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  暴雨灾害   2019, Vol. 38 Issue (2): 177-182.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2019.02.010

短论

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2019.02.010

资助项目

上海市气象局科技开发项目(MS201812)

第一作者

徐伟, 主要从事气象预报与城市气候变化研究。E-mail:ovenxuwei@163.com

文章历史

收稿日期:2017-04-26
定稿日期:2017-11-07
近60 a上海金山地区暴雨的气候变化特征及暴雨雨量风险评估研究
徐伟1 , 杨晓月1 , 徐菁2 , 陆佳麟2 , 夏立1     
1. 上海市金山区气象局, 金山 201508;
2. 上海市浦东区气象局, 浦东 200135
摘要:利用上海金山站1959-2016年的逐日降水序列,采用突变检验、Morlet小波分析等方法,对近60 a金山地区暴雨的气候变化特征进行分析,并对暴雨雨量进行风险评估。结果表明:(1)近60 a来金山暴雨日数和暴雨强度分别呈缓慢和不显著的增加趋势,暴雨日数于1988年发生由"偏少到偏多"的突变;暴雨初日呈现逐年提前的趋势,20世纪90年代起金山进入暴雨早发期,21世纪以来暴雨终日呈现较明显的推后趋势。(2)台风暴雨的风险概率和致灾强度是最大的,其次是低压暴雨;暖区暴雨、静止锋暴雨、低压暴雨和台风暴雨的高风险水平分别为50~75 mm、50~75 mm、50~90 mm和50~100 mm,对应的风险概率为28.4%~100%、28.9%~100%、32.3%~100%和33.6%~100%。
关键词暴雨    气候特征    风险评估    金山    信息扩散    
Study on climate change characteristics of rainstorm and risk assessment of rainstorm rainfall in Jinshan of Shanghai in recent 60 years
XU Wei1 , YANG Xiaoyue1 , XU Jing2 , LU Jialin2 , XIA Li1     
1. Shanghai Jinshan Meteorological Bureau, Shanghai 201508;
2. Shanghai Pudong Meteorological Bureau, Shanghai 200135
Abstract: In this paper we study the climate change characteristics of rainstorm and risk assessment of rainstorm rainfall in Jinshan of Shanghai in recent 60 years with the daily rain data at Jinshan meteorological station from 1959 to 2016 by the methods of abrupt change test, morlet wavelet and so on. The results are as follows. (1) The rainstorm days had been increasing and rainstorm intensity had been increasing indistinctively in Jinshan in recent 60 years. The mutation of rainstorm days from low to high occurred in 1988. The first date of rainstorm had tended to occur early in the recent 60 years. Jinshan had been into the early occurrence stage of rainstorm since 1990s. The last date of rainstorm had tended to occur lately since the 21st century. (2) The risk probability and disaster intensity were the highest for typhoon rainstorm, followed by low pressure rainstorm. The high risk levels of warm sector rainstorm, stationary front rainstorm, low pressure rainstorm and typhoon rainstorm were 50-75 mm, 50-75 mm, 50-90 mm and 50-100 mm, respectively. The corresponding risk probabilities were 28.4%-100%, 28.9%-100%, 32.3%-100% and 33.6%-100%, respectively.
Key words: rainstorm    climatic characteristics    risk assessment    Jinshan    information diffusion    
引言

暴雨是上海常见的气象灾害,常导致城市内涝[1]。近年来,随着我国城镇化水平不断提高,暴雨导致的城市内涝无论是发生的频次、强度还是由此带来的损失均呈逐年增加趋势,暴雨已成为城市爆发频繁、危害严重的主要气象灾害之一[2],给城市带来了巨大的风险与损失[3]

暴雨灾害风险评估既可以为地区经济发展规划、农业产业结构调整和土地资源合理优化利用提供参考,也是政府部门制定具体防灾减灾措施的重要依据。上海在这方面取得了一定研究成果。谈建国等[4]在分析暴雨灾害成因基础上,针对影响上海市郊承受暴雨灾害能力的若干因子,构建了评价模型;尹占娥等[5]、耿焕同等[6]采用GIS技术研究了上海浦东和嘉定暴雨内涝灾害脆弱性;殷静等[7]采用模糊数学中的信息扩散方法,建立了上海暴雨风险分析的模型;史军等[8]利用时空过程分析法研究了暴雨积水与降水强度以及累积雨量的关系,建立了中心城区暴雨内涝的阈值指标。暴雨灾害风险评估结合暴雨气候诊断对于防灾减灾具有更好的指导意义。对中国暴雨年代际变化研究表明,1980年代后,除华北外,全国暴雨日数明显上升、强度增大[9]。自1986年以来,长江流域中下游地区的极端强降水出现显著增加趋势[10-11]。闫俊等[12]指出长三角暴雨日数1993年发生由“偏少到偏多”的突变。相对而言,针对上海暴雨个例的诊断研究较多[13-16],但对上海暴雨气候诊断方面研究相对较少。对上海暴雨年代际变化研究表明,1990年代以来上海地区降水强度有增强趋势,暴雨以上量级降水频次增多[17-18]。贺芳芳等[17]对不同天气型暴雨进行特征统计,结果表明上海静止锋暴雨最多,其次是暖区暴雨,另外,台风、台风切变、台风倒槽、低压、冷锋、暖锋和东风扰动形成的暴雨也占有一定的比例。

目前对上海不同区域暴雨气候变化特征的研究较少,同时针对上海不同天气型暴雨灾害风险评估方面的研究还未见报道。金山位于上海西南部,地势低洼,濒临杭州湾,更易受到偏南的系统(如台风、梅雨期静止锋等)影响而形成暴雨灾害。基于以上原因,本文利用长达60 a的数据对金山暴雨气候特征进行分析,并针对不同类型暴雨雨量采用信息扩散理论[19-21]进行风险评估,以期为金山暴雨天气预报、科学防灾减灾以及经济的可持续发展提供一定的科学依据。

1 资料与方法

采用金山站1959—2016年的逐日降水资料。日雨量(北京时20:00—20:00)用R表示,定义50 mm≤ R<100 mm为一个暴雨日,100 mm≤R<250 mm为一个大暴雨日,R≥250 mm为一个特大暴雨日。暴雨强度定义为年内暴雨日数的平均雨量。暴雨初(终)日定义为年内最早(最晚)出现暴雨的日期。暴雨发生期定义为年内暴雨初日至终日的日数。

基于信息扩散理论的风险评估方法是利用模糊数学中的信息扩散理论,认为气象灾害样本的一个单值信息可以扩散到整个气象灾害指标论域中的所有点,可以用以统计暴雨不同雨量的出现概率[22]。在暴雨雨量风险评估中,根据暴雨降水标准,考虑到计算精度要求,以5 mm为间距,则暴雨指数论域为:U={u1u2,…,un}={50,55,…,170},再计算得四类天气型暴雨的相关风险P(ui),具体计算步骤参见文献[22]

本文首先分析金山暴雨的气候变化特征,然后采用Morlet小波分析、Mann-Kendall突变检验、滑动t突变检验与Yamamoto突变检验[23]分析暴雨的周期变化,最后基于信息扩散理论对不同天气型暴雨雨量进行风险评估。

2 结果分析 2.1 暴雨日数和暴雨强度的年际、年代际变化与突变检验

1959—2016年金山共出现暴雨日数153 d,以暴雨为主(占86.9%),无特大暴雨。暴雨日数的年际变化差异大,最多的年份达10 d (1999年),有5个年份无暴雨发生(1968年、1973年、1975年、2003年、2004年)。图 1给出金山暴雨日数和暴雨强度的年变化与Mann-Kend⁃ all检验,从中可见,暴雨日数总体呈缓慢增长趋势,增长速率为0.32 d·(10 a)-1,线性倾向系数通过0.05的显著性水平检验;暴雨日数的Mann-Kendall检验显示,UFUB两条曲线在临界范围内多次相交,无法判断突变的发生(图 1a)。进一步采用滑动t检验与Yamamoto检验对突变点进行验证,当子系列的长度取5时,两种方法均检测到暴雨日数在1988年存在突变,其它情况下均未检测到突变点(图略)。由此可知,金山暴雨日数在1988年发生由“偏少到偏多”的突变。暴雨强度呈振荡变化,3个峰值为94.6 mm·d-1、110.9 mm·d-1、124.7 mm·d-1,分别出现在1963年、1984年、2008年;回归方程显示,其增长率为1.99 mm·d-1·(10 a)-1,但未通过显著性水平检验,表明暴雨强度增长趋势不明显(图 1b)。MannKendall检验、滑动t检验与Yamamoto检验表明,暴雨强度在1980年附近和1990年附近存在突变(图略)。

图 1 1959—2016金山暴雨日数(a, 单位: d)和暴雨强度(b, 单位: mm·d-1)的年变化与Mann-Kendall检验 Fig. 1 Annual variations and Mann-Kendall tests of (a) rainstorm days (unit: d) and (b) rainstorm intensity (unit: mm·d-1) in Jinshan from 1959 to 2016.

图 2给出金山暴雨日数和暴雨强度的年代际变化,从中可见,20世纪70年代为暴雨少发期,20世纪80、90年代为多发期,20世纪90年代暴雨日数之多创历史极值,21世纪00年代暴雨日数再次减少,21世纪10年代起再次进入多发期(图 2a)。20世纪60、70年代为暴雨强度减弱期,20世纪80年代暴雨强度明显增大,20世纪90年代暴雨强度再次减弱,21世纪00年代开始暴雨强度进入增强期(图 2b)。大暴雨的暴雨强度在20世纪60年代最大。暴雨强度和暴雨日数的相关系数为0.4,通过0.01的显著性水平检验,说明暴雨日数越多暴雨强度越大,20世纪90年代为异常年代。

图 2 1960—2016金山暴雨、大暴雨日数(a, 单位: d)和强度(b, 单位: mm·d-1)的年代际变化 Fig. 2 Interdecadal variations of (a) days (unit: d) and (b) intensities (unit: mm·d-1) of small rainstorms and large rainstorms in Jinshan from 1960 to 2016.
2.2 暴雨日数和暴雨强度周期性变化

为了更清楚地分析近60 a金山暴雨日数和暴雨强度变化规律的多周期性,图 3给出相应的Morlet小波变换和小波方差,从中可见,在暴雨日数的变化过程中主要存在着准28 a、准13 a和准5 a三类振荡周期(对应小波方差曲线的3个峰值),其中中期振荡周期在20世纪80年代前后从准10 a转变为准13 a,对应突变年在1988年(图 3ac);在暴雨强度的变化过程中主要存在准32 a以上、准19 a和准5 a三类振荡周期(对应小波方差曲线的3个峰值),其中中期振荡周期在20世纪90年代前后从准19 a转变为准15 a,对应突变年在1990年附近(图 3bd)。

图 3 金山暴雨日数(a, c)、暴雨强度(b, d)的Morlet小波变换(a, b)和小波方差(c, d) Fig. 3 (a, b) Morlet wavelet transforms and (c, d) wavelet variances of (a, c) rainstorm days and (b, d) rainstorm intensities in Jinshan.
2.3 暴雨日数月变化

图 4给出金山暴雨日数的月分布,从中可见,金山暴雨出现在2—11月,暴雨日数月分布呈现双峰型,两峰值分别出现在6月和8月。从季节(春季3—5月,夏季6—8月,秋季9—11月,冬季12—2月)分布上看,暴雨日数夏季最多(占比62%),秋季、春季次之(占比分别为24%和14%),冬季几乎没有。总体而言,金山暴雨始于冬末,终于秋末,集中分布在夏秋季和上海汛期(5—10月,占比为92%),多发于春末和夏中。

图 4 1959—2016金山暴雨日数的月分布(单位: d) Fig. 4 Monthly distribution of rainstorm days in Jinshan from 1959 to 2016 (unit: d).
2.4 暴雨初(终)日

图 5给出金山暴雨初、终日频次的月分布和暴雨初日提前或推后的年变化,从中可见,金山暴雨初日集中出现在春中至夏中,多发于6月,平均初日为6月13日;年终日集中在夏初至秋中,多发于9月,平均终日为8月17日(图 5a)。以平均初日为标准求各年初日提前或推后天数,20世纪60年代至今暴雨初日呈现逐年提前的趋势,约每10 a提前9.6 d (图 5b);Mann-Ken dall检验的突变年为1992年,20世纪90年代起金山进入暴雨早发期(图略)。以平均终日为标准求各年终日提前或推后天数,21世纪以来暴雨终日呈现较明显的推后趋势,约每10 a推后46.5 d,对应的暴雨发生期呈现增长趋势(图略)。

图 5 1959—2016金山暴雨初、终日频次的月分布(a)和暴雨初日提前或推后(单位: d)的年变化(b) Fig. 5 (a) Monthly distribution of frequencies of rainstorm beginning days and last days and (b) annual variation of advance or delay days (unit: d) of rainstorm beginning days in Jinshan from 1959 to 2016.
2.5 暴雨天气类型

由于观测资料有限,仅对1981—2016年暴雨进行分类,表 12分别给出1981—2016年金山不同强度和月份的各种天气型暴雨日数分布,从中可见,造成金山地区暴雨的主要天气系统为静止锋、暖区、低压和台风,其中静止锋暴雨日数最多,台风暴雨、暖区暴雨日数次之,低压暴雨日数最少。静止锋暴雨主要出现在6、7月份的梅雨期,其大暴雨日数共5 d,仅次于台风大暴雨日数,但出现概率较小。表 3为1981—2016年金山不同持续时间暴雨频数的分布,从中可见,静止锋暴雨持续2 d的有6次,持续3 d的有1次,均为四类天气型暴雨中最多,可见稳定大尺度系统利于暴雨的维持。台风暴雨是金山的第二大暴雨类型,表 45分别给出1981—2016年金山不同强度和月份的各种台风型暴雨日数分布,从中可见,金山台风暴雨以台风本体暴雨和台风倒槽暴雨为主,多出现在8、9月份。台风大暴雨日数为四类大暴雨类型中最多,说明台风更易造成极端降水。暖区暴雨多出现在6—8月份暖湿气流旺盛的夏季,由于暖区暴雨多由强对流引起,其出现大暴雨的概率较小,仅出现1次大暴雨。低压暴雨是金山第四大暴雨类型,4—9月均有出现。其产生的原因与季节有关,4—6月正是冷暖空气交替的过渡季节,长江流域一带锋区比较活跃,锋区上经常有气旋性涡度中心东移,促使江淮低压和长江口低压的生成;而7—8月虽是盛夏季节,但北方也常有弱冷空气南下与南方的强暖湿气流结合生成低压。低压暴雨均在单日内出现。虽然低压大暴雨仅1次,但其出现概率仅次于台风大暴雨。

表 1 1981—2016年金山不同强度的各种天气型暴雨日数分布(单位:d) Table 1 Distribution of rainstorm days of different intensities for different weather-types in Jinshan from 1981 to 2016 (unit: d).

表 2 1981—2016年金山不同月份的各种天气型暴雨日数分布(单位:d) Table 2 Distribution of rainstorm days of different months for different weather-types in Jinshan from 1981 to 2016 (unit: d).

表 3 1981—2016年金山不同持续时间暴雨频数的分布 Table 3 Distribution of rainstorm frequencies with different continuous time in Jinshan from 1981 to 2016.

表 4 1981—2016年金山不同强度的各种台风型暴雨日数分布(单位:d) Table 4 Distribution of rainstorm days of different intensities for different typhoon-types in Jinshan from 1981 to 2016 (unit:d).

表 5 1981—2016年金山不同月份的各种台风型暴雨日数分布(单位:d) Table 5 Distribution of rainstorm days of different months for different typhoon-types in Jinshan from 1981 to 2016 (unit:d).
2.6 暴雨雨量风险评估

图 6给出四类天气型暴雨雨量风险概率分布,从中可见,从暴雨雨量出现概率看,暖区暴雨、静止锋暴雨、低压暴雨和台风暴雨雨量分别为50~140 mm、50~ 145 mm、50~160 mm和50~170 mm,对应的高风险水平分别为50~75 mm、50~75 mm、50~90 mm和50~ 100 mm,风险概率分别为28.4%~100%、28.9%~100%、32.3%~100%和33.6%~100%。相同风险水平下,四类天气型暴雨的风险概率关系为:台风暴雨>低压暴雨>静止锋暴雨>暖区暴雨,在风险水平为85 mm时差异最明显,暖区暴雨、静止锋暴雨、低压暴雨和台风暴雨的风险概率分别为14%、20%、39.1%和50.2%。台风暴雨的风险概率和致灾强度是最大的,由于台风的不确定因素较多,可预报性较差,应更加重视。对上海15个区近50 a来台风灾情损失统计显示,金山区受灾严重,排名第四[25]。2013年10月7—8日受台风“菲特”影响,出现了连续2 d的暴雨天气,全区过程雨量普遍达到200~280 mm,导致河道水位创历史新高,多路段积水,农田受淹严重。低压暴雨风险概率和致灾强度仅次于台风暴雨。相对于大尺度系统,中小尺度的气旋系统更易造成极端灾害。

图 6 四类天气型暴雨雨量风险概率(P)分布 Fig. 6 Risk probability distribution of rainstorm rainfall for four kind weather types.
3 结论与讨论

基于上海金山站近60 a逐日降水资料,采用突变检验、Morlet小波等方法,研究了金山地区暴雨的气候变化特征,并基于信息扩散技术对不同天气型暴雨雨量进行风险评估,得到如下主要结论:

(1) 金山暴雨始于冬末,终于秋末,集中分布在夏秋季和上海汛期(5—10月),多发于春末和夏中。1959—2016年金山暴雨日数呈现缓慢增长趋势,增长率达0.32 d·(10 a)-1,20世纪90年代开始增长显著,突变年为1988年。降水强度主要以暴雨量级(50 mm≤R<100 mm)为主,呈不显著增长趋势,20世纪60、70年代为下降期,21世纪开始进入增长期。

(2) 暴雨日数和强度的年代际变化存在明显的周期振荡。在暴雨日数的变化过程中主要存在准28 a、准13 a和准5 a三类振荡周期,其中中期振荡周期在20世纪80年代前后从准10 a转变为准13 a;在暴雨强度的变化过程中主要存在准32 a以上、准19 a和准5 a三类振荡周期,其中中期振荡周期在90年代前后从准19 a转变为准15 a。

(3) 暴雨初日集中出现在春中至夏中,多发于6月,平均初日为6月13日;终日集中在夏初至秋中,多发于9月,平均终日为8月17日。1959—2016年暴雨初日呈现逐年提前的趋势,约每10 a提前9.6 d,90年代金山进入暴雨早发期,突变年为1992年。21世纪以来暴雨终日呈现较明显的推后趋势,对应的暴雨发生期呈现增长趋势。

(4) 形成金山暴雨的主要天气系统为静止锋、暖区、低压、台风。静止锋暴雨日数最多,台风暴雨、暖区暴雨日数次之,低压暴雨日数最少。暖区暴雨、静止锋暴雨、低压暴雨和台风暴雨的高风险水平分别为50~75mm、50~75mm、50~90mm和50~100mm,风险概率分别为28.4%~100%、28.9%~100%、32.3%~100%和33.6%~100%。

经分析比较可知,金山暴雨日数变化与长江中下游以及长三角地区暴雨日数变化特征基本一致[12, 24],金山暴雨强度变化特征与上海地区暴雨强度变化特征一致[17-18]。不同的是,上海暖区暴雨日数仅次于静止锋暴雨[17],而金山地区暖区暴雨日数偏少,原因与暖区暴雨的形成机制导致其多局部性发生有关[17],另外上海城市热岛作用、海风锋登陆位置[26]、东南海风造成午后西北内陆温度偏高等均可导致金山不易出现暖区暴雨。另外,金山四类天气型暴雨中台风暴雨的风险概率和致灾强度是最大的,在上海台风风暴潮灾害风险评估中金山也被划入了极高危险区[27],故台风灾害是金山防灾工作的重点关注对象。随着金山城市化发展导致热岛效应增强,可能会进一步增加区域性暴雨灾害风险,因此金山暴雨风险区划有待进一步研究。

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