1961-2019年深圳市極端降水變化

徐曉明，張雪芹

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室，北京 100101; 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

極端氣候事件研究是應(yīng)對氣候變化的重要環(huán)節(jié)。IPCC第五次評估報告指出，1951-2012年，全球平均地表溫度以0.12℃/10a的速率上升，是1880年以來升溫速率的兩倍；全球氣候變暖趨勢仍將持續(xù)，本世紀(jì)末全球平均地表溫度將在1986-2005年的基礎(chǔ)上升高0.3-4.8℃[1]。全球變暖背景下，極端氣候事件強(qiáng)度加大[2-4]、頻率增加[5-8]。相比于平均態(tài)，極端氣候事件對氣候變化的敏感度更高[9-10]。例如，2018年，歐洲、北美、北非、日本等多個國家和地區(qū)受高溫?zé)崂艘u擊；高溫和強(qiáng)風(fēng)共同作用，使得希臘、瑞典等多國森林大火發(fā)生頻繁；日本西部持續(xù)性暴雨導(dǎo)致200多人死亡。2019年，美國中西部經(jīng)歷罕見低溫，明尼蘇達(dá)州氣溫低至-38℃；澳大利亞遭受極端高溫，多地氣溫達(dá)45℃以上。極端氣候?qū)е陆?jīng)濟(jì)損失、人身傷亡巨大，嚴(yán)重影響了社會可持續(xù)發(fā)展。

研究區(qū)域尺度的極端降水變化規(guī)律[11-14]，不僅能更全面地認(rèn)識氣候變化的特征和規(guī)律，更能為區(qū)域應(yīng)對氣候異常變化提供科學(xué)依據(jù)。研究表明[15]，中國大部分區(qū)域極端氣候趨勢為平均狀態(tài)的5-10倍，部分站點平均氣候變化不大，但極端氣候變化特征顯著。特別是，中國極端降水事件區(qū)域性特征更為顯著[11,16]。其中，東北、華北強(qiáng)降水事件有減少趨勢，西北西部、長江中下游、華南及青藏高原表現(xiàn)為增加趨勢。

深圳市位于熱帶和亞熱帶過渡區(qū)，具有亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候特征，屬典型氣候脆弱區(qū)。作為全國性經(jīng)濟(jì)中心城市，深圳城市化水平高，人口密集(常住人口超過1343萬)，機(jī)動車輛多，地表下墊面滲透能力差。隨著深圳城市化快速發(fā)展和全球變暖持續(xù)影響，自然災(zāi)害及其次生、衍生災(zāi)害的多發(fā)性、易發(fā)性、危害性和不可預(yù)測性進(jìn)一步加大，特別是極端降水引發(fā)的洪澇災(zāi)害和城市內(nèi)澇威脅著深圳市的良性發(fā)展。同時，作為粵港澳大灣區(qū)的4個核心城市之一，深圳市承擔(dān)著引領(lǐng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和對外開放的重任。為此，本文全面分析了1961-2019年深圳市11個極端降水指數(shù)的變化趨勢和突變特征，檢測了降水異常年份和典型極端降水事件，討論了深圳市極端降水指數(shù)與極端降水事件的關(guān)聯(lián)。本研究將為深圳市應(yīng)對氣候變化、防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考，以更好地服務(wù)于我國改革開放推進(jìn)和粵港澳大灣區(qū)建設(shè)等重大國家需求。

1 數(shù)據(jù)與方法

一般而言，認(rèn)定某降水事件為極端事件時，需滿足以下2個條件之一：降水量超某一固定閾值，并造成一定影響；降水量超過某百分位閾值或達(dá)到一定的重現(xiàn)期。極端降水事件需要從小時、天、多天等多個時間尺度來量化。世界氣象組織綜合考慮了降水量、降水強(qiáng)度、持續(xù)時間等因素，將極端降水事件定義為：發(fā)生在一至幾天(通常少于一周)內(nèi)的顯著降水事件，其總降水量超過某一閾值(基于站點)(https://www.wmo.int/pages/prog/wcp/ccl/documents/)。

本文基于深圳站(臺站號59493)1961-2019年日降水量數(shù)據(jù)(來源：中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)的“中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)”，經(jīng)過了嚴(yán)格質(zhì)量控制)，利用世界氣象組織(WMO)氣候變化監(jiān)測指數(shù)專家組(ETCCDMI)提出的27個極端氣候指數(shù)中的11個極端降水指數(shù)，分析了深圳市極端降水氣候變化[17](表1)。

表1 極端降水指數(shù)Table 1 Extreme precipitation index

其中，計算強(qiáng)降水閾值和極強(qiáng)降水閾值時，采用的日降水量95%(99%)分位值借鑒了Bonsal等[18]的工作。具體如下：把降水序列(日降水量≥0.1 mm)按升序排列：x1,x2,x3, …,xm, …,xn(n為研究時段內(nèi)日降水量≥0.1 mm日數(shù)，本文n=7 964)，某個值小于或等于xm的概率為：

(1)

式中，m為xm的序號，n為降水序列數(shù)。計算第95(99)個百分位值，即P=95%(99%)所對應(yīng)的xm值，分別對應(yīng)著判定強(qiáng)降水和極強(qiáng)降水的日降水量閾值。具體到本文，深圳站1961-2019年共有7 964個降雨日數(shù)，將其日降水量按升序排序，取其第95(99)個百分位值，從而判定深圳站發(fā)生強(qiáng)降水和極強(qiáng)降水的日降水量閾值分別為59.7 mm和130.4 mm。在此基礎(chǔ)上，計算深圳年強(qiáng)降水量、極強(qiáng)降水量，即每年分別超過強(qiáng)降水量閾值、極強(qiáng)降水量閾值的日降水量之和。需要注意的是，由于極強(qiáng)降水發(fā)生概率更低(只有1%)，因此達(dá)到極強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)的“門檻”(即閾值)比強(qiáng)降水高，而年強(qiáng)降水量大于年極強(qiáng)降水量。

年降水量異常(典型異常)判定方法為[19]：將年降水量距平除以標(biāo)準(zhǔn)差，若該比值大于等于1(≤-1)即認(rèn)為該年降水量異常偏高(偏低)，大于等于2(≤-2)即為典型異常偏高(偏低)。結(jié)合極端降水指數(shù)綜合表現(xiàn)，確定深圳市1961-2019年極端降水異常年份。

采用變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差與均值之比)分析極端降水指數(shù)波動特征；采用線性趨勢法研究極端降水指數(shù)的時間變化趨勢，并利用t檢驗確定變化趨勢顯著性[20]；采用Mann-Kendall檢驗分析極端降水指數(shù)突變特征[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端降水指數(shù)變化

2.1.1 年降水量(PRCPTOT)

1961-2019年，深圳市年降水量多年平均值為1 909.8 mm，且年際波動較大，最大值為最小值的3倍有余：最大值、最小值分別為2 747.0 mm(2001年)、911.9 mm(1963年)(圖1(a))。年降水量大致呈弱的上升趨勢，氣候傾向率為6.7 mm/10a，但未通過0.05顯著性水平檢驗。深圳市降水量主要集中在汛期(4-9月)，占全年降水量的84.9%(圖1(b))。其中，前汛期(4-6月)、后汛期(7-9月)降水分別為714.2 mm、906.2 mm，分別占全年降水量的37.4%、47.5%。

圖1 1961-2019年深圳市年降水量(a)、月降水量(b)Fig.1 Annual (a) and monthly (b) precipitation in Shenzhen City from 1961 to 2019

深圳市年降水量主要集中在夏季(52.1%)，其次是春、秋兩季，冬季降水最少(圖2)。春、夏、秋、冬季的平均降水量分別為453.4 mm、995.7 mm、362.0 mm、98.5 mm，且各季降水量年際波動顯著(四季變異系數(shù)分別為0.44、0.33、0.54和0.68)。其中，冬季降水年際間波動最大，夏季最小。由于夏季降水超過了年降水量的1/2，所以夏季降水和年降水量的變化趨勢大體一致。

圖2 1961-2019年深圳市年降水量和季節(jié)降水量Fig.2 Annual and seasonal precipitation in Shenzhen City from 1961 to 2019

除秋季外，深圳各季降水量均呈上升趨勢，但各季降水增幅差異較大(圖3)。其中，夏季降水增加最為明顯(11.3 mm/10a)，春季次之(9.3 mm/10a)，冬季最小(2.8 mm/10a)。秋季降水則呈下降趨勢，降水變率為-17.3 mm/10a。59年間，春季降水量總計增加54.9 mm，夏季66.7 mm，冬季16.5 mm；但秋季降水量減少102.1 mm。

圖3 1961-2019年深圳市季節(jié)(a-d：春-冬)降水量Fig.3 Seasonal (a-d: spring-winter) precipitation in Shenzhen City from 1961 to 2019

2.1.2 最大1日降水量(Rx1day)、最大5日降水量(Rx5day)

1961-2019年深圳市最大1日、5日降水量平均值分別為168.7 mm、297.7 mm，前者年際間波動大于后者(變異系數(shù)分別為0.36和0.32)，總體呈弱下降趨勢，下降幅度分別為5.5 mm/10a、4.2 mm/10a(圖4)。

圖4 1961-2019年深圳市最大1日降水量(a)、最大5日降水量(b)Fig.4 Max 1-day (a) and 5-day (b) precipitation in Shenzhen City from 1961 to 2019

其中，最大1日降水量的最大值和最小值分別為344.0 mm(2000年4月14日)、66.8 mm(1963年7月18日)；最大5日降水量的最大值和最小值分別為523.6 mm(1999年8月21-25日)、156.2 mm(1963年7月18-22日)。

2.1.3 平均日降水強(qiáng)度(ISDII)、中雨日數(shù)(R10)、大雨日數(shù)(R20)、暴雨日數(shù)(R50)

近59年，深圳市平均日降水強(qiáng)度均值為19.4mm·d-1，最大值和最小值分別為30.3mm·d-1(2008年)、12.4mm·d-1(1963年)(圖5(a))，但長期看變化趨勢不顯著。

圖5 1961-2019年深圳市平均日降水強(qiáng)度(a)、中雨日數(shù)(b)、大雨日數(shù)(c)、暴雨日數(shù)(d)Fig.5 Simple daily intensity index (a), number of moderate rain days (b), number of heavy rain days (c) and number of rainstorm days (d) in Shenzhen City from 1961 to 2019

1961-2019年，中雨日數(shù)顯著增多(通過了0.05顯著性水平檢驗)，增幅為1.3d/10a(圖5(b))。59年間，中雨日數(shù)均值為46d，最大、最小值分別為66d(2013年)、28d(1963年)。大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)變化趨勢則不顯著。這期間，深圳共有1 660日降水量達(dá)到大雨級別，527日達(dá)暴雨級別(其中，≥100mm的大暴雨日數(shù)為137日，≥250mm的特大暴雨日數(shù)為7日)；年平均大雨、暴雨日數(shù)分別為28.1天和8.9天。59年里，大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)最大值分別為40d、18d，均發(fā)生在2001年；最小值分別為16d、1d，均發(fā)生在1963年(圖5(c)、(d))。1961-2019年，暴雨日數(shù)波動最大、大雨日數(shù)次之、中雨日數(shù)波動最小，三者變異系數(shù)分別為0.36、0.21和0.17。

2.1.4 年強(qiáng)降水量(R95p)、年極強(qiáng)降水量(R99p)

1961-2019年，深圳共有7 964個降雨日數(shù)，平均每年降雨135日，判定強(qiáng)降水和極強(qiáng)降水的日降水量閾值分別為59.7mm和130.4mm，大致對應(yīng)著暴雨、大暴雨級別。近59年，深圳市年強(qiáng)降水量和年極強(qiáng)降水量變化趨勢均不顯著，未通過0.05顯著性水平檢驗；其均值分別為571.0mm、192.0mm，分別約占年降水量的30%和10%。年強(qiáng)降水量和年極強(qiáng)降水量年際波動大，變異系數(shù)分別為0.53和1.14，位列11個極端降水指數(shù)中前二。年強(qiáng)降水量和年極強(qiáng)降水量的最大值分別為1 530.8mm(2008年)、897.3mm(1964年)；最小值均為0mm(即年內(nèi)最大日降水量小于判定強(qiáng)降水和極強(qiáng)降水的日降水量閾值)(圖6)。

圖6 1961-2019年深圳市年強(qiáng)降水量(a)、年極強(qiáng)降水量(b)Fig.6 Very wet days′ precipitation (a) and extremely wet days' precipitation (b) in Shenzhen City from 1961 to 2019

2.1.5 持續(xù)干期(CDD)、持續(xù)濕期(CWD)

1961-2019年，深圳市持續(xù)干期和持續(xù)濕期的長期變化趨勢不顯著，上升幅度分別為1.1d/10a、0.1d/10a，但未通過0.05顯著性水平檢驗(圖7)。

圖7 1961-2019年深圳市持續(xù)干期(a)、持續(xù)濕期(b)Fig.7 Consecutive dry days (a) and consecutive wet days (b) in Shenzhen City from 1961 to 2019

這期間，深圳市持續(xù)干期均值為44.1d，最大值為112d(2004年9月23日至2005年1月12日)，最小值為17d(1982年4月5-21日)；持續(xù)濕期均值為8.3d，最大值為14d(2001年6月4-17日)，最小值為5d(1963年9月14-18日、1974年6月22-26日、1980年7月11-15日、2009年12月27-31日、2010年9月9-13日)。

2.2 極端降水指數(shù)突變檢驗

近59年，深圳市最大1日降水量、最大5日降水量、中雨日數(shù)等3個極端降水指數(shù)發(fā)生了氣候突變(圖8)，其它8個極端降水指數(shù)則無明顯突變(圖略)。其中，最大1日降水量在1979年發(fā)生明顯的氣候突變，由降水偏多期躍變?yōu)槠倨?1979年前后，年平均最大1日降水量由181.9mm減少至162.4mm)；最大5日降水量于1982年由偏多期(310.3mm)降至偏少期(290.2mm)；中雨日數(shù)突變則發(fā)生在1977年，由相對偏少期突變?yōu)槠嗥?1961-1977年，年平均中雨日數(shù)為42.5d，1977-2019年則為47.2d)。需要注意的是，各極端降水指數(shù)的UF值絕大部分時段未超過0.05顯著性水平臨界線，說明盡管這些極端降水指數(shù)增加或減少的趨勢并不明顯，但仍然發(fā)生了明顯的氣候突變。

圖8 1961-2019年深圳市極端降水指數(shù)Mann-Kendall突變檢驗Fig.8 Mann-Kendall test of Shenzhen City′s indexes for precipitation extremes from 1961 to 2019

2.3 降水異常年份

2.3.1 降水異常年份檢測

根據(jù)年降水量距平和標(biāo)準(zhǔn)差比值(圖9)，確定了深圳市年降水量異常值出現(xiàn)年份(表2)。1961-2019年，深圳市年降水量典型異常偏高年份為2001年和2008年；典型異常偏低年份為1963年；異常偏高年份為1964、1975等9年；異常偏低年份為1988、1990等6年。其中，近30年(1990-2019年)，深圳市年降水量異常值出現(xiàn)頻次是前29年的兩倍(1961-1989年共有6年降水量異?；虻湫彤惓＃?990-2019年則增至12年)。

表2 1961-2019年深圳市年降水量異常值出現(xiàn)年份統(tǒng)計表Table 2 Years with abnormal annual precipitation in Shenzhen City from 1961 to 2019

圖9 1961-2019年深圳市降水異常年份檢測Fig.9 Detection of abnormal precipitation years in Shenzhen City from 1961 to 2019

除年降水量外，其它10個極端降水指數(shù)亦在不同側(cè)面揭示了降水異常年份。近59年來，除持續(xù)干期外，其它9個極端降水指數(shù)均在1963年達(dá)到最低值，這都佐證了1963年為深圳市降水典型異常偏低年份。同理，平均日降水強(qiáng)度和年強(qiáng)降水量均在2008年達(dá)最大值；大雨日數(shù)、暴雨日數(shù)、持續(xù)濕期均在2001年達(dá)最大值。年降水量異常檢測結(jié)果和11個極端降水指數(shù)的變化趨勢、突變特征，綜合驗證了2001年和2008年均為降水典型異常偏高年份。

2.3.2 降水典型異常年份

選取兩個降水典型異常年份(1963年和2008年)，具體分析其降水異常成因及影響。其中，1963年，深圳市年降水量較常年減少了52.3%，且除持續(xù)干期外，所有極端降水指數(shù)均在該年達(dá)歷史最低值，為降水典型異常偏低年份。其主要原因為：該年受厄爾尼諾影響，東亞大氣環(huán)流異常，北方冷空氣南下路徑偏西，我國受冷空氣影響范圍減??；同時，西太平洋副熱帶高壓脊線異常偏西偏北，來自西南的暖濕氣流較弱[22]。這導(dǎo)致我國江南、西南、華南以及香港等地區(qū)均出現(xiàn)大范圍嚴(yán)重干旱[22-25]。黃強(qiáng)等[26]研究指出，此次珠江流域重大干旱過程從1962年11月7日一直持續(xù)到1964年1月4日，歷時424天。

2008年，深圳市降水典型異常偏多，其年降水量達(dá)2 710 mm，超多年平均降水量41.9%。同時，該年強(qiáng)降水量和平均日降水強(qiáng)度亦為近59年來最大。2008年深圳市典型極端降水事件主要為“6.13”暴雨，該暴雨過程降雨量大，全市24小時面雨量達(dá)325.3 mm。其中，寶安區(qū)面降雨量達(dá)437.71 mm，暴雨重現(xiàn)期接近百年一遇。最大24h點雨量在石巖水庫為625 mm，重現(xiàn)期大于500年一遇[27]。暴雨過程中，強(qiáng)大的東亞阻塞高壓、較深的烏拉爾山長波槽使冷空氣能夠不斷地南下入侵華南沿海；較強(qiáng)的低空急流和活躍的西南季風(fēng)則提供了良好的水汽和能量條件[28]。“6.13”暴雨造成了嚴(yán)重的澇災(zāi)，全市出現(xiàn)1 000多處內(nèi)澇或水浸，受災(zāi)人員十多萬人，更有8人死亡，6人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)12億元。

顯然，降水(典型)異常年份發(fā)生極端降水、極端干旱事件概率大。值得注意的是，降水正常年份亦有發(fā)生極端事件的可能。例如：2018年8月29-31日深圳市發(fā)生連續(xù)特大暴雨事件，該事件平均過程降雨達(dá)292.2 mm，最大累積降雨達(dá)596.3 mm(赤石大安小學(xué)站)(來源：《2018年深圳市氣候公報》，http://weather.sz.gov.cn/)。但我們分析表明，2018年各極端降水指數(shù)并無異常，且降水異常年份檢測結(jié)果為正常年。這是因為單次極端降水事件主要受局地天氣過程影響，可預(yù)報性低，預(yù)報難度大。因此，需要綜合考慮多個極端降水指數(shù)變化特征與極端降水事件發(fā)生的關(guān)聯(lián)，以便為極端降水事件預(yù)報、預(yù)估提供科學(xué)依據(jù)。

3 結(jié)論與討論

本文全面分析了1961-2019年深圳市11個極端降水指數(shù)的變化趨勢和突變特征，檢測了降水異常年份和典型極端降水事件，討論了深圳市極端降水指數(shù)與極端降水事件的關(guān)聯(lián)。近59年，深圳市強(qiáng)降水和極強(qiáng)降水的日降水量閾值分別為59.7 mm和130.4 mm，大致對應(yīng)著暴雨、大暴雨級別。深圳市極端降水變化主要表現(xiàn)為中雨日數(shù)顯著增多；年降水量無顯著變化趨勢，但極端降水指數(shù)波動特征顯著。近30年，深圳市年降水量異常(典型異常)年份出現(xiàn)頻次顯著增多，為前29年的2倍；1963年為降水典型異常偏低年份，2001年和2008年則為典型異常偏多年份。

盡管正常年份亦有發(fā)生極端降水事件的可能，但降水異常(典型異常)年份發(fā)生極端事件概率較正常年份要大。因此，深圳未來城市面臨著極端降水引發(fā)的城市內(nèi)澇和地質(zhì)災(zāi)害，造成街道成河、汽車沒頂、交通堵塞、人員傷亡等后果。其中，城市積澇主要包括片區(qū)內(nèi)澇和路面積水等，地質(zhì)災(zāi)害則主要指山體滑坡、泥石流和危險邊坡、擋土墻以及水渠邊坡垮塌。

因此，在能力建設(shè)方面，政府相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；提高雨洪管理，健全城市內(nèi)澇信息監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，構(gòu)建立體防洪排澇體系；完善洪澇應(yīng)急方案，加強(qiáng)應(yīng)急管理，提高城市防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力。在基礎(chǔ)研究方面，需結(jié)合極端降水指數(shù)以及造成嚴(yán)重災(zāi)害損失的極端降水事件，進(jìn)一步遴選極端降水關(guān)鍵預(yù)報指數(shù)；并將本文的單站點極端降水氣候變化分析擴(kuò)展至整個深圳市，分析地理、地形等諸多環(huán)境因子對極端降水空間格局分布的影響，在各社區(qū)層面制定不同災(zāi)害風(fēng)險等級所對應(yīng)的極端降水指數(shù)閾值標(biāo)準(zhǔn)；最終實現(xiàn)精準(zhǔn)化極端降水預(yù)估預(yù)報和精細(xì)化氣象災(zāi)害應(yīng)急管理目標(biāo)。