深圳多年降水變化規(guī)律和雨島效應(yīng)分析

陳申鵬

（深圳市氣象局，深圳市國家氣候觀象臺，深圳 518040）

0 引言

在全球氣候變化和城市化的雙重影響下，城市降雨及其空間分布正在發(fā)生變化。王艷嬌等[1]分析了中國不同區(qū)域的降水年代際變化特征，發(fā)現(xiàn)華南地區(qū)降水呈增加趨勢，且階段性變化明顯；袁金南等[2]分析了廣東熱帶氣旋及其降水的年代際變化特征，發(fā)現(xiàn)廣東熱帶氣旋降水存在峰值為25 a左右的振蕩周期；伍紅雨等[3]的研究發(fā)現(xiàn)，華南降水存在年雨日明顯減少、雨強明顯增大的變化趨勢。雨島效應(yīng)方面，于淑秋[4]、鄭祚芳等[5]對北京地區(qū)降水變化的研究表明，城市化快速發(fā)展對區(qū)域降水有增幅效應(yīng)，但這種效應(yīng)有限，不足以改變降水量的大尺度變化趨勢，北京地區(qū)天氣過程強（澇年）時，雨島增強，天氣過程弱（旱年）時，雨島減弱甚至消失；曹琨等[6]對上海雨島效應(yīng)及其變化的研究表明，上海雨島效應(yīng)主要存在于汛期，非汛期雨島較弱或無雨島，21世紀上海城區(qū)、郊區(qū)降水較20世紀80年代、90年代波動變小，考慮到與工廠煙塵治理和城市綠化導(dǎo)致的城市熱島和云凝結(jié)核因素受抑制有關(guān)；陳圣劼等[7]對南京的研究表明，城市化進程對一般性降雨的城郊差異影響較小，卻使城區(qū)夏季暴雨和短時強降水等災(zāi)害性降水事件明顯加強。

以往的研究主要集中于北京、上海、南京等傳統(tǒng)大城市，尚無針對深圳雨島效應(yīng)的專門研究。深圳作為改革開放的前沿城市，40 a來創(chuàng)造了我國乃至世界城市發(fā)展的奇跡，從一個邊陲小鎮(zhèn)發(fā)展成一個超大型的國際化大都市，城市化率達到100%，而且深圳采用組團式的規(guī)劃和發(fā)展策略，與傳統(tǒng)大城市“攤大餅”的格局有本質(zhì)區(qū)別，因而研究快速城市背景下深圳的降水變化規(guī)律及其機制，有其特別的意義。

1 深圳多年降水變化分析

深圳國家基本氣象站逐年降雨量和11 a滑動平均降雨量變化如圖1所示。由圖1可見，深圳多年雨量呈振蕩變化，存在小幅的增多趨勢，但并不顯著（未通過0.1的顯著性水平檢驗），特別是自20世紀90年代以來，降水的增多與平均氣溫上升趨勢高度一致。從11 a滑動平均曲線來看，20世紀50年代后期、70年代中后期和90年代后期出現(xiàn)三個峰值，60年代中后期、80年代中后期和21世紀0年代中后期出現(xiàn)三個谷值，呈現(xiàn)一定的周期變化（注：深圳國家基本氣象站于2006年遷站，為客觀反映城市化影響，2006年之后仍采用原站址數(shù)據(jù)，下同）。

圖1 深圳逐年累計雨量及11 a滑動平均雨量以及逐年平均氣溫 Fig. 1 Annual accumulated and 11-year moving average precipitation and annual average temperature in Shenzhen

1.1 降水年際波動

逐年降雨量年際變化規(guī)律并不明顯，但若以深圳國家基本氣象站多年氣候平均雨量為基準，以年雨量偏多（或偏少）25%或以上為偏澇（或偏旱）年，得到深圳每個年代偏澇（偏旱）年數(shù)分布；并對深圳1970年以來各個年代分別做年降水量標準差，并除以相應(yīng)的算術(shù)平均值，得各年代年降水量的變異系數(shù)，以反映降水年際波動。結(jié)果如表1所示。

由表1可見，深圳1990年以來偏澇年明顯增多，偏旱年也略有增多，年際旱澇變化增大，變異系數(shù)也反映出20世紀90年代和21世紀00年代深圳降水量年際波動較大，其中21世紀00年代波動最大。這與曹琨等[6]的研究結(jié)果一致，即城市化可能增加了極端降水事件出現(xiàn)的概率?？紤]主要是大氣中云凝結(jié)核濃度變化導(dǎo)致了這種降水年際波動的年代際差異，分析如下：

表1 深圳逐年代偏旱、偏澇年數(shù) Table1 Inter-decadal numbers of dry year and flood year in Shenzhen

經(jīng)濟同樣高速發(fā)展的21世紀00年代，深圳降水年際波動卻有所減小，兩個年代的主要差異是灰霾日數(shù)（圖2）。20世紀90年代深圳灰霾日數(shù)增加趨勢明顯，在21世紀00年代中期達到峰值，導(dǎo)致21世紀00年代成為深圳灰霾最多的10年，2010年后隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，深圳灰霾明顯減少減輕。PM2.5數(shù)據(jù)積累較少，從2011年以來數(shù)據(jù)看，深圳年均PM2.5濃度與灰霾日的下降趨勢高度一致，大致可以推斷21世紀00年代也是深圳PM2.5等云凝結(jié)核濃度最高的年代。充足的云凝結(jié)核在多雨年份有利于降水的進一步增多，在少雨年份卻稀釋了本來就稀缺的水汽，起到抑制降水的作用，直接的結(jié)果就是使降水年際波動增大。有關(guān)文獻[8-10]也表明，豐富的云凝結(jié)核在水汽缺乏的情況下會降低云滴相互碰并進而減小雨滴形成和降水效率，但在水汽充足情況下則具有增進從云滴到雨滴和降水轉(zhuǎn)化的作用，形成任國玉等[11]所歸納的“貧者愈貧，富者愈富”的效應(yīng)。

圖2 深圳1980年以來逐年灰霾日數(shù)及2011年以來逐年P(guān)M2.5平均濃度 Fig. 2 Annual haze days since 1980 and annual average PM2.5 concentration since 2011 in Shenzhen

1.2 降水強度變化

根據(jù)Trenberth等[12]的分析，氣溫每升高1 ℃，降水強度約可以增加7%。做深圳及周邊東莞、惠陽、中山三市的11 a滑動平均氣溫和平均雨強（雨量/降雨日）的散點圖（圖3），發(fā)現(xiàn)各市雨強隨平均氣溫的升高都呈現(xiàn)不同程度的增強趨勢，呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)（均通過0.01的顯著性水平檢驗）。但從增加幅度來看，氣溫每升高1 ℃，雨強增加10%左右，惠陽的增加幅度甚至達到了20%，大于Trenberth僅考慮熱力因素的增幅，這反映除熱力因素外，還存在其他因素（如上文提到的云凝結(jié)核）造成降水強度增幅。

2 深圳雨島效應(yīng)分析

選取近10 a（2008—2017年）全市數(shù)據(jù)較完整的87個自動氣象站，參考文獻[13]的做法，用深圳87個站10年的降水量（記為Rij，i=1,2,…,87，j=1,2,…,10）數(shù)據(jù)，對87站年降水量（或某特定時段、級別降水量）做平均，得到深圳多年降水量序列（記為Rj），它的多年平均記為Rm，定義局地降水距平百分率為：DRij=（Rij-Rj）/Rm。對DRij在j方向上做平均，得到87個自動站局地降水距平百分率的多年平均值，進一步得到深圳近10 a的城市雨島圖。

依次對全年、前汛期、后汛期和非汛期降雨量進行上述處理，得到不同時段的熱島分布圖（圖4）。

圖3 深圳及周邊各市11a滑動平均氣溫和雨強散點圖（a）深圳；（b）東莞；（c）惠陽；（d）中山 Fig. 3 Scattered plots of 11-year moving average temperature and rainfall intensity in Shenzhen and surrounding cities(a) Shenzhen; (b) Dongguan; (c) Huiyang; (d) Zhongshan

圖4 深圳近10 a（2008—2017年）不同季節(jié)雨島分布圖（單位：%）（a）全年；（b）前汛期；（c）后汛期；（d）非汛期 Fig. 4 Rain island distribution in different seasons of Shenzhen in recent 10 years (2008—2017)（unit: %）(a) whole year; (b) pre-flood season; (c) latter flood season; (d) non-flood season

從全年來看，深圳有3個城市雨島中心，主要位于中、東部，分別為羅湖區(qū)北部及其以北的龍崗區(qū)西部坂田、布吉、吉華、南灣、橫崗等街道，坪山區(qū)西部碧嶺、馬巒街道，以及大鵬新區(qū)北部葵涌、大鵬街道。中部的雨島中心與深圳夏季城市熱島中心（圖5）大致重合，說明該雨島中心的形成與城市熱島有關(guān)；東部的雨島中心主要位于東部山區(qū)的北側(cè)，主要由山地抬升所致。

圖5 深圳夏季城市熱島分布圖（a）和地形圖（b） Fig. 5 Urban heat island distribution in summer (a) and topographic map (b) of Shenzhen

前汛期主要雨島中心位于東部的大鵬半島，另兩個雨島中心明顯減弱，主要系前汛期降水中季風(fēng)降水（即俗稱的“龍舟水”）占了很大比重，這種大范圍持續(xù)性降水容易受地形影響，導(dǎo)致降水中心集中于深圳東部山區(qū)。后汛期主要的雨島中心位于中部，強度和范圍明顯超過全年，主要系后汛期以臺風(fēng)、東風(fēng)波等熱帶系統(tǒng)和局地?zé)釋α鹘邓疄橹?，因此受局地的熱力對流及氣溶膠等影響顯著。非汛期則中、東并重，三個雨島中心位置與全年基本一致，說明深圳非汛期降雨分布受地形和城市化的影響均較明顯，這與曹琨等[6]上海非汛期雨島較弱或無雨島的結(jié)果有所不同。

3 暴雨與深圳降水時空變化

根據(jù)文獻[14]，將一段時間內(nèi)不同等級降水量在總降水量中所占比例定義為該等級降水的降水量負荷。對深圳國家基本站（1953—2017年共65 a，下同）降水數(shù)據(jù)分析表明，深圳暴雨以上降水的降水量負荷在40%左右，小于暴雨以下降水（非暴雨）的降水量負荷（圖6）。下面分析暴雨和非暴雨降水對深圳雨量年際變化和空間分布的貢獻。

圖6 深圳逐年暴雨和非暴雨雨量百分比面積堆積圖 Fig. 6 Percentage area accumulation map of annual precipitation of heavy rain and rainfall of other grades in Shenzhen

3.1 暴雨對深圳降水年際變化的影響

計算深圳國家基本氣象站多年暴雨和非暴雨雨量的相關(guān)統(tǒng)計值得出表2。由表2可見，雖然暴雨降水量負荷小于非暴雨，雨量年際波動卻遠遠大于非暴雨；暴雨量與逐年總雨量的相關(guān)系數(shù)高達0.86，也明顯高于非暴雨量與逐年總雨量的相關(guān)系數(shù)（0.56）。此外，深圳多年暴雨降水量負荷和年總雨量呈顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.62，通過0.01的顯著性水平檢驗），偏澇年暴雨降水量負荷均高于偏旱年，平均值分別為47.7%和26.2%。這充分說明了暴雨是深圳雨量年際變化的決定性因素，總體上雨量越多的年份，不僅暴雨的總量越大，暴雨量占比也越高。

表2 深圳多年雨量（暴雨量、非暴雨量）統(tǒng)計分析 Table 2 Statistical analysis of Shenzhen’s precipitation(heavy rain and rainfall of other grades)

3.2 暴雨對深圳雨島分布的影響

參照第2節(jié)中的雨島分析方法，分別對近10 a暴雨和非暴雨雨量做雨島分布圖（圖7）。由圖可知，深圳暴雨雨島分布與總雨量雨島分布基本一致，但強度更強，區(qū)域分布極不均勻，非暴雨雨島不明顯，這說明暴雨是深圳雨島的主要貢獻者。

4 結(jié)論

1）深圳年雨量呈振蕩變化的型式，不同年代雨量年際波動不同，21世紀00年代波動最大，2010年以來有所減小。

圖7 深圳近10a（2008—2017年）不同量級降水雨島分布圖（單位：%）（a）暴雨；（b）非暴雨 Fig. 7 Rain island distribution with different grades of precipitation in Shenzhen in recent 10 years (2008—2017)（unit: %）(a) heavy rain; (b) rainfall of other grades

2）深圳降雨年際波動主要和環(huán)境空氣質(zhì)量變化伴隨的云凝結(jié)核變化有關(guān)；深圳及周邊城市降水強度增大，既有熱力因素，也有熱力之外的因素。

3）城市化和地形共同決定了深圳主要雨島中心位于中部和東部，其中前汛期地形抬升對降雨的增幅明顯，導(dǎo)致雨島主要位于東部山區(qū)，后汛期降雨分布受城市化影響較大，導(dǎo)致雨島中心主要位于中部，與夏季熱島中心基本重合。

4）暴雨在深圳的降水量負荷小于非暴雨，卻是深圳降雨量時空分布的主要決定因素，不僅影響著降雨年際變化，也對雨島分布起著決定性作用。