蒋元华，曾向红，段丽洁，汤亦豪，吴 浩

(湖南省气候中心，湖南 长沙 410118)

引 言

受全球气候变暖和人类活动日益加剧的影响，大气环流和水汽循环都发生了显著变化[1-3]。降水是响应气候变化最敏感的因子之一，深入了解其结构变化特征有助于探索区域水循环规律。湖南省位于长江中下游地区，东北为地势开阔平坦的洞庭湖区，中部有衡邵盆地，其他三面为山地，地形复杂，地表热力差异明显。湖南省受季风影响显著，降水时空分布不均，省内不同区域的降水结构可能存在显著差异，深入研究湖南省降水结构的演变特征对于防汛抗旱具有重要意义[4]。

降水结构主要包括降水量等级和降水历时。关于降水量等级方面的研究主要集中在其时空演变特征上。在全球气候变化背景下，大部分地区极端降水量呈增加趋势，且具有明显的区域特征。如欧洲雨季和冬季的极端降水量呈增加趋势[5-6]，美国极端降水量也呈增多趋势[7]。多种气候模式结果均显示随着气候变暖，全球极端降水量呈增多趋势[8-10]。中国降水量等级也发生了显著变化[11-13]，如华南夏季弱降水日数减少而强降水日数呈增加趋势[14-15]，且有向极端强降水偏移的演变趋势[16]。降水历时作为降水结构的另一重要特征量，由于受降水资料限制，对于其分析多是基于日降水资料进行，如基于日降水资料研究发现，长江上游和淮河流域短历时降水事件增多，其降水量所占比例较大[17-18]。而北江流域中短历时降水事件发生频率呈下降趋势，降水量贡献率呈上升趋势，长历时降水发生频率、降水量贡献率均呈显著下降趋势[15]。然而，由于降水分布具有高度的时空不均匀性[19-21]，基于日值和小时降水资料分析的结果可能会存在差异。如基于小时降水资料发现长江中下游地区降水量主要是短历时中等或较弱降水的贡献[22]，这与基于日降水资料的研究成果明显不同[23-24]。利用高分辨率的降水数据能更为细致地研究区域性降水结构的演变特征[25-26]。如基于小时降水数据研究发现南北区域性降水结构有明显差异，北京地区1～3 h超短历时降水发生频率呈下降趋势，降水量贡献率呈增加趋势，而其他历时降水发生频率则呈增加趋势[27]；渭河流域短历时和长历时降水发生频率和降水量贡献率均表现为减小趋势，中长历时降水发生频率和降水量贡献率则呈增加趋势[28]；广西大部分地区短历时降水发生频率和降水量贡献率均呈下降趋势，长历时降水事件的发生频率和降水量贡献率均呈上升趋势[29]。由于我国地形复杂，热量分布存在显著的区域差异，不同区域降水影响机制也不相同[30-32]。

湖南是暴雨洪涝频发地区，极端降水近年呈明显增强趋势[33-34]。本文分别研究不同降水历时、不同降水量等级的降水事件发生频率和降水量贡献率的时空演变特征，以期为生产建设及洪涝灾害防御等提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 资 料

所用数据为1980—2018年湖南省96个地面气象观测站(图1)汛期逐小时降水资料，所有台站数据均经过严格质量控制，由国家气象信息中心提供。为确保资料完整性，统计的各站点数据逐年缺测率均小于5%。湖南汛期为4—9月，汛期平均降水量为930.9 mm，约占全年总降水量的70%，汛期是强降水事件的主要发生时段，因此本文将4—9月作为研究时段。

图1 湖南省雨量站与地形(阴影，单位：m)分布

文中附图所涉及地图基于湖南省标准地图服务网站下载的审图号为湘S(2017)170号的标准地图制作，底图无修改。

1.2 方 法

降水历时和降水量级是降水结构最为重要的特征参量。气象上以0.1 mm作为有效降水阈值，以连续2 h无有效降水作为划分降水事件的标准，每一个降水事件的总降水量定义为过程内逐小时雨量之和，降水时段内的有效降水时数作为降水历时。

将降水历时划分为4类： 1～3 h，4～6 h，7～12 h和12 h以上，其中1～6 h为短历时降水，超过6 h为长历时降水。参考降水量等级标准[35]划分不同历时降水事件降水量等级(表1)。

表1 不同历时降水事件降雨量等级划分标准

以降水发生频率和降水量贡献率作为分析湖南省降水结构时空分布特征的两个指标，其中降水发生频率为不同历时/不同降水量级降水事件发生次数占总降水次数的百分率；降水量贡献率为不同历时/不同降水量级降水事件的降水量占总降水量的百分率。

统计1980—2018年湖南省汛期96个地面气象观测站逐小时降水资料，发现共发生413 546次降水事件，其中1～3 h、4～6 h、7～12 h、12 h以上降水事件分别246 365、76 564、57 682和32 935次；降水量等级为小雨、中雨、大雨和暴雨的降水事件分别40 304、13 894、6881和4456次。

2 不同历时降水事件发生频率和降水量贡献率

2.1 统计特征

图2为1980—2018年湖南省汛期不同历时降水事件发生频率和降水量贡献率分布。可以看出，湖南省降水事件发生频率随着降水历时的增长呈幂函数规律递减，且通过α=0.05的显著性检验。短历时降水事件发生频率较高，约占77.8%，其中1～3 h和4～6 h降水事件发生频率分别为59.3%和18.5%；长历时降水事件发生频率较低(22.2%)，其中7～12 h和12 h以上降水事件发生频率分别为14.1%和8.1%。而降水量贡献率随降水历时的增长呈显著线性增加趋势且通过α=0.05的显著性检验。长历时降水事件降水量贡献率为66.0%，其中7～12 h和12 h以上历时降水量贡献率分别为28.3%和37.7%；短历时降水量贡献率较低(34.0%)，其中1～3 h和4～6 h降水量贡献率分别为15.6%和18.4%。

图2 1980—2018年湖南省汛期不同历时降水事件发生频率和降水量贡献率分布

湖南省汛期短历时降水事件发生频率高、降水量贡献率低；长历时降水事件发生频率低但降水量贡献率高，其中12 h以上历时的降水事件是汛期强降水的主体，容易导致区域性洪涝。

2.2 空间分布

图3为1980—2018年湖南省汛期不同历时降水事件发生频率和降水量贡献率的空间分布。可以看出，1～3 h的短历时降水事件发生频率最高，呈南高北低的空间分布，最高值(65.4%)出现在永州市新田县，最低值(52.6%)出现在益阳市[图3(a)]；降水量贡献率也基本呈现南高北低的空间分布，但降水量贡献率整体较低，最高值(23.0%)出现在株洲市炎陵县，最低值(10.0%)出现在常德市临澧县[图3(b)]。4～6 h短历时降水事件的发生频率没有明显的空间差异[图3(c)]，与1～3 h短历时降水事件发生频率在空间分布上呈负相关，相关系数为-0.383，4～6 h短历时降水事件发生频率较高值往往分布在1～3 h降水事件发生频率较低值附近。最高值(19.9%)出现在益阳市，最低值(16.7%)出现在永州市新田县；4～6 h短历时降水量贡献率呈南高北低的空间分布[图3(d)]，最高值(24.1%)出现在郴州市汝城县，最低值(13.6%)出现在常德市澧县。7～12 h长历时降水事件发生频率呈北高南低分布，高值区主要位于湘西北和湘北一带，最高值(16.6%)出现在常德市，最低值(10.6%)出现在郴州市汝城县[图3(e)]；7～12 h长历时降水事件降水量贡献率呈西高东低的空间分布，高值区主要位于湘西北和湘西南地区，虽然发生频率较低，但降水量贡献率较高，最高值(33.4%)出现在湘西自治州泸溪县，最低值(22.3%)出现在郴州市汝城县[图3(f)]。12 h以上长历时降水事件发生频率呈北高南低的空间分布，高值区主要位于洞庭湖流域，最高值(11.8%)出现在益阳市桃江县，最低值(5.6%)出现在永州市江永县[图3(g)]；12 h以上长历时降水事件降水量贡献率呈北高南低的空间分布，高值区主要位于湘西北和湘北地区，虽然发生频率最低，但是降水量贡献率最高，最高值(49.8%)出现在常德市澧县，最低值(28.8%)出现在怀化市新晃县[图3(h)]。

图3 1980—2018年湖南省汛期1～3 h(a、b)、4～6 h(c、d)、7～12 h(e、f)和12 h以上(g、h)降水事件发生频率(a、c、e、g)和降水量贡献率(b、d、f、h)空间分布(单位：%)

综上所述，不同历时降水事件发生频率和降水量贡献率具有明显的空间分布差异，短历时降水事件发生频率和降水量贡献率湘南高于湘北，而长历时降水事件发生频率和降水量贡献率则与短历时呈相反空间分布，湘北高于湘南。

2.3 年际变化

利用线性回归方法分析不同历时降水事件发生频率和降水量贡献率的演变趋势，1～3 h、4～6 h、7～12 h和12 h以上历时的降水事件发生频率和降水量贡献率均未发生显著变化(图略)。进一步分析短历时和长历时降水事件发生频率和降水量贡献率的演变(图4)，发现降水事件发生频率和降水量贡献率也未发生显著变化，但2009—2018年短历时降水事件发生频率和降水量贡献率都呈增加趋势，而长历时降水事件两者则呈下降趋势，且均通过α=0.05的显著性检验。

图4 1980—2018年湖南省1～6 h(a)和6 h以上(b)历时的降水事件发生频率和降水量贡献率年际变化及其线性趋势

3 不同等级降水事件发生频率和降水量贡献率

3.1 统计特征

图5为1980—2018年湖南省汛期不同等级降水事件发生频率和降水量贡献率分布。可以看出，湖南省降水事件发生频率随降水量等级的增大呈幂函数规律减小，且通过α=0.05的显著性检验。其中小雨降水事件发生频率最高(61.5%)；中雨降水事件发生频率较高(21.2%)；大雨降水事件发生频率较低(10.5%)；暴雨降水事件发生频率最低(6.8%)。降水量贡献率则随降水量等级的增加呈线性增加趋势，且通过了α=0.05的显著性检验，其中小雨降水事件贡献率最低(7.2%)；中雨降水事件贡献率较低(21.3%)；大雨降水事件贡献率较高(28.5%)；暴雨降水事件降水量贡献率最高(43.0%)。统计结果表明，湖南省汛期降水事件以小到中雨降水事件为主，但其降水量贡献率较低。大到暴雨降水事件虽然发生频率较低，但却是降水量的贡献主体，其中暴雨降水事件为降水量主要贡献者。

图5 1980—2018年湖南省汛期不同等级降水事件发生频率和降水量贡献率分布

3.2 空间分布

图6为1980—2018年湖南省汛期不同等级降水事件发生频率和降水量贡献率空间分布。可以看出，全省降水事件以小雨降水事件发生频率最高，所有站点其发生频率均超过50%， 呈南高北低的空间分布，最高值(65.5%)出现在邵阳市新宁县，最低值(57.2%)出现在岳阳市平江县[图6(a)]；小雨降水事件降水量贡献率较低，呈南高北低分布，但南北总体差异不大，最高值(9.3%)出现在邵阳市新宁县，最低值(5.6%)出现在益阳市安化县[图6(b)]。中雨降水事件发生频率空间分布不均，高值区处于小雨降水事件发生频率的低值区附近，低值区也对应小雨降水事件发生频率的高值区，两者空间相关系数为-0.644，中雨降水事件发生频率最高值(23.5%)出现在衡阳市祁东县，最低值(19.0%)出现在怀化市怀化县[图6(c)]；中雨降水事件降水量贡献率较低，呈南高北低的空间分布，湘西南贡献率较高，最高值(26.6%)出现在邵阳市城步县，最低值(16.1%)出现在岳阳市临湘县[图6(d)]。大雨降水事件发生频率空间分布不均，但全省差异不大，最高值(12.0%)出现在益阳市南县，最低值(9.0%)出现在怀化市靖州县[图6(e)]；大雨降水事件降水量贡献率较高，湘西南和湘南较高，湘西北较低，最高值(32.8%)出现在邵阳市邵阳县，最低值(23.8%)出现在怀化市辰溪县[图6(f)]。暴雨降水事件发生频率呈北高南低的空间分布，湘西北和湘北一带是高发区，湘西南和湘南一带其发生频率较低，最高值(9.4%)出现在岳阳市临湘县，最低值(4.7%)出现在邵阳市城步县[图6(g)]；暴雨降水事件降水量贡献率分布与发生频率分布基本相似，湘中以北降水量贡献率较高，湘西南及湘南贡献率较低，且与大雨降水事件降水量贡献率呈负相关，相关系数为-0.833，暴雨降水事件降水量贡献率的高值区往往对应大雨降水事件降水量贡献率的低值区，而其低值区往往对应大雨降水事件降水量贡献率的高值区，暴雨降水事件降水量贡献率最高值(52.8%)出现在岳阳市临湘县，最低值(33.1%)出现在邵阳市城步县[图6(h)]。

图6 1980—2018年湖南省汛期小雨(a、b)、中雨(c、d)、大雨(e、f)和暴雨(g、h)降水事件发生频率(a、c、e、g)和降水量贡献率(b、d、f、h)空间分布(单位：%)

综上所述，不同等级降水事件发生频率和降水量贡献率空间分布具有明显的地理差异，其中不同地区小雨降水事件发生频率差值约8.3%，暴雨降水事件发生频率差值约4.7%。暴雨降水事件降水量贡献率差异最大，变化幅度高达19.7%。小到中雨降水事件发生频率和降水量贡献率大致呈湘南高于湘北的空间分布；而大到暴雨降水事件发生频率和降水量贡献率则呈现湘北高于湘南的空间分布。

3.3 年际变化

图7为1980—2018年湖南省汛期不同等级降水事件发生频率和降水量贡献率年际变化及其线性趋势。可以看出，小雨、中雨和大雨降水事件发生频率年际变化不显著；暴雨降水事件发生频率年际变化呈显著增加趋势，且通过α=0.05的显著性检验，暴雨降水事件发生频率20世纪90年代后明显增加。小雨降水事件降水量贡献率年际变化不显著，但中雨和大雨降水事件降水量贡献率呈下降趋势，且通过了α=0.05的显著性检验，大雨降水事件降水量贡献率下降速率大于中雨降水事件。暴雨降水事件降水量贡献率则呈显著上升趋势，且通过α=0.05的显著性检验，20世纪90年代至21世纪前10 a处于高值区。

图7 1980—2018年湖南省汛期小雨(a) 、 中雨 (b) 、大雨(c)和暴雨(d)降水事件发生频率和降水量贡献率年际变化及其线性趋势

4 结论与讨论

(1)湖南省汛期各历时降水事件发生频率随历时的增加呈幂函数规律减小，而各历时降水事件降水量贡献率则随历时的增加呈显著线性增加趋势。汛期降水以短历时降水事件发生频率最高，但是其贡献的降水量较少；长历时降水事件虽然发生频率较低，但降水量贡献率高，是汛期降水的贡献主体。降水事件发生频率和降水量贡献率具有明显的空间分布差异，短历时降水事件发生频率和降水量贡献率湘南高于湘北，而长历时降水事件发生频率和降水量贡献率湘北高于湘南。

(2)1980—2018年不同历时降水事件发生频率和降水量贡献率均未呈现明显的年际变化趋势，但近10 a长历时和短历时降水事件降水特征发生显著变化：短历时降水事件发生频率和降水量贡献率均呈增加趋势，而长历时降水事件发生频率和降水量贡献率则呈下降趋势，表明近10 a，短历时降水事件更加集中，预计未来短历时强降水的极端天气气候事件概率将增加。

(3)湖南省汛期各等级降水事件发生频率随降水量等级增加呈幂函数规律显著减小，降水量贡献率则随着降水量等级增加呈显著线性上升趋势。汛期降水事件以小到中雨为主，但是降水量贡献率低；大到暴雨降水事件虽然发生频率较低，却是降水量的贡献主体，其中暴雨降水事件为降水主要贡献者。各等级降水事件发生频率和降水量贡献率空间分布差异明显，小到中雨降水事件发生频率和降水量贡献率大致湘南高于湘北；而大到暴雨降水事件发生频率和降水量贡献率湘北高于湘南。

(4) 湖南省汛期小雨、中雨和大雨降水事件发生频率年际变化不显著，暴雨降水事件发生频率则呈显著增加趋势。小雨降水事件降水量贡献率年际变化不显著，中雨和大雨降水事件降水量贡献率呈显著下降趋势，暴雨降水事件降水量贡献率呈显著上升趋势。暴雨降水事件发生频率增加，降水量呈显著增加趋势，区域性暴雨洪涝风险在增加。

研究表明，中国地区弱降水频率总体呈减小趋势，但强降水频数在增加[36-38]，湖南省小到大雨降水事件发生频率和降水量没有显著变化，但暴雨事件发生频率呈显著增加趋势。28°N以南的华南地区以6 h以下历时降水为主[39-40]，而湖南省(24°N—32°N)各地均以6 h以上历时降水为主。我国气候复杂多样，针对湖南省汛期降水结构特征的研究，可以为全面了解湖南省汛期降水气候特征和防御城市内涝提供科学参考。