1951—2014年杭州市降水特性研究

(浙江同济科技职业学院，杭州 311231)

1 研究背景

近年来，全球气候变化及其影响下水循环变化研究已经成为国内外研究热点之一。水资源对全球变暖的响应问题，关乎着人类生存与发展[1]。全球气候变暖会影响区域温度和降水变化，从而对区域主要水文要素及水循环过程产生直接或间接影响[2]。其中降水变化的影响最为直接和显著，全球变暖改变了大气环流特征，从而影响区域降水量和降水分布格局，会直接引起当地水资源量的变化并可能导致旱涝灾害的频次和强度增加[3]。已有众多专家学者对近几十年来中国不同地区的降水特征及变化趋势开展了相关研究，并取得了一系列的进展。于淑秋等[4]分析我国西北地区近50 a降水资料得出1986年以后西北地区年降水总量上升了5.2%的结论；于文金等[5]由太湖流域1991—2000年暴雨资料分析出年暴雨降水量出现不同程度的增加趋势；张皓等[6]归纳出华北地区夏季降水出现明显的降低趋势。总体而言，中国不同地区及不同时间尺度上的降水变化特性对气候变暖的响应存在较大差别[7]。因此在研究降水变化特征时，需要针对研究区的具体特性开展相关研究。目前国内大部分学者研究降水特征所选取的资料时间序列较短，且缺少最近几年的降水资料分析，制约了地区降水规律分析的准确性。

杭州市地处浙北平原区(29°11′N—30°34′N，118°20′E—120°37′E)，属于亚热带季风气候区，多年平均降雨量1 421.7 mm，降雨量年内分布极不均匀。随着杭州经济的发展与人口的剧增，地区水资源开发利用矛盾也将日益加剧[8]。鉴于此，本文采用M-K检验及多种水文统计方法，基于杭州市1951—2014年间的逐日降水资料，分别对年际、年内(季节、月、日)尺度下降水量和降水日数以及最大日降水进行系统分析，以期为气候变化情景下杭州市水资源的合理开发利用提供科学依据。

2 资料与方法

2.1 资 料

采用国家基准气象站杭州站(30°14′N，120°10′E)1951—2014年共64 a的逐日降水资料进行分析，降水数据来源于中国气象科学数据共享网。按年、季节、月、日等各时间尺度分别进行降水量、降水日数及最大日降水统计。

1 d的降水量达0.1 mm以上即作为一个雨日计算降水日数。根据气候学划分指标及流域气候特点划分杭州4季，即春季为3—5月份，夏季为6—8月份，秋季为9—11月份，冬季为12月份—次年2月份。

2.2 研究方法

本文主要采用Mann-Kendall秩次相关分析法[9]、线性趋势法以及相关水文统计学方法对杭州地区降水变化特性进行分析。

3 结果分析与讨论

3.1 降水年际变化特征

图1为1951—2014年杭州市年降水量变化曲线。杭州为多雨地区，多年平均年降水量达到1 421.7 mm，1951—2014年间杭州年最大降水量为1954年的2 354.6 mm、年最小降水量为2003年的948.9 mm，其丰枯极值比为2.48，说明降水量年际变化较大。对长系列年降水资料进行M-K检验，得其降水量M-K检验值为0.359，未通过95%置信度下的显著性检验(临界值1.96)，结合年降水量线性回归系数接近于0，说明长系列年降水未发生显著变化。

图1 1951—2014年杭州市年降水量变化Fig.1 Change of annual precipitation in Hangzhou City from 1951 to 2014

对年降水量数据进行了M-K突变点分析，得1959年、1963年、1989年为长系列突变点，即1959年、1963年、1989年前后降水量有所变化，故将64 a降水数据分为1951—1959年、1960—1963年、1964—1989年、1990—2014年4个时期进行分析(见图1)。1951—1959年、1960—1963年、1964—1989年、1990—2014年间平均年降水量分别为1 568.3，1 368.1，1 368.3，1 433.0 mm，围绕多年平均降水量线上下浮动，呈现出丰—枯—丰的年际变化特征。

图2 1951—2014年杭州市年降水日数变化及趋势线Fig.2 Change and trend of annual precipitation days in Hangzhou City from 1951 to 2014

图2为1951—2014年杭州年降水日数变化及趋势线。从图2可以看出，杭州地区多年平均年降水日数为150 d，线性趋势度为-2.6 d/(10 a)，即平均每10 a降水日数减少2.6 d。对年降水日数长系列资料进行M-K检验，得其年降水日数M-K检验值为-2.76，分别通过了90%和95%置信度下的显著性检验(临界值分别为1.64和1.96)，即1951—2014年杭州年降水日数有显著性减少的趋势。结合长系列年降水量未发生明显变化这一特征，可以断定杭州地区单次降水量有所增加，即降雨强度增加，易形成强降雨。

3.2 降水季节分布特征

表1为1951—2014年杭州各季节降水量和降水日数分布特征，图3、图4分别为1951—2014年杭州各季节降水量、降水日数变化过程及趋势线。

表1 1951—2014年杭州各季节降水量和降水日数分布特征Table 1 Seasonal distribution of precipitation andprecipitation days in Hangzhou City from 1951 to 2014

注：*代表通过95%置信度下的显著性检验(临界值1.96)

图3 1951—2014年杭州市各季节降水量变化及趋势线Fig.3 Seasonal changes and trends of precipitation in Hangzhou from 1951 to 2014

图4 1951—2014年杭州市各季节降水日数变化及趋势线Fig.4 Seasonal changes and trends of precipitation days in Hangzhou from 1951 to 2014

由表1、图3和图4可看出：

(1)春季多年平均降水量为403.2 mm，降水量线性回归系数为负，趋势度为-16.9 mm/(10 a)，M-K检验值为-2.08，说明1951—2014年间杭州地区春季降水有显著性减少的趋势。从具体春季降水量多年过程来看，春季降水量20世纪50年代处于丰水期，60年代降水量偏少，之后春季降水量在上下波动中下降。春季多年平均降水日数为45 d，降水日数与降水量变化趋势一致，平均每10 a减少1.7 d，并通过了置信度为95%的显著性检验。从过程上看，1951—2000年间降水日数稳中有所下降，但自2000年以后春季降水日数出现明显下降。

(2)夏季多年平均降水量为516.1 mm，为四季中降水最多的季节，20世纪50年代前期夏季降水量较多，50年代后期至60年代较少，之后呈稳中有升趋势。1951—2014年间夏季降水量线性回归系数为正，M-K检验值为1.88，说明夏季降水量出现增加趋势，平均每10 a增加20.9 mm。1951—2014年间夏季平均降水日数为40 d，降水日数20世纪60年代较少，其他年份变化不大。经M-K检验及趋势分析，1951—2014年间夏季降水日数未发生显著性变化。夏季降水量发生增加，而降水日数无变化，说明近期单次降水雨强较大，较易造成洪涝灾害。

(3)秋季多年平均降水量为290 mm，趋势度为-15.3 mm/(10 a)，M-K检验值为-1.98，说明虽然秋季降水变幅较大，但秋季降水量总体呈现显著下降趋势。1951—2014年间秋季平均降水日数为31 d，降水日数在波动中持续下降，经M-K检验及趋势分析，1951—2014年间秋季降水日数平均每10 a减少1 d，并通过了95%置信度下的显著性检验。1951—2014年秋季降水量和降水日数均发生显著性下降，属于雨水较少期，发生秋旱的概率逐步增加。

(4)冬季多年平均降水量为212.4 mm，为四季中最干的季节，冬季降水有所起伏，变化较平稳，总体在波动中上升。1951—2014年冬季降水量线性回归系数为正，M-K检验值为1.48，说明冬季降水量有所增多，但增加趋势不明显，平均每10 a增加7.7 mm。冬季平均降水日数为33 d，线性回归系数为负，但未通过显著性检验，说明1951—2014年冬季降水日数呈微小下降趋势，平均每10 a减少0.2 d。

总体而言，杭州地区1951—2014年间冬夏两季降水量增多，而降水日数发生减少或没有变化，说明单次降水雨强增强，发生夏季洪涝和冬季渍害的概率增加；春秋季降水量及降水日数发生显著减少，两季节发生干旱情况的概率有所增加。夏涝秋旱增加，势必对杭州农业产生不利影响，也给地区水资源开发利用带来挑战，应及时采取措施。

3.3 月降水变化特征

通过对杭州站多年月降水量资料的分析(表2)可以看出，杭州市降水量年内分配并不均匀，降水集中的3—9月份约占全年降水量的75%，最大月(6月份)降水量占全年降水量的15.2%，最小月(12月份)降水量占全年降水量3.7%。

表2 杭州站气象站降水量年内分配Table 2 Distribution of annual precipitation atHangzhou meteorological station

通过对杭州站多年月平均降水日数资料的分析(表3)可以看出:杭州市降水日数年内分配较降水量分布要均匀，其中3—9月份约占全年降水日数的65%，最大月(3月份)降水日数为15.3 d，占全年降水日数的10.2%，最小月(12月份)降水日数为9 d，占全年降水日数的6%。

表3 杭州地区降水日数年内分配

杭州站降水量和降水日数年内分布如图5所示。

图5 杭州站降水量和降水日数年内分布Fig.5 Distribution of annual precipitation and precipitation days in Hangzhou

由图5(a)可知,杭州地区的雨季主要集中在2个时期。第1个雨期为梅汛期，自5月初左右开始，6月底至7月上旬结束，这个时期正是从晚春到夏季的过渡时期，此时，冷暖空气频繁交锋，形成梅雨锋系，雨带在江南和长江中下游停滞而造成了连绵不断的大面积降水。月平均降水量为164.2 mm左右，约占全年降水量的36.2%。第2个雨期在每年的8月下旬至9月份，这时期的降水主要受热带系统的影响，并和冷空气结合，故雨量多而集中，因受台风或冷锋南移影响所致，俗称台风秋雨期。8月份和9月份平均降水量约为150.4 mm，占雨季降水量的21%左右。

综合分析图5(a)和图5(b)可看出:5—7月份与8—9月份的降水特点有一个明显的差异，即前者降水量大，且降水日数多；而后者降水日数虽少，但雨量大而集中，经常出现暴雨和大暴雨。从降水日数的分布来看，杭州地区的年降水日数在145 d左右。其中，5—7月份的每月平均降水日数为15 d，而8—9月份的每月平均降水日数为13 d左右。

此外,3—4月份为杭州多雨时段，称春雨期，降水量占全年降水量的17.6%左右。3—4月份降水日数占全年降水日数的20%，多年平均降水日数为30 d，相当于每2 d就有1 d是下雨天。

10月份—次年2月份为年内相对干季，因受蒙古南下的极地大陆干冷气团影响，连续5个月的平均降水量仅为355.2 mm，占全年总降水量的25%，多年平均月降水量更是只有71 mm。10月份—次年2月份降水日数为52 d左右，多年月平均降水日数为10 d左右，这段时期的降水量和降水日数都较少，为年内缺水月份。

3.4 最大日降雨

随着全球气候变化，极端降水事件越来越多，为分析杭州地区极端降水变化特征，选取1951—2014年间年、季、月尺度下的最大日降水数据进行分析。

图6为杭州地区最大日降水年际变化曲线。可以看出，1951—2014年间最大日降水的最大值发生在2013年(246.4 mm)，最小值发生在2004年(41.6 mm)。最大日降水量多年平均值为92.9 mm，趋势度为1.17 mm/(10 a)，对其进行M-K检验，得M-K检验值为0.087，未通过95%置信度下的显著性检验，说明杭州地区最大日降水量近64 a来增加趋势并不明显，但从长系列最大日降水量变化过程线可以看出，近10 a来杭州地区最大日降水量整体偏大。

图6 杭州地区最大日降水年际变化Fig.6 Interannual variation of maximum daily precipitation in Hangzhou

图7为杭州地区最大日降水所在月份年际变化，表4为杭州地区最大日降水所在月份及季节统计。可以看出，除冬季外，杭州各季节(3—10月份)均能发生最大日降水记录。M-K检验值-1.04，未发生显著变化。其中以夏季最多，64 a间出现了39次，占60.9%。从月份上看，最大日降水发生在6月份的频次最大，64 a间最大日降水发生在6月份的频次为15次，占23.4%。随着全球气候不断变暖，极端降水事件频发，需要重点关注6月份的暴雨。

图7 杭州地区最大日降水所在月份年际变化Fig.7 Interannual variation of the month with the maximum daily precipitation in Hangzhou

表4 杭州地区最大日降水所在月份及季节统计Table 4 Statistics of month and season with the maximumdaily precipitation in Hangzhou

4 结 论

本文基于1951—2014年长系列日降水资料，采用Mann-Kendall秩次相关分析法、线性趋势法以及相关水文统计学方法对杭州地区年、季、月、日各尺度下降水变化特性进行了分析，得出以下结论：

(1)1951—2014年期间，杭州市年降水量无显著的变化趋势，但1959年、1963年、1989年前后降水量有所变化，且年降水天数显著减少，即单次降水的降雨强度有增大的趋势，可以断定杭州地区单次降水量有所增加，易形成强降雨。

(2)杭州地区冬夏两季节降水量增多，而降水日数发生减少或没有变化，说明单次降水雨强增强，发生夏季洪涝和冬季渍害的概率增加；春秋季降水量及降水日数发生显著减少，两季节发生干旱情况的概率有所增加。夏涝秋旱增加，势必对杭州农业产生不利影响。

(3)杭州地区降水量年内分配不均，降水主要集中在3—9月份，即春雨期、梅汛期、台风秋雨期，3—9月份降水量占全年降水量的75%，降水日数占全年降水日数的65%左右。10月份—次年2月份为年内相对干季，连续5个月的平均降水量仅为355.2 mm，占全年总降水量的25%，10月份—次年2月份降水日数为52 d左右，多年月平均为10 d左右，这段时期的降水量和降水日数都较少，为年内缺水月份。

(4)1951—2014年间最大日降水的最大值发生在2013年(246.4 mm)，最小值发生在2004年(41.6 mm)，杭州地区最大日降水量近64 a来增加趋势并不明显，但从长系列最大日降水量变化过程线可以看出，近10 a来杭州地区最大日降水量整体偏大。除冬季外，杭州各季节(3—10月份)均能发生最大日降水记录。从月份上看，以6月份最大，64 a间最大日降水发生在6月份的频次为15次，占23.4%。随着全球气候不断变暖，极端降水日益发生，对杭州市防洪抗旱能力提出了进一步的要求。

(5)研究成果不仅可为杭州地区降水、气候变化研究提供基础，同时也可为流域内水资源的合理开发利用、生态环境的改善和灾害控制提供科学依据。本文所采用的多种研究方法也可为气候相似区降水量研究提供科学参考。