1963—2017年四川自贡市不同历时年最大降水量变化特征

段修荣，罗 伟，郭海燕

(1.四川省自贡市气象局，四川 自贡 643000；2.四川省气候中心，四川 成都 610072；3.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川 成都 610072)

引 言

以全球变暖为主的气候变化已成为当今世界最重要的环境问题之一，气候变化必将引起全球水循环的变化，并对降水造成直接影响，引起水资源在时间和空间上的重新分配以及水资源总量的改变[1]。强降水是引发山洪地质灾害、河流洪水、城市内涝的直接原因之一。由于气候变化、城市规模扩大和人类活动增多，强降水引发的各类灾害呈多发频发趋势，社会经济发展对降水强度的变化已表现出极高的敏感性。为了应对强降水引发的城市内涝对城市健康发展、人民生命财产安全的影响，2014年5月4日，住房城乡建设部、中国气象局组织专家编制了《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》，明确要求暴雨强度公式编制所需的降水资料年限至少需要30 a以上，共11个降水历时。因此，研究长时间序列的多历时最大降水量变化特征，不仅可为暴雨强度公式修订编制、城市排水防洪系统设计提供准确可靠的技术支撑，同时为暴雨、山洪地质灾害、城市内涝的预警预报和防御提供气候背景参考依据。

我国幅员辽阔，气候复杂多样，各区域降水特征差异明显。近年来，为适应防灾减灾和气象服务的迫切需要，对不同历时降水气候特征和变化的研究逐渐开展起来。有研究表明，夏季中国中东部降水事件的平均历时由南向北呈“短-长-短”分布型，华南和北方地区以6 h以下历时降水为主，两地区之间的中部地区(28°N—37°N)6 h以上历时降水占总降水量60%以上[2]。近54 a来，广东平均年、前汛期、后汛期小时强降水次数、强度、降水量和贡献率均呈显著增加趋势[3]；江西短历时强降水主要出现在4—9月，6月最多[4]；短历时降水过程次数的极显著减少是山东降水次数减少的主要原因[5]。中国西北地区东部1981—2012年夏季24 h历时降水以小雨和中雨为主，夏季小雨、中雨日数和降水量呈明显减少趋势[6]；1960—2011年甘肃省降水量整体呈逐年减少趋势，空间上由东南向西北递减[7]，小时降水比率(某小时降水量占日降水量的百分比)低值集中在11:00—15:00，高值出现在20:00前后[8]；陕西汛期24 h极端降水阈值(95%分位数)平均为33.4 mm，空间上以秦岭为界，以南大部分站点高于该平均值，以北低于该平均值[9]。西南地区降水量整体呈“东多西少”分布特征，雅安和滇西南区为降水高值区[10]，该区域近50 a来平均小时雨强增大趋势明显[11]；四川盆地西部沿山一带发生量级较大的小时降水概率高[12]，大于等于20 mm·h-1强降水高频次区位于盆地西北部的龙山山脉、西南部雅安及乐山周围与盆地过渡区[13]；重庆短历时强降水呈西部和东南部偏大、东北部偏小的分布特征[14]；贵州汛期24 h极端降水阈值(95%分位数)在南部和东北部地区较高，大于45.0 mm，西部和西北部较低，在35.0 mm左右[15]。上述对我国不同区域降水特征研究结果的不同也正说明了我国气候的复杂多样性，为全面、细致地了解中国降水气候特征提供了有益参考。但以往研究选取的历时长度主要以较短历时或24 h为主，针对多种不同历时降水量的变化特征进行精细化研究较少，不能满足防御城市内涝和暴雨强度公式修订编制的要求。

由于降水为非连续性变量，即使在同一类型气候区域内，不同地区降水也有很大差异。四川自贡市地处我国西南湿润季风气候区，夏季强降水发生频繁，城市内涝时有发生。原有的自贡市暴雨强度公式编制所用的资料年数仅有5 a，已不符合现在暴雨强度公式编制所需的降水资料年限至少30 a以上的要求。本文基于自贡市1963—2017年逐分钟降水资料，构建12个不同历时年最大降水量序列，研究不同历时年最大降水量的气候特征，以期为暴雨强度公式修订编制和城市排水防洪系统设计提供全面、客观和科学的技术支撑，为强降水的分析预警预报和城市排水防洪服务提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

自贡市地处四川盆地南部，位于28°55′37″N—29°38′25″N、104°02′57″E—105°16′11″E之间，地势由西北向东南倾斜，境内大部属于丘陵地貌，海拔为300～500 m，水系主要属于岷江水系和沱江水系，辖区面积4381 km2。自贡市属于亚热带湿润季风气候区，多年平均年降水量为989 mm，年降水量年际差异大，最多可达1478 mm，最少仅605 mm，夏季(6—8月)降水量最多，占全年降水量的56%；年平均气温为17.9 ℃，年平均气温年际差异较小，最高为19.2 ℃，最低为17.1 ℃。暴雨和短历时强降水是自贡市夏季的主要气象灾害，是引发城市内涝等次生灾害的主要因素。

1.2 资料及处理

数据包括自贡国家气象观测站(29°21′N、104°45′E，海拔387.8 m)1963—2001年共计39 a的自记纸降水数据和2002—2017年共计16 a的自动气象站降水数据。其中1963—2001年的降水资料在降水自记纸的数字信息化过程中，已对降水自记纸的扫描、数据提取等进行了严格质量控制[16]，采用逐分钟滑动统计逐年各历时降水量，采用年最大值法[17]在每年各历时降水量中选取一个最大降水量值；2002—2017年历时年最大降水量资料则从审核后的地面气象记录年报表中直接读取。整理形成1963—2017年5、10、20、30 min和1、2、3、4、6、9、12、24 h共55 a年12个历时年最大降水量数据。

1.3 方 法

设有一样本x1，x2，x3，…，xn，则

(1)

(2)

式中：n为样本容量，xi为样本的第i个值，g1为样本的偏度系数[18]，用来衡量随机变量分布密度曲线形状的参量，描述曲线峰点对期望值偏离的程度，g1>0表示正偏(右偏)，g1<0表示负偏(左偏)，g1越接近于0，说明数据越接近正态分布。

(3)

式中：g2为样本的峰度系数[18]，是表示直方图中“峰”的陡峭程度的一个量，g2>0表示直方图中“峰”的坡度陡峭些；g2<0表示直方图中“峰”的坡度平缓些。

2 不同历时年最大降水量统计特征

2.1 年变化

表1列出1963—2017年四川省自贡市不同历时年最大降水量逐月出现次数。可以看出，自贡市4和6 h年最大降水量出现时间最早为1971年4月30日，降水量分别为52.4 mm和55.1 mm；5和10 min年最大降水量最晚出现时间为1968年10月9日，降水量分别为4.3 mm和6.2 mm。近55 a12个历时共有660次年最大降水量数据，夏季(6—8月)出现582次，占总次数的88%，其中7和8月最多，分别达217次和213次，共计430次，占总次数的65%；4、5、9和10月共出现78次，仅占总次数的12%，表明自贡市各历时年最大降水量主要出现在夏季。同时发现，在7—8月出现5、10、20、30 min及1、2 h年最大降水量的次数占这6个历时所有月份降水总次数的72%；3～24 h历时降水主要出现在6—8月，每个月出现的次数大体相当，共292次，占这6个历时所有月份降水总次数的89%。自贡市不同历时年最大降水量出现次数的逐月分布与毛冬艳等[19]分析的西南地区降水强度出现次数逐月分布特征相一致。

表1 1963—2017年自贡市不同历时年最大降水量逐月出现次数Tab.1 The frequency of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province in each month during 1963-2017 单位：次

注：由于1—3月，11—12月不同历时年最大降水量未出现，表中未列出

2.2 不同历时年最大降水量日变化

将一天按早晨(05:00—08:00，北京时，下同)、上午(08:00—12:00)、中午(12:00—14:00)、下午(14:00—18:00)、傍晚(18:00—20:00)、前半夜(20:00—00:00)和后半夜(00:00—05:00)划分为7个时段，分别统计各历时年最大降水量开始时间在不同时段的出现次数(表2)。可以看出，前半夜和后半夜开始出现次数分别达199次和219次；傍晚和中午开始出现次数最少，分别仅有23次和25次。如果按夜间(20:00—08:00)和白天(08:00—20:00)进行统计，则夜间开始出现488次，占总次数的74%，表明各历时降水具有明显的夜雨特征。有研究表明，中国夜雨现象站点多且分布广，其中各历时年最大降水量出现次数的峰值时间主要集中在夜间的最显著区域是西南地区[20]；四川雨季夜雨占日降水量的百分比较大，且具有显著的区域性差异，其中盆地西南部夜雨占日降水量的百分比最大[21]。

表2 1963—2017年自贡市不同历时年最大降水开始时间在不同时段的出现次数Tab.2 The frequency of the begining time of annual maximum precipitation with different duration in different period in a day in Zigong City of Sichuan Province 单位：次

2.3 不同历时年最大降水量统计特征

为了解各历时年最大降水量的统计特征，给出各历时年最大降水量统计特征值(表3)和频数直方图(图1)。可以看出，历时越短，年最大降水量的标准差越小、变异系数越小、偏度系数越小且为正偏、峰度系数越小。5、10和20 min年最大降水量的标准差分别为2.74、4.57和7.63 mm，5和10 min年最大降水量的变异系数分别为0.27和0.27，10和20 min年最大降水量的偏度系数分别为0.38和0.59，10、20和30 min年最大降水量的峰度系数接近于零。即历时越短的年最大降水量的离散程度越小，且为正偏，均值偏离样本的最小值较近，偏离样本的最大值较远，在直方图中“峰”的坡度平缓些。历时越长的年最大降水量的标准差越大、变异系数越大、偏度系数越大且为正偏、峰度系数越大。9、12和24 h年最大降水量的标准差分别为41.32、43.60和43.94 mm，9和12 h年最大降水量的变异系数分别为0.48和0.47，9、12和24 h年最大降水量的偏度系数分别为2.02、2.14和2.05，9、12和24 h年最大降水量的峰度系数分别为5.66、6.23和6.10。即历时越长的年最大降水量的离散程度越大，且为正偏，均值偏离样本的最小值较短历时更近，偏离样本的最大值较短历时更远，在直方图中“峰”的坡度相对陡峭。经检验，在0.05显著性水平下，10、20、30 min和1 h年最大降水量近似遵从正态分布。2～24 h各历时年最大降水量为57.2～100.5 mm，相邻历时年最大降水量平均值的差值均未超过10 mm，24 h与6 h的差值也仅有20 mm左右。虽然暴雨标准是24 h内降水量≥50 mm，但暴雨过程中降水在时间上并非均匀分布，强降水往往集中在有限的几个小时内。

2.4 不同历时年最大降水量阈值确定

如果定义25%分位对应的降水量为弱降水，75%分位对应的降水量为强降水，95%分位对应的降水量为极强降水，表4列出1963—2017四川省自贡市不同历时年最大降水量阈值。可以看出，有75%的年份1 h年最大降水量可达34.9 mm以上，极大值可达105.7 mm；有75%的年份24 h年最大降水量可达70.4 mm以上，极大值可达302.0 mm。这表明，历时不同，降水量等级阈值不同。例如，1 h年最大降水量的极强降水阈值可达85.4 mm，远超过中国气象局1 h降水量≥20 mm的短时强降水标准①，极易引发城市内涝、山洪地质灾害；24 h年最大降水量的弱降水阈值为70.4 mm，虽然已经超过24 h降水量≥50 mm的暴雨标准，但降水持续时间长，不一定会造成灾害，这种情况与在自贡市实际气象监测服务工作中遇到的情况相符。

表3 1963—2017年自贡市不同历时年最大降水量统计特征Tab.3 Statistical characteristics of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

① 中国气象局. 全国短时、临近预报业务规定,2010.

图1 1963—2017年四川省自贡市不同历时年最大降水量频数直方图Fig.1 Frequency histogram of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

表4 1963—2017年四川省自贡市不同历时年最大降水量阈值Tab.4 Threshold of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

2.5 不同历时年最大降水量之间的相关性

定义相关系数在0.80～1.00之间为极强相关，在0.61～0.79之间为强相关，相关系数≤0.60为中等程度或弱相关。通过计算各历时年最大降水量之间的相关系数，可以发现历时间隔越近，年最大降水量之间相关性越强；历时间隔越远，年最大降水量之间的相关性越差。例如，5、10、20和30 min年最大降水量两两间均存在强相关，70%存在极强相关，1～24 h年最大降水量两两间均存在强相关，75%存在极强相关；而5 min分别与4、6、9、12、24 h降水量，10 min分别与3、4、6、9、12、24 h降水量，20 min分别与6、9、12、24 h降水量，30 min分别与9、12、24 h降水量之间的相关系数均低于0.60，为中等程度或弱相关。除5 min与24 h年最大降水量之间相关系数通过0.05的显著性检验外，其余各历时年最大降水量之间的相关系数均通过0.01的显著性检验，且均为正相关。

3 不同历时年最大降水量变化特征

3.1 变化趋势与突变分析

运用线性倾向估计法[22]分析各历时年最大降水量的变化趋势，5 min和10 min年最大降水量呈弱下降趋势，其余各历时年最大降水量均呈弱上升趋势，气候倾向率均小于1 mm·(10 a)-1，各历时年最大降水量的变化趋势均不显著。

图2为1963—2017年自贡市1～24 h年最大降水量Mann-Kendall统计量曲线。可以看出，1、2、3、4、6、9、12和24 h年最大降水量从2000年代初开始呈下降趋势，突变点分别出现在2002、2002、2006、2002、2004、2003、2002、2000年，但均未通过0.05显著性检验。

3.2 年代际变化

表5列出1963—2017年自贡市不同历时年最大降水量距平年代际变化。可以看出，1960年代、1970年代各历时年最大降水量距平均为负值；1980年代、1990年代转为正值；2000年代又转为负值；2010年代大部分为负值。其中1960年代2～24 h以及2000年代各历时年最大降水量距平最小，1980年代2～24 h以及1990年代各历时年最大降水量距平最大。采用u检验法[22]检验年代际变化的显著性，发现1990年代5、10、30 min和1～4 h以及2000年代4 h年最大降水量的年代变化通过了0.05的显著性检验。

3.3 不同历时年最大降水量的阶段性变化

运用累积距平法[22]分析各历时年最大降水量的阶段性变化，累积距平曲线的上升段和下降段分别反映要素随时间变化的增加和减少。图3为1963—2017年四川省自贡市不同历时年最大降水量累积距平曲线。可以看出，5和10 min年最大降水量在1970年代呈小幅波动变化特征， 1980年代初到1990年代末呈增加趋势， 2000年代初到2010年代末呈减少趋势。20、30 min年最大降水量1960—1970年代末呈减少趋势， 1980—1990年代末呈增加趋势， 2000—2010年代初呈减少趋势。1 h年最大降水量在1970—1990年代中期呈波动变化， 1990年代中期到1990年代末呈增加趋势， 2000年代初到2010年代初呈减少趋势。2、3和4 h年最大降水量在1970年代初到1980年代中期呈波动变化， 1980年代中期到1990年代末呈增加趋势， 2000年代初到2010年代初呈减少趋势。6、9、12和24 h年最大降水量在1960年代呈减少趋势， 1970年代呈波动变化，1980年代初到1990年代末总体呈增加趋势，从2000年代初到2010年代初呈减少趋势。

综上所述，各历时年最大降水量1980年代初到1990年代末呈增加趋势，在1960年代初以及2000年代初到2010年代初均呈减少趋势。

图2 1963—2017年四川省自贡市1～24 h年最大降水量Mann-Kendall统计量曲线Fig.2 Mann-Kendall statistical curves of annual maximum precipitation for 1-24 h duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

图3 1963—2017年四川省自贡市不同历时年最大降水量累积距平曲线Fig.3 Accumulative anomaly curves of annual maximum precipitation with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

表5 1963—2017年自贡市不同历时年最大降水量距平年代际变化Tab.5 Interdecadal variation of annual maximum precipitation anomaly with different duration in Zigong of Sichuan Province during 1963-2017

注： *表示通过0.05显著性检验

4 结论与讨论

(1)四川省自贡市各历时年最大降水量集中出现在夏季(6—8月)，占各历时年最大降水量总次数的88%；各历时年最大降水量出现次数的峰值时间主要在夜间(20:00—08:00)，占总次数的74%，各历时年最大降水的发生具有明显的夜雨特性。

(2)随着降水历时的延长，各历时年最大降水量的标准差、变异系数、偏度系数、峰度系数逐步增大，即离散程度也逐步增大。各历时年最大降水量均呈正偏态分布，且历时越长均值偏离样本的最小值较短历时更近，偏离样本的最大值较短历时更远；10、20和30 min年最大降水量的峰度系数接近于零，“峰”的坡度平缓；9、12和24 h年最大降水量的峰度系数为5.66～6.23，“峰”的坡度相对陡峭；在0.05显著性水平下，10、20、30 min和1 h年最大降水量近似遵从正态分布。

(3)1 h年最大降水量的极强降水阈值可达85.4 mm，远超过中国气象局20 mm·h-1的短时强降水标准，极易引发城市内涝、山洪地质灾害等；24 h年最大降水量的弱降水阈值为70.4 mm，由于降水持续时间长，不一定会造成灾害。

(4)各历时年最大降水量的年际变化趋势均不显著，但年代际变化明显，各历时年最大降水量在1960年代以及2000年代最小，在1980年代以及1990年代最大。

(5)1～24 h年最大降水量从2000年代初开始出现下降，并具有突变现象，但突变并不显著。