廣東省降雨時空分布特征分析

楊 帆 周 悅 羅嵐揚 苗曉宜 馬美紅 劉榮華

（1.廣東省防汛保障與農村水利中心，廣州 510635；2.北京市師范大學，北京 100875；3.天津師范大學，天津 300387；4.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

0 引 言

在全球氣候變化發(fā)展的背景下，極端降雨事件顯著增加，以具有局地性、強度大的短時強降雨為主，降雨導致的山洪、泥石流等災害，嚴重威脅著人們的生命財產安全。例如，2022 年6 月18 日，廣東省多地遭受暴雨，最大3 h 累計降雨量高達155 mm，超100年一遇，引發(fā)了山洪災害，造成47.96 萬人受災，1 729 間房屋倒塌[1]。同時，受地形、植被、人類活動等影響，同一地區(qū)降雨時空分布規(guī)律不同。因此，研究降雨時空分布規(guī)律對提高短時強降雨預警預報、開展區(qū)域防災減災具有重要的指導意義。

近年來，國內外學者圍繞降雨分布特征開展了大量研究，但主要聚焦分析較大區(qū)域尺度降雨的特點；或結合氣候變化背景對降雨影響因子進行相關性分析[2-6]。在省級和市縣級尺度降雨特征分析中，降雨特征指標選取及分析方法不同，其中市縣尺度多選取降雨量、降雨日數(shù)等指標研究降雨演變規(guī)律[7-11]。方法上，多運用Mann-Kendall（M-K）檢驗和反距離權重插值法，聚焦誘發(fā)災害性降雨的趨勢與分布研究。而短時強降雨事件由于其高風險性引發(fā)大量關注，大多研究圍繞降雨過程與成因分析、時空變化與預報方法[12-14]。例如，Chen等[7]分析了臺灣地區(qū)的強降雨事件的時空分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)強降雨多發(fā)于山區(qū)迎風坡地帶；鄭杰元等[8]從年、月、汛期非汛期等尺度分析了廣州市降雨時空變化規(guī)律；Brooks 等[12]通過統(tǒng)計1948—1993 年小時降雨資料，驗證了短時強降雨頻次與山洪分布直接相關?？傊治鼋涤攴植继卣骺蔀閺V東地區(qū)山洪預警提供參考借鑒。

目前，研究降雨分布規(guī)律，指標一般選取年均降雨量、日均降雨量、降雨天數(shù)等，方法多采用M-K檢驗法、趨勢系數(shù)、反距離權重插值、克里金空間插值法等。研究區(qū)域上，受海陸位置和地形影響，極端暴雨天氣的時空分布特征具有較強的地域性[15]；通過《2022年廣東省統(tǒng)計年鑒》中的水資源數(shù)據(jù)整理分析，可以發(fā)現(xiàn)自上一輪厄爾尼諾現(xiàn)象結束后（2014—2016 年），廣東省各地區(qū)降雨量出現(xiàn)階段下降，其中2019 年11 月至2021 年是廣東省歷年罕見的連旱時期，其降雨特征在歷年時序變化中具有較強的代表性[16-18]；2021 年，除廣東省西北地區(qū)外，其他地區(qū)年降水量幾乎為近10年最低值。因此，本文以廣東省為研究區(qū)域，基于2017—2021 年省內4 119 個雨量站實測數(shù)據(jù)，選定年、月、日3種時間尺度的降雨量指標，運用反距離權重等方法分析降雨時空變化規(guī)律，以期為廣東省防災減災工作提供參考借鑒。

1 研究區(qū)概況

廣東省地處我國大陸最南部，陸地面積17.89 萬km2。地勢位于第三級階梯，呈現(xiàn)北高南低，地貌類型復雜多樣（圖1）。廣東省北部的山地由南嶺山脈旁支組成，東部和中部的丘陵由東南丘陵中兩廣丘陵組成。平原主要分布在南部沿海地區(qū)，占廣東省面積的1/5，包括珠江三角洲平原、潮汕平原等。廣東省屬于東亞季風區(qū)，從北向南分布中亞熱帶、南亞熱帶和熱帶氣候，日照充足、降水豐沛，是全國光、熱和水資源最豐富的地區(qū)之一。受氣候和地形影響，廣東省洪澇和干旱災害時常發(fā)生，臺風登陸頻繁。1949—2021 年，共有264 個臺風在廣東省登陸，其中南部的湛江地區(qū)多達84 次，導致廣東省華南地區(qū)年均降水量較豐富，如2021 年廣東省年均降水量為1 358 mm，華南地區(qū)年均降水量為2 000 mm[18-19]。

圖1 2017—2021年降雨量年分布特點及距平百分率

廣東省3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12 月至次年2 月為冬季，每年6—10 月為臺風頻發(fā)期，對廣東省影響較大。春季氣溫和降雨均處于上升趨勢，但受冷暖天氣的交替影響，水熱狀況不穩(wěn)定性增強；夏季是集中強降雨季節(jié)；秋季冷空氣是影響廣東省天氣的主導因素，氣溫和降雨逐漸下降；冬季盛行東北風或北風，但冷空氣到廣東時強度減弱，且因所處緯度較低，具有溫暖少雨的特點。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文主要選取廣東省氣候中心的國家級基準氣候站與區(qū)域自動氣象站資料，經過質量控制后，合計4 119 個站點。整理得到各測站不同時間尺度的（小時、月、日、平均）降雨量，以分析降雨時序變化規(guī)律及年均降雨量空間分布特征。本文將實測數(shù)據(jù)達到對應閾值時計為1 次短時強降雨天氣，1 d 內站點多次達標時則累加站次；只要1 個站點出現(xiàn)短時強降雨天氣則記為當日1 個短時強降雨日。此外，通過對廣東省暴雨圖集數(shù)據(jù)插值計算得到各站點2 年一遇降雨量數(shù)值，選定短歷時（1 h）降雨量作為判定發(fā)生短時強降雨事件指標，其中1 h 降雨量指該時前1 h累計降雨量。

2.2 研究方法

本研究以1 h 站點觀測降雨為基本單元，統(tǒng)計年、月、日等不同時間尺度的降雨量，并采用反距離權重插值法分析降雨空間分布特征，用距平百分率法分析降雨時序變化規(guī)律。

（1）反距離權重插值法。反距離權重插值法是以物體之間的距離決定其相似性，即兩個物體距離越近則相似性越大，反之，距離越遠則相似性越小；以預測點與樣本點之間距離的負指數(shù)值確定樣本點的權重，將各樣本點乘以對應權重的屬性值求和，即得到預測點的屬性值。計算公式為：

式中：Z(S0)為S0處的預測值；N為預測計算過程中要使用的預測點周圍樣本點的個數(shù)；Z(Si)為第i個樣本點Si處的測量值；i為預測計算過程中使用的各樣點權重，該值隨樣本點與預測點之間距離的增加而減小，確定權重的計算公式為：

式中：p為指數(shù)值；di0（或dj0）為樣本點Si（或Sj）到預測點S0的距離，計算公式為：

式中：Xi為樣本點Si的橫坐標；X0為預測點S0的橫坐標；Yi為樣本點Si的縱坐標；Y0為預測點S0的縱坐標。

（2）距平百分率法。距平指某一數(shù)值與平均值的距離差，如果該值為正則為正距平，反之則為負距平；降雨距平百分率是對距平進行標準化處理的結果，能反映某一年降雨量與多年平均值的偏離程度，有利于參考同一標準評價各年降雨特征，同時體現(xiàn)降雨量年際變化的波動性。本文將5年降雨量平均值作為參照，公式如下：

式中：PA為距平百分率；Pi為某年的降雨量，mm；ˉP為5年降雨量平均值，mm。

3 降雨時空變化特征分析

3.1 廣東省降雨時間分布特征

年際變化方面，廣東省2017—2021年降雨量變化范圍為1 420.9～1 993.6 mm（圖1），平均年降雨量為1 714.2 mm；其中年降雨量最高出現(xiàn)在2019年，最低出現(xiàn)在2021年，極差為572.7 mm。2019—2020 年降雨量變化率為5 年最高，達到26.65%。計算分析每年降雨量的距平百分率，其中2020 年和2021 年距平百分率為負，降雨量低于平均值；2017 年、2018 年和2019 年降雨量高于平均值，距平百分率為正。副熱帶高壓、暖濕夏季風、北方冷空氣和臺風是影響廣東省整體降雨情況的關鍵因素；2017—2019年降雨量呈上升態(tài)勢，2019年是偏豐水年；2020—2021年，北方冷空氣較往年弱，且副熱帶高壓脊線北移，降雨量較前3年明顯減少，屬于枯水年，是廣東省歷年罕見的連旱年。

季節(jié)變化方面，結合廣東省緯度位置、海陸位置、大氣環(huán)流特征，各季特點如圖2：春季屬于過渡時期，平均降雨量535.1 mm，占年降雨量的28.5%；3—4 月是旱季，主要受蒙古高壓和西伯利亞氣團控制，空氣較為干燥，降雨相對較少；4 月中下旬至5 月，由于大陸上的冷高壓和冬季風開始北退減弱，西太平洋副高加強西進、北抬，廣東省逐漸處于副高邊緣，副高西北側的偏南氣流源源不斷地將南方海洋上水汽輸送到廣東省上空，冷暖氣流形成強降雨，雨帶維持在華南大陸和南嶺附近，是華南靜止鋒最活躍時期。夏季平均降雨量920.3 mm，占年降雨量的49.06%，夏季降雨特征主要原因為：一是受海洋氣團影響，夏季風強勁，且主要為偏南風，帶來豐沛的雨水，二是熱帶天氣系統(tǒng)活動頻繁，據(jù)統(tǒng)計，僅1990—2015 年登陸我國的熱帶天氣系統(tǒng)就有314個，登陸廣東省93個，占總數(shù)29%，其中7—9月是熱帶氣旋影響的主要時段，占81%[20]，另外，強烈的太陽輻射導致熱力對流旺盛、氣層不穩(wěn)定，可造成局部對流降雨。秋季平均降雨量294.1 mm，降雨類型主要為鋒面雨和臺風雨，占年降雨量的15.68%，此時，夏季風逐漸減弱，冷高壓漸強，大陸氣團控制了我國大陸大部分地區(qū)，水汽來源減少，雨日和雨量也隨之減少。冬季平均降雨量126.6 mm，占年降雨量的6.75%，主要受蒙古高壓和冬季風影響，空氣干燥，雨帶主要位于南海海平面上，降雨很少且極少出現(xiàn)暴雨；切變—冷空氣型、南風—冷空氣型、南風—變性高壓脊型和南風—西南低壓型是最常見的4 個冬季暴雨天氣類型[21]。

圖2 2017—2021年降雨量季節(jié)分布特點及年貢獻率

月際變化方面，廣東省2017—2021 年月降雨量范圍為37.4～407.5 mm（圖3）；5—8 月月降雨量均超過200 mm，是廣東省降雨集中月份，其中6 月最大，8 月次之，12 月最小，月降雨量小于50 mm。根據(jù)廣東省緯度位置、海陸位置、大氣環(huán)流特征可知：4—6 月受鋒面雨帶季節(jié)移動規(guī)律影響，多鋒面雨；7—9 月受臺風影響，多氣旋雨（或臺風雨）；夏季氣溫高，午后多對流雨。廣東省汛期一般為每年4 月中旬至10 月中旬，但近年來汛期明顯提前；其中2019 年、2020 年、2022 年入汛時間分別提前到3 月8 日、28 日、26 日，主要是受偏強西路冷空氣和來自南海菲律賓短暫的反氣旋環(huán)流異常影響；同時反氣旋邊緣西南氣流為華南地區(qū)提供了充足的水汽輸送，配合冷暖氣團交綏，造成廣東省降雨顯著。

圖3 2017—2021年降雨量月分布特點

3.2 廣東省降雨空間分布特征

受海陸位置和地形影響，廣東省降雨量在空間上呈現(xiàn)西翼和珠江三角洲北部地區(qū)較高，東翼和北部山區(qū)較低的特點（圖4）。其中珠江三角洲北部地區(qū)位于粵北和珠江三角洲交接處的北江谷地，背面依靠南嶺的東部核心九連山，夏季主要來自南海的水汽，從珠江口向北深入，進入似喇叭狀的珠三角，到達珠江三角洲頂端清遠—佛岡一帶受地形抬升影響，水汽匯聚在北江山谷迎風坡形成地形雨，帶來豐沛降水。西翼暴雨集中區(qū)的北部邊緣為山地，呈東北—西南走向，與海岸線基本平行。中部和南部為廣闊的丘陵、臺地和平原。夏季東南季風與海岸線和山脈形成垂直對沖，加劇了暖濕氣流的交匯。同時，天路山山谷地帶在陽江至恩平之間形成一個狹長谷地，從南海深入內陸的暖濕氣流在東部垂直斜交進入這一狹長谷地，形成強降雨。粵北地區(qū)降雨較少，主要由于北部山脈形成天然屏障，阻隔了南邊暖濕空氣伸入。而廣東東翼距離來自孟加拉灣和中南半島的溫暖西南風較遠，受冷暖氣流交匯形成的切邊系統(tǒng)影響減弱，導致降水偏小。

圖4 2017—2021年廣東省降雨量空間分布圖

4 廣東省短時強降雨時空規(guī)律

4.1 短時強降雨時間分布規(guī)律

利用廣東省暴雨圖集進行插值計算，得到廣東省各站點1 h 2 年一遇降雨量閾值，閾值范圍為36～68 mm，并作為對應站點是否發(fā)生2 年一遇短時強降雨事件的判斷指標。統(tǒng)計達到短時強降雨指標的雨量站，廣東省2017—2021年分別有106 d、101 d、122 d、92 d、95 d發(fā)生了短時強降雨；其中2019 年發(fā)生天數(shù)最多，整體呈先上升后下降趨勢，相鄰年份增長速率呈正負波動變化，與降雨量年變化趨勢具有一致性。

從不同月份短時強降雨發(fā)生頻次看（圖5（a）），受氣溫和季風的強烈作用，省內短時強降雨天氣主要出現(xiàn)在4—9 月，集中發(fā)生在春末夏初，其中5 月、6 月出現(xiàn)最多，平均天數(shù)合計為14～20 d，平均每月有21.5%的站點監(jiān)測到短時強降雨信息。6月發(fā)生頻次最多且強度大，短時強降雨累計約19 d，每天平均有48 站次發(fā)生短時強降雨事件，主要原因為夏季東南季風強勁，為短時強降雨的發(fā)生提供了充足水汽，加之氣溫高、蒸發(fā)量大，低層大量水汽上升，與高空下降的冷空氣形成強對流，凝結成積雨云并不斷壯大，當上升氣流無法承托云內水滴時，水滴急劇降落地面，在陸地局部地區(qū)形成短時強降雨，降雨主要表現(xiàn)為突發(fā)、強度大、歷時短、頻發(fā)、范圍小。10—12月月均發(fā)生3 d短時強降雨，平均5 個測站發(fā)生短時強降雨事件。由圖5（b）短時強降雨不同時段分布圖可以看出降雨多發(fā)生在下午及夜晚（15—20 時），該時段發(fā)生短時強降雨事件的頻率為28.6%～35.5%；日降雨量范圍為43.4～73.8 mm，其中18時最易發(fā)生強降雨；結合氣流特征分析可知：午后地面溫度較高，近地面氣層不穩(wěn)定，大氣上升形成熱對流，富含水汽的大氣在上升過程中遇冷形成降雨。

圖5 2017—2021年廣東省短時強降雨時間分布

4.2 短時強降雨空間分布規(guī)律

通過對站點短時強降雨量進行統(tǒng)計，分析得到2017—2021 年超過100 mm/h 雨強的站點分布，并利用反距離權重插值法進一步得到雨量集中區(qū)域。在降雨量超過100 mm/h的國家級基準氣候站點記錄中，東菀市上川站、茂名市茂名站、湛江市雷州站降雨量最為突出，其中，東莞市上川站最大1 h降雨量161.0 mm，發(fā)生在2020年5月21日6—7時；茂名市茂名站最大1 h 降雨量139.9 mm，發(fā)生在2018 年8月23日15—16時；湛江市雷州站最大1 h降雨量124.1 mm，發(fā)生在2021 年4 月19 日15—16 時。由圖6 可知，廣東省短時強降雨量超過100 mm 的區(qū)域主要分布在東莞、惠州、深圳、韶關、肇慶、清遠地區(qū)，分布特點為沿海比內陸活躍、東部比西部活躍、平原丘陵比山區(qū)活躍。全省短時強降雨高發(fā)區(qū)主要位于南部沿海（清遠—佛岡一帶）；北部山區(qū)也時有發(fā)生，東部（潮州汕頭等地）和南部（湛江茂名等地）是短時強降雨頻次最少地區(qū)。結合廣東省地形特點可知，南部沿海深受暖濕夏季風的影響，水汽充足，為短時強降雨的發(fā)生提供條件；加上平闊的地形條件，促進區(qū)域蒸散發(fā)過程，因此，南部沿海平原地區(qū)是短時強降雨天氣頻發(fā)區(qū)域。而北部山區(qū)包括內陸暴雨中心清遠—佛岡一帶，受地形影響，南方暖濕氣流在山脈迎風坡輻合上升，在高處遇冷凝結成雨，易在山谷區(qū)形成短時強降雨；當降雨強度較大時，山谷區(qū)將會遭遇山洪、泥石流等災害。綜合來看，2017—2021年廣東省降雨量整體偏少，而短時強降雨發(fā)生次數(shù)增多，多發(fā)生于夏季，降雨連續(xù)性相對減弱，1 h 最大降雨量為124.1～161.0 mm，粵西和粵中短時強降雨過程較多，粵北和粵東長時間降雨過程較多。

圖6 2017—2021年2年一遇短時強降雨空間分布圖

5 結 論

本文以廣東省為研究區(qū)域，通過對2017—2021年省內4 119 個實測站點的降雨量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，詳細分析了降雨時空分布特征及變化趨勢，以及短時強降雨發(fā)生頻次、強度和極值雨強的時空變化特征。主要結論如下。

（1）年降雨量范圍為1 420.9～1 993.6 mm，具有明顯波動性，且2020年和2022年是連旱年。降雨年內分布不均勻，其中夏季平均降雨量最大，達到920.3 mm，占全年降雨量的49.06%；其次是春季、秋季和冬季。月尺度方面，廣東省一年有2個降雨峰值，最大值為6月，主要受冷暖氣流頻繁交匯形成鋒面雨；次峰值在8 月，主要受臺風影響。降雨空間上分布不均勻，粵西和粵中珠江三角洲北部降雨多，粵東和粵東北降雨相對偏少；地形和海陸位置是影響降雨的關鍵因素，山脈迎風坡和南部沿海平原較其他地區(qū)多。

（2）短時強降雨時空分布與降雨量一致。夏季為短時強降雨易發(fā)季節(jié)；日內不同時段短時強降雨分布方面，由于午后近地面氣層不穩(wěn)定，大氣上升形成熱對流，在15—20 時最活躍，發(fā)生短時強降雨事件的頻率為28.6%～35.5%。空間上，由于沿海集聚夏季風所帶來的豐富暖濕氣流，并于山脈迎風坡輻合上升使得廣東省南部沿海平原短時強降雨發(fā)生頻繁，北部相對較少。