上杭县1961—2019年降水变化及重现期分析

李国景 邓丽萍

(福建省龙岩市气象局，福建 龙岩 364000)

全球气候变化问题是各国政府和社会公众普遍关注的热点问题之一，国内外对气候变化及其对各行各业影响的研究正在不断深入。目前，我国对各地降水的变化特征已进行了大量的研究。研究表明[1-6]，在全球气候系统复杂变化背景下，我国气候变化趋势明显，降水格局进行了重大调整，我国不少地区的年降水日数在明显减少，总降水量变化趋势不明显，但极端降水强度在增强。郑礼新等[7]分析指出，福建省年降水变化有增加趋势，尤其以中南部沿海地区增加趋势明显，而年雨日大范围表现为减少趋势,而且小雨日减少明显，暴雨及以上量级降水日数却明显增加。

上杭县地处闽西的中心地带，属于中亚热带季风气候。研究和分析上杭县的降水变化特征，对于上杭县防灾减灾，揭示上杭县的气候变化规律以及应对气候变化的影响有重要意义。为科学有效地利用水资源，本文采用耿贝尔分布理论方法[8-10]对上杭县1961—2019年最大日降水量及年降水量的重现期进行分析，以保障地方经济可持续发展。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选用上杭县1961—2019年地面观测的逐月平均降水量、逐月不同量级(≥0.1mm、≥10.0 mm、≥25.0 mm、≥50.0 mm、≥100.0 mm)的降水日数、日最大降水量等资料进行统计分析。

1.2 分析方法

利用常规气候统计方法，统计上杭县1961—2019年降水特征并分析其演变趋势。季节划分：春季(3～6月)、夏季(7～9月)、秋季(10～11月)、冬季(12月～次年2月)。汛期：4～9月。降水等级划分标准(r为24h降水量，单位：mm)：0.1≤r<10.0，小雨；10.0≤r<25.0，中雨；25.0≤r<50.0，大雨；50.0≤r<100.0，暴雨；100.0≤r<250.0，大暴雨。

应用耿贝尔极值Ⅰ型分布理论计算不同重现期的理论降水量。通过耿贝尔极值Ⅰ型分布推导出来的计算公式为：

式中,μ—分布的位置参数，α—分布的尺度函数。此二者为待定系数。

利用已有的数据序列x1，x2，...,xn计算参数μ、α值后，设定一个重现期R年，依以上公式可求出该站R年一遇的最大日降水量及年降水量。

2 降水量的变化特征

2.1 降水量的年变化

上杭县1961—2019年的年平均降水量为1632.5mm，最高值在2016年，达2352.0mm，1975年出现次高值2176.6mm，最低值在1991年，仅为1053.9mm，1963年出现次低值(1208.5mm)，最高值与最低值相差1298.1mm。上杭县近59年的年平均降水量历年变化情况如图1所示，20世纪60年代的降水量处于偏少时期，此后波动相对平稳，70年代～本世纪00年代的降水量比较均匀，本世纪10年代降水量增加较多，其中2015年和2016年的降水量均超过2000.0mm。

图1 降水量历年变化

上杭县近59年各年代降水量及气候倾向率的统计情况见表1，上杭县年平均降水量的气候倾向率为35.358mm/10a，呈现增多态势。

表1 上杭县1961—2019年各年代降水量(mm)及气候倾向率(mm/10a)

2.2 降水量的汛期变化

上杭县近59年汛期的年平均降水量为1194.7mm，占全年降水量73.18%，其中前汛期(4～6月)降水量为716.6mm，占全年降水量的43.90%，后汛期(7～9月)降水量为478.1mm，占全年降水量的29.28%。汛期降水量最高时达到全年降水量的89.74%(1973年)，最低时仅占全年降水量的51.98%(1998年)。汛期降水量的气候倾向率为22.203mm/10a，呈现增多趋势。

2.3 降水量的季节变化和月变化

1961—2019年上杭县四季降水量占全年降水量的比率分别是：春季53.72%，夏季29.28%，秋季5.75%，冬季11.28%。四季降水量的气候倾向率均是正值，夏季降水量增加的速率最大，秋季最小。

上杭县月平均降水量的变化呈双峰型分布，变化情况如图2所示，最高峰值在6月，另一个较小波峰值在8月。6月降水量283.5mm，为全年最大值，次高值在5月，降水量为244.5mm；最低值在12月，降水量为40.2mm，次低值在11月，降水量为45.0mm。降水量最多的6月与降水量最少的12月相差243.3mm。

图2 降水量的月变化

2.4 降水相对变率分析

降水相对变率反映一个地区降水量的可靠性或稳定程度，降水变率越大，表明降水越不稳定，引发旱涝灾害频率较高。计算降水相对变率的公式为：

表2 上杭县1961—2019年降水相对变率

1961—2019年上杭县年降水量的降水相对变率较小，仅为13.79%，表明上杭县年降水量相对稳定。四季中降水相对变率最小的是春季，为18.03%，3～4月是福建春雨季节，5～6月是福建梅雨季节，此两个时期的降水十分丰富，降水相对变率由此最小。夏季降水量也较多，多雷阵雨或台风雨，降水相对变率为27.42%。冬季降水量少于夏季，降水相对变率为43.49%。秋季降水量最少，降水很不稳定，降水相对变率达到59.22%。

2.5 异常旱涝与严重旱涝年份

依照旱涝的规定标准，序列距平达到1.3倍标准差(1.3σ)的事件称为异常事件, 距平达到2倍标准差(2σ)的事件称为严重事件。1961—2019年上杭县年降水量序列距平的标准差为272.3mm。在此59年期间，上杭县存在异常旱涝或严重旱涝的年份共有11年，其中异常旱年有：1963年(4.4σ)、1967年(4.6σ)、2004年(4.7σ)；严重旱年有：1991年(3.9σ)；异常涝年有：1973年(7.6σ)、1975年(8.0σ)、1983年(7.8σ)、1997年(7.9σ)、2013年(7.3σ)、2015年(7.4σ)；严重涝年有：2016年(8.6σ)。

3 降水日数的变化特征

3.1 日降水量≥0.1mm降水日数的变化

上杭县1961—2019年日降水量≥0.1mm的年平均降水日数为152.9d，最高值在1975年，达到199d，最低值在2003年，仅为114d，两者相差85d，其历年变化情况如图3。上杭县近59年的年平均降水日数及其气候倾向率情况如表3，年平均降水日数的气候倾向率为-2.136d/10a，呈减少的趋势，日降水量≥10.0mm以上降水日数的气候倾向率均为正值。小雨日数的年气候倾向率为-3.057d/10a，中雨日数至大暴雨日数的年气候倾向率同样均呈正值。由此可知，近59年来，上杭县年平均降水日数减少的主要原因是小雨日数在显著减少，日降水量≥10.0mm以上的降水日数在增加，其中中雨日数增加最多，其次是暴雨日数。上杭县近59年四季降水日数的变化均呈下降趋势，具体数值见表4，冬季降水日数减少的速率最大，秋季最小。

图3 日降水量≥0.1mm降水日数的历年变化

表3 上杭县1961—2019年降水日数(d)及气候倾向率(d/10a)

表4 上杭县1961—2019年日降水量≥0.1mm 降水日数的平均值及气候倾向率

3.2 日降水量≥50.0mm暴雨日数的变化

上杭县1961—2019年日降水量≥50.0mm的年平均暴雨日数为5.02d，其历年变化情况如图4。年降水量与暴雨日数之间有较好的相关性，年暴雨日数多，年降水量基本相应较多，两者相关系数为0.626，呈正相关。暴雨日数基本集中在春季和夏季，汛期暴雨日数为4.2d，占全年暴雨日数的84.46%。上杭县异常和严重涝年的年平均暴雨日数为6.1d，异常和严重旱年的年平均暴雨日数为2.5d，两者相差3.6d。

图4 日降水量≥50.0mm暴雨日数的历年变化

上杭县月平均暴雨日数的变化同样呈双峰型分布，如图5所示，其变化情况与月平均降水量的变化相似。6月平均暴雨日数1.3d，是全年暴雨日数最多的月份，其次是5月，暴雨日数0.9d。1月和2月的暴雨日极少。

图5 日降水量≥50.0暴雨日数的月变化

1961—2019年上杭县日降水量≥100.0mm的年平均大暴雨日数为0.44d。在此59年，出现过年平均2d的大暴雨日共有6年，其中5次发生在2003—2013年之间，出现年平均1d的大暴雨日共有14年，有39年未出现大暴雨日。从月份变化看，大暴雨日只出现在3～9月，其它月份均未出现。8月平均大暴雨日数0.12d，为全年最高值，之后为6月、5月，4月和9月再次之，3月和7月的大暴雨日极少，近59年内均只出现1d。

3.3 2d或2d以上的连续性暴雨

上杭县在1961—2019年共出现22次2d或2d以上的连续性暴雨，其中3d的连续性暴雨出现2次，分别在1993年8月28—30日和2013年5月19—21日，4d的连续性暴雨只有1次，出现在1964年6月13—16日，此4d的总降水量为323.1mm。2d或2d以上的连续性暴雨最早开始的月份是2018年1月7—8日，最迟结束的月份是1974年10月18—19日。11—12月、2月未出现2d或以上的连续性暴雨，1—5月、7月、9—10月均只出现1次，5月出现5次，6月出现4次，8月出现7次，此结果与上杭县历年降水量在5—6月、8月最多的情况基本相一致，尤其是后汛期的8月，2d或2d以上的连续性暴雨次数多，对该月降水量的贡献比较明显。

4 降水量的周期分析

小波分析方法能够详细而准确地揭示时间序列中瞬时频率结构随时间的变化，从中得出降水变化过程中的多层次演变规律[11]。如图6所示，上杭县近59年降水量序列主要存在时间尺度5年、7年、13年、18年、26年、32年左右等6个振荡周期，其中13年左右的振荡周期在59年内基本存在，周期振荡比较均匀稳定，此周期在小波方差图(如图7)表现显著。5年左右的高频振荡周期，出现在20世纪60年代后期～80年代中期及本世纪10年代。7年左右的高频振荡周期主要存在于20世纪60年代、90年代初期～21世纪10年代初期。18年左右的振荡周期出现在20世纪60年代初期～90年代后期。26年左右的振荡周期，存在于20世纪90年代中期～本世纪10年代初期。32年的低频振荡周期存在于20世纪60年代初期～80年代中期。

图6 上杭县1961—2019年降水量小波分析图

图7 上杭县1961—2019年降水量小波方差图

5 降水量的重现期分析

利用上杭县近59年的最大日降水量及年降水量数据，应用耿贝尔分布理论公式，计算得出最大日降水量μ、α值分别为86.007、0.034，年降水量μ、α值分别为1504.474、0.004。设定重现期R=5、10、15、20、30、50、100、150和200年，计算上杭县最大日降水量及年降水量的理论气候值，其结果见表5。

表5 上杭县不同重现期的最大日降水量及年降水量理论值

根据耿贝尔分布理论公式计算上杭县1961—2019年极值降水量的重现期，得出的结果如表6所示，最大日降水量242.0mm(出现于1983年6月16日)及年降水量2352.0mm(出现于2016年)的重现期分别为209.7年、39.07年。上杭县不同量级降水量估算的重现期与实际重现期的比较情况如表7所示，除了≥150.0mm降水量估算的重现期和实际重现期的数值相差2.34年之外，其它3类降水量估算的重现期和实际重现期都相差在1年以内，两者数值上基本相近，误差较小，因此，利用耿贝尔极值Ⅰ型分布理论进行上杭县1961—2019年降水量的重现期分析具有可行性，能够得到相对理想的计算结果。

表6 上杭县1961—2019年最大日降水量及年降水量的重现期

表7 上杭县1961—2019年降水量估算重现期与实际重现期比较

6 结论

近59年来，上杭县年平均降水量呈现增加态势，日降水量≥0.1mm的年平均降水日数在减少，其主要原因是小雨日数的显著减少，日降水量≥10.0mm以上的降水日数在增加，中雨日数增加最多，其次是暴雨日数。

1961—2019年上杭县共出现22次2d或2d以上的连续性暴雨，存在异常旱涝或严重旱涝的年份共有11年，降水序列存在时间尺度5年、7年、13年、18年、26年、32年左右等6个振荡周期，时间尺度13年左右的周期振荡比较均匀稳定。

利用耿贝尔极值Ⅰ型分布理论对上杭县近59年降水量的重现期进行分析，可知其估算的重现期和实际重现期数值相差较小。通过计算不同重现期的理论降水量，得出上杭县50年一遇的最大日降水量及年降水量分别是199.9mm和2409.9mm，100年一遇的分别是220.3mm和2572.0mm。