廣東省月降雨量時空演變特性分析

徐林春，黃 東，林美蘭，劉畫眉，李海彬，何書琴

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635;2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635;3.廣東省水安全科技協同創新中心，廣東 廣州 510635)

目前，全球氣候變化已經成為各國政府、科學界和公眾普遍關注的一個熱點問題[1]。降雨量是氣候變化中最為重要的影響因素之一，降雨不僅對水循環產生重大影響，還對水資源變化起著決定性作用[2]。降雨在時間及空間分布上由于受到各種自然地理條件(地形、下墊面條件等)和氣象條件的影響，即使在同一個氣候區內，一般也存在分布的時空差異性[3]。同時，降雨也是導致洪澇、山體滑坡、泥石流等自然災害發生的重要致災因素。研究廣東省的降水變化特征，對了解上述自然災害的氣候變化規律具有重要意義，特別是在全球變暖的氣候背景下，極端天氣、氣候事件頻率加劇，認識廣東省降雨時空變化規律對該地區水資源的合理配置以及制定有效防洪治澇對策具有重要意義。國內大量學者對珠江流域及廣東省的降水變化特征開展了廣泛的研究。彭俊臺對珠江流域降雨的變化特征進行了研究，為深入理解珠江流域降雨的變化規律提供一些視角[4]。劉綠柳對西江流域1960—2006年的月降水量趨勢進行了分析，認為8—12月各月降水呈減少趨勢，1—3月各月和 6 月、7 月呈增加趨勢[5]。唐亦漢對珠江流域多種降雨指數時空變化及影響進行了研究，認為域降雨具有季度、月份集中性，其中，季度集中性趨于空間均勻化，月份集中性趨向空間極端化[6]。吳孝情基于珠江流域43個站點1960—2012年的日降雨數據，探索珠江流域非平穩性極端降雨的時空變化特征及其成因，認為極端降雨變化程度大的區域其變化程度呈減弱趨勢，而變化程度小的區域其變化程度呈加強趨勢[7]。李湘姣對廣東省1956—2008年降雨量變化進行了分析，認為廣東省降雨量情勢朝著不利的方向演變發展[8]。謝毅文基于省內26個氣象站1958—2010年的連續降雨數據，采用Mann-Kendall(M-K)非參數統計法，分析了廣東省月最大日降雨序列的突變特征[9]。廖義善基于1959—2008 年廣東省境內 25 個雨量站的逐日降雨觀測資料，對月降雨量變化進行了初步分析[10]。鄭杰元對廣州市多年降水量資料進行多時間尺度的統計分析，揭示廣州市降水變化趨勢[11]。姚寒梅析研究分析了惠州市1961—2010 年間的年降雨量變化趨勢，認為各月降雨量并沒有一個明顯的、統一的規律，年最大月降雨量有明顯的上升趨勢，而最小月降雨量上升趨勢不明顯[12]。以上學者主要針對大流域或地市的角度對月降雨量進行了分析研究，基于廣東省的研究多著眼于年降雨量和日降雨的變化規律，對于全省的月降雨變化趨勢相應的研究成果較少。本文主要以廣東省112個雨量站(如圖1所示)1981—2010年共30 a的逐日降水資料為研究樣本，采用降雨集中指數PCI及回歸分析方法并結合ARCGIS軟件，主要針對廣東省月降雨量的時空變化規律進行進一步的深入分析，深刻認識和揭示月降雨量的強度變化及集中程度。統計系列多年平均年降雨量為1 769 mm，站點分布密度約0.16 km2/個，其中珠江三角洲地區站點有44個，粵北山區有37個，粵西有17個，粵東有14個。

圖1 廣東省主要雨量站分布示意

1 月降雨量時空變化趨勢分析

1.1 月平均降雨量變化分析

月降雨量是表征降雨年內分配的重要依據，多年月平均降雨量則反映了降雨分配的常規特性。根據廣東省降雨量空間分布特征，按粵北山區、珠江三角洲、粵西和粵東選取6個站點作為廣東省四大區域的代表站。圖2給出了廣東省6個代表站點的歷年逐月平均降雨量年內分配情況。其中德慶、韶關、梅西粵北3站年內各月雨量分配變化趨勢基本一致，雨量分配偏前汛期，月降雨最大值基本在5月或6月，在241.2～253.4 mm之間，量值基本相當。珠江三角洲的中大站、粵西的雙捷站和粵東的龍潭站年內各月雨量分配變化趨勢基本一致，雨量分配集中在5—8月。3站月降雨最大值均在6月，但在量級上有所差異，中大站最小，為293.5 mm；雙捷次之，為454.8 mm，龍潭最大，為537.7 mm。汛期粵東、粵西月平均降雨量峰值均遠大于珠江三角洲地區，同時,三者均大于粵北3站，沿海站點峰值大于內陸站點，與廣東省暴雨極值區域分布規律基本一致。

圖3給出了上述6個代表站歷年月平均降雨量最大值的年內分配情況。與均值相比，各月最大值比均值均增幅較多，尤以10月—次年2月5個月為盛。各站最值分布規律不明顯，粵北3站數據更為平坦化，年內峰值不顯。相較而言，珠三角、粵西和粵東等沿海3站降雨突變月份更主要集中在4—9月，與臺風周期基本一致；最大值亦發生在6月，中大、雙捷、龍潭3站最大值分別為732.5 mm、1 043.5 mm和1 241.0 mm。

圖3 各站歷年月平均降雨量最大值年內分配

圖4可見，各站點12個月的月平均降雨量最大值與平均值比值曲線基本呈弧形，非汛期差異性明顯大于汛期。時間上，3—9月數據均小于4月，其余月數據基本介于3—6月之間。最大值為韶關站12月數據，比值為5.7，最小值為德慶站5月，比值為1.6。空間上，沿海站點數據較內陸站點更為平坦化，比值的最大值小于內陸站點，最小值大于內陸站點。沿海3個站點的最大值與最小值的比值基本在2.5以內，德慶和韶關站相應比值分別為3.12和3.15。

圖4 各站歷年月平均降雨量最大值與平均值比值對比

1.2 代表站歷年特征月降雨量變化分析

在1 a 12個月中，選取各站3月、6月、9月和12月數據為特征月數據，代表汛期、非汛期以及四季。圖5～8給出了各代表站歷年特征月的降雨量累積平均曲線，其整體變化趨勢較為顯著。各站點3月的降雨累積平均曲線在波動中均有下降的趨勢，尤其是龍潭站下降趨勢最為明顯，其次是韶關和梅西，其余3站下降趨勢較為緩慢。累積曲線末端均值在量值上，韶關最大，為176.7 mm，梅西和龍潭次之，分別為156.5 mm和136.1 mm，遠大于其余3站(約在80 mm左右)。6月的降雨累積曲線較3月的下降趨勢而言，上升趨勢更為顯著，其中，龍潭、雙捷和中大3站在2000年后6月降雨量增大的趨勢更為明顯，累積曲線明顯上升。以龍潭站的增幅最大，雙捷和中大次之，其余內陸3站上升曲線大致平行。累積均值在量值上，亦以龍潭最大，為537.7 mm，雙捷和中大次之，分別為454.8 mm和293.5 mm，遠大于其余內陸3站(約在220 mm左右)。9月的降雨累積曲線則趨于水平，略有上升但升幅不顯，各站點累積均值在量值上，以龍潭最大，為244.6 mm，雙捷和中大次之，分別為217.2 mm和171 mm，韶關最小，為94.2 mm。排序變化規律類似6月，但量級上明顯降低。12月的累積曲線則無明顯波動規律，韶關和梅西略有上升，龍潭則有所下降，其余3站趨平。各站點累積均值量值基本在25～40 mm之間，變化不大。韶關最大，為39.1 mm，梅西和龍潭次之，分別為35 mm和28 mm，其余3站均約為25 mm左右。各特征月在降雨量級上從大到小依次為6月、9月、3月和12月。上述特征月降雨累積平均曲線的變化趨勢表明，年內汛期的降雨強度有所增大，非汛期的則有所減小，年內降雨的集中度有所增加。同時，汛期沿海站點降雨量基本大于內陸，非汛期則相反。

圖5 各站3月降雨量累積平均曲線

圖6 各站6月降雨量累積平均曲線

圖7 各站9月降雨量累積平均曲線

圖8 各站12月降雨量累積平均曲線

1.3 代表月降雨量空間分布

圖9～12給出了3月、6月、9月和12月4個月廣東省月平均降雨量的空間分布。為使數據更具有代表性，以2—4月平均降雨量均值代表3月數據，以5—7月平均降雨量均值代表6月數據，以8—10月平均降雨量均值代表9月數據，以11月—翌年1月平均降雨量均值代表12月數據。圖9中，3月的平均降雨量等值線基本上由北向南遞減，降雨量基本在40～210 mm之間，均值約120 mm。等值線基本呈東西水平延伸，高值區均位于粵北韶關境內，低值區均位于南部湛江市境內。圖10中，6月的平均降雨量等值線基本上南高北低，降雨量基本在140～440 mm之間，均值約270 mm。區域上存在多個降雨高值區，最高值位于粵東的汕尾境內，降雨量大于340 mm；珠三角的廣惠地區和粵西的陽江存在第二高值區，降雨量均大于300 mm；東西兩翼北部的梅州和肇慶為第三高值區，降雨量大于220 mm；往粵北和西南部降雨量逐漸減小，月降雨量在220 mm以下。圖11中，9月的平均降雨量等值線基本與3月的規律相反，呈由南向北遞減，降雨量基本在80～290 mm之間，均值約160 mm。等值線基本與廣東省的海岸線大致平行，呈東北-西南走向，降雨高值區位于粵西的陽江、江門和粵東的潮汕地區，降雨量大于200 mm。圖12中，12月平均降雨量等值線由中心向四周遞減，全省降雨量基本在15～70 mm之間，均值約35 mm，降雨量較少。降雨高值區基本位于清遠、韶關境內，降雨量大于40 mm，且粵西北邊界存在一個降雨聚集區，降雨量大于60 mm；沿海區域的降雨量基本在25 mm以下。

空間分布表明，不同代表月降雨量空間分布存在明顯差異，冬季雨量少，夏季雨量多。各特征月降雨分布基本與廣東省的氣候特征相適應。3月以鋒面雨為主，降雨量北高南低；6月以臺風雨為主，由于臺風線路的變化而存在多個高值區；9月以南海區域帶來的降雨為主，南高北低；12月則與大氣對流及地面高低起伏特征有關，雨量相對不大。

圖9 廣東省3月平均降雨量空間分布

圖10 廣東省6月平均降雨量空間分布

圖11 廣東省9月平均降雨量空間分布

圖12 廣東省12月平均降雨量空間分布

2 降雨集中度變化分析

2.1 年內集中度

一般可以采用降雨集中指數PCI反映降雨在年內分配及降雨集中情況，其計算公式如下：

(1)

式中Pi為站點第i月的降雨量；PCI的變化范圍一般為8.3～100，當PCI=8.3時，表示年內降雨均布于1 a的每個月；當PCI=100時，表示全年降雨集中在某一個月中。

圖13給出了6個代表站歷年PCI的累積平均曲線。采用一元線性回歸分析方法對各曲線做回歸分析，可以得到各代表站的回歸參數(見表1)。圖13中，各曲線變化幅度基本在12～18之間，除龍潭和中大站上升趨勢明顯外，其余4個站點累計曲線變化較為平緩，末端有趨平趨勢，年際變化不明顯。

表1中各站點PCI均值在13.45～18.24之間，以龍潭站最大，為18.24，月降雨量年內分布差異最為顯著；其次為雙捷和中大站，分別為17.14和16.02；其余3站PCI均值基本接近。代表站PCI均值亦可近似反映廣東省四大區域的變化情況。表1中各曲線一元回歸分析的斜率均為正值，說明各站點PCI均值的變化趨勢總體規律還是緩慢震蕩上升的，表明廣東省年內降雨的集中度有所增大。沿海3站的斜率基本大于內陸3站，說明雖然全省的降雨集中度都提高了，但廣東沿海地區年內降雨較內陸地區更為集中。

圖13 各代表站點歷年PCI累積平均曲線

表1 各站PCI累積平均曲線回歸分析參數

圖14和圖15分別給出了廣東省各站PCI累積平均曲線和PCI曲線回歸分析斜率的空間分布，為便于分析，圖中將斜率值各自放大了1 000倍。圖14中PCI累積平均曲線的斜率空間分布更為規整，等值線分布基本與海岸線齊平，表明廣東省各站點年內降雨的集中度基本上自沿海向內陸遞減，以粵北山區斜率值最小。在珠江三角洲區域和西南端的湛江存在一個次高值區，其值仍大于粵北山區地區。圖15的PCI曲線斜率空間分布整體與圖14基本一致，但在粵西南的湛江存在一個高值區，主要是兩者徐聞站的斜率值差異較大，徐文站PCI累積平均曲線的斜率僅0.073，PCI曲線斜率值達0.235。在珠海地區PCI曲線斜率相對存在一個低值區，該地區的平沙站兩者的斜率差異較大，分別為0.093和0.023。可見不同的計算方式，對于個別站點，其計算結果存在一定的差異性。

圖14 廣東省各站PCI累積平均曲線回歸分析斜率分布

圖15 廣東省各站PCI曲線回歸分析斜率分布

2.2 特征月集中度

對各站點歷年某月降雨量的累積平均曲線做回歸分析，可以得到當月各站點累積平均曲線的斜率值。本文依舊選取3月、6月、9月和12月4個特征月的斜率空間分布分析各特征月降雨趨勢的變化情況。圖16～19給出了上述各月廣東省各站PCI累積平均曲線回歸分析斜率的空間分布示意。為便于分析，圖中將斜率值各自放大了100倍。

圖16～19可見，3月的斜率空間分布以負值為主，全省該月降雨量均有減小的趨勢。以珠江三角洲廣惠地區和粵東地區為最大，粵北韶關及粵西湛江地區最小。6月全省降雨量均有增大的趨勢，相對而言，珠江三角洲略小于粵西北、粵西南及粵東地區。9月全省降雨量有增有降，粵東北山區、粵西及粵西南地區以減小為主，湛江地區減幅全省最大。珠三角及粵東沿海則略有增大，粵北山區亦略有減小的趨勢。12月全省降雨量均有增大的趨勢，以惠州河源地區最大，其余區域增幅略小。

圖16 各站3月PCI累積平均曲線回歸分析斜率分布

圖17 各站6月PCI累積平均曲線回歸分析斜率分布

圖18 各站9月PCI累積平均曲線回歸分析斜率分布

圖19 各站12月PCI累積平均曲線回歸分析斜率分布

3 結語

本文以廣東省112個雨量站1981—2010年共30 a的逐日降水資料為研究樣本，采用降雨集中指數PCI及回歸分析方法并結合ARCGIS軟件，結合典型代表站點和全省數據空間分布分析方法，進一步認識了廣東省月降雨量的時空變化規律，深刻認識和揭示了廣東省月降雨量的強度變化及集中程度。

1) 汛期粵東、粵西月平均降雨量峰值均遠大于珠江三角洲地區，同時三者均大于粵北區域，與廣東省暴雨極值區域分布規律基本一致。非汛期年內各月的月平均降雨量最大值與平均值的差異性明顯大于汛期。

2) 3月平均降雨量等值線基本上由北向南遞減，呈東西水平延伸趨勢；6月在區域上存在多個降雨高值區；9月由南向北遞減，等值線基本與廣東省的海岸線大致平行；12月平均降雨量等值線由中心向四周遞減。不同特征月的降雨量空間分布存在明顯差異，但基本與廣東省的氣候特征相適應。

3) 無論是代表站還是全省站點各特征月降雨量長系列的時間變化趨勢均表明，廣東省年內汛期(6月)的降雨強度有所增大，非汛期(3月)的則有所減小；年內降雨的集中度有所增加，且廣東沿海地區年內降雨較內陸地區更為集中，廣東省各站點年內降雨的集中度基本上自沿海向內陸遞減。汛期沿海站點降雨量均大于內陸，非汛期則相反。