上杭縣1961—2019年降水變化及重現期分析

李國景 鄧麗萍

(福建省龍巖市氣象局，福建 龍巖 364000)

全球氣候變化問題是各國政府和社會公眾普遍關注的熱點問題之一，國內外對氣候變化及其對各行各業影響的研究正在不斷深入。目前，我國對各地降水的變化特征已進行了大量的研究。研究表明[1-6]，在全球氣候系統復雜變化背景下，我國氣候變化趨勢明顯，降水格局進行了重大調整，我國不少地區的年降水日數在明顯減少，總降水量變化趨勢不明顯，但極端降水強度在增強。鄭禮新等[7]分析指出，福建省年降水變化有增加趨勢，尤其以中南部沿海地區增加趨勢明顯，而年雨日大范圍表現為減少趨勢,而且小雨日減少明顯，暴雨及以上量級降水日數卻明顯增加。

上杭縣地處閩西的中心地帶，屬于中亞熱帶季風氣候。研究和分析上杭縣的降水變化特征，對于上杭縣防災減災，揭示上杭縣的氣候變化規律以及應對氣候變化的影響有重要意義。為科學有效地利用水資源，本文采用耿貝爾分布理論方法[8-10]對上杭縣1961—2019年最大日降水量及年降水量的重現期進行分析，以保障地方經濟可持續發展。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選用上杭縣1961—2019年地面觀測的逐月平均降水量、逐月不同量級(≥0.1mm、≥10.0 mm、≥25.0 mm、≥50.0 mm、≥100.0 mm)的降水日數、日最大降水量等資料進行統計分析。

1.2 分析方法

利用常規氣候統計方法，統計上杭縣1961—2019年降水特征并分析其演變趨勢。季節劃分：春季(3～6月)、夏季(7～9月)、秋季(10～11月)、冬季(12月～次年2月)。汛期：4～9月。降水等級劃分標準(r為24h降水量，單位：mm)：0.1≤r<10.0，小雨；10.0≤r<25.0，中雨；25.0≤r<50.0，大雨；50.0≤r<100.0，暴雨；100.0≤r<250.0，大暴雨。

應用耿貝爾極值Ⅰ型分布理論計算不同重現期的理論降水量。通過耿貝爾極值Ⅰ型分布推導出來的計算公式為：

式中,μ—分布的位置參數，α—分布的尺度函數。此二者為待定系數。

利用已有的數據序列x1，x2，...,xn計算參數μ、α值后，設定一個重現期R年，依以上公式可求出該站R年一遇的最大日降水量及年降水量。

2 降水量的變化特征

2.1 降水量的年變化

上杭縣1961—2019年的年平均降水量為1632.5mm，最高值在2016年，達2352.0mm，1975年出現次高值2176.6mm，最低值在1991年，僅為1053.9mm，1963年出現次低值(1208.5mm)，最高值與最低值相差1298.1mm。上杭縣近59年的年平均降水量歷年變化情況如圖1所示，20世紀60年代的降水量處于偏少時期，此后波動相對平穩，70年代～本世紀00年代的降水量比較均勻，本世紀10年代降水量增加較多，其中2015年和2016年的降水量均超過2000.0mm。

圖1 降水量歷年變化

上杭縣近59年各年代降水量及氣候傾向率的統計情況見表1，上杭縣年平均降水量的氣候傾向率為35.358mm/10a，呈現增多態勢。

表1 上杭縣1961—2019年各年代降水量(mm)及氣候傾向率(mm/10a)

2.2 降水量的汛期變化

上杭縣近59年汛期的年平均降水量為1194.7mm，占全年降水量73.18%，其中前汛期(4～6月)降水量為716.6mm，占全年降水量的43.90%，后汛期(7～9月)降水量為478.1mm，占全年降水量的29.28%。汛期降水量最高時達到全年降水量的89.74%(1973年)，最低時僅占全年降水量的51.98%(1998年)。汛期降水量的氣候傾向率為22.203mm/10a，呈現增多趨勢。

2.3 降水量的季節變化和月變化

1961—2019年上杭縣四季降水量占全年降水量的比率分別是：春季53.72%，夏季29.28%，秋季5.75%，冬季11.28%。四季降水量的氣候傾向率均是正值，夏季降水量增加的速率最大，秋季最小。

上杭縣月平均降水量的變化呈雙峰型分布，變化情況如圖2所示，最高峰值在6月，另一個較小波峰值在8月。6月降水量283.5mm，為全年最大值，次高值在5月，降水量為244.5mm；最低值在12月，降水量為40.2mm，次低值在11月，降水量為45.0mm。降水量最多的6月與降水量最少的12月相差243.3mm。

圖2 降水量的月變化

2.4 降水相對變率分析

降水相對變率反映一個地區降水量的可靠性或穩定程度，降水變率越大，表明降水越不穩定，引發旱澇災害頻率較高。計算降水相對變率的公式為：

表2 上杭縣1961—2019年降水相對變率

1961—2019年上杭縣年降水量的降水相對變率較小，僅為13.79%，表明上杭縣年降水量相對穩定。四季中降水相對變率最小的是春季，為18.03%，3～4月是福建春雨季節，5～6月是福建梅雨季節，此兩個時期的降水十分豐富，降水相對變率由此最小。夏季降水量也較多，多雷陣雨或臺風雨，降水相對變率為27.42%。冬季降水量少于夏季，降水相對變率為43.49%。秋季降水量最少，降水很不穩定，降水相對變率達到59.22%。

2.5 異常旱澇與嚴重旱澇年份

依照旱澇的規定標準，序列距平達到1.3倍標準差(1.3σ)的事件稱為異常事件, 距平達到2倍標準差(2σ)的事件稱為嚴重事件。1961—2019年上杭縣年降水量序列距平的標準差為272.3mm。在此59年期間，上杭縣存在異常旱澇或嚴重旱澇的年份共有11年，其中異常旱年有：1963年(4.4σ)、1967年(4.6σ)、2004年(4.7σ)；嚴重旱年有：1991年(3.9σ)；異常澇年有：1973年(7.6σ)、1975年(8.0σ)、1983年(7.8σ)、1997年(7.9σ)、2013年(7.3σ)、2015年(7.4σ)；嚴重澇年有：2016年(8.6σ)。

3 降水日數的變化特征

3.1 日降水量≥0.1mm降水日數的變化

上杭縣1961—2019年日降水量≥0.1mm的年平均降水日數為152.9d，最高值在1975年，達到199d，最低值在2003年，僅為114d，兩者相差85d，其歷年變化情況如圖3。上杭縣近59年的年平均降水日數及其氣候傾向率情況如表3，年平均降水日數的氣候傾向率為-2.136d/10a，呈減少的趨勢，日降水量≥10.0mm以上降水日數的氣候傾向率均為正值。小雨日數的年氣候傾向率為-3.057d/10a，中雨日數至大暴雨日數的年氣候傾向率同樣均呈正值。由此可知，近59年來，上杭縣年平均降水日數減少的主要原因是小雨日數在顯著減少，日降水量≥10.0mm以上的降水日數在增加，其中中雨日數增加最多，其次是暴雨日數。上杭縣近59年四季降水日數的變化均呈下降趨勢，具體數值見表4，冬季降水日數減少的速率最大，秋季最小。

圖3 日降水量≥0.1mm降水日數的歷年變化

表3 上杭縣1961—2019年降水日數(d)及氣候傾向率(d/10a)

表4 上杭縣1961—2019年日降水量≥0.1mm 降水日數的平均值及氣候傾向率

3.2 日降水量≥50.0mm暴雨日數的變化

上杭縣1961—2019年日降水量≥50.0mm的年平均暴雨日數為5.02d，其歷年變化情況如圖4。年降水量與暴雨日數之間有較好的相關性，年暴雨日數多，年降水量基本相應較多，兩者相關系數為0.626，呈正相關。暴雨日數基本集中在春季和夏季，汛期暴雨日數為4.2d，占全年暴雨日數的84.46%。上杭縣異常和嚴重澇年的年平均暴雨日數為6.1d，異常和嚴重旱年的年平均暴雨日數為2.5d，兩者相差3.6d。

圖4 日降水量≥50.0mm暴雨日數的歷年變化

上杭縣月平均暴雨日數的變化同樣呈雙峰型分布，如圖5所示，其變化情況與月平均降水量的變化相似。6月平均暴雨日數1.3d，是全年暴雨日數最多的月份，其次是5月，暴雨日數0.9d。1月和2月的暴雨日極少。

圖5 日降水量≥50.0暴雨日數的月變化

1961—2019年上杭縣日降水量≥100.0mm的年平均大暴雨日數為0.44d。在此59年，出現過年平均2d的大暴雨日共有6年，其中5次發生在2003—2013年之間，出現年平均1d的大暴雨日共有14年，有39年未出現大暴雨日。從月份變化看，大暴雨日只出現在3～9月，其它月份均未出現。8月平均大暴雨日數0.12d，為全年最高值，之后為6月、5月，4月和9月再次之，3月和7月的大暴雨日極少，近59年內均只出現1d。

3.3 2d或2d以上的連續性暴雨

上杭縣在1961—2019年共出現22次2d或2d以上的連續性暴雨，其中3d的連續性暴雨出現2次，分別在1993年8月28—30日和2013年5月19—21日，4d的連續性暴雨只有1次，出現在1964年6月13—16日，此4d的總降水量為323.1mm。2d或2d以上的連續性暴雨最早開始的月份是2018年1月7—8日，最遲結束的月份是1974年10月18—19日。11—12月、2月未出現2d或以上的連續性暴雨，1—5月、7月、9—10月均只出現1次，5月出現5次，6月出現4次，8月出現7次，此結果與上杭縣歷年降水量在5—6月、8月最多的情況基本相一致，尤其是后汛期的8月，2d或2d以上的連續性暴雨次數多，對該月降水量的貢獻比較明顯。

4 降水量的周期分析

小波分析方法能夠詳細而準確地揭示時間序列中瞬時頻率結構隨時間的變化，從中得出降水變化過程中的多層次演變規律[11]。如圖6所示，上杭縣近59年降水量序列主要存在時間尺度5年、7年、13年、18年、26年、32年左右等6個振蕩周期，其中13年左右的振蕩周期在59年內基本存在，周期振蕩比較均勻穩定，此周期在小波方差圖(如圖7)表現顯著。5年左右的高頻振蕩周期，出現在20世紀60年代后期～80年代中期及本世紀10年代。7年左右的高頻振蕩周期主要存在于20世紀60年代、90年代初期～21世紀10年代初期。18年左右的振蕩周期出現在20世紀60年代初期～90年代后期。26年左右的振蕩周期，存在于20世紀90年代中期～本世紀10年代初期。32年的低頻振蕩周期存在于20世紀60年代初期～80年代中期。

圖6 上杭縣1961—2019年降水量小波分析圖

圖7 上杭縣1961—2019年降水量小波方差圖

5 降水量的重現期分析

利用上杭縣近59年的最大日降水量及年降水量數據，應用耿貝爾分布理論公式，計算得出最大日降水量μ、α值分別為86.007、0.034，年降水量μ、α值分別為1504.474、0.004。設定重現期R=5、10、15、20、30、50、100、150和200年，計算上杭縣最大日降水量及年降水量的理論氣候值，其結果見表5。

表5 上杭縣不同重現期的最大日降水量及年降水量理論值

根據耿貝爾分布理論公式計算上杭縣1961—2019年極值降水量的重現期，得出的結果如表6所示，最大日降水量242.0mm(出現于1983年6月16日)及年降水量2352.0mm(出現于2016年)的重現期分別為209.7年、39.07年。上杭縣不同量級降水量估算的重現期與實際重現期的比較情況如表7所示，除了≥150.0mm降水量估算的重現期和實際重現期的數值相差2.34年之外，其它3類降水量估算的重現期和實際重現期都相差在1年以內，兩者數值上基本相近，誤差較小，因此，利用耿貝爾極值Ⅰ型分布理論進行上杭縣1961—2019年降水量的重現期分析具有可行性，能夠得到相對理想的計算結果。

表6 上杭縣1961—2019年最大日降水量及年降水量的重現期

表7 上杭縣1961—2019年降水量估算重現期與實際重現期比較

6 結論

近59年來，上杭縣年平均降水量呈現增加態勢，日降水量≥0.1mm的年平均降水日數在減少，其主要原因是小雨日數的顯著減少，日降水量≥10.0mm以上的降水日數在增加，中雨日數增加最多，其次是暴雨日數。

1961—2019年上杭縣共出現22次2d或2d以上的連續性暴雨，存在異常旱澇或嚴重旱澇的年份共有11年，降水序列存在時間尺度5年、7年、13年、18年、26年、32年左右等6個振蕩周期，時間尺度13年左右的周期振蕩比較均勻穩定。

利用耿貝爾極值Ⅰ型分布理論對上杭縣近59年降水量的重現期進行分析，可知其估算的重現期和實際重現期數值相差較小。通過計算不同重現期的理論降水量，得出上杭縣50年一遇的最大日降水量及年降水量分別是199.9mm和2409.9mm，100年一遇的分別是220.3mm和2572.0mm。