1973—2021年南京地區(qū)不同等級降水時空變化特征

湛忠宇 嚴 鋒 姜紅梅

(江蘇省水文水資源勘測局南京分局,江蘇 南京 211500)

由于全球氣候變化和人類活動的雙重因素影響,導(dǎo)致水循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的變化,大氣降水作為水循環(huán)過程的主要驅(qū)動因素,深入了解其結(jié)構(gòu)變化特征對于探索區(qū)域水循環(huán)的變異規(guī)律有著重要意義。諸多學(xué)者圍繞不同降水歷時的降水變化規(guī)律進行了有益探索,而不同等級降水因其劃分方便使用有效,近年來受到廣泛關(guān)注[1-2]。已有學(xué)者對北京地區(qū)[3]、太湖流域[4]、海河流域[5]、贛江流域[6]等區(qū)域不同等級降水的變化進行了研究。結(jié)果表明:不同等級降水的降水量、降水天數(shù)、降水強度在時空分布上存在著明顯差異。

南京市地處長江下游,屬亞熱帶季風氣候,降水的變化是造成災(zāi)害性天氣頻發(fā)的重要因素。因此,分析南京地區(qū)降水變化規(guī)律對于防御旱澇風險有著重要意義。已有涉及南京地區(qū)降水變化的文獻較多,大致分為:?針對降水的基礎(chǔ)性研究,主要是通過數(shù)理統(tǒng)計分析年尺度降水特征,研究表明南京地區(qū)年降水量存在增加趨勢,周期變化明顯[7-8];?從對暴雨的研究結(jié)果來看,主要表現(xiàn)為不同歷時年最大降水量總體呈現(xiàn)增大趨勢,短歷時、高強度的暴雨頻次呈現(xiàn)增加趨勢,主城區(qū)變化趨勢顯著[9];?試圖通過數(shù)理統(tǒng)計方法或模型,分析某一特定時期降水或異常降水事件的影響因素[10]。

綜上所述,雖然已有的研究中關(guān)于南京地區(qū)降水變化探討較多,但系統(tǒng)、全面闡述該區(qū)域不同等級降水的文獻仍較少見。鑒于此,本文利用南京地區(qū)7個雨量站點1973—2021年逐日降水數(shù)據(jù),分析了南京地區(qū)不同等級降水量、降水天數(shù)及降水強度的時空變化特征,以期為提高城市適應(yīng)氣候變化能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

考慮到行政區(qū)不同,本研究選用南京站、東山站、曉橋站、江寧鎮(zhèn)站、六合站、天生橋閘站和高淳站共7個雨量站1973—2021年日降水數(shù)據(jù)。根據(jù)采用的降水數(shù)據(jù)特點,定義8∶00至次日8∶00降水量不低于0.1mm為1個降水日。參考國家標準《降水量等級》(GB/T 28592—2012),將日降水量劃分為小雨(0.1～9.9mm)、中雨(10.0～24.9mm)、大雨(25.0～49.9mm)和暴雨(≥50.0mm)共4個等級。定義南京地區(qū)降水量、降水天數(shù)及降水強度分別為7個雨量站測定的降水量、降水天數(shù)及計算降水強度平均值。

采用氣候傾向率法分析降水量、降水天數(shù)、降水強度等降水指標趨勢,運用Mann-Kendall法檢驗趨勢變化顯著性和不同等級降水指標的突變情況,選定顯著性水平α=0.05,其對應(yīng)臨界值為1.96。此外,利用反距離權(quán)重插值法對降水數(shù)據(jù)進行空間插值,并根據(jù)插值結(jié)果分析南京地區(qū)降水的空間特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 時間變化分析

2.1.1 不同等級降水年際變化

利用南京地區(qū)7個雨量站降水數(shù)據(jù),計算研究區(qū)年降水量、降水天數(shù)和降水強度距平百分率,繪制出年降水量、降水天數(shù)、降水強度距平百分率年際變化曲線。

由圖1(a)～(e)可以看出,年降水量距平百分率傾向率為0.04%/10a,表明南京地區(qū)年降水量呈不顯著上升趨勢,結(jié)論與尹婭婷[7]、王曉瑩等[8]的研究結(jié)果一致,除小雨降水量以外,其余各等級降水量均呈增加趨勢,暴雨量變化趨勢顯著;由圖1(f)～(j)可以看出,年降水天數(shù)距平百分率降幅為-0.009%/10a,趨勢不顯著,不同等級降水天數(shù)與其對應(yīng)的降水量趨勢一致,小雨天數(shù)以0.027%/10a速度下降,趨勢顯著;由圖1(k)～(o)可以看出,受年降水量增加和年降水天數(shù)減少影響,南京地區(qū)年降水強度距平百分率增幅為0.05%/10a,上升趨勢顯著,受小雨降水天數(shù)減少影響,小雨強度上升趨勢顯著。

圖1 不同等級年降水量、降水天數(shù)、降水強度距平百分率年際變化

2.1.2 不同等級降水突變分析

使用Mann-Kendall突變檢驗進行突變分析,監(jiān)測突變點,表1和圖2列出了不同等級降水指標M-K檢驗成果。暴雨量UF和UB在2010年相交,且交點在置信區(qū)間內(nèi),是突變點,突變前后的多年平均年暴雨量分別為239.4mm、344.1mm。中雨天數(shù)UF和UB在2020年有交點,在置信區(qū)間內(nèi),是突變點。年降水強度UF和UB在2013年相交,且交點在置信區(qū)間內(nèi),是突變點,突變前后的多年平均降雨強度分別為9.5mm/d、10.9mm/d,突變明顯。年降水量、中雨量、暴雨強度、小雨強度、暴雨天數(shù)在2013年以后反復(fù)出現(xiàn)上升與下降的轉(zhuǎn)折變化,波動性強。從圖2可以看出,年降水量年際變化與年降水強度關(guān)系比與降水天數(shù)的關(guān)系更為密切,而中雨及以上等級降水量年際變化與降雨天數(shù)關(guān)系比與降雨強度的關(guān)系更為密切。

圖2 不同等級降水量、降水天數(shù)和降水強度突變檢驗

受氣候變化和人類活動影響,近10年南京地區(qū)降水量和降水強度明顯增加,尤其是短歷時強降水頻發(fā),更易引發(fā)流域及區(qū)域洪水,2015年、2016年秦淮河流域先后發(fā)生超歷史洪水,2020年滁河流域多個水文站點水位為有觀測記錄以來歷史極值,曉橋水文站實測流量排名第一。

2.2 空間變化分析

2.2.1 不同等級降水均值空間分布

采用反距離權(quán)重插值法對7個雨量站點的降水量、降水強度、降水天數(shù)進行插值,得到各指標的空間分布情況。

從圖3(a)～(e)所示的各級別降水量可見,南京市年平均降水量大致呈“南多北少”的帶狀分布,年降水量為1045.5～1238.8mm。小雨與中雨降水量空間分布相似,降水高值出現(xiàn)在南部高淳站、天生橋閘站,六合站、曉橋站較少,大雨降水量分布呈現(xiàn)“南部>北部>中部”的特點,暴雨降水量空間分布最為特殊,呈現(xiàn)“東多西少,臨水區(qū)大,遠水區(qū)小”的特點,城區(qū)南京站年平均暴雨量最大,可達288mm以上,這可能與城市雨島效應(yīng)有關(guān),與杜堯等[9]研究結(jié)論基本一致。

從圖3(f)～(j)所示的各級別降水天數(shù)可見,年降水天數(shù)空間分布與年降水量相似,各站年降水天數(shù)為104.9～124.8d。小雨天數(shù)、中雨天數(shù)和大雨天數(shù)分布與其相應(yīng)等級降水量分布基本一致,暴雨天數(shù)空間總體相差不大,為3.1～3.4d。

從圖3(k)～(o)所示的各級別降水強度可以看出,年降水強度分布與年降水量、降水天數(shù)明顯不同,高值位于南京站和六合站,曉橋站最小。江寧鎮(zhèn)小雨強度最大,曉橋站小雨強度最小;中雨強度空間差異較小,強度為15.51～15.80mm/a;大雨強度呈現(xiàn)南北高中間低、北部高于南部的空間格局;暴雨強度則與暴雨量分布空間規(guī)律一致。

2.2.2 不同等級降水年際變化空間分布

圖4顯示了1973—2021年南京市不同等級降水量變化趨勢的空間分布情況。整個區(qū)域年降水量呈上升趨勢,變化格局為中間增幅大兩側(cè)增幅小,北側(cè)大于南側(cè),天生橋閘增加趨勢達到0.05顯著性水平,變幅為78.92mm/10a。小雨量變化從東向西表現(xiàn)為“下降+上升+下降”相間分布,以南京市、江寧鎮(zhèn)為中心呈增加趨勢,變幅為1.66～3.30mm/10a;整個區(qū)域中雨量呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢,變化速率表現(xiàn)為中間低兩側(cè)高的空間格局,高值區(qū)位于天生橋閘,增加趨勢達到0.05顯著性水平,江寧鎮(zhèn)為低值區(qū),變幅在1.50mm/10a;大雨量從南到北呈現(xiàn)“上升+下降+上升+下降”的分布格局,六合、江寧鎮(zhèn)呈下降趨勢,變幅為-1.69～4.74mm/10a;暴雨量變化呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢,變化速率空間格局與年降水量相似,高值區(qū)位于天生橋閘,變幅為47.30mm/10a,江寧鎮(zhèn)增加趨勢也達到了0.05顯著性水平,高淳增幅較小,變化速率為10.10mm/10a。

圖4 不同等級降水量、天數(shù)、強度變化趨勢空間分布

年降水天數(shù)變化自西向東表現(xiàn)為“下降+上升+下降”相間分布,其中江寧鎮(zhèn)呈現(xiàn)不顯著的增加趨勢,變幅為1.96d/10a;天生橋閘降幅最小,為-0.04d/10a;高淳站減少趨勢達到0.05顯著性水平。小雨天數(shù)變化速率空間格局與年降水天數(shù)相似,除江寧鎮(zhèn)外,其他站點的減少趨勢都達到了0.05顯著性水平。中雨天數(shù)變化趨勢空間格局與其對應(yīng)的降水量變化相一致,天生橋閘增加趨勢顯著。區(qū)域各站點大雨天數(shù)呈不顯著增加趨勢,其變化格局為東北、西南兩側(cè)增幅較大,中間相對較小。區(qū)域暴雨天數(shù)變化趨勢空間格局與其對應(yīng)的降水量變化相一致,江寧鎮(zhèn)、天生橋閘增加趨勢達到了0.05顯著性水平。

除江寧鎮(zhèn)外,其他站點年降水強度顯著增強,高值區(qū)分別位于東部天生橋閘、西部曉橋,江寧鎮(zhèn)變幅較小,在0.164mm/(d·10a)。小雨強度存在空間差異,江寧鎮(zhèn)呈下降趨勢,除天生橋閘以外站點顯著增加;中雨強度變化從南到北表現(xiàn)為“下降+上升+下降+上升”相間分布;大雨強度從南到北大致表現(xiàn)為“上升+下降+上升”分布,江寧鎮(zhèn)顯著下降,高淳顯著上升;暴雨強度除高淳外,整體呈上升趨勢,其中六合、天生橋閘上升顯著,高值區(qū)位于南京站,增幅為5.158mm/(d·10a)。

2.3 不同等級降水貢獻率及發(fā)生率

對南京地區(qū)近49年平均降水量、平均降水天數(shù)、平均降水強度進行了統(tǒng)計。結(jié)果表明,南京地區(qū)年平均降水量為1120.0mm,平均降水天數(shù)為113.4d,平均降水強度為9.88mm/d。圖5為各站1973—2021年不同等級降水貢獻率與發(fā)生率,總體來看,不同等級降水貢獻率在各站數(shù)值較接近,中雨對多年平均降水量的貢獻率最多,其次是大雨、暴雨、小雨。各等級降水發(fā)生率在各站比較接近,不同等級降雨天數(shù)差異明顯,各等級降水發(fā)生率隨降水等級增加大致呈指數(shù)形式遞減。

由表2可以看出,49年來,南京地區(qū)年總降水量的變化受暴雨的影響較大,年總降水天數(shù)與不同等級降水天數(shù)的相關(guān)系數(shù)大小為:小雨>中雨>大雨>暴雨,說明小雨天數(shù)對年總降水天數(shù)的變化起主導(dǎo)作用;就年降水強度而言,其與中雨、大雨、暴雨的降水量、降水天數(shù)都呈現(xiàn)極顯著正相關(guān),而中雨以上等級降水天數(shù)占比較小(圖5),對年降水天數(shù)影響有限。基于中雨以上等級降水量與降水天數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系,降水天數(shù)主要通過對應(yīng)等級的降水量變化影響年降水強度。因此,南京地區(qū)近49年年降水強度的增強受暴雨量增加的影響較大。

表2 不同等級降水與年降水相關(guān)系數(shù)

3 結(jié) 語

1973—2021年,南京地區(qū)年降水量呈增加趨勢,小雨及以上等級降水量增加,年降水天數(shù)減少主要表現(xiàn)為小雨降水天數(shù)減少;暴雨量在2010年發(fā)生突變,年降水強度突變發(fā)生在2013年;空間分布上,降水量及降水天數(shù)整體呈南多北少分布,暴雨量及強度高值區(qū)主要分布在中部,天生橋閘暴雨量、降水天數(shù)、降水強度增加顯著。

本文基于數(shù)理統(tǒng)計方法對南京地區(qū)不同等級降水時空差異進行了探討,豐富了南京地區(qū)旱澇分析基礎(chǔ)研究,但是,不同等級降水的氣候變化過程機理和原因比較復(fù)雜,且具有很強的區(qū)域性,尚有待于在今后的工作中進一步探討和研究。