近66a緊水灘流域面雨量的氣候特征分析及服務(wù)對策思考*

朱占云 陳光宇 潘婭英 張玨 王亞男

(1.浙江省氣象服務(wù)中心，浙江 杭州 310017；2.杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

0 引 言

緊水灘流域地處浙江省西南部山區(qū)，河流西南至東北走向，穿越峽谷，河道坡降在上游較大，下游較緩。流域徑流主要由降水形成，洪水全部由暴雨產(chǎn)生，河道坡降陡，河槽調(diào)蓄能力低，集流迅速，洪水猛漲猛落[1-2]。從氣候角度看，緊水灘流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，3—4月冷暖空氣常在此交綏，造成連綿細(xì)雨，為春雨期[3]；5—9月為汛期[4-5]，其中5—6月為梅汛期，降水主要受西風(fēng)帶梅雨鋒擺動(dòng)、低渦、切變線或西北太平洋副熱帶高壓邊緣影響，多連陰雨或區(qū)域性大暴雨過程，7—9月為臺(tái)汛期，降水主要由東風(fēng)帶中的熱帶氣旋、東風(fēng)波等天氣系統(tǒng)引發(fā)，降水強(qiáng)度大，歷時(shí)短[6]，且時(shí)空分布不均。

流域面雨量是指一定區(qū)域內(nèi)的實(shí)際平均降水量，能客觀地描述該區(qū)域?qū)嶋H降水資源狀況[7]，它作為洪水與水庫調(diào)度中非常重要的參數(shù)，是各級政府組織防汛抗洪和水庫調(diào)度等決策的重要依據(jù)，對流域面雨量進(jìn)行氣候特征分析及實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)測，也是氣象部門拓展服務(wù)領(lǐng)域的新舉措。對于流域面雨量的估算，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，包括針對站點(diǎn)降水觀測資料的空間插值方法[8]以及基于雷達(dá)[9]和衛(wèi)星[10-11]進(jìn)行的定量估計(jì)降水方法，流域面雨量的估算精度得到很大提高，這使得面雨量的業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)成為可能[12-14]。隨著觀測資料的累積，掌握緊水灘流域多年面雨量的時(shí)空變化規(guī)律，是提高緊水灘流域面雨量預(yù)報(bào)水平，規(guī)劃長遠(yuǎn)防災(zāi)減災(zāi)戰(zhàn)略的一項(xiàng)重要工作[7]。本文旨在利用緊水灘水庫相關(guān)部門提供的長時(shí)間序列降水?dāng)?shù)據(jù)，通過分析緊水灘流域多年面雨量時(shí)空分布特征，從而為指導(dǎo)業(yè)務(wù)人員更好地開展水庫氣象服務(wù)工作提供科學(xué)依據(jù)，為更有效地提高浙江省流域防汛抗旱和水資源調(diào)度氣象服務(wù)能力提供決策參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

緊水灘水電站(圖1所示)壩址以上設(shè)有13個(gè)雨量(水位)觀測報(bào)汛站(小梅、源底、官浦垟、壇湖、上錦、龍泉、上東、大白岸、安仁、緊水灘、崇頭、石塘、竹坑)，采用自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)與人工報(bào)汛相結(jié)合的方法收集流域水雨情，從而確保了基礎(chǔ)資料的可靠性，各雨量站控制面積按泰森多邊形法則進(jìn)行劃分計(jì)算。

研究資料包括1986年1月1日—2017年12月31日緊水灘流域逐日面雨量資料，序列長度為32 a，以及1952年1月—2017年12月緊水灘流域逐月面雨量資料，序列長度為66 a。

圖1 浙江省緊水灘、新安江等6大水庫流域分布圖

1.2 研究方法

1.2.1 流域面雨量計(jì)算方法

面雨量定義為由各個(gè)點(diǎn)雨量推求出的平均降雨量，最常用的推求方法有網(wǎng)格插值法、格點(diǎn)法、等雨量線法、算術(shù)平均法、泰森多邊形法等[15-17]。文中計(jì)算緊水灘流域面雨量采用的是泰森多邊形法(Thiessen Polygons)。其方法首先通過連接相鄰雨量站點(diǎn)，把區(qū)域劃分為大量的銳角三角形，接著在三角形的每一邊作垂直平分線，每一站點(diǎn)周圍的相互的垂直平分線形成一個(gè)多邊形，計(jì)算該多邊形面積與流域面積之比，作為該站點(diǎn)相對整個(gè)流域的雨量權(quán)重系數(shù)，最后用各站點(diǎn)雨量與其所占面積權(quán)重相乘后累加即得該流域面雨量值，計(jì)算公式如下：

(1)

1.2.2 線性傾向估計(jì)

用一元線性回歸擬合觀測要素的時(shí)間序列和氣候變量的關(guān)系。計(jì)算公式如下：

X(i)=a+bx(i)。

(2)

式(2)中：x(i)表示第i年的氣候變量，b稱為氣候變量的傾向率，即變量的變化趨勢，其正負(fù)說明變化趨勢的方向，值為正表示增多，值為負(fù)表示減少。

2 結(jié)果分析

2.1 面雨量年際變化特征

圖2為緊水灘流域1952—2017年年面雨量及其距平百分率的歷年變化?？傮w來看，20世紀(jì)90年代以前存在約6～10 a的豐(水期)枯(水期)交替特征，表現(xiàn)為：1952—1962年多雨，1963—1968年少雨，1969—1977年多雨，1978—1986年少雨。90年代到2000年初豐(水期)枯(水期)交替出現(xiàn)的時(shí)間縮短，以2～4 a交替為主。2003年至今豐(水期)枯(水期)交替周期恢復(fù)為6～10 a。利用功率譜分析發(fā)現(xiàn)(圖3所示)，緊水灘流域年降水功率譜曲線中有兩個(gè)峰值，分別對應(yīng)3.6 a和8 a，且均通過95%的噪音譜檢驗(yàn)，所以緊水灘年降水在年際尺度上存在明顯的2～4 a和6～10 a周期振蕩。

圖2 緊水灘流域1952—2017年年面雨量及其距平百分率的歷年變化

通過降水序列的10 a滑動(dòng)平均可以看出降水在年代際尺度上的變化特征(圖2黑色實(shí)線)，20世紀(jì)50年代、90年代和21世紀(jì)10年代，表現(xiàn)為明顯偏多狀態(tài)，分別比平均水平偏多10.3%、6.1%和15.2%。20世紀(jì)70年代到80年代和21世紀(jì)初降水量為負(fù)距平，其中70—80年代降水偏少程度明顯，比平均水平偏少7.2%，尤其1978—1986年年均降水量僅1613 mm，比平均偏少183 mm(約10%)，一元線性回歸分析顯示，流域年降水量略呈下降趨勢(灰色虛線)。

圖3 緊水灘流域年降水量功率譜曲線圖

用降水距平百分率來衡量旱澇的發(fā)生發(fā)展情況，定義降水量距平百分率≤-25%為旱，降水量距平百分率≥25%為澇[18]。圖2可以看出(黑色柱狀序列)，66 a來緊水灘流域旱澇年份近于持平，達(dá)到干旱指標(biāo)的有7 a，多集中在20世紀(jì)70—80年代和21世紀(jì)初，其中1978年干旱程度最明顯，降水距平百分率達(dá)-34%。達(dá)到水澇指標(biāo)的有9 a，多集中在20世紀(jì)50年代和21世紀(jì)10年代，其中2010年的降水距平百分率高達(dá)47%，是流域自有氣象記錄以來降水量最多的一年。

2.2 面雨量月際變化特征

緊水灘流域春、夏季的3—8月各月月均面雨量都在150 mm以上(圖4實(shí)線序列)，為流域的多雨季，遠(yuǎn)高于其它月份，多雨季常年平均雨量達(dá)1323 mm，占全年的74%。秋、冬季的9月至次年2月為少雨季，總雨量占全年的26%。此外，緊水灘流域梅汛期(5、6月)面雨量高出臺(tái)汛期(7、8、9月)47%，這是因?yàn)槊费雌诹饔騼?nèi)持續(xù)性降雨并多區(qū)域性大到暴雨過程，而臺(tái)汛期多晴熱高溫天氣，雖偶爾年份受到熱帶氣旋影響帶來大降水過程，但此類降水影響時(shí)間短，且年際變化大，在歷年平均下對年降水總量的貢獻(xiàn)不顯著[6、19]。

對66 a流域各月的降水距平百分率做一元線性回歸分析，得到緊水灘流域1—12月份各月面雨量的線性傾斜率(圖4柱狀序列)。在季節(jié)轉(zhuǎn)換的5月(春季向夏季轉(zhuǎn)換)和9月(夏季向秋季轉(zhuǎn)換)的降水減少趨勢較明顯，其中，5月降水傾斜率-0.72%(相關(guān)系數(shù)為-0.32，通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn))，相當(dāng)于每10 a減少20 mm；9月降水傾斜率-0.73%(相關(guān)系數(shù)為-0.25，通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn))，相當(dāng)于每10 a減少8 mm。11月和12月的增加趨勢較明顯，其中，11月降水傾斜率1.24%(相關(guān)系數(shù)為0.28，通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn))，相當(dāng)于每10 a增加8 mm。按不同季節(jié)來看，春季降水總體減少趨勢明顯，降水傾斜率-0.3%(相關(guān)系數(shù)為-0.25，通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn))，相當(dāng)于每10 a減少21 mm；其他季節(jié)降水增減趨勢不明顯。

圖4 1952—2017年平均的1—12月份緊水灘水庫流域面雨量及其距平百分率線性的傾斜率

2.3 不同量級面雨量分布特征

在以上研究的基礎(chǔ)上，本文利用近32 a緊水灘流域逐日降水資料，并參考我國江河面雨量等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[20](小雨(0.1～5.9 mm)、中雨(6.0～14.9 mm)、大雨(15.0～29.9 mm)、暴雨(30.0～49.9 mm)、大暴雨(≥50.0 mm))統(tǒng)計(jì)分析1986—2017年流域不同量級降水日數(shù)及降水量的分布情況，發(fā)現(xiàn)32 a來流域年均雨日為195 d，其中小雨日114 d，占總雨日的58%，中雨日數(shù)占22%，大雨日數(shù)占13%，暴雨及以上量級雨日占7%。從降水量來看，緊水灘流域年均面雨量1805.6 mm，其中小雨占9.2%，中雨占12.7%，大雨占24.4%，暴雨及以上量級占53.8%。

表1給出1986—2017年緊水灘流域不同量級降水日數(shù)在各個(gè)月份的分布情況。從各月雨日來看，3—8月份雨日居多，最多的8月平均雨日達(dá)23.1 d，6月為21 d，最少的10月和12月的雨日不足10 d。

從不同量級降水在各月的分布情況看，小雨和中雨量級降水多出現(xiàn)在7、8、9月，降水日數(shù)約占全年的32%，這是因?yàn)?—9月受副熱帶高壓控制，為高溫少雨期，這一時(shí)期的降水主要為對流雨或臺(tái)風(fēng)雨，對流雨發(fā)生頻次高，但發(fā)生發(fā)展迅速，局地性強(qiáng)[21-23]，一般不形成大范圍降雨，因而累積面雨量比較小，臺(tái)風(fēng)雨則出現(xiàn)頻次較低。大雨及以上量級降水多出現(xiàn)在4、5、6月，降水日數(shù)約占全年的49%，其中，4—6月出現(xiàn)暴雨及以上降水日數(shù)占全年59%。這是由于5—6月份處于梅汛期，西南暖濕氣流充沛，暴雨迭見，其降雨量在夏季降水中占較大比重，是汛期預(yù)報(bào)的重點(diǎn)[24-27]，3—4月則是春雨期，多連綿細(xì)雨[3，27]。

表1 1986—2017年緊水灘流域各月不同量級的降水日數(shù)統(tǒng)計(jì)總天數(shù) d

2.4 流域暴雨的年際變化特征

我們知道，流域強(qiáng)降水是水庫防汛調(diào)度的關(guān)鍵。由于緊水灘流域面積不大，研究中定義該流域日面雨量大于等于30 mm為流域暴雨。由表1可知，緊水灘流域1986—2017年暴雨日數(shù)共432 d，年均13.5 d，其中2010年達(dá)26 d，為近30 a來最多，1991年僅為4 d，為近30 a來最少。

圖5分析了緊水灘流域1986—2017年暴雨日數(shù)圖5a和降水量圖5b的年變化，可見在2000年以前，緊水灘流域暴雨日數(shù)和降水量隨年份變化較大，1986、1991、1996和2000年暴雨日數(shù)不足10 d，暴雨日累計(jì)雨量小于500 mm；1995年和1998年暴雨日數(shù)均在20 d以上，累計(jì)雨量大于1000 mm。2000年以后，暴雨日數(shù)和累計(jì)雨量序列均呈穩(wěn)定上升趨勢，尤其2010年以后，大于等于30 mm的降水日數(shù)均在10 d以上，累計(jì)雨量也都在500 mm以上。這與林建等[28]的研究結(jié)果相一致，即21世紀(jì)以來南方地區(qū)暴雨過程明顯增多，且以短持續(xù)性、強(qiáng)降水過程為主。

從暴雨日數(shù)和累計(jì)降水量的變化趨勢上看，兩者均呈上升趨勢，線性傾斜率分別為0.12和5.7(均通過0.1的顯著性水平檢驗(yàn))，即每10 a分別增加1.2 d和57 mm。對累計(jì)雨量做5 a平滑，發(fā)現(xiàn)在上升趨勢中還存在一個(gè)15～20 a的震蕩，1992—1999年流域暴雨明顯偏多，期間年均累計(jì)雨量741 mm，較32 a均值(648 mm)偏多近14%，2000—2005年明顯偏少，年均累計(jì)雨量526 mm，偏少19%。

圖5 緊水灘流域1986—2017年日雨量≥30 mm的雨日數(shù)(a)，累計(jì)降水量(b)的年變化序列

2.5 3 d以上集中強(qiáng)降水特征

根據(jù)盧珊等研究成果，定義水庫流域連續(xù)3 d以上日雨量大于等于20 mm的連續(xù)降水過程為集中強(qiáng)降水過程。表2統(tǒng)計(jì)了1986—2017年緊水灘流域集中強(qiáng)降水過程的各參量，32 a來共出現(xiàn)39次集中強(qiáng)降水過程，共134 d。從各月分布來看，除了1月、2月和10月外，其它月份均有出現(xiàn)，其中6月最多，共20次(累計(jì)72d)，占所有集中強(qiáng)降水過程的50%以上，6月平均過程雨量(186.8 mm)也遠(yuǎn)高于其它月份。此外，近32 a共有兩次出現(xiàn)持續(xù)6 d的強(qiáng)降水過程，一次發(fā)生在1998年6月16—21日，過程雨量387 mm，另外一次是2010年6月16—21日，過程雨量達(dá)392 mm，這兩年也是前文提到30 a來典型偏澇的年份。

除6月外，集中強(qiáng)降水過程在4月出現(xiàn)6次(累計(jì)20 d)，7月出現(xiàn)4次(累計(jì)14 d)，過程雨量上看，7月的集中強(qiáng)降水平均過程雨量為124 mm(最大186 mm)，略高于4月的107 mm(最大153 mm)，是除6月以外集中強(qiáng)降水高發(fā)的兩個(gè)時(shí)段。這是因?yàn)?月緊水灘流域處于江南春雨季，江南春雨是以持續(xù)4 d及以上的連陰雨為主，主要發(fā)生在第13—27候(3、4月)[27]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，32 a來浙江省有21次出梅日期在7月份，其中9次延伸到了7月中旬以后，受其影響，7月成為僅次于6、4月集中強(qiáng)降水高發(fā)的月份。

表2 1986—2017年緊水灘流域各月集中強(qiáng)降水過程參數(shù)的統(tǒng)計(jì)

圖6給出緊水灘流域1986—2017年集中強(qiáng)降水的年變化序列，可見在2002年以前，集中強(qiáng)降水發(fā)生頻次較高，除個(gè)別年份(1986、1991和1994年)，其它每年都會(huì)出現(xiàn)1～2次，最多的1988年出現(xiàn)了4次該類降水過程。相應(yīng)的，該類降水過程造成的平均過程雨量在2002年以前呈逐年增大趨勢，尤其1995—2002年集中強(qiáng)降水連年出現(xiàn)的幾年里，每年的平均過程雨量一般在150～350 mm之間。2002年以后，集中強(qiáng)降水出現(xiàn)的頻次降低，基本間隔1～2 a出現(xiàn)，平均過程雨量也有所下降。

3 水庫流域氣象服務(wù)思考

目前浙江省氣象服務(wù)中心專業(yè)服務(wù)室主要承擔(dān)浙江省各大水庫的氣象服務(wù)工作，為更有效地提高浙江省水庫流域防汛抗旱和水資源調(diào)度氣象服務(wù)能力，更好地為用戶服務(wù)，專業(yè)服務(wù)室多次趕赴包括緊水灘在內(nèi)的各大水庫流域開展調(diào)研，制作宣講報(bào)告，普及氣象知識(shí)，開展應(yīng)用培訓(xùn)，并在充分聽取用戶需求的基礎(chǔ)上開發(fā)了浙江省水文氣象服務(wù)平臺(tái)，為水庫用戶提供更加全面、科學(xué)的決策服務(wù)依據(jù)，積累了較為豐富的水庫氣象預(yù)報(bào)服務(wù)經(jīng)驗(yàn)。為進(jìn)一步提升水文氣象服務(wù)的效益，為水庫用戶趨利避害，提質(zhì)增效，可以著重做好以下幾方面工作。

3.1 加強(qiáng)氣象、水文部門信息資料匯集共享

目前氣象部門雖有高密度的氣象觀測網(wǎng)，但大部分區(qū)域站建成于2010年后，資料序列較短，而流域水文站自水庫建成后就開始布設(shè)，時(shí)間序列較長，積累了長序列觀測資料，可以研究其氣候變化特征。但受體制影響，這些監(jiān)測資料僅在水利部門內(nèi)部使用，氣象部門獲取較少，氣象、水文信息匯集和共享渠道不暢，應(yīng)用效率不高，而流域氣象、水文信息資料共享是做好流域監(jiān)測和預(yù)報(bào)服務(wù)工作的基礎(chǔ)，因此要加快兩部門信息資料共享進(jìn)程，建立流域信息匯集和共享的機(jī)制和渠道，可以通過共同建設(shè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、資料存儲(chǔ)和發(fā)布系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全省氣象觀測、預(yù)報(bào)和水文信息的快速傳輸，實(shí)現(xiàn)流域氣象、水文信息共享。

3.2 根據(jù)氣候特征，做好水庫年雨量的趨勢預(yù)報(bào)

影響年雨量的氣候因子有很多，且影響機(jī)制存在不確定性，為水庫年雨量的趨勢預(yù)報(bào)帶來了難度。因此在水庫年雨量的預(yù)報(bào)服務(wù)中，可以從各水庫雨量的氣候特征出發(fā)，如雨量的年際、月際變化特征，周期性特征，旱澇特點(diǎn)等，在客觀預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上作針對性的訂正，提高水庫年雨量預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

3.3 把握關(guān)鍵時(shí)期，著重做好汛期水庫雨量預(yù)報(bào)服務(wù)

緊水灘流域多雨期(3—8月)雨量占全年的70%以上，是水庫氣象服務(wù)的關(guān)鍵期。入梅日、出梅日等重要時(shí)間點(diǎn)以及梅汛期雨量的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確與否，對水庫防洪削峰、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義，也是水庫產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的關(guān)鍵。梅汛期結(jié)束后進(jìn)入晴熱高溫期，此時(shí)雨量明顯減少，短期、中期的晴熱高溫預(yù)報(bào)是水庫為保障居民供水和社會(huì)用電需求，安排發(fā)電供水的重要參考依據(jù)。因此做好水庫流域的汛期預(yù)報(bào)，是做好全年水庫氣象服務(wù)成敗的關(guān)鍵。

3.4 突出重點(diǎn)過程，做好集中降水的短期預(yù)報(bào)

梅汛期內(nèi)或者臺(tái)風(fēng)影響時(shí)集中強(qiáng)降水過程多，累積雨量大，經(jīng)驗(yàn)表明，梅汛期內(nèi)強(qiáng)降水過程來臨前或臺(tái)風(fēng)影響前的短期和中期雨量預(yù)報(bào)，是水庫決定提前加大流量進(jìn)行滿負(fù)荷發(fā)電，留出必要庫容的重要依據(jù)，也是水庫爭取多蓄水、少棄水的關(guān)鍵性預(yù)報(bào)，對增加發(fā)電效益和減少水災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失具有重大作用。

4 結(jié) 語

1)近66 a來緊水灘流域旱、澇年份相近，年降水量存在明顯的年代際和年際變化特征。在年際尺度上2～4 a周期振蕩顯著。在年代際尺度上，20世紀(jì)50年代、90年代和21世紀(jì)10年代，緊水灘年降水量偏多，20世紀(jì)70年代到80年代和21世紀(jì)初降水量偏少。流域年降水量呈下降趨勢，但不顯著，從各季節(jié)看，春季下降趨勢比較顯著，其余季節(jié)變化趨勢不明顯，春、夏季(3—8月)總降水占全年的七成以上，為該流域的多雨季，秋季和冬季為該流域的少雨季。

2)緊水灘流域年均有雨日數(shù)195 d，年總面雨量1806 mm，暴雨及以上量級雨日占7%，雨量占53.8%。降水分布集中，雨日主要集中在3—8月，小雨和中雨多出現(xiàn)在7、8、9月，大雨及以上量級降水多出現(xiàn)在4、5、6月，連續(xù)3 d以上的集中強(qiáng)降水32 a中累計(jì)出現(xiàn)39次，其中6月有20次。近32 a流域暴雨呈顯著增多趨勢，其中連續(xù)3 d以上集中強(qiáng)降水過程在2002年以前出現(xiàn)頻繁，尤其1995—2002年連年出現(xiàn)，2002年以后在強(qiáng)降水過程和雨量增多的背景下，連續(xù)3 d以上強(qiáng)降水過程及雨量有減少趨勢。

3)在水庫雨量預(yù)報(bào)服務(wù)過程中，應(yīng)大力加強(qiáng)氣象、水文部門信息資料匯集共享，并突出預(yù)報(bào)重點(diǎn)，把握關(guān)鍵時(shí)段，分別做好水庫年雨量的趨勢預(yù)測、汛期多雨期預(yù)報(bào)和集中強(qiáng)降水過程的短期預(yù)報(bào)，為水庫流域趨利避害、提質(zhì)增效保駕護(hù)航。