梁彩欣，張守平，李欣曈

(重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074)

受全球氣候變化和人類活動的影響，全國各地呈現(xiàn)出不同的降雨趨勢。了解降雨變化的原因，分析影響降雨時長、降雨強度的主要因素，得出降雨特性的變化趨勢，對降雨預測，以及應對極端氣候事件和洪澇災害防治等有參考作用。眾多學者[1-8]基于長系列日降雨數(shù)據(jù)，分析城市降水強度、降水頻率、降水結構、暴雨日數(shù)的變化趨勢，對降雨特性分析、降水時間和空間分布特征、城市化對降雨特性影響等進行了一系列研究，討論了未來降雨趨勢變化對該地干旱災害風險或防洪減汛風險的影響。盡管許多學者對于降雨趨勢變化影響的結果做出了一系列研究，但由于地區(qū)的差異性，不同地區(qū)的降雨趨勢截然不同。

中山市位于廣東省中南部，地形以平原為主，四周平坦，全市均在北回歸線以南，屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛。市內建有中順大圍以防御洪水與臺風暴潮，但在熱島效應、雨島效應的影響下，加之市內排水管網設計標準過低，使得中山市每年汛期都出現(xiàn)“水浸”現(xiàn)象。本文選取中山市作為降雨變化的研究區(qū)域，以中山市1955—2014年60 a日降雨數(shù)據(jù)為基礎資料，對中山市降雨量變化進行分析，運用滑動平均法、Mann-Kendall非參數(shù)秩次檢驗法、Mann-Kendall突變檢驗、目估適線法等方法，從趨勢分析和結構分析上對中山市降水特性演變規(guī)律進行研究，為日后防澇減災工作提供科學理論。

1 數(shù)據(jù)來源及分析方法

1.1 資料準備

本文選取國家氣象站地面基礎氣象數(shù)據(jù)，并篩選出位于中山市內編號為59478、59488、59493的3個國家氣象站，提取站點1955—2014年60 a日降雨數(shù)據(jù)作為研究資料。

1.2 研究方法

滑動平均法：可以通過增加滑動長度使得序列之間相關度增加，長序列數(shù)據(jù)顯現(xiàn)出變化趨勢。本文采用的是5 a滑動平均法。

Mann-Kendall非參數(shù)秩次檢驗法：可以客觀地表現(xiàn)樣本序列的整體變化趨勢，計算簡便且不受異常值干擾。當統(tǒng)計量Z值大于0時，表示原序列呈上升趨勢；否則為下降趨勢。其絕對值大于等于1.28和1.64分別表示通過了置信度為90%、95%的顯著性檢驗[9]。

Mann-Kendall突變檢驗：是在時間序列穩(wěn)定的前提下，設定原假設時間序列無變化，且要求序列獨立，隨機變量概率服從同一分布[10]。UF(k)服從標準正態(tài)分布，如果UF(k)大于零，表明系列有上升趨勢，如果UF(k)小于零，表明有下降趨勢。通過正序列UF(k)曲線和反序列UB(k)曲線在置信區(qū)間內的交點位置，可確定序列突變點位置。

2 結果分析

2.1 降水趨勢分析

運用5 a滑動平均法和Mann-Kendall非參數(shù)秩次檢驗法對中山市年降水量進行趨勢分析，結果見圖1和表1所示。

根據(jù)圖1可知中山市年降水量處于波動狀態(tài)，豐枯變化頻繁，年降水量最大值與最小值之比為2.73?；瑒悠骄€波動幅度大，總體呈上升趨勢。對中山市年降水量進行M-K統(tǒng)計分析，由表1可知年降水量統(tǒng)計量值為1.30，通過保證率為90%的M-K趨勢檢驗，呈顯著上升趨勢，這與滑動平均的檢驗結果一致。

圖1 1955—2014中山市年降水量變化示意

表1 中山市年降水序列M-K統(tǒng)計

檢測項名稱 Z置信度90%臨界值趨勢性年降水量1.301.28顯著

對年降水量序列進行M-K突變性分析得到圖2，圖2中若UF(k)和UB(k)的交點位于置信度線之間，則此點可能就是突變點的開始，觀察可得UF(k)和UB(k)曲線于1959年和2012年有一個交叉點，說明有較小程度的突變現(xiàn)象發(fā)生。在1962年、1974—1979年、1982年超過2.56臨界線，說明中山市在這3 a的年降雨量顯著上升。總體而言，1955—2014年中山市年降雨量呈現(xiàn)出“減—增—減—增”平緩波動的趨勢，但總體呈上升趨勢。

圖2 中山市年降水序列M-K檢驗統(tǒng)計值U變化示意

降水量受降水日數(shù)及日平均降水強度共同影響[11]，通過對這兩個因素進行趨勢性分析和突變性分析，可以探討中山市年降水量變化的主要影響因素，結果見圖3、圖4和表2所示。

圖3 中山市年降水日數(shù)序列5 a滑動平均過程線示意

圖3中年降雨日數(shù)波動幅度較大，降水日數(shù)在1955—2000年間呈輕微上升趨勢，但在2000年后呈波動幅度較大的下降趨勢，整體降雨日數(shù)呈輕微減少趨勢。圖4中滑動平均曲線則呈顯著上升趨勢，表明日平均降水強度整體上上升趨勢明顯。由表2檢驗統(tǒng)計量可知，年降水天數(shù)未通過M-K趨勢檢驗，其統(tǒng)計量值接近0，表明年降水天數(shù)呈微弱減小趨勢。而日平均降雨強度通過保證率為95%的趨勢性檢驗，表明日平均降雨強度呈顯著增加趨勢。綜上可分析得近 60 a 內，中山市降水日數(shù)呈輕微下降趨勢，而降水強度顯著增加，從而年降雨量增加。

圖4 中山市降水強度序列5 a滑動平均過程線示意

表2 中山市降水日數(shù)、降水強度M-K統(tǒng)計

檢測項名稱 Z置信度95%臨界值趨勢性年降水日數(shù)0.371.64不顯著日均降水強度1.971.64顯著

2.2 降水結構分析

降水結構分析能從微觀上解決宏觀狀況，更好地說明降水結構特征，分析區(qū)域降水結構變化趨勢[12]，本文分別對長系列年降雨組成、代表年降雨組成和不同強度降水組成進行了分析。

2.2.1長系列年降雨組成

日降雨特征分析則能夠反應降雨頻率的組成占比，直觀展現(xiàn)不同等級降雨的貢獻率。將降雨分為小雨、中雨、大雨和暴雨等級進行分析，其中當日降雨量大于50 mm統(tǒng)稱為暴雨，根據(jù)對中山市日降雨量資料分析，1955—2014年間共有6 696 d降雨，最大降雨發(fā)生在2003年9月15日，降雨量達到了285.5 mm。對中山市60 a的日降雨資料進行分類統(tǒng)計，不同降雨等級所占比例見圖5所示。

根據(jù)圖5分析可知，小雨和中雨的降雨天數(shù)占總降雨天數(shù)的78.8%，即中山市的降雨主要還是以中小雨為主，但是從降雨量上看，雖然大雨和暴雨的降雨天數(shù)僅占總降雨天數(shù)的19%，但暴雨和大雨所占總降雨量比例超過50%，說明中山的降雨總量主要還是由大雨和暴雨決定。大暴雨和特大暴雨在中山市也會發(fā)生，但是降雨天數(shù)占比少，說明中山市防洪對象還是應該以暴雨和大雨為主。

圖5 中山市不同降雨等級所占比例示意

2.2.2代表年降雨組成

根據(jù)中山市日降雨資料分析得，中山市年均降雨為1 881.3 mm。降雨量頻率計算分析采用目估適線法，水文頻率分布線型采用皮爾遜Ⅲ型，按照目估適線法的步驟進行配線，其中，樣本均值為1 881.3，Cv值為0.194。選取最優(yōu)配線結果作為最后采用的理論頻率曲線，其中Cv值為0.18，倍比為3，Cs值為0.54。

根據(jù)適線結果，選取頻率為0.5%、25%、50%、75%左右的年份作為代表年，選取2016年、2012年、2010年、2007年，年降雨量分別為2 888.2 mm、2 102 mm、1 845.2 mm、1 568 mm。統(tǒng)計代表年內不同降雨量等級的發(fā)生次數(shù)以及降雨量，不同代表年的降雨頻率占比見圖6所示。

圖6 中山市不同代表年的降雨頻率占比示意

從圖6可以看出，在豐水年、平水年和枯水年，小雨的降雨頻率大于50%，而暴雨以上的降雨事件占比小于10%，說明在正常年份，中山市1 a內的降雨等級主要還是以小雨為主。但對比發(fā)生頻率為0.5%的特豐水年，可以明顯看出小雨的降雨頻率僅為10.7%，暴雨以上的降雨事件占比高達43.2%，說明特豐水年的降雨量主要是以暴雨及以上等級的降雨決定的。

2.2.3不同強度降水的變化

研究中將日降水量劃分為0.1～10 mm、10～25 mm、25～50 mm、>50 mm 4個量級，計算出降水頻率(%)與降水量百分比(%)，并對比分析降水頻率和降水百分比在不同量級的貢獻率，結果見圖7和圖8所示。

圖7 中山市降水頻率變化曲線示意

圖8 中山市降水量百分比變化曲線示意

由圖7可分看出，各量級降水的降水頻率呈波動性變化，0.1～10 mm、10～25 mm、25～50 mm、>50 mm 4個量級的降水頻率分別以63%、17%、11%、8%為均值上下波動，0.1～10 mm量級波動較大，最高達75.7%。由圖8可以看出，不同量級的降水量百分比波動幅度較大，其中>50 mm量級的降水百分比整體呈上升趨勢，而0.1～10 mm量級的降水百分比則呈整體下降趨勢。暴雨雨量有較明顯的上升趨勢，降水潛力上升，降水結構發(fā)生改變。

3 結論與建議

本文采用中山市近60 a長序列年降雨量資料，從趨勢分析和結構分析上對中山市降水特性演變規(guī)律進行研究，得到以下結論：

1) 中山市年降水量通過保證率為90%的M-K趨勢檢驗，呈顯著上升趨勢；對年降水量序列進行M-K突變性分析，得到1955—2014年中有兩個突變點，分別為1959年和2012年，年降雨量呈現(xiàn)出“減—增—減—增”平緩波動但總體為上升趨勢；年降雨量呈上升趨勢的主要原因是由日平均降雨強度呈顯著增加。

2) 利用日降雨資料對中山市降雨等級進行統(tǒng)計分析，從降雨天數(shù)來看，得出中山市降雨以中小雨為主；從降雨量來看，中山市總降雨量主要由大雨和暴雨組成。

3) 利用目估適線法，選用Ⅲ型曲線，對降雨量進行統(tǒng)計分析，得出在正常年份，中山市1 a內的降雨等級主要還是以小雨為主，但特豐水年的降雨量主要是以暴雨及以上等級的降雨為主。

4) 將日降水量劃分為0.1～10 mm、10～25 mm、25～50 mm、>50 mm 4個量級，各量級降水的降水頻率呈波動性變化，其中>50 mm量級的降水百分比整體呈上升趨勢，而0.1～10 mm量級的降水百分比則呈整體下降趨勢。暴雨雨量有較明顯的上升趨勢，降水潛力上升，降水結構發(fā)生改變。

在年降雨量呈上升趨勢，降水潛力上升，降水結構發(fā)生改變的情況下，中山市應該更加注重汛期即4—9月的防洪防汛，尤其注意對于大雨及暴雨等級降雨發(fā)生時的應急防汛，利用10月到次年3月這段時間，對圍堤進行加固，應對臺風登陸帶來的強降水和風暴潮。