中国极端强降水事件的时空分布特征

中国极端强降水事件的时空分布特征

1强降水事件在我国的降水趋势关于气候变化的研究主要集中在平均温度和降雨量上[1.3]。众所周知,极端气候事件作为一种稀有事件,突发性强,损害性大,但对其气候变化规律的认识还不足,所以极端气候事件的变化越来越引起了广泛关注。关于极端降水事件的研究发现(IPCC,2001),在全球变暖背景下,总降水量增大的区域,强降水和强降水事件都极有可能以更大比例增加,美国、加拿大、日本等区域降水研究都证实了上述结论。即使平均总降水减少,强降水量及其降水频数也在增加。翟盘茂等对中国极端降水的研究表明,全国总降水量变化趋势不明显,但降水强度在增强。刘小宁的研究发现,20世纪80年代后,除华北外,全国暴雨出现频数明显上升,强度增大。尽管关于极端降水事件的研究已做了不少工作,但以往的研究主要集中于强度和频率的变化趋势上,而对于年内非均匀分布特征的分析未曾涉猎。另外关于极端强降水事件的定义,以前主要是按照不同气候要素采用不同分布型的边缘来确定,比如我国通常把日降水量超过50mm的降水事件称为暴雨,日降水量超过25mm的降水事件称为大雨,事实上对于极端强降水事件应该因地而异,比如对于干旱的中国西北,部分台站历史上从未出现过暴雨甚至大雨,所以按照大雨或暴雨的标准来定义极端强降水事件去研究它没有实际价值,基于以上理由本文采用目前国际最为流行的百分位值方法定义极端强降水阈值,进而探讨中国极端强降水事件的年内非均匀性分布特征。2数据和方法2.1资料来源及处理资料来源于国家气候中心整编的1955—2004年逐日降水资料,为了使研究结果尽可能地贴近事实,文中选取了资料比较完整的314个台站,因西藏高原个别台站1955年资料不完整,但由于缺测主要在冬季,恰逢少雨季节,所以未作删除处理。2.2日降水量特征文中根据每一测站日降水量定义了不同台站极端强降水事件阈值。其具体方法是:把1971—2000年逐年日降水量序列的第95个百分位值的30年平均值定义为极端强降水事件阈值,当某站某日降水量超过了该站极端强降水事件阈值时,称该日出现了极端强降水事件。2.3月月序与30的积分压力张录军在文献中把一年内各月降水量均看作向量,一年12个月看作一个圆周(360°),将某月降水量作为该月降水矢量的模,该月月序(从0算起)与30°的积作为该月降水矢量的方向,定义了表征单站降水时间分配特征的降水集中度和集中期,本文根据同样原理,将某月极端强降水事件作为该月极端强降水事件矢量的模,该月月序与30°的积作为该月极端强降水事件矢量的方向,引进了表征单站极端强降水事件年内时间分配特征的新参数——极端强降水事件集中度和集中期。式中,i为年份,j为月序,ECDi和ECPi分别为某站第i年的极端强降水事件集中度和集中期,θj为第j月对应的矢量角度,Ni为某站第i年内总极端强降水事件,nij为某站第i年,第月内总极端强降水事件。式(1)和(2)能够反映极端强降水事件在研究时段内各月的集中程度,如果在研究时段中,极端强降水事件集中在某一个月,则它们合成向量的模与总极端强降水事件之比为1,即ECD为极大值;如果每个月的极端强降水事件都相等,则它们各个分量累加后为0,即ECD为极小值。所谓ECP就是合成向量的方位角,它指示出每个月极端强降水事件合成后的总体效应,也就是向量合成后重心所指示的角度,反映了一年中最大月极端强降水事件出现在哪一个时段内,表1给出了集中期与月份的具体对应关系。从以上的原理可以看出,极端强降水事件集中度与集中期包含了年极端强降水事件的非均匀分配信息。2.4-网格区时间序列在计算区域平均时间序列时,采用Jones等提出的方法,把整个区域按经纬度划分为2°×2°的网格,将每个网格里所有站点的数据作算术平均,得到各网格的值,然后将各网格的值应用面积加权平均法,得到该区域的时间序列,公式为式中,为第k年区域平均值;i=1,2,…,m(m为网格数);γik为第i个网格中第k年的平均值;θi为第i个网格中心的纬度。3月内部分站集中度的空间分布图1给出了中国1955—2004年极端强降水事件集中度和集中期多年平均空间分布,从图1(a)可以看出中国年极端强降水事件集中度自西北向东南部表现为“低-高-低”的分布特点,西北部的新疆,特别是北疆地区是中国年极端强降水事件集中度最弱的区域,部分台站集中度小于0.25,而东南部也是集中程度较弱的区域,其中福建、江西、浙江部分台站的集中度小于0.45,而西南部的西藏高原是集中度最强的区域,部分台站的集中度大于0.85,相比较东北也是较集中的区域,黑龙江部分站的集中度也大于0.80。从图1(b)可以发现中国年极端强降水事件集中期的空间分布同集中度比较相似,自西北向东南也表现为“低-高-低”分布特点,东南部是集中期最早的区域,福建、江西和浙江的集中期大约为135左右,说明这些区域年极端强降水事件集中期大约在5月中旬,而西南部、华北中部以及东北中部是集中期最迟的区域,其值大于190,说明这些区域年极端强降水事件集中期大约在7月中旬,尽管北疆地区部分站集中期较大,但由于它的集中度本身较低,所以讨论其集中期没有太大意义。总之通过分析发现中国年极端强降水事件集中度与集中期的空间差异较大。4正异常中心的时间系数空间分布为了弄清楚中国年极端强降水事件集中度与集中期的异常特征,图2给出了集中度与集中期EOF前3个空间模态,从集中度第一模态(图2a)可以看出,西北西北部、东北、青海中部、四川西北部以及西藏西南部同其它区域呈反位相变化,负异常中心主要在西北东部的黄土高原及宁夏平原一带,而正异常中心在内蒙古东部地区,该模态对总方差的贡献为10.53%,从时间系数变化曲线(图略)可以看出,该模态在20世纪50年代后期及70年代末到80年代初主要以负异常为主,60年代中期和70年代前期以正异常为主,80年代开始该模态正负异常交替出现;从集中度第二模态的空间分布(图2c)可以看出,青藏高原中东部到河西走廊、黑龙江、吉林以及长江以南同其它区域呈反向变化特征,正异常中心主要在黄河下游的河南、河北以及山东一带,负异常中心在云贵高原,该模态对总方差的贡献为7.25%,从时间系数变化曲线(图略)可以看出,该模态在80年代中期以前正负异常交替出现,而在80年代中期之后主要表现为负异常;从集中度第三模态空间分布(图2e)可以看出,110°E以西、河北及其东北部以及长江以南同其它区域呈反向变化特征,正异常中心主要在陕西同山西交界处,而负异常中心主要在吉林和江西附近,该模态对总方差的贡献为5.95%,同样从时间系数变化曲线(图略)可以看出,该模态在60年代及90年代前期以负异常为主,而在70年代中期到80年代中期以及90年代后期以来以正异常为主。从集中期第一模态空间分布(图2b)可以看出,除了西藏西南部以及长江以南部分区域外,整个中国基本成一致的负值,其中黄河流域为负异常中心,该模态的方差贡献为13.24%。从该模态的时间系数变化曲线(图略)可以看出,20世纪50年代末到60年代前期、60年代后期到80年代后期以及90年代前期该模态主要表现为负异常,而60年代中期以及80年代后期到90年代初期该模态主要表现为正异常;从集中期第二模态空间分布(图2d)可以看出,大约在34~42°N之间的区域以及两广一带同其它区域呈反向变化特征,其中正异常中心在内蒙古东北部及长江中下游南部地区,负异常中心在青海中部及广东南部,该模态对总方差的贡献为8.10%,从时间系数变化曲线(图略)可以看出,该模态在60年代前期、70年代后期及90年代末期以来以负异常为主,而80年代以正异常为主;从集中期第三模态空间分布(图2f)可以看出,长江以南、山西及其东北部同其它区域呈反向变化特征,而广东、福建以及辽宁为正异常中心区,内蒙古中部为负异常中心区。该模态对总方差的贡献为6.78%,从时间系数曲线(图略)可以看出,该模态在60年代中期以前、70年代以及90年代末期以来以正异常为主,而60年代后期、80年代初到90年代中期以负异常为主。以上通过中国年极端强降水事件集中度和集中期的前3个异常空间模态可以看出,整个中国年极端强降水事件集中度和集中期的分布存在明显的次区域差异。5区域分布的界定从前面的分析发现中国年极端强降水事件集中度与集中期的空间分布差异明显,因此下文通过分区来研究其次区域的时间演变特征。对于中国区域的划分,目前尚缺乏统一的标准,而行政区域的气候变化史实及预测是人们更为关注的,文中参照陈隆勋的划分方法,将中国分为8个区域(表2)。而各区域年极端强降水事件集中度与集中期的时间序列通过前文介绍的Jone方法计算得到。5.1极端强降水事件及其年降水量的特征从中国年极端强降水事件集中度各区域平均时间序列年际演变及二阶拟合曲线可以看出,东北(图3a)极端强降水事件年内分布是8个区中最集中的,集中度多年平均为0.75。20世纪60年代前期和中期及80年代中期相对比较集中,50年代后期、60年代末期到80年代中期以及80年代后期到90年代前期相对比较分散,1965和2001年为异常集中年,1955、1979及2004年为异常分散年。其二阶拟合曲线表现为很弱的抛物线状,1980年之前集中趋势很弱,而之后以0.006(量纲为1)/10a的速率逐渐分散。另外该区年极端强降水事件集中度同年降水量表现为弱的正相关(相关系数为0.11),这说明当东北年极端强降水事件越集中,则年降水有弱的偏多倾向,反之亦然。西北西部(图3b)极端强降水事件年内分布比较分散,集中度多年平均为0.43,20世纪60年代和80年代前期相对比较集中,而50年代后期、70年代后期、90年代前期以及90年代末期以来相对比较分散,1967和1997年为异常集中年,1977年为异常分散年。从二阶拟合曲线看,大约在1975年之前集中度比较稳定,而1975年之后表现出了分散趋势,变化速率为0.01(量纲为1)/10a。另外该区年极端强降水事件集中度同年降水量表现为显著的负相关(相关系数为-0.41),这说明当西北西部极端强降水事件越集中,则年降水显著偏少,反之亦然。西北东部(图略)比西北西部极端强降水事件年内分布明显集中,集中度多年平均为0.62,80年代相对比较集中,而60年代和70年代相对比较分散,1955和1984年为异常集中年,1963、1965、1967及1991年为异常分散年。其二阶拟合曲线与西北西部正好相反,在1975年之前极端强降水事件年内集中程度比较稳定,而1975年之后表现为集中趋势,变化速率为0.006(量纲为1)/10a。另外该区年极端强降水事件集中度同年降水量表现为弱的负相关(相关系数为-0.13),这说明当西北东部极端强降水事件越集中,则年降水有弱的偏少倾向,反之亦然。华北(图略)极端强降水事件年内分布比西北东部更集中,但比东北分散,集中度多年平均为0.66,20世纪80年代前期相对比较集中,而60年代后期到70年代中期、80年代末期到90年代中期及90年代后期以来相对比较分散,1988和1995年为异常集中年,1964和1997年为异常分散年。从二阶拟合曲线看,50a来表现为缓慢的分散趋势,其变化速率为0.004(量纲为1)/10a。另外该区年极端强降水事件集中度同年降水量也表现为弱的负相关(相关系数为-0.15),这也说明当华北年极端强降水事件越集中,则年降水有弱的偏少倾向,反之亦然。长江中下游(图略)极端强降水事件年内分布比西北西部集中,但比其它6个区都分散,集中度多年平均为0.52,具体来说,在20世纪60年代末期及70年代末期到80年代初期相对比较集中,而50年代末期到60年代初及80年代初期到90年代初期相对比较分散,1956和1979年为异常集中年,1959、1972、1990及1997年为异常分散年。其二阶拟合曲线同华北一样,50a来表现为缓慢的分散趋势,变化速率为0.004(量纲为1)/10a。另外该区年极端强降水事件集中度同年降水量也表现为负相关(相关系数为-0.21),这也说明当长江中下游极端强降水事件越集中,则年降水有偏少倾向,反之亦然。西南(图略)极端降水事件年内集中程度同华北相当,集中度多年平均也为0.66,70年代末期之前相对比较集中,而70年代末期到80年代末期相对比较分散,1984年为异常集中年,1961、1965及1972年为异常分散年。从二阶拟合曲线看,50a来表现为集中趋势,变化速率为0.005(量纲为1)/10a。另外该区年极端强降水事件集中度同年降水量也表现为较显著的负相关(相关系数为-0.26),这说明当西南地区年极端强降水事件越集中,则年降水偏少,反之亦然。华南(图略)极端降水事件年内分布也较分散,仅比西北西部和长江中下游集中,集中度多年平均为0.57,60年代前期和中期相对比较集中,而60年代后期到90年代初期比较分散,特别是80年代更分散,1955年为异常集中年,1983、1985及1990年为异常分散年。其二阶拟合曲线表现为明显的反抛物线状,大约1981年之前表现为明显的分散趋势,变化速率为0.013(量纲为1)/10a,而之后表现为明显的集中趋势,变化速率为0.039(量纲为1)/10a。另外该区年极端强降水事件集中度同年降水量也表现为显著的负相关(相关系数为-0.42),这说明当华南年极端强降水事件越集中,则年降水显著偏少,反之亦然。青藏高原(图略)极端强降水事件年内分布的集中程度仅次于东北,集中度多年平均为0.71,50年代后期到70年代初期相对比较集中,而70年代初期之后相对比较分散,特别在90年代更分散,1958和1968年为异常集中年,1956和1994年为异常分散年。从二阶拟合曲线来看,大约1975年之前比较稳定,而之后表现为分散趋势,变化速率为0.001(量纲为1)10a。另外该区年极端强降水事件集中度同年降水量也表现为显著的负相关(相关系数为-0.47),说明当青藏高原年极端强降水事件越集中,则年降水显著偏少,反之亦然。为了搞清楚中国年极端强降水事件集中度的周期振荡特征,通过对各分区区域平均时间序列进行小波分析,从各分区Morlet小波实部等值线(图4仅为西北西部及华南区,其它分区图略)发现各分区表现出了较一致的周期特点,2~4a、7~9a和13~15a的周期振荡在各区域均有所反映。5.2极端强降水事件集中期降水特征从中国年极端强降水事件集中期各区域时间序列年际演变及二阶拟合曲线可以看出,东北(图5a)极端强降水事件年内集中期多年平均为186,大约在7月上旬。70年代中期之前集中期相对较迟,而之后较早,1972年异常偏迟,1967、1983及2002年异常偏早。从二阶拟合曲线看,大约1983年之前有逐渐提前的趋势,变化速率为2.6d/10a,而之后较稳定。另外该区年极端强降水事件集中期同年降水量也表现为弱的正相关(相关系数为0.18),这说明当东北年极端强降水事件集中期越迟,则年降水有弱的偏多倾向,反之亦然。西北西部(图5b)极端强降水事件年内集中期多年平均为170,大约在6月下旬初,在1975年之前集中期相对偏早,而1995年之后相对偏迟,1977和2001年异常偏迟,1978年异常偏早。从二阶拟合曲线看,50a来表现为明显的推迟趋势,变化速率为3.6d/10a。另外该区年极端强降水事件集中期同年降水量也表现为显著的负相关(相关系数为-0.31),这说明当西北西部极端强降水事件集中期越迟,则年降水显著偏少,反之亦然。西北东部(图略)极端强降水事件年内集中期多年平均为185,也是7月上旬,20世纪60年代末期到80年代初期集中期相对偏迟,而80年代中期到90年代中期相对偏早,1962、1968和2001年异常偏迟,1956、1957、1991及2002年异常偏早。从二阶拟合曲线看,大约1975年之前较稳定,而之后表现为提前趋势,变化速率为1d/10a。而该区年极端强降水事件集中期同年降水量之间几乎没有因果关系(相关系数为-0.03)。华北(图略)极端强降水事件年内集中期多年平均为187,也是7月上旬,20世纪60年代前期和70年代集中期相对偏迟,而60年代中期以及80年代末到90年代初相对偏早,1968年异常偏迟,1991、1998及2002年异常偏早。其二阶拟合曲线呈抛物线状,在1975年之前表现为很弱的推迟趋势,而之后表现为提前趋势,提前速率为1.3d/10a。另外该区年极端强降水事件集中期同年降水量也表现很弱的负相关(相关系数为-0.09),这说明当华北年极端强降水事件集中期越迟,则年降水存在很弱的偏少倾向,反之亦然。长江中下游(图略)极端强降水事件年内集中期为全国最早,多年平均为159,大约在6月上旬末,20世纪50年代后期到60年代初期、70年代后期以及90年代前期集中期偏早,而60年代后期到70年代中期以及80年代偏迟,1972年异常偏迟,1959及1998年异常偏早。其二阶拟合曲线也呈抛物线状,在1980年之前表现为推迟趋势,变化速率为2.4d/10a,而之后表现为提前趋势,变化速率为3.8d/10a。另外该区年极端强降水事件集中期同年降水量也表现为很弱的正相关(相关系数为0.10),这说明当长江中下游年极端强降水事件集中期越迟,则年降水存在弱的偏多倾向,反之亦然。西南(图略)极端强降水事件年内集中期多年平均为181,大约在7月初,20世纪50年代后期、70年代中后期以及近几年来集中期偏早,而60年代初期到70年代初期、80年代后期及90年代中期偏迟,1955和1965年异常偏迟,1990及2003年异常偏早。其二阶拟合曲线也呈弱的抛物线状,1975年之前表现为很弱的推迟趋势,而之后表现为相对明显的提前趋势,提前速率为2.0d/10a。另外该区年极端强降水事件集中期同年降水量也表现为显著的正相关(相关系数为0.29),这说明当西南地区年极端强降水事件集中期越迟,则年降水显著偏多,反之亦然。华南(图略)极端强降水事件年内集中期也较早,多年平均为164,大约在6月中旬,20世纪60年代前期、70年代以及近几年集中期偏迟,60年代中后期、80年代初到90年代中期偏早,另外2002年异常偏迟,1983、1992及1998年异常偏早。其二阶拟合曲线表现为明显的反抛物线状,大约1983年之前表现为提前趋势,变化速率为2.9d/10a,而之后表现为推迟趋势,变化速率为2.1d/10a。另外该区年极端强降水事件集中期同年降水量也表现为弱的负相关(相关系数为-0.19),这说明当华南地区年极端强降水事件集中期越迟,则年降水有弱的偏少倾向,反之亦然。青藏高原(图略)极端强降水事件年内集中期多年平均为185,也在7月上旬,在20世纪60年代中期之前及70年代末期集中期偏迟,而60年代后期到70年代中期以及90年代初以来偏早,1979年异常偏迟,