近百年来全球、大洲和区域尺度降雨时空变化诊断(1900-2010)*

孔 锋，王一飞，吕丽莉,3，方佳毅，史培军

(1.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐 830002；2.中国气象局气象干部培训学院，北京 100081；3.中国气象局 发展研究中心，北京 100081；4.北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；5.民政部/教育部 减灾与应急管理研究院，北京 100875)

近百年来全球、大洲和区域尺度降雨时空变化诊断(1900-2010)*

孔 锋1,2,3,4，王一飞1,2，吕丽莉1,2,3，方佳毅4,5，史培军4,5

(1.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐 830002；2.中国气象局气象干部培训学院，北京 100081；3.中国气象局 发展研究中心，北京 100081；4.北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；5.民政部/教育部 减灾与应急管理研究院，北京 100875)

采用1900-2010年0.5°×0.5°的降雨数据诊断全球、七大洲和IPCC26个陆地分区的降雨气候态分布特征、变化趋势和波动特征。结果表明：①在气候态降雨量上，全球年均降雨量主要分布在30°S～30°N，特别是20°S～20°N，仅非洲和南美洲年均雨量高于全球。年均降雨量SEA(东南亚分区)最高，SAH(撒哈拉分区)最少，不同季节伴有不同变化。②在变化趋势上，1900-2010年全球降雨量变化趋势呈现出不同的时空分布特征，且以减少趋势为主。在大洲上，亚洲、非洲和南极洲呈减少趋势，且6-8月减少最多，9-11月减少最少。在IPCC 26个陆地分区上，12个分区呈增加趋势，14个分区呈减少趋势。③在波动特征上，1900-2010年全球陆地降雨量波动特征较高的地区主要分布在撒哈拉、以青藏高原为核心的周边地区、南美洲西部山脉地区和南极洲内陆地区，不同季度的降雨量均大于年均降雨量波动特征，且大洋洲和南极洲四个季度波动特征大于其它五个大洲。在IPCC 26个陆地分区上，仅8个分区年均降雨量波动特征波动特征超过了0.10。

气候变化；区域降雨；时空格局；变化趋势；波动特征；IPCC陆地分区；全球

气候变化背景下全球降雨发生变化[1]，并呈现出时间上的动态变化特征和空间上的区域性和次区域性特征[2]，并对区域可持续发展产生了一定的影响[3-4]。历次IPCC评估报告表明，全球降雨越来越受到气候变暖的影响，且已经显现出一定的区域性特征[1-2]。从观测资料来看，1950年以来的观测记录表明降雨量在高纬度地带和热带地区呈现增加的趋势，而在原本比较干旱的副热带地区则呈现减少的趋势[1,5]；高纬地区大部分陆地区域每10年降雨量增加0.5%～1.0%[6]；10°N～30°N之间大部分陆地区域降雨量每10年减少了0.3%[7]；10°N～10°S之间的热带大陆地区降雨量每10年增加0.2%～0.3%[8]。具有高信度的是，自1950年以来北半球中纬度地区的降雨量也在明显上升[9-10]。与北半球相反，南半球不同纬度带没有检测出有类似的系统性的降雨变化，这与没有足够的资料确定降雨量的变化趋势有关[11]。然而目前学界对降雨量这种变化的幅度和详细区域性特征还存在很多争论[12]。但对于全球季风区而言，该区则是全球降雨变化率最大的地区[13-14]。从气候模式来看，全球和区域气候模式结果显示，全球变暖导致大气持水量增加，大气水循环加快，全球总降雨量增加[15-16]。但由于全球变暖，极端天气气候事件增加，灾害性天气强度增大，这样造成降雨分布更加不均[17-18]。所以对具体区域而言，可能局地降雨量增大，也可能对应某地区干旱程度加大[19-21]，这表明全球气候变化形势下降雨量的多样性变化特征。史培军等根据1961-2010年气温和降雨的变化趋势和波动特征率先开展中国气候变化区划研究，并提出气候变化应是趋势性变化和波动性变化的综合表达结果[22]。该划分其实包含了气候均值和气候极值的变化，其中气候趋势性变化是相对气候均值而言的，波动特征则是相对气候极值而言的。本文采用1900-2010年较长时间尺度的降雨数据，从气候变化的趋势性和波动性出发，采用IPCC的26个陆地分区，对比全球、大洲和区域尺度上的降雨量变化趋势和波动特征。一方面可为IPCC气候评估提供对比验证，进一步丰富全球不同尺度降雨的区域性特征，补缺尚未研究或研究相对较少的区域；另一方面也为不同尺度的水资源规划和利用及城市暴雨洪涝提供可能的科技参考。

1 数据和方法

本文采用的全球月值降雨数据来自University of Delaware Monthly Precipitation(V3.01)。该数据的起止时间是1900-2010年，空间范围是90°S～90°N和180°W～180°E，空间分辨率是0.5°×0.5°。本文将3-5、6-8、9-11和12-2月分别定以为第1、2、3和4季度。本文将全球月值降雨数据按照季度和年际进行加和平均，从而获得全球季度和年份的气候态降雨量，并计算全球和七大洲的年际降雨量。在此基础上，通过一元线性趋势方法计算全球不同季度和年份的降雨量变化趋势。进一步采用变异系数表征全球年际和季度降雨量的波动特征[13-14]。同时我们采用IPCC AR5中的26个陆地分区[1-2](图1)统计各区域的1900-2010年降雨量的气候态均值、变化趋势和波动特征。

图1 IPCC 26个陆地分区

图2 全球陆地年均降雨量空间分异格局(1900-2010)

2 结果与分析

2.1 全球、大洲和区域气候态降雨时空格局

全球陆地和七大洲气候态年均降雨量在1900-2010年表现出不同的时空分布特征。从气候态年均降雨量来看，1900-2010年全球陆地年均降雨量大致在621.20 mm(表1)，七大洲中仅非洲和南美洲年均雨量高于全球陆地年均雨量，分别为679.05 mm和1 495.86 mm。其中1900-2010年3-5月、6-8月、9-11月和12-2月的大洲平均降雨量超过全球陆地年均降雨量的数目分别有1、4、3和3个(表1)。

表1 1900-2010年全球陆地和七大洲的平均降雨量年际均值 mm

从气候态空间格局来看，1900-2010年全球陆地年均降雨量量级较高的地区主要分布在30°S～30°N，特别是20°S～20°N(图2)，尤其是中非西北、东南亚、东亚东部和南美洲南部地区，这些地区是全球主要的季风区、沿海地区和热带雨林地区。其中超过1 500 mm和2 000 mm的地区分别占全球陆地总面积的10.12%和6.20%，而低于250 mm和500 mm的地区分别占全球陆地总面积的37.40%和64.46%。如以年均降雨量低于500 mm作为干旱区的边界，则全球陆地干旱区面积达三分之二。降雨量量级较低的地区主要集中在北非、南非、西亚、中亚、俄罗斯远东地区、北美洲西部、南美洲西部山脉地区、澳大利亚内陆和南极洲地区。

从不同季度来看，1900-2010年全球不同季度平均降雨量量级较高的地区与年均降雨量量级较高的地区大致重合(图3)，其中20°S～20°N地区是全球陆地不同季度年均降雨量最为集中的地区，20°N以北的地区在6-8月降雨量相对最多，12-2月相对最少；20°S以南地区则20°N以北与恰恰相反。对于位于20°S～20°N附近的东南亚地区，不同季度的年均降雨量均超过450 mm，而20°S～20°N附近的非洲地区和南美洲地区则在6-8月主要分布在赤道以北；在12-2月主要分布在赤道以南；而在3-5月和9-11月则在赤道南北均有分布。

图3 全球陆地不同季度年均降雨量空间分异格局(1900-2010)

图4 全球陆地夏季年均降雨量占年均总降雨量比例的空间分异格局(1900-2010)

图5 全球陆地季风边缘区(1900-2010)

从雨量比例来看，我们将北半球6-8月和南半球12-2月作为夏季，夏季年均降雨量占年均总降雨量的比例较高的地区主要分布在东北亚、南亚、中亚、澳大利亚北部、非洲南部和0°～20°N的非洲地区(图4)。夏季年均降雨量占年均总降雨量的比例超过55%的陆地面积占全球陆地总面积的11.53%。1900-2010年全球陆地夏季年均降雨量减去冬季年均降雨量超过180 mm的地区大多位于40°S～40°N范围之内，尤其是中非、东亚、南亚、东南亚、中美洲、南美洲和澳大利亚北部地区。根据已有研究中的定义[13-14]，将同时满足夏季年均降雨量占年均总降雨量的比例超过55%和夏季年均降雨量减去冬季年均降雨量超过180 mm的地区定义为季风边缘区(图5)，据此我们划定出季风边缘区，其面积占全球陆地总面积的8.28%，这些地区由于处于气候转变的地带，脆弱性较强，同时也是极其发生干旱的地带。

从IPCC 26个陆地分区来看，全球年均降雨量最多和少的区域是SEA(东南亚分区)和SAH(撒哈拉分区)，达2 425.15 mm和88.36 mm，超过全球年均降雨量的分区有15个(表2)。3-5月、6-8月、9-11月和12-2月的IPCC陆地分区年均降雨量超过全球不同季度年均降雨量的数目分别有13、12、14和13个。

2.2 全球、大洲和区域降雨变化趋势时空格局

全球陆地和七大洲年均降雨量变化趋势在1900-2010年表现出不同的时空分布特征。从时间序列来看，全球陆地年均降雨量从1900到2010年在波动中呈现出减少趋势，尤其是1978年后全球陆地年均降雨量在波动中减少显著(图6)。从大洲尺度来看，亚洲、非洲和南极洲年均降雨量在1990-2010年在波动中呈现减少趋势，整体来看占全球陆地总面积的58.56%；欧洲、大洋洲、北美洲和南美洲年均降雨量从1990到2010年则在波动中呈现增加趋势，占全球陆地总面积的41.44%。

表2 1900-2010年全球IPCC 26个陆地分区的平均降雨量年际均值 mm

图6 全球陆地和大洲年均降雨量年际变化(1900-2010)

从空间分布来看，1900-2010年全球陆地年均降雨量呈增加趋势的陆地地区面积占全球陆地总面积的33.03%，主要零散分布在40°N以北的欧亚大陆、北美洲西部、格陵兰、南美洲的东南部和亚马逊中北部、澳大利亚北部和0～20°S的非洲地区(图7)，尤其是北半球高纬度地球增加趋势明显。而年均降雨量呈减少趋势的地区主要集中分布在赤道以北的非洲、以青藏高原为核心的亚洲大陆腹地、西亚、美国西部和环亚马逊周边地区。

图7 全球陆地年均降雨量变化趋势空间分异格局(1900-2010)

从不同季度来看，全球陆地年均降雨量在四个季度均呈减少趋势(表3)，其中6-8月减少最多，9-11月减少最少。七大洲在3-5月、6-8月、9-11月和12-2月呈增加趋势的分别有4、1、4和4个洲。其中北美洲在四个季度均呈增加趋势，而亚洲、非洲和南极洲在四个季度均呈减少趋势；欧洲、大洋洲和南美洲除6-8月呈减少趋势外，其它季度均呈增加趋势。从不同季度空间分布格局来看，全球陆地不同季度年均降雨量变化趋势与全球陆地年均降雨量变化趋势具有较高的一致性(图8)，增加趋势较高的地区主要分布在40°N以北的北半球陆地地区和南美洲的东南部和亚马逊流域部分地区；而呈减少趋势的地区则主要分布在赤道以北的非洲地区和以青藏高原为核心的亚洲腹地。

表3 1900-2010年全球陆地和七大洲的平均降雨量年际变化趋势 m/10年

从IPCC 26个陆地分区来看，1900-2010年26个陆地分区年均降雨量以减少趋势为主，有12个分区呈增加趋势，14个分区呈减少趋势，(表4)，增加最高的分区是SSA(南美洲南部)，减少最高的分区是SEA(东南亚地区)，26个陆地分区年均降雨量变化趋势高于全球陆地年均降雨量变化趋势的分区有16个。从不同季度来看，年均降雨量在3-5月、6-8月、9-11月和12-2月呈增加趋势的分区分别有8、11、14和9个(表4)，其中高于全球陆地不同季度年均降雨量变化趋势的陆地分区均是23个，但是分区不尽一致，均高于和低于全球陆地四个季度年均降雨量变化趋势的相同陆地分区分别有16和1个。通过不同尺度的对比分析可知，1900-2010年全球降雨量变化趋势呈现出不同的时空分布特征，且以减少趋势为主。

图8 全球陆地不同月份年均降雨量变化趋势空间分异格局(1900-2010)

表4 1900-2010年全球IPCC 26个陆地分区的平均降雨量的年际变化趋势 mm/10年

2.3 全球、大洲和区域降雨波动特征空间格局

1900-2010年全球陆地降雨量波动特征呈现出明显的时空分布特征(图9)。波动特征较高的地区主要分布在撒哈拉、以青藏高原为核心的周边地区、南美洲西部山脉地区和南极洲内陆地区；波动特征较低的地区主要集中在非洲中部、欧洲、东亚、亚洲远东地区、北美东部、南美北部、澳大利亚沿海地区、新西兰和南极洲沿海地区。全球陆地不同季度的降雨量波动特征相差较小(表5)，但均大于全球陆地年均降雨量波动特征。

图9 全球陆地年均降雨量波动特征空间分异格局(1900-2010)

名称年均3-5月6-8月9-11月12-2月全球002007007006006亚洲004006005006005欧洲004008006008009非洲005008008008007大洋洲014026020025020北美洲004007005007008南美洲004005006006005南极洲032047069040042

从七大洲来看，七大洲四个季度的年均降雨量波动特征均大于年均降雨量波动特征(表5)。值得注意的是大洋洲和南极洲四个季度年均降雨量波动特征相比其它五个大洲较大，而其它五大洲年均降雨量波动特征与全球陆地年均降雨量波动特征相差不大。从不同季度来看降雨量波动特征，全球陆地3-5月、6-8月、9-11月和12-2月年均降雨量波动特征空间分布整体上与全球陆地年均降雨量波动特征相似(图10)，其空间相关系数分别达0.56、0.42、0.51和0.44，均通过了0.01显著性水平的检验。从IPCC 26个陆地分区来看，除ALA、CAS、NAU、NEB、SAF、SAH、SAU和TIB八个分区年均降雨量波动特征波动特征超过了0.10(表6)。值得注意的是北半球的分区基本均是6-8月降雨量波动特征较小，而南半球则是12-2月波动特征较小。

2.4 不同区域尺度降雨变化的讨论

(1)降雨波动特征的讨论。降雨变化研究需要明确时间尺度和空间尺度。不同时空尺度上的降雨变化特征不尽一致。本文所关注的全球、大洲和区域尺度上的降雨变化指的是近百年以来的降雨变化，包括降雨均值变化和降雨变率(波动)变化，其中降雨变率本文采用变异系数表征。需要指出的是，气候波动特征在近百年尺度上可以理解为气候要素的年代际波动特征、年际波动特征、或者年内(季节)波动特征等，在更长或者更短的时间尺度上则存着在更多不同的理解[36]。现有研究中降雨趋势性研究较多，而降雨变率变化的研究则相对较少。因此，本文在降雨气候态特征和变化趋势的基础上，采用变异系数进一步研究了降雨波动特征，但值得注意的是本文受降雨时间分辨率的限制仅分析了近百年来的降雨年际波动特征。

图10 全球陆地不同月份年均降雨量波动特征空间分异格局(1900-2010)

名称年均3-5月6-8月9-11月12-2月名称年均3-5月6-8月9-11月12-2月ALA010018015016019NEB014023024020019AMZ005007007008007NEU007017013014015CAM006013010008012SAF010020022015010CAS011020019032017SAH027050027037088CEU008014011018019SAS007017007014025CGI008015011012017SAU011020016018017CNA010016013022018SEA008010010013010EAF007012009016015SSA009016020015011EAS006010007013018TIB020037022040032ENA006013009013012WAF006009008009011MED008012018013013WAS009016019020015NAS005011006009012WNA007011012013012NAU019036043044025WSA007011013011009

(2)不同尺度降雨变化的讨论。气候变化应首先确定时空尺度，不同时空尺度的降雨变化特征差异较大[36]。已有的降雨变化研究较多始于1950年以后，中国的气象观测站大多建于1950年代，因此多数研究集中于1960年以后。在特征空间尺度上，50年的降雨变化和100年的降雨变化是否存在较大差距。在特定时间尺度上，全球、大洲和区域的降雨变化相差几何。为此本文在IPCC近50多年来的降雨变化的基础上，探究近百年来全球、大洲和区域的降雨变化特征。

3 结论

(1)在气候态降雨量上，全球陆地年均降雨量在1900-2010年表现出不同的时空分布特征。年均降雨量主要分布在30°S～30°N，特别是20°S～20°N，仅非洲和南美洲年均雨量高于全球。超过1 500 mm和2 000 mm及低于250 mm和500 mm的地区分别占全球陆地总面积的10.12%和6.20%及37.40%和64.46%。在IPCC 26个陆地分区上，年均降雨量在SEA(东南亚分区)最高，SAH(撒哈拉分区)最少。3-5、6-8、9-11和12-2月的IPCC陆地分区年均降雨量超过全球的数目分别有13、12、14和13个，且3-5、6-8、9-11和12-2月呈增加趋势的分区分别有8、11、14和9个。

(2)在变化趋势上，全球陆地年均降雨量在1900-2010年呈减少趋势，呈减少趋势的陆地地区面积占全球陆地总面积的66.97%，其中亚洲、非洲和南极洲呈减少趋势，且6-8月减少最多，9-11月减少最少；欧洲、大洋洲、北美洲和南美洲呈增加趋势。在IPCC 26个陆地分区上，12个分区呈增加趋势，14个分区呈减少趋势。1900-2010年全球降雨量变化趋势呈现出不同的时空分布特征，且以减少趋势为主。

(3)在波动特征上，1900-2010年全球陆地降雨量波动特征呈现出明显的时空分布特征。1900-2010年全球陆地降雨量波动特征较高的地区主要分布在撒哈拉、以青藏高原为核心的周边地区、南美洲西部山脉地区和南极洲内陆地区，不同季度的降雨量均大于年均降雨量波动特征，且大洋洲和南极洲四个季度波动特征大于其它五个大洲。在IPCC 26个陆地分区上，仅八个分区年均降雨量波动特征波动特征超过了0.10。

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Spatial and Temporal Variations in Global, Continental and Regional Scale Rainfall over the Past 100 Years (1900-2010)

KONG Feng1, 2, 3,4, WANG Yifei1,2, LU Lili1,2,3, FANG Jiayi4,5and SHI Peijun4,5

(1.CentralAsiaAtmosphericSciencesCenter,Urumqi830002，China；2.ChinaMeteorologicalAdministrationTrainingCenter,Beijing100081,China; 3.ChinaMeteorologicalAdministrationDevelopmentResearchCenter,Beijing100081,China; 4.StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 5.AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,MinistryofCivilAffairs&MinistryofEducation,Beijing100875,China)

Rainfall at different scales of the world has changed in the context of climate change. Based on the rainfall dataset of 0.5°×0.5° over 1900-2010 years, the distribution characteristics, variation trend and fluctuation characteristics of rainfall climate in the seven continents and IPCC 26 land partition in the world were diagnosed. Results show that: Firstly, in the climate of rainfall, the global average annual rainfall is mainly distributed at 30°S～30°N, especially 20°S～20°N, the average annual rainfall in Africa and South America is higher than the global. The average annual rainfall with maximum is SEA (Southeast Asia), the minimum is SAH (Sahara), and varies with different seasons. Secondly, in the variation trend, the trend of global rainfall shows different temporal and spatial distribution characteristics from 1900 to 2010, and the main trend is decreasing trend. On continents scale, Asia, Africa, and Antarctica showed a decreasing trend, with the most reductions from June to August months and the fewest reductions from September to November. On the 26 land partition based on IPCC, the 12 partitions showed an increasing trend, and the 14 partitions showed a decreasing trend. Thirdly, in the fluctuation characteristics, global land rainfall fluctuation characteristics in higher areas are mainly distributed in the Sahara, on the Tibetan Plateau as the core of the surrounding area, the mountains of western South America and Antarctica inland areas from 1900 to 2010, different seasonal rainfall were higher than the average annual rainfall fluctuation characteristics, and characteristics of the four quarter of Oceania and Antarctica is more volatile than the other five continents. On the 26 land partitions based on IPCC, only 8 partitions have the characteristics of annual rainfall fluctuation over 0.10.

climate change; regional rainfall; temporal and spatial patterns; variation trends; fluctuation characteristics; IPCC land partition; global

孔锋，王一飞，吕丽莉，等.近百年来全球、大洲和区域尺度降雨时空变化诊断(1900-2010)[J].灾害学，2018，33(1)：81-88，95.[KONG Feng, WANG Yifei, LU Lili, et al.Spatial and Temporal Variations in Global, continental and Regional Scale Rainfall over the Past 100 Years (1900-2010)[J].Journal of Catastrophology，2018，33(1)：81-88，95.

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.016.]

2017-05-12

2017-07-14

中亚大气科学研究基金“中亚地区暴雨时空变化及其影响因素诊断”(CAAS201804)；国家自然科学基金面上项目“北京城市热岛效应与强降水事件的关系研究”(41775078)

孔锋(1986-)，男，山西临汾人，博士，助理研究员，主要研究方向为自然灾害与环境演变.

E-mail: kongfeng0824@foxmail.com

X43；P426

A

1000-811X(2018)01-0081-09

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.016