广东省极端降水的时空分布特征

2022-04-29于鑫郑腾飞刘显通莫颖妍付蕾陆杰英

广东气象 2022年2期

于鑫，郑腾飞，刘显通，莫颖妍，付蕾，陆杰英

（1.广东省气象台，广东广州 510640；2.佛山市南海区气象局，广东佛山 528000；3.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东广州 510640；4.广州市增城区气象局，广东增城 511399）

IPCC第4次评估报告明确了全球气候变暖将逐步加剧的必然趋势，且这一趋势在短期内很难发生变化［1-3］。全球气候变暖随之而来的极端气候事件加剧成为国内外社会和学者极为关注的热门话题［4-6］。研究表明，平均气候的微弱变化将引起极端气候事件的频率和强度的明显变化，尤其是在极端降水事件方面表现的更为明显［7-8］。

在全球气候背景下，总降水量没有明显变化，但是在总降水量增大的区域，极端降水的比重明显增大，且频次明显增加［9-10］。Tank等［11］研究指出在全球气候变化背景下，极端事件的发生频次呈上升趋势；Peterson等［12］通过对加勒比海地区的极端降水事件的研究表明，在降水总量增大的年份，极端降水的频次有明显增加。国内学者同样对近50年中国的极端降水气候事件做了研究分析，结果同全球趋势基本一致。杨金虎等［13］、伍红雨等［14-15］对近50年我国以及广东年总降水量和极端降水事件进行分析表明，我国的降水总量无显著的极端变化，但是降水日数明显减少，日降水强度有增大趋势，极端降水事件的发生区域相对集中，区域的严重旱涝事件显著增多。

极端降水事件的阈值确定方法有很多种，张勇等［16］将日降水量大于50 mm作为暴雨的降水阈值。陈海山等［17］、刘学华等［18］在分析不同地区极端降水时空分布特征以及发生发展演变趋势时，采用百分位阈值法（95%和99%）来定义极端降水阈值。但上述方法主要是采用统计的方法，并没有考虑数据或系统本身的变化特征。本研究参考杨萍等［19］在研究极端降水事件时采用的去趋势波动法（DFA）来确定极端降水的阈值，并在此基础上分析了广东省近50年的极端降水事件时空分布特征及其演变规律，探讨了广东省极端降水与总降水量之间的关系，以期对开展广东省“雨窝”可预报性来源及关键技术研究等工作提供参考。

1 资料与方法

1.1 数据资料

本研究使用广东省气象局提供的37个基准气候站和基本气象站的逐日降水资料。广东省的基准气候站和基本气象站是从20世纪50年代开始建站，并陆续开始有完整的观测数据。为确保不同站点之间的观测数据具有可比较性，本研究选取1961—2010年间50年的日降水观测资料进行统计分析。

1.2 去趋势波动法（DFA）

一般情况下地面观测数据都是非平稳性的，在计算自身相关系数时，如果采用传统的方法，由于受到趋势成分或噪声成分的影响，分析结果的可靠性会有所偏差。而去趋势波动法（DFA）对于分析此类含有趋势成分的序列的标度行为有很大的优势［20-21］。本研究根据杨萍等［19］的研究，确定极端降水阈值的具体步骤如下：

①确定｛xi｝的最大值xmax。

②确定序列｛xi｝的中间点R，R值可以是x平均值xave或者介于最大值与最小值之间的某一中值xmed。

③从｛xi｝的最大值xmax开始，依次舍去｛xi，xi≥xmax-d×k｝数据区间的数据点，直到xi=R，依次得到新序列Yj，j=xmax-d×k，其中d为区间间隔，k=1，2，……，（xmax-R）/d。

④计算每个新序列Yj的长程相关性指数Dj，得到其随舍去区间j的变化。

⑤当Dj的变化开始趋于平缓且收敛时的值为临界值。

⑥区间间隔d代表本方法的分辨率，其取值越小k越大，确定的阈值分辨率越大，同时计算量也越大；反之则阈值分辨率小，k小，计算量也相对较小。

2 结果与分析

2.1 基于DFA方法的极端降水事件阈值

定义日最高降水量大于DFA方法确定的阈值时为极端降水。统计可知，1961—2010年间广东省极端降水阈值的空间分布总体呈沿海高、内陆低的趋势，其大值区主要分布在广东省的东南、西南及南部的沿海地区，阈值一般在150 mm以上；而广东省西部、北部以及东北部地区是小值区较集中的地区，阈值大多小于120 mm。

2.2 极端降水事件空间分布

对比极端降水年频率与降水总量距平的空间分布（图1）表明，除粤北个别站点之外，其他站点均呈现了较好的一致性，即降水量大的地区，其极端降水频率较大；降水量小的地区，其极端降水频率较小。极端降水年频率与降水总量距平在粤东、粤西以及南部沿海地区的空间分布呈现了较好的一致性。

图1 极端降水年频率（a）与降水总量距平（b）的空间分布

分析广东省近50年前、后汛期极端降水事件发生比例分布（图2）可知，广东近50年的极端降水事件绝大部分都发生在前汛期（4—6月）和后汛期（7—9月）。

图2 广东省近50年前（a）和后汛期（b）极端降水事件发生比例分布

受西南季风爆发影响，广东前汛期的极端降水事件主要发生在粤北的北江谷地地区、粤西的云雾山脉地区、粤东的莲花山脉地区，上述3个区域也就是广东典型的暴雨中心位置，且全年的极端降水事件主要发生在前汛期，比例在60%以上。后汛期主要是受台风降水影响，广东的沿海地区发生极端降水事件的概率要明显高于内陆地区。

2.3 极端降水事件时间序列变化趋势

由广东省近50年极端降水年发生次数、年降水总量、降水方差的时间演变规律（图3）来看，近50年广东省极端降水事件发生频次没有明显的变化趋势。极端降水存在偏多和偏少期，偏多期主要集中在20世纪60年代中期到70年代初期、2005至2010年间，最大值出现在2008年，其后依次是1964、2006和1961年；偏少期出现在1962—1963年，20世纪70年代中后期、2002—2004年，其中最小值出现在1963年，只发生了1次极端降水事件。通过分析广东省近50年极端降水发生频次与降水总量、降水均方差的相关关系可知，年极端降水发生次数变化规律与年降水量以及日降水量方差之间均呈较好的相关性，其中极端降水发生频次与日降水量方差的相关性更高，达到71.8%。

图3 广东省近50年极端降水年发生次数、年降水总量、降水方差随时间变化分布

2.4 极端降水量与总降水量的关系

通过分析广东省近50年前汛期（图4a）、后汛期（图4b）和非汛期（图4c）极端降水量占总降水量比例的空间分布得知，全年的极端降水量占总降水量的比例小于10%；极端降水占比的高值区主要集中在广东3大暴雨中心位置以及粤西雷州半岛地区；前汛期，3个暴雨中心极端降水贡献率的比例较高，均超过了6%；后汛期，沿海地区极端降水贡献率要明显高于内陆；非汛期由于极端降水事件极少发生，其降水贡献率也非常低。