1980～2018年龍泉驛區(qū)降水的多尺度特征

吳亞澤 ,肖天貴 ,高楷祥

（1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225；2.成都市雙流區(qū)氣象局，成都 610200）

引言

近幾十年來，在全球氣候變暖背景下，自然災(zāi)害中旱澇災(zāi)害對(duì)我國每年經(jīng)濟(jì)造成的損失占據(jù)了很大比重[1]。成都市作為四川省的省會(huì)城市，近年來大力實(shí)施城市“東進(jìn)”，跨越龍泉山發(fā)展，城市空間格局由原來的“兩山夾一城”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙簧竭B兩翼”[2]。龍泉驛區(qū)作為國家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)（簡稱經(jīng)開區(qū)），2000年2月由國務(wù)院通過并批準(zhǔn)龍泉驛區(qū)成為成都市現(xiàn)代化城市副中心，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要的地位。

龍泉驛區(qū)位于成都市東部龍泉山脈中段，面積556.98km2，屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，氣溫平和，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。春季降水最少，倒春寒現(xiàn)象居多；夏季降水最多，是洪澇災(zāi)害的多發(fā)時(shí)節(jié)；秋季涼爽多雨；冬季多霧少雪，日照相對(duì)其他季節(jié)較少[3]。2008年汶川地震發(fā)生之后，四川盆地及成都市周邊山脈地質(zhì)活動(dòng)日漸頻繁，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。國務(wù)院災(zāi)難評(píng)估報(bào)告指出：伴隨汶川大地震同時(shí)產(chǎn)生了大約15000例滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，這些地質(zhì)災(zāi)害所產(chǎn)生的損失大約占整個(gè)地震損失的33%。龍泉驛區(qū)處于龍門山地質(zhì)斷裂帶附近所構(gòu)成的特殊地理位置，加之強(qiáng)降水天氣多發(fā)，容易出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害，其對(duì)自然災(zāi)害的影響非常敏感[4]。因此，研究龍泉驛區(qū)的降水特征和集中性具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值[5]。

已有很多學(xué)者開展了四川盆地的氣候變化特征研究。高藺云等[6]、孫昭萱等[7]、羅玉等[8]分析發(fā)現(xiàn)，四川盆地降水主要集中在夏季，占比全年降水的53.3%，盆地內(nèi)大多數(shù)地區(qū)降水呈下降趨勢(shì)。陳鵬等[9]等、楊福安等[10]研究表明，四川盆地夏季氣溫和降水均具有明顯的準(zhǔn)3a和準(zhǔn)10a周期振蕩特征。陳超等[11]和趙靜等[12]對(duì)四川盆地近五十年的氣候研究表明，盆地內(nèi)降水量年際振蕩較大，20世紀(jì)60年代和80年代降水量偏多，其余年代降水偏少，且1990年之后降水顯著減少?？偟恼f來，現(xiàn)有工作以四川盆地為主，專門針對(duì)龍泉驛區(qū)降水的研究并不多見。本文針對(duì)這一薄弱環(huán)節(jié)，擬利用國家氣象站和自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料，分析龍泉驛區(qū)降水的時(shí)空變化規(guī)律、降水強(qiáng)度和集中性特征，以期為全面認(rèn)識(shí)氣候變化事實(shí)和科學(xué)制定防災(zāi)減災(zāi)決策提供科技支撐。

1 資料與方法

研究資料包括：成都市龍泉驛區(qū)國家觀測(cè)站的降水資料，時(shí)間長度1980～2018年；2009年后逐步建立的17個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站30min降水資料。研究方法包括趨勢(shì)分析、Morlet小波分析[13]以及Mann-Kendall突變檢驗(yàn)[14?16]等常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法。

2 年降水變化的多尺度特征

滑坡、泥石流等重大地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生通常與強(qiáng)降水關(guān)系密切，而降水的發(fā)生受多種因素，其時(shí)空演變規(guī)律極其復(fù)雜，揭示降水的多尺度時(shí)間變化特征，對(duì)提升天氣預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)警水平具有重大意義。

2.1 年降水量變化的多尺度特征

圖1是1980～2018年龍泉驛區(qū)年降水量年際變化。由圖可知，近39a，龍泉驛區(qū)年降水量總體呈下降趨勢(shì)，其降水傾向率為?43.2mm/10a；年降水量還表現(xiàn)出顯著的年際差異和波動(dòng)變化特征，年降水量最大的2018年（1326.9mm）與年降水量最小的2006年（503.1mm）降水差值為823.8mm，年際差值達(dá)1倍以上。近39年，年降水量較少的年份有：1983、1986、1989、1993、1996、2006、2013、2017年共8年，年降水量較多的年份有1981、1984、1988、1990、2001、2008、2013、2018年共8年。5年滑動(dòng)平均曲線表明，1982～1995年龍泉驛區(qū)年降水量呈下降趨勢(shì)，2003年之后年降水量呈增加趨勢(shì)。2008、2009、2013和2018年的年降水量超過1000mm，分別為1043.6mm、1033.5mm、1019.4mm、1326.9mm。在10a時(shí)間尺度上，龍泉驛區(qū)1980～1989年、1990～1999年、2000～2009年、2010～2018年的平均降水量分別為974.49mm、879.09mm、840.52mm、852.93mm，降水傾向率為?40.52mm/10a。

圖1 1980～2018年龍泉驛區(qū)年降水量年際變化

圖2 1980～2018年龍泉驛區(qū)年降水量的小波變換系數(shù)（a）和方差（b）

圖2是1980～2018年龍泉驛區(qū)年降水量的小波分析結(jié)果。如圖所示，龍泉驛區(qū)年降水量在多個(gè)時(shí)間尺度上呈現(xiàn)出不同的周期振蕩特征，以準(zhǔn)3a和準(zhǔn)9a周期為主。在7～11a時(shí)間尺度上，1980～1984年、1989～1994年、1998～2003年、2007～2010年為降水偏多期，1985～1988、1995～1997、2004～2006、2010～2012年為降水偏少期，降水量的年代際特征明顯。在5a以內(nèi)的時(shí)間尺度上，龍泉驛區(qū)年降水量也表現(xiàn)出豐沛期和稀少期交替出現(xiàn)的特征，20世紀(jì)90年代中期之前的降水量變化周期主要為2～3a，之后則以3～4a的振蕩周期為主。2007～2010年，龍泉驛區(qū)年降水量存在準(zhǔn)3a和準(zhǔn)9a的周期振蕩疊加，這一時(shí)段更容易出現(xiàn)引發(fā)災(zāi)害的強(qiáng)降水事件。

圖3是1980～2018年龍泉驛區(qū)年降水量的M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果。從UF曲線變化特征看，1980年開始，龍泉驛區(qū)年降水量存在一個(gè)短暫的上升過程；1983年開始下降，1986年之后UF值始終<0，說明龍泉驛區(qū)年降水量存在明顯的減少過程，1997年這種減少趨勢(shì)通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)；在2003～2008年和2015～2018年，UF曲線又超過了0.05水平的信度檢驗(yàn)線，表明龍泉驛區(qū)年降水量呈顯著的減少趨勢(shì)。根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，可以看出，突變點(diǎn)存在于1989～1992年，但未通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，說明龍泉驛區(qū)年降水量的年代際變化特征并不顯著。

圖3 1980～2018年龍泉驛區(qū)降水量M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果（UF：實(shí)線，UB：虛線）

2.2 年降水日數(shù)變化的多尺度特征

降水日數(shù)能在一定程度上反映出降水強(qiáng)度的變化。圖4給出了1980～2018年龍泉驛區(qū)年降水日數(shù)的小波分析結(jié)果。如圖所示，近39a龍泉驛區(qū)年降水日數(shù)存在明顯的4a、7～8a和準(zhǔn)12a振蕩周期；1995年之前，存在完整的7a周期振蕩，之后以8a周期振蕩為主；1980～2018年存在準(zhǔn)12a振蕩周期。結(jié)合圖2a和圖4a可知，2018年之后龍泉驛區(qū)很可能處于降水日數(shù)偏多且降水量偏大的時(shí)段。因此，近年來應(yīng)該密切關(guān)注龍泉驛區(qū)降水情況，加強(qiáng)防范地質(zhì)災(zāi)害。

圖4 1980～2018年龍泉驛區(qū)年降水日數(shù)的小波系數(shù)（a）和方差（b）

圖5是1980～2018年龍泉驛區(qū)年降水日數(shù)M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果。從UF曲線可知，1991年之前降水日數(shù)呈增加趨勢(shì)，之后UF曲線均在0值以下，降水日數(shù)呈下降趨勢(shì)，均未通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，表明龍泉驛區(qū)年降水日數(shù)的變化趨勢(shì)并不十分顯著。另外，UF和UB曲線交點(diǎn)較多，突變情況繁復(fù)，但均未通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，說明龍泉驛區(qū)年降水日數(shù)的年代際變化特征并不顯著。

圖5 1980～2018年龍泉驛區(qū)年降水日數(shù)M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果(UF：實(shí)線，UB：虛線)

3 季節(jié)降水的多尺度特征

一般而言，由于降水引起的地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)主要是發(fā)生在降水相對(duì)集中的某些特定時(shí)段，這些特定時(shí)段可能是季節(jié)或者月份。因此，針對(duì)不同季節(jié)的降水變化規(guī)律開展研究，對(duì)于加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害的防范預(yù)警意義重大。

圖6是1980～2018年龍泉驛區(qū)春季和夏季降水量的年際變化。如圖6a所示，龍泉驛區(qū)春季降水傾向率為?0.63mm/10a，呈弱減少趨勢(shì)。在20世紀(jì)80年代，春季降水變化相對(duì)平緩，降水量波動(dòng)在135.1～208.9mm之間，年際差異達(dá)73.8mm，標(biāo)準(zhǔn)差為22.7mm；在20世紀(jì)90年代及之后，1997年春季降水量達(dá)283.6mm，而1995年僅有73.0mm，年際差異達(dá)210.6mm，標(biāo)準(zhǔn)差為51.1mm；21世紀(jì)以來，春季降水量表現(xiàn)為先增加再減少的特征，21世紀(jì)10年代呈緩慢下降趨勢(shì)。結(jié)合對(duì)應(yīng)的小波分析（圖7）可以看出，近39a龍泉驛區(qū)春季降水存在明顯的周期性變化過程，振蕩周期約為7a，伴有5個(gè)少雨期和6個(gè)多雨期，2000年之后出現(xiàn)的準(zhǔn)3a振蕩是次要周期。

如圖6b所示，龍泉驛區(qū)夏季降水變化特征與年降水量類似，總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其傾向率為?37.6mm/10a，1984年和2018年夏季降水量最多，分別為1018.1mm和996.4mm，2006年最少為247.0mm，降水量年際差異達(dá)771.1mm，標(biāo)準(zhǔn)差為154.8mm。從五年滑動(dòng)平均曲線看，1980～1994年夏季降水量相對(duì)充沛，位于趨勢(shì)線之上；1994～2010年降水相對(duì)較少，處于趨勢(shì)線以下；2010年之后，降水呈增多趨勢(shì)。結(jié)合對(duì)應(yīng)的小波分析（圖8）可以看出，龍泉驛區(qū)夏季降水存在顯著的準(zhǔn)9a周期振蕩，4個(gè)少雨期和4個(gè)多雨期交替出現(xiàn)，準(zhǔn)3a的振蕩次周期不太明顯。近年來夏季降水量呈顯著增加趨勢(shì)，且多以大雨、暴雨等短時(shí)強(qiáng)降水居多，對(duì)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害有著重要影響，因此對(duì)于夏季發(fā)生的強(qiáng)降水事件應(yīng)該加強(qiáng)預(yù)警。

圖6 1980～2018年龍泉驛區(qū)春季（a）、夏季（b）降水量年際變化

圖7 1980～2018年龍泉驛區(qū)春季降水量的小波系數(shù)（a）和方差（b）

圖8 1980～2018年龍泉驛區(qū)夏季降水量的小波系數(shù)（a）和方差（b）

圖9a是1980～2018年龍泉驛區(qū)秋季降水的年際變化。與春、夏兩季降水變化趨勢(shì)不同的是，秋季降水總體呈緩慢增加的趨勢(shì)，其傾向率為2.86mm/10a，秋季降水量最多（383.7mm）與最少（60.3mm）之間差異達(dá)323.4mm，尤其是20世紀(jì)90年代及之后，秋季降水的波動(dòng)更加顯著，降水標(biāo)準(zhǔn)差為94.2mm，比20世紀(jì)80年代的標(biāo)準(zhǔn)差（51.1mm）高出43.1mm。結(jié)合對(duì)應(yīng)的小波分析（圖10）可以看出，龍泉驛區(qū)秋季降水存在明顯的周期性變化特征，其振蕩周期為7～8a。

圖9b是1980～2018年龍泉驛區(qū)冬季降水的年際變化。冬季降水在全年中最少，平均降水量僅有30.72mm，趨勢(shì)平緩，年際變化不大，其最大降水量（62.4mm）與最小降水量（8.00mm）的差異表明冬季產(chǎn)生大到暴雨的概率很低，結(jié)合對(duì)應(yīng)的小波分析（圖11）可以看出，龍泉驛區(qū)冬季降水存在顯著的準(zhǔn)10a振蕩周期，準(zhǔn)5a的次周期在2000年之后才逐漸顯現(xiàn)。

圖9 1980～2018年龍泉驛區(qū)秋季（a）、冬季（b）降水量年際變化（單位mm）

圖10 1980～2018年龍泉驛區(qū)秋季降水量的小波系數(shù)（a）和方差（b）

圖11 1980～2018年龍泉驛區(qū)冬季降水量的小波系數(shù)（a）和方差（b）

總的來說，對(duì)于龍泉驛區(qū)降水誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警，主要需關(guān)注春、夏、秋三季的大雨、暴雨天氣，尤其是夏季的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)。2005年之后，由于春、夏、秋季降水呈增加趨勢(shì)，加之降水量波動(dòng)較大，降水誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性也有所增大，需重點(diǎn)加強(qiáng)春、夏、秋季節(jié)的降水預(yù)報(bào)預(yù)警，尤其是夏季的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)。

4 月降水量變化特征

圖12是1980～2018年平均龍泉驛區(qū)降水逐月變化。1～4月，降水量均小于50mm；5～8月，降水量急劇增長；7月、8月降水量分別為215.4mm、201.4mm，9月降水量迅速減少至122.0mm，之后3個(gè)月降水量均低于50mm?？梢姡邓扛哂?00mm的7、8月為龍泉驛區(qū)主要降水時(shí)間段，降水量為100～150mm的6月和9月為次要降水時(shí)間段，降水量為50～100mm的5月為過渡降水時(shí)間段，其余月份為降水偏少時(shí)段。全年只有5～9月能產(chǎn)生暴雨及以上強(qiáng)降水，這就是統(tǒng)計(jì)意義上降水誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的主要時(shí)段，應(yīng)把7、8兩個(gè)月作為地質(zhì)災(zāi)害的重點(diǎn)防御時(shí)段。

圖12 1980-2018年平均龍泉驛區(qū)降水量的逐月變化

圖13給出了1980～2018年龍泉驛區(qū)7月和8月降水的年際變化。可以看出，7月降水量減少趨勢(shì)不明顯，8月降水量呈明顯減少趨勢(shì)，二者年際波動(dòng)均較為顯著。7月最大降水量（673.4mm，2018年）與最小降水量（52.5mm，2015年）之間年際差異可達(dá)620.9mm，而8月最大降水量（402.1mm，2001年）與最小降水量（56.9mm，2011年）之間年際差異為345.2mm，表明7月降水的年際波動(dòng)比8月更大。從年代際變化特征看，7月和8月降水量年代際變化趨勢(shì)基本相反。20世紀(jì)80年代初期和2010年代中后期的7月降水相對(duì)偏多，其余時(shí)段的7月降水相對(duì)偏少；8月降水最少的時(shí)間段同樣位于20世紀(jì)80年代初期和2010年代中后期，其余時(shí)間段的8月降水相對(duì)偏多；7月和8月降水的年代際變化趨勢(shì)相反。

圖13 1980～2018年龍泉驛區(qū)7月（a）和8月（b）降水量的年際變化

5～9月是傳統(tǒng)意義上的汛期，一般易發(fā)暴雨天氣。圖14表明，1980～2018年龍泉驛區(qū)汛期降水平均值為744.3mm，汛期降水量總體呈顯著下降趨勢(shì)，傾向率為?4.3mm/10a。從汛期降水的年代際變化看，1980～1989年、1990～1999年、000～2009年和2010～2018年四個(gè)時(shí)段的平均汛期降水量分別為838.59mm，716.26mm，684.93mm和649.15mm，即減少率為?76.2mm/10a，可見10年時(shí)間尺度上汛期降水減少顯著。1983、1986、1989、1993、1997、2006、2017年為汛期降水偏少年，1981、1984、1988、1990、2001、2008、2013、2018年為汛期降水偏多年，其降水量最大值（1200.6mm）與最小值（374.8mm）差異可達(dá)825.8mm，年際變化十分顯著。

圖14 1980～2018年龍泉驛區(qū)汛期降水量的年際變化

5 旬日降水集中性特征

5.1 旬降水集中性特征

圖15是1980～2018年平均龍泉驛區(qū)降水量的逐旬變化。如圖所示，旬降水量變化特征遵循準(zhǔn)正態(tài)分布規(guī)律。1～12旬（1～4月）和28-36旬（10～12月）旬降水量偏少（低于20mm），僅可能出現(xiàn)中雨，降水誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害是小概率事件；旬降水量雙峰結(jié)構(gòu)特征明顯，即第21旬（7月下旬）和23旬（8月中旬）降水量分別為87.6mm和86.3mm；第18旬（57.8mm）和第25旬（55.8mm）降水量也分別超過了第19旬(53.5mm)和第24旬(55.5mm)，顯示出降次雙峰結(jié)構(gòu)特征；旬降水量迅速增加的階段發(fā)生在第12旬（19.4mm）至第18旬（57.8mm）之間，第24旬后降水量迅速減少，第28旬降水量已低至17.3mm；第12～18旬和25～28旬降水量變化為20～50mm，旬內(nèi)仍有出現(xiàn)大到暴雨的可能性，即龍泉驛區(qū)在汛期初期和后期均存在著降水誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性；第18旬～25旬（6月下旬～9月上旬）平均降水量超過了50mm，其中第20～23旬（7月中旬?8月中旬）降水量超過了60mm，均為龍泉驛區(qū)大雨、暴雨發(fā)生概率較大的時(shí)期，需特別加強(qiáng)降水誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警。

圖15 1980～2018年平均龍泉驛區(qū)降水量的逐旬變化

5.2 日降水集中性特征

圖16是1980～2018年平均龍泉驛區(qū)降水量的逐日變化。如圖所示，日降水量變化整體呈準(zhǔn)正態(tài)分布特征；1～7月，日降水量呈上升趨勢(shì)，8～12月呈下降趨勢(shì)；降水量較小值出現(xiàn)在一年中的1～5月和9～12月，即非汛期日降水量都較?。谎雌谌战邓吭?月與8月最為豐盈，最大值出現(xiàn)在第231天，對(duì)應(yīng)8月19日，日降水量為16.04mm?？梢姡雌诔掷m(xù)降水極有可能逼近龍泉驛區(qū)山地受降水沖刷所能承受的極限，從而誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。因此，加強(qiáng)汛期龍泉驛區(qū)災(zāi)害隱患點(diǎn)的降水預(yù)警預(yù)報(bào)是防災(zāi)減災(zāi)的重點(diǎn)。

圖16 1980～2018年平均龍泉驛區(qū)降水量的逐日變化

6 結(jié)論

本文利用國家氣象站和自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料，分析1980～2018年龍泉驛區(qū)降水的時(shí)空變化規(guī)律、降水強(qiáng)度和集中性特征，得到的主要結(jié)論如下：

（1）龍泉驛區(qū)年降水量整體呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，且年際差異顯著，具有明顯的準(zhǔn)4a周期振蕩特征。20世紀(jì)80年代～90年代末期年降水量出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，2005年開始，又表現(xiàn)為增多的趨勢(shì)，且2018年后仍處于增加的趨勢(shì)，未來對(duì)于龍泉驛區(qū)降水的預(yù)報(bào)預(yù)警變得日益重要。

（2）龍泉驛區(qū)年降水量及降水日數(shù)表現(xiàn)出較明顯的多尺度變化特征，降水量存在明顯的準(zhǔn)3a和準(zhǔn)9a周期振蕩特征，準(zhǔn)9a周期最為顯著。降水日數(shù)存在明顯的準(zhǔn)4a，7～8a和12a周期變化，以7～8a周期最為顯著。降水量趨勢(shì)變化顯示在2018年后將處于新的豐水期，而降水日數(shù)也呈增加趨勢(shì)。

（3）龍泉驛區(qū)降水具有明顯的季節(jié)性特征。春季降水減少趨勢(shì)非常緩慢；夏季降水整體減少趨勢(shì)顯著，以大到暴雨等短時(shí)強(qiáng)降水居多；秋季降水與春、夏季不同，呈緩慢的增加趨勢(shì)，傾向率2.86mm/10a，且年際變化顯著；冬季降水變化趨勢(shì)平穩(wěn)，年際變化不大。

（4）龍泉驛區(qū)的主要降水月份為7、8月，二者平均月降水量均可達(dá)200mm以上，其月降水量的年代際變化表現(xiàn)出7、8月交替出現(xiàn)峰值的“蹺蹺板”現(xiàn)象，即降水量7月多（少）則8月少（多）。龍泉驛區(qū)7、8月降水的預(yù)報(bào)預(yù)警相較于其他時(shí)間更為重要。

（5）龍泉驛區(qū)旬降水量具有明顯的準(zhǔn)正態(tài)分布特征。龍泉驛區(qū)在汛期6月下旬～9月上旬發(fā)生大雨、暴雨概率較大，旬內(nèi)降水量最集中時(shí)段為7月下旬與8月中旬，次集中時(shí)段為6月下旬～7月上旬和8月下旬～9月上旬。龍泉驛區(qū)日降水量也呈準(zhǔn)正態(tài)分布特征，較大值出現(xiàn)在汛期，非汛期日降水量較少，不容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。