城镇化对上海市极值降雨时程规律的影响研究

郑伟强，刘曙光，周正正

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

0 引 言

暴雨及其造成的洪涝是我国主要自然灾害之一，在大城市地区往往会带来更大的经济损失和人员伤亡。上海市地处长江三角洲地区，是我国经济的高度发达区和人口的高度集中区，对暴雨的敏感程度较高。2013年10月台风“菲特”带来的特大暴雨导致上海市严重内涝，交通瘫痪，致使近10万人受灾，直接经济损失达9 300万余元[1]。随着近年来长江三角洲区域一体化战略的深入实施，长三角地区城镇化进程会进一步加快；区域一体化是建立在生态一体化的基础上的，而极端气候对生态文明建设有着显著影响。上海市是长三角地区城镇化建设的先导，在长江三角洲快速发展的背景下，对上海市地区极端气候变化规律及暴雨频率进行分析具有重要意义。

近年来，很多学者对上海市及其周边地区的降雨时程变化规律及其响应做了大量的研究，取得了很多成果。殷健等[2]分析了城镇化对上海市年降雨量、月降雨量等的影响。王安琪等[3]通过多种方法确定了杨浦区的设计面暴雨量和设计暴雨雨型。胡子琛等[4]探究了降雨时程分布对太湖流域平原河网地区洪水响应的影响。然而，目前对上海市暴雨的研究主要侧重暴雨雨型研究及其洪灾响应等方面[4- 6]，缺乏对暴雨序列多时间尺度变化规律的探究；同时，城镇化会改变地区气候条件，进而影响暴雨的降雨规律[7-10]，目前关于城镇化对上海市极端降雨事件影响的研究也较少。

本文选取上海市徐汇站、宝山站1961年～2019年连续59年实测极值降雨数据，对其进行时程规律分析，包括趋势分析、多时间尺度变化规律研究等。研究成果可以为上海市防洪建设与雨情区域分析提供参考，亦可以向长三角其他地区推广，助力城郊地区和郊区的发展规划，为基于生态一体化的长三角区域协同发展提供技术保障与理论支持。

1 研究区域及数据

1.1 上海市城镇化进程

常用的衡量地区城镇化水平的指标包括城市人口占比、城市建设用地占比、非农人口占比等[11]。本文用上海市非农人口占比作为城镇化率，上海市城镇化进程曲线见图1(数据来源为各相应年份的《上海统计年鉴》)。

图1 上海市城镇化发展进程(1961年～2014年)

1961年以来上海市城镇化进程可分为三个阶段。1961年～1977年为逆发展阶段，该时期由于政治、经济等因素影响，大批人口迁出上海市，非农人口数量急剧减少，城镇化率降低。1978年～2012年为快速发展阶段，改革开放以后上海城市建设进入快速发展时期，城镇化率快速升高。其中，1992年～2007年的16年间尤为显著，城镇化率年均上升1.26%，城镇化水平显著提高。2013年以后为缓慢发展阶段，城镇化率超过90%，城市建设已较为完善。

1.2 降雨数据

本文选用徐汇站和宝山站1961年～2019年逐日20时～20时降水量数据，数据来源为中国气象局实测站点资料，具有较好的一致性和连续性。徐汇站(31°10′N，121°26′E，海拔2.6 m)和宝山站(31°24′N，121°27′E，海拔5.5 m)分别位于上海市徐汇区和宝山区(见图2)。两站点距离较近，属于同一水利分区：一方面，徐汇站地处市区，同一时期内城镇化程度较地处郊区的宝山站高；另一方面，随着时间推移两站均受到城镇化的影响。本文将徐汇站和宝山站分别看作城区站点和郊区站点，从空间横向和时间纵向两个维角度，对比分析城镇化对上海市极端降雨事件的影响。参照世界气象组织(WMO)推荐的极端气候指标，本文对两测站的年最大1日降雨(Rx1d)序列和年最大五日降雨(Rx5d)序列进行分析。其中Rx1d可代表短历时极值降雨的特征，Rx5d可代表长历时极值降雨的特征。

图2 徐汇站、宝山站位置示意

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall趋势检验法(MK检验)是一种非参数统计检验方法[12]，对于样本量为n的极值降雨序列x1，x2， … ，xn，构造标准正态分布统计量序列

(1)

式中，

(2)

式中，

(3)

则序列Sk的数学期望E(Sk)和方差Var(Sk)分别为

(4)

给定显著性水平α，对应的正态分布统计量值为Zα，当|UFk|>Zα时认为序列存在显著变化的趋势。当α=0.05时对应的Zα=1.96。

2.2 Morlet小波分析

对于水文序列f(t)，连续小波变换(CWT)的离散形式为[13]

(5)

Morlet小波为复数小波，定义为

ψ(t)=eiω0te-0.5t2

(6)

式中，Wf(a，b)为小波系数；a为周期尺度；b为时间因子；Δt为时间间隔；i为虚数单位；ω0为常数。小波系数的实部表征不同尺度信号在不同时间上的分布和相位，模的大小表示信号的强弱。以时间因子为横坐标、周期尺度为纵坐标，绘制小波系数Wf(a，b)实部等值线图，即可直观表示各尺度的作用年限；而Wf(a，b)模等值图则能反映相应尺度作用的相对强弱。

小波方差随周期尺度a的变化过程称为小波方差图，它反映了波动的能量随尺度的分布。通过小波方差的极大值可以确定一个水文序列中存在的主要时间尺度，即主周期。将时间域上的关于a的所有小波变换系数的平方进行积分即得到小波方差，其定义式为

(7)

3 极值降雨年际变化规律及趋势检验

徐汇站、宝山站Rx1d、Rx5d的年际变化曲线见图3，MK检验结果如图4所示。徐汇站、宝山站59年来Rx1d和Rx5d均呈波动上升趋势，且两站变化趋势相近，基本满足“同增同减”的变化规律。徐汇站的Rx5d量级整体上略高于宝山站，年际增速与宝山站相近。平均每10年，徐汇站Rx1d和Rx5d分别增加7.5 mm和10.5 mm，宝山站Rx1d和Rx5d分别增加5.6 mm和9.8 mm。1977年宝山站的Rx1d与Rx5d均显著高于徐汇站，其原因是1977年8月21日～22日，冷空气伴随着西北低槽急速南下，与滞留在上海北部的7707号台风倒槽相互作用，致使宝山、嘉定两县出现高强度降雨[14]。而2001年徐汇站的极值降雨又显著强于宝山站，其原因是2001年8月5日～6日，西太平洋副高压突然减弱南退， 促使北上的热带低压东移至上海， 导致上海市区出现特大暴雨[15]。

图3 极值降雨年际变化

图4 MK检验结果

MK检验结果表明，对于徐汇站，Rx1d在1970年～1989年呈不显著下降趋势，在1990年～2012年呈不显著上升趋势，2012年以后呈显著上升趋势；Rx5d在1965年～1990年呈不显著下降趋势，在1991年～2016年呈不显著上升趋势。对于宝山站，Rx1d在1977年以前呈下降趋势，在1984年～2011年呈不显著上升趋势，在2012年以后呈显著上升趋势；Rx5d在1979年以前呈下降趋势，在1980年～2016年呈不显著上升趋势，在2016年以后呈显著上升趋势。

图5 徐汇站Rx1d小波系数等值线

图6 徐汇站Rx5d小波系数等值线

对于同一测站，Rx1d与Rx5d的年际变化趋势相近；上海市城区和郊区极端降雨年际变化趋势存在差异，但这种差异在1996年以后明显减小。

4 极值降雨的多时间尺度分析

为研究上海市城区与郊区极值降雨的多时间尺度变化规律，选定时间尺度为研究时段(1961年～2019年)，周期标度为1～32 a，将徐汇站、宝山站数据分别作Morlet小波变换后计算小波系数实部和小波系数模值，绘制其等值线，其中徐汇站小波分析结果如图5、6所示，宝山站小波分析结果如图7、8所示。根据两站小波系数计算其小波方差，结果如图9所示(图中已分别将各曲线的小波方差进行归一化处理)。

图7 宝山站Rx1d小波系数等值线

图8 宝山站Rx5d小波系数等值线

图9 小波方差

徐汇站Rx1d在研究期内主要存在3类周期尺度、4个主周期。其中3～10 a的周期仅在1997年～2007年间有显著的作用。25 a以上周期整体较强，在研究期内均有作用，但在1980年～1999年间作用效果较弱。7～18 a的周期仅在1980年以前作用较为显著，1980年以后该尺度的周期演化成为7～12 a和13～18 a两类周期，作用效果减弱。主周期分别为5、10、15、28 a。

徐汇站Rx5d在研究期内也主要存在3类周期尺度、4个主周期。其中25 a以上周期最强、作用最稳定，在研究期内始终存在，该尺度偏强和偏弱中心的交替时间约为18 a，徐汇站当前(2020年)正处于该尺度偏强中心附近(靠后)。3～11 a周期仅在1995年～2010年间作用较为显著。14～21 a的周期作用最弱，在研究期内始终存在，但尺度中心由20 a逐渐向15 a降低。主周期分别为5、7、19、28 a。

宝山站Rx1d在研究期内主要存在3类周期尺度、4个主周期。其中3～7 a周期仅在1974～1984年间有明显的作用。7～14 a的周期在研究期内均有作用，但在1990年以后作用明显减弱。20～25 a的周期作用在1985年以前十分稳定；1985年以后该尺度逐渐演化为25 a以上和15～20 a两类尺度，其中25 a以上周期的作用不断加强，该尺度的强弱交替时间约为11 a，当前宝山站正处于该尺度偏强中心；而15～20 a的周期作用自1985年以后不断减弱，当前作用效果已不显著。主周期分别为6、11、22、28 a。

宝山站Rx5d在研究期内主要存在3类周期尺度、3个主周期。其中18～26 a的周期最强，该尺度在1977年以前十分稳定，在1977年以后演化为25 a以上和15～23 a两类尺度。其中，25 a以上周期的作用不断加强，强弱交替时间约为10 a，当前宝山站正处于该尺度偏强中心附近(靠后)；而15～23 a周期的作用不断减小，尺度中心也由20 a向15 a降低，至1995年以后该周期已几乎没有作用。3～8 a周期仅在1974年～1983年间较为显著。10～15 a的周期作用效果相对较弱，但自1973年以来十分稳定，出现了7次强-弱交替。主周期分别为6、11、28 a。

综上，相比于城区，郊区极值降雨受多尺度周期的调控作用更加显著，且城区与郊区之间Rx1d的差异比Rx5d更加显著，这表明城镇化对Rx1d的影响要明显强于Rx5d。无论是Rx1d还是Rx5d，上海市城区与郊区的主要周期尺度相近，在研究期内均始终存在较稳定的长尺度周期(20 a以上)作用，其中郊区始终是长尺度周期作用占优，城区偶尔存在短尺度周期(15 a以下)占优的时段。Rx1d和Rx5d的多尺度周期特性均受城镇化的推进影响，且主要表现在长尺度周期上，城镇化使上海地区原先的17～30 a周期尺度逐渐分化为25 a以上和15～20 a两类尺度，其中25 a以上的尺度作用不断加强，15～20 a的尺度逐渐减弱；而对于短尺度周期，城镇化的影响十分有限。上海市城区与郊区的长短历时极值降雨均存在6 a左右和28 a的主周期，这两个尺度的主周期受城镇化的影响较小。

5 结 论

本文选取了上海市徐汇站和宝山站的连续59年实测极值降雨数据Rx1d和Rx5d，对其进行了年际变化分析、MK趋势检验分析、小波分析等，得到如下结论：

(1)无论是城区还是郊区，上海市近60年来Rx1d和Rx5d均处于增大趋势当中，城镇化使得城区和郊区极值降雨量级增大，也使得1996年以后城郊极值降雨年际变化趋势之间的差异减小。

(2)Rx1d和Rx5d的多尺度周期规律均受城镇化推进影响，城镇化对Rx1d的影响要显著强于Rx5d，且影响主要集中在20 a以上的长尺度周期。城镇化会显著削弱Rx1d的多尺度周期规律，但对Rx5d的影响十分有限。此外，城镇化使得宝山站的20～25 a的长尺度周期演化为两类周期尺度。其中，一类尺度增长到25 a以上，且作用效果增强，成为1990年以后的主导周期尺度；另一类尺度减短到15～20 a，作用效果不断减弱。