1961-2014年中国不同城市化地区暴雨时空格局变化——以京津冀、长三角和珠三角地区为例*

谭　畅，孔　锋，郭　君，吕丽莉，孙　劭

(1.南京信息工程大学 计算机与软件学院，江苏 南京 210044；2.重庆市气象局，重庆 402360；3.清华大学 公共管理学院，北京 100084；4.中国气象局气象干部培训学院，北京 100081；5.中国气象局国家气候中心，100081 北京)

气候变暖背景下，全球多数地区暴雨频发[1-3]，导致城市内涝问题日益突出[4]，严重威胁人民生命财产安全，阻碍了社会经济的可持续发展[5-6]。在大城市，地表多为不透水层，地下排水管道系统不匹配，导致渗水能力差、排水不及时[7-8]，一旦暴雨发生，必然导致严重的城市内涝[9]。加之城市规模不断扩张、人口增长以及机动车辆激增，灾害在社会经济系统中的叠加作用造成了巨大的损失[10]。2007年7月17日，重庆遭遇了115年来最强暴雨的袭击，受灾人口达272.3万，造成了巨大的财产损失[3,11]。2010年东北地区和东南沿海地区受暴雨影响损失惨重，约2亿人次受灾，经济损失高达3 505亿元[12]。2012年7月21日，北京地区遭遇61年来最强暴雨，导致79人死亡，160.2万人受灾，经济损失达116.4亿元[13]。我国2008-2013年因暴雨灾害的直接经济损失分别约为556.7、483.5、1 534.1、743.8和1 503.4亿元[14]。中国自改革开放以来经历了快速的城市化和令人瞩目的经济发展过程[3,15-17]。从1978-2000年，中国的GDP年均增长速度为9.5%，而世界上的发达国家GDP平均增长速度为2.5%，其它发展中国家为5%；中国的小城镇数量由原来的2 176个增长到了20 312个；城市数量由原来的190个增长到663个；城镇人口比例从18%到39%，而近年来已经超过50%[18-19]。随着城市规模的不断扩大，温室气体的排放增加，土地利用急剧变化，城市热岛效应不断增强，大气边界层与郊区异常显著，使城市本身的气候状况同郊区自然条件下的气候状况相比有着较大差异[20-24]。城市化无疑成为一种影响气候的主要人为因素之一[25]。在中国东部地区，从北到南依次是京津冀、长三角和珠三角城市群，是中国经济和人口高度集聚的地区[26-29]。已有的研究多从全国或单个地区研究暴雨变化特征[30-35]，而本文对1961-2014年中国京津冀、长三角和珠三角地区的暴雨时空演变进行对比诊断，并提出政策建议。三大城市群的暴雨对比不仅可以诊断人类活动对暴雨的可能影响，而且可以为国家防洪减灾的宏观部署规划提供决策支撑，具有重要的科学和现实意义。

1　数据和方法

1.1　数据来源

IPCC AR5报告指出，由于多种尺度因素的影响，全球气候变化会显现出年际和年代际差异[1-2]。短期的气候趋势对起始年和终止年的选择很敏感，一般不能反映长期的气候变化，所以气候变化研究一般要基于30年及以上的数据资料[37]。本文采用的降水数据来自于中国气象科学数据共享服务网地面气象资料数据库中的中国地面气候资料日值数据集。根据尽量保留最多站点并保证观测时间连续的原则，确定研究中所用时间序列为1961-2014年，对相关数据进行校验，对于其中缺失的数据，利用缺失站点的临近站点值或相邻前后年份相加后的均值补缺该日值，插补数据占总体数据的比率小于0.5%。以上校核完成之后，参考已有的研究成果[37-39]，如果站点日值缺测超过54年日值1%的站点，则剔除该站点；站点日值缺测小于54年日值1%的站点，利用本站点的年代际该日值均值补缺本站点的缺测日值，最后京津冀、长三角和珠三角地区得到可用的38、32和18个降雨观测站点。

1.2　计算方法

本文对于暴雨时间序列首先计算1961-2014年京津冀、长三角和珠三角地区逐年平均单站暴雨雨量、雨日和雨强，然后通过一元线性趋势方法计算三个地区暴雨雨量、雨日和雨强的变化趋势，计算方法为：对于样本量为n的降雨序列yj，用tj表示所对应的时刻，建立yj与tj之间的一元线性回归方程[38,40]：

(1)

式中：a为回归常数；b为回归系数。利用最小二乘法可求出a和b：

(2)

回归系数b的符号表示变量的线性趋势。b>0表明随时间增加y呈上升趋势，b<0表示随时间增加y呈下降趋势。b的大小反映上升或下降的速率，即表示上升或下降的倾向程度。本文将回归系数b称为变量的变化趋势值。另外采用线性分段拟合、EEMD和Mann-Kendall突变检测(MK突变检测)[41]的方法诊断三个地区的暴雨波动特征和突变特征。对于空间分布站点采用上述一元线性趋势方法计算逐个站点的暴雨变化趋势。

2　结果与分析

2.1　三大城市群地区暴雨时序趋势性分析

从时间序列动态变化来看，在暴雨雨量层面，1961-2014年京津冀地区年均单站暴雨雨量整体在波动中呈现出减少趋势(图1)。分年代来看，从1960年代到2000年代，京津冀地区年均单站暴雨雨量呈现出“减-减-增-增-增”的变化趋势，其中2000-2014年增加趋势最为明显，这与近年来该地区暴雨洪涝损失逐年增加具有较好的一致性。京津冀年际暴雨雨量减少趋势与已有研究中该地区总降雨量呈减少趋势相一致[37,42]。1961-2014年长三角地区年均单站暴雨雨量整体在波动中呈现出增加趋势(图1)。分段来看，从1960年代到2000年代，长三角地区年均单站暴雨雨量呈现出“减-减-增-减-增”的变化趋势，减少趋势最明显的是1960年代，而增加趋势最明显的是2000年代。该动态变化趋势可能与副热带高压控制下的雨带滞留时间密切相关，同时长三角地区经济贸易发达，人口稠密，河流水系星罗棋布[20,25]，因此，逢暴雨必涝的景象频繁上演。1961-2014年珠三角地区年均单站暴雨雨量整体在波动中呈现出增加趋势(图1)。分段来看，从1960年代到2000年代，珠三角地区年均单站暴雨雨量呈现出“增-减-减-增-增”的变化趋势，减少趋势最明显的是1980年代，而增加趋势最明显的是2000年代。珠三角地区地处副热带地区，常年雨量充沛，且受台风暴雨和季风雨带影响显著[43-44]。通过对比三大城市群，可以发现2000年以来，三大城市群的年均单站暴雨雨量均呈现出明显的增加趋势，这可能是气候变化背景下大气环流叠加城市化共同作用的结果。三大城市群中，珠三角地区年均单站暴雨雨量最多，长三角次之，京津冀最少，这是地理位置和雨带共同影响的结果[20,36]。

在暴雨雨日层面，1961-2014年京津冀地区年均单站暴雨雨日整体在波动中呈现出减少趋势，而长三角和珠三角地区年均单站暴雨雨日则表现出减少趋势，这与三大城市群地区的暴雨雨量的变化趋势相一致(图2)。在分段变化上，京津冀地区年均单站暴雨雨日自1960年代至2000年代依次呈现出“减-减-增-减-增”的变化趋势。其中1990年代京津冀地区年均单站暴雨雨量和雨日的变化趋势相反，对比可知暴雨雨强增大(图3)。长三角地区年均单站暴雨雨日从1960年代到2000年代依次呈现出“减-减-增-增-增”的变化趋势。其中1990年代长三角地区年均单站暴雨雨日的减少趋势与暴雨雨量相反，对比表明暴雨雨强减小(图3)。珠三角地区年均单站暴雨雨日从1960年代到2000年代依次呈现出“增-减-平稳-增-增”的变化趋势。其中1980年代长三角地区年均单站暴雨雨日与暴雨雨量的趋势对比，可知暴雨雨强表现出减少趋势(图3)。

在暴雨雨强层面，1961-2014年京津冀地区年均单站暴雨雨强整体在波动中呈现出减少趋势，而长三角和珠三角地区年均单站暴雨雨强则表现出增加趋势(图3)。分段对比表明1980年代和1990年代是中国区域暴雨属性发生转变的阶段，1980年代末至1990年代是中国平均气温迅速增加的时段[41]，且季风强度在此时段有显著的突变[44]。1980年代以来，尤其是1990年代中国城市化进程迅猛[19]，地表覆盖发生明显改变[6]。这暗示大尺度环流系统和城市化进程可能共同影响了区域暴雨的变化。值得注意的是，2000年代以来三大城市群地区年均单站暴雨雨日(图2)和雨强(图3)均呈明显增加趋势，这恰恰反映了近年来三大城市群频发的城市暴雨内涝灾害[3,6,9]，表明快速城市化进程已经对区域暴雨产生不可忽视的影响。

2.2　三大城市群地区暴雨的时序波动特征

基于EEMD来看1961-2014年三大城市群年均单站暴雨雨量、雨日和雨强序列中低频信号的波动特征。本文在EEMD分解中加入的白噪音振幅标准差为原序列的0.2倍，集合次数为1 000次[41]，最终分解出4个不同时间尺度的本征模态函数IMF序列和1个剩余残差序列。从图4的IMF 1～IMF 4序列可以看出，三大城市群年均单站暴雨雨量分表表现出3、6、15和30年左右的周期波动特征(图4)。从图4各分量的显著性检验结果来看，位于不同显著性水平的线上方表示通过了不同显著性水平的检验，即可以认为该分量包含了具有实际物理意义的信息，反之则该分量包含了较多的白噪声。该图的纵轴表示IMF分量所具有的能量谱密度，纵坐标值越大表示IMF分量所具有的能量越高，振幅越大。从图4可以看到IMF 1～IMF 4所具有的能量都落在了95%的显著性水平之下，表明未通过0.05显著性水平的检验。因此，三大城市群年均单站暴雨雨量3、6、15和30年左右的周期波动特征并不显著。同理，三大城市群年均单站暴雨雨日(图5)和雨强(图6)也均存在3、6、15和30年左右的周期波动特征，除长三角地区暴雨雨日的30年周期通过了0.05显著性水平的检验外，其它城市群暴雨雨日和雨强均未通过0.05显著性水平的检验。

图1　中国不同城市群地区暴雨雨量时间序列变化趋势(1961-2014)

图2　中国不同城市群地区暴雨雨日时间序列变化趋势(1961-2014)

图3　中国不同城市群地区暴雨雨强时间序列变化趋势(1961-2014)

图4　中国不同城市群地区暴雨雨量时间序列波动特征

图5　中国不同城市群地区暴雨雨日时间序列波动特征

图6　中国不同城市群地区暴雨雨强时间序列波动特征

图7　中国不同城市群地区暴雨雨量时间序列MK突变检验

图8　中国不同城市群地区暴雨雨日时间序列MK突变检验

图9　中国不同城市群地区暴雨雨强时间序列MK突变检验

图10　京津冀地区暴雨变化趋势空间格局

图11　长三角地区暴雨变化趋势空间格局

图12　珠三角地区暴雨变化趋势空间格局

2.3　三大城市群地区暴雨的突变诊断

气候变暖背景下，全球暴雨呈现出明显的区域异质性特征，多数暴雨发生显著变化的地区，暴雨事件在不同时段均呈现出不同的气候突变特征。快速城市化背景下，中国三大城市群暴雨雨量、雨日和雨强是否也有明显的气候突变特征？对此本文采用检验的方法来诊断1961-2014年中国三大城市群暴雨雨量、雨日和雨强序列的突变特征，如图7～图9所示。其中UF和UB为MK检验的统计量曲线，取[-1.96,1.96]和[-2.56,2.56]为临界曲线的MK检验阈值，即分别为0.05和0.1显著性水平的置信区间。依据MK检验的原理，UF统计量和UB统计量的交点即为暴雨事件发生突变的年份。从图7可知，1961-2014年京津冀、长三角和珠三角地区暴雨雨量分别在1967、1983和2011年发生突变，且交点在0.05显著性水平的置信区间之内。类似的，从图8可知，1961-2014年京津冀和长三角地区的暴雨雨日分别在1965和1983年发生突变，而珠三角地区暴雨雨日在1972-2009年波动较大，其中较为显著的是1972、1977、1985、2004等年份发生突变特征，这表明珠三角地区暴雨雨日变异幅度大。从图9可知，1961-2014年京津冀地区暴雨雨强在1969-1988年波动较大，其中较为显著的是1988年发生稳定突变，并通过了0.05显著性水平的检验。而长三角和珠三角地区暴雨雨强分别2013和2012年发生突变特征，并通过了0.05显著性水平的检验。1961-2014年中国三大城市的暴雨雨量、雨日和雨强的突变特征可能是大尺度区域气候环流特征和人类活动综合影响的结果。

2.4　三大城市群年际暴雨变化趋势的空间格局

从变化趋势空间分布特征来看，1961-2014年京津冀地区站点的暴雨雨量、雨日和雨强以减少趋势为主(图10)，尤其是京津冀的中部地区减少趋势明显。仅有京津冀的北部地区的个别站点的暴雨雨量、雨日和雨强呈不明显的增加趋势。长三角地区站点的暴雨雨量、雨日和雨强则主要以增加趋势为主(图11)，尤其是暴雨雨强的站点全部呈现增加趋势，而暴雨雨量和雨日仅有北部个别站点呈减少趋势。珠三角地区与长三角地区类似，暴雨雨量、雨日和雨强也主要以增加趋势为主(图12)，暴雨雨日全部呈现出增加趋势，而暴雨雨量和雨强仅有个别站点呈减少趋势。对比三大城市群的暴雨变化趋势可以发现，1961-2014年中国南方暴雨相比北方增加趋势明显，这也反映了该段时间中国南涝北旱的特征。但是注意的是已有研究学者注意到中国“南涝北旱”的格局正在发生改变，这种变化不仅与ENSO等大尺度海气因子密切相关[3]，同时也受到城市群“雨岛效应”的影响[44]。中国三大城市群的暴雨空间变化趋势反映了全球气候变暖背景下快速城镇化和大尺度海气环流对区域暴雨的影响，尤其是人类活动已经愈来愈从更多方面影响到区域气候演变特征。

2.5　城市化进程对三大城市群暴雨变化的影响及防洪减灾政策建议

2014年中国国内生产总值达到63万亿人民币，不变价GDP是改革开放之初的1978年的28倍，是同期名义GDP为174.6倍[19]。随着城市快速发展和人口急剧增加，现有的城市规划从功能和布局上不能适应综合自然灾害风险防御的要求[10,20]，突出表现在以下几个方面：城市快速发展与原有自然地理(特别是水系网)格局的矛盾加深，“人-地”关系的不和谐导致灾情加剧[3]；城市快速发展与远城区基础设施落后的矛盾加深，远城区基础设施建设的严重“欠账”导致灾情加重；城市快速发展与局地微地形地貌的矛盾加深，城市高速公路、高架桥对微地形地貌的改变导致局地出现新的灾情；城市快速发展与滞后的城市洪涝设防标准的矛盾加深，传统上，排水管网按照一般的防洪标准设计，但一些关键的基础设施局部遭受特大暴雨洪涝灾害时，超过其一般的设防水平，导致造成严重的人员伤亡或财产损失。

大都市圈的规划和建设必须建立在对其自然地理格局、特别是水系和微地形分布遵循的前提下。然而，近几十年来，三大城市群城市建成区面积快速扩张。以北京为例，从1980年代初的239 km2激增至如今的1 400 km2。在这一城市规划和建设过程中，没有充分考虑大城市布局与原有自然地理格局的协调问题，导致城市建设对自然水系，特别是对支毛沟溪的占用和破坏严重，天然河网密度极大下降，而新建的人工管网设防水平低，替代不了自然水系的行洪滞蓄与生态服务功能。与此同时，许多下凹式立交桥建在古河道、河网或残留洼地等负地形区，人为形成城市道路网络中“逢雨必淹”的薄弱点，严重放大了灾情，加重了救灾难度。

中国三大城市群是位于中国东部的北、中、南，其近几十年的快速城镇化进程已经彻底改变了原有的自然地表景观和生态系统，建立起以人为核心的城市群，其中对暴雨影响最为显著的是气溶胶的不断增加。加之，三大城市群的不透水层面积快速扩张，导致对流活动强度和频次加剧，容易孕育暴雨天气，同时地面汇流加快，城市看海显现，导致城市内涝灾情愈演愈烈。

根据以上分析，本文认为在城市防洪减灾中综合防灾减灾体系有待进一步完善，完善灾害监测预报预警体系，加强自然灾害应急救助响应能力建设，进一步强化城市总体规划的科学论证，提高生态服务能力，加强大都市应对巨灾的能力建设。加强防灾减灾知识和技能的科普宣传，增强全民防灾减灾意识，加强对特大暴雨洪涝灾害过程的研究。

3　结论与讨论

本文通过诊断1961-2014年京津冀、长三角和珠三角三大城市群暴雨时空演变特征，主要结论如下.

(1)1961-2014年京津冀地区年均单站暴雨雨量、雨日和雨强均呈减少趋势，而长三角和珠三角地区年均单站暴雨雨量、雨日和雨强均呈增加趋势。相同暴雨指标，珠三角地区的增加幅度均大于长三角地区。三大城市群年代际暴雨则在不同年代表现出不同的变化趋势，其中京津冀暴雨主要以减少趋势为主，而长三角和珠三角地区暴雨则以增加趋势为主。

(2)基于EEMD分析的结果表明1961-2014年京津冀、长三角和珠三角地区年均单站暴雨雨量、雨日和雨强均存在3、6、15和30年左右的周期波动特征，但除长三角地区暴雨雨日的30年周期通过了0.05显著性水平的检验外，其它地区暴雨指标均未通过0.05显著性水平的检验。

(3)1961-2014年京津冀、长三角和珠三角地区暴雨雨量分别在1967、1983和2011年发生突变；京津冀和长三角地区的暴雨雨日分别在1965和1983年发生突变；长三角和珠三角地区暴雨雨强分别2013和2012年发生突变特征，且均通过了0.05显著性水平的检验。而珠三角地区暴雨雨日在1972-2009年波动较大；京津冀地区暴雨雨强在1969-1988年波动较大。在空间格局上，1961-2014年京津冀地区的暴雨雨量、雨日和雨强以减少趋势为主，而长三角和珠三角地区的暴雨雨量、雨日和雨强则以增加趋势为主。

(4)针对全球变化背景下的城市暴雨洪涝防范，本文提出需要进一步建立健全综合防灾减灾管理体系，完善灾害监测预报预警体系，强化城市总体规划的科学论证，提高生态服务能力，增强全民防灾减灾意识，加强大都市应对巨灾的能力建设。

同时需要注意，本文仅诊断了中国三大城市群的暴雨时空变化特征，但未就其变化之因做出分析。城市地区的其它强度降雨如何变化，也未做讨论。因此，在全球变化背景下，亟需厘定自然和人文因子在不同城市群暴雨时空变化特征中的作用，通过全球和区域气候模式合理再现暴雨时空变化，明晰热力和动力因素的作用。