中国近50a极端降水事件变化特征的季节性差异-大气科学学院

第３２卷第６期大气科学学报Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．６２００９年１２月ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＳｃｉｅｎｃｅｓＤｅｃ．２００９　　收稿日期：２００９０９０８；改回日期：２００９１０１８　　基金项目：国家科技支撑计划课题（２００７ＢＡＣ２９Ｂ０３）；江苏省“六大人才高峰”计划资助项目　　作者简介：陈海山（１９７３—），男，云南易门人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为陆面过程、气候数值模拟与短期预测，[e-mail]．陈海山，范苏丹，张新华．中国近５０ａ极端降水事件变化特征的季节性差异［Ｊ］．大气科学学报，２００９，３２（６）：７４４７５１．中国近５０ａ极端降水事件变化特征的季节性差异陈海山１，范苏丹１，张新华２（１．南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京　２１００４４；２．聊城市气象局，山东聊城　２５２０００）摘要：利用中国４１９个测站１９５８—２００７年逐日降水资料集，分析了近５０ａ中国不同区域年和季节极端降水事件的基本变化特征。结果表明，多年平均极端降水事件的空间分布具有明显的纬向分布特征，并表现出显著的季节性差异。长江以南地区是春、冬季极端降水事件发生频次较高的区域；而年、夏季以及秋季极端降水事件发生频次在西南地区较高，在西北东部较低。年极端降水事件频次的长期变化趋势与夏季相似，华北和东北有增加趋势，其他地区为弱的减少趋势；其他季节的长期变化趋势存在明显的区域和季节性差异。年和季节极端降水事件的发生频次具有显著的年际和年代际变化特征。年极端降水事件时间序列的多项式拟合曲线的变化情况与夏季基本一致；而其他季节的变化则存在较大差异，表现出显著的季节性差异。关键词：极端降水事件；年际和年代际变化；长期趋势；季节性差异中图分类号：Ｐ４６６　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７４７０９７（２００９）０６０７４４０８ＳｅａｓｏｎａｌＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆＶａｒｉａｔｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＥｘｔｒｅｍｅＰｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎＥｖｅｎｔｓｏｖｅｒＣｈｉｎａｉｎｔｈｅＬａｓｔ５０ＹｅａｒｓＣＨＥＮＨａｉｓｈａｎ１，ＦＡＮＳｕｄａｎ１，ＺＨＡＮＧＸｉｎｈｕａ２（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＤｉｓａｓｔｅｒｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＮＵＩＳＴ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００４４，Ｃｈｉｎａ；２．ＬｉａｏｃｈｅｎｇＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＢｕｒｅａｕ，Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ　２５２０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅ１９５８—２００７ｄａｉｌｙｒａｉｎｆａｌｌｄａｔａｏｆ４１９ｓｔａｔｉｏｎｓｉｎＣｈｉｎａ，ｔｈｅｂａｓｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｅａｓｏｎａｌｅｘｔｒｅｍｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｅｖｅｎｔｓｏｖｅｒｓｕｂｒｅｇｉｏｎｉｎＣｈｉｎａｄｕｒｉｎｇｔｈｅｌａｓｔ５０ｙｅａｒｓａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：（１）Ｅｖｉｄｅｎｔｚｏｎａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｓｅａｓｏｎａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓａｒｅｆｏｕｎｄｉｎｔｈｅｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｌｉｍａｔｏｌｏｇｉｃａｌｅｘｔｒｅｍｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｅｖｅｎｔｓ．ＴｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｅｘｔｒｅｍｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｅｖｅｎｔｓｉｎｔｈｅｓｏｕｔｈｏｆｔｈｅＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒｉｓｈｉｇｈｅｒｉｎｓｐｒｉｎｇａｎｄｗｉｎｔｅｒ．Ｈｏｗｅｒｖｅｒ，ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｈｉｇｈｅｒｏｖｅｒＳｏｕｔｈｗｅｓｔＣｈｉｎａｂｕｔｌｏｗｅｒｉｎｔｈｅｅａｓｔｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔＣｈｉｎａ，ｉｎａｎｎｕａｌ，ｓｕｍｍｅｒａｎｄａｕｔｕｍｎｃａｓｅｓ．（２）Ｔｈｅｌｏｎｇｔｅｒｍｔｒｅｎｄｏｆａｎｎｕｌｅｘｔｒｅｍｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｅｖｅｎｔｓｉｓｓｉｍｉｌａｒｔｏｔｈａｔｉｎｓｕｍｍｅｒ．ＡｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｒｅｎｄｉｓａｌｓｏｆｏｕｎｄｉｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａａｎｄＮｏｒｔｈｅａｓｔＣｈｉｎａ，ｂｕｔｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｔｒｅｎｄｓｉｎｏｔｈｅｒｒｅｇｉｏｎｓ．（３）Ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｅｘｔｒｅｍｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｅｖｅｎｔｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅａｓｏｎｓｅｘｈｉｂｉｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｔｅｒａｎｎｕａｌａｎｄｉｎｔｅｒｄｅｃａｄａｌｖａｒｉａｂｉｌｉｔｉｅｓ．Ｔｈｅｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｔｉｍｅｓｅｒｉｅｓｏｆａｎｎｕａｌｅｘｔｒｅｍｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｅｖｅｎｔｓａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈａｔｏｆｔｈｅｓｕｍｍｅｒｉｎｍｏｓｔｃａｓｅｓ，ａｎｄｔｈｅｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｅｘｔｒｅｍｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｅｖｅｎｔｓｉｎｏｔｈｅｒｓｅａｓｏｎｓｓｈｏｗｓｇｒｅａｔｄｉｖｅｒｓｉｔｙａｓｗｅｌｌａｓｅｖｉｄｅｎｔｓｅａｓｏｎａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｔｒｅｍｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｅｖｅｎｔ；ｉｎｔｅｒａｎｎｕａｌａｎｄｉｎｔｅｒｄｅｃａｄａｌｖａｒｉａｂｉｌｉｔｉｅｓ；ｌｏｎｇｔｅｒｍｔｒｅｎｄ；ｓｅａｓｏｎａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ０　引言ＩＰＣＣ第三次评估报告［１］指出，气候变暖的趋势将在短期内难以逆转［２］，ＩＰＣＣ第四次评估报告［３］继续强调了全球变暖的趋势，并指出在全球变暖的大背景下，极端事件将在２１世纪变得更加频繁、更加普遍、更加强烈［４６］。之前的观测与理论研究表明，与气候平均态相比，极端气候事件对气候变化更敏感，平均气候的微小变化可能引发极端气候的频率、强度较大的变化［７８］。因此选取适当的气候代用指数［９１０］，分析研究极端降水事件发生发展的时空特征以及规律，是极端事件评估、预测研究的重要基础性工作。国内外学者通过对极端降水的观测研究指出，在全球变暖背景下，总降水量增大区域的强降水事件极可能有明显的增加趋势，即使平均总降水量减少或不变，也存在着强降水量及其频次增加的现象。在这方面，中外学者都做了很多工作。Ｔａｎｋ等［１１］、Ｋｕｎｋｅｌ等［１２］、Ｇｏｓｗａｍｉ等［１３］和Ｐｅｔｅｒｓｏｎ等［１４］分别对欧洲、美国、加拿大、印度中部及加勒比海地区的极端降水事件做了分析，并得到了大致相似的结论，即在全球变暖环境下，极端事件的发生频次呈上升趋势。很多学者对近５０ａ来中国极端气候变化的情况进行了研究［１５１６］，认为中国地区的极端降水变化态势与全球的态势基本一致，但表现出明显的区域性特点。翟盘茂等［１７］提出了定义极端值和极端值阈值的方法，研究了中国北方近５０ａ温度和降水极端事件的变化，结果表明华北地区强降水事件趋于减少，但西北地区强降水事件趋于增多；定义了标准化降水异常并分析全年、冬半年、夏半年日降水频次、日降水量等的长期趋势以及年际、年代际变化情况［１８］。刘学华等［１９］比较了１９６１—１９７５年和１９７６—２０００年２个时段的极端降水事件，指出第２时段较第１时段的年雨日数减少，但强降水日数和平均降水强度增大，且极端降水正线性变化趋势范围比第１时段明显增大。翟盘茂等［２０］研究认为，我国近５０多年降水强度普遍趋于增加，降水日数除西北地区外其他大部分地区显著减少。极端降水与总降水量变化之间的关系很密切，西北西部、长江及其以南地区极端强降水事件趋于频繁，华北地区虽然极端降水事件频数明显减少，但极端降水量占总降水量的比例仍有所增加。杨金虎等［２１２２］分析了年极端降水事件年代际的变化情况，并引入集中度和集中期两个新参数，对年内非均匀性特征进行了分析。还有很多学者着重研究了我国各地区的极端降水事件的变化特征［２３２９］。之前的研究大都集中在年极端降水事件上，然而极端降水事件对季节的依赖性很强，季节性差异显著，因此分析极端降水事件的季节性差异状况是很有必要的。本文将着重对各季节极端降水事件进行全面分析，详细探讨中国各地区极端降水事件的时空分布特征、气候趋势变化以及区域性年际、年代际变化特征等方面存在的差异。１　资料与方法采用全国７３８个测站的逐日降水资料集，考虑到资料时间序列问题，去除了由于台站本身资料缺失较多（缺测大于５％的站点）以及台站搬迁造成资料不连续的情况，最后选取了４１９站用于本文的分析，资料时间序列为１９５８—２００７年共５０ａ。图１为所选取４１９个站点的分布情况。图１　中国４１９站的分布情况Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆ４１９ｓｔａｔｉｏｎｓｉｎＣｈｉｎａ由于我国幅员辽阔，地形地貌多样，降水具有很强的局地性，不能绝对地规定极端降水事件标准，应考虑不同地区的气候状况和实际降水量大小。本文依据翟盘茂等［１７］对极端降水事件的定义方法，把１９５８—２００７年逐年湿日（日降水量≥０１ｍｍ）降水量序列的第９５个百分位值的５０ａ平均值定义为极端降水事件的阈值，当某站某日降水量超过这一阈值时，就称之为极端降水事件。具体参照Ｂｏｎｓａｌ等［３０］的计算方法：如果某个气象要素有ｎ个值，将这ｎ个值按升序排列ｘ１，ｘ２，…，ｘｍ，…，ｘｎ，某个值小于或等于ｘｍ的概率为Ｐ＝（ｍ－０３１）／（ｎ＋０３８）。其中：ｍ为ｘｍ的序号；ｎ为某个气象要素值的个数。第９５个百分位值是指Ｐ＝９５％所对应的ｘｍ值。５４７第６期陈海山，等：中国近５０ａ极端降水事件变化特征的季节性差异本文采用了线性回归、多项式拟合等分析方法，此外时间序列的生成则采用了面积加权平均法［３１］。图２　多年平均极端降水事件的空间分布（单位：次／ａ）　　ａ．年；ｂ．春季；ｃ．夏季；ｄ．秋季；ｅ．冬季Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｌｉｍａｔｏｌｏｇｙｏｆｅｘｔｒｅｍｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｅｖｅｎｔｓ（ｕｎｉｔｓ：ａ－１）　　ａ．ａｎｎｕａｌ；ｂ．ｓｐｒｉｎｇ；ｃ．ｓｕｍｍｅｒ；ｄ．ａｕｔｕｍｎ；ｅ．ｗｉｎｔｅｒ２　极端降水事件的空间分布特征２１　多年平均分布特征首先分析极端降水事件的多年平均空间分布情况。图２给出了年以及各季节多年平均的极端降水事件频次的空间分布。从图２ａ可以看出，四川东南部、贵州大部极端降水事件频次较大，长江以南地区也是极端降水事件发生的高值区，大都在８次／ａ以上；新疆东部以及内蒙古西部地区则相对较少；除东北东部地区，多年平均的年极端降水事件频次具有明显的纬向分布特征，自北向南逐渐增大，而到广东、福建等地又略有减小。春季（图２ｂ）的多年平均极端降水事件分布情况与年类似，总体也呈现出自北向南逐渐增大的趋势，湖北、湖南、江西、广东等地为发生频次的高值区，广西、广东等地则略少；内蒙古、甘肃西部地区极端降水事件最少。夏季（图２ｃ），大值区位于西藏东部以及西南地区；而低值区则位于新疆、青海、甘肃北部以及内蒙古西部。我国东部地区极端降水事件频次分布大体一致，其中华南地区发生频次较多。秋季（图２ｄ），高值区位于西６４７大气科学学报第３２卷　南大部分地区，小值区位于内蒙古、甘肃西部；在我国东部地区，湖南、湖北以及福建、浙江等地极端降图３　极端降水事件长期趋势的空间分布（单位：次／（１０ａ）；实心图标为通过００５显著性水平检验的站点）　　ａ．年；ｂ．春季；ｃ．夏季；ｄ．秋季；ｅ．冬季Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇｔｅｒｍｔｒｅｎｄｓｏｆｅｘｔｒｅｍｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｅｖｅｎｔｓ（ｕｎｉｔｓ：（１０ａ）－１；ｔｈｅｃｌｏｓｅｄｍａｒｋｓｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｉｏｎｓｐａｓｓｅｄｔｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｔｅｓｔｏｆα＝００５）　　ａ．ａｎｎｕａｌ；ｂ．ｓｐｒｉｎｇ；ｃ．ｓｕｍｍｅｒ；ｄ．ａｕｔｕｍｎ；ｅ．ｗｉｎｔｅｒ水事件发生频次也较多。冬季多年平均的极端降水事件频次的空间分布与春季及年的情况