杜 懿，王大洋，阮俞理，莫崇勛，王大剛

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

0 引 言

降水結(jié)構(gòu)的變化對(duì)區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)有著極大的影響。為了揭示出我國(guó)近些年來(lái)不同地區(qū)降水結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化特征，許多學(xué)者針對(duì)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(wú)法體現(xiàn)出中國(guó)地區(qū)降水結(jié)構(gòu)的整體變化特性和趨勢(shì)，且所利用的實(shí)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)有限，研究結(jié)論對(duì)區(qū)域的代表性不強(qiáng)。為此，本文基于高分辨率的再分析降水?dāng)?shù)據(jù)集對(duì)整個(gè)中國(guó)地區(qū)近40年來(lái)的降水結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特征進(jìn)行分析研究。

1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的《中國(guó)區(qū)域地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集》(China Meteorological Forcing Dataset，CMFD)。該數(shù)據(jù)集是以國(guó)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(chǎng)，融合了中國(guó)氣象局常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)制作而成，其精度介于氣象局觀測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間，好于國(guó)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(fēng)速、向下短波輻射、向下長(zhǎng)波輻射和降水率等7個(gè)要素[7- 8]。數(shù)據(jù)集的時(shí)空分辨率分別為3 h和0.1°×0.1°，時(shí)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(guó)4季平均降水量變化過(guò)程

2 研究方法

本文從時(shí)間和空間兩個(gè)維度來(lái)對(duì)中國(guó)地區(qū)1979年～2018年的降水結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，主要集中在對(duì)降水量、降水集中度、極端降水的變化趨勢(shì)以及空間分布的研究上。具體的研究思路：通過(guò)計(jì)算歷年來(lái)中國(guó)區(qū)域各時(shí)間尺度的面平均降水量來(lái)分析降水變化的整體趨勢(shì)和空間分布；通過(guò)計(jì)算歷年汛期降水占全年降水總量的比例來(lái)分析中國(guó)區(qū)域整體降水集中度的變化情況；通過(guò)計(jì)算典型極端降水指數(shù)來(lái)分析中國(guó)區(qū)域歷年來(lái)發(fā)生極端降水的變化情況。

3 研究結(jié)果

3.1 時(shí)間尺度分析

在CMFD的降水要素中，中國(guó)地區(qū)共被劃分為620×358個(gè)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(lái)計(jì)算全國(guó)面平均降水量。圖1顯示的是1979年～2018年全國(guó)歷年面平均降水量的變化過(guò)程。

圖1 1979年～2018年全國(guó)年均面降水量變化過(guò)程

從圖1可以看出，近40年來(lái)全國(guó)年均面降水量呈現(xiàn)出較為顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)，大概每10年增加22 mm左右；趨勢(shì)擬合線表示的是每5年降水量的變化趨勢(shì)，可以看出年降水序列在年際間的波動(dòng)性較強(qiáng)，穩(wěn)定性較差。由于年均降水變化過(guò)程無(wú)法體現(xiàn)出降水在年內(nèi)的分配情況，圖2顯示的是中國(guó)地區(qū)歷年4季平均降水量變化過(guò)程。觀察發(fā)現(xiàn)，近40年來(lái)全國(guó)面平均降水量在各個(gè)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(dāng)，冬季增加較小。

為更為準(zhǔn)確地了解未來(lái)全國(guó)降水的發(fā)展趨勢(shì)，本文利用R/S法計(jì)算Hurst指數(shù)來(lái)判斷未來(lái)降水繼續(xù)增加的可能性大小。經(jīng)計(jì)算得到的1979年～2018年全國(guó)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(jiàn)表1)；Hurst指數(shù)持續(xù)性強(qiáng)度分級(jí)表見(jiàn)表2。根據(jù)計(jì)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(shì)的持續(xù)性強(qiáng)度。

表1 1979年～2018年全國(guó)年均降水和4個(gè)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(qiáng)度分級(jí)

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

此外，由于我國(guó)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(dǎo)致暴雨、洪澇等自然災(zāi)害。為了描述中國(guó)地區(qū)降水不均勻性的變化情況，本文計(jì)算出1979年～2018年全國(guó)汛期(5月～9月)平均降水量占全國(guó)年均降水總量的比例變化情況(見(jiàn)圖3)。

圖3 1979年～2018年全國(guó)汛期平均降水量占年降水總量的比例變化過(guò)程

從圖3可以看出，近40年來(lái)我國(guó)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(shì)。這表明我國(guó)的降水情況在年內(nèi)分配趨向均勻，但趨勢(shì)并不顯著。

圖4給出的是歷年來(lái)我國(guó)年內(nèi)最大一日點(diǎn)降水量大小的變化過(guò)程。該指數(shù)在一定程度上能夠用來(lái)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(dòng)平緩；進(jìn)入到21世紀(jì)，序列發(fā)生突增、波動(dòng)劇烈，表明我國(guó)降水結(jié)構(gòu)的極端性在增強(qiáng)，導(dǎo)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(guó)歷年最大一日點(diǎn)降水量變化過(guò)程

圖5顯示的是，1979年～2018年我國(guó)發(fā)生的不同等級(jí)降水事件總數(shù)的變化過(guò)程，等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表3?？梢?jiàn)，近40年來(lái)4種等級(jí)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(jí)降水事件增加趨勢(shì)較為一致，上升明顯；特大暴雨屬罕見(jiàn)極端事件，所以隨機(jī)性較強(qiáng)，對(duì)比圖4可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)序列的波動(dòng)情況相似度較高，說(shuō)明進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)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(guó)家氣象局的各降水等級(jí)24 h降水強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn) mm

3.2 空間尺度分析

時(shí)間尺度分析可以較好地描述出中國(guó)地區(qū)降水情況的一般性變化趨勢(shì)，但無(wú)法體現(xiàn)出各區(qū)域間的差異，以下對(duì)我國(guó)近40年來(lái)的降水結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間變化分析。為了盡量避免個(gè)別年份的偶然性對(duì)整體分析結(jié)果造成過(guò)大的影響，文中對(duì)原始降水信息進(jìn)行了平滑處理，主要是以每5年為步長(zhǎng)，將40年均分為8個(gè)時(shí)段。

結(jié)果顯示，近40年來(lái)我國(guó)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(lái)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(guò)1 500 mm，為降水濕潤(rùn)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(guò)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(shí)間方向來(lái)看，華東、華中和華南等地區(qū)近五年來(lái)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(shì)并不明顯。

圖6給出的是1979年～2018年以來(lái)8個(gè)時(shí)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。可以看出，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(shì)，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(lái)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(guó)不同等級(jí)降水事件發(fā)生次數(shù)變化過(guò)程

圖6 各時(shí)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(lái)中國(guó)各地大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨4種等級(jí)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(jí)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(duì)于大雨事件來(lái)說(shuō)，全國(guó)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(tái)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(dāng)?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(tái)灣、海南等地，內(nèi)陸發(fā)生的概率極小。

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

關(guān)于中國(guó)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(gè)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(guó)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?？偟膩?lái)看，東部地區(qū)近些年來(lái)極端降水強(qiáng)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(kāi)始出現(xiàn)極端降水情況，這在歷史上較為罕見(jiàn)，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(lái)我國(guó)各地各時(shí)段R25mm(通常用來(lái)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(lái)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(lái)我國(guó)各地區(qū)各時(shí)段內(nèi)R99(一般用來(lái)表征極端降水事件發(fā)生的強(qiáng)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(qiáng)度增加明顯。

4 結(jié) 論

(1)時(shí)間上，1979年～2018年以來(lái)，我國(guó)年均降水量增長(zhǎng)顯著，且未來(lái)很有可能繼續(xù)保持增加趨勢(shì)；從增長(zhǎng)率來(lái)看，夏季增幅最大，冬季最??；近40年來(lái)，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(zhǎng)趨勢(shì)較為一致。

(2)空間上，華東、華中和華南等地區(qū)近5年來(lái)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(tái)灣和海南；近5年來(lái)，華南和華東等地發(fā)生極端降水的頻率和強(qiáng)度均有所增大。