全球极端降水事件的时空变化特征

1、 全球极端降水事件的时空变化特征近年来，极端天气事件引发的自然灾害日益严重，引起了全球各个国家政府和社会的高度关注。本文利用全球4270个测站19712010年逐日降水资料，采用百分位阈值法，对近40年来极端降水事件的平均特征、年际变化、时空分布进行分析，结果显示：近40年来全球全年端降水事件频次的空间分布存在很大差异，总的来说全年总极端降水频次分布与各地区的气候特点有关，频次低值区主要分布在南北纬30左右，并向南北逐渐增大。极端降水量占总降水量的比值全球分布差异很大，大雨在美国中部、东部部分地区逐渐增加，在地中海沿岸大部也有比较明显的增加趋势，欧洲其他部分地区增减趋势并不明显。在俄罗斯地区，

2、西部部分站点大雨所占比例增加明显，而中部地区减少趋势占主导地位。中国长江流域强降水过程明显趋于增多,发生洪涝灾害的频率也趋于增加。在南半球地区，南美洲南部、南非地区呈增加趋势，澳大利亚西北部和东南部增幅较大。从全球来看，极端降水强度高值区主要在南北纬回归线之间，且向高纬逐渐递减。降水强度变化趋势和极端降水量与总降水量比值的变化趋势有很好的一致性。关键词：全球；极端降水；时空变化；第一章前言1.1极端降水事件的研究意义IPCC第四次评估报告错误!未找到引用源。表明，在全球变暖的大背景下，各类极端事件在近年来变得更加频繁和强烈。极端天气事件引发的自然灾害日益严重，引起了政府和社会的高度关注。极端事

3、件的频率和强度变化对自然和人类社会的冲击远大于气候平均所带来的变化。AR4错误!未找到引用源。中对极端气候的定义给出了较为明确的阐述：即对一特定地点和时间极端天气事件就是从概率分布的角度来看，发生概率极小的事件，通常只占该类天气现象的10%或更低。全球地形差异较大、气候复杂多样，近些年来环境保护以及社会可持续发展等受到全球各个国家前所未有的关注。1988年孟加拉国水灾，淹没近2/3国土，3000万人丧失家园，是近百年来全球最严重的一次由极端降水引发的水灾。1991年孟加拉国再遭重创，全国受灾人口占总人口的1/10，死亡13.8万人，损失30亿美元错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。据统计，

4、中国因洪灾造成的直接经济损失约占全国各类自然灾害损失的62%，相当于同期GDP的1.55%错误!未找到引用源。但是几十年来，大多数通过观测降水资料的全球长期气候变化的分析都集中在平均值的分析上。极端降水事件作为极端事件之一，其频次和降水强度的变化将导致气候变化的影响更加突出。因此，研究极端事件，特别是极端降水事件的时空变化特征，对于研究气候变化影响，减少洪涝灾害所带来的损失，具有重要意义。极端降水事件的研究进展近年来许多学者在极端降水领域开展了广泛的研究：Trenberh指出错误!未找到引用源。，地面温度升高，会使地表蒸发加剧，大气保持水分的能力增强。地表蒸发加剧，将更易发生干旱，同时大气水分

5、增加，降水也将增加，从而更易发生洪涝。Karl错误!未找到引用源。等利用百分位阈值法对美国极端降水事件做出了研究。Frich等错误!未找到引用源。研究表明，非洲南部和澳大利亚东南部，俄罗斯西部，欧洲部分地区和美国东部强降水事件显著增加，东亚和西伯利亚部分地区频率在减少。Alexanderetal错误!未找到引用源。也证明了相似的观点。从中国来看，翟盘茂错误!未找到引用源。最先利用百分位阈值法对中国极端降水事件进行了分析和研究。刘学华等错误!未找到引用源。利用百分位阈值法定义气候指数研究19612010年中国极端气温和降水，并指出近40a以来我国中等雨日指数、强降水指数、强降水比率指数以及年降水

6、量总体线性变化呈增加趋势。近50a的研究资料表明，我国极端降水变化有明显的区域性差异，我国华北、西北东部和东北东部降水量有所减少，降水日数也明显减少,干旱化倾向明显而长江流域强降水过程明显趋于增多,发生洪涝灾害的频率也趋于增加。我国的极端强降水平均强度和极端强降水值都有增加的趋势,极端强降水事件也趋于增多错误!未找到引用源。-13。目前应用降水资料对极端降水的研究有不少，但大都主要集中某一区域，对于区域性的极端降水事件频次和时空分布研究居多，对于全球范围的极端降水事件研究较少，本文采用1971-2010年40年的全球4270测站逐日降水资料，应用百分位阈值法来定义极端降水事件标准，研究全球极端

7、降水事件的时空变化特征第二章数据和方法2.1数据处理和选站本文采用全球4270个测站1971年至2010年总计40年的逐日降水资料作为基础数据。首先对数据就行简单的质量控制，将其中缺测时间较长，数据质量较差、有明显迁站的站点予以剔除。具体方法是：第一步：若某站点某一年降水资料缺测值大于总日数的20%，则该年缺测；第二步：在第一步的基础上，若某测站数据长度不足25年，则该测站剔除。错误数据排查：在朝鲜1982年以前的降水资料中，有多次数据重复出现，且部分测站全年降水总量不足10mm,与1990-2010年降水资料对比，可认为数据有误，将这些站点全年数据改为缺测。通过以上方法，最终选取全球4270

8、个测站来研究极端降水事件的时空变化特征。2.2分析方法（1）阈值定义方法：我国一般采用绝对阈值的方法定义极端降水事件，日降水量超过50mm的降水事件定义为暴雨，日降水量超过25mm的降水事件称为大雨。但是在全球范围内，地形差异较大，气候复杂多样，不能用一个简单统一的标准来定义极端降水事件。为了更为准确客观的定义全球极端降水事件，本文采用百分位分析法。具体方法是：将4270个测站1971-2010年逐年湿日（日降水量=0.1mm）的降水序列按升序排列，求得第95%分位值，则年平均95%分位值为该测站极端降水阈值。当某测站某日降水量大于该阈值时，则发生极端降水事件。（2）极端降水频次定义：本文分别

9、统计4270个站点逐日降水资料，对每个测站，某一年极端降水事件出现的次数称为该年极端降水事件的频次，每个季节出现的次数则称为该季节极端降水事件频次。（3）极端降水强度定义：极端降水强度是衡量极端降水的另一个主要指标，极端降水强度越大，表示单次极端降水量越高，强度越大也越有可能造成灾害。极端降水强度的定义方法是：对于某一年极端降水强度，定义为该年极端降水量除以对应的极端降水天数，则称为该年极端降水强度14。多年极端降水强度的平均值定义为年平均极端降水强度。（4）极端降水事件的变化趋势：极端降水的变化趋势采用一次线性方程表示，即：Y=a0+a1t式中，Y为气象要素，t为时间；为线性趋势项。若a10

10、,则表示该气象要素呈上升趋势，若a120001800160012003(rwLiOPWt2(TW90PW1沁I50PE】跡沖100Q图3.1全球年平均降水量量分布（单位mm）3.2极端降水事件阈值的空间分布依据第95个百分位值统计的全球极端降水事件的阈值分布（图3.2）可以看出：不同地区的极端降水事件阈值有明显差异，阈值总体呈现由赤道向高纬地区递减的趋势，阈值较大区域主要在墨西哥湾、南美洲北部以及东南部、非洲西海岸、印度半岛、东南亚地区、日本一带。在印度半岛西南侧和菲律宾部分测站阈值高于100mm。北美洲地区阈值的分布特点是从墨西哥湾向西北递减，美国东南沿海阈值在40mm以上，西部干旱区则不足

11、10mm。欧洲地区除地中海沿岸阈值较高外，大部分地区阈值都在30mm以下。中国地区极端降水事件的阈值分布空间差异也非常显著。阈值从东南到西北地区由高到低依次递减，阈值最大值出现在中国华南地区，该地区极端降水阈值三40mm，局部三50mm，其他地区中，长江中下游地区大体在30-50mm之间分布，西北大部分度阈值大致在10-20mm之间。在南半球地区的澳大利亚地区，阈值呈现由沿海向中部沙漠地区递减趋势。全球阈值较小的地区主要在60N以北的地区、中纬度内陆地区以及全球主要的干旱半干旱地区。总的来说极端降水阈值的分布与总降水量的分布有密切的关系。如上所述，中国西北大部分地区属于干旱区或极端干旱区，年降

12、水量在100mm以内，其极端降水事件阈值很低（约为10-20mm）。在印度半岛，降水主要分布印度半岛的西海岸（西南）和东北部，年降水量最大可达到2000mm以上，其阈值可达到80mm以上。实际上降水多的地区一般防洪设施比较完善，防洪能力也较强因此只有相对较大的日降水量才可能出现洪涝灾害，而对于中国西北部分地区，30mm以上的日降水量在当地已经很少发生。如果出现，则很有可能对当地人民的生命财产造成威胁。图3.2全球极端降水阈值分布（单位：mm）全球极端降水事件频次分布研究极端降水事件另一个重要的物理量是极端降水事件频次，分析极端降水事件频次分布有助于我们研究极端降水事件的强度以及变化趋势。9（r

13、w603CfW护jcrt1000800Wy*EIJ*E旧:*.ISOW如QgIIIIIISOW15调曲呼90HJ%JOW图3.5全球总极端降水量分布（单位：mm）3.6全球极端降水量占总降水量的比值图为全球总极端降水量占总降水量的比值。从全球来看，极端降水量占总降水量的比值差异很大。在美国东部，尽管极端降水量比中部和北部多许多，但极端降水量占总降水量的比值反而比西部和北部低很多，东部普遍在29%以下，而北部部分站点高达38%以上。说明东部全年降水分布更为均匀，在95%阈值以上降雨与95%阈值以下降雨差别并不大。在欧洲大部分地区也有类似特点，英国全年极端降雨频次很高，部分站点达到10次/a以上，

14、但极端降水量占总降水量的比值很小，最高在26%以下。由于英国的气候类型为温带海洋性气候，全年湿润，没有明显的干季和雨季之分，且全年日降水量差别较小。所以其极端降水量占总降水量的比值也相对较低。在地中海沿岸，极端降水所占比例却明显高于欧洲其他地区，最大值大于41%，说明地中海沿海大雨所占的比率高于欧洲其它地区。在季风所控制的区域，极端降水占总降水量的比值总体来说也相对较高，东亚、南亚、中南半岛、澳大利亚东部等地区，其比率也相对较高，最大可在41%以上。在中纬度内陆地区极端降水量占总降水量的比值也相对较大，例如美国阿拉斯加加拿大、中亚、西伯利亚、澳大利亚中部等地。干旱半干旱地区，极端降水占总降水量

15、的比值有两种情况：一种是占总降水量比值很高，全年虽然降水频次不高，但极端降水量占总降水量的大部分，例如全球主要的沙漠地区，其极端降水占总降水量的比值部分站点可达到41%以上；另一种是全年降水量稀少，极端降水量也极低，例如中国青藏高原地区、美国西部部分地区，其极端降水量最低值在20%以下。41%.-I38%90E12/OTE200图3.8全球年平均日最大降水量分布（单位:mm）WEI.ZOtLSOt80WIIIIIISUW50W120WWW&0V3flPw第四章全球极端降水特征变化趋势近年来百分比阈值法在国内外极端天气的研究中已经取得了一系列的成果。以我国为例，通过百分比阈值法对各个测站气象资料

16、进行指数化分析，我国的极端气温、极端降水在过去50a的时空分布特征已得到了初步总结。本章在上一章对全球极端降水事件频次、总极端降水量、降水强度、日最大降水量等特征量空间分布特征的基础上，对其19712010年这40年时间变化趋势进行分析。4.1全球年平均总降水量变化趋势年平均总降水量的增加或减少对于研究极端降水事件的变化有重要意义图4.1给出了全球近40年(1971-2010)年平均总降水量的变化趋势。图4.1全球年平均总降水量变化趋势(单位：mm/a)从图上来看，降水正趋势最为突出的地区在美国中部，南美洲大部分地区，最大值超过8mm/a。欧洲地区除东欧有大于6mm/a的大范围的增加趋势外，其

17、他地区总降水量趋势变化没有明显的区域分布特征。在亚洲地区，印度半岛南部，东南亚地区降水有明显增加趋势，最大值超过8mm/a。另外，在澳大利亚北部总降水量也有较为明显的增加趋势。降水负趋势最为明显的地区在美国东北部，墨西哥湾和加勒比海沿岸、地中海以北、非洲东南部、澳大利亚东南部。在中国地区，西北和东南部分站点呈增加趋势外，东北，华北，西南大部分地区总降水量呈不显著减少趋势。总的来说:在全球总降水量较大的区域，其降水量变化趋势也较大，在干旱半干旱区总降水量并无明显的增减趋势。4.2全球极端降水事件全年总频次变化趋势上一章分析了全球极端降水频次的分布特征，这一章通过分析极端降水频次的变化趋势，来研究

18、全球极端降水事件的增减。0.2(MTNJON0.05LBOVISOV120W90W30V030E60E咄EI2OEL50EISOW图4.2全球极端降水事件全年总频次变化趋势（单位：次/a）图4.2给出了全球全年极端降水频次变化趋势，从图上可以看出，极端降水频次变化趋势有很强的区域分布特征。在北美地区，加拿大、美国东部有明显增加趋势，部分站点大于0.15次/a。南美洲东南部大片区域极端降水频次增幅在0.1次/a以上。欧洲大部分地区全年极端降水频次有很明显的增长趋势，北欧，地中海大部增长趋势较大，说明这些区域近40年来大雨是增加的。最大值可达0.20次/a以上。在印度半岛、马来群岛、日本地区极端降

19、水频次都有比较明显的增加趋势。减少趋势最为明显的是北美阿拉斯加，美国西部，俄罗斯西部以及远东地区。最大负趋势可达0.20次/以下。在中国地区，极端降水频次呈现“多少多”的反抛物线型，西北西部、东北东部和华东、东南大部，减少趋势最为明显的是我国华北地区以及东北西南部，说明这些地区近40年来大雨是减少的。对比图4.1全球总降水量的变化趋势不难发现，在南美洲东南部、印度半岛以及东南亚年平均总降水量增幅较大的地区，其极端降水事件频次也明显增多。4.3全球极端降水事件季节变化趋势图4.3(A)可见，35月除北美太平洋西海岸、欧洲西海岸、赤道西太平洋地区外，北半球大部分地区增减趋势并不明显。相反南美洲绝大

20、部分地区极端降水呈增加趋势，其最大值在0.05次/a以上。在中国地区，北方大部分地区春季呈减少趋势，正趋势主要在我国华南地区。图4.3(B)为全球68月极端降水频次变化趋势，从图上来看，北美中部极端降水趋势有明显的增加趋势，最大值可达到0.15次/a，除东欧部分地区频次减少外，欧洲大部极端降水趋势增幅明显，普遍在0.05次/a以上。西伯利亚以南也有大范围的极端降水正趋势区域。中国地区除东北南部、华北部分地区呈现不明显负趋势外，中国绝大多数地区频次呈增加趋势，最大值可达到0.15次/a以上。相比之下，南半球极端降水频次变化趋势并不显著。图4.3(C)为全球911月极端降水频次变化趋势分布，从图上

21、可以很明显的看到，北半球秋季极端降水趋势与春夏季相比有明显不同，美国太平洋沿岸、东部大部分地区极端降水频数呈正趋势，其中东北部正趋势可以达到0.05次/a以上。欧洲中部秋季极端降水频次呈现减少趋势，相反欧洲东部呈现增大趋势，最大正趋势可达0.15次/a。中国东部，西南，华南、东南等地出现大面积的负增长区。在东南亚地区有大范围的正增长区，其范围从中国东南沿海延伸至菲律宾群岛。最大值可达0.15次/a。图4.3(D)为全球1、2月至次年12月份极端降水频次线性趋势分析，北半球除北欧、地中海沿岸等地有极端降水频次有明显的增加外，30-60N区间内负趋势占主导地位，最大值出现在阿拉斯加以及美国东北部，

22、最大值可达0.20次/a,东南亚等国家则有明显正趋势。与北半球不同的是，南半球则以正趋势占主导地位，南美洲东南部，非洲南部正趋势明显，尤其是澳大利亚地区，除沿海地区有比较小的负趋势外，几乎整个内陆地区均为正趋势，最大值可达0.15次/a以上。结合全球全年总极端降水事件频次可以看出，全球各地区各季节极端降水频次变化趋势有很大差异，对总全年总极端频次变化趋势贡献也各不相同。在盛行夏季风的地区，其夏季极端降水频次变化趋势明显高于其他季节，例如我国西南和东南沿海一带，虽然春季和秋季极端降水事件频次呈减少趋势，但夏季频次明显增加，致使全年总极端降水频次呈明显增加趋势，由此可见上述地区在夏季大雨次数增加最

23、为明显。除此之外在温带大陆性气候盛行的地区，例如西伯利亚，中亚也有相似的特点。A1LJU15CD”iirutewtry-OJE图4.3极端降水频次季节变化趋势（单位：次/a）（A春季B夏季C秋季D冬季）4.4全球年平均总极端降水量变化趋势图4.4为全球年平均总极端降水量变化趋势，从图上来看，全球年平均总极端降水量变化趋势和全球总降水量的变化趋势有很好的一致性。在北美洲地区，极端降水正趋势最为突出的地区在美国中部，太平洋沿海部分站点。负趋势最为显著的地区在墨西哥湾和加勒比海沿岸，最大负趋势在8mm/a以下。在南美洲、欧洲、东南亚等地年平均极端降水总量变化趋势与年平均总降水量变化趋势基本一致。在印

24、度北部、澳大利亚北部部分站点，虽然年平均总降水量增长趋势较大，但极端降水总量却呈现减少趋势，说明这些站点极端降水总量占总降水量的比重在减小，说明这些地区小雨在增加。在全球干旱区部分站点，总降水量呈现减少趋势，但是极端降水总量却有增加，说明这些站点大雨所占比重在增加。关于极端降水总量占总降水量变化趋势，下面将做详细分析。*1gqjOgIIIII180120r90WGlfwJ0WWfE120150Ei30r图4.4全球年平均总极端降水量变化趋势（单位：mm/a）极端降水量占总降水量比值变化趋势图4.5为极端降水量占总降水量的变化趋势，红色越深表示极端降水占总降水量的比值增减越大，蓝色越深表示极端降

25、水总量占总降水量的比值减小越大。在美国中北部和，极端降水占总降水量的比值增加明显，最大可达到2.0%/a以上，对比前文总极端降水量和年平均极端降水频次可以看出，美国中部地区总极端降水量和极端降水频次均在增大，可以说明大雨在美国中部地区逐渐增加，此外在美国东部部分站点大雨所占的比重也呈增加趋势。在地中海沿岸大部也有比较明显的增加趋势，尽管年总降水量有减少趋势，但极端降水总量却呈增加趋势，在欧洲其他部分地区增减趋势并不明显。在俄罗斯地区，西部部分站点大雨所占比例增加明显，而中部地区减少趋势占主导地位。在南半球地区，南美洲南部、南非地区呈增加趋势，澳大利亚西北部和东南部增幅较大，部分站点2.0%/a

26、以上。中亚大片区域属于干旱半干旱地区，其极端降水占总降水量的比值较大，部分地区可达到30%以上，所以这些地区极端降水变化会引起极端降水量与总降水量比值的较大波动。所以在全球主要的干旱区，极端降水与总降水量的比值变化趋势较大。在中亚增幅最大值可达到2.0%/a以上，在蒙古地区减少趋势可达-2.0%/a以下。1.0%10;/Wn82.0%1.5%-1.0%-1.5%20鳴*jiSaTSL50WL24鬥VlZifE目化lSiTW-0.5%图4.5全球年平均总极端降水量变化趋势（单位:/a图4.6降水强度变化趋势（单位：mm/da-i）4.6全球极端降水强度变化趋势图4.6为全球年平均极端降水强度变化

27、趋势，极端降水强度增加，表示单次极端降雨量增加，所以研究极端降水时空分布特征，更应注重研究极端降水强度变化趋势。从图中可以看出，降水强度变化趋势与极端降水量与总降水量比值的变化趋势有很好的一致性，在美国中部和东部部分站点，其强度呈增加趋势，与前面所分析的极端降水量变化规律以及比值变化规律基本相符。在地中海沿岸部分站点强度也呈增加趋势。中国地区出华北、西南有明显增减外，其他地区并无明显增减趋势。第五章总结本文采用1971-2010年逐日降水资料作为基础数据，采用百分位阈值作为极端降水事件标准，通过分析了全球总降水量、总极端降水量、极端降水频次、季节变化、降水强度、最大日降水等物理量，来分析和研究

28、全球极端降水事件的时空变化特征，得到如下结论:（1）分析了全球总降水量分布以及变化趋势。发现近40年来，总降水量增加高值区主要在美国中东部，南美洲大部分地区、欧洲中东部、印度半岛、东南亚地区以及澳大利亚北部以及东部沿海地区。降水负趋势最为明显的地区在墨西哥湾和加勒比海沿岸、地中海以北、非洲东南部、澳大利亚东南部。在全球总降水量较大的区域，其降水量变化趋势也较大，在干旱半干旱区总降水量并无明显的增减趋势。（2）不同地区的极端降水事件阈值有明显差异，阈值总体呈现由赤道向高纬地区递减的趋势，阈值较高区域主要分布在南北回归线之间。极端降水阈值的分布与总降水量的分布有密切的关系。在赤道多雨带，阈值最高可

29、达100mm以上，在副热带多雨带，阈值普遍在60mm左右，副热带少雨带则在10-30mm，温带地区阈值最高在40mm左右，阈值最低至10mm以下。（3）近40年来全球年平均极端降水事件频次的空间分布存在很大差异，总的来说频次分布与各地区的气候特点有关，频次低值区主要分布在南北纬30左右。造成极端降水频次差异的原因主要有两方面：1，全年降水总频次差异，在欧洲西部、美国东南部分地区以及盛行温带海洋性气候，全年总降水频次较高，极端降水频次也随之很高。在全球主要的干旱区半干旱区，全年总降水频次很小，其极端降水频次也较低。2、大雨在总降水中所占的比例较高，在温带大陆性气候控制的地区以及全球主要的季风降水

30、区，大雨所占的比例明显高于其他地区，美国东北部、俄罗斯、中国长江中下游地区，日本一带、东南亚等国家均有较高的极端降水频次。造成极端降水频次全球分布差异的原因是以上两个因素综合作用的结果。（4）近40年来全球部分地区全年端降水事件频次有明显增加，在北美地区，加拿大、美国东部有明显增加趋势，部分站点大于0.15次/a。南美洲东南部大片区域极端降水频次增幅在0.1次/a以上。欧洲大部分地区全年极端降水频次有很明显的增长趋势，北欧，地中海大部增长趋势较大，说明这些区域近40年来大雨是增加的。最大值可达0.20次/a以上。在印度半岛、马来群岛、日本地区极端降水频次都有比较明显的增加趋势。减少趋势最为明显

31、的是北美阿拉斯加，美国西部，俄罗斯西部以及远东地区。在年平均总降水量增幅较大的地区，其极端降水事件频次也明显增多。（5）全球极全端降水事件频次的季节分布存在很大差异，全球极端降水频次在不同季节的变化主要跟各地区的气候特点有关，在全球主要的季风降水区，其雨季极端降水频次明显高于其他季节。内陆地区多盛行温带大陆性气候，降水多集中于夏季，其极端降水频次也随之增加，主要分布在中国西北、西伯利亚大部、阿拉斯加与加拿大大部分以及美国五大湖附近。这些地区全年降水集中在夏季，其极端降水频次也随之较高。在地中海沿岸，盛行地中海气候，全年湿润，冬季降水相对较多，冬季极端降水频次也较高。在青藏高原，阿拉伯半岛，撒哈拉沙漠等地区全年降水稀少，全年极端降水频次极低。部分地区雨季极端降水频次变化明显，每个季节极端降水变化趋势对于全年变化趋势贡献是不同的，在地中海沿岸，夏季频次有减少趋势，而冬季频次是增加的，地中海沿岸降水多集中于冬季，所以说明，地中海沿岸在雨季大雨有增加趋势。在西伯利亚地区也有类似的特点。（7）全球极端降水量分布与总降水量的分布有相似特点，在总降水量较大地区，极端降水量也较大。从全球来看，极端降水量占总降水量的比值差异很大，在美国东部，