近57a咸宁市暴雨变化特征和降水极值重现期研究

姜娥 李江峰

摘 要： 利用湖北省咸宁市6个国家站1961-2017年降水量资料，首先分析暴雨日数时空分布和近57年来暴雨变化特征，并通过广义极值分布和拟合优度检验来推求咸宁市国家站30a、50a、100a重现期对应的极值降水，讨论咸宁市在不同重现期下降水极值的分布情况。

关键词：咸宁;暴雨特征;极值重现期

极端天气和气候事件一直是对人类社会危害最大的气象灾害之一，近年来全球变暖背景下，极端气候事件强度和频率的变化对人类生活和生产造成巨大的影响而被大众持续关注。极端天气气候事件是指一定地区在一定时间内出现的历史上罕见的气象事件，其发生概率通常小于5%或10%。对中国近50年来极端降水事件的研究表明，在全球变暖背景下极端降水事件的频率和强度均有升高的趋势，极端降水事件趋多，1990年代尤为明显，但存在明显的区域差异，因此研究降水极端事件十分重要和意义重大。

咸寧，为湖北省地级市，位于湖北省东南部，长江中游南岸，与湖南、江西接壤。咸宁市气候温和，降水充沛，日照充足，四季分明，无霜期长。冬季盛行偏北风，偏冷干燥;夏季盛行偏南风，高温多雨。本文使用Morlet小波分析和统计方法对咸宁市暴雨特征进行了分析并使用广义极值分布（GEV）模型和拟合优度检验（KS）方法，推求咸宁市6个国家站（咸宁站、通山站、通城站、嘉鱼站、崇阳站、赤壁站）的30a、50a、100a重现期日极大降水量来研究暴雨的变化特征和降水极值的重现期。

一、资料和方法

1.资料

使用咸宁站、通山站、通城站、嘉鱼站、崇阳站、赤壁站六个国家站的日08时降水观测资料，资料年限为1961-2017年，日降水量指某站24小时（北京时08时-08时）累计总降水量。

2.广义极值分布（GEV）

基于极值分布理论，利用年最大降水量选样方法，采用广义极值分布（GEV）模型以及拟合优度检验方法，推求单站30a、50a、100a等重现期对应的日极大降水量。

年最大日降水量序列采用AM（Annual Maximum）法在逐日降水资料中抽样得到。AM法是每年选取一个日降水量（或连续2d、3d、5d、7d）的最大值，即在N年的逐日降水资料中选取N个最大值，逐年进行抽样选取。

对于给定的重现期长度T（年），GEV分位数计算，可解得相应重现期T的分位数为：

3.Morlet小波分析

20世纪80年代初， Morlet提出了一种具有时-频多分辨功效的小波分析（Wavelet Analysis）为我们更好的研究时间序列问题提供了可能，小波分析能清晰的揭示出隐藏在时间序列中的多重变化周期，充分反映系统在不同时间尺度中的变化趋势，并能对系统未来发展的趋势进行定性估计。

对于时间序列f（t），连续小波变化为：

其中，a为尺度因子，b为时间因子，Wf （a，b）为小波系数。

下文中小波变换均使用MATLAB软件中自带的Morlet小波变换工具包进行。

二、暴雨日数的时空分布特征

暴雨是指24小时日降水量达到50mm及以上的强降水天气现象，使用咸宁站、通山站、通城站、嘉鱼站、崇阳站、赤壁站六个国家站的逐日降水数据来分析暴雨日数的时空分布，以探求咸宁市暴雨变化特征。

1.暴雨日数的空间分布

使用咸宁地区六个国家站1961-2017年逐日降水资料（08时-08时）对暴雨日分析统计（表1），结果表明近57a以来，咸宁市各县暴雨发生最多的都是6月份，占据了全年的30%左右，90%的暴雨发生在四月到八月之间;赤壁、嘉鱼、崇阳、通城、咸宁、通山分别出现了292、276、303、321、285、262个暴雨日，年平均发生暴雨4.60-5.63次，从地理位置分布来看，基本呈现西南多东北少的态势。

此外，分析了各个站点暴雨日的相关情况发现：咸宁市仅单站出现暴雨387次，占49.2%;两站同时出现暴雨153次，占19.4%;三站同时出现暴雨95次，占12.1%;四站同时出现暴雨53次，占6.7%;五站同时出现暴雨45次，占5.7%;六站同时出现暴雨54次，占6.9%。分析情况可以得出咸宁市大多数暴雨是受中小尺度系统影响产生的，降水范围较为不均匀，具有局地多发的特征。

2.暴雨日数的时间分布

（1） 暴雨的月变化特征

表2将1961-2017年咸宁市六个国家站总和分级，结果表明咸宁市暴雨时间分布十分广泛，在近57a年以来，每个月份都有暴雨发生，暴雨主要发生在四月到八月之间，九月到十一月也有年均一次左右的暴雨，暴雨发生最多的是六月，占全年的28.0%;大暴雨绝大多数发生在四月到八月之间，一月、二月、九月和十二月未发生过大暴雨天气;特大暴雨仅六月一次。暴雨、大暴雨、特大暴雨分别占总数的85.7%、14.2%和0.1%。

（2）暴雨的年际和年代际变化

咸宁市六个国家站1961-2017年暴雨日数总和统计如图1，可以看出咸宁市暴雨日数年际波动很大，最多的是1983年暴雨日59d，其次是1999年暴雨日54d，最少的年份是1968年，全咸宁市六个国家站总暴雨日仅7d，相当于单站年均暴雨1.2d。

咸宁市暴雨量年际波动同样很大（图2），暴雨量一定程度上与暴雨日数成正比，最多的年份为1999年（年暴雨量4641.9mm），其次是1983年（年暴雨量4400.7mm），最少的年暴雨量仅为431.5mm（1968年），其次是721.9mm（1972年），最少年暴雨量与最大年暴雨量相差十倍有余。

表3为咸宁市1961-2017年六个国家站各类暴雨日年代际变化表，从表中可以看出年代际分布较为不均，从1961-2000年暴雨和大暴雨都呈现逐年代增多的趋势，2001-2010年代急剧减少，2010-2017年代又开始增多;暴雨最多的年代是1991-2000年，年均暴雨日36.3d，大暴雨发生的比例也是所有年代中最高的，最少的年代是2001-2010年，年均暴雨日25.2d。

3.暴雨的周期变化

为了进一步分析咸宁市暴雨日数的时间特征，对咸宁地区赤壁站、嘉鱼站、通城站、咸宁站、通山站、崇阳站六个国家站暴雨总频次进行Morlet小波分析。对1961-2017年咸宁地区暴雨日进行Morlet小波分析得到图3，右侧颜色表示小波分析实部，当实部为正时代表暴雨处于偏多期，为负时表示为偏少期;图中蓝色越深表示暴雨日频率越大于常年，而绿色越深代表暴雨日频率越小于常年。对于时间分析可以看出暴雨发生频率演变过程中1961-2000年间明显存在2-4a，6-7a的短期周期变化规律，在2000年后有5a左右的周期变化规律，1961-2017年均存在13-15a的周期变化。

三、咸寧市国家站降水极值重现期分析

1.咸宁市国家站1961-2017年极大值时间序列

通过AM法计算咸宁市赤壁站、嘉鱼站、通城站、咸宁站、通山站、崇阳站六个站点1961-2017年08时-08时（北京时）日降水资料得到各站年日降水量极大值时间序列。从图4可以看出嘉鱼站、通城站和咸宁站的年日降水量极大值都超过了50mm，达到了暴雨标准;赤壁站1968年、通山站的1961年和崇阳站1968、1972、1976年日降水量极大值不到50mm，没有达到暴雨标准。总体来说年日降水量极大值时间序列分布不均，各个站点在不同年份极大值降水量差异较大，日降水极大值的年代际变化较为明显。

2.降水极值周期分析

采用咸宁市通山站、赤壁站、咸宁站、嘉鱼站、通城站和崇阳站1961-2017年的极值资料，由于站点为每个县一个站，站点在咸宁市空间分布比较均匀，因此对6个站的年降水极大值做算术平均代表咸宁市该年的年日极大降水量，并以此序列来做Mrolet小波分析来研究极端气候变化的周期特征。

图5是咸宁市1961-2017年年日极大降水量的Morlet小波分析时频分布图，由图2可以看出，咸宁市年日降水极大值具有2-5年、13年、32年左右的周期，而极大值的周期并非仅与站点本身有关，更是不同长短周期叠加的综合结果，极值的发生规律是比较复杂的。

图6是分别对每个站点1961-2017年年日极大降水量做Morlet小波分析，纵观六张图可以看出各个站点时频分布相差较大，赤壁站、通城站、咸宁站和崇阳站与图2中咸宁市平均值时频分布相似，具有2-5年、12-13年、30-32年左右的周期;嘉鱼站同样具有2-5年、30年左右的周期，但嘉鱼站在1961-2000年有17-18年左右的周期，在1990-2017年有12年左右的周期;通山站有2-5年、7-9年左右的周期，在1980年以前中长周期不明显，1980年以后有32年和17-19年左右的周期。

3.咸宁市降水极值重现期研究

基于1961-2017年咸宁市6个国家站日降水最大值序列（AM），推算出咸宁市崇阳站、通山站、通城站、赤壁站、咸宁站、嘉鱼站重现期分别为30年、50年和100年的日极大降水量如表4，总体来说各个站点30a、50a和100a重现期推算的日极大降水量相差不大，6个站点在30a、50a和100a的平均值分别为196.3mm、214.2mm和239.0mm，赤壁站和咸宁站日极大降水量明显高于其他站点，嘉鱼站日极大降水量明显低于其他站点。

表5对咸宁市6个国家站30a、50a、100a一遇降水进行了分级，总体来看30a、50a、100a重现期推算出的日最大降水量都大于100mm，达到了大暴雨和特大暴雨级别;30a和50a重现期推算的日最大降水量都处于大暴雨量级，100a重现期推算的日极大降水量有66.7%站点为大暴雨量级，33.3%的格点为特大暴雨量级。

（1） 30a、50a、100a重现期年最大日降水量分布

图7是咸宁地区六个国家站1961-2017年日降水资料推求的重现期最大日降水空间分布，从图中可以看出，咸宁市重现期最大日降水总体呈现中部多、南北少的态势，最北部的嘉鱼和东南部的通山相对较低，赤壁市和咸宁市相对较高。30a和50a重现期均达到了150mm/d，达到了大暴雨的标准，100a重现期部分区域超过250mm/d，达到了特大暴雨的标准。

四、结语

经过以上资料分析研究，咸宁暴雨特征及极值重现期结论如下：

咸宁地区暴雨日基本呈现西南多东北少的态势，降水范围较为不均匀，具有局地多发的特征;暴雨主要发生在四月到八月之间，最多的是六月;咸宁市暴雨的年际和年代际变化明显，暴雨日数和暴雨量的年际相差达到十倍之多，1961-2000年暴雨日数逐年代缓慢增多，2001-2010年代骤减，2010年后又开始增多;1961-2000年间明显存在2-4a，6-7a的短期周期变化规律，在2000年后有5a左右的周期变化规律，1961-2017年均存在13-15a的周期变化。

咸宁地区年日降水量极大值时间序列分布不均，日降水极大值的年代际变化较为明显。咸宁地区年日降水极大值具有2-5年、13年、32年左右的周期，单站的周期与咸宁地区总体相似;咸宁市重现期最大日降水总体呈现中部多、南北少的态势，最北部的嘉鱼和东南部的通山相对较低，赤壁市和咸宁市区相对较高。30a和50a重现期均达到了150mm/d，达到了大暴雨的标准，100a重现期部分区域超过250mm/d，达到了特大暴雨的标准。

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