摘 要：本文采用全国584个台站1961年～2011年的逐日降水资料，将第95个百分位降水量定义为极端降水阈值讨论全国的极端降水的年与四季的空间分布和变化特征。同时将全国分为八个区域，讨论分析了51年来中国极端降水的年际变化特征。结果表明，在我国长江中下游地区以及华南地区极端降水的阈值及极端降水量较大。从长期年变化趋势来看，在我国西北、华南和长江中下游地区均呈上升趋势，在东北，华北和西南地区呈下降趋势。而从季节变化趋势上看，春季在我国北方呈上升趋势，南方呈下降趋势；夏季在我国总体呈现上升趋势，华北地区为下降趋势；秋季除西北地区极端降水量为增加趋势，其他地区为整体减弱趋势，在长江中下游地区与华南尤为明显；冬季降水最少，却呈现出整体增加的趋势。整体上看，全国极端降水量的变化为增加趋势。
关键词：阈值；极端降水；变化特征；空间分布；季节性
Analysis of Extreme Precipitation Characteristics Variation in China
Abstract
This paper analyzes the spatial distribution and the variation characteristics of extreme precipitation over the years and seasons based on the 95th precipitation as the extreme precipitation threshold of daily precipitation data from 584 stations all over china during 1961 to 2007.And the whole country is divided in to eight sub-regions’ series to analyze the characteristics of the 51 years of extreme precipitation changes in China. The results show that the threshold of extreme precipitation events and extreme precipitation in the Mid-low Reaches of Yangtze River and Southern China are higher. According to the long-term changing trend, an increasing trend is found in the Northwest China, Southern China and the Mid-low Reaches of Yangtze River, but decreasing trends in Northern Southwest China. And according to the seasonal changing trend, in the North of China shows an increasing trend in spring, but in North of China shows a decreasing trend; it shows an overall increasing trend summer except that Northern China is decreasing; in autumn, except that the extreme precipitation in northwest is obviously increasing, it shows an overall decreasing trend in spring and autumn, especially in the Mid-low Reaches of Yangtze River and Southern China; although there is the smallest amount of precipitation in winter, but the overall trend has been rising. On the whole, the variation of extreme precipitation in China is increasing.
Key words: Threshold; Extreme Precipitation; Variation Characteristics; Spatial Distribution; Seasonal
1引言
受全球变暖的影响，气候变化成为国际上的研究热点，对降水变化特征的研究是气候变化的一个重要研究领域。随着大气环流形势在20世纪70年代末的突变，亚洲与非洲的季风减弱且减弱形势延续至今[1]，造成我国华北地区降水有明显的减少，相反的，华南地区出现显著增多的情况，呈现出“南涝北旱”的状况[2]。
由于极端天气事件可能引发的自然灾害对于经济具有直接的影响作用，引起了大批研究人员的重视，因此与极端降水相关的研究随之迅速发展。根据江志红等[3]的统计结果，因全球气候变化及相关的极端天气事件所导致的经济损失，在过去的四十年中平均上升了十倍。并预估在未来我国的极端降水会有显著的增强，并出现两极分化的趋势，即南方极端降水增强的同时，北方干旱情况也随之加重。
目前国内外大部分关于我国极端降水事件的研究都集中于年和夏季，且大多研究的范围为某一特征区域，然而极端降水事件在各季节均具有明显的季节性和区域性的变化特征，在中国区域内的各个地区具有不同的空间分布特征和时间变化趋势。本文将通过翟盘茂等[4]的方法，计算我国51年来的年，四季降水量的第95个百分位降水量定义极端降水事件，进行时空变化特征的研究，并采用王遵娅等[6]在对我国进行气候分析的文献中的方法，以气候区将全国划为八个区域，并对各区域的极端降水量分为年总极端降水量和各季节极端降水量，进行年际变化的研究。从空间上的趋势变化和时间上的年际变化两个角度，来讨论我国的极端降水变化趋势。
2资料和方法
本文采用中国气象局国家气象信息中心提供的1951～2011年670个台站的逐日降水资料，资料选取时进行了质量控制，剔除在研究时间段内缺测数据较多的台站以及迁移的台站，最后选取了能够基本覆盖全国的584个站点，1961～2011年的逐日降水资料进行处理分析。
2.1数据统计方法
我国幅员面积广阔，具有多样的地形地貌，降水特征具有很强的区域性[5]，不能对极端降水事件的标准进行绝对的统一划定，必须用不同地区实际的降水量大小来划定。
2.1.1阈值计算方法
本文根据翟盘茂[4]对极端降水事件的定义方法，将1961年～2011年的逐年降水量中的湿日（日降水量≥0.1mm）降水量进行从小到大的排列，序列的第95个百分位所对应的值做51年的平均，将所得的平均值定义为极端降水事件的阈值[5], 当某站在某日的降水量超过了这一阈值时, 就把这次降水事件称之为极端降水事件。具体计算方法参照Bonsal等[7]在文献中使用的方法:
若某种气象要素值的数量为n, 将这n个值按从小到大的顺序排列为：X1,X2,…, Xm,…, Xn,某个值不大于Xm的概率为：P=(m-0.31)/(n+0.38)。其中: m为Xm所对应的序号;n为该气象要素值的总数。当P = 95%时，通过计算所求得的Xm值就是第95个百分位所对应的值，即极端降水阈值。
2.1.2趋势分析方法
本文采用的于分析趋势的方法为建立一元线性回归模型计算气候倾向率并进行显著性检验：
（1）建立一元线性回归模型
回归分析为统计模型的一种，是目前气象统计分析中用来求得若干变量之间统计联系关系的最常用的方法。利用回归分析计算气候倾向率的方法为：设某站某个气象要素时间序列为(i=1,2,3,…,n),为所对应的时间，建立与的一元线性回归方程：
.png)
其中：为常数；b为回归系数；与b可通过最小二乘法求得：
.png)
在天气学中，将b*10称为气候线性倾向率。ｂ所对应的值表示气象要素变量ｙ的线性倾向趋势的变化情况。b的绝对值大小表示变量ｙ在对应时间范围内上升或者下降的速度。本文所要研究的是极端降水量的变化趋势，则倾向率的单位为mm/10a（毫米每10年）。
(2)显著性检验
为了确定所求得的结果是否具有普遍意义，气象上常通过概率统计中的显著性检验来做判定。首先设定一个原假设，建立与之相关的统计量及其概率分布函数并进行一次抽样，将样本数据代入统计量，在已设定的显著水平下判断原假设是否可信。
本文建立的数据模型为一元线性回归方程，其显著性检验方法如下：
其中： 为回归平方和:
.png)
.png)
为残差平方和:
上式中统计量所遵从的是分子自由度为1，分母自由度为的分布。本文所设置的显著性检验水平均设置为10%（即是否通过90%信度检验）,通过查表得即为通过检验。
2.2分区方法与序列建立方法
本文采用王遵娅[6]在分析我国气候特征时的方法，按气候区将我国划分为八个区域：大致按照东部季风区与西北干旱/半干旱区的分界线（平均年总降水量为400 mm等值线），再利用107.5°E的经线，将全国分为东、西两个部分；东部再按照我国夏季风雨带的推进发展过程划分为四个区域。西南部，大致沿西藏与四川的交界线划分，并尽量使云南、贵州、四川三省包含在其中；西北部，根据西北地区降水变化的分界线（约位于102.5°E的经线）来划分(如图1)。
本文在计算全国以及各区在时间序列时，将各个区所有对应站点的年和四季极端降水量分别做逐年累加，再依据各个区的站点数量对累加值做算术平均，得到1961～2011年中国极端降水多年平均变化特征与分布情况。
图 1．全国区域划分示意图
1为东北区域；2为华北区域；3为长江中下游区域；4为华南区域；
5为青藏高原区域；6为西南区域；7为西北东区域；8西北西区域。
.png)
3中国区域极端降水事件的多年平均分布
1.1年极端降水事件的空间分布
3.1.1年极端降水事件的阈值分布
对各个站点的多年降水量求得阈值后，通过GRADS软件进行绘制（图2），可以看出我国极端降水事件的指数分布呈现出明显的南方多北方少,东部多西部少的梯级特征，这与我国年降水量的空间分布特征[9]基本一致。95百分位降水量在20mm的等值线与多年平均为400mm等降水量线基本一致，其西部为较为干旱的非季风区，东部为较为湿润的季风区。由此可以得出，我国的年极端降水阈值在西北西部最小，大部分地区都小于10mm，在新疆东部和青海西北部的部分地区甚至小于5mm，西北东部、青藏高原东部以及西南西北部地区为10～20mm；在东北大部分地区、河套地区以及西南地区大部分地区极端降水的阈值在20～30mm之间，四川盆地中部地区在30～35mm之间，云南北部局地达35～40mm，东北南部局地达40～45mm；华北地区大部与长江中下游大部分地区极端降水指数较大，其阈值多数集中在30～45mm之间，局部地区大于45mm。华南地区极端降水阈值最大，整体大于45mm，其中在海南省南部、广东省南部沿海与广西省南部沿海地区，出现了极端降水阈值达到55mm以上的情况，两广部分沿海地区甚至超过60mm。其空间分布特征与邹用昌等[9]在研究年极端降水过程频数时所用的90百分位降水量的分布情况基本一致。
.png)
图2．年极端降水事件的阈值分布(等值线单位:mm)
3.1.2年极端降水量多年平均分布
将各站点大于其年极端降水阈值的降水量进行累加后做多年平均，分析年极端降水量的多年平均分布，通过极端降水阈值的分布情况大致可以推出各地极端降水事件发生的降水强度情况。将年极端降水量多年平均与阈值分布对比进行分析，极端降水量的整体分布情况与其相应阈值分布基本吻合，极端降水量的最大值都是在华南沿海地区。但是在东北中部与南部部分地区与四川中部出现了极端降水量大的地区与极端阈值高的地区有所偏差的情况。
由于近年来我国的有降水日数呈现出整体减少趋势，在北方大部分地区极端降水频次也在明显减少[9]，但是在东北的中部与南部，降水量大于50mm的暴雨日数在增加[4]，意味着该地区出现极端降水频次高于其他地区，所以出现在该地区极端降水阈值虽然相对周围相比较小，极端降水量却比周围大的情况。
通过袁文德等[10]对西南地区的极端降水研究，可知在四川盆地中部的雅安地区，各项极端降水事件的指标值都达到了最大的情况，极端降水量的值和极端降水事件发生频次以雅安为中心向周围递减，且该地区极端降水强度的增加趋势也通过了较高的显著性检验水平，故在四川盆地形成极端降水量以雅安为中心递增的情况。
3.2各季节极端降水事件的空间分布
3.2.1各季节极端降水事件的阈值分布
从年极端降水阈值的分布可知，我国少雨地区和多雨地区极端降水事件发生的强度情况，但无法反映出不同季节的可比性，于是我们针对不同季节计算其相应的极端降水阈值，从而分析我国极端降水指数空间分布的季节性差异。将极端降水阈值的空间分布情况按照四季来看（如图3），各季节阈值的整体分布特征均呈现出与年相似的梯级分布情况。
夏季(b)分布特征与年分布特征最为一致，但由于夏季降水强度大，故极端阈值最高，在华南沿海出现的最高值高达90mm以上，有研究表明夏季的极端降水事件的频次最高分布在广东中部和广东西部沿海、珠江三角洲地区，以及广西东部一线[11]。可见极端降水阈值的分布情况与其频次的分布基本吻合。
春季(a)与秋季(c)的阈值分布较为相似，其区别在于东北地区、西北地区以及青藏高原地区，春季的极端降水指数值比秋季小了10mm量级，而在长江中下游地区和华南地区，春季极端降水阈值在40mm值的分布范围比秋季大了10mm量级，但是华南沿海地区出现的极值范围较秋季较春季更广，且其对应的阈值也更大。
冬季(d)虽也遵循东多西少、南多北少的分布特征，但却与其他季节有明显的不同。其极值并不出现在华南沿海地区，而是位于长江中下游的南部的江西东北部、安徽南部、浙江西部以及福建西北部的部分地区，其中江西东北部所占极值分布的空间比例最大。在青藏高原东侧的西南地区西部，也出现一大值区，该区域在其他季节相对其北部的指数的确会略大，但不明显。考虑到冬季存在整体降水较少的情况，该地区在冬季降水的极端指数的空间变化较周围十分明显。
.png)
图3．四季极端降水事件的阈值分布(等值线单位:mm)
(a)春；(b)夏；(c)秋；(d)冬。
3.2.2各季节极端降水量多年平均分布
通过对年极端降水量分布的研究分析，可知极端降水量的空间分布与其对应的阈值分布存在一定的差异，为了更加细致地并研究季节性特征，对应找出导致年差异的季节，本文将各个季节所对应的极端降水量进行累加分析。对比发现极端降水量的空间分布情况与其对应阈值分布在各个季节在整体上有较好的对应性，但是在夏季的西南地区出现了与年降水量分布（图3）相同的情况，即出现明显以雅安为中心的大值区域。夏季的极端降水量分布在西部与北部的少雨区都比较均匀，整个西北地区的夏季极端降水都在0～50mm，东北、华北西部、西北东的南部以、西南北部和青藏高原东部均在50～100mm。我国东部与南部的累积极端降水量分布较阈值分布也较均匀，主要集中在长江中下游地区和华南地区，华南沿海地区最大。
冬季的极端降水量分布情况与其阈值分布特征相似度最高，只是在长江中下游地区的大值区的分布范围较阈值大。春季与秋季在西部与北部的空间分布规律也基本相同，与其对应的阈值分布相似，秋季极端降水量大于春季，但是在西南东部和长江中下游北部，春季的极端降水量大于秋季，华南大部春季极端降水量也比秋季高30～60mm。秋季极端降水量的极大值出现在海南的南部地区，其值大于330mm，而海南在春季的极端降水量并没有突出表现，在春季大于240mm极大值的区域出现在广东中部地区及其西南沿海地区。
4中国极端降水量的变化趋势
4.1中国年极端降水量的变化趋势
为了对中国的极端降水事件在空间上的长期变化趋势进行分析，我们做出了1961～2011年584个站点极端降水量的线性变化趋势（图4），可知在我国西北部与东部的极端降水量变化均为增加趋势；其他地区有增有减，但以减小趋势为主。如图4所示，年极端降水量的年际变化趋势在我国的东北、华北、河套地区以及西南地区以负值为主，表示这些地区的极端降水量呈下降趋势，与陈海山所研究的极端降水事件频次的空间变化趋势相吻合[5]。其中，东北与西南地区平均下降趋势为5mm/10年，华北地区下降速度最快，最多超过20mm/10年，且在最大区域通过了90%的显著性检验。在我国的西北地区、青藏高原地区，长江中下游地区以及华南大部分地区为正值，说明这些地区的极端降水量呈上升趋势。其中在长江中下游地区上升趋势最为明显；华南虽以上升为主，在但其南部局地略有下降；西部地区由于本身降水量少，故其极端降水量每10年增加的幅度小于东部地区，但是在西北部通过的显著性检验的站点较多，有较强的可信度。
图 4．年极端降水量变化的线性趋势
(实线:增加,虚线:减少;等值线单位:mm/10a;阴影部分为通过90%显著性检验的区域,下同)
.png)
4.2中国各季节极端降水量的变化趋势
由于我国的气候类型以季风性气候为主，我国的降水特征与各项和季风相关的活动有着紧密的相系，而年极端降水量的变化趋势无法体现其影响特征，故列出各季节极端降水量的变化趋势（图5）进行分析。
将图中各季节极端降水量的变化趋势的空间分布进行对比，可以发现我国的西部地区的极端降水量不仅在年变化趋势（图4）中为正值，而且在四季都呈现出增加趋势。在我国的西部地区尤其是西北部，是我国降水最少的区域，但是在极端降水量以及各项极端降水指数的长期变化中均呈现出了上升的趋势[9]，并且大部分都通过了90%及以上的显著性检验，在未来对西部地区可能产生的影响需要加以关注。
不考虑西部地区，则在春季(a)与秋季(c)我国东部极端降水量年际变化均呈现出了明显的下降趋势，主要集中在长江中下游地区与华南地区。两个季节的变化趋势在西南的北部地区有所不同，春季(a)为弱的上升趋势，而在秋季(c)则以下降趋势为主。但是春季与秋季显著性检验在呈下降趋势的区域鲜有通过。
夏季(b)的极端降水量的长期变化趋势与年（图4）较为相似，在长江中下游地区及华南地区为上升趋势，其中在华南为正值的地区较年更多，除此之外在东北地区夏季的变化趋势为正值的地区相较于年变化图正值区域范围更广。
冬季(d)的极端降水量的长期变化为增长趋势，这与全球变暖的形势有着不可分的关系。由于冬季的降水对温度具有很强的敏感性[12]，所以随着温度上升，冬季的降水总体显著增加，极端降水也不例外。由于冬季降水少，极端降水量增加的百分比则为四季中最快的，这对冬季降水未来的发展所造成的气候上的影响有待深究。
图 5．四季极端降水量变化的线性趋势
(a)春；(b)夏；(c)秋；(d)冬。
.png)
5区域极端降水量的年际变化特征
5.1中国区域极端降水量的年际变化
在进行分区域研究前，首先做中国区域极端降水量的时间序列以得出整体的变化形势（如图6），其中包括了年与四个季节的极端降水量的时间序列。为了能够更加详细地对其进行分析，将年与四季极端降水量随时间变化的气候倾向率绘制为表1。结合图表可知，我国51年极端降水量总体为上升趋势。
如图6所示，极端降水量在中国区域以上升趋势为主，其中年极端降水量增长速度最快，春季和秋季的变化不明显。极端降水量从60年代起到80年代初期都较为平稳,从80年代中后期开始出现增减趋势,到90年代,出现了明显的波动，带动总体变化趋势。
如表1所示，仅秋季存在弱的下降趋势，但其未通过90%的信度检验，春季上升趋势缓慢，也未通过显著性检验。年、夏、冬均为明显的上升趋势，但是上升趋势最为明显的年并未通过信度检验，夏季与冬季的上升趋势均通过90%信度检验。
.png)
5.2八个区域极端降水量的年际变化
通过利用气候特征将我国分为八个区域，分别为东北、华北、长江中下游、华南、青藏高原、西南、西北东、西北西。总体结合可知，我国极端降水量的年际变化大概发生在70年代之后，区域上看在我国北部为西增东减，南部为东增西减的趋势；季节上看以秋季下降，其他季节上升为主。
各季节对应地区的年际波动都较为一致，尤其是夏季与春季，偶出现在年与各季节的极端降水突然增加而冬季突减的情况。西北西部地区从60年代到80年代前期缓慢增加，随后增加幅度增大，其他大多数区域的总体变化情况从80年代开始显现，70年代的变化形势都比较平稳。东北、华北、西北东和西南地区在60～70年代以及从90年代末期之后都出现了一定的下降形势，尤其是60年代初期到中期。其他地区除西北西部地区始终呈现出上升的状态，从60年代到80年代初期的都没有明显的变化。东北、长江中下游、青藏高原地区在80年代初期到中期出现了突增的情况，其他地区突增较为明显的时期集中在90年代中后期。
从年极端降水量进行整体分析可知，呈现出下降趋势的区域在我国的东北、华北、西南以及西北东地区，其中华北地区下降最快，并通过了显著性检验；西南地区虽有下降，但其倾向率绝对值小于1，变化不明显，未通过显著性检验；东北与西北东部区域下降趋势较为明显，但均未通过检验。呈现出上升趋势的区域在我国的华南、长江中下游、青藏高原以及西北西部地区，除了青藏高原的倾向率绝对值小于1，变化不明显且未通过显著性检验，其他三个正值地区在这51年的年极端降水量变化趋势均明显增加，总增加幅度大于四个呈负值的区域，且均通过了90%以上的信度检验。
从四季上看，春季位于北部的区域均为上升趋势，负值集中在南方,但是变化不明显，在春季通过显著性检验的地区只有青藏高原地区与西北西地区。对比八个区春季的倾向率，青藏高原地区上升速度最快，而该地区在其他季节的变化都较为平稳；夏季与秋季的负值区域较多，主要都集中在北方地区，但是在夏季负值的倾向率的绝对值小于值，且通过显著性的区域也少于正值区域，尤其在长江中下游地区，倾向率达11.09mm/10a并通过90%信度检验；秋季的变化并不明显，以下降趋势为主，而通过显著性检验的仅为西北西部的上升趋势；全国各个区域在冬季都呈现出了不同的上升趋势，上升最快的区域为长江中下游地区与华南地区，倾向率都大于3mm/10a，并在长江中下游地区通过了显著性检验，虽然其他地区上升较慢，但通过检验的地区较多，分别为东北、青藏高原、西北东与西北西。与其他季节相比，冬季所通过信度检验的地区最多。
6结论
本文利用覆盖全国的584个台站1961～2011年的逐日降水资料，将全国分为八个区域，主要从极端降水阈值和极端降水量两个指标，从各个季节讨论分析中国51年的极端降水时空变化特征。得到结果如下：
（1）我国极端降水事件的空间分布整体呈现为明显的南多北少,东多西少的梯级分布特征，同时伴有一定的季节性差异。其中，夏季的分布情况与年最为相似，出现大值的区域分布在西南地区、长江中下游地区以及华南地区；春季出现大值的区域集中在我国长江以南的地区；秋季大值区域集中于我国华南沿海一带；冬季在长江流域东部及南部极端降水阈值和极端降水量较大。春季、夏季、秋季极端降水阈值和极端降水量的极大值均分布在华南沿海地区，冬季则出现在长江中下游地区。
（2）我国极端降水量的总体变化为上升趋势，但其变化特征存在区域性与季节性差异。从各区域的整体变化趋势上看，我国的西北、青藏高原、华南和长江中下游为上升趋势；东北，华北和西南地区为下降趋势。从不同季节的变化趋势上看，仅西北地区的极端降水量各季节的变化趋势一致上升，其他地区均存在明显的季节性差异。春秋两季在我国的南部地区均呈现出整体减弱趋势，长江中下游地区与华南尤为明显，而我国的北部地区在春季表现为上升，秋季为下降；夏季，在我国北部地区呈现下降的趋势，南部上升趋势明显；冬季降水量最少，但其极端降水量的变化在各地区均呈现出明显的上升趋势。
（3）从年际变化来看,我国极端降水有明显变化出现的年代主要在80年代初期。极端降水量整体为下降趋势的地区大多从80年代起出现明显变化；总体为上升趋势的地区极端降水量的明显增加基本从90年代中期开始。
由于降水机制对全球变暖的响应受到诸多因素的影响，其中存在温度的直接影响，以及因大气环流形势的变化产生影响。考虑到对我国降水影响较大的因素还有东亚季风、西太平洋副热带高压、青藏高原地形等，研究各因子间产生变化的因果关系对降水的影响是非常复杂的[8]。本文仅从这51年的降水数据进行处理研究，只能了解目前的分布情况与趋势变化，从全球气候变化的角度上来看较为片面。若要得出更科学的结论来预测未来的走向，则需要运用更多的资料与方法进行气候模拟，进行更深入的研究。
参考文献
[1] 郭其蕴,蔡静宁,邵雪梅等.东亚夏季风的年代际变率对中国气候的影响[J].地理学报,2003,58(4): 569-576.
[2] 陈隆勋,周秀骥,李维亮等.中国近80年来气候变化特征及其形成机制[J].气象学报,2004,62(5):634～646
[3] 江志红,丁裕国,陈威霖.21世纪中国极端降水事件预估[J].气候变化研究进展,2007,3(4):202～207.
[4] 翟盘茂,潘晓华.中国北方近50年温度和降水极端事件变化[J].地理学报,2003,58(增刊):1～10.
[5] 陈海山. 中国近50a极端降水事件变化特征的季节性差异[C]// 中国气象学会年会. 2011.
[6] 王遵娅,丁一汇,何金海等.近50年来中国气候变化特征的再分析[J].气象学报，2004,62(2):228～236.
[7] Bonsal B R, Zhang X, Vincent L A,etal. Characteristic of daily and extreme temperature over Canada[J]. Climate,2001,14(9):1959～1976.
[8] 赖欣,范广洲,董一平,等.1961～2007年中国夏季极端降水变化特征分析[J].自然灾害学报,2011,20(增刊):179～187.
[9] 邹用昌,杨修群,孙旭光,等.我国极端降水过程频数时空变化的季节差异[J].南京大学学报(自然科学),2009,45(1):98～109.
[10]袁文德,郑江坤,董奎.1962～2012 年西南地区极端降水事件的时空变化特征[J].2014,36(4):765～772.
[11] 陆虹,何慧,陈思蓉.华南地区1961～2008年夏季极端降水频次的时空变化[J].生态学杂志,2010,29(6): 1213～1220.
[12] 孙建奇,敖娟.中国冬季降水和极端降水对变暖的响应[J]. 2013,58(8):674～679.