武漢主汛期小時(shí)降水變化

康恒元，劉玉蓮

（1哈爾濱市氣象局，哈爾濱 150001；2黑龍江省氣候中心，哈爾濱 150030）

0 引言

2016年夏季，武漢遭遇多場暴雨洗禮，多地積水，萬人連夜緊急轉(zhuǎn)移，城區(qū)交通癱瘓。這并不是武漢第一次遭遇這樣的暴雨，與有器測以來的氣象觀測降水?dāng)?shù)據(jù)相比，2016 年的大雨對(duì)武漢來說，并不罕見。武漢市地處長江中游，季風(fēng)性氣候特點(diǎn)顯著，南北氣流交換頻繁，雨量十分豐沛，年降水量1150～1450 mm，主要集中在6—8月[1]。城市內(nèi)部江河縱橫，湖泊庫塘星布，有“百湖之市”之稱。

近年來，區(qū)域氣候變化研究普遍開展[2-3]，分析認(rèn)為中緯度諸多地區(qū)總降水量呈增加趨勢的同時(shí)，強(qiáng)降水量以更顯著的速度增加[4-5]；有些地方甚至表現(xiàn)為總降水量減少，而強(qiáng)降水量反而增加[6-8]。在中國，1951 年以來全國總降水量呈微弱減少趨勢，但區(qū)域差異明顯：西北地區(qū)、長江中下游地區(qū)以及東南沿海地區(qū)，年降水量和極端降水量均呈顯著增加趨勢；而華北地區(qū)和四川盆地，年降水量和極端降水量均呈減少趨勢[9-12]。根據(jù)Clausius-Clapeyron方程，全球氣候模式中氣溫每增加1℃，極端日降水增加7%，而荷蘭的小時(shí)觀測資料分析表明，當(dāng)日平均氣溫大于12℃時(shí)，氣溫每增加1℃，極端小時(shí)降水增加14%。短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)于局地洪澇災(zāi)害和土壤侵蝕等都有重要影響。降水日變率是刻畫區(qū)域氣候特征的一個(gè)重要方面，近年來受到越來越廣泛的關(guān)注。研究降水日變率特征對(duì)于理解局地降水系統(tǒng)有重要意義。

已有專家針對(duì)武漢市氣溫[13-14]、降水[15]及其他氣候要素[16-18]的氣候與氣候變化做了相關(guān)研究。潘家華等[19]分析了1961—2000年71個(gè)氣象站逐年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫資料，得出40 年間湖北省年平均氣溫上升速率為0.2℃/10 a，但最低氣溫上升幅度遠(yuǎn)高于平均氣溫，達(dá)0.4℃/10 a；最高氣溫變幅最小，為(-0.1～0.1)℃/10 a；覃軍等[20]指出，武漢在36 年左右的時(shí)間尺度上，主要表現(xiàn)為冷—暖—冷—暖4 個(gè)階段。20世紀(jì)30—40年代的暖期和60—70年代的冷期構(gòu)成了20世紀(jì)主要?dú)夂蛱卣?，其?915、1950、1990年前后的突變最明顯。這些研究主要從年、季、月尺度分析了武漢氣溫及降水變化，目前關(guān)于武漢汛期小時(shí)降水的變化分析較少。因此，本研究利用武漢市氣象站小時(shí)降水的觀測資料，分析武漢市主汛期小時(shí)降水的特征及變化情況，以期為長江中下游地區(qū)防汛防內(nèi)澇提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 資料與方法

數(shù)據(jù)來源于湖北省地面氣象觀測網(wǎng)觀測到的小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，時(shí)間為1955—2015年。

中國氣象局地面氣象觀測規(guī)定的汛期時(shí)間為5—9 月，武漢市的長江主汛期為6—7 月。統(tǒng)計(jì)1955—2015年武漢市暴雨(50 mm)及以上級(jí)別降水（見表1），有記錄263天。其中，4月25天，5月33天，6月72天，7月68天，8月35天，9月16天，10月14天。

可見，極端降水（暴雨及以上）多發(fā)生在6、7、8月，6 月最多，極端降水強(qiáng)度平均7 月最強(qiáng)，而極端日最大降水發(fā)生在6 月；特大暴雨（250 mm 以上）4 次，6 月2次（1959 年6 月9 日，1982 年6 月20 日），7、8 月各1 次（1998 年7 月21 日，1969 年8 月23 日）；大暴雨及以上（100 mm 以上）50 次（見表2）。小時(shí)降水最大值是88.4 mm，出現(xiàn)在1998年7月21日06時(shí)。

表1 武漢暴雨及以上級(jí)別降水統(tǒng)計(jì)（1955—2015年合計(jì)）

表2 武漢大暴雨及以上級(jí)別降水統(tǒng)計(jì)（1955—2015年合計(jì)）

因此，選取武漢市強(qiáng)降水最集中的長江主汛期6—7月為本研究分析時(shí)段。時(shí)段內(nèi)缺測小時(shí)數(shù)為73 h，涉及7天6年（1961年1天，6月8日，7 h；1979年1天，6月23日，1 h；1985年1天，6月22日，24 h；1987年1天，7 月3 日，4 h；1990 年2 天，6 月14 日、7 月30 日，36 h；1992年1天，6月21日，1 h），對(duì)氣候及氣候變化分析影響不大，未做處理。

文中使用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)武漢市主汛期小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取1981—2010年進(jìn)行氣候平均值計(jì)算。主汛期指6—7月，降水小時(shí)為小時(shí)時(shí)間段內(nèi)有降水發(fā)生的小時(shí)數(shù)，降水日數(shù)為當(dāng)日范圍內(nèi)降水小時(shí)>0，降水強(qiáng)度為一定時(shí)間范圍內(nèi)降水量與降水時(shí)間比值。

2 結(jié)果與分析

2.1 武漢主汛期降水氣候特征

2.1.1 主汛期、各月及各旬 由表3可知，武漢市主汛期（6—7月）常年（1981—2010年）平均降水量443.5 mm，降水小時(shí)149 h，降水日數(shù)22.7天，降水強(qiáng)度19.5 mm/d。其中，6 月降水量219.7 mm，降水81 h，降水日數(shù)11.6天，降水強(qiáng)度19 mm/d；7月降水量223.8 mm，降水68 h，降水日數(shù)11.1天，降水強(qiáng)度20 mm/d。

表3 武漢主汛期降水（1981—2010年）

由圖1可知，武漢主汛期各旬降水量，第3旬（6月下旬）最多，95.5 mm，其次是第4、5旬（7月上中旬），分別是91.4、77.8 mm，第2旬、第1旬、第6旬降水少于這3 個(gè)旬。旬小時(shí)降水強(qiáng)度（旬降水量與旬降水小時(shí)比值）第5 旬（7 月中旬）最大，3.5 mm/h，其次是第6 旬（7月下旬）和第3旬（6月下旬），第4旬、第2旬、第1旬降水強(qiáng)度較小。

2.1.2 小時(shí)統(tǒng)計(jì) 由圖2 可知，主汛期及各月的小時(shí)降水量，主汛期是05 時(shí)最多28.9 mm，6 月04 時(shí)最多14.7 mm，7 月05 時(shí)最多14.7 mm；降水最少主汛期是0時(shí)11.8 mm，6月16時(shí)4.9 mm，7月0時(shí)3.7 mm。主汛期降水量集中在清晨和上午，夜間較少（見圖2a）。

主汛期內(nèi)小時(shí)降水發(fā)生概率最大是04 時(shí)13.1%，最小21 時(shí)8.3%；6 月最大是04 時(shí)15.1%，最小是16 時(shí)9.4%；7 月最大是05 時(shí)和07 時(shí)11.5%，最小是21 時(shí)和23時(shí)7.0%（見圖2b）。

主汛期內(nèi)小時(shí)降水強(qiáng)度05時(shí)最大3.6 mm/h，16時(shí)最小1.9 mm/h；6月內(nèi)小時(shí)降水強(qiáng)度05時(shí)最大3.3 mm/h，16 時(shí)最小1.7 mm/h；7 月內(nèi)小時(shí)降水強(qiáng)度11 時(shí)最大4.6 mm/h，0時(shí)最小1.4 mm/h。降水強(qiáng)度清晨到中午較大，午后到夜間較小。旬小時(shí)降水統(tǒng)計(jì)（圖略），1旬集中在清晨，2 旬在清晨和傍晚，3 旬凌晨，4 旬傍晚和上午，5旬清晨，6旬在中午（見圖2c）。

2.2 武漢主汛期降水變化

2.2.1 主汛期 為方便年代際比較，取1956—2015年共60 年，分析武漢主汛期降水變化。圖3 中虛線為年代際平均線，6個(gè)年代分別為1956—1965年、1966—1975年、1976—1985 年、1986—1995 年、1996—2005 年、2006—2015年。

由圖3a 可見，主汛期降水量上升趨勢明顯，通過0.05 顯著性水平檢驗(yàn)；降水量最多在1991 年，較常年多106%，最少在1961年，較常年少73%。

降水小時(shí)數(shù)2000 年前增多，之后下降，整體無明顯變化趨勢，1986—2005 年最多，最近的10 年2006—2015年最少（圖3b）。

主汛期小時(shí)降水強(qiáng)度總體上升趨勢（通過0.05 顯著性水平檢驗(yàn)），1966—1975年間小時(shí)降水強(qiáng)度最小，1959年主汛期平均的小時(shí)降水強(qiáng)度最大5.2 mm/h，60年代末70 年代初以后，1976—1985 年平均較大，1986—1995年又減小（高于1966—1975年），其后漸次增加（圖3c）。

2.2.2 降雨最多的第3、4、5旬 統(tǒng)計(jì)主汛期內(nèi)降水最多的第3旬（6月下旬）、4旬（7月上旬）、5旬（7月中旬）降水（見圖4），可見3個(gè)旬的降水量、降水小時(shí)數(shù)、降水強(qiáng)度均無明顯趨勢，僅第3 旬的降水強(qiáng)度增加趨勢明顯（圖中降水強(qiáng)度無值點(diǎn)為當(dāng)年當(dāng)旬無降水）。

比較武漢主汛期第3、4、5旬日內(nèi)降水發(fā)生時(shí)間前30 年（1956—1985 年）與后30 年（1986—2015 年）合計(jì)值（見圖5），第3旬前30年05時(shí)降水發(fā)生次數(shù)最多，后30 年04 時(shí)降水次數(shù)最多，變化最大的是07 時(shí)（減少）和16 時(shí)（增多），分別減少和增加了10 次；第4 旬前30年07 時(shí)降水發(fā)生次數(shù)最多，后30 年06 時(shí)降水次數(shù)最多，變化最大的是01 時(shí)，降水次數(shù)增加了19 次，后30年與前30年相比，各小時(shí)降水次數(shù)均增加，僅08時(shí)減少（減少1次）；第5旬前30年07時(shí)降水發(fā)生次數(shù)最多，后30 年04 時(shí)降水次數(shù)最多，變化最大的是07 時(shí)（減少）和19時(shí)（增多），分別減少8次和增加10次。

3 結(jié)論與討論

本研究利用武漢市氣象站1955—2015 年小時(shí)降水的觀測資料，分析武漢市主汛期小時(shí)降水的特征及變化情況，指出：

（1）武漢市主汛期降水量443.5 mm，降水小時(shí)149 h，降水日數(shù)22.7 天，降水強(qiáng)度19.5 mm/d。6 月降水量219.7 mm，降水小時(shí)81 h，降水日數(shù)11.6 天，降水強(qiáng)度19 mm/d；7月降水量223.8 mm，降水小時(shí)68 h，降水日數(shù)11.1 天，降水強(qiáng)度20 mm/d。武漢主汛期降水集中在6月下旬、7月上旬、和7月中旬。

（2）主汛期降水量05時(shí)最多28.9 mm，6月是04時(shí)最多14.7 mm，7月是05時(shí)最多14.7 mm。主汛期降水量集中在清晨和上午，夜間較少。主汛期降水發(fā)生概率最大是04 時(shí)13.1%，最小21 時(shí)8.3%；6 月最大是04時(shí)15.1%，最小是16 時(shí)9.4%；7 月最大是05 時(shí)和07 時(shí)11.5%，最小是21時(shí)和23時(shí)7.0%。

（3）主汛期內(nèi)小時(shí)降水強(qiáng)度05 時(shí)最大3.6 mm/h，16 時(shí)最小1.9 mm/h；6 月內(nèi)小時(shí)降水強(qiáng)度05 時(shí)最大3.3 mm/h，16時(shí)最小1.7 mm/h；7月內(nèi)小時(shí)降水強(qiáng)度11時(shí)最大4.6 mm/h，0 時(shí)最小1.4 mm/h。降水強(qiáng)度清晨到中午較大，午后到夜間較小。

（4）主汛期降水量上升趨勢明顯，降水量最多在1991 年，較常年多106%，最少在1961 年，較常年少73%；降水小時(shí)數(shù)無明顯變化趨勢，1986—2005 年最多，2006—2015 年最少；降水強(qiáng)度上升趨勢。主汛期第3旬的降水強(qiáng)度增加趨勢明顯。

（5）武漢主汛期第3 旬小時(shí)降水發(fā)生次數(shù)前后30年變化最大的是07 時(shí)（減少10 次）和16 時(shí)（增多10次）；第4 旬變化最大的是01 時(shí)，降水次數(shù)增加了19次，后30年與前30年相比，各小時(shí)降水次數(shù)均增加，僅08時(shí)減少；第5旬變化最大的是07時(shí)（減少8次）和19時(shí)（增多10次）。

本研究使用了以前相關(guān)分析中較少使用的小時(shí)降水觀測數(shù)據(jù)，從更小時(shí)間尺度討論了武漢主汛期降水變化特點(diǎn)，為長江中下游地區(qū)防汛尤其是城市防內(nèi)澇提供更多參考。本研究僅使用武漢氣象站觀測數(shù)據(jù)，對(duì)不同城區(qū)差異、城市化影響等分析未展開，還需在以后的工作中收集更多數(shù)據(jù)，做更多討論分析。