商丘市1960—2018年暴雨时空变化特征

史桂芬， 张云霞， 李 莹

（商丘市气象局，河南商丘 476000）

商丘市地处苏鲁豫皖四省交界处，位居黄淮平原腹地，年降水量55%集中在夏季. 2018年8月18日受台风“温比亚”影响［1］，商丘市曾出现了百年不遇的特大暴雨.

有研究认为，中国暴雨的强度在逐年增强，且存在明显区域性特征［2-5］. 许多学者已研究了中国不同历史阶段降水和暴雨的年代际时空格局变化及影响因素［6-7］：孔锋等对中国暴雨不同时空尺度变化及成因进行了系列的研究［8-13］，发现不同区域不同时间尺度暴雨的特征存在差异；鲁坦等［14］、张远［15］、王友贺等［16］、王新伟等［17］研究了不同时间尺度河南暴雨的特征，彭梅香等［18］对黄河中游地区暴雨气候特征进行了分析；李凤秀等［19］对郑州的降水特征进行分析；熊坤研究了商丘1961—2005年6—8月的暴雨日数变化［20］；张云霞研究了商丘降水变化趋势及突变分析［21］.

目前，对暴雨进行不同历史时间系列的研究在全国尺度上较多，针对河南的甚少，有关商丘市暴雨历史时空变化特征的研究尚未开展. 本文利用商丘市1960—2018 年的降水资料，对该市暴雨日数的年代际变化、年际变化、月份与季节变化、空间分布和范围、暴雨强度等历史变化规律进行分析，总结商丘市1960—2018年暴雨的时空变化特征，为极端气候风险管理、农业生产管理、城市发展规划、生态文明建设和防灾减灾提供科学参考.

1 资料与方法

降水资料来自商丘市所辖民权、睢县、宁陵、柘城、虞城、夏邑、永城和商丘8个气象站1960—2018年的逐日降水数据，常年值采用1981—2010年的平均值.

1）按《降水量等级》（GB/T 28592—2012）规定［22］，暴雨是指24 h累积降水量≥50.0 mm 的雨，按其降水强度大小又分为三个等级：24 h累积降水量50.0～99.9 mm为“暴雨”；24 h累积降水量100.0～249.9 mm为“大暴雨”；24 h累积降水量≥250 mm为“特大暴雨”［22］（文中暴雨除特别指出外，均包含大暴雨、特大暴雨）.

2）根据《气候影响评价》［23］中，气候与气候事件评价标准：暴雨距平在-25%～25%为正常年份；25%～50%为偏多年份；-25%～-50%为偏少年份；＞50%为显著偏多，即多暴雨年份；＜-50%为显著偏少，即少暴雨年份.

3）以发生和影响范围为划分原则，将商丘市暴雨分为单站暴雨过程、区域暴雨过程和连续性暴雨过程.单站暴雨过程是指某个站点24 h累计降水量≥50.0 mm，且只维持1 d；区域暴雨过程是指有2个及以上站点出现暴雨，且只维持1 d；连续性暴雨过程分为单站连续性暴雨过程和区域连续性暴雨过程，单站连续性暴雨过程为某站点持续暴雨日≥2 d，区域连续性暴雨过程为区域性暴雨持续≥2 d［22］.

4）利用Excel和SPSS统计软件对商丘市8个站点1960—2018年逐日降水量进行统计分析，统计出暴雨日、大暴雨日和特大暴雨日. 利用线性回归分析、趋势分析等方法进行趋势分析及气候倾向率分析. 利用ArcGIS10.0进行IDW空间差值，对商丘市暴雨日、大暴雨日和特大暴雨日空间分布特征进行空间表达.

2 结果与分析

2.1 不同时间尺度暴雨日数变化

2.1.1 暴雨日数的年代际变化 1960—2018 年商丘市平均年暴雨日数（日降水量50.0～99.9 mm）年代变化较明显. 20 世纪60、70、80 年代平均暴雨日数变化较平稳，在1.9～2.3 d/a 之间，距平值-0.2～0.2 d/a；2000—2009年为暴雨多发年代，暴雨日数最多，为2.9 d/a. 2010—2018年暴雨日最少，为1.6 d/a；20世纪90年代次数最少，为1.7 d/a. 平均年大暴雨日数年代变化为：20世纪90年代和2000—2009年大暴雨日数最多，为0.5 d/a；20世纪80年代最少，为0.3 d/a；二者相差0.2 d/a，距均值相差50%（图1）.

2.1.2 暴雨日数的年际变化 1960—2018年商丘市暴雨日数年际变化较大，共出现暴雨1187站次. 其中暴雨日（不含大暴雨和特大暴雨）988站次，占总暴雨日的83.2%；大暴雨日199站次，占16.8%；特大暴雨日6站次，占0.4%.

1960—2018年商丘市平均年暴雨日数（日降水量50.0～99.9 mm）为2.1 d；2003年暴雨日数最多，为5.3 d；1966年最少，为0.6 d（图2）. 年暴雨日数距平为-1.5～2.6 d，大致分为8个阶段：1965年前以正值为主（正距平5 a，负距平1 a），为多暴雨时期；1966—1972年为过渡期，距平值在0线值上下震荡（正距平4 a，负距平3 a），平均值为0.3 a；1973—1977年为少暴雨日时期，5 a均为负距平；1978—1985年距平以正值为主（正距平7 a，负距平1 a），为多暴雨日时期；1986—1994 年距平以负值为主（正距平2 a，负距平7 a），为少暴雨日时期；1995—2002年为过渡期，距平值在0线值上下震荡（正距平3 a，负距平4 a）；2003—2010年均是正距平，为多暴雨日时期；2011—2018年均为负距平，属少暴雨日时期（图3）.

图1 商丘市1960—2018年平均年暴雨日及大暴雨日年代变化Fig.1 The average annual change of rainstorm days and heavy rain days in Shangqiu from 1960 to 2018

图2 商丘市1960—2018年暴雨日、大暴雨日Fig.2 The change of rainstorm days and heavy rain days in Shangqiu from 1960 to 2018

图3 商丘市1960—2018年暴雨日数距平Fig.3 Rainstorm days distance between 1960 and 2018 in Shangqiu

1977年之前暴雨日变化周期为5～7 a，之后变化周期为7～9 a. 多暴雨年份为1963年、1982年、1985年、1999年、2000年、2003年、2004年、2010年，共8 a；少暴雨年份为1966年、1968年、1993年、1997年、2014年、2015年，共6 a.

1960—2018年商丘市大暴雨日数的年际变化较大，平均年大暴雨日数0.4 d，2000年大暴雨日数最多，为1.5 d；大暴雨≥1 d的年份有1963年、1965年、1976年、1999年、2000年、2004年，这6 a为多大暴雨日年份. 未出现大暴雨的年份有1966年、1968年、1983年、1988年、2001年、2006年、2014年、2015年，这8 a仅2 d出现特大暴雨天气，为1963年5月19日（民权降水量253.7 mm）和2018年8月18日（睢县、商丘、虞城、宁陵和夏邑降水量依次为302.5、363.6、288.9、332.1、355.2 mm）.

2.1.3 暴雨日的季节和月变化 1960—2018年商丘市暴雨日（日降水量50.0～99.9 mm）出现在春、夏、秋季，平均2.1 d/a；夏季最多，为1.6 d/a，占年暴雨总数的75.2%，春秋季差别不大，分别为0.2 d/a和0.3 d/a，分别占年暴雨总数的11.4%和13.4%. 大暴雨日出现在春、夏、秋季，平均0.4 d/a；夏季最多，为169站次，平均0.4 d/a，占年总数的84.9%；春季13站次、秋季17站次，分别占年暴雨总数的6.5%和8.5%（表1）.

表1 商丘市1960—2018年各月、季暴雨日和大暴雨日出现总站次及平均天数Tab.1 Total number of stations and average days on each month，seasonal rainstorm day and heavy rainy day in Shangqiu from 1960 to 2018

总的来看，暴雨日多发生在3—11 月，5—9 月的暴雨日占年暴雨日总数的92.7%，其中又以7 月为最多（0.8 d/a），占年总数的36.2%；7、8两月占全年暴雨总数的63.2%；1—2月和12月均未出现过暴雨. 大暴雨日发生在5—10月，以7月最多，平均0.2 d/a，占年大暴雨总数的44.7%；7、8两月占全年数的75.9%；其次是6月和9月；1—4月和11—12月没有出现过大暴雨日.

2.2 暴雨日的空间分布特征

图4 商丘市1960—2018年各站点总暴雨日和年平均暴雨日Fig.4 Total number of rainstorm days and annual average number of rainstorm days at each station in Shangqiu from 1960 to 2018

1960—2018 年商丘市平均暴雨日的空间分布为：暴雨日民权最少（97 d），永城最多（153 d）；平均暴雨日为1.6～2.6 d/a，民权和宁陵（1.6 d/a）最少，永城最多（2.6 d/a）（图4）. 总大暴雨日最少为宁陵（19 d），最多为夏邑（32 d）；年平均大暴雨日0.3～0.5 d/a，最少是在宁陵（0.3 d/a），最多在夏邑、永城和民权（0.5 d/a）（图5）. 暴雨总体呈由东南向西北逐渐减少，暴雨日东部减少幅度大，西部增加幅度较小（表2）. 年暴雨日东西部差异呈减小趋势.

图5 商丘市1960—2018年各站点大暴雨日数和年平均大暴雨日数Fig.5 Number of rainstorm days and average annual rainstorm days at each station in Shangqiu from 1960 to 2018

表2 商丘市1960—2018年各站点暴雨日和大暴雨日气候倾向率Tab.2 Climatic trend rates of days of heavy rain and days of heavy rain at stations in Shangqiu from 1960 to 2018

2.3 暴雨开始和结束时间变化

表3 商丘市1960—2018年暴雨开始和结束时间年代变化Tab.3 Changes in the beginning and the end of heavy rains in Shangqiu from 1960 to 2018

1960—2018年商丘市暴雨平均开始日期是5月21日，开始日期最早是3月3日（2007年的民权和虞城），最晚是7月17日（1997年的柘城、宁陵、夏邑和永城），二者相差136 d. 暴雨平均结束日期是9月10日，结束日期最早是7月24日（1988年的虞城、柘城、夏邑和永城），最晚是11月19日（1962年的睢县、商丘、虞城和夏邑），二者相差116 d（表3）. 暴雨开始日期以3.614 d/10 a的速率提前，结束日期以0.283 d/10 a的速率推迟.2010—2018年暴雨开始日期最早，平均日期为5月11日；20世纪70年代最晚，为5月30日. 20世纪90年代暴雨结束日期最早，平均日期为9月6日；80年代最晚，为9月15日.

2.4 暴雨的范围

1960—2018年商丘市单站暴雨日共出现268次，占总暴雨日的51.2%. 区域性暴雨255次，占总暴雨日的48.6%；2～3站的175次，占总暴雨日的29.6%，占区域性总暴雨日数的63.6%；8个站点全部出现的4次，仅占总暴雨日数2.1%，占区域性总暴雨日数的4%（表4）；区域性暴雨以2～3站的为主.

表4 商丘市1960—2018年年暴雨出现空间范围年代变化Tab.4 Chronological changes in the spatial extent of heavy rains in Shangqiu from 1960 to 2018 单位：次

暴雨年代分布上，2000—2009 年最多（115 次），2010—2018 年最少（60 次）. 单站暴雨2000—2009 年最多（59次），2010—2018年最少（28次）. 区域性暴雨2000—2009年最多（56次），2010—2018年最少（32次）；2～3站点的区域性暴雨20世纪60年代最多（31次），70年代最少（20次）；4～5站点的区域性暴雨2000—2009年最多（17次），2010—2018年最少（6次）；6～7站点的区域性暴雨20世纪80年代最多（8次），60年代最少（4次）；8个站点全部出现的区域性暴雨2000—2009年最多（3次），20世纪60、90年代最少（1次）. 单站连续暴雨过程20世纪90年代最多，出现8次（占总次数的32%），70年代最少，仅出现1次（占总次数的4%）；区域性连续暴雨过程2000—2009年最多，为6次（占总次数的31.6%）；2010—2018年次多，为4次；20世纪90年代最少，为1次（占总次数的5%）（表5）.

表5 商丘市1960—2018年年暴雨持续时间范围年代变化Tab.5 Chronological changes in the duration of heavy rain in Shangqiu from 1960 to 2018 单位：次

1960—2018年商丘市暴雨过程共475次，其中432次暴雨过程不超过1 d，占总过程的90.9%；单站连续暴雨过程25次，占总过程的5.1%；过程最长为3 d（出现2次，1994年8月12—13日睢县和1991年7月27—29日商丘）；区域性连续暴雨过程19次，占总过程的4.0%，过程最长4 d（2012年7月4—8日商丘站）.

单站连续暴雨过程以永城最多，有8次（占总次数的32%）；其次是睢县，有4次；商丘、虞城各3次；柘城、宁陵、夏邑各2次；民权没有出现.

2.5 暴雨的强度

1960—2018年商丘市年平均暴雨强度为78.5 mm/d，2018年年平均暴雨强度最大，为182.1 mm/d；1983年最小，为61.3 mm/d；二者相差120.8 mm. 一日最大降水量为363.6 mm，出现在2018年8月18日商丘站. 平均年暴雨强度气候变化倾向率为2.42 mm/10 a（图6），通过0.10水平的显著性检验（ ||r =0.241 6＞r0.10=0.230 6）.

图6 商丘市1960—2018年平均年暴雨强度变化Fig.6 Changes in the average annual rain intensity of Shangqiu from 1960 to 2018

1960—2018年，年平均暴雨日降水量距平变化可分为6个阶段：1960—1973、1980—1994、2001—2008年是以负距平为主的暴雨强度偏小时期；1974—1979、1995—2000 年是以正距平为主的暴雨强度偏大时期；2009—2018 年是震荡期. 平均年暴雨强度年代变化为：2010—2018 年平均年暴雨强度最大，为88.9 mm/d；20世纪90年代和70年代相差不大，分别是82.7 mm/d和81.3 mm/d；2000—2009年为75.7 mm/d，20世纪60年代为72.6 mm/d；80年代最少，为71.0 mm/d.

年代暴雨强度最大与最小相差17.9 mm/d，距均值相差为28%.

3 结论与讨论

1）1960—2018年商丘市暴雨以日降水量50.0～99.9 mm（占83.7%），单个站点的暴雨（占51.2%）为主，且90.9%暴雨过程不超过1 d，说明暴雨以短时、分区域为主. 夏季暴雨占年总数的75.2%；7月大暴雨最多，占年暴雨总数的44.7%，是防洪防汛的重点时段.

受东南季风影响，暴雨总体呈由东南向西北逐渐减少，位于市东南部的永城年平均暴雨日最多. 暴雨的分布与降水量的变化趋势基本一致［21］.

2）年平均暴雨日数1.6～2.6 d/a，呈7～9 a的变化周期. 通过分析发现：暴雨发生时间有延长趋势，开始日期提前3.614 d/10 a，结束日期推迟0.283 d/10 a；年平均暴雨强度以2.416 mm/10 a的速度增加. 建议相关部门在极端气候风险管理、农业生产、城市排水设计方面注意暴雨防控时间和强度.

3）1960—2018年商丘市日降水量≥250 mm特大暴雨日仅占0.4%，最大暴雨强度为182.1 mm/d（2018年），连续暴雨最长时间为4 d. 暴雨平均最早开始日期为3月3日，最晚结束日期为11月19日. 综合以上分析认为，无论降水量、降水强度、暴雨开始和结束日期，在时间和地域上都有发生极端情况的可能. 因此，在暴雨防范方面，需要及时关注气象部门的中长期预报和短时临近预报，科学防灾减灾，保障人民生命财产安全.