高度城鎮化背景下珠三角地區降雨結構時空演變特征分析

2022-01-26 08:54:06黃國如陳易偲

水資源保護 2022年1期

黃國如，陳易偲

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州 510640；2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東廣州 510640；3.廣東省水利工程安全與綠色水利工程技術研究中心，廣東廣州 510640)

不同的研究視角對于城鎮化的定義不盡相同，但大多從土地利用、人口和經濟等方面進行評估，大致可分為土地城鎮化和人口城鎮化兩大類。土地城鎮化是人類活動對于自然環境的人工干預，主要體現為土地利用類型的轉變，從以耕地、林地為主的農村形態逐漸向以建設用地為主的城鎮形態發生轉變，導致徑流量加大、洪澇風險增加[1-5]。截至2020年末，我國人口城鎮化率已超過了60%，城市的建設和強烈的人類活動對當地氣候產生影響，其中最為明顯的體現是熱島效應，大量研究結果表明，熱島效應會對城鎮降水造成影響，進而增大洪澇災害風險[6-8]。

在全球氣候變化和人類活動的大背景下，各空間尺度下的降水結構特征發生了變化，眾多專家學者采用多種方法研究大尺度降水結構變化特征[9-15]。同時也特別關注中小尺度的降水結構變化，特別是強人類活動的城市群地區[16-20]，大量研究結果表明城鎮化對降雨機制的影響主要體現在熱島效應和雨島效應。宋曉猛等[19]利用北京地區長序列小時降雨數據，從降雨歷時和降雨等級兩個角度分析北京市降雨結構的時空演變規律，指出北京市的降雨結構有一定的空間異質性；王建鵬等[20]統計分析了西安市熱島效應的年代際變化以及對區域降水的影響，指出西安城區與鄰近區域相比出現了明顯的溫差，降水在不同季節出現區域性差異，主要受熱島效應和季節性風向場影響。

在氣候變化和強人類活動的雙重影響下，區域乃至全球水循環都發生了改變，降雨是水循環過程的主要驅動因素之一，降雨特征的改變通常體現在降雨結構和總降水量變化兩方面。其中降雨結構可從降雨歷時和降雨等級兩個角度進行分析，目前對于珠三角地區降雨結構的演變規律研究相對較少，深入了解降雨結構的變化特征有利于探究區域水循環變異規律。本文基于土地利用類型、人口密度、GDP空間分布等數據，將珠三角地區劃分為高度城鎮化地區和非高度城鎮化地區，基于降雨發生率和降雨貢獻率兩個指標，從降雨歷時和降雨等級角度進行分析，采用Mann-Kendall趨勢檢驗、空間分析等方法，探究珠三角地區降雨結構在時間上的演變規律和空間上的分布特征，比較珠三角高度城鎮化地區與非高度城鎮化地區的降雨結構差異。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

珠三角地區是由珠江水系及其支流帶來的泥沙在珠江河口灣內堆積而成的復合型三角洲，中部、南部地勢較為平坦，西部、北部和東部則是丘陵山地環繞。為了減少地形對降雨的影響，同時也為了全方位地比較高度城鎮化地區與非高度城鎮化地區的降雨特征差異，選取的研究區域如圖1所示，海拔多為200 m以下，地勢平坦，其范圍內的城市包括廣州、深圳、東莞、佛山、珠海、中山、江門、惠州以及肇慶和清遠的部分地區，面積約為4.42萬km2。

圖1 研究區域及雨量站點分布Fig.1 Study area and rainfall station distribution

根據土地利用類型、人口密度、GDP空間分布、城鎮化率等因素，將珠三角地區劃分為高度城鎮化地區和非高度城鎮化地區；根據相對位置將非高度城鎮化地區細分為北部地區、西部地區和東部地區3個子研究區，具體分區如圖1所示[8]。其中，高度城鎮化地區的面積約為1.17萬km2，代表站點為廣州、深圳、東莞、順德、花都、中山和珠海；北部地區的面積約為0.72萬km2，代表站點為佛岡、清遠、四會、三水和從化；西部地區的面積約為1.23萬km2，代表站點為高要、鶴山、新會、斗門、臺山和恩平；東部地區的面積約為1.30萬km2，代表站點為龍門、增城、惠陽和惠東。

1.2 數據來源

為更好地分析珠三角地區降雨結構的變化特征，并考慮到資料序列的長度及可用性，選擇珠三角地區范圍內數據完整性較高的22個雨量站小時降雨數據(數據來源于國家氣象局)，雨量站點分布如圖1所示。根據各站點的資料序列長度，選取1973—2012年為研究時段，經時段篩選后所有站點資料的完整性和有效性均滿足氣象水文研究中對于數據質量的控制要求，其數據缺失時數均在1%以內，并采用一定方法對缺失數據進行補充。具體方法為：在汛期(4—10月)的缺失數據采用前后2個數據進行插值獲取，在非汛期(11月至次年3月)的缺失數據記為0 mm。

1.3 指標定義

利用小時尺度的降雨數據劃分降雨場次，從場次降雨的降雨歷時和降雨等級兩個方面分析珠三角地區的降雨結構以及城鎮化進程中高度城鎮化地區與非高度城鎮化地區降雨結構的變化差異。通常認為小時降水量大于等于0.1 mm時有降雨發生，當降雨時間間隔超過2 h，則認定為是兩次降雨過程。根據該定義，從各雨量站小時降雨數據中提取并整理出所有降雨過程。降雨歷時是指一次降雨過程從開始到結束的小時數，在此降雨過程內的雨量之和定義為該場次的總雨量。

將降雨歷時劃分為1～3 h、3～6 h、6～12 h、大于12 h共4類。中國氣象局采用日(24 h)為度量將降雨劃分了6個等級：小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨，其中，日降水量小于10 mm為小雨，日降水量10～25 mm為中雨，日降水量25～50 mm為大雨，日降水量50～100 mm為暴雨，日降水量100～250 mm為大暴雨，日降水量在250 mm以上為特大暴雨。本文研究對象為場次降雨，參考中國氣象局對日降水量等級的劃分并結合珠三角地區的降雨特征，將一次降雨過程的降雨等級劃分為以下4類：小雨(0～10 mm)、中雨(10～25 mm)、大雨(25～50 mm)、暴雨(50 mm以上)。為定量分析降雨歷時和降雨等級的分布及變化，定義降雨發生率為各降雨指標在某一分類中發生的次數占總次數的比值，降雨貢獻率則為某一分類的降水量占總降水量的比值。

(d) 2005年 (e) 2010年 (f) 2015年圖2 1980—2015年珠三角地區土地利用類型空間分布FIg.2 Spatial distribution of land use types in the Pearl River Delta area from 1980 to 2015

2 城鎮化進程

2.1 土地城鎮化

土地城鎮化的內涵主要是區域從以耕地、林地、草地等用地類型為主的農業用地形態向以城鎮建設用地為主的城市形態轉化的過程，城鎮用地的擴張和占比的增加可以從一定程度上反映出區域城鎮化發展過程。1980—2015年珠三角地區土地利用類型分布如圖2所示，從中可以看出，林地和耕地是珠三角地區的主要用地類型，其中林地主要分布于珠三角東部地區和西部地區，耕地零散分布于珠三角各市，建設用地主要集中在珠三角中部，以廣州市轄區為中心逐漸向外輻射擴張，2000年后建設用地面積擴張明顯且呈區域化、集中化態勢。

統計圖2各種土地利用類型結果可知，1980—2015年，建設用地面積呈現大幅增長趨勢，從1980年的2 834 km2增長至7 143 km2，增長率高達152.05%。另外，建設用地周邊的耕地和林地是其轉化擴張的主要對象，建設用地的擴張方向和增長速度可以從一定程度上反映出該地區的城鎮化發展情況，城鎮化意味著人口的集中和增多，促使建設用地的擴張，導致其他用地類型被侵占。

2.2 人口城鎮化

珠三角地區作為我國最早開放的沿海地區，改革開放以來經濟發展迅速，人口數量及空間格局也發生了很大改變。從珠三角地區人口密度分布變化(圖3)可以看出，1990年，廣州是珠三角地區唯一的人口聚集中心，且廣州市內的人口空間分布也存在明顯差異，廣州市轄區人口密度極高，但廣州增城區、從化區人口集中度較低。2000年后，珠三角地區的人口集聚中心位置發生了改變，深圳和東莞成為了新的人口密集區。總體來看，1990—2015年，珠三角中部地區出現了大規模的人口增量，人口空間聚集效應明顯，但東、西部地區經過25年的變化，人口增量相對有限。這是由于20世紀90年代初期，隨著改革開放愈發深入，大量農村剩余勞動力涌入珠三角地區使得人口數量迅速增加，城市規模等級升高。由于當時資本投資的主力軍是香港，因此人口聚集程度和遷移方向與香港的距離有密切的相關關系，最終以珠江口為核心形成人口聚集結構。

(a) 1990年 (b) 2000年

定量化衡量一個國家或地區的社會經濟發展程度通常選用城鎮化率為指標進行評估，可以體現區域內常住人口從農村向城市轉移的過程，從一定程度上反映出區域產業結構、生產生活方式的轉變。城鎮化率通常用城鎮常住人口占全部人口的百分比來計算，珠三角各個城市主要年份的城鎮化率如表1所示。從表1可以看出，截至2015年，珠三角地區的城鎮化發展仍存在較大的區域差異，城鎮化水平市際差異較大，深圳、廣州、東莞、佛山、珠海、中山的城鎮化率超過85%，其他地區城鎮化率均在70%以下，部分地區未超過50%。

GDP是衡量地區經濟發展、區域規劃和資源環境狀況的重要指標，圖4為珠三角地區GDP空間分布，可以看出，2000年珠三角地區的經濟中心是廣州和深圳，這是由外資導向型發展模式決定的，隨著地區資本的積累、生產模式的成熟，珠三角經濟發展的動力機制發生了轉變，東莞、佛山、中山、珠海的經濟相繼崛起，廣-深雙經濟中心模式逐漸向區域化、多中心化模式轉變。

表1 珠三角各市主要年份城鎮化率單位：%Table 1 Urbanization rate in cities of the Pearl RiverDelta in main years unit: %

綜合土地城鎮化和人口城鎮化的發展結果可以發現，從城鎮用地、人口密度、城鎮化率、GDP空間分布等多方面對珠三角地區城鎮化發展進行評估，均表明組成珠三角城市群的9個地市的城鎮化發展程度有明顯差異，且城鎮化發展程度較高的地區以珠江口為中心形成了圈層聚集，組成了高度城鎮化城市群(圖1)。高度城鎮化城市群既是吸納流動人口和集聚新增人口的主要區域，又是帶動經濟社會發展的巨大引擎，但同時也意味著更強烈的人類活動可能對區域氣候造成影響，并且一旦發生自然災害，區域內高度集中的人口和經濟財產極易受到影響從而導致巨大的損失。

(a) 2000年 (b) 2005年

3 降雨歷時變化特征

3.1 不同歷時降雨發生率和降雨貢獻率分布

珠三角地區不同歷時降雨發生率及降雨貢獻率的統計結果如圖5所示，可以看出，珠三角地區的降雨發生率隨降雨歷時增大而呈冪指數形式遞減，而降雨貢獻率隨降雨歷時增大呈線性增加。統計結果表明，降雨歷時為3 h以內的降雨發生次數最多但總降水量最少，其降雨發生率達64%，但降雨貢獻率僅為20%；降雨歷時為12 h以上的降雨發生次數最少但總降水量最大，其降雨發生率僅為6%，但降雨貢獻率達到了33%。若將6 h作為短歷時降雨與長歷時降雨的分界線，可以發現珠三角地區降雨事件中雖然長歷時降雨發生率占比僅為18%，但其降雨貢獻率卻高達59%。由此說明，珠三角地區的降雨事件主要以6 h以內的短歷時降雨為主，但降水量貢獻主體是6 h以上的長歷時降雨。為進一步分析不同降雨歷時下降雨發生率和降雨貢獻率的空間分布，探究不同空間區位的降雨結構差異，基于雨量站點資料，采用克里金插值法繪制珠三角地區不同歷時降雨發生率和降雨貢獻率的空間分布(圖6)。

圖5 不同歷時降雨發生率和降雨貢獻率Fig.5 Rainfall occurrence rate and rainfallcontribution rate with different durations

從降雨發生率的空間分布來看，1～3 h的降雨發生率大致呈中部高、東西部低的分布，3～6 h的降雨發生率呈西北部高、南部低的分布，6～12 h的降雨發生率呈東西部高、中部低的分布，12 h以上的降雨發生率呈中部低、東北高的分布。從區域分布來看，珠三角高度城鎮化地區1～3 h短歷時降雨發生率相對較高，6 h以上的長歷時降雨發生率相對較低；東部地區6 h以上的長歷時降雨發生率相對較高。

從降雨貢獻率的空間分布來看，1～3 h的降雨貢獻率大致呈中西部高、東南部低的分布，3～6 h的降雨貢獻率呈中西部高、南部低的分布，6～12 h的降雨貢獻率呈東北部高、西南部低的分布，12 h以上的降雨貢獻率呈中西部低、南部高的分布。珠三角地區降雨貢獻率的空間分布結果與海陸位置存在一定的相關關系，1～3 h和3～6 h的降雨貢獻率空間分布相似，沿海地區貢獻率相對較低，從東南沿海向西北內陸逐漸增加，中、西部內陸地區為短歷時降雨貢獻率高值區域。降雨歷時大于12 h的降雨貢獻率空間分布特征與之相反，從東南向西北逐漸減少，沿海地區為高值區域。基于降雨貢獻率空間分布還可以發現，中、西部內陸地區各歷時的降雨貢獻率較為均勻，約為25%，而沿海地區各歷時的降雨貢獻率則明顯呈現隨降雨歷時增加而增大的趨勢，降雨貢獻率范圍為15%～42%，說明沿海地區與內陸地區相比，降水量會更加集中在長歷時降雨事件中。

(a) 1～3 h降雨發生率 (b) 1～3 h降雨貢獻率

(f) 6～12 h降雨貢獻率 (g) 大于12 h降雨發生率 (h) 大于12 h降雨貢獻率圖6 不同歷時降雨發生率和降雨貢獻率的空間分布Fig.6 Spatial distribution of rainfall occurrence rate and rainfall contribution rate with different durations

表2 不同歷時降雨發生率和降雨貢獻率的M-K值Table 2 M-K values of rainfall occurrence rate and rainfall contribution rate with different durations

3.2 不同歷時降雨發生率和降雨貢獻率變化

為探究珠三角地區不同歷時降雨發生率和降雨貢獻率的演變趨勢以及城鎮化對其產生的影響，基于1973—2012年的降雨數據，采用Mann-Kendall檢驗方法進行統計分析，結果見表2。從結果可以看出，珠三角地區各歷時的降雨發生率和降雨貢獻率并未發生顯著變化。從各子研究區的統計結果來看，除東部地區1～3 h降雨發生率有顯著降低趨勢外，其他地區的指標均未發生明顯變化。也就是說，珠三角地區的場次降雨歷時并未發生顯著變化。

4 降雨等級變化特征

4.1 不同等級降雨發生率和降雨貢獻率分布

珠三角地區不同等級降雨事件的發生率及貢獻率的統計結果如圖7所示，可以看出，隨著降雨等級的增加，降雨發生率呈冪指數下降趨勢，而降雨貢獻率隨降雨等級的增加而增加。統計結果表明，小雨的發生次數最多但總降水量最少，其降雨發生率以79%的比例占據絕對優勢，但降雨貢獻率僅為18%；暴雨的發生次數最少但總降水量最大，其降雨發生率僅為3%，但降雨貢獻率達到了35%；中雨和大雨的降雨發生率分別為12%和6%，降雨發生率相差不小但降雨貢獻率相近，分別占23%和24%。由此可見，珠三角地區的降雨事件主要以弱降雨為主，但降水量的主要貢獻則取決于發生次數較少的強降雨事件。為進一步分析不同降雨等級降雨事件發生率和貢獻率的空間分布，探究不同空間區位的降雨結構差異，利用ArcGIS的空間插值功能繪制珠三角地區各降雨等級降雨發生率和貢獻率的空間分布(圖8)。

圖7 不同等級降雨發生率和貢獻率Fig.7 Rainfall occurrence rate and rainfall contributionrate with different rainfall levels

(a) 小雨發生率

(b) 小雨貢獻率

(d) 中雨貢獻率

(e) 大雨發生率

(f) 大雨貢獻率

(g) 暴雨發生率

(h) 暴雨貢獻率圖8 不同等級降雨發生率和貢獻率的空間分布Fig.8 Spatial distribution of rainfall occurrence rate and rainfall contribution rate with different rainfall levels

從降雨發生率的空間分布來看，小雨發生率大致呈中部高、東西部低的分布，中雨發生率呈東北部高、南部低的分布，大雨發生率呈西南部和東部高、中部低的分布，暴雨發生率呈中西部低、南部高的分布。從降雨貢獻率的空間分布來看，小雨貢獻率大致呈西北部高、南部低的分布，中雨貢獻率呈西北部高、南部低的分布，大雨貢獻率呈南部高、北部低的分布，暴雨貢獻率呈南部高、西北部低的分布。珠三角地區降雨貢獻率的空間分布與海陸位置存在明顯相關關系，小雨和中雨的降雨貢獻率空間分布相似，沿海地區降雨貢獻率相對較低，從東南沿海向西北內陸逐漸增加，中、西部內陸地區為中、小雨降雨貢獻率高值區域。大雨和暴雨的降雨貢獻率空間分布特征與之相反，從東南向西北逐漸減少，沿海地區尤其是珠海、江門一帶為高值區域。總體而言，各等級降雨發生率的空間分布較為均勻，相差幅度不超過4%。但降雨貢獻率空間分布則出現明顯的地區差異，其中暴雨降雨貢獻率的空間差異性最強，最高值與最低值相差了24%。

4.2 不同等級降雨發生率和降雨貢獻率變化

為探究珠三角地區不同等級降雨發生率和貢獻率的演變趨勢以及城鎮化對其產生的影響，利用Mann-Kendall趨勢檢驗方法進行統計分析，統計結果見表3。可以看出，珠三角地區不同等級降雨發生率和貢獻率的變化趨勢并不一致，從降雨發生率看，珠三角地區小雨發生率呈顯著降低趨勢，中雨、大雨發生率呈顯著增加趨勢，暴雨有增多趨勢但并未通過顯著性檢驗；從降雨貢獻率看，僅小雨的貢獻率呈顯著下降趨勢，中雨、大雨、暴雨的貢獻率并無明顯變化。也就是說，珠三角地區的場次降雨等級發生了顯著變化。

根據表3中各子研究區的統計結果可以發現，高度城鎮化地區中雨、大雨、暴雨發生率均顯著增加，但貢獻率無明顯變化；小雨發生率和貢獻率則顯著降低。北部地區中雨發生率顯著增加，小雨發生率和貢獻率顯著降低。西部地區中雨發生率顯著增加，小雨發生率顯著降低。東部地區各降雨結構指標均無明顯變化。也就是說，除東部地區以外，其他3個子研究區的場次降雨等級均發生了明顯變化。

5 結論

a.從土地城鎮化和人口城鎮化兩方面分析珠三角地區城鎮化發展進程和特點，珠三角地區1980—2015年建設用地面積呈現大幅增長趨勢，增長率達152.05%。到2000年后，逐漸形成以廣州-深圳為核心，與佛山、東莞、中山、珠海共同組成高度城鎮化城市群的格局特點，綜合土地城鎮化和人口城鎮化的發展結果將研究區域劃分為高度城鎮化地區和非高度城鎮化地區。

b.根據降雨歷時將降雨事件分為1～3 h、3～6 h、6～12 h、大于12 h 4類，結果表明，珠三角地區的降雨事件主要以6 h以內的短歷時降雨為主，但降水量的貢獻主體是6 h以上的長歷時降雨。在空間上，珠三角沿海地區與內陸地區相比，雨量更加集中于長歷時降雨事件中；在時間上，珠三角地區的場次降雨歷時并未發生顯著變化。

c.根據降雨等級將降雨事件分為小雨、中雨、大雨、暴雨4類，結果表明，珠三角地區的降雨事件主要以弱降雨為主，但降水量的主要貢獻則取決于發生次數較少的強降雨事件。在空間上，降雨貢獻率的空間分布與海陸位置存在明顯相關關系，中、小雨降雨貢獻率高值區域為中、西部內陸地區，大、暴雨降雨貢獻率高值區域為沿海地區；在時間上，珠三角地區場次降雨等級發生了顯著變化，中、大雨發生率顯著增加，小雨發生率顯著減少，高度城鎮化地區的場次降雨等級變化最為明顯，中、大、暴雨發生率呈顯著增加趨勢，小雨發生率呈顯著下降趨勢。