楊 帆 周 悅 羅嵐揚(yáng) 苗曉宜 馬美紅 劉榮華

（1.廣東省防汛保障與農(nóng)村水利中心，廣州 510635；2.北京市師范大學(xué)，北京 100875；3.天津師范大學(xué)，天津 300387；4.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

0 引 言

在全球氣候變化發(fā)展的背景下，極端降雨事件顯著增加，以具有局地性、強(qiáng)度大的短時強(qiáng)降雨為主，降雨導(dǎo)致的山洪、泥石流等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。例如，2022 年6 月18 日，廣東省多地遭受暴雨，最大3 h 累計降雨量高達(dá)155 mm，超100年一遇，引發(fā)了山洪災(zāi)害，造成47.96 萬人受災(zāi)，1 729 間房屋倒塌[1]。同時，受地形、植被、人類活動等影響，同一地區(qū)降雨時空分布規(guī)律不同。因此，研究降雨時空分布規(guī)律對提高短時強(qiáng)降雨預(yù)警預(yù)報、開展區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)具有重要的指導(dǎo)意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞降雨分布特征開展了大量研究，但主要聚焦分析較大區(qū)域尺度降雨的特點；或結(jié)合氣候變化背景對降雨影響因子進(jìn)行相關(guān)性分析[2-6]。在省級和市縣級尺度降雨特征分析中，降雨特征指標(biāo)選取及分析方法不同，其中市縣尺度多選取降雨量、降雨日數(shù)等指標(biāo)研究降雨演變規(guī)律[7-11]。方法上，多運(yùn)用Mann-Kendall（M-K）檢驗和反距離權(quán)重插值法，聚焦誘發(fā)災(zāi)害性降雨的趨勢與分布研究。而短時強(qiáng)降雨事件由于其高風(fēng)險性引發(fā)大量關(guān)注，大多研究圍繞降雨過程與成因分析、時空變化與預(yù)報方法[12-14]。例如，Chen等[7]分析了臺灣地區(qū)的強(qiáng)降雨事件的時空分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雨多發(fā)于山區(qū)迎風(fēng)坡地帶；鄭杰元等[8]從年、月、汛期非汛期等尺度分析了廣州市降雨時空變化規(guī)律；Brooks 等[12]通過統(tǒng)計1948—1993 年小時降雨資料，驗證了短時強(qiáng)降雨頻次與山洪分布直接相關(guān)?？傊?，分析降雨分布特征可為廣東地區(qū)山洪預(yù)警提供參考借鑒。

目前，研究降雨分布規(guī)律，指標(biāo)一般選取年均降雨量、日均降雨量、降雨天數(shù)等，方法多采用M-K檢驗法、趨勢系數(shù)、反距離權(quán)重插值、克里金空間插值法等。研究區(qū)域上，受海陸位置和地形影響，極端暴雨天氣的時空分布特征具有較強(qiáng)的地域性[15]；通過《2022年廣東省統(tǒng)計年鑒》中的水資源數(shù)據(jù)整理分析，可以發(fā)現(xiàn)自上一輪厄爾尼諾現(xiàn)象結(jié)束后（2014—2016 年），廣東省各地區(qū)降雨量出現(xiàn)階段下降，其中2019 年11 月至2021 年是廣東省歷年罕見的連旱時期，其降雨特征在歷年時序變化中具有較強(qiáng)的代表性[16-18]；2021 年，除廣東省西北地區(qū)外，其他地區(qū)年降水量幾乎為近10年最低值。因此，本文以廣東省為研究區(qū)域，基于2017—2021 年省內(nèi)4 119 個雨量站實測數(shù)據(jù)，選定年、月、日3種時間尺度的降雨量指標(biāo)，運(yùn)用反距離權(quán)重等方法分析降雨時空變化規(guī)律，以期為廣東省防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考借鑒。

1 研究區(qū)概況

廣東省地處我國大陸最南部，陸地面積17.89 萬km2。地勢位于第三級階梯，呈現(xiàn)北高南低，地貌類型復(fù)雜多樣（圖1）。廣東省北部的山地由南嶺山脈旁支組成，東部和中部的丘陵由東南丘陵中兩廣丘陵組成。平原主要分布在南部沿海地區(qū)，占廣東省面積的1/5，包括珠江三角洲平原、潮汕平原等。廣東省屬于東亞季風(fēng)區(qū)，從北向南分布中亞熱帶、南亞熱帶和熱帶氣候，日照充足、降水豐沛，是全國光、熱和水資源最豐富的地區(qū)之一。受氣候和地形影響，廣東省洪澇和干旱災(zāi)害時常發(fā)生，臺風(fēng)登陸頻繁。1949—2021 年，共有264 個臺風(fēng)在廣東省登陸，其中南部的湛江地區(qū)多達(dá)84 次，導(dǎo)致廣東省華南地區(qū)年均降水量較豐富，如2021 年廣東省年均降水量為1 358 mm，華南地區(qū)年均降水量為2 000 mm[18-19]。

圖1 2017—2021年降雨量年分布特點及距平百分率

廣東省3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12 月至次年2 月為冬季，每年6—10 月為臺風(fēng)頻發(fā)期，對廣東省影響較大。春季氣溫和降雨均處于上升趨勢，但受冷暖天氣的交替影響，水熱狀況不穩(wěn)定性增強(qiáng)；夏季是集中強(qiáng)降雨季節(jié)；秋季冷空氣是影響廣東省天氣的主導(dǎo)因素，氣溫和降雨逐漸下降；冬季盛行東北風(fēng)或北風(fēng)，但冷空氣到廣東時強(qiáng)度減弱，且因所處緯度較低，具有溫暖少雨的特點。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文主要選取廣東省氣候中心的國家級基準(zhǔn)氣候站與區(qū)域自動氣象站資料，經(jīng)過質(zhì)量控制后，合計4 119 個站點。整理得到各測站不同時間尺度的（小時、月、日、平均）降雨量，以分析降雨時序變化規(guī)律及年均降雨量空間分布特征。本文將實測數(shù)據(jù)達(dá)到對應(yīng)閾值時計為1 次短時強(qiáng)降雨天氣，1 d 內(nèi)站點多次達(dá)標(biāo)時則累加站次；只要1 個站點出現(xiàn)短時強(qiáng)降雨天氣則記為當(dāng)日1 個短時強(qiáng)降雨日。此外，通過對廣東省暴雨圖集數(shù)據(jù)插值計算得到各站點2 年一遇降雨量數(shù)值，選定短歷時（1 h）降雨量作為判定發(fā)生短時強(qiáng)降雨事件指標(biāo)，其中1 h 降雨量指該時前1 h累計降雨量。

2.2 研究方法

本研究以1 h 站點觀測降雨為基本單元，統(tǒng)計年、月、日等不同時間尺度的降雨量，并采用反距離權(quán)重插值法分析降雨空間分布特征，用距平百分率法分析降雨時序變化規(guī)律。

（1）反距離權(quán)重插值法。反距離權(quán)重插值法是以物體之間的距離決定其相似性，即兩個物體距離越近則相似性越大，反之，距離越遠(yuǎn)則相似性越小；以預(yù)測點與樣本點之間距離的負(fù)指數(shù)值確定樣本點的權(quán)重，將各樣本點乘以對應(yīng)權(quán)重的屬性值求和，即得到預(yù)測點的屬性值。計算公式為：

式中：Z(S0)為S0處的預(yù)測值；N為預(yù)測計算過程中要使用的預(yù)測點周圍樣本點的個數(shù)；Z(Si)為第i個樣本點Si處的測量值；i為預(yù)測計算過程中使用的各樣點權(quán)重，該值隨樣本點與預(yù)測點之間距離的增加而減小，確定權(quán)重的計算公式為：

式中：p為指數(shù)值；di0（或dj0）為樣本點Si（或Sj）到預(yù)測點S0的距離，計算公式為：

式中：Xi為樣本點Si的橫坐標(biāo)；X0為預(yù)測點S0的橫坐標(biāo)；Yi為樣本點Si的縱坐標(biāo)；Y0為預(yù)測點S0的縱坐標(biāo)。

（2）距平百分率法。距平指某一數(shù)值與平均值的距離差，如果該值為正則為正距平，反之則為負(fù)距平；降雨距平百分率是對距平進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理的結(jié)果，能反映某一年降雨量與多年平均值的偏離程度，有利于參考同一標(biāo)準(zhǔn)評價各年降雨特征，同時體現(xiàn)降雨量年際變化的波動性。本文將5年降雨量平均值作為參照，公式如下：

式中：PA為距平百分率；Pi為某年的降雨量，mm；ˉP為5年降雨量平均值，mm。

3 降雨時空變化特征分析

3.1 廣東省降雨時間分布特征

年際變化方面，廣東省2017—2021年降雨量變化范圍為1 420.9～1 993.6 mm（圖1），平均年降雨量為1 714.2 mm；其中年降雨量最高出現(xiàn)在2019年，最低出現(xiàn)在2021年，極差為572.7 mm。2019—2020 年降雨量變化率為5 年最高，達(dá)到26.65%。計算分析每年降雨量的距平百分率，其中2020 年和2021 年距平百分率為負(fù)，降雨量低于平均值；2017 年、2018 年和2019 年降雨量高于平均值，距平百分率為正。副熱帶高壓、暖濕夏季風(fēng)、北方冷空氣和臺風(fēng)是影響廣東省整體降雨情況的關(guān)鍵因素；2017—2019年降雨量呈上升態(tài)勢，2019年是偏豐水年；2020—2021年，北方冷空氣較往年弱，且副熱帶高壓脊線北移，降雨量較前3年明顯減少，屬于枯水年，是廣東省歷年罕見的連旱年。

季節(jié)變化方面，結(jié)合廣東省緯度位置、海陸位置、大氣環(huán)流特征，各季特點如圖2：春季屬于過渡時期，平均降雨量535.1 mm，占年降雨量的28.5%；3—4 月是旱季，主要受蒙古高壓和西伯利亞氣團(tuán)控制，空氣較為干燥，降雨相對較少；4 月中下旬至5 月，由于大陸上的冷高壓和冬季風(fēng)開始北退減弱，西太平洋副高加強(qiáng)西進(jìn)、北抬，廣東省逐漸處于副高邊緣，副高西北側(cè)的偏南氣流源源不斷地將南方海洋上水汽輸送到廣東省上空，冷暖氣流形成強(qiáng)降雨，雨帶維持在華南大陸和南嶺附近，是華南靜止鋒最活躍時期。夏季平均降雨量920.3 mm，占年降雨量的49.06%，夏季降雨特征主要原因為：一是受海洋氣團(tuán)影響，夏季風(fēng)強(qiáng)勁，且主要為偏南風(fēng)，帶來豐沛的雨水，二是熱帶天氣系統(tǒng)活動頻繁，據(jù)統(tǒng)計，僅1990—2015 年登陸我國的熱帶天氣系統(tǒng)就有314個，登陸廣東省93個，占總數(shù)29%，其中7—9月是熱帶氣旋影響的主要時段，占81%[20]，另外，強(qiáng)烈的太陽輻射導(dǎo)致熱力對流旺盛、氣層不穩(wěn)定，可造成局部對流降雨。秋季平均降雨量294.1 mm，降雨類型主要為鋒面雨和臺風(fēng)雨，占年降雨量的15.68%，此時，夏季風(fēng)逐漸減弱，冷高壓漸強(qiáng)，大陸氣團(tuán)控制了我國大陸大部分地區(qū)，水汽來源減少，雨日和雨量也隨之減少。冬季平均降雨量126.6 mm，占年降雨量的6.75%，主要受蒙古高壓和冬季風(fēng)影響，空氣干燥，雨帶主要位于南海海平面上，降雨很少且極少出現(xiàn)暴雨；切變—冷空氣型、南風(fēng)—冷空氣型、南風(fēng)—變性高壓脊型和南風(fēng)—西南低壓型是最常見的4 個冬季暴雨天氣類型[21]。

圖2 2017—2021年降雨量季節(jié)分布特點及年貢獻(xiàn)率

月際變化方面，廣東省2017—2021 年月降雨量范圍為37.4～407.5 mm（圖3）；5—8 月月降雨量均超過200 mm，是廣東省降雨集中月份，其中6 月最大，8 月次之，12 月最小，月降雨量小于50 mm。根據(jù)廣東省緯度位置、海陸位置、大氣環(huán)流特征可知：4—6 月受鋒面雨帶季節(jié)移動規(guī)律影響，多鋒面雨；7—9 月受臺風(fēng)影響，多氣旋雨（或臺風(fēng)雨）；夏季氣溫高，午后多對流雨。廣東省汛期一般為每年4 月中旬至10 月中旬，但近年來汛期明顯提前；其中2019 年、2020 年、2022 年入汛時間分別提前到3 月8 日、28 日、26 日，主要是受偏強(qiáng)西路冷空氣和來自南海菲律賓短暫的反氣旋環(huán)流異常影響；同時反氣旋邊緣西南氣流為華南地區(qū)提供了充足的水汽輸送，配合冷暖氣團(tuán)交綏，造成廣東省降雨顯著。

圖3 2017—2021年降雨量月分布特點

3.2 廣東省降雨空間分布特征

受海陸位置和地形影響，廣東省降雨量在空間上呈現(xiàn)西翼和珠江三角洲北部地區(qū)較高，東翼和北部山區(qū)較低的特點（圖4）。其中珠江三角洲北部地區(qū)位于粵北和珠江三角洲交接處的北江谷地，背面依靠南嶺的東部核心九連山，夏季主要來自南海的水汽，從珠江口向北深入，進(jìn)入似喇叭狀的珠三角，到達(dá)珠江三角洲頂端清遠(yuǎn)—佛岡一帶受地形抬升影響，水汽匯聚在北江山谷迎風(fēng)坡形成地形雨，帶來豐沛降水。西翼暴雨集中區(qū)的北部邊緣為山地，呈東北—西南走向，與海岸線基本平行。中部和南部為廣闊的丘陵、臺地和平原。夏季東南季風(fēng)與海岸線和山脈形成垂直對沖，加劇了暖濕氣流的交匯。同時，天路山山谷地帶在陽江至恩平之間形成一個狹長谷地，從南海深入內(nèi)陸的暖濕氣流在東部垂直斜交進(jìn)入這一狹長谷地，形成強(qiáng)降雨?；洷钡貐^(qū)降雨較少，主要由于北部山脈形成天然屏障，阻隔了南邊暖濕空氣伸入。而廣東東翼距離來自孟加拉灣和中南半島的溫暖西南風(fēng)較遠(yuǎn)，受冷暖氣流交匯形成的切邊系統(tǒng)影響減弱，導(dǎo)致降水偏小。

圖4 2017—2021年廣東省降雨量空間分布圖

4 廣東省短時強(qiáng)降雨時空規(guī)律

4.1 短時強(qiáng)降雨時間分布規(guī)律

利用廣東省暴雨圖集進(jìn)行插值計算，得到廣東省各站點1 h 2 年一遇降雨量閾值，閾值范圍為36～68 mm，并作為對應(yīng)站點是否發(fā)生2 年一遇短時強(qiáng)降雨事件的判斷指標(biāo)。統(tǒng)計達(dá)到短時強(qiáng)降雨指標(biāo)的雨量站，廣東省2017—2021年分別有106 d、101 d、122 d、92 d、95 d發(fā)生了短時強(qiáng)降雨；其中2019 年發(fā)生天數(shù)最多，整體呈先上升后下降趨勢，相鄰年份增長速率呈正負(fù)波動變化，與降雨量年變化趨勢具有一致性。

從不同月份短時強(qiáng)降雨發(fā)生頻次看（圖5（a）），受氣溫和季風(fēng)的強(qiáng)烈作用，省內(nèi)短時強(qiáng)降雨天氣主要出現(xiàn)在4—9 月，集中發(fā)生在春末夏初，其中5 月、6 月出現(xiàn)最多，平均天數(shù)合計為14～20 d，平均每月有21.5%的站點監(jiān)測到短時強(qiáng)降雨信息。6月發(fā)生頻次最多且強(qiáng)度大，短時強(qiáng)降雨累計約19 d，每天平均有48 站次發(fā)生短時強(qiáng)降雨事件，主要原因為夏季東南季風(fēng)強(qiáng)勁，為短時強(qiáng)降雨的發(fā)生提供了充足水汽，加之氣溫高、蒸發(fā)量大，低層大量水汽上升，與高空下降的冷空氣形成強(qiáng)對流，凝結(jié)成積雨云并不斷壯大，當(dāng)上升氣流無法承托云內(nèi)水滴時，水滴急劇降落地面，在陸地局部地區(qū)形成短時強(qiáng)降雨，降雨主要表現(xiàn)為突發(fā)、強(qiáng)度大、歷時短、頻發(fā)、范圍小。10—12月月均發(fā)生3 d短時強(qiáng)降雨，平均5 個測站發(fā)生短時強(qiáng)降雨事件。由圖5（b）短時強(qiáng)降雨不同時段分布圖可以看出降雨多發(fā)生在下午及夜晚（15—20 時），該時段發(fā)生短時強(qiáng)降雨事件的頻率為28.6%～35.5%；日降雨量范圍為43.4～73.8 mm，其中18時最易發(fā)生強(qiáng)降雨；結(jié)合氣流特征分析可知：午后地面溫度較高，近地面氣層不穩(wěn)定，大氣上升形成熱對流，富含水汽的大氣在上升過程中遇冷形成降雨。

圖5 2017—2021年廣東省短時強(qiáng)降雨時間分布

4.2 短時強(qiáng)降雨空間分布規(guī)律

通過對站點短時強(qiáng)降雨量進(jìn)行統(tǒng)計，分析得到2017—2021 年超過100 mm/h 雨強(qiáng)的站點分布，并利用反距離權(quán)重插值法進(jìn)一步得到雨量集中區(qū)域。在降雨量超過100 mm/h的國家級基準(zhǔn)氣候站點記錄中，東菀市上川站、茂名市茂名站、湛江市雷州站降雨量最為突出，其中，東莞市上川站最大1 h降雨量161.0 mm，發(fā)生在2020年5月21日6—7時；茂名市茂名站最大1 h 降雨量139.9 mm，發(fā)生在2018 年8月23日15—16時；湛江市雷州站最大1 h降雨量124.1 mm，發(fā)生在2021 年4 月19 日15—16 時。由圖6 可知，廣東省短時強(qiáng)降雨量超過100 mm 的區(qū)域主要分布在東莞、惠州、深圳、韶關(guān)、肇慶、清遠(yuǎn)地區(qū)，分布特點為沿海比內(nèi)陸活躍、東部比西部活躍、平原丘陵比山區(qū)活躍。全省短時強(qiáng)降雨高發(fā)區(qū)主要位于南部沿海（清遠(yuǎn)—佛岡一帶）；北部山區(qū)也時有發(fā)生，東部（潮州汕頭等地）和南部（湛江茂名等地）是短時強(qiáng)降雨頻次最少地區(qū)。結(jié)合廣東省地形特點可知，南部沿海深受暖濕夏季風(fēng)的影響，水汽充足，為短時強(qiáng)降雨的發(fā)生提供條件；加上平闊的地形條件，促進(jìn)區(qū)域蒸散發(fā)過程，因此，南部沿海平原地區(qū)是短時強(qiáng)降雨天氣頻發(fā)區(qū)域。而北部山區(qū)包括內(nèi)陸暴雨中心清遠(yuǎn)—佛岡一帶，受地形影響，南方暖濕氣流在山脈迎風(fēng)坡輻合上升，在高處遇冷凝結(jié)成雨，易在山谷區(qū)形成短時強(qiáng)降雨；當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時，山谷區(qū)將會遭遇山洪、泥石流等災(zāi)害。綜合來看，2017—2021年廣東省降雨量整體偏少，而短時強(qiáng)降雨發(fā)生次數(shù)增多，多發(fā)生于夏季，降雨連續(xù)性相對減弱，1 h 最大降雨量為124.1～161.0 mm，粵西和粵中短時強(qiáng)降雨過程較多，粵北和粵東長時間降雨過程較多。

圖6 2017—2021年2年一遇短時強(qiáng)降雨空間分布圖

5 結(jié) 論

本文以廣東省為研究區(qū)域，通過對2017—2021年省內(nèi)4 119 個實測站點的降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，詳細(xì)分析了降雨時空分布特征及變化趨勢，以及短時強(qiáng)降雨發(fā)生頻次、強(qiáng)度和極值雨強(qiáng)的時空變化特征。主要結(jié)論如下。

（1）年降雨量范圍為1 420.9～1 993.6 mm，具有明顯波動性，且2020年和2022年是連旱年。降雨年內(nèi)分布不均勻，其中夏季平均降雨量最大，達(dá)到920.3 mm，占全年降雨量的49.06%；其次是春季、秋季和冬季。月尺度方面，廣東省一年有2個降雨峰值，最大值為6月，主要受冷暖氣流頻繁交匯形成鋒面雨；次峰值在8 月，主要受臺風(fēng)影響。降雨空間上分布不均勻，粵西和粵中珠江三角洲北部降雨多，粵東和粵東北降雨相對偏少；地形和海陸位置是影響降雨的關(guān)鍵因素，山脈迎風(fēng)坡和南部沿海平原較其他地區(qū)多。

（2）短時強(qiáng)降雨時空分布與降雨量一致。夏季為短時強(qiáng)降雨易發(fā)季節(jié)；日內(nèi)不同時段短時強(qiáng)降雨分布方面，由于午后近地面氣層不穩(wěn)定，大氣上升形成熱對流，在15—20 時最活躍，發(fā)生短時強(qiáng)降雨事件的頻率為28.6%～35.5%。空間上，由于沿海集聚夏季風(fēng)所帶來的豐富暖濕氣流，并于山脈迎風(fēng)坡輻合上升使得廣東省南部沿海平原短時強(qiáng)降雨發(fā)生頻繁，北部相對較少。