南京市年内二十四节气降水量分配规律研究

舒持恺

(1.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司， 江苏 南京 211106；2.南京南瑞水利水电科技有限公司， 江苏 南京 211106)

1 概 述

近年来随着人类社会经济的高速发展，加大了对地球资源的消耗，导致全球环境发生了变化，产生的全球变暖等气候问题，是世界人民面对的严峻挑战。气候变化是显而易见的，严寒、酷热、暴雨、暴雪等极端天气越来越频繁地出现，对人类社会安全产生了巨大威胁。气候变化已经引起了国际社会的普遍关注与高度重视，各国政府和专家学者对此展开了深入研究。降水是气候的重要特征之一，对降水的研究有助于我们理解气候的变化趋势。二十四节气是中国古代订立的一种用来指导农事的补充历法，是我国古代先人们劳动智慧的结晶。南京位于长江下游，降水丰富。通过研究南京市降水量在年内二十四节气的分布情况，可揭示降水量的年内分布变化规律，以便更好地为广大人民群众提供生产与生活上的服务，有利于提高气象服务质量和水平，同时也为防汛抗旱等工作提供依据。

2 资料与方法

2.1 研究区域概况

南京市是江苏省省会城市，地处中国东部地区、长江下游，全市下辖11个区，总面积6 597km2，是长三角地区及华东地区的特大城市，中国四大古都之一，也是“一带一路”战略与长江经济带战略交汇的节点城市。南京地貌特征属宁镇扬丘陵地区，以低山缓岗为主。南京属北亚热带湿润气候，四季分明，雨水充沛。常年平均降雨时间为117d，平均年降水量1 106.5mm，相对湿度76%，无霜期237d。每年6月下旬到7月上旬为梅雨季节，年平均温度15.4 ℃，年极端气温最高39.7 ℃，最低-13.1 ℃。南京春秋季短、冬夏季长，冬夏温差显著，夏天十分炎热，近年来大面积的绿化建设及大气环流的变化，使得南京夏天的炎热程度有所缓和。

2.2 研究方法

随着全球性的气候变化，区域性的降水也发生了较明显的变化，导致年内的降水分布随时间呈现明显的不均匀性。研究降水年内分布的指标方法有很多，比较常用的有各月降水量占年降水量的百分比、Mann-Kendall非参数统计检验法、小波分析法等，本文通过对年内二十四节气降水量的集中度和集中期[6-9]、年内分配不均匀系数、年内分配完全调节系数及变化幅度[10]等指标进行计算研究，来分析南京市降水量变化年内分布规律。

2.2.1 二十四节气

二十四节气是我国古代人民长期劳动实践总结出的气候变化规律，是我们祖先杰出的发明。它包括12个节气和12个中气，俗称二十四节气。它是根据太阳在黄道(即地球绕太阳公转的轨道)上的位置变化，结合地面上气候、物候的演变特征加以命名，就形成了家喻户晓的二十四节气。每个节气约为15d，按内容可分为四类：一是表示寒来暑往变化的有：立春、春分、立夏、夏至、立秋、秋分、立冬、冬至；二是象征气温变化的有：小暑、大暑、处暑、小寒、大寒；三是反映降水量的有：雨水、谷雨、白露、寒露、霜降、小雪、大雪；四是反映物候现象或农事活动的有：惊蛰、清明、小满、芒种。二十四节气时间分布情况如表1，它同农历闰月的安排有着密切的关系，在农历中，以立春为二十四节气的头一个节气。

表1 二十四节气时间分布

注：节气的日期会因具体的年份而有1～2d的变化，闰年雨水为16d。

在以往的研究中，大多采用年或月为统计时段进行降水变化趋势的研究。考虑到二十四节气对我国民众农事活动、社会生产实践具有重要的指导作用，本文按二十四节气时段对南京市降水的气候变化特征进行统计分析。

2.2.2 集中度与集中期

集中度(DPCD)就是将二十四节气的降水量看成24个矢量，并以一定的角度方向进行矢量合成，得到的合成量与年降水量之比[4-5]。从立春到大寒每个节气的方位角θi分别为0，15，30，…,345，360(表2)，将每个节气的降水量分解为x与y两个方向，则x、y方向上的合成分量分别为：

(1)

式中：Px、Py分别为x、y方向上的合成量；Pi为第i个节气的降水量；θi为第i个节气的方位角。

那么合成的降水量为：

(2)

于是得到集中度的表达式为：

(3)

集中期(PPCP)用x、y方向上合成分量比值的正切角度表示：

(4)

可以看出集中期PCP表示年内最大降水量出现的节气，而集中度PCD则表示集中期降水量占年降水量的比例，集中度计算中二十四节气的方位角见表2，其值越大，表示降水越集中，降水分布越不均匀。

表2 集中度计算中二十四节气的方位角

(续表2)

2.2.3 年内分配不均匀系数

降水量年内分配不均匀系数采用变差系数Cv表示，它是反映降水量年内分配不均匀性的一个重要指标，Cv值越大，则降水量年内各个节气分布越不均匀。Cv值计算如下：

(5)

2.2.4 年内分配完全调节系数

降水量年内分配完全调节系数Cr定义为：大于等于年平均降水量的各个节气降水量减去年平均降水量之后的和与年降水量之比。其计算公式为

(6)

与年内分配不均匀系数Cv一样，Cr值越大，降水量年内分配越不均匀。

2.2.5 变化幅度

降水变化幅度是降水分布不均匀性的重要体现，变化幅度的大小对水利调节与水资源环境有重要影响。降水量年内变化幅度过大，可能会引发局部旱涝灾害，威胁到区域社会环境安全，增加水资源的开发利用与决策难度。变化幅度采用4个指标来描述，其计算式如下：

Im1=Pmax/Pmin

(7)

(8)

(9)

ΔP=Pmax-Pmin

(10)

式中：Pmax、Pmin分别为最大、最小的节气降水量；Im1、Im2及Im3为相对变化幅度；ΔP为绝对变化幅度。

2.3 研究资料

降水量资料来自南京市六合、江浦、安基山水库、金牛山水库、晓桥等12个雨量站的逐日降水数据(1951—2015年)(图1)，取12个站的日降水量平均值为南京市日降水量，并按照年内二十四节气时段(表1)进行统计，得到各个节气的降水量。

图1 雨量站位置示意图

3 结果分析

3.1 南京市二十四节气降水量年内分配不均匀性

由于季节气候的变化，降水量随时间发生明显的变化。根据式(5)计算得出南京市各年二十四节气降水量的不均匀系数Cv(图2)。从图2可以看出，年内不均匀系数Cv值最大为1.74，出现在1969年，表明南京市该年二十四节气降水量的分布很不均匀；最小为0.59，出现在1990年，表明南京市该年二十四节气降水量的分布较均匀。随着时间的推移，Cv值有变大的趋势，线性趋势线的斜率为每10a0.0106。按式(6)计算得到南京市各年二十四节气降水量的完全调节系数Cr(图3)，从图3可以看出，年内完全调节系数Cr值最大为0.51，出现在2011年，同样表明该年降水量分配很不均匀；最小为0.26，出现在1990年，表明该年降水量分配较均匀。Cr变化趋势与Cv值相同，趋于增长，线性趋势线的斜率为每10a0.0011。

图2 南京市二十四节气降水量Cv值

图3 南京市二十四节气降水量Cr值

将南京市二十四节气降水量的年内不均匀系数Cv值与年内完全调节系数Cr值进行对比(图4)，可以看出Cv与Cr整体变化趋势基本一致，但Cv值总体比Cr值大，这是因为在Cv与Cr的计算式(5)、 式(6)中，Cv代表不均匀性时考虑到了平均值上下数据的影响，而Cr只考虑了平均值水平以上的数据作用，因此Cr值会偏小。从图4可以看出，Cv与Cr呈波动趋势，特别是在1965—1970年、1980—1985年及1990—1995年波动强烈，表现为较强的不均匀性。1990年以后，Cv值与Cr值均呈现锯齿状波动缓慢上升趋势，表明降水量年内分配不均性逐渐增强，降水不稳定。

图4 Cv与Cr变化趋势对比图

3.2 南京市二十四节气降水量年内分配集中程度

利用上面计算方法，得到南京市二十四节气降水量的集中度与集中期(表3、图5)。从表3、图5可以看出南京市二十四节气降水量年内分配存在一定的不均匀性，从降水量年内分配的集中性来看，20世纪50年代、90年代及2000年以后的集中度较小，而60年代、70年代与80年代的集中度较大。从时间序列(1951—2014年)集中度的变化来看，年际差异较大，最大值为0.64(2011年)，最小值为0.08(1997年)，相差近8倍。随着时间的推移，集中度有逐渐增大的趋势，但非常缓慢，线性趋势线的斜率只有每10a0.0002，这与不均匀系数Cv及完全调节系数Cr变化趋势基本一致(图6)，由图6可以看出Cv、Cr与DPCD曲线的升降趋势、波动区间基本相同，且两两之间存在显著正相关(Sig<0.05)。Cv与Cr的相关系数为0.783，Cv与DPCD的相关系数为0.690，Cr与DPCD的相关系数为0.676，这说明了Cv、Cr与DPCD三者在描述降水量年内分配不均匀性的一致性、合理性与代表性。

表3 南京市二十四节气降水量年内分配集中度与集中期

图5 南京市二十四节气降水量DPCD值

图6 Cv、Cr与DPCD变化趋势对比图

图7 南京市二十四节气多年平均降水量

就南京市二十四节气降水量集中期而言，除了20世纪80年代降水量集中期为小暑，20世纪90年代集中期为芒种外，其他年代均为夏至，多年平均的集中期也是夏至(表3)，这与南京市二十四节气多年平均降水量分配(图7)的结果相一致。从图7可以看出，多年平均的南京市二十四节气降水量年内分配主要集中在芒种、夏至及小暑(6月6日至7月22日)这3个节气，与PPCP的计算结果相吻合，3个节气的降水量占全年降水量的28.6%。多年平均的年降水量与芒种降水量的相关系数为0.344，与夏至降水量的相关系数为0.584，与小暑降水量的相关系数为0.355，且都通过0.01的显著性检验，表明年降水量与芒种、夏至和小暑3个节气的降水量显著正相关，3个节气降水量的多少直接影响着年降水量。多年平均的南京市二十四节气降水量年内分配结果显示从立春(2月4日)开始，年内降水量大体上呈增长趋势，到夏至(7月6日)达到最大值，后逐渐减小直到大寒(次年2月3日)。多年平均的二十四节气年内降水量分配最大值出现在夏至，为125.5mm，最小值出现在大雪(12月7日)，为14.5mm。从时间序列来看降水量集中期(图8)，PCP最早出现在立夏(1959年)，最晚出现在立秋(1961年)，并且集中期有缓慢推迟的趋势。在2005年以后PCP波动趋于平缓，降水集中期相对稳定，降水变化趋于缓和。

图8 南京市二十四节气降水量PPCP

3.3 南京市二十四节气降水量变化幅度

南京市二十四节气降水量年内变化幅度见表4。从表4可以看出，降水量年内绝对变化幅度ΔP随时间先减小后增加再减小，20世纪60年代的ΔP最小，其相对变化幅度Im1、 Im2也较小，Im3较大，说明20世纪60年代的南京市二十四节气降水量年内变化幅度比较小；20世纪90年代的ΔP最大，其Im1、 Im2也较大，Im3较小，说明20世纪90年代的南京市二十四节气降水量年内变化幅度比较大。从时间序列来看(图9)，南京市二十四节气降水量年内绝对变化幅度最大值为405.464mm(1969年)，其年内最大降水量为405.464mm，出现在小暑(7月7日至7月22日)，最小降水量为0mm，出现在小寒(次年1月6日至1月20日)，表明1969年各个节气降水量分配很不均匀。从图2、图3及图5中可以看出，1969年的降水量年内分配Cv、Cr及PCD值都比较大，这也验证了该年内二十四节气降水分配很不均匀。南京市二十四节气降水量年内绝对变化幅度最小值为66.75mm(1978年)，其年内最大降水量为67.80mm，出现在小暑，最小降水量为1.050mm，出现在寒露(10月9日至10月23日)。同样，对应图2、图3及图5中1978年的Cv、Cr及PCD值也都比较小，说明了该年内各个节气降水量分配比较均匀。绝对变化幅度ΔP与集中度PCD相关系数为0.628(Sig<0.05)，表明年内降水越集中，其变化幅度也就越大。随着时间的推移，南京市二十四节气降水量年内绝对变化幅度ΔP呈增长趋势，线性趋势线的斜率为每10a5.39，2005年以后，ΔP的波动趋势变缓，趋于平稳，说明近年来南京市降水变化较缓和。

表4 南京市二十四节气降水量年内变化幅度

图9 南京市二十四节气降水量年内绝对变化幅度ΔP

4 结 论

以南京市12个雨量站近60年来的实测逐日降水量资料为基础，以年内二十四节气为研究时段，通过计算降水量年内分配集中度与集中期、年内分配不均匀系数、年内分配完全调节系数和变化幅度等指标，具体分析了南京市二十四节气年内降水量分配规律。在1965—1970年、1980—1985年及1990—1995年，降水量年内分配不均匀性波动较强，尤其在1969年，其二十四节气年内降水量绝对变化幅度高达405.464mm。自1951年以来，南京市二十四节气降水量年内分配的不均匀性系数、完全调节系数、集中度和变化幅度均有缓慢增长的迹象，集中期也有缓慢推迟的趋势，表明降水量年内分配的不均匀性有增强趋势，但进入2005年以后趋于平缓，降水变化缓和。根据南京市多年平均年内二十四节气的降水量，得到南京市年内降水量主要集中在芒种、夏至和小暑(6月6日至7月22日)，3个节气的降水量都与年降水量呈显著正相关，这个时段恰好是长江中下游地区的梅雨时节，时段降水非常丰富。南京市年内降水量在夏至(6月22日至7月6日)达到峰值，而向两端逐渐减小，大体上呈锥形结构。

本文只是用有限的指标来研究南京市二十四节气降水量年内分配的规律，从一定程度上反映南京市降水量在年内二十四节气的分配规律，为南京市二十四节气的农事活动、社会生产实践提供一定的参考依据。但对各个指标之间的相关性未进行深入分析，指标的代表性可能存在不足，还需进一步地深入研究。