1979—2020 年粵北和珠三角地區(qū)夏季降水結構對比分析

陸杰英，孫麗穎，王春林，翟志宏，吳健達

（1.廣東省廣州市增城區(qū)氣象局，廣州 511300；2.廣州市氣候與農(nóng)業(yè)氣象中心，廣州 511430；3.環(huán)珠江口氣候環(huán)境與空氣質量變化野外科學觀測研究站，廣東 珠海 519082）

引言

廣東省珠三角地區(qū)面積417×104hm2，由西北江三角洲和東江三角洲組成，地形呈現(xiàn)大喇叭口，是廣東最大的平原，較容易出現(xiàn)中尺度天氣系統(tǒng)的影響。而清遠、佛岡和從化一帶是這個喇叭口地形的北端，在喇叭口地形作用下，由邊界層內北上的偏南氣流常產(chǎn)生輻合，容易出現(xiàn)極端性強降水?；洷钡貐^(qū)則主要以山地為主，且北臨對夏季超低空偏南暖濕氣流在迎風坡起抬升作用的嶺南山脈，疊加喇叭口地形的狹管效應、繞流以及摩擦作用引起氣流輻合上升，加劇了降水系統(tǒng)上升運動，使得降水持續(xù)、雨強增大，導致粵北地區(qū)的清遠成為廣東省三個多雨中心之一［1］。

西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓、西南低渦、熱帶氣旋、ITCZ、東風波等是影響廣東夏季的主要天氣系統(tǒng)［2-5］，但由于廣東省內南北距離差異較大，受天氣系統(tǒng)影響的程度因地而異，導致降水時空分布不均，降水結構地理差異較大，從而使得強降水中心地區(qū)頻繁遭受暴雨襲擊，衍生的洪澇、泥石流和山體滑坡等氣象災害對當?shù)氐慕?jīng)濟建設、生產(chǎn)及人民生命財產(chǎn)安全造成極大的破壞［6］。近年來較多學者如凌新良等［7］、薛羽君等［8］研究廣東省夏半年降水敏感區(qū)域以及廣東省年季降水量時空變化分布特征等，主要集中研究廣東省大范圍的降水時空分布較多，但針對從平原過度到粵北山區(qū)的夏季降水結構分析研究較少。為此，本文主要利用降水集中度指數(shù)Q，分析1979—2020 年廣東粵北和珠三角地區(qū)夏季降水的分布特征和變化趨勢，通過對日雨量≥1mm，≥25mm和≥50mm 三個降水量級的降水日數(shù)、降水時間及其變化趨勢，對比分析粵北與珠三角地區(qū)夏季降水結構。

1 資料與方法

文中粵北地區(qū)是指韶關和清遠地區(qū)（15 個氣象站），珠三角地區(qū)是指廣州、佛山、東莞、中山、深圳、惠州地區(qū)（15 個氣象站）。1979—2020 年上述地區(qū)共30 個氣象站的逐日降水觀測數(shù)據(jù)來自廣東省氣象信息中心。

采用信息熵［9］的概念研究廣東1979—2020 年逐日降水對降水總量的Q 指數(shù)來表征粵北與珠三角地區(qū)降水集中程度的對比分析。Li 等［10］定義單站降水量時間分配特征的降水集中度Q 指數(shù)表達式如下：

式中N 為夏季（6 月至8 月）總日數(shù)，P（xn）為第n 日的降水量對夏季降水總量的貢獻率。Q 值較小表示降水分散在多數(shù)雨日，當Q＝0 時，表示全年降水均勻分布在每一天；反之，Q 較大時表示降水集中在少數(shù)雨日，Q＝1 時，表示全年降水都集中在某一天內。另外，定義不同持續(xù)時間過程發(fā)生的頻次占所有持續(xù)性降水過程發(fā)生的總頻次的百分率為不同持續(xù)時間過程出現(xiàn)概率。定義不同持續(xù)時間降水過程對所有雨日的貢獻率為M，表達式如下：

其中d 為不同持續(xù)時間降水過程持續(xù)的天數(shù)，D 為總雨日，n 為不同持續(xù)時間降水過程發(fā)生的頻次，i=1，2，…11。

本研究將日雨量≥1mm 定義為雨日，將連續(xù)2d及以上雨日定義為持續(xù)性降水過程。按照中央氣象臺對降水強度的分類標準，選取1mm、25mm、50mm為臨界值，將日雨量≥1mm 的持續(xù)天數(shù)分成11 類（1～10d 和≥11d），將日雨量≥25mm 的持續(xù)天數(shù)分成5 類（1～4d 和≥5d），將日雨量≥50mm 的持續(xù)天數(shù)分成1d、2d 和≥3d。采用Kendall’s tau 等級相關系數(shù)非參數(shù)檢驗［11］，來評估降水不同參數(shù)的線性趨勢。

2 結果與分析

2.1 粵北和珠三角降水集中度特征

2.1.1 空間分布變化特征

從1979—2020 年粵北和珠三角地區(qū)夏季總降水量、Q 指數(shù)、降水總量線性趨勢變化分布以及Q指數(shù)線性趨勢變化分布（圖略）分析得出，1979—2020 年，粵北和珠三角夏季大部分地區(qū)總降水量在800～1000mm 之間，其中珠三角西面的花都、番禺、順德、三水、南海以及粵北地區(qū)的西南部連山、連南、陽山、翁源、英德、新豐夏季降水量在600～800mm 之間，粵北東北部在400～600mm 之間，總體呈現(xiàn)平原地區(qū)的珠三角降水較多，山地為主的粵北地區(qū)降水略少一些?；洷焙椭槿堑貐^(qū)Q 值在0.2～0.4 之間，而Li 等［6］研究指出全國夏季Q 值在0.1～0.8 之間，相較而言粵北和珠三角地區(qū)夏季降水結構較為分散，其中珠三角地區(qū)Q 值為0.2～0.3，而粵北地區(qū)Q 值為0.3～0.4，可見粵北地區(qū)的降水比珠三角集中。

1979—2020 年，兩地區(qū)夏季降水量均呈逐漸增多態(tài)勢（占比為93.3%），其中珠三角中部增加最明顯為30mm·（10a）-1，只有個別站點呈減少趨勢，而珠三角地區(qū)以及粵北的佛岡、新豐、英德、翁源、南雄、仁化、曲江Q 指數(shù)呈減少趨勢，降水呈分散趨勢；值得注意的是，粵北的連州、連南、連山、陽山地區(qū)Q 指數(shù)呈增加趨勢，降水量也是增加趨勢，表明出現(xiàn)強降水或者極端降水的概率呈增加趨勢。這與曾志平［12］指出的“三連一陽”地區(qū)強降水有增加趨勢，降水更加集中，易發(fā)生洪澇災害的結論相吻合。

2.1.2 趨勢變化特征

由圖1（a）可知，粵北和珠三角地區(qū)Q 指數(shù)在0.27～0.34 之間，平均值0.29；夏季年平均降水量在429.3～1123.4mm 之間，均值為749.5mm。降水量呈增加趨勢，而Q 指數(shù)整體卻呈現(xiàn)下降趨勢，表明了夏季粵北和珠三角地區(qū)降水結構趨于分散，出現(xiàn)持續(xù)性降水的幾率有增加趨勢。這與李麗平等［13］利用Morlet 小波分析方法研究得到的華南整體夏季降水量呈增多趨勢，雨澇范圍也呈增大趨勢的結論一致。

將粵北和珠三角地區(qū)作單獨分析，從圖1（b）和圖1（c）可知，珠三角夏季年平均降水量在475.9～1367.9mm 之間，均值為855mm，而粵北夏季年平均降雨量在382.7～1116.4mm 之間，均值為649.3mm。無論是粵北還是珠三角夏季降水量均呈增加趨勢，且珠三角更為明顯。兩個地區(qū)的Q 指數(shù)均呈下降趨勢，但珠三角下降趨勢更加明顯，而粵北僅是略微下降，表明珠三角比粵北地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性降水過程多，這與鄒賢菊等［14］指出的珠三角地區(qū)汛期各等級降水量均呈增加趨勢，降水日數(shù)與其降水量變化趨勢一致的結論一致。

2.2 粵北和珠三角不同強度降水的變化

2.2.1 日雨量≥1mm 的降水特征

圖2（a）給出了不同持續(xù)時間降水過程的概率和貢獻率，對于日雨量≥1mm 持續(xù)1～3d 雨日發(fā)生概率超過50%，持續(xù)11d 雨日發(fā)生概率＜1%。持續(xù)1～3d 雨日的貢獻率約為48%，持續(xù)4～7d 雨日的貢獻率為37%，持續(xù)超過7d 的降水過程貢獻率約為15%。從圖2（b）看出持續(xù)雨日為1～10d 和≥11d 貢獻率的時間演變，1992 年前雨日＜3d 的貢獻值為正異常，而雨日≥3d 的貢獻值為負異常，說明1992 年前雨日＜3d 的短時間持續(xù)降水過程貢獻較大，但在1992—2008 年期間的情況與1992 年前完全相反，2008 年以后兩種類型降水呈交替出現(xiàn)態(tài)勢。從圖2（c）可以看出雨日≤6d 的降水過程為減少趨勢，雨日＞6d 為增加趨勢。

從1979—2020 粵北和珠三角地區(qū)雨日變化趨勢的空間分布（圖略）可知，除了清遠、博羅、深圳三個城市外，其余地區(qū)的雨日都呈現(xiàn)增多趨勢，廣州增速最大達2d·（10a）-1。從雨日＜3d 變化趨勢來看，大部分城市都呈減少趨勢，只有樂昌、翁源、連山、增城、惠陽、中山、惠州7 個城市呈增加趨勢。雨日≥3d珠三角大部分呈增加趨勢，粵北大部分呈減少趨勢，番禺增速最大達0.53d·（10a）-1。綜合分析可知，粵北和珠三角雨日＞6d 的長時間持續(xù)性降水過程呈逐漸增多態(tài)勢，總雨日也呈增多趨勢，珠三角比粵北增加趨勢更為明顯。

2.2.2 日雨量≥25mm 的降水特征

由圖3（a）可知，雨日為1d 的概率達75.9%，其對總雨日的貢獻率為56.8%，持續(xù)1～2d 降水過程的貢獻率超過90%，日雨量≥25mm 降水持續(xù)時間與貢獻率成反比，降水持續(xù)時間越短，其貢獻越大。從圖3（b）年際變化圖分析可知，1992 年前持續(xù)1d 雨日的貢獻值為正異常，1992—2008 年期間的情況與1992 年相反，而在2009 年以后持續(xù)1d 雨日的貢獻值又為正異常，表明2009 年以后粵北和珠三角地區(qū)日雨量≥25mm 的降水過程是以1d 的短時間降水過程為主。從降水過程的變化趨勢圖3（c）來看，1d的短時間降水過程呈現(xiàn)減少趨勢，雨日≥2d 的持續(xù)性降水過程呈增加趨勢。

除了清遠以外，粵北和珠三角地區(qū)日雨量≥25mm 的雨日均呈增加趨勢，其中廣州最明顯，增速達1.3d·（10a）-1，其次是曲江為0.9d·（10a）-1。雨日＜3d變化趨勢珠三角增速值比粵北大，最大增速的廣州為0.92d·（10a）-1；而雨日≥3d 的降水過程則是粵北大部分地區(qū)呈增加趨勢，珠三角有2／3 地區(qū)呈減少趨勢。綜上所述可見，珠三角地區(qū)日雨量≥25mm 的雨日以及短時間持續(xù)性降水都呈增加趨勢，表現(xiàn)較為明顯的城市是廣州；而粵北地區(qū)長時間持續(xù)性降水過程呈增加趨勢。這也表明了珠三角地區(qū)夏季日雨量≥25mm 是以雨日＜3d 的短時間持續(xù)性降水占主導，而粵北則以雨日≥3d 的長時間持續(xù)性降水過程為主，這也許跟兩者地形差異有著密切關系。

2.2.3 日雨量≥50mm 的降水特征

圖4（a）可見，日雨量≥50mm 持續(xù)1d 降水過程出現(xiàn)的概率為86%，其對總雨日的貢獻率達74%。持續(xù)1～2d 降水過程的貢獻率超過90%。從圖4（b）年際變化可知，1979—2020 年期間日雨量≥50mm且雨日持續(xù)1d 的降水過程貢獻值為正異常存在交替出現(xiàn)現(xiàn)象，且無明顯周期變化；而在2007 年以后雨日持續(xù)1d 降水過程的貢獻值呈現(xiàn)正異常趨勢，表明2007 年以后粵北和珠三角地區(qū)日雨量≥50mm是以雨日為1d 的短時間降水過程為主。從降水過程的變化趨勢圖4（c）來看，1d 的短時間降水過程呈現(xiàn)減少趨勢，≥2d 的持續(xù)性降水過程呈增加趨勢。

粵北日雨量≥50mm 的雨日增加趨勢比珠三角地區(qū)明顯。最明顯增速為連州（11.9d·（10a）-1），其次是連南、樂昌分別為9.3d·（10a）-1和9.1d·（10a）-1；而雨日＜3d 短時間持續(xù)性降水過程變化趨勢則是珠三角增速值比粵北地區(qū)大，增速最大為廣州（0.44d·（10a）-1）；而從雨日≥3d 的長時間持續(xù)性降水過程來看，粵北大部分地區(qū)呈增加趨勢，珠三角有1／2 的地區(qū)呈現(xiàn)減少趨勢。綜上所述可見，粵北日雨量≥50mm 的日數(shù)以及雨日≥3d 長時間持續(xù)性降水過程都呈增加趨勢，而珠三角雨日＜3d 短時間持續(xù)性降水過程增加趨勢明顯。表明雖然同屬于廣東省中部的兩個地區(qū)，但夏季降水氣候特征差異明顯，降水結構特征呈現(xiàn)反相分布現(xiàn)象。

4 結論與討論

利用1979—2020 年廣東粵北和珠三角地區(qū)的逐日降水資料，通過計算其降水集中度，分別研究區(qū)域內日雨量≥1mm、≥25mm、≥50mm 各量級降水的雨日、持續(xù)時間及其變化趨勢，分析了粵北和珠三角地區(qū)夏季降水結構的變化特征。主要結論如下：

（1）粵北和珠三角地區(qū)Q 值在0.2～0.4 之間，降水結構粵北比珠三角相對集中。兩地夏季降水量呈逐漸增加態(tài)勢，珠三角中部增速最明顯為30mm·（10a）-1；兩地持續(xù)1d 的降水過程逐漸減少，持續(xù)多日的降水過程逐漸增加。夏季兩地持續(xù)性降水趨于明顯，且珠三角比粵北地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性降水過程更多。

（2）兩地日雨量≥1mm、≥25mm 和≥50mm 的雨日均呈增多趨勢，日雨量≥1mm 珠三角長時間持續(xù)性降水過程呈增加趨勢，粵北則相反。日雨量≥25mm珠三角以雨日＜3d 的短時間持續(xù)性降水占主導，粵北則趨向于雨日≥3d 的長時間持續(xù)性降水過程；日雨量≥50mm 粵北雨日以及雨日≥3d 的長時間持續(xù)性降水過程均呈增加趨勢，珠三角雨日＜3d 降水過程增加趨勢明顯，兩者夏季降水結構、夏季降水氣候特征差異明顯，存在反相分布現(xiàn)象。

1979—2020 年，粵北和珠三角地區(qū)降水日數(shù)、降水概率、降水貢獻率都呈現(xiàn)不同程度的變化特征，其降水結構呈現(xiàn)南北反相分布現(xiàn)象，影響兩者降水結構的差異可能除了平原與山地地形差異外，也許還與全球氣候變化對其影響存在差異有關系。但值得關注的是，珠三角地區(qū)夏季日雨量≥25mm 和≥50mm 均以雨日＜3d 的短時間持續(xù)性降水過程占主導，當?shù)貞苑烙虝r強降水、短時高影響天氣為主要抓手，提高氣象預警提前量，積極采取措施應對城市內澇；而粵北地區(qū)則以雨日≥3d 的長時間持續(xù)性降水過程為主，氣象部門要提高延伸預報的正確率，各級政府部門應積極采取措施防御持續(xù)性降水過程引發(fā)的山體滑坡等地質災害。