罗甸县暴雨的时空分布特征分析

刘朝英，谭清波，邹应杰，杨凤娜

(贵州省罗甸县气象局，贵州 罗甸 550100)

0 引言

暴雨是造成田地洪涝、山洪、泥石流、城镇内涝等灾害的主要因素，受灾的程度因暴雨的持续时间、强度、分布而定。掌握暴雨的时空分布规律，对暴雨预测、防范等工作尤为重要。近年来，省内学者对贵州暴雨时空分布的研究越来越多[1-3]。罗甸县是省内极端特大暴雨的易发区：1976年5月24日龙坪镇发生的336.7 mm降水，至今仍是全省最大单日降水记录；2015年8月28日，木引镇降水量达335.3 mm，与全省最大单日降水记录仅相差1.4 mm。县境内暴雨洪涝灾害时有发生,仅2011—2020年因暴雨导致的较明显的灾害损失19次，共造成196 407人受灾，4人失踪，6186人转移安置，直接经济损失达22 135.5万元，其中，直接经济损失1000万元以上共4次，单次最多直接经济损失达7175万元。据罗甸县自然灾害历史灾情记录统计，本县暴雨造成的灾害损失最为频繁和最为严重。由于暴雨突发性和局地性强，且多发生在夜间，较难预报和预防，对人民群众的生命财产危害极大。为深入研究罗甸县境内暴雨发生的时空特征规律，在暴雨天气过程来临前能早预报、早防范，减轻或避免暴雨造成的灾害损失,本文首次应用罗甸县国家基本气象站(1951年建站)、各乡镇区域自动气象站(2010年建站)从建站至2020年的逐日降水观测资料，对罗甸县境内暴雨的时空分布特征进行系统分析，以期为暴雨预报提供天气、气候的时空背景资料，为全县长中短期天气预报、防汛工作提供最新实测的科学参考依据。

1 资料与方法

本文选取1951—2020年罗甸县国家基本气象站、2010—2020年罗甸县各乡镇(8镇1乡)的逐日降水观测资料作为分析对象。按照中国气象局业务规定，将24 h降水量≥50 mm的雨称为“暴雨”，按其降水强度大小又分为3个等级:即24 h降水量为50.0～99.9 mm称为暴雨、根据贵州特点100.0～199.9 mm称为大暴雨、≥200.0 mm为特大暴雨。暴雨资料统计所用软件为Microsoft Excel；采用最小二乘法对暴雨日数的趋势变化进行线性倾向估计；用Surfer软件分析暴雨空间分布特征、绘图[4]；运用Morlet小波分析方法，对暴雨的周期性变化特征进行分析[5]；并用Mann-Kendal检验方法分析降雨变化的阶段性和突变性[6]。

2 结果与分析

2.1 暴雨时间变化特征分析

2.1.1 暴雨年际变化特征分析 1951—2020年罗甸县(罗甸县国家基本气象站，单站)总暴雨数243 d，平均年暴雨日数3.5 d，年暴雨日数最多8 d，发生在2010年，最少0 d，共出现在7个不同年份，≥2 d的保证率为87%。从图1a可知，近70 a来罗甸县总年暴雨日数呈缓慢增多趋势，气候变化倾向率为0.006 d·a-1。其中，年大暴雨(≥100.0 mm)日数27 d，平均年大暴雨日数0.4 d，年大暴雨日数最多3 d，最少0 d，单日降水量最大336.7 mm(特大暴雨，1976年)，为全省之冠，气候变化倾向率为0.00002 d·a-1，呈缓慢增多趋势。

2010—2020年罗甸县各乡镇总暴雨日数388 d，平均年暴雨日数35.3 d，其中龙坪镇(罗甸县国家基本气象站所在地)平均年暴雨日数3.6 d，年暴雨日数最多52 d(2010年)，最少10 d(2012年)，≥28 d的保证率为82%。近11 a来罗甸县各乡镇总年暴雨日数呈缓慢增多趋势，气候变化倾向率为0.23 d·a-1，年际变化大，具有2 a左右的连升或连降规律 (图1b)。

通过对比分析可知，1951—2020年罗甸县平均年暴雨日数3.5 d与近11 a(2010—2020年)平均年暴雨日数3.6 d相近。

2.1.2 暴雨月变化特征分析 1951—2020年罗甸县暴雨日数月分布特征显著，暴雨发生在3—11月，集中在5—9月，占全年暴雨日数的91%，其中6月平均暴雨日数1.3 d，占36%，为全年暴雨最多的月份，12月—次年2月无暴雨。暴雨发生最早日期为3月31日(54.4 mm)，终日最晚出现在11月20日(55.5 mm)。年大暴雨(≥100.0 mm)日数发生在5—9月，集中在6—7月，占全年暴雨日数的77%，其中6月占44%，为全年大暴雨最多的月份，10月—次年4月无大暴雨。大暴雨发生最早日期为5月16日(139.7 mm)，终日最晚出现在9月20日(102.7 mm)。

图1 1951—2020年罗甸县年暴雨日数(a)、2010—2020年罗甸县各乡镇年暴雨日数(b)曲线Fig.1 Curves of annual rainstorm days (a) in Luodian County from 1951 to 2020, annual rainstorm days (d) in all town in Luodian County from 2010 to 2020

2010—2020年罗甸县各乡镇暴雨日数月分布特征明显，暴雨发生最早日期为3月3日，发生在边阳镇(77.8 mm)；暴雨结束最晚日期为12月15日，分别发生在边阳镇(58.0 mm)，沫阳镇(51.3 mm)。从图2可知，全县各乡镇总的月平均暴雨日数最多13.4 d，发生在6月，占全年暴雨日数的44%，其中龙坪镇为45%；其次是7月，平均暴雨日数6.0 d，占全年暴雨日数的20%；5月平均暴雨日数5.3 d，居全年第3，占全年暴雨日数的17%；8月、9月平均暴雨日数3.8 d，并列全年第4，分别占全年暴雨日数的12%。暴雨主要集中发生在5—9月，占全年92%，其中龙坪镇为90%。冬季1月、2月无暴雨，12月仅发生暴雨2 d，是暴雨最少时段。

图2 2010—2020年罗甸县各乡镇月平均暴雨日数Fig.2 Monthly average number of rainstorm days in all town in Luodian County from 2010 to 2020

通过对比分析可知，1951—2020年罗甸县5—9月暴雨日数占全年暴雨日数的91%，与近11 a的90%相近。1951—2020年6月暴雨日数占全年暴雨日数的36%，与近11 a的45%略同，均为月暴雨日数最多月份。

2.1.3 区域暴雨变化特征分析 在1次降雨天气过程中，将3个以上乡镇降水量同日达到暴雨定义为1次区域暴雨过程。2010—2020年罗甸县各乡镇发生区域暴雨共63次，年平均区域暴雨次数5.7次，≥4次的保证率为91%，最多10次(2010年)，最少3次(2012年)，见图3。其中，全县9个乡镇同日发生暴雨共2次(2011年、2014年)，8个乡镇同日发生暴雨共1次(2019年)，7个乡镇同日发生暴雨共3次(2015年、2017年、2019年)；6个乡镇同日发生暴雨共9次，分别为2010年3次，2018年、2020年各2次，2014年、2015年各1次。在近11 a中，罗甸县各乡镇区域暴雨发生次数呈缓慢减少趋势，气候变化倾向率为-0.22次·a-1。

2.1.4 连续暴雨特征分析 2010—2020年罗甸县各乡镇共发生连续暴雨(连续2 d发生暴雨)16次，其中连续2 d发生大暴雨共1次，连续降水量286.7 mm，发生在木引镇。先降暴雨、后降大暴雨共2次，龙坪镇、罗悃镇分别各发生1次。先降大暴雨、后降暴雨共3次，边阳镇、罗悃镇、凤亭乡分别各发生1次。其余10次连续暴雨，前、后日降水量均在50.0～99.9 mm之间。

2.1.5 暴雨发生时段特征分析 1951—2020年罗甸县暴雨发生时段特征明显，大多数暴雨发生在夜间(20时—次日08时)，其中，夜间降水量≥50.0 mm日数占全部日数的67%；在白天(08—20时)暴雨较少发生，白天降水量≥50.0 mm日数占全部日数的12%。大暴雨以上量级降水绝大多数发生在夜间，占93%，白天仅占7%。

图3 2010—2020年罗甸县各乡镇年区域暴雨次数(a)、区域暴雨各强度次数(b)曲线Fig.3 Curves of the number of annual regional rainstorms (a), and the intensity of regional rainstorms (b) in all town in Luodian County from 2010 to 2020

2010—2020年罗甸县各乡镇暴雨发生时段特征与1951—2020年罗甸县暴雨发生时段特征极其相似，夜间降水量≥50.0 mm日数占全部日数的65%，其中龙坪镇为65%；白天占12%，其中龙坪镇为15%。

通过对比分析可知，1951—2020年罗甸县暴雨夜间降水量≥50.0 mm日数占全部日数的67%，与近11a 65%相近;白天降水量≥50.0 mm日数占全部日数的12%，与近11 a 15%相近。大暴雨以上量级降水发生在夜间占93%与近11 a占100%略同。

2.1.6 暴雨阶段分析及突变检验 应用Mann-Kendall方法，对1951—2020年罗甸县的年暴雨日数最做阶段分析及突变检测(图4a)。年暴雨日数在20世纪50年代中期—后期陡减，60年代初期—70年代后期显著增多，80年代初期—中期减少明显，80年代后期至今呈缓慢增多趋势。在1964年发生了1次较明显的气候突变，UF曲线在2008年后超过0.05显著水平置信线，表明罗甸县年暴雨日数进入了1个显著增多阶段。年大暴雨日数在50年代初期到后期偏少，60年代初期至今呈缓慢增多趋势(图4b)。

图4 1951—2020年罗甸县年暴雨日数(a)、年大暴雨日数(b)Mann-Kendall曲线Fig.4 Curves of Mann-Kendall of annual rainstorm days (a), and annual above heavy rainstorm days (b) in Luodian County from 1951 to 2020

2.1.7 暴雨变化周期分析 ①总年暴雨日数变化周期分析。用Morlet小波分析，分析罗甸县暴雨的周期性变化特征。图5a为1951—2020年罗甸县年暴雨日数的Morlet小波变化系数分布图，从图可知，罗甸县年暴雨日数存在显著的12 a左右长周期振荡，在较短周期中，存在3 a、8 a周期振荡。年大暴雨日数存在准7 a、2～3 a周期振荡，见图5b。

2010—2020年罗甸县各乡镇总年暴雨日数存在显著的3 a周期振荡，近11 a来稳定存在，2011年、2014年、2017年、2020年是偏多期和偏少期的更替点。

②区域暴雨次数变化周期分析。2010—2020年罗甸县年区域暴雨次数周期性变化特征明显，存在显著的3 a周期振荡，近11 a来稳定存在，2011年、2014、2017年、2020年是偏多期和偏少期的更替点。

图5 1951—2020年罗甸县年暴雨日数(a)、年大暴雨日数(b)Morlet小波变化系数分布Fig.5 The number of annual rainstorm days (a), and the number of annual above heavy rainstorm days (b), morlet wavelet variation coefficient distribution in Luodian County from 1951 to 2020

2.2 暴雨空间分布特征分析

2.2.1 暴雨强度空间分布特征分析 ①日极端暴雨空间分布特征分析。由日最大暴雨空间分布特征(图6)可知，2010—2020年罗甸县各乡镇日最大降水量总体呈北大南小分布，最大降水量335.3 mm(木引镇)，最小120.4 mm(红水河镇)。

日第2大暴雨空间分布特征分析。2010—2020年罗甸县各乡镇日第2大降水量总体呈北大南小分布，最大降水量237.7 mm(逢亭镇)，最小108.7 mm(茂井镇)。

日第3大暴雨空间分布特征分析。2010—2020年罗甸县各乡镇日第3大降水量总体呈北大南小分布，最大降水量151.4 mm(沫阳镇)，最小108.2 mm(茂井镇)。

各降水量等级分布与罗甸县略呈“撮箕口”朝南地形较相似，从西北、北、东北向南逐级减小。

②年平均暴雨降水量空间分布特征分析。2010—2020年罗甸县各乡镇年平均暴雨降水量最大398.4 mm(木引镇)，最小212.2 mm(红水河镇)。从图7a可看出，年平均暴雨降水量分布总体为西北部、西部、北部最多，东南部次多，西南部最少。

图6 2010—2020年罗甸县各乡镇日最大降水量分布(单位：mm)Fig.6 Distribution map of the largest daily precipitation of each town in Luodian County from 2010 to 2020(unit:mm)

图7 2010—2020年罗甸县各乡镇平均暴雨降水量(a)、平均每次暴雨降水量(b)分布(单位：mm)Fig.7 Distribution of average rainstorm precipitation(a) and average rainfall per rainstorm(b) of each town in Luodian County from 2010 to 2020(unit:mm)

③平均每次暴雨降水量空间分布特征分析。2010—2020年罗甸县各乡镇平均每次暴雨降水量最大86.8 mm(逢亭镇)，最小70.3 mm(茂井镇)。从图7b可看出，平均每次暴雨降水量总体呈北大南小分布，在西部存在大值中心，东部、西南部最小。

从以上分析可得出，暴雨强度等级从北向南逐级减小，与罗甸县略呈“撮箕口”朝南地形较一致，从西北、北、东北向南逐级减小。在西部、东北部存在较稳定的2个暴雨强度大值中心，且西部最强，西南部、东部暴雨强度值最小。

2.2.2 暴雨频数空间分布特征分析 ①年平均暴雨日数空间分布特征分析。2010—2020年罗甸县各乡镇年平均暴雨日数分布南北差异显著(图8)，存在2个多值区(西北部、东南部)和1个少值区(西南部)。年平均暴雨日数最多发生在木引镇为4.8 d，其次是边阳镇的4.5 d，逢亭镇、凤亭乡4.2 d，并列第3，最少发生在红水河镇3.0 d。

图8 2010—2020年罗甸县各乡镇年平均暴雨日数分布Fig.8 Distribution map of the annual average number of rainstorm days in all town in Luodian County from 2010 to 2020

②月暴雨日数空间分布特征分析。2010—2020年罗甸县各乡镇月平均暴雨日数随季节变化各不相同，从各月分布图(图略)可知，在5月，暴雨日数分布总体为南多北少，在东南部存在多值中心，东北部、西北部存在少值区，暴雨总日数最多发生在凤亭乡，年平均0.9 d，其次是茂井镇0.8 d，最少发生在沫阳镇0.3 d。在6月，暴雨日数分布总体为以西北部到东南部为多值轴心，两侧相对较少，在西北部存在多值中心，暴雨日数最多发生在木引镇，年平均2.1 d，其次是逢亭镇1.7 d，最少发生在红水河镇0.8 d。在7月，暴雨日数分布总体为以中部为少值中心，呈椭圆形向四周增多，暴雨日数最多发生在木引镇，年平均0.9 d，其次是边阳镇、红水河镇0.8 d，最少发生在逢亭镇、龙坪镇、罗悃镇0.5 d。在8月，暴雨日数分布以中部到西南部为少值中心，呈拱桥形向两侧增多，且在西部存在多值中心，暴雨日数最多发生在逢亭镇，年平均0.9 d，其次是边阳镇、木引镇、沫阳镇0.5 d，最少发生在龙坪镇0.2 d。在9月，暴雨日数分布总体为北多南少，与5月南多北少分布正好相反，在西南部存在少值区，暴雨日数最多发生在边阳镇、沫阳镇，年平均0.7 d，其次是木引镇0.6 d，最少发生在红水河镇0.1 d。

③连续暴雨次数空间分布特征分析。2010—2020年罗甸县各乡镇连续暴雨次数分布南北差异显著(图9)，连续暴雨次数分布总体为以西北部到东南部为多值轴心，两侧较少，在西北部存在多值中心，连续暴雨次数最多发生在木引镇、边阳镇，近11 a来分别发生3次，其次是龙坪镇、罗悃镇、凤亭乡分别发生2次，最少发生在红水河镇、逢亭镇、沫阳镇、茂井镇，分别发生1次。

图9 2010—2020年罗甸县各乡镇连续暴雨次数分布Fig.9 Distribution of the number of continuous rainstorms in all town in Luodian County from 2010 to 2020

3 结论

通过对1951—2020年罗甸县、2010—2020年罗甸县各乡镇暴雨的年际变化、各月分布、区域暴雨、连续暴雨、发生时段、空间分布等特征分析，得出以下结论：

①近70 a来，年暴雨日数呈缓慢增多趋势，在1964年发生了1次较明显的增多气候突变，UF曲线在2008年后超过0.05显著水平置信线，表明罗甸县年暴雨日数进入了1个显著增多阶段。近11 a，全县各乡镇总的年平均暴雨日数为35.3 d，最多年52 d，最少年10 d，≥28 d的保证率为82%。各乡镇总年暴雨日数呈缓慢增多趋势，气候变化倾向率为0.23 d·a-1。在年际变化中，具有2 a左右的连升或连降规律。

②暴雨发生最早日期为3月3日，结束最晚日期为12月15日。暴雨集中发生在5—9月，发生最多月份为6月，近70 a罗甸县平均每年1.3 d，占全年暴雨日数的36%，近11 a各乡镇平均每年13.4 d，占全年暴雨日数的44%，其次是7月，平均每年6.0 d，占全年暴雨日数的20%；5月平均暴雨日数5.3 d，居全年第3，占全年暴雨日数的17%；1月、2月无暴雨，是暴雨最少时段。

③区域暴雨平均每年发生5.7次，最多年10次，最少年3次。区域暴雨的气候变化倾向率为-0.22次·a-1，近11 a来，区域暴雨次数缓慢减少。

④在连续性暴雨中，连续2 d发生大暴雨共1次；先发生暴雨、后发生大暴雨共2次；先发生大暴雨、后发生暴雨共3次。连续暴雨次数分布总体为以西北部到东南部为多值轴心，两侧较少，在西北部存在多值中心。

⑤暴雨多发生在夜间，近70 a罗甸县暴雨夜间降水量≥50.0 mm日数占全部日数的67%，白天降水量≥50.0 mm日数占全部日数的12%；近11 a各乡镇夜间占65%，白天占12%。其中，大暴雨以上量级降水绝大多数发生在夜间，近70 a罗甸县夜间占93%，白天占7%，近11 a各乡镇夜间占91%，白天占9%。

⑥近70 a，罗甸县年暴雨日数存在3 a、8 a、12 a周期振荡。年大暴雨日数存在准7 a、2～3 a周期振荡。近11 a各乡镇总年暴雨日数、区域暴雨次数均存在3 a周期振荡，2011年、2014年、2017年、2020年是偏多期和偏少期的更替点。

⑦降水强度等级从北向南逐级减小，与罗甸县略呈“撮箕口”朝南地形较一致，从西北、北、东北向南逐级减小，在西部、东北部存在较稳定的2个极端暴雨中心。

⑧各乡镇年平均暴雨日数存在2个多值区(西北部、东南部)和1个少值区(西南部)，木引镇年平均暴雨日数最多，红水河镇最少。各月暴雨日数时空分布不同，5月南多北少；6月西北部到东南部为多值轴心，两侧相对较少；7月中部为少值中心，呈椭圆形向四周增多；8月中部到西南部为少值中心，呈拱桥形向两侧增多；9月北多南少，与5月南多北少分布正好相反。

⑨通过对比分析可知，1951—2020年罗甸县平均年暴雨日数、暴雨日数月分布、暴雨发生时段与近11 a(2010—2020年)平均年暴雨日数、暴雨日数月分布、暴雨发生时段特征高度相近，故近11 a(2010—2020年)各乡镇的相关分析具有较好的代表性。

从以上分析可知，近70 a罗甸县年暴雨日数、近11 a罗甸县各乡镇总年暴雨日数均缓慢增多，区域暴雨次数逐渐减少。暴雨多发生在夜间，6月是暴雨多发期。西部在年暴雨日数、暴雨强度、连续暴雨次数及连续暴雨降水量均居全县首位，在天气预报、防汛工作中应重点关注和防范。