基于日值和小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)診斷中國暴雨時(shí)空變化差異的研究(1991-2010)

孔 鋒，呂麗莉，方 建，劉 凡，應(yīng)卓蓉，郭建平

(1.中國氣象局發(fā)展研究中心，北京 100081；2.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；4.民政部/教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；5.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079；6.中國氣象科學(xué)研究院大氣成分研究所，北京 100081)

基于日值和小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)診斷中國暴雨時(shí)空變化差異的研究(1991-2010)

孔 鋒1,2,3,4，呂麗莉1，方 建5，劉 凡2,3,4，應(yīng)卓蓉2,3,4，郭建平6

(1.中國氣象局發(fā)展研究中心，北京 100081；2.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；4.民政部/教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；5.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079；6.中國氣象科學(xué)研究院大氣成分研究所，北京 100081)

日值和小時(shí)觀測降水?dāng)?shù)據(jù)在反映中國暴雨時(shí)空格局方面的差異還未有明確結(jié)論，因此，亟需通過不同時(shí)間分辨率的降水觀測數(shù)據(jù)來深入研究中國暴雨的時(shí)空變化特征。該文采用觀測的長時(shí)間序列(1991-2010年)的小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)對中國暴雨雨量和暴雨雨日的年際和年代際時(shí)空變化特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在時(shí)間變化上，1991-2010年期間小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算的暴雨雨量和暴雨雨日在逐年變化上沒有本質(zhì)上的差異，暴雨雨量和暴雨雨日的年累計(jì)值在波動中呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢，但日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨雨量和暴雨雨日的波動要大于小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)。在空間格局上，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的中國暴雨雨量和暴雨雨日的空間分布格局沒有較大差別，但小時(shí)降雨數(shù)據(jù)反映的更詳細(xì)，空間分布格局的破碎程度更高。在年代際小時(shí)暴雨和日值暴雨兩者之間的對比方面，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)有較大差異，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)反映的暴雨雨量和暴雨雨日在長江流域偏少，而在其它地區(qū)有不同程度的偏高。在小時(shí)暴雨和日值暴雨的各自年代際變化方面，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)反映的年代際暴雨空間變化表現(xiàn)出相同的變化趨勢，但小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)反映的空間分布特點(diǎn)更加破碎。因此，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)在反映中國年代際暴雨時(shí)空高低分布方面具有一致性，但量級在不同地區(qū)具有不同程度的差異，且在揭示中國年代際暴雨變動方面具有一致性，應(yīng)根據(jù)研究目的選擇適當(dāng)數(shù)據(jù)。

日值降水?dāng)?shù)據(jù)；小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)；暴雨；年際；年代際；時(shí)空格局；中國

近年來在全球氣候變暖的背景下多地遭暴雨襲擊，造成多個城市城區(qū)發(fā)生洪澇，人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損毀、生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重[1-3]。頻發(fā)的極端強(qiáng)降水事件，對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、生命安全和生態(tài)系統(tǒng)等諸多方面造成了巨大的危害，對災(zāi)區(qū)可持續(xù)發(fā)展帶來深遠(yuǎn)影響，已經(jīng)成為全球和區(qū)域?yàn)?zāi)害與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的重要因素，越來越受到學(xué)術(shù)與社會各界的關(guān)注[4-5]。在此背景下，開展暴雨時(shí)空格局尤其是年際和年代際變化的研究對于有效管理極端氣候風(fēng)險(xiǎn)，保障社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

現(xiàn)有的暴雨研究受觀測數(shù)據(jù)的限制，絕大多數(shù)都使用氣象觀測臺站的日值降水?dāng)?shù)據(jù)[6]。另外，暴雨的標(biāo)準(zhǔn)即暴雨閾值的界定是研究暴雨首先需要解決的問題，而目前較多使用的基于日值降水?dāng)?shù)據(jù)的指標(biāo)能否準(zhǔn)確反映極端降水的過程和強(qiáng)度，需要與更高時(shí)間分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對比。目前，中國氣象上關(guān)于暴雨的劃定是以24h總雨量達(dá)到50 mm以上為標(biāo)準(zhǔn)的[7]。如果50 mm降水均勻分布在24h，給人的感覺是細(xì)雨紛飛。如果10 mm降水在1 min完成，給人的感覺將是天塌地陷，非暴雨傾盆所能形容，但是10 mm只能算小雨。有學(xué)者將暴雨定義為一站或以上連續(xù)3h累積降水量大于等于50 mm，其中至少有1 h降水量大于等于30 mm[7-8]。有學(xué)者認(rèn)為將一次降水事件開始至結(jié)束間的小時(shí)數(shù)定義為其持續(xù)時(shí)間，根據(jù)降水的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行分類，以1 h為間隔，對持續(xù)1～24 h的降水事件分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)是十分必要的[9-12]。此外，在空間上，很多降水過程范圍較小，常常出現(xiàn)城外無雨而城內(nèi)有雨的情況[10-13]。因此，更高時(shí)間分辨率和空間分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)對研究暴雨顯得尤為重要。在全球城市快速擴(kuò)張的時(shí)代，城市熱島效應(yīng)由于改變近地面大氣層的局地環(huán)流特征，不可避免對降水，尤其是極端降水(如暴雨，大暴雨)產(chǎn)生影響[14-18]。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對城市化與暴雨的相關(guān)性及其相互作用機(jī)理也開展了大量的研究工作[19-24]。在這種背景下，日值降水?dāng)?shù)據(jù)和小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)在反映暴雨空間格局方面是否具有一致性？尤其是在快速城市化背景下短歷時(shí)的對流型降雨增多，是否會導(dǎo)致日值數(shù)據(jù)和小時(shí)數(shù)據(jù)在反映暴雨空間格局方面產(chǎn)生顯著差異？均未有明確的結(jié)論。

綜上所述，對于降水特性尤其是暴雨特性的研究，不同時(shí)間分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨時(shí)空變化格局是否具有一致性，需要一個更高時(shí)間分辨率的降水資料與日值降水?dāng)?shù)據(jù)對比，才能解決上述問題。因此，本文利用小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)對中國1991-2010年的暴雨時(shí)空格局進(jìn)行分析，通過不同時(shí)間分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)對比研究，以期對中國的暴雨特性形成更為客觀的認(rèn)識，從而為城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)管理研究的數(shù)據(jù)要求提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的數(shù)據(jù)包括以下兩類：第一類，本文采用的日值降水?dāng)?shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的1951-2012年地面氣象資料數(shù)據(jù)庫中的中國756個基本、基準(zhǔn)地面氣象觀測站及自動站的地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。根據(jù)盡量保留最多站點(diǎn)并保證觀測時(shí)間連續(xù)的原則，如果某氣象觀測站一年內(nèi)缺測超過5%，則將該年份剔除；如果該站點(diǎn)總?cè)睖y超過總記錄的5%則將該站點(diǎn)剔除，最后得到可用的659個降水觀測站點(diǎn)(圖1)。第二類，本文所采用的小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)來自中國國家氣象局提供的中國國家級地面氣象站逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)集(1.0)。該數(shù)據(jù)內(nèi)容包括1991-2010年中國2420個地面國家級站的逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過界限值、內(nèi)部一致性、時(shí)間一致性的質(zhì)量控制。數(shù)據(jù)集的質(zhì)量控制方法有：①氣候?qū)W界限值或極值檢驗(yàn)：若逐小時(shí)降水超出一定范圍，則數(shù)據(jù)錯誤。②內(nèi)部一致性檢查：每日逐小時(shí)降水量的日合計(jì)和日降水量比較，若超出一定標(biāo)準(zhǔn)，則數(shù)據(jù)可疑。③時(shí)間一致性檢驗(yàn)。此外，對數(shù)據(jù)集進(jìn)行了質(zhì)量控制，設(shè)定了質(zhì)量控制碼；對于已知的錄入錯誤產(chǎn)生的虛偽數(shù)據(jù)采取技術(shù)手段進(jìn)行了去除。為了和日值降水?dāng)?shù)據(jù)匹配，本文所選取的小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)與日值降水?dāng)?shù)據(jù)臺站號保持一致。

圖1 中國大陸氣象臺站分布(1991-2010)

1.2 計(jì)算方法

確定暴雨閾值的標(biāo)準(zhǔn)主要有絕對閾值法、百分位法、標(biāo)準(zhǔn)差法和各類不同暴雨指數(shù)方法四大類[1-3,6,10-11]。本文采用的小時(shí)暴雨閾值和日值暴雨閾值是根據(jù)國際上通用的百分位法，即如果小時(shí)降雨雨量和日值降雨雨量超過有雨小時(shí)雨量和有雨日雨量的95%分位數(shù)，則記為一次小時(shí)暴雨事件和日值暴雨事件。對于小時(shí)暴雨事件的頻次，將其除以24，換算成暴雨雨日，以便與日值降水?dāng)?shù)據(jù)的暴雨雨日做對比。然后將1991-2010年超過各自閾值的小時(shí)暴雨和日值暴雨的雨量和雨日累加得到逐年的小時(shí)暴雨和日值暴雨雨量總和和雨日總和[6]。年代際的暴雨雨量和暴雨雨日的累加分別為1991-2000年和2001-2010年。詳細(xì)計(jì)算公式和過程見文獻(xiàn)[6]。為了反映小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)的暴雨雨量和暴雨雨日的空間變化格局，本文對659個站點(diǎn)數(shù)據(jù)采用氣象上常用的IDW插值方法進(jìn)行空間插值[25-27]，并統(tǒng)計(jì)各年代的格點(diǎn)數(shù)量的變化。本文采用距平百分率來衡量小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算的逐年暴雨雨量和暴雨雨日的變化幅度。距平百分率是衡量資料中逐年觀測值變化幅度的一個統(tǒng)計(jì)量，是距平與多年平均值的比值，用于衡量數(shù)據(jù)的變化幅度的大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 小時(shí)暴雨和日值暴雨雨量年際和年代際時(shí)空格局差異

從年代際小時(shí)暴雨雨量空間分布格局來看，中國的小時(shí)暴雨雨量從東南沿海地區(qū)向西北內(nèi)陸地區(qū)減少(圖2a,圖3a)。其中年代際小時(shí)暴雨雨量大于6 000 mm的地區(qū)主要分布在黑龍江漠河至云南騰沖一線以東；該分界線以西的地區(qū)年代際小時(shí)暴雨雨量大都小于6 000 mm；該分界線附近的區(qū)域，主要是中國農(nóng)牧交錯帶地區(qū)，其年代際小時(shí)暴雨雨量變化較大，主要集中于1 000～6 000 mm之間。從年代際日值暴雨雨量來看，年代際日值暴雨雨量在空間上與年代際小時(shí)暴雨雨量具有類似的分布格局(圖2b,圖3b)。從1991-2000年和2001-2010年年代際暴雨雨量在各個等級的格點(diǎn)數(shù)目的分布來看，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)的格點(diǎn)數(shù)目分布十分接近(表1)。因此，在反映年代際暴雨雨量空間格局方面，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的各個等級暴雨雨量的格點(diǎn)數(shù)目相差不大(表1)，即小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)在反映年代際暴雨雨量空間格局方面沒有本質(zhì)上的差別。但是值得注意是小時(shí)降水據(jù)所反映的暴雨雨量在空間格局的細(xì)節(jié)部分更加破碎。

圖2 1991-2000年中國年代際小時(shí)暴雨和日值暴雨雨量空間格局對比

圖3 2001-2010年中國年代際小時(shí)暴雨和日值暴雨雨量空間格局對比

暴雨雨量小時(shí)暴雨雨量日值暴雨雨量年代際暴雨雨量差異小時(shí)暴雨雨量年代際差異日值暴雨雨量年代際差異數(shù)據(jù)年代際差異等級小時(shí)暴雨雨量與日值暴雨雨量的年代際差異雨量等級/mmABCD1990年代2000年代1990年代2000年代差異等級/mmB-AD-C差異等級/mmA-CB-D1990年代2000年代<10008680829086268647<049661796<-2500147116861000～200039443945502831780～1000920312315-2500～-1500124714772000～300025541945304642581000～200047114403-1500～-500259621793000～400025742793128113642000～300019603184-500～500989391514000～5000144910589729923000～400016212777500～1500351335135000～6000889159512039814000～5000103817631500～250021472210>60008326879082608996>500049172178>250075498200

從年代際小時(shí)暴雨雨量和日值暴雨雨量的對比來看(年代際小時(shí)暴雨雨量減去年代際日值暴雨雨量)，在中國西北內(nèi)陸地區(qū)對比變化不明顯，即小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的年代際暴雨雨量沒有明顯差別(圖2c,圖3c)。在中國黑龍江漠河至云南騰沖一線以東的地區(qū)，差異整體上以正值為主，負(fù)值為輔(圖2c,圖3c)，說明小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的年代際暴雨雨量整體上比日值暴雨雨量偏大(表1)，其中1991-2000年和2001-2010年代際偏大超過500 mm和2 500 mm的格點(diǎn)數(shù)分別占總格點(diǎn)數(shù)的46.48%～48.99%和26.57%～28.86%；變化不明顯的等級，即集中在-500～500 mm的格點(diǎn)數(shù)占總格點(diǎn)數(shù)的32.20%～34.81%；明顯偏小的等級，即小于-500 mm的格點(diǎn)數(shù)目占總格點(diǎn)數(shù)的18.70%～18.79%。負(fù)值地區(qū)主要分散地分布在長江流域和東北的南部地區(qū)；正值地區(qū)主要集中在東北的北部、華北的東部和長江流域以南的大部分地區(qū)(圖2c,圖3c)。

從小時(shí)暴雨雨量和日值暴雨雨量的年代際變化來看(2001-2010年的暴雨雨量減去1991-2000年的暴雨雨量)，在整體上具有類似的年代際變化趨勢，即年代際的增加量從東南沿海向西北內(nèi)陸遞減(圖4，表1)。所不同的是小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)反映的暴雨雨量的年代際差異更加破碎(圖4a)；日值降水?dāng)?shù)據(jù)反映的暴雨雨量的年代際差異較為集中，破碎程度低(圖4b)。

從年際時(shí)間變化來看，采用距平百分率計(jì)算暴雨雨量的逐年變化，結(jié)果表明逐年的小時(shí)暴雨雨量和日值暴雨雨量的距平百分率的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.60(n=20，通過了0.01顯著性水平的檢驗(yàn))，說明小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨雨量具有很好的一致性，沒有較大差異。中國整體的小時(shí)暴雨雨量和日值暴雨雨量從1991-2010年在波動中呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(圖5)，尤其是2000年以來增加趨勢尤為顯著。小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨雨量距平百分率的線性擬合優(yōu)度(R2=0.55)比日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨雨量距平百分率的線性擬合優(yōu)度(R2=0.34)高，這說明小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨雨量的波動比日值降水?dāng)?shù)據(jù)小。此外，值得注意的是1998年小時(shí)暴雨雨量異常多于其他年份，因而造成了1998年全國多個地區(qū)的大洪水。

2.2 小時(shí)暴雨和日值暴雨頻次年際和年代際時(shí)空格局差異

從年代際小時(shí)暴雨雨日空間分布格局來看，中國的小時(shí)暴雨雨日從東南沿海地區(qū)向西北內(nèi)陸地區(qū)減少(圖6a,圖7a)。其中年代際小時(shí)暴雨雨日大于60 d的地區(qū)主要分布在黑龍江漠河至云南騰沖一線以東；該分界線以西的地區(qū)年代際小時(shí)暴雨雨日大都小于15 d；該分界線附近的區(qū)域，主要是中國農(nóng)牧交錯帶地區(qū)，其年代際小時(shí)暴雨雨日變化較大，主要集中于15～60 d之間。年代際日值暴雨雨日在空間分布上與年代際小時(shí)暴雨雨日具有類似的分布格局(圖6b,圖7b)。從1991-2000和2001-2010年年代際暴雨雨日在各個等級的格點(diǎn)數(shù)目的分布來看，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)的格點(diǎn)數(shù)目分布十分接近(表2)。因此，在反映年代際暴雨雨日空間格局方面，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)沒有本質(zhì)上的差別(表2)。但是值得注意是小時(shí)降水據(jù)所反映的暴雨雨日在空間格局細(xì)節(jié)部分更加破碎。

圖4 2001-2010和1991-2000年間中國年代際小時(shí)暴雨雨量和日值暴雨雨量年代變化

圖5 1991-2010年中國年際小時(shí)暴雨雨量和日值暴雨雨量距平百分率

圖6 1991-2000年中國年代際小時(shí)暴雨和日值暴雨雨日空間格局對比

圖7 2001-2010年中國年代際小時(shí)暴雨和日值暴雨雨日空間格局對比

暴雨雨日小時(shí)暴雨雨日日值暴雨雨日年代際暴雨雨日差異小時(shí)暴雨雨日年代際差異日值暴雨雨日年代際差異數(shù)據(jù)年代際差異等級小時(shí)暴雨雨日與日值暴雨雨日的年代際差異雨日等級/dABCD1990年代2000年代1990年代2000年代差異等級/dB-AD-C差異等級/dA-CB-D1990年代2000年代<158438875393899417<-2515621456<-252133482615～303989341430693375-25～-1515240-25～-15633118830～453275297025033309-15～-513710-15～-51557112545～602839210813471405-5～54839131-5～5962986860～751453186710429945～15685047105～153576657575～909791851159683715～258705412615～2536536794>907443745394709079>2579218993>2572357040

從年代際小時(shí)暴雨雨日和年代際日值暴雨雨日的對比來看(年代際小時(shí)暴雨雨日減去年代際日值暴雨雨日)，在中國西北內(nèi)陸地區(qū)對比變化不明顯，即小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的年代際暴雨雨日沒有明顯差別(圖6c,圖7c)。在中國黑龍江漠河至云南騰沖一線以東的地區(qū)，整體上以正值為主，負(fù)值為輔(圖6c,圖7c)，說明小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的年代際暴雨雨日整體上比日值暴雨雨日偏大。負(fù)值地區(qū)主要零散地分布在長江流域和東北的南部地區(qū)；正值地區(qū)主要集中在東北的北部、華北的東部和長江流域以南的大部分地區(qū)(圖6c,圖7c)。值得注意的是負(fù)值地區(qū)在2001-2010年相比1991-2000年在長江流域有較大的擴(kuò)張。不同地區(qū)之間的正負(fù)值的差異程度也加大。其中1991-2000和2001-2010年代際偏大超過5 d以上的格點(diǎn)數(shù)分別占總格點(diǎn)數(shù)的50.90%和71.82%(表2)；1991-2000和2001-2010年代際偏大超過25 d的格點(diǎn)數(shù)分別占總格點(diǎn)數(shù)的25.46%和24.77%；1991-2000和2001-2010年代際變化不明顯的等級，即集中在-5～5 d的格點(diǎn)數(shù)占總格點(diǎn)數(shù)的33.89%和3.05%；1991-2000和2001-2010年代際偏小的等級，即小于-5 d的格點(diǎn)數(shù)目占總格點(diǎn)數(shù)的15.21%和25.12%。

從小時(shí)暴雨雨日和日值暴雨雨日的年代際變化來看(2001-2010年的暴雨雨日減去1991-2000年的暴雨雨日)，在整體上日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨雨日的年代際的增加量具有很好的區(qū)域分異性，從東南沿海向西北內(nèi)陸遞減(圖8b,表2)。而小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)反映的暴雨雨日的年代際差異在全國整體上以增加為主(圖8a)，增加的幅度也是從東南沿海向西北內(nèi)陸遞減；而減少的區(qū)域主要集中在長江流域的中下游地區(qū)和廣西北部-貴州南部地區(qū)；因此，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨雨日的年代際變化具有相同的趨勢，但日值降水?dāng)?shù)據(jù)反映的暴雨雨日的年代際差異較為集中，破碎程度低(圖8b)，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)反映的暴雨雨日的年代際差異不集中，破碎程度高(圖8a)。

從年際時(shí)間變化來看，采用距平百分率的逐年變化，結(jié)果表明逐年的小時(shí)暴雨雨日和日值暴雨雨日的距平百分率的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.65(n=20，通過了0.01顯著性水平的檢驗(yàn))，說明小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨雨日具有很好的一致性，沒有較大差異。中國整體的小時(shí)暴雨雨日和日值暴雨雨日從1991-2010年在波動中呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(圖9)，尤其是2000年以來增加趨勢尤為顯著。小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨雨日距平百分率的線性擬合優(yōu)度(R2=0.62)比日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨雨日距平百分率的線性擬合優(yōu)度(R2=0.29)高，這說明小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨雨日的波動比日值降水?dāng)?shù)據(jù)小。

3 結(jié)論和討論

3.1 結(jié)論

綜上所述，中國的小時(shí)暴雨和日值暴雨的時(shí)空變化格局具有以下幾個特征。

(1)從年際和年代際上看中國的暴雨時(shí)空變化格局，在時(shí)間上，1991-2010年，中國小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨雨量和暴雨雨日在波動中呈現(xiàn)增加趨勢，且都能反映出降水異常的年份，但小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)更平穩(wěn)，波動小，日值降水?dāng)?shù)據(jù)波動大。在空間上，中國小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的年代際暴雨雨量和暴雨雨日具有明顯的一致的區(qū)域分異規(guī)律，但是小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)反映的年代際小時(shí)暴雨雨量和暴雨雨日更細(xì)致，即更加破碎。因此，在反映暴雨時(shí)空格局方面，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)沒有本質(zhì)上的差異。

(2)從小時(shí)暴雨和日值暴雨之間的年代際對比來看，在暴雨雨量上，用小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)的暴雨雨量減去日值降水?dāng)?shù)據(jù)的暴雨雨量，結(jié)果表明全國整體上以增加為主，減少為輔，減少的地區(qū)主要零散地分布在長江流域和東北北部地區(qū)，增加的地區(qū)的增加量從東南沿海向西北內(nèi)陸地區(qū)遞減，表明小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)在反映暴雨雨量的量級上有一定差別。在暴雨雨日上，具有與暴雨雨量類似的結(jié)論，但暴雨雨日減少的區(qū)域在1991-2000年較小，在2001-2010年較大。因此，在反映暴雨量級變化上小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)在不同地區(qū)具有不同程度的差異。

(3)從小時(shí)暴雨和日值暴雨各自的年代際對比來看，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨雨量和暴雨雨日的變化具有相同的趨勢，但日值降水?dāng)?shù)據(jù)反映的暴雨雨量和暴雨雨日的變化波動程度更大。在反映暴雨的年代際變化方面，小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和日值降水?dāng)?shù)據(jù)沒有較大的差異。

3.2 討論

1991-2010年中國暴雨的變化是在全球氣候變化大背景下，在人文因子和自然氣候因子兩者共同作用下的結(jié)果。不同時(shí)間分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)所反映的暴雨時(shí)空格局所具有的異同點(diǎn)是否在其它地區(qū)和年代具有類似的結(jié)論還需要進(jìn)一步探究，在以下幾個方面深化此研究是必要的。

(1)暴雨場次、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的研究。小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)雖然在一定程度上比日值降水?dāng)?shù)據(jù)精確了很多，但是其還是不能反映暴雨的場次變化。相比小時(shí)降水記錄而言，有些暴雨過程在十幾分鐘甚至幾分鐘內(nèi)完成，甚至在1 h內(nèi)間斷的發(fā)生多場暴雨事件。不同強(qiáng)度的暴雨具有不同時(shí)間變化特征，最強(qiáng)烈的暴雨強(qiáng)度往往集中在分鐘級的時(shí)間內(nèi)甚至更短的時(shí)間之內(nèi)，因此，暴雨強(qiáng)度的變化需要更加精細(xì)的數(shù)據(jù)。暴雨的持續(xù)時(shí)間也是暴雨重要的屬性，其長短在一定程度上決定著暴雨級別的大小，也會對城市內(nèi)澇和山區(qū)的滑坡泥石流產(chǎn)生重要影響。因此，還需要更高分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)對以上三個問題進(jìn)行深化。

(2)暴雨成分歸因研究。觀測揭示的中國暴雨顯著增加，是自然因子和人文因子共同作用的結(jié)果，其時(shí)空特征及機(jī)理需要進(jìn)一步通過高精度的區(qū)域氣候模式模擬驗(yàn)證。尤其是區(qū)分出暴雨中多大比例是自然因子作用的結(jié)果，多大比例是人文因子作用的結(jié)果。一方面在給定觀測的自然和人為強(qiáng)迫因子的條件下，合理再現(xiàn)和確認(rèn)大尺度區(qū)域小時(shí)暴雨年代際變化的穩(wěn)健信號；另一方面，通過模擬加深對人類活動影響暴雨的熱力、動力、云物理等過程的科學(xué)理解；尤其是以快速城鎮(zhèn)化為代表的人文因子在暴雨增加中所起的重要作用[6,28]。

(3)多尺度區(qū)域?qū)Ρ取Ｄ觌H和年代際暴雨的增加是中國的區(qū)域性現(xiàn)象，還是全球性現(xiàn)象？如在城市化發(fā)展速度較慢的歐洲和美國，暴雨也在增加，但是在城市化發(fā)展速度較快的印度和巴西，暴雨的顯著增加幅度遠(yuǎn)比歐美強(qiáng)。那么全球其它地區(qū)的暴雨增加具體表現(xiàn)如何？2014年全球已有54%的人口居住在城鎮(zhèn)[29]，非洲和亞洲到2020年分別有56%和64%的人口居住在城鎮(zhèn)。人類社會經(jīng)濟(jì)活動因素與自然氣候因素對這些地區(qū)暴雨的變化產(chǎn)生怎么樣的影響？仍然需要從全球和區(qū)域尺度上開展更深入的觀測和模擬研究，并需要從機(jī)理上進(jìn)一步探討。

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The Difference of the Spatio-temporal Pattern Variation of Heavy Rainfall in China from 1991 to 2010 based on the Daily Precipitation Dataset and Hourly Precipitation Dataset

KONG Feng1, 2, 3, 4, LYU Lili1, FANG Jian5, LIU Fan2, 3, 4, YING Zhuorong2, 3, 4, and GUO Jianping6

(1.ResearchCentreforStrategicDevelopment,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081,China; 2.StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 3.AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,MinistryofCivilAffairs&MinistryofEducation,Beijing100875,China; 4.KeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandNaturalDisasterofMinistryofEducation,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 5.SchoolofResourcesandEnvironmentalScience,WuhanUniversity,Wuhan430079,China; 6.InstituteofAtmosphericComposition,ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China)

WhetherthedailyprecipitationdatasetandhourlyprecipitationdatasetfromobservationcanreflectthespatiotemporalpatternsofheavyrainfallinChinawithconsistencyornot,whichneedtodeepenresearchheavyrainfallwithdifferenttemporalresolutionprecipitationdataset.Therefore,theprecipitationdatasetwithhightemporalresolutionisdesperatelyneededtoadvancetheresearchinthefieldoftheheavyrainfallinChina.Inthisresearch,hourlyheavyrainfallamountsandheavyrainfallhoursaswellasdailyheavyrainfallamountsanddailyheavyrainfalldaysarederivedasawholethroughChina,basedonthehourlyprecipitationdatasetanddailyprecipitationdatasetduringtheperiodof1991through2010.Resultsshowthatbothheavyrainfallamountsandheavyrainfalldaysfromthehourlyprecipitationdatasetanddailyprecipitationdatasetexhibitobviouslyconsistentincreasetrendsdespitesomefluctuationduringtheperiodinvestigated.However,heavyrainfallamountsandheavyrainfalldaysfromdailyprecipitationdatasetshowhigherfluctuationthanhourlyprecipitationdataset.Intheaspectsofthespatialpatternofdecadalheavyrainfall,hourlyprecipitationdatasetanddailyprecipitationdatasethavenosignificancedifference.However,hourlyprecipitationdatasetcanreflectmoredetailsoftheheavyrainfall.Intheaspectsofthespatialvariationofdecadalheavyrainfall,thedailyprecipitationdatasetandthehourlyprecipitationdatasethavegreatdifferences.DecadalheavyrainfallamountsandheavyrainfalldaysformthehourlyprecipitationdatasetislowerthandailyprecipitationdatasetinYangtzeRiverBasin,buthigherinotherregionswithvaryingdegrees.Decadalheavyrainfallamountsandheavyrainfalldayschangefromdailyprecipitationdatasetaswellashourlyprecipitationdatasetshowedthesametrend,buthourlyprecipitationdatareflectspatialdistributioncharacteristicsmorebroken.OurresultsshownthathourlyprecipitationdatasetanddailyprecipitationdatasetconsistreflectthespatialandtemporaldistributionofheavyrainfallinChina,butthereisabigdifferenceintheorderofmagnitude.AndthereisagreatdifferenceintheaspectsofChina’sheavyrainfallchanges.Appropriatedatasetshouldbechosenaccordingtoresearchpurpose.

dailyprecipitationdataset;hourlyprecipitationdataset;heavyrainfall;annual;decadal;spatiotemporalpatterns;China

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.013.]

2016-07-19

2016-08-29

中國博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目“基于時(shí)空變化分析的氣候變化對洪水災(zāi)害影響研究”(2015M582263)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金課題“氣候變化對長江流域洪水災(zāi)害影響研究”(2042016kf0067)；國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目“地表過程模型與模擬”(41621061)

孔鋒(1986-)，男，山西臨汾人，博士，主要研究方向?yàn)樽匀粸?zāi)害與極端降水. E-mail: kongfeng0824@foxmail.com

X43;P333.2

A

1000-811X(2017)01-0072-08

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.013

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