東莞市近30年降雨量時空演變特征分析

王秋良，孫 翔，甘杜芬，梅欣佩，成 潔，昝雄風

(1.深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518008；2.南方科技大學，廣東 深圳 518055；3.桂林電子科技大學計算機工程學院，廣西 桂林 541000)

近年來，城市降雨變化對城市發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響，極端水文事件頻發(fā)使得城市暴雨洪澇災害日益增多，嚴重制約城市健康可持續(xù)發(fā)展，影響城市居民的生活和城市生態(tài)、環(huán)境安全[1-4]。降雨作為城市產(chǎn)生內(nèi)澇最直接的驅(qū)動因子，是水文循環(huán)重要組成部分，對其城市洪澇災害起決定性作用[5]。針對降雨時空特征演變規(guī)律，國內(nèi)外許多學者取得了豐富的成果，董滿宇等[6]運用非參數(shù)檢驗Mann-Kendall 方法得出近46年來東江流域年降水量呈現(xiàn)增加趨勢。襲祝香等[7]用57年松遼流域逐日降水資料采用百分位數(shù)、距平累積、Mann-Kendall、變差系數(shù)得到松遼流域極端降水閾值呈西北小、南部大的分布。常曉棟等[8]基于Mann-Kendall檢驗法和sen’s坡度法得出濟南市豐水年與枯水年交替出現(xiàn)，降水量空間分布呈由西南向東北階梯型遞減的特征。2019年國務院印發(fā)《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》，將粵港澳大灣區(qū)定義為國家建設世界級城市群及參與全球競爭的重要空間載體[9-11]。東莞作為大灣區(qū)的核心城市之一，2020年常駐人口約占大灣區(qū)總常駐人口12%，經(jīng)濟總量占8%，為粵港澳大灣區(qū)建設世界級一流灣區(qū)做出了重要貢獻[12]。東莞市降雨時空變化特征對粵港澳大灣區(qū)城市防洪減災及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，建成世界級一流灣區(qū)有重要影響。本文基于東莞市現(xiàn)有水文站網(wǎng)資料，對東莞市時空降雨變化特征進行研究討論，以期為東莞市城市建設規(guī)劃、水資源合理配置、雨洪管理提供重要的理論依據(jù)，助力粵港澳大灣區(qū)建設。

1 研究區(qū)概況

東莞市位于廣東省中南部，珠江口東岸，東江下游的珠江三角洲。介于東經(jīng)113°31′～114°15′，北緯22°39′～23°09′。向東與惠州市惠陽區(qū)接壤，向北與廣州市增城區(qū)、惠州市博羅縣隔江為鄰，向西與廣州市番禺區(qū)隔海交界，向南與深圳市寶安、龍華兩區(qū)相連。毗鄰港澳，處于廣州至深圳經(jīng)濟走廊中間。西北距廣州59 km，東南距深圳99 km，距香港140 km。東西長約70.45 km，南北寬約46.8 km，全市陸地面積2 460 km2，海域面積97 km2。地勢東南高、西北低，地貌以丘陵臺地、沖積平原為主，地勢起伏和緩。地處南亞熱帶季風區(qū)，高溫多雨，汛期為4—9月，且受臺風影響，多年平均氣溫為22.8℃，歷年平均日照時數(shù)為1 961 h，多年平均相對濕度為77.0%，多年平均風速為1.94 m/s。由于東江穿過東莞市北地區(qū)從西北部入海，海洋潮汐對東莞部分地區(qū)影響較大[13-14]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文基礎數(shù)據(jù)來自于東莞市水文年鑒，該年鑒由廣東省水文局惠州水文分局匯編統(tǒng)計整理，考慮到數(shù)據(jù)的完整性與連續(xù)性，根據(jù)東莞市30個水文站1987—2018年長時間日降水量資料作為計算分析數(shù)據(jù)基礎，其中司馬與三坑站部分年份缺失，根據(jù)兩站附近的站點進行插補延展的方法將數(shù)據(jù)補齊。采用GIS對面雨量進行克里金方法空間插值，計算降水要素在整個區(qū)域空間分布[14-15]。采用Mann-Kendall檢驗對30個站點降雨平均值進行長期變化趨勢討論，對于給定的置信水平α，若|Z|≥|Z1-α|，即在置信水平α上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢，|Z|≥1.28、1.64、2.32時，分別表示通過了置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗。為了檢驗降雨序列的趨勢，采用Kendall傾斜度進行其長期變化趨勢的無偏估、滑動平均法對年際變化進行分析、累積距平判斷降雨量長期顯著的演變趨勢及持續(xù)性變化[16-20]，選擇水文站點空間分布見圖1。

圖1 本次計算所選取站點空間分布

3 結(jié)果分析

3.1 降雨量空間變化

根據(jù)東莞市30個站點連續(xù)32年系列數(shù)據(jù)，相同站點按年份取平均，得到各站點的多年平均雨量、汛期與非汛期雨量、各季節(jié)雨量、月均雨量，通過GIS進行面雨量差值，分析各雨量在時空分布的特性。

3.1.1多年平均降雨空間變化

通過計算每個柵格降水量，可得東莞市多年平均降水空間分布特性。由圖2可知，東莞市多年平均降雨時空分布不均勻，其分布規(guī)律呈現(xiàn)中東兩部凸顯，東多西少，南北均勻，自西向東呈現(xiàn)增加趨勢?？蓪|莞市降雨分布劃分為西部少、中部平、東部多3個降雨水平，依次為1 500～1 700、1 700～1 800、1 800～1 900 mm。整體來講，東部山區(qū)降雨普遍大于西北平原地區(qū)，東莞市降雨主要受海洋對流與山區(qū)對流的影響，東部坡度大，比西部地區(qū)容易產(chǎn)生對流，雨量較為充沛。

圖2 東莞市年降雨量空間分布特征

3.1.2多年平均降雨汛期與非汛期空間變化

根據(jù)圖3可得：整體而言，汛期與非汛期雨量分布不均勻，而且差異較大。汛期雨量在空間上，自西向東呈現(xiàn)依次增加的趨勢，中部向西逐漸降低，中部向東先降后升趨勢變化；非汛期降雨量中部凸顯，東西兩側(cè)區(qū)域差異明顯，中部地區(qū)最大，有向兩側(cè)依次降低的趨勢，西南部最小，而且東部地區(qū)明顯大于西部沿海地區(qū)，說明汛期降雨東部、東北地區(qū)易產(chǎn)生極端降雨，造成雨洪災害。

a)汛期分布

3.1.3多年平均降雨季節(jié)空間變化

根據(jù)圖4可知：總體而言，東莞市四季雨量在空間分布差異較大，不同季節(jié)最大的降雨量所處中心不斷變化，四季最大雨量中心由中部向東北部、東部、中部進行移動，最小降雨量一直穩(wěn)定在西南部區(qū)域。春季降雨量呈現(xiàn)中北部向周圍逐漸減少趨勢，中部地區(qū)降雨量最大，且中北部降雨量變化不均勻程度明顯比東西兩側(cè)要小；夏季降雨量自西南向東北呈現(xiàn)增加的趨勢，東北部最大，并向中北部地區(qū)進行延伸；秋季降雨量自西向東逐漸增加，東部地區(qū)最大；冬季降雨量呈現(xiàn)中南部向周圍逐次減低的趨勢變化，中南部最大。

a)春季

3.1.4多年平均降雨月際空間變化

根據(jù)圖5可知：月均降雨量變化梯度不明顯，自西向東呈現(xiàn)增大趨勢，東部最大，西部最小。最大最小月雨量差值空間分布不均勻，總體趨勢自西南—中北—東南有增加趨勢，東南部最大，西南部最小。

a)月平均降雨量

3.2 降雨量時間演變

同年按各站點取平均，得到各站點多年平均雨量、汛期與非汛期雨量、各季節(jié)雨量、月均雨量分析各雨量隨時間變化的規(guī)律。

3.2.1降雨年際變化

根據(jù)30個水文站32年連續(xù)數(shù)據(jù)系列，建立年降水量時間序列，進而分析年降水量年際變化特征以及趨勢突變。

根據(jù)圖6—7可得：32年以來東莞市平均降雨量變化是波動的。年平均降水量為1 624.79 mm，2017年降雨量最大為2 331.22 mm，1991年降雨量最小為1 134.10 mm，最大最小降雨差值為1 197.12 mm，最大是最小的1.94倍。降雨量在1991、2011年出現(xiàn)較小值，1994、2007、2009、2016年出現(xiàn)較高值，降雨極值更替出現(xiàn)，說明東莞市極端天氣頻繁。2004—2005、2010—2012、2017—2019年急劇下降；1987—1991、1994—2001、2007—2010、2012—2015年回到穩(wěn)定期；1991—1994、2005—2007、2015—2017急劇上升。由此可見，東莞市降水量年際變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，根據(jù)5年滑動平均曲線可知，1991—2001、2005—2011、2015—2019年波動范圍較大，一直呈現(xiàn)增加趨勢；2001—2005、2011—2015年波動范圍不大，呈現(xiàn)增加趨勢。根據(jù)M-K檢驗法(圖8)，東莞市年降水量趨勢檢驗結(jié)果τ值為2.06，τ的絕對值在大于等于1.28、1.64分別通過了信度90%、95%顯著性檢驗，可見近32年東莞市降水量總體呈現(xiàn)明顯增加的趨勢[19]。

圖6 東莞市降水年際變化

圖7 東莞市逐年降水累積距平

圖8 東莞市年降雨M-K統(tǒng)計量曲線

根據(jù)圖8，結(jié)合圖7可得：1987—2018年逐年降雨過程線在置信水平臨界線之間，Ufk、Ubk曲線在1992年左右存在交點，說明其對應年份降雨可能存在突變。為進一步揭示區(qū)域降雨突變特征，采用累積距平曲線做進一步分析可知，曲線在1990年左右出現(xiàn)第一個極小值，也進一步證實了20世紀90年代初降雨量有發(fā)生突變，整個曲線呈現(xiàn)兩降兩升變化。2000—2002、2008—2010、2005—2018年，Ufk一直于在信度線，降雨上升變化趨勢顯著，進一步說明區(qū)域降雨呈現(xiàn)整體增加[20]。

3.2.2降雨汛期與非汛期變化

根據(jù)圖9所示：東莞市全年汛期降雨量約占全年60%～95%，非汛期僅占5%～40%，汛期占比最大年份為2007年，達到全年94.78%，占比最小年份為2016年，達到全年63.44%。根據(jù)M-K檢驗法，汛期傾斜率為0.12，τ值為1.90大于1.64，通過了置信度95%顯著性檢驗，說明汛期降雨量上升趨勢顯著。非汛期傾斜率為0.04，τ值為0.17，降雨量上升趨勢不明顯。

圖9 東莞市汛期與非汛期降雨變化

3.2.3降雨季節(jié)變化

根據(jù)圖10與表1可知：整體來說，東莞市全年內(nèi)多年平均降雨量夏季占比最大，冬季占比最小。春季占比2.64%～22.73%、夏季為22.64%～62.75%、秋季為22.78%～57.07%、冬季為0.46%～15.83%，降雨向夏秋季進行集中；夏季極差為852 mm，冬季為215.6 mm，夏季極差約是冬季的4倍。春秋降雨占比大、極差差值大，是因為4—6月為前汛期暴雨，為鋒面雨，俗稱龍舟水，由冷暖空氣相互作用而產(chǎn)生；7—9月為后汛期暴雨，多為臺風雨，俗稱白露水，由熱帶氣旋或輻合帶等熱帶天氣系統(tǒng)引起[13]。根據(jù)M-K檢驗法，汛期四季均呈現(xiàn)增加趨勢，春季τ值0.02、夏季1.24、秋季1.15、冬季0.96。春季增加不明顯，夏秋冬季降雨量比春季明顯[15]。

圖10 東莞市降雨量季節(jié)變化

表1 各季節(jié)降水量趨勢檢驗

3.2.4降雨月季變化

由圖11與表2可知：多年月平均占比最大的為6月份，占多年平均總量18.58%，最小為12月份，占1.88%，占比隨月份先增加后減少的趨勢變化。多年逐月最大降雨量為1 023.08 mm，最小為121.33 mm，比值為8.4倍；最大最小值差值最大為6月份934.65 mm，最小值為2月份121 mm，比值為7.7倍，說明同一月內(nèi)，不同年份降雨差異性較大。根據(jù)M-K檢驗法，月降雨量統(tǒng)計值見表2，除2、4月份的降雨量有降低趨勢以外，其他降雨量均有增加趨勢，其中除5、6、8月份變化較為顯著以外，其他月份增加均不顯著[19-22]。

a)月雨量占比

表2 月平均降水量趨勢檢驗

4 結(jié)論

a)東莞市多年平均降雨時空分布不均勻，其分布規(guī)律為中東兩部凸顯，東多西少，南北均勻，自西向東呈現(xiàn)增加趨勢，將東莞市降雨分布劃分為西部少、中部平、東部多3個降雨水平，依次為1 500～1 700、1 700～1 800、1 800～1 900 mm。東莞市年平均降雨呈波動變化，年平均降水為1 624.79 mm，最大降雨2 331.22 mm，最小降雨為1 134.10 mm，降水總體呈增加趨勢。

b)汛期與非汛期降雨分布不均勻，而且差異較大。汛期雨量在空間上呈現(xiàn)自西向東，依次增加的趨勢，中部向西逐漸降低，中部向東先降后升趨勢變化，汛期降雨隨時間呈現(xiàn)增加趨勢。非汛期降雨中部凸顯，東西兩側(cè)區(qū)域差異明顯，中部地區(qū)最大，有向兩側(cè)依次降低的趨勢，西南部最小。東莞市全年汛期降雨約占全年60%～95%，非汛期僅占5%～40%。

c)不同季節(jié)最大的降雨中心不斷變化，春夏秋冬四季最大雨中心由中部向東北部、東部、中部進行移動，最小降雨穩(wěn)定在西南部區(qū)域。春季降雨占比2.64%～22.73%、夏季為22.64%～62.75%、秋季為22.78%～57.07%、冬季為0.46%～15.83%。夏秋冬季降雨隨時間均呈現(xiàn)增加趨勢。

d)各站月均降雨變化差異不明顯，總體呈現(xiàn)增加趨勢。多年月平均占比6月份最大，占全年18.58%，最小為12月份，占全年1.88%。除2、4月份的降雨有降低趨勢以外，其他降雨均有增加趨勢，5、6、8月份變化較為顯著。