近45 a宜昌市暴雨日数的气候特征及变化

张盛超，张 明，高琪清，杨在银

(1.湖北省宜都市气象局，湖北 宜都 443300;2.湖北省当阳市气象局，湖北 当阳 444100;3.湖北省宜昌市气象局，湖北 宜昌 443000)

1 引言

暴雨是夏季常见的一种灾害性天气现象，也是最为严重的自然灾害之一，特别是一些强度高、总量大的特大暴雨，能造成山洪暴发、土壤流失、甚至水库垮坝、河堤决口、淹没农田、中断交通，引起山体滑坡、地层沉陷、产生泥石流等一系列次生灾害，因其突发性以及对受灾地区国民经济建设及人民生命财产造成的毁灭性影响而受到广泛的社会关注。近些年来，气象学者对我国或区域的暴雨气候特征研究取得了许多有意义的成果。鲍名等［1］分析了我国近40 a暴雨发生频率的时空变化特征，指出我国夏季暴雨多发生在长江中下游、华南、四川中东部、黄淮地区和东北地区，夏季暴雨发生频率具有明显的年代际变化。杨贤为等［2］对长江中游暴雨天气气候特征进行研究，指出长江中游区域性暴雨主要发生在梅雨期。王龙学等［3］分析了长江中下游地区汛期暴雨频次时空分布特征。本文利用宜昌市9个观测站近45 a的逐日降水资料，分析宜昌市暴雨日数的气候特征及变化规律，以期为该地区暴雨的气候诊断和汛期旱涝预测提供科学的依据，也为当地政府部门开展防灾减灾提供参考。

2 材料和方法

本文定义暴雨日数为日降水量≥50.0 mm的日数，大暴雨日数为日降水量≥100.0 mm的日数，利用宜昌市9个观测站1966—2010年的逐日降水资料，统计了近45 a暴雨日数资料。采用线性趋势分析方法分析宜昌市暴雨日数的变化趋势，用Morlet复值小波分析方法［4－8］分析暴雨日数的周期变化特征，用Mann－Kendall法［9］对暴雨日数进行气候突变检验。

3 结果与分析

图1 宜昌市暴雨日数的空间分布(单位:d)

3.1 暴雨日数的空间分布

图1为宜昌市1966—2010年年平均暴雨日数的空间分布，从气候分布上，宜昌市年平均暴雨日数存在明显差异，基本表现为南多北少，年平均暴雨日数最多的是长阳为4.3 d，最少的是兴山仅为1.9 d，两者相差了2.4 d。就单站而言，年暴雨日数最多为长阳12 d(1983年)，其次是五峰11 d(1983年)，最少有全年没有暴雨发生的，如兴山45 a中有8 a没有暴雨发生。年平均大暴雨日数分布(图略)与年平均暴雨日数分布类似，但年平均大暴雨日数最多为五峰0.6 d，最少是兴山约为0.1 d，近45 a只出现了4次大暴雨。

3.2 暴雨日数的时间变化特征

图2是宜昌市9个站空间平均后的年暴雨日数的时间演变，可以看出，近45 a宜昌市年平均暴雨日数为3.2 d，最多为1983年6.3 d，最少为1966年仅为0.8 d，年暴雨日数以0.17 d/(10 a)速率增加，没有通过0.05显著性水平检验，增加趋势不明显。20世纪60年代后期、70年代、80年代中期至90年代中期和21世纪近10 a大致为少暴雨时段，80年代前中期和90年代前中期为多暴雨时段。

就季节分布而言，暴雨日数主要集中在汛期(5－9月)，约占全年暴雨日数的87.5%，暴雨日数的月分布呈单峰型(图略)，其中7月份暴雨最多，约占全年暴雨日数的31.3%。

图2 宜昌市暴雨日数逐年变化图

3.3 暴雨日数的周期分析

小波分析不仅能反映信号在时频域上的总体特征，还能提供局部变化的信息。既可给出信号变化的时间尺度，也可以显示出信号变化的时间位置，同时还具有对突变点进行诊断的能力，因此广泛应用于气候变化分析与预测［10－12］。本文利用Morlet复值小波分析宜昌市暴雨日数的周期变化。

图3 宜昌市年暴雨日数距平的Morlet小波系数实部等值线图

图3为根据宜昌市1966—2010年暴雨日数年距平做Morlet小波变换得到的小波系数实部等值线分布图。小波系数的实部包含给定时间和尺度下，相对于其他时间和尺度，信号的强度和位相两方面的信息。小波系数为正时，表示暴雨日数相对偏多，图中用实线表示;小波系数为负时，表示暴雨日数相对偏少，用虚线表示;小波系数为0的地方则为突变点;图中的符号反映了振荡的位相，等值线中心反映了不同尺度振荡的振幅最大值。因此，从图中可以看出不同尺度下宜昌市暴雨日数的偏多(偏少)状况。由图可见，宜昌市暴雨日数存在明显的年际变化和年代际变化，存在2～4 a、6 a、准10 a、准16a的4类尺度的周期变化规律。从较大尺度16 a分析，暴雨日数变化存呈偏高—偏低—偏高—偏低—偏高交替振荡，具体表现为1966—1973年偏高，1974—1978年偏低，1979—1986年偏高，1987—1993年偏低，1994—2010年偏高，且等值线未闭合，这说明16 a时间尺度下，在2010年后一段时间宜昌市暴雨日数还是处于相对偏多期。在时间尺度准10 a上，暴雨日数变化存在偏低—偏高交替的准5次振荡，具体表现为1966—1967年偏低，1968—1973年偏高，1974—1978年偏低，1979—1983年偏高，1984—1987年偏低，1988—1992偏高，1993—1995年偏低，1996—2001偏高，2002—2006年偏低，2007—2010偏高且等值线未闭合，这说明10 a时间尺度下，在2010年后一段时间宜昌市暴雨日数同样还是处于相对偏多期。在10 a以下年际尺度上的变化，由于振荡比较频繁，这里不做具体分析。

图4 宜昌市年暴雨日数距平的Morlet小波系数数模等值线图

Morlet小波系数的模值表示能量密度。模值图把各种时间尺度的周期变化在时间域中的分布情况展示出来，小波变换系数的模值越大，表明所反应的时段和尺度的周期性振荡越强。从图4可以看出，模值最大的是2～4 a时间尺度，表明在这一时间尺度下，宜昌市暴雨日数的周期振荡最强，其次是准10 a。

3.4 暴雨的突变检验

利用Mann－Kendall法对宜昌市年暴雨日数进行突变检验。如图5所示，用原气象序列构造统计量UF，用原气象序列反序列构造统计量UB，暴雨日数UF线在1967年超过临界值上限，说明该年份暴雨日数增加趋势明显，UF线从20世纪60年代后期持续下降至70年代后期，之后呈持续上升趋势，从UF线与UB线的交点判断，宜昌市年暴雨日数在1979年前后发生了气候突变。

图5 宜昌市暴雨日数的Mann－Kendall检验图

4 结论

①宜昌市暴雨日数空间分布存在明显差异，基本表现为南多北少，年平均暴雨日数最多的是长阳为4.3 d，最少的是兴山仅为1.9 d，两者相差了2.4 d。

②近45 a宜昌市暴雨日数呈现不明显增加趋势，且存在明显的2次波动，20世纪60年代后期—70年代后期呈下降趋势，70年代后期—80年代前期呈上升趋势，从80年代中期之后—90年代中期呈波动下降趋势，90年代中期以后又呈上升趋势。

③暴雨日数存在2 ～4 a、6 a、准10 a、准16 a的4类尺度的周期变化规律，其中在2～4 a时间尺度下周期振荡最强;从准10 a和准16 a时间尺度来看，在2010年后一段时间宜昌市暴雨日数还是处于相对偏多期。

④利用Mann－Kendall法进行突变检测显示，暴雨日数在1979年前后发生了气候突变。

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