中國地區(qū)近40年降水結(jié)構(gòu)時空變化特征研究

杜 懿，王大洋，阮俞理，莫崇勛，王大剛

(1.中山大學地理科學與規(guī)劃學院，廣東 廣州 510275;2.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004)

0 引 言

降水結(jié)構(gòu)的變化對區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)有著極大的影響。為了揭示出我國近些年來不同地區(qū)降水結(jié)構(gòu)的時空變化特征，許多學者針對于某一特定區(qū)域做了大量研究[1- 6]；但由于研究范圍較小，無法體現(xiàn)出中國地區(qū)降水結(jié)構(gòu)的整體變化特性和趨勢，且所利用的實測站點數(shù)據(jù)有限，研究結(jié)論對區(qū)域的代表性不強。為此，本文基于高分辨率的再分析降水數(shù)據(jù)集對整個中國地區(qū)近40年來的降水結(jié)構(gòu)時空變化特征進行分析研究。

1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)來自于中國科學院青藏高原科學數(shù)據(jù)中心提供的《中國區(qū)域地面氣象要素數(shù)據(jù)集》(China Meteorological Forcing Dataset，CMFD)。該數(shù)據(jù)集是以國際上現(xiàn)有的Princeton再分析資料、TRMM降水資料、GLDAS資料、GEWEX-SRB輻射資料等為背景場，融合了中國氣象局常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)制作而成，其精度介于氣象局觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間，好于國際上已有的柵格化數(shù)據(jù)，共包含有近地面氣溫、地表氣壓、近地面空氣比濕、近地面全風速、向下短波輻射、向下長波輻射和降水率等7個要素[7- 8]。數(shù)據(jù)集的時空分辨率分別為3 h和0.1°×0.1°，時間范圍為1979年1月1日至2018年12月31日，空間覆蓋范圍為東經(jīng)70°～140°、北緯15°～55°。

圖2 1979年～2018年全國4季平均降水量變化過程

2 研究方法

本文從時間和空間兩個維度來對中國地區(qū)1979年～2018年的降水結(jié)構(gòu)變化進行分析，主要集中在對降水量、降水集中度、極端降水的變化趨勢以及空間分布的研究上。具體的研究思路：通過計算歷年來中國區(qū)域各時間尺度的面平均降水量來分析降水變化的整體趨勢和空間分布；通過計算歷年汛期降水占全年降水總量的比例來分析中國區(qū)域整體降水集中度的變化情況；通過計算典型極端降水指數(shù)來分析中國區(qū)域歷年來發(fā)生極端降水的變化情況。

3 研究結(jié)果

3.1 時間尺度分析

在CMFD的降水要素中，中國地區(qū)共被劃分為620×358個網(wǎng)格，由于各網(wǎng)格覆蓋面積相等，所以本文直接采用算數(shù)平均法來計算全國面平均降水量。圖1顯示的是1979年～2018年全國歷年面平均降水量的變化過程。

圖1 1979年～2018年全國年均面降水量變化過程

從圖1可以看出，近40年來全國年均面降水量呈現(xiàn)出較為顯著的增長趨勢，大概每10年增加22 mm左右；趨勢擬合線表示的是每5年降水量的變化趨勢，可以看出年降水序列在年際間的波動性較強，穩(wěn)定性較差。由于年均降水變化過程無法體現(xiàn)出降水在年內(nèi)的分配情況，圖2顯示的是中國地區(qū)歷年4季平均降水量變化過程。觀察發(fā)現(xiàn)，近40年來全國面平均降水量在各個季節(jié)均發(fā)生了不同程度的升高。其中，以夏季增加最為明顯，春、秋兩季增加幅度大致相當，冬季增加較小。

為更為準確地了解未來全國降水的發(fā)展趨勢，本文利用R/S法計算Hurst指數(shù)來判斷未來降水繼續(xù)增加的可能性大小。經(jīng)計算得到的1979年～2018年全國年均降水序列及春、夏、秋、冬4季平均降水序列的Hurst指數(shù)值(見表1)；Hurst指數(shù)持續(xù)性強度分級表見表2。根據(jù)計算得到的Hurst指數(shù)值，可以判斷出各降水序列保持增加趨勢的持續(xù)性強度。

表1 1979年～2018年全國年均降水和4個季節(jié)平均降水序列的Hurst指數(shù)值

表2 Hurst指數(shù)持續(xù)性強度分級

對照表2可以看出，未來全國年均降水量繼續(xù)增加的可能性極大，達到了最高可能強度；春、夏、秋、冬4季的平均降水量在未來均存在著不同程度的增加趨勢，持續(xù)性強度從高到低依次為秋季、夏季、春季和冬季。

此外，由于我國降水特性較為特殊，一般汛期降水量能夠占到全年降水總量的70%左右，降水年內(nèi)分配的不均容易導致暴雨、洪澇等自然災(zāi)害。為了描述中國地區(qū)降水不均勻性的變化情況，本文計算出1979年～2018年全國汛期(5月～9月)平均降水量占全國年均降水總量的比例變化情況(見圖3)。

圖3 1979年～2018年全國汛期平均降水量占年降水總量的比例變化過程

從圖3可以看出，近40年來我國汛期平均降水量占年均降水總量的比例呈現(xiàn)出微弱的減小趨勢。這表明我國的降水情況在年內(nèi)分配趨向均勻，但趨勢并不顯著。

圖4給出的是歷年來我國年內(nèi)最大一日點降水量大小的變化過程。該指數(shù)在一定程度上能夠用來描述區(qū)域極端降水情況。由此可以看出，在2000年之前序列大體穩(wěn)定，波動平緩；進入到21世紀，序列發(fā)生突增、波動劇烈，表明我國降水結(jié)構(gòu)的極端性在增強，導致這一現(xiàn)象的原因可能與全球氣候變暖、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展等有關(guān)。

圖4 1979年～2018年全國歷年最大一日點降水量變化過程

圖5顯示的是，1979年～2018年我國發(fā)生的不同等級降水事件總數(shù)的變化過程，等級劃分標準詳見表3?？梢姡?0年來4種等級的降水事件發(fā)生總數(shù)均有所增加，其中大雨、暴雨和大暴雨等級降水事件增加趨勢較為一致，上升明顯；特大暴雨屬罕見極端事件，所以隨機性較強，對比圖4可以發(fā)現(xiàn)，兩個序列的波動情況相似度較高，說明進入新世紀以來，我國極端天氣的發(fā)生有所增加，降水結(jié)構(gòu)越發(fā)不穩(wěn)定。

表3 國家氣象局的各降水等級24 h降水強度劃分標準 mm

3.2 空間尺度分析

時間尺度分析可以較好地描述出中國地區(qū)降水情況的一般性變化趨勢，但無法體現(xiàn)出各區(qū)域間的差異，以下對我國近40年來的降水結(jié)構(gòu)進行空間變化分析。為了盡量避免個別年份的偶然性對整體分析結(jié)果造成過大的影響，文中對原始降水信息進行了平滑處理，主要是以每5年為步長，將40年均分為8個時段。

結(jié)果顯示，近40年來我國降水的地理空間分布特征大體一致，主要表現(xiàn)為以秦嶺—淮河一線為界，南部地區(qū)降水豐沛，為富水區(qū)；北部地區(qū)降水稀少，為貧水區(qū)。從空間分布來看，華東、華中和華南等地為降水集中區(qū)，平均年降水量超過1 500 mm，為降水濕潤帶；西南、華北和東北等地年均降水量在500～1 000 mm之間，為降水過渡帶；西北地區(qū)年均降水量較小，一般低于500 mm，為降水干旱帶。從時間方向來看，華東、華中和華南等地區(qū)近五年來降水量增加顯著，為40年之最，尤其是兩廣及華東沿海等地；新疆西部、西藏南部以及東北東部等地區(qū)降水雖然也有所增加，但總體趨勢并不明顯。

圖6給出的是1979年～2018年以來8個時段內(nèi)的汛期平均降水占全年總降水比例的空間變化情況?？梢钥闯?，西南、西北以及東北等地的比例系數(shù)存在較為明顯的減小趨勢，尤其是青藏、新疆、云南、內(nèi)蒙古東北部等，表明以上地區(qū)的年內(nèi)降水越來越趨向均勻；而湘贛等地的比例系數(shù)有所增加，表明這些地區(qū)的年內(nèi)降水分配不均勻性有所增加。

圖5 1979年～2018年全國不同等級降水事件發(fā)生次數(shù)變化過程

圖6 各時段內(nèi)汛期降水占全年降水比例的空間分布

圖7顯示的是近40年以來中國各地大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨4種等級降水事件發(fā)生總次數(shù)的空間分布情況，由此可以看出，隨著降水事件等級的不斷升高，降水的空間覆蓋范圍逐漸由內(nèi)陸向沿海收縮。對于大雨事件來說，全國各地基本都有發(fā)生，且主要集中在華東和華南等地；暴雨事件很少發(fā)生在西北和青藏地區(qū)，主要集中在廣東、海南、臺灣、桂北以及鄂贛皖三省交界區(qū)域；大暴雨降水事件主要集中在沿海一帶，但內(nèi)陸部分地區(qū)也分布著小規(guī)模的大暴雨降水集中帶，可能與當?shù)靥厥獾牡匦螚l件等有關(guān)；而特大暴雨降水事件主要集中發(fā)生在臺灣、海南等地，內(nèi)陸發(fā)生的概率極小。

圖7 1979年～2018年全國各地發(fā)生不同等級降水事件次數(shù)的空間分布

關(guān)于中國地區(qū)極端降水變化情況的空間描述，本文主要選用了年內(nèi)最大一日降水量(RX1day)、日降水量大于或等于25 mm的總天數(shù)(R25mm)、日降水量大于降水序列第99個百分位的降水總量(R99)等極端降水指數(shù)。

分析結(jié)果表明，我國年內(nèi)最大一日降水量極值主要分布在華東和華南地區(qū)，但空間連續(xù)性較差，不同區(qū)域間極端降水情況差異性較大，很可能是由于地形因素的影響。總的來看，東部地區(qū)近些年來極端降水強度有所增加；值得注意的是，黑龍江北部地區(qū)在2009年～2013年間開始出現(xiàn)極端降水情況，這在歷史上較為罕見，很可能表明該地區(qū)的降水結(jié)構(gòu)在近些年內(nèi)發(fā)生了較大突變。

觀察近40年來我國各地各時段R25mm(通常用來描述極端降水事件發(fā)生的頻率)的空間分布變化可以看出，近5年來華東和華南地區(qū)發(fā)生極端降水事件的頻率明顯增加，尤其是贛北和閩北等地。

觀察近40年來我國各地區(qū)各時段內(nèi)R99(一般用來表征極端降水事件發(fā)生的強度)的空間分布變化情況，可以發(fā)現(xiàn)江蘇中部、安徽南部以及珠三角地區(qū)極端降水事件發(fā)生的強度增加明顯。

4 結(jié) 論

(1)時間上，1979年～2018年以來，我國年均降水量增長顯著，且未來很有可能繼續(xù)保持增加趨勢；從增長率來看，夏季增幅最大，冬季最??；近40年來，大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨等降水事件的發(fā)生頻次均有明顯上升，且大雨、暴雨和大暴雨的增長趨勢較為一致。

(2)空間上，華東、華中和華南等地區(qū)近5年來降水量增加顯著；西南、西北以及東北等區(qū)域的年內(nèi)降水不均勻性有所減??；大雨降水事件集中發(fā)生在華東和華南等地，而特大暴雨降水事件主要發(fā)生在臺灣和海南；近5年來，華南和華東等地發(fā)生極端降水的頻率和強度均有所增大。