1974～2018年曲靖市各等级降水的气候特征及其与年降水量的关系

苗 蓉，成佳丽，田梦琳

(曲靖市气象局，云南 曲靖 655000)

0 引言

IPCC《Global warming of 1.5 ℃》评估报告指出：2017年全球气温比工业化前升温大约1 ℃。如果以当前速率持续升温，到2030～2050年将高出1.5 ℃[1]。若全球升温1.5 ℃降导致部分地区出现极端降水事件[2]。中国近年极端降水的频数和强度呈增加趋势[3-5]，但区域性差异特征明显[6-8]。因此分析和把握区域降水规律与特征，对区域气候变化评估有重要意义，在避免降水引发的气象灾害中有指导作用。目前，不少学者按照国家《降水量等级》[9]标准，将降水分为不同等级，并对不同区域的降水事件开展一系列研究。王昊[7]发现西南高海拔地区降水以中小雨为主，而张琪[10]指出西南地区中小雨日呈明显减少趋势，但暴雨日、大雨日均呈增加趋势，极端降水天气日益突出；王芬[11]发现贵州总雨日、小雨日、中雨日、大雨日整体呈减少趋势，而暴雨日呈一定增加趋势。云南降水量有明显的区域性特征[12-13]，符传博[14]对云南降水量研究发现，降水量总体变化不大，但年总雨日明显减少。彭贵芬[15]也得到类似结论：云南雨日在减少。

曲靖市位于云贵高原中部，降水事件多发[16-19]。当前未有针对曲靖市不同等级降水的气候特征的研究，不同等级的降水事件与旱涝之间存在密切联系[19]。因此，本文旨在探讨曲靖市不同等级雨日的气候特征与降水量的关系及其典型干旱年的特征，从而加深对曲靖市区域降水规律的认识，有助于区域气候变化的评估和防灾减灾。

1 资料与方法

1.1 数据来源

曲靖市地处滇东(103°03′E～104°50E′，24°19′N～27°03′N)，地貌以高原山地为主，整体上地势具有“西北高东南低”的特点(图1)。研究采用1974～2018年曲靖市9个大监站降水日数据，这些数据均通过质量控制及均一性检验和信息化处理。

图1 曲靖市9个大监站分布及其海拔高度(单位：m)

1.2 研究方法

1.2.1 降水日

日降水量≥0.1 mm记为一个降水日，依据国家《降水量等级》[9]标准，将降水日分为4个等级：日降水量0.1～9.9 mm记为小雨日；日降水量10.0～24.9 mm记为中雨日；日降水量25.0～49.9 mm记为大雨日；日降水量≥50.0 mm记为暴雨日。

1.2.2 Cressman插值算法

Cressman插值算法[20]是将站点数据插值到格点上，根据站点与插值点的距离远近确定站点的权重系数。当站点与插值点重合，权重系数为1；如果站点位置超出扫描半径，则权重系数为0。即在有效扫描半径内都可以求一个该站点的权重系数。最终插值点上的值就是按照站点的贡献大小依次计算得到。

1.2.3 气候倾向率

气候倾向率的分析通常采用线性拟合的方法，本文采用一元线性方程yi=axi+b拟合，i为年序(i=1，2，…45)，一般采用系数a的10倍来描述气候倾向变化。对相关系数进行显著性检验[21]，给定显著性水平α=0.05，相关系数临界值为0.29。

可没过几天，我爱哭的毛病又犯了。那天中午放学回家，妈妈发现由于早上走得匆忙把钥匙落在了家里。“这可怎么办？我还要写作业呢！下午上课交不了作业肯定会被老师批评的。”想到这里，不争气的眼泪又开始在眼眶里直打转。回头看看弟弟，他却像个没事人一样，帮妈妈想办法。终于，妈妈想起来还有一把钥匙放在小姨家，于是，妈妈给小姨打电话，麻烦小姨把钥匙送来。等到门开后，我赶紧偷偷地把眼泪擦干，若无其事地坐在客厅里写起了作业。妈妈拿来了点心，抚摸着我的头说：“强强，哭是懦弱的表现，眼泪解决不了任何问题。遇到困难要想办法解决，这才是男子汉的表现。饿了吧，我这就给你们做饭去。”

1.2.4 Mann Kendall突变检验

Mann Kendall(M-K)法是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，可以明确突变的时间，并指出突变区域[21]。给定显著性水平α=0.05，即u0.05=±1.96。

1.2.5t检验

选取1974～2018年中1个特别干旱期(2009～2012年)记为干旱事件，1981～2010年平均值记为气候平均态，计算干旱事件与气候平均态的差值，并做显著性t检验。给定显著性水平α=0.05，临界值为1.68。

2 结果分析

2.1 曲靖市降水概况

1974～2018年，曲靖市各等级降水年均情况统计如表1所示，年均降水量1 036.0 mm、年均降水日147.4 d。年均小雨日115.4 d，占比78.28%，是各等级降水日中占比最大的一项，即小雨为曲靖市主要降水事件。但小雨降水强度弱，年降水量仅有275.8 mm，占比26.61%。统计各等级降水日与年降水量的相关系数如表2所示。小雨日与年降水量相关系数为0.25，相关不显著，是各等级降水日与年降水量相关最小的一项。年均中雨日21.9 d，占比14.86%，仅次于小雨，但中雨年降水量达344.7 mm，占比33.20%，是曲靖市降水量贡献率最大的降水事件。中雨日与年降水量显著相关，相关达0.84。年均大雨日仅有8.1 d，占比5.48%，对总雨日的影响并不明显。大雨年雨量达275.1 mm，占比26.61%，对年降水量的贡献与小雨持平。但大雨日与年降水量相关达0.86，大雨日虽少，但其变化可导致年降水量显著变化。暴雨发生频率低，年暴雨日2.0 d，占比1.38%，表现为小概率降水事件。但暴雨降水强度强，达70.1 mm/d，其年雨量140.1 mm，占比13.58%。暴雨日与年降水量相关系数达0.76，远远高于小雨日。

表1 曲靖市降水年均情况统计

表2 曲靖市各等级降水日与年降水量的相关系数

注：**表示通过0.05的显著性检验.

2.2 各等级降水日和年降水量的空间历年分布

利用Cressman插值算法对曲靖市9个大监站的降水日数据进行插值得到图2。曲靖市各等级降水

日均呈现由“东南向西北”递减的空间分布特征。曲靖市各县(市)区年降水日126.9～195.3 d，高值位于罗平县，低值位于会泽县。各等级降水日的空间分布区域性差异明显，年小雨日102.2～148.9 d，小雨日空间分布与年降水日相似，主要由于小雨日占比最大所致。中雨日年均18.2～27.8 d，马龙、宣威、富源空间分布与年降水日存在明显差异；年大雨日5.6～13.6 d，高值位于罗平、师宗大部、富源南部地区；年暴雨日0.8～5.1 d，暴雨局地性特征明显，暴雨日大值主要在罗平大部、富源南部地区。年降水量的空间分布也呈现由“东南向西北”递减的特征，罗平年降水量达1 606.6 mm，会泽仅有774.3 mm。

图2 曲靖市(a)年降水日、(b)小雨日、(c)中雨日、(d)大雨日、(e)暴雨日、(f)年降水量的空间历年分布

各等级降水日与年降水量的高低值落区基本一致，呈“东南向西北”递减的特征，这可能与曲靖市“西北高东南低”的地势相关，罗平、师宗、富源一带是水汽到达曲靖市的必经之地，降水的几率较大。

2.3 各等级降水日和年降水量的历年线性趋势变化

绘制了降水日、小雨日、中雨日、大雨日、暴雨日、年降水量的历年线性趋势变化空间分布图(图3)。1974～2018年全市降水日、小雨日、中雨日均呈不同程度的减少趋势。年降水日呈“南北两端大于中间”的减少趋势，除富源县年降水减少不显著，其余地区显著减少。小雨日也有“南北两端大于中间”的下降趋势，其中马龙大部、富源下降趋势不显著，且富源东部地区小雨日有缓慢增加的趋势。中雨日也呈现出下降趋势，南部师宗、罗平下降显著。全市大雨日分布“有增有减”，麒麟、沾益、陆良呈减少趋势，其余县(市)区呈不显著增加。暴雨日在曲靖市北部宣威、会泽增加，说明这些区域极端降水天气突出。各等级降水日呈现不同的趋势变化特征，年降水量也具有明显线性变化趋势，会泽呈缓慢增加，沾益、陆良、师宗局地、罗平大部呈显著的减少趋势。

注：打点区域表示通过0.05的显著性检验

图3 曲靖市(a)降水日、(b)小雨日、(c)中雨日、(d)大雨日、(e)暴雨日和(f)年降水量的气候倾向率的空间分布

Fig.3 Spatial distribution of climate tendency rate of(a)precipitation days，(b)light-rainy days，(c)mid-rainy days，(d)heavy-rainy days，(e)rainstorm days，(f)annual precipitation in Qujing City

1974～2018年曲靖全市降水日、小雨日、中雨日发生频率均呈减少趋势。大雨、暴雨事件表现出明显区域性特征。会泽、宣威大雨日、暴雨日呈一定增加趋势；富源、马龙、师宗、罗平大雨日增加，暴雨日减少；麒麟大雨日减少，暴雨日增加；沾益大雨日、暴雨日均减少。

2.4 各等级降水日和年降水量的年际变化趋势

采用气候倾向率和M-K突变检验，分析1974～2018年曲靖市各等级降水日和年降水量的年际变化趋势(图4)。年降水日整体呈减少趋势，气候倾向率为-5.01 d/10a，年均降水日为147.4 d。降水日峰值出现在1974年达169.7 d，2009年最少，仅为120.2 d。年降水日自20世纪70年代初期整体呈现下降趋势。UF和UB曲线相交于1987年、1990年。1987年后年降水日突破了0.05的显著性水平，故判定1987年为年降水日显著减少的突变点。小雨日整体呈一定的减少趋势，气候倾向率为-3.967 d/10 a，年均小雨日为115.4 d。小雨日的峰值出现在1997年达135.0 d，2009年最少，仅为100.4 d。小雨日在20世纪80年代前呈上升趋势，自20世纪80年代起整体呈现下降趋势，UF和UB曲线相交于1993年，故1993年为小雨日显著下降的突变点。中雨日20世纪90年代前呈振荡变化趋势，气候倾向率-0.934 d/10 a，年均中雨日为21.9 d。中雨日的峰值出现在1986年，该年中雨日达29.6 d，2011年最少，为11.7 d。UF和UB曲线相交于2000年，2000年后中雨日持续减少，特别是2011年后减少趋势十分显著。大雨日呈现“减少—增多—减少—增多—减少—增多”的波动趋势分布，气候倾向率为-0.035 d/10a，趋势性不明显。年均大雨日为8.1 d。大雨日的峰值出现在1974年达11.9 d，2011年大雨日最少年3.8 d。暴雨日的UF曲线呈现出围绕零线小范围的上下波动现象，年际间趋势变化不稳定。历年气候倾向率为-0.074 d/10a，年暴雨日为2.0 d，峰值出现在1976年达3.4 d，1989年最少年0.6 d。

注：**表示通过0.05的显著性检验

图4 曲靖市(a)降水日、(b)小雨日、(c)中雨日、(d)大雨日、(e)暴雨日和(f)年降水量的历年变化趋势和突变的检验

Fig.4 Annual trends and mutation test of(a)precipitation days，(b)light-rainy days(c)mid-rainy days，(d)heavy-rainy days，(e)rainstorm days，(f)annual precipitation in Qujing City

降水量整体呈一定的减少趋势，变化倾向率为-26.951 mm/10 a，年均降水量为1 036.0 mm。年降水量的峰值出现在1974年达1 347.3 mm，高出多年平均值的30.1%，2011年最少，仅有592.1 mm为多年平均值的57.2%。年降水量在20世纪90年代前围绕零线作小范围上下波动，自20世纪90年代后，整体呈现稳定下降趋势。因此，将降水量分为3个阶段。第一阶段为20世纪90年代前：年降水量稳定少变，同时期小雨日呈“先增后减”趋势；中雨日波动中有增有减；大雨日“先减后增”；暴雨日呈减少趋势。1985～1987年，中雨日、大雨日增多导致年降水量增多。第二阶段为进入20世纪90年代：年降水量缓慢下降，小雨日、中雨日减少；大雨日“先减后增”；暴雨日微弱减少；印证了对降水贡献率最大的中雨事件减少导致年降水量减少。第三阶段为进入21世纪：年降水量明显减少，小雨日、中雨日显著减少导致雨日显著减少；大雨日增加；暴雨日微弱减少。中雨日变化趋势与年降水量基本一致，再次验证了中雨事件对曲靖市降水的重要贡献。

3 特大干旱期的降水气候特征分析

2009～2012年是曲靖市最近250年最干时期[23]，其中曲靖市遭遇了60年不遇的特大旱灾年，创下了有气象资料记载以来的“四个历史之最”[24-26]，干旱持续时间最长。为了解此次曲靖干旱期降水事件分布的差异，对2009～2012年曲靖市不同等级降水事件与多年平均(1981～2010年)做合成分析(表3)。2009～2012年曲靖市年不同等级降水事件与该地区气候态的平均场相比，年降水量减少了215.8 mm，以中雨、大雨量减少为主，占比79.9%。降水日减少了17.5d；小雨日减少了9.2d；中雨日减少了5.5d，大雨日减少了2.5d，暴雨日减少了0.2d。其中，降水日、中雨日、大雨日通过了置信度为95%的显著性检验，呈显著减少。中雨、大雨事件的异常偏少与2009～2012年曲靖地区的严重干旱关系最大，而小雨、暴雨对此次严重干旱事件关系较小。

表3 曲靖市特大干旱期(2009～2012年)与气候平均态的差值和t检验

Tab.3 Differences and t-test between the extreme drought period(2009～2012)and the climatological mean in Qujing City

降水等级雨量/mm雨日/d差值T值差值T值小雨-35.81.317-9.21.338中雨-87.61.804∗∗-5.51.774∗∗大雨-84.91.681∗∗-2.51.701∗∗暴雨-7.50.171-0.20.350合计-215.81.674-17.51.888∗∗

注：**表示t检验通过0.05的显著性检验.

4 结论

通过探讨1974～2018年曲靖市各等级降水日与年降水量的气候特征及其关系，主要结论如下：

(1)小雨是曲靖市主要降水事件；中雨是对年降水量贡献率最大的降水事件；大雨和暴雨事件发生频率低，但是降水强度高，与总雨量显著相关，对年降水量具有显著贡献。

(2)曲靖市各等级降水日和年降水量呈现“东南向西北”递减的分布，高值区分布在东南的罗平县、师宗县，低值区分布在会泽县。

(3)曲靖市不同降水事件历年变化的区域性分布特征明显，全市降水日、小雨日、中雨日发生频率均呈减少趋势。会泽、宣威大雨日、暴雨日呈一定增加趋势；富源、马龙、师宗、罗平大雨日有增加趋势，暴雨日为减少趋势；麒麟大雨日减少，暴雨日增加；沾益大雨日、暴雨日均为减少趋势。

(4)曲靖市年降水量变化分为3阶段，20世纪90年代前稳定少变；进入20世纪90年代缓慢减少；进入21世纪明显减少。小雨日、中雨日进入第二阶段趋势后持续性减少是导致总雨日减少的主要原因；尤其是中雨日明显减少导致年降水量减少。

(5)曲靖市2009～2012年持续严重干旱背景下，中雨、大雨事件的异常偏少，是此段严重干旱期发生的最直接原因。