极端气候事件综合危险性等级指标构建及近60年来长江流域极端气候综合分析

张存杰， 肖潺， 李帅， 珠杰桑布， 任玉玉， 张思齐, 王荣

1 国家气候中心， 北京 100081 2 中国长江三峡集团有限公司， 湖北宜昌 443133 3 西藏自治区南木林县气象局， 西藏日喀则 857000

0 引言

2021年8月6日，联合国政府间气候变化委员会(IPCC，2021)发布报告《气候变化2021：自然科学基础》，报告显示，亚洲地区观测到的平均温度的升高，已经超出自然变率的范畴，极端暖事件在增加、极端冷事件在减少，这一趋势未来将延续；1950年代以来，全球大部分陆地经历了热浪频率和强度的增加、寒潮频率和强度的减弱，人类活动对此有主要贡献；1950年代以来，大部分有观测资料的陆地地区经历了极端降水频率和强度的增加，人类活动引起的气候变化有可能是主要的驱动因子；人类活动有可能增加了1950年代以来复合型极端事件的发生概率，包括全球尺度上高温-干旱复合事件的增加、部分地区火灾天气的增加、部分地区复合型洪涝事件的增加.

为了积极应对频繁发生的极端天气气候事件及其对社会经济造成的不利影响，2012年政府间气候变化专门委员会(IPCC，2012)发布了《管理极端事件和灾害风险，推进气候变化适应》(IPCC SREX)特别报告.该报告从灾害性天气气候事件和气候灾害的背景和历史、脆弱性和灾害损失的观测和预估、对极端事件和灾害风险管理的认知、灾害风险管理及其与可持续发展的相互作用等方面，阐释了国际科学界在气候灾害及其风险管理方面的最新进展.

近几十年来我国旱涝等重大天气气候事件也频繁发生，造成的社会经济损失越来越严重，为了充分吸纳国内外最新的科学进展，借鉴国际社会在极端事件研究和灾害风险管理方面先进理念和经验，充分体现中国防灾减灾体系的特色，秦大河等(2015)组织编写了《中国极端天气气候事件和灾害风险管理与适应国家评估报告》(CSREX).该报告指出，在全球气候变化的背景下，我国气象灾害风险进一步加剧，防灾减灾形势异常严峻.秦大河和翟盘茂(2021)组织编写了《中国气候与生态环境演变(2021)》，该报告评估了近几十年我国极端温度、极端降水、干旱、台风等事件的变化规律，结果显示，1961年以来，我国极端高温发生频次增加，极端低温发生频次减少，进入21世纪后，我国南方、华北和四川盆地等地极端高温破纪录事件频繁发生，极端低温破纪录事件主要出现在华北和东北地区；1961年以来，我国极端降水频率、累积暴雨站日数、极端降水强度趋于增强，干旱发生频次增加、强度增强、范围扩大，尤其是严重和极端干旱的增加趋势更为明显；极端降水和干旱变化具有明显的区域差异.

长江是中华民族的母亲河，是中华民族发展的重要支撑.长江全长6300多公里，为世界第三大河流，全流域涉及19个省、自治区、直辖市，流域面积180×104km2，横跨东、中、西部三大经济区，具有完备的自然生态系统、独特的生物多样性，有全国三分之一的水资源、五分之三的水能资源，全国大部分淡水湖分布在长江中下游地区，是我国重要的战略水源地、生态宝库和重要的黄金水道(刘扬扬等，2021).Rao等(2022)研究发现，21世纪以来非夏季风季节长江流域大部分支流的径流量有增加的趋势，特别是在下游流域.有关长江流域极端气候事件的研究比较多，张强等(2021)运用气象干旱综合指数(MCI)(张存杰等，2017)及区域性干旱过程识别方法(廖要明等，2021)，分析了1961—2019年长江中下游区域性干旱过程及其变化规律，发现长江中下游地区年干旱日数呈现“西北部增多、东南部减少”的变化趋势，并发现区域过程干旱综合强度以及受灾面积与重旱和特旱站数相关性好；夏军等(2021)对比分析了长江流域历史上几次特大洪水事件(1870、1954、1981、1998和2020年)的洪水特征，提出了新时代长江流域洪水整体防御和山洪防治的策略.随着全球气候变化，近年来长江流域发生了严重的干旱和洪涝事件，如2019年长江中下游发生伏秋连旱(李俊等，2020)、2020年长江中下游等地梅雨期及梅雨量均突破历史最高纪录(Ding et al.，2021；中国气象局气候变化中心，2020,2021)，频繁出现的极端天气气候事件给当地社会经济造成严重影响.虽然这些研究从单个事件角度分析了极端气候的特征和变化规律，但未从多种极端气候事件的角度综合分析长江流域的极端气候特征.因此，有必要利用最新的观测资料，对长江流域近几十年来极端强降水、极端干旱、极端高温和极端低温等极端天气气候事件(以下简称“极端事件”)的气候特征、演变规律和综合危险性进行深入细致的研究，为当地应对气候变化、有效防范极端事件和开展灾害风险管理提供科学依据.

1 极端事件的分类和判别标准研究进展

1.1 极端事件的分类

在IPCC SREX报告中，将极端事件分为三类：一是能够利用天气气候变量直接判定的极端事件，如温度、降水、风速等；二是能够影响天气气候变量的极端性或者其本身就具有极端性的天气气候现象，如季风、厄尔尼诺和其他变率模态、热带气旋和温带气旋等；三是能够对自然环境产生重大影响的极端事件，如干旱、洪水、极端海平面、影响海岸带的事件、滑坡、沙尘暴等.这种分类方法基本涵盖了学术界常用的极端事件类型，并从评估全球气候系统的极端事件及其相关问题视角出发，把极端事件与其形成的天气气候环境以及影响联系在一起，但由于这三类极端事件之间相互关联(罗亚丽，2012)，在区域视角上也容易混淆极端事件、极端事件的形成条件以及极端事件造成的灾害.

极端事件一般具有三个特征：一是发生概率小；二是强度大；三是有较大的经济社会影响.极端事件的这些特点，特别是其对经济社会造成的严重影响，使极端事件的变化受到科学家、决策者和社会公众的广泛关注.在已有的研究中，按照极端天气气候事件的性质、指标或要素、影响程度等，从不同的角度对极端天气气候事件进行了分类.不同的分类方法对评估会产生一定的影响，而且在不同类别极端天气气候事件研究成果的数量和质量方面，也存在比较大的差别.为此，CSREX报告综合考虑上述分类方法，在具体评估过程中，把极端天气气候事件主要分为单要素极端天气气候事件和多要素极端天气气候事件两类(翟盘茂和刘静，2012).

此外，近年来针对极端事件的研究，已经由单站(点)的极值分析，向时间和空间并重的方向发展，区域性、持续性、综合性极端事件等新的概念应运而生，技术方法逐渐成熟，并在近年研究中逐渐得到应用(Zhang and Qian,2011；Ren et al.,2012；Wang et al.，2014；叶殿秀等，2019；张强等，2021).由此，也可以把极端事件分为两类：一类是单站(点)极端事件，另一类是区域性、持续性和综合性极端事件.区域性极端事件更加注重考虑事件的空间范围，持续性极端事件更多体现事件在时间上的连续性，而综合性极端事件既考虑事件的时间和空间特征，也涵盖不同种类极端事件在时间和空间上的关联性及其总体特征.

本文的重点研究对象是气候事件本身的极端性和危险性，在判识长江流域单点极端干旱、极端降水、极端高温和极端低温事件年发生频率的基础上，通过与全国范围2000多个站点对比、排序和等级划分，最后确定单个极端事件在全国范围的危险程度.

1.2 极端事件的判别方法

要从大量的天气气候记录中定量区分出极端事件，需要确定一个阈值，当某天气气候记录或变量超过阈值时，就被判定为发生一次极端事件.按照不同的阈值确定方法，可以把阈值分为“绝对”和“相对”两类.

以一个特定值为阈值判定极端事件，这个特定值被称为绝对阈值，它在特定的时间和空间范围内是固定的.一些绝对阈值是根据某物理原理或某些现象的出现而确定的，如一些研究把0℃作为判定霜冻事件的绝对阈值.还有一些绝对阈值是根据实践经验或极端事件的影响而人为确定的，如在目前的中国气象业务中，常把35℃作为判定高温事件的绝对阈值，把24h降水量50 mm作为判定暴雨事件的绝对阈值.

绝对阈值物理意义明确，指标计算易于操作，其在国内气象业务中的应用更为普遍.但绝对阈值具有很大的局地性，如2003年夏季欧洲出现的超级热浪，日最高气温持续超过30 ℃，而同样的气温记录在印度可能较为常见；又如在中国南方湿润地区的夏季，暴雨事件的判定阈值是24h降水量达到或超过50 mm，而在西北干旱、半干旱区，当24 h降水量达到或超过25 mm时，就被判定为暴雨事件.

基于统计概率分析计算得到的极端事件判定阈值，被称作相对阈值，其大小依赖于具体的空间范围和时间段(Yan et al.,2006；严中伟，2010).其计算过程主要分为三个步骤：首先，确定气候变量和空间范围，并确保气候变量的状态和变化在该空间范围内基本一致，同时选定长度一般至少为30年的时间段作为基准期，并尽量选用距离当前最近的三个连续十年；其次，以该基准期和空间范围内气候变量的所有观测或统计值为基础，确定其所遵从的统计分布(PDF)；再次，计算累积概率分布(CDF)的百分位数，并选定某个百分位数为极端事件的判定阈值，如第90个百分位数，不同的百分位数也可用于划分不同程度的极端事件.

相对阈值的概念往往更具普适性和可比性，也能更确切地反映不同地区、不同时段内气候的极端性特征.例如，发生概率相同的强降水事件，在干旱区的相对阈值可能是20 mm·d-1，而在湿润区可能达到80 mm·d-1.此外，在气候模式模拟研究中，使用相对阈值还可以有效消除模拟结果中存在的系统性偏差，因此，国际学术界更多地采用相对阈值作为极端事件的判定标准.

世界气象组织气候委员会下属“气候变化检测和指数专家组”(Joint Expert Team on Climate Change Detection and Indices，简称ETCCDI)定义了27种典型的气候指数(Peterson et al.,2001)，其中包括16个气温指数和11个降水指数.这些指数既有绝对阈值指标，也有相对阈值指标，为了描述极端事件的不同变化特征，可以灵活选择不同指标.近年来，这些指标在针对极端温度、极端降水等极端事件的研究中得到了广泛应用(翟盘茂和潘晓华,2003；周雅清和任国玉，2010；Xu et al.,2013;Sun et al., 2014).

本文选取的相对阈值指标作为研究极端干旱、极端降水、极端高温和极端低温的判别方法(表1)，其中极端干旱采用过去90天降水的SPI指数(张存杰等，2017)进行研究，极端降水采用连续3天降水量作为研究对象，极端高温采用日最高气温、极端低温采用日最低气温进行研究.李雁等(2013)研究表明，我国西北干旱区日极端最大降水量一般在10 mm左右，但这种极端降水不易引起洪涝等灾害，不是我们研究的重点，因此将3天降水量不低于30 mm作为极端降水事件的第二约束条件.为了增加相对阈值的稳定度，我们采取了合理增加样本的方式来进行计算.

表1 单个极端事件的判别指标和含义Table 1 Discriminant index and meaning of different extreme climate events

1.3 多个极端事件的综合危险性评价方法

为描述某一区域极端事件的总体变化特征，许多研究提出了综合性的极端事件表征指标.Karl和Knight(1998)针对美国的天气气候特点，提出了极端天气气候事件指数(Climate Extremes Index，简称CEI)，它是一个由传统的极端事件表征指标组合而成的新指数，用于研究美国极端事件的变化规律.任国玉等(2010)选取了对中国大陆地区经济社会影响较高的全国平均高温日数、低温日数、强降水日数、沙尘天气日数、大风日数、干旱面积百分率和登陆热带气旋频数等7种极端事件表征指标，合成为两个综合极端事件指数，即由各单项指标简单(等值权重)合成的综合指数I，以及加权(差异权重)合成的综合指数II，并分析了1956—2008年中国大陆地区极端事件的总体演变趋势，其中综合指数II主要依据各种极端事件引发的灾害严重(损失)程度及其社会影响大小，分别确定其对应指标的相对重要性和权重系数.Wang等(2018)利用气象部门收集的历史气象灾情资料，确定了洪涝、干旱、高温、低温、台风五种极端事件各月所占的权重系数，构建了一个中国气候风险指数，并分析了气候风险与农业保险、医院住院人数等之间的关系.针对自然灾害损失的定量化评价问题，张鹏等(2015)提出了一种基于几何平均模型的综合灾情指数计算方法，实现了对给定区域多元灾情数据的量化计算.

综合指标最大的难点是如何确定单个因子所占的权重，任国玉等利用中国气象局收集的全国各省历史灾情资料，确定了7种极端气候因子相应的权重系数，分别为强降水日数权重系数0.30，干旱面积百分率权重0.25，登陆热带气旋数权重0.20，低温日数权重0.08，高温日数权重0.07，沙尘天气日数和大风日数权重均为0.05.这种综合指标虽然确定了各因子的权重系数，但严重依赖所收集到的灾情数据的质量和数量，而且灾害损失与当地社会经济发展状况和人口数量密切相关，得到的综合极端事件并不一定代表真正意义上的极端气候事件；各种因子的权重系数随着区域和时段都需要调整，这给实际应用带来了困难.

本文重点研究天气气候事件本身的极端性，不考虑造成损失情况，因此构建了一个通过在全国范围(2000多个站点)对比、排序和等级划分，最后等权重合成一个综合危险性指标.这种方法避免了依赖历史灾情资料的问题，而且通过每个极端事件发生频率在全国范围排序，并按照同样标准进行等级划分，这样去掉了不同极端事件发生频率的量级差异，并具有了可比性.合成的综合指标既反映了事件本身的极端性，也反映了在全国层面的危险性.

2 资料和方法

2.1 资料

本文使用中国气象局国家信息中心提供的1961—2020年全国共2254个气象观测站观测的逐日降水量、平均气温、最高气温、最低气温资料，其中平均气温、最高气温、最低气温是经过均一化检验和订正的资料(杨溯和李庆祥，2014；Cao et al.,2016).长江流域站点数共668个站点，其中上游271个站点，中下游397个站点.图1给出了长江流域在中国的具体位置以及气象站点分布情况.

图1 长江流域代表站点分布图兰线为长江主要河道，红线为长江上游与中下游分界线，小三角为气象站点.Fig.1 Distribution map of representative stations in the Yangtze River Basin The blue line is the main channel of the Yangtze River, the red line is the dividing line between the upper and middle-lower reaches of the Yangtze River, and the triangle marks are the locations of weather stations.

2.2 相对阈值确定

为了判识是否是极端事件，需要给出相应的阈值.本文采用Bonsal等(2001)给出的非参数化方案，即百分位法来确定极端高温、极端低温、极端降水等事件划分相对阈值，公式如下：

(1)

式中，P为累积频率，本文极端高温和极端降水取90百分位的阈值(P为0.9)，极端低温取10百分位(P为0.1)；N为参加计算的样本总数；M为该阈值对应的序列编号，据此可以获得具体的阈值.

2.3 极端干旱事件的判别

长江中下游2011年发生严重的冬春连旱，2011年1月至5月的降水量为180 mm，与常年同期相比偏少64%左右(邓汗青和罗勇，2013).统计这段时间的最长连续无降水日数(CDD，日降水量小于1 mm的连续最长日数)也只有19天，中间虽然出现了28个降水大于等于1 mm的日数，但只有6天降水量超过10 mm，说明降水日数多(或者最长连续无降水日数少)不能代表干旱不严重，这个例子反映出最长连续无降水日数(CDD)不能代表实际干旱情况.计算武汉市2010—2011年90天SPI指数，发现2010年11开始降水持续偏少，到12月底出现轻旱，进入2011年1月干旱持续发展，到中旬发展为重旱，2—5月虽然出现的几次降水过程，但降水量级较小不足以缓解干旱，导致干旱一致维持到6月初，后面出现了几次暴雨过程彻底解除了干旱.统计武汉市2011年1—5月的SPI90反映的干旱日数为151天，重旱以上干旱日数也达到141天，说明SPI90干旱指数可以反映武汉市的干旱实际状况.

这里选择过去90天降水SPI指数(即SPI90)作为干旱指标，重旱(SPI90小于等于-1.5)以上日数作为极端干旱事件进行统计分析.极端干旱事件的判别公式如下：

(2)

式中SPI90是过去90天降水量的SPI值；EXdry为极端干旱事件，1为达到，0为没有达到.

2.4 极端降水事件的判别

根据吴绍洪等(2017,2018)研究结果，暴雨洪涝事件造成的损失与连续3天的降水量关系密切，3天降水量越大损失越大，并将30 mm作为发生洪涝事件的起始降水量.因此，这里选取连续3天的降水量(RX3day)作为判断极端降水的指数.

这里采用相对阈值的方法确定极端降水事件，即采用百分位法，确定累积频率为90%的阈值，选取超过90%阈值的事件为极端降水事件.为了使选取的阈值具有稳定性，需要增加样本的数量，这里采用前后5天的序列组成当天的序列，对新的序列进行排序和判定阈值.

由于干旱和半干旱区日降水量不服从正太分布，用百分位法选出的极端降水事件有时异常偏多，但这种事件往往降水量不大，不足以引起暴雨洪涝灾害，因此，这里用3天降水量必须大于等于30 mm作为第二约束条件.极端降水事件的判别公式如下：

(3)

式中RX3day为连续3天的降水量(单位mm)；CDFRX3day为前后5天历史资料组成的样本计算得到的累积频率密度；EXrain为极端降水事件，1为达到，0为没有达到.

2.5 极端高温事件的判别

这里采用相对阈值的方法确定极端高温事件，即采用百分位法，计算确定日最高气温(TX1day)的累积频率为90%的阈值，选取超过90%阈值的日数为极端高温事件.与前面方法相同，为了增加样本的数量，采用前后5天的序列组成当天的序列，对新的序列进行排序和判定阈值.极端高温事件的判别公式如下：

(4)

式中CDFTX1day为前后5天日最高气温历史资料组成的样本计算得到的累积频率密度；EXtx为极端高温事件，1为达到，0为没有达到.

2.6 极端低温事件的判别

与前面极端高温事件的定义和判别方法类似，在增加样本的基础上，极端低温事件计算确定日最低气温(TN1day)的累积频率10%的阈值，选取小于等于阈值的日数为极端低温事件，统计分析极端低温事件出现的频率.极端低温事件的判别公式如下：

(5)

式中CDFTN1day为前后5天日最低气温历史资料组成的样本计算得到的累积频率密度；EXtn为极端低温事件，1为达到，0为没有达到.

2.7 单个极端事件的危险性等级确定

针对单个极端事件的危险性需要从时间和空间两个维度进行评判，时间维度评判指极端事件年发生频率与历史上发生情况进行对比；空间维度评判指在给定的区域范围内，不同站点极端事件发生频率相互之间的比较，如果研究中国范围的极端事件危险性，需要对中国范围所有站点的发生频率进行比较，这样可以确定该极端事件在每个站点在中国范围的危险程度.

具体操作时需要两步完成：第一步，计算单个极端事件的年发生日数，然后除以年日数，得到该事件的年发生频率.为了计算便捷，这里年日数统一取365天.如果要分析某段时期(如1981—2010年)的危险性，需要对年发生频率进行平均，得到该段时期年平均发生频率.第二步，将研究区域内所有站点(如全国有2254个站)的年平均发生频率由小到大进行排序，用百分位法确定90%、70%、40%的阈值，用确定的阈值将每个站点极端气候事件的危险性划分为“特高、高、中、低”四个等级，分别赋值4、3、2、1.这样确定的“特高、高、中、低”四个等级的极端事件占比分别为10%、20%、30%和40%.

单个极端事件的危险性等级判别公式如下：

(6)

(7)

2.8 多个极端气候事件综合危险性等级确定

要研究某一区域多个极端天气气候事件的综合危险性，需要确定单个极端事件的危险性，以及单个极端事件在所占的比重.通过前面2.2—2.7节的分析，单个极端事件在历史上的极端程度通过阈值已经明确，通过在全国范围内进行比较，按照百分位法，危险等级已经划定，因此，多个极端事件综合危险性只需将前面给出的单个极端事件危险性等级进行累加就可以，无需再考虑权重因子.

为了确定多个极端气候事件综合危险性等级，需要对前面累加的指数进行等级划分，与2.7节相同，这里仍然使用百分位法进行等级阈值确定.将研究区域内所有站点(如全国有2254个站)的极端气候综合危险性指数由小到大进行排序，用百分位法确定90%、70%、40%的阈值，用该阈值将多个极端气候事件的综合危险性划分为“特高、高、中、低”四个等级，分别赋值4、3、2、1.

多个极端事件的综合危险性指数和等级判别公式如下：

MECI=Hdry+Hrain+Htx+Htn,

(8)

(9)

式(8)中MECI为多个极端事件的综合危险性指数，Hdry为极端干旱事件危险性等级，Hrain极端降水事件危险性等级，Htx为极端高温事件危险性等级，Htn为极端低温事件危险性等级；式(9)为多个极端事件综合指数在全国范围比较确定的综合危险性等级，4为特高级危险性，3为高级危险性，2为中级危险性，1为低级危险性.

表2为依据1981—2010年全国发生的极端干旱、极端降水、极端高温和极端低温事件年发生频率，通过百分位法确定的危险性等级阈值，以及综合指标危险性等级阈值.本文单个极端事件的危险性和多个极端事件的综合危险性分析都以此表为准.

表2 中国范围极端事件的危险性等级判别标准(1981—2010年)Table 2 Standard for classification of extreme climate events risk in China from 1981 to 2010

3 结果分析

3.1 长江流域极端气候事件危险性空间特征

分析1981—2010年长江流域极端干旱发生的危险性等级(图2a)，可以看出，相对于全国其他地区，长江流域大部分地区极端干旱发生的危险性等级都在中级以上，特高级、高级和中级危险等级站点数分别占全国总站数的30%左右(表3)，说明长江流域容易发生极端干旱事件.云南北部、四川西北部、金沙江上游、湖北东北部、安徽西北部等地是极端干旱事件发生高危险和特高危险地区.四川盆地中部、重庆南部、江西等地是极端干旱事件低危险区域.

分析1981—2010年长江流域极端降水事件发生的危险性等级(图2b)，可以看出，相对于全国其他地区，长江流域大部分地区极端降水事件发生的危险性等级都在中级以上，尤其长江中下游地区，危险等级都在高级以上，湖南西部、江西大部、湖北南部等地极端降水事件发生的危险性处于特高级.特高级和高级危险等级占比分别为62%和41%，而且大部分都集中在中下游地区，说明长江中下游地区，特别是江南等地是极端降水事件容易发生的地区.

图2 长江流域极端气候事件危险性等级(1981—2010年)(a) 极端干旱； (b) 极端降水； (c) 极端高温； (d) 极端低温.Fig.2 Map of risk levels for different extreme climate events in Yangtze River Basin from 1981 to 2010(a) Extreme droughts; (b) Extreme precipitation; (c) Extreme high temperature; (d) Extreme low temperature.

表3 长江流域极端气候事件不同等级危险性站点在全国范围所占比例(单位：%)Table 3 Proportion of different risk stations of extreme climate events in the Yangtze River Basin in China (Unit：%)

四川东部、云南北部、重庆、贵州、湖北西北部等地极端降水事件也比较容易发生，中级危险等级占比为42%左右.四川西北部、金沙江上游等地是极端降水事件发生低危险区域.

分析1981—2010年长江流域极端高温事件发生的危险性等级(图2c)，可以看出，相对于全国其他地区，长江流域极端高温事件主要发生在金沙江上游、四川西北部、甘肃南部、陕西南部以及长江中下游沿岸附近地区，其余地区危险性较低.特高级和高级危险等级占比分别为13%和14%，相对较低，说明长江流域近几十年极端高温事件发生的频率与全国其他地区相比，总体偏低.通过年代际对比分析发现，1980年代和1990年代，长江流域极端高温事件发生频次相对较少，导致30年平均发生频率相对较低.但进入21世纪以来，长江流域极端高温事件明显增多，21世纪前10年长江中下游地区是极端高温高危险区，2010年以来长江上游地区变为极端高温高危险区.这说明极端事件的发生具有明显的区域特征和年代际的特征，不能一概而论.

分析1981—2010年长江流域极端低温事件发生的危险性等级(图2d)，可以看出，相对于全国其他地区，长江流域大部分地区极端低温事件发生危险性等级较高，特高级和高级危险等级占比分别为43%和41%，相对较高，说明长江流域近几十年极端低温事件发生的频率与全国其他地区相比，总体偏高.除四川西部和金沙江中上游以及长江中下游沿江地区外，其余地区极端低温发生的危险性等级均在中等以上.四川东部、重庆大部、贵州中北部、湖南南部和西部、湖北西北部等地极端低温事件发生危险性为特高级，极易发生低温事件.通过年代际对比分析发现，20世纪90年代以来，长江流域极端低温事件发生的危险性相对于全国其他地区明显偏高.

3.2 长江流域极端气候事件发生频率年代际变化特征

分析1961—2020年长江流域极端干旱年发生频率线性变化趋势(图3a)，可以看出，长江流域近60年极端干旱事件年发生频率呈现线性减少趋势，全流域平均每10年减少5.6%，上游为减少2.4%，中下游减少趋势更明显，平均每10年减少7.8%，其中，全流域和中下游的线性趋势通过了0.05的信度检验.1961—2020年长江流域极端干旱年平均发生频率为7.75%，每年大约28天.20世纪60年代和70年代，长江流域极端干旱事件发生频繁，年平均发生频率为9.43%，每年大约43天.80年代到21世纪前10年，发生频率相对较少，年平均发生频率为6.76%，每年大约24天.2010年后极端干旱发生相对较多，如长江中下游2011年发生了严重的春季干旱和2019年发生了严重的夏季干旱，年平均发生频率分别为27.86%和12.62%，极端干旱日数为101天和46天.

图3 长江流域极端气候事件年发生频率历史演变(1961—2020年)(a) 极端干旱； (b) 极端降水； (c) 极端高温； (d) 极端低温.Fig.3 Historical evolution of annual frequency of extreme climate events in the Yangtze River Basin from 1961 to 2020(a) Extreme droughts； (b) Extreme precipitation; (c) Extreme high temperature; (d) Extreme low temperature.

分析1961—2020年长江流域极端降水事件年发生频率线性变化趋势(图3b)，可以看出，长江流域近60年极端降水事件年发生频率呈现线性增加趋势，全流域平均每10年增加0.15%，上游为增加0.03%，中下游增加相对较为明显，平均每10年增加0.23%，但都未通过0.05的信度检验. 1961—2020年长江流域极端降水事件年平均发生频率为6.07%，每年大约22日；上游发生率较低，为4.49%，每年大约16天；中下游发生率相对较高，为7.15%，每年大约26天.20世纪60年代，长江流域极端降水事件发生频繁较低，年平均发生频率为5.8%，每年大约21天.70年代开始长江流域极端降水事件发生频率一致处于增加趋势，到20世纪后期和21世纪最近几年，出现了两个多发时期，其中1998年和2020年极端降水事件发生频繁，年平均发生频率分别为7.92%和8.51%，极端降水日数为29天和31天，导致长江流域发生了严重的洪涝灾害.

分析1961—2020年长江流域极端高温事件年发生频率线性变化趋势(图3c)，可以看出，长江流域近60年极端高温事件年发生频率呈现明显的线性增加趋势，全流域平均每10年增加1.25%，上游为增加相对较为明显为1.52%，中下游为1.06%，都通过了0.01的信度检验. 1961—2020年长江流域极端高温事件年平均发生频率为10.19%，每年大约37天，上游和中下游基本接近.近60年来长江流域极端高温事件年平均发生频率阶段性特征明显，20世纪60年代到90年代，长江流域极端高温事件发生频繁相对较低，年平均发生频率为8.35%，每年大约30天.21世纪以来长江流域极端高温事件发生频率一致处于增加趋势，近20年年平均发生频率为13.87%，每年大约51天.2013年和2006年是长江流域极端高温事件发生最多的两年，其中上游地区2013年和2006年年发生频率分别为21.76%和19.47%，极端高温日数为79天和71天，导致2013年夏季我国南方发生严重高温热浪和伏旱灾害、2006年川渝地区发生严重高温干旱灾害.

分析1961—2020年长江流域极端低温事件年发生频率线性变化趋势(图3d)，可以看出，长江流域近60年极端低温事件年发生频率呈现明显的线性减少趋势，全流域平均每10年减少1.59%，上游减少1.46%，中下游减少1.68，都通过了0.01的信度检验. 1961—2020年长江流域极端低温事件年平均发生频率为10.28%，每年大约37天，上游和中下游基本接近.20世纪60年代初由于受站点缺测资料的影响，极端低温事件相对60年代后期明显偏少.自1966年以来，长江流域极端低温事件发生频率一致处于减少趋势.20世纪70年代年平均发生频率为12.55%，每年大约46天，近10年为5.97%，每年大约22天，减少了24天，减少趋势比较明显.

3.3 长江流域极端气候事件线性趋势空间特征

分析1961—2020年长江流域极端干旱年发生频率线性变化趋势空间分布特征(图4a)，可以看出，我国长江流域过去60年极端干旱事件年发生频率大部分地区呈减少趋势，减少最明显的区域位于四川西北部、金沙江上游、长江中下游地区等地，通过了0.05信度检验.四川东南部、云南北部、贵州中西部、陕西南部、湖北北部、河南西南部等地极端干旱事件呈现弱的增加趋势，信度检验不显著.

图4 长江流域极端气候事件年发生频率线性变化趋势(1961—2020年)(a) 极端干旱； (b) 极端降水； (c) 极端高温； (d) 极端低温.图中斜线为信度检验通过了0.05的区域.Fig.4 Spatial distribution of annual frequency linear trend of extreme climate events in the Yangtze River Basin from 1961 to 2020(a) Extreme droughts; (b) Extreme precipitation; (c) Extreme high temperature; (d) Extreme low temperature. The slanted areas in the figure are those that have passed the reliability test by 0.05.

分析1961—2020年长江流域极端降水年发生频率线性变化趋势空间分布特征(图4b)，可以看出，我国长江流域过去60年极端降水事件年发生频率大部分地区呈增加趋势，增加最明显的区域位于长江中下游的湖北、湖南、江西、安徽、江苏和上海等地.极端降水事件减少的区域比较分散，主要云南北部、四川盆地中部、贵州东北部、湖南西北部、湖北东北部等地极，呈现弱的减少趋势.长江流域极端降水事件线性趋势绝大部分地区都未通过0.05信度检验，说明变化不显著.

分析1961—2020年长江流域极端高温事件年发生频率线性变化趋势空间分布特征(图4c)，可以看出，我国长江流域过去60年极端高温事件年发生频率均呈现增加趋势，增加明显的区域主要位于长江上游和中下游沿江附近地区，云南北部、金沙江上游、四川中南部、甘肃南部等地增加最为明显.贵州东南部、湖南西南部、江西大部、湖北北部等地极端高温事件增加趋势相对较弱.大部分地区都通过了0.05信度检验.

分析1961—2020年长江流域极端低温事件年发生频率线性变化趋势空间分布特征(图4d)，可以看出，我国长江流域过去60年极端低温事件年发生频率均呈现减小趋势，减小明显的区域主要位于金沙江中上游、四川西部、湖北中北部、江西北部、安徽中部、中部、上海等地.重庆南部、湖北西北部、湖南西北部等地极端低温事件减少趋势相对较弱.几乎所有地区都通过了0.05信度检验，说明极端低温事件减少很显著.

3.4 长江流域极端气候事件综合危险性分析

分析1981—2010年长江流域极端气候综合危险性等级(图5)，可以看出，相对于全国其他地区，长江流域大部分地区极端气候综合危险性等级较高，都在中级以上水平，其中湖南大部、江西西部、湖北南部、云南东北部、金沙江上游等地综合危险性在高级到特高级水平，说明这些地区极端气候事件容易发生.四川西南部和西北部个别地方危险性等级为低级.通过年代际对比分析发现，20世纪90年代以来，长江流域极端气候事件发生的危险性相对于全国其他地区明显偏高，20世纪90年代高危险区域位于陕西南部、重庆北部、湖北西北部、湖南和江西南部等地，2010年以来高危险区域位于云南北部、四川南部、重庆南部，湖南和江西南部以及长江中下游沿江附近地区.分析表明，长江流域极端气候事件的综合危险性具有区域性和年代际变化特征.

图5 长江流域极端气候综合危险性等级(1981—2010年)Fig.5 Comprehensive risk level of extreme climate in the Yangtze River Basin from 1981 to 2010

分析1961—2020年长江流域极端气候事件综合年发生频率线性变化趋势(图6a)，可以看出，长江流域近60年极端气候事件综合年发生频率呈现线性下降趋势，全流域平均每10年减少0.19%，上游减少0.04%，下游减少0.29%，中下游减少趋势较明显，通过了0.05的信度检验.1961—2020年长江流域极端气候事件综合年平均发生频率为8.57%，每年大约31天次，上游和中下游基本接近.20世纪60年代和70年代是极端气候事件高发期，综合年平均发生频率为9.25%，每年大约34日次；80年代和90年代发生频率相对较少，综合年平均发生频率为8.02%，每年大约29日次；21世纪以来长江流域极端气候事件呈现弱的增多趋势，近10年综合年平均发生频率为8.54%，每年大约31日次.2011年和1963年是长江流域极端气候事件发生最多的两年，大约发生了49日次和47日次.

分析1961—2020年长江流域极端气候事件综合年发生频率线性变化趋势空间分布特征(图7a)，可以看出，区域差异比较明显.减少的区域主要位于四川西部、金沙江上游、长江中下游大部分地区，特别是金沙江上游地区、长江下游部分地区减少比较明显，这些地区都通过了0.05信度检验.综合年发生频率增加的区域主要位于云南北部、四川盆地和四川东南部、陕西南部、湖北西北部等地，这些地区近年来极端高温和极端干旱事件发生频繁，应引起高度重视.

图6a和图7a给出的长江流域极端气候事件综合年发生频率是极端干旱、极端降水、极端高温和极端低温年发生频率的简单累加，未考虑每一种极端事件权重和量级大小.为了客观反映极端气候事件的总体情况，这里首先将四种极端气候事件年发生频率分别与全国2000多站的年发生频率进行比较，用百分位法确定每个站的单个极端事件危险性等级，然后将确定的等级进行累加，得到该站多个极端事件的综合性危险等级.分析历年综合危险性等级变化情况，既可以了解该地区极端气候事件历史变化规律，也可以掌握在全国范围内危险程度所处的位置.这里给出了长江流域以及上游区域和中下游区域极端气候事件综合年危险性等级历史演变图(图6b),也给出了近60年长江流域极端气候事件综合年危险性等级线性趋势空间分布的特征(图7b)，这样可以掌握长江流域极端气候事件危险性总体变化特征.

图6 1961—2020年长江流域极端气候综合年发生频率(a)和综合年危险等级(b)历史演变，图中直线为线性趋势Fig.6 Comprehensive annual frequency (a) and comprehensive annual risk level (b) of extreme climate in the Yangtze River Basin from 1961 to 2020. Straight line shows a linear trend

图7 1961—2020年长江流域极端气候综合年发生频率线性趋势(a)和综合年危险等级线性趋势(b)，图中斜线为信度检验超过0.05的区域Fig.7 The linear trends of comprehensive annual frequency (a) and comprehensive annual risk level (b) of extreme climate in the Yangtze River Basin from 1961 to 2020. The slanted areas in the figure are those that have passed the reliability test by 0.05

对比图6a和图6b，可以看出，近60年长江流域极端气候事件综合年发生频率虽然呈现下降趋势，但在全国范围内进行比较，长江流域极端气候事件综合年危险性等级处于上升趋势，全流域每10年上升0.14，其中上游区域为0.23，中下游为0.07，全流域和上游通过了0.01信度检验.这说明长江流域极端气候事件发生频率虽然在减少，但在全国范围内危险性等级在上升，影响范围在扩大.对比图7a和图7b，可以看出，长江流域极端气候事件综合危险性等级上升的区域范围较大，占整个区域的68%，主要位于长江流域中部地区.上升比较显著的区域位于云南中北部、四川大部、陕西南部和湖北西北部等地，结合图7a，可以发现这些区域极端气候事件不但危险性等级在上升，而且年发生频率也在增加，需要引起高度重视.

图8a给出了长江流域极端干旱和极端高温特高级和高级危险站数占全国同级别站数百分比历史演变图，可以看出，长江流域极端干旱占比和极端高温占比历史变化趋势基本一致，都呈现上升趋势，说明长江流域发生高危险和特高危险干旱事件和高温事件的区域在扩大，极端干旱占比每10年增加0.72%，极端高温占比每10年增加0.93%，但都未通过0.05信度检验.可以发现极端干旱与极端干旱占比变化基本同步，两者相关系数达到0.66，说明长江流域极端干旱事件与极端高温事件经常同步发生，如2006年夏季川渝地区发生高温干旱事件、2013年伏期我国南方发生高温干旱事件等.近60年有4个明显的阶段性变化时期，1961—1995年变化较为平稳，极端高温干旱事件呈现弱的扩大趋势，1996—2005年极端高温干旱事件发生较少、范围缩小，2006—2014年属于高发时期，这个时期发生了2006、2009、2011、2013等多次极端高温干旱事件，2015—2020年变化不明显.值得注意的是，与图3a和图4a相比，长江流域极端干旱年发生频率虽然处于减少趋势，但与全国其他区域相比，长江流域高危险和特高危险的干旱事件的全国占比还是处于上升趋势，而且与极端高温相伴，极端高温干旱的危险性较高，应该引起相关部门重视.

图8 长江流域极端干旱和极端高温(a)、极端降水和极端低温(b)特高级和高级危险站数占全国同级别站数百分比历史演变(1961—2020年)(单位：%)Fig.8 The historical evolution of the percentage of extra-high and high risk stations of extreme drought and extreme heat (a) and extreme precipitation and extreme cold (b) to the same level stations in China (Unit：%)

图8b给出了长江流域极端降水和极端低温特高级和高级危险站数占全国同级别站数百分比历史演变图，可以看出，近60年来长江流域极端降水占比和极端低温占比都处于明显增加趋势，历史变化趋势基本一致，说明长江流域发生高危险和特高危险极端降水事件和极端低温事件的区域在扩大，极端降水占比每10年增加1.64%，极端低温占比每10年增加3.99%，增加趋势较为显著，均通过了0.01的信度检验.高危险和特高危险极端降水事件的占比阶段性特征不明显，近60年来持续增加，2020年占比达到57.7%，说明全国高危险和特高危险极端降水事件大部分发生在长江流域地区，应该继续加强暴雨洪涝灾害的防御工作.高危险和特高危险极端低温事件的占比近60年来增加明显，与图3d和图4d比较，虽然近60年来长江流域大部分地区极端低温年发生频率处于显著减少趋势，但与全国其他地区相比较，高危险和特高危险极端低温事件的占比增加、面积扩大，这一现象应该引起重视.阶段性变化可以分为两段，1961—2000年处于显著增加时期，进入21世纪以来，占比呈现下降趋势.

图9给出了长江流域极端气候事件综合指标中不同危险等级站数占全国同级别站数的百分比，可以看出，长江流域近60年极端气候事件综合特高危险和高危险等级占比处于上升趋势，特别是特高危险等级占比增加更为明显，平均每10年增加4.29%，通过了0.01的信度检验；中危险和低危险等级站数占比处于下降趋势，其中低危险等级平均每10年减小1.91%，通过了0.01的信度检验.近60年长江流域综合特高危险等级占比平均为37.48%，特别是2011年达到86.46%，这说明与全国其他地区相比，长江流域是特高危险极端气候事件易发区域，2013年以后虽然有所下降，但仍然处于高位.

图9 长江流域极端气候综合危险不同等级站数占全国同级别站数百分比历史演变(1961—2020年)(单位：%)Fig.9 Historical evolution of the percentage of stations with different comprehensive risk levels of extreme climate in the Yangtze River Basin to stations with the same level in China from 1961 to 2020 (Unit：%)

4 讨论

分析表明，长江流域极端干旱事件年发生频率总体呈现下降趋势，但进入21世纪有增多的趋势，极端干旱事件发生频繁.李淑萍等(2015)分析发现我国长江中下游1961—2012年夏季干旱站点数呈现减少趋势；马柱国等(2018)分析认为，我国江淮地区从20世纪70年代开始一直处于降水偏多时期，进入21世纪以来江淮地区降水减少，向干旱化转变，极端干旱事件发生频繁，这些研究成果与本文得到的结论基本一致.

分析表明，长江流域极端降水事件年发生频率以及在全国的占比均呈现增加的趋势，这与叶殿秀等(2019)分析全国区域性暴雨过程得到的结论基本一致，他们分析认为，1961—2016年我国南方(包括长江流域)区域性暴雨过程和暴雨强度都呈显著增加趋势；任福民等(2015)、Zou和Ren(2015)分析认为1961—2012年我国区域性强降水事件呈升高趋势，指出长江中下游地区和华南北部地区是区域性强降水事件的频发地区.

不同的研究都一致表明，受全球气候变化影响，我国大部分地区极端高温发生频次增加、极端低温发生频次减少(Masson-Delmotte和Zhai,2022；翟盘茂等，2021)，这与本文的研究结论一致.多个研究也指明，进入21世纪以来，我国干旱与高温并发事件明显增加(宋连春等，2021；周波涛和钱进，2021).艾雅雯等(2020)分析了我国1961—2016年春季极端低温事件时空特征，分析认为，虽然在过去半个多世纪我国春季极端低温事件的频率和强度都呈现显著下降趋势，但自2007年以来115°以东地区(包括长江下游地区)春季极端低温事件的频次和强度有所增加，这与本文得到的长江流域极端低温事件在全国的占比增加结论基本一致.

有关多个极端气候事件合成的综合极端气候指数的研究较少，任国玉等(2010)构建的综合指数Ⅰ与本文图6给出的长江流域极端气候事件综合年发生频率意义相近，都未考虑各种事件的权重，得到的结果也基本一致，即极端气候事件总体有不断减少、减弱的趋势.任国玉等构建的综合指数Ⅱ虽然考虑了权重影响，但多年变化趋势不明显.

本文虽然没有用历史灾情资料确定每种极端事件的权重大小，但通过与全国2000多站进行比较，通过百分位法给出相同的等级划分，然后进行合成，这种综合方法较为客观，避免了确定不同事件权重系数的人为性.问题是这里只考虑了极端干旱、极端降水、极端高温和极端低温4种事件得到综合结果，如果参与综合分析的事件不同，综合结果也会不同，应该区别对待.另外，在等级划分时使用的是全国统一的阈值，容易忽略本地区的特殊情况，如极端降水的高危险区都位于长江中下游地区，而西部地区极端降水事件少但影响重.

对比图5与图2，发现多个极端事件的综合危险性空间分布与单个极端事件的有所不同，综合危险性等级在中下游地区高于上游地区，与图2的极端降水和极端低温分布特征类似，但上游区域极端干旱和极端高温的特征没有反映出来，这也反映出综合危险性指标的缺陷，即强调总体特征的同时，有时会掩盖个体特征.

本文把极端事件本身的极端性作为研究重点，未考虑事件的成因和社会经济影响，危险性分析也是基于过去60年的历史观测资料.如果要研究极端事件的风险和危害程度，以及如何适应未来气候变化并做好极端事件风险防范，还需要利用数值模式模拟和预估的未来气候变化数据，结合社会经济发展途径情景分析数据，以及利用历史事件影响和灾情数据等，在多个极端气候事件危险性、暴露度和脆弱性综合分析的基础上，科学给出未来极端气候事件的综合风险分析结果(史培军等，2014；刘毅等，2011；韩振宇等，2021).这也是适应未来气候变化、应对极端气候事件风险的必由之路.

5 结论

在单个极端气候事件定义和判别基础上，构建了单个极端事件危险性等级判别方法和多个极端事件综合危险性等级确定方法，这种方法较为客观地给出了多个极端事件的综合指标和危险性判别方法，减少了人为确定权重系数所带来的不确定性.通过与全国其他地区相比较，可以掌握所关心区域，如长江流域，极端气候事件的危险程度.

利用经过均一化订正的全国2254站和长江流域669站近60年(1961—2020年)逐日观测资料，分析了长江流域近60年极端高温事件、极端低温事件、极端干旱事件和极端降水事件年发生频率空间特征和线性变化趋势，与全国其他地区相比较，给出了长江流域单个极端事件危险性等级和综合危险性等级.

长江流域近60年极端干旱事件年发生频率呈现线性减少趋势，全流域平均每10年减少5.6%.减少最明显的区域位于四川西北部、金沙江上游、长江中下游地区等地，四川东南部、云南北部、贵州中西部、湖北北部等地呈现弱的增加趋势.与全国他其区域相比较，长江流域大部分地区极端干旱发生的危险性等级都在中级以上，说明长江流域容易发生极端干旱事件.

长江流域近60年极端降水事件年发生频率呈现线性增加趋势，全流域平均每10年增加0.15%，中下游区域增加相对较为明显，平均每10年增加0.23%.增加最明显的区域位于长江中下游的湖北、湖南、江西、安徽、江苏和上海等地.与全国他其区域相比较，长江流域大部分地区极端干旱发生的危险性等级都在中级以上，尤其长江中下游地区，危险等级都在高级以上，湖南西部、江西大部、湖北南部等地极端降水事件发生的危险性处于特高级.

长江流域近60年极端高温事件年发生频率呈现线性增加趋势，全流域平均每10年增加1.25%.增加明显的区域主要位于长江上游和中下游沿江附近地区，大部分区域都通过显著性检验，尤其进入21世纪以来极端高温事件发生频繁.相对于全国其他地区，除金沙江上游以及长江中下游沿岸附近地区外，长江流域其余地区极端高温事件发生危险性相对较低.

长江流域近60年极端低温事件年发生频率呈现线性减少趋势，全流域平均每10年减少1.59%.减小明显的区域主要位于金沙江中上游、四川西部以及长江下游区域.相对于全国其他地区，长江流域大部分地区极端低温事件发生危险性等级较高.

多个极端事件的综合危险性分析表明，相对于全国其他地区，长江流域是极端气候事件的易发区和高发区，近60年综合高危险和特高危险等级占比处于上升趋势，说明长江流域发生极端高温、极端干旱、极端降水和极端低温危险性在增加.

值得注意的是，进入21世纪以来，长江流域极端高温和极端干旱相伴而生的高温干旱事件的危险性在增加，如连续发生了2006、2009、2011、2013和2022年等多次极端高温干旱事件，给当地社会经济造成严重影响.全国高危险和特高危险极端降水事件大部分集中在长江流域地区，应该继续加强暴雨洪涝灾害的防御工作.极端低温事件虽然处于减少趋势，但与全国其他地区相比较，长江流域高危险和特高危险极端低温事件的占比增加、面积扩大，这一现象应该引起重视.

致谢由衷感谢中国气象局国家气象信息中心的曹丽娟研究员提供的资料支持，国家气候中心叶殿秀正研高工和徐影研究员、中国科学院地理科学与资源研究所戴尔阜研究员以及北京师范大学龚道溢教授等对本文提供的帮助与支持.