西南地區(qū)極端降水變化特征分析

汪靖 張少波 袁利平

（1 成都信息工程大學(xué) 高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610225； 2 貢山縣氣象局，怒江 673500；3 怒江州氣象局，怒江 673200）

0 引言

在全球氣候變暖的大背景下，我國(guó)整體上極端降水事件呈現(xiàn)出了不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。全球地表溫度的升高也可以改變海陸熱力差異，使大尺度環(huán)流的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，加速全球水循環(huán)，從而影響降水以及強(qiáng)降水的空間分布，帶來(lái)更多的平均降水和極端降水事件。極端降水時(shí)間尺度小、強(qiáng)度大的特征，給水利工程和氣象防災(zāi)減災(zāi)帶來(lái)很大的壓力。目前對(duì)極端降水的研究主要以全球、國(guó)家和區(qū)域?yàn)橹?，在我?guó)也多以全國(guó)或省份以及江河流域?yàn)閱挝弧?/p>

對(duì)于西南地區(qū)極端降水的變化特征，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了深入的分析。王春學(xué)等、袁文德等和丁文榮等一致得到極端降水事件整體呈上升趨勢(shì)。陳活潑利用國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃第五階段（CMIP5）模式對(duì)我國(guó)極端降水和東亞大氣環(huán)流未來(lái)演變特征進(jìn)行了預(yù)估，得出21世紀(jì)末我國(guó)極端降水的頻率和強(qiáng)度有增加和增強(qiáng)的趨勢(shì)。對(duì)于具體省份的研究，楊曉靜等對(duì)云南省極端降水特征的分析中表明，云南省極端降水量有顯著的增加趨勢(shì)。綜上得到一個(gè)較為一致的觀點(diǎn)是，在近幾十年來(lái)我國(guó)西南地區(qū)的極端降水趨于增長(zhǎng)，并且頻次增多、強(qiáng)度增強(qiáng)。

在全球變暖背景下，研究者對(duì)溫度和降水的關(guān)注度也越來(lái)越高。對(duì)于氣溫和降水的相關(guān)性，Wentz等和Lenderink等的研究都表明溫度升高會(huì)增加大氣中的飽和水汽壓，增強(qiáng)大氣持水力。而 Allan等的研究表明，在高溫條件下極端降水事件的發(fā)生頻率會(huì)比溫度較低時(shí)更高。Xiao等對(duì)我國(guó)極端降水變率與溫度的相應(yīng)關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)，氣溫的上升會(huì)增加極端降水事件的概率。

本研究包括四川、云南、貴州和重慶三省一市在內(nèi)的我國(guó)的西南地區(qū)，該地區(qū)西北接壤青藏高原，南部是孟加拉灣和南海，境內(nèi)包括橫斷山脈、高原、丘陵、盆地等不同地貌，地形十分復(fù)雜，海拔落差大，局地因子影響很大，是一個(gè)典型的氣候多變區(qū)。本文針對(duì)西南地區(qū)極端降水的變化趨勢(shì)做分析，并考慮其與氣溫的相關(guān)性。通過(guò)研究加深對(duì)氣候變化及其影響的認(rèn)識(shí)，從而有利于政府有效開(kāi)展防澇、抗旱、水利設(shè)施建設(shè)等工作。

1 數(shù)據(jù)和研究方法

觀測(cè)資料來(lái)源于中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）中1951—2017年國(guó)家級(jí)地面站點(diǎn)的逐日降水、日間和夜間降水資料以及逐日的氣溫和最高最低氣溫資料?？紤]到缺測(cè)及臺(tái)站搬遷所造成的觀測(cè)資料的不完整性，選取了西南范圍內(nèi)的122個(gè)站點(diǎn)，對(duì)1971—2017年這47年的降水和溫度資料進(jìn)行研究與分析。

極端降水的定義采用的是百分位閾值法，將1971—2000年各站點(diǎn)每次降水過(guò)程的降水量序列升序排序，把第95個(gè)百分位值定義為極端降水事件的閾值，當(dāng)某站點(diǎn)某次降水過(guò)程的降水量大于該站點(diǎn)的閾值，就把此次降水記為一次極端降水過(guò)程。

極端降水指數(shù)有多種定義，根據(jù)實(shí)際情況，本文通過(guò)對(duì)逐日降水的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)得出以下6個(gè)極端降水指數(shù)（表1）。

表1 極端降水指數(shù)及其定義 Table1 Extreme precipitation index and its definition

2 西南地區(qū)夏季降水的變化特征

2.1 夏季總降水量的空間分布和變化趨勢(shì)

圖1為1971—2017年西南地區(qū)夏季總降水量及其趨勢(shì)變化的空間分布。圖1a為20時(shí)—次日20時(shí)降水的空間分布，可看出四川盆地降水量最大，貴州和云南兩省的總降水量都有明顯的由北向南遞增趨勢(shì)。圖1b和1c分別為日間降水與夜間降水的空間分布，可看出在整個(gè)西南地區(qū)夜間降水明顯大于日間。

圖1 1971—2017年夏季總降水量的空間分布和變化趨勢(shì) （a）全天降水，（b）日間降水，（c）夜間降水，（d）全天降水的趨勢(shì)變化，（e）日間降水的趨勢(shì)變化，（f）夜間降水的趨勢(shì)變化 Fig. 1 Spatial distribution and trend change of total precipitation in summer from 1971 to 2017 (a) daily precipitation, (b) daytime precipitation, (c) nighttime precipitation, (d) daily precipitation trend change, (e) daytime precipitation trend change, (f) nighttime precipitation trend change

圖1d、1e和1f分別為全天、日間及夜間降水變化趨勢(shì)的空間分布情況。其中不同大小的圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同程度的變化趨勢(shì)，紅色表示增長(zhǎng)，藍(lán)色表示下降。圖1d為20時(shí)—次日20時(shí)的總降水，整個(gè)西南地區(qū)約60%的站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，40%的站點(diǎn)呈上升趨勢(shì)。日間降水有更明顯的下降趨勢(shì)，約63%的站點(diǎn)下降，37%的站點(diǎn)上升。夜間降水上升與下降的站點(diǎn)數(shù)基本持平，分別約為49%和51%（圖1f）?？傮w來(lái)看下降趨勢(shì)的站點(diǎn)多于上升趨勢(shì)的站點(diǎn)，說(shuō)明西南地區(qū)的夏季總降水量在近47年來(lái)呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，并且夜間降水的下降趨勢(shì)更為明顯。

2.2 極端降水量的空間分布和變化趨勢(shì)

圖2為1971—2017年西南地區(qū)第95百分位閾值的極端降水量空間分布和趨勢(shì)變化。圖2a為20時(shí)—次日20時(shí)極端降水量（tr95）的空間分布，可看到西南地區(qū)東部的極端降水量要明顯大于西部，西部的極端降水量基本在140 mm左右，而東部大部分站點(diǎn)的極端降水量在200～260 mm。圖2b和2c分別為日間和夜間的極端降水量，可明顯看到夜間的極端降水量大于日間。圖2d為20時(shí)—次日20時(shí)極端降水量的變化趨勢(shì)，其中約66%的站點(diǎn)為增長(zhǎng)趨勢(shì)，34%的站點(diǎn)為減小趨勢(shì)。空間分布上看出川東以及貴州大部分地區(qū)都呈明顯增長(zhǎng)的趨勢(shì)。川西一帶也呈現(xiàn)出較為一致的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度較小。圖2e為日間極端降水的變化趨勢(shì)，約有60%的站點(diǎn)增加，40%的站點(diǎn)減小。圖2f為夜間極端降水的變化趨勢(shì)，約65%的站點(diǎn)增加，僅35%的站點(diǎn)減小。說(shuō)明西南地區(qū)的極端降水在不斷上升，并且夜間的極端降水占總降水的比重越來(lái)越大。由此看來(lái)，西南地區(qū)近47年來(lái)夏季總降水量呈減小趨勢(shì)，而極端降水量卻與之相反，呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。

圖2 1971—2017年極端降水量的空間分布和變化趨勢(shì) （a）全天降水，（b）日間降水，（c）夜間降水，（d）全天降水的趨勢(shì)變化，（e）日間降水的趨勢(shì)變化，（f）夜間降水的趨勢(shì)變化 Fig. 2 Spatial distribution and trend of extreme precipitation from 1971 to 2017 (a) daily precipitation, (b) daytime precipitation, (c) nighttime precipitation, (d) daily precipitation trend change, (e) daytime precipitation trend change, (f) nighttime precipitation trend change

3 極端降水指數(shù)的總體特征

3.1 極端降水指數(shù)的空間分布

圖3為1971—2017年西南地區(qū)各極端降水指數(shù)平均值的空間分布。圖3a為極端降水日數(shù)（nd95），西南地區(qū)約78%的站點(diǎn)都在4～5 d，只有22%的站點(diǎn)在4 d以下。總體來(lái)看西南地區(qū)東北部的極端降水日數(shù)明顯小于其他地區(qū)。但從圖3b的極端降水量（tr95）來(lái)看，在整個(gè)西南地區(qū)，東部的極端降水量要大于西部。對(duì)比發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)的東部極端降水頻次少、強(qiáng)度大，西部極端降水頻次多、強(qiáng)度小。圖3c，1 d最大降水量（rmax）的特征也是西部小于東部。圖3d為5 d最大降水量 （r5max），與1 d最大降水有相似的特征。圖3e表明，在我國(guó)西南地區(qū)，極端降水比率（tr95pct）的空間分布呈現(xiàn)出東部較大西部較小的趨勢(shì)。盆地地區(qū)最大，極端降水占年總降水量的35%甚至更高。重慶貴州一帶極端降水比率也比較高，約在30%～35%。圖3f為年極端降水量與極端降水日數(shù)的比值（tr95str）。從空間分布上看西南的東部地區(qū)明顯大于西部地區(qū)，四川盆地及川東北的極端降水強(qiáng)度最大，在90～120 mm/d。

圖3 1971—2017年各極端降水指數(shù)的空間分布 （a）極端降水日數(shù)，（b）極端降水量，（c）1 d最大降水，（d）5 d最大降水，（e）極端降水比率，（f）極端降水強(qiáng)度 Fig. 3 Spatial distribution of extreme precipitation indexes from 1971 to 2017 (a) days of extreme precipitation, (b) amount of extreme precipitation, (c) maximum precipitation in 1 d, (d) maximum precipitation in 5 d, (e) extreme precipitation ratio, (f) extreme precipitation intensity

綜合多個(gè)極端降水指數(shù)來(lái)看，我國(guó)西南地區(qū)西部極端降水的頻次高而極端降水量低，西南地區(qū)東部極端降水的頻次低而極端降水量高，即東部的極端降水強(qiáng)度要明顯大于西部。

3.2 極端降水指數(shù)的變化趨勢(shì)

如圖4，圖4a為極端降水日數(shù)（nd95）變化趨勢(shì)的空間分布，約有63%的站點(diǎn)呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，37%的站點(diǎn)為減小趨勢(shì)。從空間分布上看，整個(gè)西南呈現(xiàn)出西部增長(zhǎng)而東部減小的趨勢(shì)。圖4b為1 d最大降水量（rmax）變化趨勢(shì)的空間分布，約有65%的站點(diǎn)呈現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì)，35%的站點(diǎn)為減小趨勢(shì)。貴州南部一帶增長(zhǎng)明顯，另外，雖然增長(zhǎng)幅度不大，但在川西一帶有較為一致的上升趨勢(shì)。圖4c為5 d最大降水量（r5max），與1 d最大降水量呈現(xiàn)出基本一致的趨勢(shì)。川西一帶的站點(diǎn)為增大趨勢(shì)。貴州和云南兩省大部分站點(diǎn)都為減小趨勢(shì)，但減小趨勢(shì)并不顯著。圖4d為西南地區(qū)極端降水強(qiáng)度（tr95str）變化趨勢(shì)的空間分布圖，約60%的站點(diǎn)為上升趨勢(shì)，40%為減小趨勢(shì)。從整體上看，處于西南東部的重慶和貴州上升趨勢(shì)最為明顯。圖4e為極端降水比率（tr95pct）變化趨勢(shì)的空間分布，約有71%的站點(diǎn)呈上升趨勢(shì)，28%的站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)。

圖4 1971—2017年各極端降水指數(shù)的變化趨勢(shì) （a）極端降水日數(shù)，（b）1 d最大降水，（c）5 d最大降水，（d）極端降水強(qiáng)度，（e）極端降水比率 Fig. 4 Trend change of extreme precipitation indexes from 1971 to 2017 (a) days of extreme precipitation, (b) maximum precipitation in 1 d, (c) maximum precipitation in 5 d, (d) extreme precipitation intensity, (e) extreme precipitation ratio

通過(guò)對(duì)西南地區(qū)總降水量和多個(gè)極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)的分析可以看到，近47年來(lái)西南地區(qū)夏季總降水量呈減小趨勢(shì)，下降趨勢(shì)的站點(diǎn)中約有86%，而極端降水卻出現(xiàn)了增加趨勢(shì)，極端降水日數(shù)、極端降水量以及極端降水強(qiáng)度等指數(shù)都呈現(xiàn)出了不同程度的上升趨勢(shì)，說(shuō)明極端降水發(fā)生的頻次和強(qiáng)度都有明顯增大的趨勢(shì)，造成的結(jié)果為降水發(fā)生的更集中、時(shí)間更短、強(qiáng)度更大。

4 極端降水與氣溫的相關(guān)性

在全球變暖的背景下，極端降水相對(duì)于平均降水對(duì)氣候變化的響應(yīng)更加顯著，并且極端降水與溫度的關(guān)系也較為密切，因此溫度和極端降水的關(guān)系越來(lái)越受到大家的關(guān)注，而近年來(lái)我國(guó)大部分地區(qū)的夏季平均溫度呈上升或顯著上升的趨勢(shì)。不同區(qū)域的氣候特征都有著明顯差異，因而不同區(qū)域的極端降水量與其溫度的相關(guān)性也并不都是一致的。我國(guó)西南地區(qū)處于內(nèi)陸，地形復(fù)雜多變，降水和其他氣象要素受諸多因素影響，因此更值得研究和探討。

4.1 極端降水與日平均氣溫的相關(guān)性

圖5為西南地區(qū)不同時(shí)次多個(gè)閾值的降水極值與日平均氣溫的相關(guān)性曲線。將不同閾值的降水量與發(fā)生降水時(shí)對(duì)應(yīng)的氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，細(xì)化為極小的溫度區(qū)間后將氣溫和降水分別求平均，再連成一條幾近平滑的曲線。圖5a為20時(shí)—次日20時(shí)不同閾值的降水極值，可看出95、90、80和70百分位閾值內(nèi)的降水在一定的溫度范圍內(nèi)均呈現(xiàn)出了一致的上升趨勢(shì)，二者呈正相關(guān)關(guān)系，但在超過(guò)這個(gè)溫度范圍以后極端降水量則隨著溫度的上升而下降，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。08—20時(shí)的日間降水與20時(shí)—次日08時(shí)的夜間降水也出現(xiàn)了同樣的轉(zhuǎn)折。在極端降水量與溫度值呈正相關(guān)關(guān)系時(shí)，95百分位閾值的降水量隨溫度的升高增長(zhǎng)最快，90、80和70百分位閾值降水的斜率依次遞減，說(shuō)明極端降水量隨溫度的升高會(huì)有更為顯著的增加，而當(dāng)超過(guò)這個(gè)溫度范圍則出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，隨溫度的升高而迅速減小。從不同時(shí)段比較來(lái)看，夜間的極端降水量要大于日間，這說(shuō)明夜間發(fā)生的極端降水事件強(qiáng)度更強(qiáng)。

圖5 極端降水量與日平均氣溫關(guān)系折線圖 （a）全天降水，（b）日間降水，（c）夜間降水 Fig. 5 Correlation between extreme precipitation and daily mean temperature (a) daily precipitation, (b) daytime precipitation, (c) nighttime precipitation

4.2 極端降水與氣溫相關(guān)性的空間分布

圖6為極端降水量與氣溫相關(guān)性的空間分布。圖6a中為20時(shí)—次日20時(shí)的極端降水量，西南地區(qū)約有28%的站點(diǎn)呈正相關(guān)關(guān)系，即溫度越高極端降水量越大，約72%的站點(diǎn)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖6b為08—20時(shí)的日間降水與日最高氣溫的相關(guān)性空間分布，約有48%的站點(diǎn)為正相關(guān)關(guān)系，約52%的站點(diǎn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖6c中為20—次日08時(shí)的夜間降水與日最低氣溫相關(guān)性的空間分布，其中約56%的站點(diǎn)呈正相關(guān)關(guān)系，約44%的站點(diǎn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖6 極端降水與氣溫相關(guān)系數(shù)的空間分布 （a）全天降水，（b）日間降水，（c）夜間降水 Fig. 6 Spatial distribution of the correlation between extreme precipitation and temperature (a) daily precipitation, (b) daytime precipitation, (c) nighttime precipitation

對(duì)比3個(gè)時(shí)次范圍內(nèi)的降水與氣溫的相關(guān)性，夜間約56%的站點(diǎn)極端降水與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，而20—次日20時(shí)的站點(diǎn)則僅有28%的站點(diǎn)呈正相關(guān)關(guān)系，氣溫較低的夜間極端降水量隨氣溫的上升而增加的趨勢(shì)較20—次日20時(shí)要明顯得多，說(shuō)明當(dāng)極端降水發(fā)生時(shí)，氣溫越低降水量隨溫度上升而增加的趨勢(shì)越明顯。而日間有52%的站點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，20—次日20時(shí)有72%的站點(diǎn)為負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。這反映了極端降水與氣溫的正相關(guān)性?xún)H維持在溫度較低的條件下，溫度越低，正相關(guān)關(guān)系越明顯，極端降水隨溫度的升高而增加；溫度越高時(shí)負(fù)相關(guān)關(guān)系則越顯著，極端降水量隨溫度的升高而減少的趨勢(shì)也就越明顯。與上文的研究相對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了西南地區(qū)溫度的上升雖然增加了大氣的飽和水汽壓，大氣的持水力增強(qiáng)，降水量增加，但當(dāng)溫度超過(guò)一定的范圍之后則會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，極端降水量與溫度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4.3 極端降水與夏季平均氣溫的相關(guān)性

根據(jù)克勞修斯?克拉伯龍（Clausius-Clapyyeron）方程，極端降水量隨氣溫而增加的變化率約為（6.0%～7.0%）/℃。同時(shí)根據(jù)歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)和氣候模擬結(jié)果表明，全球大尺度下的極端降水變化率接近或高于7%/℃。而我國(guó)整體上因平均氣溫上升的極端降水變化率為（6.4%/℃），接近C-C方程的理論解。但是由于不同地區(qū)地勢(shì)地形差異較大，受季風(fēng)影響情況不同，極端降水隨溫度的變化與C-C方程的適應(yīng)性會(huì)有所不同。尤其在我國(guó)西南地區(qū)，地形地貌復(fù)雜，海拔較高，有諸多因素影響降水。而西南地區(qū)的極端降水又多發(fā)生在夏季，因此做了極端降水與夏季平均氣溫的相關(guān)性分析以探討氣溫的上升對(duì)西南地區(qū)極端降水的影響。

圖7為3個(gè)不同時(shí)次的極端降水量與夏季平均氣溫的散點(diǎn)圖，并做了線性擬合來(lái)研究二者的相關(guān)性。通過(guò)公式

R

=

R

×(1+

P

)△

t

來(lái)計(jì)算極端降水的變化率，其中：

R

為第一個(gè)溫度值對(duì)應(yīng)的降水量（mm）；

R

為第二個(gè)溫度值對(duì)應(yīng)的降水量（mm）；

P

為極端降水變化率（%/℃）；△

t

為溫度差（℃）?？煽闯?個(gè)時(shí)次的極端降水主要集中在16～30 ℃，隨平均氣溫的升高而呈現(xiàn)出了一致的增加趨勢(shì)。其中20—20時(shí)的降水與氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了5.14，在16～30 ℃范圍內(nèi)，計(jì)算得出極端降水的變化率為8.52%/℃；08—20時(shí)的相關(guān)系數(shù)為3.51，極端降水的變化率為9.21%/℃；20—08時(shí)的相關(guān)系數(shù)為4.16，極端降水的變化率為8.19%/℃，所得結(jié)果都超出了C-C方程的理論解?？赡茉?yàn)槲髂系貐^(qū)受季風(fēng)影響顯著，東亞夏季風(fēng)年代際尺度上的變化和西太平洋副熱帶高壓的年代際位置變化，對(duì)整個(gè)區(qū)域氣候產(chǎn)生顯著影響，其中海溫異常變化是影響西南地區(qū)氣候變化的間接原因。在地形上，西南地區(qū)是世界上地形最復(fù)雜的地區(qū)之一，地理海拔變化是影響西南地區(qū)極端降水變化的直接原因。西南地區(qū)受到季風(fēng)和地形顯著影響，其極端降水隨溫度升高的變化率大于C-C方程的理論解。

圖7 極端降水量與夏季平均氣溫的散點(diǎn)圖 （a）全天降水，（b）日間降水，（c）夜間降水 Fig. 7 Scatter plot of extreme precipitation and summer mean temperature (a) daily precipitation, (b) daytime precipitation, (c) nighttime precipitation

5 結(jié)論

此次研究采用了多個(gè)極端降水指數(shù)對(duì)1971—2017年間西南地區(qū)的122個(gè)臺(tái)站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)與氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了分析與討論。得出了以下結(jié)論。

1）從時(shí)間上看，近47年來(lái)我國(guó)西南地區(qū)的總降水量呈下降趨勢(shì)，但極端降水的頻次和強(qiáng)度卻有顯著的增加，降水趨于集中，并且強(qiáng)度更強(qiáng)、時(shí)間更短。從空間上看，夏季總降水量西南地區(qū)的東部要大于西部。西部地區(qū)極端降水日數(shù)多，但極端降水量小，東部的極端降水日數(shù)少而降水量大。極端降水的比率和強(qiáng)度也都出現(xiàn)了與之對(duì)應(yīng)的結(jié)果，西南地區(qū)東部的極端降水比率和強(qiáng)度都大于西部。

2）對(duì)于夏季平均氣溫與極端降水量的關(guān)系，二者在16～30℃呈現(xiàn)出一個(gè)較為平穩(wěn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)，反映夏季平均氣溫的升高會(huì)導(dǎo)致極端降水量的增加，但在日平均氣溫與極端降水的關(guān)系中卻表明僅靠溫度的升高無(wú)法保證極端降水量的穩(wěn)定增加。反映了西南地區(qū)的極端降水伴隨溫度的升高有更多不確定性的同時(shí)極端降水又趨于一個(gè)頻次更高、時(shí)間更短、強(qiáng)度更強(qiáng)的趨勢(shì)發(fā)展。

3）我國(guó)西南地區(qū)的極端降水量隨夏季平均氣溫升高而穩(wěn)定增加，全天的極端降水變化率為8.52%/℃，日間極端降水隨溫度的變化率為9.21%/℃，夜間極端降水隨溫度的變化率為8.19%/℃，大于C-C方程的理論解。