近50年我國極端降水時(shí)空變化特征綜述

程詩悅，秦 偉，郭乾坤?，徐立榮

(1.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院, 250022, 濟(jì)南; 2.中國水利水電科學(xué)研究院泥沙研究所, 100048, 北京; 3.水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心, 100048, 北京)

全球變暖背景下，全球及區(qū)域尺度極端降水事件普遍呈增加趨勢[1-2]，我國極端降水事件也頻頻發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004—2015年間達(dá)到或超過歷史極值記錄的極端降水事件就有79次(表1)[3]。極端降水事件增多往往對經(jīng)濟(jì)發(fā)展、糧食生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境及生命安全等造成重大風(fēng)險(xiǎn)，因而極端降水時(shí)空變化及其影響因素已成為全球范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)之一[1,4-5]。特別值得注意的是，在我國，由于山丘面積較大，且人為活動(dòng)較為強(qiáng)烈，極端降水事件往往會(huì)造成嚴(yán)重的水土流失事件：我國大部分地區(qū)水土流失一般主要由少數(shù)幾次大雨或暴雨造成[6]，如2017年無定河特大暴雨事件等。因此，從防災(zāi)減災(zāi)以及水土保持科學(xué)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用角度考慮，應(yīng)加強(qiáng)極端降水變化規(guī)律的研究，以增強(qiáng)其對實(shí)際工作的指導(dǎo)作用。

目前，我國學(xué)者基于不同時(shí)空尺度開展了大量有關(guān)極端降水變化趨勢和規(guī)律的研究，取得豐富的研究成果。一些學(xué)者對此進(jìn)行總結(jié)和梳理，例如：孔鋒等[5]梳理了極端降水閾值界定和診斷方法；高濤等[7]探討了極端降水趨勢及其物理成因；王苗等[8]對不同氣候模式下的極端降水預(yù)估進(jìn)行了綜述?？傮w上，現(xiàn)有綜述多集中于大尺度下極端降水的預(yù)報(bào)和物理成因分析，對基于實(shí)測數(shù)據(jù)的極端降水變化趨勢和規(guī)律綜述不足；因此，筆者廣泛搜集基于實(shí)測站點(diǎn)的極端降水研究文獻(xiàn)，對相關(guān)研究結(jié)論進(jìn)行分析綜述，以期明確我國極端降水的研究現(xiàn)狀及不足之處，為未來開展更具針對性的研究和指導(dǎo)實(shí)際工作服務(wù)。

表1 中國2004—2015年極端降水事件匯總表Tab.1 Summary of extreme precipitation events in China during 2004—2015

1 極端降水指標(biāo)及研究方法

1.1 極端降水事件

目前我國極端降水事件主要綜合2方面的因素進(jìn)行判斷：一是基于簡單的氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)確定的發(fā)生頻率較低的降水事件；二是造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡的事件[4-5]。

1.2 極端降水指標(biāo)

目前學(xué)術(shù)界通常運(yùn)用與極端降水事件相關(guān)的氣候指數(shù)作為極端降水指標(biāo)，一般分為相對指標(biāo)(通常通過百分位閾值確定)、絕對指標(biāo)(通過絕對閾值確定)和持續(xù)指標(biāo)等[9]，相對指標(biāo)多用于氣候差異大的區(qū)域，絕對指標(biāo)多用于氣候特征一致的地區(qū)[5]。基于大量文獻(xiàn)，筆者整理了目前國內(nèi)研究中常用的極端降水指標(biāo)，其中相對指標(biāo)包括極端降水閾值(R95、R99)[10-15]、極端降水量(R95P、R99P)[16]、極端降水時(shí)間(R95D、R99D)[12-13,15-20]、極端降水強(qiáng)度(R95I、R99I)[12,15-17]等，絕對指標(biāo)包括日降水量大于固定降雨量的時(shí)間(如R10、R20等)[11,20]，持續(xù)指標(biāo)包括日降水強(qiáng)度(SDII)[10-11,14]、最大1 d降水量和最大5 d降水量(RX1day、RX5day)[10-12,14,19]、持續(xù)降水時(shí)間(CWD)[10,14]以及持續(xù)干旱時(shí)間(CDD)[14]。這些指標(biāo)在全國應(yīng)用較為廣泛，一定程度上有利于不同研究之間的對比。

1.3 研究方法

多數(shù)文獻(xiàn)通常先按照時(shí)間序列對各站點(diǎn)降水進(jìn)行趨勢診斷，再運(yùn)用空間插值法得到極端降水的空間分布情況。常見的趨勢診斷方法有線性傾向估計(jì)法、滑動(dòng)平均法、累計(jì)距平法、Mann-Kendall法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)等，周期性分析常用小波分析法。其中：線性傾向估計(jì)法較為簡便，但參數(shù)確定具有一定主觀性[21]；累積距平和滑動(dòng)平均法的統(tǒng)計(jì)均值易受少數(shù)異常值干擾[22]；Mann-Kendall法不需要樣本遵從一定的分布，但對異常值不敏感，易出現(xiàn)假突變點(diǎn)[23]；小波分析能較準(zhǔn)確地檢驗(yàn)信號(hào)突變時(shí)間點(diǎn)，但小波基函數(shù)的選取過于復(fù)雜[22,24]?？臻g分析多采用克里金插值和反距離權(quán)重插值等方法，但這些方法均未考慮地形因素對極端降水空間分布的影響，在地形復(fù)雜區(qū)域可能有較大誤差[25]。

2 我國極端降水時(shí)空變化特征

絕大部分研究認(rèn)為我國極端降水事件趨強(qiáng)[15,26-27]，這與全球變暖背景下極端降水事件增加的趨勢一致；然而，不同學(xué)者的研究結(jié)論有一定差異，如Zhai等[27]認(rèn)為我國極端降水雨日減少，但孔鋒等[28]認(rèn)為部分地區(qū)暴雨雨量和暴雨雨日明顯增加。區(qū)域上，我國極端降水時(shí)空變化特征如表2所示。

總體而言，我國南方極端降水呈現(xiàn)增加趨勢，華北、東北和西北東部呈現(xiàn)下降趨勢，這可能是由于自1970年以來東亞夏季風(fēng)減弱，雨帶北上動(dòng)力不足，導(dǎo)致我國南方地區(qū)強(qiáng)降水增加，而北方地區(qū)降水減少[26]；而西南地區(qū)極端降水增加可能由來自孟加拉灣的印度洋水汽充足造成的[35]。上述研究結(jié)論總體上較為一致，有助于提高對我國極端降水變化趨勢和規(guī)律的認(rèn)識(shí)；但不同學(xué)者的結(jié)論仍有一定的差異性，這與極端降水指標(biāo)、降水資料類型、時(shí)間序列長度、分布密度以及趨勢檢驗(yàn)方法的選取有關(guān)[7-8]。研究結(jié)論的不一致性可能對認(rèn)識(shí)極端降水規(guī)律和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)造成一定的影響，因此相關(guān)研究還應(yīng)進(jìn)一步深入和加強(qiáng)。

3 極端降水研究的不足之處與展望

3.1 氣象站點(diǎn)密度小

極端降水事件時(shí)空變化研究多以氣象站實(shí)測降雨資料為基礎(chǔ)，但我國氣象站點(diǎn)的分布具有稀疏性和不均勻性[36]。筆者整理文獻(xiàn)的過程中發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)中氣象站點(diǎn)密度在4 841～4萬8 306 km2/站[11-13,15,18-20,32-33]之間，遠(yuǎn)低于世界氣象組織建議的最稀薄的站網(wǎng)密度(300～1 000 km2/站)[37]，且這些站點(diǎn)多分布在平原地區(qū)，高山區(qū)站點(diǎn)密度更少且多集中在山間盆地或山谷[10]，無法滿足對極端降水雨區(qū)的有效覆蓋，也無法實(shí)現(xiàn)對極端降水的準(zhǔn)確觀測，如黃土高原主要暴雨的中心雨區(qū)往往只有幾十平方公里[38]，目前該地氣象站密度并無法有效覆蓋[16]。因此，我國當(dāng)前氣象站點(diǎn)存在密度小、對區(qū)域降水特別是極端降水代表性不足的問題。

3.2 與地形地貌結(jié)合較為薄弱

地形是局地氣候形成的一個(gè)主要因子[39]，對降水有著巨大影響，如我國橫斷山區(qū)地形復(fù)雜，降雨受海拔、坡向等地形影響顯著，在垂直方向上的分布極不均勻[40]；但目前的極端降水研究多未考慮地形因素，一定程度上影響了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性及其對實(shí)際工作的指導(dǎo)價(jià)值[10,12,16]。

表2 我國區(qū)域極端降水時(shí)空變化特征Tab.2 Spatial and temporal variations of extreme precipitation events in China

3.3 點(diǎn)數(shù)據(jù)和面數(shù)據(jù)結(jié)合較為薄弱

目前，國際上已有較多基于臺(tái)站觀測和衛(wèi)星反演的高分辨率融合降水產(chǎn)品，如TRMM和GPCP等面狀空間降水?dāng)?shù)據(jù)應(yīng)用較為廣泛[41]，可實(shí)現(xiàn)空間全覆蓋，彌補(bǔ)地面站點(diǎn)空間估計(jì)能力不足的缺點(diǎn)[42]。當(dāng)前運(yùn)用面狀數(shù)據(jù)進(jìn)行極端降水研究的報(bào)道較為少見，點(diǎn)面結(jié)合的研究更為缺乏；因此可考慮通過融合地面站點(diǎn)觀測降水?dāng)?shù)據(jù)和衛(wèi)星反演降水?dāng)?shù)據(jù)，更加準(zhǔn)確地刻畫極端降水的空間分布。

上述研究的薄弱之處造成不同學(xué)者在同一區(qū)域的研究結(jié)論往往不盡相同，一定程度上降低了研究結(jié)論的可靠性和可比性，也使得研究成果對實(shí)踐工作的指導(dǎo)能力不足：一些學(xué)者[43-45]已經(jīng)注意到極端降水雨洪資料可以為水利和水保工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)和應(yīng)急管理提供技術(shù)支持，但相關(guān)研究案例仍少見報(bào)道。建議后續(xù)研究應(yīng)加密氣象站點(diǎn)、充分考慮復(fù)雜地形條件對極端降水的影響，以期獲得更為準(zhǔn)確的極端降水時(shí)空變化規(guī)律，增強(qiáng)對水土保持、防汛抗旱和水利工程防護(hù)等實(shí)踐工作的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)束語

1)我國極端降水事件總體上呈增多趨勢，但不同研究的結(jié)論不盡一致。

2)目前我國極端降水研究面臨氣象站點(diǎn)密度小的問題，未充分考慮地形因素對極端降水的影響，且點(diǎn)、面數(shù)據(jù)結(jié)合較為薄弱。

3)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)極端降水研究對水土保持、防汛抗旱和水利工程防護(hù)等實(shí)際工作的指導(dǎo)作用。