近60 a 黔東南汛期夜間和白天各級雨日數非均勻性分析

周智暉 , 張艷梅 , 楊勝忠 , 張 超

（1.貴州省從江縣氣象局，從江 557500；2.貴州省氣象臺，貴陽 550000；3.貴州省黔東南州氣象局，凱里 556000）

引 言

隨著全球氣候變暖，降水變化研究已成為氣候變化和災害等領域關注的焦點之一。當前，降水研究已由過去單一對降水量分析轉為對降水量與雨日數綜合分析，并取得了一系列研究成果。多項研究[1-7]均指出中國年雨日數已經明顯減少，雨日數減少比降水量減少更明顯，且雨日數長期趨勢變化存在明顯的空間差異等。伍紅雨等[8]分析發現降雨日數與降水頻率有著密切關系，雨日數能反映降水在時空分布上的均衡情況和區域特征。段春鋒等[9]、于俊偉等[10]研究表明云貴高原夏季夜雨現象明顯。王夫常等[11]、張博等[12]、胡迪等[13]均研究指出中國西南地區降雨多發生在凌晨及下午時段，尤以四川盆地夜間降水量多于白天的“夜雨現象”備受關注。鄧海軍等[14]、安彬等[15]還對中國九大流域晝夜降水量、降水日數、降水強度以及對總降水量的貢獻率進行了分析。

黔東南地處云貴高原向湘桂丘陵盆地過渡地帶，位于西南地區東南部，境內溝壑縱橫、山巒延綿，海拔落差大，水系發達，特殊的地理位置和脆弱的生態條件，使得氣象災害及其次生災害易對當地造成嚴重影響。例如，1996 年6 月1 日黃平縣夜間發生暴雨洪澇災害，平均降水量高達182 mm，造成32 人死亡；2000 年6 月21 日榕江縣發生暴雨洪澇災害，夜間和白天的平均降水量分別為74.7 mm 和48.1 mm，造成直接經濟損失34000 多萬元；2015 年5 月27 日雷山縣夜間降水量高達163.4 mm，暴雨洪澇導致縣城區、1 個城鎮及5 個鄉村被淹，直接經濟損失達70594.75萬元；2022 年6 月4 日榕江縣暴雨導致的山體滑坡造成高鐵列車脫軌?？梢?，黔東南汛期夜間、白天強降水的確對當地農業、水電、交通、生態環境等造成了巨大危害。黔東南汛期（4—9 月）總降水量占全年降水量的72.7%，主導全年降水量的變化，夜間降水又占汛期總降水量的55.9%，白天降水為44.1%，夜間和白天降水存在明顯時間和空間上差異。目前，黔東南地區降水變化規律研究多集中在年、季、月、日等時間尺度上，對汛期中夜間和白天各級雨日數的時間尺度、區域、時段等非均勻性分析還不多見。因此，本文選用1961—2020 年黔東南16 個國家氣象站逐日降水資料，對汛期晝夜各級雨日數非均勻性分布特征進行分析，旨在加深對黔東南汛期降水時空演變規律的認識，并為氣象防災減災及決策氣象服務提供科學參考。

1 資料與方法

本文選取1961—2020 年共60 a 黔東南地區16個國家氣象站汛期（4—9 月）日間（20 時—次日20 時）、夜間（20 時—次日08 時）、白天（08—20 時）的逐日降水資料，利用周邊氣象站資料對缺測數據進行修訂或插值處理，統計出日間、夜間和白天小—中雨（0.1～24.9 mm）、大雨（25.0～49.9 mm）、暴雨（50～99.9 mm）、大暴雨（降水量≥100.0 mm）等各級雨日數時間序列，采用EOF 分析、多項式擬合、線性趨勢等方法進行時空特征分析。

參考魏鐵鑫等[16]對水汽貢獻率的定義，夜間（白天）各級雨日數貢獻率計算公式如下：

式中：Q夜（Q白）表示為夜間（白天）雨日數貢獻率，n夜（n白）為夜間（白天）雨日數，N日間為日間雨日數。

2 結果分析

2.1 貢獻率分布特征

圖1 給出了夜間和白天各級雨日數對日間各級雨日數貢獻率的空間分布。小—中雨日數（圖1a、e），夜間貢獻率為78.7%（鎮遠）～85.7%（丹寨），白天為76.3%（從江）～83.2%（錦屏），夜間和白天各站的貢獻率相差不大；大雨日數（圖1b、f），夜間貢獻率為46.0%（三穗）～56.6%（劍河），白天為32.9%（岑鞏）～45.6%（天柱），夜間大雨日數貢獻率略大于白天，夜間西南部的貢獻率最大，白天東部的貢獻率最大；暴雨日數（圖1c、g），夜間貢獻率為31.1%（三穗）～65.7%（丹寨），白天為14.8%（黃平）～27.8%（天柱），夜間各站暴雨日數貢獻率均大于白天，而夜間西部的貢獻率最大，白天東部仍有一定貢獻率；大暴雨日數（圖1d、h），夜間貢獻率為13.3%（施秉）～66.6%（三穗），白天除岑鞏、施秉、鎮遠、黃平、凱里、三穗、從江未出現大暴雨外，其余地區的貢獻率為4.8%（雷山）～25.0%（臺江）。

圖1 近60 a 黔東南夜間（a～d）和白天（e～h）各級雨日數對日間各級雨日數貢獻率空間分布（a、e.小—中雨，b、f.大雨，c、g.暴雨，d、h.大暴雨，單位：%）

綜上可知：夜間和白天各站小—中雨日數貢獻率相差不大；夜間大雨日數貢獻率略大于白天，而西南部夜間貢獻率最大，白天東部貢獻率最大；暴雨日數夜間貢獻率均大于白天，西部夜間貢獻率最大，白天東部仍有一定貢獻率?？梢?，黔東南汛期夜間強降雨主要集中在西部，白天集中在東部，各站各級雨日數分布不均勻特征明顯。

2.2 異常分布特征

為了弄清黔東南汛期夜間和白天各級雨日數的異常變化特征[17]，分別對夜間和白天除大暴雨（大暴雨日數極少）以外的各級雨日數進行EOF 分解，并給出了前兩個空間模態（圖2）。如圖2a～c 所示，夜間小—中雨日數載荷向量絕對大值區集中在中部一帶，模態對總方差貢獻率為69.3%；夜間大雨日數載荷向量絕對大值區主要在西北部，方差貢獻率為30.7% ；夜間暴雨日數載荷向量絕對大值區主要在東部，方差貢獻率為19.5%。如圖2d～f 所示，白天小—中雨日數載荷向量絕對大值區主要在西北部，方差貢獻率為72.3%；白天大雨日數載荷向量絕對大值區在東部和西部，方差貢獻率為 21.2%；白天暴雨日數載荷向量絕對大值區主要在西南部，方差貢獻率為16.3%。從第二模態載荷向量分布來看，各級雨日數分布有明顯不同。如圖3a～c 所示，夜間小—中雨日數，東北部載荷向量為負值，其余為正值，載荷向量正負中心絕對大值相當，方差貢獻率為5.5%；夜間大雨日數，中部以南載荷向量為正值，中部以北為負值，載荷向量絕對正值中心大于絕對負值中心，方差貢獻率為9.7%；夜間暴雨日數，中部以西和東部載荷向量為正值，中部以北為負值，正負中心絕對值相當，方差貢獻率為10.9%。如圖3d～f 所示，白天小—中雨日數，西南部和東北部載荷向量為正值，其余大部地區為正值，正負載荷向量絕對大值相當，方差貢獻率為4.5%；白天大雨日數，西南部為負值，其余地區為正值，正負中心載荷向量絕對值相當，方差貢獻率為11.4%；白天暴雨日數，中部以北的載荷向量為負值，其余地區為正值，正負中心絕對值相當，方差貢獻率為14.4%。

圖2 近60 a 黔東南汛期晝夜各級雨日數EOF 分解的第一模態分布（a、夜間小—中雨；b、夜間大雨；c、夜間暴雨；d、白天小—中雨；e、白天大雨；f、白天暴雨，陰影表示荷載向量絕對大值區）

圖3 同圖2，但為第二模態

分析EOF 分解前兩個異?？臻g模態可知：黔東南夜間和白天各級雨日數的次區域特征存在明顯差異，在同一大尺度天氣系統控制下，夜間和白天各級雨日數表現為一致的同位相變化；其中，臺江夜間小—中雨日數、凱里夜間大雨日數、三穗夜間暴雨日數、黃平白天小—中雨日數、天柱白天大雨日數、丹寨白天暴雨日數均對應載荷向量大值，說明這些區域雨日數易發生異常變化。黔東南西部位于苗嶺山脈的南側，是西南氣流迎風坡，受西南低空急流夜間增強而白天減弱的顯著影響[18]，為多雨區；北部位于武陵山脈南側的背風坡，苗嶺山脈的北側，受焚風效應影響，為少雨區；東部的劍河、錦屏、黎平三縣交界處為青山界山脈，山脈東側地勢相對平坦，有弱冷空氣從東北路徑入侵時，海拔相對較低區域的天柱、錦屏、三穗等縣與青山界山脈有地表溫差，溫度梯度較大有利于產生對流天氣，為多雨區；南部區域是北面系統的背風坡，是南面系統的迎風坡，多為臺風、南支波動系統影響，造成南部雨日數多于北部?？梢?，正是黔東南地區復雜地形和天氣影響系統的共同作用，導致汛期夜間和白天各級雨日數表現出明顯的地理分布不均勻性。

2.3 年際變化

為了揭示不同變量的長期變化趨勢，對汛期中夜間和白天各級雨日數第一時間系數序列進行6 次多項式擬合處理。分析可知：黔東南地區夜間小—中雨日數年際波動起伏變化較為平緩，白天年際起伏較大，1961—1985 年為偏多期，1986—2019 年為偏少期，進入2020 年后為偏多期（圖4a）；大雨日數夜間和白天年際波動趨勢相對一致，年際波動起伏變化基本趨于平緩，2020 年后均為偏多期（圖4b）；夜間暴雨日數年際波動起伏較大，1965—1970 年、1986—2004 年以及2015—2020 年均為偏多期，1970—1985 年和2005—2014 年為偏少期，白天暴雨日數年際波動變化相對平緩，進入2010 年后有所增加（圖4c）；夜間大暴雨日數年際波動起伏較大，1961—1990 年處于偏少期，1991 年以后為偏多期，而白天年際波動起伏相對平緩，1970—2000 年處于偏少期，其余時段波動起伏較小，2017 年之后夜間和白天大暴雨日數開始明顯增多（圖4d）。

圖4 近60 a 黔東南汛期夜間和白天各級雨日數年際變化及多項式擬合（a.小—中雨，b.大雨，c.暴雨，d.大暴雨）

從以上分析可以看出，白天小—中雨日數、夜間暴雨日數和大暴雨日數的年際波動起伏較大，這與汛期旱年和澇年有較大關系，夜間和白天大雨以上日數在2010 年之后明顯增多，表明汛期夜間和白天各級雨日數年代際變化規律具有一定相似性，但變化幅度又有所不同。

2.4 月際變化

圖5 給出了黔東南16 站平均的各級雨日數逐月分布。如圖5a 所示，夜間小—中雨日數呈線性減少分布，4 月最多（231 d/a），9 月最少（120 d/a）；白天為單峰型分布，6 月最多（191 d/a），9 月最少（120 d/a）；尤其4—5 月夜間小—中雨日數比白天多，6—9 月夜間比白天少。如圖5b 所示，夜間和白天大雨日數均為單峰型分布，峰值期有所不同，5 月夜間最多（16 d/a），6 月白天最多（11 d/a），9 月夜間最少（4 d/a），4 月白天最少（2 d/a）；其中4—6 月夜間比白天多，7—9 月夜間比白天少。如圖5c 所示，夜間和白天暴雨日數均為單峰型分布，峰值期各不相同，6 月夜間最多（7 d/a），7 月白天最多（3 d/a），9 月夜間最少（1 d/a），4 月白天最少（0.2 d/a）；夜間各月暴雨日數均比白天多。如圖5d所示，夜間和白天大暴雨日數均為單峰型分布，峰值期各不相同，近60 a 夜間6 月累計最多（55 d），6 月和7 月白天均最多（6 d），4 月未出現過大暴雨過程。

圖5 黔東南16 站平均的各級雨日數逐月分布（a.小—中雨平均日數，b.大雨平均日數，c.暴雨平均日數，d.大暴雨累計日數）

可見，黔東南地區汛期晝夜各級雨日數月際的峰值期分布各不相同，夜間和白天極端強降水事件均集中在6—7 月，夜間各級雨日數在各月均比白天多，夜間大雨日數比白天偏多31.3%，暴雨日數偏多57.1%、大暴雨日數偏多81.7%?？偟膩碚f，黔東南汛期各月夜間強降雨特征更加顯著。

2.5 線性趨勢變化

表1 給出了近60 a 黔東南16 縣市汛期夜間和白天各級降雨日數線性傾向率。如表所示，黔東南夜間和白天小—中雨日數呈明顯的線性減少趨勢，傾向率分別通過0.01 和0.05 水平的顯著性檢驗；夜間和白天大雨、暴雨及大暴雨的雨日數均呈線性增多趨勢，但趨勢并不顯著。分析夜間各級雨日數線性趨勢可知：小—中雨日數，施秉、鎮遠、三穗、臺江、天柱、錦屏減少趨勢均通過0.01 水平的顯著性檢驗，麻江、雷山、黎平、榕江減少趨勢通過0.05 水平的顯著性檢驗；暴雨日數，榕江增多趨勢通過0.01 水平的顯著性檢驗，天柱增多趨勢通過0.05 水平的顯著性檢驗；大暴雨日數，榕江增多趨勢通過0.01 水平的顯著性檢驗，臺江和雷山增多趨勢通過0.05 水平的顯著性檢驗。分析白天各級雨日數線性趨勢可知：小—中雨日數，施秉、黃平、三穗減少趨勢通過0.01 水平的顯著性檢驗，鎮遠、丹寨、黎平、錦屏減少趨勢通過0.05 水平的顯著性檢驗；大雨日數，三穗和天柱增多趨勢通過0.05 水平的顯著性檢驗；暴雨日數，岑鞏增多趨勢通過0.01 水平的顯著性檢驗，施秉和鎮遠增多趨勢通過0.05 水平的顯著性檢驗。

表1 近60 a 黔東南16 縣市汛期夜間和白天各級雨日數線性傾向率（單位：d/10 a）

根據上述分析，黔東南地區夜間和白天小—中雨日數變化均呈顯著減少趨勢，大雨日數、暴雨日數、大暴雨日數等卻呈增多趨勢，尤其部分站點的夜間暴雨日數和大暴雨日數增多趨勢更為顯著。

2.6 周期變化

諧波分析[19-20]是用來識別和提取時間序列周期項的方法，從不規則的振動曲線中分離出若干振幅和位相不同的簡諧波，以便逐個分析其統計規律與特征。為了研究近60 a 黔東南汛期晝夜各級雨日數的周期變化特征，本節利用諧波分析法分析了EOF 分解第一模態對應的時間系數序列，計算得出各項諧波分析參數。如表2 所示，夜間小—中雨、大雨、暴雨、大暴雨日數的顯著周期分別為2.9 a、4 a、2.4 a、2.2 a。如表3 所示，白天小—中雨日數的顯著周期為20 a，大雨日數的顯著周期為2.5 a、15 a，暴雨日數的顯著周期為2.5 a、3.3 a，大暴雨日數的顯著周期2.5 a、3.8 a；晝夜各級雨日數的顯著周期與觀測值的相關性均通過0.01 水平的顯著性檢驗。

表2 近60 a 黔東南汛期夜間各級降雨日數的諧波分析參數

表3 同表2，但為白天

綜上可知：夜間各級雨日數只有一個顯著短周期變化；而白天各級雨日數包含1～2 個顯著周期，其中小—中雨日數為顯著長周期變化，大雨日數既有短周期又有中周期顯著變化，暴雨和大暴雨日數均有2 個短周期顯著變化。

3 結論

本文選取1961—2020 年黔東南16 個國家氣象站逐日降水資料，運用EOF 分解、多項式擬合、線性趨勢、諧波分析等方法，分析了汛期（4—9 月）日間、夜間和白天各級雨日數時空演變的非均勻性特征，得到以下主要結論：

(1）近60 a 黔東南地區汛期夜間和白天小—中雨日數、大雨日數、暴雨日數、大暴雨日數的時空特征均呈非均勻性變化。夜間大雨以上貢獻率比白天大，且夜間西南部大雨以上的貢獻率為最大，白天各級日數貢獻率大值中心各不相同。在同一大尺度天氣系統控制下，晝夜各級雨日數的變化規律基本一致。臺江夜間小—中雨、凱里夜間大雨、三穗夜間暴雨、黃平白天小—中雨、天柱白天大雨、丹寨白天暴雨易出現異常變化。黔東南夜間和白天各級雨日數的次區域特征存在明顯差異，地理分布不均。

(2) 汛期晝夜各級雨日數年代際變化規律具有一定相似性，但幅度有所不同。白天小—中雨日數、夜間暴雨日數和大暴雨日數的年際波動起伏較大，晝夜大雨以上日數在2010 年之后明顯增多。汛期夜間各月各級雨日數均比白天多，其中暴雨日數偏多57.1%，大暴雨日數偏多81.7%，夜間強降雨特征更加顯著。汛期晝夜各級雨日數月際峰值期存在差異，但極端強降水事件均集中發生在6—7 月。

(3) 夜間和白天小—中雨日數均呈線性顯著減少趨勢，傾向率分別通過0.01 和0.05 水平的顯著性檢驗；夜間和白天大雨、暴雨、大暴雨等雨日數均呈線性增多趨勢，部分站點夜間暴雨或大暴雨增多趨勢分別通過0.01 和0.05 水平的顯著性檢驗。

(4) 汛期晝夜各級雨日數的周期變化各不相同，其顯著周期變化與觀測值的相關性均通過0.01 水平的顯著性檢驗；夜間各級雨日數為一個顯著短周期變化，而白天各級雨日數有1～2 個顯著周期變化；白天小—中雨日數為顯著長周期，大雨日數既有短周期又有中周期顯著變化，暴雨和大暴雨日數均有2 個短周期顯著變化。