江西暴雨气候特征及降水极值重现期分析

2021-02-16唐传师甘瑞杰程宗佩马锋敏

气象与减灾研究 2021年3期

唐传师，甘瑞杰 , 程宗佩 , 马锋敏

1. 南昌市气象局，江西南昌 330038

2. 江西省气候中心，江西南昌 330096

0 引言

江西省地处亚热带季风气候区，是暴雨频发、多发省份之一，暴雨常常导致严重的洪涝灾害，造成国民经济和人民生命财产的巨大损失。如2020年7月7—10日江西省出现连续区域性大暴雨天气过程，雨量之多排历史同期第一位，区域性大暴雨持续时间和县市站次均为1961年以来历史之最，致使全省99个县(市、区)746.8万人受灾，紧急转移安置70.2万人，需紧急生活救助30.3万人，农作物受灾面积7.38×105hm2，绝收1.86×105hm2，倒塌房屋950户1 866间，严重损坏房屋3 796户7 245间，一般损坏房屋1.81万户2.39万间，直接经济损失245.7亿元。因此，暴雨预报服务是我国南方地区暴雨洪涝防灾减灾的重中之重，加强暴雨方面的研究有着迫切的业务与服务需求和防灾减灾意义。

近几年，许多气象工作者开展了全国或区域暴雨气候变化特征方面的研究，取得了有意义的研究成果。鲍名等(2006)研究了1961—2000年我国暴雨发生频率的变化特征，指出我国夏季暴雨多发生在长江中下游、华南、四川中东部、黄淮地区和华北东部，夏季暴雨发生频率具有明显的年代际变化，且各地区暴雨的年代际变化有一定差异，东部季风区夏季暴雨与洪涝的关系非常密切。伍红雨等(2011)研究了华南地区暴雨的气候特征，指出72%的华南暴雨发生在汛期，华南年平均暴雨日数和暴雨强度有微弱上升趋势。李施颖等(2016)研究了1980—2014年云贵高原暴雨的特征，指出云贵高原的暴雨贡献率为5%—20%，暴雨量未出现明显变化趋势。刘毅等(2020)指出重庆暴雨日数变化趋势不明显，年平均暴雨强度和贡献率在增加。王琪等(2020)指出湖南年暴雨与大暴雨日数、强度及对降水的贡献率在1981—2017年呈显著上升趋势。

江西省也有不少气象工作者从以下几个方面开展了关于暴雨的相关研究，单九生等(2007)通过分析江西省致洪暴雨天气形势特征，根据中低层天气形势特征分型建立了致洪暴雨的预报模式；尹洁等(2004)对江西省主汛期53个连续暴雨过程中的阻塞高压、副高等系统的活动规律及连续暴雨的动力、热力条件分布特征进行了分析,并利用欧洲中心数值预报产品建立了汛期连续暴雨中期预报模型；邹海波等(2013)分析了江西省82次持续性强降雨过程的年代际变化以及空间分布特征，指出江西省持续性强降雨的大尺度背景环流形势主要划分为低槽型、南槽北脊型、台风型和转换型等4种类型；马锋敏等(2013)对江西省汛期极端降水的空间模态特征及其影响机制进行了分析，指出赤道东太平洋前期5—6月和冬季的海表温度与江西省汛期极端降水存在明显的正相关；孙素琴等(2016)对江西省汛期暴雨时空特征进行了分析，将汛期区域性暴雨分为6种分布型态。同时还有不少气象工作者开展了江西暴雨个例研究(孙素琴等，2015；詹华斌等，2015；周雨等，2016；孙素琴等，2017；胡洋等，2019；许彬等，2019；凌婷等，2020)。暴雨和极端降水的预报一直是江西汛期防汛会商的重点，也是决策服务中的难点。但目前关于江西省暴雨日数、强度、贡献率等总体气候特征和降水极值及其变化规律的研究较少。文中利用江西省83个国家气象观测站的逐日降水资料，分析暴雨日数、强度、贡献率等的气候特征及其变化规律，并进一步分析不同重现期的降水极值问题。这些研究将有助于了解江西暴雨变化特征，对暴雨预报与暴雨灾害评估有直接的指示作用，以期为开展防洪防涝、减灾气象服务提供科学依据。

1 资料与方法

文中选取1961—2020年江西省83站国家气象观测站的日降水量资料，日降水量大于等于50 mm为一个暴雨日，暴雨降水量定义为暴雨期间降水量之和，暴雨强度定义为暴雨降水量与暴雨频次之比，暴雨贡献率定义为暴雨降水量与年降水总量之比。采用线性倾向估计法，分析暴雨日数、暴雨降水量、暴雨贡献率的变化趋势；采用年最大值法以及耿贝尔Ι型极值分布理论(戴有学等，2017)，进行不同重现期的降水极值分析。

2 暴雨时空分布特征

2.1 暴雨日数

图1a为1961—2020年江西省83站年平均暴雨日数空间分布，从气候分布上，江西省各地年平均暴雨日数存在明显的差异，总体呈现“东北多、西南少”的分布特征。江西省年均暴雨日数为3.3—7.5 d，年均暴雨日数以九江庐山7.5 d最多，其次为上饶婺源、德兴、弋阳7.3 d，上饶为暴雨高发中心，各站年平均暴雨日数大多在6 d以上；年均暴雨日数最少为吉安遂川、泰和两地，均为3.3 d，吉安和赣州为暴雨发生次数较少的地区，各站年均暴雨日数大部分在5 d以下。

为了了解暴雨日数的长期时空变化特征，对江西省83站逐年暴雨日数进行线性倾向分析，得到年暴雨日数倾向率空间分布(图1b)。从分析结果可以看出，江西省除2站年暴雨日数倾向率小于0(赣州瑞金暴雨日数倾向率为-0.10 d/(10 a)，宜春上高暴雨日数倾向率为-0.07 d/(10 a))，其他所有站点年暴雨日数倾向率均大于0，表明在全球气候变暖的大背景下，江西省绝大部分地区年暴雨日数均呈增加趋势。同时，年暴雨日数增加趋势呈现东部和东北部快速增加，西部和南部增速略慢的态势。增速较快的抚州、景德镇和上饶等地以0.30—0.80 d/(10 a)的趋势增加，抚州南城0.88 d/(10 a)为最大，其次为抚州资溪(0.57 d/(10 a))、景德镇(0.53 d/(10 a))、上饶婺源(0.51 d/(10 a))等地；宜春和赣州等地以0.10—0.20 d/(10 a)的趋势增加,增速略慢。值得注意的是，江西省东北地区既是暴雨的高发中心，也是暴雨日数的增长中心，以0.30—0.50 d/(10 a)的增速增加；吉安暴雨发生次数偏少，其暴雨日数增速为0.20—0.40 d/(10 a)。

图1 1961—2020年江西省年平均暴雨日数(a，单位:d)和年暴雨日数倾向率(b，单位:d/(10 a))分布

2.2 暴雨降水量

对1961—2020年江西省83站暴雨降水量进行分析，得到各站年平均暴雨降水量空间分布以及暴雨贡献率空间分布(图2a、b)。分析可知，江西省各地年平均暴雨降水量和暴雨贡献率分布形态较为一致，呈现“东北多、西南少”的分布特征。江西省年平均暴雨降水量达231.7—633.3 mm，最大值633.3 mm出现在庐山，其次婺源为582.6 mm、德兴564.9 mm；最小出现在遂川为231.7 mm，其次为泰和240.7 mm、万安254.5 mm。江西省年平均暴雨贡献率为14.9%—29.8%，最大出现在庐山为29.8%，其次为婺源29.0%、景德镇28.9%；最小出现在遂川为14.9%，其次为泰和16.2%、井冈山16.5%。景德镇和上饶为年暴雨降水量高值区，年均441.6—582.6 mm，其暴雨贡献率也对应高值区，为25.8%—29.0%；赣州北部和吉安南部为暴雨降水量低值区，年均231.7—277.8 mm，其暴雨贡献率也对应低值区，为14.9%—18.4%；其他地区年均暴雨降水量300.0—450.0 mm，其暴雨贡献率为22.0%—26.0%。

为了了解年暴雨降水量及暴雨贡献率长期时空变化情况，对江西省83站逐年暴雨降水量及暴雨贡献率进行线性倾向分析，得到各站暴雨降水量倾向率空间分布以及暴雨贡献率倾向率空间分布(图2c、d)。通过对各站逐年暴雨降水量进行分析发现，暴雨降水量倾向率分布有2个呈明显增长趋势的中心，一个高增长中心是抚州市，其中南城暴雨降水量增长幅度最大达60.3 mm/(10 a)，其次资溪增长幅度为50.3 mm/(10 a)；另一个高增长中心是景德镇和上饶婺源，其中景德镇暴雨降水量增长幅度为49.6 mm/(10 a)，婺源为47.1 mm/(10 a)。暴雨降水量低值区的赣州北部和吉安南部以20—30 mm/(10 a)的中等幅度增长。另外，暴雨降水量增长趋势不明显的地区位于宜春、萍乡、新余、赣州南部等地，其暴雨降水量倾向率大部分都小于10.0 mm/(10 a)。

图2 1961—2020年江西省年平均暴雨降水量(a，单位:mm)、暴雨贡献率(b，单位:%)、暴雨降水量倾向率(c，单位:mm/(10 a))、暴雨贡献率倾向率(d，单位:%/(10 a))分布

分析各站逐年暴雨贡献率发现，暴雨贡献率有3个明显的增长中心，一个是抚州，增长幅度为1.5%/(10 a)—2.5 %/(10 a)，其中南城暴雨贡献率增长幅度最大为2.5 %/(10 a)，其次资溪增长幅度为1.7 %/(10 a)；第二个中心是景德镇和上饶，增长幅度为1.3 %/(10 a)—1.8 %/(10 a)，其中景德镇暴雨贡献率增长幅度最大，为1.8 %/(10 a)，其次上饶婺源增长幅度为1.5 %/(10 a)；第三个高增长中心是暴雨贡献率为低值区的赣州北部和吉安南部，增长幅度为1.2 %/(10 a)—1.4 %/(10 a)，其中石城增长幅度最大为1.4 %/(10 a)，其次兴国增长幅度为1.3 %/(10 a)。九江西部、宜春、萍乡、新余、赣州中南部等地的增长趋势不明显，暴雨贡献率倾向率大多低于0.5 %/(10 a)。

2.3 暴雨降水强度

对1961—2020年江西省83站暴雨降水量及暴雨频次进行分析，得到各站平均暴雨强度空间分布以及暴雨强度倾向率空间分布(图3)。分析发现，江西省各地平均暴雨强度呈北部大、南部小的分布特征。平均暴雨强度的高值中心在上饶、景德镇、南昌、九江东部等地，平均暴雨强度为76—80 mm；低值中心在赣州北部，平均暴雨强度为68—70 mm；其他地区平均暴雨强度大部在72—76 mm。而暴雨强度长期变化则呈现西部增强、东部减弱的趋势。暴雨强度变化有3个明显的强度增强中心，赣州北部有一个2.7—3.2 mm/(10 a)的强度增长中心，在宜春和鹰潭也分别有一个2.5—2.9 mm/(10 a)和2.1—2.3 mm/(10 a)的强度增长中心。而在上饶、九江东部，有一个-2.4—-1.9 mm/(10 a)的强度负增长中心，在抚州有一个-0.5—-1.1 mm/(10 a)的强度负增长中心。综上所述，在平均暴雨强度低值区的赣州北部，其暴雨强度呈现明显的增长趋势，而在平均暴雨强度高值区的上饶、九江东部，其暴雨强度呈现负增长趋势。

图3 1961—2020年江西省平均暴雨强度(a，单位：mm)、暴雨强度倾向率(b，单位：mm/(10 a))分布

3 日雨量极值特征

图4为1961—2020年江西省83站日雨量极值空间分布。从日雨量极值空间分布来看，江西省日雨量极值大致呈现东北部大、西南部小的分布特点。日雨量极值有3个高值中心，以宜春靖安为最大达399.7 mm，其次分别为抚州广昌393.8 mm和景德镇364.6 mm；日雨量极值高值区主要分布在景德镇、上饶、宜春和抚州一带，为260—300 mm；低值区在吉安南部以及赣州中北部，日雨量极值为150—180 mm；其他地区大部为180—240 mm。

图4 1961—2020年江西省日雨量极值分布(单位：mm)

根据1961—2020年江西省各站年最大日雨量，采用年最大值法以及耿贝尔Ι型极值分布理论，按照5、10、50、100 a的重现期进行极值分析，给出江西省不同重现期日雨量极值空间分布(图5)。分析可见，江西省不同重现期的日雨量极值空间分布较为一致，均呈现东北大、西南小的特征，高值区主要分布在上饶、景德镇和抚州一带，低值区主要在吉安南部和赣州。5 a一遇的极值高值区为180—190 mm，低值区为100—120 mm；10 a一遇的极值高值区为180—200 mm，低值区为120—140 mm；50 a一遇的极值高值区为240—300 mm，低值区为160—200 mm；100 a一遇的极值高值区为270—330 mm，低值区为180—210 mm。

图5 江西省5(a)、10(b)、50(c)和100(d) a重现期日雨量极值空间分布(单位：mm)

为了了解江西各地市日雨量不同重现期极值情况，每年从各市所辖县区挑选出本市年最大日雨量，得到江西省11个地市1961—2020年逐年最大日雨量，采用年最大值法以及耿贝尔Ι型极值分布理论，按照5、10、50、100 a的重现期进行极值分析，给出江西省11市不同重现期日雨量极值分布(表1)。从表1可以看出，江西省11个市5 a一遇的日雨量极值为151.4—232.7 mm，10 a一遇的日雨量极值为146.8—271.2 mm，50 a一遇的日雨量极值为187.5—355.9 mm，100 a一遇的日雨量极值为204.7—391.8 mm。江西全省5 a一遇的日雨量极值为295.6 mm，10 a一遇的日雨量极值为332.4 mm，50 a一遇的日雨量极值为413.5 mm，100 a一遇的日雨量极值为447.7 mm。