1960—2018年佛冈县前汛期极端降水的变化特征

2021-05-07吴志纯陈焯坚吴贵义廖镇强谭日明

广东气象 2021年2期

吴志纯，陈焯坚，吴贵义，廖镇强，谭日明

（1.佛冈县气象局，广东佛冈 511600；2.清远市气象局，广东清远 511510；3.广州市气象局，广东广州 511430）

IPCC第五次评估报告（AR5）［1］在 2013年指出，在全球持续变暖的趋势下，到21世纪末，中纬度大部分陆地区域与热带区域的湿区，极端降水事件将很可能更加剧烈、频繁［2-5］。近年来，对强降水和极端降水事件的研究也越来越多［6-9］。翟盘茂等［6］指出我国的极端强降水平均强度和极端强降水值都有增加的趋势，极端降水量占总降水量的比例有所增加；李丽平等［7］研究发现20世纪90年代以来华南前汛期总降水量增加与极端强降水量、频率以及暴雨日数显著增加有密切相关，且极端降水、强降水量异常程度明显增大；罗律等［8］指出清远市南部极端强降水阈值、总量、频数和强度都呈减少趋势，极端降水在5—6月最为集中。

佛冈县位于广东中北部，是粤北山区到珠三角的过渡带，处于喇叭口地形，是广东省3大暴雨中心之一。降水主要集中在汛期，其中前汛期降水量占年降水总量的1/2。极端降水极易导致洪涝灾害、山体滑坡、泥石流等灾害的发生，对人民生命和财产造成严重威胁。本研究根据1960—2018年佛冈县国家观测站的逐日降水量资料，对近59年来佛冈县前汛期极端降水量、强度和日数的变化特征进行分析，探讨其变化规律，为该地区应对极端降水和做好预报预警服务提供参考。

1 资料与方法

本研究使用1960—2018年近59年佛冈县国家基本站4—6月逐日降水资料，资料可靠准确。采用百分位法确定极端降水阈值［4-6］，将1981—2010年逐年4—6月的日降水量按从小到大顺序排列，取95%分位值的30年平均值作为前汛期极端降水的阈值，当某日降水量大于该阈值，则认为该降水量是该年的一次极端降水。

本研究分析方法主要有线性趋势系数、多项式曲线拟合、Mann-Kendall突变分析、Morlet小波分析。

2 前汛期极端降水的年际变化特征

2.1 变化趋势

从图1a可看出，近59年佛冈县前汛期极端降水量气候倾向率为-2.217 mm/年，趋势系数未通过ɑ＝0.05显著性水平检验，总体呈弱下降趋势。前汛期极端降水量平均值为432.5 mm；最大值发生在1983年，为1 063.7 mm，其它年份极端降水量均无超过1 000 mm；最小值发生在1991年，无发生极端降水事件。从多项式拟合曲线看出，前汛期极端降水量在1960年代中后期至1990年代前期为偏多期，1960年代前期和1990年代中后期之后为偏少期。

由于1991年无发生极端降水事件，因此1991年的极端降水强度按缺省处理。从图1b可以看出，前汛期极端降水强度气候倾向率为-0.195 mm/（d·年），趋势系数未通过ɑ＝0.05显著性水平检验，呈弱下降趋势。前汛期极端降水平均强度为96.1 mm/d，远超过暴雨量级及佛冈前汛期极端降水阈值58.9 mm/d；最大值为158.5 mm/d，出现在 2000年；最小值为 67.3 mm/d，出现在1976年。从多项式拟合曲线可看出，前汛期极端降水强度在1960、1980至1990年代前中期为偏强期，1970和1990年代后期之后为偏弱期。

从图1c可看出，前汛期降水日数气候倾向率为-0.014 d/年，趋势系数未通过ɑ＝0.05显著性水平检验，呈弱下降趋势，前汛期极端降水平均发生日数为4.5 d；最大值出现在1983年，共11 d；最小值出现在1991年，为0 d。从多项式拟合曲线可看出，前汛期极端降水日数在1960年代中后期至1990年代前期为偏多期，1960年代前期和1990年代中后期之后为偏少期。

图1 佛冈县1960—2018年前汛期极端降水量（a）、强度（b）、日数（c）变化曲线

2.2 突变分析

本研究利用 Mann-Kendall方法对 1960—2018年佛冈县前汛期极端降水进行突变检验。M-K法是一种非参数统计检验方法，序列随机独立，UF线为顺序统计量曲线，UB线为逆序统计量曲线。当UF线与UB线在ɑ＝0.05的检验水平临界值U±1.96之间有交点且交点之后，其中的一条线超过显著性水平检验临界值时，说明该点即为突变点。当UF值大于零时说明序列为上升趋势，小于零时则说明为下降趋势［10-11］。

从图2a可看出，近59年佛冈县前汛期极端降水量UF线在1960年代中后期至1970年代中期、1980年代末和1990年代中期有上升趋势，但UF和UB两条曲线均未超过ɑ＝0.05的显著性水平检验临界值，所以佛冈县前汛期极端降水量在近59年来未发生突变。

图2b中前汛期极端降水强度UF线在1960至1970年代前期除1964和1967年外，均呈上升趋势，1970年代中后期之后呈下降趋势，在2004—2005和2011—2013年超过了ɑ＝0.05的显著性水平检验临界值，说明这个时间段极端降水强度有显著的下降趋势。UF和UB两条曲线在1988年有交点，且之后UF线有超过ɑ＝0.05的显著性水平检验临界值，说明前汛期极端降水强度在1988年开始发生突变。

从图2c可以看出，前汛期极端降水日数UF线在1960年代中后期呈上升趋势，其余时间段均呈下降趋势，在2000年代中后期以后呈显著的下降趋势。UF和UB两条曲线在1969年有交点，且之后UF线有超过ɑ＝0.05的显著性水平检验临界值，说明前汛期极端降水日数在1969年后发生突变。

图2 佛冈县1960—2018年前汛期极端降水量（a）、强度（b）及日数（c）突变分析

2.3 周期变化

气候系统是多时间尺度系统，Morlet小波具有多时间尺度分析的特征，不同时间尺度下的小波系数可以反映出系统在该时间尺度下的变化特征，是一种时域-频域的分析，能更清楚地看到各周期随时间的变化情况［11-12］。

本研究通过Morlet小波系数实部，分析近59年来佛冈县前汛期极端降水量、强度、日数的周期变化，当小波系数实部大于零时对应偏多期，小于零时对应偏少期，小波系数绝对值越大，表示该时间尺度变化越显著。

从图3a可看出，前汛期极端降水量存在5～8、10～12、准18和30年的周期振荡，其中5～8年的周期振荡存在于1980至2000年代前中期；10～12年的周期振荡在整个时间序列基本存在；准18年的周期振荡主要在1980年代之后比较显著，呈偏少到偏多再到偏少3个交替过程；准30年的年代际周期振荡在1990年代之前都较为明显。从图3b可看出，前汛期极端降水强度的周期振荡有5～8、准15、28～30年，都贯穿在整个时间序列，尤其是28～30年的周期振荡比较显著，呈偏强到偏弱再到偏强3个交替过程。

从图3c可看出，前汛期极端降水日数在2000年代前存在5～8、准15、28～30年的周期振荡，其中28～30年的周期振荡比较显著，2000年代之后，周期变化不明显。

图3 佛冈县1960—2018年前汛期极端降水量（a）、强度（b）及日数（c）Morlet小波系数实部

3 前汛期极端降水的年代际变化特征

3.1 各年代平均值及趋势系数

由表1可见，1960—2018年佛冈县前汛期极端降水量在1960和1980年代均大于平均量，1980年代极端降水量值最大，为551.7 mm，最小值出现在2000年代，为351.7 mm。1970年代极端降水量趋势系数为负值，通过ɑ＝0.01显著性水平检验，呈显著的下降趋势，1960年代呈明显的上升趋势，趋势系数亦通过ɑ＝0.01显著性水平检验，其它年代虽然呈上升趋势，但上升幅度不大。

表1 1960—2018年前汛期极端降水量、强度、日数的年代际平均值及趋势系数

前汛期极端降水强度在1960和1980年代强度均大于平均强度，1960年代极端降水强度最大，为105 mm/d，最小值出现在1990年代，为91.7 mm/d。1990和2000年代极端降水强度呈下降趋势，其中1990年代趋势系数通过ɑ＝0.01显著性水平检验，其它年代呈上升趋势，但上升趋势幅度基本小于下降趋势，其中2010年代趋势系数通过ɑ＝0.05显著性水平检验，上升趋势较为明显。

前汛期极端降水日数在1960、1970和1980年代日数均超过平均日数，1980年代极端降水日数最多，为5.7 d，最小值出现在2000年代，为3.9 d；1970年代和1980年代极端降水日数呈下降趋势，其中1970年代呈显著的下降趋势，趋势系数通过ɑ＝0.01显著性水平检验，1980年代下降趋势不明显，其他年代均呈上升趋势，其中1960年代呈显著的上升趋势，趋势系数通过ɑ＝0.01显著性水平检验。

3.2 前汛期各年代出现连续性极端降水次数

极端降水致灾风险程度不仅取决于降水量的大小还要关注是否会出现连续性极端降水，因此统计近59年佛冈县前汛期出现连续性的极端降水对评估致灾风险有很好的参考意义。

统计可知，1960—2018年佛冈县前汛期出现连续性极端降水最长持续天数为3 d，其中连续性极端降水日数占极端降水总日数的24.3%。近59年佛冈县前汛期共有22个年份30次出现连续性极端降水，其中连续2 d出现极端降水共有25次，连续3 d出现极端降水共有5次。连续2 d出现极端降水每个年代均有出现，次数最多是在1960年代，共出现7次，其中1964年共出现2次，次数最少是在1980年代，共出现2次；连续3 d出现极端降水只在1970、1990和2000年代，次数最多是在1970年代，共出现3次，其中1975年出现过2次。