21世纪以来广州强降水的若干变化特征

2020-11-10王婷谌志刚何溪澄

广东气象 2020年5期

王婷，谌志刚，何溪澄

（1.广州市气候与农业气象中心，广东广州 511430；2.广州市气象局，广东广州 511430）

广州属海洋性南亚热带季风气候，由于印度洋孟加拉湾、南海、西太平洋充沛的水汽输入和境内复杂的地形地貌，形成强降水的水汽、热力及动力条件优越，在上游洪水、台风、风暴潮等因素的叠加影响下，广州洪涝灾害频发，洪涝灾损占到总自然灾害灾损的52.31%，严重威胁人民生命财产安全和城市运行安全。为提高城市应对强降水灾害能力，广大学者针对大城市强降水事件特征进行了研究，王萃萃等［1］分析了中国大城市极端强降水事件变化特征；陈炯等［2］分析了中国暖季短时强降水分布和日变化特征；孙继松等［3］、尤焕苓等［4］分析了北京地区极端强降水事件的变化特征；梁萍等［5-6］分析了上海地区极端强降水事件的变化特征及城市化的影响；蔡晶等［7］、孙喜艳等［8］分析了广东短时强降水的时空分布特征。广州在强降水方面的研究多集中在强降水日数、日降水极值等方面［9-10］，对短历时强降水特征分析较少。本研究采用广州国家和区域自动站分钟、小时等高时空分辨率的降水资料，分析广州暴雨日数、各历时降雨极值及重现期等变化特征和短时强降水的时空分布特征，有利于提高强降水事件监测预报、风险区划、影响评估等业务能力，同时也为广州城市防灾减灾、规划布局、生命线系统标准设计、重大工程气候评价等工作提供参考。

1 资料与方法

本研究使用资料包括：（1）广州国家自动观测站（59287）逐时、逐日降水资料及分钟降水自记纸资料，资料年限为1961—2016年，由于2011年后广州站从五山搬迁到萝岗，而两站降水差异明显，为保证样本序列的一致性，2011—2016年仍沿用五山站数据；（2）2005—2016年广州303个区域自动观测站的小时降水资料。使用前首先对观测数据进行质量控制，通过对广州市所有测站5分钟雨量和小时雨量极值进行核查，发现5分钟雨量和小时雨量的降雨极值分别为36.7和184.4 mm，因此剔除5分钟雨量超过36.7 mm、小时雨量超过184.4 mm的观测记录；其次，要求数据统计时段内的有效记录率要≥90%，否则剔除站点。

本研究首先利用广州站日降水数据分析了1961—2016年广州不同量级（小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨）降水日数及对年雨量贡献率（各量级降水的累计雨量与年雨量之比）的变化特征。然后，利用广州站分钟降水数据分析不同历时降水极值，同时根据广州中心城区暴雨强度公式，分析各历时不同重现期降雨事件实际发生频次的变化。最后利用区域站小时降水数据分析了21世纪以来广州短时强降水事件（1 h雨量≥20 mm）的时空分布特征。

2 广州降水气候变化背景

近56年（1961—2016年），广州站年降水量总体呈波动增加趋势，增率为6.3 mm/年，其中2001—2016年平均年降水量 1 941.9 mm，较1960年代增加了19.7%（319.4 mm）。年雨日的线性变化趋势不明显，但年小雨日数呈明显减少趋势（相关系数为-0.282达到0.05显著性水平），年中雨日数、大雨日数、暴雨日数则呈增加趋势，尤其是大雨日数相关系数为0.317达到0.05显著性水平（图1）。不同年代平均的各量级降水年日数及对年降水贡献率统计表明（表略）：21世纪以来（2001—2016年平均），广州年大雨日数、暴雨日数、大暴雨日数增加显著，均达到历史最高值，相比于1960年代分别增加了40%、28%、27%，对年降水的贡献率分别提高了4.3%、1.4%、0.5%。汛期不同量级雨日变化趋势与年雨日相似，后汛期暴雨日数增加最明显（21世纪以来相比1960年代增加了52.6%），前汛期大暴雨日数增加最明显（21世纪以来相比1960年代增加了1倍）。

图1 广州站1961—2016年不同量级降雨年日数分布

利用降水自记纸记录的分钟雨量滑动计算广州站不同历时降水年极值，发现21世纪以来5、30、60 min历时降水极值分别达到14.5、47.2和103 mm，较1960年代增长了27.4%、23.8%、23.3%，线性增长趋势分别达到0.001、0.05、0.1显著性水平；120、180、240 min历时降水极值分别为166.2、205.1和270 mm，极值略有增长但并未达到一定显著性水平。说明相对于较长历时降水，广州短历时降水极值增长趋势更加显著。根据广州中心城区暴雨强度公式计算各历时不同重现期降雨事件实际发生年频次，发现短历时降水事件发生频次明显增加，比如：2年1遇的30min降水事件到了1990年代后变成了1年1遇、5年1遇的30 min降水事件在21世纪变成了2.5年1遇；5年1遇的60 min降水事件在21世纪变成了3年1遇；10年1遇的60 min降水事件在1990年代后变成了5年1遇；1年1遇的180min降水事件在21世纪变成了0.67年1遇。

3 广州短时强降水时空分布特征

分析表明，21世纪以来广州短历时强降水明显增强、增多，因此本研究以小时雨量≥20 mm的短时强降水为代表，重点研究了广州近10年（2007—2016年）短时强降水的时空分布特征。

3.1 空间分布

利用全市所有区域测站的小时降水数据统计近10年平均的短时强降水雨量和时数，发现，全市年平均短时强降水雨量为443 mm，对年降水的贡献率在25%左右，年平均短时强降水时数为14.3 h。全市有5个短时强降水中心，分别是①从化棋盘山南侧迎风坡、②从化平头顶与花都风云岭之间的平原地区、③花都王子山南侧迎风坡地区、④黄埔帽峰山南侧迎风坡地区、⑤中心城区越秀-天河-海珠一带。这些短时强降水中心的分布与年降水中心分布相似，其年短时强降水雨量可达400～800 mm，年短时强降水时数可达15～25 h（图2）。其中，短时强降水中心①-④附近都有较高地形分布，降水中心位于偏南风水汽输送的迎风坡地带，其形成可能与地形强迫作用有关。而降水中心⑤位于广州人口密集的中心城区，附近地势平坦，其形成可能与城市“雨岛”效应有关。

根据站点覆盖率对短时强降水的空间分布雨型进行划分，发现，近10年广州93.6%的短时强降水属于局地降水，平均每年447次；6.2%的短时强降水属于小范围降水，平均每年29次；0.2%的短时强降水属于区域性降水，平均每年1次；大范围降水出现概率极低，说明广州短时强降水空间分布上以局地性为主要特征，同时局地短时强降水近年来呈明显增多趋势，达到0.001显著性水平。

图2 广州市年短时强降水雨量（单位：mm）（a）和时数（单位：h）（b）分布

3.2 时间分布

广州的短时强降水集中出现在汛期（4—9月），而前汛期（4—6月）又多于后汛期（7—8月）。量级上以20～50 mm/h为主，占总数的93%，50 mm/h以上量级的短时强降水在前汛期出现较多，同时北部地区多于南部地区。从广州的短时强降水频次的月变化来看，21世纪以来短时强降水频次最多的是5月（4.1次）、6月次之（3.6次）、冬半年（1—3月、10—12月）则不足1次；而趋势系数的分布则表明短时强降水在汛期（5、6、8月）增多，降水间歇期（7月）减少。

分析2012—2016年广州短时强降水发生概率的日变化，表明全市范围短时强降水日变化呈单峰型结构，午后至傍晚是短时强降水的高发期，50.6%的短时强降水集中在 13：00—20：00（北京时，下同），22：00—04：00则是短时强降水发生频次的低值阶段；中心城区强降水中心的日变化特征与全市分布较一致，主要峰值区在14：00—21：00，累计发生概率达到 56.3%，主要因为短时强降水以对流性降水为主，午后到傍晚的大气热力条件最有利于强对流出现，而中心城区由于城市热岛效应的影响加剧了热对流使这一特征更加明显；其它几个强降水中心则有所不同，除了在午后至傍晚有一个峰值区外，在早晨（06：00—08：00）或中午（10：00—12：00）还有峰值区，呈双峰或多峰型（图3）。

图3 广州短时强降水发生概率日变化（%）

参考上海标准［6］将短时强降水的时间演变雨型划分为3类：突发型、增长型和持续型。统计广州短时强降水的时间演变雨型，发现有48.6%的短时强降水属于增长型、37.4%属于突发型、14%属于持续型，说明广州短时强降水时间演变上以增长型和突发型为主要特征（表1）。从各类雨型逐年的频次来看，突发型和增长型短时强降水发生频次呈明显增多趋势，分别达到0.05和0.005显著性水平，而持续型短时强降水发生频次变化不明显。