吳桂明

摘要：利用1972-2018年封開縣逐日降水資料，采用線性傾向估計(jì)、Mann-Kendall、滑動(dòng)T檢驗(yàn)及小波分析等方法，對(duì)封開縣暴雨的氣候特征及變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果表明：封開縣全年均可出現(xiàn)暴雨，暴雨主要集中出現(xiàn)在4月到7月份，占到暴雨總?cè)諗?shù)的66.5%;封開縣近47年的年平均暴雨日數(shù)為4.3d，年暴雨量為298.4mm，年暴雨強(qiáng)度為69.1mm/d，暴雨洪澇貢獻(xiàn)率為19.6%。暴雨日數(shù)的年際變化較大，最多年份暴雨日數(shù)為8d，最小的年份為1d，年暴雨日數(shù)以0.205d/10a的速率減少。近47年封開縣封開縣暴雨初日的日期為上升趨勢;終日的日期為下降趨勢，但變化都不明顯;年暴雨日數(shù)、暴雨量、暴雨貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)減少趨勢，暴雨強(qiáng)度呈現(xiàn)增加趨勢，但減少和增加趨勢都不明顯;暴雨日數(shù)、暴雨量、暴雨強(qiáng)度、暴雨貢獻(xiàn)率均沒有發(fā)生明顯突變;年暴雨日數(shù)和年暴雨量分別都存在準(zhǔn)4-6a和準(zhǔn)24-26a的振蕩周期。重現(xiàn)期計(jì)算中，封開50a一遇的最大日降水量為161.8mm，100a一遇的最大日降水量為179.7mm。

關(guān)鍵詞：暴雨;趨勢分析;特征分析;Mann-Kendall檢驗(yàn);滑動(dòng)T檢驗(yàn)

封開縣屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，受到季候風(fēng)影響，太陽輻射強(qiáng)，光照充足，雨量充沛，氣候溫暖，冬短夏長，無霜期長;年雨量較充足，但年際間變率大;雨熱同季，但由于干季和濕季的差異明顯，常導(dǎo)致在汛期期間出現(xiàn)不同程度的洪澇，而在冬、春季容易出現(xiàn)干旱，俗稱“十年有九旱”。為了做好科學(xué)的蓄水工作，預(yù)防出現(xiàn)冬春季節(jié)性干旱缺水，首先需要做短期氣候預(yù)測，其次更需要對(duì)封開縣降雨的氣候特征做深入的分析研究，降雨量的多年一遇的特大降水，以及暴雨的氣候變化趨勢等。國內(nèi)在暴雨的氣候特征及暴雨多年一遇極值方面已有不少研究，如王麗文對(duì)珠海市年雨量和年最大日雨量多年一遇的極值進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，得出了珠海市20年一遇的估算年最大日雨量是455mm，30年一遇是503mm，50年一遇是565mm，100年一遇的則是648mm等結(jié)論作為參考。董國業(yè)等分析近51年廣東暴雨的氣候特征發(fā)現(xiàn)，暴雨雨量有明顯的年際變化。楊水泉用極值分布計(jì)算過黔南各縣市最大降雨量的重現(xiàn)期，得出了都勻、羅甸等地的50年、100年、200年一遇的降雨量。本文利用封開縣1972～2018年的降水資料，對(duì)封開縣暴雨的氣候特征以及極端降水的重現(xiàn)期進(jìn)行分析，以期為當(dāng)?shù)卣罏?zāi)減災(zāi)工作、防汛抗洪等都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義參考依據(jù)。

1 資料與方法

采用1972～2018年封開縣國家基本站逐日降水量資料，按照廣東省降水強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，以24h（20：00～次日20：00）日降水量R≥50mm統(tǒng)計(jì)為一個(gè)暴雨日，R≥100mm統(tǒng)計(jì)為一個(gè)大暴雨日，R≥250mm統(tǒng)計(jì)為一個(gè)特大暴雨日。暴雨降水量為暴雨以上的降水量之和，暴雨強(qiáng)度定義為暴雨量與同時(shí)段暴雨日數(shù)之比，暴雨貢獻(xiàn)率定義為暴雨以上降水總量與年總降水量之比。本文利用線性趨勢系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)、采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行暴雨日數(shù)、暴雨強(qiáng)度、暴雨貢獻(xiàn)率突變檢驗(yàn)，Morlet小波法進(jìn)行暴雨日數(shù)、暴雨量周期分析，并用指數(shù)（Exponential）曲線分布理論計(jì)算不同重現(xiàn)期的降水極值。

2 暴雨特征分析

2.1 月暴雨日數(shù)

圖1可知封開縣暴雨日數(shù)存在明顯的月變化，呈現(xiàn)單峰型，3月開始為暴雨的突增期，11月為暴雨的陡減期。封開縣6月份暴雨日數(shù)最多，其后是5月、7月和4月，暴雨主要集中出現(xiàn)在4月到7月份，占到暴雨總?cè)諗?shù)的66.5%。近47a，封開前汛期（4到6月）出現(xiàn)暴雨頻次共109d，占全年暴雨日數(shù)的53.7%，其中大暴雨7d，特大暴雨0d;后汛期（7到9月）出現(xiàn)暴雨頻次共58d，占全年暴雨日數(shù)的28.6%，其中大暴雨8d，特大暴雨0d;暴雨主要出現(xiàn)在前汛期，大暴雨在前汛期和后汛期出現(xiàn)次數(shù)相當(dāng)。

2.2 年暴雨日數(shù)

1972-2018年封開縣年平均暴雨日數(shù)為4.3d。從圖2（圖略）中可知，封開縣暴雨日數(shù)年際差較為明顯，1976年、1996年和2013年暴雨日數(shù)最多達(dá)到8d，最少為1977年、1989年、1990年、1999年和2014年都為1d，暴雨日數(shù)最多年和最少年相差7d。近47a來，封開縣年暴雨日數(shù)以0.205d/10a的速率減少，在通過線性傾向估計(jì)，利用最小二乘法，得出復(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.142，小于查表值r0.05=0.27594，表示未通過α=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，減少趨勢不明顯。從暴雨五年滑動(dòng)平均值趨勢分析來看，封開縣暴雨日數(shù)出現(xiàn)了3次波動(dòng)，分別在1976年、1996年和2013年達(dá)到波峰;在1997年、1989年、和2014年達(dá)到波谷，從而也表明封開暴雨日數(shù)變化存在15到16年的一個(gè)波動(dòng)周期。

2.3 年暴雨量

通過數(shù)據(jù)分析可得近47年以來封開縣平均年暴雨量為298.4mm，年暴雨量1989年和1990年最少，為55.9mm，2013年最多，為619.2mm，兩者相差563.3mm。從圖3中可知，暴雨量線性傾向方程b=-1.4147為負(fù)值，表明暴雨量有減少的趨勢，但沒有通過α=0.05水平信度檢驗(yàn)，說明暴雨量減少趨勢不明顯。通過暴雨量5年滑動(dòng)平均變化可知，主要存在4個(gè)明顯的多暴雨期和5個(gè)少暴雨期，4個(gè)多暴雨期分別為20世紀(jì)70年代中期、20世紀(jì)80年代初期、20世紀(jì)90年代中后期、21世紀(jì)10年代初期;5個(gè)少暴雨期分別為20世紀(jì)70年代后期、20世紀(jì)90年代初期、20世紀(jì)90年代后期、21世紀(jì)00年代后期、21世紀(jì)10年代中期。從年代際暴雨量來看，1972—2018年封開縣年暴雨量變化趨勢為14.14mm/10a，47年來年暴雨量減少了66.5mm。

2.4 年暴雨強(qiáng)度

近47年來，封開縣年暴雨強(qiáng)度平均值為69.1mm/d，最大值為104.3mm/d（2014年），最小值52.8mm/d（2007年）。從圖4可知，年暴雨強(qiáng)度呈現(xiàn)多波動(dòng)變化，并且根據(jù)線性傾向方程可知封開縣年平均暴雨強(qiáng)度呈增加的趨勢，但未通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明暴雨強(qiáng)度增加趨勢不明顯。從五年滑動(dòng)平均變化可知，20世紀(jì)80年代初期到中期暴雨強(qiáng)度處于偏強(qiáng)階段;20世紀(jì)80年代后期到21世紀(jì)10年代初期暴雨強(qiáng)度處于偏弱階段;21世紀(jì)中期暴雨強(qiáng)度處于偏強(qiáng)階段。近47年封開縣暴雨強(qiáng)度變化可知，大致變化為2個(gè)偏強(qiáng)階段，1 個(gè)偏弱階段。

2.5 年暴雨貢獻(xiàn)率

為研究暴雨在總降水中的作用，暴雨貢獻(xiàn)率可反映暴雨對(duì)洪澇的貢獻(xiàn)大小，貢獻(xiàn)率越大說明暴雨越集中，更容易發(fā)生洪澇。1972—2018年封開縣暴雨洪澇貢獻(xiàn)率年平均為19.6%，接近占總降水的四分之一，暴雨貢獻(xiàn)率最大達(dá)38.5%（1976年），最小為4.1%（1990年）。從圖5可知，封開縣年暴雨貢獻(xiàn)率呈微弱的減少趨勢，但未通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明暴雨貢獻(xiàn)率減少趨勢不明顯。從五年滑動(dòng)平均變化可知，1972—2018年封開縣暴雨洪澇貢獻(xiàn)率呈波動(dòng)變化（圖5），4個(gè)波峰分別出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代中期、80年代初期到中期、90年代中期和21世紀(jì)10年代初期;4個(gè)波谷分別在1977年、1990年、1999年和2014年。

2.6 年暴雨初日和終日變化

近47年封開縣暴雨的初終日和初日主要集中出現(xiàn)在4月，最早出現(xiàn)在1月3日（1992年），最遲出現(xiàn)在11月16日（1990年），平均初日為4月28日;暴雨終日最早出現(xiàn)在3月30日（2014年），最晚終日出現(xiàn)在12月16日（2013年），平均終日為8月22日。圖6可知，1972-2018年封開縣暴雨初日的日期為上升趨勢;終日的日期為下降趨勢，但變化的速度都較小，相關(guān)系數(shù)均未通過了置信度=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，說明暴雨初終日變化不明顯。

3 周期變化

3.1 突變分析

Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法（簡稱M-K）是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，優(yōu)點(diǎn)在于不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制出UF和UB曲線圖，然后據(jù)圖進(jìn)行分析。UF或UB大于0，說明序列呈上升趨勢;反之，小于0，說明序列呈下降趨勢。如果UF或UB超過臨界值線（α=0.05的水平臨界值±1.96），則表明上升或下降趨勢顯著，超出的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。若兩者在臨界值內(nèi)有交點(diǎn)，則該交點(diǎn)為突變開始的時(shí)間。如果檢驗(yàn)出現(xiàn)多個(gè)突變點(diǎn)或者突變點(diǎn)在置信區(qū)外的時(shí)候，使用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法，對(duì)上述突變點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)中子序列長度分別為5、10、15a和20a來分析是否通過α=0.01信度檢驗(yàn)，從而判斷真正的突變開始時(shí)間。

從圖7（a）中的UF和UB曲線可知，存在多個(gè)交點(diǎn)，暴雨日數(shù)呈波動(dòng)變化，在顯著性水平α=0.05的臨界線內(nèi)有10個(gè)交點(diǎn)，說明在這10年暴雨日數(shù)可能發(fā)生突變，經(jīng)滑動(dòng)T檢驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)，當(dāng)子序列n（5a、10a、15a、20a）時(shí)，這些突變點(diǎn)都沒超過99%的置信水平，表明暴雨日數(shù)近47年變化中未發(fā)生顯著突變。從圖7（b）封開縣暴雨量M-K突變檢驗(yàn)中可知，UF和UB曲線存在10個(gè)交點(diǎn)，說明暴雨量在這10年可能發(fā)生突變，經(jīng)滑動(dòng)T檢驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)，當(dāng)子序列n（5、10、15、20a）時(shí)，這些突變點(diǎn)都沒超過99%的置信水平，表明暴雨量近47年變化中未發(fā)生顯著突變。從圖7（c）封開縣暴雨強(qiáng)度M-K突變檢驗(yàn)中可知，UF和UB曲線存在19個(gè)交點(diǎn)，同樣經(jīng)滑動(dòng)T進(jìn)一步檢驗(yàn)，當(dāng)子序列n（5、10、15、20a）時(shí)，這些突變點(diǎn)都沒超過99%的置信水平，表明暴雨量近47年變化中未發(fā)生顯著突變。從圖7（d）封開縣暴雨貢獻(xiàn)率M-K突變檢驗(yàn)中可知，UF和UB曲線存在6個(gè)交點(diǎn)，進(jìn)一步通過滑動(dòng)T檢驗(yàn)，當(dāng)子序列n（5、10、15、20a）時(shí)，這些突變點(diǎn)都沒超過99%的置信水平，表明暴雨量近47年變化中未發(fā)生顯著突變?？傮w說明封開縣近47年暴雨日數(shù)、暴雨量、暴雨強(qiáng)度和暴雨貢獻(xiàn)率均沒有發(fā)生明顯突變。

3.2 小波分析

基于上述對(duì)暴雨日數(shù)和暴雨量的趨勢變化分析，利用小波變化方法對(duì)氣象要素的年際變化進(jìn)行了周期分析。圖示中白色區(qū)域?yàn)榈椭抵行模t色區(qū)域?yàn)楦咧抵行?，分別代表了暴雨日數(shù)和暴雨量的增多和減少趨勢。1972年到2018年，封開縣暴雨日數(shù)和暴雨量都存在著“少一多-少”震蕩周期變化。

圖8中可知，暴雨日數(shù)和暴雨量的小波實(shí)部在尺度、時(shí)空分布上都比較相似。暴雨日數(shù)（圖8a）存24-26a的長周期特征，20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)00年代存在較明顯10-14a周期特征，準(zhǔn)4-6a年的周期特征貫穿整個(gè)時(shí)間段。暴雨量（圖8b）在20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)00年代存在24-26a的長周期，同樣在20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)00年代存在較明顯12-14a周期特征，準(zhǔn)4-6a年的周期為主尺度。

4 重現(xiàn)期變化

近47年來，封開最大日降水量為149.0mm，通過指數(shù)曲線分布理論，計(jì)算最大日降水量a、b值分別為59.31、61.04，取重現(xiàn)期t=5、10、15、20、30、50、100、150、200，計(jì)算封開最大日降水量的設(shè)計(jì)氣候極值結(jié)果見表1。

由表1可知，封開縣5年一遇的最大日降水量是102.5mm，10年一遇的是120.4mm，50年一遇的是161.8mm，100年一遇的則是179.7mm，200年一遇的則是197.5mm。用實(shí)況資料對(duì)比計(jì)算可知，如果降水量是120mm以上，則估算重現(xiàn)期為9.8年，實(shí)測值中封開47年來共出現(xiàn)5次120mm以上的日降水量，平均9.7年1次，與估算值幾乎一致;如果日降水量是90mm，實(shí)測值中平均2.2年1次，略低于估算的重現(xiàn)期3.0年1次;如果日降水量是80mm，平均1.7年1次，略低于估算的重現(xiàn)期2.0年1次。從而可知用指數(shù)分布函數(shù)來估算的重現(xiàn)期與封開實(shí)際的重現(xiàn)期大體相近，表明此方法是可用的，并且參考價(jià)值高。

5 結(jié)論

（1）封開縣全年均有暴雨出現(xiàn)，6月份暴雨日數(shù)最多，其后是5月、7月和4月;近47a，封開前汛期（4到6月）出現(xiàn)暴雨頻次共109d，占全年暴雨日數(shù)的53.7%;后汛期（7到9月）出現(xiàn)暴雨頻次共58d，占全年暴雨日數(shù)的28.6%;大暴雨日數(shù)主要集中在6到9月，占全年大暴雨總?cè)諗?shù)的66.7%，特大暴雨日數(shù)0d。