梅州市降水集中度和集中期及其與旱澇關系的研究

羅碧瑜，謝龍生，鄧 純，熊志剛，羅迎新

（1.廣東省梅州市氣象局，廣東 梅州 514021；2.廣東省蕉嶺縣氣象局，廣東 梅州 514200；3.廣東省興寧市氣象局，廣東 梅州 514500；4.嘉應學院 地理科學與旅游學院，廣東 梅州514021）

梅州市位于廣東省東北部，地處粵、贛、閩三省交界處，屬于亞熱帶季風氣候區，年均降水量達1 612.4 mm，但降水季節變化大、空間分布不均勻，旱澇災害時有發生［1］.目前國內外對旱澇都有各種各樣的指標和研究方法［2］，對華南干旱的研究，也有不少指標［3］.例如，有學者利用下次降水的平均等待時間(AWTP)分析廣東冬半年干旱特征［4，也有學者對梅州及其所處的華南區域的旱澇災害特征及成因進行過研究［5］，但對影響梅州旱澇情況的降水集中程度及集中時段的研究還較少.張錄軍于2004年提出的降水集中度（PCD）和降水集中期（PCP）的概念［6］，近年來被廣泛運用于評價區域降水量的時空分布特征，效果良好.筆者選取梅州市7個縣區氣象臺站1971—2016年的逐日降水數據，利用PCD和PCP的概念，計算梅州市各縣區的降水集中度和集中期，并探討其與旱澇的關系，對本地防災減災共工作提供更加科學的決策依據.

1 研究方法

1.1 降水集中度和集中期的定義及計算方法

降水集中度（PCD：Precipitation-Concentration Degree）和集中期（PCP：Precipitation-Concentration Period）是利用向量的原理定義降水量時間分布特征的參數，是評價區域降水不均勻性的重要指標之一［6］.實際表明，該指標不單可以定量地描述研究時段內降水的集中程度和集中時段，并且計算結果還可為水資源開發利用、防洪抗旱及水資源調蓄規劃提供技術支持［7］.計算方法描述如下：

Ri為某臺站年內總降水量，rij為研究時段內某候的降水量，θj為各侯對應的方位角（整個研究時段為-π～π），i為年份（i=1 971，1 972，…，2 016），j為研究時段內的候序（j=1，2，…，N）.由式（1）和（2）可知，反映了降水總量在研究時段內各個候的集中程度.如果在研究時段內，降水量集中在某一候內，則PCD為1，即PCD為極大值；如果PCD越接近于0，則表示降水量越不接近某一候，說明降水量幾乎均勻分布在每一候.PCD計算了合成向量的方位角，它指示出每個候降水量合成后的總體效應，也就是向量合成后重心所指示的角度，反映了一年中最大候降水量出現在哪一個時段內［8］.

1.2 空間插值方法

筆者利用反距離權重（IDW）插值法對計算出的數據進行空間插值［9］.IDW法是一種常用的空間插值方法，以插值點和樣本點間的距離為權重進行加權平均，離插值點越近的樣本點賦予的權重越大，可表示為：

其中Z是插值點估算值，Zi是實測樣本值，n為參與計算的實測樣本數，Di為插值點與第i個站點間的距離，p為距離的冪，它顯著影響內插的結果，它的選擇標準為最小平均絕對誤差.

1.3 相關分析

相關系數是研究變量之間線性相關程度的量，本文用于分析降水集中度、集中期是否與降水量存在相關［10］.相關系數的定義式為：

其中，Cov(X,Y)為X與Y的協方差，Var[X]為X的方差，Var[Y]為Y的方差，相關系數R表示兩個變量之間線性相關關系，R大于0時兩個變量呈正相關；R小于0時兩個變量呈負相關.R的絕對值在1與-1之間.R的絕對值越接近1，兩個變量線性相關性越強；R的絕對值接近于0時表明兩個變量幾乎不存在線性相關關系.

為判斷樣本相關系數對總體相關程度的代表性，需要對相關系數進行顯著性檢驗.若在統計上是顯著的，說明它可以作為總體相關程度的代表值，否則不能作為總體相關程度的代表值.在實際應用中，常通過查詢相關系數臨界值表，以n-2為自由度（n為樣本數量，本文n=46）確定是否通過顯著性檢驗.

2 降水集中度和集中期的特征分析

2.1 年均降水量分布特征

從梅州市各縣區近46年來年均降水量分布可知，位于梅州南部的豐順降水量最為豐富，達到1 840.7 mm，位于北部的平遠、蕉嶺次之，年均降水量均接近1 700 mm，其余四個縣區的降水量較少，其中，梅縣最少，僅1 518.3 mm.

2.2 降水集中度和集中期的多年平均分布特征

圖1為梅州市降水集中度和降水集中期的年際變化，從圖1（a）可知，全市歷年平均降水集中度為0.417，但年際變化較大，極小值為0.156（2016年），極大值為0.544（2007年），其中，有22年PCD大于多年平均值（稱降水集中年），有24年PCD小于多年平均值（稱降水不集中年），1976—2002年，降水集中年和不集中年間隔1～2年交替出現，2003—2008年，出現了連續6年的降水集中年，之后的2009—2012年，出現了連續4年的降水不集中年，表明2003—2012這一階段，PCD具有較強的連續性［11］；從圖1b可知，全市歷年平均降水集中期為32.76候（6月第2至3候），極大值為42.46（2002年，7月第6候至8月第1候），極小值為21.83（1983年，4月第3候至第4候）.其中，有25年PCD值小于多年平均值（稱降水集中期偏早年），21年PCP值大于多年平均值（稱降水集中期偏遲年），1982—1987年、2003—2007年分別出現了連續6年和5年的降水集中期偏早年，1971—1974年、2008—2011年分別出現了連續4年的降水集中期偏遲年，其余時段，偏早和偏遲年間隔1～2年交替出現.

圖1 梅州市降水集中度與降水集中期年際變化圖

從梅州市1971—2016年的降水集中度分布可知（見圖2（a）），位于梅州市南部的豐順降水集中度最高，達0.481，其余地區的降水集中度均在0.40～0.43之間，其中梅縣降水集中度最低，為0.389，五華次之，為0.394；梅州市降水集中期的分布呈現南遲北早的特征（見圖2（b）），豐順的降水集中期出現最遲，為35.9候，約為6月的第6候，其余地區的降水集中期差別不大，在31～33候之間，其中蕉嶺的降水集中期時間最早，為31.5候，約為6月的第1候至第2候之間.降水集中度和降水集中期的空間分布表明南部豐順與其余縣區的差異明顯，這考慮是由于蓮花山脈的阻隔作用，使位于山脈南側的豐順呈現與山脈北側的縣區不一樣的氣候特征.

圖2 梅州市降水集中度與降水集中期空間分布圖

2.3 降水集中度和集中期的變異系數分布特征

變異系數是某一序列的標準偏差與平均值的商，能夠很好地反映氣象要素的波動幅度［25］.PCD變異系數的分布大致呈現自北向南、自東向西逐漸增大的特征，PCD值最低的梅縣、五華兩地的變異系數最大，均在0.25以上，表明其降水集中程度的波動性較大.1971—2016年，梅縣PCD最高值為0.56（2007年），最低值為 0.15（2016年），五華PCD最高值為0.57（1996年），最低值為0.11（2016年），高低值的比例位于全市各臺站前列.PCD變異系數較低的地區分布于梅州東北部，其中蕉嶺最低，為0.19.從PCP變異系數的分布可以看出（見圖3（b）），位于中部的梅縣、大埔、五華三地的變異系數最高，表明以上地區出現降水集中期的時間較不穩定，而位于梅州最北和最南部的平遠、豐順變異系數較低，表明其降水集中期出現的時間較穩定.

圖3 梅州市降水集中度變異系數與降水集中期變異系數空間分布圖

2.4 降水集中度和集中期與降水量的相關系數分布

從梅州市降水集中度與降水量分相關系數分布可以看出（見圖4（a）），梅州市7個臺站的PCD與降水量均呈負相關關系，表明降水集中度越小，出現澇年的可能性越大，五華、興寧、梅縣、大埔4站相關性較強，通過了90%的顯著性檢驗，其中五華的PCD與降水量相關系數通過了95%的顯著性檢驗；從梅州市降水集中期與降水量的相關系數分布可以看出（見圖4（b）），7個臺站的PCP與降水量呈現顯著的負相關關系，全市均通過了95%的顯著性檢驗，表明降水集中期越早，出現澇年的可能性越大，其中興寧站PCP與降水量的相關系數達-0.474，通過了99.9%的顯著性檢驗.

圖4 梅州市降水集中度、降水集中期和降水量的相關系數分布圖

2.5 降水異常年的降水集中度和集中期分布

利用異常度的概念，篩選出各站歷年降水異常偏多（澇）及異常偏少（旱）的年份，分析梅州旱、澇年的降水集中度及降水集中期的分布特征［13］.

2.5.1 降水異常年的降水集中度分布

從全市分布上看，澇年的PCD值明顯比旱年的PCD值小（見圖5）.在澇年，全市PCD值在0.34～0.44之間，分布呈西低東高的特征，其中豐順的PCD值最高，達0.44，五華值最低，為0.34.在旱年，全市PCD值在0.40～0.53之間，分布呈現北低南高的特征，豐順仍為最高，達0.53，梅縣最低，為0.40.

圖5 降水異常偏多年與偏少年的降水集中度分布圖

2.5.2 異常降水年的降水集中期分布

澇年的PCP值明顯比旱年的PCP值小（見圖6）.在澇年，全市降水集中期在28～35候（5月第4候至6月第5候）之間，其中，除豐順降水集中期較遲外（35候），其余站均在28～30候之間.在旱年，全市降水集中期則較有同步性，在34～37候之間（6月第4候至7月第1候），其中平遠最早，豐順最遲.

圖6 降水異常偏多年與偏少年的降水集中期分布圖

3 結論

梅州全市歷年平均降水集中度為0.417，但年際變化較大，2003—2012期間，PCD具有較強的連續性，其余年份降水集中年和不集中年間隔1～2年交替出現；梅州全市歷年平均降水集中期為32.76候，1982—1987年、2003—2007年分別出現了連續6年和5年的降水集中期偏早年，1971—1974年、2008—2011年分別出現了連續4年的降水集中期偏遲年，其余年份偏早和偏遲年間隔1～2年交替出現.

降水集中度的分布上，南部的豐順最高，中部的梅縣最低；降水集中期的分布呈現南遲北早的特征，豐順的降水集中期出現最遲，為35.9候，蕉嶺的降水集中期時間最早，為31.5候.

PCD變異系數的分布大致呈自北向南、自東向西逐漸增大的特征，梅縣、五華兩地的變異系數最大，蕉嶺最小.PCP變異系數的分布可見位于中部的梅縣、大埔、五華三地的變異系數最高，而位于梅州最北和最南部的平遠、豐順變異系數較低.PCD、PCP均與降水量呈現顯著的負相關關系，表明降水集中度越小，降水集中期越早，出現澇年的可能性越大.澇年的PCD值明顯比旱年小，呈西低東高分布，旱年PCD呈北低南高分布；澇年的PCP值明顯比旱年的PCP值小.在澇年，全市降水集中期在28～35候之間，在旱年，則在34～37候之間.