李麗平，許冠宇，成麗萍，章開美，柳艷菊

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044;2.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044;3.江西省氣象服務(wù)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(huì)廣泛關(guān)注。近10 a來，國際上對(duì)極端天氣氣候事件進(jìn)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(duì)主要極端天氣氣候事件頻率和強(qiáng)度年代際變化特點(diǎn)及長期趨勢(shì)的分析，以及對(duì)未來氣候極端事件可能發(fā)生頻率變化的模擬分析等。IPCC(2007)對(duì)2007年之前的相關(guān)研究進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，指出陸地大部分地區(qū)強(qiáng)降水比例在增加。我國極端降水事件的發(fā)生頻率也在增加，并具有明顯的區(qū)域性和季節(jié)變化趨勢(shì)(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(qiáng)度極端偏強(qiáng)的趨勢(shì)較為顯著，華北地區(qū)強(qiáng)降水事件趨于減少，西北大部分地區(qū)極端降水事件呈明顯增長趨勢(shì)，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(qiáng)度加大且極強(qiáng)降水事件增多。蘇布達(dá)等(2006)指出，1986年以來長江流域極端降水出現(xiàn)了顯著增加趨勢(shì)。孫鳳華等(2007)發(fā)現(xiàn)，近50 a來我國東北地區(qū)降水極端事件有向極端化發(fā)展的傾向。錢維宏等(2007)指出，我國極端降水有增多的趨勢(shì)，華南在1991年出現(xiàn)了轉(zhuǎn)濕的突變。楊金虎等(2008a)指出，西北地區(qū)45 a來極端降水事件的變化表現(xiàn)出了明顯的區(qū)域性特征，北疆地區(qū)表現(xiàn)為顯著的增加趨勢(shì)，而西北地區(qū)東南部表現(xiàn)為顯著的減少趨勢(shì)。張婷和魏鳳英(2009)指出，華南地區(qū)年降水量在1992年經(jīng)歷了一次由減少趨勢(shì)到增加趨勢(shì)的突變，日最大降水量和年平均暴雨日數(shù)間有很好的相關(guān)關(guān)系。李麗平等(2010)指出，20世紀(jì)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(shù)顯著增加密切相關(guān)，且極端降水量異常程度明顯增強(qiáng)。

綜上可見，國內(nèi)外氣象學(xué)者對(duì)極端降水事件進(jìn)行了許多研究，但對(duì)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(qū)之一，有些年份降水范圍廣、強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長，造成洪澇;而有些年份降水卻很少，造成旱災(zāi)。華南降水季節(jié)分為前汛期和后汛期。因極端降水事件的特征在不同季節(jié)、不同區(qū)域存在顯著差異，故本文將重點(diǎn)研究近40 a我國華南后汛期(7—9月)極端降水的時(shí)空演變特征，研究結(jié)果對(duì)華南地區(qū)短期氣候預(yù)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)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(qū)域。剔除降水資料長度不足40 a的站點(diǎn)，最后選取89個(gè)測(cè)站代表華南地區(qū)，站點(diǎn)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(diǎn)。

圖1 華南地區(qū)89個(gè)代表站分布Fig.1 Spatial distribution of 89 stations in South China

根據(jù)國家氣候中心發(fā)布的極端降水統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，本文選用了其中5個(gè)指標(biāo)來研究華南極端降水特征，即總降水量、強(qiáng)降水量、降水頻率、強(qiáng)降水頻率和暴雨頻率，各指標(biāo)定義如表1所示。

表1 本文選用的極端降水統(tǒng)計(jì)指標(biāo)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(jìn)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(dāng)某站某日降水量超過該閾值時(shí)，則稱該站發(fā)生了極端降水事件。

第95個(gè)百分位降水量的計(jì)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(gè)值小于或等于xm的概率為

式中:m為xm的序號(hào);n為降水序列值的個(gè)數(shù)，這里n=92，即7—9月的總天數(shù)。第95百分位值是指p=95%所對(duì)應(yīng)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(qū)域差異。廣東和廣西的南部及福建西南部閥值大于區(qū)域平均值(整個(gè)區(qū)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(qū)閥值相對(duì)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(qū)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(qiáng)降水量、降水頻率、強(qiáng)降水頻率、暴雨頻率空間分布，各指標(biāo)的區(qū)域平均值依次為539.0 mm、261.6 mm、45.7%、4.7%、2.4%。對(duì)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(qū)域，其多年平均強(qiáng)降水量、降水頻率、強(qiáng)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(qiáng)降水量閾值空間分布(圖2)相似。強(qiáng)降水頻率的局地特征更明顯，且除貴州外，其他各省均有強(qiáng)降水頻率高值中心，這表明華南大部分地區(qū)強(qiáng)降水發(fā)生頻率都高。上述分析表明，本文所選各極端降水指標(biāo)能很好反映華南后汛期極端降水空間分布特征，強(qiáng)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(jìn)一步計(jì)算了華南后汛期區(qū)域平均總降水量與其他極端降水指標(biāo)序列的相關(guān)系數(shù)，如表2所示。可見，相關(guān)系數(shù)全部通過0.01信度的顯著性檢驗(yàn)。其中，強(qiáng)降水量、強(qiáng)降水頻率、暴雨日數(shù)與總降水量的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，說明本文所選極端降水指標(biāo)對(duì)華南整個(gè)區(qū)域后汛期總降水量的時(shí)間變化有很好的指示意義，特別是強(qiáng)降水量、強(qiáng)降水頻率和暴雨頻率。

表2 華南后汛期區(qū)域平均總降水量與各極端降水指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)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(shì)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(biāo)空間分布(陰影區(qū)值大于區(qū)域平均值)a.總降水量(mm);b.強(qiáng)降水量(mm);c.降水頻率(%);d.強(qiáng)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(shì)，給出了40 a平均的總降水量、強(qiáng)降水量、降水頻率、強(qiáng)降水頻率和暴雨頻率區(qū)域平均的時(shí)間序列(圖4)。可見，所有極端降水指標(biāo)均在1992—1993年間發(fā)生了一次躍變。除降水頻率外，總降水量、強(qiáng)降水量、強(qiáng)降水頻率和暴雨頻率的均值在1992年之后(T2時(shí)段)均較之前(T1時(shí)段)明顯增加。為驗(yàn)證兩個(gè)時(shí)段均值的差異在統(tǒng)計(jì)上是否顯著，采用t檢驗(yàn)方法(魏鳳英，2009)，分別計(jì)算了各指標(biāo)在兩個(gè)時(shí)段的均值以及均值差異顯著性檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值t(表3)?？梢?，除了降水頻率外，總降水量、強(qiáng)降水量、強(qiáng)降水頻率以及暴雨頻率在兩個(gè)時(shí)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(yàn)，說明1992年以來，華南后汛期總降水量、強(qiáng)降水量、強(qiáng)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(qiáng)降水量和日極端降水強(qiáng)度顯著增加或增強(qiáng)，與本文結(jié)論一致。李麗平等(2010)在研究華南前汛期極端降水趨勢(shì)特征時(shí)也得到類似結(jié)論，但不同的是，在1985年前后華南前汛期還存在一次轉(zhuǎn)折，而后汛期則沒有。

圖4 1969—2008年區(qū)域平均的華南后汛期極端降水指標(biāo)時(shí)間序列(實(shí)直線分別為T1、T2時(shí)段的平均值;虛線分別為T1、T2兩個(gè)時(shí)段的線性趨勢(shì)線)a.總降水量(mm);b.強(qiáng)降水量(mm);c.降水頻率(%);d.強(qiáng)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(biāo)的變化振幅在1992年之后(T2時(shí)段)要較之前(T1時(shí)段)明顯增大，說明極端降水指標(biāo)異常增大，發(fā)生極端旱澇的可能性增大。為了解這兩個(gè)時(shí)段振幅的差異在統(tǒng)計(jì)上是否顯著，采用F檢驗(yàn)方法(魏鳳英，2009)，對(duì)兩個(gè)時(shí)段的方差進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。為此，計(jì)算了各極端降水指標(biāo)在兩個(gè)時(shí)段的均方差以及方差差異顯著性檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值F(表4)。可見，除降水頻率外，各極端降水指標(biāo)方差在T2時(shí)段均明顯大于T1時(shí)段，均通過0.1信度(=2.14)的顯著性檢驗(yàn)，總降水量、強(qiáng)降水量和強(qiáng)降水頻率還通過0.05信度(=2.49)的顯著性檢驗(yàn)。這表明，1992年以來華南后汛期總降水量和各極端降水指標(biāo)異常強(qiáng)度都較1992年以前顯著增強(qiáng)。

表3 各極端降水指標(biāo)在兩個(gè)時(shí)段的均值u以及均值差異顯著性檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)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(gè)時(shí)段各極端降水指標(biāo)的均方差I(lǐng)a以及方差差異顯著性檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)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(shì)分析

分析華南后汛期近40 a區(qū)域平均總降水量和各極端降水指標(biāo)的長期變化線性趨勢(shì)(圖略)發(fā)現(xiàn)，它們都不顯著。分別對(duì)T1和T2時(shí)段總降水量和各極端降水指標(biāo)的線性趨勢(shì)(圖4中虛線)進(jìn)行研究，可見:T1和T2時(shí)段總降水量和各極端降水指標(biāo)均呈線性遞減趨勢(shì);整體而言，T2時(shí)段各指標(biāo)的線性遞減趨勢(shì)更顯著，趨勢(shì)系數(shù)見表5。由表5可見，總降水量和降水頻率的線性遞減趨勢(shì)均通過了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)，降水頻率還通過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。

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(shì)分布。可見，轉(zhuǎn)折之前和之后兩個(gè)時(shí)段線性遞減顯著區(qū)域存在一定差異，1992年之前遞減趨勢(shì)明顯的區(qū)域位于廣西、廣東西南部、貴州和湖南南部，轉(zhuǎn)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(qū)。

4 結(jié)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(gè)指標(biāo)，即總降水量、強(qiáng)降水量、降水頻率、強(qiáng)降水頻率和暴雨頻率，對(duì)近40 a華南后汛期極端降水的時(shí)空演變特征進(jìn)行了研究，得到以下主要結(jié)論:

1)多年平均總降水量、強(qiáng)降水量、降水頻率、強(qiáng)降水頻率以及暴雨頻率與強(qiáng)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(qū);強(qiáng)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(qiáng)降水量、強(qiáng)降水頻率、暴雨頻率對(duì)后汛期總降水量的時(shí)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(shì)不明顯，但在1992—1993年間發(fā)生一次明顯的年代際轉(zhuǎn)折，兩個(gè)時(shí)段的統(tǒng)計(jì)特征也發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折。各極端降水指標(biāo)(降水頻率除外)的均值在1992年之后較之前時(shí)段明顯增加，差異程度通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。各極端降水指標(biāo)方差在1992年之后也明顯大于之前時(shí)段，差異程度通過0.1信度的顯著性檢驗(yàn)，總降水量、強(qiáng)降水量和強(qiáng)降水頻率還通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。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(qiáng)，發(fā)生旱澇的情況增多。

3)199 2年之前和之后兩個(gè)時(shí)段總降水量和各極端降水指標(biāo)均呈線性遞減趨勢(shì)，總降水量、降水頻率遞減趨勢(shì)更顯著，轉(zhuǎn)折前后兩個(gè)時(shí)段線性遞減顯著區(qū)域存在一定差異。

將本文研究結(jié)果與之前對(duì)華南前汛期極端降水時(shí)空演變特征分析的結(jié)果(李麗平等，2010)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，華南前、后汛期極端降水時(shí)空演變特征既有相同點(diǎn)，也存在明顯差異。相同之處是，前、后汛期各極端降水指標(biāo)大多數(shù)(后汛期的降水頻率除外)在1992年前后發(fā)生一次躍變，各極端降水各指標(biāo)均值和方差在1992年之后較之前均呈顯著增加趨勢(shì)。不同之處是，前汛期極端降水在1984—1985年前后還發(fā)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(biāo)的均值與方差變化特征不一致，1992年前后兩個(gè)時(shí)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(shì)在1992年之前和之后均通過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)。

表5 兩個(gè)時(shí)段華南后汛期總降水量和各極端降水指標(biāo)的線性趨勢(shì)系數(shù)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(shì)系數(shù)的分布(單位:%·(10 a)－1;陰影區(qū)表示通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn))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(guān)于華南汛期年代際轉(zhuǎn)折的原因，一些學(xué)者也進(jìn)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(qiáng)度變化是華南汛期降水異常的重要?dú)夂虮尘?，即?dāng)兩高壓處在同時(shí)增強(qiáng)時(shí)期時(shí)，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(fù))異常的前冬季和當(dāng)年春季，中高緯度西北太平洋出現(xiàn)正(負(fù))的海溫距平，表現(xiàn)為偏強(qiáng)(弱)的黑潮延伸體暖流影響我國東部沿海地區(qū)?？傊?，華南后汛期極端降水的年代際異常成因尚有待進(jìn)一步深入研究。

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