1981-2020年粵東四市極端降水特征分析

◎劉康慧 廣東省水文局汕頭水文分局 花培 深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心

近年來，“百年一遇”甚至“千年一遇”等超常規(guī)降水時(shí)間頻發(fā)，對(duì)我國城市交通、生活、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等方面造成了嚴(yán)重的影響。例如，2021年7月20日至7月21日，河南中北部出現(xiàn)大暴雨，鄭州城區(qū)局地降水量500～657毫米，局部地區(qū)小時(shí)降雨量達(dá)120～201.9毫米，多個(gè)國家級(jí)氣象觀測(cè)站日雨量突破有氣象記錄以來歷史極值，該次特大洪澇災(zāi)害已致約300人遇難，多人失蹤，造成的損失不可估量。翟盤茂等分析了我國極端降水事件的特征，指出近50多年來,我國降水強(qiáng)度逐年增加；王志福等對(duì)我國738個(gè)測(cè)站極端降水事件時(shí)空分布進(jìn)行分析，提出極端降水事件頻發(fā)于35°N以南地區(qū)；張婷等針對(duì)華南地區(qū)前汛期和后汛期極端降水事件開展研究，結(jié)果表明1992年后，前汛期極端降水量和降水強(qiáng)度有所下降,而后汛期則是顯著增強(qiáng)；陸虹等對(duì)我國華南夏季極端降水頻次進(jìn)行分析，提出華南地區(qū)極端降水頻次階段性變化特征明顯。目前，針對(duì)發(fā)生在粵東四市的極端降水事件的研究尚不完善。鑒于此，本文選用3種極端降水指數(shù)，基于Mann-Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行趨勢(shì)和空間分布分析，旨在揭示該地區(qū)極端降水特征的同時(shí)，為該地區(qū)防汛抗旱工作提供理論依據(jù)。

1.研究區(qū)概況

粵東四市位于廣東省東南部，東北部接福建省，西北部臨興梅地區(qū)，地理位置坐標(biāo)為114°53′～117°08′ E,22°31'～24°15′ N，包括汕尾市（不含深汕特別合作區(qū)）、揭陽市、潮州市、汕頭市四個(gè)地級(jí)市，總面積約14981km。

粵東四市處在熱帶和亞熱帶之間，水汽來源豐富，雨量充沛，年降水量1300～2400mm，氣溫偏高，多年平均氣溫21～22℃，蒸發(fā)量大，年平均蒸發(fā)量是1100－1200mm之間。受海洋性季風(fēng)氣候影響，研究區(qū)雨量充沛，最大年降雨量為2370mm發(fā)生在1983年，最小年降雨量?jī)H857mm發(fā)生在1967年。同時(shí)，降雨量年內(nèi)分配不均，汛期降雨量遠(yuǎn)多于非汛期，汛期降雨量占全年的八成以上，最高占比為95%。

粵東四市南臨南海，北靠蓮花山脈，地勢(shì)呈現(xiàn)西北高、東南低的格局。西北部多山地，海拔介于600～700m之間；中部為丘陵地帶，沿海為沖積平原；西部沿海有多級(jí)臺(tái)地。受地形影響，研究區(qū)降雨量空間分布明顯不均，沿海平原地區(qū)年均降水量約1400mm，山區(qū)年均降水量在約2400mm。

2.研究資料與方法

2.1 研究資料

本次研究的核心在于水文資料選取，資料的合理與否，直接決定了結(jié)果的代表性和可靠性。本文選取的水文資料來源于廣東省水文局整編的粵東四市63個(gè)代表雨量站1981-2020年逐日降水資料（見圖1），該資料已經(jīng)嚴(yán)格把控，質(zhì)量較高，可靠性較強(qiáng)。對(duì)于缺測(cè)數(shù)據(jù)，采用鄰近站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸插值補(bǔ)齊，以保證樣本的同步性。選取的資料樣本涵蓋了豐、平、枯水文周期，容量大，范圍廣，密度高，代表性良好。

圖1 粵東四市代表站點(diǎn)分布

2.2 閾值及指數(shù)的定義

百分位指數(shù)標(biāo)志著某一參考時(shí)期的變量分布的極值端點(diǎn)，本次研究亦采用百分位指數(shù)來定義各站點(diǎn)極端降水的閾值，將各代表站日降水量大于等于0.1mm的數(shù)據(jù)進(jìn)行升序排列，將第95個(gè)百分位對(duì)應(yīng)的數(shù)值定義為各代表站極端降水閾值，即如果日降水量大于等于該閾值，則判斷該站點(diǎn)該日發(fā)生了極端降水事件，該降水量即為極端降水量；否則，則判斷該站點(diǎn)該日未發(fā)生極端降水事件。

本文針對(duì)研究區(qū)極端降水的降水量、降水頻率和降水強(qiáng)度，選用了3個(gè)極端降水指數(shù)。將某站點(diǎn)某年極端降水的總量定義為年極端降水量；將某站某年發(fā)生極端降水事件的總次數(shù)定義為年極端降水頻次；將某站年極端降水量與年極端降水頻次的比值定義為極端降水強(qiáng)度。

2.3 研究方法

本文采用Mann-Kendall參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)極端降水指數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)分析。該方法優(yōu)勢(shì)在于不要求樣本遵循特定的規(guī)律，也不受少量異常值的滋擾，常被用于分析降水、氣溫、水質(zhì)等自然要素的變化趨勢(shì)。原理如下：

對(duì)于一系列獨(dú)立的、隨機(jī)變量X（t=1、2、3…n），對(duì)于所有的k、j≤n，且k≠j，有統(tǒng)計(jì)量S，公式如下：

Z為判斷趨勢(shì)的依據(jù)，如果Z大于0，則判斷原變量有逐漸增加的趨勢(shì)；反之，如果Z小于0，則判斷原變量有逐漸減少的趨勢(shì)。當(dāng)|Z|>1.64時(shí)，則判斷該變量通過了95%的顯著性檢驗(yàn)，即趨勢(shì)顯著，反之，則判斷變化趨勢(shì)不顯著。

3.結(jié)果與分析

3.1 極端降水量特征分析

針對(duì)Mann-Kendall檢驗(yàn)法計(jì)算后的研究區(qū)63個(gè)站點(diǎn)年極端降水量Z值進(jìn)行空間分析（見圖2），結(jié)果表明，所有站點(diǎn)中，只有1個(gè)站點(diǎn)通過了顯著性檢驗(yàn)，即青年站。約30%的地區(qū)極端降雨量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，大多在汕尾市的鳳凰山、雞髻山等山區(qū)和揭陽市的南陽山地區(qū)；其余3市基本呈現(xiàn)不明顯的減少趨勢(shì)，其中晏內(nèi)和龍?zhí)端畮煺緶p少趨勢(shì)明顯；該區(qū)域沿海平原地區(qū)降水量基本呈現(xiàn)不顯著的減少趨勢(shì)，總體極端降水量的空間分布與前文研究區(qū)概況中提及的，沿海平原地區(qū)降水量少，山區(qū)降水量多的特點(diǎn)基本一致。

圖2 極端降水量趨勢(shì)空間分布

研究區(qū)的極端降水量多集中于山區(qū)，且呈現(xiàn)逐年增加的變化趨勢(shì)。同時(shí)山區(qū)發(fā)生極端降水等強(qiáng)降水事件，易引發(fā)山洪，山體滑坡等災(zāi)害，造成的危害難以估量。因此，該區(qū)域未來需加強(qiáng)山區(qū)汛期防汛工作。

3.2 極端降水頻次特征分析

基于Mann-Kendall檢驗(yàn)法和ARCGIS分析粵東四市年極端降水頻次指數(shù)，得出Z值空間分布圖（見圖3）。年極端降水頻次增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯的站點(diǎn)只有一個(gè)，為坂美站，呈增加趨勢(shì)的地區(qū)大多靠近沿海地區(qū)和山區(qū)，約占40%，原因可能是受海洋季風(fēng)性氣候和地形影響，降水事件頻發(fā)。年極端降水頻次呈明顯減少趨勢(shì)的站點(diǎn)為晏內(nèi)和龍?zhí)端畮煺緝蓚€(gè)站點(diǎn)，呈減少趨勢(shì)的地區(qū)大多在平原地區(qū)，占比過半?；洊|四市年極端降水頻次空間分布基本呈現(xiàn)山區(qū)和沿海地區(qū)趨勢(shì)增加，內(nèi)陸地區(qū)趨勢(shì)減少的分布，同樣與本地區(qū)降水分布呈正相關(guān)。

圖3 極端降水頻次趨勢(shì)空間分布

3.3 極端降水強(qiáng)度特征分析

對(duì)極端降水強(qiáng)度的趨勢(shì)進(jìn)行空間分布分析后可知，該區(qū)域極端降水強(qiáng)度主要呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但趨勢(shì)并不明顯（見圖4），呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)的地區(qū)主要在汕尾市陸豐市沿碣石灣區(qū)域，超70%的區(qū)域極端降水強(qiáng)度呈不顯著的減少趨勢(shì)，少量站點(diǎn)減少趨勢(shì)明顯。

圖4 極端降水強(qiáng)度趨勢(shì)空間分布

由于氣候原因，研究區(qū)汛期降雨量約占全年總量的85%左右，而陸豐市沿碣石灣區(qū)域靠海，降水頻發(fā)，且極端降水強(qiáng)度也逐年增加，因此，該區(qū)域要重視防汛，在汛期做好提前泄洪，河道及排水管道疏浚工作，必要時(shí)可采取相應(yīng)工程措施。

4.結(jié)語

本文選用Mann-Kendall檢驗(yàn)法，基于粵東四市63個(gè)代表雨量站1981-2020年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，針對(duì)3個(gè)極端降水指數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)和空間分析，得出以下結(jié)論：

（1）粵東四市的極端降水空間分布基本呈現(xiàn)山區(qū)高，平原低的趨勢(shì)，從西部地區(qū)到東部地區(qū)逐漸減少，與該地區(qū)的降水特性相符。

（2）汕尾市的3種極端降水指數(shù)均比其余3市高，極端降水事件頻發(fā)，且降水強(qiáng)度也逐漸增加，易引發(fā)山洪、山體滑坡等洪澇災(zāi)害，鑒于此，需著重加強(qiáng)該地區(qū)水文測(cè)報(bào)工作，必要時(shí)可采取相應(yīng)工程措施。

本文尚未分析研究區(qū)極端降水事件的周期性，同時(shí)并未考慮研究區(qū)城市化進(jìn)程與極端降水事件的關(guān)聯(lián)性，因此，還需進(jìn)一步研究分析。