華南后汛期極端降水特征及變化趨勢

李麗平，許冠宇，成麗萍，章開美，柳艷菊

(1.南京信息工程大學氣象災害省部共建教育部重點實驗室，江蘇南京210044;2.南京信息工程大學大氣科學學院，江蘇南京210044;3.江西省氣象服務中心，江西南昌330046;4.國家氣候中心，北京100081)

0 引言

全球變暖背景下極端氣候事件的變化已引起國際社會廣泛關注。近10 a來，國際上對極端天氣氣候事件進行了許多研究(Tank and Knnen，2003;Alexander et al.，2006;Goswami et al.，2006;IPCC，2007;Zhang et al.，2007;Alexander et al.，2009;Choi et al.，2009)，包括對主要極端天氣氣候事件頻率和強度年代際變化特點及長期趨勢的分析，以及對未來氣候極端事件可能發生頻率變化的模擬分析等。IPCC(2007)對2007年之前的相關研究進行了系統總結，指出陸地大部分地區強降水比例在增加。我國極端降水事件的發生頻率也在增加，并具有明顯的區域性和季節變化趨勢(丁一匯等，2006;翟盤茂等，2007;任國玉等，2010)。Zhai et al.(2005)的研究表明，近40 a中國東部年平均降水強度極端偏強的趨勢較為顯著，華北地區強降水事件趨于減少，西北大部分地區極端降水事件呈明顯增長趨勢，東北西部也趨于增加，長江流域降水增加主要是由于降水強度加大且極強降水事件增多。蘇布達等(2006)指出，1986年以來長江流域極端降水出現了顯著增加趨勢。孫鳳華等(2007)發現，近50 a來我國東北地區降水極端事件有向極端化發展的傾向。錢維宏等(2007)指出，我國極端降水有增多的趨勢，華南在1991年出現了轉濕的突變。楊金虎等(2008a)指出，西北地區45 a來極端降水事件的變化表現出了明顯的區域性特征，北疆地區表現為顯著的增加趨勢，而西北地區東南部表現為顯著的減少趨勢。張婷和魏鳳英(2009)指出，華南地區年降水量在1992年經歷了一次由減少趨勢到增加趨勢的突變，日最大降水量和年平均暴雨日數間有很好的相關關系。李麗平等(2010)指出，20世紀90年代以來，華南前汛期總降水量的顯著增加與極端降水量、極端降水頻率以及暴雨日數顯著增加密切相關，且極端降水量異常程度明顯增強。

綜上可見，國內外氣象學者對極端降水事件進行了許多研究，但對中國華南極端降水特征的研究還較少。華南是我國降水最多的地區之一，有些年份降水范圍廣、強度大、持續時間長，造成洪澇;而有些年份降水卻很少，造成旱災。華南降水季節分為前汛期和后汛期。因極端降水事件的特征在不同季節、不同區域存在顯著差異，故本文將重點研究近40 a我國華南后汛期(7—9月)極端降水的時空演變特征，研究結果對華南地區短期氣候預測和防災減災有一定意義。

1 資料和方法

本文采用中國國家氣象信息中心提供的1969—2008年753站逐日降水資料，選取(106～120°E，20～28°N)作為研究區域。剔除降水資料長度不足40 a的站點，最后選取89個測站代表華南地區，站點分布見圖1。考慮海南水汽來源的特殊性(丁菊麗等，2009)，本文略去海南站點。

圖1 華南地區89個代表站分布Fig.1 Spatial distribution of 89 stations in South China

根據國家氣候中心發布的極端降水統計指標，本文選用了其中5個指標來研究華南極端降水特征，即總降水量、強降水量、降水頻率、強降水頻率和暴雨頻率，各指標定義如表1所示。

表1 本文選用的極端降水統計指標及其定義Table 1 The statistical in dices and their definitions of extreme precipitation selected by this paper

極端降水事件的定義參照翟盤茂與潘曉華(2003)的研究，將1969—2008年逐年7—9月日降水量由小到大進行排序，位于第95百分位值的40 a平均值定義為極端降水的閾值。當某站某日降水量超過該閾值時，則稱該站發生了極端降水事件。

第95個百分位降水量的計算方法(Bonsal et al.，2001)如下。

把降水序列按升序排列x1，x2，…，xm，…，xn，某個值小于或等于xm的概率為

式中:m為xm的序號;n為降水序列值的個數，這里n=92，即7—9月的總天數。第95百分位值是指p=95%所對應的xm值。求解上式得m=88.1。取第95百分位上的值為排序后的x88(p=94.9%)和x89(p=96.0%)的線性插值(楊金虎等，2008b)。

2 華南后汛期極端降水空間分布特征分析

由1969—2008年共40 a平均的華南后汛期極端降水量閾值空間分布(圖2)可見，極端降水量閥值分布存在明顯的區域差異。廣東和廣西的南部及福建西南部閥值大于區域平均值(整個區域極端降水閥值平均值為33.7 mm·d－1);貴州、湖南、江西的南部和福建大部地區閥值相對較小。

圖2 華南后汛期多年平均極端降水量閾值空間分布(單位:mm·d－1;陰影區表示大于等于35 mm·d－1)Fig.2 Spatial distribution of the threshold of multi-year mean heavy rainfall during the post-flood season in South China(units:mm·d－1;the regions area with values greater than or equal to 35 mm·d－1 are shaded)

圖3為華南后汛期近40 a平均的總降水量、強降水量、降水頻率、強降水頻率、暴雨頻率空間分布，各指標的區域平均值依次為539.0 mm、261.6 mm、45.7%、4.7%、2.4%。對比圖3a—e可見，廣東和廣西南部多年平均總降水量較大的區域，其多年平均強降水量、降水頻率、強降水頻率以及暴雨頻率也大，且都與華南后汛期多年平均強降水量閾值空間分布(圖2)相似。強降水頻率的局地特征更明顯，且除貴州外，其他各省均有強降水頻率高值中心，這表明華南大部分地區強降水發生頻率都高。上述分析表明，本文所選各極端降水指標能很好反映華南后汛期極端降水空間分布特征，強降水量、降水頻率和暴雨頻率很大程度影響著華南后汛期總降水量的空間分布。

進一步計算了華南后汛期區域平均總降水量與其他極端降水指標序列的相關系數，如表2所示。可見，相關系數全部通過0.01信度的顯著性檢驗。其中，強降水量、強降水頻率、暴雨日數與總降水量的相關系數均大于0.9，說明本文所選極端降水指標對華南整個區域后汛期總降水量的時間變化有很好的指示意義，特別是強降水量、強降水頻率和暴雨頻率。

表2 華南后汛期區域平均總降水量與各極端降水指標的相關系數Table 2 Correlation coefficients between region averaged total precipitation and extreme rainfall in dices in the post flood season of South China

3 華南后汛期極端降水長期線性趨勢分析

3.1 均值分析

圖3 華南后汛期40 a平均的各極端降水指標空間分布(陰影區值大于區域平均值)a.總降水量(mm);b.強降水量(mm);c.降水頻率(%);d.強降水頻率(%);e.暴雨頻率(%)Fig.3 Spatial distributions of extreme precipitation indices averaged form 1969 to 2008 during the post-flood season in South China(The regions with values larger than the region averaged values are shaded)a.total precipitation(mm);b.heavy rainfall amount(mm);c.rainfall frequency(%);d.heavy rainfall frequency(%);e.rainstorm frequency(%)

為了解近40 a華南后汛期極端降水的長期變化趨勢，給出了40 a平均的總降水量、強降水量、降水頻率、強降水頻率和暴雨頻率區域平均的時間序列(圖4)。可見，所有極端降水指標均在1992—1993年間發生了一次躍變。除降水頻率外，總降水量、強降水量、強降水頻率和暴雨頻率的均值在1992年之后(T2時段)均較之前(T1時段)明顯增加。為驗證兩個時段均值的差異在統計上是否顯著，采用t檢驗方法(魏鳳英，2009)，分別計算了各指標在兩個時段的均值以及均值差異顯著性檢驗的統計值t(表3)。可見，除了降水頻率外，總降水量、強降水量、強降水頻率以及暴雨頻率在兩個時段的均值存在顯著差異，差異程度通過0.05信度(ta=2.02)的顯著性檢驗，說明1992年以來，華南后汛期總降水量、強降水量、強降水頻率和暴雨頻率均較1992年前顯著增加。張婷和魏鳳英(2009)指出，1992年以來華南后汛期強降水量和日極端降水強度顯著增加或增強，與本文結論一致。李麗平等(2010)在研究華南前汛期極端降水趨勢特征時也得到類似結論，但不同的是，在1985年前后華南前汛期還存在一次轉折，而后汛期則沒有。

圖4 1969—2008年區域平均的華南后汛期極端降水指標時間序列(實直線分別為T1、T2時段的平均值;虛線分別為T1、T2兩個時段的線性趨勢線)a.總降水量(mm);b.強降水量(mm);c.降水頻率(%);d.強降水頻率(%);e.暴雨頻率(%)Fig.4 Time series of region averaged extreme rainfall indices in the post-flood season of South China from 1969 to 2008(solid straight lines represent average value during T1or T2period;dashed lines represent linear trend during T1or T2period)a.total precipitation(mm);b.heavy rainfall amount(mm);c.rainfall frequency(%);d.heavy rainfall frequency(%);e.rainstorm frequency(%)

3.2 方差分析

注意到圖4中各極端降水指標的變化振幅在1992年之后(T2時段)要較之前(T1時段)明顯增大，說明極端降水指標異常增大，發生極端旱澇的可能性增大。為了解這兩個時段振幅的差異在統計上是否顯著，采用F檢驗方法(魏鳳英，2009)，對兩個時段的方差進行顯著性檢驗。為此，計算了各極端降水指標在兩個時段的均方差以及方差差異顯著性檢驗的統計值F(表4)。可見，除降水頻率外，各極端降水指標方差在T2時段均明顯大于T1時段，均通過0.1信度(=2.14)的顯著性檢驗，總降水量、強降水量和強降水頻率還通過0.05信度(=2.49)的顯著性檢驗。這表明，1992年以來華南后汛期總降水量和各極端降水指標異常強度都較1992年以前顯著增強。

表3 各極端降水指標在兩個時段的均值u以及均值差異顯著性檢驗的統計值tTable 3 The average values u and the statistic valuest of mean difference significance test for extreme rainfall indices during two different periods

表4 兩個時段各極端降水指標的均方差Ia以及方差差異顯著性檢驗的統計值FTable 4 The mean square deviation Iaand the statistic values F of variance difference significance test for extreme rainfall indices during two different periods

3.3 線性趨勢分析

分析華南后汛期近40 a區域平均總降水量和各極端降水指標的長期變化線性趨勢(圖略)發現，它們都不顯著。分別對T1和T2時段總降水量和各極端降水指標的線性趨勢(圖4中虛線)進行研究，可見:T1和T2時段總降水量和各極端降水指標均呈線性遞減趨勢;整體而言，T2時段各指標的線性遞減趨勢更顯著，趨勢系數見表5。由表5可見，總降水量和降水頻率的線性遞減趨勢均通過了0.01信度的顯著性檢驗，降水頻率還通過了0.05信度的顯著性檢驗。

圖5給出了華南后汛期1992年之前和之后降水頻率的線性趨勢分布。可見，轉折之前和之后兩個時段線性遞減顯著區域存在一定差異，1992年之前遞減趨勢明顯的區域位于廣西、廣東西南部、貴州和湖南南部，轉折后主要位于廣東中東部、廣西中北部以及貴州和湖南南部、江西和福建少部分地區。

4 結論與討論

本文選用中國國家氣候中心提出的描述極端降水特征的5個指標，即總降水量、強降水量、降水頻率、強降水頻率和暴雨頻率，對近40 a華南后汛期極端降水的時空演變特征進行了研究，得到以下主要結論:

1)多年平均總降水量、強降水量、降水頻率、強降水頻率以及暴雨頻率與強降水量閾值空間分布一致，廣東和廣西的南部及福建西南部為大值區;強降水量、降水頻率及暴雨頻率很大程度影響著華南后汛期總降水量的空間分布;強降水量、強降水頻率、暴雨頻率對后汛期總降水量的時間變化有很好的指示意義。

2)華南后汛期極端降水長期線性變化趨勢不明顯，但在1992—1993年間發生一次明顯的年代際轉折，兩個時段的統計特征也發生明顯轉折。各極端降水指標(降水頻率除外)的均值在1992年之后較之前時段明顯增加，差異程度通過0.05信度的顯著性檢驗。各極端降水指標方差在1992年之后也明顯大于之前時段，差異程度通過0.1信度的顯著性檢驗，總降水量、強降水量和強降水頻率還通過0.05信度的顯著性檢驗。說明1992年以來華南后汛期總降水量和極端降水增多，異常程度增強，發生旱澇的情況增多。

3)199 2年之前和之后兩個時段總降水量和各極端降水指標均呈線性遞減趨勢，總降水量、降水頻率遞減趨勢更顯著，轉折前后兩個時段線性遞減顯著區域存在一定差異。

將本文研究結果與之前對華南前汛期極端降水時空演變特征分析的結果(李麗平等，2010)對比發現，華南前、后汛期極端降水時空演變特征既有相同點，也存在明顯差異。相同之處是，前、后汛期各極端降水指標大多數(后汛期的降水頻率除外)在1992年前后發生一次躍變，各極端降水各指標均值和方差在1992年之后較之前均呈顯著增加趨勢。不同之處是，前汛期極端降水在1984—1985年前后還發生一次突變，而后汛期則沒有這種情況。后汛期降水頻率與其他極端降水指標的均值與方差變化特征不一致，1992年前后兩個時段降水頻率均值和方差的差異不顯著，但降水頻率的線性遞減趨勢在1992年之前和之后均通過了0.05信度的顯著性檢驗。

表5 兩個時段華南后汛期總降水量和各極端降水指標的線性趨勢系數Table 5 The linear trend coefficients of total precipitation and extreme rainfall indices in the post-flood season of South China during two different periods

圖5 華南后汛期1992年之前(a)和之后(b)降水頻率線性趨勢系數的分布(單位:%·(10 a)－1;陰影區表示通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.5 Spatial distributions of linear trend coefficients of rainfall frequency in the post-flood season of South China(a)before and(b)after 1992(units:%·(10 a)－1;Shadings denote the significant at 95%confidence level)

關于華南汛期年代際轉折的原因，一些學者也進行了研究。如:張婷和魏鳳英(2009)研究指出，南半球澳大利亞高壓和馬斯克林高壓的強度變化是華南汛期降水異常的重要氣候背景，即當兩高壓處在同時增強時期時，華南前汛期極端降水處于偏少階段，后汛期則處于偏多階段。姚才和錢維宏(2010)研究指出，華南6月降水存在1980—1989年的10 a少降水期和1992—2001年的10 a多降水期。降水10 a際正(負)異常的前冬季和當年春季，中高緯度西北太平洋出現正(負)的海溫距平，表現為偏強(弱)的黑潮延伸體暖流影響我國東部沿海地區。總之，華南后汛期極端降水的年代際異常成因尚有待進一步深入研究。

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