陜西短歷時降水極值特征和致災性分析

李亞麗，雷向杰，余　鵬

(1.陜西省氣象信息中心，西安　710014；2.陜西省氣候中心，西安　710014)

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陜西短歷時降水極值特征和致災性分析

李亞麗1，雷向杰2，余鵬1

(1.陜西省氣象信息中心，西安710014；2.陜西省氣候中心，西安710014)

摘要：利用陜西95個氣象站1980—2013年的短歷時(1 h、3 h、6 h、12 h、24 h)降水極值及相應縣域1984—2013年的氣象地質災害記錄，對陜西短歷時降水極值、氣象地質災害發生的時空分布特征及兩者間的關聯度進行分析，并通過耿貝爾(Gumbel)極值分布模型擬合短歷時降水百年極值。結果表明：陜北的子長、佳縣，關中的彬縣、華陰、武功、千陽，陜南的鎮巴、商南、佛坪為短歷時降水極值中心。超過一半的站降水極值呈緩慢增大趨勢，降水極值與災害均集中出現在4—10月，兩者發生時間有較好的對應關系。陜北54.62%、關中48.5%、陜南68.97%的短歷時降水極值出現的當天，當地發生了氣象地質災害。利用耿貝爾極值分布模型擬合5個短歷時降水百年極值發現，百年一遇降水極值的空間分布特征與歷史極值特征相似，這對短歷時降水極值的預測與可能引發的暴雨洪澇地質災害的預防有一定的借鑒意義。

關鍵詞：短歷時降水極值；氣象地質災害；耿貝爾極值分布模型；百年一遇

降水是氣候系統中最關鍵的要素之一，降水的變化直接影響著氣候、水文以及整個生態系統。關于降水的研究多集中在極端降水事件的變化[1-3]。近50年來中國極端降水事件的發生頻率有所增加，且具有明顯的區域性[2-3]，在西部地區、長江流域和東南沿海有上升趨勢[1]。基于日降水量資料得出的研究表明[4-5]，陜西地區的年降水量呈明顯減少趨勢，但平均降水強度總體呈微弱增強趨勢，暴雨增多、強度增強，區域內降水不均衡、南北降水量分布差異很大，有極端化發展的趨勢。受資料信息化水平影響，之前對降雨的特征研究多限于日、月、年尺度降水量的變化趨勢等研究，而短歷時強降水因歷時短、強度大、局地性強等特點，更易造成局部嚴重或毀滅性的洪澇、山體滑坡等災害[6-7]，其頻率和強度的變化可能對社會和環境產生更大的影響，因此對其變化特征等進行研究顯得尤為重要。短歷時強降水的極值作為隨機變量具有一定的不確定性，但仍表現出明顯的統計規律[8]。借用統計推斷的手段尋求氣候極值的概率分布模型，可推算出一定重現期的可能極值，揭示其內在規律[9]。概率分布理論作為研究極值最重要的理論基礎，應用較為廣泛的有皮爾遜-Ⅲ型分布、指數分布、極值I型分布(Gumbel耿貝爾極值分布)以及對數正態分布等分布線型，均可用來擬合短歷時降水極值的概率分布函數、進而求得不同重現期，且具有較好的擬合能力[10-13]。

本文主要分析陜西短歷時降水極值的時空分布、變化趨勢特征以及氣象地質災害與各歷時降水極值間的關系，并運用耿貝爾(Gumbel)極值分布模型擬合短歷時降水百年極值，以期為短時強降雨預報、暴雨誘發的泥石流、滑坡等氣象災害風險預估提供參考信息，這對短歷時強降水可能引發的氣象地質災害的預防具有重要意義。

1資料與方法

文中短歷時降水是指1 h、3 h、6 h、12 h和24 h等5個歷時的降水量，氣象地質災害指由強降水(暴雨、連陰雨)引發的洪澇、泥石流、山體滑坡、山體崩塌、地面塌陷等災害。利用陜西95個國家級氣象站1980—2013年的分鐘降水量構建以上5個時段降水極值序列，采用線性趨勢估計分析序列變化趨勢。數據全部來自陜西省氣象檔案館，均經過了嚴格的質量控制。搜集、匯總來源于氣象災害普查數據庫，經過了市、省、國家三級業務部門審核的1984—2013年氣象地質災害記錄，災害整理原則：與國家級氣象站相對應的縣級行政區內一天之內無論幾處出現災害只算一次，連續2天或以上出現災害，同樣只算一次，間隔一天或以上，分別計數。

經對降水極值分布的最佳擬合檢驗后，確定以耿貝爾分布(Gumbel)方法[8-9，14]作為主要極值分析方法，建立短歷時降水極值的分布模型及重現期預測。耿貝爾分布函數為

F(x)=exp(-exp(-a(x-u))，

(a>0,-∞

(1)

式(1)中a為分布的尺度參數，u為分布的位置參數。

(2)

參數估計選擇矩法，一階矩(數學期望)

2短歷時降水極值時空分布特征

2.1空間分布

陜西位于我國西部，呈南北高、中間低、西北高、東南低的地貌特點，境內地形復雜，地質結構多樣，以北山、秦嶺為界，形成陜北黃土高原、關中平原和陜南秦巴山地三個自然區。雖然對多年平均年降水量來講陜北最小，關中次之，陜南最大，統計95站34 a各歷時降水極值發現，全省范圍內1 h、3 h降水極大值出現在關中，6 h、12 h極大值出現在陜北，24 h降水極值出現在陜南(圖1)。

從圖1可看出，子長、佳縣是陜北5個短歷時降水的極值中心，安塞、綏德、府谷、延川等地短歷時降水也較大。關中的極值主要出現在彬縣、華陰、禮泉、武功、千陽、扶風等地。鎮巴、商南、佛坪為陜南的5個歷時降水極值中心，而留壩、寧陜、寧強的12 h、24 h降水極值也較大。從95個臺站的5個短歷時降水極值序列中分別選取降水量最大的10個臺站，1 h、3 h、6 h極大值排名前十的站中關中地區所占比率較大，而12 h、24 h排名前十的站中陜南地區的站明顯增多，占50%以上。

2.2時間變化趨勢

分析95站的短歷時降水極值的發生時間發現，各歷時降水極值集中出現在7、8月，最早出現在4月(銅川站1996年4月16日，1 h降水極值54 mm)，最晚出現在10月(洋縣1985年10月2日，1 h降水極值57.8 mm)。一天中，短歷時降水極值的開始時間集中出現在16—24時，03—05時開始的概率也較大。

從年代際特征來看，1980—2013年95站的5個短歷時降水極值55%以上發生在2000年以后，20世紀80年代極值出現頻次最少，90年代次之。分別計算1980—2013年95站5個歷時降水極值的線性趨勢率發現，超過一半的站降水極值呈緩慢增大趨勢。其中，1 h降水極值的線性趨勢率漢陰3.6 mm/10 a、鳳縣4.1 mm/10 a、平利 6.5 mm/10 a，3 h降水極值線性趨勢率平利7.3 mm/10 a，6 h降水極值線性趨勢率漢中7.7 mm/10 a，12 h降水極值線性趨勢率旬邑6.6 mm/10 a、宜君7.5 mm/10 a、佳縣11.1 mm/10 a、延川11.8 mm/10 a，24 h降水極值線性趨勢率禮泉10.3 mm/10 a、宜君10.5 mm/10 a、延川10.8 mm/10 a、商南12.6 mm/10 a、佳縣15.3 mm/10 a，增多趨勢比較明顯(通過0.05的顯著性檢驗)。另外，有部分臺站為減小趨勢。線性趨勢率臨渭24 h降水極值-8.9 mm/10 a、12 h降水極值-6.5 mm/10 a，減少趨勢比較明顯。總的來看，在陜北黃河沿岸、渭北西部、陜南安康地區降水極值增大趨勢較明顯，關中東部、陜南中西部為弱減小趨勢(圖略)。

圖1　1980—2013年陜西各時段短歷時降水極值空間分布 (單位：mm)

3氣象地質災害情況以及與短歷時降水極值的關系

3.1氣象地質災害情況分析

圖2　1984—2013年陜西氣象地質災害發生頻次(單位為次)的空間分布

對1984—2013年95個縣級行政區內的氣象地質災害統計匯總，共有1 788次記錄，且暴雨洪澇是氣象地質災害的主要誘因。分區域來看氣象地質災害的發生頻次(圖2)，陜南最多，28站平均每站31次，其中安康市白河境內最多為81次，丹鳳最少為11次。陜北平均每站14次，關中13次，其中延川縣、寶雞市共36次，分別為陜北、關中災害發生頻次最多縣。95個縣中22個縣災害發生頻次小于10次，其中關中15個縣，陜北7個縣。高陵縣、合陽縣境內最少，30 a僅發生2次。分析發現，災害發生頻次有增加趨勢，一年中災害發生時間主要集中在4—10月(圖3)，7、8月為氣象地質災害高發期，5、6、9月為易發期。

圖3　1984—2013年陜西氣象地質災害頻次的月分布

3.2氣象地質災害與短歷時降水極值的關系

將95個氣象站的5個短歷時降水極值分別與本站所在行政區域內災害發生時間進行簡單關聯，分析各歷時降水極值的致災情況，即若某站出現某個歷時降水極值的當日(24 h以內)，與之對應的區域內出現氣象地質災害時記1次關聯，該站災害發生概率為關聯頻次合計除以極值個數(5個)表示。分析發現，95站中有60站12 h降水極值出現的同時，區域內出現氣象地質災害，關聯頻次為60次，居5個歷時降水極值中最多；3 h、24 h次之，為55次；6 h為54次；1 h為46次。

另外，從圖4可以看出，95站中有23站的5個短歷時降水極值均沒有對應的氣象地質災害發生，即發生概率為0；27站的5個短歷時降水極值出現的當天在其縣域內均有氣象地質災害發生，即降水過程誘發災害的概率為100%；5個短歷時降水極值出現時，災害發生概率為80%和60%的分別有18站和14站。從區域平均來看，陜北54.62%、關中48.5%、陜南68.97%的短歷時降水極值出現的當天，當地發生了氣象地質災害。

圖4　1984—2013年陜西短歷時降水極值出現時氣象地質災害發生累計頻次(單位為次)

從災害與極值發生時間來看，一次大范圍的降水過程往往會刷新很多極值記錄，比如2010年7月22—24日的降水過程刷新了33個短歷時降水極值記錄，導致宜君、隴縣、寶雞、彬縣等12個縣發生滑坡泥石流等氣象地質災害。2007年8月7—9日的降水過程刷新了30個短歷時降水極值記錄，導致關中(麟游、岐山、禮泉、興平、永壽)、陜南(佛坪、嵐皋)共7個縣發生嚴重的洪澇災害。分析記錄發現本次過程同時刷新了高陵站的5個歷時降水極值記錄，但無災害發生。該縣地處關中平原，地貌形態簡單。因此，氣象地質災害是否發生除與降水量大小有關外，與當地的地貌和地質結構關系也較大。

4短歷時降水重現期極值的空間分布

從第3節的分析可以看出，降水極值的發生與氣象地質災害的發生有著緊密的關系，因此準確預測預估降水極值可以減少或降低由此引發的災害損失。采用Gumbel分布擬合陜西短歷時降水極值的分布，用矩陣法估計其分布參數，對給定重現期的各歷時降水的理論值與實測值進行對比，以(實測值-預測值)/實測值×100%表示誤差率，檢驗用Gumbel分布在給定重現期的條件下擬合短歷時降水極值的預測效果。結果表明(表略)，在全省5個短歷時降水極值均無缺測記錄的73個臺站中，除陜北的佳縣、子長、綏德，關中的隴縣、寶雞、武功、高陵、大荔、咸陽、華陰以及陜南的洋縣、佛坪、寧陜外，其余臺站的短歷時降水理論極值有較高的精度，誤差率不超過10%。

分析給定重現期(100年)短歷時降水極值的空間分布(圖5)發現，百年一遇降水極值空間分布的中心與圖1較為一致，1 h降水極值出現在關中的武功，3 h、6 h、12 h百年一遇降水最大值均出現在陜南的商南，24 h降水最大值出現在陜南的寧陜。分區域來看，陜北除12 h百年一遇降水極值出現在佳縣外，其余4個極值均出現在子長。關中3 h、6 h、12 h、24 h百年一遇降水極值較為集中地出現在渭北的白水、大荔、華陰一帶，1 h降水極值出現在武功、岐山。陜南除商南外，寧陜、佛坪、寧強等區域5個短歷時降水極值也較大。

圖5　Gumbel分布擬合的陜西百年一遇短歷時降水極值空間分布(單位：mm)

5結論

(1)全省范圍內1 h、3 h降水量極大值出現在關中，6 h、12 h極大值出現在陜北，24 h降水極值出現在陜南。陜北的子長、佳縣，關中的彬縣、華陰、武功，陜南的鎮巴、商南、佛坪為降水極值中心。超過一半的站短歷時降水極值呈緩慢增大趨勢。

(2)暴雨洪澇是氣象地質災害的主要誘因，陜南災害的發生頻次最多。各歷時降水極值的發生時間與災害發生時間有較好的對應關系。短歷時降水極值與災害均集中出現在4—10月。平均而言，陜北54.62%、關中48.5%、陜南68.97%的短歷時降水極值出現的當天，當地發生了氣象地質災害。

(3)利用耿貝爾(Gumbel)極值分布模型擬合5個短歷時降水百年極值，并將理論值與實測值驗證發現，耿貝爾極值分布模型能較好地擬合短歷時降水極值。各地百年一遇降水極值的空間分布特征與1980—2013年的歷史極值特征相似，這對各縣的短歷時強降水的預測與可能引發的氣象地質災害的預防有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]Zhai Panmao，Zhang Xuebin，Hui Wan，et al.Trends in total precipitation and frequency of daily precipitation extremes over China[J].Journal of Climate，2005，18(7)：1096-1108.

[2]翟盤茂，王萃萃，李威.極端降水事件變化的觀測研究[J].氣候變化研究進展，2007，3(3)：144-148.

[3]潘曉華，翟盤茂.氣候極端事件的選取與分析[J].氣象，2002，28(18)：28-31.

[4]林云萍，趙春生.中國地區不同強度降水的變化趨勢[J].北京大學學報：自然科學版，2009，45(6)：995-1002.

[5]陳冬冬，戴永久.近五十年我國西北地區降水強度變化特征[J].大氣科學，2009，33(5)：923-935.

[6]萬慧，賀繼榮，馬鋒.榆林市致災暴雨的時空分布特征[J].陜西氣象，2014(1)：21-24.

[7]李明娟.陜西致災暴雨氣象決策服務分析[J].陜西氣象，2015(1)：45-47.

[8]馬開玉，丁裕國，屠其璞，等.氣候統計原理與方法[M].北京：氣象出版社，1993：123-129.

[9]孫濟良，秦大庸，孫翰光.水文氣象統計通用模型[M].北京：中國水利水電出版社，2001：56-64.

[10]丁裕國，申紅艷，江志紅，等.氣候概率分布理論及其應用新進展[J].氣象科技，2009，37(3)：257-261.

[11]尹文有，鄭皎，王繼紅，等.年最大日雨量極值分布擬合與推算[J].氣象科技，2011，39(2)：137-140.

[12]毛慧琴，杜堯東，宋麗莉.廣州短歷時降水極值概率分布模型研究[J].氣象，2004，30(10)：3-6.

[13]蔡敏，丁裕國，江志紅.我國東部極端降水時空分布及其概率特征[J].高原氣象，2007，26(2)：309-318.

[14]高紹鳳，陳萬隆，朱超群，等.應用氣候學[M].北京：氣象出版社，2001：124-129.

文章編號：1006-4354(2016)04-0018-06

收稿日期：2015-11-24

作者簡介：李亞麗(1978—)，女，陜西韓城人，碩士，高工，從事氣象資料分析及氣候變化研究。

基金項目：陜西省科學技術研究發展計劃項目(2014k13-09)；陜西省氣象局氣象科技創新基金項目(2014M-27)

中圖分類號：P426.6

文獻標識碼：A

李亞麗，雷向杰，余鵬. 陜西短歷時降水極值特征和致災性分析[J].陜西氣象，2016(4)：18-23.