商丘市1960—2018年暴雨時(shí)空變化特征

史桂芬， 張?jiān)葡迹?李 瑩

（商丘市氣象局，河南商丘 476000）

商丘市地處蘇魯豫皖四省交界處，位居黃淮平原腹地，年降水量55%集中在夏季. 2018年8月18日受臺(tái)風(fēng)“溫比亞”影響［1］，商丘市曾出現(xiàn)了百年不遇的特大暴雨.

有研究認(rèn)為，中國暴雨的強(qiáng)度在逐年增強(qiáng)，且存在明顯區(qū)域性特征［2-5］. 許多學(xué)者已研究了中國不同歷史階段降水和暴雨的年代際時(shí)空格局變化及影響因素［6-7］：孔鋒等對(duì)中國暴雨不同時(shí)空尺度變化及成因進(jìn)行了系列的研究［8-13］，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域不同時(shí)間尺度暴雨的特征存在差異；魯坦等［14］、張遠(yuǎn)［15］、王友賀等［16］、王新偉等［17］研究了不同時(shí)間尺度河南暴雨的特征，彭梅香等［18］對(duì)黃河中游地區(qū)暴雨氣候特征進(jìn)行了分析；李鳳秀等［19］對(duì)鄭州的降水特征進(jìn)行分析；熊坤研究了商丘1961—2005年6—8月的暴雨日數(shù)變化［20］；張?jiān)葡佳芯苛松糖鸾邓兓厔?shì)及突變分析［21］.

目前，對(duì)暴雨進(jìn)行不同歷史時(shí)間系列的研究在全國尺度上較多，針對(duì)河南的甚少，有關(guān)商丘市暴雨歷史時(shí)空變化特征的研究尚未開展. 本文利用商丘市1960—2018 年的降水資料，對(duì)該市暴雨日數(shù)的年代際變化、年際變化、月份與季節(jié)變化、空間分布和范圍、暴雨強(qiáng)度等歷史變化規(guī)律進(jìn)行分析，總結(jié)商丘市1960—2018年暴雨的時(shí)空變化特征，為極端氣候風(fēng)險(xiǎn)管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、城市發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)文明建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)參考.

1 資料與方法

降水資料來自商丘市所轄民權(quán)、睢縣、寧陵、柘城、虞城、夏邑、永城和商丘8個(gè)氣象站1960—2018年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，常年值采用1981—2010年的平均值.

1）按《降水量等級(jí)》（GB/T 28592—2012）規(guī)定［22］，暴雨是指24 h累積降水量≥50.0 mm 的雨，按其降水強(qiáng)度大小又分為三個(gè)等級(jí)：24 h累積降水量50.0～99.9 mm為“暴雨”；24 h累積降水量100.0～249.9 mm為“大暴雨”；24 h累積降水量≥250 mm為“特大暴雨”［22］（文中暴雨除特別指出外，均包含大暴雨、特大暴雨）.

2）根據(jù)《氣候影響評(píng)價(jià)》［23］中，氣候與氣候事件評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：暴雨距平在-25%～25%為正常年份；25%～50%為偏多年份；-25%～-50%為偏少年份；＞50%為顯著偏多，即多暴雨年份；＜-50%為顯著偏少，即少暴雨年份.

3）以發(fā)生和影響范圍為劃分原則，將商丘市暴雨分為單站暴雨過程、區(qū)域暴雨過程和連續(xù)性暴雨過程.單站暴雨過程是指某個(gè)站點(diǎn)24 h累計(jì)降水量≥50.0 mm，且只維持1 d；區(qū)域暴雨過程是指有2個(gè)及以上站點(diǎn)出現(xiàn)暴雨，且只維持1 d；連續(xù)性暴雨過程分為單站連續(xù)性暴雨過程和區(qū)域連續(xù)性暴雨過程，單站連續(xù)性暴雨過程為某站點(diǎn)持續(xù)暴雨日≥2 d，區(qū)域連續(xù)性暴雨過程為區(qū)域性暴雨持續(xù)≥2 d［22］.

4）利用Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)商丘市8個(gè)站點(diǎn)1960—2018年逐日降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)出暴雨日、大暴雨日和特大暴雨日. 利用線性回歸分析、趨勢(shì)分析等方法進(jìn)行趨勢(shì)分析及氣候傾向率分析. 利用ArcGIS10.0進(jìn)行IDW空間差值，對(duì)商丘市暴雨日、大暴雨日和特大暴雨日空間分布特征進(jìn)行空間表達(dá).

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)間尺度暴雨日數(shù)變化

2.1.1 暴雨日數(shù)的年代際變化 1960—2018 年商丘市平均年暴雨日數(shù)（日降水量50.0～99.9 mm）年代變化較明顯. 20 世紀(jì)60、70、80 年代平均暴雨日數(shù)變化較平穩(wěn)，在1.9～2.3 d/a 之間，距平值-0.2～0.2 d/a；2000—2009年為暴雨多發(fā)年代，暴雨日數(shù)最多，為2.9 d/a. 2010—2018年暴雨日最少，為1.6 d/a；20世紀(jì)90年代次數(shù)最少，為1.7 d/a. 平均年大暴雨日數(shù)年代變化為：20世紀(jì)90年代和2000—2009年大暴雨日數(shù)最多，為0.5 d/a；20世紀(jì)80年代最少，為0.3 d/a；二者相差0.2 d/a，距均值相差50%（圖1）.

2.1.2 暴雨日數(shù)的年際變化 1960—2018年商丘市暴雨日數(shù)年際變化較大，共出現(xiàn)暴雨1187站次. 其中暴雨日（不含大暴雨和特大暴雨）988站次，占總暴雨日的83.2%；大暴雨日199站次，占16.8%；特大暴雨日6站次，占0.4%.

1960—2018年商丘市平均年暴雨日數(shù)（日降水量50.0～99.9 mm）為2.1 d；2003年暴雨日數(shù)最多，為5.3 d；1966年最少，為0.6 d（圖2）. 年暴雨日數(shù)距平為-1.5～2.6 d，大致分為8個(gè)階段：1965年前以正值為主（正距平5 a，負(fù)距平1 a），為多暴雨時(shí)期；1966—1972年為過渡期，距平值在0線值上下震蕩（正距平4 a，負(fù)距平3 a），平均值為0.3 a；1973—1977年為少暴雨日時(shí)期，5 a均為負(fù)距平；1978—1985年距平以正值為主（正距平7 a，負(fù)距平1 a），為多暴雨日時(shí)期；1986—1994 年距平以負(fù)值為主（正距平2 a，負(fù)距平7 a），為少暴雨日時(shí)期；1995—2002年為過渡期，距平值在0線值上下震蕩（正距平3 a，負(fù)距平4 a）；2003—2010年均是正距平，為多暴雨日時(shí)期；2011—2018年均為負(fù)距平，屬少暴雨日時(shí)期（圖3）.

圖1 商丘市1960—2018年平均年暴雨日及大暴雨日年代變化Fig.1 The average annual change of rainstorm days and heavy rain days in Shangqiu from 1960 to 2018

圖2 商丘市1960—2018年暴雨日、大暴雨日Fig.2 The change of rainstorm days and heavy rain days in Shangqiu from 1960 to 2018

圖3 商丘市1960—2018年暴雨日數(shù)距平Fig.3 Rainstorm days distance between 1960 and 2018 in Shangqiu

1977年之前暴雨日變化周期為5～7 a，之后變化周期為7～9 a. 多暴雨年份為1963年、1982年、1985年、1999年、2000年、2003年、2004年、2010年，共8 a；少暴雨年份為1966年、1968年、1993年、1997年、2014年、2015年，共6 a.

1960—2018年商丘市大暴雨日數(shù)的年際變化較大，平均年大暴雨日數(shù)0.4 d，2000年大暴雨日數(shù)最多，為1.5 d；大暴雨≥1 d的年份有1963年、1965年、1976年、1999年、2000年、2004年，這6 a為多大暴雨日年份. 未出現(xiàn)大暴雨的年份有1966年、1968年、1983年、1988年、2001年、2006年、2014年、2015年，這8 a僅2 d出現(xiàn)特大暴雨天氣，為1963年5月19日（民權(quán)降水量253.7 mm）和2018年8月18日（睢縣、商丘、虞城、寧陵和夏邑降水量依次為302.5、363.6、288.9、332.1、355.2 mm）.

2.1.3 暴雨日的季節(jié)和月變化 1960—2018年商丘市暴雨日（日降水量50.0～99.9 mm）出現(xiàn)在春、夏、秋季，平均2.1 d/a；夏季最多，為1.6 d/a，占年暴雨總數(shù)的75.2%，春秋季差別不大，分別為0.2 d/a和0.3 d/a，分別占年暴雨總數(shù)的11.4%和13.4%. 大暴雨日出現(xiàn)在春、夏、秋季，平均0.4 d/a；夏季最多，為169站次，平均0.4 d/a，占年總數(shù)的84.9%；春季13站次、秋季17站次，分別占年暴雨總數(shù)的6.5%和8.5%（表1）.

表1 商丘市1960—2018年各月、季暴雨日和大暴雨日出現(xiàn)總站次及平均天數(shù)Tab.1 Total number of stations and average days on each month，seasonal rainstorm day and heavy rainy day in Shangqiu from 1960 to 2018

總的來看，暴雨日多發(fā)生在3—11 月，5—9 月的暴雨日占年暴雨日總數(shù)的92.7%，其中又以7 月為最多（0.8 d/a），占年總數(shù)的36.2%；7、8兩月占全年暴雨總數(shù)的63.2%；1—2月和12月均未出現(xiàn)過暴雨. 大暴雨日發(fā)生在5—10月，以7月最多，平均0.2 d/a，占年大暴雨總數(shù)的44.7%；7、8兩月占全年數(shù)的75.9%；其次是6月和9月；1—4月和11—12月沒有出現(xiàn)過大暴雨日.

2.2 暴雨日的空間分布特征

圖4 商丘市1960—2018年各站點(diǎn)總暴雨日和年平均暴雨日Fig.4 Total number of rainstorm days and annual average number of rainstorm days at each station in Shangqiu from 1960 to 2018

1960—2018 年商丘市平均暴雨日的空間分布為：暴雨日民權(quán)最少（97 d），永城最多（153 d）；平均暴雨日為1.6～2.6 d/a，民權(quán)和寧陵（1.6 d/a）最少，永城最多（2.6 d/a）（圖4）. 總大暴雨日最少為寧陵（19 d），最多為夏邑（32 d）；年平均大暴雨日0.3～0.5 d/a，最少是在寧陵（0.3 d/a），最多在夏邑、永城和民權(quán)（0.5 d/a）（圖5）. 暴雨總體呈由東南向西北逐漸減少，暴雨日東部減少幅度大，西部增加幅度較?。ū?）. 年暴雨日東西部差異呈減小趨勢(shì).

圖5 商丘市1960—2018年各站點(diǎn)大暴雨日數(shù)和年平均大暴雨日數(shù)Fig.5 Number of rainstorm days and average annual rainstorm days at each station in Shangqiu from 1960 to 2018

表2 商丘市1960—2018年各站點(diǎn)暴雨日和大暴雨日氣候傾向率Tab.2 Climatic trend rates of days of heavy rain and days of heavy rain at stations in Shangqiu from 1960 to 2018

2.3 暴雨開始和結(jié)束時(shí)間變化

表3 商丘市1960—2018年暴雨開始和結(jié)束時(shí)間年代變化Tab.3 Changes in the beginning and the end of heavy rains in Shangqiu from 1960 to 2018

1960—2018年商丘市暴雨平均開始日期是5月21日，開始日期最早是3月3日（2007年的民權(quán)和虞城），最晚是7月17日（1997年的柘城、寧陵、夏邑和永城），二者相差136 d. 暴雨平均結(jié)束日期是9月10日，結(jié)束日期最早是7月24日（1988年的虞城、柘城、夏邑和永城），最晚是11月19日（1962年的睢縣、商丘、虞城和夏邑），二者相差116 d（表3）. 暴雨開始日期以3.614 d/10 a的速率提前，結(jié)束日期以0.283 d/10 a的速率推遲.2010—2018年暴雨開始日期最早，平均日期為5月11日；20世紀(jì)70年代最晚，為5月30日. 20世紀(jì)90年代暴雨結(jié)束日期最早，平均日期為9月6日；80年代最晚，為9月15日.

2.4 暴雨的范圍

1960—2018年商丘市單站暴雨日共出現(xiàn)268次，占總暴雨日的51.2%. 區(qū)域性暴雨255次，占總暴雨日的48.6%；2～3站的175次，占總暴雨日的29.6%，占區(qū)域性總暴雨日數(shù)的63.6%；8個(gè)站點(diǎn)全部出現(xiàn)的4次，僅占總暴雨日數(shù)2.1%，占區(qū)域性總暴雨日數(shù)的4%（表4）；區(qū)域性暴雨以2～3站的為主.

表4 商丘市1960—2018年年暴雨出現(xiàn)空間范圍年代變化Tab.4 Chronological changes in the spatial extent of heavy rains in Shangqiu from 1960 to 2018 單位：次

暴雨年代分布上，2000—2009 年最多（115 次），2010—2018 年最少（60 次）. 單站暴雨2000—2009 年最多（59次），2010—2018年最少（28次）. 區(qū)域性暴雨2000—2009年最多（56次），2010—2018年最少（32次）；2～3站點(diǎn)的區(qū)域性暴雨20世紀(jì)60年代最多（31次），70年代最少（20次）；4～5站點(diǎn)的區(qū)域性暴雨2000—2009年最多（17次），2010—2018年最少（6次）；6～7站點(diǎn)的區(qū)域性暴雨20世紀(jì)80年代最多（8次），60年代最少（4次）；8個(gè)站點(diǎn)全部出現(xiàn)的區(qū)域性暴雨2000—2009年最多（3次），20世紀(jì)60、90年代最少（1次）. 單站連續(xù)暴雨過程20世紀(jì)90年代最多，出現(xiàn)8次（占總次數(shù)的32%），70年代最少，僅出現(xiàn)1次（占總次數(shù)的4%）；區(qū)域性連續(xù)暴雨過程2000—2009年最多，為6次（占總次數(shù)的31.6%）；2010—2018年次多，為4次；20世紀(jì)90年代最少，為1次（占總次數(shù)的5%）（表5）.

表5 商丘市1960—2018年年暴雨持續(xù)時(shí)間范圍年代變化Tab.5 Chronological changes in the duration of heavy rain in Shangqiu from 1960 to 2018 單位：次

1960—2018年商丘市暴雨過程共475次，其中432次暴雨過程不超過1 d，占總過程的90.9%；單站連續(xù)暴雨過程25次，占總過程的5.1%；過程最長(zhǎng)為3 d（出現(xiàn)2次，1994年8月12—13日睢縣和1991年7月27—29日商丘）；區(qū)域性連續(xù)暴雨過程19次，占總過程的4.0%，過程最長(zhǎng)4 d（2012年7月4—8日商丘站）.

單站連續(xù)暴雨過程以永城最多，有8次（占總次數(shù)的32%）；其次是睢縣，有4次；商丘、虞城各3次；柘城、寧陵、夏邑各2次；民權(quán)沒有出現(xiàn).

2.5 暴雨的強(qiáng)度

1960—2018年商丘市年平均暴雨強(qiáng)度為78.5 mm/d，2018年年平均暴雨強(qiáng)度最大，為182.1 mm/d；1983年最小，為61.3 mm/d；二者相差120.8 mm. 一日最大降水量為363.6 mm，出現(xiàn)在2018年8月18日商丘站. 平均年暴雨強(qiáng)度氣候變化傾向率為2.42 mm/10 a（圖6），通過0.10水平的顯著性檢驗(yàn)（ ||r =0.241 6＞r0.10=0.230 6）.

圖6 商丘市1960—2018年平均年暴雨強(qiáng)度變化Fig.6 Changes in the average annual rain intensity of Shangqiu from 1960 to 2018

1960—2018年，年平均暴雨日降水量距平變化可分為6個(gè)階段：1960—1973、1980—1994、2001—2008年是以負(fù)距平為主的暴雨強(qiáng)度偏小時(shí)期；1974—1979、1995—2000 年是以正距平為主的暴雨強(qiáng)度偏大時(shí)期；2009—2018 年是震蕩期. 平均年暴雨強(qiáng)度年代變化為：2010—2018 年平均年暴雨強(qiáng)度最大，為88.9 mm/d；20世紀(jì)90年代和70年代相差不大，分別是82.7 mm/d和81.3 mm/d；2000—2009年為75.7 mm/d，20世紀(jì)60年代為72.6 mm/d；80年代最少，為71.0 mm/d.

年代暴雨強(qiáng)度最大與最小相差17.9 mm/d，距均值相差為28%.

3 結(jié)論與討論

1）1960—2018年商丘市暴雨以日降水量50.0～99.9 mm（占83.7%），單個(gè)站點(diǎn)的暴雨（占51.2%）為主，且90.9%暴雨過程不超過1 d，說明暴雨以短時(shí)、分區(qū)域?yàn)橹? 夏季暴雨占年總數(shù)的75.2%；7月大暴雨最多，占年暴雨總數(shù)的44.7%，是防洪防汛的重點(diǎn)時(shí)段.

受東南季風(fēng)影響，暴雨總體呈由東南向西北逐漸減少，位于市東南部的永城年平均暴雨日最多. 暴雨的分布與降水量的變化趨勢(shì)基本一致［21］.

2）年平均暴雨日數(shù)1.6～2.6 d/a，呈7～9 a的變化周期. 通過分析發(fā)現(xiàn)：暴雨發(fā)生時(shí)間有延長(zhǎng)趨勢(shì)，開始日期提前3.614 d/10 a，結(jié)束日期推遲0.283 d/10 a；年平均暴雨強(qiáng)度以2.416 mm/10 a的速度增加. 建議相關(guān)部門在極端氣候風(fēng)險(xiǎn)管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市排水設(shè)計(jì)方面注意暴雨防控時(shí)間和強(qiáng)度.

3）1960—2018年商丘市日降水量≥250 mm特大暴雨日僅占0.4%，最大暴雨強(qiáng)度為182.1 mm/d（2018年），連續(xù)暴雨最長(zhǎng)時(shí)間為4 d. 暴雨平均最早開始日期為3月3日，最晚結(jié)束日期為11月19日. 綜合以上分析認(rèn)為，無論降水量、降水強(qiáng)度、暴雨開始和結(jié)束日期，在時(shí)間和地域上都有發(fā)生極端情況的可能. 因此，在暴雨防范方面，需要及時(shí)關(guān)注氣象部門的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)和短時(shí)臨近預(yù)報(bào)，科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全.