中国1961—2016年夏季持续和非持续性极端降水的变化特征.pdf

doi10.12006/j.issn.1673-1719.2018.016贺冰蕊 , 翟盘茂 . 中国 1961 2016 年夏季持续和非持续性极端降水的变化特征 [J]. 气候变化研究进展 , 2018, 14 5 437-444中国 19612016 年夏季持续和非持续性极端降水的变化特征贺冰蕊，翟盘茂 中国气象科学研究院，北京 100081气候变化研究进展第 14 卷 第 5 期 2018 年 9 月 CLIMATE CHANGE RESEARCHVol. 14 No. 5September 2018摘 要 基于国家气象信息中心提供的 1961 2016 年 2400 多站逐日降水观测资料，根据百分位法确定极端降水，对中国夏季持续（持续 2 d 及以上）和非持续性（持续 1 d）极端降水事件的变化特征进行了研究。结果表明在气候变暖背景下，以江淮流域为代表，中国大部分地区极端降水量趋于增多，但华北、西南及西部部分地区趋于减少；除内蒙古中部、四川等地以外，中国大部极端降水对总降水的贡献呈增多趋势。进一步对华北、江淮、华南、西南 4 个代表区域进行分析，发现华北、西南地区的持续和非持续性极端降水量都呈减少趋势，持续性极端降水量的减少更突出，极端降水更多以非持续性形式出现；江淮、华南一带，两类极端降水量都呈增多趋势，持续性极端降水量的增加更明显，极端降水更多以持续性形式出现。关键词 中国；持续性极端降水；非持续性极端降水；趋势；极端降水持续性结构收稿日期 2018-01-25； 修回日期 2018-04-08资助项目 国家自然科学基金面上项目（ 41575094）作者简介 贺冰蕊，女，硕士；翟盘茂（通信作者 ，男，研究员， 引 言在全球变暖背景下，世界各地发生了大量的天气和气候极端事件，给人类社会和生态环境都带来了严重影响[1-2]，如在过去的 50 多年间，北半球中高纬度很多地区的极端降水事件都趋于增多[3-5]；北美洲和中美洲的极端降水事件多发；欧洲南部及地中海地区的中等强度降水减少，强降水增多；东亚地区的极端降水的强度和频率也呈明显上升趋势[6]。中国旱涝灾害多发，极端降水的多少在一定程度上反映了对洪涝灾害的敏感性，很多学者对1961 年以来中国的极端降水事件做了大量研究。鲍名等[7]的分析结果表明，我国夏季暴雨多发生在长江中下游、华南、四川中东部、黄淮地区和华气 候 系 统 变 化北东部。 Zhai 等[8]发现，中国许多地区的极端降水量和年降水总量有密切关系，特别是中国东部地区随着年降水总量的增加，极端降水量的增加更为显著。 Zhai 等[9-10]进一步指出，西部地区和长江中下游一直到华南极端降水事件趋于增多，而华北和四川盆地呈显著的减少趋势，并且这些地区的极端降水与平均降水的变化趋势一致。除降水总量和强度外，持续时间也是衡量降水特性变化的一个重要特征[11-12]。持续时间长的降水事件更易引发洪涝灾害，如 1998 年由强降水引起的长江全流域性的大洪水及嫩江、松花江特大洪水，造成约 3000 人死亡，约 2600 亿元的巨大经济损失[13]。而 2012 年发生的“ 7· 21”北京大暴雨事件，虽历时短，但强度大，给京津冀地区造成了巨气候变化研究进展 2018 年438气 候 系 统 变 化大的经济损失和人员伤亡[14]。 Bai 等[15]的研究发现，中国西部大部分地区年累计持续降水日数及其产生的降水量趋于增多，而华北、华中以及中国东南地区则显著减少。 Chen 等[16]分析发现，中国西南地区的降水越来越多地表现为短持续性降水和单日降水，长持续性降水在总降水中的比重显著下降。对于极端降水来说，闵屾等[17]的研究表明，长江以南地区夏季及东南沿海冬季的极端降水持续性较强, 容易导致洪涝灾害的发生；除新疆以外,东北、华北以及西北等大部分北方地区极端降水的持续性较差。 Chen 等[18]也指出，单站持续性极端降水多发生在长江流域及华南地区，相较于北方发生的持续性极端降水，事件强度更强，持续时间也更长。考虑到之前的研究大多集中于降水量、降水频率和强度的变化，也有部分开始关注一些持续性降水变化或持续性强降水有关问题，但对于极端降水持续性特征变化研究还较少，因此本文将根据国家气象信息中心提供的 2400 多站降水观测资料，分析中国 1961 2016 年夏季持续和非持续性极端降水事件的变化趋势及这两类持续性的转化关系，进而更好地认识中国极端降水性质变化，便于未来深入探讨我国极端降水变化原因，认识气候变暖对降水变化的影响，为气候变化应对和防洪救灾等提供科学依据。1 资料及方法1.1 资料本文使用的是中国气象局国家气象信息中心提供的 1961 年 6 月 2016 年 8 月中国 2480 站逐日降水观测资料，国家气象信息中心对该资料进行了较为严格的质量控制，在已有的资料控制基础上，对资料进行了简单筛选，消除台站迁移的影响，剔除缺测率大于 5的测站，最后筛选出 1899个测站。夏季平均指当年 6 8 月平均，选取 1961 1990 年30 年平均作为气候态。1.2 方法对不同地区而言，不能简单地用统一固定的日降水量来定义极端降水事件，因此本文采用翟盘茂等[9]提出的百分位法确定极端降水阈值对每个台站，把 1961 2016 年夏季（ 6 8 月）所有日降水样本（日降水量≥ 0.1 mm）按升序排列，得到夏季逐日降水序列，取其第 95 个百分位值定义为极端降水事件的阈值，作为确定极端降水事件的标准。且仅当从某日开始连续 n 天降水量都大于阈值，则认为出现一次持续时间为 n 天的极端降水事件，以出现降水的第 1 天作为持续极端降水的时间。考虑到持续性极端降水事件造成的影响更恶劣，将极端降水事件分为两类，即持续 1 d 的非持续性极端降水事件和持续 2 d 及以上的持续性极端降水事件，两类事件相互独立，不重复计算。为了更好体现极端降水持续性结构的变化，计算持续与非持续性极端降水量之比，比值越大，表明更易发生持续性极端降水，反之则更易发生非持续性极端降水。由于中国地域辽阔，地形复杂，在进一步分析时进行分区处理，区域平均时间序列由算术平均得到。利用线性趋势分析方法分析中国持续和非持续性极端降水的变化特征。2 中国夏季降水和极端降水的变化背景为了给中国持续性、非持续性极端降水研究提供背景，图 1 给出 1961 2016 年夏季降水量与极端降水量线性趋势的空间分布。从图 1a 可以看出中国整体降水趋势以增加为主，中国东南部、西藏南部、东北北部尤为明显，华东、华南、西藏东南部、黑龙江北部的降水量趋势可达 20 mm/10a 以上。相反，内蒙古中东部至东北中部、四川、云南等地的降水量呈显著下降趋势，云南西南部的减少趋势在 20 mm/10a 以上，通过 0.10 显著性检验的站点主要集中在云南及四川东部，表明西南地区的降水量总体上有明显的下降趋势。 图 1b 显示，以江苏、浙江为代表，极端降水的增多趋势在中国中东部尤为显著，华北中东部、云南西南部及四川中部地区的极端降水以减小趋势为主，通过显著性检验的站点主要集中在华北5 期 439贺冰蕊，等中国 1961 2016 年夏季持续和非持续性极端降水的变化特征南部和四川中部地区，西北地区呈减小趋势的区域呈斑块状分布。极端降水量与总降水量的变化趋势分布较为一致，两者关系密切[8]。极端降水量占总降水量的比例，在一定程度上反映该地引发洪涝灾害的风险[19]。从贡献率空间分布看（图 1c，中国整体的贡献率基本都在 30 以上，华中、华东及华北南部地区贡献率以 40 ～ 50 为主，而受大陆性气候影响为主的西藏、新疆及青海、甘肃北部大部的贡献率高于 50，表明中国西部到中东部大部分地区夏季降水量的多少很大程度上取决于最强的 5 的极端降水事件产生的雨量。极端降水贡献较大的区域，夏季降水量的变化几乎由极端降水量的变化引起，而云南极端降水的贡献不足 30，夏季降水量的变化不仅由极端降水造成。从贡献率线性趋势的空间分布（图 1d）可以看出，中国整体的极端降水贡献率以显著增多趋势为主，表明近 60 年来极端降水扮演着越来越重要的角色；只有内蒙古中部、四川、黑龙江中部及河南西北部的少部分地区呈减少趋势。图 1 1961 2016 年夏季 a 降水量和 b 极端降水量线性趋势空间分布以及 c 极端降水量对夏季降水量的贡献率及其 d 线性趋势空间分布Fig. 1 Spatial distribution of linear trend of a summer total precipitation, b extreme precipitation, c the contribution of extreme precipitation to summer total precipitation and d its linear trend in 1961-201650˚N40˚N120˚E30˚N20˚N90˚E50˚N40˚N30˚N20˚N120˚E90˚E50˚N40˚N120˚E30˚N20˚N90˚E50˚N40˚N30˚N20˚N120˚E90˚Ea bc d20100-10-20mm/10a mm/10a20100-10-201050-5-10/10a7550403020注黑点代表通过 0.10 显著性检验的站点。3 持续性、非持续性极端降水的变化特征3.1 变化趋势的空间分布图 2 给出了持续和非持续性极端降水量的线性趋势分布。由图 2a 可知，中国东南部、东北北部及南部、西藏南部等地的非持续性极端降水量增加趋势明显，长江中下游、东北北部甚至可达10 mm/10a 以上；内蒙古中东部、云南西南部、四川中部及西北少部分地区呈减少趋势。对于持续性极端降水量（图 2b，内蒙古中部至湖北东部、东北中部、四川中部、云南西南部及新疆部分地区呈减少趋势，其他地区尤其是东南沿海有显著的增加趋势，趋势大于 10 mm/10a 的地区主要集中在福建、浙江两地。计算持续与非持续性极端降水量之比的线性趋势，若趋势为正，表明极端降水趋于以持续性的形式出现，反之则越来越趋向于以非持续性的形式出现[20]。图 2c 给出持续与非持续极端降水量之比变化趋势的空间分布，可以看出新疆、西藏中部、气候变化研究进展 2018 年440气 候 系 统 变 化图 2 1961 2016 年线性趋势的空间分布 a 非持续性， b 持续性极端降水量变化趋势，以及 c 持续性与非持续性极端降水量之比Fig. 2 Spatial distribution of linear trend of a non-persistent extreme precipitation, b persistent extreme precipitation, c the ratio of persistent extreme precipitation to non-persistent extreme precipitation in 1961-201650˚N40˚N120˚E30˚N20˚N90˚E50˚N40˚N30˚N20˚N120˚E90˚E50˚N40˚N120˚E30˚N20˚N90˚E30˚Na bc1050-5-10/10a注黑点代表通过 0.10 显著性检验的站点。1050-5-10mm/10a1050-5-10mm/10a四川至云南、广西一带、华北大部的趋势均为负，极端降水更加趋于以非持续性的形式出现，有可能与当地更趋干旱的变化特征相联系[21]。此外，山东、河南、湖北及广西少部分地区的趋势也为负值，一方面由于持续性极端降水量减少，另一方面非持续性极端降水的增加趋势大于持续性极端降水，导致两者比值呈减少趋势，极端降水的持续性减弱。同时还可看出，中国东部正趋势的大值区主要集中在浙江、福建及沿海一带，表明这些地区持续性极端降水扮演的角色越来越重要，这一变化不仅容易增加湖泊水域水量，同时，也容易增加山洪、塌方、滑坡、泥石流和城市内涝等灾害的可能性，从而给周边和下游地区的生产生活带来极大的影响，造成巨大的经济和财产损失[13]。3.2 不同区域的时间演变特征上述分析表明，中国东南部两类极端降水趋于增多，华北、西南及西部部分地区趋于减少，对前文中极端降水变化趋势比较显著的区域进行划分，得到以下 4 个区域，华北（北京、河北、天津、山东、河南、内蒙古中部 ，江淮（江苏、浙江、上海、江西、安徽、湖北、湖南 ，华南（福建、广东、广西、海南）及西南（云南、四川 。图 3 给出 4 个区域各自对应的夏季极端降水、持续和非持续性极端降水量距平时间序列。图 3a 和表 1 显示，华北地区 1961 2016 年两类极端降水均呈减少趋势，非持续性极端降水的波动大，极端降水的变化多由非持续性极端降水的变化引起。从图 4a中还可看出，非持续性极端降水对极端降水的贡献率趋于增多，从 1961 1971 年平均的 83 升至2006 2016 年平均的 90，这表明非持续性极端降水的变化逐渐成为极端降水变化过程中的主导因素。因此华北地区极端降水的减少是由持续和非持续性极端降水共同减少导致的，极端降水的持续性结构有向非持续主导转变的趋势。对于华南地区来说（图 3b，持续性和非持续性极端降水量的变化趋势较为一致，都呈增多趋势，1989 年之前两类极端降水年际变化较小， 1989 年之后年际变化较明显且多为正距平，其中 19942009 年正距平异常偏大；图 4b 表明，持续性贡5 期 441贺冰蕊，等中国 1961 2016 年夏季持续和非持续性极端降水的变化特征图 3 1961 2016 年夏季极端降水、持续性、非持续性极端降水量距平时间序列（相对于 1961 1990 年 30 年平均）Fig. 3 Time series of summer extreme precipitation, persistent and non-persistent extreme precipitation anomalies relative to the 30-year average from 1961 to 199019751965a 华北地区 b 华南地区c 江淮流域 d 西南地区6020-20-6010050-50-1002001000-1002001000-10019951985 2015 年2005降水量距平/mm降水量距平/mm降水量距平/mm降水量距平/mm持续性极端降水 非持续性极端降水 极端降水19751965 19951985 2015 年200519751965 19951985 2015 年2005 19751965 19951985 2015 年200519751965a 华北地区 b 华南地区c 江淮流域 d 西南地区19951985 2015 年2005持续性极端降水非持续性极端降水 持续和非持续性极端降水量之比19751965 19951985 2015 年20058019751965 19951985 2015 年2005 19751965 19951985 2015 年200580400贡献率/80400贡献率/80400贡献率/80400贡献率/400比值/400比值/80400比值/80400比值/图 4 1961 2016 年持续和非持续性极端降水量对极端降水量的贡献率（柱状）及持续与非持续性极端降水量之比（曲线）的时间序列Fig. 4 Time-series of contributions of persistent and non-persistent extreme precipitation to extreme heavy rainfall and the ratio of persistent and non-persistent extreme precipitation in a North China, b South China, c Jianghuai region, d Southwest China献率增长趋势为 1.5/10a，且持续与非持续性极端降水量之比有明显上升趋势，说明持续性极端降水的增加对极端降水增加的贡献更大，极端降水有向持续性降水为主导转变的趋势。从江淮流域的距平演变（图 3c）可以看出，持续性和非持续性极端降水量都有非常显著的增多气候变化研究进展 2018 年442气 候 系 统 变 化趋势，分别为 4.2 mm/10a 和 11.6 mm/10a。图 4c表明持续性极端降水对极端降水的贡献趋于增多，1961 1971 年平均贡献率为 18， 2006 2016 年平均贡献率已增至 21.7；江淮流域极端降水的增多是由两类极端降水的共同增多引起的，且持续性极端降水的贡献越来越重要。西南地区两类极端降水量共同的减少趋势使得极端降水趋于减少（图 3d。从图 4d 中可以看出，非持续性极端降水的贡献率较大。表明西南地区非持续性极端降水的变化会对极端降水产生更大影响。 如图 5 所示，华北、西南地区的极端降水的减少是由持续和非持续性极端降水共同减少导致的，非持续性极端降水的减少更为突出；江淮流域和华南地区与之相反，两类极端降水的增多趋势使得极端降水趋于增多，持续性极端降水的贡献越发重要。4 结论和讨论从持续和非持续性极端降水的角度出发，分析中国夏季两类极端降水事件的变化特征，结论如下。1 气候变暖背景下，中国大部分地区的夏季降水和极端降水量都呈增多趋势，但华北及西南地区却呈减少趋势。全国大部分地区极端降水贡献率趋于增加，只有内蒙古、四川及西部部分地区极端降水贡献率趋于减少。 图 5 1961 2016 年夏季降水变化概念模型Fig. 5 Conceptual model of precipitation change in a the Yangtze River Basin and South China, b North China and Southwest China注箭头向上代表增多趋势，向下代表减少趋势，箭头长度代表变化幅度。2 全国大部分地区的持续性和非持续性极端降水呈增多趋势，华北、西南大部及西北少部分地区呈减少趋势。持续与非持续性极端降水量之比的线性趋势表明，华北中部至山东、湖北，西南大部及西藏南部等地的比值趋于减少，其余地区的比值趋于增多。 3 进一步对华北、江淮、华南、西南 4 个代表区域进行分析，发现华北、西南地区的持续和非持续性极端降水量都呈减少趋势，持续性极端降水的减少更为突出，极端降水更多以非持续形式出现；江淮、华南一带，两类极端降水量都呈增多表 1 两类极端降水量线性趋势、两类极端降水对极端降水的贡献率及其线性趋势，持续与非持续性极端降水量之比及其线性趋势（ 1961 2016 年）Table 1 Linear trend of extreme precipitation and two extreme precipitation events, contribution of persistent and non-persistent extreme precipitation and its linear trend, the ratio of persistent and non-persistent extreme precipitation and its linear trend地区降水量 /mm/10a-2.015.813.8-3.6华北 江淮 华南 西南 贡献率极端降水 持续性非持续性降水量之比-0.411.66.9-2.7-1.64.26.8-0.987.880.375.688.2非持续性极端降水 /其线性趋势 //10a1.6-0.9-1.50.212.219.724.311.8-1.60.91.5-0.213.924.532.113.4 -2.51.22.6-0.3注“ *”代表通过 0.05 的显著性检验。***** ***持续性极端降水 /其线性趋势 //10a 持续性 / 非持续性 /其线性趋势 //10a极端强降水a 江淮、华南地区b 华北、西南地区总降水总降水极端强降水持续性极端降水非持续性极端降水持续性极端降水非持续性极端降水向持续性转变向非持续性转变持续性极端降水 非持续性极端降水 总降水5 期 443贺冰蕊，等中国 1961 2016 年夏季持续和非持续性极端降水的变化特征趋势，持续性极端降水的增加更为明显，极端降水更多以持续性形式出现。极端降水及其持续时间的变化很可能是气候变化和大尺度环流变化综合影响的结果。全球变暖背景下，极端降水对气候变化的响应更敏感，并且极端降水与温度的关系也比较密切[1]。研究表明，近50 年来我国地表平均温度上升了 1.3℃左右[12]，地面温度升高可能会使蒸发增强，大气中的水汽含量增加，从而导致区域降水和极端降水的增加[22-23]。本文分析可知，长江流域和华南地区的持续和非持续性极端降水量均有明显的增多趋势，尤其是在1990 年后几乎很少出现负距平，这种增长趋势是否是由于温度升高，水汽增多而导致的持续 3 d以上的极端降水事件通常伴随着持续多日的大尺度环流异常[24-26]，许多研究表明，长江流域的梅雨与中高纬度阻塞高压的维持有密切关系[27-29]，那么近年来中高纬度的阻高是否更易维持维持的时间是否更长以往的研究多从东亚气候的年代际变化的角度解释平均降水“南多北少”型的异常分布[30]，东亚夏季风的减弱，使得华北、黄淮一带降水明显减少[31-32]，那么极端降水的变化是否也和这种年代际变化有关以上问题还需进一步探究。参考文献Easterling D R, Meehl G A, Parmesan C, et al. Climate extremes observations, modeling, and impacts [J]. Science, 2000, 289 5487 2068-2074Frich P, Alexander L, Dellamarta P, et al. Observed coherent changes in climatic extremes during the second half of the twentieth century [J]. Climate Research, 2002, 19 193-212Groisman P Y, Knight R W, Easterling D R, et al. Trends in intense precipitation in the climate record [J]. Journal of Climate, 2010, 18 9 1326-1350Pryor S C, Howe J A, Kunkel K E. How spatially coherent and statistically robust are temporal changes in extreme precipitation in the contiguous USA [J]. International Journal of Climatology, 2009, 29 1 31-45Wu H J, Lau W K. Detecting climate signals in precipitation extremes from TRMM 1998-2013 increasing contrast between wet and dry extremes during the “global warming hiatus” [J]. Geophysical Research Letters, 2016, 43 3 1-9[1][4][3][5][2]Manton M J, Della Marta P M, Haylock M R, et al. Trends in extreme daily rainfall and temperature in Southeast Asia and the South Pacific 1961-1998 [J]. International Journal of Climatology, 2001, 21 3 269-284鲍名 , 黄荣辉 . 近 40 年我国暴雨的年代际变化特征 [J]. 大气科学 , 2006, 30 6 1057-1067Zhai P M, Sun A J, Ren F M, et al. Changes of climate extremes in China [J]. Climatic Change, 1999, 42 1 203-218翟盘茂 , 潘晓华 . 中国北方近 50 年温度和降水极端事件变化 [J]. 地理学报 , 2003, 58 z1 1-10Zhai P M, Zhang X B, Wan H, et al. Trends in total precipitation and frequency of daily precipitation extremes over China [J]. Journal of Climate, 2005, 18 18 1096-1108江志红 , 常奋华 , 丁裕国 . 基于马尔科夫链转移概率极限分布的降水过程持续性研究 [J]. 气象学报 , 2013, 71 2 286-294Zolina O, Simmer C, Gulev S K, et al. Changing structure of European precipitation longer wet periods leading to more abundant rainfalls [J]. Geophysical Research Letters, 2010, 37 6 460-472丁一汇 , 胡国权 . 1998 年中国大洪水时期的水汽收支研究 [J]. 气象学报 , 2003, 61 2 129-145孙建华 , 赵思雄 , 傅慎明 , 等 . 2012 年 7 月 21 日北京特大暴雨的多尺度特征 [J]. 大气科学 , 2013, 37 3 705-718Bai A, Zhai P, Liu X. Climatology and trends of wet spells in China [J]. Theoretical the decreasing trend of persistent extreme precipitation was more significant; extreme precipitation event occurred as non-persistent event. Meanwhile, in the Yangtze River Basin and South China, both extreme precipitation totals increased; especially persistent extreme precipitation increased obviously; extreme precipitation events occurred more as persistent ones.Keywords China; Persistent extreme precipitation; Non-persistent extreme precipitation; Trend; Persistence structureHE Bing-Rui, ZHAI Pan-MaoResearch, 2003, 23 2 149-158张庆云 , 陶诗言 . 亚洲中高纬度环流对东亚夏季降水的影响 [C]//第四次全国动力气象学术会议 , 1997孙建华 , 赵思雄 . 1998 年夏季长江流域梅雨期环流演变的特殊性探讨 [J]. 气候与环境研究 , 2003, 8 3 291-306陶诗言 . 长江流域梅雨锋暴雨灾害研究 [M]. 北京 气象出版社 , 2004吕俊梅 , 祝从文 , 琚建华 , 等 . 近百年中国东部夏季降水年代际变化特征及其原因 [J]. 大气科学 , 2014, 38 4 782-794Wang H J. The weakening of the Asian monsoon circulation after the end of 1970’s [J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2001, 18 3 376-386Ding Y H, Wang Z Y, Sun Y. Interdecadal variation of the summer precipitation in East China and its association with decreasing Asian summer monsoon. Part I observed evidences [J]. International Journal of Climatology, 2008, 28 9 1139-1161[28][29][30][31][32][27]