西南地區極端降水變化特征分析

汪靖 張少波 袁利平

（1 成都信息工程大學 高原大氣與環境四川省重點實驗室，成都 610225； 2 貢山縣氣象局，怒江 673500；3 怒江州氣象局，怒江 673200）

0 引言

在全球氣候變暖的大背景下，我國整體上極端降水事件呈現出了不斷增長的趨勢。全球地表溫度的升高也可以改變海陸熱力差異，使大尺度環流的結構發生變化，加速全球水循環，從而影響降水以及強降水的空間分布，帶來更多的平均降水和極端降水事件。極端降水時間尺度小、強度大的特征，給水利工程和氣象防災減災帶來很大的壓力。目前對極端降水的研究主要以全球、國家和區域為主，在我國也多以全國或省份以及江河流域為單位。

對于西南地區極端降水的變化特征，國內外許多學者進行了深入的分析。王春學等、袁文德等和丁文榮等一致得到極端降水事件整體呈上升趨勢。陳活潑利用國際耦合模式比較計劃第五階段（CMIP5）模式對我國極端降水和東亞大氣環流未來演變特征進行了預估，得出21世紀末我國極端降水的頻率和強度有增加和增強的趨勢。對于具體省份的研究，楊曉靜等對云南省極端降水特征的分析中表明，云南省極端降水量有顯著的增加趨勢。綜上得到一個較為一致的觀點是，在近幾十年來我國西南地區的極端降水趨于增長，并且頻次增多、強度增強。

在全球變暖背景下，研究者對溫度和降水的關注度也越來越高。對于氣溫和降水的相關性，Wentz等和Lenderink等的研究都表明溫度升高會增加大氣中的飽和水汽壓，增強大氣持水力。而 Allan等的研究表明，在高溫條件下極端降水事件的發生頻率會比溫度較低時更高。Xiao等對我國極端降水變率與溫度的相應關系的研究中發現，氣溫的上升會增加極端降水事件的概率。

本研究包括四川、云南、貴州和重慶三省一市在內的我國的西南地區，該地區西北接壤青藏高原，南部是孟加拉灣和南海，境內包括橫斷山脈、高原、丘陵、盆地等不同地貌，地形十分復雜，海拔落差大，局地因子影響很大，是一個典型的氣候多變區。本文針對西南地區極端降水的變化趨勢做分析，并考慮其與氣溫的相關性。通過研究加深對氣候變化及其影響的認識，從而有利于政府有效開展防澇、抗旱、水利設施建設等工作。

1 數據和研究方法

觀測資料來源于中國地面氣候資料日值數據集（V3.0）中1951—2017年國家級地面站點的逐日降水、日間和夜間降水資料以及逐日的氣溫和最高最低氣溫資料。考慮到缺測及臺站搬遷所造成的觀測資料的不完整性，選取了西南范圍內的122個站點，對1971—2017年這47年的降水和溫度資料進行研究與分析。

極端降水的定義采用的是百分位閾值法，將1971—2000年各站點每次降水過程的降水量序列升序排序，把第95個百分位值定義為極端降水事件的閾值，當某站點某次降水過程的降水量大于該站點的閾值，就把此次降水記為一次極端降水過程。

極端降水指數有多種定義，根據實際情況，本文通過對逐日降水的計算和統計得出以下6個極端降水指數（表1）。

表1 極端降水指數及其定義 Table1 Extreme precipitation index and its definition

2 西南地區夏季降水的變化特征

2.1 夏季總降水量的空間分布和變化趨勢

圖1為1971—2017年西南地區夏季總降水量及其趨勢變化的空間分布。圖1a為20時—次日20時降水的空間分布，可看出四川盆地降水量最大，貴州和云南兩省的總降水量都有明顯的由北向南遞增趨勢。圖1b和1c分別為日間降水與夜間降水的空間分布，可看出在整個西南地區夜間降水明顯大于日間。

圖1 1971—2017年夏季總降水量的空間分布和變化趨勢 （a）全天降水，（b）日間降水，（c）夜間降水，（d）全天降水的趨勢變化，（e）日間降水的趨勢變化，（f）夜間降水的趨勢變化 Fig. 1 Spatial distribution and trend change of total precipitation in summer from 1971 to 2017 (a) daily precipitation, (b) daytime precipitation, (c) nighttime precipitation, (d) daily precipitation trend change, (e) daytime precipitation trend change, (f) nighttime precipitation trend change

圖1d、1e和1f分別為全天、日間及夜間降水變化趨勢的空間分布情況。其中不同大小的圓點對應不同程度的變化趨勢，紅色表示增長，藍色表示下降。圖1d為20時—次日20時的總降水，整個西南地區約60%的站點呈下降趨勢，40%的站點呈上升趨勢。日間降水有更明顯的下降趨勢，約63%的站點下降，37%的站點上升。夜間降水上升與下降的站點數基本持平，分別約為49%和51%（圖1f）。總體來看下降趨勢的站點多于上升趨勢的站點，說明西南地區的夏季總降水量在近47年來呈現出減小趨勢，并且夜間降水的下降趨勢更為明顯。

2.2 極端降水量的空間分布和變化趨勢

圖2為1971—2017年西南地區第95百分位閾值的極端降水量空間分布和趨勢變化。圖2a為20時—次日20時極端降水量（tr95）的空間分布，可看到西南地區東部的極端降水量要明顯大于西部，西部的極端降水量基本在140 mm左右，而東部大部分站點的極端降水量在200～260 mm。圖2b和2c分別為日間和夜間的極端降水量，可明顯看到夜間的極端降水量大于日間。圖2d為20時—次日20時極端降水量的變化趨勢，其中約66%的站點為增長趨勢，34%的站點為減小趨勢。空間分布上看出川東以及貴州大部分地區都呈明顯增長的趨勢。川西一帶也呈現出較為一致的增長趨勢，但增長幅度較小。圖2e為日間極端降水的變化趨勢，約有60%的站點增加，40%的站點減小。圖2f為夜間極端降水的變化趨勢，約65%的站點增加，僅35%的站點減小。說明西南地區的極端降水在不斷上升，并且夜間的極端降水占總降水的比重越來越大。由此看來，西南地區近47年來夏季總降水量呈減小趨勢，而極端降水量卻與之相反，呈現出上升趨勢。

圖2 1971—2017年極端降水量的空間分布和變化趨勢 （a）全天降水，（b）日間降水，（c）夜間降水，（d）全天降水的趨勢變化，（e）日間降水的趨勢變化，（f）夜間降水的趨勢變化 Fig. 2 Spatial distribution and trend of extreme precipitation from 1971 to 2017 (a) daily precipitation, (b) daytime precipitation, (c) nighttime precipitation, (d) daily precipitation trend change, (e) daytime precipitation trend change, (f) nighttime precipitation trend change

3 極端降水指數的總體特征

3.1 極端降水指數的空間分布

圖3為1971—2017年西南地區各極端降水指數平均值的空間分布。圖3a為極端降水日數（nd95），西南地區約78%的站點都在4～5 d，只有22%的站點在4 d以下。總體來看西南地區東北部的極端降水日數明顯小于其他地區。但從圖3b的極端降水量（tr95）來看，在整個西南地區，東部的極端降水量要大于西部。對比發現西南地區的東部極端降水頻次少、強度大，西部極端降水頻次多、強度小。圖3c，1 d最大降水量（rmax）的特征也是西部小于東部。圖3d為5 d最大降水量 （r5max），與1 d最大降水有相似的特征。圖3e表明，在我國西南地區，極端降水比率（tr95pct）的空間分布呈現出東部較大西部較小的趨勢。盆地地區最大，極端降水占年總降水量的35%甚至更高。重慶貴州一帶極端降水比率也比較高，約在30%～35%。圖3f為年極端降水量與極端降水日數的比值（tr95str）。從空間分布上看西南的東部地區明顯大于西部地區，四川盆地及川東北的極端降水強度最大，在90～120 mm/d。

圖3 1971—2017年各極端降水指數的空間分布 （a）極端降水日數，（b）極端降水量，（c）1 d最大降水，（d）5 d最大降水，（e）極端降水比率，（f）極端降水強度 Fig. 3 Spatial distribution of extreme precipitation indexes from 1971 to 2017 (a) days of extreme precipitation, (b) amount of extreme precipitation, (c) maximum precipitation in 1 d, (d) maximum precipitation in 5 d, (e) extreme precipitation ratio, (f) extreme precipitation intensity

綜合多個極端降水指數來看，我國西南地區西部極端降水的頻次高而極端降水量低，西南地區東部極端降水的頻次低而極端降水量高，即東部的極端降水強度要明顯大于西部。

3.2 極端降水指數的變化趨勢

如圖4，圖4a為極端降水日數（nd95）變化趨勢的空間分布，約有63%的站點呈現出上升趨勢，37%的站點為減小趨勢。從空間分布上看，整個西南呈現出西部增長而東部減小的趨勢。圖4b為1 d最大降水量（rmax）變化趨勢的空間分布，約有65%的站點呈現為增長趨勢，35%的站點為減小趨勢。貴州南部一帶增長明顯，另外，雖然增長幅度不大，但在川西一帶有較為一致的上升趨勢。圖4c為5 d最大降水量（r5max），與1 d最大降水量呈現出基本一致的趨勢。川西一帶的站點為增大趨勢。貴州和云南兩省大部分站點都為減小趨勢，但減小趨勢并不顯著。圖4d為西南地區極端降水強度（tr95str）變化趨勢的空間分布圖，約60%的站點為上升趨勢，40%為減小趨勢。從整體上看，處于西南東部的重慶和貴州上升趨勢最為明顯。圖4e為極端降水比率（tr95pct）變化趨勢的空間分布，約有71%的站點呈上升趨勢，28%的站點呈下降趨勢。

圖4 1971—2017年各極端降水指數的變化趨勢 （a）極端降水日數，（b）1 d最大降水，（c）5 d最大降水，（d）極端降水強度，（e）極端降水比率 Fig. 4 Trend change of extreme precipitation indexes from 1971 to 2017 (a) days of extreme precipitation, (b) maximum precipitation in 1 d, (c) maximum precipitation in 5 d, (d) extreme precipitation intensity, (e) extreme precipitation ratio

通過對西南地區總降水量和多個極端降水指數變化趨勢的分析可以看到，近47年來西南地區夏季總降水量呈減小趨勢，下降趨勢的站點中約有86%，而極端降水卻出現了增加趨勢，極端降水日數、極端降水量以及極端降水強度等指數都呈現出了不同程度的上升趨勢，說明極端降水發生的頻次和強度都有明顯增大的趨勢，造成的結果為降水發生的更集中、時間更短、強度更大。

4 極端降水與氣溫的相關性

在全球變暖的背景下，極端降水相對于平均降水對氣候變化的響應更加顯著，并且極端降水與溫度的關系也較為密切，因此溫度和極端降水的關系越來越受到大家的關注，而近年來我國大部分地區的夏季平均溫度呈上升或顯著上升的趨勢。不同區域的氣候特征都有著明顯差異，因而不同區域的極端降水量與其溫度的相關性也并不都是一致的。我國西南地區處于內陸，地形復雜多變，降水和其他氣象要素受諸多因素影響，因此更值得研究和探討。

4.1 極端降水與日平均氣溫的相關性

圖5為西南地區不同時次多個閾值的降水極值與日平均氣溫的相關性曲線。將不同閾值的降水量與發生降水時對應的氣溫進行統計，細化為極小的溫度區間后將氣溫和降水分別求平均，再連成一條幾近平滑的曲線。圖5a為20時—次日20時不同閾值的降水極值，可看出95、90、80和70百分位閾值內的降水在一定的溫度范圍內均呈現出了一致的上升趨勢，二者呈正相關關系，但在超過這個溫度范圍以后極端降水量則隨著溫度的上升而下降，二者呈負相關關系。08—20時的日間降水與20時—次日08時的夜間降水也出現了同樣的轉折。在極端降水量與溫度值呈正相關關系時，95百分位閾值的降水量隨溫度的升高增長最快，90、80和70百分位閾值降水的斜率依次遞減，說明極端降水量隨溫度的升高會有更為顯著的增加，而當超過這個溫度范圍則出現反轉，隨溫度的升高而迅速減小。從不同時段比較來看，夜間的極端降水量要大于日間，這說明夜間發生的極端降水事件強度更強。

圖5 極端降水量與日平均氣溫關系折線圖 （a）全天降水，（b）日間降水，（c）夜間降水 Fig. 5 Correlation between extreme precipitation and daily mean temperature (a) daily precipitation, (b) daytime precipitation, (c) nighttime precipitation

4.2 極端降水與氣溫相關性的空間分布

圖6為極端降水量與氣溫相關性的空間分布。圖6a中為20時—次日20時的極端降水量，西南地區約有28%的站點呈正相關關系，即溫度越高極端降水量越大，約72%的站點呈現負相關關系。圖6b為08—20時的日間降水與日最高氣溫的相關性空間分布，約有48%的站點為正相關關系，約52%的站點為負相關關系。圖6c中為20—次日08時的夜間降水與日最低氣溫相關性的空間分布，其中約56%的站點呈正相關關系，約44%的站點為負相關關系。

圖6 極端降水與氣溫相關系數的空間分布 （a）全天降水，（b）日間降水，（c）夜間降水 Fig. 6 Spatial distribution of the correlation between extreme precipitation and temperature (a) daily precipitation, (b) daytime precipitation, (c) nighttime precipitation

對比3個時次范圍內的降水與氣溫的相關性，夜間約56%的站點極端降水與氣溫呈正相關關系，而20—次日20時的站點則僅有28%的站點呈正相關關系，氣溫較低的夜間極端降水量隨氣溫的上升而增加的趨勢較20—次日20時要明顯得多，說明當極端降水發生時，氣溫越低降水量隨溫度上升而增加的趨勢越明顯。而日間有52%的站點呈負相關趨勢，20—次日20時有72%的站點為負相關趨勢。這反映了極端降水與氣溫的正相關性僅維持在溫度較低的條件下，溫度越低，正相關關系越明顯，極端降水隨溫度的升高而增加；溫度越高時負相關關系則越顯著，極端降水量隨溫度的升高而減少的趨勢也就越明顯。與上文的研究相對應，驗證了西南地區溫度的上升雖然增加了大氣的飽和水汽壓，大氣的持水力增強，降水量增加，但當溫度超過一定的范圍之后則會出現反轉，極端降水量與溫度呈顯著的負相關關系。

4.3 極端降水與夏季平均氣溫的相關性

根據克勞修斯?克拉伯龍（Clausius-Clapyyeron）方程，極端降水量隨氣溫而增加的變化率約為（6.0%～7.0%）/℃。同時根據歷史觀測數據和氣候模擬結果表明，全球大尺度下的極端降水變化率接近或高于7%/℃。而我國整體上因平均氣溫上升的極端降水變化率為（6.4%/℃），接近C-C方程的理論解。但是由于不同地區地勢地形差異較大，受季風影響情況不同，極端降水隨溫度的變化與C-C方程的適應性會有所不同。尤其在我國西南地區，地形地貌復雜，海拔較高，有諸多因素影響降水。而西南地區的極端降水又多發生在夏季，因此做了極端降水與夏季平均氣溫的相關性分析以探討氣溫的上升對西南地區極端降水的影響。

圖7為3個不同時次的極端降水量與夏季平均氣溫的散點圖，并做了線性擬合來研究二者的相關性。通過公式

R

=

R

×(1+

P

)△

t

來計算極端降水的變化率，其中：

R

為第一個溫度值對應的降水量（mm）；

R

為第二個溫度值對應的降水量（mm）；

P

為極端降水變化率（%/℃）；△

t

為溫度差（℃）。可看出3個時次的極端降水主要集中在16～30 ℃，隨平均氣溫的升高而呈現出了一致的增加趨勢。其中20—20時的降水與氣溫的相關系數達到了5.14，在16～30 ℃范圍內，計算得出極端降水的變化率為8.52%/℃；08—20時的相關系數為3.51，極端降水的變化率為9.21%/℃；20—08時的相關系數為4.16，極端降水的變化率為8.19%/℃，所得結果都超出了C-C方程的理論解。可能原因為西南地區受季風影響顯著，東亞夏季風年代際尺度上的變化和西太平洋副熱帶高壓的年代際位置變化，對整個區域氣候產生顯著影響，其中海溫異常變化是影響西南地區氣候變化的間接原因。在地形上，西南地區是世界上地形最復雜的地區之一，地理海拔變化是影響西南地區極端降水變化的直接原因。西南地區受到季風和地形顯著影響，其極端降水隨溫度升高的變化率大于C-C方程的理論解。

圖7 極端降水量與夏季平均氣溫的散點圖 （a）全天降水，（b）日間降水，（c）夜間降水 Fig. 7 Scatter plot of extreme precipitation and summer mean temperature (a) daily precipitation, (b) daytime precipitation, (c) nighttime precipitation

5 結論

此次研究采用了多個極端降水指數對1971—2017年間西南地區的122個臺站的逐日降水數據與氣溫數據進行了分析與討論。得出了以下結論。

1）從時間上看，近47年來我國西南地區的總降水量呈下降趨勢，但極端降水的頻次和強度卻有顯著的增加，降水趨于集中，并且強度更強、時間更短。從空間上看，夏季總降水量西南地區的東部要大于西部。西部地區極端降水日數多，但極端降水量小，東部的極端降水日數少而降水量大。極端降水的比率和強度也都出現了與之對應的結果，西南地區東部的極端降水比率和強度都大于西部。

2）對于夏季平均氣溫與極端降水量的關系，二者在16～30℃呈現出一個較為平穩的增長趨勢，反映夏季平均氣溫的升高會導致極端降水量的增加，但在日平均氣溫與極端降水的關系中卻表明僅靠溫度的升高無法保證極端降水量的穩定增加。反映了西南地區的極端降水伴隨溫度的升高有更多不確定性的同時極端降水又趨于一個頻次更高、時間更短、強度更強的趨勢發展。

3）我國西南地區的極端降水量隨夏季平均氣溫升高而穩定增加，全天的極端降水變化率為8.52%/℃，日間極端降水隨溫度的變化率為9.21%/℃，夜間極端降水隨溫度的變化率為8.19%/℃，大于C-C方程的理論解。