近40年三峡库区面雨量时空分布特征

高琦 徐明 李波 徐卫立 王海燕

（1 中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室，武汉 430205；2 武汉中心气象台，武汉 430074；3 三峡水利枢纽梯级调度通信中心，宜昌 443133）

0 引言

三峡库区地处四川盆地与长江中游平原的结合部，总面积1084 km2，在长江流域的防汛中起着非常重要的作用。发生在三峡库区（重庆至宜昌区间）的强降水，由于直接汇入水库中，产流快，反应时间短，给调度和决策带来了极大的困难，特别是在水库在高水位运行的情况下，能否准确预报发生在库区的强降水，可能直接关系到整个流域的防洪调度及坝体本身的安全。面雨量是一个经典的水文学概念，它是指某一时段一定面积上的平均雨量，因其能够客观反映降水对确定流域的影响，因而成为防汛部门分析水情，进行洪水预报的重要参数[1-9]。针对面雨量的

统计特征，国内学者先后开展了一系列研究，如王仁乔等[10]、于大峰等[11]、高琦等[12]分别研究了不同时段长江上游的面雨量特征，发现在各个时期，重庆—万州、万州—宜昌的面雨量的极值均高于长江上游其他流域；李武阶等[13]、孙士型等[14]分别从不同角度研究了金沙江流域的面雨量特征；李才媛等[15]、卢珊等[16]、张晓红等[17]分别研究了汉江和淮河流域的面雨量特征；陈正洪等[18]研究了长江流域的面雨量变化趋势；史玉光等[19]、陈宁等[20]分别研究了新疆和江苏省的面雨量特征；强芳[21]等基于格点数据研究了1961—2012年祁连山的面雨量特征，而目前专门针对三峡库区面雨量统计特征的研究仍较为缺乏，当前长江流域面雨量的预报一般是在数值预报基础上进行，对天气系统进行分析后再进行订正，研究面雨量的时空分布特征，为面雨量订正提供气候上出现概率的参考，尤为必要。因而本文拟利用1980—2016年近40年的数据进行分析，重点针对三峡库区东西两段的强降水面雨量的季节分布、频次分布、强降水等级分布、极值分布等统计特征进行研究，以期为库区面雨量预报提供参考依据。

1 资料与方法

三峡库区重庆—宜昌区间本身可作为一个流域，另可细分为三峡库区西段（重庆—万州）、三峡库区东段（万州—宜昌）两子流域，利用1980—2016年共37年气象站点逐日（08：00—次日08：00）雨量实况资料，流域面雨量采用站点平均法计算得出。所有分析中的雨量均为流域面雨量，其中流域日面雨量≥20 mm，在库区的测站多出现大雨以上的降水，根据文献[10]，将强降水面雨量划分为20～29.9，30～49.9，50～69.9，70～89.9，≥90 mm这5个等级。三峡库区流域分布及流域内国家级气象台站详见图1。

图1 三峡库区流域及气象站点分布示意图Fig. 1 Locations of meteorological stations and 2 sub areas in the Three Gorges Reservoir area

2 年面雨量分布特征

把三峡库区，即重庆至宜昌区间作为一个整体，研究其年流域面雨量总量的年际变化，从图2所示的1980—2016年逐年面雨量的分布来看，1980—2016年三峡库区年面雨量为800～1400 mm，37 a平均年面雨量为1095 mm。年面雨量最多的为1982年1404 mm，最少的为2001年805 mm，相差约600 mm，约为多年平均值的一半还多，可见年际差异还是较大的。从年面雨量的逐年变化趋势上来看，年面雨量总体呈现缓慢下降的趋势， 2003年以后年面雨量的年际差异逐渐减小。

图2 1980—2016年三峡库区年面雨量演变Fig. 2 The variation of annual rainfall in the Three Gorges Reservoir area during 1980-2016

重庆—万州、万州—宜昌两子流域的年面雨量变化趋势来看（图3）。重庆—万州、万州—宜昌两子流域，年面雨量总体接近，且变化趋势基本是一致的，在2004年以前，重庆—万州年面雨量整体高于万州—宜昌，2005年以后，万州—宜昌略高于重庆—万州。

图3 1980—2016年重庆—万州、万州—宜昌年面雨量演变Fig. 3 Variations of annual rainfall in two subareas between Chongqing and Wanzhou, Wanzhou and Yichang during 1980-2016

3 月面雨量分布特征

从三峡库区两子流域及整个三峡库区37 a平均的月面雨量（图4）来看，基本分为3个等级：1、2、12月的月面雨量基本在15～30 mm的范围内，为降水最少的时段；3及11月的月面雨量基本在40～60 mm之间，为降水次少的时段；4—10月的月面雨量在100～250 mm，是降水最多的时段。

37 a平均的月面雨量最大值出现的月份：重庆—万州月面雨量超过150 mm的月份有3个月，为5—7月，从大到小依次为6月（195 mm）、5月（176 mm）、7月（165 mm）；万州—宜昌月面雨量超过150 mm的月份有5个，为5—9月，从大到小依次为7月（235 mm）、6月（209 mm）、8月（196 mm）、5月（176 mm）、9月（152 mm）；对于整个三峡库区，月面雨量超过150 mm的月份有4个，为5—8月，最大月份为6月，为202 mm，其次为7月200 mm，5月176 mm，8月172 mm分别位列第三、四位。

37 a平均的月面雨量最小值出现的月份：重庆—万州月面雨量最小的的3个月依次为1月（20.2 mm）、2月（22.4 mm）、12月（25.6 mm），万州—宜昌最小的3个月依次为12月（19.3 mm）、1月（19.4 mm）、2月（33 mm）；对于整个三峡库区，月面雨量最小月份为1月，仅为19.8 mm，其次为12月22.45 mm，2月第三为27.7 mm。

两个子流域月面雨量特征的异同：两个子流域全年月面雨量的变化趋势，都是从11月至次年3月降水较弱，自4月降水开始明显增多，主要的差异在于月面雨量的峰值出现的月份及多雨时段持续的时间，重庆—万州至6月发展至最强，超过150 mm的多雨时段维持了3个月左右，而万州—宜昌至7月发展至最强，超过150 mm的多雨时段维持了足足有5个月之久。从两子流域对月面雨量的贡献来看，除11、12、1月重庆—万州略大于万州—宜昌外，万州—宜昌在整个2—10月始终是大于重庆—万州的。

图4 重庆—万州、万州—宜昌、三峡库区37年平均月面雨量演变Fig. 4 Climatic monthly rainfall over the 37 years for areas between Chongqing and Wanzhou, Wanzhou and Yichang and the whole Three Gorges Reservoir area

4 强降水日面雨量分布特征

4.1 频次分布特征

分析1980—2016年三峡库区两子流域强降水频次分布（表1），主要有以下特征：1）三峡库区强降水面雨量主要出现在5—9月，37年中共出现951 次，占总次数的82%，强降水出现的频率最高的前4依次为7月220次，6月219次，8月185次，9月138次；2）12月至次年3月基本无≥20 mm强降水；3）从流域分布上来看，万州—宜昌20 mm以上的强降水出现的频次最高，达662次，是重庆—万州的1.33倍。3）对于重庆—万州，主要的强降水出现时段为5—8月，强降水过程出现最多的当属6月，37年中有109次，平均一个月有3次过程，5、7、8月总体相当，总量都是在80～90次，平均每个月有2～3次过程；4）对于万州—宜昌，主要的强降水时段较重庆—万州多了一个9月，即整个5—9月强降水强降水次数都在80次以上，其中又以7月最多，37年有134次，平均每个月可达4次，6月110次次之，平均每月有3次过程，5、8、9月基本都是每月2～3次过程。

分析1980—2016年三峡库区2子流域分级强降水频次分布（表2），可以看出：1）两流域89%的强降水日面雨量集中在50 mm以下，其中20～29.9 mm占51.4%，30～49.9 mm占37.6%；2）50 mm以上的降水仅占10%，且在各个量级都是万州—宜昌出现的次数明显多于重庆—万州；3）从各个量级降水的年均频次分布上来看，对于20～29.9 mm的降水，两子流域平均每年各有7～9次过程；对于30～49.9 mm的降水，两子流域平均每年各有5～7次过程；对于50～69.9 mm的降水，每年会在两个子流域各出现1～2次。20～29.9、30～49.9、50～69.9 mm这3个量级较为常见，是日常预报服务应当重点关注的量级；对于70 mm以上的降水，平均2～5 a才1次，特别是90 mm以上降水，在重庆—万州37 a中只出现1次，在万州—宜昌也仅出现8次，可见70 mm以上的降水出现的频率低，可供研究的样本少，而造成的影响又较大，是预报中的难点。

4.2 极值分布特征

表3 为37 a三峡库区各子流域日面雨量的月极值分布。从表中可以看出：1）对比各月两流域极值的强度，万州—宜昌强降水明显强于重庆—万州，两流域中最大日面雨量值出现在万州—宜昌，为117.3 mm（2005年7月9日）；2）两流域强降水的极值均出现在7月；3）按日面雨量极大值按出现的月份排序，重庆—万州前4位依次为7、8、9、6月，万州—宜昌前4位依次为7、6、9、8月；4）根据之前的研究，9月总的强降水次数明显减少，但仍然可能出现极端强降水，值得关注。

表1 1980—2016年1—12月三峡库区各子流域强降水频次分布Table 1 The monthly frequency of heavy rainfall in each subarea in the Three Gorges Reservoir area for 1980-2016

表2 1980—2016年三峡库区各子流域分级强降水频次分布Table 2 The frequency distribution of heavy rainfall in sub areas in the Three Gorges Reservoir area for 1980-2016

5 子流域分级强降水月分布特征

5.1 重庆—万州强降水月分布特征

表4 是1980—2016年重庆—万州段分级强降水频次分布，从表中可以看出：1）强降水一般3月即可出现，一直到11月，都会有强降水的出现，而12月—次年2月无20 mm以上的强降水；2）≥20 mm的强降水83.7%以上都出现在5—9月，从各月强降水的总次数来看，6月出现的频率最高为109次，占总次数的22%，5月89次次之，占比18%，7月第三，为85次，占17.2%；3）69.9 mm以下的各级强降水均是6月出现最多，70 mm以上的强降水则都是7月出现最多；4）≥90 mm的降水在该流域非常罕见，37年中仅在7月出现过1次。

5.2 万州—宜昌强降水月分布特征

1980—2016年万州—宜昌段分级强降水频次分布如表5，从表中可以看出：1）12月至次年1月无面雨量20 mm以上的强降水，2月虽然有出现过，但37 a仅出现1次，非常罕见，81%以上的20 mm以上的强降水均出现在5—9月；2）69.9 mm以下的各级强降水均是7月出现最多，70 mm以上的强降水则都是6月出现最多，这与重庆—万州段恰好是相反的；3）≥90 mm的降水出现的次数较重庆—万州明显增多，37 a共出现8次，出现次数最多的为6月（4次），7月（3次）次之。

5.3 两子流域分级强降水月分布的异同

对比两子流域分级强降水月分布（表4和表5）的异同可以看出：1）12月—次年2月基本无20 mm以上的强降水；2）≥20 mm的强降水绝大多数出现在5—9月；3）从各月各级强降水的总次数来看，重庆—万州超过100次的月份有1个，为6月（109次），超过80次的月份有3个，为5月（89次）、7月（85次）、8月（81次） 。万州—宜昌超过100次的月份有4个，依次为7月（134次）、6月（110次）、8月（104次）、5月（100次），超过80次的月份有1个，为9月（88次），可见，万州—宜昌在强降水的高频月份数量和各月强降水的总次数上均超过重庆—万州；3）69.9 mm以下的降水重庆—万州6月出现最多，70 mm以上的强降水则都是7月出现最多，而万州—宜昌则正好与此相反；4）≥90 mm的降水在万州—宜昌出现的次数明显多于重庆—万州，重庆—万州仅在6月出现，而万州—宜昌在6、7、9月 均有出现。

6 结论与讨论

6.1 结论

1）三峡库区年面雨量的年际差异较大，且37 a以来总体呈现逐渐增长的趋势。重庆—万州、万州—宜昌两子流域在2000年以前，年面雨量总体接近，且变化趋势基本是一致的， 2000年以后，变化趋势仍较为同步，但二者面雨量的差距显著增大，万州—宜昌年面雨量明显高于重庆—万州段；

2）月面雨量的峰值出现的月份，在两个子流域各不相同，重庆—万州为6月，万州—宜昌为7月，即重庆—万州在5月降水开始明显增多，至6月发展至最强，7、8月降水量逐渐减小；而万州—宜昌也是在5月降水明显增多，至7月发展至最强，8月降水逐渐回落。从两子流域对三峡库区月面雨量的贡献来看，万州—宜昌在整个2—10月始终是大于重庆—万州的。

表4 1980—2016年重庆—万州分级强降水频次分布Table 4 The monthly frequency at 10 mm-intervals of heavy area rainfall in subarea between Chongqing and Wanzhou for 1980-2016

表5 1980—2016年万州—宜昌分级强降水频次分布Table 5 The monthly frequency at 10mm-intervals of heavy area rainfall in subarea between Wanzhou and Yichang for 1980-2016

3）三峡库区强降水面雨量主要出现在5—9月，强降水出现的频率最高的前四依次为，7、6、8、9月，12月至次年3月基本无≥20 mm强降水；

4）日面雨量在20 mm以上的强降水出现的总数，万州—宜昌明显高于重庆—万州，且在各个量级都是万州—宜昌明显多于重庆—万州。从各月各级强降水的总次数来看，万州—宜昌在强降水的高频月份数量和各月强降水的总次数上均超过重庆—万州。

5）重庆—万州，主要的强降水出现时段为5—8月，强降水过程出现最多为6月，平均一个月有3次过程，5、7、8月总体相当，平均每个月有2～3次过程。 69.9 mm以下的各级强降水均是6月出现最多，70 mm以上的强降水则都是7月出现最多；

6）万州—宜昌，主要的强降水时段为5—9月，其中又以7月最多，平均一个月有4次过程，6月次之，平均一个月有3次过程，5、8、9月基本都是每月2～3次过程。69.9 mm以下的各级强降水均是7月出现最多，70 mm以上的强降水则都是6月出现最多，这与重庆—万州段恰好是相反的；

7）从各个量级降水的年均频次分布上来看，对于20～29.9 mm的降水，两子流域平均每年各有7～9次过程。对于30～49.9 mm的降水，两子流域平均每年各有5～7次过程；对于50～69.9 mm的降水，每年会在两个子流域各出现1～2次，上述几个量级出现的频率相对较高，是预报服务应当重点关注的量级。对于70 mm以上的降水，平均2～5 a才1次，特别是90 mm以上降水，在重庆—万州37 a中只出现1次，在万州—宜昌也仅出现8次，可见 50 mm以上降水出现的频率低，而造成的影响又较大，应在后期重点研究其形成机理。

6.2 面雨量预报建议

1）12月—次年2月，重庆—万州、万州—宜昌两子流域基本无强降水出现，预报中也基本不考虑≥20 mm的强降水；

2）在3—4月，建议面雨量预报区间多考虑20～30 mm，偶有一些30～50 mm的过程， 50 mm以上强降水出现的概率较小，另10—11月基本与3—4月接近；

3）5月，相比3—4月强降水过程明显增多，强度也增强，30～50 mm的降水明显增多，时值三峡水库的消落期，水位仍然较高，50 mm以上的降水虽历史发生频次较少，还应重点防范，但在此时段一般不考虑90 mm以上强降水。8月的情况也基本类似；

4）6—7 月，是三峡库区强降水发展最为显著的时段，也是70 mm以上甚至90 mm以上的降水最有可能出现的时段，其中要特别关注重庆—万州在7月，万州—宜昌在6月、7月可能出现的90 mm以上降水的预报。这个时段一般为长江中下游梅雨期，极易在中下游地区形成洪水，此时特别要防范上游与中下游洪水遭遇，需提供预见期长、精度高的预报以利于及时开展调度；

5）9月，强降水过程明显减少，建议面雨量预报区间多考虑20～30 mm，偶有一些30～50 mm，这个时期的强降水的强度仍然可达70 mm甚至90 mm以上，时值三峡水库的蓄水期，需特别关注此类极端强降水的预报。