华南强降雨频次时空分布

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1引言

近年来，气候变暖背景下，极端强降水事件造成的灾害越来越大，引起普遍关注，很多科学家对极端强降水事件的强度和频率变化特征进行了研究。Zhai等[1]研究了中国极端强降水50年来的变化趋势，发现在我国西部地区、长江流域和东南沿海地区有上升趋势，而华北和四川盆地有显著减弱的趋势；一些研究发现，最近50年，我国华北地区的年降水量明显趋于减少[2－3]，在年降水量趋向减少的地区，极端强降水事件频率一般也趋于减少[4]；杨金虎等[5]发现西北地区6个分区近45年逐年汛期极端强降水事件的发生频次变化趋势各不相同，其中北疆区、南疆区、青海高原区及河套区表现为较明显的增长趋势；邹用昌等[6]研究发现，长江中下游、西北地区北部和西南地区西部年极端强降水过程频数呈现趋势性增加，华北等地区呈现趋势性减少；闵屾等[7]发现：长江以南地区夏季极端强降水的区域性与持续性均较好，容易导致区域性洪涝灾害的发生，而东南沿海冬季极端强降水的区域性与持续性均较好。华南处于对气候变化敏感的南海季风区，下垫面类型复杂多样，海-陆-气交换强烈，极端强降水频繁。近年来，华南地区由极端强降水造成的洪涝灾害频繁发生，造成了严重的经济损失，因此分析研究华南极端强降水的时空分布特征、发生频率和强度的变化，对灾害防御和应急管理具有非常重要的意义。目前已有许多关于华南地区降水的研究[8－13]，但这些研究多集中在降水气候平均态的变化方面，对极端强降水事件的分布特征及其变化研究较少。本文利用华南地区近50年的逐日降水资料，研究其极端强降水频次时空分布特征和变化趋势，以期为华南地区极端强降水预测和影响评估、降低极端强降水造成的损失提供参考依据。

2资料和方法

所用资料为华南(指广东、广西、海南三省区，下同)196个气象观测站1961—2008年逐日降水观测资料。由于华南地区有部分站点是在1960年代后才建站，并且在1980、1990年代后，由于观测环境被破坏，一些站点进行了搬迁，因此，为保证资料开始时间的一致性以及考虑到资料的稳定性和代表性，在挑选代表测站时，选用1961年后建站且48年中无缺测资料的测站，同时剔除48年中站址变动2次以上的测站，然后对符合以上条件测站的资料，运用单站资料序列t检验法进行均一性检验，最后通过检验的站点共有110个。以这110个站点1961—2008年共48年的逐日降水量作为基本研究资料。按照我国目前业务规定，把日降水量超过50mm的降水事件称为暴雨，把日降水量超过25mm小于50mm的降水事件称为大雨。由于极端气候事件发生具有很强的地区差异，采用同一的尺度来定义极端气候事件，可能出现部分地区极端气候事件过于频繁，而另外一些地区极端气候事件极少发生[14]，所以根据各地的情况确定极端事件的阈值对研究更有实际意义。因此，本文尝试按目前国际上流行的百分位法，根据每一个测站的日降水量定义极端强降水事件的阈值，具体方法[15]是：把1971—2000年逐年日降水量序列的第95个百分位值的30年平均值定义为极端强降水事件的阈值，当某站某日降水量超过该阈值，就认为该站该日出现了极端强降水事件。

如果以表示极端强降水事件的气候趋势系数，则年极端强降水日数的趋势定量变化可用一次线性方程表示，即：xy=a0+a1y(y=1，2，3，，n)(2)其中将a1•10称为气候倾向率。本文用百分位法确定出所选110个站点的极端强降水事件阈值，用公式(1)、(2)计算极端强降水事件的气候倾向率变化趋势，并运用M-K非参数统计检验法，正交函数分解(EOF)、旋转经验正交函数分解(REOF)等方法对极端强降水事件进行检测，揭示华南地区极端强降水事件的时空演变特征。

3极端强降水频次的空间分布特征

3.1阈值和极端强降水频次的空间分布

图1a给出了华南极端强降水事件阈值和极端强降水事件发生频次的空间分布，华南极端强降水事件阈值在18~44.2mm之间，大致呈东南-西北方向、沿海到内陆逐渐减小的分布，阈值大于30mm的区域基本上分布在华南东南沿海和广西沿海地区，最大东兴站的阈值为44.2mm，阈值小于25mm的区域主要分布在广西的中西部，其中广西右江河谷站点的阈值较小，最小百色站仅为18mm。华南极端强降水事件阈值的空间分布与华南年降水量的分布极为相似，说明极端强降水与年降水总量的关系非常密切，这与王志福等[14]研究得出的结论相似。而从极端强降水频次分布图(图1b)可以发现，极端强降水事件发生频次的分布与阈值的分布有较大的差别。华南地区极端强降水事件发生频次在16.5～18.9d/a之间，最大和最小相差2.4d/a，较大的地区主要集中在华南中部，即广西中东部的南宁市和贵港市一带，发生频次大于18.5d/a以上，最大为上林和桂平，达到18.9d/a，而频次较小的地区分布在广西的十万大山到左江河谷一带以及百色和河池西北部、广东沿海、海南的东南角，在16.5～17.5d/a之间，最小为十万大山北侧的上思16.5d/a。其余各测站极端强降水频次相差较小，分布相对较为均匀。

3.2极端强降水频次的空间异常分布特征

为了分析华南不同区域极端强降水频次的特征，对华南110个站点1961—2008年逐年极端强降水频次作EOF和REOF分解，利用其载荷向量和旋转载荷向量分析华南极端强降水频次的空间异常特征。表1给出了旋转前后EOF和REOF对总方差的贡献率和累积贡献率，旋转前后的前8个模态累积贡献率就达到了69.5%。图2是华南地区极端强降水逐年发生频次EOF分解的前三个模态的空间分布，从第1模态(图2a)分布可以看出，整个华南区域的载荷向量为一致的正值，说明整个华南地区的极端强降水事件发生表现出一致的同位相变化，这种变化特征表明华南一般是在同一大尺度天气系统控制之下，出现极端强降水事件的时间基本一致。而且还可以看出，广西东南部、广东西北部载荷值较大，说明这些区域极端强降水事件最容易出现异常。该模态方差的贡献为32.3%。从第2模态分布(图2b)来看，载荷值零线基本上把华南区域分为东西两大区域，广东和海南区域的载荷值小于零，而广西区域载荷值大于零，极端强降水事件发生频次呈现东西反向的分布特征，之所以出现这种特征，与华南地区降雨受西太平洋副热带高压影响非常大有关[8]，当西太平洋副高位置偏东，海南、广东位于副高边缘，易受副高边缘偏南气流影响出现降雨，而广西则少雨；当副高西伸控制华南沿海时，广西处于副高边缘易出现降雨，海南、广东则因受副高控制而高温少雨。可见西太平洋副高的偏东或偏西导致了华南东西部出现极端强降水事件的步调不太一致。该模态方差的贡献为9.3%；而从第3模态分布(图2c)来看，载荷值零线穿越华南中部地区，基本上把华南分为南北两大区域，极端强降水事件发生的频次呈现明显的南北反向分布特征。形成这一特征的主要原因与造成华南强降水的两个影响系统——冷空气与热带系统有关：华南的北部受北面的系统影响较大，当受北方冷空气南下影响产生强降水时，如果冷空气较弱，则其影响区域主要是华南的北部地区，而热带系统影响时，其主要造成强降水区域是在华南南部地区，对北部的影响则较小，特别从图上可以看出，海南和雷州半岛载荷值较大，表明这些地方的极端强降水易受南面热带系统的影响而出现异常。该模态方差的贡献率为8.8%。从方差贡献率来看，极端强降水日的前3个模态总贡献率已达50.4%，是华南极端强降水频次分布的3个最主要的空间异常模态。

4极端强降水频次的时间演变特征

4.1年际和年代际变化特征

图3是华南极端强降水频数的月际分布，可以分析华南极端强降水事件年内各月分布情况，华南的极端强降水事件发生的高峰月为6月，占全年的18.6%，其次为5月和9月，发生最少的月份为12月和1月，仅占全年的1.3%。统计表明，华南极端强降水事件夏半年(4—9月，下同)发生的频次占全年次数的83.7%，而冬半年(10月—次年的3月)仅占全年次数的16.7%。从各站资料分析来看，华南地区各站的极端强降水事件夏半年发生的频次各占本站全年次数的63.5%~91.4%，除万宁、琼中低于70%以外，其余都占70%以上，特别是凌云、天娥和深圳超过90%，而冬半年各站的极端强降水事件除万宁、琼中各占全年次数的35.4%、30.6%外，其余不超过30%，这说明华南的极端强降水事件主要发生在夏半年，冬半年发生的频率较小，这与实际上华南地区的降雨特别是强降雨主要出现在夏半年非常相符。用华南地区110站逐年的极端强降水频次的算术平均建立区域的逐年平均降水频次序列，分析华南极端强降水频次的年际和年代际变化。图4是华南年均极端强降水频次的时间序列及11年滑动平均曲线，华南极端强降水频次具有明显的年际变化，偏多的年份为1997、1973、1994、2001、2008年，均超过22d/a，最多年份为1997年为23.7d/a；偏少年份为1963、1991、1989、2004年，均少于13d/a，最少年份为1963年为11.8d/a，多年平均频次为17.8d/a。从各年代平均发生次数来看，从1960年代开始各年代的平均发生次数分别为17.1、18.0、17.4、18.4、20.1d/a，其中1960年代和1980年代华南极端强降水次数较多年平均值小，说明这两个年生极端强降水频数相对较少，而进入1990年代以后，极端强降水频次在增加，特别是进入21世纪以来，前8年的平均频次比前4个年代的平均频次高，比多年平均值增加了2.3d/a，11a滑动平均也表明了这一特性，可以看出，从1980年代中后期起，极端强降水频次呈现由少变多的趋势。

4.2趋势分析

为了分析华南极端强降水频数的变化趋势，分别计算了华南各站和各站平均的极端强降水频次系列的气候倾向率。结果表明(图5)，华南区域各站极端强降水频次气候倾向率并不一致，广西中部至广东西南部的中部、桂东南至雷州半岛、海南中部极端强降水频数呈减少趋势，气候倾向率在-0.1～-0.5a-1之间，均未通过0.1的显著性检验，说明减弱趋势不显著；华南其余地区呈增加趋势，其中广东东部沿海、广西东北部和西北部、海南的西南部增加的趋势较为明显，气候倾向率都大于0.5d/(10a)，其中饶平、横县、海丰、澄海和宜州的气候倾向率大于1.0d/(10a)，最大的饶平10年增长率为1.2次，各站的趋势系数在0.29～0.35之间，都通过了0.05的显著性检验。华南各站极端强降水频次的平均序列则呈上升的趋势(图4)，气候倾向率为0.24d/(10a)，趋势系数为0.14，未达到0.1的显著性检验水平，上升的趋势不显著。利用M-K方法对其进行突变检验(图6)，可看到序列在1967年发生了1次增多的突变，但这次增多的突变未通过0.05的显著性检验，序列在1980年代前期开始有一个波动减少的趋势，1991年开始又转向波动增多的态势。

5不同区域极端强降水事件特征

为了进一步了解华南地区极端强降水发生频次的次地域特点，本文对前8个主成分对应的载荷向量进行了旋转，得到6个主要的空间分区模态，并用REOF各模态对应的时间系数的标准化距平序列和二阶时间趋势来分析不同区域极端强降水发生频次的年际变化特征(图7a～7f)。图中阴影区为旋转载荷量绝对值大于0.5的区域，当分区模态图中载荷向量为负值时，对荷载值及所对应的时间系数乘以-1，以便更直观地分析。

Ⅰ区(图7a)主要位于广东北部及广西中部以东部分地区，旋转载荷向量大值区集中在粤东地区，载荷绝对值最大值为0.86。Ⅰ区48年来极端强降水发生频次表现为一致较强的增长趋势，1963、1965、1967、1971和2002年极端强降水事件异常偏少，而1973、1983、1992、1997和2006年异常偏多。

Ⅱ区(图7b)主要在广西西部地区，旋转载荷向量大值区位于桂中偏西地区，载荷绝对值最大值为0.78。48年来Ⅱ区极端强降水发生频次呈弱的减少趋势，发生频次异常偏少年为1963、1975、1976、1995和2000年，异常偏多年为1961、1973、1986、1994和2001年。

Ⅲ区(图7c)位于广西东部及广东西部地区，旋转载荷向量大值区位于广西东部偏南地区，载荷绝对值最大值为0.75。48年来极端强降水发生频次表现为反抛物线状，转折期在1986年左右，之前呈减少趋势，之后呈增长趋势。Ⅳ～Ⅵ区主要(图7d～7f)位于广东西部、广西东北部及海南省，载荷绝对值最大值分别为0.81、0.78、0.79。

Ⅳ区48年极端强降水发生频次呈抛物线状，1987年以前为弱的上升趋势，1987年以后逐渐呈减少趋势。

Ⅴ区48年极端强降水发生频次呈上升趋势，发生频次异常偏少年为1965、1966、1969、1984和1986年，异常偏多年为1968、1993、1994、1999和2002年。

Ⅵ区48年极端强降水发生频次呈缓慢上升趋势。

由于REOF各模态高值中心站点能较好地代表各区域气候特征，下面分别从各空间分区中挑选荷载向量大值站：澄海、靖西、平南、新兴、三亚、全州作为各个区域的代表站，分析不同区域极端强降水事件的变化特征及趋势。表2是各代表站趋势系数、气候倾向率及其检验。图8是用6个气候区代表站的极端强降水频次序列的M-K突变检测结果，6个代表站中澄海、三亚、全州3站序列发生了显著增多的突变，但发生突变的时间各不相同：Ⅰ区代表站澄海极端强降水频次的UF(正序)线(图8a)在1966年开始上升，1980年代初期达到1.96临界值，1990年代之后持续超过1.96临界线，UF线与UB(反序)线1966年相交，交点在±1.96之间，可以断定澄海的极端强降水频次在1960年代中期发生了显著增多的突变。Ⅴ区代表站三亚极端强降水频次的UF线和UB线(图8e)在1970年相交，UF线1970年代至今为持续的上升趋势，2000年至今UF线都在1.96值之上，说明三亚的极端强降水频次在1970年发生了显著增多的突变。Ⅵ区代表站全州极端强降水频次的UF线和UB线(图8f)在1960年代中期以后呈上升趋势，1990年代初上升趋势明显，1980年代前期两曲线相交，交点在±1.96之间，说明全州的极端强降水频次在1980年生了显著增多的突变。而对于其他的3个区域的代表站，Ⅱ区代表站靖西极端强降水频次的UF线和UB线在1960年代—1980年代为平稳的波动变化，在1990年代开始呈明显上升趋势，虽然1996年超过1.96临界值，但UF线和UB线并无相交点，因此不能确定靖西极端强降水频次发生了突变。Ⅲ区代表站平南和Ⅳ区代表站新兴极端强降水频次的UF线呈现阶段性波动变化的趋势，平南极端强降水频次在1960年代呈上升趋势，1970年代—1990年代初呈下降趋势，1990年代之后略有上升。新兴极端强降水频次在1960年代前期呈现波动较小的振动，1960年代末发生了一次增多的突变，转为持续上升趋势，1990年代末开始呈下降趋势。两代表站极端强降水频次的UF线变化值都未超出±1.96临界值，它们发生的突变均未通过0.05的显著性检验。

6结论

(1)华南极端强降水阈值分布呈沿海到内陆逐渐减少的分布特征，与年降水量的分布较为相似；而极端强降水频次分布则为华南中部较大，广东沿海和广西西部内陆较小的分布特征。

(2)华南极端强降水频次有3个最主要的空间异常模态，一致性异常特征是华南极端强降水频次分布的最主要空间模态，而东、西反向和南、北反向变化模态也是比较重要的异常模态。

(3)华南的极端强降水事件主要发生在夏半年，夏半年极端强降水频次占全年总频次的83.7%。1960年代和1980年代是极端强降水频次较少的年代，1990年代特别是进入21世纪后华南极端强降水频次增加明显。

(4)华南区域各站极端强降水频次气候倾向率并不一致，除中部呈减少趋势外，其余大部呈增加趋势；华南各站极端强降水频次的平均序列则呈上升的趋势，但上升趋势不显著，在1980年代前期开始有一个波动减少的趋势，至1991年开始转向波动增多的态势。

(5)华南极端强降水事件发生频次具有很大的空间差异，可分为具有不同空间特征的6个主要区域,各个气候区极端强降水发生频次变化各有特点，其中6个气候区代表站中澄海、三亚、全州3站发生了显著增多的突变。