中国东部夏季极端降水时空分布及环流背景

方浩，乔云亭

(1.中山大学大气科学学院/季风与环境研究中心/广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室，广东广州510275；2.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，广东珠海519082)

1 引 言

近年来，由于温室效应导致全球变暖的事实已广为人知[1]，在这一气候大背景下，全球地表温度的升高会改变海陆热力差异，使大尺度环流结构发生变化，加剧水循环，从而影响降水的空间分布[2]。相应地，极端天气事件显著增多，降水普遍呈现出极端化的趋势[3-4]。我国地处最大的陆地板块欧亚大陆的东部，毗邻最大的海洋——太平洋，因而我国东部是季风最强盛和典型的地区之一[5]，降水主要集中在受到夏季风影响的夏季(6—8月)[6]。并且，我国东部地区特别是东南沿海地区是人口密集区和经济集中区，极端降水引发的城市内涝、洪水、山体滑坡等自然灾害，往往会造成人民生命财产的重大损失[7-9]。因此，研究中国东部夏季极端降水具有重要的学术和社会意义。

国内外学者对于极端降水进行了大量的研究，成果丰硕。过去几十年多雨带南移造成中国北部降水减少，南部降水增多[10]。总体上，我国降水总量减少或变化不大，但由于降水频率的减少，极端降水事件呈增加趋势[11]。极端降水具有显著的区域性，国内外学者对不同区域的极端降水进行了分析[12-14]。我国华南地区极端降水在前汛期的空间分布呈现南北向的“低-高-低”的分布型，后汛期表现为由沿海到内陆的“高-低”分布型[15]。长江中下游地区极端降水在梅雨期出现频率较高，在对流层中、低层，受气旋性异常环流控制[16]。在华中地区，夏季极端降水事件在1980年代中期以后明显偏多，且多发于6月下旬—7月中旬[17]。华北地区极端降水量、降水次数和降水强度均呈现下降的趋势，1986年之后减少趋势更加显著[18]。东北地区降水总量具有减少趋势，降水事件有向极端化发展的倾向，降水分布变得更不均匀[19]。总的来说，中国东南地区年极端降水事件的频率增加，而在北部及东北地区减少[20]。

本文针对中国东部夏季极端降水的时空分布及其环流特征进行研究。首先利用夏季逐日降水资料确定各个站点的极端降水阈值并进行分区，再根据极端降水事件的定义，找出极端降水事件发生的时序，最后通过分析极端降水事件的大气环流合成场探讨造成极端降水事件的环流特征。

2 资料与方法

本文所用的资料包括：(1)中国气象局国家气象信息中心提供的全国1961—2014年756个站点逐日降水观测资料。(2)NCEP/NCAR格点化的1961—2014年逐日再分析资料，包括风场、位势高度场和比湿场，水平分辨率为2.5°×2.5°。

对我国756个气象台站1961—2014年降水观测资料进行处理，选取105°E以东为我国东部[21]，文中的夏季是指6—8月，剔除夏季降水数据中有缺测的站点，余下符合要求的中国东部355个站点分布如图1所示。

图1 中国东部(105°E以东)355个站点分布图

极端降水的阈值是用来区分某站点“正常降水量”与“极端降水量”的临界值大小的物理量。本文采用的方法是取该站点逐日降水数据时间序列95百分位数作为极端降水阈值[22]。计算第P百分位数步骤(SPSS/SAS法)如下。

第一步：将n个变量值从小到大排列，X(j)表示此数列中第j个数。

第二步：计算指数，设(n-1)P%=j+g，j为整数部分，g为小数部分。

第三步：

(1)当g=0时：P百分位数 =X(j)；

(2)当g≠0时：P百分位数 =g×X(j+1)+(1-g)×X(j)=X(j)+g×[X(j+1)-X(j)]。

从统计学的角度上看，第P百分位数是这样一个值，它使得至少有P%的数据项小于或等于这个值，且至少有(100-P)%的数据项大于或等于这个值。也就是说本文选取的极端降水划分标准为至少有95%的降水数据小于极端降水阈值，即大部分数据是小于极端降水阈值的，所以大于等于该阈值为小概率事件，称之为“极端降水”。

在确定极端降水阈值的基础上，利用经验正交函数分解(EOF)，对所研究的中国东部进行分区，通过滑动t检验法进行气候突变分析，最后运用合成分析对极端降水事件的环流进行研究。

3 中国东部夏季极端降水的阈值及分区

首先，对我国东部极端降水阈值与多年平均夏季降水的空间分布特征进行对比。图2a是1961—2014年平均中国东部夏季降水的空间分布，夏季降水的大值中心位于26°N以南的华南地区，最大值可达300 mm/month以上。其次，在长江中下游地区的30°N附近和辽东半岛的41°N附近分别有一个大值中心。从整体分布来看，南方地区降水多于北方地区。图2b是中国东部各站点极端降水阈值的空间分布，南方地区极端降水阈值大于北方地区，26°N以南、30°N和41°N附近均有大值中心，中心数值分别是40 mm/day、35 mm/day和 30 mm/day。

比较图2a和图2b我们不难发现，无论是其等值线的大致走向还是大值中心的位置，多年平均夏季降水与极端降水阈值的空间分布有非常好的一致性。这说明夏季降水多的区域，其极端降水阈值相对也高，即其极端降水所对应的降水量多。高涛等[23]研究指出，降水量服从伽马分布，气候平均态对极端事件的发生有重要影响。

图2 1961—2014年中国东部多年平均夏季降水(a，单位：mm/month)、极端降水阈值(b，单位：mm/day)的空间分布

发生大于等于测站极端降水阈值的降水称为极端降水日，将1961—2014年这54年每年夏季极端降水日数进行统计，对355个测站夏季极端降水日数标准化时间序列进行EOF分析。第一模态解释方差为8.2%，虽然数值较小，但是考虑到我国东部极端降水的局地性强[24]，且该模态通过了North检验[25]，所以具有分析价值。其空间分布如图3所示，极端降水日数表现出明显的三极型分布，长江中下游地区为大范围的正值区，华南地区为负值区，华北和东北地区也为负值区，两条零线分别位于26°N和35°N附近。因此，我们将中国东部划分为三个区域，从南到北依次为华南地区(共66个站点)、长江中下游地区(共119个站点)、华北和东北地区(共170个站点)。

4 极端降水事件的定义及时间变化特征

每个站点都会有个极端降水阈值，统计某个区域内所有站点中某时次超过极端降水阈值的站点数所组成的时间序列，取超过第95百分位的时序，定义为该时序该区域发生了极端降水事件。以华南为例，该区域每个时次都有一定数目的站点发生极端降水，将每时次华南发生极端降水的站点数组成序列，取第95百分位数作为极端降水事件的站点数阈值，该值为13个站，即若某一时次华南有13个以上站点发生极端降水，则认为该时次为一次华南极端降水事件。由此得到1961—2014年夏季华南极端降水事件数为233次，约占总时次的5%，表明极端事件发生的概率为5%，符合“极端”的定义。

图3 中国东部夏季极端降水日数的EOF分析第一模态空间分布

据此定义，确定了各区域极端降水事件站点数阈值，挑选出了符合条件的极端降水事件，结果如表1所示。

根据此定义分别对华南、长江中下游、华北和东北地区极端降水事件的降水进行合成分析，得到图4。图4a是华南地区极端降水事件的降水合成分布，降水集中分布在26°N以南的华南地区，且大部分地区降水在25 mm/day以上，中心最大值超过35 mm/day。图4b和图4c降水分布都集中在各自的关键区，长江中下游最大值在30 mm/day以上，华北和东北地区最大值超过25 mm/day。再结合图2b极端降水阈值的空间分布，可看出图4关键区和图2b的空间分布相类似，只是在数值上降水合成的大值中心比极端降水阈值要小，说明极端降水事件比较好地表征了中国东部极端降水的空间分布特征。

极端降水事件定义的实际含义就是发生超过一定范围的极端降水。从图4可知，挑选出的极端降水事件合成是连片的大范围强降水，随机绘制某一次极端降水事件的降水分布图亦如此(图略)，说明对于区域极端降水事件的定义是合理的，方便后续对于极端降水的环流背景进行研究分析。

根据上文的分析，我们将中国东部分为华南地区、长江中下游地区、华北和东北地区分别对其极端降水事件进行研究。这三个区域在纬度上的分布跨度较大，在不同月份的大气环流特征也不相同，因此其极端降水事件在不同月份出现的频次相应也会不同。为了研究不同区域夏季极端降水事件主要发生在哪一月份，图5给出了1961—2014年在6—8月发生极端降水事件的概率。

表1 各区域极端降水事件站点数阈值及其极端事件数

图4 华南地区(a)、长江中下游地区(b)、华北和东北地区(c)极端降水事件的降水(单位：mm/day)合成分布图

图5 华南地区(a)、长江中下游地区(b)、华北和东北地区(c)发生极端降水事件概率随日期的变化

从图5a可看出，华南地区极端降水事件主要发生在6月中上旬。以6月9日为例，其概率为14.8%，说明在1961—2014年6月9日出现极端降水的概率非常大(相较于5%)。总的来说，6月发生极端降水概率的平均值为7.3%，显著大于7月(3.5%)、8月(3.4%)，可见华南夏季极端事件主要发生在6月，此时正值华南前汛期。图5b上，长江中下游地区夏季极端降水事件多发于6月下旬—7月上旬，此时是长江中下游地区的梅雨期，其最大值也是14.8%。比较3个月各自月平均的极端降水概率，6月最大，其平均值为8.5%，7月次之，为4.2%，8月最小，为1.4%。华北和东北地区夏季极端降水事件概率(图5c)在7月下旬达到最大值为18.5%，极端降水事件主要集中在7月下旬，与该地区雨季相对应。其中6月极端降水出现的概率很小，7、8月极端降水概率相当，分别为1.2%、7.9%和5.3%。

总之，我国东部夏季极端降水事件随日期的变化与夏季雨带的南北移动相吻合，6月雨带主要位于华南地区，发生极端降水的概率相应地也最大，当气候雨带北移时，长江中下游地区、华北和东北地区发生极端降水概率也依次增大。

极端降水除了随夏季不同月份的雨带推进有变化之外，也有明显的逐年变化。对区域平均夏季降水(图略)与极端降水事件频数的逐年变化进行研究，发现二者有显著的正相关，在华南、长江中下游、华北和东北地区相关系数分别为0.70、0.49和0.70，均通过0.001的显著性水平检验，说明中国东部夏季降水多的年份极端降水事件也多发。

图6给出极端降水事件频数的逐年变化及滑动t统计量，选取滑动窗口为9年。从图6a中看出，自1961年以来，t统计量有一处超过0.01显著性水平，该处为正值，出现在1991年，说明近54年来，华南地区极端降水事件频数在1991年左右出现突增。分析图6b和图6c，长江中下游地区极端事件频数出现了两次突变，在1991年左右突增，随后在2000年左右突减。华北和东北地区在1999年左右出现由偏多到偏少的突变。总的来说，我国东部极端降水频数的变化与许多气候指数在1990年代显示出的气候突变[26-28]相一致。

图6 华南地区(a)、长江中下游地区(b)、华北和东北地区(c)极端降水频数(柱状)逐年变化及滑动t统计量(曲线)

5 影响极端降水事件的大气环流特征

降水的变化与大气环流息息相关，环流的异常为逐日的极端降水事件提供了一个大尺度背景[29]。因此，为了研究极端降水事件与环流背景之间的关系，需要对极端降水事件的大气环流场进行合成分析，从而找到极端降水事件发生的环流条件。

5.1 对流层低层环流特征

为了研究发生极端降水事件时，大气低层环流场的异常特征，了解低层大气内部动力过程，图7给出了极端事件发生时850 hPa距平风场及位势高度距平场，这里的距平是指每天的风场和位势高度场减去该日期风场和位势高度场多年平均值(下同)。华南地区发生极端降水时(图7a)，从孟加拉湾、中南半岛大部分地区至中国南部为位势高度负距平区域，尤其是华南地区为明显的负距平中心，达到-1.5 dagpm；负距平区被正距平区包围，其中西太平洋为较明显的正距平中心，最大值超过1.0 dagpm。相对应地，从孟加拉湾吹来的异常西风气流经过中南半岛到达中国南海，与来自西太平洋的异常东风气流在南海汇合，即沿0 dagpm等值线北上，形成西南异常气流，使得华南地区出现强的气旋式距平环流，反气旋性距平环流控制南海及西太平洋地区，有利于来自低纬的暖湿空气沿西南气流北上，导致华南地区极端降水的发生。

图7 华南地区(a)、长江中下游地区(b)、华北和东北地区(c)极端降水事件发生时850 hPa距平风场(矢量箭头，单位：m/s)及位势高度距平场(填色图，单位：dagpm)合成分布 只画出风速大于1 m/s的矢量箭头。

长江中下游发生极端事件时(图7b)，位势高度负距平中心和异常气旋中心位于长江中下游地区，正距平中心范围与图7a相比扩大西伸，中心数值更大，更有利于将水汽从西太平洋输送到长江中下游。极端事件发生在华北和东北时(图7c)，整个华北和东北地区有明显的气旋式异常环流，对应位势高度异常降低，出现较强的负距平中心，其东边的日本上空为反气旋式异常环流，对应位势高度正距平中心。这种低层的环流形势有利于华北和东北地区对流活动的产生，易造成极端降水事件。

5.2 对流层中层环流特征

西太平洋副热带高压的位置及强度，深刻影响着东亚季风区雨带的形成及维持[30]，在对流层中层500 hPa位势高度场及其异常场(图8)中可看到，华南发生极端降水事件时(图8a)，华北直到华南等地，受一浅槽控制，该浅槽在华南显著加强，有利于华南降水的形成。值得注意的是，586 dagpm线的形态起关键作用，它的位置比较偏南，从而使得其西侧的偏南风输送也较南，到达华南，造成华南极端降水。位势高度距平场在亚洲中高纬表现为南北向的“+-”波列分布，华南地区是负异常中心，中心值在-2 dagpm以下，在菲律宾及南海北部的洋面上为正异常，说明华南发生极端降水事件时，副高位置异常偏南，使得此时华南雨量增加。相较于华南地区，长江中下游发生极端降水时(图8b)，华南处于586 dagpm线控制范围，表现为正位势高度异常，迫使浅槽位置偏北，使得长江中下游地区都在副高西侧边缘的西南气流控制之下，位势高度负异常中心移至长江中下游且更加显著，正异常中心也有所西伸并加强，表明长江中下游发生极端降水事件时，副高位置异常偏西，伸到华南，使得其西侧的水汽输送到长江中下游。注意到586 dagpm线的范围，其北界(尤其是陆地上这部分)要比图8a明显偏北，使得水汽输送相较于图8a偏北，造成长江中下游极端降水发生。华北和东北地区极端降水发生时(图8c)，副高偏北，浅槽被迫向西向北移至华北和东北。位势高度距平场在华北和东北地区以东有正异常中心，中心值超过3 dagpm，其西侧为负异常，说明华北和东北发生极端事件时，副高位置异常偏北，为该地区发生极端降水创造了有利条件。

图8 华南地区(a)、长江中下游地区(b)、华北和东北地区(c)极端降水事件发生时500 hPa位势高度场(等值线，单位：dagpm)及其距平场(填色图，单位：dagpm)合成分布

5.3 对流层高层环流特征

东亚高空急流的位置及强度变化是影响我国东部降水特别是强降水的重要影响因子[31]，为了分析中国东部极端降水事件与急流的关系，图9给出了200 hPa纬向风及其距平场合成分布。华南地区发生极端降水时(图9a)，急流轴位于40°N附近，华南位于西风急流轴的右侧，对应高空辐散区。注意到，我国东部200 hPa纬向风距平呈现出南北向的“-+-”分布，正距平中心位于中国南部，表明西风异常偏强，中国南海为负距平区，表明东风异常偏强，从而形成高空反气旋式异常环流，为华南夏季极端降水提供了有利的动力环境。长江中下游地区发生极端降水时(图9b)，其纬向风距平场也呈现为南北向的“-+-”分布，但是正负距平中心更显著，且位置偏北，长江中下游地区位于急流轴的右侧，有利于高空辐散。华北和东北地区发生极端降水事件时(图9c)，中国南部为显著的纬向风负距平区，表明东风增强，西风减弱，正距平区位于华北和东北地区，表明西风增强，从而使得急流轴位置偏北，中国华北和东北南部处于急流轴右侧，有反气旋环流异常。

图9 华南地区(a)、长江中下游地区(b)、华北和东北地区(c)极端降水事件发生时200 hPa纬向风(等值线，虚线为负值，实线为正值，单位：m/s)及其距平场(填色图，单位：m/s)合成分布

结合之前对流层低层850 hPa环流场的分析可知，极端降水事件发生时，低层气旋式环流异常，辐合上升，与高层200 hPa急流轴右侧的异常辐散，构成了低层至高层的环流结构，为极端降水的发生提供了十分有利的动力条件。

5.4 水汽通量及其散度特征

充足的水汽输送是大范围强降水发生的必要条件。图10给出了整层积分的水汽通量(地面至300 hPa)及其散度场的合成，中国东部极端降水的水汽来源主要有两处。一处是来自南半球的水汽，它在索马里和海洋性大陆附近跨越赤道后到达南海汇合，进一步向北输送，为中国东部提供水汽。另一处是来自西北太平洋的水汽，沿着副高西南侧向中国东部输送暖湿气流。

副高是影响水汽输送的重要因素。华南地区发生极端降水时(图10a)，此时副高位置偏南(图8a)，有利于来自南半球的水汽输送至华南地区，在该地形成水汽辐合区。长江中下游地区发生极端降水时(图10b)，副高位置相对西伸(图8b)，南半球和西北太平洋都是长江中下游极端降水的重要水汽来源，水汽在副高的引导下向长江中下游地区输送，对应水汽通量散度负值区。华北和东北地区发生极端降水时(图10c)，副高位置偏北(图8c)，来自西北太平洋的水汽成为主要来源，水汽输送至华北和东北地区，对应水汽辐合。

图10 华南地区(a)、长江中下游地区(b)、华北和东北地区(c)极端降水事件发生时整层水汽通量场(矢量箭头，单位：102kg/(m·s))及其散度(填色图，单位：10-4kg/(m2·s))合成分布 只画出水汽通量大于 1×102kg/(m·s)的箭头。

6 总结与讨论

本文利用中国测站降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料研究了我国东部极端降水的时空分布，并分析了相关环流异常。

(1)极端降水阈值与多年平均夏季降水的空间分布十分类似，呈现南多北少的分布。这说明夏季降水多的区域，其极端降水阈值相对也高，即其极端降水所对应的降水量多。对站点的极端降水日数做EOF分析，可将中国东部划分为华南、长江中下游、华北和东北三个区域，大致以26°N和35°N为界。

(2)华南地区极端降水事件多发于6月中上旬，长江中下游地区在6月下旬和7月上旬易发生极端降水事件，华北和东北地区集中在7月下旬。极端降水事件随日期的变化与中国东部夏季雨带的南北移动相吻合。近54年来，华南地区极端降水事件频数在1991年左右出现突增。长江中下游地区极端事件频数出现了两次突变，在1991年左右突增，随后在2000年左右突减。华北和东北地区在1999年左右出现由偏多到偏少的突变。

(3)华南、长江中下游、华北和东北地区发生极端降水事件时，在各自降水关键区的对流层低层850 hPa出现异常的局地气旋式环流，位势高度异常降低，对应低空异常辐合；在中层500 hPa，西太副高的位置异常偏南有利于华南地区极端降水的发生，副高西伸有利于长江中下游地区极端降水，位置偏北则有利于我国华北和东北地区的极端降水；对高层200 hPa纬向风及其距平场的研究发现，极端降水事件发生时降水关键区上空位于西风急流轴右侧，对应异常反气旋环流，这种高层辐散低层辐合的环流配置为极端降水提供了动力条件。

(4)中国东部极端降水的水汽来源主要有两处。一处是来自南半球，经索马里和海洋性大陆附近跨越赤道后到达南海汇合，进一步向北输送。另一处是来自西北太平洋，沿副高西南侧向中国东部输送。副高是影响水汽输送的重要因素。华南发生极端降水时，偏南的西太副高有利于来自南半球的水汽输送至华南地区，形成水汽辐合区。长江中下游发生极端降水时，相对西伸的副高有利于来自南半球和西北太平洋的水汽在副高的引导下向长江中下游输送，对应负的水汽通量散度。华北和东北发生极端降水时，副高位置偏北，有利于西北太平洋的水汽输送至华北和东北地区，对应水汽辐合。

限于篇幅，本文只分析了我国东部夏季极端降水的时空分布及其相关环流异常场的特征。还有许多问题有待进一步研究，如我国东部夏季极端降水年代际变化相关联的环流异常场特征？造成极端降水而不是一般降水的原因？极端降水在不同月份的时空分布及相关环流场的差异？这些相关问题需要今后做进一步研究和分析。