清镇市近40年雨量、雨日及雨强变化特征分析

2021-01-13杨涛张皓蔡志颖滕万里金昭贵

山地农业生物学报 2021年5期

关键词：雨量

杨涛　张皓　蔡志颖　滕万里　金昭贵

摘要：本文利用清鎮市1980-2019年共40年逐日气象数据资料，分析了清镇市年、季降雨量、雨日和雨强变化趋势及其演变规律。结果表明，清镇市近40年降水量呈上升趋势，平均每10年增加37 mm，降水量序列在4～6 a、12～14 a及23～26 a左右的尺度上存在较为明显的周期波动，且降水量表现为夏多冬少，变化趋势为春强冬弱的季节特征。清镇年平均雨日数为184.5 d，约占全年天数的50.5 %，近40年来呈减少趋势，平均每10年减少3.6 d，在3～4 a、8～12 a、18～21 a及22～25 a左右的尺度上存在周期波动。在不同等级的雨日序列中，小、中雨日呈减小趋势;而大雨、暴雨日及以上量级变化则呈上升趋势。雨日月、季变化特征明显，春季雨日最多，夏季次之，在5、6月份达到峰值。最长连续降雨日和无雨日数均呈减少趋势，其中年最长连续雨日为22 d（1991年），最长连续无雨日为25 d（1983年）。

关键词：雨量;雨日;气候趋势

中图分类号：P467 文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2021）05-0069-07 国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2021.05.011

Analysis of Rainfall，Rainy Days and Rain Intensity Variation Characteristics in Qingzhen City in the Past 40 Years

YANG Tao1，ZHANG Hao2，3*，CAI Zhiying4，TENG Wanli2，JIN Zhaogui2

（1.Meteorological Bureau of Guiyang，Guiyang，Guizhou 550001，China;2.Meteorological Bureau of Qingzhen，Qingzhen，Guizhou 551400，China;3.Country Level Agrometeorological Test Station in Guiyang，Qingzhen，Guizhou 551400，China;4.Meteorological Burean of Ningbo，Ningbo，Zhejiang 315099，China）

Abstract：Based on daily meteorological data of Qingzhen City ranging from 1980 to 2019，we analyzed the trend and evolution of annual and seasonal rainfall，rainy days and rainfall intensities.The results showed that precipitation in Qingzhen City showed an upward trend in the past 40 years，with an average increase of 37 mm every 10 years.There were obvious periodic fluctuations in precipitation series at the scales of 4～6 a，12～14 a and 23～26 a，and the precipitation was characterized by more in summer and less in winter，and this change trend was shown strong in spring and weak in winter.The annual average number of rainy days in Qingzhen was 184.5 days，accounting for 50.5% of the total number of days in the whole year.It showed a decreasing trend in the past 40 years with an average reduction of 3.63 days per 10 years.There were periodic fluctuations in the rain-day sequence on the scales of 3～4 a，8～12 a，18～21 a and 22～25 a.In the analysis of rainy days，light and moderate rainy days showed a decreasing trend，while the change of heavy rainy days，rainstorm days and above magnitude displayed an upward trend during the past 40 years.The month and season of rainy days had obvious characteristics，with the most rainy days in spring，followed by summer，peaking in May and June.Both the longest continuous rainy days and the number of rain-free days displayed a decreasing trend，and the longest continuous rainy days was 22 days per year（1991），and the longest continuous rain-free days was up to 25 days（1983）.

Keywords：rainfall;rainy day;climate trend

基金項目：贵州省气象局项目（黔气科登[2020]08-12）;贵阳市科技计划项目（筑科合同[2020]7-3）

全球气候变暖背景下的极端降水事件频繁发生，自20世纪50年代以来尤为突出，引起了国内外学者的广泛关注，在分析极端降水与降水量、雨日数、降水强度的相关性研究中，冯新灵等[1]指出，我国西南、西北等五大区域的雨日数表现出完全一致的减少趋势;王颖等[2]研究发现，中国雨日数的趋势变化与降水量的长期变化趋势并不完全相同，雨日减少趋势比降水量减少趋势更加显著，中国平均雨日每10年减少3.8 d;汪青春等[3]研究表明，青海近年来夏半年虽降水量和雨日有所减少，但日平均降水量有所增大且降水愈发集中，20世纪90年代夜间出现强降水的几率高于80年代。王芬等[4]对近49年来贵州不同等级降水频率变化的研究发现，虽然总雨日、中雨日、小雨日显著减少，但贵州的暴雨日却有所增加，且随着降水等级的上升，雨日与降水量的相关系数迅速增大。严小冬等[5]指出，贵州省秋季雨日时空变化与大气环流存在密切关系。

清镇“一山有四季、十里不同天”属亚热带季风湿润气候，位于我国西南喀斯特地貌中心区，生态环境脆弱，暴雨、大风、冰雹等气象灾害多发。金昭贵等[6]发现清镇2006-2015年降水量变化差异大，降水量分布呈现中间低，两边高的态势，近10年清镇出现了不同程度的干旱和洪涝灾害。张皓等[7]指出清镇1965-2015年降水变化存在3～7 a、7～12 a 和 22～32 a 的3类尺度的周期变化特征。本文拟利用清镇1980-2019年降水资料，采用线性趋势、小波分析等方法对清镇市雨量、雨日及雨强进行分析，以期为当地气象灾害防御提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

研究数据来源于贵州省信息中心，选用清镇市1980-2019年逐日气象数据，建立出年、季、月、汛期、非汛期雨日和降水量的逐年时间序列。根据标准[7]划分3-5月为春季、6-8月为夏季、9-11月为秋季、12月-次年2月为冬季。雨日数定义为日降水量大于等于0.1 mm的日数、小雨日（日降水量0.1～9.9 mm/d）、中雨日（日降水量10.0～24.9 mm/d）、大雨日（日降水量25.0～49.9 mm/d）、暴雨日（日降水量50～99.99 mm/d）、大暴雨日（日降水量100～249.9 mm/d）、特大暴雨日（日降水量≥250.0 mm/d）。年最长连续雨日数则被定义为该年连续出现有效降水（≥0.1 mm）天数的最大值，年最长连续无雨日为该年连续出现无有效降水的天数最大值。

1.2 分析方法

1.2.1 线性倾向率

采用最小二乘法，计算气象要素的时间倾向率b，气象要素的时间序列与自然数数列之间的相关系数r也被称为趋势系数。用Xi表示样本量为n的某一气象要素时间序列， Ti表示Xi所对应的时间，建立Xi与Ti之间的一元线性回归方程：

X_i=bT_i+a ，其中i=1 … n （n为样本数）

其中a为常数，b为回归系数，回归系数b的符号表示气候变量X_i的趋势倾向，|b|值的大小反映了上升或下降的快慢，即表示上升或下降的倾向程度：b>0表示随时间t的增加，X_i呈上升趋势，b<0则表示X_i呈下降趋势。

1.2.2 小波分析

小波分析法是傅立叶思想的延伸和拓展，其基本思想是用一簇小波函数系来表示或逼近某一信号或函数，选择合适的小波函数则是小波分析的关键。本文利用Morlet连续复小波变换来分析气象要素时间序列的多时间尺度特征，以往使用实小波变换系数作为判据的过程将产生虚假振荡，而复数小波则可对其进行有效的消除，确保分析结果的准确性[8]。再借助小波方差来确认时间尺度的周期对气象要素序列变化起主要作用，小波方差峰值即为主要变化周期。利用MATLAB、Surfer软件分别绘制对应的图形。采用此方法，本文对清镇市雨量、雨日序列做了周期分析。

2 结果与分析

2.1 年平均降水量变化

1980-2019年间，清镇年平均最大、最小降水量为1648.3 mm，699.1 mm，分别出现在2014和1981年，最大降水量为最少年的2.36倍，年际差异较大。图1给出清镇市近40年年平均降水量及其线性趋势特征。总体而言，清镇年平均降水量呈显著的上升趋势，平均每10年增加37 mm。从年降水量的10年滑动平均变化中可见，清镇市降水经历“少—多—少—多”4个阶段，尤其在2012年以后，年平均降水量呈波动上升，进入一个相对多雨期，近10年的平均降水量与前30年相比增加约98.5 mm。近40年最高日降水量为287.8 mm，达到了特大暴雨量级，出现在2014年7月16日，受中层低槽、低层低涡切变和地面弱冷空气影响[12]。

对年平均降水量采用了小波分析方法，以期得到其周期变化特征，结果如图2所示。图2 a中的小波系数实部可反映降水量序列在不同时间尺度上的周期变化及其在时间域中的分布，进而可判断不同时间尺度上，降水量的变化趋势。小波系数的正（负）对应降水的多（少）。由图可见，清镇年平均降水量在4～6 a、12～14 a及23～26 a左右的尺度上存在较为明显的周期波动，三个周期波动可贯穿整个分析时域，并且12～14 a左右的时间尺度上，出现了五次周期波动，表明了该时域内清镇降水存在明显的丰枯交替变化;小波方差在尺度分别为5 a、9 a、13 a和24 a出现峰值，且24 a最为明显，表明该序列第一主周期为24 a，第二、三、四主周期则分别为5 a、9 a和13 a。除此之外，在5 a尺度上波动周期等值线和13 a尺度上，2018-2019年左右波动周期等值线为正的已闭合和负的未闭合，在尺度为24 a上，等值线为正的未闭合，表明2019年后清镇年平均降水量将在一定时间内保持下降趋势并转呈上升趋势。

2.2 季节平均降水量变化

图3为清镇市各季节降雨量变化趋势图，可以看出清镇四季降水变化差异明显，降水量主要集中在夏季，其次为春季，冬季最少。40年来春、夏两季降水呈上升趋势，春季平均10年增加27 mm，夏季增加14 mm：秋、冬季呈下降趋势，秋季平均10年减少4 mm，冬季减少1 mm;且春、夏季变化趋势比秋、冬季更加明显。

2.3 雨日气候统计及其变化特征

表1给出近40年清镇雨日气候统计特征量及其变化趋势。可以看到，清镇年平均降水日数为184.5 d，占全年天数的50.5 %，属多雨日地区，近40年来年最大雨日数为212 d（1997年），年最小雨日数为155 d（2003年）。从雨日量级来看，小雨日最多，年平均为153.7 d，约占雨日的83.3 %，中雨日年平均为18.6 d，暴雨日及以上量级雨日数为3.8 d，基本出现在4-9月（汛期），最多为9 d（2015年）。在季节分布上，春季雨日数最多，春季年平均降水日数达50.1 d，其次为夏季;清镇雨日数较多，年际变化较大，标准差为14.7，最少年仅为最多年73.1%。从季节变化来看，四季均为减少趋势，其中秋季减少最为明显、其次是冬季。分析雨日等级变化后发现，近40年来，小雨日和中雨日的出现次数都呈减小趋势，其中年小雨日的减少趋势最为明显，气候倾向率为-4.2 d/10 a。年小雨日和年雨日长期变化特征基本一致，相关系数可高达0.932。说明雨日减少主要是由小雨日减少所引起。大雨日及以上量级雨日数则呈明显上升趋势，分别每10年增加1.3 d、1.5 d和2.2 d，近10年与前30年相比，小中雨日年平均减少了2.7 d。大雨日及以上量级年平均增加1.1 d。

图4给出清镇近40年月平均降水量、雨日分布图。可看到，清镇市雨量、雨日分布均表现出明显的月变化特征，雨日和降水量的逐月变化大体一致。其中降水量呈单峰型分布，降水量极大值区出现在6月;雨日呈双峰型分布，在5、6月表现为大值;6月平均雨日为17.6 d，占6月天数的58.7 %，在9、11、12月雨日较少，平均仅为12.9 d。灾害性暴雨基本出现在4-10月，平均值21.1 d，占全年的98.7%。其余5个月内，暴雨出现概率较低，近40年冬季（12-翌年2月）清镇市未发生过暴雨，3、11月也分别仅发生一次。

图5a给出了清镇市40年雨日数在不同时间尺度上的周期振荡，清镇雨日数序列在3～4 a、8～12 a、18～21 a及22～25 a左右的尺度上存在较为明显的周期波动，其中在8～12 a左右的时间尺度上，出现了六次周期波动，在13～18 a、22～25 a左右时，清镇雨日在整个时域上交替也较为明显。由图5b知，尺度分别为4 a、10 a、20 a和23 a时，小波方差出现峰值，23 a峰值最高，表明该序列第一主周期为23 a，第二、三、四主周期分别为20 a、10 a和4 a。在10 a、20 a尺度上波动周期等值线上，2018-2019年左右波动周期等值线未闭合，在尺度为23 a上，波动周期等值线为负的未闭合，这表明在2019年后清镇雨日将在一定时间内保持上升趋势，然后呈下降趋势，与降水量变化趋势特征（图2）不同，之所以表现为不同的变化特征，主要是由于气候逐渐变暖造成降雪日数的减少[2]，进而抵消了降水量的增加。

图6给出清镇近40年雨日（a）逐年变化趋势和雨强（b）变化分布图，清镇近40年雨日数具有明显的年代际变化特征，从其平滑曲线看，主要可分为四个阶段：（1）在80年代表现下降趋势，（2）90年代前中期为上升趋势，1997年雨日达到最高值212 d，（3）随后呈下降趋势，2003年仅为155 d，（4）从2005年后呈波动上升。在40年间，清镇雨日呈明显的下降趋势，气候趋势系数和气候倾向率分别为-2.9 /10 a和-3.6 /10 a，即雨日平均每10年减少3.6 d，如此的气候倾向率也低于全国平均水平-3.8 d/10 a[2]。从雨强变化圖可看到，清镇40 a雨强总体呈上升趋势，平均每10年增加0.31 mm/d。雨强和雨日变化趋势完全相反，这表明年降水强度与年降水日数的长期线性变化趋势并不一致，清镇近40年虽然年降水日数有所减少，但降水强度却有所增强。

2.4 年最长连续雨日数和最长连续无雨日数变化

如图7所示，清镇近40年连续降水雨日天数（≥0.1 mm）略呈下降趋势，平均每10年减少0.26 d。年最大连续雨日数平均值为13.8 d。连续雨日数年最大值为22 d（1991年1月16日-2月6日）;由图7b连续无雨日数年最大值整体也呈减少趋势，平均每10 a减少0.6 d，且连续无雨日数的平均值为13.5 d。最长连续无雨日共计25 d（1983年11月22日-12月16日）。

3 结论与讨论

清镇市降水量成缓慢增长趋势，平均每10年增加37 mm。降水量序列在4～6 a、12～14 a及23～26 a左右的尺度上存在较为明显的周期波动。春、夏两季呈上升趋势，秋、冬季呈下降趋势，且春、夏季增长趋势更为明显。

清镇市雨日偏多，年平均值雨日可达184.5 d。雨日序列在3～4 a、8～12 a、18～21 a及22～25 a左右的尺度上存在周期波动。雨日具有明显的季节变化，夏季偏多而冬季偏少。在不同强度的雨日统计中：小雨日占大多数，中雨次之，暴雨则主要存在于汛期。

清镇市近40 年来雨日呈减少趋势，平均每10年减少3.63 d，秋季最为明显。从各量级雨日统计结果看，总、中、小雨日数呈下降趋势，而大雨及以上量级则呈明显的增加趋势，对应极端降水天气事件明显增加。此外，雨强与雨日数的长期线性变化趋势不一致，40年中虽然雨日数有所减少，但降水强度却有所增强。

笔者通过现代统计诊断方法，比较客观地分析了1980-2019年清镇市年、季降雨量、雨日和雨强变化趋势及其演变规律，对当地开展暴雨灾害风险普查及气象灾害防御提供一定依据。而针对雨量、雨日数产生变化具体原因还未作深入研究，特别是大气环流及城市热岛效应是否影响该区域雨日等级变化，以及通过何种方式来影响等问题，还需要进一步研究。参考文献：

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