深圳市近57年來降水時空演變特征分析

雒 翠，劉 勇，朱曉慶，付漢秀

(1.深圳市廣匯源水利勘測設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518020；2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.深圳市水務(wù)局，廣東 深圳 518036)

大氣降水是表征陸地氣候干濕程度的重要變量，也是地表和地下水資源量時空變異性的主要控制因子[1-2]，降水在時間和空間上的分布不均勻性，導(dǎo)致了區(qū)域季節(jié)性干旱或水資源短缺問題[3]，以及洪澇災(zāi)害的頻繁發(fā)生，并在很大程度上給區(qū)域水資源安全保障帶來嚴(yán)重威脅。因此，分析了解區(qū)域降水的時空演變特征，檢測和診斷其可能的變化規(guī)律，對預(yù)估區(qū)域水文水資源未來情勢變化、制定科學(xué)的水資源利用和防汛抗旱決策具有重要意義。

深圳地處珠江三角洲東岸，與香港一水之隔，屬于典型亞熱帶海洋性氣候區(qū)。受季風(fēng)環(huán)流和臺風(fēng)的共同影響，深圳雨量充沛但時空分布極不均勻，歷史上旱澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅和制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展。近年來，在全球氣候變化的大背景下，加上城市化的快速發(fā)展，深圳氣候特征發(fā)生了明顯改變，主要體現(xiàn)為極端氣候事件增多、熱島效應(yīng)明顯及汛期強(qiáng)降水顯著增多[4]，年降水天數(shù)明顯下降[5]，全年降水量氣候平均值增加等[6]。而隨著“深圳速度”的突飛猛進(jìn)，近10余年深圳市下墊面變化更為劇烈，在高強(qiáng)度的城市化背景下，深圳區(qū)域降水的空間分布和時間演變特征是否發(fā)生劇烈變化亟待深入研究。為此，本文基于1960—2016年共57年來的深圳市代表性水文測站降水資料，依據(jù)EOF分解，Mann-Kendall，Spearman非參數(shù)檢驗、累積距平和小波分析等多種分析方法，從空間分布、年內(nèi)分配、年際趨勢、突變和周期特征等多角度分析深圳市年降水量時空變化規(guī)律及分布特征，以期更深入地認(rèn)識深圳降水變化的事實及今后的可能變化特征，為深圳市水資源調(diào)度和防汛抗旱應(yīng)對提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

深圳位于廣東南部，珠江三角洲東岸，與香港一水之隔，東臨大亞灣和大鵬灣，西瀕珠江口和伶仃洋，南隔深圳河與香港相鄰，北部與東莞、惠州接壤。地理跨度北緯22°27′～22°52′，東經(jīng)113°46′～114°37′，呈東西長、南北窄的狹長形。陸域總面積1 997.27 km2，海域面積1 145 km2，海岸線283 km。深圳地處北回歸線以南，屬亞熱帶海洋性氣候，雨量充沛，多年平均年降雨量1 848 mm。雨量空間分布不均，東南多，西北少，自東向西遞減，降雨時空分布不均，干旱和洪澇常交替出現(xiàn)。

1.2 數(shù)據(jù)系列

收集整理了深圳市石巖、羅田、鐵崗、赤灣、西麗、深圳、高峰、清林徑、三洲田和南澳圩等10個代表性水文站點1960年以來的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，雨量站空間分布見圖1。相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制和“三性”審查，對其中部分測站中缺測的數(shù)據(jù)利用臨近站進(jìn)行插補(bǔ)延長，利用泰森多邊形法計算深圳市逐日面降水量，并統(tǒng)計了各測站及深圳市的年降水量系列。

圖1 深圳市代表性水文站點分布Fig.1 Distribution of representative hydrological stations at Shenzhen

1.3 研究方法

利用經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)分解法進(jìn)行深圳市年降水量的空間變化分析，分別利用Mann-Kendall，Spearman非參數(shù)檢驗，累積距平和小波分析等方法，進(jìn)行深圳市年降水量的年際趨勢、突變和周期特征分析。所選方法簡單實用，且具有較高的有效性。

2 深圳市年降水空間分布特征

通過對深圳市10個降水代表站57年來的年降水量系列進(jìn)行EOF分解，前2個分解模態(tài)的累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)到87.3%，基本上可以反映出原始序列的基本型態(tài)特征。前2個型態(tài)的空間分布如圖2所示，反映出深圳市年降水量具有的兩類主要的空間分布類型。型態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù)(圖3)代表某種降水空間分布類型的時間變化特征，絕對值越大，表明這一時段內(nèi)這種降水分布類型越典型。

圖2 深圳市年降水量空間分布類型Fig.2 Spatial distribution types of annual precipitation at Shenzhen

圖3 深圳年降水量空間分布第1型態(tài)的時間變化系數(shù)和典型年份空間分布Fig.3 Time coefficients and typical spatial distribution of the first precipitation mode

由圖2和圖3可知：(1)57年來，深圳市年降水量空間上可以劃分為兩種主要分布型態(tài)，第1型態(tài)占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)為全市年降水量變化趨勢基本一致的特征，總體呈現(xiàn)由東南向西北方向遞減的趨勢，降水中心分別位于大鵬新區(qū)南澳圩和龍華區(qū)高峰水庫附近；第2型態(tài)表現(xiàn)為深圳市年降水量大致以塘朗山―清林徑水庫一線為分界呈東南和西北相反的分布型，即東南部年降水量多、西北部年降水量少的分布型式，或者西北部年降水量多、東南部年降水量少的分布型式，反映了深圳市年降水量的空間局地差異。(2)從深圳市年降水量第1型態(tài)時間系數(shù)變化來看，進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，第1型態(tài)降水量出現(xiàn)次數(shù)明顯增多，從系數(shù)絕對值的變化可以看出2016年降水空間分布是非常典型的第1型態(tài)降水，并且在區(qū)域內(nèi)形成了深圳水庫和三洲田水庫兩個降水中心。

3 深圳市降水時程演變規(guī)律

3.1 年內(nèi)分布規(guī)律

根據(jù)計算得出的1960—2016年深圳市逐日面降水量系列，統(tǒng)計了深圳市多年平均降水量年內(nèi)逐月分布情況(見圖4)。從圖4可見，深圳市多年平均年降水量為1 848.3 mm，其年內(nèi)分配很不均勻，大部分集中在汛期4—9月份，其中主汛期多年平均6—8月份降水量占全年降水量的一半以上，其他月份降水量比例相對較小。深圳汛期以7月為界，可分為兩個階段，4—6月是前汛期，多年平均降水量為746.5 mm，約占全年降水量的41%。前汛期主要受鋒面低槽、熱帶云團(tuán)、東風(fēng)波等影響，多局地性的短時雷雨大風(fēng)和暴雨等強(qiáng)對流天氣。7—9月是后汛期。多年平均后汛期降水量為824.3 mm，約占全年降水量的44%。后汛期主要受熱帶氣旋(臺風(fēng))的影響，平均每年約有4個熱帶氣旋(臺風(fēng))影響深圳市。后汛期降水地區(qū)差異很大，容易出現(xiàn)局地性短時雷雨大風(fēng)天氣和洪澇災(zāi)害。

圖4 深圳市多年平均降水量年內(nèi)分布Fig.4 Annual average precipitation distribution at Shenzhen

3.2 年際變化規(guī)律

3.2.1趨勢性規(guī)律 采用線性分析方法進(jìn)行了深圳市及各測站年降水量的趨勢變化分析，圖5給出了深圳市及部分測站的年降水量變化趨勢。并利用Spearman和Kendall方法對降水量變化趨勢的顯著性進(jìn)行了檢驗(見表1)。

圖5 深圳及部分測站年降水量趨勢變化Fig.5 Variation tendency of annual precipitation at Shenzhen

表1 深圳市年降水量趨勢顯著性檢驗結(jié)果(顯著性水平=95%)Tab.1 Results of significance test of annual precipitation trend at Shenzhen (degree of confidence is 95%)

從深圳市及各測站年降水量的趨勢變化過程來看，自20世紀(jì)60年代開始，深圳全市及各測站年降水量均呈現(xiàn)出上升的變化趨勢，經(jīng)Spearman和Mann-Kendall兩種非參數(shù)統(tǒng)計方法的檢驗，發(fā)現(xiàn)各指標(biāo)統(tǒng)計值均未超過95%置信度相應(yīng)的臨界值，表明57年以來，整個深圳市年降水量均未發(fā)生顯著的變化趨勢，這一結(jié)果與林凱榮等[7]研究結(jié)論一致，同鄰近的廣州[8]、惠州[9]等年降水同樣存在上升趨勢、但并不顯著的特點。

3.2.2變異性規(guī)律 利用累積距平法進(jìn)行了深圳市及各測站年降水量的變異性分析，圖6給出了深圳市及部分測站的年降水量累積距平變化曲線。

從深圳市及各測站年降水量的累積距平變化曲線來看，深圳全市及各測站年降水量基本呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢，主要突變點集中在1991年和2004年前后。其中，深圳市、石巖水庫、鐵崗水庫、赤灣、西麗水庫、深圳水庫、三洲田水庫、高峰水庫和南澳圩具有相似的突變點1991年，1991年之前，年降水量基本呈現(xiàn)下降趨勢，1991年之后，年降水量有一定上升趨勢。而羅田水庫和清林徑水庫在2004年前后年降水量有較為明顯的突變，同樣呈現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢，這兩個突變點可能與深圳城市化進(jìn)程具有一定的相關(guān)性。

圖6 深圳及部分測站年降水量累積距平曲線Fig.6 Cumulative anomaly curves of annual precipitation at Shenzhen and some stations

3.2.3周期性規(guī)律 由于影響水文要素長期變化因素的復(fù)雜性，水文時間序列往往表現(xiàn)出多時間尺度變化的特性。小波分析能夠在時域和頻域同時保持良好的局部化特征，具有突變點診斷能力和多分辨特性等優(yōu)點。因此本文采用Morlet連續(xù)小波對深圳市全市及各測站年降水量的周期演變規(guī)律和豐枯變異特征進(jìn)行初步分析。圖7是1960—2016年深圳市及部分測站的年降水量小波系數(shù)等值線和小波方差，其中，小波系數(shù)等值線圖中實線、虛線和粗實線分別對應(yīng)大于、小于和等于零的小波系數(shù)等值線。

圖7 深圳及部分測站年降水量小波系數(shù)等值線和小波方差Fig.7 Contour of wavelet coefficients and variance of annual precipitation at Shenzhen

由圖7可知，深圳市年降水量序列具有以下豐枯變化和周期演變特征：

(1)深圳市年降水量具有明顯的多時間尺度演變特性，表現(xiàn)為不同時間尺度的周期振蕩和多個變異點。結(jié)合小波等值線圖和小波方差圖，可以確定深圳市年降水量的顯著準(zhǔn)周期為19年和7年。

(2)在a=19 a的時間尺度上，深圳市年降水量周期變化的振幅最大。在這一級時間尺度上，1960—2016年的深圳市年降水量經(jīng)歷了5個基本演變階段，對應(yīng)的豐枯變異點是1972年、1983年、1992年、2001年和2012年。第1階段(1960—1972年)，平均年降水量為1 634 mm，總體偏枯；第2階段(1973—1983年)，平均年降水量為1 861 mm，總體偏豐；第3階段(1984—1992年)，平均年降水量為1 554 mm，總體偏枯；第4階段(1993—2001年)，平均年降水量為2 059 mm，總體偏豐；第5階段(2002—2012年)，平均年降水量為1 747 mm，總體偏枯。而深圳市年降水量在2013年又開始了新一輪的由枯變豐的階段，特別是2016年出現(xiàn)了2 683 mm的豐水年份。

(3)對深圳市降水測站而言，年降水量同樣具有顯著的多時間尺度演變特征，與深圳市年降水量周期特征類似，深圳市各測站年降水量基本存在17～20年，5～7年的顯著準(zhǔn)周期，其中羅田水庫和西麗水庫38年和48年左右的準(zhǔn)周期，由于時間序列長度不夠，目前不能驗證。從各測站年降水量第1主周期的時間尺度上來看，深圳區(qū)域年降水量在2016年之后基本會維持一段時間的豐水期。

4 影響深圳降水變化的主要因素分析

深圳所處的地理位置決定了其降水主要受季風(fēng)環(huán)流和臺風(fēng)的共同影響，同時隨著深圳城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市化對降水的影響也不斷加劇。從1960—2016年東亞季風(fēng)指數(shù)(圖8)和影響深圳臺風(fēng)個數(shù)(圖9)的趨勢變化來看，東亞季風(fēng)強(qiáng)度呈現(xiàn)出一定的下降趨勢，而影響深圳臺風(fēng)的個數(shù)呈現(xiàn)出微弱的上升趨勢，但經(jīng)Spearman和Mann-Kendall兩種非參數(shù)統(tǒng)計方法的檢驗，發(fā)現(xiàn)東亞季風(fēng)強(qiáng)度(Kendall統(tǒng)計值1.04和Spearman統(tǒng)計值1.05)和影響深圳臺風(fēng)的個數(shù)(Kendall統(tǒng)計值1.25和Spearman統(tǒng)計值1.27)均未超過95%置信度相應(yīng)的臨界值，表明57年以來，東亞季風(fēng)強(qiáng)度和影響深圳臺風(fēng)的個數(shù)均未發(fā)生顯著的變化趨勢，這也是1960—2016年來深圳市年降水量保持相對穩(wěn)定的主要原因。

圖8 東亞季風(fēng)指數(shù)趨勢變化Fig.8 Variation tendency of east Asian monsoon index

圖9 影響深圳臺風(fēng)個數(shù)趨勢變化Fig.9 Variation tendency of number of typhoon in Shenzhen

圖10 深圳市城市化率變化Fig.10 Change of urbanization rate in Shenzhen

而從1980—2016年深圳市城市化率變化(圖10)來看，整個深圳市的城市化進(jìn)程有兩次明顯的提速期，一次是1992年，深圳擴(kuò)大特區(qū)范圍，原寶安縣分成寶安、龍崗兩區(qū)；另一次是2003年，深圳實現(xiàn)了人口意義上的全面城市化，這兩個時間節(jié)點與深圳市全市及各測站年降水量1991年和2004年前后兩個主要的突變點時間基本吻合，說明了在深圳市年降水的階段性變化中，城市化影響也越來越大。隨著未來深圳人口和產(chǎn)業(yè)的不斷聚集，加上城市下墊面的急劇演替，城市化對深圳降水的影響程度也將會不斷加深。

5 結(jié) 語

依據(jù)深圳市10個代表性水文站點1960—2016年共57年的的降水系列，全面分析了深圳市年降水量的空間分布、年內(nèi)分配及年際趨勢變化、豐枯變異和周期演變規(guī)律，初步分析了降水影響因素，得出以下主要結(jié)論：

(1)57年來，深圳市年降水量空間上可以劃分為兩種主要分布類型，第1類型表現(xiàn)為全市年降水量變化趨勢基本一致的特征，總體呈現(xiàn)由東南向西北方向遞減的趨勢，降水中心分別位于大鵬新區(qū)南澳圩和龍華區(qū)高峰水庫附近；第2類型表現(xiàn)為深圳市年降水量大致以塘朗山―清林徑水庫一線為分界呈東南和西北相反的分布型態(tài)，反映了深圳市年降水量的空間局地差異。其中，進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，第1類型降水特征出現(xiàn)次數(shù)明顯增多。

(2)深圳市降水量年內(nèi)分配很不均勻，集中在汛期4—9月份，其中前汛期(4—6月)降水量約占全年41%，主要受鋒面低槽、熱帶云團(tuán)、東風(fēng)波等影響；后汛期(7—9月)降水量約占全年44%，主要受熱帶氣旋(臺風(fēng))的影響。

(3)1960—2016年深圳市年降水量趨勢變化總體上不顯著，但是在局部時間，呈現(xiàn)出一定的階段性變化，深圳市及各測站年降水量主要以1991年和2004年前后為突變點，呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢。

(4)深圳市及各測站年降水量呈明顯的多時間尺度豐枯變化特征，深圳市年降水量存在19年和7年的顯著準(zhǔn)周期，而各測站年降水量基本存在17～20年，5～7年的顯著準(zhǔn)周期。從深圳市及各測站年降水量第1主周期的時間尺度上來看，深圳區(qū)域年降水量在2016年之后將會維持一段時間的豐水期，這為深圳市未來的水資源調(diào)度和防汛抗旱應(yīng)對提供了一定的參考。

(5)57年來，東亞季風(fēng)強(qiáng)度和影響深圳臺風(fēng)的個數(shù)均未發(fā)生顯著變化，是深圳年降水量保持相對穩(wěn)定的主要原因，而近年來深圳降水的突變主要由城市化導(dǎo)致的，未來這種影響將會不斷加劇。