1959
—2014年開平市暴雨的氣候特征

王成， 潘心順， 崔雪姣， 余江華， 趙亮

(1.開平市氣象局，廣東開平　529300；2.新會區(qū)氣象局，廣東新會　529100)

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1959
—2014年開平市暴雨的氣候特征

王成1， 潘心順1， 崔雪姣1， 余江華1， 趙亮2

(1.開平市氣象局，廣東開平529300；2.新會區(qū)氣象局，廣東新會529100)

摘要：利用開平市國家氣象觀測站1959—2014年逐日降水資料，通過數(shù)理統(tǒng)計、經(jīng)驗(yàn)頻率公式、復(fù)Morlet小波分析、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)等方法分析了開平市暴雨的氣候特征，結(jié)果表明：開平市年平均暴雨日數(shù)為8.1 d，暴雨平均強(qiáng)度為83.6 mm；全年各月均有暴雨發(fā)生，主要集中在4—9月；暴雨月際分布呈雙峰型，主峰5月、次峰8月；暴雨日數(shù)的年際變化很大，最多的年份達(dá)21 d，最少僅1 d；年暴雨日數(shù)與年暴雨降水量和年降水量有很好的相關(guān)性；暴雨初日多在3月6日—5月12日出現(xiàn)，終日多在8月20日—10月30日；小波分析表明開平市年暴雨日數(shù)存在著9和15年的顯著周期，未來幾年將經(jīng)過短暫的暴雨偏少期，之后迎來暴雨多發(fā)期；突變檢驗(yàn)分析表明開平市年暴雨日數(shù)整體變化趨勢并不明顯，未出現(xiàn)突變。

關(guān)鍵詞：氣候?qū)W； 暴雨氣候特征； 小波分析； 突變檢驗(yàn)； 開平市

開平市位于珠江三角洲西南部，是全國著名的華僑之鄉(xiāng)和碉樓之鄉(xiāng)；2007年“開平碉樓與村落”被列入《世界遺產(chǎn)名錄》，為中國第35處世界遺產(chǎn)。開平市屬南亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候區(qū)，暴雨是主要的氣象災(zāi)害之一，暴雨引發(fā)的城市內(nèi)澇、山洪災(zāi)害等對人民生命財產(chǎn)安全、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、“開平碉樓與村落”旅游業(yè)發(fā)展等均有嚴(yán)重影響。目前已有很多氣象工作者對暴雨的氣候特征[1-3]、變化規(guī)律[4]等進(jìn)行了相關(guān)研究，而暴雨氣候的地域差異明顯，對氣候變化的響應(yīng)不盡相同[5-9]。本研究利用開平市國家氣象觀測站1959—2014年逐日降水資料，分析開平市暴雨的氣候特征，以期為開平市暴雨的趨勢預(yù)報、暴雨影響評估、城市防災(zāi)減災(zāi)及旅游氣象服務(wù)等提供參考。

1資料與方法

采用開平市氣象觀測站1959—2014年逐日降水資料，規(guī)定日降水量20：00—20：00(北京時，下同)≥50 mm為1個暴雨日、≥100 mm為1個大暴雨日、≥250 mm為1個特大暴雨日，同時定義連續(xù)2 d及以上(≥2 d)的暴雨為連續(xù)暴雨。以暴雨日數(shù)為定量表征指標(biāo)，分別建立相關(guān)氣候序列，通過數(shù)理統(tǒng)計、線性趨勢分析等探討開平市暴雨的氣候特征；采用經(jīng)驗(yàn)頻率公式[10]分析暴雨初、終日概率；運(yùn)用復(fù)Morlet小波分析及Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)[11]等分析暴雨的周期變化規(guī)律。

2暴雨的氣候特征

2.1基本概況

1959—2014年開平市共出現(xiàn)暴雨日455 d，平均8.1 d/年；其中大暴雨日106 d，占暴雨日總數(shù)的23.3%，平均1.9 d/年；特大暴雨日僅1 d，出現(xiàn)在1999年8月23日，日雨量為287.0 mm，這也是開平市歷年日雨量的最大值，可見開平市發(fā)生特大暴雨的概率很小。定義“暴雨以上的降水量之和與暴雨日數(shù)之比”為平均暴雨強(qiáng)度[4]，開平市平均暴雨強(qiáng)度為83.6 mm/d。

2.2暴雨的月分布

圖1為開平市1959—2014年逐月暴雨、大暴雨日數(shù)總和的變化趨勢，可見開平市全年各月均可能出現(xiàn)暴雨，最早出現(xiàn)在1月5日(1992年)，最晚出現(xiàn)在12月26日(1971年)。暴雨的月際分布呈雙峰型，主峰位于5月，暴雨日數(shù)占全年總暴雨日數(shù)的18.5%；次峰位于8月，占全年的14.5%，其中6月暴雨日數(shù)高于次峰8月，占全年的16.7%。大暴雨的月際分布亦呈雙峰型，與暴雨月際分布特征較為一致，主峰與次峰亦分別出現(xiàn)在5和8月。此外，由圖1還可直觀看出開平市每年的1、3和12月均無大暴雨出現(xiàn)，2月3場暴雨中有2場為大暴雨，因此在2月的暴雨預(yù)報中需重點(diǎn)留意大暴雨的出現(xiàn)。

圖1　1959—2014年開平市暴雨、大暴雨日數(shù)逐月分布

近56年開平市汛期(4—9月)內(nèi)暴雨日數(shù)為408 d，占?xì)v年暴雨總?cè)諗?shù)的89.7%；其中大暴雨日數(shù)為100 d，占大暴雨總?cè)諗?shù)的94.3%。非汛期(1—3、10—12月)內(nèi)暴雨、大暴雨日數(shù)分別為47、6 d，僅占?xì)v年暴雨、大暴雨總?cè)諗?shù)的10.3%、5.7%?？梢婇_平市暴雨、大暴雨均集中出現(xiàn)在汛期。前汛期(4—6月)內(nèi)暴雨、大暴雨日數(shù)分別為223、53 d，后汛期(7—9月)內(nèi)暴雨、大暴雨日數(shù)分別為185、47 d，前汛期內(nèi)暴雨、大暴雨日數(shù)均多于后汛期。

2.3暴雨的年變化

開平市暴雨日數(shù)的年際變化差異很大(圖2)，最多的年份達(dá)21 d(1981年)，最少的年份僅1 d(1990年)。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，年大暴雨日數(shù)最多達(dá)6 d(2009年)，有11年沒有出現(xiàn)過大暴雨。利用最小二乘法對暴雨總?cè)諗?shù)與年份序列進(jìn)行直線擬合，其線性傾向值為0.002，表明開平市年暴雨日數(shù)以0.002 d/年的速率增長，增長趨勢不明顯，其相關(guān)性未通過α=0.10的顯著性水平檢驗(yàn)。

圖2　1959—2014年開平市逐年暴雨日數(shù)

2.4暴雨的持續(xù)性

定義持續(xù)2 d及以上(≥2 d)的暴雨為持續(xù)性暴雨。56年來開平市出現(xiàn)持續(xù)性暴雨共60次，總?cè)諗?shù)為130 d，占暴雨總?cè)諗?shù)的28.6%；持續(xù)2 d的暴雨52次、持續(xù)3 d的6次、持續(xù)4 d的2次(1965年9月27—30日，累積雨量472.1 mm；1981年9月29日—10月2日，累積雨量330.9 mm)，未出現(xiàn)持續(xù)5 d或以上的暴雨。持續(xù)性暴雨最早出現(xiàn)在1月30—31日(1969年)，最晚出現(xiàn)在11月11—12日(1965年)；持續(xù)性暴雨集中出現(xiàn)在汛期，占總次數(shù)的91.7%，5—6、8—9月為持續(xù)性暴雨的高發(fā)期，2—3、10和12月未出現(xiàn)過持續(xù)性暴雨，11月共出現(xiàn)11 d暴雨，其中持續(xù)2 d的暴雨出現(xiàn)4次，占總?cè)諗?shù)的72.7%，可見在11月的暴雨預(yù)報中需重點(diǎn)留意持續(xù)性暴雨的出現(xiàn)。

2.5暴雨日數(shù)、降水量和年降水量的相關(guān)性

1959～2014年開平市年平均降水量為1 837.6 mm，平均年暴雨日數(shù)累計降水量為679.3 mm，占年降水量的37%。相關(guān)性分析表明，年暴雨日數(shù)、年暴雨日累計降水量與年降水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.727、0.785，遠(yuǎn)通過α=0.001顯著性水平檢驗(yàn)，這表明暴雨日多(少)的年份，年暴雨日累計降水量與年降水量一般會較多(少)，年暴雨日累計降水量對年降水量的貢獻(xiàn)一般較大(小)。

2.6暴雨的初、終日

近56年開平市暴雨初日最早出現(xiàn)在1月5日(1992年)，最晚出現(xiàn)在7月23日(1963年)；暴雨初日主要集中在4月，占總數(shù)的41.1%，其次為5月，占23.2%。暴雨終日最早為5月4日(1990年)，最晚為12月26日(1971年)，主要集中在9和10月，分別占總數(shù)的39.3%、17.9%。采用經(jīng)驗(yàn)頻率公式Pm=m/(n+1)×100% 計算暴雨初、終日保證率，其中m為暴雨初(終)日由后(前)向前(后)排列的序號，n為樣本數(shù)(56)，Pm(%)為保證率。由公示定義可知，Pm越低的日期前暴雨初日概率越大，Pm越高的日期前暴雨終日概率越大。如表1所示，80%與20%保證率下暴雨初日分別為3月6日和5月12日，即暴雨初日多在3月6日—5月12日出現(xiàn)；同理暴雨終日多在8月20日—10月30日出現(xiàn)。

表1　1959—2014年開平市不同保證率下的暴雨初、終日

暴雨初、終日的線性傾向率分別為-0.172 8 d/年和0.003 7 d/年，表明開平市暴雨有初日提前、終日推遲跡象，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.069 4、0.001 3，但相關(guān)性均未能通過α=0.10的顯著性水平檢驗(yàn)，所以暴雨初(終)日是否具有趨勢性變化特征還需進(jìn)一步觀察。

2.7暴雨日數(shù)的小波分析

為了進(jìn)一步研究開平市年暴雨日數(shù)在多時間尺度的變化周期，本研究利用復(fù)Morlet小波分析了開平市年暴雨日數(shù)的小波系數(shù)實(shí)部時頻分布(圖3)，可清楚看到年暴雨日數(shù)演化過程中存在多層次的時間尺度結(jié)構(gòu)和局部變化特征。開平市年暴雨日數(shù)存在明顯的15年的大周期，同時還存在著8～10年的周期，在1975—1988和1997—2012年則有4年的小周期。分析最近幾年暴雨日數(shù)變化可知，2012—2014年的小波分析實(shí)部等值線遠(yuǎn)未閉合，且同時存在于8～10年周期變化的暴雨偏多期和4年的暴雨偏少期中，可以初步預(yù)測開平市未來將經(jīng)過短暫的暴雨偏少期，之后迎來暴雨多發(fā)期。

圖3　1959—2014年開平市暴雨日數(shù)的小波系數(shù)實(shí)部等值線

2.8暴雨的突變檢驗(yàn)

利用M-K方法對1959—2014年開平市年暴雨日數(shù)進(jìn)行突變分析，以確定開平市的暴雨日數(shù)的變化是否是對氣候突變的一種反映。由圖(圖略)可知，UF和UB曲線的值均未超過顯著性水平α=0.05的臨界線(u=±1.96)，可知開平市年暴雨日數(shù)變化趨勢未通過α=0.05的置信度檢驗(yàn)，因此開平市年暴雨日數(shù)整體變化趨勢并不明顯，未出現(xiàn)突變。分析UF曲線可知， 2004年以前，開平市年暴雨日數(shù)整體為上升趨勢，之后為下降趨勢，但其變化趨勢并不顯著。

3結(jié)論

1)開平市年平均暴雨日數(shù)8.1 d，平均暴雨強(qiáng)度為83.6 mm/d。暴雨初日多在3月6日—5月12日出現(xiàn)，終日多在8月20日—10月30日。年暴雨日累計降水量占年降水量的37%，年暴雨日數(shù)與年暴雨日累計降水量和年降水量有很好的相關(guān)性。

2)開平市全年各月均有暴雨發(fā)生，89.7%的暴雨出現(xiàn)在汛期，前汛期多于后汛期。暴雨月際分布呈雙峰型，主峰5月、次峰8月，大暴雨月際分布亦呈雙峰型。暴雨日數(shù)的年際變化差異很大，最多年份達(dá)21 d，最少僅1 d。

3)持續(xù)性暴雨日數(shù)占暴雨總?cè)諗?shù)的28.6%，5—6、8—9月為持續(xù)性暴雨的高發(fā)期，歷史上未出現(xiàn)持續(xù)5 d或以上的暴雨。

4)開平市年暴雨日數(shù)存在著9和15年的顯著周期，1975—1988和1997—2012年存在著4年的小周期；未來將進(jìn)入短暫的暴雨偏少期，之后迎來暴雨多發(fā)期。突變檢驗(yàn)分析表明開平市年暴雨日數(shù)整體變化趨勢并不明顯，未出現(xiàn)突變。

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收稿日期：2015-06-28

作者簡介：王成(1984年生)，男，本科，工程師，主要從事天氣預(yù)報服務(wù)工作。E-mail：001wangcheng@163.com

中圖分類號：P46

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.01.010

Climatological Characteristics of Heavy Rains in Kaiping City in 1959 to 2014

WANGCheng1,PANXin-shun1,CUIXue-jiao1,YUJing-hua1,ZHAOLiang2

(1.Meteorological Bureau of Kaiping City, Kaiping 529300; 2.Meteorological Bureau of Xinhui District, Kaiping City, Kaiping 529100)

Abstract：Using day-to-day rainfall data from national meteorological observation stations in Kaiping City from 1959 to 2004 and with the methods of mathematical and physical statistics, empirical frequency formula, complex Morlet wavelet analysis and Mann-Kendall abruptness test, we analyzed the climatological characteristics of heavy rains that happened in Kaiping. The result is shown as follows. Heavy rains happened with an annual mean of 8.1 d with an average intensity of 83.6 mm. It is possible for heavy rains to take place all the year around but they concentrate in April to September. The monthly distribution of heavy rains is bimodal with the primary peak in May and the secondary peak in August. The number of heavy rain days varies much on the interannual scale with the most frequent year having 21 d but the least frequent year having only 1 d. The annual number of heavy rain days is well correlated with the annual rainfall of heavy rains and annual rainfall of all types of precipitation. The annually first day of heavy rain is mostly between March 6 and May 12, and the annually last day of heavy rain mostly between August 20 and October 30. As shown in the wavelet analysis, there are significant periods of 9 and 15 years in the annual average number of heavy rain days. In the next few years, heavy rains are expected to decrease for a short time before taking place frequently. As shown in the abruptness test, the overall trend of variation in the annual number of heavy rain days is not obvious, without any abrupt changes.

Key words：climatology; climatological characteristics of heavy rains; wavelet analysis; abruptness test; Kaiping City

王成， 潘心順， 崔雪姣， 等.1959—2014年開平市暴雨的氣候特征[J].廣東氣象，2016,38(1)：40-43.