引言

随着全球变暖的加剧,极端降水事件普遍呈增加趋势[1,2,3,4]。因极端降水引发的洪灾、旱灾、雪灾等自然灾害频发,对区域性的生产生活、人身安全以及生态环境等方面造成巨大影响,成为全球变化研究的一项重要课题。基于全球气象站点的实测资料研究发现:整体上年降水量和极端降水整体呈增加趋势,北半球中高纬度地区尤其如此;而年降水量减少的区域,极端降水在其频率和强度上也表现出显著增加的变化趋势[5]。我国极端降水事件的研究结果显示,极端降水表现出显著的区域性特征。由于区域降水与年降水总量的密切相关性,我国东部地区异常降水随年降水总量的增加同样呈现显著增加的变化趋势,例如长江中下游地区。对于我国西北地区而言,极端降水发生频率呈现显著增加趋势,相比之下,华北地区却表现为减少趋势[6,7]。针对我国不同季节的极端降水而言,具体表现出秋季减少,而冬季增加的变化趋势;区域上表现为南部和西部地区的夏季极端降水显著增加,而北部地区的夏季极端降水则呈减少趋势[8]。因此,基于极端降水的时空差异性和区域性特征,针对我国不同地区开展详细的极端降水事件研究,对于准确了解和认识区域极端气候变化对全球气候变化的响应具有重要意义,并为进一步预测未来区域极端气候变化趋势提供重要科学依据,以期降低极端气候灾害事件对人类生产生活的影响。

目前,针对极端降水事件的研究,主要的研究方法有利用气候统计的诊断方法对极端降水特征进行分析,例如李威和翟盘茂通过G分布函数对我国的日降水量概率分布进行了拟合,并以此为基础研究了我国的极端降水事件[9]。此外,还可以采用数值模拟方法展开极端降水的模拟研究。有学者针对欧洲地区的极端降水,采用区域气候模式模拟方法进行了研究,结果表明该模式对时间尺度1～30d的极端降水具有很好的模拟效果[10]。目前大部分学者均采用的是由世界气象组织及其他气象技术委员会共同推荐的极端降水指数来分析和探讨极端降水事件[11,12,13,14]。这套极端降水指数是1998-2001年的气候变化检测会议中,由世界气象组织提出的极端气候指数中的一部分。目前这套极端气候指数已成为气候变化研究的统一标准,其计算出的降水指数不仅可以进行时间和空间的对比,而且还具有弱极端性、噪声低、显著性强等特点,能更客观地分析极端降水的气候特征和变化趋势。

河南省位于华北平原南部的黄河中下游地区。区域内地势西高东低,北部、西部和南部地区由众多山脉呈半环形分布;中、东部为冲积平原;西南部为盆地。区域内整体呈现亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候及东部平原向西部丘陵、山地过渡的气候特征,具有四季分明、雨热同期和气象灾害频繁发生的特点。此外,河南省还是农业大省,为全国重要的农业生产基地。而农业是受气候变化影响最直接、最脆弱和最敏感的产业部门。近20a来,我国的极端气候事件明显增多,特别是淮河流域上游发生极端降水事件的概率最大[15]。由此导致的区域性干旱、强降水等极端天气给农业生产带来巨大损害。仅近5a来,我国每年因自然灾害造成的粮食损失占粮食总产的10%,其中60%的粮食损失是由旱灾引起的[16]。因此,鉴于淮河上游地处河南境内,发生极端降水事件的概率较大;而且为保证河南地区农业的正常生产,也需在该区开展极端降水事件时空演变研究。已有学者在该区展开相关研究,但由于研究时间尺度较短、涉及研究指标较少,并不能全面详细地反映河南地区极端降水事件的时空分布特征[17]。因此,本文采用河南省17个气象站点的1960-2014年逐日降水实测资料,结合由世界气象组织提出的极端降水指数,通过统计分析等方法,综合研究该区极端降水的时空演变特征,以期为该区的生产生活、气候变化和灾害预警等研究提供重要科学依据。

1、资料与方法

1.1资料来源

本文依据连续性和最长时间原则,选取1960-2014年河南省17个气象站点的实测降水资料[18](见图1)。该数据基于三种数据质量控制方法,具有很好的科学性和准确性[18]。本研究首先采用RClimDex软件对河南省17个气象站点的全部降水数据进行了异常值和错误值筛选,然后通过空间插值和统计分析方法来进一步研究极端降水的时空变化,以保证分析结果的准确性和可信度[18]。

图1河南省17个气象站点的空间分布图

1.2研究方法

本研究针对极端降水指数的定义和计算标准[19],最终确定了9个极端降水指数(见表1),这些指数允许用于年、季、月等不同时间尺度,但基于本文主要研究近55a来极端降水的时空格局变化,因此,选取年际尺度来研究区域内的极端降水变化更为合理。此外,这些指数还能够反应出极端降水在不同方面的变化,从而综合反映该区域极端降水的时空变化。通过RClimDex软件分别计算了河南省17个站点1960-2014年9个极端降水指数;采用一元线性趋势分析、相关分析、主成分分析等方法对极端降水指数的时空变化特征进行分析。

表1极端降水指标定义

极端降水指标的变化趋势采用一元线性回归表示[18],即:

公式1

式中:Y为极端降水指标;T为时间(1960-2014年);a0表示回归常数,a1为回归系数,可用最小二乘法求得[18]。回归系统a1表示变量Y的趋势倾向。若a1>0,表明随时间T增加,Y呈上升趋势;若a1<0,则表明随时间T增加,Y呈下降趋势[18]。a1值反映了上升或下降的速率,用于定量分析极端降水指标的变化趋势[18,20]。

另外,线性相关是否显著,可以用t来对r进行显著性检验[21]。统计量:

公式2

上式遵从自由度r=n-2的t分布,给出显著性水平α,若t>tα表明相关系数显著,否则相关系数不显著。

2、结果与分析

2.1极端降水指数年均值的空间分布

河南极端降水指数年均值的空间分布见图2。结果显示,河南连续干日指数CDD大致呈现出由北向南逐渐减少的纬向分布特征。河南CDD指数平均为50d,北部地区连续干日数在50d以上,其中以安阳连续干日数最高(71d);南部地区则在40d左右变化,以固始的连续干日数最低(仅32d)。与连续干日年均值的空间分布相反,年总降水量PRCPTOT的多年均值在河南南部地区维持在850mm以上,以信阳和固始的年总降水量最高,超过1000mm;北部地区仅在500～600mm之间;河南整体的年总降水量多年均值为734mm。其他指数,如强降水量R95p、中雨日数R10、大雨日数R20、暴雨日数R25的多年平均空间分布,与年总降水量呈现相同的空间分布趋势,表现为由北向南降水量逐渐增强,中雨、大雨以及暴雨日数逐渐增多的变化规律。河南极端降水指标R95p、R10、R20和R25的多年均值分别为209mm、21d、10d和7d。剩余极端降水指标,如年1d最大降水量RX1day、年5d最大降水量RX5day、平均日降水强度SDII,其多年均值的空间分布主要呈由东向西、自南而北逐渐减小的变化趋势;RX1day、RX5day和SDII指数的高值区主要分布在河南南部的驻马店、信阳和固始,低值区主要集中在河南西部的三门峡和卢氏;其平均值分别为84mm、132mm和11mm/d。总体而言,河南极端降水多年均值主要表现为由北向南干旱日数减弱、年总降水量和大雨暴雨日数增多;由西向东平均日降水强度增强的变化特征。

图21960-2014年河南极端降水指数年均值的空间分布

2.2极端降水指数变化趋势的空间分布

图3显示了河南极端降水指数长期变化趋势的空间分布。由图可见,1960-2014年间,河南地区极端降水指数的长期变化趋势表现出一定的空间分布差异。对连续干日CDD而言,河南省整体以增加趋势为主,增加趋势的站点比例约占70。59%。其中增加幅度的高值区以西部地区为主(>0。12d/a),中部和南部地区次之;而其余站点呈减少趋势,以安阳的减小幅度最大(-0。27d/a),新乡、三门峡、商丘和宝丰的减少幅度较小,在-0.06～0d/a之间。年总降水量PRCPTOT以减少趋势为主,呈减少趋势的站点占总数的76.47%,减少较强的区域主要集中在南部的驻马店、信阳、固始,北部的新乡和孟津,以及西部地区的西峡;减少速率>1mm/a.PRCPTOT增加的站点主要为商丘和西华,速率>1mm/a;许昌和卢氏的增加速率较小,<0.2mm/a。强降水量R95p指数在河南中部站点以增加趋势为主,以西华增加速率最大(2.31mm/a);河南北部安阳、新乡、三门峡、孟津和南部的驻马店、固始则以减少趋势为主,最高速率为1.41mm/a。中雨日数R10整体以减少趋势为主,个别站点呈增加趋势。大雨日数R20和暴雨日数R25变化趋势的空间分布以河南中部地带(33°～35°N)增加为主,此区域以南和以北地区均呈现出减少的变化趋势。整体而言,R10、R20和R25的变化幅度均较小,速率多在0.01～0.03d/a之间变化。年1d最大降水量RX1day和年5d最大降水量RX5day以减少趋势为主,减少的站点比例为70%;东部的商丘和西华则呈增加趋势,其变化幅度<0.5mm/a。平均日降水强度SDII整体以增加趋势为主,高值区集中在中部地区(0.02～0.05mm/(d·a));南部的信阳和固始以减少趋势为主。此外,对9个极端降水指标的显著性检验结果显示,仅有个别站位的个别指标通过了0.05的显著性检验,表明该区的极端降水事件长期的变化趋势仍有一定的不确定性。

图31960-2014年河南极端降水指数长期变化趋势的空间分布

总体而言,该区极端降水的变化趋势表现为大部分站点呈现出年总降水量、中雨日数和日最大降水量减少,而连续干日、大雨和暴雨日数、平均日降水强度增加(增强)的趋势;表明河南大部分地区降水量减少,但发生干旱和大到暴雨的日数却增加的变化特征。然而对于东部地区的商丘和西华站而言,除CDD外,其余极端降水指标均呈现出增加的变化趋势,表明该区极端降水事件在增强。对于南部的信阳和固始,除连续干日CDD呈增加趋势外,其余多数极端降水指标均呈减少趋势,表明该区极端降水事件在减弱。

2.3极端降水指数的时间演化

图4显示了河南极端降水指数随时间分布的年际和年代际变化特征。对于连续干日CDD指数(图4a),1970和2011年为正距平大值年,1969年为负距平最大值年;20世纪60-90年代,CDD的年代际变化趋势并不明显,均维持在正常范围内上下波动变化,从90年代开始则表现出明显的年代际变化特征;90年代整体为增加的趋势,进入21世纪以后,经历了先减小后增加的变化。年总降水量PRCPTOT随时间分布显示(图4b),1964和2003年为正距平大值年(>300mm),即湿年;1966年为负距平最大值年,即干年。20世纪60年代PRCPTOT为下降趋势,70年代年总降水量没有发生明显变化,维持在正常值范围内,80年代PRCPTOT经历了先骤增后下降的变化趋势,90年代年维持在负距平,进入21世纪之后,呈现先增加后下降的变化趋势。强降水量R95p的年际和年代际变化特征显示(图4c),1964、1998和2000年是R95p的大值年,其中2000年的距平值最大,达200mm;1966、1986、1997和2014年均为负距平的大值年。R95p的年代际变化在20世纪60、70年代没有明显的变化,80年代整体以下降趋势为主,90年代之后进入增加趋势,直到2010后,开始出现负距平。

图4 1960-2014年河南极端降水指数的时间变化

1964和2003年为R10、R20和R25正距平大值年,1966年为R10、R20和R25负距平最大值年(图4d-f)。R10、R20和R25的年代际变化为20世纪60年代以下降为主,70年代维持在正常范围,80年代经历了先上升后下降的变化,直到90年代中后期又开始回升,到2004年之后转变为下降趋势。RX1day和RX5day的年际和年代际变化结果显示(图4g-h),1982和2000年为正距平大值年,1986年为负距平最大值年;20世纪60和70年代RX1day和RX5day维持在正常范围,没有明显变化趋势,80年代经历先上升后下降的趋势,90年代整体以上升为主,进入21世纪后逐渐回归正常范围。平均日降水强度SDII(图4i)以1998年为正距平最大值年,以1966、1997和2001年为负距平大值年;SDII的年代际变化显示20世纪60、70年代整体没有大的改变,80年代以下降为主,90年代先经历上升趋势,后转变为下降,进入21世纪后又出现小幅度的增加和下降趋势。

综上所述,河南地区9个极端降水指数均具有明显的年际和年代际变化。其中,20世纪80年代的河南极端降水整体以下降趋势为主,进入90年代后开始回升,21世纪后该区的极端降水依然以上升为主,直到2005年后开始出现下降趋势。因此,该区极端降水整体在20世纪80年代早期偏多,90年代偏少,21世纪后又增多的趋势。

3、讨论

通过对河南50多年降水资料的分析,结果表明河南极端降水存在较大的空间差异性。对于大部分地区而言,降水量呈减少趋势,但发生干旱和大雨暴雨的日数却呈增加趋势;然而河南东部地区的极端降水事件却呈增强的趋势;南部地区的极端降水事件则呈减弱趋势。总体而言,该研究结果与我国中部和北部地区的降水均呈减少趋势的结论相一致[22]。也符合其他学者关于黄河中下游流域降水强度和持续阴雨天频率呈下降趋势的研究结论[23,24,25,26]。对于造成河南等北方区域干旱增强的原因,主要是区域内降水量减少造成的[27,28]。

由于河南地处东亚大陆性季风气候过渡区,极端降水主要受夏季风进退和强度变化影响显著。每年7月中旬,副热带高压出现第二次北跳,导致雨带中心从我国华南和长江中下游向北移动进入河南、山东等北方地区;8月底之后,雨带南撤,相应地冬季风开始南侵,夏季风退出我国大陆[18,29,30]。其影响区域大体上从黄河流域上游到我国北方区域,物理成因与大气环流密切相关[31,32]。众多研究[19]已指出大气环流的异常是导致我国极端降水频率和强度发生变化的重要原因。而河南大部分区域降水量呈现减少趋势很可能是由于20世纪70年代后东亚夏季风的减弱,导致副热带高压北上动力不足而引起[32,33]。此外,其他影响因素,如温室气体[34]、路面覆盖以及土壤湿度[35]等对极端降水也有一定影响。而且,对于区域性极端降水变化,气溶胶、热带气旋和城市化等也是不可忽视的影响因子[36]。由于极端降水事件本身的特殊性和复杂性,未来对于引起河南极端降水事件的物理成因及机制还需要深入研究。

4、结论

通过河南17个气象站点的日降水资料,基于9个极端降水指数,分析了1960-2014年河南极端降水事件的时空分布特征。主要结论如下:

(1)河南极端降水指数多年平均空间分布特征,除CDD指数外,其余指数均与年总降水量PRCPTOT的空间分布特征大体相同,整体表现为由北向南年总降水量增多、大雨暴雨日数增多,且由西向东平均日降水强度增强的空间分布规律。而连续干日数CDD多年平均的空间分布特征与年总降水量相反,呈自北向南逐渐减弱的规律。

(2)河南极端降水指数长期演变趋势存在一定的空间差异性,大部分站点呈现年总降水量、中雨日数和日最大降水量减少,而连续干日、大雨和暴雨日数以及平均日降水强度增加的趋势。表明河南大部分地区降水量减少、但发生干旱和大到暴雨的日数却增加。但在河南东部地区的商丘和西华站点,除CDD外,其余极端降水指标均呈现出增加的变化趋势,表明该区极端降水事件的增强。而河南南部的信阳和固始,除连续干日CDD呈增加趋势外,其余多数极端降水指标均呈减少趋势,表明该区极端降水事件的减弱。另外,对9个极端降水指标的显著性检验结果显示,仅有个别站位的个别指标通过了0。05的显著性检验,表明该区的极端降水事件的变化趋势仍存在一定的不确定性。

(3)河南极端降水指数具有明显的年际和年代际时间演化规律。20世纪80年代的河南极端降水整体以下降趋势为主,到90年代后开始回升,进入21世纪后该区的极端降水依然以上升为主,至2005年后则开始出现下降趋势。因此,该区极端降水整体呈现20世纪80年代早期偏多,90年代偏少,21世纪后又增多的变化趋势。由于极端降水事件本身的特殊性和复杂性,影响区域性极端降水的因素较多,本研究对于引起河南极端降水的物理成因和机制并未进行深入探讨,仍需在未来进行深入研究。

参考文献：

[4]任正果,张明军,王圣洁,等.1961-2011年中国南方地区极端降水事件变化[J].地理学报,2014,69(5):640-649.

[7]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.ZHAIPM,PANXH.

[9]李威,翟盘茂.中国极端强降水日数与ENSO的关系[J].气候变化研究进展,2009,5(6):336-342.

[14]蔡敏,丁裕国,江志红.我国东部极端降水时空分布及其概率特征[J].高原气象,2007,26(2):309-318.

[16]李美娟.气候变化对我国粮食单产影响的实证分析[D]｡北京:中国农业科学院,2014.

[17]余卫东,柳俊高,常军,等.1957-2005年河南省降水和温度极端事件变化[J].气候变化研究进展,2008,4(2):7-10.

[18]高文华,李开封,崔豫.1960~2014年河南省极端气温事件时空演变分析[J].地理科学,2017,37(8):1259-1269.

[19]高涛,谢立安.近50年来中国极端降水趋势与物理成因研究综述[J].地球科学进展,2014,29(5):577-589｡

[21]施能.气象科研与预报中的多元分析方法[M].北京:气象出版社,2001.

[24]陈海生,曹瑛杰.基于地统计和GIS的河南省降水量和蒸发量空间变异性分析[J].河南大学学报(自然科学版),2008,38(2):160-165.

[25]房俊晗,郭斌,张振克,等.1960-2013年黄淮海平原极端降水时空变化特征[J]｡河南大学学报(自然科学版),2018,48(2):37-48｡

[26]李开封,高文华,李溯源,等｡中世纪暖期豫北地区干旱灾害研究[J].河南大学学报(自然科学版),2018,48(3):4-12.

[27]严中伟,杨赤.近几十年中国极端气候变化格局[J].气候与环境研究,2000,5(3):267-272.

[28]翟秋敏,张文佳,安宁,等.基于M-K､小波和R/S方法的豫南地区气候变化的多时间尺度分析[J]｡河南大学学报(自然科学版),2017,47(5):31-42.

[32]王琼,张明军,王圣杰,等.1962~2011年长江流域极端气温事件分析[J].地理学报,2013,68(5):611-625.

[36]任国玉,封国林,严中伟.中国极端气候变化观测研究回顾与展望[J].气候与环境研究,2010,15(4):337-353.

高文华,李开封,靳豪豪.1960-2014年河南极端降水特征分析[J].河南大学学报(自然科学版),2020,50(03):253-261.