1953—2019年深圳市暴雨的氣候特征

陳潛，鄭群峰，陳訓(xùn)來，李超，李明華

（1.深圳市氣象局，廣東深圳 516001；2.深圳南方強(qiáng)天氣研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 516001）

暴雨是影響廣東省的主要災(zāi)害性天氣之一［1］，影響期間常伴有雷暴、短時(shí)大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水，甚至冰雹、龍卷等強(qiáng)對流天氣，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅和損失。近年來隨著全球氣候變化加劇［2-3］，各種極端暴雨事件不斷增多，短時(shí)強(qiáng)降雨不斷刷新歷史記錄，研究暴雨天氣對于防災(zāi)減災(zāi)有著重要意義。一些學(xué)者針對大尺度暴雨的時(shí)空演變趨勢進(jìn)行了深入研究［4-6］，同時(shí)針對廣東省各地市的暴雨氣候特征研究也有不少［7-10］，這些研究得出了許多有指導(dǎo)性意義的暴雨氣候特征，對暴雨預(yù)測和氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了參考依據(jù)。目前深圳市暴雨研究也取得了一些成果，李保生等［11］研究發(fā)現(xiàn)邊界層偏南風(fēng)低空急流對暴雨影響更大；謝小敏等［12］分析了深圳前汛期西風(fēng)帶系統(tǒng)大暴雨過程天氣形勢特征；陳元昭等［13］利用深圳5年稠密自動(dòng)氣象站資料分析發(fā)現(xiàn)造成深圳大暴雨的天氣形勢主要有臺(tái)風(fēng)型、西南季風(fēng)型、北部灣低壓型、熱帶云團(tuán)型和冷空氣切變線型等5種形勢，其中臺(tái)風(fēng)型出現(xiàn)次數(shù)最多。但整體來說對深圳暴雨的研究主要基于單個(gè)的重大暴雨天氣過程，或者利用歷史資料時(shí)間較短，而對于暴雨長時(shí)間氣候演變趨勢的研究還比較少。本研究擬利用1953—2019年深圳市降水觀測資料，通過統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS開展研究［14-15］，以求獲取深圳市暴雨氣候統(tǒng)計(jì)特征，為深圳市進(jìn)一步提高暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警準(zhǔn)確率、開展暴雨風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防御暴雨洪澇災(zāi)害和應(yīng)對氣候變化服務(wù)提供參考。

1 資料與方法

我國氣象上規(guī)定，暴雨是日雨量≥50 mm的降水，本研究確定當(dāng)日20：00至次日20：00（北京時(shí)，下同）出現(xiàn)暴雨為暴雨日，同時(shí)根據(jù)暴雨日定義以下幾個(gè)概念：暴雨降水量為一年中所有暴雨日累積雨量；暴雨強(qiáng)度為暴雨降水量與暴雨日數(shù)的比值；暴雨貢獻(xiàn)率為暴雨降水量與年雨量的比值。利用深圳國家基本氣象站1953—2019年逐日降水資料（均已通過質(zhì)量審核），建立深圳年、季度、汛期（4—9月）、前汛期（4—6月）、后汛期（7—9月）和非汛期（10月—次年3月）暴雨日的逐年時(shí)間序列，每年暴雨初、終日和持續(xù)期的逐年時(shí)間序列，并基于線性趨勢分析、Morlet小波分析、滑動(dòng)t檢驗(yàn)［16］對近67年深圳暴雨氣候特征開展分析總結(jié)。其中氣候趨勢系數(shù)為氣候要素與觀測年序列1953—2019年的相關(guān)系數(shù)，即標(biāo)準(zhǔn)化的一元回歸系數(shù)；氣候傾向率為一元回歸系數(shù)。氣候趨勢系數(shù)和氣候傾向率的顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)，且兩者檢驗(yàn)結(jié)果一致。暴雨的統(tǒng)計(jì)特征量、變化趨勢分析、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和繪圖利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS完成。

2 暴雨氣候統(tǒng)計(jì)特征

2.1 暴雨長期變化

由圖1a可知，深圳市暴雨日數(shù)有著明顯的年變化特征。年暴雨日數(shù)在6～12 d之間，平均為9.4 d；最多18 d，出現(xiàn)在2001年；最少1 d，出現(xiàn)在1963年?？傮w來看，近67年深圳年暴雨日數(shù)以0.021 d／年的速率增多，但未通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，增加不顯著，20世紀(jì)90年代開始暴雨日數(shù)年際波動(dòng)明顯增大并呈現(xiàn)增多趨勢，這和華南區(qū)域的年暴雨日數(shù)變化趨勢基本一致［6］。利用Morlet小波分析對深圳市的年暴雨日數(shù)進(jìn)行分析，如圖1b所示，可以發(fā)現(xiàn)深圳市年暴雨日數(shù)在20世紀(jì)90年代以來存在4～8年顯著周期特征，2005年以后呈現(xiàn)4年左右的周期震蕩。據(jù)此對深圳市年暴雨日數(shù)做5年的滑動(dòng)周期平均，由5年平均的平滑曲線可以看出20世紀(jì)90年代起暴雨日數(shù)迅速增加。

圖1 深圳市1953—2019年暴雨日變化趨勢（a）和暴雨日小波分析（b）

2.2 暴雨初、終日和持續(xù)期的變化

由圖2可知，深圳市暴雨初日平均在4月26日，65.7%的年份（44年）首場暴雨出現(xiàn)在4—5月，最早出現(xiàn)在1月24日，2000年，最遲出現(xiàn)在7月23日，2012年；暴雨終日平均在9月30日，83.6%的年份（56年），最后一場暴雨在9月及之后出現(xiàn)，其中46.3%的年份在9月，暴雨終日最早出現(xiàn)在7月18日，1963年，最遲出現(xiàn)在12月30日，1988年。暴雨持續(xù)期平均為157.9 d，最長272 d，2000年；最短僅1 d，1963年。20世紀(jì)70、80年代為秋冬季暴雨相對多發(fā)期，暴雨持續(xù)期長；90年代起秋冬暴雨減少，暴雨持續(xù)期短，其中2001—2009年尤其明顯，2010年后秋冬暴雨轉(zhuǎn)增多，但暴雨持續(xù)期年際波動(dòng)加劇。暴雨初日與暴雨終日相關(guān)系數(shù)為-0.06，說明首場暴雨發(fā)生早晚對當(dāng)年暴雨結(jié)束時(shí)間無影響；暴雨初日與年暴雨日數(shù)、年暴雨降水量相關(guān)系數(shù)分別為-0.5和-0.43，均通過0.01的相關(guān)性顯著檢驗(yàn)，說明暴雨初日對年暴雨日數(shù)和年暴雨降水量均有一定影響，即首場暴雨發(fā)生早，暴雨日數(shù)多、年暴雨降水量大的概率較大，反之亦然；而暴雨終日、持續(xù)期與年暴雨日數(shù)、暴雨降水量相關(guān)性低，基本無影響。

圖2 1953—2019年深圳市暴雨初日（a）和暴雨終日（b）變化趨勢

2.3 暴雨的月、季變化

由圖3a可知，深圳市暴雨具有明顯的月、季變化特征，每個(gè)月都有可能出現(xiàn)暴雨，暴雨最早出現(xiàn)在1月24日（2000年），最遲出現(xiàn)在12月30日（1988年），90.8%的暴雨發(fā)生在汛期（4—9月），其中前、后汛期分別占38.7%和52.1%。暴雨日數(shù)呈現(xiàn)單峰變化特征，1—7月逐月增多，4月開汛暴雨日數(shù)大幅增加，8月達(dá)到峰值，其后逐月減少，10月汛期結(jié)束暴雨日數(shù)大幅減少；1、2和12月最少，1953年以來出現(xiàn)的暴雨總?cè)諗?shù)分別為3、3和7 d。深圳市暴雨日數(shù)與降水量逐月變化趨勢基本一致，但降水量呈雙峰型，最高峰出現(xiàn)在8月，6月為次峰，非汛期降水量大幅減少。這說明深圳市一年內(nèi)旱澇分明，出現(xiàn)突發(fā)性暴雨而導(dǎo)致旱澇急轉(zhuǎn)的可能性較大，暴雨容易集中出現(xiàn)在盛夏季節(jié)（6—8月）。

圖3 深圳市逐月平均暴雨日數(shù)的逐月變化

2.4 暴雨貢獻(xiàn)率及其變化

由圖4可知，深圳市各年暴雨貢獻(xiàn)率平均為42.3%，要遠(yuǎn)高于廣州市的32.8%［7］和華南區(qū)域的30.1%［6］，說明沿海地區(qū)暴雨較非沿海地區(qū)更易發(fā)生，其中2008年暴雨貢獻(xiàn)率最大，達(dá)64.6%。

圖4 1953—2019年深圳市暴雨貢獻(xiàn)率的逐年變化

總體來看，近67年來暴雨貢獻(xiàn)率無顯著變化趨勢，20世紀(jì)60和90年代前后是暴雨貢獻(xiàn)率明顯偏大的2個(gè)時(shí)期，其中90年代最為顯著，80年代少雨期暴雨貢獻(xiàn)率則明顯偏小，而近10年多數(shù)年份暴雨貢獻(xiàn)率超過均值，說明20世紀(jì)90年代以來降雨更加集中，相當(dāng)部分的雨量集中出現(xiàn)在少數(shù)的幾次暴雨過程。年暴雨日數(shù)、年暴雨降水量與年雨量的相關(guān)系數(shù)分別為0.83和0.87，均通過了0.01顯著性檢驗(yàn)，說明暴雨對年雨量的影響很大，在多雨的年份暴雨多發(fā)且降水量大。

2.5 暴雨強(qiáng)度及其變化

深圳市1953—2019年的平均暴雨強(qiáng)度為90 mm／d，高于廣州市的79.5 mm／d［7］，和珠海大致持平［8］，這說明深圳的暴雨強(qiáng)度很強(qiáng)，而且沿海地區(qū)暴雨強(qiáng)度要較非沿海地區(qū)強(qiáng)，深圳暴雨強(qiáng)度最大為130.7 mm／d，出現(xiàn)在1999年；暴雨強(qiáng)度最小為62.1 mm／d，出現(xiàn)在1954年。近67年來深圳市年暴雨強(qiáng)度以0.009 4 mm／（d·年）的速率遞減，但沒有通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，減少不顯著，其中20世紀(jì)60年代和90年代前后偏強(qiáng)明顯，這和華南區(qū)域暴雨強(qiáng)度年際變化趨勢一致［6］。針對年雨量與暴雨強(qiáng)度做相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為0.49，且通過0.01顯著性檢驗(yàn)，說明在多雨年份暴雨強(qiáng)度偏強(qiáng)概率較大。

3 結(jié)論

1）深圳市屬于暴雨多發(fā)區(qū)，1953—2019年平均暴雨日數(shù)為9.4 d，年際變化較大，最多為18 d，最少為1 d；年暴雨日數(shù)呈微弱增加的趨勢，平均每10年約增加0.21 d；而20世紀(jì)90年代以來暴雨日數(shù)明顯增多，并呈現(xiàn)出4～8年的顯著周期特征。

2）深圳市暴雨初日常出現(xiàn)在4—5月，暴雨終日常出現(xiàn)在9月，暴雨持續(xù)期約158 d，暴雨初日早的年份暴雨日數(shù)多、年雨量大，20世紀(jì)90年代開始秋冬季暴雨減少、暴雨持續(xù)期變短，近10年秋冬季暴雨增多，但暴雨持續(xù)期年際變化波動(dòng)劇烈，暴雨天氣預(yù)測難度明顯增大。

3）深圳市暴雨日數(shù)呈現(xiàn)明顯月和季變化特征，年內(nèi)旱澇分明，主要出現(xiàn)在汛期（4—9月），約占全年的91%，其中4月暴雨日數(shù)突增容易出現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)；暴雨日數(shù)年內(nèi)呈現(xiàn)單峰特征，峰值出現(xiàn)在8月，盛夏季節(jié)（6—8月）是一年里暴雨最多最強(qiáng)的時(shí)期。

4）深圳市暴雨對年雨量降水貢獻(xiàn)率很大，占比約為42%；暴雨強(qiáng)度很大，平均達(dá)90 mm／d；20世紀(jì)90年代前后是暴雨降水的峰值期，強(qiáng)度偏強(qiáng)、日數(shù)多、累積雨量大；在多雨的年份，暴雨多發(fā)且降水量大，暴雨強(qiáng)度容易偏強(qiáng)；同時(shí)沿海地區(qū)較內(nèi)陸地區(qū)暴雨更易發(fā)，強(qiáng)度更強(qiáng)。

對于深圳來說，20世紀(jì)90年代以來開始了快速的工業(yè)化和城市化進(jìn)程，同時(shí)暴雨也開始呈現(xiàn)出明顯的增多增強(qiáng)趨勢及顯著的周期特征，兩者之間可能存在一定的聯(lián)系。因此在未來研究中，有必要深入探索城市化背景下，區(qū)域氣象要素變化對本地區(qū)降水的影響。