1968—2018年湘北地区暴雨过程气候特征及变化趋势

桑友伟， 孟 蕾*， 周 玉

(1.中国气象局气象干部培训学院湖南分院， 长沙 410125； 2.气象防灾减灾湖南省重点实验室， 长沙 410118)

暴雨对国民经济和人民生活危害严重，研究暴雨天气过程有利于更好地进行防灾减灾，保护人民生命财产安全。除了气象预报业务上常用的天气图分析和数值预报[1-2]等方法可进行暴雨过程研究，王坤等[3]、黄建豪等[4]从异常度、大气微物理等角度对暴雨过程进行了深入分析。众多研究表明，影响暴雨过程的因素较多，但从气候统计角度而言，中国暴雨过程主要受东亚夏季风和副热带高压影响。湘北地区处于湖南省北部，是洞庭湖地区的中心区域，主要包括岳阳市、益阳市和常德市，受东亚夏季风、副热带高压以及地形地貌共同影响，湘北地区自古以来便是易涝区[5]。近些年湖南发生的特大致洪暴雨过程中，湘北地区常是强降水中心[6-8]，暴雨所引发的自然灾害严重影响了湘北地区的农业农事、城市建设，也威胁到洞庭湖的生态环境。因此，探索湘北地区暴雨过程特征，及时做好预报预警工作十分重要。许多学者对湘北地区的暴雨过程进行了细致研究，彭嘉栋等[9]构建了该地区近百年降水序列并分析其变化特征，表明近百年湘北地区年降水量和冬季降水量存在显著增多的突变。为了找寻影响暴雨发生的各项因子，彭莉莉等[10]研究了湖南汛期区域持续性暴雨环流型和落区的关系，除了台风低压型以外，其他多种环流形势皆容易导致湘北地区成为暴雨落区。陈静静等[11]分析5类南岳高山气象站风场与湖南不同天气型强降水关系后认为，南岳高山站南风超过 10 m/s 的时刻较湘北地区开始出现强降水通常有2～6 h的预报提前量。针对暴雨过程中必不可少的水汽条件，周慧等[12]，蔡荣辉等[13]、陈红专等[14]分别利用HYSPLIT模式追踪了2016—2017年三例极端暴雨过程的水汽来源，为暴雨强度预报提供参考。

上述研究主要分析了湘北地区的年暴雨日数、暴雨主要落区、暴雨强度以及影响因子，而暴雨的持续时间、覆盖范围、综合强度等往往是引发洪涝灾害的关键要素[11-13]，厘清暴雨过程的细节特征更有利于湘北地区的暴雨灾害预警。已有研究[15]表明湘北地区暴雨过程在降雨量总体减少的情况下，降雨强度在增加，但鲜有文献总结出降雨强度显著增加的月份、影响因子和未来趋势。现利用湘北地区18个气象观测站1968—2018年逐日降水资料，基于暴雨发生次数、持续时间、覆盖范围、综合强度等4个指标，重点分析湘北地区各月份暴雨过程的气候特征及变化趋势，探讨该地暴雨强度增强的时段和原因，并利用重标极差(rescaled range analysis,R/S)分析法进行初步预测，为进一步作好防灾减灾精细化部署提供科学参考。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源和研究区介绍

选取1968—2018年湘北地区岳阳、汨罗、临湘、华容、湘阴、平江、安化、桃江、赫山、沅江、南县、石门、澧县、临澧、安乡、常德、桃源、汉寿等18个国家级气象观测站逐日降水数据进行分析，该资料由湖南省气象局气象信息中心提供，数据已由中国气象局国家气象信息中心进行了质量控制和均一化处理，各站缺测率较低，资料突变性较小。

研究所指湘北地区是指湖南常德、益阳和岳阳3个地区，是洞庭湖区的中心地带，中部地区地势总体平坦，西部和东南部地区地势稍高，气象观测站点分布如图1所示。

图1 湘北地区气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Northern Hunan

1.2 研究方法

1.2.1 暴雨过程相关指标

研究以讨论暴雨过程的发生次数、持续时间、覆盖范围和综合强度等4项指标为主，故做如下规定：若湘北地区1个及以上站点开始出现降水，且日降水量大于等于50 mm，则认为湘北地区开始出现暴雨，为暴雨过程首日；一次暴雨过程开始后，湘北地区单日不再出现1个及以上站点日降水量大于等于50 mm的前一日为当次暴雨过程结束日；一次暴雨过程开始日至暴雨过程结束日之间的持续天数称为一次暴雨过程持续时间(简称“持续时间”)；一次暴雨过程中湘北地区出现日降水量大于等于 50 mm 的站数称为一次暴雨过程覆盖范围(简称“覆盖范围”)；根据极端降水过程综合强度数学模型[16]，利用一次区域性暴雨过程的暴雨强度Ia、覆盖范围Aa和持续时间T构建一次暴雨过程综合强度(简称“综合强度”)指标Z，具体公式[17]为

Z=IaAa0.5T0.5

(1)

若单次暴雨过程综合强度指数超过多年平均值的暴雨过程为较强暴雨过程。

湘北地区一年中第一次暴雨过程称为首场暴雨过程，首场暴雨过程的开始日为当年首场暴雨日期；湘北地区一年中最后一次暴雨过程称为末场暴雨过程，末场暴雨过程的结束日为当年末场暴雨日期。末场暴雨日期与首场暴雨日期之间的天数为一年中暴雨过程发生期。

1.2.2 气候特征及变化趋势分析方法

暴雨过程各项指标随时间变化趋势采用线性倾向估计方法[18]，显著性检验采用Mann-Kendall方法[19]，保证率则利用频率进行计算[20]。其中，对历年首场(末场)暴雨日期进行线性倾向趋势分析时，以每年1月1日为当年的第一天，计算历年首场(末场)暴雨日期距离当年第一天的天数，分析历年首场(末场)暴雨日期对应的天数序号随时间变化情况来表征首场(末场)暴雨日期年际变化趋势。

利用R/S分析法[21]计算Hurst指数，预测未来湘北地区暴雨过程变化趋势。通过R/S分析法计算出Hurst 指数H(0

2 结果与分析

2.1 湘北地区暴雨过程气候特征

2.1.1 历年首、末场暴雨气候特征

如表1所示，1968—2018年，湘北地区首场暴雨过程出现日期最早为1月17日(1971年)，最迟为5月5日(1988年)，80%保证率下4月14日之前会出现首场暴雨过程。湘北地区末场暴雨出现日期最早在8月3日(2003年)，最迟出现在12月17日(2002年)，80%保证率下11月8日之前会出现末场暴雨过程。暴雨过程发生期平均值204 d，年际变化大，最大值为272 d，最小值仅为136 d。

表1 湘北地区年首场暴雨与年末场暴雨日期

湘北地区首场暴雨过程较高概率出现在南部，末场暴雨落区相对首场暴雨分布更加均匀。1968—2018年首场暴雨过程出现频次空间分布如图2(a)所示，首场暴雨历史上在18个气象观测站均出现过，但每个观测站出现频次不同，其中位于洞庭湖南部的安化、湘阴、桃江、赫山、平江、汨罗等站出现频次较高，总次数超过10次，而石门、澧县只出现1次，这一现象与由春季往夏季，中国雨带随副热带高压北跳由南往北移动有较好对应关系[23]。末场暴雨过程出现频次空间分布如图2(b)所示，末场暴雨在18个观测站也都曾出现，其中出现在安化的频次最高，达到15次，出现频次最低的地区为安乡和桃源，只有7次，出现频次大于等于10次的有14个站，占总数的77.7%。

图2 1968—2018年首、末场暴雨过程出现频次空间分布Fig.2 Spatial distribution of the occurrence frequency of the first and last rainstorm from 1968 to 2018

分析湘北地区首、末场暴雨过程中单站单日最大雨量等级分布如表2所示，单站单日首场暴雨和末场暴雨皆在50～99.9 mm等级的频次最高，末场暴雨略少于首场暴雨，但在100 mm以上等级末场暴雨单站单日最大雨量是高于首场暴雨的，这说明末场暴雨单站单日暴雨量极端性更强。

表2 湘北地区首末场暴雨过程单站单日最大雨量等级分布

湘北地区末场暴雨过程单站极端降水出现次数比首场暴雨过程多，且多出现在地势相对较高的山区。首场暴雨过程单站单日雨量大于99.9 mm的分别是沅江106.2 mm(1978年)、常德110.8 mm(1988年)、南县105.0 mm(2002年)；而末场暴雨过程单站单日雨量大于99.9 mm的分别是石门134.0 mm(1974年)、临湘213.6 mm(1987年)、平江115.9 mm(1998年)、平江114.0 mm(2005年)、临澧189.2 mm(2013年)。可见湘北地区极端首场暴雨与极端末场暴雨落区有明显区别，极端末场暴雨主要落在山区。

2.1.2 暴雨过程气候特征

1968—2018年湘北地区暴雨过程平均持续时间为1.38 d，最短1 d，最长7 d。持续时间2 d及 2 d 以内的暴雨过程次数占93.69%，持续时间3 d及以上的过程次数很少，仅6.31%。其中1980年7月30日—8月5日暴雨过程持续时间最长，达到 7 d，其次是2002年7月20—25日暴雨过程，持续时间为6 d。

如图3所示，暴雨过程覆盖范围出现频率随着覆盖站数增加而迅速减小，覆盖站数在1～7站之间时，出现频率由28.7%迅速下降到2.9%，8站以上则减小缓慢。平均覆盖范围为4.5站，最小为1站，最大为32站；覆盖范围在1～7站的频率为82.68%；覆盖范围在8～20站的频率为11.7%；覆盖范围在20站以上出现的频率极低。2002年7月20日—25日湘北地区一次暴雨过程覆盖范围最广，达到32站。

图3 暴雨过程覆盖范围频率分布Fig.3 Frequency distribution of rainstorm coverage

暴雨过程综合强度指数平均值136，最大一次过程综合强度指数为531，出现在2016年。对比历年平均综合强度指数发现，最大年平均综合强度指数为186.2，出现在1998年。1998年和2016年汛期长江中下游地区暴雨引发特大洪涝灾害，通过综合强度指数可反映出当年湘北地区的暴雨过程强度。

2.1.3 暴雨过程各项指标年变化

分析1968—2018年湘北地区暴雨过程各项指标的逐月分布如图4所示，可知，6、7月是湘北地区暴雨过程次数最多、平均持续时间最长、平均覆盖范围最广、平均综合指数最强的月份，这与夏季湘北地区多大范围持续性暴雨过程的特点相符[24]。1月的暴雨过程次数很少，但持续时间是除夏季6—8月之外最长的月份，12月暴雨过程次数最少，持续时间最短，覆盖范围最小。

图4 湘北地区暴雨过程指标年变化Fig.4 The monthly distribution of rainstorm process indexes in northern Hunan

较强暴雨过程各项指标逐月分布如图4所示，除1月和12月无较强暴雨过程外，诸多月份的情况与整体情况相近，但是11月比较特殊，虽然11月较强暴雨过程次数少，但是其覆盖范围、综合强度2项指标对应的值都很高，11月是较强暴雨过程平均覆盖范围最高的月份，综合强度也仅次于5—7月。说明湘北地区暴雨过程的极端性不仅容易出现在5—7月，出现在11月的概率同样很高，而11月往往是末场暴雨出现的月份，与上述湘北地区末场暴雨过程出现极端性可能性较大的结果一致。

2.2 湘北地区暴雨过程变化趋势

2.2.1 首、末场暴雨过程变化趋势

分析湘北地区首、末场暴雨日期年际变化如图5(a)所示，湘北地区首场暴雨日期略有提前，但未通过显著性检验，末场暴雨日期显著推后，推后速率为5.6 d/10 a，暴雨过程发生期显著延长，延长速率为6.1 d/10 a。

2.2.2 暴雨过程各项指标年际变化

分析1968—2018年湘北地区暴雨过程各项指标年际变化如图5(b)～图5(e)可知，湘北地区暴雨过程发生次数增加不显著，未通过显著性检验，但较强暴雨过程发生次数以0.25 次/10 a的速率显著增加，通过0.1水平上的显著性检验。平均持续时间略有增加，但不显著，而较强暴雨过程平均持续时间则显著增加，通过0.1水平上的显著性检验，增加速率为0.06 d/10 a。平均覆盖范围显著增加，通过0.1水平上的显著性检验，增加速率为0.11 站/10 a，较强暴雨过程平均覆盖范围变化不显著。暴雨过程总体平均综合强度和较强暴雨过程综合强度显著增加，均通过0.1水平上的显著性检验，增加速率分别为3.1/10 a和7.0/10 a。

图5 湘北地区暴雨过程变化趋势Fig.5 The trend of rainstorm process in northern Hunan

进一步分析不同月份暴雨过程各项指标的年际变化，如表3所示，虽然湘北地区7月和10月暴雨过程发生次数无显著变化，但持续时间、覆盖范围和综合强度皆显著增加；4月暴雨过程次数显著增加，5月综合强度显著增加，其他指标没有显著变化。

分析不同月份较强暴雨过程各项指标的年际变化如表3所示，湘北地区5月较强暴雨过程的发生次数、持续时间和综合强度都是显著增加的，但覆盖范围变化不显著；7月较强暴雨过程的发生次数无显著变化，但是持续时间、覆盖范围和综合强度都是显著增加的。

表3 湘北地区每月总体暴雨过程和较强暴雨过程各项指标气候倾向率

2.3 湘北地区暴雨过程未来趋势

根据暴雨过程总体各项指标的Hurst指数和较强暴雨过程各项指标的Hurst指数如表4所示，首场暴雨日期和末场暴雨日期的Hurst指数大于等于0.6低于0.7，未来趋势一定程度上延续历史趋势。暴雨过程总体各项指标的Hurst指数均大于0.5，但平均覆盖范围、平均综合强度指数2项指标的Hurst指数低于0.6，未来随机性较大；暴雨过程发生次数、持续时间2项指标的Hurst指数大于0.6低于0.7，表明未来趋势将在一定程度上延续历史趋势。较强暴雨过程各项指标的Hurst指数均大于等于0.6，说明这几项指标未来趋势将一定程度上延续历史趋势，其中持续时间指标的Hurst指数最高，达到0.8，未来趋势将较大程度上延续历史趋势。

表4 各项指标的总体Hurst指数和各项指标各月份的Hurst指数

暴雨过程各项指标各月份的Hurst指数的可计算性主要表现在4—8月，未来暴雨过程总体的发生次数在4—7月将一定程度上延续历史趋势，持续时间6月将在较大程度上延续历史趋势，覆盖范围在4月随机性较大，但将在5—7月一定程度上延续历史趋势，综合强度指数在4月的随机性很大，未来在5—8月将一定程度上延续历史趋势。未来较强暴雨过程的发生次数在8月随机性较大，持续时间主要将在6—8月较大程度上延续历史趋势，覆盖范围、综合强度指数在5—8月都将延续历史趋势，尤其是6月Hurst指数分别达到0.85、0.79，说明这2项指标6月将很大程度上延续历史趋势。

3 结论

通过对湘北地区1968—2018年暴雨过程发生次数、持续时间、覆盖范围、综合强度等指标进行统计分析及初步预测，得到如下结论。

(1)80%保证率下，湘北地区每年4月14日之前出现首场暴雨过程，11月8日之前出现末场暴雨过程。首场暴雨过程落区大概率在湘北地区南部，而末场暴雨过程落区分布较均匀。1968—2018年首场暴雨日期变化趋势不显著，末场暴雨日期显著推后，暴雨过程发生期显著延长。未来首场暴雨日期变化较小，而末场暴雨日期将继续推后，暴雨发生期将继续延长。

(2)湘北地区各月都有出现暴雨过程的可能，2—11月还有可能出现较强暴雨过程。暴雨过程和较强暴雨过程主要出现在4—8月，其中6—7月多发。6—7月暴雨过程持续时间长、覆盖范围广、综合强度强，11月暴雨过程次数虽然少，但极端性较强。周慧等[25]的研究表明11月份在环流形势配合的情况下，依然有条件出现较强暴雨过程。

(3)1968—2018年间，湘北地区暴雨过程覆盖范围、综合强度显著增加；较强暴雨过程的发生次数、持续时间、综合强度显著增加。7月和10月暴雨过程持续时间、覆盖范围、综合强度显著增加；4月暴雨过程发生次数、5月综合强度显著增加；7月较强暴雨过程的持续时间、覆盖范围、综合强度显著增加；5月较强暴雨过程次数、持续时间、综合强度显著增加。湘北地区暴雨过程在7月向极端化方向发展最显著，其次是5月。

(4)总体而言，未来湘北地区暴雨过程的发生次数和持续时间将会继续呈增加趋势，未来较强暴雨过程次数、持续时间、综合强度将继续呈增加趋势。具体4月暴雨过程的发生次数，5月的综合强度，7月的持续时间、覆盖范围和综合强度都将延续历史趋势，未来继续增加；5月较强暴雨过程的综合强度、7月的持续时间、覆盖范围和综合强度都将继续增加。

(5)黄菊梅等[26]研究表明湘北地区降雨量几十年来总体无显著变化，张晓艳等[15]研究表明湘北地区夏冬两季降水量呈上升趋势，春秋两季降雨量呈下降趋势，在此情况下，本研究发现该地区除了夏季7月暴雨过程4项指标总体增强之外，春秋两季暴雨过程4项指标总体也呈增加趋势，说明在气候变暖背景下，湘北地区暴雨过程的极端性除了在夏季进一步增强之外，暴雨期还在向春秋两季延展，尤其是春季极端降水出现的概率在增大，这将导致暴雨洪涝灾害的风险更高，且时间跨度更大。