1960-2017年来长江流域暴雨特征分析

王 乐，邢雯慧

(长江水利委员会水文局，武汉 430010)

暴雨是我国主要的天气灾害之一，其对人民生命财产安全和国家经济建设产生严重威胁[1]。长江流域地形复杂、气候湿润，受夏季风、台风、青藏高原等因素影响，它是我国暴雨发生最频繁的区域之一[2-4]。频发的暴雨在丘陵山地容易引发山洪、滑坡、泥石流等地质灾害，而在长江河道内容易引发严重的洪涝灾害，历史上几次特大洪涝灾害大多发生在长江流域[5-8]。由于长江经济带人口稠密、经济发达，每年受暴雨洪涝影响的损失十分巨大，要正确预防和减轻暴雨洪涝灾害，首先需要了解长江流域的暴雨时空分布特征。研究表明，在当前全球变暖的背景下，全球极端事件频发，长江流域的暴雨有显著增加的趋势[9-20]。鲍名[11]指出长江流域是我国局地持续性暴雨事件的主要发生地之一。王学龙[12]等人分析了长江中下游暴雨频次的时空分布，并提出了5种暴雨空间分布型。杨宏青[13]、白淑英[14]等人指出1961-2010年长江中下游大部分地区暴雨日数呈增加趋势。俄有浩[15]等人研究表明1961-2012年长江中下游暴雨日数和强度呈不显著增加趋势。IPCC第五次报告[16]研究进一步表明未来情境下极端降水事件影响区域可能更广，影响程度更严重。因此，研究长江流域暴雨具有重要的科研和经济意义。

由于过去长江上游雨量站网稀疏、数据资料较少，以往学者主要研究长江中下游流域的暴雨日数变化，针对长江上游和整个长江流域暴雨特征的详细研究相对较少。本文使用长江流域1960-2017年高密度670个雨量站逐日降水数据集，对整个长江流域近60 a暴雨日数和强度的空间分布、变化趋势、时间演变等特征进行细致研究，同时计算了长江上游和中下游不同重现期的暴雨强度。研究有助于更好地认识长江流域的暴雨时空演变特征，为长江流域防灾减灾工作开展提供理论基础。

1 数据与方法

1.1 区域概况和数据资料

本研究所用的资料为长江水利委员会水文局和湖北省气象局联合制作的长江流域1960-2017年670个雨量站逐日(北京时间08时-次日08时)降水资料(站点分布如图1所示，图中黑色边界为长江上游流域，红色边界为长江中下游流域，站点颜色代表海拔高度)，所有站点都通过系统的质量控制和均一性检验，保证了资料的连续性和完整性。金沙江上游位于青藏高原的地区暂时没有通过质控的雨量站点，但由于其海拔高度较高，几乎不发生暴雨，因此对研究没有影响。

图1 长江流域670雨量站点分布Fig.1 Distribution of 670 rainfall stations in the Yangtze River Basin

1.2 研究方法

1.2.1 暴雨特征量识别

按照中国气象部门规定，将24 h雨量在50 mm以上的降水称之为暴雨。参考俄有浩等人[15]的方法，采用暴雨日数和日最大暴雨量作为表征暴雨的特征量，其中暴雨日数可以有效反映暴雨的频次、日最大暴雨量可以反映暴雨的强度。文中某区域的总暴雨日数指一段时间内该区域所有站点的暴雨日数之和，某区域的平均日最大暴雨量指一段时间内该区域有暴雨站点的日最大暴雨量平均值。此外，计算单站多年平均的日最大暴雨量时，仅考虑该站有暴雨的年份。某站暴雨最早发生月份定义为多年平均情况下，第一场暴雨出现最多的月份。

1.2.2 统计分析方法

采用线性回归、显著性t检验等方法分析研究区暴雨日数和强度特征。此外，统计研究区各站日降水量不同强度等级的暴雨发生频数(50～59、60～69、70～79、80～89、90～99、100～109、110～119、120～129、130～139、140～149、150～159、160～199、200～250、>250 mm)、计算不同强度下的暴雨发生频率，利用指数函数拟合得到研究区暴雨频率累计曲线，计算各研究区不同重现期的暴雨强度。

2 长江流域暴雨空间分布特征

2.1 暴雨季节空间分布

图2(a)显示，1960-2017年长江流域年暴雨日数空间分布存在较大地域差异，总体呈现长江中下游偏多、上游偏少的分布形势。长江上游各区中，金沙江、雅砻江和岷江三者上游基本不发生暴雨。乌江流域和金沙江下游为暴雨少发区，年均暴雨日数在3 d以下。嘉岷流域是暴雨易发区，年均暴雨日数达3 d以上，其中大渡河下游可达6 d以上；长江中下游各区中，汉江中上游是暴雨少发区，年均暴雨日数在2 d以下。鄱阳湖水系是暴雨高发区，年均暴雨日数基本在6 d以上；长江流域暴雨日数的空间分布反映了地理位置和地形分布对降水的影响，暴雨频发区主要位于中下游近海平原地区和上游山区。

图2(b)为长江流域多年平均的日最大暴雨量空间分布，其与暴雨日数分布有一定相似，暴雨日数明显偏多的地方通常对应最大暴雨偏强。但最大暴雨的高值分布范围明显大于暴雨日数，这说明即使在一些暴雨非高发地区，也可能发生强暴雨。长江中下游干流、鄱阳湖水系、洞庭湖水系西北部、长江上游嘉岷流域均是强暴雨的发生区，其多年平均的日最大暴雨量基本在100 mm以上、局地可达120 mm以上。

图2 1960-2017年长江流域年暴雨日数和年日最大暴雨量空间分布Fig.2 The spatial distribution of annual rainstorm days and annual maximum daily rainstorm in 1960-2017 in the Yangtze River Basin

从多年平均的月暴雨日数分布来看(图3)：4月，长江流域暴雨主要发生在鄱阳湖水系，月均暴雨日数基本在1 d以下。5-6月，暴雨区范围西扩且暴雨日数增加，鄱阳湖水系仍为暴雨主发区，其中6月鄱阳湖水系中北部月均暴雨日数可达2 d以上，为当年长江流域之最。7月，暴雨区西移北抬，暴雨中心主要位于长江中下游干流附近和嘉岷流域，月均暴雨日数多在1～1.5 d，其中大渡河下游暴雨日数达2 d以上。8月，长江中下游暴雨日数明显减少，暴雨主要发生在长江上游嘉岷流域，日数以0.5～1 d为主，其中大渡河下游仍达2 d以上。9月，长江流域暴雨日数整体减少，暴雨主要发生在嘉陵江、渠江，日数在0.5～1 d。此外，3月以前、10月以后，长江流域内很少发生暴雨(图略)。

图3 1960-2017年多年平均4-9月暴雨日数空间分布Fig.3 The spatial distribution of rainstorm days from April to September in 1960-2017

相应的各月日最大暴雨量空间分布表明(图4)：4月，长江流域大部地区平均日最大暴雨量偏小，主要在70 mm以下。5月，日最大暴雨量增加，长江中下游大部地区平均日最大暴雨量达80 mm左右。6、7月，日最大暴雨量明显增加，长江中下游流域、长江上游嘉岷流域平均日最大暴雨量达80～100 mm。8月，长江流域日最大暴雨量有所减弱，流域暴雨区的平均日最大暴雨量多在70～90 mm。9月，长江中下游日最大暴雨量明显减弱，但嘉岷流域部分地区日最大暴雨量反而有所增加，可达80～100 mm。

综合来看，长江流域暴雨日数总体呈现中下游偏多、上游偏少的分布，其中长江上游和中下游各存在1个暴雨区，上游暴雨区位于嘉岷流域、中下游暴雨区主要位于鄱阳湖水系，除大渡河下游以外长江上游暴雨区暴雨日数明显小于中下游，但二者的最大暴雨强度相当。从时间来看，4-9月长江流域暴雨区位置有明显的西移北抬现象，4-6月暴雨主要发生在长江中下游流域，7月暴雨发生在长江中下游干流和上游嘉岷流域，8-9月暴雨主要发生在长江上游嘉岷流域。流域最大暴雨强度主要表现为先增强后减弱，6、7月份为长江流域暴雨强度最强时段，但值得注意的是8、9月份长江上游嘉岷流域部分地区暴雨强度依然偏强。

2.2 暴雨空间变化趋势分析

利用一元线性回归方法对长江流域暴雨空间年际变化趋势进行分析。由图5(a)可知，长江中下游干流及两湖水系暴雨日数主要表现为增加趋势[中心达0.6 d/(10 a)以上]，长江上游岷沱江流域表现为减少趋势[中心达-0.5 d/(10 a)]，但各地暴雨变化趋势通过显著性检验的区域范围较小、呈零星分布。从日最大暴雨量看[图5(b)]，沅江-洞庭湖区-长江下游干流一带日最大暴雨量呈显著增加趋势[中心达10 mm/(10 a)以上]，岷沱江流域(图5红框所示)、汉江中下游呈减少趋势[中心达-10 mm/(10 a)]，其余地区变化趋势有正有负，且变化幅度较小。

图4 1960-2017年多年平均4-9月日最大暴雨量空间分布Fig.4 The spatial distribution of maximum daily rainstorm from April to September in 1960-2017

图5 1960-2017年长江流域暴雨日数和日最大暴雨量年际变化趋势空间分布(等值线表示通过95%的显著性检验)Fig.5 The spatial distribution of annual variations of rainstorm days and maximum daily rainstorm in 1960-2017 in the Yangtze River Basin

由于6-8月为当年长江流域暴雨日数和强度的峰值时段(图3、4)，因此给出6-8月的长江流域暴雨空间变化趋势分布(图6)。由图可知，各月的暴雨日数变化趋势与日最大暴雨量较为相似，通常暴雨日数显著增加或减少的区域对应着日最大暴雨量的显著增加或减少。6月，长江流域主要表现为长江下游干流南部、两湖水系中北部暴雨日数和日最大暴雨强度的显著增加。7月，暴雨区北抬，长江中下游干流附近、洞庭湖水系西北部暴雨日数和日最大暴雨强度显著增加。8月，长江上游岷沱江中下游、嘉陵江上游暴雨日数和强度显著减少，长江流域东部边界暴雨日数和强度显著增加。

图6 1960-2017年长江流域6-8月暴雨日数和日最大暴雨量变化趋势空间分布Fig.6 The spatial distribution of annual variations of rainstorm days and maximum daily rainstorm from June to August in 1960-2017 in the Yangtze River Basin

2.3 暴雨集中和开始时段空间分布

为进一步分析长江流域各地的暴雨集中发生时段和最早发生时间，图7给出了1960-2017年多年平均的长江流域670个站点暴雨日数最多月份和暴雨最早发生月份的空间分布图。由图7(a)可知，长江流域暴雨集中时段呈现自东南向西北逐渐增加的分布，除两湖水系南部个别站点外，长江下游干流和两湖水系的暴雨主要发生在6月份，长江上中游干流、汉江流域、嘉陵江流域暴雨主要发生在7月，岷江下游、向寸区间部分地区暴雨主要发生在8月；从暴雨开始月份来看[图7(b)]，长江流域暴雨开始时段主要表现为自东向西逐渐增加的分布，鄱阳湖水系东部通常在3月份开始发生暴雨，鄱阳湖水系西部、长江中游干流及洞庭湖水系主要在4月开始发生暴雨，长江下游干流、乌江、渠江主要在5月开始发生暴雨，岷沱江、金沙江下游主要在6月份开始发生暴雨，汉江上中游主要在6、7月份开始发生暴雨。

图7 1960-2017年长江流域暴雨集中时段和开始月份空间分布Fig.7 The spatial distribution of rainstorm concentration period and beginning month in the Yangtze River Basin in 1960-2017

3 长江流域暴雨时间演变特征

3.1 季节变化

根据670个雨量站降水序列，计算1960-2017年长江流域一级水系(图8)的区域总暴雨日数和区域平均日最大暴雨量的季节和年际变化。图9结果表明，金沙江水系暴雨主要发生在6-8月(峰值为7月)，期间平均暴雨强度在60～70 mm；岷江水系的暴雨主要发生在7、8月份，两个月的区域总暴雨日数大致相当，6月的平均暴雨强度接近90 mm，7月的平均暴雨强度在85 mm左右；嘉陵江水系暴雨主要发生在7月，期间平均暴雨强度在85 mm左右；乌江水系的暴雨主要发生在6、7月(峰值为6月)，期间平均暴雨强度在75 mm左右；汉江水系的暴雨主要发生在7月，期间平均暴雨强度在83 mm左右；长江干流水系的暴雨主要发生在6、7月，期间平均暴雨强度在85 mm左右；太湖水系的暴雨主要发生在6月，期间的平均暴雨强度在75 mm左右，但7-9月其暴雨强度反而比6月要高，这主要是因为7-9月太湖水系受台风影响，容易发生极端的暴雨天气；洞庭湖水系暴雨日数主要发生在5-7月，峰值为6月，但其平均暴雨强度的峰值出现在7月，强度在80 mm左右；鄱阳湖水系的暴雨主要发生在5、6月份(峰值为6月)，其平均暴雨强度的峰值同样出现在6月、接近90 mm。

综合来看，暴雨日数与强度在季节变化上基本呈同步变化，通常暴雨日数的峰值时段对应着暴雨强度最强的时段。长江上游各水系的暴雨峰值多出现在7、8月，而中下游流域各水系的暴雨峰值多在6月。6月鄱阳湖水系的暴雨强度和7月岷江水系的暴雨强度均接近90 mm，为流域内最强。

图8 长江流域一级水系分布Fig.8 Distribution of the first-order stream in the Yangtze River Basin

图9 1960-2017年长江流域一级水系总暴雨日数和平均日最大暴雨量的季节变化Fig.9 Seasonal variations of total rainstorm days and average maximum daily rainstorm in first-order stream of the Yangtze River Basin from 1960 to 2017

3.2 年际变化

图10给出了1960-2017年长江流域一级水系年内的总暴雨日数和区域平均日最大暴雨量的年际变化。可以看到，金沙江水系的年暴雨日数和平均暴雨强度均呈显著增加趋势[分别为2.8 d·站/(10 a)和1.2 mm/(10 a)，通过95%的显著性检验]；岷江水系的暴雨日数和强度均呈显著减少趋势[分别为-3.7 d·站/(10 a)和-1.7 mm/(10 a)，通过90%的显著性检验]；嘉陵江水系的暴雨日数没有明显的变化趋势，其暴雨强度呈不显著增加趋势[1.5 mm/(10 a)]；乌江水系的暴雨日数和强度均未通过显著性检验，无明显的变化趋势；汉江水系的暴雨日数无明显变化，但其平均暴雨强度有不显著的减弱趋势[-1.2 mm/(10 a)]；长江干流的暴雨日数有显著增加的趋势[24.9 d·站/(10 a)，通过95%的显著性检验]，暴雨强度为不显著增加的趋势[0.9 mm/(10 a)]；太湖水系的暴雨日数有显著增加趋势[14.6 d·站/(10 a)，通过99%的显著性检验]，其暴雨强度有不显著的减少趋势[-1.2 mm/(10 a)]；洞庭湖水系的暴雨日数有显著增加趋势[23.9 d·站/(10 a)，通过99%的显著性检验]，其暴雨强度同样呈显著增加趋势[1.3 mm/(10 a)，通过90%的显著性检验]；鄱阳湖水系的暴雨日数有显著增加趋势[20.6 d·站/(10 a)，通过95%的显著性检验]，其暴雨强度有不显著的增加趋势[1.2 mm/(10 a)]。

总体而言，长江流域除岷江外其余一级水系的暴雨日数均呈增加趋势，长江上游水系的增加趋势较弱，中下游水系的增加趋势显著，其中洞庭湖水系和太湖水系的增加趋势最为显著，岷江则有显著减少趋势；各水系的暴雨强度变化趋势相对较小，仅洞庭湖水系和金沙江水系有显著增强趋势、岷江水系有显著减弱趋势。

4 长江流域暴雨频率分析

统计1960-2017年长江上游和中下游所有雨量站不同等级强度暴雨的频数，分别计算其对应的频率分布，并根据暴雨频率分布拟合暴雨频率累计曲线，从而计算不同重现期的暴雨。重现期是指在一定年代的雨量记录资料期内，等于或大于某暴雨强度的降雨出现一次的平均间隔时间。图11(a)和(b)的结果表明，长江上游和中下游的日暴雨强度分布较为接近，均以50～100 mm的强度为主，其中上游和中下游强度在50～59 mm的暴雨分别占总数的36.9%和36.5%，强度60～69 mm的均占22.2%，强度70～79 mm的分别占13.9%和13.8%，强度80～100 mm的均占18.4%，强度100～120 mm分别占5.4%和5.6%，120 mm以上强度降水均占总体的4%不到。

图10 1960-2017年长江流域一级水系总暴雨日数和区域平均日最大暴雨量的年际变化Fig.10 Interannual variations of total rainstorm days and average maximum daily rainstorm in first-order stream of Yangtze River Basin from 1960 to 2017

图11 研究区不同强度暴雨频率分布及其累计频率拟合曲线Fig.11 The frequency of rainstorm intensity (top)and its cumulative curve (bottom)

通过拟合暴雨频率分布散点图，得到暴雨频率累计曲线[图11(c)和(d)]。长江上游和中下游指数拟合的R2分别达到了0.995 7和0.994 0，说明拟合曲线具有极高的拟合相似度。二者的拟合方程分别为：Y=438.7x-0.076 84-255.8和Y=526.3x-0.071 5-326.6。式中，x表示暴雨频率，Y表示暴雨强度，mm/d。

查询暴雨频率累计曲线可知，长江上游“百年一遇”暴雨(P=1%)的强度为183 mm/d，“五十年一遇”暴雨(P=2%)的强度为160 mm/d，“十年一遇”暴雨(P=10%)的强度为112 mm/d。长江中下游“百年一遇”暴雨的强度为200 mm/d，“五十年一遇”暴雨的强度为174 mm/d，“十年一遇”暴雨的强度为120 mm/d。

5 结 语

本文使用1960-2017年长江流域670个雨量观测站资料，采用多种统计方法分析了长江流域暴雨日数和日最大暴雨量的时空变化特征，得到如下结论：

(1)长江上游和中下游各存在1个暴雨区，其中上游主暴雨区位于嘉岷流域、中下游主暴雨区位于鄱阳湖水系，除大渡河下游以外上游暴雨区暴雨日数明显小于中下游，但二者的最大暴雨强度相当。

(2)长江流域暴雨区在4-9月有明显的西移北抬现象，4-6月暴雨主要位于长江中下游流域，7月暴雨主要位于长江中下游干流和嘉岷流域，8-9月暴雨主要位于长江上游流域。长江流域日最大暴雨量在4-9月表现为先增强后减弱，其中长江上游嘉岷流域暴雨在7月最强，而长江中下游暴雨通常在6月最强。

(3)长江流域除岷江外其余一级水系的暴雨日数均呈增加趋势，其中长江上游水系增加较弱，中下游水系增加显著，洞庭湖水系和太湖水系增加最为明显，岷江水系则有显著减少趋势；各水系的暴雨强度变化趋势相对较小，仅洞庭湖水系和金沙江水系有显著增强趋势，岷江水系有显著减弱趋势。

(4)长江上游和中下游的暴雨主要集中在50～100 mm左右，二者均占暴雨总数的90%以上。长江上游“百年一遇”、“五十年一遇”、“十年一遇”的暴雨强度分别为183、160、112 mm/d，长江中下游为200、174、120 mm/d。

本文从暴雨日数和日最大暴雨量的角度分析了长江流域近60 a暴雨时空分布特征，揭示出长江流域暴雨事件总体增多增强的现状，为长江流域极端降水事件研究和防范提供一定基础。但本研究仅分析了流域暴雨特征，未曾考虑连续性降水成灾的极端事件和暴雨形成机制，今后仍需在此方面做进一步工作。