粤港澳大湾区1961—2014年降水时空演变特征分析

付铁文，徐宗学，陈 浩，黄亦轩，叶陈雷

(1.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875； 2.北京师范大学水科学研究院，北京 100875)

粤港澳大湾区是我国开放程度最高、经济活力最强的区域之一，在国家发展大局中具有重要战略地位。大湾区濒临南海，属于亚热带海洋性气候，水系交错复杂，河网密度达0.72 km/km2，降水丰沛但时空分布不均，入境水量丰富，水灾频发，洪潮叠加，防灾形势严峻。

目前，众多学者对降水特性开展了深入研究。伍红雨等[1]对粤港澳大湾区1961—2018年气候变化特征研究发现，大湾区气温、降水量和日照时数呈一致性变化，年降水量变化趋势不明显。其中，广州年降水量明显增加，香港、澳门变化不明显。白盛楠[2]分析了大湾区的极端气候变化、成因及影响，研究发现大湾区极端降水指标变化趋势及突变不明显，年降水量、降水强度在2000年前后开始突变。李慧[3]通过对比分析不同类型东亚-太平洋事件，分析了东亚-太平洋遥相关的关键系统在月内尺度上的形成、发展、移动和维持的机制，并揭示了其对中国东部地区降水的影响。Li等[4]分析了1966—2005年中国东部7—8月降水的年代际变化特征，研究发现长历时降水事件减少是我国华北地区降水量减少的主要原因，不同历时降水事件共同增加造成南方地区降水量增加。褚曲诚[5]利用统计方法和混合单粒子拉格朗日轨迹追踪模式综合分析了我国东部地区(华南、长江流域、华北)汛期降水的水汽来源。徐碧裕等[6]研究发现，1968—2017年广东汛期降水可分为5种类型，各个空间降水型突变时间点及特征不同，降水的主要周期和周期变化特征也各不相同。郑腾飞等[7]探讨了1961—2010年广东省不同等级降水空间分布及随时间变化特征，研究发现小雨和中雨的贡献率呈减小趋势，大雨及大雨以上贡献率增大，使年均降水量呈增多趋势。蒲义良等[8]研究表明，2001—2018年广东省汛期降水事件以短历时为主，年均小时降水强度从南部沿海向北部内陆呈减弱趋势。张润润[9]研究发现香港地区1947—2006年降水量呈不显著上升趋势。赵彦军等[10]基于Mann-Kendall(M-K)非参数检验法、Sen’s坡度法、Morlet复小波分析法并结合极端降水指标，分析发现深圳市1979—2015年降水量呈现不显著减小趋势，空间分布表现出西多东少、南多北少的特征。卢晓雄等[11]分析发现2008—2017年深圳市大部分地区降水量和降雨日数呈不显著(p=0.05)上升趋势，年内各月降雨分配不均，6月降雨最多。雒翠等[12]从趋势变化、突变特征和周期波动等方面研究了深圳市年降水量时程演变特征，发现1960—2016年深圳市年降水量空间上具有较明显的两种分布形态，时程上不存在显著的趋势变化。陈申鹏[13]利用深圳及周边城市的降水、气温等数据，分析发现主要是云凝结核浓度变化导致降水年际波动，城市化和地形共同决定了深圳的雨岛分布格局。

本文基于粤港澳大湾区31个气象站1961—2014年逐日降水数据识别区域降水事件，采用M-K非参数检验法、小波分析法、经验正交函数(EOF)分解法等方法，分析区域降水事件特征及时空分布规律，以期为区域水资源规划、防灾减灾和推动区域协调发展等提供参考。

1 研究区概况

粤港澳大湾区位于珠江流域下游(图1)，介于111°21′E～115°28′E、21°27′N～24°24′N之间，包括香港特别行政区、澳门特别行政区和广东省广州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、东莞市、中山市、江门市和肇庆市，总面积5.6万 km2。粤港澳大湾区总体地势北高南低，东、北、西三面环山，南临南海，三角洲和河谷平原内残丘、台地棋盘状散布[14]。以亚热带季风气候为主，降水丰沛，雨热同期，区内河网密布，纵横交错，海潮频繁，海陆水体联系密切[15]。

图1 研究区域示意图

2 研究数据与方法

研究数据为1961—2014年香港天文台和澳门地球物理暨气象局的逐日降水量数据，以及国家青藏高原科学数据中心中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集提供的31个国家气象观测站(图1)的逐日降水量资料。其中，珠海站1961年、斗门站1961—1966年、惠东站1961—1966年、东莞站1967—1969年数据缺测，缺测数据由周边站点降水序列插补得到。

3 结果与分析

3.1 降水量时间变化特征

3.1.1年际变化趋势及突变分析

粤港澳大湾区年降水量年际变化如图2所示，范围在1 141.34～2 386.58 mm之间，1963年和1975年分别达到最小值和最大值。多年平均降水量为1 850.74 mm，其余各年大多围绕多年平均降水量上下波动。由降水距平百分率可知，1961—2014年年降水量丰枯交替出现，旱涝特征不明显，1990—1991年和2003—2004年发生连续轻旱现象。

图2 1961—2014年年降水量年际变化

大湾区1961—2014年降水量统计值如表1所示，年降水量增幅每10 a为17.08 mm，M-K趋势检验统计量Z值以及Sen’s slope计算结果分别为0.58和1.35，均未通过0.05显著性检验，表明大湾区年降水量存在不显著的上升趋势。郑腾飞等[7]研究表明，广东省大雨及大雨以上(≥25 mm/d)降水贡献率随时间增大，使年降水量呈增多趋势。从5 a滑动平均曲线可以看出，年降水量存在较明显的年代际振荡周期，阶段变化周期为10～15 a。虽然存在波动，但整体呈现增大的趋势。由年降水量M-K突变检验结果(图3)可知，1972—1990年和1992—2014年UF统计量大于0，年降水量呈上升趋势，其他时段年降水量呈下降趋势。UF统计量序列和UB

表1 粤港澳大湾区年度和四季降水量统计值Table 1 Statistics of annual and seasonal precipitation in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

图3 1961—2014年年降水量 M-K突变检验

统计量序列在置信区间内存在多个交点，但都未超过临界线，表明大湾区年降水量无突变特征。这一结果和其他研究[1,25]基本一致。

由图4四季降水量年际变化可知，四季降水量及各季节年际间具有明显差异，冬季(12月至次年2月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—11月)多年平均降水量分别为133.96 mm、581.62 mm、838.77 mm和296.27 mm，分别占年降水量的7.24%、31.43%、45.32%和16.01%。超过70%的降水发生在春夏两季，夏季降水量贡献率最为显著，表明大湾区降水存在一定的季节性，褚曲诚[5]的研究表明，印度洋源地水汽输送对于华南地区与长江中下游地区夏季峰值期降水量的年际变化有着决定性的影响，这可能是导致大湾区夏季降水充沛的重要原因。

图4 1961—2014年四季降水量年际变化

冬季降水量多数年份在平均值上下波动，1983年出现极大值518.13 mm，远高于平均值。1961—2014年，冬季降水距平百分率正负交替变化，有连续的偏丰或偏枯现象。由表1可知，各统计值均未通过0.05显著性检验，上升趋势不显著。图5(a)可以看出，冬季降水量正序列曲线UF正负交替出现，1961—1966年、1980—1989年以及1991年、2009年、2013年UF统计量小于0，降水量呈下降趋势，其他时段呈上升趋势。UF、UB曲线在1961—2014年出现多个交点，但均在0.05置信水平临界线内，表明冬季降水量无突变特征。

春季降水量年际间变化较大，1961—1989年春季降水量有明显的连续偏丰或偏枯现象。由表1可知，各统计值均未通过0.05显著性检验，上升趋势不显著。由图5(b)可以看出，春季降水量UF曲线除1962—1964年、1967年、2003—2005年以及2011—2012年外均大于0，降水量呈上升趋势，其中1985年、1983年、1987年、1989年和1984年UF曲线超出置信区间，增加趋势显著。UF、UB曲线在1961—2014年这一时间段存在多个交点，第一个交点发生在1964—1965年，表明降水在此期间发生了突变。

图5 1961—2014年四季降水量 M-K突变检验

夏季降水量年际波动较大，丰枯交替频繁，总体呈不显著上升趋势，由图5(c)可知，夏季UF统计值在1962—1963年、1984—1985年和1989—1993年3个时间段内小于0，降水量呈下降趋势，其他时间段内UF统计值大于零，降水量呈上升趋势，且在2008年和2009年超过了0.05置信水平临界线，降水量趋势变化显著，UF、UB曲线在1965—1966年之间相交，降水发生突变。

由表1和图4(d)可知，秋季降水量总体呈不显著下降趋势，存在较明显的年代际振荡周期，从5 a滑动平均曲线可以看出，阶段变化周期为15～18 a。其中存在两段变化，分界点大致在1990年前后，1961—1990年秋季降水量呈现出波动增加的趋势，1990—2010年有波动减少的趋势。由图5(d)可知，UF曲线均在0.05置信水平临界线内，降水量无突变点。UF统计值在1965年、1975—1976年和1982—1984年大于0，多数年份小于0，降水量呈不显著下降趋势。

3.1.2降水持续性分析

粤港澳大湾区四季和年降水序列Hurst指数计算结果分别为0.677、0.649、0.754、0.686和0.595，均在0.5～1之间，降水序列存在明显的分形结构，表明过去的增量与未来的增量呈正相关关系。即未来的趋势和过去的趋势相同，降水变化的整体方向将继承过去的趋势，冬季、春季、夏季和年降水量在未来很可能继续呈上升趋势，秋季降水量继续呈减少趋势，该过程变化趋势具有持续性特征，其中，冬季降水和春季降水变化趋势持续性强度较弱，年降水及秋季降水变化趋势持续性强度较强，夏季Hurst指数值在0.75以上，持续性强度强。

年度和四季降水序列Vn统计量变化曲线如图6所示，四季和年降水序列Vn统计量曲线均向上倾斜，表明变化趋势具有持续性，这与重标极差分析结果一致。其中，第一个拐点分别出现在lnn=1.39、1.79、2.08、2.30、2.40，即n=4、6、8、10、11时，表明此时历史状态对未来状态的影响消失，系统的平均循环长度分别为4 a、6 a、8 a、10 a和11 a。冬季和春季降水序列的记忆长度较短，系统原有的记忆分别在4 a、6 a之后耗散消失，表现出随机独立性，冬季和春季降水序列的Hurst指数值只有0.595和0.649也可以印证这一点，其持续性强度很弱，记忆长度较短。

图6 年度和四季降水序列Vn统计量变化曲线

3.1.3降水周期分析

基于Morlet小波函数对大湾区年降水序列做连续小波变换。小波系数实部等值线图能够反映降水在不同时间尺度上的周期震荡，小波系数实部为正时，代表降水偏多；小波系数实部为负时，代表降水偏少；小波系数实部为0表示降水发生突变。小波方差图反映了降水序列的波动能量随时间尺度的分布，对应峰值处的尺度称为该序列的主要时间尺度，用以反映时间序列的主要周期[26]。小波分析结果如图7所示，由图7(a)可知，降水序列存在3～8 a、10～15 a、17～23 a、24～32 a的4类尺度周期变化，其中年降水以24～32 a尺度的周期震荡信号最明显，在整个分析时段表现比较稳定，具有全域性。降水震荡信号正负相位交替往复，表示年降水量大约出现了3个丰枯交替循环。小波方差(图7(b))存在4个极值，其中28 a周期尺度峰值最大，对应年降水量的第一主周期。此外，18 a为降水量的第二主周期，13 a为降水量的第三主周期，6 a为降水量的第四主周期。

(a) Morlet小波实部

3.2 降水空间变化特征

3.2.1降水量空间变化特征分析

粤港澳大湾区1961—2014年年均降水量和四季平均降水量空间分布如图8和图9所示，可以看出，大湾区年均降水量在空间上分布不均，呈自东南到西北递减的趋势。年均降水量均在1 400 mm以上，高值中心出现在恩平、上川岛、香港和龙门地区，降水量范围在2 116.01～2 533.09 mm之间，年均降水量低值中心出现在封开、德庆和高要地区，低于1 644.56 mm。年均降水量高值区始于恩平地区，向东北延伸经香港地区至龙门地区，总体上低值区面积较大。降水量空间分布格局主要与水汽和地形有关，受印度洋西南季风暖湿气流影响，距离海洋越近，降水越多。另外，大湾区地形比较复杂，山岭众多，基本上呈东北—西南走向，所以降水总体上呈现沿海多山区少、东部多西部少、南部多北部少的特点。例如恩平地区年均降水量最大，达到2 533.09 mm，其主要受地形影响，恩平处于天露山脉东南面，西南被山岭环绕，非常有利于水汽聚集形成降水[27]。

图8 1961—2014年年均降水量空间分布

(a) 冬季

冬季降水空间上呈现出由南向北阶梯递增的趋势，低值降水量范围为88.39～127.53 mm，主要分布在恩平、开平、鹤山、番禺、惠阳以南地区，封开、广

宁、从化以北地区降水量在152.50～191.64 mm之间，较其他区域高。西南恩平地区、西北怀集地区以及东北增城、从化以北地区春季降水量较高，低值地区主要分布在中部地区，自西向东贯穿整个大湾区，大致在封开、三水、番禺、博罗以南，台山、广州以北。夏季降水空间分布特征与年降水空间分布特征较为一致，在空间上呈自东南到西北递减的趋势；高要、鹤山、增城、花都以西北地区夏季平均降水量较低，介于577.67～740.64 mm之间，降水量高值地区自恩平地区始，经斗门、深圳向东北地区延伸至惠东地区，降水量范围为954.08～1 233.64 mm。秋季平均降水量空间分布带状特征明显，自南向北递减，降水量高值主要集中分布在西南恩平、斗门、上川岛以及深圳、香港地区，北部高要、四会、东莞、惠阳以北地区秋季平均降水量较少。

粤港澳大湾区1961—2014年年降水量和四季降水量变化趋势空间分布如图10和图11所示，年降水量Sen’s slope计算结果β值介于-1.64～7.98之间。空间上，大湾区多数地区年降水量呈上升趋势，超过80%的站点β>0。年降水量呈下降趋势的地区分散分布在大湾区边界，包括西部高要、恩平、台山附近地区，南部澳门、深圳附近地区，东北龙门附近地区，其余地区年降水量呈上升趋势。广州和东莞站|Z|>1.96，且置信水平α=0.05时，置信区间上下限βU、βL均为正值，年降水量增加趋势显著。除广州和东莞地区外，南海、增城、花都、香港地区增加趋势较大，与伍红雨等[1]的研究结论较为一致。龙门地区年降水量减少趋势最强，其次是惠东、深圳、澳门等地区。

图10 1961—2014年年降水量变化趋势空间分布

(a) 冬季

冬、春季降水量呈上升趋势的气象站点均有24个，占比达到77.42%，所有气象站点降水量变化不显著(p<0.05)。冬季降水量呈下降趋势的站点主要集中分布在大湾区西南地区，大致在恩平、斗门、珠海以南，香港以西，龙门、增城附近地区有少量分布。西北部广宁和德庆以北地区、西南恩平和开平地区以及东北龙门和惠阳附近零星地区春季降水量呈下降趋势。夏季降水量仅有西部高要、四会地区以及南部澳门附近地区呈下降趋势，呈上升趋势的气象站点数达90.32%，其中南海站和东莞站βU、βL均为正值，且Z值达到0.05置信水平，上升趋势显著。大湾区大部分地区秋季降水量呈不显著下降趋势，仅有位于中北部的顺德、从化、花都、广州、南海附近地区呈不显著上升趋势。

3.2.2EOF分析

将进行距平处理后的年降水量数据使用EOF进一步分析其变化特征，结果如表2和图12所示。前两个模态累计方差贡献率达到71%，误差范围不重叠，通过North显著性检验，因此前两个特征向量空间分布可以很好代表大湾区降水空间分布型。其中，模态1特征向量的方差贡献率为63.66%，远高于其他模态，是大湾区降水场的主要空间分布形式。

(a) 模态1

表2 1961—2014年降水EOF分解前6个模态方差贡献率和累计方差贡献率

大湾区所有站点模态1特征值均为正值，表明1961—2014年大湾区降水变化趋势具有高度一致性，降水主要是受到大尺度天气系统的影响，一致的偏丰或偏枯。高值中心位于大湾区西南恩平地区，表明该区域降水变化量大，其原因可能是该地区降水主要受众多山岭影响，形成降水异常中心，年降水变化率大。低值中心位于西北部封开地区，降水变化量小，总体上高值主要分布在大湾区西南地区，低值主要分布在西北地区，中东部地区为过渡区，降水量变化程度由南向北逐渐减少。

第二特征向量场大致以博罗、惠阳、中山、上川岛为界，东部沿海地区及西北部封开、怀集地区与内陆地区反位向分布，前者为负值，后者为正值，即内陆地区(封开、怀集地区除外)降水量增多(或减少)，东部沿海地区降水量减少(或增多)。这种分布特征可能是受到小尺度的地貌类型单元及季风等因素的共同影响。特征向量高值大致分布在中西部地区，降水量变化大，低值主要分布在东南地区及东北龙门地区。正值中心出现在大湾区中部番禺地区，负值中心出现在南部香港地区。

特征向量所对应的时间系数代表了这一区域由特征向量所表征的分布模式的时间变化特征，时间系数绝对值越大，表明这一时刻这类分布模式越典型[17]。取每年时间系数绝对值最大所对应的特征向量作为当年降水空间分布模式[28]，结果(图13)显示，年降水场的分布模式模态1、模态2以及其余不典型模态类型出现的年数分别占总年数的62.96%、14.81%和22.22%。表明年降水场的分布模式以模态1为主，这与方差贡献率所反映的不同模态的降水场典型程度基本一致。

(a) 模态1

时间系数的正负代表场型的分布方向，正值表示与模态方向相同，负值表示与模态方向相反。模态1作为降水空间分布模态时，特征向量所对应的时间系数正负各有17年,表示大湾区全域全年多雨、全域全年少雨的降水空间分布模式各出现17年，时间系数最大值与最小值分别出现在1975年和1963年，与大湾区年降水量最值出现年份一致；模态2作为降水空间分布模态时，有3年内陆地区(封开、怀集地区除外)多雨，东部沿海地区少雨的分布型比较典型，1961年时间系数最大,反之有5年，时间系数最小值出现在1982年。从时间系数变化趋势上看，模态1的时间系数趋势斜率大于0，说明大湾区1961—2014年年降水量整体上有增加的趋势；模态2时间系数趋势斜率小于0，说明1961—2014年内陆地区(封开、怀集地区除外)降水量有减少的趋势，东部沿海地区有增加的趋势。

4 结 论

a.1961—2014年粤港澳大湾区降水时空分布不均，存在显著的季节特征，年降水量年际丰枯交替频繁。

b.年度、四季降水量年际波动性强，年度、冬季、春季和夏季降水量呈不显著上升趋势，秋季呈不显著减少趋势。春夏两季降水分别在1964—1965年和1965—1966年发生突变，其他时段没有突变现象。四季和年降水变化趋势具有持续性特征，冬季降水和春季降水变化趋势持续性强度较弱，年降水及秋季降水变化趋势持续性强度较强，夏季Hurst指数值在0.75以上，持续性强度强。

c.年降水量变化以28 a为主周期，以18 a、13 a和6 a为次周期。受水汽和地形等因素影响，降水量空间分布不均，整体呈东南向西北递减趋势，冬季降水量空间上由南向北阶梯递增，夏季降水量空间分布特征与年降水空间分布特征较为一致，自东南到西北递减，秋季降水量呈自南向北递减的带状分布。

d.约74%的气象站点年降水量呈上升趋势，主要分布在大湾区中部地区。大湾区西南地区冬季降水量呈不显著减少趋势；西南、西北、东北地区春季降水量呈不显著减少趋势。夏季仅有西部局部地区呈下降趋势，呈上升趋势的气象站点数达90.32%。秋季大部分地区降水量呈不显著下降趋势，中北部零星地区呈不显著上升趋势。

e.大湾区所有气象站点模态1特征值均为正值，降水一致的偏丰或偏枯。降水量变化程度由南向北逐渐减少。第二特征向量场大致以博罗、惠阳、中山、上川岛为界，东部沿海地区及西北部封开、怀集地区与内陆地区反位向分布。大湾区全域全年多雨、全域全年少雨各有17年；内陆地区(封开、怀集地区除外)多雨、东部沿海地区少雨的占3年，反之有5年。