2008—2017年深圳降水時(shí)空特征研究

0 引言

近年來，全球氣候變暖影響著全球的氣候條件，特別是降雨特征的變化。降雨時(shí)空的分布不均勻性，可能造成區(qū)域干旱或者季節(jié)性的水資源短缺[1]，這使得分析各地區(qū)降雨的時(shí)空分布特征顯得極為重要。深圳地處廣東省南部濱海地區(qū)，是中國(guó)高新技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)城市。氣候上，深圳屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，受低緯度熱帶天氣系統(tǒng)和中高緯度天氣系統(tǒng)的交替影響，天氣復(fù)雜多變。季風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流天氣和臺(tái)風(fēng)等極端天氣過程及其導(dǎo)致的次生災(zāi)害連年不斷，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，其中降雨災(zāi)害影響尤甚。因此，研究深圳地區(qū)降雨的時(shí)空分布意義重大。

目前關(guān)于國(guó)內(nèi)不同省份各個(gè)地區(qū)的降雨時(shí)空變化已有很多的研究[2-10]，陳峪等[2]研究了中國(guó)十大流域近40年降雨的時(shí)空演變特征，發(fā)現(xiàn)中國(guó)地區(qū)降雨分布不均，北方相對(duì)南方水資源缺乏，且年際變化較大。黃小燕等[3]分析了中國(guó)西北地區(qū)1960—2015年的大氣可降雨量變化特征，發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)近56年大氣可降雨量總體呈顯著增加，西北地區(qū)的大氣可降雨量與平均氣溫、相對(duì)濕度呈正相關(guān)，與平均風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。Shao等[4]分析廣東省降水時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)粵中地區(qū)年降雨量呈輕微下降趨勢(shì)，粵東、粵西地區(qū)呈輕微上升趨勢(shì)。2017年，鄭騰飛等[5]分析了廣東省地區(qū)分級(jí)降雨的特征演變，發(fā)現(xiàn)了大雨級(jí)別以上的高值主要集中在清遠(yuǎn)、陽(yáng)江、海陸豐三地中心。

有關(guān)深圳地區(qū)氣候時(shí)空變化的也有研究[11-17]，在時(shí)間分布方面，深圳降雨主要集中在4—9月[12]，并存在17～20a和5～7a的顯著準(zhǔn)周期[11]?？臻g分布方面，深圳市降雨存在東南地區(qū)向西北地區(qū)遞減特征[12]。雒翠等[11]分析了深圳市10個(gè)站點(diǎn)的降雨逐日數(shù)據(jù)，通過經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解方法分析得出1960—2016年降雨空間分布呈現(xiàn)兩種模態(tài)，一種是年降雨量總體呈現(xiàn)東南向西北方向遞減的趨勢(shì)，一種是年降雨量以塘朗山—清林徑水庫(kù)一線為界線呈東南與和西北相反的分布，兩種模態(tài)的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到87.3%。對(duì)于深圳降水量的演變特征，基于國(guó)家基本站的分析尚無定論。蔡偉源等[13]利用深圳市國(guó)家基本站1953—2015年的資料分析氣溫和降水的演變特征，發(fā)現(xiàn)降水日數(shù)呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。丁楠等[14]基于深圳國(guó)家基本站1961—2011年的逐日降水資料分析得到汛期降水量和非汛期降水量均為增加的趨勢(shì)，降水日數(shù)增加顯著。張恩潔等[15]分析1953—2004年深圳市國(guó)家基本站氣象資料得到深圳年降水天數(shù)明顯下降。降水量的趨勢(shì)變化在不同時(shí)間明顯不同，在前汛期降水量呈減少趨勢(shì)，后汛期降水量呈增加趨勢(shì)[16]。近20年，深圳汛期強(qiáng)降水有顯著增多[17]。

以往有關(guān)深圳地區(qū)的降水特征研究多是基于深圳國(guó)家基本氣象站單站的歷史數(shù)據(jù)，或是深圳地區(qū)稀疏的9～10個(gè)站點(diǎn)資料進(jìn)行時(shí)空降雨特征；尤其是，丁楠等[14]有關(guān)汛期降水趨勢(shì)分析結(jié)論與蔡偉源等[13]、張恩潔等[15]的研究結(jié)論不同，這可能是因?yàn)閮蓚€(gè)研究所取的時(shí)間段不同，而趨勢(shì)計(jì)算受個(gè)別年份的異常降水值影響導(dǎo)致。本研究將采用深圳市最近的十年觀測(cè)，2008—2017年深圳市78個(gè)自動(dòng)氣象站點(diǎn)的小時(shí)降雨數(shù)據(jù)，分析深圳市年、月降雨時(shí)空變化特征，降雨日數(shù)變化趨勢(shì)；利用國(guó)家基本站數(shù)據(jù)分析降水日內(nèi)變化特征。準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)深圳地區(qū)降雨時(shí)空變化及特征，對(duì)于深圳地區(qū)的防汛抗災(zāi)，水資源的有效利用，以及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展指導(dǎo)意義重大。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本研究使用2008—2017年深圳市自動(dòng)氣象站（automatic weather station，AWS）的小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)。深圳自動(dòng)氣象站的建設(shè)，從2008年的175個(gè)，逐漸發(fā)展到2017年的204個(gè)。篩選整理出10年內(nèi)每年的站點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)率均大于95%的站點(diǎn)，并且根據(jù)各季節(jié)的降雨值分布對(duì)站點(diǎn)的降雨數(shù)據(jù)做質(zhì)量檢驗(yàn)。最終確定了78個(gè)數(shù)據(jù)相對(duì)完整的站點(diǎn)，被選中的自動(dòng)站空間分布見圖1。圖中藍(lán)綠色點(diǎn)指示的是深圳10個(gè)行政區(qū)的降雨代表站，10個(gè)站信息見表1。

圖1 降雨數(shù)據(jù)相對(duì)完整的站點(diǎn)分布 Fig. 1 Distribution of stations with relatively complete precipitation data

表1 深圳10個(gè)行政區(qū)域代表氣象站信息 Table 1 The detailed information of the representative weather stations for the 10 administrative regions in Shenzhen

1.2 方法

1.2.1“ 臨近”站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)添補(bǔ)方法

對(duì)于所選取的數(shù)據(jù)完整率超過95%的78個(gè)氣象站，其缺失的數(shù)據(jù)仍需要補(bǔ)全?？紤]深圳地域存在山體丘陵，山兩側(cè)的降雨量會(huì)存在較大差異，本文針對(duì)缺失數(shù)據(jù)的添補(bǔ)采用臨近站點(diǎn)附加考慮高程信息的“鄰近”站點(diǎn)添補(bǔ)方法。相比于雒翠等[11]文中的臨近站點(diǎn)添補(bǔ)方法，更加準(zhǔn)確。

計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)相對(duì)于山脈同側(cè)，距離最近的3個(gè)站點(diǎn)，例如圖2中選取數(shù)據(jù)缺失站點(diǎn)B的“鄰近”站點(diǎn)，雖然A站距離B站最近，但其與B站在山脈的不同側(cè)，不能作為B站降雨數(shù)據(jù)缺失的參考補(bǔ)充站。C、D、E站是位于B站同側(cè)的三個(gè)站點(diǎn)，按照距離遠(yuǎn)近排序?yàn)镃、D、E。即如果B站數(shù)據(jù)有缺失時(shí)，第一次填補(bǔ)利用站點(diǎn)C的信息，填補(bǔ)后仍有缺失利用站點(diǎn)D的信息，以此類推。三次填補(bǔ)后仍然缺失的數(shù)據(jù)，充分利用國(guó)家基本站數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行添補(bǔ)。

圖2 深圳地區(qū)高程圖和確定站點(diǎn)B的“鄰近”站點(diǎn) Fig. 2 Elevation map of Shenzhen and the referred near stations for Station B

1.2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算與方法

利用添補(bǔ)完整的數(shù)據(jù)計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)各月降雨量，繪制各月的年際變化圖。通過各月的降雨量數(shù)據(jù)計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)近10年的各月平均降雨量，利用近10年各站點(diǎn)各月平均降雨量數(shù)據(jù)繪制深圳近10年各月平均的降雨空間分布圖。并對(duì)10年逐月的月降雨量進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF）[18]，分析月降雨的空間特征。此外通過國(guó)家基本站的小時(shí)數(shù)據(jù)研究深圳市各月降水的日內(nèi)變化特征。

利用添補(bǔ)完整的數(shù)據(jù)計(jì)算10個(gè)行政區(qū)域代表氣象站的10年降水變化趨勢(shì)，以及降水日的變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 降水時(shí)間演變特征

利用小時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算各站點(diǎn)的年降雨量，得到各站點(diǎn)降雨的年際變化箱體圖（圖3a），從圖3可以看出深圳78個(gè)站近10年的年平均降雨量為1863.9 mm，與深圳國(guó)家基本站10年的年平均降雨1847.3 mm基本吻合，且10年年降雨的變化趨勢(shì)與國(guó)家基本站的年降雨變化趨勢(shì)也基本吻合。說明深圳國(guó)家基本站能基本代表深圳市的降雨平均狀況。降雨量年際變化呈現(xiàn)鋸齒形，降雨偏多年未出現(xiàn)連續(xù)，變化趨勢(shì)不顯著。其中也看出一年內(nèi)各個(gè)站點(diǎn)的降雨量存在最高值與最低值相差1000 mm，說明降雨空間分配不均。其次年內(nèi)逐月降水分布極為不平衡（圖3b），其中5—8月占到全年降雨的64.4%，11月—次年2月約占全年降雨的8.5%。

逐年各月的降雨變化幅度也出現(xiàn)較大不一致（圖4），其中11、12和2月，各站點(diǎn)的月降雨相對(duì)穩(wěn)定在0～150 mm，年際變化相對(duì)較小，變化標(biāo)準(zhǔn)差集中在20～40 mm；1、3、4、7、9和10月，年際變化標(biāo)準(zhǔn)差集中在72～95 mm，1月各站點(diǎn)的月降雨相對(duì)穩(wěn)定在0～150 mm，但2016年出現(xiàn)了200 mm以上降水，相比其他年份出現(xiàn)較大變動(dòng)，這也是2016年整體降雨量偏多的原因之一；3、4、9和10月，各站的降雨相對(duì)穩(wěn)定在50～300 mm，2012年4月、2010年9月、2016年10月出現(xiàn)較大波動(dòng)。7月各站點(diǎn)的降雨相對(duì)穩(wěn)定在250～400 mm；5、6和8月，年際變化相對(duì)較大。結(jié)合圖3、圖4可分析2008年降雨偏多主要是由于6月的降雨高于平常年，2013年的降雨偏多是由于8月降雨高于平常年，2016年降雨偏多是由于1、10和11月降雨遠(yuǎn)高于平常年。

利用深圳市國(guó)家基本站10年的小時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算各月降水的日變化（圖5）。整體來看，夜間降雨明顯少于白天，春季降雨峰值出現(xiàn)在午后，夏季降雨峰值出現(xiàn)在午前，秋季降雨具有雙峰性，冬季降雨少，日間分布比較均勻。其中10年中降雨日數(shù)最多的是7月，最少的是12月。降雨日內(nèi)各時(shí)刻的降雨分布有一定的差異，春季降雨峰值主要集中在16和17時(shí)；夏季降雨峰值集中在06—10時(shí)；秋季各月降雨呈現(xiàn)雙峰性，9月峰值出現(xiàn)在06和17時(shí)，10月在10和18時(shí)，11月在08和18時(shí)。

圖3 深圳市78個(gè)自動(dòng)站年降雨年際變化（a）與年內(nèi)各月降水平均分布（b） Fig. 3 Annual precipitation variation (a) and average monthly rainfall distribution for the 78 AWSs in Shenzhen (b)

2.2 降水空間演變特征

深圳市近10年各月的月平均降雨空間分布如圖6所示，從圖中可以看出11月—次年2月為當(dāng)?shù)厣儆昙竟?jié)，月平均降雨量為22～65 mm，3、4、9和10月的月平均降雨為65～220 mm，5、6、7和8月的月平均降雨為220～450 mm，其中最多降雨為6月，月平均降雨為340～450 mm。

圖4 2008—2017年深圳78個(gè)站的月降水變化 Fig. 4 Variations of the monthly precipitation for the 78 AWSs in Shenzhen from 2008 to 2017

將10年間深圳市78個(gè)站點(diǎn)的逐月降水量組成78×120的資料矩陣進(jìn)行EOF分析，取前兩個(gè)特征向量，即月降水空間分布的第一模態(tài)和第二模態(tài)，且前兩個(gè)模態(tài)通過特征值誤差檢驗(yàn)[18]（North檢驗(yàn)）。圖7a是第一模態(tài)，方差貢獻(xiàn)率為95.2%，該模態(tài)反映深圳西北地區(qū)降雨低于其他地區(qū)降雨，降雨高值集中在中部地區(qū)和東南地區(qū)；另外該模態(tài)所對(duì)應(yīng)各分量均為正值，說明對(duì)于小地區(qū)范圍的深圳，第一模態(tài)體現(xiàn)的降水場(chǎng)時(shí)間上具有同步性。將該模態(tài)對(duì)應(yīng)的各月時(shí)間系數(shù)進(jìn)行10年平均（圖7c），其中4—10月的時(shí)間系數(shù)都相對(duì)較大，說明這幾個(gè)月的月降雨空間分布型態(tài)主要呈現(xiàn)此模態(tài)，其中6月最為典型。圖7b是第二模態(tài)，方差貢獻(xiàn)率為1.4%，該模態(tài)反映深圳地區(qū)月降雨呈現(xiàn)西北向東南方向逐級(jí)增加（減少），圖7d是該模態(tài)對(duì)應(yīng)的各月時(shí)間系數(shù)10年平均，其中極值分別為3月的負(fù)極值和7月的正極值，說明3月的月降水出現(xiàn)西北向東南方向逐級(jí)減少的型態(tài)最為明顯，7月的月降水出現(xiàn)西北向東南方向逐級(jí)增加的型態(tài)最為明顯。

結(jié)合圖6和圖7，可以看出EOF分析的結(jié)果與近10年各月月降雨的實(shí)際結(jié)果較為吻合，且EOF分析得出的各月的月降雨第一模態(tài)貢獻(xiàn)率較大，對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)平均值均為正值，降水第一模態(tài)空間分布與近10年的年均降雨量空間分布型態(tài)（圖8）極為相似。

圖5 2008—2017年深圳市國(guó)家基本站各月降水的日內(nèi)變化（縱坐標(biāo)是10年內(nèi)各月各時(shí)刻的累積降雨量與各月10年降雨日數(shù)的比） Fig. 5 Diurnal variation of the monthly precipitation in Shenzhen from 2008 to 2017 (The scale of Y axis refers to the ratio of the monthly accumulated rainfall during the ten years and the accumulated rainy days of the same period)

2.3 深圳各行政區(qū)代表站降水時(shí)間演變特征

圖6 深圳近10年各月的平均降雨空間分布 Fig. 6 Spatial distribution of the mean monthly precipitation in Shenzhen for the past 10 years

圖7 月降水的前兩個(gè)模態(tài)（a，b）與對(duì)應(yīng)模態(tài)時(shí)間系數(shù)的逐月10年平均值曲線（c，d）（a，c）第一模態(tài)；（b，d）第二模態(tài) Fig. 7 The first two models of the monthly precipitation(a, b) and the monthly mean coefficient curve corresponding to the modal during the past (c, d): (a, c) the first model, (b,d) the second model

深圳市一共10個(gè)行政區(qū)域，各取一個(gè)站點(diǎn)作為行政區(qū)代表站，站點(diǎn)位置分布見圖1藍(lán)綠色點(diǎn)，這10個(gè)站的詳細(xì)信息見表1。

計(jì)算這10個(gè)代表站的降水10年間年際變化，以及各年降雨日的年際變化，結(jié)果見圖9，圖中虛線為年際變化情況，實(shí)線為變化趨勢(shì)線。圖中各站的順序與表1順序相同。

從圖9可以看出，在過去10年間，除了寶安區(qū)的黃麻布站，其他9個(gè)行政區(qū)代表站的年降水都有小的上升，但這些上升全部不顯著（p=0.05）；降雨日方面，全部代表站點(diǎn)都有微弱不顯著（p=0.05）的上升趨勢(shì)。

圖8 2008—2017年深圳市年平均降雨量（單位：mm） Fig. 8 Average annual precipitation in Shenzhen from 2008 to 2017 (unit: mm)

對(duì)比蔡偉源等[13]、丁楠等[14]、張恩潔等[15]的研究結(jié)論，降水日上升與否，與所取的數(shù)據(jù)區(qū)間相關(guān)，受單個(gè)年份的異常降雨及降雨日變化影響大。

3 結(jié)論

基于2008—2017年深圳78個(gè)自動(dòng)氣象站的小時(shí)降雨量數(shù)據(jù)，分析了深圳降雨的時(shí)空演變和分布特征，得到以下結(jié)論。

1）近10年來深圳市的年均降雨量為1863.9 mm，空間上呈現(xiàn)東多西少不均勻分布。國(guó)家基本站10年降雨量平均1847.3 mm，國(guó)家基本站的降雨情況在計(jì)算深圳地區(qū)年平均降雨時(shí)具有很強(qiáng)的代表性。

2）深圳的10個(gè)行政區(qū)代表站，在過去10年間，除了寶安區(qū)的黃麻布站，其他9個(gè)行政區(qū)代表站的年降水有微弱不顯著的上升；降雨日方面，全部代表站點(diǎn)都有微弱不顯著的上升；降水趨勢(shì)計(jì)算受個(gè)別年份異常降水影響大。

3）深圳市年內(nèi)各月降雨分布差距較大，其中5—8月占到全年降雨的64.4%， 11月—次年2月約占全年降雨的8.5%，降雨最多的是6月，最少的是2月。各季節(jié)降水的日變化特征為，夜間降雨少于白天，春季降雨峰值出現(xiàn)在午后，夏季降雨峰值出現(xiàn)在午前，秋季降雨具有雙峰性，冬季降雨少，各時(shí)刻分配相對(duì)均勻。

4）深圳市各月降雨的變化幅度不一致，11、12和2月降雨相對(duì)穩(wěn)定，5、6和8月，年際變化相對(duì)較大。月降雨空間分布呈現(xiàn)兩種型態(tài)，第一型態(tài)為深圳西北地區(qū)降雨低于其他地區(qū)降雨，降雨高值集中在中部地區(qū)和東南地區(qū)，該型態(tài)方差貢獻(xiàn)率為95.2%；第二型態(tài)呈現(xiàn)深圳地區(qū)月降雨西北地區(qū)向東南方向逐級(jí)增加（減少）。

本研究得到的深圳汛期降水的日內(nèi)變化、月變化、季節(jié)變化及空間分布特征，對(duì)本地區(qū)防汛抗災(zāi)，水資源的管理和有效利用具有重要的指導(dǎo)意義。未來將進(jìn)一步探索該地區(qū)降雨時(shí)空特征機(jī)理，以提高汛期降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。