珠海市香洲城區降水變化特征及成因分析

曹永強，李玲慧，邵薇薇，李元菲

(1.遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029；2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

在全球變暖以及城市化進程加快的雙重背景下，城市建成區面積迅速擴張、建筑密度變大，人類活動加劇使得空氣中凝結核增多以及對流層空氣層結不穩定性增強，致使產生熱島效應和雨島效應[1-2]，進而影響城市降水特征發生變化。另外，地表不透水率增加過程伴隨的填洼、下滲量的減少和滯洪量的增加也使得防洪減災問題更加突出[3]。關于降水特征的研究一直是我國氣候相關領域的研究熱點。如，陳隆勛等[4]對1951—1989年的中國降水的研究表明，全國年降水量呈減少趨勢，但西部降水量增長顯著；張建云等[5]研究發現盡管我國北方地區近年來降水量有所增加，但仍低于多年平均值；王澄海等[6]對我國西北地區降水周期變化特征進行了研究，結果表明，西北地區降水呈現出非周期性振蕩和多平衡態的特點；林紓等[7]也對我國西北地區1960年以來的暴雨氣候變化特征進行了分析，結果顯示西北地區暴雨發生最為頻繁是其東部地區，且以6—9月發生暴雨的概率最大。2000年以來，國際減災戰略的實施表明，在自然災害預防、防備和減災3項工作中，災害預防工作最為重要，且災情信息獲取是災害預防的重要工具[8-9]。暴雨是內澇之源，暴雨時程分配特征對于暴雨徑流和城市防洪排澇有著重要影響[10-12]，以往的研究在中國各地區降水特征方面已取得了豐碩成果，但針對城區降水特征及暴雨時程分配的研究還相對較少。

由于特殊的地理位置和地形條件，珠海市香洲城區常遭受臺風暴潮、外江洪水和當地降雨帶來的洪澇災害。2017年第13號臺風“天鴿”為珠海建市記載以來遭遇的最強臺風，其引發的風暴潮疊加天文大潮的波峰共同影響了潮位[13]，后續帶來的超強降雨、風暴潮和巨浪嚴重威脅了沿海低洼地區人員的生命安全，全市受災人員高達64.14萬人，直接經濟損失高達204.5億元。鑒于此，本文分析氣候變暖背景下珠海市香洲城區不同等級降水的分布頻率、分布周期、變化趨勢以及暴雨的時程分配特征，以期為預防內澇災害發生及降低災害損失等提供參考。

1 研究區概況

珠海市是我國首批4個經濟特區之一，位于南海之濱、珠江口西岸(22°21′N～22°33′N，113°46′E～113°62′E)。香洲城區地勢相對低平，自西北向東南傾斜，是由板障山四周的平地構成的中心城區(圖1)。氣候屬亞熱帶海洋性季風氣候，多年平均降水量約為2 065 mm，降水季節長，年降水日數為103天左右。近年來，香洲城區城鎮化發展迅速，2018年土地面積達559.29 km2，常住人口為109.81萬人，城鎮人口比為90.08%[14]。在旅游業等產業發展的影響下，城區內土地利用類型變化顯著，加之氣候變化，使得該地區降水特征有所改變，洪澇災害的發生越來越頻繁，給城市排水系統增添了極大壓力。

圖1 香洲城區地形

2 資料與方法

本文所使用的數據包括珠海市1981—2010年逐日降水數據，來源于珠海市規劃設計院，以及2011—2018年CMADS中國大氣同化驅動數據集V1.0及V1.1。由于研究區相關數據比較缺乏，可獲得的氣象數據年份受限，因此選用不同種類數據進行補充研究。0.5 h間隔降水數據來源于NASA GPM IMERG，時間為2000—2018年，用于分析暴雨及以上等級降水的時程分配特征；下墊面數據中林地、水域、綠地等來源于Open Street Map影像；建筑物輪廓來源于91衛圖助手；DEM數據來源于ALOS對地觀測衛星，分辨率為10 m。

本文利用Manner-Kendall檢驗法及小波分析法從多種角度分析香洲城區不同等級降水量變化趨勢及周期特征，具體方法參考文獻[15-17]。

3 結果與分析

3.1 不同等級降水分布頻率及變化趨勢

通過對收集的數據進行計算可得到，1981—2018年香洲城區降水日數共5 487 d，平均每年141 d，其中，降水日數最多的是2016年，為191 d，最少的是2004年，為101 d[18-19]。圖2為香洲城區降水量年際變化及顯著性檢驗，可見香洲城區降水量變化呈波動減小趨勢，下降率每10 a為65.70 mm，且下降趨勢通過了0.05的顯著性檢驗。

(a) 降水量年際變化

根據GB/T 28592—2012《降水量等級標準》，以日雨量計可將降雨劃分為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨及特大暴雨6種不同等級，劃分標準為：24 h 降水總量在0.1～10 mm之間為小雨，10～25 mm 之間為中雨，25～50 mm之間為大雨，50～100 mm之間為暴雨，100～250 mm之間為大暴雨，250 mm以上為特大暴雨，本文將暴雨、大暴雨和特大暴雨統稱為總暴雨。根據統計，可得到不同等級降水日數頻率分布與降水量占比情況：香洲城區小雨只占總降水量的11.95%，但降水日數占總降水日數的69.55%；中雨占總降水量的17.21%，降水日數占總降水日數的14.53%；大雨占總降水量的22.98%，降水日數占總降水日數的9.02%；總暴雨量占總降水量的47.86%，降水日數占總降水日數的6.91%。結果表明，不同等級降水對總降水量的貢獻以大雨以上為主。春、秋季以暴雨為主，其降水量分別占該季總降水量的25.35%和28.70%；夏季以大雨為主，其降水量占該季總降水量的24.97%；冬季以中雨為主，其降水量占該季總降水量的33.03%。

小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨等不同等級降雨的變化率每10 a分別為-2.45 mm、0.52 mm、-16.62 mm、-46.37 mm、16.79 mm和28.23 mm。進一步分析可知，1981—2018年，香洲城區大暴雨呈顯著增加趨勢(每10 a為16.79 mm)，中雨和特大暴雨每10 a增加幅度分別為0.52 mm和28.23 mm，但增加趨勢未經過0.05顯著性檢驗。小雨、大雨及暴雨呈減少趨勢，每10 a減少幅度分別為2.45 mm、16.62 mm和46.37 mm。從不同等級降水量占比情況來看，由大到小排序為：暴雨、大雨、大暴雨、中雨、小雨、特大暴雨，且大雨和暴雨兩個等級降雨占比均超過20%，因此，1981—2018年，香洲城區降水量的減少主要是由于大雨及暴雨減少造成的。

3.2 不同等級降水的周期變化

3.2.1 降水日數的周期變化

圖3為不同等級降水日數的小波變換的實部等值線圖。分析香洲城區總降水和小雨量級的年降水日數的小波變換實部等值線圖(圖3(a)(b))可知，1981—2018年，在年降水日數的變化過程中均存在著1～7 a、7～18 a及18～38 a的3種尺度的周期變化規律。對應7～18 a周期，降水日數經歷了增多—減少—增多—減少—增多的轉換趨勢，正負交替出現4次振蕩；對應18～38 a周期，降水日數經歷了增多—減少—增多的變化趨勢。中雨的年降水日數變化過程(圖3(c))中存在著1～5 a、5～9 a、9～12 a、12～18 a、18～36 a和36～38 a多尺度的周期變化規律；大雨的年降水日數變化過程(圖3(d))中存在著1～5 a、5～11 a、11～19 a、19～36 a和36～38 a的多尺度的周期變化規律；總暴雨的年降水日數變化過程(圖3(e))中存在著1～7 a、7～18 a、18～31 a和31～38 a的周期變化規律。總體來說，香洲城區不同等級的降水日數呈現多時間尺度的復雜嵌套，小尺度嵌套在較大尺度的周期性變化特征。

(a) 總降水

(c) 中雨

(d) 大雨

(e) 總暴雨

圖4為不同等級降水日數的小波方差圖，可以看出，總降水日數及小雨日數的小波方差圖中存在3個較為明顯的峰值，降水日數序列的能量中心分別位于5 a、14 a和25 a的特征時間尺度，說明在這4年左右的振蕩最為強烈，其中，最大峰值對應25 a的時間尺度，為降水日數變化的第一主周期，14 a和 5 a的時間尺度對應著第二、第三峰值，分別為降水日數變化的第二、第三主周期。中雨存在5個較為明顯的峰值，分別為4 a、7 a、10 a、14 a和25 a，其中，降水日數變化的第一主周期同樣為25 a，14 a、4 a、10 a 和 7 a 分別為中雨日數變化的第二至第五主周期。大雨日數存在4個較為明顯的峰值，能量中心分別位于 14 a、25 a、10 a和2 a特征時間尺度，其中，14 a左右的周期震蕩為大雨日數變化的第一主周期，25 a、10 a 和2 a分別為大雨日數變化的第二至第四主周期。總暴雨存在3個較為明顯的峰值，分別為4 a、14 a和24 a，其中，14 a左右的周期震蕩為總暴雨日數變化的第一主周期，24 a和4 a分別為總暴雨日數變化的第二、第三主周期。此外，從主振蕩周期上看，香洲城區總暴雨日數減少的等值線還未閉合，說明在未來一段時間內該地區總暴雨日數將處于偏少的時期。

圖4 不同等級降水日數小波方差

3.2.2 降水量的周期變化

圖5為不同等級降水量小波變換的實部等值線圖。由圖5(a)可見，1981—2018年，年總降水量的變化過程中均存在著1～2 a、2～7 a、7～18 a、18～33 a 和33～38 a的5種尺度的周期變化規律。對應7～18 a周期，降水量經歷了增多—減少—增多—減少—增多的正負交替4次豐枯振蕩；對應18～33 a周期，降水日數經歷了增多—減少—增多2次振蕩變化。其中，小雨(圖5(b))存在1～9 a、9～18 a和18～38 a的周期變化規律，中雨(圖5(c))存在1～5 a、5～9 a、9～18 a、18～35 a和35～38 a的多尺度周期變化規律，大雨(圖5(d))存在1～6 a、6～11 a、11～19 a、19～36 a和36～38 a 的變化規律，總暴雨(圖5(e))存在1～2 a、2～9 a、9～20 a、20～31 a和31～38 a的周期變化規律。總體來說，與降水日數變化周期相似，香洲城區不同降水量級的年降水量同樣呈現出多時間尺度的復雜嵌套，小尺度嵌套在較大尺度的周期性變化特征，且不同等級降水的日數與降水量的振蕩周期大致相似。

(a) 總降水

圖6為不同等級降水量小波方差圖，可以看出，總降水量及小雨量級的小波方差均存在3個較為明顯的峰值，在5 a、14 a和25 a的時間尺度振蕩最為強烈。其中，最大峰值對應著25 a的時間尺度，為降水量的變化的第一主周期，14 a和5 a時間尺度分別為第二、第三主周期。中雨存在4個較為明顯的峰值，為4 a、7 a、14 a和25 a，其中，最大峰值同樣對應25 a的時間尺度，為降水量變化的第一主周期，14 a、7 a、4 a分別為中雨降水量變化的第二至第五主周期。大雨同樣存在4個較為明顯的峰值，為2 a、10 a、14 a和25 a，其中，25 a左右的周期震蕩為大雨日數變化的第一主周期，14 a、10 a和2 a分別為大雨日數變化的第二至第四主周期。總暴雨存在3個較為明顯的峰值，分別為5 a、15 a和25 a，其中，15 a左右的周期震蕩為總暴雨量變化的第一主周期，5 a和 25 a分別為總暴雨量變化的第二、第三主周期。此外，從主振蕩周期上看，香洲城區總降水量和總暴雨量減少的等值線還未閉合，說明在未來一段時間內該地區總降水量及總暴雨量將處于偏少的時期。

圖6 不同等級降水量小波方差

3.3 總暴雨場次年際及年內變化特征

1981—2018年，珠海市香洲城區降水達暴雨以上等級共計412場，總暴雨出現頻次總體呈波動上升趨勢，速率每10 a為0.36次，2013年總暴雨頻次達到峰值，2017年總暴雨頻次最少。以旬為單位統計暴雨在年內發生的次數用于識別場次暴雨年內分布特征，結果表明，研究期內珠海市香洲城區暴雨最早出現于1月中旬，最遲出現于12月上旬，集中發生于4—10月，暴雨發生頻次合計363場次，占場次暴雨總數的88.11%，其中，在4—6月前汛期雨季和7—10月后汛期雨季暴雨發生頻次分別占場次暴雨總數的43.69%和44.42%。

3.4 場次大暴雨時程分配及成因分析

通過珠海市2000—2018年逐日降水數據篩選出降水等級達大暴雨及以上等級的日期，以日為單位，對應NASA GPM IMERG時間間隔0.5 h的降水數據，利用Origin 8.0繪制統計出的研究期間51場大暴雨及特大暴雨的時程分配特征，結果見圖7。由圖7可見，場次暴雨持續時間在4.5～23 h 之間，且降雨時長有增加趨勢。為進一步探究其原因，對香洲城區城市化發展帶來的土地利用類型變化情況進行統計分析，結果如圖8所示。可見，1981—2018年林地面積占比由39.29%上升至41.41%，這是由于珠海市設立經濟特區伊始，大力發展旅游業，將保護生態環境作為城市發展的戰略目標[20]。農田面積占比由23.34%下降到4%，農村居民點從有到無，大量農業人口轉變為城鎮人口[21]，產業和經濟快速發展，使得城市建設用地面積占比由35.11%上升到51.52%，從而導致香洲城區產生“城市熱島效應”，使城區降雨時長增長[22-23]。此外，51場暴雨中有39場峰值區間出現在夜間，8場出現在上午，6場出現在午間，5場出現在午后。究其原因，與空氣中氣溶膠粒子的日變化規律有關。據統計，近年來珠海市空氣中PM2.5和PM10質量濃度分別為28.12 μg/m3和45.94 μg/m3，SO2和NO2質量濃度分別為7.62 μg/m3和30.21 μg/m3，CO和O3質量濃度分別為 0.77 μg/m3和58.83 μug/m3。且空氣中PM2.5質量濃度在5：00—7：00達到高值，顆粒物濃度隨太陽輻射的增強和近地面大氣混合層高度的增加而下降。由于東南沿海的地理位置，在午后多出現局部對流天氣，PM2.5質量濃度降低，隨著晚高峰的出現，氣溶膠濃度有所回升，因此，暴雨峰值多出現在夜間。

(a) 2000-06-18至2008-04-19

(a) 1981年

4 結 論

a.1981—2018年，珠海市香洲城區總降水量、小雨、大雨及暴雨等級降水量呈波動減小趨勢，下降率每10 a分別為65.70 mm、2.45 mm、16.62 mm和 46.37 mm；中雨、大暴雨和特大暴雨呈增加趨勢，每 10 a 增加幅度分別為0.52 mm、16.79 mm和28.23 mm。

b.總降水量的減少主要是由于大雨及暴雨減少所造成。年降水日數及總降水量的周期變化均經歷了增多—減少—增多—減少—增多的4次正負振蕩變換，并以25 a的周期振蕩為第一周期。

c.場次暴雨持續時間在4.5～23 h之間，且降水時長有增加趨勢，主要原因為城市化進程引起地面粗糙度增大對移動的降雨系統產生了阻礙效應，使城區雨時增長；暴雨峰值的出現時間頻率由大到小排序為夜間、上午、午間、午后，這與空氣中氣溶膠粒子的日變化規律相關。