张洁祥,张雨凤,李琼芳,虞美秀,任锦亮,李鹏程,王凯燕

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098; 2.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098;3.河海大学国际河流研究所,江苏南京 210098; 4.盐城市水利勘测设计研究院,江苏盐城 224000)

1971—2010年上海市降水变化特征分析

张洁祥1,2,3,张雨凤1,2,3,李琼芳1,3,2,虞美秀1,2,3,任锦亮4,李鹏程1,2,3,王凯燕1,2,3

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098; 2.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098;3.河海大学国际河流研究所,江苏南京 210098; 4.盐城市水利勘测设计研究院,江苏盐城 224000)

基于1971—2010年上海市徐家汇站的日降雨资料,采用一元线性回归法、Mann-Kendall法和小波分析等方法,对上海市40年来的年代际降水、年降水、汛期与非汛期降水的变化和周期变化特征进行研究和分析,并对降水的频率特征和典型台风期间的暴雨特征进行了分析。结果表明：上海市年代际降水、年降水、汛期与非汛期降水均呈增加趋势；年降水和汛期降水的震荡周期吻合,主周期均为8 a左右,汛期降水与年降水的变化趋势相似性很大,说明汛期降水量较大程度地决定年降水量；非汛期降水主周期为4 a左右；小雨所占比例随年代逐渐减少,而暴雨所占比例随年代逐渐增多,台风期间的暴雨雨量高度集中,强度大。

降水变化；频率特征；暴雨特征；一元线性回归法；Mann-Kendall检验法；小波分析；上海市

近一个世纪以来,中国年平均地表气温明显增加,升温幅度约为0.5～0.8℃,略高于全球气温的平均升幅[1]。在全球增暖背景下,许多学者对中国不同地区的降水变化特征进行了分析[2-7]。上海是我国最大的城市和经济中心,位于长江入海口南岸,属副热带季风气候。由于处于天气系统过渡带、中纬度过渡带和海陆相过渡带,受冷暖气流的交替作用十分明显,上海天气情况比较复杂,灾害性天气时有发生,每年汛期几乎都会受到热带气旋、暴雨的袭击,而且台风、暴雨、天文高潮等“三碰头”、“两碰头”现象时有发生,如,2005年第9号台风“麦莎”影响上海市期间,同时遭遇汛期第5次天文高潮,出现了台风、暴雨、高潮“三碰头”的局面,造成水位猛涨,市区大面积积水,内涝严重,带来了巨大损失[8]。笔者基于上海市徐家汇站1971—2010年的日降水量数据,对上海市40年来的年代际降水、年降水、汛期(5—10月)与非汛期(11—次年4月)降水的变化和周期变化特征进行研究,并对降水的频率特征和典型台风期间的暴雨特征进行分析,以揭示上海市降水的变化特点。

1 资料和方法

选取上海市徐家汇雨量站(31.2°N,121.4°E) 1971—2010年逐日降水量数据,分析上海市40年间降水的变化特征。文中的雨日指1 d内只要有降水(降水量大于等于0.1 mm,包括“微量”),当日即被计算为雨日。对于降水强度,按照我国常用的分级标准[9],分别定义24 h降水量小于10 mm为小雨、10～25 mm为中雨、25～50 mm为大雨、50～100 mm为暴雨,100～200 mm为大暴雨、大于200 mm为特大暴雨。对于降水频率,本文计算的是日降水频率,采用水文学方法计算。研究主要采用线性倾向估计法[10]、Mann-Kendall趋势分析法[11]和小波分析法[12]。

2 结果分析

2.1 年降水量特征分析

图1为上海市1971—2010年年降水量变化图。由图1可看出：上海市年降水量总体上呈明显上升趋势,线性倾向估计增幅每10年73.8 mm,M-K统计量为1.99,通过置信水平为95%的显著性检验,上升趋势显著。由年代际均值可以看出：20世纪80年代年降水量比20世纪70年代显著增加,90年代也有增加但没有80年代明显,2000年代增加且高于任何一个年代。上海市年降水量总体上呈显著上升趋势。

图1 1971—2010年上海市年降水量变化情况

上海市多年平均降水量为1 222.8 mm,其中1999年为罕见的暴雨年,降水量为1 793.7 mm,降水主要集中在当年的6月,该月降水量达725.5 mm。最旱年份发生在1978年,降水量为771.1 mm,最小年降水量是多年平均降水量的63%,年际间变化剧烈。降水有明显的季节性差异,夏季降水量占降水总量的42.9%,其他季节降水量仅占降水总量的57.1%。

图2为上海市年降水量小波周期分析实部图和方差图。图中信号的强弱通过小波系数的大小表示,等值线为正的用实线表示,代表降水量偏多;等值线为负的用虚线表示,代表降水量偏少。由图2 (a)可见,上海市年降水量主要存在2个时间尺度的波动变化,在8～9a时间尺度上,周期震荡非常明显,而且直到2010年等值线未闭合,说明未来一段时间内年降水将继续偏多。此外还存在时间尺度为2～3a左右的小尺度波动变化。图2(b)中年降水量小波方差图有3个峰值,分别对应时间尺度8 a、9 a和3 a。鉴于8 a和9a两个峰值比较相似,说明主振荡周期约在8～9 a。

2.2 汛期和非汛期降水的变化特征

2.2.1 汛期降水的变化特征

上海市全年降水在年内分配上汛期、枯期差异显著,根据1971—2010年降水资料统计,汛期多年平均降水日数为69d,占全年降水日数的53.5%,降水量约为822.4 mm,占全年降水量的67.3%,而枯期降水量只占32.7%。上海市的汛期也是大雨和暴雨的多发时段,全年几乎所有的大雨和暴雨都集中在汛期。统计上海市徐家汇雨量站1971—2010年日降水量数据可知,1971—2010年,上海市共发生18次大暴雨和1次特大暴雨,几乎全部出现汛期,因此汛期的安全保障工作是全年防汛的重中之重。图3为上海市1971—2010年汛期降水量变化图。从其中的年代际均值可以看出,20世纪80年代汛期降水量比70年代显著增加,90年代稍有增加但没有80年代明显,2000年代比90年代略有下降,但是仍高于70年代和80年代。可见,汛期降水量总体上呈微弱上升趋势。上海市汛期降水总体上呈上升趋势,线性倾向估计增幅为每10 a 40.9 mm, M-K统计量为1.13,未通过显著性检验,上升趋势不显著。

图2 上海市年降水量小波变换及方差

图3 1971—2010年上海市汛期降水量变化

图4 是1971—2010年上海市汛期降水日数的变化图。由图3和图4可知：汛期降水总量和降水总日数呈现出相反的变化,降水总量处于增加趋势,而降水日数则表现为减少趋势。表明随着时间的增加,更多的降水集中于较少的雨日上,即汛期降水更为集中。故近年来,上海市除增暖的气候变化特征[13]外,还表现为汛期降水更为集中,降水强度增强的特征。

图4 1971—2010年上海市汛期降水日数变化

图5 为上海市汛期降水量小波周期分析实部图和方差图。通过图5可以看到汛期降水量序列主要存在两个时间尺度的波动变化,主周期为8 a左右,此外还存在时间尺度为3 a左右的小尺度波动变化。

图5 上海市汛期降水量小波变换及方差

为分析年降水变化与汛期降水变化的关系,分别比较汛期降水量小波方差图与年降水量小波方差图,以寻找规律性。可知,年降水震荡周期与汛期降水震荡周期完全吻合,汛期降水与年降水的变化趋势相似性很大。汛期平均降雨量822 mm,多年平均降雨量1222mm,故汛期降雨量占年降雨量的68%。从而表明汛期降水的变化很大程度上决定年降水变化,年降水周期与汛期降水周期间具有相关性。

2.2.2 非汛期降水的变化特征

图6为1971—2010年上海市非汛期降水量变化图。由非汛期的降水年代际均值可以看出：20世纪80年代非汛期降水量比70年代略有下降,90年代明显增加且高出80年代许多,2000年代明显增加且远远高于任何一个年代。所以非汛期降水总体上呈显著上升趋势。由图6可看出,上海市非汛期降水总体上呈明显上升趋势,非汛期降水线性倾向估计增幅为每10 a 31.4 mm,M-K统计量为2.00,通过置信度为95%的显著性检验,上升趋势显著。

图6 1971—2010年上海市非汛期降水量变化

图7 上海市非汛期降水量小波变化及方差

图7 为上海市非汛期降水量小波周期分析实部图和方差图。通过图7可以看到非汛期降水量序列主要存在两个时间尺度的波动变化,主周期为4 a左右,此外还存在时间尺度为11a左右的波动变化。

2.3 频率分析

图8为1971—2010年上海市逐日降水量频率曲线图。由图8可知：1971—2010年间,上海市65%为无雨天气,35%为有雨天气。降雨量小于10 mm的天气占25%。中雨及以上降雨等级所占比例为10%。其中中雨为7%,大雨为3%,暴雨为1%。由图9可知,从20世纪70年代到2000年代,降雨类型基本上以小雨为主,中雨次之,暴雨发生频率最少。在2000年代,大雨类型降雨比以往明显增加。从表1可以看出：20世纪70年代到2000年代,小雨类型降雨所占比例随年代逐渐减少,中雨和大雨类型降雨所占比例随年代是波动变化的趋势,而1980年代、1990年代和2000年代暴雨频率均比1970年代增加。暴雨类型降雨频率的增加,为以后上海市的防汛提供了压力。

图8 1971—2010年上海市逐日降水量频率曲线

图9 1971—2010年上海市日降水量频率

表1 上海市降雨类型年代际频率变化%

2.4 典型台风期间暴雨特征分析

上海市是我国受台风影响严重的城市之一,平均每年有2～3次台风影响,台风往往伴随暴雨。而由典型台风造成的暴雨,一般雨量较大,降水集中,对上海造成严重的洪灾。分析典型台风期间的暴雨特征,可以为上海市局部暴雨的防洪减灾工作提供决策依据。本研究分别选择上海市历史上规模大、破坏力强的8506号、9015号、9116号、9711号、0108号以及0509号等典型台风,对其期间的暴雨特征进行统计分析(表2)。由典型台风的起止时间可以知道,台风历时除了0108号其他基本上均在1周左右。每场台风的最大1 d降水量均达到暴雨级别。最大1 d降水量最大的0108号台风,竟达到278.0mm,为特大暴雨级别,即为上海市历史上著名的“8.5”特大暴雨,2001年8月5日下午起至8月6日上午,上海市电闪雷鸣、暴雨如注,数万户居民进水[14]。除了9711号台风最大3 d降水量所占比例没有达到100%外,其他场次台风降水均在3 d内结束。说明台风期间降水十分集中,易形成局部洪涝灾害。

分别绘制每场台风的降水强度历时曲线(图10)并分析台风期间暴雨特性的变化。由图10可以看到,降雨强度最大的是0108号台风,0509号台风次之,降雨强度最小的是9711号台风。每场台风降水强度基本上均在3 d之内就从最大值减少至最小值,3 d之后减小速度变化很缓慢。说明台风期间暴雨的雨量高度集中、强度大。这进一步说明了台风期间降水的危害性。

表2 典型台风期间暴雨特征统计

图10 上海市典型台风期间降雨强度历时曲线

3 结 论

a.在1971—2010年间,上海市年降水量呈增加趋势。降水季节性差异显著,主要集中在夏季。上海市年降水主振荡周期约在8～9 a之间,且未来一段时间内年降水将处于偏多时期。

b.上海市汛期和非汛期降水均呈增加趋势。汛期的降水日数和降水量都远高于其他月份,降水日数占全年降水日数的53.5%,降水量占全年降水量的67.3%。汛期降水主周期为8 a左右。汛期降水和年降水变化趋势具有较大相似性,不同时间尺度的周期特征之间有不同程度的吻合,说明汛期降水量较大程度地决定了年降水量。并且历史上上海市大部分极端强降水天气都集中在汛期。非汛期降水主周期为4 a左右。

c.在1971—2010年间,上海市大部分降雨天气为小雨天气,暴雨发生的频率小。但是小雨频率随年代际基本上逐渐减少,而暴雨频率则随年代际呈上升趋势,说明在未来一段时间内,上海市的降水强度会呈现增强趋势。典型台风期间的暴雨雨量高度集中,强度大。

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Analysis of precipitation variation characteristics in Shanghai City over period from 1971 to 2010 ZHANG Jiexiang1,2,3,ZHANG Yufeng1,2,3,LI Qiongfang1,3,2,YU Meixiu1,2,3,REN Jinliang4, LI Pengcheng1,2,3,WANG Kaiyan1,2,3

(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing 210098,China 2.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China; 3.Institute of International Rivers Research Academy,Hohai University,Nanjing 210098,China; 4.Yancheng Survey and Design Institute of Water Resources,Yancheng 224000,China)

Based on daily precipitation data at Xujiahui Station during the period from 1971 to 2010,the characteristics of precipitation in Shanghai City over the past 40 years were analyzed using methods including the linear regression analysis method,Mann-Kendall testing,and wavelet analysis.The variations of inter-decadal precipitation,annual precipitation,and precipitation in flood and non-flood seasons were studied,and the characteristics of precipitation frequency and rainstorms during typical typhoons were analyzed.The results show that the inter-decadal precipitation,annual precipitation,and precipitation in flood and non-flood seasons all have an increasing trend.There is a principal periodic oscillation of eight years for the annual precipitation and flood season precipitation.The variation trend of the flood season precipitation is similar to that of the annual precipitation,indicating that the flood season precipitation dominates the annual precipitation to a great extent.The non-flood season precipitation has a principal period of four years.The percentage of light precipitation gradually decreases over decades,while that of rainstorms gradually increases over decades.During the typhoons,the rainstorm was highly concentrated,with greater intensity.

precipitation variation;Mann-Kendall test;wavelet analysis;frequency analysis;typhoon rainstorm; Shanghai City

20131216 编辑：彭桃英)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.010

国家自然科学基金(41171220);国家科技支撑计划课题(2012BAB03B03);水利部公益行业科研专项(201001069,201101052)

张洁祥(1991—),女,硕士研究生,研究方向为水文水资源。E-mail：xiang20080520127@163.com

李琼芳,教授。E-mail：qfli@hhu.edu.cn

P457.6

A

10046933(2014)04004706