廣州市“龍舟水”的時(shí)空分布特征分析

梁曉媛，翁佳烽，肖偉軍，陳健銘

（1.廣州市花都區(qū)氣象局，廣東廣州 510800；2.肇慶市氣象局，廣東肇慶 526060）

每年5月下旬至6月中旬是廣東前汛期雨量最多、降水最集中的時(shí)期（俗稱“龍舟水”）［1］，具有持續(xù)時(shí)間長、暴雨落區(qū)局地性強(qiáng)、強(qiáng)對(duì)流突發(fā)性高、造成災(zāi)情重等特點(diǎn)，易造成城市內(nèi)澇、山體滑坡等次生災(zāi)害。“龍舟水”的預(yù)測(cè)和預(yù)警服務(wù)一直是氣象決策服務(wù)和預(yù)報(bào)技術(shù)研究關(guān)注的重點(diǎn)之一。

目前關(guān)于廣東“龍舟水”的時(shí)空分布特征研究已相當(dāng)多，并取得一定的成果［2-5］。王娟懷等［3］利用EOF分解等方法對(duì)廣東省86個(gè)國家氣象站55年“龍舟水”期間的時(shí)空特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)廣東“龍舟水”主要由3個(gè)模態(tài)構(gòu)成，近幾年處于北多南少的分布形勢(shì)；伍紅雨等［5］研究發(fā)現(xiàn)，廣東“龍舟水”最主要的分布型是除雷州半島外具有“空間一致型”分布，降水量的多少在較大程度上受大尺度天氣系統(tǒng)影響。近年來越來越多的學(xué)者利用不斷完善的氣象自動(dòng)觀測(cè)站網(wǎng)進(jìn)行精細(xì)化研究，取得很多新的研究成果［6-9］。蔡晶等［6］選取廣東 2 300多個(gè)區(qū)域氣象站小時(shí)雨量分析廣東短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征，表明珠三角喇叭口地形下的城市群是強(qiáng)降水多發(fā)區(qū)；陳芳麗等［8］基于自動(dòng)監(jiān)測(cè)站降水?dāng)?shù)據(jù)，指出粵北暴雨中心范圍包括清遠(yuǎn)南部、廣州北部和惠州北部等地，前汛期季風(fēng)爆發(fā)后的階段（包括“龍舟水”）廣州北部的花都、從化北部均為暴雨多發(fā)區(qū)。目前針對(duì)廣州“龍舟水”的精細(xì)化時(shí)空分布特征的研究尚不多見，本研究基于廣州國家氣象站和區(qū)域自動(dòng)氣象站的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在對(duì)區(qū)域自動(dòng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制基礎(chǔ)上分析研究廣州“龍舟水”的精細(xì)化分布特征，以期為預(yù)報(bào)員的日常精細(xì)化預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料和方法

本研究采用的數(shù)據(jù)包括廣州市近30年（1989—2018年）5個(gè)國家氣象觀測(cè)站和近10年（2009—2018年）122個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站的“龍舟水”期間（5月21日—6月20日）逐日20：00—20：00（北京時(shí)，下同）降水量資料（鑒于部分區(qū)域自動(dòng)氣象站建站較晚且數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，因此選取近10年數(shù)據(jù)質(zhì)量較為可靠且具有代表性的站點(diǎn)），根據(jù)區(qū)域臨界值和時(shí)空一致性等方法對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站的雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除數(shù)據(jù)明顯錯(cuò)誤和缺測(cè)的站點(diǎn)數(shù)據(jù)。

為分析廣州市尤其是花都區(qū)“龍舟水”時(shí)間變化特征，選取國家觀測(cè)站逐年的“龍舟水”期間累積雨量進(jìn)行線性趨勢(shì)分析、M-K檢驗(yàn)和小波分析；為研究廣州市“龍舟水”的空間分布特征，對(duì)經(jīng)過質(zhì)控的區(qū)域自動(dòng)氣象站逐年“龍舟水”期間累積雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，進(jìn)行EOF分析，揭示廣州市“龍舟水”的主要分布模態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間特征

由圖1a可知，廣州全市平均（取國家觀測(cè)站平均）和花都區(qū)近30年“龍舟水”雨量整體呈上升趨勢(shì)，花都區(qū)線性擬合斜率約為7.1，稍大于廣州全市平均，表明花都區(qū)近30年“龍舟水”雨量增加趨勢(shì)略高于廣州市平均，且年變化特征大體一致，但 1995、1998、2004、2011、2017年花都區(qū)“龍舟水”雨量與前1年降水量相比增多或減少與全市平均的相反。

定義年“龍舟水”期間累積雨量距平超過1倍標(biāo)準(zhǔn)差為雨量異常年，廣州近30年全市平均異常偏多年僅有1993、2006和2008年；花都區(qū)“龍舟水”異常偏多年包括 1989、2006、2008、2015、2017，與廣州全市平均差異較大（圖1b）?！褒堉鬯碑惓Ｆ倌陱V州市平均只有1990、2004和 2012 年；而花 都 區(qū) 有 1990—1992、1999—2000、2003、2012年。因此花都區(qū)“龍舟水”異常年與廣州其它地區(qū)并不一定同步，廣州全市平均“龍舟水”異常偏多偏少亦不能代表花都本地情形。

圖1 廣州和花都“龍舟水”雨量逐年變化（a）和逐年距平（b）

由圖1可看出，花都和廣州“龍舟水”雨量逐年變化存在一定規(guī)律，為分析其變化周期，對(duì)近30年的國家站逐年“龍舟水”雨量作小波變換分析（圖2a-b），由圖2可知，花都逐年“龍舟水”雨量變化存在8～10年的主周期，其中2006—2008和2015—2017年為降水偏多年，結(jié)論與圖1基本一致，按照該周期外推，未來幾年仍為偏少年；2007年以前存在4～6年次周期，之后轉(zhuǎn)變?yōu)?～4年周期，在過去10年中，2011年為“龍舟水”偏少年階段的相對(duì)多雨年，2014年為偏少年階段向偏多年階段過渡期，2017年為“龍舟水”偏多年階段相對(duì)多雨年，按此趨勢(shì)外推，2019—2020年為“龍舟水”偏多年階段向偏少年階段過渡期，2019年雨量略偏少，這與實(shí)際相符，預(yù)計(jì)2020年相比2019年略偏多，但與常年相比持平或略偏少。相比花都，廣州全市逐年“龍舟水”周期略有縮短，以7～9年主周期為主，2007年以前有4年左右的次周期，之后存在2～3年周期，特征趨于不明顯。

對(duì)比花都區(qū)逐年“龍舟水”雨量與廣州全市平均雨量的差值變化（圖2c），發(fā)現(xiàn)同樣存在著一定周期變化，有15～16和6～8年周期。過去10年中2013年以前整體為花都相比廣州全市“龍舟水”雨量偏少年階段，之后整體為雨量相對(duì)偏多年階段，其中2011和2017年分別為主周期偏少和偏多年階段中的相對(duì)偏多年，與圖1結(jié)論基本一致。依此類推，2019年起主周期轉(zhuǎn)為花都相比廣州全市偏少年階段，且次周期同樣體現(xiàn)為負(fù)值年，這與2019年花都“龍舟水”雨量相比廣州全市平均明顯偏少相符，預(yù)測(cè)2020—2021年花都降水量同樣處于負(fù)值，相比廣州平均雨量偏少為主。

通過對(duì)比分析花都和廣州市近30年“龍舟水”雨量M-K檢驗(yàn)（圖略）發(fā)現(xiàn)，花都區(qū)逐年“龍舟水”雨量變化在2014年左右存在著突變點(diǎn)，且UF值為正值，說明出現(xiàn)雨量增加的突變，到2017年UF值超過臨界線，說明雨量顯著增加，與圖1所示結(jié)果基本相符。廣州全市平均“龍舟水”雨量M-K檢驗(yàn)突變點(diǎn)與花都的存在較大差異，存在多個(gè)突變點(diǎn)，其中2005年出現(xiàn)雨量增多突變，2008年又出現(xiàn)了雨量減少的突變，2014—2017年存在3個(gè)雨量增多的突變點(diǎn)，對(duì)比圖1所示結(jié)果，2014年存在“龍舟水”雨量增多突變，之后兩年的突變不明顯，與算法計(jì)算結(jié)果不符。

圖2 1989—2018年花都區(qū)（a）和廣州市（b）逐年“龍舟水”雨量及兩者差值（c）的墨西哥帽小波變換系數(shù)實(shí)部

2.2 空間分布特征

為研究廣州及花都區(qū)“龍舟水”的空間分布特征，采用近10年數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)控的區(qū)域自動(dòng)氣象站雨量求“龍舟水”期間雨量平均和變差系數(shù)（圖3）。

圖3 2009—2018年廣州“龍舟水”平均累計(jì)雨量（單位：mm）（a）和變差系數(shù)（b）

由圖3可看出，廣州“龍舟水”雨量大值區(qū)主要位于北部偏東一帶，其余地區(qū)為少雨區(qū)，花都區(qū)“龍舟水”降水中心位于東部偏北地區(qū)，西邊雨量相對(duì)較少。從化和花都北部、白云南部、天河、番禺東部和南部、南沙北部降水年變化相對(duì)較為穩(wěn)定，其余地區(qū)逐年變化幅度較大?；ǘ紖^(qū)北部山區(qū)降水穩(wěn)定偏多，而城區(qū)一帶“龍舟水”雨量相對(duì)較少，且年變化幅度較大，預(yù)報(bào)難度較大。

對(duì)近10年廣州區(qū)域自動(dòng)站“龍舟水”雨量作EOF分析，前 4 個(gè)模態(tài)解釋方差分別為68.94%、11.21%、6.10%、4.91%，其中累積解釋方差達(dá)91.2%，可代表大部分“龍舟水”雨量分布特征。由圖4可知，“龍舟水”EOF分析結(jié)果第1荷載為全市一致偏多（少）型，且廣州中南部和花都偏西地區(qū)為大值區(qū)；第2荷載為南北偶極型，即南多（少）北少（多）型；第3荷載為南北向四極型，即北部和中南部偏多（少）中北部和南部偏少（多）型；第4荷載為東西向三極型，即東南部和西部偏多（少）中部偏少（多）型。

圖4 廣州“龍舟水”EOF分解前4個(gè)空間模態(tài)a.EOF1；b.EOF2；c.EOF3；d.EOF4

3 結(jié)論

1）廣州全市和花都近30年“龍舟水”雨量整體呈上升趨勢(shì)，且花都增加趨勢(shì)略高于廣州平均，花都區(qū)“龍舟水”雨量異常年與廣州其它地區(qū)并不一定同步，廣州全市平均“龍舟水”雨量異常偏多偏少亦不能代表花都本地情形。

2）花都“龍舟水”雨量變化存在8～10年主周期，2007年以前存在4～6年次周期，之后轉(zhuǎn)變?yōu)?～4年周期，廣州全市逐年“龍舟水”周期略有縮短，以7～9年周期為主，2007年以前有4年左右的次周期，之后存在2～3年周期，且變化趨于不明顯。

3）花都“龍舟水”雨量在2014年出現(xiàn)增加的突變，2017年雨量顯著增加，廣州全市2005和2014年“龍舟水”雨量出現(xiàn)增多突變，2008年又出現(xiàn)了雨量減少的突變。

4）廣州“龍舟水”雨量大值區(qū)主要位于北部偏東一帶，從化和花都北部、白云南部、天河、番禺東部和南部、南沙北部降水年變化相對(duì)較為穩(wěn)定，其余地區(qū)逐年變化幅度相對(duì)較大。

5）對(duì)廣州逐年“龍舟水”標(biāo)準(zhǔn)化距平場(chǎng)作EOF分析結(jié)果表明，前4個(gè)模態(tài)解釋方差占91.2%，分別為全市一致偏多（少）型、南北偶極型（即南多（少）北少（多）型）、南北向四極型（即北部和中南部偏多（少）中北部和南部偏少（多）型、東西向三極型（即東南部和西部偏多（少）中部偏少（多）型）。