粵港澳大灣區1961—2014年降水時空演變特征分析

付鐵文，徐宗學，陳 浩，黃亦軒，葉陳雷

(1.城市水循環與海綿城市技術北京市重點實驗室，北京 100875； 2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875)

粵港澳大灣區是我國開放程度最高、經濟活力最強的區域之一，在國家發展大局中具有重要戰略地位。大灣區瀕臨南海，屬于亞熱帶海洋性氣候，水系交錯復雜，河網密度達0.72 km/km2，降水豐沛但時空分布不均，入境水量豐富，水災頻發，洪潮疊加，防災形勢嚴峻。

目前，眾多學者對降水特性開展了深入研究。伍紅雨等[1]對粵港澳大灣區1961—2018年氣候變化特征研究發現，大灣區氣溫、降水量和日照時數呈一致性變化，年降水量變化趨勢不明顯。其中，廣州年降水量明顯增加，香港、澳門變化不明顯。白盛楠[2]分析了大灣區的極端氣候變化、成因及影響，研究發現大灣區極端降水指標變化趨勢及突變不明顯，年降水量、降水強度在2000年前后開始突變。李慧[3]通過對比分析不同類型東亞-太平洋事件，分析了東亞-太平洋遙相關的關鍵系統在月內尺度上的形成、發展、移動和維持的機制，并揭示了其對中國東部地區降水的影響。Li等[4]分析了1966—2005年中國東部7—8月降水的年代際變化特征，研究發現長歷時降水事件減少是我國華北地區降水量減少的主要原因，不同歷時降水事件共同增加造成南方地區降水量增加。褚曲誠[5]利用統計方法和混合單粒子拉格朗日軌跡追蹤模式綜合分析了我國東部地區(華南、長江流域、華北)汛期降水的水汽來源。徐碧裕等[6]研究發現，1968—2017年廣東汛期降水可分為5種類型，各個空間降水型突變時間點及特征不同，降水的主要周期和周期變化特征也各不相同。鄭騰飛等[7]探討了1961—2010年廣東省不同等級降水空間分布及隨時間變化特征，研究發現小雨和中雨的貢獻率呈減小趨勢，大雨及大雨以上貢獻率增大，使年均降水量呈增多趨勢。蒲義良等[8]研究表明，2001—2018年廣東省汛期降水事件以短歷時為主，年均小時降水強度從南部沿海向北部內陸呈減弱趨勢。張潤潤[9]研究發現香港地區1947—2006年降水量呈不顯著上升趨勢。趙彥軍等[10]基于Mann-Kendall(M-K)非參數檢驗法、Sen’s坡度法、Morlet復小波分析法并結合極端降水指標，分析發現深圳市1979—2015年降水量呈現不顯著減小趨勢，空間分布表現出西多東少、南多北少的特征。盧曉雄等[11]分析發現2008—2017年深圳市大部分地區降水量和降雨日數呈不顯著(p=0.05)上升趨勢，年內各月降雨分配不均，6月降雨最多。雒翠等[12]從趨勢變化、突變特征和周期波動等方面研究了深圳市年降水量時程演變特征，發現1960—2016年深圳市年降水量空間上具有較明顯的兩種分布形態，時程上不存在顯著的趨勢變化。陳申鵬[13]利用深圳及周邊城市的降水、氣溫等數據，分析發現主要是云凝結核濃度變化導致降水年際波動，城市化和地形共同決定了深圳的雨島分布格局。

本文基于粵港澳大灣區31個氣象站1961—2014年逐日降水數據識別區域降水事件，采用M-K非參數檢驗法、小波分析法、經驗正交函數(EOF)分解法等方法，分析區域降水事件特征及時空分布規律，以期為區域水資源規劃、防災減災和推動區域協調發展等提供參考。

1 研究區概況

粵港澳大灣區位于珠江流域下游(圖1)，介于111°21′E～115°28′E、21°27′N～24°24′N之間，包括香港特別行政區、澳門特別行政區和廣東省廣州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、東莞市、中山市、江門市和肇慶市，總面積5.6萬 km2。粵港澳大灣區總體地勢北高南低，東、北、西三面環山，南臨南海，三角洲和河谷平原內殘丘、臺地棋盤狀散布[14]。以亞熱帶季風氣候為主，降水豐沛，雨熱同期，區內河網密布，縱橫交錯，海潮頻繁，海陸水體聯系密切[15]。

圖1 研究區域示意圖

2 研究數據與方法

研究數據為1961—2014年香港天文臺和澳門地球物理暨氣象局的逐日降水量數據，以及國家青藏高原科學數據中心中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數據集提供的31個國家氣象觀測站(圖1)的逐日降水量資料。其中，珠海站1961年、斗門站1961—1966年、惠東站1961—1966年、東莞站1967—1969年數據缺測，缺測數據由周邊站點降水序列插補得到。

3 結果與分析

3.1 降水量時間變化特征

3.1.1年際變化趨勢及突變分析

粵港澳大灣區年降水量年際變化如圖2所示，范圍在1 141.34～2 386.58 mm之間，1963年和1975年分別達到最小值和最大值。多年平均降水量為1 850.74 mm，其余各年大多圍繞多年平均降水量上下波動。由降水距平百分率可知，1961—2014年年降水量豐枯交替出現，旱澇特征不明顯，1990—1991年和2003—2004年發生連續輕旱現象。

圖2 1961—2014年年降水量年際變化

大灣區1961—2014年降水量統計值如表1所示，年降水量增幅每10 a為17.08 mm，M-K趨勢檢驗統計量Z值以及Sen’s slope計算結果分別為0.58和1.35，均未通過0.05顯著性檢驗，表明大灣區年降水量存在不顯著的上升趨勢。鄭騰飛等[7]研究表明，廣東省大雨及大雨以上(≥25 mm/d)降水貢獻率隨時間增大，使年降水量呈增多趨勢。從5 a滑動平均曲線可以看出，年降水量存在較明顯的年代際振蕩周期，階段變化周期為10～15 a。雖然存在波動，但整體呈現增大的趨勢。由年降水量M-K突變檢驗結果(圖3)可知，1972—1990年和1992—2014年UF統計量大于0，年降水量呈上升趨勢，其他時段年降水量呈下降趨勢。UF統計量序列和UB

表1 粵港澳大灣區年度和四季降水量統計值Table 1 Statistics of annual and seasonal precipitation in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

圖3 1961—2014年年降水量 M-K突變檢驗

統計量序列在置信區間內存在多個交點，但都未超過臨界線，表明大灣區年降水量無突變特征。這一結果和其他研究[1,25]基本一致。

由圖4四季降水量年際變化可知，四季降水量及各季節年際間具有明顯差異，冬季(12月至次年2月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—11月)多年平均降水量分別為133.96 mm、581.62 mm、838.77 mm和296.27 mm，分別占年降水量的7.24%、31.43%、45.32%和16.01%。超過70%的降水發生在春夏兩季，夏季降水量貢獻率最為顯著，表明大灣區降水存在一定的季節性，褚曲誠[5]的研究表明，印度洋源地水汽輸送對于華南地區與長江中下游地區夏季峰值期降水量的年際變化有著決定性的影響，這可能是導致大灣區夏季降水充沛的重要原因。

圖4 1961—2014年四季降水量年際變化

冬季降水量多數年份在平均值上下波動，1983年出現極大值518.13 mm，遠高于平均值。1961—2014年，冬季降水距平百分率正負交替變化，有連續的偏豐或偏枯現象。由表1可知，各統計值均未通過0.05顯著性檢驗，上升趨勢不顯著。圖5(a)可以看出，冬季降水量正序列曲線UF正負交替出現，1961—1966年、1980—1989年以及1991年、2009年、2013年UF統計量小于0，降水量呈下降趨勢，其他時段呈上升趨勢。UF、UB曲線在1961—2014年出現多個交點，但均在0.05置信水平臨界線內，表明冬季降水量無突變特征。

春季降水量年際間變化較大，1961—1989年春季降水量有明顯的連續偏豐或偏枯現象。由表1可知，各統計值均未通過0.05顯著性檢驗，上升趨勢不顯著。由圖5(b)可以看出，春季降水量UF曲線除1962—1964年、1967年、2003—2005年以及2011—2012年外均大于0，降水量呈上升趨勢，其中1985年、1983年、1987年、1989年和1984年UF曲線超出置信區間，增加趨勢顯著。UF、UB曲線在1961—2014年這一時間段存在多個交點，第一個交點發生在1964—1965年，表明降水在此期間發生了突變。

圖5 1961—2014年四季降水量 M-K突變檢驗

夏季降水量年際波動較大，豐枯交替頻繁，總體呈不顯著上升趨勢，由圖5(c)可知，夏季UF統計值在1962—1963年、1984—1985年和1989—1993年3個時間段內小于0，降水量呈下降趨勢，其他時間段內UF統計值大于零，降水量呈上升趨勢，且在2008年和2009年超過了0.05置信水平臨界線，降水量趨勢變化顯著，UF、UB曲線在1965—1966年之間相交，降水發生突變。

由表1和圖4(d)可知，秋季降水量總體呈不顯著下降趨勢，存在較明顯的年代際振蕩周期，從5 a滑動平均曲線可以看出，階段變化周期為15～18 a。其中存在兩段變化，分界點大致在1990年前后，1961—1990年秋季降水量呈現出波動增加的趨勢，1990—2010年有波動減少的趨勢。由圖5(d)可知，UF曲線均在0.05置信水平臨界線內，降水量無突變點。UF統計值在1965年、1975—1976年和1982—1984年大于0，多數年份小于0，降水量呈不顯著下降趨勢。

3.1.2降水持續性分析

粵港澳大灣區四季和年降水序列Hurst指數計算結果分別為0.677、0.649、0.754、0.686和0.595，均在0.5～1之間，降水序列存在明顯的分形結構，表明過去的增量與未來的增量呈正相關關系。即未來的趨勢和過去的趨勢相同，降水變化的整體方向將繼承過去的趨勢，冬季、春季、夏季和年降水量在未來很可能繼續呈上升趨勢，秋季降水量繼續呈減少趨勢，該過程變化趨勢具有持續性特征，其中，冬季降水和春季降水變化趨勢持續性強度較弱，年降水及秋季降水變化趨勢持續性強度較強，夏季Hurst指數值在0.75以上，持續性強度強。

年度和四季降水序列Vn統計量變化曲線如圖6所示，四季和年降水序列Vn統計量曲線均向上傾斜，表明變化趨勢具有持續性，這與重標極差分析結果一致。其中，第一個拐點分別出現在lnn=1.39、1.79、2.08、2.30、2.40，即n=4、6、8、10、11時，表明此時歷史狀態對未來狀態的影響消失，系統的平均循環長度分別為4 a、6 a、8 a、10 a和11 a。冬季和春季降水序列的記憶長度較短，系統原有的記憶分別在4 a、6 a之后耗散消失，表現出隨機獨立性，冬季和春季降水序列的Hurst指數值只有0.595和0.649也可以印證這一點，其持續性強度很弱，記憶長度較短。

圖6 年度和四季降水序列Vn統計量變化曲線

3.1.3降水周期分析

基于Morlet小波函數對大灣區年降水序列做連續小波變換。小波系數實部等值線圖能夠反映降水在不同時間尺度上的周期震蕩，小波系數實部為正時，代表降水偏多；小波系數實部為負時，代表降水偏少；小波系數實部為0表示降水發生突變。小波方差圖反映了降水序列的波動能量隨時間尺度的分布，對應峰值處的尺度稱為該序列的主要時間尺度，用以反映時間序列的主要周期[26]。小波分析結果如圖7所示，由圖7(a)可知，降水序列存在3～8 a、10～15 a、17～23 a、24～32 a的4類尺度周期變化，其中年降水以24～32 a尺度的周期震蕩信號最明顯，在整個分析時段表現比較穩定，具有全域性。降水震蕩信號正負相位交替往復，表示年降水量大約出現了3個豐枯交替循環。小波方差(圖7(b))存在4個極值，其中28 a周期尺度峰值最大，對應年降水量的第一主周期。此外，18 a為降水量的第二主周期，13 a為降水量的第三主周期，6 a為降水量的第四主周期。

(a) Morlet小波實部

3.2 降水空間變化特征

3.2.1降水量空間變化特征分析

粵港澳大灣區1961—2014年年均降水量和四季平均降水量空間分布如圖8和圖9所示，可以看出，大灣區年均降水量在空間上分布不均，呈自東南到西北遞減的趨勢。年均降水量均在1 400 mm以上，高值中心出現在恩平、上川島、香港和龍門地區，降水量范圍在2 116.01～2 533.09 mm之間，年均降水量低值中心出現在封開、德慶和高要地區，低于1 644.56 mm。年均降水量高值區始于恩平地區，向東北延伸經香港地區至龍門地區，總體上低值區面積較大。降水量空間分布格局主要與水汽和地形有關，受印度洋西南季風暖濕氣流影響，距離海洋越近，降水越多。另外，大灣區地形比較復雜，山嶺眾多，基本上呈東北—西南走向，所以降水總體上呈現沿海多山區少、東部多西部少、南部多北部少的特點。例如恩平地區年均降水量最大，達到2 533.09 mm，其主要受地形影響，恩平處于天露山脈東南面，西南被山嶺環繞，非常有利于水汽聚集形成降水[27]。

圖8 1961—2014年年均降水量空間分布

(a) 冬季

冬季降水空間上呈現出由南向北階梯遞增的趨勢，低值降水量范圍為88.39～127.53 mm，主要分布在恩平、開平、鶴山、番禺、惠陽以南地區，封開、廣

寧、從化以北地區降水量在152.50～191.64 mm之間，較其他區域高。西南恩平地區、西北懷集地區以及東北增城、從化以北地區春季降水量較高，低值地區主要分布在中部地區，自西向東貫穿整個大灣區，大致在封開、三水、番禺、博羅以南，臺山、廣州以北。夏季降水空間分布特征與年降水空間分布特征較為一致，在空間上呈自東南到西北遞減的趨勢；高要、鶴山、增城、花都以西北地區夏季平均降水量較低，介于577.67～740.64 mm之間，降水量高值地區自恩平地區始，經斗門、深圳向東北地區延伸至惠東地區，降水量范圍為954.08～1 233.64 mm。秋季平均降水量空間分布帶狀特征明顯，自南向北遞減，降水量高值主要集中分布在西南恩平、斗門、上川島以及深圳、香港地區，北部高要、四會、東莞、惠陽以北地區秋季平均降水量較少。

粵港澳大灣區1961—2014年年降水量和四季降水量變化趨勢空間分布如圖10和圖11所示，年降水量Sen’s slope計算結果β值介于-1.64～7.98之間?？臻g上，大灣區多數地區年降水量呈上升趨勢，超過80%的站點β>0。年降水量呈下降趨勢的地區分散分布在大灣區邊界，包括西部高要、恩平、臺山附近地區，南部澳門、深圳附近地區，東北龍門附近地區，其余地區年降水量呈上升趨勢。廣州和東莞站|Z|>1.96，且置信水平α=0.05時，置信區間上下限βU、βL均為正值，年降水量增加趨勢顯著。除廣州和東莞地區外，南海、增城、花都、香港地區增加趨勢較大，與伍紅雨等[1]的研究結論較為一致。龍門地區年降水量減少趨勢最強，其次是惠東、深圳、澳門等地區。

圖10 1961—2014年年降水量變化趨勢空間分布

(a) 冬季

冬、春季降水量呈上升趨勢的氣象站點均有24個，占比達到77.42%，所有氣象站點降水量變化不顯著(p<0.05)。冬季降水量呈下降趨勢的站點主要集中分布在大灣區西南地區，大致在恩平、斗門、珠海以南，香港以西，龍門、增城附近地區有少量分布。西北部廣寧和德慶以北地區、西南恩平和開平地區以及東北龍門和惠陽附近零星地區春季降水量呈下降趨勢。夏季降水量僅有西部高要、四會地區以及南部澳門附近地區呈下降趨勢，呈上升趨勢的氣象站點數達90.32%，其中南海站和東莞站βU、βL均為正值，且Z值達到0.05置信水平，上升趨勢顯著。大灣區大部分地區秋季降水量呈不顯著下降趨勢，僅有位于中北部的順德、從化、花都、廣州、南海附近地區呈不顯著上升趨勢。

3.2.2EOF分析

將進行距平處理后的年降水量數據使用EOF進一步分析其變化特征，結果如表2和圖12所示。前兩個模態累計方差貢獻率達到71%，誤差范圍不重疊，通過North顯著性檢驗，因此前兩個特征向量空間分布可以很好代表大灣區降水空間分布型。其中，模態1特征向量的方差貢獻率為63.66%，遠高于其他模態，是大灣區降水場的主要空間分布形式。

(a) 模態1

表2 1961—2014年降水EOF分解前6個模態方差貢獻率和累計方差貢獻率

大灣區所有站點模態1特征值均為正值，表明1961—2014年大灣區降水變化趨勢具有高度一致性，降水主要是受到大尺度天氣系統的影響，一致的偏豐或偏枯。高值中心位于大灣區西南恩平地區，表明該區域降水變化量大，其原因可能是該地區降水主要受眾多山嶺影響，形成降水異常中心，年降水變化率大。低值中心位于西北部封開地區，降水變化量小，總體上高值主要分布在大灣區西南地區，低值主要分布在西北地區，中東部地區為過渡區，降水量變化程度由南向北逐漸減少。

第二特征向量場大致以博羅、惠陽、中山、上川島為界，東部沿海地區及西北部封開、懷集地區與內陸地區反位向分布，前者為負值，后者為正值，即內陸地區(封開、懷集地區除外)降水量增多(或減少)，東部沿海地區降水量減少(或增多)。這種分布特征可能是受到小尺度的地貌類型單元及季風等因素的共同影響。特征向量高值大致分布在中西部地區，降水量變化大，低值主要分布在東南地區及東北龍門地區。正值中心出現在大灣區中部番禺地區，負值中心出現在南部香港地區。

特征向量所對應的時間系數代表了這一區域由特征向量所表征的分布模式的時間變化特征，時間系數絕對值越大，表明這一時刻這類分布模式越典型[17]。取每年時間系數絕對值最大所對應的特征向量作為當年降水空間分布模式[28]，結果(圖13)顯示，年降水場的分布模式模態1、模態2以及其余不典型模態類型出現的年數分別占總年數的62.96%、14.81%和22.22%。表明年降水場的分布模式以模態1為主，這與方差貢獻率所反映的不同模態的降水場典型程度基本一致。

(a) 模態1

時間系數的正負代表場型的分布方向，正值表示與模態方向相同，負值表示與模態方向相反。模態1作為降水空間分布模態時，特征向量所對應的時間系數正負各有17年,表示大灣區全域全年多雨、全域全年少雨的降水空間分布模式各出現17年，時間系數最大值與最小值分別出現在1975年和1963年，與大灣區年降水量最值出現年份一致；模態2作為降水空間分布模態時，有3年內陸地區(封開、懷集地區除外)多雨，東部沿海地區少雨的分布型比較典型，1961年時間系數最大,反之有5年，時間系數最小值出現在1982年。從時間系數變化趨勢上看，模態1的時間系數趨勢斜率大于0，說明大灣區1961—2014年年降水量整體上有增加的趨勢；模態2時間系數趨勢斜率小于0，說明1961—2014年內陸地區(封開、懷集地區除外)降水量有減少的趨勢，東部沿海地區有增加的趨勢。

4 結 論

a.1961—2014年粵港澳大灣區降水時空分布不均，存在顯著的季節特征，年降水量年際豐枯交替頻繁。

b.年度、四季降水量年際波動性強，年度、冬季、春季和夏季降水量呈不顯著上升趨勢，秋季呈不顯著減少趨勢。春夏兩季降水分別在1964—1965年和1965—1966年發生突變，其他時段沒有突變現象。四季和年降水變化趨勢具有持續性特征，冬季降水和春季降水變化趨勢持續性強度較弱，年降水及秋季降水變化趨勢持續性強度較強，夏季Hurst指數值在0.75以上，持續性強度強。

c.年降水量變化以28 a為主周期，以18 a、13 a和6 a為次周期。受水汽和地形等因素影響，降水量空間分布不均，整體呈東南向西北遞減趨勢，冬季降水量空間上由南向北階梯遞增，夏季降水量空間分布特征與年降水空間分布特征較為一致，自東南到西北遞減，秋季降水量呈自南向北遞減的帶狀分布。

d.約74%的氣象站點年降水量呈上升趨勢，主要分布在大灣區中部地區。大灣區西南地區冬季降水量呈不顯著減少趨勢；西南、西北、東北地區春季降水量呈不顯著減少趨勢。夏季僅有西部局部地區呈下降趨勢，呈上升趨勢的氣象站點數達90.32%。秋季大部分地區降水量呈不顯著下降趨勢，中北部零星地區呈不顯著上升趨勢。

e.大灣區所有氣象站點模態1特征值均為正值，降水一致的偏豐或偏枯。降水量變化程度由南向北逐漸減少。第二特征向量場大致以博羅、惠陽、中山、上川島為界，東部沿海地區及西北部封開、懷集地區與內陸地區反位向分布。大灣區全域全年多雨、全域全年少雨各有17年；內陸地區(封開、懷集地區除外)多雨、東部沿海地區少雨的占3年，反之有5年。