1981—2020年江西不同等級(jí)小時(shí)強(qiáng)降水的變化特征分析

周曉香，李志鵬，徐全倩，賴 亮，邱 亮

(江西省氣象信息中心，330096，南昌)

0 引言

短時(shí)強(qiáng)降水是指在短時(shí)間內(nèi)降水量超過(guò)一定閾值，且常伴有大風(fēng)、雷暴、冰雹等惡劣天氣的降水過(guò)程。中央氣象臺(tái)對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的定義為1 h降雨量大于等于20 mm的降水事件。短時(shí)強(qiáng)降水具有歷時(shí)短、雨強(qiáng)大、突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，易造成城市內(nèi)澇、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。

許多學(xué)者針對(duì)中國(guó)地區(qū)強(qiáng)降水做過(guò)分析，以往從日降水資料對(duì)強(qiáng)降水時(shí)空特征進(jìn)行分析[4-7]。近年來(lái)，隨著高時(shí)間分辨率降水資料的出現(xiàn)和積累，基于小時(shí)降水資料對(duì)中國(guó)各區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水特征的研究已逐步開(kāi)展。研究發(fā)現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水日變化存在區(qū)域性差異，如川渝地區(qū)夜間強(qiáng)降水事件特征表現(xiàn)明顯[8]，南北疆小時(shí)極端降水量和降水頻次的高值時(shí)段均在下午至前半夜[9]，廣東區(qū)域平均的汛期小時(shí)強(qiáng)降水的降水頻次的峰值出現(xiàn)在下午16:00[10-11]。從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)來(lái)看，近幾十年不同區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水的頻次和強(qiáng)度存在不同程度的增多增強(qiáng)趨勢(shì)[12-14]，如近30 a西南地區(qū)強(qiáng)短時(shí)強(qiáng)降水呈現(xiàn)頻次增加、強(qiáng)度增強(qiáng)的變化趨勢(shì)[15]，近54 a來(lái)廣東平均小時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)、強(qiáng)度、降水量和貢獻(xiàn)率在年以及前、后汛期的時(shí)間尺度上均為顯著上升的趨勢(shì)[16]。此外受迎風(fēng)坡和喇叭口等地形的強(qiáng)迫抬升因素影響，短時(shí)強(qiáng)降水空間分布與地形具有重要關(guān)系[17-18]。

江西省屬于亞熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，是短時(shí)強(qiáng)降水頻發(fā)的省份之一。周芳[19]等利用1998—2013年江西省汛期161個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水樣本統(tǒng)計(jì)了局地短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的出現(xiàn)頻數(shù)時(shí)空分布，并利用天氣學(xué)方法對(duì)局地短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行分類。付超[20]等利用2010—2016年江西省暖季逐小時(shí)降水資料得到短時(shí)強(qiáng)降水的頻次空間分布、月變化、日變化以及暴雨貢獻(xiàn)率特征。目前少有對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列的基于小時(shí)降水資料的江西地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水變化特征的研究，因此本文利用1981—2020年的40 a長(zhǎng)序列逐小時(shí)降水資料，針對(duì)江西地區(qū)開(kāi)展短時(shí)強(qiáng)降水氣候特征開(kāi)展研究，從而提高對(duì)該地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

1 資料與方法

1.1 資料的選取

本文選取1981年1月1日至2020年12月31日(40 a)江西省87個(gè)國(guó)家站經(jīng)過(guò)質(zhì)控后逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，其中1981—2004年是虹吸雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，2005—2020年是自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)。剔除因儀器故障造成降水量自記跡線有缺測(cè)，且缺測(cè)時(shí)間跨越某一個(gè)或幾個(gè)正點(diǎn)時(shí)，有關(guān)各時(shí)降水量無(wú)其它雨量計(jì)代替，整個(gè)缺測(cè)時(shí)段記其累計(jì)量，并填在該時(shí)段的最后一個(gè)小時(shí)欄內(nèi)，該小時(shí)累計(jì)時(shí)段降水量≥20 mm以上數(shù)據(jù)；資料序列比較短最近幾年新建臺(tái)站的小時(shí)強(qiáng)降水?dāng)?shù)據(jù)不參與分析。

1.2 方法

把小時(shí)雨量≥20 mm 的降水定義為小時(shí)強(qiáng)降水，根據(jù)不同量級(jí)的降水將其劃分為3個(gè)等級(jí)(分別為 20～30 mm/h、30～50 mm/h、≥50 mm/h)，對(duì)其時(shí)空分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。使用方法有滑動(dòng)平均、線性趨勢(shì)分析、計(jì)算趨勢(shì)系數(shù)、Mann-Kendall檢驗(yàn)等[21]。

2 江西不同等級(jí)小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)的時(shí)空特征

2.1 年際、年代際變化

圖1(a)是江西87個(gè)觀測(cè)站空間平均后的20～30 mm/h等級(jí)的小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)的逐年變化。可見(jiàn)，江西平均20～30 mm/h等級(jí)小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)具有顯著年際變化特征，近40 a以0.51 h/10a的速率增加(相關(guān)系數(shù)為0.58)，通過(guò)了0.001顯著性水平檢驗(yàn)，增加趨勢(shì)非常顯著。從11 a滑動(dòng)平均曲線看，江西20～30 mm/h等級(jí)小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)也存在年代際波動(dòng)，20世紀(jì)90年代前和21世紀(jì)初略有下降，20世紀(jì)90年代前期至后期、21世紀(jì)00年代中期至2020年呈上升趨勢(shì)。

圖1(b)是江西平均30～50 mm/h等級(jí)的小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)的逐年變化。該等級(jí)小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)具有顯著年際變化特征，近40 a以0.26 h/10a的速率增加(相關(guān)系數(shù)為0.63)，通過(guò)了0.001顯著性水平檢驗(yàn)，增加趨勢(shì)非常顯著。從11 a滑動(dòng)平均曲線的年代際變化看，20世紀(jì)90年代前略有下降，20世紀(jì)90年代至2020年呈顯著上升趨勢(shì)。

圖1(c)是江西平均≥50 mm/h等級(jí)的小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)的逐年變化。可見(jiàn)，江西平均≥50 mm/h等級(jí)小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)近40 a以0.03 h/10a的速率增加(相關(guān)系數(shù)為0.44)，通過(guò)了0.01顯著性水平檢驗(yàn)，增加趨勢(shì)顯著。從11 a滑動(dòng)平均曲線看，江西≥50 mm/h等級(jí)小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)存在年代際變化，20世紀(jì)90年代前略有下降，20世紀(jì)90年代至2020年呈上升趨勢(shì)。

(a)20～30 mm/h；(b)30～50 mm/h；(c)≥50 mm/h

2.2 突變分析

對(duì)1981—2020年江西不同等級(jí)小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)，圖2(a)、(b)UF曲線表明自20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，20～30 mm/h、30～50 mm/h等級(jí)小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)有明顯增多趨勢(shì)，在21世紀(jì)10年代前期超過(guò)顯著性水平0.001臨界線，表明江西20～30 mm/h、30～50 mm/h等級(jí)降水次數(shù)增加趨勢(shì)明顯。根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，在21世紀(jì)00年代中期有一個(gè)增加的突變，具體發(fā)生在2005—2007年，增加趨勢(shì)顯著。

圖2(c)UF曲線表明≥50 mm/h等級(jí)小時(shí)強(qiáng)降水自20世紀(jì)90年代后期呈上升趨勢(shì)，21世紀(jì)10年代中期增加趨勢(shì)超過(guò)顯著性0.05水平臨界線(U0.05=1.96)。根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，增加的突變約發(fā)生在21世紀(jì)00年代中期，具體為2006—2008年。

(水平線：M-K檢驗(yàn)0.001顯著性水平)

2.3 空間變化特征

由江西各站點(diǎn)年總小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)的變化趨勢(shì)(圖3(a))可見(jiàn)，87個(gè)站中除余干(-0.041)、安福(-0.005)、九江市(-0.002)為弱的負(fù)趨勢(shì)外，其余84個(gè)站均為正趨勢(shì)，全省大部分地區(qū)小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)均為增多趨勢(shì)。趨勢(shì)系數(shù)最大的前5位站點(diǎn)分別為臨川(0.31)、鷹潭(0.23)、資溪(0.18)、景德鎮(zhèn)(0.17)、廣信區(qū)(0.17)，最為顯著的區(qū)域?yàn)榻髦袞|部、東北部、遂川以及定南周邊區(qū)域，均通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)，增加趨勢(shì)顯著。

江西各站點(diǎn)20～30 mm/h 等級(jí)的強(qiáng)降水次數(shù)變化趨勢(shì)(圖3(b))來(lái)看，據(jù)統(tǒng)計(jì)全省8個(gè)站為弱的負(fù)趨勢(shì)外，其余79個(gè)站均為正趨勢(shì)，說(shuō)明全省大部分地區(qū)20～30 mm/h等級(jí)強(qiáng)降水呈增多趨勢(shì)。增多趨勢(shì)較為顯著區(qū)域主要為江西中東部的永修—豐城—臨川一帶，江西東北部彭澤—景德鎮(zhèn)一帶和江西中西部井岡山—遂川一帶，均通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)。

統(tǒng)計(jì)江西各站點(diǎn)30～50 mm/h 等級(jí)的強(qiáng)降水次數(shù)變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，全省7個(gè)站為弱的負(fù)趨勢(shì)外，其余80個(gè)站均為正趨勢(shì)，說(shuō)明全省大部分地區(qū)30～50 mm/h等級(jí)強(qiáng)降水呈增多趨勢(shì)。圖3(c)可見(jiàn)近40 a來(lái)增多趨勢(shì)較為顯著區(qū)域主要為江西中東部的吉安—豐城—臨川—黎川一帶，存在臨川、黎川2個(gè)大值中心，增多趨勢(shì)均通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)。此外江西東北部景德鎮(zhèn)、江西南部定南周邊區(qū)域增多趨勢(shì)也較為顯著。

據(jù)統(tǒng)計(jì)江西各站點(diǎn)≥50 mm/h 等級(jí)的強(qiáng)降水次數(shù)變化趨勢(shì)，全省28個(gè)站為負(fù)趨勢(shì)，59個(gè)站均為正趨勢(shì)，存在空間差異。圖3(d)為江西各站點(diǎn)≥50 mm/h等級(jí)的強(qiáng)降水次數(shù)變化趨勢(shì)系數(shù)分布，可見(jiàn)該等級(jí)通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)的增多趨勢(shì)顯著的站點(diǎn)為臨川、豐城、萬(wàn)安、鷹潭，減少趨勢(shì)顯著的站點(diǎn)為萬(wàn)年。

(圖例色標(biāo)：趨勢(shì)系數(shù)，黑色實(shí)心點(diǎn)：通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)的站點(diǎn))

3 結(jié)論

利用江西87個(gè)氣象觀測(cè)站1981—2020年共40 a逐小時(shí)降水資料，通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法分析了3個(gè)等級(jí)(20～30 mm/h、30～50 mm/h、≥50 mm/h)短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)的時(shí)空變化特征，得到如下結(jié)論。

近40 a江西87個(gè)站的不同等級(jí)強(qiáng)降水區(qū)域平均頻次均呈顯著增加趨勢(shì)，其中20～30 mm/h、30～50 mm/h等級(jí)強(qiáng)降水次數(shù)上升趨勢(shì)非常顯著，通過(guò)0.001顯著性水平檢驗(yàn)。

江西20～30 mm/h、30～50 mm/h等級(jí)小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)在2005—2007年發(fā)生增加的突變，并且在21世紀(jì)10年代初期增加趨勢(shì)更明顯，超過(guò)0.001水平顯著性臨界線。≥50 mm/h 等級(jí)小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)增加的突變約發(fā)生在2006—2008年，21世紀(jì)10年代中期增加趨勢(shì)顯著，超過(guò)0.05水平顯著性臨界線。

近40 a來(lái)江西大部分地區(qū)小時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)均呈增加趨勢(shì)，其中江西中東部臨川-豐城一帶不同等級(jí)小時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)均呈顯著上升趨勢(shì)。