中国地区近40年降水结构时空变化特征研究

杜 懿，王大洋，阮俞理，莫崇勋，王大刚

(1.中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 510275;2.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004)

0 引 言

降水结构的变化对区域水循环系统有着极大的影响。为了揭示出我国近些年来不同地区降水结构的时空变化特征，许多学者针对于某一特定区域做了大量研究[1- 6]；但由于研究范围较小，无法体现出中国地区降水结构的整体变化特性和趋势，且所利用的实测站点数据有限，研究结论对区域的代表性不强。为此，本文基于高分辨率的再分析降水数据集对整个中国地区近40年来的降水结构时空变化特征进行分析研究。

1 研究数据

研究数据来自于中国科学院青藏高原科学数据中心提供的《中国区域地面气象要素数据集》(China Meteorological Forcing Dataset，CMFD)。该数据集是以国际上现有的Princeton再分析资料、TRMM降水资料、GLDAS资料、GEWEX-SRB辐射资料等为背景场，融合了中国气象局常规气象观测数据制作而成，其精度介于气象局观测数据和卫星遥感数据之间，好于国际上已有的栅格化数据，共包含有近地面气温、地表气压、近地面空气比湿、近地面全风速、向下短波辐射、向下长波辐射和降水率等7个要素[7- 8]。数据集的时空分辨率分别为3 h和0.1°×0.1°，时间范围为1979年1月1日至2018年12月31日，空间覆盖范围为东经70°～140°、北纬15°～55°。

图2 1979年～2018年全国4季平均降水量变化过程

2 研究方法

本文从时间和空间两个维度来对中国地区1979年～2018年的降水结构变化进行分析，主要集中在对降水量、降水集中度、极端降水的变化趋势以及空间分布的研究上。具体的研究思路：通过计算历年来中国区域各时间尺度的面平均降水量来分析降水变化的整体趋势和空间分布；通过计算历年汛期降水占全年降水总量的比例来分析中国区域整体降水集中度的变化情况；通过计算典型极端降水指数来分析中国区域历年来发生极端降水的变化情况。

3 研究结果

3.1 时间尺度分析

在CMFD的降水要素中，中国地区共被划分为620×358个网格，由于各网格覆盖面积相等，所以本文直接采用算数平均法来计算全国面平均降水量。图1显示的是1979年～2018年全国历年面平均降水量的变化过程。

图1 1979年～2018年全国年均面降水量变化过程

从图1可以看出，近40年来全国年均面降水量呈现出较为显著的增长趋势，大概每10年增加22 mm左右；趋势拟合线表示的是每5年降水量的变化趋势，可以看出年降水序列在年际间的波动性较强，稳定性较差。由于年均降水变化过程无法体现出降水在年内的分配情况，图2显示的是中国地区历年4季平均降水量变化过程。观察发现，近40年来全国面平均降水量在各个季节均发生了不同程度的升高。其中，以夏季增加最为明显，春、秋两季增加幅度大致相当，冬季增加较小。

为更为准确地了解未来全国降水的发展趋势，本文利用R/S法计算Hurst指数来判断未来降水继续增加的可能性大小。经计算得到的1979年～2018年全国年均降水序列及春、夏、秋、冬4季平均降水序列的Hurst指数值(见表1)；Hurst指数持续性强度分级表见表2。根据计算得到的Hurst指数值，可以判断出各降水序列保持增加趋势的持续性强度。

表1 1979年～2018年全国年均降水和4个季节平均降水序列的Hurst指数值

表2 Hurst指数持续性强度分级

对照表2可以看出，未来全国年均降水量继续增加的可能性极大，达到了最高可能强度；春、夏、秋、冬4季的平均降水量在未来均存在着不同程度的增加趋势，持续性强度从高到低依次为秋季、夏季、春季和冬季。

此外，由于我国降水特性较为特殊，一般汛期降水量能够占到全年降水总量的70%左右，降水年内分配的不均容易导致暴雨、洪涝等自然灾害。为了描述中国地区降水不均匀性的变化情况，本文计算出1979年～2018年全国汛期(5月～9月)平均降水量占全国年均降水总量的比例变化情况(见图3)。

图3 1979年～2018年全国汛期平均降水量占年降水总量的比例变化过程

从图3可以看出，近40年来我国汛期平均降水量占年均降水总量的比例呈现出微弱的减小趋势。这表明我国的降水情况在年内分配趋向均匀，但趋势并不显著。

图4给出的是历年来我国年内最大一日点降水量大小的变化过程。该指数在一定程度上能够用来描述区域极端降水情况。由此可以看出，在2000年之前序列大体稳定，波动平缓；进入到21世纪，序列发生突增、波动剧烈，表明我国降水结构的极端性在增强，导致这一现象的原因可能与全球气候变暖、城镇化的快速发展等有关。

图4 1979年～2018年全国历年最大一日点降水量变化过程

图5显示的是，1979年～2018年我国发生的不同等级降水事件总数的变化过程，等级划分标准详见表3。可见，近40年来4种等级的降水事件发生总数均有所增加，其中大雨、暴雨和大暴雨等级降水事件增加趋势较为一致，上升明显；特大暴雨属罕见极端事件，所以随机性较强，对比图4可以发现，两个序列的波动情况相似度较高，说明进入新世纪以来，我国极端天气的发生有所增加，降水结构越发不稳定。

表3 国家气象局的各降水等级24 h降水强度划分标准 mm

3.2 空间尺度分析

时间尺度分析可以较好地描述出中国地区降水情况的一般性变化趋势，但无法体现出各区域间的差异，以下对我国近40年来的降水结构进行空间变化分析。为了尽量避免个别年份的偶然性对整体分析结果造成过大的影响，文中对原始降水信息进行了平滑处理，主要是以每5年为步长，将40年均分为8个时段。

结果显示，近40年来我国降水的地理空间分布特征大体一致，主要表现为以秦岭—淮河一线为界，南部地区降水丰沛，为富水区；北部地区降水稀少，为贫水区。从空间分布来看，华东、华中和华南等地为降水集中区，平均年降水量超过1 500 mm，为降水湿润带；西南、华北和东北等地年均降水量在500～1 000 mm之间，为降水过渡带；西北地区年均降水量较小，一般低于500 mm，为降水干旱带。从时间方向来看，华东、华中和华南等地区近五年来降水量增加显著，为40年之最，尤其是两广及华东沿海等地；新疆西部、西藏南部以及东北东部等地区降水虽然也有所增加，但总体趋势并不明显。

图6给出的是1979年～2018年以来8个时段内的汛期平均降水占全年总降水比例的空间变化情况。可以看出，西南、西北以及东北等地的比例系数存在较为明显的减小趋势，尤其是青藏、新疆、云南、内蒙古东北部等，表明以上地区的年内降水越来越趋向均匀；而湘赣等地的比例系数有所增加，表明这些地区的年内降水分配不均匀性有所增加。

图5 1979年～2018年全国不同等级降水事件发生次数变化过程

图6 各时段内汛期降水占全年降水比例的空间分布

图7显示的是近40年以来中国各地大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨4种等级降水事件发生总次数的空间分布情况，由此可以看出，随着降水事件等级的不断升高，降水的空间覆盖范围逐渐由内陆向沿海收缩。对于大雨事件来说，全国各地基本都有发生，且主要集中在华东和华南等地；暴雨事件很少发生在西北和青藏地区，主要集中在广东、海南、台湾、桂北以及鄂赣皖三省交界区域；大暴雨降水事件主要集中在沿海一带，但内陆部分地区也分布着小规模的大暴雨降水集中带，可能与当地特殊的地形条件等有关；而特大暴雨降水事件主要集中发生在台湾、海南等地，内陆发生的概率极小。

图7 1979年～2018年全国各地发生不同等级降水事件次数的空间分布

关于中国地区极端降水变化情况的空间描述，本文主要选用了年内最大一日降水量(RX1day)、日降水量大于或等于25 mm的总天数(R25mm)、日降水量大于降水序列第99个百分位的降水总量(R99)等极端降水指数。

分析结果表明，我国年内最大一日降水量极值主要分布在华东和华南地区，但空间连续性较差，不同区域间极端降水情况差异性较大，很可能是由于地形因素的影响。总的来看，东部地区近些年来极端降水强度有所增加；值得注意的是，黑龙江北部地区在2009年～2013年间开始出现极端降水情况，这在历史上较为罕见，很可能表明该地区的降水结构在近些年内发生了较大突变。

观察近40年来我国各地各时段R25mm(通常用来描述极端降水事件发生的频率)的空间分布变化可以看出，近5年来华东和华南地区发生极端降水事件的频率明显增加，尤其是赣北和闽北等地。

观察近40年来我国各地区各时段内R99(一般用来表征极端降水事件发生的强度)的空间分布变化情况，可以发现江苏中部、安徽南部以及珠三角地区极端降水事件发生的强度增加明显。

4 结 论

(1)时间上，1979年～2018年以来，我国年均降水量增长显著，且未来很有可能继续保持增加趋势；从增长率来看，夏季增幅最大，冬季最小；近40年来，大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨等降水事件的发生频次均有明显上升，且大雨、暴雨和大暴雨的增长趋势较为一致。

(2)空间上，华东、华中和华南等地区近5年来降水量增加显著；西南、西北以及东北等区域的年内降水不均匀性有所减小；大雨降水事件集中发生在华东和华南等地，而特大暴雨降水事件主要发生在台湾和海南；近5年来，华南和华东等地发生极端降水的频率和强度均有所增大。