1973—2021年南京地区不同等级降水时空变化特征

湛忠宇 严 锋 姜红梅

(江苏省水文水资源勘测局南京分局,江苏 南京 211500)

由于全球气候变化和人类活动的双重因素影响,导致水循环系统产生一定的变化,大气降水作为水循环过程的主要驱动因素,深入了解其结构变化特征对于探索区域水循环的变异规律有着重要意义。诸多学者围绕不同降水历时的降水变化规律进行了有益探索,而不同等级降水因其划分方便使用有效,近年来受到广泛关注[1-2]。已有学者对北京地区[3]、太湖流域[4]、海河流域[5]、赣江流域[6]等区域不同等级降水的变化进行了研究。结果表明:不同等级降水的降水量、降水天数、降水强度在时空分布上存在着明显差异。

南京市地处长江下游,属亚热带季风气候,降水的变化是造成灾害性天气频发的重要因素。因此,分析南京地区降水变化规律对于防御旱涝风险有着重要意义。已有涉及南京地区降水变化的文献较多,大致分为:ⓐ针对降水的基础性研究,主要是通过数理统计分析年尺度降水特征,研究表明南京地区年降水量存在增加趋势,周期变化明显[7-8];ⓑ从对暴雨的研究结果来看,主要表现为不同历时年最大降水量总体呈现增大趋势,短历时、高强度的暴雨频次呈现增加趋势,主城区变化趋势显著[9];ⓒ试图通过数理统计方法或模型,分析某一特定时期降水或异常降水事件的影响因素[10]。

综上所述,虽然已有的研究中关于南京地区降水变化探讨较多,但系统、全面阐述该区域不同等级降水的文献仍较少见。鉴于此,本文利用南京地区7个雨量站点1973—2021年逐日降水数据,分析了南京地区不同等级降水量、降水天数及降水强度的时空变化特征,以期为提高城市适应气候变化能力提供科学依据。

1 数据来源及研究方法

考虑到行政区不同,本研究选用南京站、东山站、晓桥站、江宁镇站、六合站、天生桥闸站和高淳站共7个雨量站1973—2021年日降水数据。根据采用的降水数据特点,定义8∶00至次日8∶00降水量不低于0.1mm为1个降水日。参考国家标准《降水量等级》(GB/T 28592—2012),将日降水量划分为小雨(0.1～9.9mm)、中雨(10.0～24.9mm)、大雨(25.0～49.9mm)和暴雨(≥50.0mm)共4个等级。定义南京地区降水量、降水天数及降水强度分别为7个雨量站测定的降水量、降水天数及计算降水强度平均值。

采用气候倾向率法分析降水量、降水天数、降水强度等降水指标趋势,运用Mann-Kendall法检验趋势变化显著性和不同等级降水指标的突变情况,选定显著性水平α=0.05,其对应临界值为1.96。此外,利用反距离权重插值法对降水数据进行空间插值,并根据插值结果分析南京地区降水的空间特征。

2 结果与分析

2.1 时间变化分析

2.1.1 不同等级降水年际变化

利用南京地区7个雨量站降水数据,计算研究区年降水量、降水天数和降水强度距平百分率,绘制出年降水量、降水天数、降水强度距平百分率年际变化曲线。

由图1(a)～(e)可以看出,年降水量距平百分率倾向率为0.04%/10a,表明南京地区年降水量呈不显著上升趋势,结论与尹娅婷[7]、王晓莹等[8]的研究结果一致,除小雨降水量以外,其余各等级降水量均呈增加趋势,暴雨量变化趋势显著;由图1(f)～(j)可以看出,年降水天数距平百分率降幅为-0.009%/10a,趋势不显著,不同等级降水天数与其对应的降水量趋势一致,小雨天数以0.027%/10a速度下降,趋势显著;由图1(k)～(o)可以看出,受年降水量增加和年降水天数减少影响,南京地区年降水强度距平百分率增幅为0.05%/10a,上升趋势显著,受小雨降水天数减少影响,小雨强度上升趋势显著。

图1 不同等级年降水量、降水天数、降水强度距平百分率年际变化

2.1.2 不同等级降水突变分析

使用Mann-Kendall突变检验进行突变分析,监测突变点,表1和图2列出了不同等级降水指标M-K检验成果。暴雨量UF和UB在2010年相交,且交点在置信区间内,是突变点,突变前后的多年平均年暴雨量分别为239.4mm、344.1mm。中雨天数UF和UB在2020年有交点,在置信区间内,是突变点。年降水强度UF和UB在2013年相交,且交点在置信区间内,是突变点,突变前后的多年平均降雨强度分别为9.5mm/d、10.9mm/d,突变明显。年降水量、中雨量、暴雨强度、小雨强度、暴雨天数在2013年以后反复出现上升与下降的转折变化,波动性强。从图2可以看出,年降水量年际变化与年降水强度关系比与降水天数的关系更为密切,而中雨及以上等级降水量年际变化与降雨天数关系比与降雨强度的关系更为密切。

图2 不同等级降水量、降水天数和降水强度突变检验

受气候变化和人类活动影响,近10年南京地区降水量和降水强度明显增加,尤其是短历时强降水频发,更易引发流域及区域洪水,2015年、2016年秦淮河流域先后发生超历史洪水,2020年滁河流域多个水文站点水位为有观测记录以来历史极值,晓桥水文站实测流量排名第一。

2.2 空间变化分析

2.2.1 不同等级降水均值空间分布

采用反距离权重插值法对7个雨量站点的降水量、降水强度、降水天数进行插值,得到各指标的空间分布情况。

从图3(a)～(e)所示的各级别降水量可见,南京市年平均降水量大致呈“南多北少”的带状分布,年降水量为1045.5～1238.8mm。小雨与中雨降水量空间分布相似,降水高值出现在南部高淳站、天生桥闸站,六合站、晓桥站较少,大雨降水量分布呈现“南部>北部>中部”的特点,暴雨降水量空间分布最为特殊,呈现“东多西少,临水区大,远水区小”的特点,城区南京站年平均暴雨量最大,可达288mm以上,这可能与城市雨岛效应有关,与杜尧等[9]研究结论基本一致。

从图3(f)～(j)所示的各级别降水天数可见,年降水天数空间分布与年降水量相似,各站年降水天数为104.9～124.8d。小雨天数、中雨天数和大雨天数分布与其相应等级降水量分布基本一致,暴雨天数空间总体相差不大,为3.1～3.4d。

从图3(k)～(o)所示的各级别降水强度可以看出,年降水强度分布与年降水量、降水天数明显不同,高值位于南京站和六合站,晓桥站最小。江宁镇小雨强度最大,晓桥站小雨强度最小;中雨强度空间差异较小,强度为15.51～15.80mm/a;大雨强度呈现南北高中间低、北部高于南部的空间格局;暴雨强度则与暴雨量分布空间规律一致。

2.2.2 不同等级降水年际变化空间分布

图4显示了1973—2021年南京市不同等级降水量变化趋势的空间分布情况。整个区域年降水量呈上升趋势,变化格局为中间增幅大两侧增幅小,北侧大于南侧,天生桥闸增加趋势达到0.05显著性水平,变幅为78.92mm/10a。小雨量变化从东向西表现为“下降+上升+下降”相间分布,以南京市、江宁镇为中心呈增加趋势,变幅为1.66～3.30mm/10a;整个区域中雨量呈现不同程度的增加趋势,变化速率表现为中间低两侧高的空间格局,高值区位于天生桥闸,增加趋势达到0.05显著性水平,江宁镇为低值区,变幅在1.50mm/10a;大雨量从南到北呈现“上升+下降+上升+下降”的分布格局,六合、江宁镇呈下降趋势,变幅为-1.69～4.74mm/10a;暴雨量变化呈现不同程度的上升趋势,变化速率空间格局与年降水量相似,高值区位于天生桥闸,变幅为47.30mm/10a,江宁镇增加趋势也达到了0.05显著性水平,高淳增幅较小,变化速率为10.10mm/10a。

图4 不同等级降水量、天数、强度变化趋势空间分布

年降水天数变化自西向东表现为“下降+上升+下降”相间分布,其中江宁镇呈现不显著的增加趋势,变幅为1.96d/10a;天生桥闸降幅最小,为-0.04d/10a;高淳站减少趋势达到0.05显著性水平。小雨天数变化速率空间格局与年降水天数相似,除江宁镇外,其他站点的减少趋势都达到了0.05显著性水平。中雨天数变化趋势空间格局与其对应的降水量变化相一致,天生桥闸增加趋势显著。区域各站点大雨天数呈不显著增加趋势,其变化格局为东北、西南两侧增幅较大,中间相对较小。区域暴雨天数变化趋势空间格局与其对应的降水量变化相一致,江宁镇、天生桥闸增加趋势达到了0.05显著性水平。

除江宁镇外,其他站点年降水强度显著增强,高值区分别位于东部天生桥闸、西部晓桥,江宁镇变幅较小,在0.164mm/(d·10a)。小雨强度存在空间差异,江宁镇呈下降趋势,除天生桥闸以外站点显著增加;中雨强度变化从南到北表现为“下降+上升+下降+上升”相间分布;大雨强度从南到北大致表现为“上升+下降+上升”分布,江宁镇显著下降,高淳显著上升;暴雨强度除高淳外,整体呈上升趋势,其中六合、天生桥闸上升显著,高值区位于南京站,增幅为5.158mm/(d·10a)。

2.3 不同等级降水贡献率及发生率

对南京地区近49年平均降水量、平均降水天数、平均降水强度进行了统计。结果表明,南京地区年平均降水量为1120.0mm,平均降水天数为113.4d,平均降水强度为9.88mm/d。图5为各站1973—2021年不同等级降水贡献率与发生率,总体来看,不同等级降水贡献率在各站数值较接近,中雨对多年平均降水量的贡献率最多,其次是大雨、暴雨、小雨。各等级降水发生率在各站比较接近,不同等级降雨天数差异明显,各等级降水发生率随降水等级增加大致呈指数形式递减。

由表2可以看出,49年来,南京地区年总降水量的变化受暴雨的影响较大,年总降水天数与不同等级降水天数的相关系数大小为:小雨>中雨>大雨>暴雨,说明小雨天数对年总降水天数的变化起主导作用;就年降水强度而言,其与中雨、大雨、暴雨的降水量、降水天数都呈现极显著正相关,而中雨以上等级降水天数占比较小(图5),对年降水天数影响有限。基于中雨以上等级降水量与降水天数呈显著正相关关系,降水天数主要通过对应等级的降水量变化影响年降水强度。因此,南京地区近49年年降水强度的增强受暴雨量增加的影响较大。

表2 不同等级降水与年降水相关系数

3 结 语

1973—2021年,南京地区年降水量呈增加趋势,小雨及以上等级降水量增加,年降水天数减少主要表现为小雨降水天数减少;暴雨量在2010年发生突变,年降水强度突变发生在2013年;空间分布上,降水量及降水天数整体呈南多北少分布,暴雨量及强度高值区主要分布在中部,天生桥闸暴雨量、降水天数、降水强度增加显著。

本文基于数理统计方法对南京地区不同等级降水时空差异进行了探讨,丰富了南京地区旱涝分析基础研究,但是,不同等级降水的气候变化过程机理和原因比较复杂,且具有很强的区域性,尚有待于在今后的工作中进一步探讨和研究。