湖南近55年极端降水指数时空分布特征的季节性差异分析

兰明才,胡晓琳,刘红武,周 莉*,周 盛,徐靖宇,杨云芸

(1.湖南省气象台，湖南 长沙 410118；2.山东省淄博市气象局，山东 淄博 255000)

湖南近55年极端降水指数时空分布特征的季节性差异分析

兰明才1,胡晓琳2,刘红武1,周 莉1*,周 盛1,徐靖宇1,杨云芸1

(1.湖南省气象台，湖南 长沙 410118；2.山东省淄博市气象局，山东 淄博 255000)

使用湖南省88个国家基准气象站1961～2015年的逐日降水量数据，分析了湖南地区冬夏季代表降水不同方面的PRCPTOT、SDII、R95T、R10、R5d、CDD、CWD指数的时空特征，并讨论了不同指数之间的相关性。结果表明：无论在冬季还是在夏季，PRCPTOT和SDII的空间分布较为一致。PRCPTOT和SDII在冬季增加较夏季显著，且SDII较PRCPTOT增加显著。极端降水的变化特征在冬夏有较大的差异，冬季R5d在湘北的增加趋势较夏季显著，但夏季R95T在湘中的增加趋势较冬季显著。连续性降水指数CDD和CWD在冬季的变化趋势较夏季显著，冬季CDD在湘中地区近年来有增加趋势，而CWD在大部分湖南地区都呈下降趋势，但R5d在增加，即连续性降水的时间在减少，但连续的降水量在增加；在夏季也有同样的特征。各个指数之间的时间变化一致性较空间变化一致性强。除连续性指数CDD和CWD外，无论冬夏，其余指数在时间和空间变化上，均有较高的相关性，相关系数均通过95%的显著性检验。

极端降水；时空分布特征；季节差异；湖南

0 引言

IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)第五次评估报告指出，近100年全球平均地表气温显著升高，在全球气候变暖的大背景下，极端降水事件频发，与气候平均态相比，极端气候事件对气候变化更敏感[1]。20世纪以来，洪涝、干旱等天气和气候极端事件的频繁出现，给社会、经济和人类生活造成了严重的影响和损失，极端降水事件的变化引起国内外广泛关注[2-7]。由于平均气候的微小变化可能引发极端气候的频率、强度较大的变化[8]， 因此选取适当的代表极端降水的指数[9-10]，分析极端降水事件发生发展的时空特征以及规律，是极端事件评估的重要基础性工作[11]。

使用极端指数分析我国不同区域极端降水的变化特征已经有很多报道，尤焕苓等[12]对北京地区1981～2010年极端降水的空间分布特征进行了分析，发现极端降水百分位数(第90、95和99个百分位数) 阈值表现出较一致的空间分布特征，极端降水量对总降水量的贡献可达 30%～37%，极端降水强度分布与极端降水阈值分布相似。胡豪然等[13]分析了四川盆地汛期极端降水事件的时空演变特征，发现汛期极端降水事件的发生频次分布与降水量分布差异较大，由西向东呈阶梯状递减趋势；汛期极端降水事件发生频次除在四川盆地西部区和重庆东部区分别呈较弱的减少和增长趋势以外，在其余各区的线性趋势都较为明显。李双双等[14]分析了1960～2013年秦岭-淮河南北极端降水时空变化特征，结果表明：秦岭-淮河南北除长江下游降水呈增加趋势外，其他区域降水均呈下降趋势，极端降水主要表现为降水日数减少，降水强度上升，突发性强降水事件增多，连续性干旱事件增多。段丽瑶等[15]分析了天津7个降水指数的长期变化趋势，发现天津年降水量和降水日数年际差异较大，没有显著的趋势性变化，从1980年开始天津降水量和日数开始变小(少)，方差也变小，各极端降水指数均表现为线性趋势不明显，年际变化较大。

上述研究大都针对全年或者汛期极端降水事件，对冬季极端降水变化特征的研究甚少，比如冬季极端降水对人民生活，尤其是对农业生产有着至关重要的影响，且极端降水事件对季节的依赖性很强, 季节性差异显著,因此分析极端降水事件的季节性差异状况显得十分必要。湖南处于亚热带季风区，降水充沛，是我国雨水较多的省份之一，历来洪涝灾害较为频繁。降水量年际变化较大，年降水量为1200～1700 mm[16]，但由于湖南地形复杂多变，又处在气候的过渡带，使得降水时空分布不均，极端降水事件相应也有其区域特点[17-20]，因此湖南地区对其气候变化的敏感度更强。本文将着重对湖南地区冬夏两季极端降水事件进行全面分析，详细探讨在极端降水事件的时空分布特征、气候趋势变化以及区域性年际、年代际变化特征等方面存在的差异，以期能够提高应对湖南气候变化的决策服务质量，为农业、水资源、社会经济等领域的影响评估提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 基础资料

本文使用的观测资料来源于湖南省气候中心提供的湖南省97个国家基准气象站1961～2015年的逐日降水量数据，剔除资料长度不够的站点和高山站后，剩余88个站(图1)。

图1 湖南省88个国家基准气象站点分布

1.2 极端降水指数

本文引入最早由Frich等[10]提出的7个具有较高信噪比且相关相对“较弱”的极端降水指数研究湖南极端降水的时空分布特征，其中，极端降水贡献率、大雨日数和连续5 d最大降水量用来描述极端降水的特征指数；而总降水量和降水强度用来表征降水的平均特征；最大连续干日和最大连续湿日则代表连续的极端降水事件。有效结合这3类指数从而更为全面地刻画湖南降水特征。各指数的定义及单位如表1所示。

2 极端降水指数的时空分布特征

2.1 平均指数

为了分析湖南省冬夏季平均降水状况的时空变化特征，图2给出了1961～2015年湖南省冬夏季总降水量和降水强度的空间分布，可以看出，无论在冬季还是在夏季，PRCPTOT和SDII的空间分布较为一致。冬季降水总量的空间分布存在较大地域差异，反映了地理位置和地形对其的影响，总体呈现北多南少的分布特征。其中降水量的大值区主要位于整个湘北地区、湘潭、衡阳北部以及怀化和邵阳南部，其中冬季最大总降水量位于张家界和湘西州，局地超过900 mm。永州、郴州以及株洲南部的总降水量则比较少，大约为300～600 mm。冬季降水强度的分布特征和总降水量基本一致，永州南部降水强度最小，不足3.2 mm/d。夏季总降水量明显大于冬季，在1500～2500 mm之间，且分布特征也异于冬季，呈南北多中部少的三级分布，最大降水量超过2200 mm，出现在张家界和湘西州交界、永州和郴州南部。湘西州中部、益阳东部和岳阳西部总降水量则小于1600 mm。夏季降水强度呈南多北少的分布特征，最大降水强度超过15 mm/d，位于永州和郴州一带。

表1 极端降水指数的定义及单位

为了全面了解湖南冬夏季平均降水的长期趋势变化，分别计算了各个测站冬夏季总降水量和降水强度的线性变化趋势。由2图可知，冬季总降水量和降水强度线性变化趋势一致， 全省呈线性增长趋势，其中总降水量的线性趋势有30%的测站通过0.05的信度检验，而降水强度的线性趋势，几乎所有站点皆通过0.05的信度检验。对于夏季总降水量和降水强度线性变化趋势来说，全省大部分地区依然呈线性增长趋势，且通过信度检验的站点明显少于冬季，其中湘西、湘东个别站点的总降水量和降水强度呈减少趋势。这些结果表明，PRCPTOT和SDII在冬季增加较夏季显著，且SDII较PRCPTOT增加显著，湖南地区冬季降水更趋于极端化。

图2 1961～2015年湖南省PRCPTOT和SDII的空间分布及趋势分布

将各站点的PCPTOT和SDII进行平均，可以得到全省平均降水状态，由1961～2015年湖南省PRCPTOT和SDII距平的区域平均序列(图3)可知，湖南省总降水量和降水强度，无论是冬季还是夏季除了有显著的年际变化外，还有显著的年代际变化特征，值得一提的是，总降水量和降水强度的年代际变化存在高度一致性。湖南省冬季总降水量和降水强度在1985年之前，为持续偏少的负异常阶段，1985年之后呈现持续偏多的正异常状态，冬季总降水量呈18.5 mm/10 a弱增长趋势，而降水强度的变化趋势较为显著，通过0.05信度检验。夏季总降水量和降水强度在1990年之前，为持续偏少的负异常阶段，1990年之后呈现持续偏多的正异常。

2.2 极端指数

图4为湖南省冬夏季1961～2015年平均极端降水贡献率(R95T)、大雨日数(R10)和连续5 d最大降水量(R5d)的空间分布，可以看出，在冬季，R10和R5d的空间分布与平均降水指数存在较强的一致性，同样呈现北多南少的分布特征。湘西北、湘北和湘西南的冬季R10较大，达到7 d以上，永州、郴州南部则不足4 d。整个湘北地区R5d皆在60 mm以上，湘东南则明显偏少。对于R95T来说，大值区主要位于湘北、湘西以及长沙西部，局地超过42%。湘东南的贡献率则比较少，大约为35%～37%。夏季R95T的分布特征规律性不强，在40%～47%之间，大值区相对分散。R10呈南北多中部少的三级分布，最大大雨日数超过16 d，出现在张家界和湘西州交界。R5d的空间分布与冬季相反，和夏季降水强度的空间分布十分接近，呈南多北少的分布特征，永州和郴州一带的R5d超过了160 mm。

进一步分析湖南冬夏季平均R95T、R10和R5d的长期趋势变化发现：冬季极端降水贡献率的南北差异较大， 湘北呈线性增长趋势，湘南呈线性减少趋势，只有10%的测站通过0.05的信度检验，且基本分布在线性增长趋势的站点上；R10和R5d的线性变化趋势一致， 全省呈线性增长趋势，其中R5d的线性趋势，有60%～70%的测站通过0.05的信度检验且主要位于湘北地区，而R10的线性趋势，只有位于湘东南的3个测站通过检验。夏季3个极端降水指数的线性变化趋势规律性不强，呈增加趋势和减少趋势的站点比例大致为1∶1，但分布不均，其中湘中一带的R95T和R5d的线性趋势通过0.05信度检验的站点较多。总的来说，极端降水的变化特征在冬夏有较大的差异，冬季R5d在湘北的增加趋势较夏季显著， 但夏季R95T在湘中的增加趋势较冬季显著。冬季极端降水显著增加的区域主要位于湘北地区，而夏季则主要集中在湘中地区。

图5为1961～2015年湖南省R95T、R10和R5d距平的区域平均序列，从图5可知，极端指数和平均指数一样，无论是冬季还是夏季，其年代际变化特征大体呈前负后正的趋势变化特征，湖南省冬季R95T和R10在1985年之前，为持续偏少的负异常阶段，1985年之后呈现持续偏多的正异常状态，其中R10在2010年以后有减少的趋势，两者线性趋势皆不明显，未通过0.05信度检验；R5D的线性趋势较为明显，为2.6 mm/10 a，通过0.05信度检验。对于夏季，R95T、R10和R5d的线性趋势皆表现为弱增长，分别为1.1%/10 a、0.2 d/10 a、3.42 mm/10 a，负距平和正距平的分界点皆在1990年前后。

2.3 连续指数

图6为湖南省冬夏季1961～2015年平均CDD和CWD的空间分布，可以看出，冬季平均CDD呈南北多中部少的三级分布，其中连续干日的大值区主要位于湘北(常德和岳阳北部)以及湘东南地区(郴州和永州中部)，尤其是后者，局地超过17 d；中部地区的连续干日则比较短，在13～15 d左右。进一步分析湖南冬季最大连续干日的长期趋势变化，发现，除湘东、湘东北个别站点呈线性减少趋势以外，其余站点皆呈线性增加趋势，通过0.05信度检验的站点基本分布在湘中地区呈线性增加趋势的站点上。夏季平均CDD的分布特征在湘东南地区和冬季是相似的，呈偏多的态势，最大值超过13 d，但在湘中和湘北地区，冬夏两季则呈反位相分布，北部夏季平均最大连续干日偏短，而中部偏长，局地超过14 d。夏季最大连续干日的长期趋势变化自湘西北至湘东南呈“上升”、“下降”、“上升”、“下降”的间隔分布特征，其中通过0.05信度检验的站点位于湘西、湘东北和湘东南。

冬季平均CWD呈北多南少的分布特征，其中大值区主要位于张家界、常德、岳阳南部和长沙北部，局地超过10 d，湘东南地区则在7 d以下。冬季平均CWD在全省大部分地区都呈线性下降趋势，其中通过信度检验的站点超过80%，而呈线性上升趋势的站点则都没有通过信度检验。夏季平均CWD的大值区主要位于湘西州、张家界交界处和株洲南部，超过9 d，湘中和湘东南局地则不足7 d。其线性变化趋势规律性不强，呈增加趋势和减少趋势的站点比例大致为1∶1，其中通过0.05信度检验的站点基本呈下降趋势。

总的来说，连续性降水指数CDD和CWD在冬季的变化趋势较夏季显著，冬季CDD在湘中地区近年来有增加趋势，表明冬季这个地区的干旱状况在加剧；而CWD在大部分湖南地区都呈下降趋势，表明连续性降水在减少；但由于R5d在增加，由此说明连续性降水的时间在减少，但连续的降水量在增加。在夏季也有同样的特征。

图7为1961～2015年湖南省冬夏季CDD和CWD距平的区域平均序列，从图7可知，CDD和CWD的变化基本呈反相的变化特征，且连续指数的时间序列特征与其余指数有较大的差异。冬季CDD的年代际变化特征大体呈前负后正的趋势，在1985年之前，为持续偏少的负异常阶段，1985年之后呈现持续偏多的正异常状态，其总体的线性趋势为0.67 d/10 a。夏季CDD的趋势特征不同于冬季，在1985～1995年间以及1970年前后、2007年后呈现偏多的正异常状态，其余年份为偏少的负异常阶段，也正因为其双“S”型的变化特征，夏季CDD的线性趋势很不显著。冬季最大CWD的年代际变化特征大体呈前正后负的趋势，在1997年之前，为持续偏多的负异常阶段，1997年之后呈现持续偏少的正异常状态，其总体的线性趋势也表现为下降趋势，为-0.26 d/10 a。夏季CWD的年代际变化特征呈“+”、“-”、“+”、“-”的年代际变化特征，其分界点分别在1980年、1990年和2003年，其线性趋势也表现为弱的下降趋势，为-0.16 d/10 a。

3 极端降水指数相间的相关性

3.1 时间变化的相关性

通过对各极端降水指数距平的区域平均时间序列分析，不难发现，各指数的年代际变化存在一定的相关性。极端指数和平均指数一样，无论是冬季还是夏季，其年代际变化存在高度一致性，逐年距平值特征大体呈前负后正的趋势，除冬季R5d负距平和正距平的分界点在1980年外，其余指数皆表现为：冬季在1985年之前，为持续偏少的负异常阶段，1985年之后呈现持续偏多的正异常状态；夏季在1990年之前，为持续偏少的负异常阶段，1990年之后呈现持续偏多的正异常。在连续指数中，冬季CDD的年代际变化特征和极端指数、平均指数一样，呈线性增长趋势，负距平和正距平的分界点同样在1985年；其余连续指数的时间序列特征还是有别于平均指数和极端指数的。

为了进一步客观分析各极端降水指数间的相关性，本研究分别计算了1961～2015年湖南省冬季和夏季区域平均各极端降水指数间的相关系数(表2、表3)，不难发现，冬季PRCPTOT、R95T、SDII、R10和R5d这5个指数间呈正相关，且相关系数都非常高，皆在0.7以上，通过95%显著性检验，其中相关性最大的为总降水量和大雨日数间，其相关系数高达0.97，通过99%显著性检验。最大连续干日和最大连续湿日间的相关性则不明显，相关系数只有-0.13，且两者与其余指数间的相关系数都很小，其绝对值皆在0.5以下。除连续性指数外，其余指数的年际变化有很强的一致性特征。

注：“*”表示通过95%显著性检验。下同。

夏季各指数的相关性和冬季大体一致，PRCPTOT、R95T、SDII、R10和R5d这5个指数间呈正相关，其中相关性最大的依然为总降水量和大雨日数间，其相关系数高达0.96，但大雨日数和极端降水贡献率间的相关系数则较小，只有0.49，但也通过了95%显著性检验。夏季CDD和CWD与其余指数的相关性同样不够显著，但总体相关性大于冬季，其中CDD和PRCPTOT、R10的相关系数，以及CWD和PRCPTOT、R10、R5d间的相关系数绝对值皆超过了0.5。

3.2 空间变化的相关性

表4为1961～2015年平均冬季各个指数间空间分布的相关系数，可以看到，在冬季，除R95T外，PRCPTOT、SDII、R10、R5d和CWD两两之间的相关性较高，均通过了95%的显著性检验，反映出了平均降水指数的分布特征在很大程度上由极端降水的分布决定。而CDD除与SDII有较好的相关外，与其余指数的相关性均较低。对于夏季(表5)，同样有类似的特征，但相关性较冬季差，比如PRCPTOT与SDII在夏季的相关性仅有0.4，而在冬季则为0.87。PRCPTOT与其余指数间的相关性均较高，值得一提的是，夏季RPCPTOT与CDD呈显著反相关，而在冬季，这种反相关并不显著。

表3 1961～2015年湖南省夏季区域平均各极端降水指数间时间变化的相关系数

表4 湖南省1961～2015年平均冬季极端降水指数间空间分布的相关系数

表5 湖南省1961～2015年平均夏季极端降水指数间空间分布的相关系数

综上所述，各个指数之间的时间变化一致性较空间变化一致性强。除连续性指数CDD和CWD外，无论冬夏，其余指数在时间和空间变化上，均有较高的一致性，相关系数均通过95%的显著性检验。表明不同指数反映时空变化上存在一定的联系。

4 结论

从总降水量(PRCPTOT)和降水强度(SDII) 的变化特征可以发现，无论在冬季还是在夏季，PRCPTOT和SDII的空间分布较为一致。PRCPTOT和SDII在冬季增加较夏季显著，且SDII较PRCPTOT增加显著，湖南地区冬季降水更趋于极端化。

从极端降水贡献率(R95T)、大雨日数(R10)和连续5 d最大降水量(R5d)的变化特征可以发现，极端降水的变化特征在冬夏有较大的差异，冬季R5d在湘北的增加趋势较夏季显著， 但夏季R95T在湘中的增加趋势较冬季显著。不同区域的特征也不尽相同，冬季极端降水显著增加的区域主要位于湘北地区，而夏季则主要集中在湘中地区。

从最大连续干日(CDD)和最大连续湿日(CWD)的变化特征可以发现，连续性降水指数CDD和CWD在冬季的变化趋势较夏季显著，冬季CDD在湘中地区近年来有增加趋势，而CWD在大部分湖南地区都呈下降趋势。

各个指数之间的时间变化一致性较空间变化一致性强。除连续性指数CDD和CWD外，无论冬夏，其余指数在时间和空间变化上，均有较高的一致性，相关系数均通过95%的显著性检验。

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SeasonalDifferenceAnalysisofSpatialandTemporalDistributionCharacteristicsofExtremePrecipitationIndexesinHunanProvinceinRecent55Years

LAN Ming-cai1, HU Xiao-lin2, LIU Hong-wu1, ZHOU Li1*, ZHOU Sheng1, XU Jing-yu1, YANG Yun-yun1

(1. Hunan Meteorological Observatory, Changsha 410118, China; 2. Zibo Meteorological Bureau of Shandong Province, Zibo 255000, China)

Based on the daily precipitation data of 88 national weather stations in Hunan province during 1961～2015, we analyzed the spatial and temporal distribution characteristics of several precipitation indexes [total precipitation (PRCPTOT), precipitation intensity (SDII), fration of total from heavy events (R95T), heavy precipitation days (R10), maximum precipitation for 5 consecutive days (R5d), maximum consecutive dry days (CDD), and consecutive wet days (CWD)〗 in winter and summer in Hunan province, and explored the correlations among these indexes. The results indicated that the spatial distribution of PRCPTOT and SDII was relatively consistent no matter in winter or in summer. The increasing trend of both PRCPTOT and SDII in winter was more significant than that in summer, and SDII increased more significantly than PRCPTOT. In northern Hunan province, R5d in winter had a more significant increasing trend than that in summer. However, in central Hunan province, R95T in summer had a more significant increasing trend than that in winter. The change trend of CDD and CWD in winter was more singificant than that in summer. CDD in winter in central Hunan province revealed a rising trend in recent years, while CWD in most regions of Hunan showed a declining trend, and R5d was increasing in both winter and summer. The uniformity in temporal variations among various indexes was stronger than that in spatial variations. Except for CDD and CWD, there were significant correlations (P<0.05) in spatial and temporal variations in both winter and summer among the other indexes.

Extreme precipitation; Spatial and temporal distribution characteristics; Seasonal difference; Hunan

2017-07-07

中国气象局预报员专项“2016年湖南极端强降雨过程多尺度特征分析”(CMAYBY2017-050)；湖南省气象台短平快项目“基于统计降尺度的湖南大暴雨时空分布特征及风险预估”； 横向课题“湖南省分县地质灾害区划研究”、“湖南省精细化天气要素预报”。

兰明才(1984─)，男，工程师，硕士，主要从事天气预报预测及短时临近预报预警技术研究。*通讯作者：周莉。

S161.6

A

1001-8581(2017)11-0102-09

(责任编辑：许晶晶)