南京地區暴雨變化特性分析

杜 堯，陳啟慧，和鵬飛，陳蕓蕓，沈紅霞，李瓊芳,3

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2.江蘇省淮沭新河管理處， 江蘇 淮安 223005；3.江蘇省“世界水谷”與水生態文明協同創新中心，江蘇 南京 210000)

21世紀以來，受全球氣候變化及城市化進程影響，我國城市暴雨頻發，由此引發的內澇風險不斷加劇[1-5]，嚴重影響了城市居民正常生產生活，在一定程度上制約了城市的可持續發展。因此，城市的暴雨變化特征受到相關學者和管理者的高度關注。李鵬程等[6]采用北京、天津兩個氣象站近51年的日降水資料，剖析了兩地區降水量的趨勢性和周期性；張潔祥等[7]基于1971—2010年徐家匯站的日降雨資料，分析了上海市年代際降水、年降水、汛期與非汛期降水的變化和周期變化特征；趙琳娜等[8]采用模糊識別法對北京降雨過程進行了雨型劃分，得到北京雨型特征；Chen等[9]利用STRP和Huff RP法分析了廣州市的降雨模式，對比了兩種方法的優劣性；賀芳芳[10]利用不同氣象站30年降水資料，分析了上海地區暴雨的氣候變化特征及城市化對暴雨的影響；王羱等[11-12]分析了近64年南京夏季降水峰期變化特征；沈澄等[13]剖析了2008—2012年南京短時強降水特征；朱鑫君等[14]分析了南京一次特大暴雨天氣過程的中尺度特征。近些年南京市多次發生了導致嚴重內澇災害的極端暴雨事件，進一步研究南京地區暴雨變化特性很有必要。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

南京市位于長江下游中部地區，屬北亞熱帶濕潤氣候，四季分明，雨水充沛[15]，多年平均降雨117 d，多年平均降雨量1 106.5 mm。每年6月下旬到7月上旬為梅雨期，常發生暴雨、大暴雨。選取分布在南京不同行政區的7個雨量站點：南京站、東山站、曉橋站、江寧鎮站、六合站、天生橋閘站和高淳站為研究對象，站點分布見圖1，其中南京站是主城區的代表站。

圖1 南京地區雨量站空間分布

1.2 研究方法

受中小尺度天氣系統影響，南京地區降雨過程常在12 h以內，這種歷時短、強度大的降雨對區域排澇和城市排水的影響更大，更容易引起城市內澇。依據我國氣象規定，以連續12 h降雨超過30 mm為標準，滑動選取次暴雨過程，從滑動開始的時段到滑動結束的時段來計算此次暴雨的總歷時。選用南京站1975—2015年以及東山站、曉橋站、江寧鎮站、六合站、天生橋閘站和高淳站1985—2015年的逐時降水資料，依據雨量30～59.9 mm為弱暴雨、60～99.9 mm為中暴雨、≥100 mm為強暴雨的原則對暴雨強度進行劃分。依據暴雨持續時間小于6h為特短暴雨、6～11 h為短暴雨、12～23 h為一般暴雨、24～30 h為長暴雨、>30 h為特長暴雨的原則對暴雨歷時進行劃分。運用Mann-Kendall趨勢檢驗[16]、小波分析[17]、模糊識別法[18]等統計方法進行分析。

2 南京地區暴雨特征變化規律分析

2.1 時空分布規律

2.1.1暴雨時程分布規律

南京站1975—2015年3—10月多年平均暴雨次數分別為1、3、26、62、63、54、33、2次。1975—2015年南京站暴雨次數共出現244次，汛期(6—9月)與非汛期暴雨次數差異明顯。暴雨主要集中在春末到秋末，6—8月暴雨最多，總暴雨次數分別占全部暴雨的25.4%、25.8%和22.1%；9月和5月次之，占全部暴雨的13.5%和10.7%；3月、4月和10月共出現了6場暴雨，11月至次年2月沒有出現暴雨。

圖2為南京站1975—2015年暴雨次數的變化情況。可見，1975—2015年南京城區年均暴雨次數波動較大，多年平均為6次左右，1975、1979、2015年發生了10次以上暴雨，降水偏少年份則只出現了2～3次暴雨。20世紀90年代南京城區年暴雨次數呈減少趨勢，2000年后年均暴雨次數呈增加趨勢。

圖2 南京站1975—2015年暴雨次數變化

2.1.2暴雨空間分布規律

表1為各雨量站1985—2015年多年平均暴雨量及暴雨次數。由表1可見，南京地區年平均暴雨量市區多于郊區，東部多于西部，臨水區大，遠水區小。主城區南京站年平均暴雨量最大，東山站次之，天生橋閘站、江寧鎮站和高淳站年平均降水量最少。主城區暴雨偏多與城市熱島效應的疊加影響有關，城市中心氣溫高，下墊面向近地層輸送熱量較為強烈，對流加強，更易發生強度大的降雨。暴雨次數的空間分布與多年平均暴雨量分布相似。六合站和高淳站暴雨次數最大，江寧鎮站暴雨次數最少。多年平均暴雨量最大的南京站為182次，相對偏少，表明與其他雨量站相比，南京站代表的主城區平均暴雨強度更大。

表1 各雨量站1985—2015年多年平均暴雨量及暴雨次數

2.2 不同歷時年最大降水量變化趨勢

選取代表主城區的南京站和位于南京地區南部的高淳站以及位于北部的六合站，統計1985—2015年歷年最大1 h、3 h、6 h、12 h和24 h降水量，結果如圖3所示。3站不同歷時年最大降水量總體呈現出先增加、后略有減少的趨勢。表2為1985—2015年3站不同歷時年最大降水量的特征值統計。M-K檢驗結果表明，南京站最大1 h、3 h、6 h、12 h和24 h雨量都呈現明顯的增加趨勢，其中最大1 h雨量、最大24 h雨量的M-K值分別為1.66和1.67，通過了置信度95%的顯著性檢驗，最大3 h、6 h和12 h雨量的M-K值分別為1.33、1.39和1.34，通過了置信度90%的顯著性檢驗。六合站和高淳站的最大1 h年降水量呈略減少的趨勢，其余歷時年最大降水量呈不同程度的增加趨勢，但都未通過置信度90%的顯著性檢驗。可以看出，除最大1 h雨量外，南京站其余歷時年最大雨量的最大值明顯高于高淳站和六合站，且南京站不同歷時年最大雨量的平均值都明顯大于其余兩站，這表明南京主城區的降雨強度明顯高于其他地區，應對暴雨內澇的壓力更大。

圖3 1985—2015年3站歷年年最大降水量

2.3 雨強變化規律

圖4為南京站和江寧鎮站不同強度暴雨分布。1985—2015年南京站出現弱暴雨111次、中暴雨48次和強暴雨23次，分別占61.0%、26.4%和12.6%。1月、2月、11月和12月沒有出現暴雨，暴雨主要集中在5—9月，其中弱暴雨次數占比始終最多，中暴雨次之，強暴雨最少。中暴雨主要出現在6—9月，7月次數占比最多。強暴雨主要出現在6—8月，其中7月次數占比最多，6月次之。對比南京站的統計結果，江寧鎮站弱暴雨占總暴雨次數的比例更大，中暴雨占比相近，而強暴雨占比明顯偏少。分析兩站年內分布特征，6—7月南京站弱暴雨次數占比略有減少，中暴雨占比略有增加，而江寧鎮站與之相反，弱暴雨占比明顯增加，中暴雨占比略有減少，這表明當南京地區進入汛期后，南京市中心更易出現高強度的暴雨。

圖4 南京站和江寧鎮站不同強度暴雨分布

表2 3站1985—2015年不同歷時年最大降水量特征值統計

圖5為南京站不同強度暴雨次數5年滑動平均曲線。南京主城區的年均暴雨次數波動較大，1985—1996年主城區總暴雨、弱暴雨和中暴雨次數都呈現明顯的減少趨勢，1996年后整體呈現增加趨勢，其中弱暴雨和總暴雨的變化趨勢基本一致。強暴雨1985—2015年一直呈現增加趨勢。為進一步分析不同強度暴雨的變化趨勢，對比不同站點差異，對7個雨量站不同強度暴雨次數進行M-K統計檢驗，結果如表3所示。由表3可見，對于弱暴雨，除江寧站M-K值大于0，弱暴雨次數略有增加外，其余雨量站的弱暴雨次數均呈現減少趨勢，但M-K值絕對值都未超過1.28，未通過置信度90%的顯著性檢驗。對于中暴雨，南京站中暴雨次數呈略微減少趨勢，曉橋站中暴雨次數的M-K值為1.73，增加顯著，其余雨量站中暴雨次數略有增加。各站強暴雨次數都呈現增加趨勢，其中南京站的M-K值為2.57，通過了置信度99%的顯著性檢驗，東山站和六合站的M-K值分別為2.21和1.70，通過了置信度95%的顯著性檢驗。南京地區整體的暴雨強度呈現增強的趨勢，且代表主城區的南京站和靠近水域的六合站、東山站的強暴雨增加趨勢相較于其他站點更為明顯。

圖5 南京站不同強度暴雨5年滑動平均曲線

表3 各雨量站不同強度暴雨次數M-K值

雨量站弱暴雨中暴雨強暴雨南 京-0.83-0.372.57東 山-1.020.322.21曉 橋-0.461.731.04江寧鎮0.080.610.48六 合-0.490.901.70天生橋閘-0.920.200.90高 淳-0.420.850.42

圖6為南京站1985—2015年不同強度暴雨小波方差圖，圖中方差越大表示波動能量越大，即相應的周期性越明顯。南京站弱暴雨豐枯變化周期分別為3年、8年和14年，其中14年的周期震蕩最為劇烈，為第一主周期。中暴雨的豐枯變化周期分別為3年、4年和8年，8年左右的周期震蕩最為劇烈，為第一主周期。強暴雨豐枯變化周期分別為3年、8年和18年，其中3年的周期震蕩最為劇烈，為第一主周期。南京站總暴雨的豐枯變化周期分別為3年、4年、6年和14年，3年周期震蕩最劇烈，為第一主周期。

圖6 南京站不同強度暴雨小波方差

2.4 歷時變化規律

圖7為南京站和江寧鎮站不同歷時暴雨分布。1985—2015年南京站特短暴雨出現30次、短暴雨出現68次、一般暴雨出現5次、長暴雨出現4次、特長暴雨出現4次。一般暴雨最多，占41.2%，短暴雨和特短暴雨分別占37.4%和16.5%，而長暴雨和特長暴雨共僅占4.7%，南京主城區的大部分暴雨過程持續時間不超過1 d。

圖7 南京站和江寧鎮站不同歷時暴雨分布

由圖7可見，南京站3、4月僅出現了短暴雨,在暴雨集中出現的5—9月，7、8月短暴雨占比最多，其余月份一般暴雨占比最多。6—8月特短暴雨占比逐漸增加，一般暴雨占比減少，一般歷時以上暴雨的比例明顯下降。與南京站相比，江寧鎮站特短暴雨和短暴雨占總暴雨次數的比例明顯更少，一般暴雨和長暴雨占比更多，特長暴雨占比相近。與南京站相比，5—9月江寧鎮長暴雨出現更多，主要集中在6—7月，此時一般暴雨也呈現增加趨勢。可以看出，當南京地區進入汛期時，相較于江寧鎮，城市化程度更高的市中心區域出現的暴雨歷時更短。

圖8為南京站不同歷時暴雨次數5年滑動平均曲線。可以看出，南京主城區以一般暴雨和短暴雨為主，且呈現暴雨歷時縮短的趨勢。1985—1996年，特短暴雨、短暴雨和一般暴雨都呈現減少趨勢，其中一般暴雨減少趨勢顯著。1996年后，一般暴雨年平均次數變化不大，特短暴雨年平均次數整體呈現增加趨勢，短暴雨年平均次數先顯著增加后呈略減少趨勢。長暴雨和特長暴雨出現次數極少，年平均次數都少于0.5。

圖8 南京站不同歷時暴雨次數5年滑動平均曲線

因各雨量站長暴雨和特長暴雨的出現次數極少，故只對各站特短暴雨、短暴雨和一般暴雨進行M-K檢驗，結果見表4。對于特短暴雨，各站統計量都大于0，呈現增加趨勢。其中南京站和六合站的M-K值分別為1.87和1.64，通過了95%的顯著性檢驗，東山站和曉橋站的M-K值分別為1.56和1.46，通過了90%的顯著性檢驗，特短暴雨次數增加趨勢顯著。對于短暴雨和一般暴雨，各站的M-K值絕對值都未超過1.28，未通過90%的顯著性檢驗，增加或減少趨勢都不明顯。可以看出，南京地區短暴雨和一般暴雨次數沒有明顯的增減變化，但特短暴雨整體呈現增加趨勢，其中代表主城區的南京站和靠近水系的六合站、東山站、曉橋站相較于其他站點弱暴雨增加趨勢更顯著。

表4 各雨量站不同歷時暴雨次數的M-K值

1985—2015年南京地區長暴雨和特長暴雨出現次數極少，只對特短暴雨、短暴雨和一般暴雨進行小波分析。圖9為南京站不同歷時暴雨的小波方差，南京站特短暴雨存在3年、4年及14年左右的豐枯周期變化，其中3年左右的周期震蕩能量最強，為第一主周期。短暴雨存在3年和15年的豐枯周期變化，其中3年左右的周期震蕩能量最強，為第一主周期，15年的周期震蕩能量與3年周期的震蕩能量相近。一般暴雨存在3年、5年和12年的左右的豐枯周期變化，其中3年左右的周期震蕩能量最強，為第一主周期。

圖9 南京站不同歷時暴雨小波方差

2.5 雨型特征

雨型特征判斷采用常用的模糊識別法，將12 h暴雨雨型劃分為單峰型、均勻型(Ⅳ型)和雙峰型，其中單峰型又分為前單峰(Ⅰ型)、后單峰(Ⅱ型)和中單峰(Ⅲ型)，雙峰型分為前后相等的雙峰(Ⅴ型)、前后不等的雙峰(Ⅵ型)和中后雙峰(Ⅶ型)。各站雨型統計結果見表5(受原始數據限制，江寧鎮站未統計雨型)。南京地區歷時12h暴雨雨型以單峰為主，占67.86%；雙峰型次之，占20.65%；均勻型最少，只占11.48%。7種雨型中，出現頻數排在前3位的雨型分別為Ⅲ型、Ⅱ型和Ⅰ型，均為單峰型暴雨。在單峰雨型中，雨峰在后部所占的比例最大，約占單峰雨型總數的38%，其次是前單峰和中單峰。在雙峰雨型中，雨峰在前后兩頭的所占比例最大，約占雙峰雨型的46%，雨峰在中間的最少。同時，對比各雨量站的單峰型暴雨可以發現，位于南京地區北部的南京站、六合站的Ⅰ型暴雨明顯多于Ⅲ型暴雨，而位于南京地區南部的東山站、高淳站和天生橋閘站的Ⅲ型暴雨明顯多于Ⅰ型暴雨。單峰型暴雨雨量集中，特別是雨峰在后部的暴雨，對區域除澇和城市排水的影響更大，容易引起農田受淹和城市大面積積水。

表5 各雨量站12 h暴雨雨型

3 結 論

a. 南京地區暴雨時空分布不均性顯著。暴雨主要集中在6～8月，其中7月暴雨最多。市區年暴雨量和暴雨次數明顯多于郊區。

b. 南京地區不同歷時年最大降雨量總體呈現增加趨勢，且主城區增加趨勢最為顯著，其中最大3 h、6 h和12 h雨量通過了置信度90%的M-K顯著性檢驗，最大1 h、24 h雨量通過了置信度95%的M-K顯著性檢驗；主城區的多年平均值明顯高于其他區域。

c. 南京地區以弱暴雨、一般暴雨為主，但易引起內澇的短歷時、高強度暴雨頻次呈現增加趨勢，且主城區比其他行政區的增加趨勢更顯著，面臨的內澇風險更大。

d. 南京主城區的弱暴雨、中暴雨、強暴雨分別具有14年、8年和3年的豐枯變化周期；特短暴雨、短暴雨和一般暴雨均具有3年左右的豐枯變化周期；主城區總暴雨次數同樣也具有3年的豐枯變化周期。

e. 南京地區歷時12h暴雨以容易引起內澇的單峰型雨型為主，其中單峰型中Ⅲ型(中單峰)暴雨最多。從空間分布看，南京北部Ⅰ型(前單峰)暴雨偏多，而南部Ⅲ型(中單峰)暴雨偏多。