加趋势较明显，其中，11月降水倾斜率1.24%(相关系数为0.28，通过了0.05的显著性水平检验)，相当于每10 a增加8 mm。按不同季节来看，春季降水总体减少趋势明显，降水倾斜率-0.3%(相关系数为-0.25，通过了0.05的显著性水平检验)，相当于每10 a减少21 mm；其他季节降水增减趋势不明显。

图4 1952—2017年平均的1—12月份紧水滩水库流域面雨量及其距平百分率线性的倾斜率

2.3 不同量级面雨量分布特征

在以上研究的基础上，本文利用近32 a紧水滩流域逐日降水资料，并参考我国江河面雨量等级划分标准[20](小雨(0.1～5.9 mm)、中雨(6.0～14.9 mm)、大雨(15.0～29.9 mm)、暴雨(30.0～49.9 mm)、大暴雨(≥50.0 mm))统计分析1986—2017年流域不同量级降水日数及降水量的分布情况，发现32 a来流域年均雨日为195 d，其中小雨日114 d，占总雨日的58%，中雨日数占22%，大雨日数占13%，暴雨及以上量级雨日占7%。从降水量来看，紧水滩流域年均面雨量1805.6 mm，其中小雨占9.2%，中雨占12.7%，大雨占24.4%，暴雨及以上量级占53.8%。

表1给出1986—2017年紧水滩流域不同量级降水日数在各个月份的分布情况。从各月雨日来看，3—8月份雨日居多，最多的8月平均雨日达23.1 d，6月为21 d，最少的10月和12月的雨日不足10 d。

从不同量级降水在各月的分布情况看，小雨和中雨量级降水多出现在7、8、9月，降水日数约占全年的32%，这是因为7—9月受副热带高压控制，为高温少雨期，这一时期的降水主要为对流雨或台风雨，对流雨发生频次高，但发生发展迅速，局地性强[21-23]，一般不形成大范围降雨，因而累积面雨量比较小，台风雨则出现频次较低。大雨及以上量级降水多出现在4、5、6月，降水日数约占全年的49%，其中，4—6月出现暴雨及以上降水日数占全年59%。这是由于5—6月份处于梅汛期，西南暖湿气流充沛，暴雨迭见，其降雨量在夏季降水中占较大比重，是汛期预报的重点[24-27]，3—4月则是春雨期，多连绵细雨[3，27]。

表1 1986—2017年紧水滩流域各月不同量级的降水日数统计总天数 d

2.4 流域暴雨的年际变化特征

我们知道，流域强降水是水库防汛调度的关键。由于紧水滩流域面积不大，研究中定义该流域日面雨量大于等于30 mm为流域暴雨。由表1可知，紧水滩流域1986—2017年暴雨日数共432 d，年均13.5 d，其中2010年达26 d，为近30 a来最多，1991年仅为4 d，为近30 a来最少。

图5分析了紧水滩流域1986—2017年暴雨日数图5a和降水量图5b的年变化，可见在2000年以前，紧水滩流域暴雨日数和降水量随年份变化较大，1986、1991、1996和2000年暴雨日数不足10 d，暴雨日累计雨量小于500 mm；1995年和1998年暴雨日数均在20 d以上，累计雨量大于1000 mm。2000年以后，暴雨日数和累计雨量序列均呈稳定上升趋势，尤其2010年以后，大于等于30 mm的降水日数均在10 d以上，累计雨量也都在500 mm以上。这与林建等[28]的研究结果相一致，即21世纪以来南方地区暴雨过程明显增多，且以短持续性、强降水过程为主。

从暴雨日数和累计降水量的变化趋势上看，两者均呈上升趋势，线性倾斜率分别为0.12和5.7(均通过0.1的显著性水平检验)，即每10 a分别增加1.2 d和57 mm。对累计雨量做5 a平滑，发现在上升趋势中还存在一个15～20 a的震荡，1992—1999年流域暴雨明显偏多，期间年均累计雨量741 mm，较32 a均值(648 mm)偏多近14%，2000—2005年明显偏少，年均累计雨量526 mm，偏少19%。

图5 紧水滩流域1986—2017年日雨量≥30 mm的雨日数(a)，累计降水量(b)的年变化序列

2.5 3 d以上集中强降水特征

根据卢珊等研究成果，定义水库流域连续3 d以上日雨量大于等于20 mm的连续降水过程为集中强降水过程。表2统计了1986—2017年紧水滩流域集中强降水过程的各参量，32 a来共出现39次集中强降水过程，共134 d。从各月分布来看，除了1月、2月和10月外，其它月份均有出现，其中6月最多，共20次(累计72d)，占所有集中强降水过程的50%以上，6月平均过程雨量(186.8 mm)也远高于其它月份。此外，近32 a共有两次出现持续6 d的强降水过程，一次发生在1998年6月16—21日，过程雨量387 mm，另外一次是2010年6月16—21日，过程雨量达392 mm，这两年也是前文提到30 a来典型偏涝的年份。

除6月外，集中强降水过程在4月出现6次(累计20 d)，7月出现4次(累计14 d)，过程雨量上看，7月的集中强降水平均过程雨量为124 mm(最大186 mm)，略高于4月的107 mm(最大153 mm)，是除6月以外集中强降水高发的两个时段。这是因为4月紧水滩流域处于江南春雨季，江南春雨是以持续4 d及以上的连阴雨为主，主要发生在第13—27候(3、4月)[27]。据统计，32 a来浙江省有21次出梅日期在7月份，其中9次延伸到了7月中旬以后，受其影响，7月成为仅次于6、4月集中强降水高发的月份。

表2 1986—2017年紧水滩流域各月集中强降水过程参数的统计

图6给出紧水滩流域1986—2017年集中强降水的年变化序列，可见在2002年以前，集中强降水发生频次较高，除个别年份(1986、1991和1994年)，其它每年都会出现1～2次，最多的1988年出现了4次该类降水过程。相应的，该类降水过程造成的平均过程雨量在2002年以前呈逐年增大趋势，尤其1995—2002年集中强降水连年出现的几年里，每年的平均过程雨量一般在150～350 mm之间。2002年以后，集中强降水出现的频次降低，基本间隔1～2 a出现，平均过程雨量也有所下降。

3 水库流域气象服务思考

目前浙江省气象服务中心专业服务室主要承担浙江省各大水库的气象服务工作，为更有效地提高浙江省水库流域防汛抗旱和水资源调度气象服务能力，更好地为用户服务，专业服务室多次赶赴包括紧水滩在内的各大水库流域开展调研，制作宣讲报告，普及气象知识，开展应用培训，并在充分听取用户需求的基础上开发了浙江省水文气象服务平台，为水库用户提供更加全面、科学的决策服务依据，积累了较为丰富的水库气象预报服务经验。为进一步提升水文气象服务的效益，为水库用户趋利避害，提质增效，可以着重做好以下几方面工作。

3.1 加强气象、水文部门信息资料汇集共享

目前气象部门虽有高密度的气象观测网，但大部分区域站建成于2010年后，资料序列较短，而流域水文站自水库建成后就开始布设，时间序列较长，积累了长序列观测资料，可以研究其气候变化特征。但受体制影响，这些监测资料仅在水利部门内部使用，气象部门获取较少，气象、水文信息汇集和共享渠道不畅，应用效率不高，而流域气象、水文信息资料共享是做好流域监测和预报服务工作的基础，因此要加快两部门信息资料共享进程，建立流域信息汇集和共享的机制和渠道，可以通过共同建设实时数据库、资料存储和发布系统，实现全省气象观测、预报和水文信息的快速传输，实现流域气象、水文信息共享。

3.2 根据气候特征，做好水库年雨量的趋势预报

影响年雨量的气候因子有很多，且影响机制存在不确定性，为水库年雨量的趋势预报带来了难度。因此在水库年雨量的预报服务中，可以从各水库雨量的气候特征出发，如雨量的年际、月际变化特征，周期性特征，旱涝特点等，在客观预报的基础上作针对性的订正，提高水库年雨量预报的准确性。

3.3 把握关键时期，着重做好汛期水库雨量预报服务

紧水滩流域多雨期(3—8月)雨量占全年的70%以上，是水库气象服务的关键期。入梅日、出梅日等重要时间点以及梅汛期雨量的预报准确与否，对水库防洪削峰、保障人民生命财产安全具有重要意义，也是水库产生直接经济效益和社会效益的关键。梅汛期结束后进入晴热高温期，此时雨量明显减少，短期、中期的晴热高温预报是水库为保障居民供水和社会用电需求，安排发电供水的重要参考依据。因此做好水库流域的汛期预报，是做好全年水库气象服务成败的关键。

3.4 突出重点过程，做好集中降水的短期预报

梅汛期内或者台风影响时集中强降水过程多，累积雨量大，经验表明，梅汛期内强降水过程来临前或台风影响前的短期和中期雨量预报，是水库决定提前加大流量进行满负荷发电，留出必要库容的重要依据，也是水库争取多蓄水、少弃水的关键性预报，对增加发电效益和减少水灾经济损失具有重大作用。

4 结 语

1)近66 a来紧水滩流域旱、涝年份相近，年降水量存在明显的年代际和年际变化特征。在年际尺度上2～4 a周期振荡显著。在年代际尺度上，20世纪50年代、90年代和21世纪10年代，紧水滩年降水量偏多，20世纪70年代到80年代和21世纪初降水量偏少。流域年降水量呈下降趋势，但不显著，从各季节看，春季下降趋势比较显著，其余季节变化趋势不明显，春、夏季(3—8月)总降水占全年的七成以上，为该流域的多雨季，秋季和冬季为该流域的少雨季。

2)紧水滩流域年均有雨日数195 d，年总面雨量1806 mm，暴雨及以上量级雨日占7%，雨量占53.8%。降水分布集中，雨日主要集中在3—8月，小雨和中雨多出现在7、8、9月，大雨及以上量级降水多出现在4、5、6月，连续3 d以上的集中强降水32 a中累计出现39次，其中6月有20次。近32 a流域暴雨呈显著增多趋势，其中连续3 d以上集中强降水过程在2002年以前出现频繁，尤其1995—2002年连年出现，2002年以后在强降水过程和雨量增多的背景下，连续3 d以上强降水过程及雨量有减少趋势。

3)在水库雨量预报服务过程中，应大力加强气象、水文部门信息资料汇集共享，并突出预报重点，把握关键时段，分别做好水库年雨量的趋势预测、汛期多雨期预报和集中强降水过程的短期预报，为水库流域趋利避害、提质增效保驾护航。