泰安市近 5 0 a暴雨时空变化特征研究

梁家谈，谈　心，梁国坚

（1. 南京大学金陵学院，南京　210089； 2. 南京大学地理与海洋科学学院，南京　210089；3. 肥城市气象局，山东　肥城 271600）

泰安市近5 0 a暴雨时空变化特征研究

梁家谈1，谈心2，梁国坚3

（1. 南京大学金陵学院，南京210089； 2. 南京大学地理与海洋科学学院，南京210089；3. 肥城市气象局，山东肥城 271600）

利用山东省泰安市1961—2010年6个国家级气象观测站及2008—2010年86个区域站日降水量资料，采用小波分析、Mann-Kendall突变检验、滑动t检验与Yamamoto检验等方法，统计分析了近50a泰安市暴雨次数和暴雨量的时空变化特征。结论如下：泰安市单站暴雨发生最频繁，但区域性暴雨、大范围暴雨对该市暴雨次数和暴雨总量的多寡起主要影响；暴雨次数与暴雨总量以泰山为中心向西、南和东南递减；泰安市近50a年均暴雨量普遍存在27～28a和9～11a的周期振荡，以及80年代以后的16～17a的周期振荡；近50a泰安市暴雨量整体呈缓慢上升趋势，暴雨量极端偏多偏少事件所占概率较少，且在统计时段无明显突变发生。

暴雨；Mann-Kendall突变检验；小波分析

引言

暴雨既是主要的致灾天气之一，又是一种重要水资源，钱传海等［1］统计了近30a中国暴雨日数和暴雨量的时空分布特征，认为中国暴雨平均发生日数从东南向西北方向减少，暴雨等频次线分布基本上呈东北—西南走向。吴昊旻等［2］利用趋势分析、Mann-Kendall检验等方法研究了华东地区不同等级降水日数的时空分布特征，指出近50a华东地区的年暴雨日呈现增加趋势，并在1988年发生突变，呈显著增加趋势。陈干琴［3］根据水文站点资料制作了山东省点暴雨极值地域分布并作了影响因素分析，山东省年降水量的总体趋势是由东南向西北递减，但暴雨极值地区差异较小，且与地形关系密切。袁红卫等［4］利用天气学有关暴雨产生的机制理论结合观测资料对鲁北平原区暴雨成因及时空分布作了研究，认为鲁北平原区暴雨发生时间集中，以局部为主，笼罩面积小，梯度大。陈善炳［5］用统计理论对比分析了 1954—1998年泰山、泰安两地的暴雨记录，发现泰山地形对气候具有显著的影响。

目前，GIS在暴雨研究中的应用越来越广，邵尧明［6］建立了基于GIS技术的暴雨强度信息系统，对杭州地区暴雨强度空间分布进行了分析，使该市雨水排水工程规划建设有一个科学合理的依据。郭俊健等［7］将WEB技术与GIS技术相结合，研究开发了山东省短期定量降水预报制作平台，为山东省短期定量降水预报业务提供技术支撑。该文采用统计学分析理论、Mann-Kendall检测和 Morlet小波分析等方法对泰安市暴雨时空分布特征进行分析，以期得到较为系统、细致的研究结果，为当地防灾减灾提供科学依据。

1　研究区域、分析方法与数据资料

1.1研究区域介绍

泰安市位于山东省中部，面积为7762km2，辖泰山区、岱岳区、新泰市、肥城市、东平县和宁阳县六个县市区，地势自东北向西南倾斜，境内山地、丘陵、平原、洼地、河流、湖泊等多种地貌类型交织，其中泰山位于市域北部，横跨岱岳区、泰山区和肥城市，海拔为1545m，为山东省内第一高峰，大汶河横穿五个县市区，汶河两岸的平原地区土地肥沃，水资源充足，农业发达。东平湖位于东平县境内，总面积为 627km2，常年水面面积为124.3km2，是市内最大、省内第二大淡水湖。

1.2气象资料及地理数据

1961―2010年逐日降水资料分别来自泰安市6个国家级气象观测站，2008―2010年降水资料包括泰安市86个区域自动气象观测站资料。

文中出现的地理地形图采用1954北京坐标系和1956黄海高程基准，以中国1:25万地形图为底图建立泰安市数字高程模型，使用 Lambert地图投影，采用经纬度坐标且以度为坐标单位。

依据上述气象观测站经纬度和高程信息制作的3维地形图与泰安市6个国家级气象站点地理分布情况见图1。

图1　泰安市3维地形图与6个国家级气象观测站点地理分布

1.3暴雨标准

根据气象部门暴雨量级划分标准：以北京时20：00为日界，日内降水量大于等于50mm且小于100mm为暴雨，降水量大于等于100mm且小于250mm为大暴雨，降水量大于等于250mm的为特大暴雨［8］（表1）。

表1　降水量等级表

按照暴雨的发生、影响范围以及业务实际，确定单站日降水量大于等于50mm为一次暴雨次数（单位：次），因区域站资料短，仅统计泰安市所属的6个国家级气象观测站，并规定：（1）单站暴雨，定义为某站日降水量大于等于50mm；（2）区域性暴雨，定义为一日内分别有相邻2～3站发生暴雨；（3）大范围暴雨，定义为一日内4～5站发生暴雨；（4）全市性暴雨，一日内 6站全部发生暴雨。

1.4分析方法

暴雨次数与暴雨量的空间分布和暴雨次数年月变化分析用空间等值线形式表示，由于泰安市仅6个国家级气象观测站有1961―2010年的逐日降水数据，而区域自动气象观测站建设较晚，仅有 2008―2010年的逐日降水数据，为确保空间分析的精度，将 2008―2010年间的国家站数据与区域站做了统计对比，并根据统计结论对区域站历史数据进行归一化订正以参与完成空间分析。

暴雨量的气候变化用距平百分率判断。

对泰安市 1961―2010年暴雨量年际变化序列进行Morlet小波［9］分析，给出的小波系数实部等值线分布可反映该市暴雨量时频域变化特征。

暴雨量年际变化趋势特征分析的方法是将年际暴雨量采用低通滤波模型处理得到气候趋势暴雨量和气候变化周期；考虑泰安市暴雨量是受长期气候趋势变化和短期气候波动变化共同影响，用滑动平均法［10］将两者分离，可分别考察两种因素对暴雨量的影响。

使用 Mann-kendall秩次相关检验方法［11-12］并结合滑动t检验、Yamamoto法［13］对泰安市近50a暴雨量变化进行突变检验分析和信度检验。

2　泰安市暴雨气候特征

2.1暴雨尺度特点

由表2可见，泰安市暴雨以单站暴雨发生最多，占暴雨总频次的 56.80%；其次是区域性暴雨，占暴雨总频次的 29.82%；大范围暴雨发生频次较低，占暴雨总频次的11.62%，而全市性暴雨发生频次最低，占暴雨总频次的1.75%。但区域性和大范围暴雨两者对应的暴雨总量是单站暴雨总量的2倍以上，因此起主要影响的仍是区域性和大范围暴雨，这个统计结论与周雪松等［14］对山东暴雨天气学预报指标的统计特征分析研究的结论基本一致。

表2　1961―2010年泰安市单站暴雨、区域性暴雨、大范围暴雨和全市性暴雨频次及暴雨总量

从时间上来看，泰安市不同范围的暴雨分布呈明显季节性，区域性和大范围暴雨主要发生在5—10月，全市性暴雨仅在6—9月出现。虽然春季和深秋也可出现暴雨，但主要是单站暴雨，范围小，暴雨量也不大。从暴雨的日降水量极值来看，大暴雨级别的都出现在4—10月，其中7月最多，有40次，8月次之，有33次，最大的一次出现在1982年8月11日，东平站，为239.0mm。

2.2年均暴雨次数和暴雨量空间分布

暴雨次数反映了区域内暴雨出现的频次，暴雨量则对应暴雨影响的强度，是研究区域暴雨影响的最主要两个因子。

1961—2010年泰安市暴雨共出现724次，平均每站每年2.41次，大暴雨有137次，平均每站每年0.46次，图2a显示，暴雨次数以泰山为中心向西、南和东南递减，位于泰山山顶附近的泰山国家气象观测站近50a年均暴雨达4.82次，是该市暴雨次数最多的站点，比该市其他国家级气象观测站年均暴雨次数多出2.34次，明显反映出地形对暴雨的作用。泰安东南的新泰、西南的宁阳和山脚下的岱岳暴雨次数明显多于位于泰西地区的东平、肥城。

图2　1961—2010年泰安市年平均暴雨次数（a，单位：次）和暴雨总量（b，单位：mm）分布

由图2b可见，泰安市年均暴雨总量与年均暴雨次数分布特征基本一致，暴雨总量也以泰山为中心向西、南和东南递减，泰山顶年均暴雨总量达382.2mm，明显多于其他地区；位于泰安东南的新泰、西南的宁阳以及泰山脚下的岱岳3站的平均值，则比位于泰西地区的东平、肥城2站的平均值要多 25.6mm。这应与泰安市盛行东南和西南风，泰山山脉的迎风坡对偏南暖湿气流起到阻挡和抬升作用，容易引发暴雨有关。

2.3暴雨次数气候变化特征

泰安市暴雨始于春季，1964年4月3日新泰国家气象观测站出现降水量 50.8mm的单站暴雨，为历年最早；终于秋季，最晚出现在 11月中旬，1962年11月19日泰安国家气象观测站出现降水量为52.0mm的暴雨和新泰国家气象观测站出现降水量为65.7mm的暴雨，为历年最晚记录。

图3a给出近50a泰安市各月（旬）暴雨站次数分布，全年暴雨出现在4—11月，主要出现在6—9月，集中出现于7—8月，6—9月暴雨频次占全年暴雨总频次的68.7%，这与平均月雨量和暴雨次数逐年变化曲线呈单峰型分布的华北暴雨特征［15］相一致。按旬统计，该市7月下旬暴雨频次最高，中旬次高，上旬第3高；8月上旬、中旬和下旬分列排第4、第5、第6高；这一结果与文献［16］中“中国多年候大雨带 7月中旬至 8月下旬停滞在华北和东北地区”的结论基本吻合。从图3a还可看到，泰安市自4月上旬开始出现暴雨，以后逐渐增多，在5月中旬达到第1个峰值，5月下旬下降到第一个谷底，然后随着6月上旬汛期开始，暴雨次数明显增多，到7月下旬到达年内第2个峰值，这也是年内最大值，以后暴雨次数逐渐减少，随着 9月汛期结束，9月下旬到达第2个谷底，但10月上旬开始暴雨又开始增多，10月中旬出现年度内第3次峰值，其后暴雨次数又开始降低，11月中旬以后结束。

图3　泰安市1961—2010年4―11月暴雨次数（以旬计）柱状分布（a，单位：次）与年月等值线分布（b，单位：mm）

研究表明［17］，华北地区大雨带位移与西太平洋副热带高压（以下简称“副高”）脊线3次季节性位移有关，一次发生在6月中旬，脊线北跳到20°N以北，第二次在7月上中旬，脊线北跳到25°N，第三次北跳在7月底和8月上旬，向北越过30°N。可见，泰安市暴雨频次月（旬）际变化与副高位置变化有关，当副高西伸北跳，其西侧输送暖湿气流与中高纬度西风带上低涡或低槽东移南下冷空气叠加，触发该市发生暴雨或大暴雨。

春夏之交，暖湿空气开始活跃，冷空气开始衰减，但仍有较强的势力，深秋季节，冷空气开始活跃，暖湿空气虽开始衰减，但实力仍较强，冷暖空气频繁交绥，利于对流性暴雨产生［18］。

图3b为近50a泰安市4—11月暴雨站次数等值线的年际变化，1965—1968年、1988—1989年、1998—2002年暴雨站次数等值线较为稀疏，是该市暴雨发生较少时段；1963—1964年、1990—1991年、2003—2005年暴雨次数等值线较为密集，是该市暴雨多发时段，1963—1964年、1990—1991年对应出现明显的等值线高值中心，1990年全市7月暴雨次数达18站次，并创当年全年39站次的历史最高记录。

2.4暴雨量气候变化特征

从历史数据上看，不同年份暴雨出现的次数和年内暴雨总量不同，这就构成了历史上暴雨的旱涝周期交替。

2.4.1暴雨量气候变化特征

按照降水量的距平变化百分率等级规定：-△25%≤R%≤25%，正常；25%＜△R%＜50%（-50%＜△R%＜-25%），偏多（少）；），显著偏多（少）；80%≤△R%（△R%≤-80%），异常偏多（少）。

1961—2010年泰安市年暴雨量正常年份有23a，占46%；偏多年份5a，占10%；偏少年份10a，占20%；显著偏多、偏少年份均为4a，各占8%；异常偏多年份3a，占6%，异常偏少年份1a，占2%，这说明暴雨量极端偏多偏少事件所占概率较少。

由图4a可见，泰安市近50a年均暴雨量普遍存在27～28a和9～11a的年际周期振荡，以及80年代中期及以后的16～17a的年代际周期振荡，暴雨量变化是这些不同时间尺度周期变化共同作用的结果。

图4　泰安市1961—2010年年均暴雨量Morlet小波系数实部等值线图（a，当小波系数实部＜0时等值线为虚线，＞0时为实线）与年均暴雨量气候变化趋势图（b，单位：mm）

图4b用暴雨量5年滑动平均曲线方式给出了 1961—2010年暴雨量长期变化趋势，除1961—1967、1996—2000和2005—2008年暴雨量呈下滑趋势外，其余年份年际暴雨量则呈波动上升趋势，即以5mm/a速度增加。

在过滤了长期趋势暴雨量之后，得到受短期气候波动变化影响的暴雨量，暴雨的年际间短期气候波动变化周期比较明显，一般连续 1～2a暴雨量增加后接着 1～2a的暴雨量减少，波动范围很小，且很少出现大起大落情况，像1964年、1990年暴雨量明显偏多，1992年、2002年暴雨量明显偏少这种极端情况占极少概率。

2.4.2暴雨量Mann-Kendall突变检测

图 5为泰安市 1961—2010年暴雨量 Mann-Kendall统计分析曲线。

图5　泰安市1961—2010年暴雨量Mann-Kendall统计分析曲线

从图5可见，UF曲线与UB曲线在1977年、1988年、1989年、1991年、1993年、1999年和2000年多次相交，由于Mann-kendall法不能用于多交点的突变检验，分别采用滑动 t检验与Yamamoto法对这些交点进行验证，检验中不断改变两子系列的长度（n1，n2，且n1=n2），均没有出现t统计量超出α=0.05临界值tα和信噪比SNR值大于1情况的发生，表明该市暴雨量在统计时段内无明显突变发生。

3　结论

（1）泰安市单站暴雨发生最频繁，但占主要影响的是区域性暴雨和大范围暴雨。暴雨开始于春季，结束于秋季，暴雨时段主要集中于7月上旬至8月下旬。

（2）泰安市年平均暴雨次数与年暴雨量空间分布特征基本一致，均以泰山为中心向西、南和东南递减，泰山以南的新泰、岱岳和宁阳明显多于位于泰西的东平、肥城，这说明泰山山脉的迎风坡对偏南暖湿气流起到阻挡和抬升作用，容易引发暴雨。

（3）morlet小波分析证实，泰安市近50a存在27～28a和9～11a的年际周期振荡，以及80年代中期以后16～17a时间尺度的周期变化变得十分显著。

（4）采用Mann-Kendall突变检验法、滑动t检验与 Yamamoto法对该市暴雨量进行突变检验，表明在统计时段暴雨量无明显突变发生。

（5）近50a泰安市暴雨量整体呈缓慢上升趋势，暴雨量极端偏多偏少事件所占概率较少。

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P461

B

1005-0582（2016）02-0031-06

2015-07-28

国家自然科学基金（41371365）、泰安市气象局科研基金（2014taqx08）共同资助

梁家谈（1992—），女，山东肥城人，学士，主要从事气候变化与地理信息系统（GIS）研究应用工作。