引言

伴随着全球气候的变暖，21世纪以来极端天气气候事件频繁发生，给人类的生产、生活带来了严重影响，给社会经济发展造成了重大损失(Solomon et al., 2007)。在这些极端天气气候事件中，大范围、高强度暴雨的影响尤为显著(Stocker et al., 2014)。因此，众多专家学者开展了暴雨的天气学特征分析(陶诗言等，1979；丁一汇，1993；倪允琪和周秀骥，2004)，暴雨的气候学特征分析（鲍名和黄荣辉，2006；林建和杨贵名，2014；陈栋等，2015)以及暴雨的中尺度特征分析(寿绍文等，1990；陈炯等，2013；赵玉春，2014)等方面的研究。

安徽省阜阳市位于淮河流域中上游地区，地处亚热带和暖温带的过渡区，季风气候显著、气象灾害繁多。尤其是2001年以来，安徽省阜阳市暴雨频繁发生，2003年、2005年及2007年连续出现严重的暴雨洪涝灾害(魏凤英和张婷，2009)。多年来，已有一些学者对淮河流域暴雨的天气气候特征做了富有成效的研究，但研究主要集中在暴雨过程的环流形势、高低层配置、地形影响(矫梅燕等，2006；刘娟等，2009；易军等，2015)以及暴雨的年代际和年际的变化(谢五三和王胜，2010；于文金和郝玲，2012；叶金印等，2013)等方面，相对来说，对于暴雨季节变化气候特征和趋势的分析涉及较少。而在暴雨与环境条件关系方面，以往的研究大都从天气学的角度，开展基于个例或多个例对应分析，揭示暴雨发生的环境条件特征，并应用于实际预报业务中(陶诗言，1977；李博等，2008；毕宝贵等，2016)，而从气候学角度的分析则相对偏少，且环境条件的选取常为大尺度环境条件(魏凤英和张婷，2009；刘倪和叶金印，2014；杨明等，2015)，对于暴雨与对流条件对应关系的气候统计则极为少见。近年来，已有学者逐步开展暴雨与对流条件对应关系气候统计方面的工作，这些工作拓展了对流条件在气候尺度统计分析方面的应用，也取得了一些富有意义的成果，并指出暴雨偏多年代的大气对流条件较其他时段明显偏好(陈晓光等，2007；刘蕾等，2014；刘蕾等，2018)。但在以上已有的少量研究中，更多的则是侧重于暴雨偏多年代与偏少年代对流条件的对比，对于暴雨与对流条件气候趋势的对应依然未曾涉及。另外在环境条件的气候统计方法上，基本都以月、季平均数据开展气候趋势分析，由于暴雨产生的直接系统通常为中小尺度系统，基于月、季平均值统计方法难以有效反映利于中小尺度系统发展的对流条件变化情况。因此本文试图通过分析1962—2016年安徽省阜阳市暴雨的年代际、年际和季节变化特征，并将阈值统计方法引入到气候趋势统计中，进一步对比暴雨频次和对流条件的气候变化趋势特征，以期能够更为准确地反映出该地区暴雨的气候变化特征及与对流条件的长期对应关系，加深对本地区暴雨发生、发展的认识，为进一步提升暴雨的预报预测能力提供支撑。

1 资料及方法 1.1 资料说明

使用资料包括安徽省阜阳市6个国家级气象观测站点日降水观测资料，以及NCEP/NCAR日平均、水平分辨率2.5°×2.5°的再分析资料(包括温度、相对湿度、大气可降水量和垂直速度)。资料时段均为1962年1月1日—2016年12月31日，共计55 a。

1.2 分析方法

(1) 站点日降水量大于等于50 mm定义为1个暴雨日，暴雨频次为暴雨日之和，暴雨量为暴雨日降水量之和，安徽省阜阳市暴雨频次和暴雨量为该市所辖6个站点的平均值；文中春季即为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季则为12—次年2月；年暴雨占比和年一般性降水占比是指年暴雨量或年一般性降水量对年总降水量贡献的百分比；降水集中指数(PCI)计算方法是根据De等(1997)提出的方法，其定义如下

$ P C I=\frac{\sum\limits_{i=1}^{12} p_{i}^{2}}{\left(\sum\limits_{i=1}^{12} p_{i}\right)^{2}} \cdot 100 $

(1)

其中，p_i为第i月的暴雨频次或暴雨量。

(2) 在暴雨的时间序列趋势分析中，采用线性倾向估计、相关分析和Mann-Kendall检验法(简称M-K检验法，下同)对暴雨的变化情况进行分析；在暴雨的季节分布中，采用了距平分析和百分位分析(箱线图)法。

(3) 根据稳定度条件、水汽条件和抬升条件，分别选取了K指数、大气可降水量PW和850 hPa垂直速度ω_{850 hPa}共计3个对流条件参数；利用双线性插值将NCEP/NCAR日平均再分析资料插值到安徽省阜阳市6个站点所对应的经纬度上，计算得出各站的对流条件参数，并取6个站点平均值代表安徽省阜阳市的对流条件参数值。

(4) 在暴雨频次与对流条件对应关系的分析中，引入了阈值统计方法，并与常规的气候平均值统计进行对比分析；通过参考以往安徽省阜阳市暴雨预报业务成果，3个对流条件参数其阈值分别设定为K≥35 ℃(阈值为日平均数据，下同)，PW≥60 mm，ω_{850 hPa}≤-0.08 hPa·s^-1。

2 暴雨的气候变化特征 2.1 暴雨的年代际及年际变化特征

图 1给出1962—2016年安徽省阜阳市年暴雨频次和暴雨量、M-K检验曲线和年暴雨占比、年一般性降水占比及年降水量的变化。由图 1a可知，安徽省阜阳市年暴雨频次和暴雨量均呈现出明显的增加趋势，增加速率分别为0.2 d·(10 a)^-1 (通过0.01显著性水平检验)和14.6 mm·(10 a)^-1 (通过0.01显著性水平检验)，年暴雨频次和暴雨量最多分别为5.1 d和428.9 mm，出现在2005年，最少分别为1.6 d和115.5 mm，出现在1975年。总体而言，暴雨在20世纪80年代中期以前变化较为平稳，之后至2008年暴雨逐步增多，2008年后又转为下降趋势。由图 1b可知，安徽省阜阳市暴雨有显著的上升突变，由UF和UB曲线的交点确定暴雨频次和暴雨量在1989年同步发生突变，随后暴雨频次在2000年、暴雨量在2001年先后突破显著性水平α=0.05的临界值，这也说明安徽省阜阳市暴雨存在明显的增加趋势。由图 1c可知，年暴雨占比和年降水量变化趋势具有一致性，均表现为明显的上升势态，两者相关系数达0.81(远超0.001显著性水平)，其中年暴雨占比气候倾向率为1.0 %·(10 a)^-1 (通过0.01显著性水平检验)，最大值出现在2005年为37.2%；而年一般性降水占比的变化则表现为下降趋势，由此可见导致年降水量增多的主要贡献来自于暴雨量的增多。

2.2 暴雨的季节特征

表 1给出1962—2016年安徽省阜阳市暴雨频次、暴雨量贡献率的季节分布。分析可知，暴雨在春季、夏季和秋季均可出现，冬季暴雨则极少发生；其中夏季最多，暴雨频次贡献率约占全年的73.8%，暴雨量为76.2%；其次是秋季，暴雨频次占13.8%，暴雨量占13.2%；再次为春季，暴雨频次占12.2%，暴雨量占10.4%。

图 2给出1962—2016年安徽省阜阳市暴雨频次、暴雨量的季节贡献率距平和集中指数的年际变化。分析可知，与暴雨的年际变化趋势不同，暴雨集中指数则无明显的气候变化趋势(暴雨频次和暴雨量集中指数的气候倾向率接近于0，且均未通过显著性水平检验)；在1963—1972年和1998—2007年有两个准10 a的高集中期，与之对应夏季暴雨贡献率处于相对较明显的正距平，而暴雨集中指数低值期则与秋季或春季的暴雨贡献率正距平相对应，可见夏季暴雨越多，暴雨集中指数越高。

图 3给出1962—2016年安徽省阜阳市暴雨频次和暴雨量贡献率逐月箱线图。分析可知，暴雨1—7月为逐渐增多趋势，7—12月转为逐渐减少的趋势，平均值呈现出单峰型倒抛物线分布特征，最大值的分布则呈现为三峰型的倒抛物线；暴雨主要发生在5—9月，暴雨频次和暴雨量贡献率分别占全年的91.0%和92.6%；集中发生在6—7月，暴雨频次和暴雨量贡献率分别占全年的57.6%和61.7%。具体来看，7月份暴雨贡献率最高，暴雨频次占36.0%，最多可占50.6%，而暴雨量则占37.4%，最多可占51.5%；其次是6月份，暴雨频次和暴雨量的贡献率分别为21.6%和24.3%，最大可分别占41.5%和46.4%。

3 暴雨与对流条件的关系 3.1 对流条件参数及阈值

对流条件主要包括三个方面，即稳定度条件、水汽条件和抬升条件，分别选取K、PW和ω_{850 hPa}共计3个对流条件参数。由于安徽省阜阳市暴雨主要发生在5—9月，本文重点讨论5—9月暴雨频次与对流条件参数之间的对应关系，并对比阈值统计方法与平均值统计方法的差异。

3.2 暴雨频次与对流条件参数的变化趋势

图 4给出1962—2016年5—9月安徽省阜阳市暴雨频次与K≥35 ℃日数、K平均值、PW≥60 mm日数、PW平均值、ω_{850 hPa}≤-0.08 hPa·s^-1日数和ω_{850 hPa}平均值的变化趋势。从图 4a可知，暴雨频次与K≥ 35 ℃日数阈值统计趋势，无论是年代际变化，还是年际波动，均具有很高的一致性，其气候倾向率分别为0.2 d·(10 a)^-1(通过0.01显著性水平检验)和1.6 d·(10 a)^-1(通过0.001显著性水平检验)，上升趋势显著，表 2显示两者相关系数达到0.59 (通过0.001显著性水平检验)。K平均值的变化趋势(图 4b)与暴雨频次明显上升趋势不同，K平均值年代际趋势变化不明显，但两者年际波动的对应依然较好，表 2显示两者的相关系数也达到0.41(通过0.01显著性水平检验)。从图 4c可知，PW≥60 mm日数的阈值统计趋势与暴雨频次的年代际变化也较为一致，均表现为明显的上升趋势，其气候倾向率为0.7 d·(10 a)^-1(通过0.05显著性水平检验)，年际波动除60年代中后期对应较差外，其余时段谷峰对应也较好，表 2显示两者相关系数达到0.32(通过0.05显著性水平检验)。图 4d给出PW平均值统计的情况，可以看出PW平均值的年代际变化表现为较显著下降趋势，其气候倾向率为-0.38 mm·(10 a)^-1(通过0.001显著性水平检验)，与暴雨频次年代际趋势明显相反；另外PW平均值的年际变化极小，没有明显的峰谷波动，其与暴雨频次的年际对应也很差，表 2给出两者相关系数仅为-0.02。从图 4e可知，与暴雨频次变化相同，基于阈值统计的ω_{850 hPa}≤-0.08 hPa·s^-1日数年际变化表现为较显著的上升趋势，气候倾向率达到0.8 d·(10 a)^-1 (通过0.001显著性检验)，年际谷峰变化与暴雨频次对应也较好，表 2显示两者相关系数为0.52(通过0.001显著性水平检验)。图 4f给出了ω_{850 hPa}平均值的统计趋势，可以看出其年代际表现为明显的下降趋势，气候倾向率为-0.001 hPa·s^-1·(10 a)^-1 (通过0.01显著性水平检验)，由于上升运动对应为负值，表 2显示其与暴雨频次的相关系数为-0.41(通过0.01显著性水平检验)，呈现出较好负相关关系。

3.3 暴雨异常年份对流条件参数特征

为进一步分析5—9月安徽省阜阳市暴雨频次异常年份同期对流条件的特征，本文以年暴雨频次标准化距平的绝对值1作为标准，来确定暴雨频次偏多、偏少年；偏多年为7 a，均分布在21世纪前10 a，偏少年为5 a，其中有4 a处在20世纪70年代。

表 3给出1962—2016年5—9月安徽省阜阳市暴雨频次偏多与偏少年份及对流条件参数特征。从表 3分析可知，阈值统计显示，暴雨偏多年份K≥35 ℃日数为20.9 d，PW≥60 mm日数为16.9 d，ω_850hPa≤-0.08 hPa·s^-1日数为14.5 d，较偏少年份分别偏多7.2 d (通过0.001显著性水平检验)、3.5 d (通过0.05显著性水平检验)和2.5 d (通过0.01显著性水平检验)；平均值统计结果显示，暴雨偏多年份K平均值为25.2 ℃，较偏少年偏高1.0 ℃ (通过0.001显著性水平检验)，ω_{850 hPa}平均值为-0.002 hPa·s^-1，较偏少年偏小0.007 hPa·s^-1(通过0.001显著性水平检验)，而PW平均值偏多年和偏少年无明显差异。

3.4 阈值统计与平均值统计的差异对比

由以上的对比分析可知，在反映暴雨频次与对流条件长期对应关系方面，无论是年代际及年际的对应或是暴雨频次异常年份的对应，阈值统计较平均值统计具有较明显的优越性。这里可以理解为暴雨作为一种极端降水天气，极端对流条件为暴雨的发生提供极为有利的孕育环境，阈值统计可以有效将极端对流条件过滤出来，而在平均值统计中则很可能被平滑消除。

因此基于阈值统计情况，可以认为总体上高不稳定、高水汽含量和良好动力抬升的对流条件非常有利于暴雨增多。具体来看，20世纪70年代中期以前，ω_{850 hPa}与暴雨频次对应最好，PW对应最差，几乎为反相位振荡，因此这一时期抬升条件在暴雨产生中起着主导性作用；20世纪70年代中期至90年中期，K和PW与暴雨频次的对应最好，这一时期暴雨的变化主要由稳定度条件和水汽条件决定；20世纪90年以后K与暴雨频次对应最好，其他2个对流条件表现为阶段性对应，因此这一时期，暴雨频次变化主要由稳定度条件决定。可见伴随着年代的变化，各对流条件对暴雨变化趋势的影响也亦有所不同。

另外，除抬升条件ω_{850 hPa}外，稳定度条件K和水汽条件PW在阈值统计和平均值统计中均存在差异。尤其是水汽条件PW平均值统计的年代际变化的结论与之前相关文献(刘园园等，2013；张娟等，2013)的结论较为接近，认为在PW年代际变化呈下降趋势的背景下，降水量增加主要由降水转化率上升导致；而阈值统计结论则可以给出另外一种可能，即虽然PW平均值年代际变化为下降趋势，但其极值的年代际变化却呈现出上升趋势，而暴雨作为一种极端降水天气显然更易在极端水汽条件下产生。

4 结论与讨论

(1) 近55 a安徽省阜阳市暴雨呈现出明显的增加趋势，年暴雨频次和暴雨量的增加速率分别为0.2 d· (10 a)^-1和14.6 mm·(10 a)^-1；M-K检验法显示，暴雨频次和暴雨量在1989年同步发生突变，并分别在2000年和2001年先后突破了显著性水平α=0.05的临界值；年暴雨占比和年降水量变化均表现为较为同步的上升趋势，年暴雨量的增多是年降水量增多的主要贡献者。

(2) 安徽省阜阳市暴雨主要发生在春末至秋初的5—9月，集中发生在夏季的6—7月，在冬季暴雨极少发生；夏季暴雨越多，暴雨集中指数越高；逐月分布显示，暴雨从1—7月为逐渐增多的趋势，7—12月转为逐渐减少的趋势，平均值和最大值分别呈现出单峰型和三峰型倒抛物线分布特征。

(3) 将阈值统计方法引入到对流条件的气候趋势统计中，相对于平均值统计，无论是年代际及年际的对应或是暴雨频次异常年份的对应，阈值统计均具有较明显的优越性，可更为有效地反映暴雨频次与对流条件的长期对应关系。

(4) 近55 a的5—9月阈值统计结果显示，稳定度条件K、水汽条件PW和抬升条件ω_{850 hPa}的年代际及年际变化与暴雨频次的变化具有很好一致性，均呈现出明显的上升趋势；对暴雨频次异常年份分析显示，偏多年与偏少年对流条件差异明显；因此高不稳定、高水汽含量和良好动力抬升的对流条件非常有利于暴雨增多，且随着年代的变化，各对流条件对暴雨变化趋势的影响有所不同。

除抬升条件ω_{850 hPa}外，稳定度条件K和水汽条件PW在阈值统计和平均值统计中均存在差异。尤其是水汽条件PW，相较于以往基于平均值统计的研究，阈值统计结论则可以给出另外一种可能，即尽管PW平均值的年代际变化为下降趋势，但其极值的年代际变化却呈现出上升趋势，而暴雨作为一种极端降水天气显然更易在极端水汽条件下产生。但产生这种较大差异的成因，仍有待进一步研究。