近45年蚌埠市汛期短时强降水气候特征分析

汪翔 陆琴琴 田磊 张弦

近45年蚌埠市汛期短时强降水气候特征分析

汪翔 陆琴琴 田磊 张弦

短时强降水是我国常见的自然灾害之一，可导致严重的洪涝灾害，甚至诱发滑坡、泥石流等地质灾害，造成人民生命财产的重大损失，甚至会威胁人类生命。不少学者对短时强降水的时空分布和气候特征进行了分析：姚莉等认为我国雨强的日变化具有明显的地区差异。袁晨等认为都江堰地区短时强降水多发于夜间，午间发生短时强的频次较低。殷水清等研究表明短时降水的频次和强度都呈增加趋势。郝莹等研究表明淮北地区是短时强降水的高发区。目前专门分析淮河流域短时强降水的长序列变化趋势和特征统计的研究还不多见。

本文以淮河流域的蚌埠市为例，利用1970～2014年汛期蚌埠市四个站点的逐时降水观测资料，采用数理统计、Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析等方法，对蚌埠市汛期短时强降水的空间分布、年际、月际、日变化规律以及突变和周期变化特征进行分析，旨在掌握蚌埠市短时强降水气候特征，对于预报本地区短时强降水天气的发生、领导决策以及防灾减灾提供参考依据。

一、资料及方法

选取蚌埠市所辖四个站点（蚌埠、怀远、固镇、五河）的1970～2014年汛期（5～9月）整点逐时降水量来统计蚌埠市短时强降水，资料来源于安徽省气象局信息中心。

根据中国气象局《全国短时临近预报业务规定》中的规定，短时强降水的基本定义为1h雨量大于等于20mm的降水。在进行短时强降水统计时，依据气象观测规范，以20时（北京时间，下同）为日界。

采用Mann-Kendall和Morlet小波分析方法研究蚌埠市短时强降水的突变和周期变化。

二、空间分布分析

从蚌埠市四个站点短时强降水的年均次数可以看出（表1），五河每年发生短时强降水的次数最多，年均达5.2次；蚌埠、固镇次之，均为4.2次；怀远最少，年均仅3.3次。四个站点的平均降水强度差别较小，其中最大的固镇和最小的怀远仅相差1.2mm。各站小时降水的极大值分布差异极大，五河极大值为103mm，固镇、蚌埠次之，怀远最低，为69.8mm，可见蚌埠市的短时强降水的分布具有一定的差异性。东部（五河）不仅短时强降水出现的次数多，降水强度也大；西部地区（怀远）短时强降水次数少且降水强度也最低。由东往西，蚌埠市的短时强降水次数逐渐减少，强度也逐渐降低。

表1 不同取样体积的测定结果比较表

三、时间变化特征

1.年际变化

（1）短时强降水频次分析

通过对变化曲线进行线性拟合，提取出其中的斜率因子，以此来表征其变化趋势（斜率为负表示有下降趋势，斜率为正表示有上升趋势）。1970～2014年蚌埠市四个站点共出现767次短时强降水（图1），年平均为17次；最多的为23次（2007年），最少的为7次（1973年、1978年、1992年、1996年）；从线性拟合的斜率来看，短时强降水有增加的趋势，为0.74/10a。

为了更好地分析蚌埠市短时强降水的变化趋势，对其进行Mann-Kendall检验分析（见图2a）。UF、UB分别为顺序、逆序时间序列计算得到的统计量，UF值大于0，表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。在α＝0.05的显著性水平下，临界值范围为1.96。由图3可看出：①2006年之前UF曲线基本都在0线以下波动，仅1975年略大于0，20世纪90年代中期下降趋势明显并在1996年通过了0.05的信度检验；2007年至今UF都在0线以上，但没有通过信度检验。可见2006年之前，蚌埠市短时强降水出现的次数呈下降趋势，2007年之后呈现上升趋势；但上升、下降趋势均不显著，仅在1996年通过了0.05的信度检验。②根据UF和UB曲线交点的位置判断，蚌埠的短时强降水次数在2003年左右发生一次突变，开始出现明显的上升趋势。

小波分析的核心是多分辨率分析，它能把信号在时间和频率域上同时展开，得到各个频率随时间的变化和不同频率之间的关系。同时小波变换可以分析出其他方法不能分析的短波分量，并具有分析函数奇异性的能力。本文采用Morlet小波变换方法，Morlet小波系数的实部表示不同特征时间尺度信号在不同时间上的分布和位相两方面的信息，正的小波系数反映出分析对象在该时间段为偏多期，负值时反映为偏少期，零值对应着突变点。

图1 1970～2014年短时强降水次数与平均强度变化曲线图

图2 （a）1970-2014年蚌埠市短时强降水次数Mann-Kendall检验图（b）Morlet小波分析图

图3 （a）1970-2014年蚌埠市短时强降水强度Mann-Kendall检验图（b）Morlet小波分析图

图2b为1952～2013年蚌埠年短时强降水次数的小波变换系数图。Morlet小波变化清晰地显示出蚌埠市短时强降水出现次数的各种周期振荡，主要存在5～8a、准32a左右的变化周期。在图的上部，准32a周期始终贯穿着整个长序列；从1970～2014年，依次表现为高、低、高3个中心；5～8a的周期一直贯穿着整个时间段，20世纪70年代起至2007年，表现为5a左右的周期，且震荡越来越弱；80年代至今，逐渐表现为越来越强的8a左右的周期特征。

（2）短时强降水强度分析

45a平均降水强度最大为38.3mm（1978年），最低的为23.3mm（1988年）；从近45a的短时强降水强度的Mann-Kendall检验分析（图3a）可以看出：UF的曲线变化可以分为四部分：1970～1977年、1988～1986年均小于0；1978～1987年、1997～2014年之间大于0。这四个阶段表明蚌埠市短时强降水的强度变化呈现减小、增大、减小、增大的趋势变化，但这种变化趋势均没有通过信度检验。根据UF和UB的交点位置，可以确定在1976年、2012年发生了两次突变。

短时强降水的强度变化也存在着明显的周期性（见图3b）：①从1970～2014年存在着一个22～24a的周期震荡，依次表现为低、高、低、高、低5个中心，且在2000～2005年之间有一个明显的震荡，表现为一个强的正值中心。②始终存在一个7～9a的周期。20世纪70年代至90年代末，表现为7a左右的震荡周期，20世纪90年代末至2014年逐渐表现为一个8～9a的周期特征。

2.月变化

短时强降水的发生次数呈现明显的单峰型分布（图略），7月出现短时强降水的次数最多，45a中合计出现358次，占汛期短时强降水总数的46.7%。其次为8月、9月和6月，5月出现的次数最少。降水强度的变化与降水次数无明显的相关，9月平均强度最大，为31.8mm；其次6月（30.3mm）、8月（29.4mm）和7月（29.1mm），5月的平均降水强度最低，为28.1mm。

3.日变化

日变化可以揭示短时强降水时间发生的频数在一天24小时内的变化情况。对5～9月份蚌埠市短时强降水的日变化进行分析（图略），了解强降水在各时段发生的频数，进而揭示一天中最容易发生短时强降水的时段。

从5～9月各时段的出现频次看有两个高峰时段，最强时段为14～18时，5个时次合计出现205次，约为26.7%，其次为2～4时；4时以后频次逐渐降低，11～13时仅出现59次短时强降水，仅占全部时次的7.7%。对应各时次的降水强度可以发现，7时降水强度最低为25.8mm，之后降水强度逐渐呈上升趋势，于0时左右达到最大值，为34.5mm。

可见，蚌埠市短时强降水多发于午后至凌晨，这是由于夏季日照强烈，午后地面气温快速上升，大气层结不稳定，如果水汽充分就有利于对流性天气的发展，产生短时强降水。凌晨时分的降水强度最大，对于这种夜间多发性，有学者认为这与低空急流常在夜间加强有关。且该时段气压也处于一天中的较低时刻，有利于低压辐合的形成，易于对流行天气的产生。

四、结语

利用蚌埠市四个站点的1970～2014年的逐时降水资料，通过数理统计、Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析等方法，对蚌埠市短时强降水的空间分布、年际、月际及日变化规律的特征进行分析，得出以下结论：

（1）蚌埠市东部五河的短时强降水次数最多，且强度较大；西部怀远出现短时强降水的次数最少，且强度最低。

（2）蚌埠市每年都有短时强降水发生，近45a平均次数为17次际变化大，2007年之间呈下降趋势，此后呈现较明显的上升趋势；存在准32a和5～8a的周期振荡。降水强度Mann-Kendall检验和小波分析均表明其序列变化存在明显振荡。

（3）短时强降水次数的月变化呈现明显的单峰型，7月最多。9月份短时强降水的强度最大，5月份的短时强降水次数与强度均最低。

（4）午后至傍晚以及凌晨是短时强降水的多发时段，凌晨前后的降水强度是一天中的最大值■

（作者单位：安徽省蚌埠市气象局233040）