1980～2018年龍泉驛區降水的多尺度特征

吳亞澤 ,肖天貴 ,高楷祥

（1.成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225；2.成都市雙流區氣象局，成都 610200）

引言

近幾十年來，在全球氣候變暖背景下，自然災害中旱澇災害對我國每年經濟造成的損失占據了很大比重[1]。成都市作為四川省的省會城市，近年來大力實施城市“東進”，跨越龍泉山發展，城市空間格局由原來的“兩山夾一城”轉變為“一山連兩翼”[2]。龍泉驛區作為國家級經濟技術開發區（簡稱經開區），2000年2月由國務院通過并批準龍泉驛區成為成都市現代化城市副中心，在區域經濟社會發展中具有重要的地位。

龍泉驛區位于成都市東部龍泉山脈中段，面積556.98km2，屬于亞熱帶濕潤氣候區，氣溫平和，冬無嚴寒，夏無酷暑。春季降水最少，倒春寒現象居多；夏季降水最多，是洪澇災害的多發時節；秋季涼爽多雨；冬季多霧少雪，日照相對其他季節較少[3]。2008年汶川地震發生之后，四川盆地及成都市周邊山脈地質活動日漸頻繁，滑坡、泥石流等地質災害頻發。國務院災難評估報告指出：伴隨汶川大地震同時產生了大約15000例滑坡、泥石流等地質災害，這些地質災害所產生的損失大約占整個地震損失的33%。龍泉驛區處于龍門山地質斷裂帶附近所構成的特殊地理位置，加之強降水天氣多發，容易出現地質災害，其對自然災害的影響非常敏感[4]。因此，研究龍泉驛區的降水特征和集中性具有十分重要的科學意義和應用價值[5]。

已有很多學者開展了四川盆地的氣候變化特征研究。高藺云等[6]、孫昭萱等[7]、羅玉等[8]分析發現，四川盆地降水主要集中在夏季，占比全年降水的53.3%，盆地內大多數地區降水呈下降趨勢。陳鵬等[9]等、楊福安等[10]研究表明，四川盆地夏季氣溫和降水均具有明顯的準3a和準10a周期振蕩特征。陳超等[11]和趙靜等[12]對四川盆地近五十年的氣候研究表明，盆地內降水量年際振蕩較大，20世紀60年代和80年代降水量偏多，其余年代降水偏少，且1990年之后降水顯著減少。總的說來，現有工作以四川盆地為主，專門針對龍泉驛區降水的研究并不多見。本文針對這一薄弱環節，擬利用國家氣象站和自動氣象站觀測資料，分析龍泉驛區降水的時空變化規律、降水強度和集中性特征，以期為全面認識氣候變化事實和科學制定防災減災決策提供科技支撐。

1 資料與方法

研究資料包括：成都市龍泉驛區國家觀測站的降水資料，時間長度1980～2018年；2009年后逐步建立的17個區域自動氣象站30min降水資料。研究方法包括趨勢分析、Morlet小波分析[13]以及Mann-Kendall突變檢驗[14?16]等常規統計方法。

2 年降水變化的多尺度特征

滑坡、泥石流等重大地質災害的發生通常與強降水關系密切，而降水的發生受多種因素，其時空演變規律極其復雜，揭示降水的多尺度時間變化特征，對提升天氣預報和災害預警水平具有重大意義。

2.1 年降水量變化的多尺度特征

圖1是1980～2018年龍泉驛區年降水量年際變化。由圖可知，近39a，龍泉驛區年降水量總體呈下降趨勢，其降水傾向率為?43.2mm/10a；年降水量還表現出顯著的年際差異和波動變化特征，年降水量最大的2018年（1326.9mm）與年降水量最小的2006年（503.1mm）降水差值為823.8mm，年際差值達1倍以上。近39年，年降水量較少的年份有：1983、1986、1989、1993、1996、2006、2013、2017年共8年，年降水量較多的年份有1981、1984、1988、1990、2001、2008、2013、2018年共8年。5年滑動平均曲線表明，1982～1995年龍泉驛區年降水量呈下降趨勢，2003年之后年降水量呈增加趨勢。2008、2009、2013和2018年的年降水量超過1000mm，分別為1043.6mm、1033.5mm、1019.4mm、1326.9mm。在10a時間尺度上，龍泉驛區1980～1989年、1990～1999年、2000～2009年、2010～2018年的平均降水量分別為974.49mm、879.09mm、840.52mm、852.93mm，降水傾向率為?40.52mm/10a。

圖1 1980～2018年龍泉驛區年降水量年際變化

圖2 1980～2018年龍泉驛區年降水量的小波變換系數（a）和方差（b）

圖2是1980～2018年龍泉驛區年降水量的小波分析結果。如圖所示，龍泉驛區年降水量在多個時間尺度上呈現出不同的周期振蕩特征，以準3a和準9a周期為主。在7～11a時間尺度上，1980～1984年、1989～1994年、1998～2003年、2007～2010年為降水偏多期，1985～1988、1995～1997、2004～2006、2010～2012年為降水偏少期，降水量的年代際特征明顯。在5a以內的時間尺度上，龍泉驛區年降水量也表現出豐沛期和稀少期交替出現的特征，20世紀90年代中期之前的降水量變化周期主要為2～3a，之后則以3～4a的振蕩周期為主。2007～2010年，龍泉驛區年降水量存在準3a和準9a的周期振蕩疊加，這一時段更容易出現引發災害的強降水事件。

圖3是1980～2018年龍泉驛區年降水量的M-K突變檢驗結果。從UF曲線變化特征看，1980年開始，龍泉驛區年降水量存在一個短暫的上升過程；1983年開始下降，1986年之后UF值始終<0，說明龍泉驛區年降水量存在明顯的減少過程，1997年這種減少趨勢通過了0.05水平的顯著性檢驗；在2003～2008年和2015～2018年，UF曲線又超過了0.05水平的信度檢驗線，表明龍泉驛區年降水量呈顯著的減少趨勢。根據UF和UB曲線交點的位置，可以看出，突變點存在于1989～1992年，但未通過0.05水平的顯著性檢驗，說明龍泉驛區年降水量的年代際變化特征并不顯著。

圖3 1980～2018年龍泉驛區降水量M-K突變檢驗結果（UF：實線，UB：虛線）

2.2 年降水日數變化的多尺度特征

降水日數能在一定程度上反映出降水強度的變化。圖4給出了1980～2018年龍泉驛區年降水日數的小波分析結果。如圖所示，近39a龍泉驛區年降水日數存在明顯的4a、7～8a和準12a振蕩周期；1995年之前，存在完整的7a周期振蕩，之后以8a周期振蕩為主；1980～2018年存在準12a振蕩周期。結合圖2a和圖4a可知，2018年之后龍泉驛區很可能處于降水日數偏多且降水量偏大的時段。因此，近年來應該密切關注龍泉驛區降水情況，加強防范地質災害。

圖4 1980～2018年龍泉驛區年降水日數的小波系數（a）和方差（b）

圖5是1980～2018年龍泉驛區年降水日數M-K突變檢驗結果。從UF曲線可知，1991年之前降水日數呈增加趨勢，之后UF曲線均在0值以下，降水日數呈下降趨勢，均未通過0.05水平的顯著性檢驗，表明龍泉驛區年降水日數的變化趨勢并不十分顯著。另外，UF和UB曲線交點較多，突變情況繁復，但均未通過0.05水平的顯著性檢驗，說明龍泉驛區年降水日數的年代際變化特征并不顯著。

圖5 1980～2018年龍泉驛區年降水日數M-K突變檢驗結果(UF：實線，UB：虛線)

3 季節降水的多尺度特征

一般而言，由于降水引起的地質災害活動主要是發生在降水相對集中的某些特定時段，這些特定時段可能是季節或者月份。因此，針對不同季節的降水變化規律開展研究，對于加強地質災害的防范預警意義重大。

圖6是1980～2018年龍泉驛區春季和夏季降水量的年際變化。如圖6a所示，龍泉驛區春季降水傾向率為?0.63mm/10a，呈弱減少趨勢。在20世紀80年代，春季降水變化相對平緩，降水量波動在135.1～208.9mm之間，年際差異達73.8mm，標準差為22.7mm；在20世紀90年代及之后，1997年春季降水量達283.6mm，而1995年僅有73.0mm，年際差異達210.6mm，標準差為51.1mm；21世紀以來，春季降水量表現為先增加再減少的特征，21世紀10年代呈緩慢下降趨勢。結合對應的小波分析（圖7）可以看出，近39a龍泉驛區春季降水存在明顯的周期性變化過程，振蕩周期約為7a，伴有5個少雨期和6個多雨期，2000年之后出現的準3a振蕩是次要周期。

如圖6b所示，龍泉驛區夏季降水變化特征與年降水量類似，總體呈現下降的趨勢，其傾向率為?37.6mm/10a，1984年和2018年夏季降水量最多，分別為1018.1mm和996.4mm，2006年最少為247.0mm，降水量年際差異達771.1mm，標準差為154.8mm。從五年滑動平均曲線看，1980～1994年夏季降水量相對充沛，位于趨勢線之上；1994～2010年降水相對較少，處于趨勢線以下；2010年之后，降水呈增多趨勢。結合對應的小波分析（圖8）可以看出，龍泉驛區夏季降水存在顯著的準9a周期振蕩，4個少雨期和4個多雨期交替出現，準3a的振蕩次周期不太明顯。近年來夏季降水量呈顯著增加趨勢，且多以大雨、暴雨等短時強降水居多，對誘發地質災害有著重要影響，因此對于夏季發生的強降水事件應該加強預警。

圖6 1980～2018年龍泉驛區春季（a）、夏季（b）降水量年際變化

圖7 1980～2018年龍泉驛區春季降水量的小波系數（a）和方差（b）

圖8 1980～2018年龍泉驛區夏季降水量的小波系數（a）和方差（b）

圖9a是1980～2018年龍泉驛區秋季降水的年際變化。與春、夏兩季降水變化趨勢不同的是，秋季降水總體呈緩慢增加的趨勢，其傾向率為2.86mm/10a，秋季降水量最多（383.7mm）與最少（60.3mm）之間差異達323.4mm，尤其是20世紀90年代及之后，秋季降水的波動更加顯著，降水標準差為94.2mm，比20世紀80年代的標準差（51.1mm）高出43.1mm。結合對應的小波分析（圖10）可以看出，龍泉驛區秋季降水存在明顯的周期性變化特征，其振蕩周期為7～8a。

圖9b是1980～2018年龍泉驛區冬季降水的年際變化。冬季降水在全年中最少，平均降水量僅有30.72mm，趨勢平緩，年際變化不大，其最大降水量（62.4mm）與最小降水量（8.00mm）的差異表明冬季產生大到暴雨的概率很低，結合對應的小波分析（圖11）可以看出，龍泉驛區冬季降水存在顯著的準10a振蕩周期，準5a的次周期在2000年之后才逐漸顯現。

圖9 1980～2018年龍泉驛區秋季（a）、冬季（b）降水量年際變化（單位mm）

圖10 1980～2018年龍泉驛區秋季降水量的小波系數（a）和方差（b）

圖11 1980～2018年龍泉驛區冬季降水量的小波系數（a）和方差（b）

總的來說，對于龍泉驛區降水誘發地質災害的預報預警，主要需關注春、夏、秋三季的大雨、暴雨天氣，尤其是夏季的強降水預報。2005年之后，由于春、夏、秋季降水呈增加趨勢，加之降水量波動較大，降水誘發地質災害發生的可能性也有所增大，需重點加強春、夏、秋季節的降水預報預警，尤其是夏季的強降水預報。

4 月降水量變化特征

圖12是1980～2018年平均龍泉驛區降水逐月變化。1～4月，降水量均小于50mm；5～8月，降水量急劇增長；7月、8月降水量分別為215.4mm、201.4mm，9月降水量迅速減少至122.0mm，之后3個月降水量均低于50mm。可見，降水量高于200mm的7、8月為龍泉驛區主要降水時間段，降水量為100～150mm的6月和9月為次要降水時間段，降水量為50～100mm的5月為過渡降水時間段，其余月份為降水偏少時段。全年只有5～9月能產生暴雨及以上強降水，這就是統計意義上降水誘發滑坡、泥石流等地質災害的主要時段，應把7、8兩個月作為地質災害的重點防御時段。

圖12 1980-2018年平均龍泉驛區降水量的逐月變化

圖13給出了1980～2018年龍泉驛區7月和8月降水的年際變化。可以看出，7月降水量減少趨勢不明顯，8月降水量呈明顯減少趨勢，二者年際波動均較為顯著。7月最大降水量（673.4mm，2018年）與最小降水量（52.5mm，2015年）之間年際差異可達620.9mm，而8月最大降水量（402.1mm，2001年）與最小降水量（56.9mm，2011年）之間年際差異為345.2mm，表明7月降水的年際波動比8月更大。從年代際變化特征看，7月和8月降水量年代際變化趨勢基本相反。20世紀80年代初期和2010年代中后期的7月降水相對偏多，其余時段的7月降水相對偏少；8月降水最少的時間段同樣位于20世紀80年代初期和2010年代中后期，其余時間段的8月降水相對偏多；7月和8月降水的年代際變化趨勢相反。

圖13 1980～2018年龍泉驛區7月（a）和8月（b）降水量的年際變化

5～9月是傳統意義上的汛期，一般易發暴雨天氣。圖14表明，1980～2018年龍泉驛區汛期降水平均值為744.3mm，汛期降水量總體呈顯著下降趨勢，傾向率為?4.3mm/10a。從汛期降水的年代際變化看，1980～1989年、1990～1999年、000～2009年和2010～2018年四個時段的平均汛期降水量分別為838.59mm，716.26mm，684.93mm和649.15mm，即減少率為?76.2mm/10a，可見10年時間尺度上汛期降水減少顯著。1983、1986、1989、1993、1997、2006、2017年為汛期降水偏少年，1981、1984、1988、1990、2001、2008、2013、2018年為汛期降水偏多年，其降水量最大值（1200.6mm）與最小值（374.8mm）差異可達825.8mm，年際變化十分顯著。

圖14 1980～2018年龍泉驛區汛期降水量的年際變化

5 旬日降水集中性特征

5.1 旬降水集中性特征

圖15是1980～2018年平均龍泉驛區降水量的逐旬變化。如圖所示，旬降水量變化特征遵循準正態分布規律。1～12旬（1～4月）和28-36旬（10～12月）旬降水量偏少（低于20mm），僅可能出現中雨，降水誘發地質災害是小概率事件；旬降水量雙峰結構特征明顯，即第21旬（7月下旬）和23旬（8月中旬）降水量分別為87.6mm和86.3mm；第18旬（57.8mm）和第25旬（55.8mm）降水量也分別超過了第19旬(53.5mm)和第24旬(55.5mm)，顯示出降次雙峰結構特征；旬降水量迅速增加的階段發生在第12旬（19.4mm）至第18旬（57.8mm）之間，第24旬后降水量迅速減少，第28旬降水量已低至17.3mm；第12～18旬和25～28旬降水量變化為20～50mm，旬內仍有出現大到暴雨的可能性，即龍泉驛區在汛期初期和后期均存在著降水誘發地質災害的可能性；第18旬～25旬（6月下旬～9月上旬）平均降水量超過了50mm，其中第20～23旬（7月中旬?8月中旬）降水量超過了60mm，均為龍泉驛區大雨、暴雨發生概率較大的時期，需特別加強降水誘發地質災害的預報預警。

圖15 1980～2018年平均龍泉驛區降水量的逐旬變化

5.2 日降水集中性特征

圖16是1980～2018年平均龍泉驛區降水量的逐日變化。如圖所示，日降水量變化整體呈準正態分布特征；1～7月，日降水量呈上升趨勢，8～12月呈下降趨勢；降水量較小值出現在一年中的1～5月和9～12月，即非汛期日降水量都較小；汛期日降水量在7月與8月最為豐盈，最大值出現在第231天，對應8月19日，日降水量為16.04mm。可見，汛期持續降水極有可能逼近龍泉驛區山地受降水沖刷所能承受的極限，從而誘發滑坡、泥石流等地質災害。因此，加強汛期龍泉驛區災害隱患點的降水預警預報是防災減災的重點。

圖16 1980～2018年平均龍泉驛區降水量的逐日變化

6 結論

本文利用國家氣象站和自動氣象站觀測資料，分析1980～2018年龍泉驛區降水的時空變化規律、降水強度和集中性特征，得到的主要結論如下：

（1）龍泉驛區年降水量整體呈現明顯的下降趨勢，且年際差異顯著，具有明顯的準4a周期振蕩特征。20世紀80年代～90年代末期年降水量出現緩慢下降趨勢，2005年開始，又表現為增多的趨勢，且2018年后仍處于增加的趨勢，未來對于龍泉驛區降水的預報預警變得日益重要。

（2）龍泉驛區年降水量及降水日數表現出較明顯的多尺度變化特征，降水量存在明顯的準3a和準9a周期振蕩特征，準9a周期最為顯著。降水日數存在明顯的準4a，7～8a和12a周期變化，以7～8a周期最為顯著。降水量趨勢變化顯示在2018年后將處于新的豐水期，而降水日數也呈增加趨勢。

（3）龍泉驛區降水具有明顯的季節性特征。春季降水減少趨勢非常緩慢；夏季降水整體減少趨勢顯著，以大到暴雨等短時強降水居多；秋季降水與春、夏季不同，呈緩慢的增加趨勢，傾向率2.86mm/10a，且年際變化顯著；冬季降水變化趨勢平穩，年際變化不大。

（4）龍泉驛區的主要降水月份為7、8月，二者平均月降水量均可達200mm以上，其月降水量的年代際變化表現出7、8月交替出現峰值的“蹺蹺板”現象，即降水量7月多（少）則8月少（多）。龍泉驛區7、8月降水的預報預警相較于其他時間更為重要。

（5）龍泉驛區旬降水量具有明顯的準正態分布特征。龍泉驛區在汛期6月下旬～9月上旬發生大雨、暴雨概率較大，旬內降水量最集中時段為7月下旬與8月中旬，次集中時段為6月下旬～7月上旬和8月下旬～9月上旬。龍泉驛區日降水量也呈準正態分布特征，較大值出現在汛期，非汛期日降水量較少，不容易引發地質災害。