引言

全球气候变暖导致极端天气气候事件显著增多，其中暴雨、洪涝、滑坡、泥石流等自然灾害不仅与降水量有关，还与降水强度密切相关，尤其是短时间的强降水事件具有突发性强，小时雨强大等特点，常常导致城市内涝、山洪、泥石流等地质灾害。如2010年8月7日晚甘肃舟曲县发生突发性强降雨，其中22:00—23:00降雨量达77.3 mm，引发特大山洪泥石流，造成1400多人死亡(曲晓波等，2010)。2010年5月7日广州大暴雨，降水仅持续了6 h，降水量达213 mm，最大小时雨量99.1 mm，导致严重的城市内涝，直接经济损失约5.4亿元(伍志方等，2011)。2008年6月13日深圳出现大暴雨，最大小时雨量96.8 mm，深圳出现大面积水浸，直接经济损失超5亿元(陈元昭等，2016)。华南是我国年降水量最多的区域，暴雨次数多，强度强，因此华南暴雨一直是关注和研究的重点，气象学者对华南和广东暴雨进行了很多研究并取得有意义的成果(余功梅, 1996；李江南等，2002；彭丽英等，2006；郑彬等，2006；2007；李晓娟等，2012；林爱兰等，2013; 2015；寿亦萱等，2014；钟权加等，2016)，但过去的研究大多是从日、月、年的时间尺度对华南、广东的暴雨进行研究，而从小时的角度，特别是利用近几十年广东站点长序列小时雨量资料来研究强降水特征和变化则没有看到，主要是由于小时降水资料的不完善和未处理，因此本文利用1961—2014年广东小时降水资料研究强降水的气候特征和变化，这是对日、月、年降水分析的补充，同时也是当前防灾减灾以及气象服务的迫切需求。

1 资料与方法

采用广东省气候中心整理的1961年1月1日至2014年12月31日广东32个气象观测站逐小时降水资料。本文把单站1 h降水量超过20 mm定义为一次小时强降水事件，小时强降水次数定义为出现小时强降水事件的次数，即小时数(单位：h)；小时强降水量定义为所有小时强降水事件降水量的总和(单位：mm)。小时强降水强度定义为所有小时强降水事件降水量与次数(小时数)之比，单位即mm·h^-1；小时强降水量的贡献率为小时强降水量与同期降水总量之比(单位：%)。考虑广东汛期(4—9月)，其中前汛期(4—6月)，后汛期(7—9月)降水对年降水的重要贡献，分析广东年、前、后汛期小时强降水的次数(单位：h)、强度(单位：mm·h^-1)、降水量(单位：mm)、贡献率(单位：%)这12个序列的变化特征。

使用方法有线性趋势分析、计算趋势系数等，具体步骤见施能等(1995) 和施能(2004)；Mann-Kendall检验、功率谱分析、突变分析，具体步骤见魏凤英(2007)；计算场相似系数，具体步骤见王颖等(2006)。

2 结果分析 2.1 多年平均的广东小时强降水的空间分布

图 1为广东32站1961—2014年平均小时强降水量的年、前汛期、后汛期和整个年降水量的空间分布。可见，近54年平均小时强降水在年、前、后汛期和年总降水量呈现沿海多、内陆少的分布形势，且从南向北递减。

图 1a是广东年平均小时强降水量分布图。可见大值中心均位于南部沿海和珠三角，最多小时强降水量出现在西南沿海的阳江(696.5 mm)，其次是上川岛(629.7 mm)，第三出现在珠江口的珠海(540.9 mm)，第四出现在湛江(513.0 mm)。最少小时强降水量出现在粤北的南雄(150.5 mm)、曲江(158.9 mm)和连州(170.3 mm)，其他降水不足200 mm的站有五华(188.3 mm)和梅县(191.9 mm)。珠三角和南部沿海大部的小时强降水量介于350.0~696.5 mm，其余地区介于100.0~350 mm。广东小时强降水量的最大和最小相差近4.6倍。

图 1b是广东近54年前汛期平均小时强降水量分布图。可见，前汛期小时强降水量的大值区出现在南部沿海和珠三角，其中最多出现在西南沿海的阳江(418.6 mm)、上川岛(332.5 mm)、珠海(283.7 mm)和佛岗(279.4 mm)。最少降水出现在粤北的南雄(87.0 mm)、五华(91.2 mm)、梅州(92.5 mm)和曲江(98.2 mm)，降水均不足100 mm。珠三角和南部沿海大部的前汛期小时强降水量介于200.0~418.6 mm，其余地区介于87.0~200.0 mm。

图 1c是广东近54年后汛期平均小时强降水量分布图。可见，后汛期小时强降水量的大值区出现在南部沿海(包括雷州半岛)和珠三角，最多出现在西南沿海的上川岛(245.3 mm)、阳江(243.3 mm)、珠海(229.1 mm)以及雷州半岛的徐闻(238.5 mm)和湛江(237.5 mm)，这与广东后汛期降水主要是热带气旋导致相吻合(郑彬等，2006；2007)，广东南部沿海特别是粤西南沿海是热带气旋登陆广东最频繁的地区。最少降水出现在粤北的曲江(66.7 mm)、连州(66.8 mm)和南雄(71.1 mm)，降水均不足80 mm。珠三角和南部沿海大部的后汛期小时强降水量介于150.0~245.3 mm，其余地区介于66.7~150.0 mm。

图 1d是广东近54年平均年总降水量的空间分布，可见，广东年平均总降水量的分布与小时强降水的分布非常相似，也有三个降水中心，分别位于粤西南沿海、珠三角北部和粤东南沿海。

同样分析广东32站1961—2014年平均的小时强降水次数、强度、贡献率的年、前、后汛期的空间分布(图略)，得到和同期对应的小时强降水量相一致的结果，且分别计算同期广东平均小时强降水次数、强度、贡献率的场相似系数在0.96~0.99，说明广东年、前汛期或后汛期小时强降水的次数、强度、降水量与贡献率几乎都是完全相似的，即年或前、后汛期小时强降水次数多的地方也是强度强，降水量多、贡献率高的地方，反之亦然。这与姚莉等(2009)指出年降水量大的地区雨强出现频次也较大相一致。

2.2 广东平均小时强降水次数的变化 2.2.1 小时强降水次数的年际、年代际变化

图 2a是广东32个观测站空间平均后的小时强降水次数的逐年变化。可见，广东平均的小时强降水次数具有显著的年际变化特征，2001年最多(17.9 h)，1963年最少(11.9 h)，近54年以0.73 h·(10 a)^-1的速率增加(相关系数为0.44)，通过了0.001的显著性水平检验，增加趋势非常显著。从多项式曲线看，广东小时强降水次数也存在明显的年代际波动变化特征，在20世纪60—90年代前中期处于偏少时段，20世纪90年代后期到2014年处于偏多阶段，特别是2005年以来，除2011年小时强降水次数偏少外，其余年以偏多为主。

图 2b是广东32个观测站空间平均后的前汛期小时强降水次数的年变化。可见，前汛期小时强降水次数在2005年最多(10.6 h)，其次是2008和1993年，均为10.4 h，1999年最少(2.8 h)，近54年来以0.38 h·(10 a)^-1的速率增加(相关系数为0.32)，通过了0.05的显著性水平检验，增加趋势显著，但低于广东年小时强降水次数的增加速率[0.73 h·(10 a)^-1]。从多项式曲线看，前汛期小时强降水次数在20世纪90年代前期和90年代中期到2014年处于偏多时段，其余年代处于次数偏少阶段。

图 2c是广东32个观测站空间平均后的后汛期小时强降水次数的逐年变化。可见，后汛期小时强降水次数2001年(8.6 h)最多，其次是2002年(8.1 h)，第三是1994年(7.8 h)；最少出现1969年和1978年，均为3.2 h，近54年来以0.28 h·(10 a)^-1的速率增加(相关系数为0.32)，通过了0.05的显著性水平检验，增加趋势显著，但低于广东年和前汛期的小时强降水次数的增加速率。从多项式曲线看，广东后汛期小时强降水次数在20世纪90年代前期由之前的偏少转为之后的偏多，阶段变化明显。

图 2d是1961—2014年广东年暴雨日数的逐年变化。可见，年暴雨日数最多出现在2001年(10.3 d)，其次是2008年和2013年，均为10.0 d，第三是1973年9.7 d；最少出现1962年(3.6 d)，第二少是2004年(4.6 d)，第三少是1962年(4.8 d)，近54年来以0.19 d·(10 a)^-1的速率增加(相关系数为0.20)，没有通过0.05的显著性水平检验，增加趋势不显著。这与伍红雨等(2011a)指出华南年、前、后汛期暴雨日数变化都不显著相一致，与孙秀博等(2012)指出1960—2009年华南地区年降水量有上升趋势但不显著吻合。张焕等(2011)利用小时资料分析指出西南地区夏季大部分地区降水有减少的趋势，而极端强降水为增加的趋势。曾颖婷和陆尔(2015)指出1961—2010年夏季华南地区年降水量和极端强降水量都为增加的趋势。殷水清等(2012)利用海河流域站点夏季逐时降水资料分析指出海河流域夏季总降水量和总降水小时数以及长、短历时降水量均呈减少趋势。可见降水变化存在明显区域差异，而南方大部地区极端强降水事件在明显增多，导致的洪涝灾害有增多趋势，这是要密切关注的。

计算1961—2014年的广东小时强降水次数与年暴雨日数两序列的相关系数为0.79，通过0.001显著性水平检验，相关非常显著，表明广东小时强降水多的年份对应的暴雨次数也多，反之就少。

对1961—2014年广东小时强降水次数的年、前、后汛期三个序列求相关得到，年与前汛期的相关系数是0.84，年与后汛期的相关系数是0.58，都通过0.001显著性水平检验，相关非常显著，说明广东前汛期小时强降水次数在年小时强降水次数中占据重要位置。但广东前、后汛期小时强降水次数的相关系数为0.10，没有通过0.05的显著性水平检验，相关不显著，说明前、后汛期的小时强降水次数没有对应关系。

2.2.2 小时强降水次数的日变化

图 3为近54年平均的广东小时降水次数的日变化。可见，广东小时强降水次数呈双峰型分布，16时是一天的峰值，次峰出现在08时，即广东小时强降水在白天出现的次数高于夜间，午后到傍晚是高发时段，夜间是低发时段。这是由于午后到傍晚太阳辐射强，近地面温度加热明显，午后出现一天中的最高温度，这时空气中垂直方向的温差增大，常在近地层形成绝对不稳定的层结，最容易产生空气对流，如果水汽丰富，那么午后到傍晚就易出现短时强降水等强对流天气。

2.2.3 小时强降水次数的突变和周期分析

对1961—2014年广东年(a)，前汛期(b)、后汛期(c)小时强降水次数进行M-K突变分析(图 4)可见，广东年(图 4a)和后汛期(图 4c)小时强降水次数在20世纪90年代前期有一个增加的突变，具体发生在1993—1994年，并且在2005年后增加趋势更明显，这与前面的分析相吻合。前汛期小时强降水次数(图 4b)的UB和UF多次相交，不能判定有突变发生，而1961—2008年华南年和前、后汛期暴雨日数均没有发生突变(伍红雨等，2011b)，可见广东暴雨日数和小时强降水次数变化存在差异。

1961—2014年广东年和前、后汛期短时强降水次数的功率谱分析(图略)得出广东小时强降水次数具有多尺度震荡的特点，且在年和前汛期存在3.7年和22年的显著周期震荡，后汛期存在3年左右的显著周期震荡。

2.3 广东平均小时强降水强度的变化

图 5a₁, 5b₁, 5c₁为广东32站平均的小时强降水强度的变化，其中图 5a₁为年小时强降水强度的变化。可见，年小时强降水强度的年际变化明显，强度最大的前三位都出现在2008年以后，分别是2010年(31.7 mm·h^-1)、2014年(31.6 mm·h^-1)和2008年(31.4 mm·h^-1)；强度最小的前三位都出现在1970年以前，分别是1968年(28.4 mm·h^-1)、1970年(28.9 mm·h^-1)和1961年(29.0 mm·h^-1)。1961—2014年广东年小时强降水强度介于28.4~31.7 mm·h^-1，平均为30.0 mm·h^-1，近54年广东年小时强降水的强度以0.2 mm·(10 a·h)^-1的速率增加(趋势系数为0.44)，通过了0.001显著性水平检验，说明年小时强降水的强度增加趋势非常明显。

图 5b₁为广东32站平均的前汛期小时强降水强度的变化。可见，近54年来广东前汛期小时强降水强度同样也存在明显的年际和年代际变化，强度最强出现在2002年(33.7 mm·h^-1)，其次是2010年(32.9 mm·h^-1)，第三是1998年和1999年(均为31.9 mm·h^-1)。近54年前汛期小时强降水强度前8位的年份，有7年出现在1998年以后。强度最小的前三位都出现在1990年以前，分别是1974年(28.0 mm·h^-1)、1990年(28.2 mm·h^-1)和1968年(28.3 mm·h^-1)。1961—2014年广东前汛期小时强降水强度介于28.0~33.7 mm·h^-1，平均为30.3 mm·h^-1，近54年来以0.3 mm·(10 a·h)^-1的速率增加(趋势系数为0.43)，通过了0.001显著性水平检验，增加趋势非常明显，可见高于年小时强降水强度的增加速率。

图 5c₁为广东32站平均的后汛期小时强降水强度的变化。可见其年际波动较前汛期更加明显。强度最大出现在2008年(32.2 mm·h^-1)、其次是2010年(32.0 mm·h^-1)；强度最小出现在1969年(26.9 mm·h^-1)、次小是1986年(27.9 mm·h^-1)。1961—2014年广东后汛期小时强降水强度介于26.9~32.2 mm·h^-1，平均为29.9 mm·h^-1，近54年来以0.2 mm·(10 a·h)^-1的速率增加(趋势系数为0.26)，通过了0.05显著性水平检验，增加趋势明显。

从上面的分析可见，近54年广东小时强降水的强度增加速率在前汛期高于后汛期和年，均呈显著增加的趋势，这与伍红雨等(2011a)指出的年和后汛期一般降水的雨强明显增加相一致，而与前汛期雨强变化趋势不明显有区别，与黄伟等(2012)分析指出我国东南沿海地区盛夏小时降水强度呈显著上升趋势吻合。

2.3 广东平均小时强降水贡献率的变化

图 5a₂, 5b₂, 5c₂为1961—2014年广东32站平均小时强降水贡献率的逐年变化图。图 5a₂, 5b₂, 5c₂分别为年、前、后汛期尺度。从图 5a₂可见近54年贡献率最大的前三位分别出现在2005年(27.4%)、2010年(25.0%)和2014年(24.3%)；贡献率最小的前三位分别出现在1978年(14.6%)、1990年(15.3%)和1976年强降水贡献率为19.8%，近54年来以0.012%·(10 a)^-1的速率增加(趋势系数为0.61)，通过了0.001显著性水平检验，增加趋势非常显著。

图 5b₂为1961—2014年广东32站平均的前汛期小时强降水贡献率的逐年变化。可见近54年前汛期贡献率最大的前三位分别出现在2005年(32.9%)、2007年(28.6%)和2010年(28.5%)；贡献率最小的前三位分别出现在1999年(14.6%)、1964年(15.2%)和1990年(16.6%)；1961—2014年平均为23.0%，近54年来以0.013%·(10 a)^-1的速率增加(趋势系数为0.50)，通过了0.001显著性水平检验，增加趋势很显著。

图 5c₂为1961—2014年广东32站平均的后汛期小时强降水贡献率的逐年变化。可见近54年后汛期贡献率最大的前三位分别出现在2014年(27.3%)、2010年(27.16%)、2000年(27.0%)；贡献率最小的前三位出现在1963年(13.4%)、1976年(14.52%)和1961年(15.7%)；1961—2014年广东后汛期小时强降水贡献率平均为21.1%，低于前汛期的贡献率(23.0%)。近54年来以0.014%·(10 a)^-1的速率增加(趋势系数为0.66)，通过了0.001显著性水平检验，增加趋势非常显著。

可见近54年来广东小时强降水的次数、强度、降水量以及贡献率在年、前、后汛期的长期变化均为显著上升的趋势，与近54年来广东年暴雨次数和降水变化不明显有明显差异，进一步说明广东极端强降水事件增加的事实。近45年来长江中下游大部极端降水量也表现为增加趋势(张文等，2007；张天宇等，2007；罗伯良等，2008)。

2.4 广东平均小时强降水量的长期变化

图 6a为1961—2014年广东32站平均的年小时强降水量的逐年变化。统计表明近54年小时强降水量最大的前三位分别出现在2001年(557.8 mm)、2008年(552.9 mm)和1972年(500.9 mm)；小时降水量最小的前三位分别出现在1963年(214.7 mm)、1962年(242.9 mm)和1989年(243.8 mm)；1961—2014年广东年小时强降水量介于214.7~557.8 mm，平均为365.7 mm。近54年广东年小时强降水量以25.2 mm·(10 a)^-1的速率增加(趋势系数为0.47)，通过了0.001显著性水平检验，增加趋势非常显著。近54年广东年小时强降水与年总降水量的相关系数为0.69，通过0.001显著性水平检验，相关很显著，也进一步说明小时强降水增加，年降水总量也相应增加。

图 6b为1961—2014年广东32站平均的前汛期小时强降水量的逐年变化。可见近54年前汛期降水量的前三位分别出现在2008年(339.3 mm)、2005年(329.4 mm)和1998年(325.2 mm)；降水最少的前三位分别出现在1999年(90.0 mm)、1963年(99.8 mm)和1990年(102.1 mm)；1961—2014年广东前汛期小时强降水量平均为196.0 mm，近54年广东前汛期小时强降水量以14.0 mm·(10 a)^-1的速率增加(趋势系数为0.36)，通过了0.01显著性水平检验，增加趋势显著。

图 6c为1961—2014年广东32站平均的后汛期小时强降水量的逐年变化。可见后汛期降水量的前三位分别出现在2001年(259.4 mm)、1994年(250.0 mm)和2002年(236.8 mm)；降水最少的前三位分别出现在1969年(90.1 mm)、1963年(97.0 mm)和1978年(97.8 mm)；1961—2014年广东后汛期小时强降水量平均为154.5 mm，近54年广东后汛期小时强降水量以9.2 mm·(10 a)^-1的速率增加(趋势系数为0.35)，通过了0.01显著性水平检验，增加趋势显著。

图 6d为1961—2014年广东年降水量的逐年变化。可见广东年降水量前三位分别出现在1973年(2277.5 mm)、1997年(2254.1 mm)和1983年(2244.6 mm)；降水最少的前三位分别出现在1963年(1178.4 mm)、2004年(1314.1 mm)和1991年(1354.7 mm)；1961—2014年广东年降水量平均为1763.3 mm，近54年广东年降水量以15.8 mm·(10 a)^-1的速率增加(趋势系数为0.10)，没有通过0.05显著性水平检验，增加趋势不明显，且增加速率低于广东小时强降水量的增加速率[25.2 mm·(10 a)^-1]。说明虽然广东年降水量变化不显著，但极端强降水有显著增加的趋势，其造成的灾害损失会加大，这需要密切关注。

从以上分析可见，近54年来广东年降水量增加趋势不明显，而年、前、后汛期小时强降水量均为显著增加的趋势，特别是前汛期增加最显著，说明极端强降水在增加，前汛期增加趋势最为显著。

对1961—2014年广东小时强降水量的年、前、后汛期三个序列求相关，得到年与前汛期的相关系数是0.85，年与后汛期的相关系数是0.61，都通过0.001显著性水平检验，相关非常显著，其中与前汛期相关最高，进一步说明广东前汛期小时强降水量在年小时强降水量中占据重要地位。但广东小时强降水量的前、后汛期次数的相关系数为0.16，没有通过0.05的显著性水平检验，相关不显著，说明前、后汛期的小时强降水量没有对应关系。

1961—2014年广东小时强降水量平均为364.9 mm，其中前汛期小时强降水量平均为196.0 mm，占年小时强降水量的53.7%；后汛期小时强降水量平均为154.5 mm，占42.3%；汛期小时强降水量平均为350.5 mm，占年小时强降水量的96.1%，说明广东小时强降水有96%出现在汛期，非汛期很少出现小时强降水，仅占4%，可见广东小时强降水几乎都出现在汛期，且前汛期多于后汛期。

2.5 广东站点小时强降水量的气候变化

由广东站点年小时强降水量的变化趋势(图 7a)可见，32个站中除佛岗(-0.02) 为弱的负趋势外，其余31个站均为正趋势，趋势系数最大的前五位分别出现在番禺(0.46)，南海(0.43)，东莞(0.42)、广州(0.41) 和惠阳(0.36)，均通过0.05的显著性检验，增加趋势明显。近54年来广东年小时强降水量均呈增加的趋势，增加明显的地区在珠三角、罗定、曲江。

由广东站点前汛期小时强降水量的变化趋势系数分布(图 7b)可见，32站中除连平(-0.14)、佛岗(-0.06)、汕尾(-0.01) 和五华(-0.01)4站呈不明显的负趋势外，其他28个站均为正趋势，其中正趋势系数最大前5位出现在番禺(0.46)、广州(0.35)、曲江(0.33)、惠阳(0.31) 和东莞(0.31)，均通过了0.05显著性水平检验，增加趋势明显。说明近54年来广东大部前汛期小时强降水量均呈增加的趋势，增加明显的地区在珠三角、曲江和汕头。

由广东站点后汛期小时强降水量的变化趋势系数分布(图 7c)可见，32站中除高要(-0.18)、珠海(-0.07)、曲江(-0.06) 和五华(-0.02)4站呈不明显的负趋势外，其他28个站均为正趋势，其中正趋势系数最大前5位出现在南海(0.35)、惠阳(0.35)、上川岛(0.33)、罗定(0.32) 和东莞(0.32)，均通过了0.05显著性水平检验，增加趋势明显。图 6c还可见近54年来广东后汛期小时强降水量绝大部分地区均呈增加的趋势，增加明显的地区在珠三角、上川岛和罗定。可见广东大部分地区小时强降水量在年、前后汛期时间尺度上均呈增加的趋势，其中珠三角增加最为显著。研究表明城市有使降水趋势增加的效应，特别是城市下风区，被称为城市“雨岛效应”(梁萍等，2011；白莹莹等，2013；郑祚芳等，2013)。江志红和李杨(2014)分析指出1960—2009年间，长三角和珠三角城市群的城市化发展均有使降水增加的作用。因此珠三角城市群的城市化快速发展使得小时强降水量有明显增加的趋势。

3 结论与讨论

利用广东32个气象观测站1961年1月1日至2014年12月31日逐小时降水资料，通过统计诊断方法，分析了广东年和前、后汛期的小时强降水次数、强度、降水量以及贡献率的时空特征和变化，得到以下结果：

(1) 近54年广东32个站的年、前汛期和后汛期平均小时强降水的次数、强度、降水量和贡献率的空间分布存在明显的区域差异，呈现出沿海多、内陆少的分布形势。

(2) 近54年来，广东平均的年、前汛期、后汛期小时强降水次数、强度、降水量和贡献率均呈显著增加的趋势，而广东年降水量、年暴雨日数增加不显著。说明虽然广东年降水总体变化不显著，但极端强降水呈显著增加的趋势，会导致更多的气象灾害发生，这需密切关注。

(3) 近54年来广东年、前汛期小时强降水次数存在3.7年和22年的显著周期震荡。后汛期小时强降水次数存在3年左右的显著周期震荡，同时还存在3.7年和22年左右的次周期震荡。广东年和后汛期小时强降水次数在1993—1994年发生增加的突变，并且在2005年后增加趋势更明显。前汛期小时降水次数没有突变发生。

(4) 广东大部分地区小时强降水量在年、前后汛期时间尺度上均呈增加的趋势，其中珠三角增加最为显著，这与珠三角城市群的城市化快速发展有关。