王婷，諶志剛，何溪澄

（1.廣州市氣候與農(nóng)業(yè)氣象中心，廣東廣州 511430；2.廣州市氣象局，廣東廣州 511430）

廣州屬海洋性南亞熱帶季風(fēng)氣候，由于印度洋孟加拉灣、南海、西太平洋充沛的水汽輸入和境內(nèi)復(fù)雜的地形地貌，形成強(qiáng)降水的水汽、熱力及動力條件優(yōu)越，在上游洪水、臺風(fēng)、風(fēng)暴潮等因素的疊加影響下，廣州洪澇災(zāi)害頻發(fā)，洪澇災(zāi)損占到總自然災(zāi)害災(zāi)損的52.31%，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全和城市運(yùn)行安全。為提高城市應(yīng)對強(qiáng)降水災(zāi)害能力，廣大學(xué)者針對大城市強(qiáng)降水事件特征進(jìn)行了研究，王萃萃等［1］分析了中國大城市極端強(qiáng)降水事件變化特征；陳炯等［2］分析了中國暖季短時(shí)強(qiáng)降水分布和日變化特征；孫繼松等［3］、尤煥苓等［4］分析了北京地區(qū)極端強(qiáng)降水事件的變化特征；梁萍等［5-6］分析了上海地區(qū)極端強(qiáng)降水事件的變化特征及城市化的影響；蔡晶等［7］、孫喜艷等［8］分析了廣東短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征。廣州在強(qiáng)降水方面的研究多集中在強(qiáng)降水日數(shù)、日降水極值等方面［9-10］，對短歷時(shí)強(qiáng)降水特征分析較少。本研究采用廣州國家和區(qū)域自動站分鐘、小時(shí)等高時(shí)空分辨率的降水資料，分析廣州暴雨日數(shù)、各歷時(shí)降雨極值及重現(xiàn)期等變化特征和短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征，有利于提高強(qiáng)降水事件監(jiān)測預(yù)報(bào)、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、影響評估等業(yè)務(wù)能力，同時(shí)也為廣州城市防災(zāi)減災(zāi)、規(guī)劃布局、生命線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、重大工程氣候評價(jià)等工作提供參考。

1 資料與方法

本研究使用資料包括：（1）廣州國家自動觀測站（59287）逐時(shí)、逐日降水資料及分鐘降水自記紙資料，資料年限為1961—2016年，由于2011年后廣州站從五山搬遷到蘿崗，而兩站降水差異明顯，為保證樣本序列的一致性，2011—2016年仍沿用五山站數(shù)據(jù)；（2）2005—2016年廣州303個(gè)區(qū)域自動觀測站的小時(shí)降水資料。使用前首先對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，通過對廣州市所有測站5分鐘雨量和小時(shí)雨量極值進(jìn)行核查，發(fā)現(xiàn)5分鐘雨量和小時(shí)雨量的降雨極值分別為36.7和184.4 mm，因此剔除5分鐘雨量超過36.7 mm、小時(shí)雨量超過184.4 mm的觀測記錄；其次，要求數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的有效記錄率要≥90%，否則剔除站點(diǎn)。

本研究首先利用廣州站日降水?dāng)?shù)據(jù)分析了1961—2016年廣州不同量級（小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨）降水日數(shù)及對年雨量貢獻(xiàn)率（各量級降水的累計(jì)雨量與年雨量之比）的變化特征。然后，利用廣州站分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)分析不同歷時(shí)降水極值，同時(shí)根據(jù)廣州中心城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式，分析各歷時(shí)不同重現(xiàn)期降雨事件實(shí)際發(fā)生頻次的變化。最后利用區(qū)域站小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)分析了21世紀(jì)以來廣州短時(shí)強(qiáng)降水事件（1 h雨量≥20 mm）的時(shí)空分布特征。

2 廣州降水氣候變化背景

近56年（1961—2016年），廣州站年降水量總體呈波動增加趨勢，增率為6.3 mm/年，其中2001—2016年平均年降水量 1 941.9 mm，較1960年代增加了19.7%（319.4 mm）。年雨日的線性變化趨勢不明顯，但年小雨日數(shù)呈明顯減少趨勢（相關(guān)系數(shù)為-0.282達(dá)到0.05顯著性水平），年中雨日數(shù)、大雨日數(shù)、暴雨日數(shù)則呈增加趨勢，尤其是大雨日數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.317達(dá)到0.05顯著性水平（圖1）。不同年代平均的各量級降水年日數(shù)及對年降水貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)表明（表略）：21世紀(jì)以來（2001—2016年平均），廣州年大雨日數(shù)、暴雨日數(shù)、大暴雨日數(shù)增加顯著，均達(dá)到歷史最高值，相比于1960年代分別增加了40%、28%、27%，對年降水的貢獻(xiàn)率分別提高了4.3%、1.4%、0.5%。汛期不同量級雨日變化趨勢與年雨日相似，后汛期暴雨日數(shù)增加最明顯（21世紀(jì)以來相比1960年代增加了52.6%），前汛期大暴雨日數(shù)增加最明顯（21世紀(jì)以來相比1960年代增加了1倍）。

圖1 廣州站1961—2016年不同量級降雨年日數(shù)分布

利用降水自記紙記錄的分鐘雨量滑動計(jì)算廣州站不同歷時(shí)降水年極值，發(fā)現(xiàn)21世紀(jì)以來5、30、60 min歷時(shí)降水極值分別達(dá)到14.5、47.2和103 mm，較1960年代增長了27.4%、23.8%、23.3%，線性增長趨勢分別達(dá)到0.001、0.05、0.1顯著性水平；120、180、240 min歷時(shí)降水極值分別為166.2、205.1和270 mm，極值略有增長但并未達(dá)到一定顯著性水平。說明相對于較長歷時(shí)降水，廣州短歷時(shí)降水極值增長趨勢更加顯著。根據(jù)廣州中心城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算各歷時(shí)不同重現(xiàn)期降雨事件實(shí)際發(fā)生年頻次，發(fā)現(xiàn)短歷時(shí)降水事件發(fā)生頻次明顯增加，比如：2年1遇的30min降水事件到了1990年代后變成了1年1遇、5年1遇的30 min降水事件在21世紀(jì)變成了2.5年1遇；5年1遇的60 min降水事件在21世紀(jì)變成了3年1遇；10年1遇的60 min降水事件在1990年代后變成了5年1遇；1年1遇的180min降水事件在21世紀(jì)變成了0.67年1遇。

3 廣州短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征

分析表明，21世紀(jì)以來廣州短歷時(shí)強(qiáng)降水明顯增強(qiáng)、增多，因此本研究以小時(shí)雨量≥20 mm的短時(shí)強(qiáng)降水為代表，重點(diǎn)研究了廣州近10年（2007—2016年）短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征。

3.1 空間分布

利用全市所有區(qū)域測站的小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)近10年平均的短時(shí)強(qiáng)降水雨量和時(shí)數(shù)，發(fā)現(xiàn)，全市年平均短時(shí)強(qiáng)降水雨量為443 mm，對年降水的貢獻(xiàn)率在25%左右，年平均短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)數(shù)為14.3 h。全市有5個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水中心，分別是①從化棋盤山南側(cè)迎風(fēng)坡、②從化平頭頂與花都風(fēng)云嶺之間的平原地區(qū)、③花都王子山南側(cè)迎風(fēng)坡地區(qū)、④黃埔帽峰山南側(cè)迎風(fēng)坡地區(qū)、⑤中心城區(qū)越秀-天河-海珠一帶。這些短時(shí)強(qiáng)降水中心的分布與年降水中心分布相似，其年短時(shí)強(qiáng)降水雨量可達(dá)400～800 mm，年短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)數(shù)可達(dá)15～25 h（圖2）。其中，短時(shí)強(qiáng)降水中心①-④附近都有較高地形分布，降水中心位于偏南風(fēng)水汽輸送的迎風(fēng)坡地帶，其形成可能與地形強(qiáng)迫作用有關(guān)。而降水中心⑤位于廣州人口密集的中心城區(qū)，附近地勢平坦，其形成可能與城市“雨島”效應(yīng)有關(guān)。

根據(jù)站點(diǎn)覆蓋率對短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布雨型進(jìn)行劃分，發(fā)現(xiàn)，近10年廣州93.6%的短時(shí)強(qiáng)降水屬于局地降水，平均每年447次；6.2%的短時(shí)強(qiáng)降水屬于小范圍降水，平均每年29次；0.2%的短時(shí)強(qiáng)降水屬于區(qū)域性降水，平均每年1次；大范圍降水出現(xiàn)概率極低，說明廣州短時(shí)強(qiáng)降水空間分布上以局地性為主要特征，同時(shí)局地短時(shí)強(qiáng)降水近年來呈明顯增多趨勢，達(dá)到0.001顯著性水平。

圖2 廣州市年短時(shí)強(qiáng)降水雨量（單位：mm）（a）和時(shí)數(shù)（單位：h）（b）分布

3.2 時(shí)間分布

廣州的短時(shí)強(qiáng)降水集中出現(xiàn)在汛期（4—9月），而前汛期（4—6月）又多于后汛期（7—8月）。量級上以20～50 mm/h為主，占總數(shù)的93%，50 mm/h以上量級的短時(shí)強(qiáng)降水在前汛期出現(xiàn)較多，同時(shí)北部地區(qū)多于南部地區(qū)。從廣州的短時(shí)強(qiáng)降水頻次的月變化來看，21世紀(jì)以來短時(shí)強(qiáng)降水頻次最多的是5月（4.1次）、6月次之（3.6次）、冬半年（1—3月、10—12月）則不足1次；而趨勢系數(shù)的分布則表明短時(shí)強(qiáng)降水在汛期（5、6、8月）增多，降水間歇期（7月）減少。

分析2012—2016年廣州短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生概率的日變化，表明全市范圍短時(shí)強(qiáng)降水日變化呈單峰型結(jié)構(gòu)，午后至傍晚是短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)期，50.6%的短時(shí)強(qiáng)降水集中在 13：00—20：00（北京時(shí)，下同），22：00—04：00則是短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次的低值階段；中心城區(qū)強(qiáng)降水中心的日變化特征與全市分布較一致，主要峰值區(qū)在14：00—21：00，累計(jì)發(fā)生概率達(dá)到 56.3%，主要因?yàn)槎虝r(shí)強(qiáng)降水以對流性降水為主，午后到傍晚的大氣熱力條件最有利于強(qiáng)對流出現(xiàn)，而中心城區(qū)由于城市熱島效應(yīng)的影響加劇了熱對流使這一特征更加明顯；其它幾個(gè)強(qiáng)降水中心則有所不同，除了在午后至傍晚有一個(gè)峰值區(qū)外，在早晨（06：00—08：00）或中午（10：00—12：00）還有峰值區(qū)，呈雙峰或多峰型（圖3）。

圖3 廣州短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生概率日變化（%）

參考上海標(biāo)準(zhǔn)［6］將短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)間演變雨型劃分為3類：突發(fā)型、增長型和持續(xù)型。統(tǒng)計(jì)廣州短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)間演變雨型，發(fā)現(xiàn)有48.6%的短時(shí)強(qiáng)降水屬于增長型、37.4%屬于突發(fā)型、14%屬于持續(xù)型，說明廣州短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)間演變上以增長型和突發(fā)型為主要特征（表1）。從各類雨型逐年的頻次來看，突發(fā)型和增長型短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次呈明顯增多趨勢，分別達(dá)到0.05和0.005顯著性水平，而持續(xù)型短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次變化不明顯。

表1 短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)間演變雨型劃分標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

1）21世紀(jì)以來，廣州年降水量呈明顯增加趨勢，大雨、暴雨等強(qiáng)降水日數(shù)增多明顯。不同歷時(shí)降水極值都呈增長趨勢，但短歷時(shí)降水相對于長歷時(shí)降水增強(qiáng)趨勢更加顯著，且短歷時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次明顯增加。

2）全市有5個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水中心，其中4個(gè)降水中心位于迎風(fēng)坡地帶可能與地形強(qiáng)迫作用有關(guān)，中心城區(qū)的降水中心則可能與城市“雨島”效應(yīng)有關(guān)。廣州短時(shí)強(qiáng)降水局地性特征明顯，且這種局地短時(shí)強(qiáng)降水近年來呈明顯增多趨勢。

3）時(shí)間分布上，廣州短時(shí)強(qiáng)降水集中出現(xiàn)在汛期，且在汛期的降水集中期增多、降水間歇期減少，午后至傍晚是廣州短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)期。短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)間演變上以增長型和突發(fā)型為主，且突發(fā)型和增長型短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次呈明顯增多趨勢。