南昌市城市化進程對極端降水的影響

萬一帆，劉衛林，劉麗娜，朱圣男，黃一鵬

(南昌工程學院江西省水文水資源與水環境重點實驗室，江西 南昌 330099)

0 引 言

極端降水是造成洪澇災害的重要原因之一，往往導致重大經濟損失和人員傷亡[1]。造成極端降雨的原因有內、外因，而城市化是較為顯著的外部原因之一，這引起了國內外學者的廣泛關注[2]。在氣候變暖及城市化加速發展的背景下，我國極端天氣頻發，呈現出增多、增強的趨勢。多年來，國內外學者對各地極端降水事件進行了大量的研究[3- 8]。現有研究主要集中在城市化對大中城市的降雨時空分布影響研究，而對南昌市的研究較少。特別是，以往對南昌降水的影響研究主要集中在南昌年降雨量、降雨頻率及降雨日數等降雨特征的影響，對極端降水的影響研究相對不足。因此，本文選取統計年鑒中的社會經濟資料將南昌發展劃分為城市化高速發展前后兩個階段，并選取南昌市1960年～2005年的降雨數據以安義站為對比分析站分析城市化對南昌市極端降雨的影響，計算城市化對極端降水的貢獻率等。結合前者的研究成果可為南昌市的發展規劃提供指導和預警作用。

1 數據及研究方法

1.1 數據

采用南昌、安義兩站1960年～2005年的連續逐日降水觀測資料以及城鎮人口、產業結構等社會經濟資料。其中，社會經濟資料來源于《南昌市統計年鑒》。

南昌站位于東經115°52′48.2″，北緯28°41′38.4″，緊鄰贛江中大道，屬于城市化程度較高的地區。安義站位于東經115°32′27.1″，北緯28°50′25.9″，近鄰安義縣碼頭村北潦河，農田區域較多，基本屬于農村地區。兩站屬同一個氣象分區，地形相似，因此以南昌站、安義站分別作為城市、鄉村代表雨量站來分析城市化對南昌市降雨特征的影響情況。

1.2 研究方法

本文首先基于《南昌市統計年鑒》的相關資料，從三大產業結構占比及南昌市人口結構占比來分析得出城市化加速發展的突變年。選取極端降水指標，通過增雨系數[5]對南昌城市化前后不同量級的降雨量進行對比；以城市化前后降雨量的比值來分析不同強度降雨日數的變化；同時使用小波變換[9]分析來探究降雨的周期性變化，從而得出城市化對降雨的影響；最后使用廖鏡彪[8]等、王麗娟[10]提出的城市化對降雨貢獻率的計算方法求出城市化對南昌市降雨的貢獻。

(1)極端降水指標。極端降水事件可以定義為降水序列中超過極端降水時間閾值的降水事件，其中極端降水閾值可以通過絕對閾值法(如在我國24 h降雨量在50 mm以上為暴雨)和相對閾值法(如降水序列中超過一定百分位的降水量)確定[11]，本文采用世界氣象組織推薦的極端氣候指標中的10個極端降水指標(見表1)，對南昌市的極端降水進行分析。

表1 降雨指標閾值

(2)增雨系數。以增雨系數K增=P市/P郊來表達城市化對降雨量的影響[12]，將多年降雨數據以1995年為界劃分為城市化前及城市化后兩個階段，計算雨日降雨量、極端降雨量等降雨指標的增雨系數，比較城市化對降雨量的影響。

(3)小波變換。小波函數是指具有周期震蕩性、能夠迅速衰減到零的一類函數，即ψ(t)∈L2(R)一般滿足[7]

(1)

式中，ψ(t)為基小波函數，它可通過尺度的伸縮和時間軸上的平移變換構成一簇函數系。即

(2)

式中，ψa，b(t)為子小波；a為伸縮尺度因子，反映小波的周期長度；b為平移因子，反應時間上的平移。

若ψa，b(t)是由公式(4)給出的基小波函數，那么對于給定的能量有限信號f(t)∈L2(R)，其連續小波變換為

(3)

(4)

(4)貢獻率計算。本文采用廖鏡彪、王麗娟等人對城市化貢獻的計算方法進行貢獻值及貢獻率的計算[3]。選取南昌站、安義站降雨量相差較小的1960年作為基準年，并取當年兩站降雨量的平均值為基準值，其他年份降雨相對于1960年的變化值為ΔP，區域背景對于1960年的降雨量變化值為ΔP1，城市化對南昌市降雨量影響值為ΔP2，因南昌市降雨是通過區域背景和城市化共同作用的，則ΔP2=ΔP-ΔP1[10]。歷年ΔP通過南昌站1960年～2005年的年降雨量計算得到，區域背景變化ΔP1通過安義站的年降雨量計算得到。同時城市對降雨的貢獻率可用1995年前后城市化對南昌降雨影響值的總和∑ΔP2/ΔP得到。

2 結果分析

2.1 南昌市城市化進程

選取南昌市三大產業結構的多年變化，同時結合人口數據對南昌市城市化進程進行分析。自1978年到2017年南昌市第一產業占比由21.8%到3.8%呈現逐年降低的趨勢，降低幅度可達18個百分點；第二產業長期占據主導地位，比重從49.2%到52.2%呈小幅度增長，并在1990年出現驟降現象，同期第三產業出現驟增現象，直至2000年左右增長才趨于穩定；第三產業比重從38.4%到44%呈增長趨勢，隨后逐漸趨于穩定。由此說明，在城市化進程中南昌市三大產業結構發生了重大變化，以農業為主的第一產業的占比降低及第三產業的占比提升在一定程度上加速了城市化進程。

根據南昌統計年鑒已有人口數據，繪制人口占比結構圖(圖略)。自20世紀60年代起截至2009年南昌市總人口呈穩定上升趨勢。其中，農業人口由126.18萬人上升至263.21萬人，平均每年增長2.85萬人；非農人口由67.59萬人上升至234.13萬人，平均每年增長3.47萬人；從增長速度來看，南昌市非農業人口年均增長約為農業人口的1.22倍；從人口占比來看，南昌市非農人口占比持續增長，由35%上升到47%。此外南昌市城鎮人口由72.19萬人上升至391.29萬人，平均每年增長6.65萬人；農村人口由121.58萬人下降至106.04萬人，平均每年減少0.32萬人。由此可見在人口總體呈上升趨勢的前提下，南昌存在大批量人口自農村向城市轉移。自1962年起轉移人數逐漸增加，且在1995年后出現驟增現象，當年城鎮人口自221.92萬人上升至264.6萬人，年增長人數是多年平均增長人數的6.42倍，城鎮人口占比從17%上升至28%，2000年以后增長逐漸趨于平緩。

從以上兩個方面來看，自建國以來南昌市城市化發展快速、進程明顯，尤其是1990年～2000年期間，城市化規模迅速擴大。因此本文以1995年為南昌市城市化發展的時間突變點，研究城市化進程前后南昌市降雨指標的變化，以此來分析城市化對南昌市降雨特征的影響作用，推求城市化對降雨的貢獻。

2.2 極端降雨影響分析

2.2.1降雨量的影響分析

1995年城市化進程加快以后，南昌市城區雨日降雨量、極端降雨量、非常極端降雨量、1日最大降雨量及5日最大降雨量存在不同程度的增減。其中，雨日降雨量及非常極端降雨的增雨系數有所增加，增雨系數分別增加0.01和0.03，相應增量為15.7mm和4.7mm；極端降水量、1日最大降水量及5日最大降水量均沒有增加，相反存在小幅度減小，增雨系數分別減小0.09、0.03和0.07，相應減少量為38.7、2.5mm和14.2mm。通過以上分析，說明城市化發展對南昌降雨量影響較小。

2.2.2降雨日數的影響分析

將南昌站、安義站1960年～2005年降雨量按照不同雨量級進行劃分，對比城市化前后不同降雨強度天數的變化。統計分析表明，自1995年后南昌R10mm和R25mm平均降雨天數相對城市化其有所增加，比值增量分別為0.01和0.02；R50mm、極端降水和非常極端降水日數相對減少，比值減少量分別為0.17、0.12和0.11。通過以上分析可認為南昌市城市化進程對雨量較小的R10 mm和R25 mm降雨天數具有小幅正向影響，對雨量稍大的R50 mm、極端降水日數及非常極端降水日數有小的負向影響。而在降雨量變化分析中已得到城市化使得非常降雨量有所增加，但同時降雨天數又相反有所減小；因此，認為城市化降雨加大了非常降雨的單次降雨量。

2.2.3降雨周期分析

2.2.3.1 降雨量的周期分析

南昌市降雨量變化存在多個時間尺度的周期性變化。其中，雨日降水量以28年以上年代大尺度的周期變化最為明顯，此外還存在2個相對較小尺度周期分別為18～22年尺度及4～6年尺度。在28年時間尺度上存在3個偏多期和3個偏少期，即1962年以前的偏多期、1962年～1970年的偏少期、1970年～1980年的偏多期、1980年～1990年的偏少期、1990年～2000年的偏多期以及2000年以后的偏少期，在此時段上的周期變化較為穩定，有全時域性；18～22年時間尺度上約以10年左右的周期交替震蕩，存在3個偏多期和4個偏少期；4～6年時間尺度在1960年至1985年間具有較為明顯的周期，1985年以后10年周期不明顯，此后又開始增強。

極端降水量以29年以上年代大尺度的周期變化最為明顯，此外還存在2個小尺度周期分別為18～21年和8～11年。在29年時間尺度上存在3個偏多期和3個偏少期。即：1963年以前的偏多期，1963年～1972年的偏少期、1972年～1982年的偏多期、1982年～1993年的偏少期、1993年～2002年的偏多期及2002年以后的偏少期，在此時段上的周期變化較為穩定；18～21年時間尺度上約以10年左右的周期交替出現，存在4個偏多期和4個偏少期；8～11年時間尺度上約以3年為周期出現6個偏多期和7個偏少期。

非常極端降水量以25年以上年代大尺度的周期變化最為明顯，其次在14～16年和尺度3～5年尺度上也存在較為明顯的變化。在25年時間尺度上存在2個偏多期和3個偏少期，即1960年～1970年的偏少期、1970年～1980年的偏多期、1980年～1990年的偏少期、1990年～2000年的偏多期及2000年以后的偏多期，在此時段上的周期變化較為穩定；14～16年時間尺度上約以6年為周期出現5個偏多期和5個偏少期；3～5年尺度上的周期變化在1980年以前較為明顯，大約以2年為周期交替出現。

5日最大降水量以28年以上年代尺度的周期變化最為明顯，此外在15～17年和7～9年時間尺度上存在較為明顯的周期變化。在28年時間尺度上存在3個偏多期和3個偏少期，即1961年以前的偏多期、1961年～1970年的偏少期、1970年～1978年的偏多期、1978年～1988年的偏少期、1988年～1998年的偏多期及1998年以后的偏少期，在此時段上的周期變化較為穩定；15～17年時間尺度上約以8年為周期存在5個偏多期和5個偏少期；7～9年時間尺度在1960年～1980年具有較明顯的周期，80年以后的10年周期不明顯，此后又開始增強。

一日最大降水量在28年以上、13～16年尺度上具有明顯的周期變化，在7～9年尺度上具有較為明顯的周期變化。在28年時間尺度上存在3個偏多期和3個偏少期，即1962年以前的偏多期、1962年～1967年的偏少期、1967年～1977年的偏多期、1977年～1987年的偏少期、1987年～1997年的偏多期及1997年以后的偏少期；13～16年尺度上約以10年為周期存在5個偏多期和5個偏少期；7～9年尺度上約以4年為周期出現10個偏多期和9個偏少期，周期變化不明顯。

通過對極端降水量指標的周期性分析可知，南昌市降雨周期受大尺度和小尺度的共同影響，且年代變化較為明顯。各指標28年以上尺度的周期變化最為顯著，且由28年尺度發現2005年處于降雨偏少期的末期，等值線均未閉合，說明2005年后短期會出現雨量減少的趨勢。

2.2.3.2 降雨日數的周期分析

南昌市不同強度降水日數存在不同尺度的周期變化。其中，極端降水日數在25年以上尺度的周期變化最為明顯，此外在15～18年和8～11年尺度上存在較為明顯的周期變化。在25年時間尺度上存在3個偏多期和3個偏少期，即為1962年以前的偏多期、1962年～1972年的偏少期、1972年～1982年的偏多期、1982年～1992年的偏少期、1992年～2002年的偏多期及2002年以后的偏少期；在15～18年尺度上以10年左右的周期交替出現4個偏多期和4個偏少期；在8～11年時間尺度上以5年為周期呈現6個偏多期和7個偏少期。極端降水日數在以上3個尺度上均有較為明顯的震蕩周期且周期變化較為穩定。

非常極端降雨日數在28年以上尺度的周期變化最為明顯，其次是19～24年及4～6年尺度上較為明顯。在28年以上時間尺度上，非常極端降雨日數存在2個偏多期和2個偏少期，即1960年～1970年的偏少期、1970年～1980年的偏多期、1980年～1990年的偏少期1990年～2000年的偏多期及2000年以后的偏少期，在此時段上的周期變化較為穩定；在19～24年尺度上以8年左右為周期出現了3個偏多期和4個偏少期；在4～6年尺度上偏多偏少交替較為頻繁，出現13個偏多期和12個偏少期。

中雨降雨日數在28年以上尺度的周期變化最為明顯；此外在14～16年變化較為明顯，其他尺度上周期變化明顯程度較弱。在28年以上尺度上存在3個偏多、偏少期，即1962年以前的偏多期、1962年～1972年的偏少期、1972年～1982年的偏多期、1982年～1990年的偏少期、1990年～1998年的偏多期及1998年以后的偏少期，在此時間尺度上周期變化穩定；在14～16年尺度上以8年左右為周期出現5個偏多期和5個偏少期，周期變化較為穩定。

大雨降雨日數在28年以上尺度的周期變化最為明顯，此外還存在22～24年、7～9年2個周期較為明顯的時間尺度。在28年以上的尺度上存在3個偏多期和3個偏少期，即1962年以前的偏多期、1962年～1972年的偏少期、1972年～1982年的偏多期、1982年～1992年的偏少期、1992年～1998年的偏多期及1998年以后的偏少期，在這個時間尺度上周期變化穩定；在22～24年時間尺度上，以15年左右為周期存在3個偏多期和3個半偏少期，周期變化較為明顯；在7～9年時間尺度上，偏多期和偏少期大約每3年交替出現，周期變化較年代大尺度要弱。

暴雨降雨日數在周期上存在3個變化同等明顯的時間尺度分別為年代大尺度25年以上、17～22年及9～14年。在25年以上的時間尺度上，存在3個偏多期和3個偏少期；在17～22年尺度上存在4個偏多期和4個偏少期；在9～14年尺度上存在6個偏多期和7個偏少期。在3個時間尺度上的周期變化均比較穩定，存在明顯的周期性。

2.3 城市化對降雨的貢獻

城市化的發展在不同程度上會對降雨造成一定的影響(見圖1)。從增雨和減雨的方面來看，自1960年來南昌市城市化對降雨有正向(增雨)或負向(減雨)的影響，其中1961年、1964年～1967年、1969年、1972年、1974年～1975年、1978年、1986年～1988年、1990年、1995年、1997年、2000年及2004年為負向影響，其他年份為正向影響。可見，1995年城市化高速發展前的影響不具明顯的規律性，1995年后城市化對降雨多為正向影響。此外，從與區域背景影響的一致性來看，1995年前城市化的影響與區域背景影響基本沒有規律性，時而同向，時而反向；而1995年后城市化的影響與區域背景的影響基本一致。從量上看，城市化的影響在多年降雨量中的占比較小。從城市化的貢獻率來看，1995年以前城市化的貢獻率為3.31%，城市化后的貢獻率為3.39%，相對城市化前提高了0.08%。分析認為，自城市化進程加快以后，南昌降雨受城市化的影響逐步趨于明顯，但影響雨量較小，整體還是以區域氣候的影響為主導。

圖1 南昌城市化對降雨的貢獻

3 結 論

近年來南昌市發展迅速，城市化程度加大，這對降雨等氣象因素產生了不同影響。本文首先選取南昌市統計年鑒的相關數據對其城市化進程進行了分析，確認城市化高速發展的突變點為1995年；其次以安義站為對比站，對南昌站1960年～2005年的降雨進行分析，研究城市化發展對降雨特征的影響并計算其對降雨的貢獻，得到以下結論：

(1)隨著城市化的加快，南昌市區的雨日降雨量、極端降雨量、非常極端降雨量、1日最大降雨量及5日最大降雨量受到不同程度的影響，其中雨日降雨量、非常極端降雨量有小幅度增加，增量為15.7 mm和4.7 mm，極端降水量、1日最大降水量及5日最大降水量分別減小38.7、2.5 mm和14.2 mm；降雨量總體受城市化影響較小。

(2)從降雨周期來看，南昌市降雨量在28年大尺度上存在明顯的偏多偏少期，自1960年起以10年左右的時間交替出現，具有全時域性；在13～18年及4～6年周期上周期性相對較弱，多集中在20世紀90年代中期以前。

(3)1995年后南昌市城區小量級降雨R10 mm、R25 mm的降雨天數相對1995年以前有輕微增加，增加比值為0.01和0.02；而R50 mm、極端降雨日數、非常極端降雨日數有所降低，降低比值為0.17、0.12及0.11。

(4)自1960年起至2005年，南昌市城市化發展對降雨量的增減影響有正有負，1995年前的影響不具有明顯的規律性，其后多為正向影響；1995年前城市化的影響與區域背景的影響方向一致性不具有規律性，而后則與區域背景的影響基本一致；而城市化對降雨的貢獻率自3.31%到3.39%，提高了0.08%；南昌市降雨受城市化影響趨勢逐漸明顯，但整體還是以氣候影響為主導。