华南后汛期极端降水特征及变化趋势

李丽平，许冠宇，成丽萍，章开美，柳艳菊

(1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京210044;2.南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京210044;3.江西省气象服务中心，江西南昌330046;4.国家气候中心，北京100081)

0 引言

全球变暖背景下极端气候事件的变化已引起国际社会广泛关注。近10 a来，国际上对极端天气气候事件进行了许多研究(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)，包括对主要极端天气气候事件频率和强度年代际变化特点及长期趋势的分析，以及对未来气候极端事件可能发生频率变化的模拟分析等。IPCC(2007)对2007年之前的相关研究进行了系统总结，指出陆地大部分地区强降水比例在增加。我国极端降水事件的发生频率也在增加，并具有明显的区域性和季节变化趋势(丁一汇等，2006;翟盘茂等，2007;任国玉等，2010)。Zhai et al.(2005)的研究表明，近40 a中国东部年平均降水强度极端偏强的趋势较为显著，华北地区强降水事件趋于减少，西北大部分地区极端降水事件呈明显增长趋势，东北西部也趋于增加，长江流域降水增加主要是由于降水强度加大且极强降水事件增多。苏布达等(2006)指出，1986年以来长江流域极端降水出现了显著增加趋势。孙凤华等(2007)发现，近50 a来我国东北地区降水极端事件有向极端化发展的倾向。钱维宏等(2007)指出，我国极端降水有增多的趋势，华南在1991年出现了转湿的突变。杨金虎等(2008a)指出，西北地区45 a来极端降水事件的变化表现出了明显的区域性特征，北疆地区表现为显著的增加趋势，而西北地区东南部表现为显著的减少趋势。张婷和魏凤英(2009)指出，华南地区年降水量在1992年经历了一次由减少趋势到增加趋势的突变，日最大降水量和年平均暴雨日数间有很好的相关关系。李丽平等(2010)指出，20世纪90年代以来，华南前汛期总降水量的显著增加与极端降水量、极端降水频率以及暴雨日数显著增加密切相关，且极端降水量异常程度明显增强。

综上可见，国内外气象学者对极端降水事件进行了许多研究，但对中国华南极端降水特征的研究还较少。华南是我国降水最多的地区之一，有些年份降水范围广、强度大、持续时间长，造成洪涝;而有些年份降水却很少，造成旱灾。华南降水季节分为前汛期和后汛期。因极端降水事件的特征在不同季节、不同区域存在显著差异，故本文将重点研究近40 a我国华南后汛期(7—9月)极端降水的时空演变特征，研究结果对华南地区短期气候预测和防灾减灾有一定意义。

1 资料和方法

本文采用中国国家气象信息中心提供的1969—2008年753站逐日降水资料，选取(106～120°E，20～28°N)作为研究区域。剔除降水资料长度不足40 a的站点，最后选取89个测站代表华南地区，站点分布见图1。考虑海南水汽来源的特殊性(丁菊丽等，2009)，本文略去海南站点。

图1 华南地区89个代表站分布Fig.1 Spatial distribution of 89 stations in South China

根据国家气候中心发布的极端降水统计指标，本文选用了其中5个指标来研究华南极端降水特征，即总降水量、强降水量、降水频率、强降水频率和暴雨频率，各指标定义如表1所示。

表1 本文选用的极端降水统计指标及其定义Table 1 The statistical in dices and their definitions of extreme precipitation selected by this paper

极端降水事件的定义参照翟盘茂与潘晓华(2003)的研究，将1969—2008年逐年7—9月日降水量由小到大进行排序，位于第95百分位值的40 a平均值定义为极端降水的阈值。当某站某日降水量超过该阈值时，则称该站发生了极端降水事件。

第95个百分位降水量的计算方法(Bonsal et al.，2001)如下。

把降水序列按升序排列x1，x2，…，xm，…，xn，某个值小于或等于xm的概率为

式中:m为xm的序号;n为降水序列值的个数，这里n=92，即7—9月的总天数。第95百分位值是指p=95%所对应的xm值。求解上式得m=88.1。取第95百分位上的值为排序后的x88(p=94.9%)和x89(p=96.0%)的线性插值(杨金虎等，2008b)。

2 华南后汛期极端降水空间分布特征分析

由1969—2008年共40 a平均的华南后汛期极端降水量阈值空间分布(图2)可见，极端降水量阀值分布存在明显的区域差异。广东和广西的南部及福建西南部阀值大于区域平均值(整个区域极端降水阀值平均值为33.7 mm·d－1);贵州、湖南、江西的南部和福建大部地区阀值相对较小。

图2 华南后汛期多年平均极端降水量阈值空间分布(单位:mm·d－1;阴影区表示大于等于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)

图3为华南后汛期近40 a平均的总降水量、强降水量、降水频率、强降水频率、暴雨频率空间分布，各指标的区域平均值依次为539.0 mm、261.6 mm、45.7%、4.7%、2.4%。对比图3a—e可见，广东和广西南部多年平均总降水量较大的区域，其多年平均强降水量、降水频率、强降水频率以及暴雨频率也大，且都与华南后汛期多年平均强降水量阈值空间分布(图2)相似。强降水频率的局地特征更明显，且除贵州外，其他各省均有强降水频率高值中心，这表明华南大部分地区强降水发生频率都高。上述分析表明，本文所选各极端降水指标能很好反映华南后汛期极端降水空间分布特征，强降水量、降水频率和暴雨频率很大程度影响着华南后汛期总降水量的空间分布。

进一步计算了华南后汛期区域平均总降水量与其他极端降水指标序列的相关系数，如表2所示。可见，相关系数全部通过0.01信度的显著性检验。其中，强降水量、强降水频率、暴雨日数与总降水量的相关系数均大于0.9，说明本文所选极端降水指标对华南整个区域后汛期总降水量的时间变化有很好的指示意义，特别是强降水量、强降水频率和暴雨频率。

表2 华南后汛期区域平均总降水量与各极端降水指标的相关系数Table 2 Correlation coefficients between region averaged total precipitation and extreme rainfall in dices in the post flood season of South China

3 华南后汛期极端降水长期线性趋势分析

3.1 均值分析

图3 华南后汛期40 a平均的各极端降水指标空间分布(阴影区值大于区域平均值)a.总降水量(mm);b.强降水量(mm);c.降水频率(%);d.强降水频率(%);e.暴雨频率(%)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(%)

为了解近40 a华南后汛期极端降水的长期变化趋势，给出了40 a平均的总降水量、强降水量、降水频率、强降水频率和暴雨频率区域平均的时间序列(图4)。可见，所有极端降水指标均在1992—1993年间发生了一次跃变。除降水频率外，总降水量、强降水量、强降水频率和暴雨频率的均值在1992年之后(T2时段)均较之前(T1时段)明显增加。为验证两个时段均值的差异在统计上是否显著，采用t检验方法(魏凤英，2009)，分别计算了各指标在两个时段的均值以及均值差异显著性检验的统计值t(表3)。可见，除了降水频率外，总降水量、强降水量、强降水频率以及暴雨频率在两个时段的均值存在显著差异，差异程度通过0.05信度(ta=2.02)的显著性检验，说明1992年以来，华南后汛期总降水量、强降水量、强降水频率和暴雨频率均较1992年前显著增加。张婷和魏凤英(2009)指出，1992年以来华南后汛期强降水量和日极端降水强度显著增加或增强，与本文结论一致。李丽平等(2010)在研究华南前汛期极端降水趋势特征时也得到类似结论，但不同的是，在1985年前后华南前汛期还存在一次转折，而后汛期则没有。

图4 1969—2008年区域平均的华南后汛期极端降水指标时间序列(实直线分别为T1、T2时段的平均值;虚线分别为T1、T2两个时段的线性趋势线)a.总降水量(mm);b.强降水量(mm);c.降水频率(%);d.强降水频率(%);e.暴雨频率(%)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

注意到图4中各极端降水指标的变化振幅在1992年之后(T2时段)要较之前(T1时段)明显增大，说明极端降水指标异常增大，发生极端旱涝的可能性增大。为了解这两个时段振幅的差异在统计上是否显著，采用F检验方法(魏凤英，2009)，对两个时段的方差进行显著性检验。为此，计算了各极端降水指标在两个时段的均方差以及方差差异显著性检验的统计值F(表4)。可见，除降水频率外，各极端降水指标方差在T2时段均明显大于T1时段，均通过0.1信度(=2.14)的显著性检验，总降水量、强降水量和强降水频率还通过0.05信度(=2.49)的显著性检验。这表明，1992年以来华南后汛期总降水量和各极端降水指标异常强度都较1992年以前显著增强。

表3 各极端降水指标在两个时段的均值u以及均值差异显著性检验的统计值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 两个时段各极端降水指标的均方差Ia以及方差差异显著性检验的统计值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 线性趋势分析

分析华南后汛期近40 a区域平均总降水量和各极端降水指标的长期变化线性趋势(图略)发现，它们都不显著。分别对T1和T2时段总降水量和各极端降水指标的线性趋势(图4中虚线)进行研究，可见:T1和T2时段总降水量和各极端降水指标均呈线性递减趋势;整体而言，T2时段各指标的线性递减趋势更显著，趋势系数见表5。由表5可见，总降水量和降水频率的线性递减趋势均通过了0.01信度的显著性检验，降水频率还通过了0.05信度的显著性检验。

图5给出了华南后汛期1992年之前和之后降水频率的线性趋势分布。可见，转折之前和之后两个时段线性递减显著区域存在一定差异，1992年之前递减趋势明显的区域位于广西、广东西南部、贵州和湖南南部，转折后主要位于广东中东部、广西中北部以及贵州和湖南南部、江西和福建少部分地区。

4 结论与讨论

本文选用中国国家气候中心提出的描述极端降水特征的5个指标，即总降水量、强降水量、降水频率、强降水频率和暴雨频率，对近40 a华南后汛期极端降水的时空演变特征进行了研究，得到以下主要结论:

1)多年平均总降水量、强降水量、降水频率、强降水频率以及暴雨频率与强降水量阈值空间分布一致，广东和广西的南部及福建西南部为大值区;强降水量、降水频率及暴雨频率很大程度影响着华南后汛期总降水量的空间分布;强降水量、强降水频率、暴雨频率对后汛期总降水量的时间变化有很好的指示意义。

2)华南后汛期极端降水长期线性变化趋势不明显，但在1992—1993年间发生一次明显的年代际转折，两个时段的统计特征也发生明显转折。各极端降水指标(降水频率除外)的均值在1992年之后较之前时段明显增加，差异程度通过0.05信度的显著性检验。各极端降水指标方差在1992年之后也明显大于之前时段，差异程度通过0.1信度的显著性检验，总降水量、强降水量和强降水频率还通过0.05信度的显著性检验。说明1992年以来华南后汛期总降水量和极端降水增多，异常程度增强，发生旱涝的情况增多。

3)199 2年之前和之后两个时段总降水量和各极端降水指标均呈线性递减趋势，总降水量、降水频率递减趋势更显著，转折前后两个时段线性递减显著区域存在一定差异。

将本文研究结果与之前对华南前汛期极端降水时空演变特征分析的结果(李丽平等，2010)对比发现，华南前、后汛期极端降水时空演变特征既有相同点，也存在明显差异。相同之处是，前、后汛期各极端降水指标大多数(后汛期的降水频率除外)在1992年前后发生一次跃变，各极端降水各指标均值和方差在1992年之后较之前均呈显著增加趋势。不同之处是，前汛期极端降水在1984—1985年前后还发生一次突变，而后汛期则没有这种情况。后汛期降水频率与其他极端降水指标的均值与方差变化特征不一致，1992年前后两个时段降水频率均值和方差的差异不显著，但降水频率的线性递减趋势在1992年之前和之后均通过了0.05信度的显著性检验。

表5 两个时段华南后汛期总降水量和各极端降水指标的线性趋势系数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

图5 华南后汛期1992年之前(a)和之后(b)降水频率线性趋势系数的分布(单位:%·(10 a)－1;阴影区表示通过0.05信度的显著性检验)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)

关于华南汛期年代际转折的原因，一些学者也进行了研究。如:张婷和魏凤英(2009)研究指出，南半球澳大利亚高压和马斯克林高压的强度变化是华南汛期降水异常的重要气候背景，即当两高压处在同时增强时期时，华南前汛期极端降水处于偏少阶段，后汛期则处于偏多阶段。姚才和钱维宏(2010)研究指出，华南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际正(负)异常的前冬季和当年春季，中高纬度西北太平洋出现正(负)的海温距平，表现为偏强(弱)的黑潮延伸体暖流影响我国东部沿海地区。总之，华南后汛期极端降水的年代际异常成因尚有待进一步深入研究。

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