貴州省最大日降雨量時空分布及重現期估算

張 波，谷曉平，古書鴻

（1.貴州省山地環境氣候研究所，貴陽550002；2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴陽550002）

貴州省最大日降雨量時空分布及重現期估算

張 波1，2，谷曉平1，古書鴻1

（1.貴州省山地環境氣候研究所，貴陽550002；2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴陽550002）

利用1961—2012年貴州省81個氣象觀測站的逐日降雨資料，采用概率分布、線性趨勢和空間分析等方法，分析了貴州省近52年來最大日降雨量的時空分布特征。結果表明：近52年來，貴州最大日降雨量呈遞增趨勢，遞增速率為2.3 mm/10 a，全省最大日降雨量為336.7 mm，平均最大日降雨量為205.1 mm，年際變化趨勢表明，2000年以后最大日降雨量呈遞減趨勢；最大日降雨量季節差異明顯，春季、秋季最大日降雨量呈遞減趨勢，夏季、冬季最大日降雨量均為遞增趨勢，最大日降雨量空間分布不均，由北向南呈遞增趨勢；最大日降雨量100年和200年重現期估算值的空間分布形態具有一致性，高值區主要在貴州南部一帶，100年和200年一遇的最大日降雨量分別為350.9 mm和375.8 mm。

最大日降雨量；重現期；Gumbel分布

隨著全球氣候變暖，各地氣候變化差異明顯，極端天氣事件頻繁發生，對社會造成嚴重的危害，暴雨、洪澇、山體泥石流滑坡等自然災害過程很大程度上取決于降雨量分配不均和降雨強度大小，隨著災害發生強度和頻率的不斷增加，了解降雨強度的時空分布特征以及不同重現期的最大降雨強度值逐漸成為抗洪減災工作中最迫切的需求[1]。

關于降水的研究國內學者展開了一系列的相關研究，李紅梅等[2]探討了不同強度降水在我國東部降水變化中的貢獻，表明了近40年來，盛夏長江流域降水量、降水頻率、極端降水頻率以及暴雨降水強度均呈增大趨勢；姚莉等[3]分析探討了各級別雨強的年平均發生頻率、日變化和極端降水等問題，結果表明：雨強的日變化具有明顯的地區差異，其中西南和華南地區日變化最為明顯，1 h最大雨強50 a和100 a重現期初步估算值的空間分布形態具有一致性。鮑名等[4]分析了我國近40年暴雨發生頻率的年代際時空變化特征，結果表明，我國夏季暴雨多發生在長江中下游、華南、四川中東部、黃淮地區和華北東部，夏季暴雨發生頻率具有明顯的年代際變化，且各地區暴雨的年代際變化有一定差異。任國玉等[5]計算了我國全年和季節降水量長期變化趨勢特征指數；王芬等[6]分析了貴州省近49年不同等級降水日數的氣候特征，探討了不同等級降水日數在降水變化中的作用，得出貴州總雨日、小雨日、中雨日、大雨日整體上都呈減少趨勢，而暴雨日卻呈一定的增加趨勢；謝毅文等[7]分析了廣東省各月最大日降雨量的時空變化特征，表明月最大日降雨量的相對高值區時空轉移依照緯度、海拔、海陸位置3個氣候影響因子的不同分布而發生相應的有序變化；馮婧等[8]以湄潭縣為例研究了西南山區降雨變化特征，研究表明年降雨量不斷減少，暴雨發生頻次以加快的速率增大，最大暴雨量增加；伍紅雨[9]研究表明貴州省1951—1999年的降水具有顯著的年際、年代際變化特征，貴州省夏季降雨異常存在2.8 a的顯著周期；陳靜靜等[10]基于湖南省逐日降雨量資料和同期發生的地質災害判別和篩選了由降雨引發的地質災害，并引入合理的判別系數判定了致災的不同降雨類型，并得出了不同降雨型地質災害的閾值；陳建昌等[11]介紹了Gumbel分布并計算了山東省地市年最大日降雨重現期值，指出推算出的某些臺站的重現期值之所以偏小，其原因主要是由于資料中第一、二位最大值相應的擬合程度不好；郭化文等[12]介紹了求算國內外可能最大降雨的多種方法并對各種方法的優缺點進行了比較，指出受到地形或氣象因素的影響，不同國家或地區適應的頻率曲線不同。

山體泥石流滑坡災害已成為除地震外的最嚴重的自然災害，貴州省97%的面積為山地，強降水容易引起地表、溝溪河水猛漲，導致山洪暴發，低洼地積水成澇，還常誘發泥石流、山體滑坡，造成局地洪澇災害，給人民生命財產和工農業生產、交通運輸等造成局地損失[13-17]。研究基于貴州省近52年的逐日降雨資料，利用概率分布、線性系數和GIS空間分析方法，分析研究貴州最大日降雨量時空分布及重現期估算，研究結果可為西南山區復雜地形的防洪規劃與洪澇災害應急規劃制定提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

貴州省有85個地面氣象觀測站，由于各站建站時間不一致，為了保證資料的完整性，剔除數據缺測較多的4個站點，因此本研究選用貴州省1961—2012年81個氣象站逐日降雨資料。定義3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。研究區域及氣象站點的分布見圖1。

圖1 氣象站點分布

1.2 研究方法

利用概率分布、線性趨勢和空間分析等方法對山區復雜地形最大日降雨量時空變化特征等進行探討，以揭示貴州最大日降雨量的分布特征；同時應用Gumbel分布方法對最大日降雨量不同重現期進行估算，估算出貴州100年，200年一遇最大日降雨量的分布特征。

1.2.1 估算重現期的方法 當令某隨機變量的概率密度為f（x），分布函數為F（x）時，將大于x的某特定值的發生概率叫做超越概率，如公式（1）所示：

當大于x某特定值以平均T年一遇的機遇出現，就將T年叫做x的特定值的重現期[11-12]。

如果x表示最大日降雨量，則根據概率分布的重現期為：

Gumbel分布函數為：

式中：y為標準極值變量；a，x0為常數。若，則：

根據分布函數與重現期T（x）的關系，由公式（2）—（3）可得：

則可以推算出重現期的最大日降雨量x的值：

1.2.2 空間分析法 采用ArcGIS軟件的IDW模塊，對日降雨量進行反距離加權插值，生成空間柵格數據，得到相應的空間分布圖[18]。

1.2.3 最大日降雨量 最大日降雨量是指某一時段內記錄的最大24 h降雨量，24 h指的是北京時間20：00—次日20：00，根據研究內容分為年最大日降雨量和月最大日降雨量，年最大日降雨量是1年內最大24 h降雨量。

2 結果與分析

2.1 最大日降雨量年變化

圖2為貴州省最大日降雨量變化趨勢，1961—2012年貴州省最大日降雨量呈遞增趨勢，遞增速率為2.3 mm/10 a，最大值為1976年的336.7 mm，最小值為1981年的134 mm，最大日降雨量平均值為205.1 mm。年代變化年際變化趨勢表明，1961—1970年（氣象數據從1961年開始，年代變化就往后推了1年1961—1970年）年最大日降雨量以6.2 mm/10 a的速率遞增，1971—1980年以15.4 mm/10 a的速率遞增，1981—1990年最大日降雨量以3.3 mm/10 a的速率遞增，1991—2000年最大日降雨量以33.8 mm/10 a的速率遞增，2001—2012年最大日降雨量以38.4 mm/10 a的速率遞減。

圖2 貴州最大日降雨量年變化趨勢

2.2 最大日降雨量季節變化

最大日降雨量季節變化趨勢如圖3所示，全省最大日降雨量季節差異明顯。1961—2012年貴州省春季、秋季最大日降雨量呈遞減趨勢，遞減速率分別為7.3，3.0 mm/10 a，春季最大日降雨量最大值為336.7 mm，最小值為86.4 mm，秋季最大日降雨量最大值為272.4 mm，最小值為77.7 mm；夏季、冬季最大日降雨量均為遞增變化趨勢，遞增速率分別為8.8，0.6 mm/10 a，其中夏季最大日降雨量最大值為307.4 mm，最小值為117.1 mm，冬季最大值為71.5 mm，最小值為17.6 mm。

圖3 貴州最大日降雨量季節變化趨勢

2.3 最大日降雨量月變化

由圖4可知，全省最大日降雨月變化趨勢呈雙峰型分布，峰值分別位于5月和9月，而最大日降雨量平均值呈單峰結構，峰值位于7月，其中4—9月為貴州省汛期，降雨頻發時期，最大日降雨量發生在5月，最大值為336.7 mm，最小值發生在2月，最小值為11.3 mm。

圖4 最大日降雨量月變化趨勢

2.4 最大日降雨量空間分布特征

由圖5可以看出，1961—2012年全省最大日降雨量空間分布不均，等值線由北向南逐漸密集，等值線的數值也由北向南逐漸增大。畢節、遵義及中部的貴陽大部分站點年最大日降雨量等值線較為稀疏，安順、黔南、黔東南及銅仁部分站點的等值線較為密集，其中江口、六枝、凱里、都勻、雷山、晴隆、羅甸和三都的最大日降雨量均在250 mm以上。

圖5 1961-2012年貴州省最大日降雨空間分布

2.5 最大日降雨量月空間分布特征

貴州省最大日降雨量月空間分布見圖6，從圖中可以看出，貴州各月最大日降雨分布差異明顯：

1月，北方南下的冷空氣和孟加拉灣南上的西南暖濕氣流被云貴高原所阻擋，受兩股氣流的影響，全省最大日降雨量值相對較小，高值區域主要集中在銅仁地區的德江、沿河、江口、松桃以及萬山等站點，其次集中在黔東南州的凱里、麻江、丹寨、黎平和從江等低海拔地區；西部高值區集中在六盤水和安順部分站點。

2月，北方南下的冷空氣繼續減弱，最大日降雨量空間分布呈西北部地區向東南方向遞增的趨勢，最大值集中在黔東南州大部分站點和黔南的三都、荔波和獨山等站點，此外，黔西南的望漠也處于高值區域。

3月，高值區向北偏移，集中在遵義的綏陽、鳳岡等站點，最大降雨量最大值明顯高于1月和2月，但全省空間分布不均，南部和西南部分站點的最大日降雨量仍處于較高水平。

4—9月，冷空氣影響減弱，亞熱帶季風增強，最大日降雨量相對高值區域由東南地區向西南方向偏移，4月最大日降雨量相對高值區域有向南偏移的趨勢，進入5月這種趨勢減弱，高值區域集中在南部地區。其中，5月最大日降雨量達到年內最大值，最大值為336.7 mm，發生在羅甸；6月最大日降雨量高值區集中在都勻、羅甸和六枝一帶；7月、8月的高值區發生在西南部和東部銅仁地區，但8月降雨量最大值低于7月；9月高值區集中在六枝、安順和普安等站點，全省呈現從東南往西部遞增的變化趨勢。西南部分地區暴雨強度大，是該區域水土流失嚴重的主要因素。

10月，全省最大日降雨量空間分布范圍變大，從東北往西南方向一線呈現遞增趨勢，高值區域集中在省西南部，黔西南州的大部分站點及安順和六盤水的部分站點處于全省最高值；北部遵義、正安和桐梓及黔東南的鎮遠、黔南的獨山等站點最大日降雨量也屬于高值區域。

11月，最大日降雨量向東北和東部地區偏移，出現兩個相對高值區，一個以正安、沿河為中心的東北高值區，一個以施秉、劍河、臺江、三穗和天柱為中心的較高值區域。西部畢節、六盤水大部分地區的最大日降雨量為全省低值區域。

12月，全省最大日降雨量從西北向東南方向偏移，全省高值區集中在銅仁和黔東南大部分站點，以及安順、關嶺、晴隆和興義一線也是高值區域。

2.6 最大日降雨重現期的估算

根據上述估算重現期的方法，計算得到了貴州100 a、200 a一遇的最大日降雨量分布的估計值（圖7）。貴州省100 a，200 a一遇最大日降雨量空間分布趨勢基本一致，高值區域集中在安順、黔南、黔東南一帶，其次是銅仁江口等站點，貴州省100 a一遇的最大日降雨量為350.9 mm，200 a一遇最大日降雨量為375.8 mm，北部的遵義、畢節大部分地區為最大日降雨低值區域。

圖7 貴州省不同重現期的最大日降雨量空間分布

3 討論與結論

研究結果表明，1961—2012年貴州省最大日降雨量呈遞增趨勢，遞增速率為2.3 mm/10 a，最大值為1976年的336.7 mm，最小值為1981年的134 mm，最大日降雨量平均值為205.1 mm。全省最大日降雨量季節差異明顯，1961—2012年貴州省春季、秋季最大日降雨量呈遞減趨勢，夏季、冬季最大日降雨量均呈遞增變化趨勢，夏季變化率最大，研究結果與張志才等[19]基本一致。

最大日降雨量月變化表明，汛期期間貴州最大日降雨量的分布呈現總體南高北低的分布情況，全省日降雨量最大值集中在西南和南部的部分站點，同時全省山洪、水土流失、泥石流多發區也集中在這一區域；非汛期最大日降雨量高值區集中在貴州東部和東南部的部分站點；時間變化趨勢呈雙峰型分布，峰值分別位于5月和9月。

為求算不同重現期的年最大日雨量，前人通過研究理論性的極值分布[20-22]，認為Gumbel分布能較好地反映降水的極值分布，用它求算年最大日雨量的重現期值較好地符合實際。研究采用Gumbel分布估算100 a，200 a一遇的重現期的最大日降雨量分別為350.9，375.8 mm，且空間分布趨勢基本一致，張志才等[19]研究表明貴州省降雨極大值出現在貴州西南安順地區，而本研究估算出的100 a，200 a的最大日降雨量分高值區域分布在黔南，黔東南州以及安順，出現3個高值區域，造成這一原因可能是由于張志才等[19]的樣本數據是1961—2004年貴州省18個站點的氣象數據，比本研究的數據量小。可見樣本數據的充裕是重現期估算可靠性的保證。郭化文等[12]指出受到地形或氣象因素的影響，不同國家或地區適應的頻率曲線不同，本研究的不足在于沒有考慮81個氣象站的下墊面地形因素。

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Temporal and Spatial Distributions of Maximum Daily Precipitation and Recurrence Periods in Guizhou Province

ZHANG Bo1，2，GU Xiaoping1，GU Shuhong1
（1.Guizhou Institute of Mountainous Environment and Climate，Guiyang550002，China；2.Guizhou Key Laboratory of Mountainous Climate and Resources，Guiyang550002，China）

Based on the daily precipitation data for 81 stations of Guizhou Province from 1961 to 2012，the analysis techniques such as probability distribution，linear trend，spatial analysis were used to analyze the maximum daily precipitation in time and space for recent 52 years.The results showed that maximum daily precipitation presented the increasing trend with the rate of 2.3 mm/decade.The extreme maximum daily precipitation was 336.7 mm，and the average maximum daily precipitation was 205.1 mm，the annual variation tendency showed that the maximum daily precipitation had decreased since 2000.The maximum daily precipitation showed obvious seasonal variations and increased from north to south，and the maximum daily precipitation decreased in spring and autumn，and increased in summer and winter.Furthermore，the recurrence periods of 100 years，200 years of the maximum daily precipitation intensity were estimated primarily，which seemed that their distribution trends were consistent.The maximum area can be found in the south range.The maximum daily precipitation intensities in 100 years and 200 years can reach to 350.9 mm and 375.8 mm in Guizhou Province.

maximum daily precipitation；reappearance period；Gumbel distribution

P426;P468

A

1005-3409（2017）01-0167-06

2015-11-05

2016-03-22

國家科技支撐計劃“西南突發性災害應急與防控技術集成與示范”（2012BAD20B06）；貴州省重大科技專項計劃“貴州‘兩高’沿線特色農業氣候精細化區劃與氣象災害防控”[黔科合重大專項字（2011）6003]

張波（1985—），男，山東臨沂人，工程師，碩士，主要從事應用氣象研究。E-mail：nj0622＠126.com

谷曉平（1968—），女，黑龍江林口人，正研級高工，博士，主要從事農業氣象研究。E-mail：16114331＠qq.com