中國(guó)極端降水事件的時(shí)空變化及趨勢(shì)預(yù)測(cè)

吉戴婧琪，元媛，韓劍橋，3

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北武漢 430010；3.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

0 引言

全球氣候變化背景下，世界多個(gè)地區(qū)的極端降水強(qiáng)度和頻率不斷增加［1］，導(dǎo)致暴雨洪水災(zāi)害頻發(fā)，給自然環(huán)境和人類社會(huì)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［2，3］。近5年內(nèi)，中國(guó)山東、廣州、河南等地均發(fā)生了特大暴雨災(zāi)害，造成了嚴(yán)重的山洪、滑坡和城市內(nèi)澇，受災(zāi)人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失巨大［4，5］。其中在2021年的鄭州河南暴雨中，鄭州氣象站的日降水量打破歷史記錄，達(dá)552.5 mm［6］，全省共有1 479 萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1 201 億元［7］。氣候變化引發(fā)的極端降水已對(duì)防洪體系和水資源管理造成嚴(yán)重威脅。因此，研究極端降水的變化特征及其未來變化趨勢(shì)，可為暴雨洪水的預(yù)報(bào)、預(yù)演、預(yù)案、預(yù)警工作提供理論支撐。

極端降水事件是指在一定持續(xù)時(shí)間內(nèi)，降水觀測(cè)值或統(tǒng)計(jì)值與常態(tài)存在差異，達(dá)到或超過其區(qū)間上限（或下限）附近特定閾值的降水事件［8］，國(guó)際上常采用最大日降水量（RX1day）、最大五日降水量（RX5day）和持續(xù)濕潤(rùn)日數(shù)（CWD）等極端降水指數(shù)進(jìn)行定量表征［9］。近年來，由于暴雨洪水災(zāi)害頻發(fā)，極端降水事件的變化特征、機(jī)理、趨勢(shì)等問題已成為國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)［10］。全球氣溫每升高1 ℃，世界大部分地區(qū)的極端降水事件會(huì)增加3%～15%［11］，主要集中在東南亞、南美南部、北美和歐洲西部等區(qū)域［12］。馬來西亞等地的RX1day 和RX5day 具有顯著的上升趨勢(shì)，而CWD 則有所下降［13］。中國(guó)的極端降水變化特征與全球總體趨勢(shì)相似，但存在較大的空間差異［14］。極端降水事件的發(fā)生頻率呈現(xiàn)“東南多，西北少”的分布特征，東南和西北地區(qū)的極端降水事件存在顯著增加趨勢(shì)，東北和華北地區(qū)則呈下降趨勢(shì)［15，16］。南方地區(qū)的RX5day、極端降水量（R95p）和日降水強(qiáng)度（SDII）分別以2 mm/10 a、11 mm/10 a、0.1（mm/d）/10 a 的速率增加，CWD 則以-0.5 d/10 a 的速率減少［17，18］。北方干旱地區(qū)的極端降水指數(shù)均呈減少趨勢(shì)，且大部分指標(biāo)變化顯著［19］。目前，已有研究采用多種方法分析了中國(guó)或其局部的極端降水事件變化特征，而對(duì)不同地區(qū)極端降水的變化差異及其未來變化趨勢(shì)還需進(jìn)一步系統(tǒng)探究。

為此，本文基于全國(guó)622個(gè)氣象站點(diǎn)日值降水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算分析了九個(gè)極端降水指數(shù)的空間差異和時(shí)間變化過程，研究了我國(guó)極端降水事件的時(shí)空變化規(guī)律，并預(yù)測(cè)了未來極端降水事件的變化趨勢(shì)，以期為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化和制定災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)地處東亞地區(qū)，幅員遼闊且地形復(fù)雜，各地區(qū)氣候存在顯著差異［20］。因此，為明確不同地區(qū)極端降水的變化差異，本文利用七大自然地理分區(qū)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行劃分（東北、華北、華東、華南、華中、西北、西南）（圖1），地圖來源于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站（http：//211.159.153.75/）。研究數(shù)據(jù)選用觀測(cè)資料較為完整的622 個(gè)站點(diǎn)在1960-2017 年間的日值降水?dāng)?shù)據(jù)，取自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心（http：//data.cma.cn/）提供的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）。

圖1 中國(guó)氣象站點(diǎn)地理位置及區(qū)域劃分Fig.1 Seven geographic regions and meteorological stations in China

1.2 研究方法

1.2.1 極端降水指數(shù)

參考?xì)夂蜃兓c監(jiān)測(cè)指數(shù)專家組（ETCCDI）推薦的指數(shù)和已有文獻(xiàn)，本文選取了9 個(gè)指數(shù)來表征極端降水事件，詳見表1［21］。9 個(gè)極端降水指數(shù)可分為極端降水量指數(shù)（RX1day、RX5day、R95p、R99p、PRCPTOT）、極端降水強(qiáng)度指數(shù)（SDII）和極端降水日數(shù)指數(shù)（R20、R50、CWD）三大類。

表1 極端降水指數(shù)及其定義表Tab.1 Definitions of extreme precipitation indices

1.2.2 極端降水事件的變化特征檢驗(yàn)方法

采用Mann-Kendall 法來檢驗(yàn)極端降水指數(shù)的變化特征及顯著性。M-K 檢驗(yàn)法屬非參數(shù)檢驗(yàn)方法，對(duì)異常值敏感度低，已被廣泛應(yīng)用于氣候和水文序列的趨勢(shì)變化和顯著性檢驗(yàn)［22］。在M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)中，使用Z統(tǒng)計(jì)量量化降水時(shí)間序列的變化及其顯著性。Z為正值和負(fù)值時(shí)分別表示變化趨勢(shì)上升及下降，當(dāng)Z的絕對(duì)值大于1.64、1.96 和2.56時(shí)，其變化趨勢(shì)分別達(dá)到10%、5%和1%的顯著性水平［1］。在本文中，統(tǒng)一取5%作為是否具有顯著性的判斷依據(jù)。

為更準(zhǔn)確的量化極端降水事件的變化程度，采用泰森（Sen’s）斜率估計(jì)法計(jì)算極端降水指數(shù)的變化速率。該方法是在簡(jiǎn)單線性回歸分析的基礎(chǔ)上估算斜率的中值（β值），以此減少異常值的影響，使得存在線性變化趨勢(shì)的斜率能夠被準(zhǔn)確估算［23］。

1.2.3 未來極端降水事件的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法

為預(yù)測(cè)未來極端降水事件的變化趨勢(shì)，本文通過R/S 分析法計(jì)算Hurst 指數(shù)（H值）進(jìn)行分析［24］。根據(jù)H值的大小可判斷未來變化趨勢(shì)的持續(xù)性與反持續(xù)性，其強(qiáng)度分級(jí)含義可歸納為：當(dāng)0.5＞H＞0，未來的變化趨勢(shì)表現(xiàn)與過去相反；當(dāng)1＞H＞0.5，未來的變化趨勢(shì)表現(xiàn)與過去一致；當(dāng)H=0.5，未來的變化趨勢(shì)不具有長(zhǎng)期記憶，為隨機(jī)游走。若H值接近于1，趨勢(shì)的持續(xù)性越強(qiáng)；若H值接近于0，趨勢(shì)的反持續(xù)性越強(qiáng)。具體強(qiáng)度分級(jí)如表2所示。

表2 Hurst指數(shù)分級(jí)表Tab.2 Classification of Hurst index

2 極端降水事件的時(shí)間變化特征

根據(jù)1960-2017 年9 個(gè)極端降水指數(shù)的年際變化與站點(diǎn)比例分析可知（圖2 和圖3），極端降水量指數(shù)（RX1day、RX5day、R95p、R99p、PRCPTOT）中，僅有R99p 均值總體呈現(xiàn)不顯著減少的趨勢(shì)（p＞0.05），平均每10 a 減少0.10 mm。全國(guó)共有328 個(gè)站點(diǎn)（52.7%）的R99p為減少趨勢(shì)，其中有194個(gè)站點(diǎn)未通過5%的顯著性檢驗(yàn)。而RX1day、RX5day、R95p、PRCPTOT 均呈現(xiàn)不顯著增加趨勢(shì)（p＞0.05），增加速率分別為0.52、0.10、0.64、6.00 mm/10 a，并于1998 年或2016 年達(dá)到最高值，約為最低值的0.7倍，均有40%左右的站點(diǎn)呈顯著增加趨勢(shì)（p＜0.05）。

圖2 1960-2017年中國(guó)極端降水指數(shù)的時(shí)間變化Fig.2 Temporal variation of extreme precipitation indices in China during 1960-2017

圖3 1960-2017年中國(guó)極端降水事件不同變化趨勢(shì)的站點(diǎn)比例Fig.3 Stations with different trends of extreme precipitation events in China during 1960-2017

極端降水強(qiáng)度指數(shù)（SDII）總體呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)（p＜0.05），以0.13（mm/d）/10 a 的速率波動(dòng)增加，且在1998 年和1976年分別達(dá)到最高值（7.6 mm/d）和最低值（6.2 mm/10 a）。全國(guó)共有362個(gè)站點(diǎn)（58.3%）的SDII為顯著增加（p＜0.05）。

極端降水日數(shù)指數(shù)（R20、R50、CWD）中，僅有R20 未通過5%的顯著性檢驗(yàn)，以0.13 d/10 a 的速率不顯著增加（p＞0.05）。此外，R50呈顯著增加趨勢(shì)（p＜0.05），增加速率為0.06 d/10 a，在全國(guó)共有221個(gè)（35.5%）顯著增加的站點(diǎn)。而CWD呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)（p＜0.05），減少速率為-0.07 d/10 a。全國(guó)共有386 個(gè)站點(diǎn)（62%）的CWD 為減少趨勢(shì)，其中51.4%的站點(diǎn)通過了顯著性檢驗(yàn)（p＜0.05）

由此可見，在九個(gè)極端降水指數(shù)中，僅有R99p和CWD呈減少趨勢(shì)，其余指數(shù)均呈增加趨勢(shì)。總體來看，近60年來，中國(guó)極端降水事件的降水量指數(shù)呈不顯著增加趨勢(shì)（p＞0.05），降水強(qiáng)度指數(shù)呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)（p＜0.05），降水日數(shù)指數(shù)呈不顯著增加趨勢(shì)。

3 極端降水事件的空間變化特征

3.1 空間分布特征

1960-2017 年中國(guó)極端降水事件的空間分布總體遵循“南多北少、東多西少”的規(guī)律，且具有顯著的階梯狀特征（圖4）。極端降水量指數(shù)（RX1day、RX5day、R95p、R99p、PRCPTOT）和極端降水強(qiáng)度指數(shù)（SDII）在華東、華南、華中地區(qū)較高，最高值站點(diǎn)位于華南地區(qū)；在西北地區(qū)最低。其中，RX1day、R99p 和SDII 指數(shù)在華南地區(qū)的均值為139.3 mm、191.0 mm 和11.5 mm/d，而在西北地區(qū)的均值僅有27.8 mm、29.1 mm 和3.4 mm/d，其余3個(gè)指數(shù)分布特征與之一致。極端降水日數(shù)指數(shù)中的R20和R50空間分布規(guī)律相似，高值區(qū)在華南地區(qū)，均值分別為25 d和7 d；低值區(qū)在西北地區(qū)，均值分別為2 d 和0 d。CWD 與上述極端降水指標(biāo)的分布規(guī)律略有差異，其最高值在西南地區(qū)（7 d）；最低值則仍為西北地區(qū)，均值為4 d。

圖4 1960-2017年中國(guó)9個(gè)極端降水指數(shù)的空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of nine extreme precipitation indices in China during 1960-2017

總體來看，在7個(gè)分區(qū)中，華南地區(qū)的極端降水事件在降水量、降水強(qiáng)度、降水日數(shù)3個(gè)方面都位于前列，華東、華中地區(qū)次之，東北和華北地區(qū)較低，西北地區(qū)最低，而西南地區(qū)僅有降水日數(shù)較高。

3.2 空間變化趨勢(shì)特征

由極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)的空間分布結(jié)果可知（圖5），9個(gè)極端降水指數(shù)變化的空間規(guī)律大致相同，表現(xiàn)為“西部及東部增加，北部減少”。極端降水量指數(shù)中，RX1day在華南、華中、西北和西南地區(qū)呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)（p＜0.05），變化速率分別為0.62、0.52、0.21 和0.49 mm/10 a；在東北及華北地區(qū)呈顯著減少趨勢(shì)（p＜0.05），變化速率分別為-0.48 和-0.63 mm/10 a；在華東地區(qū)則呈不顯著減少。相較RX1day，RX5day 因呈顯著減少趨勢(shì)的站點(diǎn)比例上升，僅有華南地區(qū)以1.48 mm/10 a 的速率顯著增加（p＜0.05）；在東北、華中和西南地區(qū)分別以-3.21、-0.56 和-0.64 mm/10 a 的速率顯著減少（p＜0.05）；在華北和華東地區(qū)呈不顯著增加趨勢(shì)，西北地區(qū)不顯著減少。此外，R95p、R99p 和PRCPTOT的空間變化規(guī)律相似。

圖5 1960-2017年9個(gè)極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)的空間分布圖Fig.5 Spatial variation of nine extreme precipitation indices during 1960-2017

極端降水強(qiáng)度指數(shù)（SDII）在華北、華南、華中、華東、西北及西南地區(qū)均呈顯著增加趨勢(shì)（p＜0.05），變化速率分別為0.02、0.13、0.07、0.09、0.02 和0.04（mm/d）/10 a，區(qū)內(nèi)呈顯著增加的站點(diǎn)比例遠(yuǎn)大于顯著減少的站點(diǎn)比例；而東北地區(qū)則以-0.02（mm/d）/10 a的速率不顯著減少。極端降水日數(shù)指數(shù)中，R20 在華南、華中和華東地區(qū)均以0.10 d/10 a 的速率顯著增加（p＜0.05），在東北和華北地區(qū)分別以-0.10 d/10 a和0.02 d/10 a的速率顯著減少。較R20 不同的是，R50 在西北和西南地區(qū)也呈顯著增加趨勢(shì)（p＜0.05）。相比于上述指數(shù)，CWD 是唯一在所有地區(qū)均呈減少趨勢(shì)的指數(shù)，且除華南地區(qū)（-0.01 d/10 a）不顯著減少外，其他地區(qū)均以低于-0.05 d/10 a的速率顯著減少（p＜0.05）。

整體而言，極端降水量指數(shù)在華南、華中、西北和西南地區(qū)存在顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)（p＜0.05），在東北和華北地區(qū)呈顯著減少趨勢(shì)。極端降水強(qiáng)度指數(shù)在東北以外的地區(qū)呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)（p＜0.05），而極端降水日數(shù)指數(shù)僅有CWD 在華南以外的地區(qū)均呈顯著減少趨勢(shì)。

4 極端降水事件的未來變化趨勢(shì)

運(yùn)用R/S 法對(duì)全國(guó)9 個(gè)極端降水指數(shù)序列的變化趨勢(shì)持續(xù)性進(jìn)行分析，結(jié)果如表3 所示。極端降水量指數(shù)和降水強(qiáng)度指數(shù)中僅有R95p（0.41）和PRCPTOT（0.49）的H值小于0.5，表明兩個(gè)指數(shù)的未來變化趨勢(shì)將與過去相反，但反持續(xù)性都表現(xiàn)為“很弱”。RX1day、RX5day、R99p 和SDII 的H值大于0.5，表明其歷史變化趨勢(shì)均將在未來繼續(xù)延續(xù)。其中，RX1day和SDII的H值超過0.8，持續(xù)性強(qiáng)度表現(xiàn)為“很強(qiáng)”；而RX5day、R99p 的持續(xù)性強(qiáng)度因H值低于0.65 表現(xiàn)為“較弱”及“很弱”。極端降水日數(shù)指數(shù)的未來變化趨勢(shì)均與歷史趨勢(shì)一致（H＞0.5），CWD 和R50的H值分別超過0.75和0.65，持續(xù)性表現(xiàn)為“強(qiáng)”和“較強(qiáng)”；R20 的H值低于0.65，持續(xù)性表現(xiàn)為“很弱”。從分區(qū)來看（表4），極端降水量指數(shù)的H值在7 個(gè)地區(qū)內(nèi)均大于0.65，未來都將延續(xù)歷史變化趨勢(shì)，且持續(xù)性等級(jí)均為“較強(qiáng)”及以上，其中東北地區(qū)的持續(xù)性表現(xiàn)為“很強(qiáng)”（H＞0.80）。極端降水強(qiáng)度指數(shù)的H值在7 個(gè)地區(qū)內(nèi)均大于0.80，表明各地區(qū)的未來變化趨勢(shì)不僅與過去一致，且持續(xù)性均表現(xiàn)為“很強(qiáng)”。極端降水日數(shù)指數(shù)中，R20的H值僅在西北地區(qū)（0.48）內(nèi)小于0.5，表明未來R20在西北地區(qū)的變化趨勢(shì)將與過去相反，但反持續(xù)性表現(xiàn)為“很弱”，而其他地區(qū)的變化趨勢(shì)仍與過去一致（H＞0.50）。CWD 和R50 的H值在7 個(gè)地區(qū)內(nèi)均超過0.5，未來變化趨勢(shì)將與歷史趨勢(shì)一致，且持續(xù)性等級(jí)在華南和西北地區(qū)表現(xiàn)為“較弱”，其余地區(qū)為“很強(qiáng)”。

表3 全國(guó)極端降水指數(shù)的H值及其持續(xù)性強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表Tab.3 H value of extreme precipitation indices and persistence intensity in China

綜合極端降水指數(shù)的歷史變化趨勢(shì)可知，未來的極端降水量指數(shù)和極端降水強(qiáng)度指數(shù)總體都將呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且在華南、華中、西北和西南地區(qū)延續(xù)顯著增加的趨勢(shì)，但極端水強(qiáng)度指數(shù)的持續(xù)性比極端降水量指數(shù)更強(qiáng)。而未來極端降水日數(shù)指數(shù)總體雖為增長(zhǎng)趨勢(shì)，但CWD 將繼續(xù)呈現(xiàn)持續(xù)性較強(qiáng)的下降趨勢(shì)，且在華南以外的地區(qū)延續(xù)顯著減少的趨勢(shì)，該結(jié)果與已有研究一致［25］。

5 結(jié)論

根據(jù)全國(guó)622 個(gè)氣象站點(diǎn)1960-2017 年日值降水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本文計(jì)算了9個(gè)極端降水指數(shù)，分析了中國(guó)極端降水事件的時(shí)空變化特征，預(yù)測(cè)了極端降水事件的未來變化趨勢(shì)，結(jié)論如下：

（1）中國(guó)的極端降水事件遵循“南多北少，東多西少”的空間分布規(guī)律。華南地區(qū)的極端降水指數(shù)最高，華東、華中地區(qū)次之，東北和華北地區(qū)較低，西北地區(qū)最低，而西南地區(qū)僅有持續(xù)濕潤(rùn)日數(shù)（CWD）較高。

表4 地區(qū)極端降水指數(shù)的H值統(tǒng)計(jì)表Tab.4 H value of extreme precipitation indices in seven regions

（2）近60年來，中國(guó)極端降水量指數(shù)呈不顯著增加趨勢(shì)（p＞0.05），RX1day、RX5day、R95p、PRCPTOT 的增加速率分別為0.52、0.10、0.64 和6.00 mm/10 a。極端降水強(qiáng)度指數(shù)呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)（p＜0.05），SDII 的增加速率為0.13（mm/d）/10 a。極端降水日數(shù)指數(shù)除CWD外，其余指數(shù)為不顯著增加趨勢(shì)（p＞0.05）。

（3）極端降水量指數(shù)和極端降水強(qiáng)度指數(shù)在華南、華中、西北和西南地區(qū)存在顯著增加趨勢(shì)（p＜0.05），在東北和華北地區(qū)呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)（p＜0.05）。而極端降水日數(shù)指數(shù)僅有CWD在華南以外的地區(qū)均呈顯著減少趨勢(shì)（p＜0.05）。

（4）除R95p和PRCPTOT外，其余極端降水指數(shù)未來將延續(xù)歷史變化趨勢(shì)。極端降水量指數(shù)和極端降水強(qiáng)度指數(shù)總體都將呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且在華南、華中、西北和西南地區(qū)延續(xù)顯著增加的趨勢(shì)。而極端降水日數(shù)指數(shù)總體雖為增長(zhǎng)趨勢(shì)，但CWD仍將在華南以外的地區(qū)呈現(xiàn)持續(xù)性較強(qiáng)的下降趨勢(shì)。