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受理稿件

1961年至2016年中国持续性和非持续性极端降水的变化

何冰瑞，翟盘茂

PII: S1674-9278(18)30061-3

DOI: 10.1016/j.accre.2018.08.002

参考: ACCRE 136

刊登于: Advances in Climate Change Research

接收日期：2018年7月3日

修订日期：2018年8月19日

接受日期：2018年8月31日

请引用本文：Bing-Rui, H., Pan-Mao, Z., Changes in persistent and non-persistent extreme precipitation in China from 1961 to 2016, Advances in Climate Change Research (2018), doi: 10.1016/ j.accre.2018.08.002.

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1961年至2016年中国持续性和非持续性极端降水的变化

何冰瑞，翟盘茂

中国气象科学研究院，北京100081

摘要：本研究中基于1961年至2016年2480个台站的日测量降水数据，使用第95百分位数确定夏季（6月 - 8月）极端降水事件，分析了中国的持续性降水（持续至少2天）和非持久性（1 d）极端降水的变化。结果表明，在全球变暖的背景下，中国大部分地区极端降水对夏季总降水量的贡献增加，而内蒙古中部和四川盆地则呈下降趋势。在中国北方和西南地区，持续性和非持久性极端降水均减少；持续极端降水的减少趋势更为突出；因此，极端降水事件更多地发生在非持续性事件中。同时，在长江流域和华南地区，两种极端降水不断增加，特别是持续的极端降水；持续的极端降水比非持续性降水发生得更多。

关键词：持续极端降水；非持续性极端降水；持续性结构；中国

1. 介绍

气象灾害是世界上最致命和最具破坏性的自然灾害之一，主要是由极端事件而非平均气候的变化引起的（Plummer等，1999）。在世界各地的气候变化下发生了许多天气和极端气候事件，它们对人类社会和生态环境造成了严重影响（Easterling等，2000；Frich 等，2002）。例如，自1961年以来，极端降水量在广阔的陆地面积上显著增加（Groisman 等，2010； Pryor等，2009；Wu和Lau，2016）；极端降水事件经常发生在北美和中美洲；在南欧和地中海地区发现了强降水增加和中度降水减少；东亚极端降水的强度和频率也显着增加（Manton等，2010）。

中国经常受到各种天气和气候极端事件的袭击。极端降水总是与洪水灾害有关。Bao和 Huang（2006）发现，夏季暴雨多发生在长江中下游、华南、川中、川东、黄淮地区和华北东部。研究发现，极端降水量的变化与中国许多地区的年降水量变化密切相关（Zhai 等，1999）。研究进一步指出，中国西部，长江中下游和华南地区的极端降水增加，而华北 和四川盆地的降水量减少（Zhai和Pan，2003; Zhai等，2005）。Zhai等人 （2005）声明， 由于降水强度和频率的增加，中国西部的日降水量增加，而且中国西部的极端降水量显著增加。

除总量和强度外，持续时间是衡量降水变化的另一个重要因素。持续性降水事件与洪水和其他灾害息息相关（Jiang等，2013; Zolina等，2010）。例如，1998年的一次12级极端降水事件引发了长江流域的严重洪水，导致死亡人数超过3000人，直接经济损失达2500亿（Zhang，2001; Ding，2003）。 2012年7月21日北京及周边地区的暴雨是另一个典型的极端降水事件。虽然持续时间很短，但北京地区20个国家气象站中有11个降水测量量超过了每日降水量记录。 79人在此次暴雨中丧生，总经济损失据估计超过100亿（Sun 等，2013）。研究发现，中国西部大部分地区的降雨量和雨天持续时间趋于增加，而华北，中部和中国东南地区的降雨量 和降雨持续时间均显著下降（Bai等，2007）。 Chen和Zhai（2014）的报告表明，中国西南地区的特征是短期持续和1-d降水;长期持续降水与总降水的比例显著下降。极端降水事件主要发生在夏季和东南沿海的长江以南冬季地区（Min和Qian，2008）。 Chen和Zhai（2013）表示，持续极端降水主要发生在长江流域和华南地区，并且比其他地区持续时间更长，降水更强烈，特别是华北地区。

过去大多数的降水研究主要集中在数量、频率和强度的变化上，有些则关注持续降水的变化。然而，这些研究对在不同时间尺度上发生的极端降水持久性结构的变化的理解有限。因此，基于中国气象局国家气象信息中心提供的2480个降水观测站，本研究考察了1961 - 2016年中国持续性和非持久性极端降水事件变化的空间分布，以及时间变化研究了代表性区域极端降水持久性结构。了解中国降水极值的这些变化必然会有利于中国的水资源管理，自然灾害预防和减缓，以及可靠的未来气象灾害预测。

2. 数据和方法

2.1 数据

1961 - 2016年的每日雨量计观测资料是从中国2480个台站的每日降水数据集中选择的，该数据集由中国气象局国家气象信息中心提供。该数据集受到严格的质量控制，当缺失值率超过5％时，站点数据就会被移除。经过这些程序，最终保留下的有1899个台站（图1）。夏季平均值是指当年6月至8月的平均值，选择1961-1990的平均值作为气候均值。

图1.所选站点的分布

2.2 方法

对于不同的区域，绝对日降水阈值不能用于定义极端降水事件。因此，需要使用百分位数确定极端降水阈值。通过对每个站从1961年到2016年的所有夏季降水数据（每日降水 0.1mm）按升序排序，以获得每日夏季降水序列。将降水序列的第95百分位定义为阈值。 如果超过极端降水阈值的每日降水持续连续n天，则定义其为持续n天的极端降水事件，并将极端降水的第一天视为持续极端降水事件的开始。

许多与天气有关的灾害与长期（持续）极端事件有关，这些事件可能直接或间接地造成严重的社会经济损失（Easterling等，2000）。在这项研究中，极端降水事件分为两类：非持久性（孤立的1-d事件）和持久性（ge;2d）。这两种类型的事件彼此独立，没有重复计算。为更好地研究极端降水持久性结构的变化，我们计算了持久性与非持久性极端降水量的比值。比率越高，极端降水越持久；比率越低，非持久极端降水越多。为了阐明连续极端的区域特征，根据自然地理和气候特征，将中国进一步细分为西南，华北，华南和长江流域四个区域。使用算术平均法计算区域平均值。在这项研究中，需要用简单的线性回归方法来检测线性趋势。

3. 总降水量和极端降水量的变化

作为进一步研究的背景，图2提供了夏季总降水量，极端降水量和极端降水对夏季降水的贡献率的线性趋势，以及1961 - 2016年贡献率的线性趋势。

结果表明，中国大部分地区夏季降水总量增加，特别是在中国东南部，西藏南部和东北的北部。华东，华南，西藏东南部和黑龙江北部的增长趋势甚至超过20毫米每十年（图2a）。从内蒙古中部和东部到中部，四川和云南东北部，夏季降水总量呈显着下降趋势。云南西南部的减少趋势是每十年超过20毫米。那些在90％置信水平上具有统计显着性的台站主要集中在云南和四川东部，表明中国西南地区的降水量普遍呈下降趋势。中国中部和东部的极端降水增加趋势显着（图2b），特别是在江苏和浙江省。华北中部，云南西南部和四川中部的极端降水呈下降趋势。极端降水和总降水量变化的分布是一致的，并且彼此密切相关（Zhai 等，1999）

图2.（a）夏季总降水量线性趋势的空间分布（毫米每十年），（b）极端降水线性趋势的空间分布（毫米每十年），（c）极端降水对夏季总降水量的贡献的空间分布（％），以及（d）1961 - 2016年的贡献线性趋势空间分布（％每十年）（黑点表示那些在90％置信水平上具有统计显著性的站点的正/负趋势）。

极端降水量与夏季降水总量的比值可以反映极端降水造成的气象洪水风险（Zhai 等，2017）。从贡献率的空间分布来看（图2c），中国的总体贡献率一般在30％以上；中部地区，华东地区和华北地区的贡献率主要为40％-50％；西藏，新疆青海和甘肃北部的贡献率甚至高于50％，这些地区主要受大陆性气候的影响，表明中国西部夏季降水量主要取决于最强的5％的极端降水。在极端降水显著影响的地区，夏季降水变化主要是由极端降水的变化引起的。然而，云南极端降水的贡献小于30％，表明极端降水的变化只能解释部分夏季降水的变化。从贡献率线性趋势的空间分布（图2d）可以看出，极端降水的总贡献率主要为显着增加趋势，这表明极端降水在过去60年中发挥了重要作用， 仅在内蒙古，四川，黑龙江中部和河南省西北部地区呈下降趋势。

4. 持续性和非持续性极端降水的变化

4.1 空间模式

图3显示了持续性和非持续性极端降水的线性趋势的空间分布。结果表明，中国东南部，东北北部和南部以及西藏南部的非持续性极端降水增加；非持续极端降水每十年增加 10毫米以上，特别是长江中下游和东北的东北部地区，表明一维极端降水事件在这些地区起着重要作用（图3a）。云南西南部，四川中部和西北地区的一小部分地区呈现出明显的下降趋势。对于持续的极端降水（图3b），一些地区有降低趋势，如内蒙古中部，鄂东，中国东北，川中，云南西南部和新疆部分地区。相比之下，在东南沿海地区发现了显着的增长，每十年的趋势大于10毫米，集中在福建和浙江省。结果表明，随着持续的极端降水增加，东南沿海将面临更严峻的挑战。

图3.（a）非持久性极端降水（毫米每十年）的线性趋势的空间分布，（b）持续的极端降水（毫米每十年），以及（c）1961 - 2016年持续极端降水与非持续极端降水的比率降水量（％每十年）（黑点显示这些站点的正/负趋势在90％置信水平上具有统计显着性）

为了研究中国极端降水的持续性结构是否在1961 - 2016年间发生了变化，我们计算了持续性和非持久性极端降水比率的线性趋势。如果趋势为正，则表明极端降水的变化逐渐由持续的极端降水变化支配;否则，它表现为受非持续极端降水变化的支配（Zolina等，2010）。图 3c显示了比率趋势的空间分布；新疆，西藏中部，四川至云南，广西和华北地区的趋势均为负；这些地区可能会遇到更干燥的条件，因为极端降水以一维极端降水形式出现。此外， 山东，河南，湖北和广西两省的趋势也是负的，因为持续的极端降水呈负趋势，非持续性极端降水的增加趋势优于持续极端降水，导致比率下降的趋势；因此，极端降水的持续存在被削弱。同时，中国东部地区呈现积极趋势的地区主要集中在浙江，福建和沿海地区， 表明这些地区持续的极端降水起着越来越重要的作用。持续极端降水的增加可以增加地表径流，导致更多的洪水和泥石流，对周边和下游地区的经济和安全产生重大影响，造成巨大的经济和财产损失。

4.2 四个代表区域的变化

上述分析表明，中国东南地区的两种极端降水量趋于增加，但华北，西南地区和中国西部地区的极端降水量趋于减少。极端降水最显著的地区可分为华北（北京，河北，天津， 山东，河南，内蒙古中部），长江流域（江苏，浙江，上海，江西，安徽，湖北，湖南），华南（福建，广东，广西，海南），中国西南（云南，四川）这四个区域。

图4显示了四个区域中每个区域的极端降水，持久性和非持久性极端降水的时间变化。在1961 - 2016年期间，中国北方两种极端降水（图4a）的从统计上看趋势为负。非持久极端降水的幅度相比持续极端降水异常的大。此外，非持续性极端降水主要是华北地区的极端降水（图5a）。非持续极端降水的贡献率从1961 - 1971年的平均83％增加到2006 - 2016年的平均90％，表明极端降水的变化主要来自非持续极端降水的变化。总体而言，由于持续性和非持续性极端降水的减少，华北地区的极端降水减少。极端降水倾向于更持久。

图4.1961-1990四个地区极端降水，持久性和非持久性极端降水异常的时间序列

（a）华北地区（b）华南地区（c）长江流域（d）中国西南部

图5. 1961- 2016年中国四个地区持续性和非持久性极端降水对极端降水

（柱状）和持久性与非持久性极端降水（曲线）的比值的贡献的时间序列

（a）华北地区（b）华南地区（c）长江流域（d）西南地区

对于华南地区（图4b），持久性和非持久性极端降水的趋势更加一致，并且它们都呈现出增加的趋势。两种极端降水的年际变化在1989年之前较小，但在1989年以后增加，特别是在1994 - 2009年期间出现了异常的增长趋势。极端降水主要是非持续极端降水（图5b）。持续极端降水的贡献以每十年1.5％的速度增加。持续极端降水与持续极端降水比值呈显著上升趋势，表明持续极端降水的增加对极端降水的增加贡献较大；因此，极端降水的持久性结构趋于持久。

从长江流域极端降水的时间变化（图4c）可以看出，持续性和非持续性极端降水分别增加了11.6毫米每十年和4.2毫米每十年。极端降水主要由非持续性极端降水组成（图 5c），但持续极端降水的贡献趋于增加（95％显着水平）。平均10年贡献率从18.0％（1961-1971）

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