昆明市極端降水事件演變特征及城市效應(yīng)

王 輝，吳文俊，王 廣，趙珍麗，陳靜敏，嚴(yán)長安

(1.昆明市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，云南 昆明 650032； 2.昆明市滇池水生態(tài)管理中心，云南 昆明 650028；3.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)

在全球氣候變暖及人類活動(dòng)干擾的影響下，區(qū)域乃至全球水循環(huán)過程發(fā)生了明顯變化[1]，導(dǎo)致極端降水等氣象事件頻發(fā)，嚴(yán)重威脅區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè)。極端降水作為水循環(huán)和非點(diǎn)源污染物傳輸過程的重要驅(qū)動(dòng)力[2]，其時(shí)空規(guī)律變化是導(dǎo)致區(qū)域水循環(huán)和水環(huán)境變異的重要因素，目前對(duì)此已開展了不少研究，如Donat等[3]研究指出全球極端降水呈現(xiàn)顯著的增加趨勢(shì)；Wahl等[4]研究指出極端降水事件致使美國主要城市的洪澇風(fēng)險(xiǎn)日益凸顯；國內(nèi)學(xué)者在全國、地區(qū)、流域等不同尺度上對(duì)極端降水變化特征開展了諸多研究[5-7]，對(duì)極端降水事件發(fā)生頻率、強(qiáng)度的變化規(guī)律給予了充分關(guān)注[8-9]，同時(shí)也有學(xué)者對(duì)氣候模式評(píng)估[10]、極端降水形成的物理機(jī)制[11-12]等方面開展了研究。隨著城市化快速發(fā)展，城市化對(duì)降水影響效應(yīng)吸引了不同學(xué)者對(duì)其展開研究，主要涉及城市化對(duì)降水影響的數(shù)據(jù)解析、物理機(jī)制及數(shù)值模擬等多個(gè)方面[13]，如Shem等[14]采用數(shù)值模擬方法研究表明城市下風(fēng)區(qū)降水頻次偏多；國內(nèi)學(xué)者通過城郊對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)我國北京、上海、深圳等城市“雨島效應(yīng)”明顯[15-17]。

目前關(guān)于極端降水事件及城市效應(yīng)已有不少研究成果，但在極端降水研究中通常采用頻次、強(qiáng)度等指標(biāo)側(cè)面表征其嚴(yán)重程度，而鮮有采用極端降水嚴(yán)重度指數(shù)[18](extreme precipitation severity index，EPSI)進(jìn)行定量評(píng)估；在城市效應(yīng)對(duì)降水影響研究中多采用傳統(tǒng)的城郊雨量站對(duì)比分析法，而昆明市作為典型的高原山地城市，因其特殊的地形及氣候特征，目前的城郊站劃分方法對(duì)其適用性不高。本文采用EPSI以及多種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，定量分析昆明市1960—2017年極端降水事件演變特征及城市效應(yīng)，并提出了一種適用于昆明市高原山地城市特征的城郊雨量站劃分方法，可較為科學(xué)合理地開展城市化對(duì)極端降水的影響評(píng)估，以期為昆明市等高原山地城市的極端降水事件風(fēng)險(xiǎn)管控以及非點(diǎn)源污染控制提供參考。

1 研究區(qū)概況

昆明市地處云貴高原中部(102°10′E～103°40′E、24°23′N～26°22′N)，整體地勢(shì)北高南低，由北向南逐級(jí)降低，中部隆起，東西兩側(cè)較低，海拔高度介于1 500～2 800 m之間，以湖盆巖溶高原地貌形態(tài)為主，紅色山原地貌次之，是典型的高原山地城市。昆明屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，由于受印度洋西南暖濕氣流的影響，盛行西南風(fēng)，日照長、霜期短，降水充沛，干濕分明。市內(nèi)建有國家級(jí)地面雨量站12個(gè)，其空間分布情況見圖1。

圖1 昆明市地形及雨量站空間分布

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及一致性檢驗(yàn)

降水量數(shù)據(jù)采用昆明市12個(gè)國家級(jí)地面雨量站1960—2017年逐日、白天(8:00—20:00累積)及夜間(20:00—8:00累積)觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)中心；人口數(shù)據(jù)采用1960—2017昆明市逐年城鎮(zhèn)人口、常住人口，數(shù)據(jù)來源于昆明市統(tǒng)計(jì)年鑒；高程數(shù)據(jù)采用昆明市30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn)。

采用雙累積曲線對(duì)各雨量站降水觀測序列進(jìn)行一致性檢驗(yàn)及缺測插補(bǔ)，圖2為昆明站和晉寧站檢驗(yàn)結(jié)果，可見兩站的平均累積降水量與地區(qū)平均累積降水量均具有較好的相關(guān)性，趨勢(shì)未發(fā)生突變，數(shù)據(jù)一致性較好。

圖2 降水序列一致性檢驗(yàn)

2.2 極端降水閾值計(jì)算

采用百分位法確定昆明市各雨量站的極端降水閾值，具體做法為：將各雨量站1960—2017年日降水量序列升序排列，將日降水量大于或等于0.1 mm子樣本的第95個(gè)百分位對(duì)應(yīng)的日降水量定義為極端降水閾值，當(dāng)日降水量超過該閾值時(shí)，就認(rèn)為該日出現(xiàn)了極端降水事件[7]。

2.3 EPSI計(jì)算

采用Du等[18]提出的EPSI來定量表征極端降水事件嚴(yán)重程度，EPSI越大，表示極端降水事件越嚴(yán)重。具體計(jì)算步驟包括：計(jì)算平均強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算EPSI。

a.計(jì)算平均強(qiáng)度。

zi=yi/xi(i=1，2，…，n)

(1)

式中：zi為第i年的極端降水平均強(qiáng)度，%；yi為第i年超過閾值部分降水總量與閾值比值，%；xi為第i年極端降水頻次；n為年份數(shù)。

b.標(biāo)準(zhǔn)化處理。

x′i=(xi-xmax)/(xmax-xmin)

(2)

z′i=(zi-zmax)/(zmax-zmin)

(3)

式中：x′i、z′i分別為標(biāo)準(zhǔn)化后極端降水頻次與平均強(qiáng)度；xmax、xmin、zmax、zmin分別為極端降水頻次與平均強(qiáng)度的最大、最小值。

c.計(jì)算EPSI。

Ii=k1x′i+k2z′i(i=1，2，…，n)

(4)

2.4 降水大尺度氣候背景及局地變化分離方法

2.5 城郊雨量站劃分方法

本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，提出一種適用于昆明市高原山地城市特征的城郊雨量站劃分方法，具體流程為：①下墊面特征遴選。以各雨量站為中心，建立半徑為2 km的緩沖區(qū)，計(jì)算各緩沖區(qū)內(nèi)人工建筑面積占比，規(guī)定緩沖區(qū)內(nèi)人工建筑面積占比不超過40%為郊區(qū)站，大于40%為城市站[20]。②人口指標(biāo)篩選。參考Li等[21]的研究成果，將雨量站所在城市的城鎮(zhèn)人口在15萬人以下的雨量站定義為郊區(qū)站，15萬人以上定義為城市站。③剔除地形與海拔影響。海拔是導(dǎo)致降水發(fā)生變化的因素[22]，對(duì)高原山地城市而言，地形與海拔對(duì)降水影響不能忽略，規(guī)定以昆明站為基準(zhǔn)，所選雨量站與其海拔相對(duì)高差比例不超過1%。④剔除氣候因素影響。降水受區(qū)域大尺度氣候特征影響明顯，如城市下風(fēng)區(qū)降水偏多[14]，規(guī)定以昆明站為基準(zhǔn)，所選雨量站與其受大尺度氣候影響應(yīng)盡量相同，并應(yīng)注意避免選取城市下風(fēng)區(qū)站點(diǎn)。

2.6 極端降水指標(biāo)選取

選取年極端降水量、極端降水發(fā)生率、極端降水貢獻(xiàn)率、極端降水強(qiáng)度、極端降水EPSI、最大日降水量、降水夜晝差(夜間與日間降水差值)共7項(xiàng)指標(biāo)對(duì)極端降水事件進(jìn)行分析。此外采用氣候傾向法、Mann-Kendall檢驗(yàn)、R/S分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)降水事件序列進(jìn)行趨勢(shì)、突變及趨勢(shì)持續(xù)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 極端降水事件演變特征

3.1.1極端降水事件大尺度演變特征

由圖3可知昆明市極端降水閾值分布存在明顯的空間局地差異，整體上東北、西南兩側(cè)相對(duì)較低，最大值32.1 mm，位于太華山站附近，該處地勢(shì)相對(duì)較高(海拔2 358.3 m)；最小值25.6 mm，位于東川站附近，該處地勢(shì)相對(duì)較低(海拔1 254.1 m)，表明昆明市極端降水閾值空間分布和地形高度有一定的相關(guān)性。鄭祚芳等[23]對(duì)北京地區(qū)的研究也得到了相同的結(jié)論。

圖3 昆明市極端降水閾值空間分布

對(duì)昆明市1960—2017年極端降水序列統(tǒng)計(jì)分析得到昆明市多年平均極端降水量為283.85 mm，比云南省多年平均極端降水量269 mm要高[24]，這可能與昆明作為省會(huì)城市，高速的城市化發(fā)展導(dǎo)致的“雨島效應(yīng)”更明顯有關(guān)。以變化速率來看，年極端降水量整體上呈不顯著的增加趨勢(shì)(α=0.05)，其速率為0.24 mm/a。極端降水發(fā)生率與貢獻(xiàn)率多年平均值分別為5.02%和29.97%，二者均呈不顯著增加趨勢(shì)(α=0.05)。極端降水強(qiáng)度呈不顯著增加趨勢(shì)，其多年平均值為44.12 mm/d，是昆明市同時(shí)期平均降水強(qiáng)度(7.77 mm/d)的5.68倍。最大日降水量呈不顯著增加趨勢(shì)，其多年平均值為67.89 mm。降水夜晝差多年平均值為73.39 mm，表明昆明市降水在夜晝之間分配不均，總體夜間降水量多于白天，并且這種夜晝分配不均勻特征以 0.34 mm/a 速率在加劇。

由圖4可知，昆明市極端降水事件主要發(fā)生于5—10月，尤其以夏季(6—8月)最為嚴(yán)重，這與降水年內(nèi)分配曲線的變化相似，可見極端降水對(duì)降水年內(nèi)分配過程起到較大貢獻(xiàn)作用。最大日降水量大致呈單峰型分布，峰值處于6—7月之間，而1—4月及12月值較小。降水夜晝差在6月達(dá)到高峰，并且在極端降水量較多的月份，降水夜晝差異也相對(duì)明顯?？梢娎ッ魇幸归g及夏季極端降水是重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)管控對(duì)象。

圖4 昆明市降水年內(nèi)分布情況

3.1.2極端降水事件局地差異特征

由圖5可知，昆明市年極端降水量在空間上具有較大局地差異性，整體北部偏低，中部偏高，最小值位于東北部東川站附近，地處昆明市地勢(shì)低洼處。地形可能是導(dǎo)致降水偏少的因素。中部地區(qū)存在兩個(gè)高值區(qū)，其一位于主城的昆明站附近，該高值區(qū)即“城市雨島”中心[18]，其形成主要與城市化對(duì)極端降水的影響有較大關(guān)系；其二位于城市下風(fēng)區(qū)嵩明、尋甸一帶，已有研究表明在城市下風(fēng)區(qū)降水偏多[14]，故認(rèn)為該高值區(qū)形成主要與城市氣候因素有關(guān)。最大日降水量高值區(qū)位于嵩明與尋甸一帶，地處城市下風(fēng)區(qū)，最小值位于東川地區(qū)。降水夜晝差整體呈由東北向西南遞減的空間分布特征，與地形存在一定的關(guān)系，但二者之間的聯(lián)系有待進(jìn)一步研究。

(a) 年極端降水量

3.2 城市化對(duì)極端降水事件變化的影響

3.2.1城郊雨量站與城市發(fā)展階段劃分結(jié)果

按城郊雨量站遴選流程，篩選出典型城市站為昆明站，郊區(qū)站為晉寧站(表1)，遴選結(jié)果較好地符合昆明市高原山地城市特殊的地形及氣候特征，是科學(xué)開展城市化對(duì)極端降水影響研究的基礎(chǔ)。

表1 城郊雨量站劃分結(jié)果

城市用地面積與城鎮(zhèn)人口之間往往具有高度的相關(guān)性，城鎮(zhèn)人口是分析城市化與氣候變化之間關(guān)系的一個(gè)理想指標(biāo)[25]，本文采用城市化率(城鎮(zhèn)人口與常住總?cè)丝诘谋戎?表征昆明市城市化發(fā)展進(jìn)程。由圖6可見，昆明市城市化發(fā)展大致呈二次函數(shù)型增長，其中存在一個(gè)明顯的躍變點(diǎn)(2004年)將其劃分為兩個(gè)明顯的階段：1960—2004年緩慢發(fā)展期(以下簡稱緩慢期)和2005—2017年快速發(fā)展期(以下簡稱快速期)，劃分結(jié)果與張洪等[26]采用綜合指標(biāo)法的研究結(jié)果一致。

圖6 昆明市城市化率變化過程

3.2.2城市化對(duì)極端降水影響評(píng)估

城市降水受城市化水平、地形及氣候等因素影響，由圖7(a)可知，昆明、晉寧站極端降水變化過程具有相似的轉(zhuǎn)折及趨勢(shì)波動(dòng)，二者降水差異受區(qū)域大尺度氣候影響很小。因此在相同氣候背景及剔除地形因素影響的情況下，二者之間降水差異可歸結(jié)為城市化影響。

a.中長期城郊雨量站對(duì)比。1960—2017年昆明、晉寧站多年平均極端降水量分別為305.26 mm和263.23 mm，增雨系數(shù)Zp為1.16>1，增雨效應(yīng)明顯；由圖7(a))可知，昆明站極端降水增長速率明顯大于晉寧站，且城郊差異以速率0.05 mm/a呈增加趨勢(shì)，可見城市化對(duì)極端降水影響明顯。昆明、晉寧站多年平均極端降水強(qiáng)度分別為47.71 mm/d和41.39 mm/d，由圖7(b)可知昆明站極端降水強(qiáng)度變化速率明顯大于晉寧站，且城郊差異呈顯著增加趨勢(shì)(α=0.05)，速率為0.09 mm/(d·a)，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)對(duì)極端降水強(qiáng)度城郊差異進(jìn)行突變檢驗(yàn)(圖8)，UF與UK兩曲線在2005年前后存在交叉且UF曲線超過置信水平(α=0.05)，故城郊差異在2005年前后存在顯著突變，這與昆明市城市化發(fā)展階段也較吻合，可見城市化對(duì)于極端降水強(qiáng)度影響明顯。昆明、晉寧站多年平均最大日降水量分別為75.30 mm和60.69 mm，增雨系數(shù)Zp為1.24>1，增雨效應(yīng)明顯，由圖7(c)可知，昆明站最大日降水量變化速率明顯大于晉寧站，且城郊差異以速率0.37 mm/a呈增加趨勢(shì)，可見城市化對(duì)最大日降水量影響效應(yīng)明顯。由圖7還可看出，昆明市極端降水各指標(biāo)具有明顯波動(dòng)過程，這種波動(dòng)性主要來源于降水序列周期性、趨勢(shì)性及噪聲等影響，這與曹晴等[27]對(duì)中國極端降水的研究結(jié)果類似，說明降水序列具有一定的不確定性波動(dòng)特性。

(a) 年極端降水量

圖8 極端降水強(qiáng)度城郊差異Mann-Kendall檢驗(yàn)曲線

b.不同發(fā)展階段對(duì)比。在城市發(fā)展緩慢期和快速期年極端降水量城、郊差異均值分別為37.27 mm和58.53 mm，快速期相比緩慢期增長了57.04%，可見不同城市化水平對(duì)極端降水量均值影響明顯；以變化速率看，緩慢期年極端降水量城、郊差異序列呈負(fù)增長，城市效應(yīng)不明顯，而快速期城、郊差異序列呈顯著增加趨勢(shì)(α=0.1)，增速達(dá)6.63 mm/a，快速期城市效應(yīng)明顯。極端降水強(qiáng)度城郊差異均值在快速期相對(duì)緩慢期增長2.97 mm/d，并且在快速期城市化對(duì)其變化速率影響明顯，較緩慢期變化速率增大了0.37 mm/(d·a)。最大日降水量城郊差異均值在快速期相對(duì)緩慢期增長9.11 mm，并且快速期城市化對(duì)最大日降水量變化速率影響明顯，較緩慢期速率增大0.33 mm/a。

3.3 極端降水事件嚴(yán)重程度演變特征及城市效應(yīng)

3.3.1極端降水事件嚴(yán)重程度演變特征

僅分析極端氣候事件的發(fā)生頻率或強(qiáng)度并不能合理表征其嚴(yán)重程度[18]，本文采用EPSI來探究昆明市極端降水事件嚴(yán)重程度演變規(guī)律。由圖9(a)可知，1960—2017年昆明市極端降水EPSI整體呈增加趨勢(shì)，最大值為0.78(1994年)，最小值為0.08(1992年)，多年平均值為0.45，整體變化過程波動(dòng)明顯。將EPSI序列進(jìn)行5年滑動(dòng)平均處理后，大致呈現(xiàn)3個(gè)周期波動(dòng)，波峰分別位于1966年、1981年和1995年前后，而近幾年EPSI處于一個(gè)相對(duì)增長期，可見目前以及未來幾年昆明市仍需對(duì)極端降水事件的致災(zāi)性提高警惕。

從空間分布看(圖9(b))，EPSI整體中部偏高、南北部偏低，存在兩個(gè)高值中心，分別為主城昆明站附近及城市下風(fēng)區(qū)嵩明站一帶，這與極端降水量空間分布具有較大相似性，這些均是空間風(fēng)險(xiǎn)管控重點(diǎn)區(qū)域。

(a) 時(shí)間變化

3.3.2城市化對(duì)極端降水事件嚴(yán)重程度影響評(píng)估

以城郊差異表示城市化對(duì)極端降水事件嚴(yán)重程度影響大小，如圖10所示，1960—2017年極端降水EPSI城、郊差異整體呈增加趨勢(shì)。從不同時(shí)期來看，在緩慢期極端降水事件受城市化影響較小，EPSI城郊差異未呈現(xiàn)明顯規(guī)律，波動(dòng)較大；快速期城市效應(yīng)凸顯，城郊EPSI差異值基本為正值，波動(dòng)過程減小，整體呈增加變化趨勢(shì)，可見城市化對(duì)極端降水事件嚴(yán)重程度產(chǎn)生了一定影響且影響效應(yīng)隨城市化發(fā)展有加劇趨勢(shì)。

圖10 極端降水EPSI城郊差異變化過程

3.3.3極端降水事件及其嚴(yán)重程度演變趨勢(shì)預(yù)測

昆明市各極端降水指標(biāo)Hurst值(表3)計(jì)算結(jié)果均大于0.5，表明未來昆明市極端降水量、極端降水發(fā)生率、強(qiáng)度及嚴(yán)重程度均將保持增加趨勢(shì)，昆明市未來對(duì)極端降水事件風(fēng)險(xiǎn)防控仍需加大力度。各極端降水指標(biāo)城郊差異序列Hurst值計(jì)算結(jié)果也均大于0.5，表明城市化對(duì)昆明市極端降水事件趨勢(shì)影響具有持續(xù)性，未來昆明市“雨島效應(yīng)”將持續(xù)呈現(xiàn)，這可能會(huì)成為未來可持續(xù)發(fā)展限制因素之一。

表3 極端降水指標(biāo)Hurst值

4 結(jié) 論

a.1960—2017年昆明市年極端降水量呈不顯著增加趨勢(shì)，多年平均值為283.85 mm，對(duì)年降水量貢獻(xiàn)為29.97%，且極端降水發(fā)生率、貢獻(xiàn)率及強(qiáng)度均呈不同程度增加趨勢(shì)；多年平均降水夜晝差為73.39 mm，昆明市降水總體夜間多于白天，且這種夜晝分配不均勻特性具有加劇趨勢(shì)；以降水年內(nèi)分配看，極端降水在夏季(6—8月)最為集中。

b.昆明市極端降水整體呈北部偏低、中部偏高的空間分布特征，存在兩個(gè)明顯高值中心，其一位于主城的昆明站附近，即“城市雨島”中心，其二位于城市下風(fēng)區(qū)嵩明站一帶，這些均是極端降水風(fēng)險(xiǎn)空間管控的重點(diǎn)區(qū)域。

c.1960—2017年城市化對(duì)年極端降水量的增雨系數(shù)為1.16，城市增雨效應(yīng)明顯，并且以 0.05 mm/a 速率呈加劇趨勢(shì)；不同城市化階段城郊差異明顯，快速發(fā)展期極端降水量城郊差異均值較緩慢期增長57.04%，該階段城市效應(yīng)凸顯。

d.1960—2017年昆明市極端降水EPSI及其城郊差異均呈增加趨勢(shì)，且各指標(biāo)Hurst值均大于0.5，表明昆明市極端降水事件嚴(yán)重程度及其城市效應(yīng)均將持續(xù)加劇。