广州市“龙舟水”的时空分布特征分析

梁晓媛，翁佳烽，肖伟军，陈健铭

（1.广州市花都区气象局，广东广州 510800；2.肇庆市气象局，广东肇庆 526060）

每年5月下旬至6月中旬是广东前汛期雨量最多、降水最集中的时期（俗称“龙舟水”）［1］，具有持续时间长、暴雨落区局地性强、强对流突发性高、造成灾情重等特点，易造成城市内涝、山体滑坡等次生灾害。“龙舟水”的预测和预警服务一直是气象决策服务和预报技术研究关注的重点之一。

目前关于广东“龙舟水”的时空分布特征研究已相当多，并取得一定的成果［2-5］。王娟怀等［3］利用EOF分解等方法对广东省86个国家气象站55年“龙舟水”期间的时空特征进行分析，发现广东“龙舟水”主要由3个模态构成，近几年处于北多南少的分布形势；伍红雨等［5］研究发现，广东“龙舟水”最主要的分布型是除雷州半岛外具有“空间一致型”分布，降水量的多少在较大程度上受大尺度天气系统影响。近年来越来越多的学者利用不断完善的气象自动观测站网进行精细化研究，取得很多新的研究成果［6-9］。蔡晶等［6］选取广东 2 300多个区域气象站小时雨量分析广东短时强降水时空分布特征，表明珠三角喇叭口地形下的城市群是强降水多发区；陈芳丽等［8］基于自动监测站降水数据，指出粤北暴雨中心范围包括清远南部、广州北部和惠州北部等地，前汛期季风爆发后的阶段（包括“龙舟水”）广州北部的花都、从化北部均为暴雨多发区。目前针对广州“龙舟水”的精细化时空分布特征的研究尚不多见，本研究基于广州国家气象站和区域自动气象站的连续监测数据，在对区域自动站数据进行质量控制基础上分析研究广州“龙舟水”的精细化分布特征，以期为预报员的日常精细化预报提供参考。

1 资料和方法

本研究采用的数据包括广州市近30年（1989—2018年）5个国家气象观测站和近10年（2009—2018年）122个区域自动气象站的“龙舟水”期间（5月21日—6月20日）逐日20：00—20：00（北京时，下同）降水量资料（鉴于部分区域自动气象站建站较晚且数据质量较差，因此选取近10年数据质量较为可靠且具有代表性的站点），根据区域临界值和时空一致性等方法对区域自动气象站的雨量数据进行质量控制，剔除数据明显错误和缺测的站点数据。

为分析广州市尤其是花都区“龙舟水”时间变化特征，选取国家观测站逐年的“龙舟水”期间累积雨量进行线性趋势分析、M-K检验和小波分析；为研究广州市“龙舟水”的空间分布特征，对经过质控的区域自动气象站逐年“龙舟水”期间累积雨量数据进行标准化处理后，进行EOF分析，揭示广州市“龙舟水”的主要分布模态。

2 结果与分析

2.1 时间特征

由图1a可知，广州全市平均（取国家观测站平均）和花都区近30年“龙舟水”雨量整体呈上升趋势，花都区线性拟合斜率约为7.1，稍大于广州全市平均，表明花都区近30年“龙舟水”雨量增加趋势略高于广州市平均，且年变化特征大体一致，但 1995、1998、2004、2011、2017年花都区“龙舟水”雨量与前1年降水量相比增多或减少与全市平均的相反。

定义年“龙舟水”期间累积雨量距平超过1倍标准差为雨量异常年，广州近30年全市平均异常偏多年仅有1993、2006和2008年；花都区“龙舟水”异常偏多年包括 1989、2006、2008、2015、2017，与广州全市平均差异较大（图1b）。“龙舟水”异常偏少年广州市平均只有1990、2004和 2012 年；而花 都 区 有 1990—1992、1999—2000、2003、2012年。因此花都区“龙舟水”异常年与广州其它地区并不一定同步，广州全市平均“龙舟水”异常偏多偏少亦不能代表花都本地情形。

图1 广州和花都“龙舟水”雨量逐年变化（a）和逐年距平（b）

由图1可看出，花都和广州“龙舟水”雨量逐年变化存在一定规律，为分析其变化周期，对近30年的国家站逐年“龙舟水”雨量作小波变换分析（图2a-b），由图2可知，花都逐年“龙舟水”雨量变化存在8～10年的主周期，其中2006—2008和2015—2017年为降水偏多年，结论与图1基本一致，按照该周期外推，未来几年仍为偏少年；2007年以前存在4～6年次周期，之后转变为3～4年周期，在过去10年中，2011年为“龙舟水”偏少年阶段的相对多雨年，2014年为偏少年阶段向偏多年阶段过渡期，2017年为“龙舟水”偏多年阶段相对多雨年，按此趋势外推，2019—2020年为“龙舟水”偏多年阶段向偏少年阶段过渡期，2019年雨量略偏少，这与实际相符，预计2020年相比2019年略偏多，但与常年相比持平或略偏少。相比花都，广州全市逐年“龙舟水”周期略有缩短，以7～9年主周期为主，2007年以前有4年左右的次周期，之后存在2～3年周期，特征趋于不明显。

对比花都区逐年“龙舟水”雨量与广州全市平均雨量的差值变化（图2c），发现同样存在着一定周期变化，有15～16和6～8年周期。过去10年中2013年以前整体为花都相比广州全市“龙舟水”雨量偏少年阶段，之后整体为雨量相对偏多年阶段，其中2011和2017年分别为主周期偏少和偏多年阶段中的相对偏多年，与图1结论基本一致。依此类推，2019年起主周期转为花都相比广州全市偏少年阶段，且次周期同样体现为负值年，这与2019年花都“龙舟水”雨量相比广州全市平均明显偏少相符，预测2020—2021年花都降水量同样处于负值，相比广州平均雨量偏少为主。

通过对比分析花都和广州市近30年“龙舟水”雨量M-K检验（图略）发现，花都区逐年“龙舟水”雨量变化在2014年左右存在着突变点，且UF值为正值，说明出现雨量增加的突变，到2017年UF值超过临界线，说明雨量显著增加，与图1所示结果基本相符。广州全市平均“龙舟水”雨量M-K检验突变点与花都的存在较大差异，存在多个突变点，其中2005年出现雨量增多突变，2008年又出现了雨量减少的突变，2014—2017年存在3个雨量增多的突变点，对比图1所示结果，2014年存在“龙舟水”雨量增多突变，之后两年的突变不明显，与算法计算结果不符。

图2 1989—2018年花都区（a）和广州市（b）逐年“龙舟水”雨量及两者差值（c）的墨西哥帽小波变换系数实部

2.2 空间分布特征

为研究广州及花都区“龙舟水”的空间分布特征，采用近10年数据经过质控的区域自动气象站雨量求“龙舟水”期间雨量平均和变差系数（图3）。

图3 2009—2018年广州“龙舟水”平均累计雨量（单位：mm）（a）和变差系数（b）

由图3可看出，广州“龙舟水”雨量大值区主要位于北部偏东一带，其余地区为少雨区，花都区“龙舟水”降水中心位于东部偏北地区，西边雨量相对较少。从化和花都北部、白云南部、天河、番禺东部和南部、南沙北部降水年变化相对较为稳定，其余地区逐年变化幅度较大。花都区北部山区降水稳定偏多，而城区一带“龙舟水”雨量相对较少，且年变化幅度较大，预报难度较大。

对近10年广州区域自动站“龙舟水”雨量作EOF分析，前 4 个模态解释方差分别为68.94%、11.21%、6.10%、4.91%，其中累积解释方差达91.2%，可代表大部分“龙舟水”雨量分布特征。由图4可知，“龙舟水”EOF分析结果第1荷载为全市一致偏多（少）型，且广州中南部和花都偏西地区为大值区；第2荷载为南北偶极型，即南多（少）北少（多）型；第3荷载为南北向四极型，即北部和中南部偏多（少）中北部和南部偏少（多）型；第4荷载为东西向三极型，即东南部和西部偏多（少）中部偏少（多）型。

图4 广州“龙舟水”EOF分解前4个空间模态a.EOF1；b.EOF2；c.EOF3；d.EOF4

3 结论

1）广州全市和花都近30年“龙舟水”雨量整体呈上升趋势，且花都增加趋势略高于广州平均，花都区“龙舟水”雨量异常年与广州其它地区并不一定同步，广州全市平均“龙舟水”雨量异常偏多偏少亦不能代表花都本地情形。

2）花都“龙舟水”雨量变化存在8～10年主周期，2007年以前存在4～6年次周期，之后转变为3～4年周期，广州全市逐年“龙舟水”周期略有缩短，以7～9年周期为主，2007年以前有4年左右的次周期，之后存在2～3年周期，且变化趋于不明显。

3）花都“龙舟水”雨量在2014年出现增加的突变，2017年雨量显著增加，广州全市2005和2014年“龙舟水”雨量出现增多突变，2008年又出现了雨量减少的突变。

4）广州“龙舟水”雨量大值区主要位于北部偏东一带，从化和花都北部、白云南部、天河、番禺东部和南部、南沙北部降水年变化相对较为稳定，其余地区逐年变化幅度相对较大。

5）对广州逐年“龙舟水”标准化距平场作EOF分析结果表明，前4个模态解释方差占91.2%，分别为全市一致偏多（少）型、南北偶极型（即南多（少）北少（多）型）、南北向四极型（即北部和中南部偏多（少）中北部和南部偏少（多）型、东西向三极型（即东南部和西部偏多（少）中部偏少（多）型）。