我国中东部逐时降水特征分析

我国中东部逐时降水特征分析

近年来，气候变化及其自然灾害引起了人们的广泛关注。其中，降雨、洪水、连阴影雨、滑坡、泥石流等灾害天气不仅与降水密切相关，而且与降水强度密切相关。以往受资料限制,对逐小时的降水强度特征及变化分析研究很少。在防洪抗灾的实践中,政府部门迫切要求了解雨强的时空分布特点以及不同重现期的最大降雨强度值。此外,在我国极端降水概率预报业务和区域性暴雨研究工作中也需要把逐时雨强作为一项较为重要的影响因子。在国内外有关雨强的研究工作集中在雨强的探测和估算等问题的讨论上。国内郭化文等在1997年应用改进的特征系数法求算了2~24小时泰安地区各县市100年、200年一遇的最大概率降雨强度。汪青春等利用青海省1961-2002年26个代表站逐日雨量资料和青海省东部地区10个站降水自记资料,分析了近40年来青海省雨日、雨强气候变化。由于逐时的降水数据并不属于基本气候资料的范畴,长时间以来各气象观测站并没有将逐时的降水资料进行整理和上报,因而一般难以获取大范围长时间的逐时降水资料,国内现有的各种有关雨强的工作,基本上为利用局部区域内或少数站的逐时降水资料进行的分析研究。只有孙修贵等人整理了1975-1984年共十年全国105个站的五分钟降水量资料,并给出了若干统计结果,而对全国范围内长时间一小时雨强的时空分布特征的分析则尚未见有人涉及。近年来,国家气象信息中心着手进行除基本气候资料以外的多种气象数据搜集整理工作,因而本文得以首次使用我国大范围、多站点、长时间的逐时降水观测资料,对各地区一小时雨强的发生频率、日变化特征等进行多角度的分析研究。1雨强时空分布的特征本文所用1991-2005年逐时的原始降水观测资料来自国家气象信息中心,由于西藏、新疆等地区基本气象台站较少,站点分布较为稀疏,现有的逐小时资料集中在我国中东部地区,通过筛选、整理、检查后得到我国中东部地区的485个测站的逐小时降水资料,本文利用概率分布、统计检验、变差系数、分时段、F方差检验等方法对各地区一小时雨强的发生频率、日变化特征等进行多角度的探讨,并揭示了我国中东部地区一小时雨强时空分布的特征;同时应用极值分布方法对逐时最大雨强重现期进行估算,并揭示了我国中东部地区50年、100年一遇极端逐时雨强的分布特征。雨强,又称降雨强度,指单位时间的降雨量。有5分钟雨强、10分钟雨强、1小时雨强等多种,通常以毫米小时-1为单位来表示,本文着重研究4mmh-1以上量级的雨强时空分布特征,若无特别说明,本文中的雨强都是指4mmh-1以上量级的雨强。1.1南方、北方降水量比较均方差是描写变量围绕平均值变动幅度的常用统计量,但用于空间比较,则有一定的缺陷。例如:我国南方的年降水量都在1000mm以上,而北方一些地区只有500~600mm或更少。虽然南方年降水量的均方差较北方大得多,但并不能说明南方降水的年际变化要比北方更大。为了消除变量本身量级的影响,通常可取相对值作为比较的参数,即变差系数的大小,定义变差系数为:式中,C为雨强年平均出现频次的日变化变差系数,Sx为雨强年平均出现频次的均方差,xm为雨强年平均出现频次的多年平均值。1.2k-1和母因子自由度按统计学理论,若变量x分成k组,每组有n个样本,则统计量遵从分子自由度为k-1和分母自由度为(n-1)k的F分布。其中,,即原序列的数据平均值,即第i组的数据平均值在显著水平α给定的情况下,按分子、分母的自由度,可查得临界值Fα,若计算所得的F>Fα,则从统计上认为各组间的差异是显著的。1.3分布参数与标准差的关系参考郭化文等对不同重现期短时降雨强度的计算方法,假定一小时雨强X的年最大值的分布为极值I型分布,其分布函数是:式中:u和α分别为分布的位置参数和尺度参数。分布的参数与样本的均值μ和标准差σ的关系按以下关系确定:式中:xi为连续n年的年最大一小时雨强值。系数c1,c2用Thomas公式确定:式中:n为样本个数。其中:变换n,可得到对应的c1和c2的计算值:这样,T年一遇的一小时最大雨强可按下式计算:式中:RT_max为T年一遇的一小时最大雨强2结果分析2.1实际观测的一加强参照文献,采用大于一定界值的雨强进行分类的办法进行统计和分析处理。由4mmh-1以上量级雨强的出现频数分布可见(图1),全国以秦岭—淮河为明显的分界线:在秦岭—淮河以北,雨强的出现频数在40次年-1以下;只有长白山区附近部分地区在40次年-1以上,而华北北部和西北地区最少,在20次年-1以下。秦岭—淮河以南,则4mmh-1以上量级的雨强出现频数都在40次年-1以上。对南方地区而言,在安徽南部与江西北部和两广南部沿海及海南有明显的大范围的高值区存在,其数值达到100次年-1以上;此外,在广西北部、云南南部也有小范围的高值区,其数值也可达100次年-1以上。从各站1991-2005年一小时雨强最大值中,挑选出其中最大的雨强值,可得到15年中各地实际观测到的最大一小时雨强(图2)。华北北部的一小时雨强最大值为40~50mmh-1,华北平原和黄河下游的个别地区甚至达到80~90mmh-1,对照《中华人民共和国气候图集》,这一带地区也是日雨量在100mmh-1上大暴雨出现频率较高的地区,这主要与盛夏季节局部地区强烈发展的中尺度天气系统活动有关。长江以南大部地区一小时雨强的最大值为60~80mmh-1,沿海地区受台风和热带风暴等天气系统的影响,一小时雨强的最大值可以达到80~90mmh-1,甚至100mmh-1以上。表1列出了前5位最大一小时雨强的出现地点、时间和影响系统,其中大雨强的影响系统是根据气象部门的历史天气图上表1全国1991-2005年前五位一小时雨强的最大值分析得出的。可见,前5位一小时雨强的最大值均超过了120mmh-1。同时,一小时雨强极值在同日的24小时日雨量中所占的比重很高,这说明,大暴雨或特大暴雨可能集中出现在其中很短的时段内,从而造成了极强的雨强。极端雨强的天气尺度影响系统包括高空槽、低涡、高空冷涡和东风波系统。此外,台风也是形成逐时特大雨强的重要因素。15年中,全国最大的一小时雨强出现在2000年5月10日的湛江,午夜00-01时的一小时雨量达到157.7mm,同日该站地面观测的日降水量为297.5mm。据吴德平的分析,850hpa低涡和切变线就是产生这次湛江特大暴雨的重要天气系统。2.2夜/月不同时段的雨强年频次特征一日中不同时段的各种雨强出现机率是不相同的,以宜宾、广州站为例(图3),从两站4mmh-1以上量级雨强的每个时次平均出现频次的日变化可见,宜宾大于4mmh-1雨强多出现在夜里,尤其是从23点至凌晨7点频次最高,而白天出现的次数就明显减少,大于4mmh-1的雨强年出现频次几乎全都在1.5次以下;尤其是在15点-19点,各时次的年平均出现频次均在0.5次以下。广州与宜宾的情况明显不同,大于4mmh-1雨强多出现在下午,尤其是从13点至19点的出现机会很大,各时次大于4mmh-1的雨强年平均出现频次在6次以上。而到了午夜以后的夜间,出现的次数就明显偏少,大多在4次以下。这也说明,不同地区雨强出现频数的日变化是不同的,为此,我们从变差系数和分时段方差分析两方面进行讨论和分析。2.2.1月内风变差系数中,西部与西部按公式(1)变差系数的计算方法,得到我国中东部地区大于4mmh-1雨强年平均出现频次日变化的变差系数分布图(图4)。由图4可见,雨强的变差系数都是东部小于西部,北方大于南方。长江中下游和江南地区的雨强出现频数的变差系数都是最小的,一般为0.1~0.2,说明这里是雨强出现频率日变化最小的地区,而西部地区,特别是四川盆地附近和西北地区东部,则变差系数在0.5以上,甚至达到0.8~0.9。说明20这里一0.3天24小20时的7.不3同时段雨22强出现0.1的几率22是很6不.9相同的,24同类级1.1别雨强24出现5几.1率的日变化很大。2.2.2夜时段中的雨强检查为进一步分析雨强日变化特征,将每日24小时分成4个时段:上午(7:00-12:00)、下午(13:00-18:00)、前半夜(19:00-24:00)、后半夜(1:00-6:00)。将4个时段中频次最高的时段标出,以反映最容易出现该级别雨强的时段(图5)。对于4mmh-1以上量级的雨强而言,在一天四个时段中雨强出现频数最高的时段在各地区是很不相同的。北方地区除了山东大部、河南北部、安徽北部日雨强频率最高的时段在后半夜外。其它大部地区多出现在下午和前半夜。南方地区雨强频数最大值的时段分布也很明显,云南、贵州、广西西部、四川南部多为后半夜,而在我国东南沿海、海南岛则多出现在下午,长江中游的湖南、江西北部则多出现在上午。2.3强日变化区域f检验结果为探讨不同时段雨强之间的差异是否显著,依据统计学理论用1.2式进行了方差分析和检验(图6)。结果表明,我国西南和华南地区是雨强日变化最明显的地区,>4mmh-1量级雨强年平均频次日变化的F检验结果几乎全部都超过0.01的信度要求,部分台站即使未达到0.01信度要求,也达到了0.05信度要求。其次是华北北部和西北地区东部以及东北的部分台站,雨强日变化也较明显,大部分信度达到0.05,少数台站达到0.01。而华北南部、淮河流域、长江中下游地区雨强日变化最不明显,只有个别台站达到了0.05信度要求。2.4最大一公里雨强分布的估计值按水文学的理论,重现期指的是某种事件在长时间的试验里重复出现的时间间隔平均数,常表述为多少年出现一次(多少年一遇)。通过(5)式计算得到了我国50年一遇、100年的最大一小时雨强分布的估计值(图7)。由图7可见,我国50年、100年一遇最大一小时雨强的分布趋势是一致的,其中五十年一遇的一小时雨强最大的高值区在东南沿海一带,一小时雨强为80~120mmh-1左右;其次是长江中下游和淮河流域,五十年一遇的一小时雨强可以达到80mmh-1以上。百年一遇最大一小时雨强的高值区在东南沿海一带,百年一遇的一小时雨强可达100~150mmh-1,其次是长江中下游和淮河流域,黄河中下游和华北平原的部分地区也较高,百年一遇的一小时雨强为80~100mmh-1。3分钟雨强的极大值(1)对于大于4mmh-1的较强雨强而言,出现大雨强频数最多的地区夏季主要在我国南部沿海地区。统计结果表明,华北北部的一小时雨强极大值有40-50mmh-1,华北平原和黄河下游的个别地区甚至达到80~9