广东省降雨时空分布特征分析

杨 帆 周 悦 罗岚扬 苗晓宜 马美红 刘荣华

（1.广东省防汛保障与农村水利中心，广州 510635；2.北京市师范大学，北京 100875；3.天津师范大学，天津 300387；4.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

0 引 言

在全球气候变化发展的背景下，极端降雨事件显著增加，以具有局地性、强度大的短时强降雨为主，降雨导致的山洪、泥石流等灾害，严重威胁着人们的生命财产安全。例如，2022 年6 月18 日，广东省多地遭受暴雨，最大3 h 累计降雨量高达155 mm，超100年一遇，引发了山洪灾害，造成47.96 万人受灾，1 729 间房屋倒塌[1]。同时，受地形、植被、人类活动等影响，同一地区降雨时空分布规律不同。因此，研究降雨时空分布规律对提高短时强降雨预警预报、开展区域防灾减灾具有重要的指导意义。

近年来，国内外学者围绕降雨分布特征开展了大量研究，但主要聚焦分析较大区域尺度降雨的特点；或结合气候变化背景对降雨影响因子进行相关性分析[2-6]。在省级和市县级尺度降雨特征分析中，降雨特征指标选取及分析方法不同，其中市县尺度多选取降雨量、降雨日数等指标研究降雨演变规律[7-11]。方法上，多运用Mann-Kendall（M-K）检验和反距离权重插值法，聚焦诱发灾害性降雨的趋势与分布研究。而短时强降雨事件由于其高风险性引发大量关注，大多研究围绕降雨过程与成因分析、时空变化与预报方法[12-14]。例如，Chen等[7]分析了台湾地区的强降雨事件的时空分布规律，发现强降雨多发于山区迎风坡地带；郑杰元等[8]从年、月、汛期非汛期等尺度分析了广州市降雨时空变化规律；Brooks 等[12]通过统计1948—1993 年小时降雨资料，验证了短时强降雨频次与山洪分布直接相关。总之，分析降雨分布特征可为广东地区山洪预警提供参考借鉴。

目前，研究降雨分布规律，指标一般选取年均降雨量、日均降雨量、降雨天数等，方法多采用M-K检验法、趋势系数、反距离权重插值、克里金空间插值法等。研究区域上，受海陆位置和地形影响，极端暴雨天气的时空分布特征具有较强的地域性[15]；通过《2022年广东省统计年鉴》中的水资源数据整理分析，可以发现自上一轮厄尔尼诺现象结束后（2014—2016 年），广东省各地区降雨量出现阶段下降，其中2019 年11 月至2021 年是广东省历年罕见的连旱时期，其降雨特征在历年时序变化中具有较强的代表性[16-18]；2021 年，除广东省西北地区外，其他地区年降水量几乎为近10年最低值。因此，本文以广东省为研究区域，基于2017—2021 年省内4 119 个雨量站实测数据，选定年、月、日3种时间尺度的降雨量指标，运用反距离权重等方法分析降雨时空变化规律，以期为广东省防灾减灾工作提供参考借鉴。

1 研究区概况

广东省地处我国大陆最南部，陆地面积17.89 万km2。地势位于第三级阶梯，呈现北高南低，地貌类型复杂多样（图1）。广东省北部的山地由南岭山脉旁支组成，东部和中部的丘陵由东南丘陵中两广丘陵组成。平原主要分布在南部沿海地区，占广东省面积的1/5，包括珠江三角洲平原、潮汕平原等。广东省属于东亚季风区，从北向南分布中亚热带、南亚热带和热带气候，日照充足、降水丰沛，是全国光、热和水资源最丰富的地区之一。受气候和地形影响，广东省洪涝和干旱灾害时常发生，台风登陆频繁。1949—2021 年，共有264 个台风在广东省登陆，其中南部的湛江地区多达84 次，导致广东省华南地区年均降水量较丰富，如2021 年广东省年均降水量为1 358 mm，华南地区年均降水量为2 000 mm[18-19]。

图1 2017—2021年降雨量年分布特点及距平百分率

广东省3—5 月为春季，6—8 月为夏季，9—11 月为秋季，12 月至次年2 月为冬季，每年6—10 月为台风频发期，对广东省影响较大。春季气温和降雨均处于上升趋势，但受冷暖天气的交替影响，水热状况不稳定性增强；夏季是集中强降雨季节；秋季冷空气是影响广东省天气的主导因素，气温和降雨逐渐下降；冬季盛行东北风或北风，但冷空气到广东时强度减弱，且因所处纬度较低，具有温暖少雨的特点。

2 资料与方法

2.1 数据来源

本文主要选取广东省气候中心的国家级基准气候站与区域自动气象站资料，经过质量控制后，合计4 119 个站点。整理得到各测站不同时间尺度的（小时、月、日、平均）降雨量，以分析降雨时序变化规律及年均降雨量空间分布特征。本文将实测数据达到对应阈值时计为1 次短时强降雨天气，1 d 内站点多次达标时则累加站次；只要1 个站点出现短时强降雨天气则记为当日1 个短时强降雨日。此外，通过对广东省暴雨图集数据插值计算得到各站点2 年一遇降雨量数值，选定短历时（1 h）降雨量作为判定发生短时强降雨事件指标，其中1 h 降雨量指该时前1 h累计降雨量。

2.2 研究方法

本研究以1 h 站点观测降雨为基本单元，统计年、月、日等不同时间尺度的降雨量，并采用反距离权重插值法分析降雨空间分布特征，用距平百分率法分析降雨时序变化规律。

（1）反距离权重插值法。反距离权重插值法是以物体之间的距离决定其相似性，即两个物体距离越近则相似性越大，反之，距离越远则相似性越小；以预测点与样本点之间距离的负指数值确定样本点的权重，将各样本点乘以对应权重的属性值求和，即得到预测点的属性值。计算公式为：

式中：Z(S0)为S0处的预测值；N为预测计算过程中要使用的预测点周围样本点的个数；Z(Si)为第i个样本点Si处的测量值；i为预测计算过程中使用的各样点权重，该值随样本点与预测点之间距离的增加而减小，确定权重的计算公式为：

式中：p为指数值；di0（或dj0）为样本点Si（或Sj）到预测点S0的距离，计算公式为：

式中：Xi为样本点Si的横坐标；X0为预测点S0的横坐标；Yi为样本点Si的纵坐标；Y0为预测点S0的纵坐标。

（2）距平百分率法。距平指某一数值与平均值的距离差，如果该值为正则为正距平，反之则为负距平；降雨距平百分率是对距平进行标准化处理的结果，能反映某一年降雨量与多年平均值的偏离程度，有利于参考同一标准评价各年降雨特征，同时体现降雨量年际变化的波动性。本文将5年降雨量平均值作为参照，公式如下：

式中：PA为距平百分率；Pi为某年的降雨量，mm；¯P为5年降雨量平均值，mm。

3 降雨时空变化特征分析

3.1 广东省降雨时间分布特征

年际变化方面，广东省2017—2021年降雨量变化范围为1 420.9～1 993.6 mm（图1），平均年降雨量为1 714.2 mm；其中年降雨量最高出现在2019年，最低出现在2021年，极差为572.7 mm。2019—2020 年降雨量变化率为5 年最高，达到26.65%。计算分析每年降雨量的距平百分率，其中2020 年和2021 年距平百分率为负，降雨量低于平均值；2017 年、2018 年和2019 年降雨量高于平均值，距平百分率为正。副热带高压、暖湿夏季风、北方冷空气和台风是影响广东省整体降雨情况的关键因素；2017—2019年降雨量呈上升态势，2019年是偏丰水年；2020—2021年，北方冷空气较往年弱，且副热带高压脊线北移，降雨量较前3年明显减少，属于枯水年，是广东省历年罕见的连旱年。

季节变化方面，结合广东省纬度位置、海陆位置、大气环流特征，各季特点如图2：春季属于过渡时期，平均降雨量535.1 mm，占年降雨量的28.5%；3—4 月是旱季，主要受蒙古高压和西伯利亚气团控制，空气较为干燥，降雨相对较少；4 月中下旬至5 月，由于大陆上的冷高压和冬季风开始北退减弱，西太平洋副高加强西进、北抬，广东省逐渐处于副高边缘，副高西北侧的偏南气流源源不断地将南方海洋上水汽输送到广东省上空，冷暖气流形成强降雨，雨带维持在华南大陆和南岭附近，是华南静止锋最活跃时期。夏季平均降雨量920.3 mm，占年降雨量的49.06%，夏季降雨特征主要原因为：一是受海洋气团影响，夏季风强劲，且主要为偏南风，带来丰沛的雨水，二是热带天气系统活动频繁，据统计，仅1990—2015 年登陆我国的热带天气系统就有314个，登陆广东省93个，占总数29%，其中7—9月是热带气旋影响的主要时段，占81%[20]，另外，强烈的太阳辐射导致热力对流旺盛、气层不稳定，可造成局部对流降雨。秋季平均降雨量294.1 mm，降雨类型主要为锋面雨和台风雨，占年降雨量的15.68%，此时，夏季风逐渐减弱，冷高压渐强，大陆气团控制了我国大陆大部分地区，水汽来源减少，雨日和雨量也随之减少。冬季平均降雨量126.6 mm，占年降雨量的6.75%，主要受蒙古高压和冬季风影响，空气干燥，雨带主要位于南海海平面上，降雨很少且极少出现暴雨；切变—冷空气型、南风—冷空气型、南风—变性高压脊型和南风—西南低压型是最常见的4 个冬季暴雨天气类型[21]。

图2 2017—2021年降雨量季节分布特点及年贡献率

月际变化方面，广东省2017—2021 年月降雨量范围为37.4～407.5 mm（图3）；5—8 月月降雨量均超过200 mm，是广东省降雨集中月份，其中6 月最大，8 月次之，12 月最小，月降雨量小于50 mm。根据广东省纬度位置、海陆位置、大气环流特征可知：4—6 月受锋面雨带季节移动规律影响，多锋面雨；7—9 月受台风影响，多气旋雨（或台风雨）；夏季气温高，午后多对流雨。广东省汛期一般为每年4 月中旬至10 月中旬，但近年来汛期明显提前；其中2019 年、2020 年、2022 年入汛时间分别提前到3 月8 日、28 日、26 日，主要是受偏强西路冷空气和来自南海菲律宾短暂的反气旋环流异常影响；同时反气旋边缘西南气流为华南地区提供了充足的水汽输送，配合冷暖气团交绥，造成广东省降雨显著。

图3 2017—2021年降雨量月分布特点

3.2 广东省降雨空间分布特征

受海陆位置和地形影响，广东省降雨量在空间上呈现西翼和珠江三角洲北部地区较高，东翼和北部山区较低的特点（图4）。其中珠江三角洲北部地区位于粤北和珠江三角洲交接处的北江谷地，背面依靠南岭的东部核心九连山，夏季主要来自南海的水汽，从珠江口向北深入，进入似喇叭状的珠三角，到达珠江三角洲顶端清远—佛冈一带受地形抬升影响，水汽汇聚在北江山谷迎风坡形成地形雨，带来丰沛降水。西翼暴雨集中区的北部边缘为山地，呈东北—西南走向，与海岸线基本平行。中部和南部为广阔的丘陵、台地和平原。夏季东南季风与海岸线和山脉形成垂直对冲，加剧了暖湿气流的交汇。同时，天路山山谷地带在阳江至恩平之间形成一个狭长谷地，从南海深入内陆的暖湿气流在东部垂直斜交进入这一狭长谷地，形成强降雨。粤北地区降雨较少，主要由于北部山脉形成天然屏障，阻隔了南边暖湿空气伸入。而广东东翼距离来自孟加拉湾和中南半岛的温暖西南风较远，受冷暖气流交汇形成的切边系统影响减弱，导致降水偏小。

图4 2017—2021年广东省降雨量空间分布图

4 广东省短时强降雨时空规律

4.1 短时强降雨时间分布规律

利用广东省暴雨图集进行插值计算，得到广东省各站点1 h 2 年一遇降雨量阈值，阈值范围为36～68 mm，并作为对应站点是否发生2 年一遇短时强降雨事件的判断指标。统计达到短时强降雨指标的雨量站，广东省2017—2021年分别有106 d、101 d、122 d、92 d、95 d发生了短时强降雨；其中2019 年发生天数最多，整体呈先上升后下降趋势，相邻年份增长速率呈正负波动变化，与降雨量年变化趋势具有一致性。

从不同月份短时强降雨发生频次看（图5（a）），受气温和季风的强烈作用，省内短时强降雨天气主要出现在4—9 月，集中发生在春末夏初，其中5 月、6 月出现最多，平均天数合计为14～20 d，平均每月有21.5%的站点监测到短时强降雨信息。6月发生频次最多且强度大，短时强降雨累计约19 d，每天平均有48 站次发生短时强降雨事件，主要原因为夏季东南季风强劲，为短时强降雨的发生提供了充足水汽，加之气温高、蒸发量大，低层大量水汽上升，与高空下降的冷空气形成强对流，凝结成积雨云并不断壮大，当上升气流无法承托云内水滴时，水滴急剧降落地面，在陆地局部地区形成短时强降雨，降雨主要表现为突发、强度大、历时短、频发、范围小。10—12月月均发生3 d短时强降雨，平均5 个测站发生短时强降雨事件。由图5（b）短时强降雨不同时段分布图可以看出降雨多发生在下午及夜晚（15—20 时），该时段发生短时强降雨事件的频率为28.6%～35.5%；日降雨量范围为43.4～73.8 mm，其中18时最易发生强降雨；结合气流特征分析可知：午后地面温度较高，近地面气层不稳定，大气上升形成热对流，富含水汽的大气在上升过程中遇冷形成降雨。

图5 2017—2021年广东省短时强降雨时间分布

4.2 短时强降雨空间分布规律

通过对站点短时强降雨量进行统计，分析得到2017—2021 年超过100 mm/h 雨强的站点分布，并利用反距离权重插值法进一步得到雨量集中区域。在降雨量超过100 mm/h的国家级基准气候站点记录中，东菀市上川站、茂名市茂名站、湛江市雷州站降雨量最为突出，其中，东莞市上川站最大1 h降雨量161.0 mm，发生在2020年5月21日6—7时；茂名市茂名站最大1 h 降雨量139.9 mm，发生在2018 年8月23日15—16时；湛江市雷州站最大1 h降雨量124.1 mm，发生在2021 年4 月19 日15—16 时。由图6 可知，广东省短时强降雨量超过100 mm 的区域主要分布在东莞、惠州、深圳、韶关、肇庆、清远地区，分布特点为沿海比内陆活跃、东部比西部活跃、平原丘陵比山区活跃。全省短时强降雨高发区主要位于南部沿海（清远—佛冈一带）；北部山区也时有发生，东部（潮州汕头等地）和南部（湛江茂名等地）是短时强降雨频次最少地区。结合广东省地形特点可知，南部沿海深受暖湿夏季风的影响，水汽充足，为短时强降雨的发生提供条件；加上平阔的地形条件，促进区域蒸散发过程，因此，南部沿海平原地区是短时强降雨天气频发区域。而北部山区包括内陆暴雨中心清远—佛冈一带，受地形影响，南方暖湿气流在山脉迎风坡辐合上升，在高处遇冷凝结成雨，易在山谷区形成短时强降雨；当降雨强度较大时，山谷区将会遭遇山洪、泥石流等灾害。综合来看，2017—2021年广东省降雨量整体偏少，而短时强降雨发生次数增多，多发生于夏季，降雨连续性相对减弱，1 h 最大降雨量为124.1～161.0 mm，粤西和粤中短时强降雨过程较多，粤北和粤东长时间降雨过程较多。

图6 2017—2021年2年一遇短时强降雨空间分布图

5 结 论

本文以广东省为研究区域，通过对2017—2021年省内4 119 个实测站点的降雨量数据进行统计，详细分析了降雨时空分布特征及变化趋势，以及短时强降雨发生频次、强度和极值雨强的时空变化特征。主要结论如下。

（1）年降雨量范围为1 420.9～1 993.6 mm，具有明显波动性，且2020年和2022年是连旱年。降雨年内分布不均匀，其中夏季平均降雨量最大，达到920.3 mm，占全年降雨量的49.06%；其次是春季、秋季和冬季。月尺度方面，广东省一年有2个降雨峰值，最大值为6月，主要受冷暖气流频繁交汇形成锋面雨；次峰值在8 月，主要受台风影响。降雨空间上分布不均匀，粤西和粤中珠江三角洲北部降雨多，粤东和粤东北降雨相对偏少；地形和海陆位置是影响降雨的关键因素，山脉迎风坡和南部沿海平原较其他地区多。

（2）短时强降雨时空分布与降雨量一致。夏季为短时强降雨易发季节；日内不同时段短时强降雨分布方面，由于午后近地面气层不稳定，大气上升形成热对流，在15—20 时最活跃，发生短时强降雨事件的频率为28.6%～35.5%。空间上，由于沿海集聚夏季风所带来的丰富暖湿气流，并于山脉迎风坡辐合上升使得广东省南部沿海平原短时强降雨发生频繁，北部相对较少。