长江流域分区面雨量特征分析

2021-10-18沈浒英孙嘉翔王乐

人民长江 2021年9期

沈浒英孙嘉翔王乐

摘要：面雨量达到中雨以上级别的降雨对防汛至关重要。采用1960～2017年期间长江流域气象和水文站降雨量资料进行逐日分区面雨量计算，对面雨量达到中雨、大雨、暴雨、大暴雨量级的降雨进行分类和统计分析。通过分析不同雨量级别降雨发生的时间、空间分布特征和发生频次，探索长江流域各分区不同面雨量特点和规律。研究结果表明：① 长江中下游东南部全年都出现暴雨，而雅砻江全年没有暴雨量级的降雨;②长江上游降水在时间上较中下游更为集中;③ 鄱阳湖水系中雨、大雨、暴雨频次最高;④ 嘉陵江、渠江、三峡区间、汉江上游秋汛期9月降雨具有高强度的特点，乌江、三峡区间10月降雨更多是绵绵秋雨;⑤ 长江上游面雨量最大值依次出现在三峡区间、涪江、渠江，中下游依次为滁河、陆水、青弋水阳江。研究成果可为长江流域水旱灾害防御、水库群联合调度及水资源综合利用等决策提供科学依据。

关键词：面雨量;降雨频次;时空分布;长江流域

中图法分类号：P414.95

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0079-07

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.013

0 引言

面雨量是指某一特定区域或流域的平均降水状况，它是流域水旱灾害防御与水库调度中非常重要的参数，同时也是评价流域水资源量的重要参数。江河流域来水量以及水库的蓄泄能力都与流域面雨量密切相关。

20世纪70年代水文部门就开始对流域面雨量计算方法进行了研究[1]。1998年长江流域发生流域性洪涝灾害之后，气象部门也开始关注流域面雨量计算与预报问题。在此背景下，水文气象部門对流域面雨量均做了较为广泛深入的研究。研究方向主要集中在以下方面：①对面雨量计算方法的研究[2-5]，通过对几种面雨量计算方法进行比较，试图寻找最佳方案。由于面雨量的估算直接关系到洪水预报精度和洪水调度决策的科学性，徐晶等[6]试图通过非常规观测资料，利用资料融合来进行面雨量的准确估算。顾丽[7]选用最优方案开发了能够实时展示不同时间尺度长江流域面雨量信息的处理软件。Susanna等[8] 设计了一种基于GIS的面向科学家和实践者的区域降雨量多模型估算工具。②开展面雨量时空分布特征研究[9-12]。肖莺等[13]分析了长江上游面雨量低频特征，张俊等[14]分析了极端降雨事件的变化特征以及不同子流域间极端事件的相关关系。③开展面雨量与洪水关系的研究。周建山等[15]研究了清江上中游面雨量与下游洪峰形成的关系。胡娇等[16]将降雨与中小洪水结合，开展了雨洪特征研究。以上的研究虽然已有一定进展，但还无法满足长江流域防汛要求。且以往的研究重点主要针对致洪暴雨和极端降雨事件，而通过近年来的水库群调度和山洪灾害防御实践已经认识到面雨量达到中雨以上级别的降雨是汛情和致灾的重要影响因素。本文采用长江流域1960～2017年气象和水文雨量站的降水数据集，对与防汛减灾直接相关的中雨、大雨、暴雨等进行分类分析，深入了解不同量级面雨量在长江流域38个分区上的时间分布;通过分析不同级别面雨量发生的时间、空间、频次，进一步探索长江流域各分区不同量级面雨量的特点和规律。分析研究成果可为长江流域水旱灾害防御、水库调度及水资源综合利用等决策提供科学依据。

1 研究方法

根据长江各子流域自然属性以及降雨和来水特点，将长江流域划分为38个区域，针对分区逐日降雨量进行面雨量计算，对面雨量达到中雨、大雨、暴雨或大暴雨量级的雨量进行分类与统计分析。降雨资料序列自1960～2017年共58 a，为逐日08：00（当日）至08：00（次日）的24 h降雨量。日面雨量计算方法采用泰森多边形法。面雨量等级划分依据GB/T 20486-2017《江河流域面雨量等级》[17]，参见表1。

2 长江流域分区

长江流域共826个雨量站参与面雨量计算分析，其中694个气象雨量站，132个水文雨量站。长江流域38个分区及参与面雨量计算分析的气象、水文雨量站见表2，雨量站分布见图1。

长江上游有金沙江、岷江与沱江（简称“岷沱江”）、嘉陵江、长江上游干流区间（简称“长上干区”）、乌江五大区。面雨量计算时采用15个细分区：金沙江流域分为4个区，即金沙江上游（石鼓以上）、金沙江中游（石鼓-攀枝花）、金沙江下游（攀枝花-向家坝）、雅砻江;岷沱江分为岷江和沱江2个区;嘉陵江分为3个区，即涪江、嘉陵江干流和渠江;长江上游干流分为3个区，即向寸区间（向家坝-寸滩）、三峡寸万区间（寸滩-万县）、万宜区间（万县-宜昌）;乌江分为3个区，即乌江上游（构皮滩以上）、乌江中游（构皮滩至彭水）、乌江下游（彭水至武隆）。

长江中下游有汉江、洞庭湖水系、长江中游干流区间（简称“长中干区”）、鄱阳湖水系、长江下游干流区间（简称“长下干区”）五大区。面雨量计算时采用23个细分区：汉江流域丹江口以上为汉江上游，汉江上游又分为石泉以上、石泉-白河、白河-丹江口3个区;汉江下游分为丹皇区间、皇庄以下2个区;洞庭湖水系分为澧水、沅江、资水、湘江和洞庭湖区5个区;长江中游干流区间分为清江流域、江汉平原、陆水流域、鄂东北4个区;鄱阳湖水系分为修水、赣江、抚河、信江、饶河、鄱阳湖区6个区;长江下游干流区间分为长江下游干流（简称“长下干”）、滁河、青弋水阳江3个区。

3 分区面雨量特征

3.1 不同降雨量级发生时间

统计分析1960～2017年长江流域各分区不同降雨量级发生时间（见表3），具有以下特征。

（1）长江流域除金沙江上游、雅砻江、岷江、沱江、嘉陵江干流这5个区域外，其余大部分区域全年都有中雨量级的降雨发生;金沙江上游（1～11月）、沱江（2～12月）、嘉陵江干流（2～12月）有11个月出现中雨;雅砻江（3～12月）和岷江（2～11月）全年有10个月出现中雨。

（2）金沙江下游、三峡寸万区间、乌江中游、汉江中下游、长江中下游干流、洞庭湖、鄱阳湖水系全年都出现大雨;渠江（2～12月）、三峡万宜区间（2～12月）、乌江上游（1，3～12月）有11个月出现大雨;乌江下游（2～11月）、汉江上游（2～11月）有10个月出现大雨;向寸区间（3～11月）有9个月出现大雨;涪江（4～10月）、嘉陵江干流（4～10月）有7个月出现大雨，沱江（3～10月）有8个月出现大雨;而金沙江上游（5～10月）、雅砻江（5～10月）、岷江（4～9月）全年仅有6个月出现大雨。

（3）陆水，洞庭湖水系的资水、湘江、洞庭湖区，鄱阳湖水系，长下干，滁河全年都出现暴雨;江汉平原、青弋水阳江全年有11个月（1～11月）出现暴雨;三峡万宜区间（3～12月）、汉江皇庄以下、鄂东北、澧水、沅江（2～11月）全年有10个月出现暴雨;三峡寸万区间、乌江中下游、汉江石泉以上、清江全年有9个月（3～11月）出现暴雨;渠江、乌江上游、汉江丹皇区间全年有8个月（4～11月）出现暴雨;金沙江下游（5～11月）、涪江（4～10月）、汉江石泉白河（4～10月）全年有7个月出现暴雨;金沙江中游（5～10月）、沱江（4～9月）、嘉陵江干流（5～10月）全年有6个月出现暴雨;向寸区间（5～9月）有5个月出现暴雨，金沙江上游（6，9月）、岷江（7，8月）仅有2个月出现暴雨;雅砻江流域没有发生过暴雨量级的降雨。

（4）陆水（3～12月）、抚河（1，3～11月）、信江（1，3～9，11～12月）全年有10个月出现大暴雨;饶河（3～11月）全年有9个月出现大暴雨;修水（3～9，11月）、青弋水阳江（4～11月）全年有8个月出现大暴雨;汉江中下游、清江、江汉平原、澧水（4～10月）、洞庭湖区、鄱阳湖区（4～9，11月）、滁河（3～9月）全年有7个月出现大暴雨;三峡万宜区间（5～10月）、乌江下游（5～7，9～11月）、鄂东北（5～10月）、赣江（3，5，7～10月）、长下干（5～10月）全年有6个月出现大暴雨;渠江、三峡寸万区间、乌江中游（5～9月）、汉江石泉白河（6～10月）、白河丹江口（5～9月）、资水（5～9月）、湘江（5，7～10月）全年有5个月出现大暴雨;汉江石泉以上（6～9月）全年有4个月出现大暴雨;沱江、涪江（6～8月）、沅江（6～7，9月）全年有3个月出现大暴雨;向寸区间全年仅有2个月（6～7月）出现大暴雨;乌江上游全年仅1个月（7月）出现大暴雨;金沙江、岷江、嘉陵江干流全年没出现大暴雨。

（5）特大暴雨仅发生在汉江皇庄以下（7月）、陆水（6～7月）、滁河（6，8月）、青弋水阳江（7月）4个区域。特大暴雨的发生，往往都与洪涝灾害联系在一起，虽然这几个区域流域面积较小，但是均屬于长江中下游防汛重点区域，涉及城市和水库安全[18]，因此加强对暴雨的预报预警尤为重要。

3.2 汛期降雨频次占全年比例

分析1960～2017年间汛期4～10月长江流域各分区发生中雨以上降雨的频次（见表3），流域内各分区具有以下不同特点。

（1）金沙江、岷沱江、涪江、嘉陵江干流汛期4～10月中雨降雨频次占全年降雨95%以上;渠江、长上干、汉江上中游中雨降雨频次占全年降雨81%～92%;汉江皇庄以下、长江中下游干流、洞庭湖、鄱阳湖水系4～10月中雨降雨频次占全年降雨58%～77%。

（2）金沙江上游、雅砻江、岷沱江、涪江、嘉陵江干流4～10月大雨降雨频次占全年降雨100%;金沙江中下游、渠江、长上干、乌江、汉江上中游大雨降雨频次占全年降雨90%以上;汉江下游、清江、江汉平原、澧水、沅江大雨降雨频次占全年降雨81%～89%;陆水、鄂东北、资水、湘江、洞庭湖区、鄱阳湖水系、长下干大雨降雨频次占全年降雨64%～79%。

（3）金沙江上中游、岷沱江、涪江、嘉陵江干流、汉江石泉白河暴雨降雨频次占全年降雨100%;金沙江下游、渠江、三峡区间、乌江、汉江石泉以上、白河丹江口、汉江中下游、清江、江汉平原、鄂东北、澧水、沅江、资水、长下干、滁河暴雨降雨频次占全年降雨90%～99%;陆水、湘江、洞庭湖区、鄱阳湖水系、青弋水阳江暴雨降雨频次占全年降雨78%～88%。

（4）赣江大暴雨降雨频次占全年降雨82%，比例最低;乌江下游、陆水、洞庭湖区、修水、抚河、信江、饶河、鄱阳湖区、滁河、青弋水阳江大暴雨降雨频次占全年降雨91%～99%;其余区域大暴雨降雨频次占全年降雨100%。

（5）长江上游及汉江上中游在汛期4～10月，中雨发生频率80%以上、大雨发生频率90%以上、暴雨发生频率99%以上。而汉江下游、长江中下游干流及洞庭湖、鄱阳湖水系的降雨明显没有长江上游集中。因此，长江上游、汉江上游众多的水利工程能够在丰水期和枯水期进行科学调度、充分发挥调蓄作用，造福民生。

（6）鄱阳湖水系抚河、信江、饶河4～10月的中雨频次占全年降雨比例最低，均为58%;信江大雨频次占全年比例最低，为64%;抚河暴雨频次占全年比例最低，为78%;赣江大暴雨频次占全年比例最低，为82%。

3.3 不同量级降雨发生频次

统计长江流域各分区日面雨量达到中雨以上量级的降雨发生频次（指1960～2017年间统计到的发生次数除以总年份，见表4），长江上游和长江中下游分述如下。

3.3.1 长江上游

发生中雨频次最高的依次是金沙江中下游支流雅砻江（42.6次/a）、金沙江下游（41.4次/a）、岷江（40.1次/a）。发生中雨频次最低的依次是金沙江上游（24.7次/a）、沱江（28.2次/a）、涪江（29.2次/a）。长江上游其他区域发生中雨的频次在31～39次/a之间。

长江上游发生大雨频次最高的依次是乌江中游（17.2次/a）、三峡寸万区间（16.2次/a）、乌江下游（15.4次/a）。发生大雨/暴雨（“/”表示“或”，下文同）频次最低的依次是雅砻江、金沙江上游、岷江。

长江上游发生暴雨/大暴雨频次最高的依次是在渠江、三峡万宜区间、三峡寸万区间。发生暴雨频次最低的依次是雅砻江（无暴雨）、金沙江上游（总共2次）、岷江（总共5次）。

嘉陵江渠江位于巴山西南部，三峡区间位于巴山南部峡谷，西南季风和地形（迎风坡对气流的强迫抬升作用）的共同影响，是渠江和三峡区间暴雨和大暴雨频发的主要原因[19-20]。

3.3.2 长江中下游

发生中雨频次最高的依次是鄱阳湖水系的赣江（51.8次/a）、洞庭湖水系湘江（48.4次/a）、沅江（46.8次/a）。资水、洞庭湖区、长下干、抚河发生中雨频次都在40～46次/a。发生中雨频次最低的依次是汉江丹皇区间（26.7次/a）、汉江石泉以上（26.9次/a），长江下游干流的滁河（27.8次/a）。汉江流域中雨的发生频次在26～30次/a之间，长江中游干流区间及洞庭湖水系的澧水中雨的发生频次在33～37次/a之间，鄱阳湖水系、青弋水阳江中雨的发生频次在39～40次/a之间。

发生大雨频次最高的依次是鄱阳湖水系的赣江（26.2次/a）、抚河（26.1次/a）、信江（24.9次/a）。洞庭湖水系的资水、湘江、洞庭湖区、青弋水阳江和鄱阳湖水系发生大雨频次约22～26次/a，清江、陆水、澧水、沅江、长下干发生大雨频次约19～20次/a。发生大雨频次最低的是汉江上中游，12次/a左右。

发生暴雨频次最高的依次是鄱阳湖水系的饶河（12.6次/a）、信江（12.2次/a）、抚河（11.5次/a）（发生大雨/暴雨频次最高的3个分区都在鄱阳湖水系）。发生暴雨频次最低的也是汉江上中游，3～4次/a。

发生大暴雨频次最高的依次是鄱阳湖水系的饶河（3.0次/a）、陆水（2.9次/a）、信江（2.8次/a）。

鄱阳湖水系位于长江流域东南部，受东南季风影响最直接，加上其支流源于特殊的山丘地形，因此无论是中雨、大雨还是暴雨或大暴雨，长江中下游各类降雨发生频次最高的均发生在鄱阳湖水系。

1960～2017年间发生特大暴雨有4个区：陆水、滁河、皇庄以下、青弋水阳江。陆水发生5次（1964年6月24日153.1 mm，1973年6月22日167.6 mm，1991年7月4日171.3 mm，1995年7月1日161.9 mm，2011年6月9日205 mm），滁河发生2次（1995年6月20日152.0 mm，2008年8月1日240.3 mm），皇庄以下（1969年7月10日151.9 mm）和青弋水阳江（2007年7月9日154.7 mm）各有1次。其他区域没有发生面雨量达到特大暴雨量级的降雨。

饶河大暴雨频次为長江中下游最高，是长江上游频次最高的渠江的3.75倍;暴雨频次最高的也是饶河，是长江上游渠江的2倍;大雨频次最高的赣江是长江上游三峡寸万区间的1.5倍，中雨频次最高的赣江是长江上游雅砻江的1.2倍。

由以上分析结果可以看出：长江中下游无论是降雨量还是降雨频次都明显大于长江上游。长江上游水资源总量不及长江中下游丰富，因此更需要通过综合运用水工程措施[21-22]，才能使长江上游水资源得到充分合理利用。

3.4 不同量级降雨对秋汛的贡献

长江上游嘉陵江干流9月大雨频次高于8月，渠江9月大雨/暴雨/大暴雨频次均高于8月;三峡寸万区间9月中雨/大雨频次高于8月，三峡万宜区间大雨/大暴雨频次高于8月;汉江石泉以上9月中雨/大雨/暴雨频次高于8月，石泉白河9月大雨/暴雨频次高于8月，白河丹江口9月大雨频次高于8月。由此可见，嘉陵江、渠江、三峡区间、汉江上游秋汛期9月的降雨频次明显高于8月，而且多大雨/暴雨/大暴雨，说明上述地区秋汛期具有高强度的降雨特点。

乌江中游、下游和三峡寸万区间、万宜区间10月中雨的频次明显高于9月，而且乌江下游、三峡寸万区间10月中雨频次明显高于7，8，9月。由此可见，乌江、三峡区间秋季10月的降雨更多是中雨——绵绵秋雨[23-27]。

长江上游明显的秋汛期降雨特点，为上游众多水库于汛末蓄水期提供了丰富的水资源。

3.5 日面雨量极值

最大日面雨量极值代表了该区域降雨强度，同时面雨量值与该区域的面积相关联。从绝对值来看，长江上游和中下游最大面雨量极值都是较小分区面积的区域，但仍然能真实地反映出降雨的强烈程度，其统计分析结果对山洪灾害防御、水库调度极具参考价值[28-29]。分析长江流域各分区1960～2017年期间最大日面雨量结果显示（见表4）：

长江上游日面雨量最大极值发生在三峡万宜区间（104.5 mm），其次是涪江（100.6 mm），第三是渠江（99.3 mm）。日面雨量极值最小的区域发生在雅砻江（22.6 mm，没有达到暴雨量级），其次是岷江（34.5 mm），第三是金沙江中游（39.5 mm）。

长江中下游日面雨量极值最大发生在滁河（240.3 mm），其次是陆水（205.0 mm），第三是青弋水阳江（154.7 mm）。日面雨量极值最小的区域发生在湘江（76.5 mm），其次是汉江白河丹江口（77.8 mm），第三是汉江石泉白河（79.0 mm）。

4 结论

分析1960～2017年长江流域各分区中雨、大雨、暴雨、大暴雨时间、空间分布和发生频次等，具有如下特征。

（1）金沙江下游、三峡寸万区间、乌江中游、汉江中下游、长江中下游干流、洞庭湖、鄱阳湖水系全年都出现大雨;陆水、洞庭湖水系资水、湘江、洞庭湖区、鄱阳湖水系、长下干、滁河全年都出现暴雨;雅砻江流域没有发生过暴雨量级的降雨。

（2）长江上游及汉江上中游汛期4～10月，发生了80%以上的中雨、90%以上的大雨、99%以上的暴雨。而汉江下游、长江中下游干流及洞庭湖、鄱阳湖水系的降雨在时间上明显没有长江上游集中。

（3）长江中下游大暴雨频次最高的饶河是长江上游频次最高的渠江的3.75倍;暴雨频次最高的也是饶河，是长江上游渠江的2倍;大雨频次最高的赣江是长江上游三峡寸万区间的1.5倍，中雨频次最高的赣江是长江上游雅砻江的1.2倍。

（4）嘉陵江、渠江、三峡区间、汉江上游秋汛期9月大雨/暴雨/大暴雨的降雨频次明显高于8月份，上述地区秋汛期降雨有发生高强度的降雨特点。而乌江中下游和三峡区间10月份中雨的频次明显高于9月份，乌江、三峡区间秋季10月份的降雨更多是绵绵秋雨。

（5）长江上游最大日面雨量是三峡万宜区间（104.5 mm），其次是涪江（100.6 mm），第三是渠江（99.3 mm）。長江中下游最大日面雨量是滁河（240.3 mm），其次是陆水（205.0 mm），第三是青弋水阳江（154.7 mm）。特大暴雨仅发生在汉江皇庄以下、陆水、滁河、青弋水阳江4个区域。

（6）在水资源管理、防汛抗旱中，迫切需要加强和提高暴雨预报水平和预警能力，确保城市和水库安全;流域内无论是丰水期还是枯水期，都存在水量分布不均的情况，需要通过水利工程的科学调度、充分发挥调蓄作用，使长江流域水资源得到充分合理利用。

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