茂名地區極端降水時空分布特征分析

陳 冰，陸衛華，宋祖欽，陳蔚燁，李 英

（1.廣東省化州市氣象局，廣東化州，525100；2.廣東省高州市氣象局，廣東高州，525200）

1 引言

近年來，在全球變暖的大背景下，廣東降水變率加大，極端天氣氣候事件頻發［1］，IPCC第五次評估報告第一工作組報告指出，未來全球氣候變曖對氣候系統變化的影響仍將持續，中緯度大部分陸地區域和濕潤的熱帶地區的強降水強度可能加大、發生頻率可能增加［2］。

華南是我國汛期時間最長、降水最多、雨澇最多的地區之一［3-4］，茂名地處粵西南，為廣東省三大暴雨中心之一，極端降水如2010年高州“9.21”特大暴雨、2016 年信宜“5.20”特大暴雨等［5-6］，引發山洪爆發、泥石流、江河泛濫、城鄉漬澇等自然災害及次生災害，造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。

近年來，眾多學者及氣象工作者已對我國不同區域的極端強降水事件的變化特征進行了研究［7-17］。錢維宏等研究表明，在全球變暖的背景下中國的大暴雨事件增多；秦大河等指出，長江及長江以南地區年降水量和極端降水量趨于增加，極端降水值和降水事件強度有所加強；覃衛堅等分別就華南不同地區暴雨的分布特征作分析，綜上研究，極端降水事件的變化具有明顯的區域性。鑒于極端降水氣候的地域差異明顯，茂名地區與嚴重洪澇事件密切相關的極端降水時空分布是否隨氣候變暖進一步增加、極端降水事件是否更加嚴重等問題已經引起人們普遍關注，本文對茂名地區強降水氣候特征進行研究，以提高極端降水的預報準確率，延長預見期，為政府災害防御決策以及風險管理提供一定的參考數據。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本文選取茂名地區5個氣象站點（信宜、高州、茂名、化州、電白）1972～2016年逐日降水資料，由廣東省氣候中心整編提供。

2.2 指標定義

極端天氣事件作為某一地點或地區從統計分布的觀點看不?；驑O少發生的天氣事件［18］，為更好地表征極端降水事件的時空變化特征，本文采用翟盤茂等［19］對極端降水事件的閾值定義，把各站逐年日降水量序列第95個百分位值的平均值定義為該站極端降水事件的閾值，當該站某日降水量超過這一閾值時，定義該站發生極端降水事件。

為從不同角度研究極端降水事件的特征，根據世界氣象組織（WMO）氣候委員會（CCI）、全球氣候研究計劃 （WCRP）氣候變化和可預測性計劃（CLIVAR）氣候變化檢測、監測和指標專家組（ETCCDMI）提出的氣候變化檢測和指標（Expert Team on Climate Change Detection andIndices）［20］，選取其中極端降水指數（表1）進行研究。

表1 極端降水指數定義

2.3 分析方法

本文利用線性傾向率分析極端降水指數的長期變化趨勢，線性方程系數的統計顯著性采用t檢驗［21］；極端降水指數的突變或轉折分析采用M-K突變檢驗［22-23］；采用 Morlet小波分析進行周期分析［24］。

3 茂名地區極端降水變化特征

3.1 茂名地區極端降水事件的空間分布特征

計算近45a茂名地區各站極端降水的閾值，全市平均閾值為51.6mm·d-1。由圖1a可見，最低閾值為信宜（49.7mm·d-1），略低于暴雨量級，其它臺站閾值均在暴雨量級以上，最高為化州53.4mm·d-1，呈現由南向北階梯狀遞減的趨勢。

圖1b為茂名地區近45a平均年極端降水總量的空間分布。各站平均年極端降水總量由西向東遞減，化州的平均年極端降水總量與降水閾值保持一致，為最大值，達693.3mm·a-1，信宜、高州的平均年極端降水總量中等偏高，大致620.0mm·a-1，低值區在中、東部，最低為茂名 576.0mm·a-1。

圖1c可見，茂名地區近45a極端降水頻次的空間分布由西北向東南遞減，“南少北多、東少西多”分布特征類似于茂名地區沿山地形分布特征，西部、北部地區為極端降水的多發點，其發生頻次普遍大于7.5d·a-1，中部、東南部發生頻次小于 7.0d·a-1。 極端降水多發區與閾值高值區基本呈反位相，表現最明顯為信宜，閾值較小而極端降水頻繁，說明其雨日較多而降水強度較弱。

圖1 茂名地區極端降水事件閾值（a）；年平均極端降水量（b）；頻次（c）；強度（d）

由圖1d可見，茂名地區近45a極端降水強度的空間分布與極端降水閾值空間分布類似，由南向北階梯狀遞減，由于茂名地區南部為年極端降水總量高值中心且年極端降水頻次較少，故該地區極端降水強度較大，中心值化州達91.8mm·a-1；北部地區由于年極端降水總量小、發生頻次多，極端降水強度也較小，最小為信宜 80.3mm·a-1。

綜上可知，茂名地區各種極端降水指數分布存在明顯的區域差異。電白地處東南部，更多受臺風、東風波等熱帶系統影響，極端降水強度、年極端降水總量等指數較大，但發生頻次較少；北部的信宜、高州、化州北部，更多受高空槽、鋒面低槽、西南低渦等影響，局部地區極端降水發生頻次高，但極端降水強度較弱；化州南部位于茂名地區的西南部，極端降水強度、年極端降水總量以及頻次等指數處高值中心；位于中南部的茂名，極端降水強度中等，年極端降水總量以及頻次等指數處低值中心。

3.2 茂名地區極端降水事件的時間分布特征

3.2.1 月際變化特征

分析茂名地區極端降水事件的頻次月際分布情況（圖2），極端降水事件發生的高峰月為6月，這與陸虹的研究結果一致［25］，其次為8月、5月和7月，發生最少的月份為12月、2月和1月。并且茂名地區各地發生極端降水事件的高峰月有自北向南后推現象，分別為信宜5月、高州6月、茂名7月、化州和電白8月，但極端降水事件均較集中在汛期，發生的頻次各占本站全年次數的87.0-89.0%。茂名地區極端降水總量的月際分布情況與頻次發布情況相似（圖略）。

圖2 茂名地區極端降水事件頻次逐月分布圖

分析茂名地區極端降水強度的月際分布情況（圖略），茂名地區極端降水事件的平均強度月際差異較明顯，在66.5-94.6mm·a-1之間變化，但未體現明顯季節性差異。

3.2.2 年際和年代際變化特征

近45a茂名地區年平均極端降水總量最小為272.9mm·a-1（1977），最大為 1316.3mm（2002），平均623.2mm，表現為增加趨勢，平均增加19.1mm·（10a）-1。平均極端降水總量變化趨勢（圖3）具有明顯的階段性。從5a滑動平均上來看，20世紀70年代至80年代中期，極端降水總量沿平均線震蕩；80年代中期至90年代初，極端降水總量處低值期；90年代中后期至21世紀初呈增加趨勢，2003年后呈減少趨勢；2008年至21世紀10年代前期，達最高值，10年代中期至今呈減少趨勢。從年極端降水總量變化趨勢的地域分布來看，各地呈不同的變化趨勢，化州、高州兩地表現為減少，減少幅度分別為16.0mm·a-1、4.0mm·a-1，其他站點呈不同程度的增加趨勢，分別為信宜 12.9、茂名 97.3、電白 5.2mm·a-1。

圖3 茂名地區年平均極端降水總量圖

茂名地區平均極端降水頻數為7.2d·a-1，最低值為 3.4d·a-1（1977 年），最高值為 13.4d·a-1（2013 年）?？傮w上，近45a茂名地區極端降水頻數變化趨勢略有增加，平均增加 0.15d·（10a）-1。其年際年代際變化與平均極端降水總量走勢相似。分析茂名地區各站極端降水頻數，近45a信宜、茂名極端降水事件頻數呈增加趨勢，其中茂名增幅明顯，為 1.04d·（10a）-1，高州、化州、電白極端降水事件頻數傾向于減少，但減幅較小。

茂名地區近45a平均極端降水強度達84.9mm，變化趨勢表現為增大趨勢，為 1.10mm·（10a）-1；各地呈不同的變化趨勢，其中只有化州呈減小趨勢，減幅為0.115mm·（10a）-1，其余站點均表現為增大趨勢，電白 2.13mm·（10a）-1、 信宜 2.09mm·（10a）-1、 茂名1.09mm·（10a）-1三站增幅明顯，只有高州增大趨勢不明顯。

分析各站上述極端降水指標變化趨勢，趨勢系數除茂名年極端降水總量以及頻數通過0.05顯著性水平檢驗外，其他各站各極端降水指標變化趨勢均不明顯。氣候傾向率除電白、高州年極端降水雨量通過0.05顯著性水平檢驗外，其余趨勢不顯著。

綜上分析，近45a茂名、信宜極端降水量、頻數和降水強度都趨于增加；化州都趨于減少；高州極端降水量和降水強度趨于增加，頻數減少；電白極端降水頻數增加，而降水量和強度都減少；就茂名地區平均而言，極端降水量、頻數和強度都趨于增加。同時可以看出，極端降水量增加的原因是極端降水事件頻次的增加和強度的增大，具體在不同站點有不同的表現形式。

3.2.3 突變分析

上述分析表明，近45a茂名地區極端降水量、頻數和降水強度俱呈上升趨勢，這是否是氣候突變的一種反映，因此有必要對其變化程度進行突變檢驗。利用M-K檢驗方法對45a茂名地區各極端降水指標特征做突變分析。按照伍紅雨等［26］的研究，圖4顯示了45a茂名地區極端降水量、頻數和降水強度的M-K檢驗，雖然呈上升趨勢，但在顯著性水平內，均有多個交叉點，是以茂名地區極端降水量、頻數和降水強度未發生突變。

圖4 茂名地區極端降水量（a）、頻數（b）和降水強度（c）M－K突變檢驗

3.3.4 小波分析

為了揭示茂名地區年極端降水總量 （圖5a）和極端降水頻數（圖5b）的時間演變特征，本文利用Morlet小波分析方法對茂名地區極端降水事件進行周期分析。結果顯示，兩個小波實部在尺度、時空分布上都比較相似，其中年極端降水總量準3a短周期；20世紀70年代至80年代后期，存在較顯著的9-10a周期特征，90年代后至21世紀10年代前，存在準6a和準11-12a震蕩周期；極端降水頻數存在準3a短周期、12a長周期，20世紀70年代至80年代后期，存在較顯著的10a周期特征，90年代后至21世紀10年代前，存在準6a和準12a震蕩周期。

圖5 茂名地區極端降水量（a）、頻數（b）小波系數實部等值線圖

4 結論

（1）近45a茂名地區各站極端降水的閾值與強度由南向北遞減，平均年極端降水總量由西向東遞減，極端降水頻次的由西北向東南遞減。

（2）茂名地區的極端降水事件發生的高峰月為6月，極端降水總量峰值月為8月，極端降水事件的平均強度月際差異較明顯，但未體現明顯季節性差異。

（3）茂名地區極端降水總量、頻數以及強度均呈增加趨勢，年際變化明顯。但是不同站點有不同的表現形式；各極端降水指標突變特征不明顯；年極端降水總量以及頻次存在準3a短周期、12a長周期。

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