广东省月降雨量时空演变特性分析

徐林春，黄 东，林美兰，刘画眉，李海彬，何书琴

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635;2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635;3.广东省水安全科技协同创新中心，广东 广州 510635)

目前，全球气候变化已经成为各国政府、科学界和公众普遍关注的一个热点问题[1]。降雨量是气候变化中最为重要的影响因素之一，降雨不仅对水循环产生重大影响，还对水资源变化起着决定性作用[2]。降雨在时间及空间分布上由于受到各种自然地理条件(地形、下垫面条件等)和气象条件的影响，即使在同一个气候区内，一般也存在分布的时空差异性[3]。同时，降雨也是导致洪涝、山体滑坡、泥石流等自然灾害发生的重要致灾因素。研究广东省的降水变化特征，对了解上述自然灾害的气候变化规律具有重要意义，特别是在全球变暖的气候背景下，极端天气、气候事件频率加剧，认识广东省降雨时空变化规律对该地区水资源的合理配置以及制定有效防洪治涝对策具有重要意义。国内大量学者对珠江流域及广东省的降水变化特征开展了广泛的研究。彭俊台对珠江流域降雨的变化特征进行了研究，为深入理解珠江流域降雨的变化规律提供一些视角[4]。刘绿柳对西江流域1960—2006年的月降水量趋势进行了分析，认为8—12月各月降水呈减少趋势，1—3月各月和 6 月、7 月呈增加趋势[5]。唐亦汉对珠江流域多种降雨指数时空变化及影响进行了研究，认为域降雨具有季度、月份集中性，其中，季度集中性趋于空间均匀化，月份集中性趋向空间极端化[6]。吴孝情基于珠江流域43个站点1960—2012年的日降雨数据，探索珠江流域非平稳性极端降雨的时空变化特征及其成因，认为极端降雨变化程度大的区域其变化程度呈减弱趋势，而变化程度小的区域其变化程度呈加强趋势[7]。李湘姣对广东省1956—2008年降雨量变化进行了分析，认为广东省降雨量情势朝着不利的方向演变发展[8]。谢毅文基于省内26个气象站1958—2010年的连续降雨数据，采用Mann-Kendall(M-K)非参数统计法，分析了广东省月最大日降雨序列的突变特征[9]。廖义善基于1959—2008 年广东省境内 25 个雨量站的逐日降雨观测资料，对月降雨量变化进行了初步分析[10]。郑杰元对广州市多年降水量资料进行多时间尺度的统计分析，揭示广州市降水变化趋势[11]。姚寒梅析研究分析了惠州市1961—2010 年间的年降雨量变化趋势，认为各月降雨量并没有一个明显的、统一的规律，年最大月降雨量有明显的上升趋势，而最小月降雨量上升趋势不明显[12]。以上学者主要针对大流域或地市的角度对月降雨量进行了分析研究，基于广东省的研究多着眼于年降雨量和日降雨的变化规律，对于全省的月降雨变化趋势相应的研究成果较少。本文主要以广东省112个雨量站(如图1所示)1981—2010年共30 a的逐日降水资料为研究样本，采用降雨集中指数PCI及回归分析方法并结合ARCGIS软件，主要针对广东省月降雨量的时空变化规律进行进一步的深入分析，深刻认识和揭示月降雨量的强度变化及集中程度。统计系列多年平均年降雨量为1 769 mm，站点分布密度约0.16 km2/个，其中珠江三角洲地区站点有44个，粤北山区有37个，粤西有17个，粤东有14个。

图1 广东省主要雨量站分布示意

1 月降雨量时空变化趋势分析

1.1 月平均降雨量变化分析

月降雨量是表征降雨年内分配的重要依据，多年月平均降雨量则反映了降雨分配的常规特性。根据广东省降雨量空间分布特征，按粤北山区、珠江三角洲、粤西和粤东选取6个站点作为广东省四大区域的代表站。图2给出了广东省6个代表站点的历年逐月平均降雨量年内分配情况。其中德庆、韶关、梅西粤北3站年内各月雨量分配变化趋势基本一致，雨量分配偏前汛期，月降雨最大值基本在5月或6月，在241.2～253.4 mm之间，量值基本相当。珠江三角洲的中大站、粤西的双捷站和粤东的龙潭站年内各月雨量分配变化趋势基本一致，雨量分配集中在5—8月。3站月降雨最大值均在6月，但在量级上有所差异，中大站最小，为293.5 mm；双捷次之，为454.8 mm，龙潭最大，为537.7 mm。汛期粤东、粤西月平均降雨量峰值均远大于珠江三角洲地区，同时,三者均大于粤北3站，沿海站点峰值大于内陆站点，与广东省暴雨极值区域分布规律基本一致。

图3给出了上述6个代表站历年月平均降雨量最大值的年内分配情况。与均值相比，各月最大值比均值均增幅较多，尤以10月—次年2月5个月为盛。各站最值分布规律不明显，粤北3站数据更为平坦化，年内峰值不显。相较而言，珠三角、粤西和粤东等沿海3站降雨突变月份更主要集中在4—9月，与台风周期基本一致；最大值亦发生在6月，中大、双捷、龙潭3站最大值分别为732.5 mm、1 043.5 mm和1 241.0 mm。

图3 各站历年月平均降雨量最大值年内分配

图4可见，各站点12个月的月平均降雨量最大值与平均值比值曲线基本呈弧形，非汛期差异性明显大于汛期。时间上，3—9月数据均小于4月，其余月数据基本介于3—6月之间。最大值为韶关站12月数据，比值为5.7，最小值为德庆站5月，比值为1.6。空间上，沿海站点数据较内陆站点更为平坦化，比值的最大值小于内陆站点，最小值大于内陆站点。沿海3个站点的最大值与最小值的比值基本在2.5以内，德庆和韶关站相应比值分别为3.12和3.15。

图4 各站历年月平均降雨量最大值与平均值比值对比

1.2 代表站历年特征月降雨量变化分析

在1 a 12个月中，选取各站3月、6月、9月和12月数据为特征月数据，代表汛期、非汛期以及四季。图5～8给出了各代表站历年特征月的降雨量累积平均曲线，其整体变化趋势较为显著。各站点3月的降雨累积平均曲线在波动中均有下降的趋势，尤其是龙潭站下降趋势最为明显，其次是韶关和梅西，其余3站下降趋势较为缓慢。累积曲线末端均值在量值上，韶关最大，为176.7 mm，梅西和龙潭次之，分别为156.5 mm和136.1 mm，远大于其余3站(约在80 mm左右)。6月的降雨累积曲线较3月的下降趋势而言，上升趋势更为显著，其中，龙潭、双捷和中大3站在2000年后6月降雨量增大的趋势更为明显，累积曲线明显上升。以龙潭站的增幅最大，双捷和中大次之，其余内陆3站上升曲线大致平行。累积均值在量值上，亦以龙潭最大，为537.7 mm，双捷和中大次之，分别为454.8 mm和293.5 mm，远大于其余内陆3站(约在220 mm左右)。9月的降雨累积曲线则趋于水平，略有上升但升幅不显，各站点累积均值在量值上，以龙潭最大，为244.6 mm，双捷和中大次之，分别为217.2 mm和171 mm，韶关最小，为94.2 mm。排序变化规律类似6月，但量级上明显降低。12月的累积曲线则无明显波动规律，韶关和梅西略有上升，龙潭则有所下降，其余3站趋平。各站点累积均值量值基本在25～40 mm之间，变化不大。韶关最大，为39.1 mm，梅西和龙潭次之，分别为35 mm和28 mm，其余3站均约为25 mm左右。各特征月在降雨量级上从大到小依次为6月、9月、3月和12月。上述特征月降雨累积平均曲线的变化趋势表明，年内汛期的降雨强度有所增大，非汛期的则有所减小，年内降雨的集中度有所增加。同时，汛期沿海站点降雨量基本大于内陆，非汛期则相反。

图5 各站3月降雨量累积平均曲线

图6 各站6月降雨量累积平均曲线

图7 各站9月降雨量累积平均曲线

图8 各站12月降雨量累积平均曲线

1.3 代表月降雨量空间分布

图9～12给出了3月、6月、9月和12月4个月广东省月平均降雨量的空间分布。为使数据更具有代表性，以2—4月平均降雨量均值代表3月数据，以5—7月平均降雨量均值代表6月数据，以8—10月平均降雨量均值代表9月数据，以11月—翌年1月平均降雨量均值代表12月数据。图9中，3月的平均降雨量等值线基本上由北向南递减，降雨量基本在40～210 mm之间，均值约120 mm。等值线基本呈东西水平延伸，高值区均位于粤北韶关境内，低值区均位于南部湛江市境内。图10中，6月的平均降雨量等值线基本上南高北低，降雨量基本在140～440 mm之间，均值约270 mm。区域上存在多个降雨高值区，最高值位于粤东的汕尾境内，降雨量大于340 mm；珠三角的广惠地区和粤西的阳江存在第二高值区，降雨量均大于300 mm；东西两翼北部的梅州和肇庆为第三高值区，降雨量大于220 mm；往粤北和西南部降雨量逐渐减小，月降雨量在220 mm以下。图11中，9月的平均降雨量等值线基本与3月的规律相反，呈由南向北递减，降雨量基本在80～290 mm之间，均值约160 mm。等值线基本与广东省的海岸线大致平行，呈东北-西南走向，降雨高值区位于粤西的阳江、江门和粤东的潮汕地区，降雨量大于200 mm。图12中，12月平均降雨量等值线由中心向四周递减，全省降雨量基本在15～70 mm之间，均值约35 mm，降雨量较少。降雨高值区基本位于清远、韶关境内，降雨量大于40 mm，且粤西北边界存在一个降雨聚集区，降雨量大于60 mm；沿海区域的降雨量基本在25 mm以下。

空间分布表明，不同代表月降雨量空间分布存在明显差异，冬季雨量少，夏季雨量多。各特征月降雨分布基本与广东省的气候特征相适应。3月以锋面雨为主，降雨量北高南低；6月以台风雨为主，由于台风线路的变化而存在多个高值区；9月以南海区域带来的降雨为主，南高北低；12月则与大气对流及地面高低起伏特征有关，雨量相对不大。

图9 广东省3月平均降雨量空间分布

图10 广东省6月平均降雨量空间分布

图11 广东省9月平均降雨量空间分布

图12 广东省12月平均降雨量空间分布

2 降雨集中度变化分析

2.1 年内集中度

一般可以采用降雨集中指数PCI反映降雨在年内分配及降雨集中情况，其计算公式如下：

(1)

式中Pi为站点第i月的降雨量；PCI的变化范围一般为8.3～100，当PCI=8.3时，表示年内降雨均布于1 a的每个月；当PCI=100时，表示全年降雨集中在某一个月中。

图13给出了6个代表站历年PCI的累积平均曲线。采用一元线性回归分析方法对各曲线做回归分析，可以得到各代表站的回归参数(见表1)。图13中，各曲线变化幅度基本在12～18之间，除龙潭和中大站上升趋势明显外，其余4个站点累计曲线变化较为平缓，末端有趋平趋势，年际变化不明显。

表1中各站点PCI均值在13.45～18.24之间，以龙潭站最大，为18.24，月降雨量年内分布差异最为显著；其次为双捷和中大站，分别为17.14和16.02；其余3站PCI均值基本接近。代表站PCI均值亦可近似反映广东省四大区域的变化情况。表1中各曲线一元回归分析的斜率均为正值，说明各站点PCI均值的变化趋势总体规律还是缓慢震荡上升的，表明广东省年内降雨的集中度有所增大。沿海3站的斜率基本大于内陆3站，说明虽然全省的降雨集中度都提高了，但广东沿海地区年内降雨较内陆地区更为集中。

图13 各代表站点历年PCI累积平均曲线

表1 各站PCI累积平均曲线回归分析参数

图14和图15分别给出了广东省各站PCI累积平均曲线和PCI曲线回归分析斜率的空间分布，为便于分析，图中将斜率值各自放大了1 000倍。图14中PCI累积平均曲线的斜率空间分布更为规整，等值线分布基本与海岸线齐平，表明广东省各站点年内降雨的集中度基本上自沿海向内陆递减，以粤北山区斜率值最小。在珠江三角洲区域和西南端的湛江存在一个次高值区，其值仍大于粤北山区地区。图15的PCI曲线斜率空间分布整体与图14基本一致，但在粤西南的湛江存在一个高值区，主要是两者徐闻站的斜率值差异较大，徐文站PCI累积平均曲线的斜率仅0.073，PCI曲线斜率值达0.235。在珠海地区PCI曲线斜率相对存在一个低值区，该地区的平沙站两者的斜率差异较大，分别为0.093和0.023。可见不同的计算方式，对于个别站点，其计算结果存在一定的差异性。

图14 广东省各站PCI累积平均曲线回归分析斜率分布

图15 广东省各站PCI曲线回归分析斜率分布

2.2 特征月集中度

对各站点历年某月降雨量的累积平均曲线做回归分析，可以得到当月各站点累积平均曲线的斜率值。本文依旧选取3月、6月、9月和12月4个特征月的斜率空间分布分析各特征月降雨趋势的变化情况。图16～19给出了上述各月广东省各站PCI累积平均曲线回归分析斜率的空间分布示意。为便于分析，图中将斜率值各自放大了100倍。

图16～19可见，3月的斜率空间分布以负值为主，全省该月降雨量均有减小的趋势。以珠江三角洲广惠地区和粤东地区为最大，粤北韶关及粤西湛江地区最小。6月全省降雨量均有增大的趋势，相对而言，珠江三角洲略小于粤西北、粤西南及粤东地区。9月全省降雨量有增有降，粤东北山区、粤西及粤西南地区以减小为主，湛江地区减幅全省最大。珠三角及粤东沿海则略有增大，粤北山区亦略有减小的趋势。12月全省降雨量均有增大的趋势，以惠州河源地区最大，其余区域增幅略小。

图16 各站3月PCI累积平均曲线回归分析斜率分布

图17 各站6月PCI累积平均曲线回归分析斜率分布

图18 各站9月PCI累积平均曲线回归分析斜率分布

图19 各站12月PCI累积平均曲线回归分析斜率分布

3 结语

本文以广东省112个雨量站1981—2010年共30 a的逐日降水资料为研究样本，采用降雨集中指数PCI及回归分析方法并结合ARCGIS软件，结合典型代表站点和全省数据空间分布分析方法，进一步认识了广东省月降雨量的时空变化规律，深刻认识和揭示了广东省月降雨量的强度变化及集中程度。

1) 汛期粤东、粤西月平均降雨量峰值均远大于珠江三角洲地区，同时三者均大于粤北区域，与广东省暴雨极值区域分布规律基本一致。非汛期年内各月的月平均降雨量最大值与平均值的差异性明显大于汛期。

2) 3月平均降雨量等值线基本上由北向南递减，呈东西水平延伸趋势；6月在区域上存在多个降雨高值区；9月由南向北递减，等值线基本与广东省的海岸线大致平行；12月平均降雨量等值线由中心向四周递减。不同特征月的降雨量空间分布存在明显差异，但基本与广东省的气候特征相适应。

3) 无论是代表站还是全省站点各特征月降雨量长系列的时间变化趋势均表明，广东省年内汛期(6月)的降雨强度有所增大，非汛期(3月)的则有所减小；年内降雨的集中度有所增加，且广东沿海地区年内降雨较内陆地区更为集中，广东省各站点年内降雨的集中度基本上自沿海向内陆递减。汛期沿海站点降雨量均大于内陆，非汛期则相反。