貴州區域性暴雨過程的定量化評估及氣候特征

許 丹，張東海

(貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

0 引言

暴雨是影響貴州夏半年的主要災害性天氣。每年因夏季風爆發時間和強弱不同，加上中高緯度冷空氣的活動差異，暴雨年際變化大。在全球變暖背景下，水循環加劇，貴州強降雨頻發，持續的極端強降雨事件及短歷時強降水增多，加上其特殊的地質、地貌，強降水及其誘發的城鄉積澇、山洪、地質災害突出，如2020年6—7月和9月貴州長時間的持續強降雨，暴雨洪澇災害重，對人們生產生活、生命財產造成了很大的損害。貴州是長江、珠江上游地區的重要生態屏障，喀斯特地貌發育充分，生態環境脆弱、暴雨地質災害頻繁[1]。關于貴州暴雨氣候特征有一些研究，運用國家站和區域站分析了2020年汛期不同時間尺度暴雨日數的分布特征[2]；貴州1963—2011年總雨日、小雨日、中雨日、大雨日整體都呈減少趨勢，而暴雨日卻呈一定的增加趨勢[3]。暴雨日受副高不同特征指數的影響，每年分布特征均不同[4]。這些研究主要基于單站暴雨日數的空間分布及其變化，但對區域性暴雨過程的定量化評估及氣候特征未見到相關研究和系統的全面分析。目前在貴州氣候監測業務中僅對區域暴雨日進行評估，對暴雨過程的綜合強度和年度雨澇特征沒有一個客觀定量的方法評估，而這是貴州區域暴雨客觀定量評估、決策氣象服務及防汛抗災的迫切需要。近年來，國家及省級開展的暴雨過程綜合評估基本上是從過程持續時間、暴雨范圍及強度評估暴雨過程綜合強度[5-10]，本文利用貴州84個氣象站的日降水資料，首先定義貴州區域性暴雨過程的劃分標準，在此基礎上，根據暴雨過程的持續日數、暴雨范圍、平均暴雨量等3個指標建立貴州區域性暴雨過程綜合強度評估，進一步構建雨澇年景指數，分析1961—2020年貴州區域暴雨過程、強度、雨澇年景指數氣候特征及變化趨勢，為貴州客觀定量的暴雨評估業務和服務提供技術支撐。

1 資料與分析方法

1.1 資料

采用貴州省84個氣象觀測站點1961—2020年逐日降水資料，數據來源于貴州省氣象信息中心。

1.2 指標及定義

參考氣預函〔2019〕63號文件及相關標準、文獻[10-12]，確定本文采用的指標及定義如下：

單站暴雨日指單個氣象站日降水量(日降水量的日界為北京時前一日20時至當日20時，下同)≥50 mm的降水日。

區域性暴雨日指貴州84個氣象站中，不低于6站出現單站暴雨日。

區域性暴雨過程指區域性暴雨日持續日數>1 d及以上的過程。

區域性暴雨過程的開始日(結束日)指區域性暴雨過程的第1個(最后1個)區域性暴雨日。以過程結束日期所在月統計過程發生頻次。

區域性暴雨過程的持續時間指區域性暴雨過程的開始日至結束日之間的日數。

區域性暴雨過程的平均暴雨量指暴雨過程中平均每天每個暴雨站點的降水量。

區域性暴雨過程的平均影響范圍指暴雨過程中平均日暴雨站數。

1.3 綜合強度評價指標

參考氣預函〔2019〕63號文件對區域性暴雨過程綜合強度定量化評估方法，以區域性暴雨過程的平均強度、平均影響范圍和持續時間作為區域性暴雨過程的評估指標。

(1)

式中，Z為某次區域性暴雨過程的綜合強度指數，Ia為區域性暴雨過程的平均暴雨量；Aa為區域性暴雨過程的平均范圍；T為區域性暴雨過程的持續時間。

按照1.2中區域性暴雨過程的定義，對1961—2020年統計得出的721次貴州區域暴雨過程進行逐次評估，得到逐次區域暴雨過程的綜合強度指數Z序列。采用百分位數法，計算Z序列的第50、第80和第95百分位數作為臨界閾值劃分出4個等級，將區域性暴雨過程綜合強度劃分為一般、較強、強和特強4個等級(詳見表1)，評估暴雨過程的等級。

表1 區域性暴雨過程綜合強度劃分等級和標準

1.4 雨澇年景指數

由于每年季風強度和環流系統的差異，各年暴雨過程次數和強度年際差異大，本文在暴雨過程綜合強度評估的基礎上構建了雨澇年景指數，以客觀定量反映貴州雨澇的年度總體特征。雨澇年景指數為累加一年內強度達強等級以上的區域性暴雨過程綜合強度的標準化值與其等級的乘積。這個雨澇年景指數綜合考慮了強以上區域性暴雨過程的次數和強度，由此得到1961—2020年的雨澇年景指數序列。

以1961—2020年逐年雨澇年景指數60 a序列為樣本，以第10、第30、第70和第90百分位數作為臨界閾值劃分出5個等級(表2)

表2 雨澇年景指數劃分等級和標準

1.5 分析方法

主要采用線性趨勢、滑動平均等統計方法對暴雨的氣候特征進行統計分析。

2 結果分析

2.1 過程次數的變化特征

2.1.1 年際及年代際變化 統計表明，1961—2020年貴州共發生721次區域暴雨過程，平均每年12.0次，但存在明顯的年際和年代際變化(圖1)。2015年最多達20次，2014、1987、1983、1979、1967年次之為17次，1961年最少僅4次。計算1961—2020年貴州年降水系列與年區域性暴雨過程次數系列的相關系數為0.51，達到0.001顯著性水平，說明區域性暴雨過程次數與年降水量密切相關，基本能反映年降水的變化，區域性暴雨過程次數多(少)的年份，年降水也呈多(少)，但兩者的歷史排位并不是一一對應關系。如2015年暴雨過程最多，年降水量為歷史第5高位，2020年暴雨過程與多年持平，年降水量為歷史最多。近60 a來，貴州區域性暴雨過程年次數以0.4次/10 a的速率呈弱的上升趨勢，未達到0.05顯著性水平，增加趨勢不顯著。從年區域暴雨過程次數的逐年演變曲線(圖1)看到，20世紀60年代前期偏少不到10次，逐漸上升到1967年的峰值17次，之后在波動中下降到1973年的低谷7次后逐步上升，70年代中后期偏多，80年代波動較大，90年代總體偏多，21世紀初相對較少，近10 a暴雨過程相對較多。從每10 a平均年區域暴雨過程次數變化可知，20世紀60年代、80年代和21世紀00年代較少，分別為10.9次、11.5次、11.4次；20世紀70年代、90年代和21世紀10年代較多分別為12.3次、12.6次和13.4次。

圖1 1961—2020年貴州區域性暴雨過程次數

2.1.2 月際變化 貴州近60 a各月區域性暴雨過程次數(圖2)統計，區域性暴雨過程3—11月均有出現，除5次過程跨月發生外，其余均是月內發生。以6月的223次(30.9%)最多，平均為3.7次/a，其次是7月149次(20.7%)，平均為2.5次/a，5月128次(17.8%)，8月92次(12.8%)，3月出現最少，僅有2次。區域性暴雨過程主要出現在汛期5—9月，共發生648次，占區域性暴雨總次數的89.9%，月發生比率為10.2%～30.9%，其他月份10、11、3和4月共發生73次，僅占區域性暴雨總次數的11.1%。從區域性暴雨過程的季節分配看，夏季最多464次，春季次之149次，秋季最少128次，分別占64.3%、20.7%、15.0%。由此可見，貴州區域性暴雨過程具有典型的季風氣候特征，每年隨著5月中旬前后南海季風的爆發，南方暖濕水汽輸送加強，暴雨過程增加，尤其在6月中旬—7月中旬，隨著東亞夏季風的推進，貴州處于梅雨鋒西段，特別有利于貴州的降水，暴雨過程最為集中，幾乎一半以上的暴雨都發生在該時期。

圖2 貴州省1961—2020年月區域性暴雨過程次數和平均強度指數

2.2 綜合強度的變化特征

2.2.1 平均暴雨量、平均影響范圍和持續時間特征 每次暴雨過程由于其影響范圍、持續時間和降水強度不同，帶來的影響也不同。從影響范圍來看，區域性暴雨過程的平均影響范圍多為6～19站，共有571次，占總數的79.0%；暴雨站數在20～29站、30～39站、40～49站、50～59站的過程次數分別為99次、36次、10次和5次，分別各占13.7%、5.0%、1.4%和0.7%；暴雨站數在20站以上的過程占總數的21.0%。1996年7月1—3日的區域暴雨過程范圍最廣，暴雨站數高達54站，64%的縣(市、區)出現暴雨。從持續時間來看，貴州區域性暴雨過程的持續天數一般為1～5 d，其中持續天數以1 d最多，為571次，占79.2%；持續天數2 d、3 d、4 d、5 d 的過程分別為115次、24次、10次和1次，各占16.0%、3.3%、1.4%、0.1%；持續時間最長為5 d，發生在1979年6月23—27日，這是貴州持續時間最長的區域暴雨過程。從平均暴雨量來看，區域性暴雨過程平均暴雨量多為60～80 mm，共425次，占總數的50.8%；80～90 mm共109次，占總數的15.1%；90～100 mm共32次，占總數的4.4%；100 mm以上僅9次，占總數的1.2%；50～60 mm共46次，占總數的6.4%。單站平均最大暴雨量為116.1 mm，出現在1986年7月17日。

貴州區域性暴雨過程單站最大日降水量多為100 mm以上，共450次，占總數的62.4%，其中單站最大日降水量100～199.9 mm的過程最多，達416次，占總數的57.7% ；其次是200～299.9 mm，有33次，占總數的4.6%；單站最大日降水量超過300 mm的過程僅1次，占總數的0.1%。近60 a來，單站日降水量最大達307.4 mm，出現在都勻(2000年6月8日)，單站最大累積降水量439.4 mm，出現在江口(1995年6月30日—7月2日)。

2.2.2 不同等級區域性暴雨過程統計 根據式(1)計算得到貴州721次區域性暴雨過程每次的綜合強度指數，將區域性暴雨綜合強度等級分為4級：1級(一般)，2級(較強)，3級(強)，4級(特強)，計算得到弱等級區域暴雨過程362次，占總次數的50.2%；較強等級215次，占總次數的29.8%；強等級109次，占總次數的15.1%；特強等級35次(表3)，占總次數的4.9%。2020、2017、2014、2000、1999、1996、1995和1964年共8 a出現了2次以上特強區域性暴雨過程，2020年特強暴雨過程最多達3次，其中2次出現在9月，秋汛嚴重。

表3 貴州1961—2020年特強區域性暴雨的過程統計

續表3

根據貴州省災害大典及氣候評價、暴雨災害風險普查收集的暴雨災情，表3中的特強區域暴雨過程大多造成重大的經濟損失和人員傷亡。評估貴州最強的暴雨過程出現在2014年7月14—17日，這次過程中暴雨以上86站次，大暴雨以上30站次，特大暴雨以上4站次，均為歷史第1，單站平均暴雨量95.9 mm，單站最大累積降水量424.2 mm，日平均暴雨范圍21.5站，綜合強度指數889.3；評估貴州綜合強度指數排名第2位的暴雨過程出現在1996年7月1—3日，暴雨以上68站次，大暴雨以上23站次，特大暴雨以上3站次，單站平均暴雨量98 mm，單站最大累積降水量300.2 mm，日平均暴雨范圍22.7站，綜合強度指數808.7；評估貴州綜合強度指數排名第3位的暴雨過程出現在1991年7月8—11日，暴雨以上78站次，大暴雨以上13站次，特大暴雨以上1站次，單站平均暴雨量83.5 mm，單站最大累積降水量426.3 mm，日平均暴雨范圍19.7站，綜合強度指數737.5。

2014年7月14—18日多地遭遇持續強降雨，造成47個縣(市、區)遭受洪澇災害，災情嚴重，受災人口178.28萬人，因災死亡7人，失蹤3人。黔東南黃平兩岔河水庫3號副壩出現潰壩險情，緊急轉移近15萬名群眾；滬昆鐵路水害嚴重導致列車停運；全省農業遭受重創，農作物受災十萬五千多公頃，絕收一萬多公頃，各地農田垮塌損毀嚴重。1996年7月1—3日連續性致洪暴雨，全省受災縣市區有76個，受災面涉及103個鄉鎮、13 079個村、1241.38萬人(成災744.29萬人)；貴陽市甲秀樓橋面過水1.5m，市區大部分地區供水、供電，市政設施毀壞，70%工礦企業受災停產，鐵路、公路因塌方、泥石流、滑坡造成運輸中斷，省農作物受災面積71.88萬hm2，成災面積48.16萬hm2，絕收面積8.76萬hm2。全省死亡416人，受傷15 910人，全省經濟損失達157億元，其中農業經濟損失64.4億元，被列為13個重災省之一。評估結果與災情一致，說明區域暴雨過程綜合強度指數能客觀、全面地評估貴州區域暴雨過程。

圖3為貴州不同等級區域性暴雨過程發生次數的演變圖。從近60 a的長期變化趨勢看，一般性暴雨過程呈略微減少趨勢，較強暴雨過程呈略微增加趨勢，強、特強暴雨過程分別以0.34次/10a和0.113次/10a的速率呈增加趨勢，且強暴雨過程的增加趨勢通過0.05的信度檢驗，特強暴雨過程的增加趨勢通過0.1的信度檢驗，說明極端強降水事件增加。

圖3 1961—2020年貴州區域性暴雨過程不同等級發生次數

2.2.3 綜合強度月際變化特征 統計1961—2020年的區域性暴雨綜合強度，近60 a的各月平均強度指數(圖2)得到，區域性暴雨強度指數變化明顯，最高出現在7月(強度指數310.9)，其次為6月(285.6)，第3為8月(254.2)，強度指數超過250以上月份均出現在5—9月，主要為貴州的汛期，而非汛期的3—4月、10—11月強度指數均<250，最弱出現在3月，其次是4月，10月是非汛期中強度指數最大的。區域性暴雨過程次數6月最多，7月強度指數最大，次數和強度峰值出現的月份不同。

2.2.4 過程強度和次數的年代際變化 各年代出現區域性暴雨過程不同等級次數和比例見表4。由表可知區域性暴雨過程等級和強度年代際變化明顯，區域性暴雨過程發生總次數在21世紀10年代最多13.4次，20世紀90年代次之12.6次，20世紀60年代最少10.9次。區域性暴雨綜合強度指數在20世紀90年代最大，其次是21世紀10年代，第三是21世紀00年代，最弱是20世紀70年代，2010年以來較21世紀00年代強度明顯加強。

表4 各年代不同等級區域性暴雨過程出現次數和比例

近60 a，發生各等級區域性暴雨過程的比例在各年代也存在明顯差異。強、特強等級區域性暴雨過程發生的比例在20世紀90年代最大，其次是21世紀10年代，一般等級發生的比例在20世紀70年代最多，較強等級發生的比例在20世紀60年代、21世紀00年代最多，可見，21世紀10年代強、特強等級區域性暴雨過程增多明顯，說明極端的區域暴雨事件呈顯著增加趨勢，年代際變化分析得到和前面分析相一致的結果。

2.2.5 年、季最大的區域性暴雨過程綜合強度變化 圖4為年、季最大區域性暴雨過程綜合強度演變圖。由圖可知，1961—2020年貴州年最大過程綜合強度變化速率為17.1/10 a，總體呈增加趨勢，階段性特征較明顯：20世紀60—80年代總體偏小，90年代開始偏大，21世紀00年代偏小，近10 a波動中上升，2014年最強。近60 a，共有24 a的年最大區域性暴雨過程綜合強度大于多年平均值，其中有14 a出現在20世紀90年代以后；1961—1990年、1991—2020年的年最大過程綜合強度平均值分別為431.1、512.6，后者比前者偏大，說明20世紀90年代后最大的區域性暴雨過程綜合強度增強。

圖4 年、季最大區域暴雨過程綜合強度變化

各季歷年最大區域性暴雨過程綜合強度變化有差異，秋季呈顯著增加趨勢，變化速率為17.4/10 a，通過0.01的顯著性檢驗；春季、夏季變化速率分別為5.4/10 a、19.4/10 a，未通過顯著性檢驗。夏季最大區域性暴雨過程綜合強度與年最大區域性暴雨過程綜合強度的變化特征較相似。春季最大區域性暴雨過程綜合強度總體呈上升趨勢，20世紀60—90年代總體偏小，21世紀開始年際波動較大。秋季最大區域性暴雨過程綜合強度在20世紀60年代—21世紀00年代總體偏小，21世紀10年代開始在波動中上升，10 a中有7 a在平均值以上，其中2020、2019和2014年為近60 a秋季最大區域性暴雨過程綜合強度前3位，這和20世紀90年代、21世紀00年代秋雨明顯減少，近10 a又明顯增加是一致的。

2.3 雨澇年景指數年際和年代際變化特征

根據1.4節貴州雨澇年景指數定義，計算了1961—2020年逐年貴州雨澇年景指數變化(圖5)。可見，雨澇年景指數存在明顯的年際和年代際變化，最大的7 a依次為2014年(50.2)、2020年(41.7)、1996年(38.9)、1999年(35.0)、1995年(33.2)、2000年(30.0)、1991年(28.0)，最小為1961、1962、1965、1966、1969、1975、1981、2006、2016年共9 a，未出現強以上等級暴雨過程。

圖5 1961—2020年逐年貴州雨澇年景指數變化

近60 a來，貴州雨澇年景指數以(2.625/10 a)的速率上升(趨勢系數0.30)，達到0.05顯著性水平，增加趨勢顯著，20世紀90年代初雨澇年景指數由之前偏弱轉為之后的偏強，20世紀90年代以來發生極端雨澇的情況明顯增多，雨澇指數最大的7 a都發生在1990年以后。雨澇強年，均出現造成重大社會影響或嚴重經濟損失和人員傷亡的極端區域性暴雨過程，洪澇災害重。雨澇弱年常常是大旱年，雨澇災害輕，這與貴州災害大典和2000—2020年《貴州省防災減災年鑒》記錄的事實基本一致。雨澇指數最大的2014年出現17次區域性暴雨過程，高于多年平均5次，強以上等級過程7次，區域暴雨日25次(歷史最多)，累計出現2縣次特大暴雨、51縣次大暴雨、216縣次暴雨，其中8個縣(市、區)的日降水量突破歷史極值，主汛期5—9月降雨量達1007.5 mm，是1961年以來的第4高位。雨澇指數第2大的2020年貴州共出現12次區域性暴雨過程，與多年平均持平，區域暴雨日22日，為1961年以來歷史同期第4高值，83縣(市、區)出現暴雨423站次，其中特大暴雨2站(江口、惠水)、大暴雨51站次，丹寨出現11個暴雨日為最多；最大日降水量為6月24日惠水的215.4 mm，最大小時降水量為6月12日的正安縣碧峰鎮的163.3 mm。2020年全年暴雨站日及降水量(1448.3 mm)均為1961年以來的歷史之最，歷史上單日暴雨影響范圍最廣、強度最重的一次過程也發生在2014年9月6日。雨澇指數第3大的1996年出現20次區域性暴雨過程，高于多年平均5次，區域暴雨日20次，歷史第6高值，主汛期5—9月降雨量達980.9 mm，是1961年以來的第6高位。這里需要說明的是，1992年貴州伏旱重，但雨澇指數不小的原因是由于前期6—7月上旬降水集中，有3次強等級以上暴雨過程，且1992年10月又出現1次特強暴雨過程。

通過計算得到1996—2020年的貴州雨澇年景指數與貴州直接經濟損失(資料來源貴州省應急廳)的相關系數為0.49，達到0.05顯著性水平。說明2個系列相關顯著，即貴州雨澇年景指數與實況災損吻合，能客觀定量反映貴州雨澇的年總體特征。2014年雨澇年景指數最大，暴雨洪澇災害重，在全國屬重災省份，因災轉移安置人口達到79萬人次，是近10年來因災轉移安置人數最多的一年，因洪澇災害造成的直接經濟損失高達182億元，是近60 a來的最高值，暴雨洪澇災害造成的直接經濟損失占到總損失量的91%。2020年全省因暴雨洪澇造成88 縣(市、區)1191個鄉鎮340.0萬人不同程度受災，因災死亡(失蹤)34人、緊急轉移安置人口26.3萬人次；農作物受災面積14.95萬hm2，其中絕收面積3.27萬hm2；倒塌房屋(937 戶)3000 間，損壞房屋6.8萬間；直接經濟損失73.7億元。1996年汛期暴雨洪澇災害重，貴陽市、凱里市及10多個縣城被淹，全省84個縣受災，其中重災45個縣，特重災29個縣，毀壞房屋31.7萬間，死亡511人，直接經濟損失高達99億元。

3 結論

①1961—2020年貴州區域性暴雨過程共出現721次，平均每年12.0次，但存在明顯的年際和年代際變化。2015年最多達20次，1961年最少僅4次。近60 a來，貴州區域性暴雨過程年次數以0.4次/10 a的速率呈弱的上升趨勢，但增加趨勢不顯著。20世紀60—80年代較少，90年代較多12.6次，21世紀00年代偏少11.5次，21世紀10年代最多13.4次。

②區域性暴雨過程3—11月均可發生，主要出現在汛期5—9月，占區域性暴雨總次數的89.9%，其中6—7月最為集中。6月出現最多223次，7月次之149次，3月最少僅有2次。

③區域性暴雨過程的影響范圍多為6～19站，占總數的79.0%，20站以上的過程占總數的21.0%，范圍最大的過程暴雨站數達54站。區域性暴雨過程的持續天數為 1～5 d，以1 d最多，占79.2%，2 d以上占20.8%，持續時間最長為5 d。平均暴雨量多為60～80 mm，最大為116.1 mm。

④近60 a來，不同等級強度暴雨過程的長期變化趨勢存在差異。強、特強暴雨過程呈顯著增加趨勢，較強暴雨過程呈略微增加趨勢，一般性暴雨過程呈略微減少趨勢，說明極端的區域暴雨事件呈顯著增加趨勢。

⑤近60 a來，貴州年最大區域暴雨過程綜合強度總體呈增加趨勢，階段性特征較明顯，20世紀60—80年代總體偏小，90年代開始總體偏大。夏季與年最大區域性暴雨過程綜合強度的變化特征較相似，秋季最大區域性暴雨過程綜合強度近10 a上升趨勢明顯。

⑥近60 a來，貴州雨澇年景指數呈顯著增加趨勢，20世紀90年代初雨澇年景指數由之前偏弱轉為之后的偏強，2014、2020、1996、1999、1995、2000、1991年7個強雨澇年都發生在1990年以后，與歷史上洪澇災害一致。