于鑫，鄭騰飛，劉顯通，莫穎妍，付蕾，陸杰英

（1.廣東省氣象臺(tái)，廣東廣州 510640；2.佛山市南海區(qū)氣象局，廣東佛山 528000；3.中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東廣州 510640；4.廣州市增城區(qū)氣象局，廣東增城 511399）

IPCC第4次評(píng)估報(bào)告明確了全球氣候變暖將逐步加劇的必然趨勢(shì)，且這一趨勢(shì)在短期內(nèi)很難發(fā)生變化［1-3］。全球氣候變暖隨之而來(lái)的極端氣候事件加劇成為國(guó)內(nèi)外社會(huì)和學(xué)者極為關(guān)注的熱門話題［4-6］。研究表明，平均氣候的微弱變化將引起極端氣候事件的頻率和強(qiáng)度的明顯變化，尤其是在極端降水事件方面表現(xiàn)的更為明顯［7-8］。

在全球氣候背景下，總降水量沒(méi)有明顯變化，但是在總降水量增大的區(qū)域，極端降水的比重明顯增大，且頻次明顯增加［9-10］。Tank等［11］研究指出在全球氣候變化背景下，極端事件的發(fā)生頻次呈上升趨勢(shì)；Peterson等［12］通過(guò)對(duì)加勒比海地區(qū)的極端降水事件的研究表明，在降水總量增大的年份，極端降水的頻次有明顯增加。國(guó)內(nèi)學(xué)者同樣對(duì)近50年中國(guó)的極端降水氣候事件做了研究分析，結(jié)果同全球趨勢(shì)基本一致。楊金虎等［13］、伍紅雨等［14-15］對(duì)近50年我國(guó)以及廣東年總降水量和極端降水事件進(jìn)行分析表明，我國(guó)的降水總量無(wú)顯著的極端變化，但是降水日數(shù)明顯減少，日降水強(qiáng)度有增大趨勢(shì)，極端降水事件的發(fā)生區(qū)域相對(duì)集中，區(qū)域的嚴(yán)重旱澇事件顯著增多。

極端降水事件的閾值確定方法有很多種，張勇等［16］將日降水量大于50 mm作為暴雨的降水閾值。陳海山等［17］、劉學(xué)華等［18］在分析不同地區(qū)極端降水時(shí)空分布特征以及發(fā)生發(fā)展演變趨勢(shì)時(shí)，采用百分位閾值法（95%和99%）來(lái)定義極端降水閾值。但上述方法主要是采用統(tǒng)計(jì)的方法，并沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)或系統(tǒng)本身的變化特征。本研究參考楊萍等［19］在研究極端降水事件時(shí)采用的去趨勢(shì)波動(dòng)法（DFA）來(lái)確定極端降水的閾值，并在此基礎(chǔ)上分析了廣東省近50年的極端降水事件時(shí)空分布特征及其演變規(guī)律，探討了廣東省極端降水與總降水量之間的關(guān)系，以期對(duì)開(kāi)展廣東省“雨窩”可預(yù)報(bào)性來(lái)源及關(guān)鍵技術(shù)研究等工作提供參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本研究使用廣東省氣象局提供的37個(gè)基準(zhǔn)氣候站和基本氣象站的逐日降水資料。廣東省的基準(zhǔn)氣候站和基本氣象站是從20世紀(jì)50年代開(kāi)始建站，并陸續(xù)開(kāi)始有完整的觀測(cè)數(shù)據(jù)。為確保不同站點(diǎn)之間的觀測(cè)數(shù)據(jù)具有可比較性，本研究選取1961—2010年間50年的日降水觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 去趨勢(shì)波動(dòng)法（DFA）

一般情況下地面觀測(cè)數(shù)據(jù)都是非平穩(wěn)性的，在計(jì)算自身相關(guān)系數(shù)時(shí)，如果采用傳統(tǒng)的方法，由于受到趨勢(shì)成分或噪聲成分的影響，分析結(jié)果的可靠性會(huì)有所偏差。而去趨勢(shì)波動(dòng)法（DFA）對(duì)于分析此類含有趨勢(shì)成分的序列的標(biāo)度行為有很大的優(yōu)勢(shì)［20-21］。本研究根據(jù)楊萍等［19］的研究，確定極端降水閾值的具體步驟如下：

①確定｛xi｝的最大值xmax。

②確定序列｛xi｝的中間點(diǎn)R，R值可以是x平均值xave或者介于最大值與最小值之間的某一中值xmed。

③從｛xi｝的最大值xmax開(kāi)始，依次舍去｛xi，xi≥xmax-d×k｝數(shù)據(jù)區(qū)間的數(shù)據(jù)點(diǎn)，直到xi=R，依次得到新序列Yj，j=xmax-d×k，其中d為區(qū)間間隔，k=1，2，……，（xmax-R）/d。

④計(jì)算每個(gè)新序列Yj的長(zhǎng)程相關(guān)性指數(shù)Dj，得到其隨舍去區(qū)間j的變化。

⑤當(dāng)Dj的變化開(kāi)始趨于平緩且收斂時(shí)的值為臨界值。

⑥區(qū)間間隔d代表本方法的分辨率，其取值越小k越大，確定的閾值分辨率越大，同時(shí)計(jì)算量也越大；反之則閾值分辨率小，k小，計(jì)算量也相對(duì)較小。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于DFA方法的極端降水事件閾值

定義日最高降水量大于DFA方法確定的閾值時(shí)為極端降水。統(tǒng)計(jì)可知，1961—2010年間廣東省極端降水閾值的空間分布總體呈沿海高、內(nèi)陸低的趨勢(shì)，其大值區(qū)主要分布在廣東省的東南、西南及南部的沿海地區(qū)，閾值一般在150 mm以上；而廣東省西部、北部以及東北部地區(qū)是小值區(qū)較集中的地區(qū)，閾值大多小于120 mm。

2.2 極端降水事件空間分布

對(duì)比極端降水年頻率與降水總量距平的空間分布（圖1）表明，除粵北個(gè)別站點(diǎn)之外，其他站點(diǎn)均呈現(xiàn)了較好的一致性，即降水量大的地區(qū)，其極端降水頻率較大；降水量小的地區(qū)，其極端降水頻率較小。極端降水年頻率與降水總量距平在粵東、粵西以及南部沿海地區(qū)的空間分布呈現(xiàn)了較好的一致性。

圖1 極端降水年頻率（a）與降水總量距平（b）的空間分布

分析廣東省近50年前、后汛期極端降水事件發(fā)生比例分布（圖2）可知，廣東近50年的極端降水事件絕大部分都發(fā)生在前汛期（4—6月）和后汛期（7—9月）。

圖2 廣東省近50年前（a）和后汛期（b）極端降水事件發(fā)生比例分布

受西南季風(fēng)爆發(fā)影響，廣東前汛期的極端降水事件主要發(fā)生在粵北的北江谷地地區(qū)、粵西的云霧山脈地區(qū)、粵東的蓮花山脈地區(qū)，上述3個(gè)區(qū)域也就是廣東典型的暴雨中心位置，且全年的極端降水事件主要發(fā)生在前汛期，比例在60%以上。后汛期主要是受臺(tái)風(fēng)降水影響，廣東的沿海地區(qū)發(fā)生極端降水事件的概率要明顯高于內(nèi)陸地區(qū)。

2.3 極端降水事件時(shí)間序列變化趨勢(shì)

由廣東省近50年極端降水年發(fā)生次數(shù)、年降水總量、降水方差的時(shí)間演變規(guī)律（圖3）來(lái)看，近50年廣東省極端降水事件發(fā)生頻次沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。極端降水存在偏多和偏少期，偏多期主要集中在20世紀(jì)60年代中期到70年代初期、2005至2010年間，最大值出現(xiàn)在2008年，其后依次是1964、2006和1961年；偏少期出現(xiàn)在1962—1963年，20世紀(jì)70年代中后期、2002—2004年，其中最小值出現(xiàn)在1963年，只發(fā)生了1次極端降水事件。通過(guò)分析廣東省近50年極端降水發(fā)生頻次與降水總量、降水均方差的相關(guān)關(guān)系可知，年極端降水發(fā)生次數(shù)變化規(guī)律與年降水量以及日降水量方差之間均呈較好的相關(guān)性，其中極端降水發(fā)生頻次與日降水量方差的相關(guān)性更高，達(dá)到71.8%。

圖3 廣東省近50年極端降水年發(fā)生次數(shù)、年降水總量、降水方差隨時(shí)間變化分布

2.4 極端降水量與總降水量的關(guān)系

通過(guò)分析廣東省近50年前汛期（圖4a）、后汛期（圖4b）和非汛期（圖4c）極端降水量占總降水量比例的空間分布得知，全年的極端降水量占總降水量的比例小于10%；極端降水占比的高值區(qū)主要集中在廣東3大暴雨中心位置以及粵西雷州半島地區(qū)；前汛期，3個(gè)暴雨中心極端降水貢獻(xiàn)率的比例較高，均超過(guò)了6%；后汛期，沿海地區(qū)極端降水貢獻(xiàn)率要明顯高于內(nèi)陸；非汛期由于極端降水事件極少發(fā)生，其降水貢獻(xiàn)率也非常低。

圖4 前汛期（a）、后汛期（b）和非汛期（c）極端降水量占總降水量比例的空間分布

3 結(jié)論

1）1961—2010年間廣東省極端降水閾值的空間分布總體呈沿海高、內(nèi)陸低的趨勢(shì)，其大值區(qū)主要分布在廣東省的東南、西南及南部的沿海地區(qū)；而廣東省西部、北部以及東北部地區(qū)是小值區(qū)較集中的地區(qū)。

2）極端降水年頻率與降水總量和降水方差在粵東、粵西以及南部沿海地區(qū)的空間分布呈現(xiàn)了較好的一致性。

3）廣東省近50年極端降水事件發(fā)生頻次沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，但極端降水事件存在偏多和偏少期；廣東省近50年的極端降水事件絕大部分都發(fā)生在前汛期（4—6月）和后汛期（7—9月），且全年的極端降水量占總降水量的比例均小于10%。