張超美，吳 瓊，黃彩婷

江西省氣候中心，江西 南昌 330096

0 引 言

鄱陽湖流域地處長江中下游以南，屬亞熱帶溫暖濕潤季風(fēng)氣候。鄱陽湖流域的早期氣候記載可追溯到流域的地方志、奏折等記錄，研究這些古文獻發(fā)現(xiàn)流域及各子流域的干旱和洪澇頻次呈明顯周期性變化(王懷清等，2015)。全球氣候變暖背景下，鄱陽湖流域近代氣候發(fā)生了明顯變化，自20世紀60年代以來鄱陽湖流域年降水日數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢，但大雨和暴雨日數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(占明錦等，2013)，極端降水的變化趨勢比年降水變化趨勢更為明顯(高冰和任依清，2016)，降水集中度在增加，旱澇等極端事件愈發(fā)頻繁(殷劍敏，2011)。氣象災(zāi)害的發(fā)生往往與地區(qū)極端氣候聯(lián)系緊密(史培軍等，2014)，近幾年鄱陽湖流域極端降水對社會經(jīng)濟及人民生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生了巨大的影響。

更高時間、空間分辨率的降水數(shù)據(jù)對研究暴雨顯得尤為重要(孔鋒等，2017)。在我國許多地區(qū)采用小時降水數(shù)據(jù)來開展地區(qū)小時強降水或極端降水的特征研究：我國小時極端降水強度具有明顯的“東南高、西北低”的空間分異特征(孔鋒等，2019)；新疆地區(qū)北疆的小時極端降水量和降水頻次多于南疆，但南疆夏季小時極端降水量對總降水量的貢獻率大于北疆(楊霞等，2020)。

鄱陽湖流域目前多是基于日尺度降水資料開展降水特征分析，而鄱陽湖流域?qū)儆诩撅L(fēng)氣候，同時東、南和西三面環(huán)山，北邊為鄱陽湖平原地區(qū)，地形南高北低，地理特征十分明顯，流域降水區(qū)域分布差異特征顯著，因此利用小時降水資料開展精細化特征分析十分必要。特別是近幾年流域汛期暴雨肆虐(胡洋等，2019；吳珊珊等，2020)，出現(xiàn)小時強降水的日數(shù)增多(邵明陽等，2018)，這對鄱陽湖流域降水特性研究有了更高要求。文中，采用長序列逐時降水資料，分析1978—2019年鄱陽湖流域小時強降水分布特征，以期為地區(qū)洪澇暴雨相關(guān)服務(wù)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

文中所用資料來源于江西省氣象信息中心，對有記錄以來鄱陽湖流域逐時降水資料，通過異常值剔除和資料時間延續(xù)檢驗等質(zhì)量控制，并綜合考慮數(shù)據(jù)完整性、地域代表性和資料時間長度等因素，最終選取1978—2019年79個國家氣象站逐時降水資料來開展分析(圖1)，所選研究時段站點逐時降水資料年平均缺失率為3.01%。

圖1 鄱陽湖流域國家氣象站分布

1.2 方法

1.2.1 小時強降水定義

在美國，當每小時強降雨量達到20 mm時，常出現(xiàn)山洪暴發(fā)(Davis，2001)。同樣，中國氣象局和日本氣象廳都將短期強降水定義為強度20 mm/h的降水(Mohr et al，2013)。文中，統(tǒng)計單站逐時降水量超過20 mm的降水。小時強降水量為降水量的累加值，單位：mm；小時強降水時數(shù)為小時數(shù)的累加值，單位：h；小時強降水強度為小時強降水量與時數(shù)的比值，單位：mm/h。

1.2.2 Sen斜率估計

n對數(shù)據(jù)的趨勢系數(shù)通過Theil-Sen’s估計量進行估算(Cunderlik and Burn,2003；Tabari and Talaee,2011；Jhajharia et al,2012；Wang et al,2013)，這被廣泛應(yīng)用于識別氣候時間尺度序列的線性趨勢。Sen趨勢系數(shù)計算式為

(1)

其中，Xl和Xj分別是時間l和時間j的數(shù)據(jù)值；Median表示取中位數(shù)。當趨勢系數(shù)△>0時，時間序列呈上升趨勢，反之呈下降趨勢。

變化率是一個無量綱的趨勢，代表趨勢系數(shù)除以多年統(tǒng)計元素平均值，文中采用10 a的要素變化率分析各序列的變化趨勢：

(2)

1.2.3 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall檢驗被廣泛應(yīng)用于檢驗水文變化趨勢是否顯著(Douglas et al，2000；Yue et al，2002；Partal and Kahya，2006；Modarres and Silva，2007)。Mann-Kendall檢驗不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾。文中使用顯著性水平α=0.01，如果正態(tài)檢驗統(tǒng)計量絕對值大于2.576，則認為趨勢變化通過了顯著性檢驗。

1.2.4 Morlet小波變換

Morlet小波變換方法可同時給出資料序列變化振幅和位相兩方面的信息(魏鳳英，2007)，能夠很好地對序列連續(xù)進行時頻局部化分析，文中采用此方法對鄱陽湖流域小時強降水的降水量序列進行小波變換分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小時強降水年際變化

圖2a給出了鄱陽湖流域79個觀測站空間平均的小時強降水量逐年變化。分析發(fā)現(xiàn)，鄱陽湖流域小時強降水量具有明顯的年際變化特征，年平均小時強降水量為183 mm，其中1998年最大(262 mm)，1978年最小(98 mm)。1978—2019年小時強降水量以18.4 mm/(10 a)的速率增加，通過了信度0.01的顯著性檢驗，增加趨勢顯著。從5 a滑動平均來看，鄱陽湖流域小時強降水量也存在明顯的年代際波動變化特征，20世紀80年代后期到90年代前期為減少時段，90年代中后期到21世紀初為增加階段，而2007年以來，小時強降水量又呈現(xiàn)增加趨勢。

圖2 鄱陽湖流域小時強降水累計降水量(a)、貢獻率(b)、累計時數(shù)(c)和平均強度(d)年際變化Fig. 2 Interannual variation of accumulated precipitation (a)，contribution rate (b)，accumulated hours (c), and average intensity (d) of hourly heavy rainfall over the Poyang Lake Basin

分析鄱陽湖流域小時強降水量對總降水量貢獻率的逐年變化(圖2b)發(fā)現(xiàn)，年平均貢獻率為11.2%，其中2011年最大(14.6%)，1989年最小(7.7%)；1978—2019年以0.54%/(10 a)的速率增加，通過了0.01的顯著性檢驗，表明增加趨勢顯著。分析鄱陽湖流域79個觀測站空間平均的小時強降水時數(shù)逐年變化(圖2c)發(fā)現(xiàn)，年平均時數(shù)為6.4 h，其中1983年最多(9.1 h)，1978年最少(3.4 h)；1978—2019年以0.6 h/(10 a)的速率增加，通過了信度0.01的顯著性檢驗，表明增加趨勢顯著。分析鄱陽湖流域小時強降水強度的逐年變化(圖2d)發(fā)現(xiàn)，年平均強度為28.7 mm/h，其中2018年最大(30.0 mm/h)，2013年最小(27.4 mm/h)；1978—2019年強度幾乎無變化趨勢，未能通過信度0.01的顯著性檢驗。從5 a滑動平均來看，小時強降水量對總降水量的貢獻率、小時強降水時數(shù)的年代際變化特征與小時強降水量基本一致，而小時強降水強度2009年以來有回落趨勢。

政府間氣候變化專門委員會報告(IPCC，2007)指出，氣溫升高不僅直接影響氣溫極端值的變化，還導(dǎo)致暴雨洪澇等極端氣候事件的發(fā)生頻率和強度出現(xiàn)加劇趨勢，江西短歷時強降水年發(fā)生頻次與區(qū)域性增暖呈正響應(yīng)關(guān)系(唐傳師等，2018)。占明錦等(2013)研究鄱陽湖流域日降水特征發(fā)現(xiàn)，年降水日數(shù)總體呈現(xiàn)略下降趨勢，而文中發(fā)現(xiàn)鄱陽湖流域小時強降水頻次呈現(xiàn)顯著增加趨勢，這可能是由于分析的時間尺度不同導(dǎo)致的。鄱陽湖流域小時強降水強度變化趨勢不明顯，流域強降水的發(fā)生更多呈現(xiàn)為強降水時數(shù)的增加，這表明流域洪澇事件發(fā)生更為頻繁。

利用Morlet小波變換分析鄱陽湖流域小時強降水累計降水量的時頻特征(圖3)可知，1978—2019年存在15—24 a的年代際變化周期，但未能通過信度0.05的顯著性檢驗；年際變化還存在準4—5 a的短周期，通過了信度0.05的顯著性檢驗，這與鄱陽湖流域的局部地區(qū)研究結(jié)論吻合(潘愛軍和田敬生，2019)。

圖3 鄱陽湖流域小時強降水量序列小波功率譜(a)、小波全譜(b)Fig. 3 Wavelet Power Spectrum (a) and global Wavelet Spectrum(b)of hourly heavy precipitation series over the Poyang Lake Basin

2.2 小時強降水月變化

圖4給出了1978—2019年鄱陽湖流域小時強降水量及其對總降水貢獻率的月分布。分析發(fā)現(xiàn)，6月是強降水出現(xiàn)最多的月份，區(qū)域平均強降水量為48.6 mm，超過全年總和的26.5%，而5、7和8月為30 mm左右，這4個月是強降水出現(xiàn)的主要月份，占全年強降水量的78.1%。分析各月小時強降水貢獻率發(fā)現(xiàn)，與累計強降水量不同的是，8月貢獻率最高，為23.7%，6、7月分別為17.3%和21.2%，而其他月份均未超過15%。分析鄱陽湖流域各月區(qū)域平均累計小時強降水量、累計時數(shù)和平均強度的月分布趨勢變化(圖略)發(fā)現(xiàn)，4—9月累計強降水量和累計時數(shù)均呈增加趨勢，期間月平均增長率分別為8.8%、8.6%，3月兩者呈減少趨勢，變化率分別為-7.9%、-8.1%，而平均強度各月基本均無明顯變化。

圖4 1978—2019年鄱陽湖流域小時強降水量及其對總降水量貢獻率的月分布

鄱陽湖流域不同季節(jié)降水特征差異明顯(Wu and Zhan，2020)，導(dǎo)致不同月份的小時強降水特征明顯不同。3月出現(xiàn)的春季連陰雨天氣是東亞獨特的天氣氣候現(xiàn)象，也是青藏高原高大地形的動力和熱力強迫的結(jié)果(萬日金和吳國雄，2008)；5月4—5候南海季風(fēng)爆發(fā)，流域出現(xiàn)季風(fēng)降水盛期(何金海等，2008)；7—8月東亞副熱帶季風(fēng)雨帶北推抵達華北—東北地區(qū)，此時期鄱陽湖流域降水常與午后對流天氣以及臺風(fēng)活動有關(guān)。鄱陽湖流域的日尺度和小時尺度降水時間變化特征不同，很可能是由于不同月份降水特征和變化趨勢不同所導(dǎo)致。鄱陽湖主汛期(4—6月)以及7、8月小時強降水量大且呈現(xiàn)增加趨勢，鄱陽湖地區(qū)洪澇災(zāi)害防御部門應(yīng)該特別注意。

2.3 小時強降水日變化

圖5給出了鄱陽湖流域各月多年平均及年平均小時強降水量(區(qū)域平均)日變化。從各時次的小時強降水來看，強降水主要出現(xiàn)在3—9月。其中3—4月主峰區(qū)主要集中在06—09時；從5月開始，傍晚出現(xiàn)小時強降水逐漸增多，而6—8月16—20時逐小時強降水量的年平均值可達2.5 mm，是主要強降水分布時段；9月以后，各時次的小時強降水明顯減少。多年區(qū)域平均時次小時強降水量呈現(xiàn)雙峰分布(圖5b)，其中主峰區(qū)出現(xiàn)在16—20時，各時刻均超過了10 mm，最大值出現(xiàn)在17時，為12.6 mm；06—09時存在一個次峰區(qū)，08時最大為9.8 mm?？梢?，傍晚是鄱陽湖流域小時強降水的多發(fā)時段，可能因為這是強對流高發(fā)時段；而汛期早晨存在的另一個小時強降水峰值時段，則可能是由于受低層急流日變化影響，急流在凌晨有所加強，導(dǎo)致暖濕大氣層結(jié)不穩(wěn)定造成強降水(唐傳師等，2018)。

圖5 1978—2019年鄱陽湖流域月平均(a)、年平均(b)小時強降水量(區(qū)域平均)的日分布Fig. 5 Diurnal variations of monthly average (a) and annual average (b) hourly heavy precipitation over the Poyang Lake Basin from 1978 to 2019

2.4 小時強降水的空間分布

圖6a給出了鄱陽湖流域年平均小時強降水量累計值的區(qū)域分布?？梢钥闯觯r強降水量分布主要呈現(xiàn)“東多西少”特征；大值中心分布在流域的東北角和中東部地區(qū)，累計降水量可超過200 mm；西部大部分地區(qū)小時強降水量為141—170 mm。

分析小時強降水累計降水量歷年變化率的區(qū)域分布(圖6b)發(fā)現(xiàn)，幾乎整個鄱陽湖流域小時強降水量都呈現(xiàn)增長趨勢，大值中心與累計降水量有部分重合，說明流域易發(fā)生小時強降水的地區(qū)其增長趨勢仍在增加，這將給鄱陽湖流域帶來較高的洪澇災(zāi)害風(fēng)險。除此之外，流域的西南部存在增長率相對較大區(qū)域，部分站點變化率達20%/(10 a)。分析小時強降水累計時數(shù)歷年變化率的區(qū)域分布(圖6c)發(fā)現(xiàn)，小時強降水時數(shù)的變化特征與小時強降水量非常吻合，可見區(qū)域小時強降水量的變化主要原因是地區(qū)強降水時數(shù)的增加。分析小時強降水平均強度歷年變化率的區(qū)域分布(圖6d)發(fā)現(xiàn)，強度的負增長區(qū)域主要分布于鄱陽湖流域的中部和北部部分區(qū)域，整個區(qū)域的正負變化率均不大，區(qū)域小時強降水的強度沒有明顯的改變。

圖6 1978—2019年鄱陽湖流域小時強降水的累計降水量(a)，以及累計降水量(b)、累計時數(shù)(c)和平均強度(d)變化率的空間分布Fig. 6 Spatial distributions of hourly heavy rainfall for cumulative precipitation (a)，and change rate of cumulative precipitation (b)，cumulative hours (c)，average intensity (d) over the Poyang Lake Basin from 1978 to 2019

3 結(jié) 論

利用鄱陽湖流域79個國家氣象站逐時降水資料，分析了1978—2019年鄱陽湖流域小時強降水的時空間變化特征，得到以下主要結(jié)論：

1) 鄱陽湖流域小時強降水量及其對總降水的貢獻率均呈現(xiàn)顯著的增加趨勢，特別2007年以來小時強降水量增加趨勢明顯。具體來看，鄱陽湖流域小時強降水時數(shù)增加顯著而強度則幾乎無變化。

2) 鄱陽湖流域小時強降水量主要呈現(xiàn)準4—5 a的短周期變化。

3) 6月是鄱陽湖小時強降水頻次最多的月份，而8月小時強降水的貢獻率最高。從月分布的變化趨勢來看，4—9月小時強降水量與強降水時數(shù)均呈增加趨勢，但3月兩者均呈現(xiàn)減少趨勢；各月小時強降水強度均無明顯變化。

4) 鄱陽湖流域小時強降水年平均日變化呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，16—20時為主峰時段，06—09時是次峰時段。從各月分布來看，3—4月峰值主要集中在早上；5—8月雙峰特征明顯，而9月后主峰區(qū)主要出現(xiàn)在傍晚。

5) 鄱陽湖流域小時強降水量分布主要呈現(xiàn)“東多西少”特征，大值中心分布在流域的東北角和中東部地區(qū)。從變化趨勢來看，流域小時強降水量幾乎均呈增加趨勢，特別是趨勢正變化中心與小時強降水量中心存在重合，表明部分地區(qū)易發(fā)生小時強降水的地區(qū)趨勢增加亦明顯。流域小時強降水時數(shù)的變化特征與小時降水量變化特征吻合，小時強降水強度變化率均不大，負增長區(qū)域主要分布在流域的中部和北部部分區(qū)域。