1960—2018年佛岡縣前汛期極端降水的變化特征

吳志純，陳焯堅，吳貴義，廖鎮(zhèn)強(qiáng)，譚日明

（1.佛岡縣氣象局，廣東佛岡 511600；2.清遠(yuǎn)市氣象局，廣東清遠(yuǎn) 511510；3.廣州市氣象局，廣東廣州 511430）

IPCC第五次評估報告（AR5）［1］在 2013年指出，在全球持續(xù)變暖的趨勢下，到21世紀(jì)末，中緯度大部分陸地區(qū)域與熱帶區(qū)域的濕區(qū)，極端降水事件將很可能更加劇烈、頻繁［2-5］。近年來，對強(qiáng)降水和極端降水事件的研究也越來越多［6-9］。翟盤茂等［6］指出我國的極端強(qiáng)降水平均強(qiáng)度和極端強(qiáng)降水值都有增加的趨勢，極端降水量占總降水量的比例有所增加；李麗平等［7］研究發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)90年代以來華南前汛期總降水量增加與極端強(qiáng)降水量、頻率以及暴雨日數(shù)顯著增加有密切相關(guān)，且極端降水、強(qiáng)降水量異常程度明顯增大；羅律等［8］指出清遠(yuǎn)市南部極端強(qiáng)降水閾值、總量、頻數(shù)和強(qiáng)度都呈減少趨勢，極端降水在5—6月最為集中。

佛岡縣位于廣東中北部，是粵北山區(qū)到珠三角的過渡帶，處于喇叭口地形，是廣東省3大暴雨中心之一。降水主要集中在汛期，其中前汛期降水量占年降水總量的1/2。極端降水極易導(dǎo)致洪澇災(zāi)害、山體滑坡、泥石流等災(zāi)害的發(fā)生，對人民生命和財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。本研究根據(jù)1960—2018年佛岡縣國家觀測站的逐日降水量資料，對近59年來佛岡縣前汛期極端降水量、強(qiáng)度和日數(shù)的變化特征進(jìn)行分析，探討其變化規(guī)律，為該地區(qū)應(yīng)對極端降水和做好預(yù)報預(yù)警服務(wù)提供參考。

1 資料與方法

本研究使用1960—2018年近59年佛岡縣國家基本站4—6月逐日降水資料，資料可靠準(zhǔn)確。采用百分位法確定極端降水閾值［4-6］，將1981—2010年逐年4—6月的日降水量按從小到大順序排列，取95%分位值的30年平均值作為前汛期極端降水的閾值，當(dāng)某日降水量大于該閾值，則認(rèn)為該降水量是該年的一次極端降水。

本研究分析方法主要有線性趨勢系數(shù)、多項式曲線擬合、Mann-Kendall突變分析、Morlet小波分析。

2 前汛期極端降水的年際變化特征

2.1 變化趨勢

從圖1a可看出，近59年佛岡縣前汛期極端降水量氣候傾向率為-2.217 mm/年，趨勢系數(shù)未通過ɑ＝0.05顯著性水平檢驗，總體呈弱下降趨勢。前汛期極端降水量平均值為432.5 mm；最大值發(fā)生在1983年，為1 063.7 mm，其它年份極端降水量均無超過1 000 mm；最小值發(fā)生在1991年，無發(fā)生極端降水事件。從多項式擬合曲線看出，前汛期極端降水量在1960年代中后期至1990年代前期為偏多期，1960年代前期和1990年代中后期之后為偏少期。

由于1991年無發(fā)生極端降水事件，因此1991年的極端降水強(qiáng)度按缺省處理。從圖1b可以看出，前汛期極端降水強(qiáng)度氣候傾向率為-0.195 mm/（d·年），趨勢系數(shù)未通過ɑ＝0.05顯著性水平檢驗，呈弱下降趨勢。前汛期極端降水平均強(qiáng)度為96.1 mm/d，遠(yuǎn)超過暴雨量級及佛岡前汛期極端降水閾值58.9 mm/d；最大值為158.5 mm/d，出現(xiàn)在 2000年；最小值為 67.3 mm/d，出現(xiàn)在1976年。從多項式擬合曲線可看出，前汛期極端降水強(qiáng)度在1960、1980至1990年代前中期為偏強(qiáng)期，1970和1990年代后期之后為偏弱期。

從圖1c可看出，前汛期降水日數(shù)氣候傾向率為-0.014 d/年，趨勢系數(shù)未通過ɑ＝0.05顯著性水平檢驗，呈弱下降趨勢，前汛期極端降水平均發(fā)生日數(shù)為4.5 d；最大值出現(xiàn)在1983年，共11 d；最小值出現(xiàn)在1991年，為0 d。從多項式擬合曲線可看出，前汛期極端降水日數(shù)在1960年代中后期至1990年代前期為偏多期，1960年代前期和1990年代中后期之后為偏少期。

圖1 佛岡縣1960—2018年前汛期極端降水量（a）、強(qiáng)度（b）、日數(shù)（c）變化曲線

2.2 突變分析

本研究利用 Mann-Kendall方法對 1960—2018年佛岡縣前汛期極端降水進(jìn)行突變檢驗。M-K法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，序列隨機(jī)獨立，UF線為順序統(tǒng)計量曲線，UB線為逆序統(tǒng)計量曲線。當(dāng)UF線與UB線在ɑ＝0.05的檢驗水平臨界值U±1.96之間有交點且交點之后，其中的一條線超過顯著性水平檢驗臨界值時，說明該點即為突變點。當(dāng)UF值大于零時說明序列為上升趨勢，小于零時則說明為下降趨勢［10-11］。

從圖2a可看出，近59年佛岡縣前汛期極端降水量UF線在1960年代中后期至1970年代中期、1980年代末和1990年代中期有上升趨勢，但UF和UB兩條曲線均未超過ɑ＝0.05的顯著性水平檢驗臨界值，所以佛岡縣前汛期極端降水量在近59年來未發(fā)生突變。

圖2b中前汛期極端降水強(qiáng)度UF線在1960至1970年代前期除1964和1967年外，均呈上升趨勢，1970年代中后期之后呈下降趨勢，在2004—2005和2011—2013年超過了ɑ＝0.05的顯著性水平檢驗臨界值，說明這個時間段極端降水強(qiáng)度有顯著的下降趨勢。UF和UB兩條曲線在1988年有交點，且之后UF線有超過ɑ＝0.05的顯著性水平檢驗臨界值，說明前汛期極端降水強(qiáng)度在1988年開始發(fā)生突變。

從圖2c可以看出，前汛期極端降水日數(shù)UF線在1960年代中后期呈上升趨勢，其余時間段均呈下降趨勢，在2000年代中后期以后呈顯著的下降趨勢。UF和UB兩條曲線在1969年有交點，且之后UF線有超過ɑ＝0.05的顯著性水平檢驗臨界值，說明前汛期極端降水日數(shù)在1969年后發(fā)生突變。

圖2 佛岡縣1960—2018年前汛期極端降水量（a）、強(qiáng)度（b）及日數(shù)（c）突變分析

2.3 周期變化

氣候系統(tǒng)是多時間尺度系統(tǒng)，Morlet小波具有多時間尺度分析的特征，不同時間尺度下的小波系數(shù)可以反映出系統(tǒng)在該時間尺度下的變化特征，是一種時域-頻域的分析，能更清楚地看到各周期隨時間的變化情況［11-12］。

本研究通過Morlet小波系數(shù)實部，分析近59年來佛岡縣前汛期極端降水量、強(qiáng)度、日數(shù)的周期變化，當(dāng)小波系數(shù)實部大于零時對應(yīng)偏多期，小于零時對應(yīng)偏少期，小波系數(shù)絕對值越大，表示該時間尺度變化越顯著。

從圖3a可看出，前汛期極端降水量存在5～8、10～12、準(zhǔn)18和30年的周期振蕩，其中5～8年的周期振蕩存在于1980至2000年代前中期；10～12年的周期振蕩在整個時間序列基本存在；準(zhǔn)18年的周期振蕩主要在1980年代之后比較顯著，呈偏少到偏多再到偏少3個交替過程；準(zhǔn)30年的年代際周期振蕩在1990年代之前都較為明顯。從圖3b可看出，前汛期極端降水強(qiáng)度的周期振蕩有5～8、準(zhǔn)15、28～30年，都貫穿在整個時間序列，尤其是28～30年的周期振蕩比較顯著，呈偏強(qiáng)到偏弱再到偏強(qiáng)3個交替過程。

從圖3c可看出，前汛期極端降水日數(shù)在2000年代前存在5～8、準(zhǔn)15、28～30年的周期振蕩，其中28～30年的周期振蕩比較顯著，2000年代之后，周期變化不明顯。

圖3 佛岡縣1960—2018年前汛期極端降水量（a）、強(qiáng)度（b）及日數(shù)（c）Morlet小波系數(shù)實部

3 前汛期極端降水的年代際變化特征

3.1 各年代平均值及趨勢系數(shù)

由表1可見，1960—2018年佛岡縣前汛期極端降水量在1960和1980年代均大于平均量，1980年代極端降水量值最大，為551.7 mm，最小值出現(xiàn)在2000年代，為351.7 mm。1970年代極端降水量趨勢系數(shù)為負(fù)值，通過ɑ＝0.01顯著性水平檢驗，呈顯著的下降趨勢，1960年代呈明顯的上升趨勢，趨勢系數(shù)亦通過ɑ＝0.01顯著性水平檢驗，其它年代雖然呈上升趨勢，但上升幅度不大。

表1 1960—2018年前汛期極端降水量、強(qiáng)度、日數(shù)的年代際平均值及趨勢系數(shù)

前汛期極端降水強(qiáng)度在1960和1980年代強(qiáng)度均大于平均強(qiáng)度，1960年代極端降水強(qiáng)度最大，為105 mm/d，最小值出現(xiàn)在1990年代，為91.7 mm/d。1990和2000年代極端降水強(qiáng)度呈下降趨勢，其中1990年代趨勢系數(shù)通過ɑ＝0.01顯著性水平檢驗，其它年代呈上升趨勢，但上升趨勢幅度基本小于下降趨勢，其中2010年代趨勢系數(shù)通過ɑ＝0.05顯著性水平檢驗，上升趨勢較為明顯。

前汛期極端降水日數(shù)在1960、1970和1980年代日數(shù)均超過平均日數(shù)，1980年代極端降水日數(shù)最多，為5.7 d，最小值出現(xiàn)在2000年代，為3.9 d；1970年代和1980年代極端降水日數(shù)呈下降趨勢，其中1970年代呈顯著的下降趨勢，趨勢系數(shù)通過ɑ＝0.01顯著性水平檢驗，1980年代下降趨勢不明顯，其他年代均呈上升趨勢，其中1960年代呈顯著的上升趨勢，趨勢系數(shù)通過ɑ＝0.01顯著性水平檢驗。

3.2 前汛期各年代出現(xiàn)連續(xù)性極端降水次數(shù)

極端降水致災(zāi)風(fēng)險程度不僅取決于降水量的大小還要關(guān)注是否會出現(xiàn)連續(xù)性極端降水，因此統(tǒng)計近59年佛岡縣前汛期出現(xiàn)連續(xù)性的極端降水對評估致災(zāi)風(fēng)險有很好的參考意義。

統(tǒng)計可知，1960—2018年佛岡縣前汛期出現(xiàn)連續(xù)性極端降水最長持續(xù)天數(shù)為3 d，其中連續(xù)性極端降水日數(shù)占極端降水總?cè)諗?shù)的24.3%。近59年佛岡縣前汛期共有22個年份30次出現(xiàn)連續(xù)性極端降水，其中連續(xù)2 d出現(xiàn)極端降水共有25次，連續(xù)3 d出現(xiàn)極端降水共有5次。連續(xù)2 d出現(xiàn)極端降水每個年代均有出現(xiàn)，次數(shù)最多是在1960年代，共出現(xiàn)7次，其中1964年共出現(xiàn)2次，次數(shù)最少是在1980年代，共出現(xiàn)2次；連續(xù)3 d出現(xiàn)極端降水只在1970、1990和2000年代，次數(shù)最多是在1970年代，共出現(xiàn)3次，其中1975年出現(xiàn)過2次。

4 結(jié)論

1）近59年佛岡縣前汛期極端降水量、強(qiáng)度和日數(shù)總體均呈弱下降趨勢，但下降趨勢不明顯。前汛期極端降水量和日數(shù)的偏多期和偏少期一致，極端降水強(qiáng)度則略有差異。

2）佛岡縣前汛期極端降水量無發(fā)生突變，極端降水強(qiáng)度和日數(shù)分別在1988和1969年發(fā)生減少突變。

3）佛岡縣前汛期極端降水量、強(qiáng)度和日數(shù)均存在5～8年的年際周期變化，但年代際周期變化時間不同，極端降水強(qiáng)度和日數(shù)普遍存在準(zhǔn)15、28～30年的周期振蕩，極端降水日數(shù)在2000年代之后沒有明顯的周期變化，極端降水量存在10～12、準(zhǔn)18和30年的周期振蕩。

4）從年代際變化來看，佛岡縣前汛期極端降水量、強(qiáng)度和日數(shù)在1960和1980年代均大于平均值，之后年代均小于平均值，這使得近59年來佛岡縣前汛期極端降水均呈下降趨勢。

5）近59年佛岡縣共出現(xiàn)30次連續(xù)性極端降水，最長持續(xù)時間為3 d。1970年代雖然前汛期極端降水量是顯著性減少的，但發(fā)生連續(xù)性極端降水日數(shù)比其他年代多，說明極端降水致災(zāi)風(fēng)險程度不僅取決于降水量的大小還要關(guān)注是否會出現(xiàn)連續(xù)性極端降水。