贵州区域性暴雨过程的定量化评估及气候特征

许 丹，张东海

(贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002)

暴雨是影响贵州夏半年的主要灾害性天气。每年因夏季风爆发时间和强弱不同，加上中高纬度冷空气的活动差异，暴雨年际变化大。在全球变暖背景下，水循环加剧，贵州强降雨频发，持续的极端强降雨事件及短历时强降水增多，加上其特殊的地质、地貌，强降水及其诱发的城乡积涝、山洪、地质灾害突出，如2020年6—7月和9月贵州长时间的持续强降雨，暴雨洪涝灾害重，对人们生产生活、生命财产造成了很大的损害。贵州是长江、珠江上游地区的重要生态屏障，喀斯特地貌发育充分，生态环境脆弱、暴雨地质灾害频繁[1]。关于贵州暴雨气候特征有一些研究，运用国家站和区域站分析了2020年汛期不同时间尺度暴雨日数的分布特征[2]；
贵州1963—2011年总雨日、小雨日、中雨日、大雨日整体都呈减少趋势，而暴雨日却呈一定的增加趋势[3]。暴雨日受副高不同特征指数的影响，每年分布特征均不同[4]。这些研究主要基于单站暴雨日数的空间分布及其变化，但对区域性暴雨过程的定量化评估及气候特征未见到相关研究和系统的全面分析。目前在贵州气候监测业务中仅对区域暴雨日进行评估，对暴雨过程的综合强度和年度雨涝特征没有一个客观定量的方法评估，而这是贵州区域暴雨客观定量评估、决策气象服务及防汛抗灾的迫切需要。近年来，国家及省级开展的暴雨过程综合评估基本上是从过程持续时间、暴雨范围及强度评估暴雨过程综合强度[5-10]，本文利用贵州84个气象站的日降水资料，首先定义贵州区域性暴雨过程的划分标准，在此基础上，根据暴雨过程的持续日数、暴雨范围、平均暴雨量等3个指标建立贵州区域性暴雨过程综合强度评估，进一步构建雨涝年景指数，分析1961—2020年贵州区域暴雨过程、强度、雨涝年景指数气候特征及变化趋势，为贵州客观定量的暴雨评估业务和服务提供技术支撑。

1.1 资料

采用贵州省84个气象观测站点1961—2020年逐日降水资料，数据来源于贵州省气象信息中心。

1.2 指标及定义

参考气预函〔2019〕63号文件及相关标准、文献[10-12]，确定本文采用的指标及定义如下：

单站暴雨日指单个气象站日降水量(日降水量的日界为北京时前一日20时至当日20时，下同)≥50 mm的降水日。

区域性暴雨日指贵州84个气象站中，不低于6站出现单站暴雨日。

区域性暴雨过程指区域性暴雨日持续日数>1 d及以上的过程。

区域性暴雨过程的开始日(结束日)指区域性暴雨过程的第1个(最后1个)区域性暴雨日。以过程结束日期所在月统计过程发生频次。

区域性暴雨过程的持续时间指区域性暴雨过程的开始日至结束日之间的日数。

区域性暴雨过程的平均暴雨量指暴雨过程中平均每天每个暴雨站点的降水量。

区域性暴雨过程的平均影响范围指暴雨过程中平均日暴雨站数。

1.3 综合强度评价指标

参考气预函〔2019〕63号文件对区域性暴雨过程综合强度定量化评估方法，以区域性暴雨过程的平均强度、平均影响范围和持续时间作为区域性暴雨过程的评估指标。

(1)

式中，Z为某次区域性暴雨过程的综合强度指数，Ia为区域性暴雨过程的平均暴雨量；
Aa为区域性暴雨过程的平均范围；
T为区域性暴雨过程的持续时间。

按照1.2中区域性暴雨过程的定义，对1961—2020年统计得出的721次贵州区域暴雨过程进行逐次评估，得到逐次区域暴雨过程的综合强度指数Z序列。采用百分位数法，计算Z序列的第50、第80和第95百分位数作为临界阈值划分出4个等级，将区域性暴雨过程综合强度划分为一般、较强、强和特强4个等级(详见表1)，评估暴雨过程的等级。

表1 区域性暴雨过程综合强度划分等级和标准

1.4 雨涝年景指数

由于每年季风强度和环流系统的差异，各年暴雨过程次数和强度年际差异大，本文在暴雨过程综合强度评估的基础上构建了雨涝年景指数，以客观定量反映贵州雨涝的年度总体特征。雨涝年景指数为累加一年内强度达强等级以上的区域性暴雨过程综合强度的标准化值与其等级的乘积。这个雨涝年景指数综合考虑了强以上区域性暴雨过程的次数和强度，由此得到1961—2020年的雨涝年景指数序列。

以1961—2020年逐年雨涝年景指数60 a序列为样本，以第10、第30、第70和第90百分位数作为临界阈值划分出5个等级(表2)

表2 雨涝年景指数划分等级和标准

1.5 分析方法

主要采用线性趋势、滑动平均等统计方法对暴雨的气候特征进行统计分析。

2.1 过程次数的变化特征

2.1.1 年际及年代际变化 统计表明，1961—2020年贵州共发生721次区域暴雨过程，平均每年12.0次，但存在明显的年际和年代际变化(图1)。2015年最多达20次，2014、1987、1983、1979、1967年次之为17次，1961年最少仅4次。计算1961—2020年贵州年降水系列与年区域性暴雨过程次数系列的相关系数为0.51，达到0.001显著性水平，说明区域性暴雨过程次数与年降水量密切相关，基本能反映年降水的变化，区域性暴雨过程次数多(少)的年份，年降水也呈多(少)，但两者的历史排位并不是一一对应关系。如2015年暴雨过程最多，年降水量为历史第5高位，2020年暴雨过程与多年持平，年降水量为历史最多。近60 a来，贵州区域性暴雨过程年次数以0.4次/10 a的速率呈弱的上升趋势，未达到0.05显著性水平，增加趋势不显著。从年区域暴雨过程次数的逐年演变曲线(图1)看到，20世纪60年代前期偏少不到10次，逐渐上升到1967年的峰值17次，之后在波动中下降到1973年的低谷7次后逐步上升，70年代中后期偏多，80年代波动较大，90年代总体偏多，21世纪初相对较少，近10 a暴雨过程相对较多。从每10 a平均年区域暴雨过程次数变化可知，20世纪60年代、80年代和21世纪00年代较少，分别为10.9次、11.5次、11.4次；
20世纪70年代、90年代和21世纪10年代较多分别为12.3次、12.6次和13.4次。

图1 1961—2020年贵州区域性暴雨过程次数

2.1.2 月际变化 贵州近60 a各月区域性暴雨过程次数(图2)统计，区域性暴雨过程3—11月均有出现，除5次过程跨月发生外，其余均是月内发生。以6月的223次(30.9%)最多，平均为3.7次/a，其次是7月149次(20.7%)，平均为2.5次/a，5月128次(17.8%)，8月92次(12.8%)，3月出现最少，仅有2次。区域性暴雨过程主要出现在汛期5—9月，共发生648次，占区域性暴雨总次数的89.9%，月发生比率为10.2%～30.9%，其他月份10、11、3和4月共发生73次，仅占区域性暴雨总次数的11.1%。从区域性暴雨过程的季节分配看，夏季最多464次，春季次之149次，秋季最少128次，分别占64.3%、20.7%、15.0%。由此可见，贵州区域性暴雨过程具有典型的季风气候特征，每年随着5月中旬前后南海季风的爆发，南方暖湿水汽输送加强，暴雨过程增加，尤其在6月中旬—7月中旬，随着东亚夏季风的推进，贵州处于梅雨锋西段，特别有利于贵州的降水，暴雨过程最为集中，几乎一半以上的暴雨都发生在该时期。

图2 贵州省1961—2020年月区域性暴雨过程次数和平均强度指数

2.2 综合强度的变化特征

2.2.1 平均暴雨量、平均影响范围和持续时间特征 每次暴雨过程由于其影响范围、持续时间和降水强度不同，带来的影响也不同。从影响范围来看，区域性暴雨过程的平均影响范围多为6～19站，共有571次，占总数的79.0%；
暴雨站数在20～29站、30～39站、40～49站、50～59站的过程次数分别为99次、36次、10次和5次，分别各占13.7%、5.0%、1.4%和0.7%；
暴雨站数在20站以上的过程占总数的21.0%。1996年7月1—3日的区域暴雨过程范围最广，暴雨站数高达54站，64%的县(市、区)出现暴雨。从持续时间来看，贵州区域性暴雨过程的持续天数一般为1～5 d，其中持续天数以1 d最多，为571次，占79.2%；
持续天数2 d、3 d、4 d、5 d 的过程分别为115次、24次、10次和1次，各占16.0%、3.3%、1.4%、0.1%；
持续时间最长为5 d，发生在1979年6月23—27日，这是贵州持续时间最长的区域暴雨过程。从平均暴雨量来看，区域性暴雨过程平均暴雨量多为60～80 mm，共425次，占总数的50.8%；
80～90 mm共109次，占总数的15.1%；
90～100 mm共32次，占总数的4.4%；
100 mm以上仅9次，占总数的1.2%；
50～60 mm共46次，占总数的6.4%。单站平均最大暴雨量为116.1 mm，出现在1986年7月17日。

贵州区域性暴雨过程单站最大日降水量多为100 mm以上，共450次，占总数的62.4%，其中单站最大日降水量100～199.9 mm的过程最多，达416次，占总数的57.7% ；
其次是200～299.9 mm，有33次，占总数的4.6%；
单站最大日降水量超过300 mm的过程仅1次，占总数的0.1%。近60 a来，单站日降水量最大达307.4 mm，出现在都匀(2000年6月8日)，单站最大累积降水量439.4 mm，出现在江口(1995年6月30日—7月2日)。

2.2.2 不同等级区域性暴雨过程统计 根据式(1)计算得到贵州721次区域性暴雨过程每次的综合强度指数，将区域性暴雨综合强度等级分为4级：1级(一般)，2级(较强)，3级(强)，4级(特强)，计算得到弱等级区域暴雨过程362次，占总次数的50.2%；
较强等级215次，占总次数的29.8%；
强等级109次，占总次数的15.1%；
特强等级35次(表3)，占总次数的4.9%。2020、2017、2014、2000、1999、1996、1995和1964年共8 a出现了2次以上特强区域性暴雨过程，2020年特强暴雨过程最多达3次，其中2次出现在9月，秋汛严重。

表3 贵州1961—2020年特强区域性暴雨的过程统计

续表3

根据贵州省灾害大典及气候评价、暴雨灾害风险普查收集的暴雨灾情，表3中的特强区域暴雨过程大多造成重大的经济损失和人员伤亡。评估贵州最强的暴雨过程出现在2014年7月14—17日，这次过程中暴雨以上86站次，大暴雨以上30站次，特大暴雨以上4站次，均为历史第1，单站平均暴雨量95.9 mm，单站最大累积降水量424.2 mm，日平均暴雨范围21.5站，综合强度指数889.3；
评估贵州综合强度指数排名第2位的暴雨过程出现在1996年7月1—3日，暴雨以上68站次，大暴雨以上23站次，特大暴雨以上3站次，单站平均暴雨量98 mm，单站最大累积降水量300.2 mm，日平均暴雨范围22.7站，综合强度指数808.7；
评估贵州综合强度指数排名第3位的暴雨过程出现在1991年7月8—11日，暴雨以上78站次，大暴雨以上13站次，特大暴雨以上1站次，单站平均暴雨量83.5 mm，单站最大累积降水量426.3 mm，日平均暴雨范围19.7站，综合强度指数737.5。

2014年7月14—18日多地遭遇持续强降雨，造成47个县(市、区)遭受洪涝灾害，灾情严重，受灾人口178.28万人，因灾死亡7人，失踪3人。黔东南黄平两岔河水库3号副坝出现溃坝险情，紧急转移近15万名群众；
沪昆铁路水害严重导致列车停运；
全省农业遭受重创，农作物受灾十万五千多公顷，绝收一万多公顷，各地农田垮塌损毁严重。1996年7月1—3日连续性致洪暴雨，全省受灾县市区有76个，受灾面涉及103个乡镇、13 079个村、1241.38万人(成灾744.29万人)；
贵阳市甲秀楼桥面过水1.5m，市区大部分地区供水、供电，市政设施毁坏，70%工矿企业受灾停产，铁路、公路因塌方、泥石流、滑坡造成运输中断，省农作物受灾面积71.88万hm2，成灾面积48.16万hm2，绝收面积8.76万hm2。全省死亡416人，受伤15 910人，全省经济损失达157亿元，其中农业经济损失64.4亿元，被列为13个重灾省之一。评估结果与灾情一致，说明区域暴雨过程综合强度指数能客观、全面地评估贵州区域暴雨过程。

图3为贵州不同等级区域性暴雨过程发生次数的演变图。从近60 a的长期变化趋势看，一般性暴雨过程呈略微减少趋势，较强暴雨过程呈略微增加趋势，强、特强暴雨过程分别以0.34次/10a和0.113次/10a的速率呈增加趋势，且强暴雨过程的增加趋势通过0.05的信度检验，特强暴雨过程的增加趋势通过0.1的信度检验，说明极端强降水事件增加。

图3 1961—2020年贵州区域性暴雨过程不同等级发生次数

2.2.3 综合强度月际变化特征 统计1961—2020年的区域性暴雨综合强度，近60 a的各月平均强度指数(图2)得到，区域性暴雨强度指数变化明显，最高出现在7月(强度指数310.9)，其次为6月(285.6)，第3为8月(254.2)，强度指数超过250以上月份均出现在5—9月，主要为贵州的汛期，而非汛期的3—4月、10—11月强度指数均<250，最弱出现在3月，其次是4月，10月是非汛期中强度指数最大的。区域性暴雨过程次数6月最多，7月强度指数最大，次数和强度峰值出现的月份不同。

2.2.4 过程强度和次数的年代际变化 各年代出现区域性暴雨过程不同等级次数和比例见表4。由表可知区域性暴雨过程等级和强度年代际变化明显，区域性暴雨过程发生总次数在21世纪10年代最多13.4次，20世纪90年代次之12.6次，20世纪60年代最少10.9次。区域性暴雨综合强度指数在20世纪90年代最大，其次是21世纪10年代，第三是21世纪00年代，最弱是20世纪70年代，2010年以来较21世纪00年代强度明显加强。

表4 各年代不同等级区域性暴雨过程出现次数和比例

近60 a，发生各等级区域性暴雨过程的比例在各年代也存在明显差异。强、特强等级区域性暴雨过程发生的比例在20世纪90年代最大，其次是21世纪10年代，一般等级发生的比例在20世纪70年代最多，较强等级发生的比例在20世纪60年代、21世纪00年代最多，可见，21世纪10年代强、特强等级区域性暴雨过程增多明显，说明极端的区域暴雨事件呈显著增加趋势，年代际变化分析得到和前面分析相一致的结果。

2.2.5 年、季最大的区域性暴雨过程综合强度变化 图4为年、季最大区域性暴雨过程综合强度演变图。由图可知，1961—2020年贵州年最大过程综合强度变化速率为17.1/10 a，总体呈增加趋势，阶段性特征较明显：20世纪60—80年代总体偏小，90年代开始偏大，21世纪00年代偏小，近10 a波动中上升，2014年最强。近60 a，共有24 a的年最大区域性暴雨过程综合强度大于多年平均值，其中有14 a出现在20世纪90年代以后；
1961—1990年、1991—2020年的年最大过程综合强度平均值分别为431.1、512.6，后者比前者偏大，说明20世纪90年代后最大的区域性暴雨过程综合强度增强。

图4 年、季最大区域暴雨过程综合强度变化

各季历年最大区域性暴雨过程综合强度变化有差异，秋季呈显著增加趋势，变化速率为17.4/10 a，通过0.01的显著性检验；
春季、夏季变化速率分别为5.4/10 a、19.4/10 a，未通过显著性检验。夏季最大区域性暴雨过程综合强度与年最大区域性暴雨过程综合强度的变化特征较相似。春季最大区域性暴雨过程综合强度总体呈上升趋势，20世纪60—90年代总体偏小，21世纪开始年际波动较大。秋季最大区域性暴雨过程综合强度在20世纪60年代—21世纪00年代总体偏小，21世纪10年代开始在波动中上升，10 a中有7 a在平均值以上，其中2020、2019和2014年为近60 a秋季最大区域性暴雨过程综合强度前3位，这和20世纪90年代、21世纪00年代秋雨明显减少，近10 a又明显增加是一致的。

2.3 雨涝年景指数年际和年代际变化特征

根据1.4节贵州雨涝年景指数定义，计算了1961—2020年逐年贵州雨涝年景指数变化(图5)。可见，雨涝年景指数存在明显的年际和年代际变化，最大的7 a依次为2014年(50.2)、2020年(41.7)、1996年(38.9)、1999年(35.0)、1995年(33.2)、2000年(30.0)、1991年(28.0)，最小为1961、1962、1965、1966、1969、1975、1981、2006、2016年共9 a，未出现强以上等级暴雨过程。

图5 1961—2020年逐年贵州雨涝年景指数变化

近60 a来，贵州雨涝年景指数以(2.625/10 a)的速率上升(趋势系数0.30)，达到0.05显著性水平，增加趋势显著，20世纪90年代初雨涝年景指数由之前偏弱转为之后的偏强，20世纪90年代以来发生极端雨涝的情况明显增多，雨涝指数最大的7 a都发生在1990年以后。雨涝强年，均出现造成重大社会影响或严重经济损失和人员伤亡的极端区域性暴雨过程，洪涝灾害重。雨涝弱年常常是大旱年，雨涝灾害轻，这与贵州灾害大典和2000—2020年《贵州省防灾减灾年鉴》记录的事实基本一致。雨涝指数最大的2014年出现17次区域性暴雨过程，高于多年平均5次，强以上等级过程7次，区域暴雨日25次(历史最多)，累计出现2县次特大暴雨、51县次大暴雨、216县次暴雨，其中8个县(市、区)的日降水量突破历史极值，主汛期5—9月降雨量达1007.5 mm，是1961年以来的第4高位。雨涝指数第2大的2020年贵州共出现12次区域性暴雨过程，与多年平均持平，区域暴雨日22日，为1961年以来历史同期第4高值，83县(市、区)出现暴雨423站次，其中特大暴雨2站(江口、惠水)、大暴雨51站次，丹寨出现11个暴雨日为最多；
最大日降水量为6月24日惠水的215.4 mm，最大小时降水量为6月12日的正安县碧峰镇的163.3 mm。2020年全年暴雨站日及降水量(1448.3 mm)均为1961年以来的历史之最，历史上单日暴雨影响范围最广、强度最重的一次过程也发生在2014年9月6日。雨涝指数第3大的1996年出现20次区域性暴雨过程，高于多年平均5次，区域暴雨日20次，历史第6高值，主汛期5—9月降雨量达980.9 mm，是1961年以来的第6高位。这里需要说明的是，1992年贵州伏旱重，但雨涝指数不小的原因是由于前期6—7月上旬降水集中，有3次强等级以上暴雨过程，且1992年10月又出现1次特强暴雨过程。

通过计算得到1996—2020年的贵州雨涝年景指数与贵州直接经济损失(资料来源贵州省应急厅)的相关系数为0.49，达到0.05显著性水平。说明2个系列相关显著，即贵州雨涝年景指数与实况灾损吻合，能客观定量反映贵州雨涝的年总体特征。2014年雨涝年景指数最大，暴雨洪涝灾害重，在全国属重灾省份，因灾转移安置人口达到79万人次，是近10年来因灾转移安置人数最多的一年，因洪涝灾害造成的直接经济损失高达182亿元，是近60 a来的最高值，暴雨洪涝灾害造成的直接经济损失占到总损失量的91%。2020年全省因暴雨洪涝造成88 县(市、区)1191个乡镇340.0万人不同程度受灾，因灾死亡(失踪)34人、紧急转移安置人口26.3万人次；
农作物受灾面积14.95万hm2，其中绝收面积3.27万hm2；
倒塌房屋(937 户)3000 间，损坏房屋6.8万间；
直接经济损失73.7亿元。1996年汛期暴雨洪涝灾害重，贵阳市、凯里市及10多个县城被淹，全省84个县受灾，其中重灾45个县，特重灾29个县，毁坏房屋31.7万间，死亡511人，直接经济损失高达99亿元。

①1961—2020年贵州区域性暴雨过程共出现721次，平均每年12.0次，但存在明显的年际和年代际变化。2015年最多达20次，1961年最少仅4次。近60 a来，贵州区域性暴雨过程年次数以0.4次/10 a的速率呈弱的上升趋势，但增加趋势不显著。20世纪60—80年代较少，90年代较多12.6次，21世纪00年代偏少11.5次，21世纪10年代最多13.4次。

②区域性暴雨过程3—11月均可发生，主要出现在汛期5—9月，占区域性暴雨总次数的89.9%，其中6—7月最为集中。6月出现最多223次，7月次之149次，3月最少仅有2次。

③区域性暴雨过程的影响范围多为6～19站，占总数的79.0%，20站以上的过程占总数的21.0%，范围最大的过程暴雨站数达54站。区域性暴雨过程的持续天数为 1～5 d，以1 d最多，占79.2%，2 d以上占20.8%，持续时间最长为5 d。平均暴雨量多为60～80 mm，最大为116.1 mm。

④近60 a来，不同等级强度暴雨过程的长期变化趋势存在差异。强、特强暴雨过程呈显著增加趋势，较强暴雨过程呈略微增加趋势，一般性暴雨过程呈略微减少趋势，说明极端的区域暴雨事件呈显著增加趋势。

⑤近60 a来，贵州年最大区域暴雨过程综合强度总体呈增加趋势，阶段性特征较明显，20世纪60—80年代总体偏小，90年代开始总体偏大。夏季与年最大区域性暴雨过程综合强度的变化特征较相似，秋季最大区域性暴雨过程综合强度近10 a上升趋势明显。

⑥近60 a来，贵州雨涝年景指数呈显著增加趋势，20世纪90年代初雨涝年景指数由之前偏弱转为之后的偏强，2014、2020、1996、1999、1995、2000、1991年7个强雨涝年都发生在1990年以后，与历史上洪涝灾害一致。