1953—2019年深圳市極端降水事件變化特征分析

張超，周佐歡，蔡偉源，陳潛，5，李超，5

（1.深圳市氣象局，廣東深圳 518040；2.深圳市國(guó)家氣候觀象臺(tái)，廣東深圳 518040；3.深圳市氣象服務(wù)中心，廣東深圳 518040；4.深圳市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東深圳 518040；5.深圳南方強(qiáng)天氣研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518040）

近年來(lái)，城市快速發(fā)展的同時(shí)伴隨著全球氣候變暖，極端天氣與氣候事件發(fā)生頻率及強(qiáng)度不斷提升，中國(guó)大部分區(qū)域極端降水發(fā)生頻率顯著提高［1-3］，嚴(yán)重影響了城市的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展。針對(duì)極端降水事件，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在極端降水閾值的確定、時(shí)空分布特征、極端降水成因以及極端降水預(yù)估等方面展開(kāi)了研究［4-7］。其中，廣東省極端強(qiáng)降水表現(xiàn)出一定區(qū)域性特征，極端降水由內(nèi)陸到沿海呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，極端降水量和極端降水次數(shù)發(fā)生最多的區(qū)域?yàn)榛洊|和粵西沿海［8］。羅律［9］對(duì)清遠(yuǎn)市極端降水進(jìn)行分析，得出其極端降水總量和強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，而極端降水頻數(shù)顯著減少。

深圳市位于珠江三角洲東岸，屬于亞熱帶海洋性氣候，雨量充沛但又時(shí)空分布極不均勻。在全球變暖和城市化發(fā)展的影響下，近年來(lái)深圳的氣候特征已發(fā)生明顯的變化，主要表現(xiàn)在熱島效應(yīng)更加明顯、汛期強(qiáng)降水顯著增加以及極端的天氣氣候事件增多［10-11］，而年降水天數(shù)明顯減少［12］；雒翠等［13］指出深圳年降水存在17～20和5～7年的準(zhǔn)周期特征，同時(shí)認(rèn)為深圳年降水量將會(huì)持續(xù)偏多的趨勢(shì)。許多學(xué)者在氣候以及氣候變化方面開(kāi)展了對(duì)深圳降水的研究，而現(xiàn)有對(duì)于深圳市極端降水的研究中，王明潔等［14］發(fā)現(xiàn)深圳市汛期極端降水強(qiáng)度呈弱增強(qiáng)的趨勢(shì)。本研究將汛期分為前汛期和后汛期兩個(gè)階段，對(duì)深圳市1953—2019年前、后汛期極端降水事件的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，得出其相應(yīng)特征。

1 資料和方法

本研究所用數(shù)據(jù)為深圳國(guó)家基本站1953—2019年逐日降水資料，采用國(guó)際上較通用的95%百分位法［15］，計(jì)算出深圳地區(qū)前汛期（4—6月）和后汛期（7—9月）極端降水閾值分別是43.0和50.6 mm，即在深圳市前（后）汛期，若某日降水量≥43.0 mm（50.6 mm），則視為一次極端降水事件。

本研究的分析方法：把1953—2019年前汛期和后汛期的全部日降水量進(jìn)行依次上升排序，定義第95個(gè)百分位數(shù)的降水量值為極端降水事件的閾值，極端降水量即為超過(guò)極端降水閾值的降水量。統(tǒng)計(jì)出1953—2019年深圳地區(qū)前、后汛期的極端降水日數(shù)、極端降水量和極端降水強(qiáng)度（極端降水強(qiáng)度＝極端降水量／極端降水日數(shù)）。運(yùn)用線性?xún)A向估計(jì)法對(duì)降水指標(biāo)的線性變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，采用t檢驗(yàn)對(duì)顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。利用累積距平法［16］來(lái)分辨極端降水強(qiáng)度的年際變化。小波分析方法在Lau K-M等［17］的研究中已經(jīng)得到較成熟的應(yīng)用，本研究運(yùn)用該方法分析極端降水強(qiáng)度的多時(shí)間尺度變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候特征

統(tǒng)計(jì)可知，深圳市前汛期平均每年出現(xiàn)4.58 d極端降水事件，占前汛期和年降水日數(shù)的比例分別為9.3%和3.3%，極端降水量為369.76 mm，在前汛期和年降水量平均中分別占51.1%和19.3%，極端降水強(qiáng)度為80.73 mm／d；而后汛期的年平均極端降水事件天數(shù)為4.64 d，分別占后汛期和年降水日數(shù)的10.2%和3.3%，極端降水量為427.6 mm，在后汛期和年降水量中的比例分別為46.9%和22.3%，極端降水強(qiáng)度為92.15 mm／d。

2.2 極端降水日數(shù)年際變化

從深圳市汛期極端降水日數(shù)的逐年變化（圖1）來(lái)看，前汛期極端降水日數(shù)出現(xiàn)最大值的年份為2001年（11 d），1963和1988年極端降水日數(shù)為0 d，即沒(méi)有出現(xiàn)極端降水事件，前汛期極端降水日數(shù)呈緩慢上升趨勢(shì)，其線性?xún)A向率為0.007 d／年，未通過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。后汛期極端降水日數(shù)的線性?xún)A向率為-0.008 d／年，呈緩慢下降趨勢(shì)，未通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)。最大值為10 d，出現(xiàn)在1997年；最小值為1 d，出現(xiàn)在1963、1974、1975、2011年。

圖1 1953—2019年深圳市前汛期（a）和后汛期（b）極端降水日的逐年變化

2.3 極端降水量年度變化

前汛期極端降水量在長(zhǎng)時(shí)間系列上變化趨勢(shì)很小，其線性趨勢(shì)線基本與x軸平行，1963和1988年未出現(xiàn)極端降水，2008年最大極端降水量為1 311 mm。后汛期極端降水量以0.18 mm／年減少趨勢(shì)，1994年最大極端降水量為947.3 mm。對(duì)極端降水量累積距平變化進(jìn)行分析得知，深圳市前汛期極端降水量的累積距平值具有較明顯的階段特點(diǎn)。其中，在1955—1962年，累積距平值呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)，表明深圳市前汛期極端降水量在這一時(shí)期比平均水平偏高；1981—2000年，累積距平值處于相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)，但存在小幅度的波動(dòng)；1977—1981年是累積距平曲線的下降時(shí)段，表明該段時(shí)間深圳市前汛期極端降水量連續(xù)偏少，此后偏少的時(shí)段還有2009—2019年。后汛期極端降水量年際變化更加明顯，從圖2b可以看出，累積距平整體呈現(xiàn)“上升-下降-上升-下降”的變化趨勢(shì)，其中1983—1992和2006—2019年累積距平值呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，表明該時(shí)段極端降水量小于平均水平，1993—2005年極端降水量較平均水平偏多。從圖2a可以看出，前汛期的極端降水量峰值很大，達(dá)到1 311 mm，明顯高于后汛期（圖2b），但也出現(xiàn)了無(wú)極端降水量的年份，兩者相差巨大，而且前汛期的平均極端降水量是小于后汛期的。對(duì)深圳市后汛期日降水序列超過(guò)99%分位的61 d極端降水事件進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其中54 d是受到熱帶氣旋影響，占全部的88.5%。深圳市前汛期受鋒面低槽、西南季風(fēng)等西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)影響［18-19］，而后汛期主要受熱帶氣旋等東風(fēng)帶天氣系統(tǒng)影響，帶來(lái)的平均極端降水量偏大，造成的災(zāi)害性偏強(qiáng)。

圖2 1953—2019年深圳市前汛期（a）、后汛期（b）極端降水量的年際變化和累積距平曲線

2.4 極端降水強(qiáng)度年度變化

深圳市汛期極端降水強(qiáng)度年際變化較大（圖3），1960年前汛期極端降水強(qiáng)度最大為132.27 mm／d，1963和1988年沒(méi)有出現(xiàn)極端降水。1994和2011年分別出現(xiàn)最大和最小后汛期極端降水強(qiáng)度，極端降水強(qiáng)度極值為157.88和53.00 mm／d。近67年間深圳市前、后汛期極端降水強(qiáng)度均呈弱減少趨勢(shì)。從累積距平圖來(lái)看，20世紀(jì)50年代、21世紀(jì)10年代為前汛期極端降水強(qiáng)度偏強(qiáng)期，而20世紀(jì)60年代中期到90年代末，累積距平呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)，此期間前汛期極端降水強(qiáng)度較平均值偏低，存在劇烈的變化。20世紀(jì)60年代初到70年代初以及90年代初期后汛期極端降水強(qiáng)度偏強(qiáng)，20世紀(jì)70年代中期到80年代中期極端降水強(qiáng)度基本維持在平均水平不變。21世紀(jì)起，累積距平開(kāi)始呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，極端降水強(qiáng)度低于平均水平。

如圖4所示，深圳市汛期極端降水強(qiáng)度變化存在多時(shí)間尺度變率。

圖3 1953—2019年深圳市前汛期（a）、后汛期（b）極端降水強(qiáng)度的年際變化和累積距平曲線

圖4 深圳市前汛期（a、b）和后汛期（c、d）極端降水強(qiáng)度的小波功率譜（a、c）和全局小波普（b、d）分析

深圳市的前汛期極端降水強(qiáng)度近67年來(lái)存在1～2、2～4、4～6年的周期振蕩。其中20世紀(jì)60年代前后存在1～2和4～6年的周期振蕩，80年代末存在2～4年的周期振蕩，其中4年的變化周期更為顯著。后汛期的極端降水強(qiáng)度在20世紀(jì)70年代存在1～2年的周期振蕩，90年代至2000年前后存在2～3和5～8年的周期振蕩，其中5～8年的周期更為顯著。另外，20世紀(jì)70—90年代之間也可能存在30年的周期，但未經(jīng)過(guò)可信度檢驗(yàn)。深圳市前后汛期極端降水強(qiáng)度存在不同的變化周期，且年代際周期不明顯，因此，應(yīng)該分兩次進(jìn)行汛期極端降水分析。

3 結(jié)論

1）深圳后汛期的極端降水閾值、極端降水量、極端降水強(qiáng)度均大于前汛期，原因主要是后汛期受熱帶氣旋等東風(fēng)帶天氣系統(tǒng)影響，易出現(xiàn)極端暴雨天氣。

2）深圳市前后汛期極端降水強(qiáng)度年際變化特征明顯，前汛期極端降水強(qiáng)度近67年來(lái)存在1～2、2～4、4～6年的周期振蕩。其中1～2和4～6年的周期振蕩主要貢獻(xiàn)體現(xiàn)在20世紀(jì)60年代前后，2～4年的周期振蕩總體貢獻(xiàn)主要在20世紀(jì)80年代末存在。后汛期的極端降水強(qiáng)度在20世紀(jì)70年代存在1～2年的顯著周期，90年代至2000年前后存在2～3和5～8年的顯著周期。

3）前汛期極端降水總量長(zhǎng)期變化趨勢(shì)不明顯，極端降水日數(shù)有所增加，極端降水強(qiáng)度減弱；后汛期極端降水總量和極端降水強(qiáng)度均小幅減小。

本研究?jī)H利用深圳單站降水?dāng)?shù)據(jù)從時(shí)間變化上分析了極端降水事件變化特征，具有一定的局限性。為了更全面地反映深圳市極端降水事件的變化特征，今后需盡可能地使用該區(qū)域內(nèi)自動(dòng)氣象觀測(cè)站的降雨數(shù)據(jù)來(lái)研究各極端降水指數(shù)在空間上的變化特征；后續(xù)可對(duì)極端降水日的環(huán)流特征進(jìn)行分析，以研究深圳市極端降水形成的原因。