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中国南方极端降水的不同变化特征研究

郭丽芳, 巩远发, 孙昕

郭丽芳,巩远发,孙昕.xxxx.中国南方极端降水的不同变化特征研究[J].暴雨灾害,44(x):xx-xx. DOI: 10.12406/byzh.2023-204
引用本文: 郭丽芳,巩远发,孙昕.xxxx.中国南方极端降水的不同变化特征研究[J].暴雨灾害,44(x):xx-xx. DOI: 10.12406/byzh.2023-204
GUO Lifang, GONG Yuanfa, SUN Xin. xxxx. Different characteristics of extreme precipitation in southern China [J]. Torrential Rain and Disasters,44(x):xx-xx. DOI: 10.12406/byzh.2023-204
Citation: GUO Lifang, GONG Yuanfa, SUN Xin. xxxx. Different characteristics of extreme precipitation in southern China [J]. Torrential Rain and Disasters,44(x):xx-xx. DOI: 10.12406/byzh.2023-204

中国南方极端降水的不同变化特征研究

基金项目: 国家自然科学基金项目(U20A2097)
详细信息
    作者简介:

    郭丽芳,主要从事短期气候异常变化的诊断研究。E-mail:1352612468@qq.com

    通讯作者:

    巩远发,主要从事短期气候异常变化的诊断和模拟研究。E-mail:gyfa@cuit.edu.cn

  • 中图分类号: P467

Different characteristics of extreme precipitation in southern China

  • 摘要:

    利用国家气象科学数据中心的中国南方七省1961—2020年206个气象观测站点的逐日降水资料,采用百分位法提取20时—08时(北京时,下同;夜间)、08时—20时(白昼)、20时—20时(全天)三个时段的95%分位极端降水,分析了60 a中国南方极端降水量及其频次、极端降水最早开始时间、最晚结束时间的时空变化特征。结果表明:(1) 夜间、白昼及全天极端降水阈值的空间分布特征比较相似,夜间极端降水量大于白昼。(2) 中国南方极端降水量及其发生频次整体的长期变化均呈显著增加趋势。夜间、白昼极端降水量及其频次呈增加趋势的站点均超过70%;全天的极端降水量及其频次也有近80%的站点呈增加趋势。(3) 中国南方极端降水的空间分布不均匀,并有昼夜差异。南方年平均极端降水量高值区在两广的偏南地区,夜间年平均极端降水量大于白昼年平均极端降水量;年平均极端降水频次大值区分布与极端降水量明显不同,全天和白昼极端降水频次高值区大多位于南方地区的中部和东部,夜间极端降水频次高值区多位于南方的西北部。(4) 中国南方一年中极端降水从开始到结束的发生时间段有不断延长的趋势。夜间、白昼极端降水开始时间提前趋势和结束时间延后趋势的站点均超过60%;全天极端降水开始时间提前趋势和结束时间延后趋势的站点均超过67%,总体是开始时间平均每10 a提前2 d、结束时间平均每10 a延后近2 d。南方中部地区极端降水开始时间最早,广东西南部、广西和贵州西部开始时间最晚;极端降水结束时间江西北部最早,浙江东部最晚。

    Abstract:

    Based on the daily precipitation data of 206 stations in seven provinces of southern China from 1961 to 2020, the 95th percentile extreme precipitation of 20:00 BT-08:00 BT (nighttime), 08:00 BT-20:00 BT (daytime) and 20:00 BT- 20:00 BT (all-day) was extracted by percentile method, the temporal and spatial characteristics of 60 years' extreme precipitation, frequency, the earliest start time and the latest end time are analyzed. The results are as follows. (1) The spatial distribution characteristics of night, day and all-day extreme precipitation thresholds were similar, and the extreme precipitation at night was larger than that at day. (2) The long-term change of extreme precipitation and frequency in southern China are both increasing significantly. More than 70% of the stations with nighttime and daytime extreme precipitation and frequency are increasing; and nearly 80% of the stations with all-day extreme precipitation and frequency are also increasing. (3) The spatial distribution of extreme precipitation in southern China is uneven and varies between day and night.The high value area of the annual mean extreme precipitation in the south is in the southern part of Guangdong and Guangxi, the annual average extreme precipitation at night is larger than that at daytime; the large value distribution of the annual average extreme precipitation frequency is obviously different from that of extreme precipitation, high frequency area of extreme precipitation of daytime and all-day are located in the central and eastern parts of the Southern China, most of the regions with high frequency of night extreme precipitation at night are located in the northwest of the southern China. (4) The time period of extreme precipitation from beginning to end in southern China is lengthening. More than 60 percent of the stations had an earlier start and later end time trend for both nighttime and daytime extreme precipitation, and more than 67 percent had an earlier start and later end time trend for all-day extreme precipitation, overall, the start time was 2 days earlier on average in 10 years, and the end time was 2 days later on average in 10 years. The onset time of extreme precipitation is the earliest in the central part of South China, and the latest in the southwestern part of Guangdong and the western part of Guangxi and Guizhou; the end time of extreme precipitation is earliest in north Jiangxi and latest in east Zhejiang.

  • IPCC发布的《2021年气候变化:自然科学基础》指出(IPCC,2021),2011—2020年全球平均温度比1850—1900年提高了1.09 ℃,气候变化对自然环境及人类生产生活产生了重要影响(Zhao et al.,2023)。全球气候变暖不仅会导致冰川退缩、海平面升高、冻土融化等灾害(丁一汇,2003Wu et al.,2020蔡芗宁等,2024李勇等,2024 ),也会导致大范围内极端强降水发生频率增加(李晓惠等,2024)、区域强降水事件更趋频繁(翟盘茂和刘静,2012)。城市化使得许多城市区域极端降水增加、地表径流加强,沿海城市受到不断加剧的、与海平面上升相关的复合型洪水的影响(袁宇锋和翟盘茂,2022)。极端天气的发生对人民生命安全、社会经济发展以及生态环境等方面造成了巨大影响(Groisman et al.,2005Alexander et al.,2006),是全球变化研究的一项重要课题。

    对中国南方地区极端降水的变化研究已有众多成果。中国南方地区极端降水的长期变化趋势为增加(陈海山等,2009),就不同省份的极端降水而言,贵州极端降水呈西高东低的特征(甘文强等,2018);江西极端降水呈从南到北递增的特征(马锋敏等,2013);湖南、广东极端降水有较大的空间差异,且呈明显增强的趋势,大尺度环流变化是湖南极端降水异常的主要因子(周莉等,2018);福建、浙江的极端降水量、频次、强度均呈现出增加趋势,福建极端降水与西太平洋副热带高压(以下简称副高)强度、北半球极涡强度和南海副高强度之间有显著的相关性(曾颖婷等,2023);广西极端降水变化与厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)存在潜在联系,不同极端指标在37 a的傅里叶谱周期内均呈现显著的周期性变率(梁驹等,2017)。

    就昼夜降水变化特征而言,我国不同地区有不同的特征。王胜等(2011)发现淮河流域昼夜降水呈北少南多分布,且夜雨量和夜雨日略多于白昼。曾波等(2018)研究表明四川地区白天和夜间降水频次均呈减少趋势,且夜间降水的年代际变化相对于白天更为明显。邓海军等(2020)研究表明湿润区流域的年均昼夜暴雨雨量对总降水量的贡献率大于昼夜大雨对总降水量的贡献率,而干旱区-半干旱区流域则相反。刘义花等(2020)研究表明青海高原昼夜雨量空间分布基本一致,均呈东南向西北减少,且昼雨日少于夜雨日,昼夜雨量总体均呈增多趋势。中国南方地区有关极端降水变化特征的研究主要着眼于全天,鲜有分为昼夜两个时段进行研究的。昼夜极端降水的变化特征本质上存在很大差异,夜间发生的极端降水更易造成暴雨洪涝、山体滑坡,并使得防灾的难度成倍增加。因此,基于国家气象科学数据中心提供的中国南方七省(自治区) 60 a气象观测站点的逐日降水资料,利用百分位等方法对20时(北京时,下同)—08时(夜间)、08时—20时(白昼)、20时—20时(全天)的极端降水量及其频次、一年中极端降水开始(结束)时间的变化特征进行深入细致的分析,探寻昼夜极端降水的不同变化特征,以期进一步了解全球气候变化背景下区域极端降水的变化趋势及其影响,为防灾减灾提供更加深入的科学基础和依据。

    本文使用的资料为国家气象科学数据中心提供的1961—2020年中国南方七省(自治区) (湖南、江西、浙江、贵州、广西、广东、福建)共 206个气象观测站点的逐日降水资料,该资料经过国家气象信息中心的质量控制,站点分布见图1

    图  1  中国南方七省206个站点(黑色圆点)的空间分布
    Figure  1.  Distribution of 206 meteorological stations (black dots) in seven provinces of southern China

    极端降水采用百分位法来定义(郑祚芳等,2013),即将某站点60 a内夜间、白昼、全天三个时段降水按升序排列,达到95%分位数的降水量称该站点夜间、白昼、全天极端降水阈值。计算方法如下:

    首先,在某站点的60 a日降水序列中,取出所有湿日(即夜、昼12 h降水≥0.5 mm、全天24 h降水量≥1.0 mm)构成新的降水量子序列。将新的子序列按升序排序,得到升序序列X

    其次,利用Hyndman和Fan (1996)推荐的百分位数计算模型求出X的95%分位数作为该格点的极端降水阈值。序列X的第$ q $百分位降水量阈值$ {X}_{q} $

    $$ {X}_{q}={X}_{i}+r\left({X}_{i+1}-{X}_{i}\right) $$ (1)

    其中

    $$ i=\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}\left(q\times \left[n+\frac{1}{3}\right]+\frac{1}{3}\right) $$ (2)
    $$ r=q\times \left(n+1\right)-\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}\left(q\times \left(n+1\right)\right) $$ (3)

    式中,$ n $为序列$ X $长度,即每个站点夜间、白昼、全天降水的天数(湿日数);$ i $为确定分位数所在的位置;$ r $为插值系数,即$ q $分位数在第$ i $和第$ i+1 $ 位置之间的比例。

    极端降水量和极端降水频次:将某测站的全天(夜间、白昼)降水量达到或超过其全天(夜间、白昼)极端降水阈值,记为一次极端降水,达到或超过极端阈值的降水量称为极端降水量,年值则为其年内各次极端降水量总和,频次同理。年平均极端降水量和频次:某站60 a出现的极端降水总量除以60为该站的年平均极端降水量,频次同理。极端降水起止时间:取某站某年首次出现极端降水的日期为极端降水开始时间,取最后一次出现极端降水的日期为极端降水结束时间(卢珊等,2020)。

    另外,本文采用了线性倾向分析方法(魏凤英,2007)分析区域平均极端降水量、降水频次、极端降水开始时间、结束时间的变化趋势,即

    $$ \mathit{y} _{ \mathit{i} } \mathrm= \mathit{a} \mathrm+ \mathit{b} \cdot \mathit{t} _{ \mathit{i} } \mathrm{(} \mathit{i} \mathrm{=1,2,\cdots ,} \mathit{n} \mathrm{)} $$ (4)

    式中,yi是样本为n的气候变量,tiyi所对应的时间,a是回归常数,b是回归趋势系数。a、b用最小二乘法求得,b>0,说明yiti呈增加趋势;b<0,说明yiti呈下降趋势。采用反距离权重插值法方法根据已知点位降水数据推算出周边其他位置的降水数据,将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面,从而得出空间分布特征(栗泽苑等,2021)。

    图2为1961—2020年60 a中国南方地区夜间、白昼以及全天 95%分位日极端降水阈值的空间分布。从图2a可见,南方夜间极端降水阈值分布最小值位于贵州北部、湖南南部、江西西部、浙江大部分地区及福建北部地区,平均极端降水阈值为33 mm·d−1,最小阈值为21 mm·d−1,阈值分布最大位于广西、广东沿岸,最大阈值为63 mm·d−1。从图2b可见,白昼极端降水的阈值分布整体类似夜间极端降水阈值分布,平均极端降水阈值为32 mm·d−1,阈值分布最大位于贵州西北部地区,最小阈值为17 mm·d−1,最大阈值位于两广沿海地区,高达57 mm·d−1。从图2c可见,全天极端降水阈值分布整体呈从北向南递增趋势,南北差异很大,全天平均极端降水阈值为48 mm·d−1,阈值分布最小位于贵州北部、湖南西部及浙江省北部地区,最小阈值为29 mm·d−1,最大阈值位于两广南部沿海,高达91 mm·d−1。从上述中国南方地区昼夜60 a极端降水阈值空间分布可知,夜间极端降水阈值要大于白昼的阈值,表明夜间极端降水多于白昼。

    图  2  1961—2020年中国南方的夜间(a)、白昼(b)和全天(c)极端降水阈值(单位: mm·d−1)的空间分布
    Figure  2.  The spatial distribution of (a) nighttime, (b) daytime and (a) all-day extreme precipitation thresholds over southern China from 1961 to 2020 (unit: mm·d−1)

    图3为1961—2020年中国南方地区夜间、白昼及全天极端降水量、频次的60 a平均值和变化趋势的空间分布。从图3a可见,就夜间年平均极端降水量而言,高值区位于广西南部,年平均极端降水量可达488 mm以上,最大值位于广西东兴(554 mm);低值区位于贵州北部、湖南东部、江西南部、福建南部、浙江北部、广西东部及广东北部地区,最小值是广东罗定(155 mm)。南方地区夜间年极端降水量呈增加趋势的站点达72% (149个),其中通过a=0.1显著性水平检验的站点有19% (39个),最大增加趋势位于江西南城(3.21 mm·a−1)。从图3b可见,南方夜间年平均极端降水频次均大于2次,其中贵州西部地区极端降水频次最多,最大值是贵州织金(年平均7次)。南方地区夜间年极端降水频次呈增加趋势的站点也达73% (151个),其中通过a=0.1显著性水平检验的站点有16% (33个),最大增加趋势位于江西南城(0.63次·(10 a−1))。

    图  3  1961—2020年中国南方夜间极端降水量(a)和频次(b)、白昼极端降水量(c)和频次(d)、全天极端降水量(e)和频次(f)的60 a平均值(填色)和变化趋势(a)
    Figure  3.  The 60-year average climate mean (colouring) and changing trend of nighttime extreme (a) precipitation and (b) frequency, daytime extreme (c) precipitation and (d) frequency, all-day extreme (e) precipitation and (f) frequency in southern China during 1961-2020

    图3c可见,南方白昼年平均极端降水量高值区位于两广南部,年平均极端降水量可达369 mm以上,最大值位于广东阳江(424 mm);低值区位于贵州大部分及广西西北部地区,最小值位于贵州威宁(94 mm)。白昼的年极端降水量呈增加趋势的站点有73% (151个),其中通过a=0.1显著性水平检验的站点有22% (46个),主要位于湖南、江西、浙江、福建北部以及广东省南部地区。从图3d可见,白昼年平均极端降水频次在所有站点均大于2次,其中白昼年平均极端降水频次最多位于江西西部地区,井冈山(年平均7次)发生极端降水频次最多。白昼年极端降水频次整体呈增加趋势的站点也超过70% (147个),其中通过a=0.1显著性水平检验的站点有20% (41个),最大趋势位于浙江杭州的临安(0.57次·(10 a−1))。

    图3e可见,南方全天年极端降水量高值区位于广西南部及广东西南部地区,多数站点的年平均降水量可达680 mm以上,最大值位于广西东兴(907 mm);低值区位于贵州北部、湖南西南部及广西西部地区,最小值位于贵州威宁(222 mm)。从南方地区全天的60 a极端降水量变化趋势看,呈增加趋势的站点有80% (164个),其中通过a=0.1显著性水平检验的站点有19% (39个),主要位于贵州南部、湖南西部、江西东北部、两广北部、福建北部以及浙江北部。从图3f可见,就全天的年平均极端降水频次而言,所有站点60 a平均频次均大于3次,其中江西西部及福建北部极端降水频次最多,江西井冈山(年平均8次)发生极端降水频次最多。全天年极端降水频次也有近80% (164个)站点是增加趋势,其中通过a=0.1显著性水平检验的站点有20% (41个),最大增加趋势位于江西南城(0.89次·(10 a−1))。

    综合起来(表1),中国南方年平均极端降水量高值区在其偏南的两广地区,夜间年平均极端降水量大于白昼平均极端降水量;年平均极端降水频次高值区分布与极端降水量明显不同,夜间极端降水频次高值区多位于南方的西北部,全天极端降水频次及白昼极端降水频次高值区大多位于南方地区的中部和东部。对极端降水量和降水频次的变化趋势而言,呈增加趋势的站点数均超过70%,昼夜呈增加趋势的站点数量相当,但增加趋势的绝对值白昼明显大于夜间,全天的极端降水量和频次均有近80%的站点呈增加趋势。可见在整个中国南方地区极端降水量和发生频次均有所增加,表明南方地区的极端降水正趋于更加极端化。

    表  1  中国南方206个站点夜间、白昼及全天极端降水量、频次增加和显著增加的站点占比
    Table  1.  The proportion of 206 meteorological stations with increasing nighttime, daytime and all-day extreme precipitation and precipitation frequency in southern China

    时段
    极端降水量 极端降水频次
    P1/% P2/% F1/% F2/%
    夜间 72 19 73 16
    白昼 73 22 71 20
    全天 80 19 80 20
    注:P1P2分别表示极端降水量增加、显著增加的站点占比;F1F2分别表示极端降水频次增加、显著增加的站点占比。显著增加表示通过a=0.1显著性水平检验。
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    图4为1961—2020中国南方206个站点平均的夜间、白昼及全天极端降水量和发生频次的年际变化。从图可见,南方极端降水的年降水量和频次均呈增加趋势,且降水量的增加趋势要比降水频次更明显,均通过了a=0.05显著性水平检验。从图4a可知,夜间极端降水频次增加倾向率为0.10次 ·(10 a−1),2016年极端降水频次最大,可达6.1次,夜间平均降水量增加倾向率为6.2 mm ·(10 a−1),2016年最大,可达323 mm。从图4b可知,白昼极端降水频次增加倾向率为0.11次·(10 a−1),2016年极端降水频次最大,为5.9次,白昼降水量增加的倾向率为6.9 mm ·(10 a−1),也是2016年最大,可达296 mm。从图4c可知,全天极端降水频次增加倾向率为0.16次·(10 a−1),2015年极端降水频次最大,可达7.5次,降水量增加率为13.4 mm·(10 a−1),2016年极端降水量最大,为543 mm 。综合(表2)来看,中国南方地区全天及昼夜的极端降水量和发生频次均是显著增加趋势,白昼的极端降水量和频次增加趋势略高于夜间,但夜间的平均极端降水量比白昼多,表明南方地区的极端降水正在趋于更加极端化。

    图  4  1961—2020年中国南方206个站点平均的夜间(a)、白昼(b)、全天(c)极端降水量和频次的年际变化
    Figure  4.  The interannual changes of (a) nighttime, (b) daytime and (c) all-day precipitation and frequency of mean extreme precipitation for 206 meteorological stations in the southern China during 1961-2020
    表  2  中国南方地区夜间、白昼、全天极端降水量(P)和频次(F)的变化趋势
    Table  2.  The change trends of nighttime, daytime and all-day extreme precipitation and frequency in southern China
    时段P/(mm ·10 a−1)F/(次 ·10 a)−1)
    夜间6.2*0.10*
    白昼6.9*0.11*
    全天13.4*0.16*
    注:*表示通过a=0.05显著性水平检验。
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    图5为1961—2020年夜间、白昼及全天中国南方极端降水的平均最早开始、最晚结束时间及其变化趋势的空间分布。从图5a可见,夜间极端降水开始最早出现于贵州东南部、湖南、江西南部、福建广东北部及广西东北部地区,江西龙南最早,在其年日序的第87 d (3月28日)开始;夜间极端降水开始最晚出现于广东西南部地区,广东徐闻最晚,在其年日序的第200 d (7月19日)开始;南方夜间极端降水开始时间呈提前趋势的站点有67% (137个),通过a=0.1显著性水平检验的站点有21个,主要位于贵州东部、湖南南部、江西北部和南部、浙江南部及两广北部地区。从图5b可见,夜间极端降水结束最早时间出现于江西北部地区,江西玉山最早,在其年日序的第209 d (7月28日)结束;夜间极端降水结束最晚出现于浙江东北部,大陈岛最晚,在其年日序的第278 d (10月5日)结束;夜间极端降水结束时间呈延后趋势的站点有60% (123个),通过a=0.1显著性水平检验的站点有16个,延后趋势的区域位于贵州、湖南南部及江西、福建北部地区。

    图  5  1961—2020年中国南方夜间极端降水开始(a)和结束时间(b)、白昼极端降水开始(c)和结束时间(d)、全天极端降水开始(e)和结束时间(f)的60 a平均年日序(填色,将降水日期转为年日序数,以1月1日为第1 d,1月2日为第2 d,依此类推,12月31日为第365 d,依据实际观测数据得到各站点降水资料日序数的时间序列)和变化趋势(a)
    Figure  5.  The 60-year average annual order (Shaded, the precipitation date is converted into a chronological order. January 1st is the first day, January 2nd is the second day, and so on. December 31st is the 365th day. Based on actual observation data, the time series of the chronological order of precipitation data at each station are obtained) and changing trend of (a) onset and (b) end of nighttime extreme precipitation , (c) onset and (d) end of daytime extreme precipitation , (e) onset and (f) end of all-day extreme precipitation in southern China during 1961-2020

    图5c可见,白昼极端降水开始最早时间出现于湖南、江西、广西东北部、广东北部、浙江西南部及福建西部地区,福建泰宁最早,其年日序的第101 d (4月21日)开始;白昼极端降水开始最晚时间位于贵州西部、浙江东北部、广东西南部及广西西北部和南部地区,贵州威宁最晚,其年日序的第174 d (6月23日)开始;南方白昼极端降水开始时间呈提前趋势的站点有66% (135个),通过a=0.1显著性水平检验的站点有25个,主要在贵州东部、湖南、两广、浙江北部及江西、福建西部地区。从图5d可见,白昼极端降水结束最早出现于贵州西部和北部、广西东部、广东中部及湖南、江西、福建北部地区,广西梧州最早,在其年日序的第218 d (8月6日)结束;白昼极端降水结束最晚出现于浙江东北部,大陈岛最晚,在其年日序的第272 d (9月29日)结束;白昼极端降水结束时间呈延后趋势的站点有63% (129个),通过a=0.1显著性水平检验的站点有30个,延后趋势的区域主要位于湖南北部、江西东北部、福建北部及两广西部地区。

    图5e可见,全天极端降水开始最早时间出现于广西东北部、广东北部、福建西部及湖南、江西南部地区,广东南雄最早,为年日序的第85 d (3月26日)开始;贵州西部、广东西南部地区的开始时间最晚,广东徐闻最晚,在其年日序的第178 d (6月27日)。南方极端降水开始时间呈提前趋势的站点有68% (140个),其中通过a=0.1显著性水平检验的站点有35个;主要在贵州东部、湖南北部、江西东部和南部、浙江北部和南部、福建西部及两广北部地区。从图5f可见,全天极端降水结束最早时间出现于贵州南部、浙江西部、及湖南、江西、福建北部地区,江西景德镇最早,其年日序的第225 d (8月13日)结束;全天极端降水结束最晚时间出现于浙江东部,浙江东部沿海石浦最晚,其年日序的第284 d (10月11日)结束。全天极端降水结束时间呈延后趋势的站点有67% (137个),通过a=0.1显著性水平检验的站点有27个,结束时间延后的区域主要位于湖南、福建、浙江北部及江西中部地区。

    分析(表3)可知,中国南方地区白昼、夜间及全天极端降水最早开始时间有超过67%的站点呈提前趋势,昼夜及全天极端降水最晚结束时间有超过60%的站点呈延后趋势,表明极端降水发生的时间段在不断的延长。中国南方中部地区开始时间最早,广东西南部、广西贵州西部开始时间最晚。江西北部结束最早,浙江东部结束最晚。

    表  3  中国南方极端降水夜间、白昼、全天开始时间提前和显著提前、结束时间延后和显著延后的站点占比
    Table  3.  The proportion of stations in southern China where the onset time of nighttime, daytime and all-day extreme precipitation is earlier, the end time is later and the 0.1 significant level test is passed
    时段 开始时间 结束时间
    E1/% E2/% L1/% L2/%
    夜间 67 10 60 8
    白昼 66 12 63 15
    全天 68 17 67 13
    注:E1E2 分别表示极端降水开始时间提前 、 显著提前的站点占比 ;L1L2 分别表示极端降水结束时间延后 、 显著延后的站点占比。显著提前或延后表示通过a=0.1显著性水平检验。
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    图6为 1961—2020中国南方区域平均的夜间、白昼和全天极端降水开始时间、结束时间的年际变化曲线。可见夜间和白昼极端降水平均开始时间也均呈提前趋势,提前的倾向率分别为−1.4 d·(10 a)−1和−1.6 d·(10 a)−1,均是平均每10 a提前了1.5 d左右,白天通过了a=0.1显著性水平检验(图6ac)。夜间和白天极端降水平均结束时间均是延后趋势,延后的倾向率分别为0.7 d·(10 a)−1和1.4 d·(10 a)−1,均未通过a=0.1显著性水平检验(图6bd)。全天极端降水的平均开始时间在60 a来呈明显提前趋势,其提前倾向率为−2.0 d·(10 a)−1,即平均每10 a提前2 d,并通过了a=0.1显著性水平检验(图6e);全天极端降水结束时间则是相反,为延后趋势,其延后倾向率为1.8 d·(10 a)−1,即平均每10 a延后2 d,但未通过a=0.1显著性检验(图6f)。

    图  6  1961—2020年中国南方206个站点平均的夜间极端降水开始(a)和结束时间(b)、白昼极端降水开始(c)和结束时间(d)、全天极端降水开始(e)和结束时间(f)的年际变化
    Figure  6.  The interannual changes of the (a) onset and (b) end of nighttime extreme precipitation , (c) onset and (d) end of daytime extreme precipitation, (e) onset and (f) end of all-day extreme precipitation over the southern China region from 1961 to 2020

    分析(表4)可知,中国南方区域全天极端降水开始时间提前和结束时间延后的变化趋势均非常明显,夜间和白昼的极端降水开始时间提前的趋势相当,结束时间延后的趋势则是白昼比夜间更明显;总体上,无论是夜间和白昼的极端降水,还是全天的极端降水,其从开始到结束的持续时间均有延长的趋势。

    表  4  中国南方极端降水夜间、白昼及全天开始时间、结束时间的年变化趋势(单位:d·(10 a)−1)
    Table  4.  The annual trend of onset and end time of nighttime, daytime and all-day extreme precipitation in southern China (unit: d·(10 a)−1)
    时段开始时间趋势结束时间趋势
    夜间−1.40.7
    白昼−1.6*1.4
    全天−2.0*1.8
    注:*表示通过a=0.05显著性水平检验。
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    本文使用国家气象科学数据中心提供的1961—2020年中国南方七省(自治区) (湖南、江西、浙江、贵州、广西、广东、福建)共 206个气象观测站点的逐日降水资料,分析了南方夜间、白昼及全天极端降水量、极端降水频次、极端降水开始和结束时间的时空变化特征。得出以下主要结论:

    (1) 中国南方极端降水夜间、白昼、全天阈值整体呈从北向南递增趋势,南北差异很大;贵州北部、湖南南部,江西西部和浙江东北部最小,华南沿海地区最大;夜间极端降水阈值要大于白昼的阈值,表明夜间极端降水量大于白天。

    (2) 中国南方极端降水量及其发生频次整体的长期变化均呈显著增加趋势,通过显著性检验的站点占比为20%左右。其中昼、夜极端降水量和频次整体的长期变化增加趋势的站点基本相当,均超过70%,通过显著性检验的站点占比为19%,但白昼的平均极端降水量比夜间多,表明白昼的极端降水强度比夜间更强。而全天的极端降水量和频次整体的长期变化增加趋势的站点占比则高达80%,通过显著性检验的站点占比为20%。

    (3) 中国南方极端降水的空间分布不均匀,并且有昼夜差异,表现为年平均极端降水量高值区在两广的偏南地区,夜间年平均极端降水量大于白昼年平均极端降水量;年平均极端降水频次大值区分布与极端降水量明显不同,夜间极端降水频次高值区多位于南方的西北部,全天和白昼极端降水频次大值区大多位于南方地区的中部和东部。

    (4) 中国南方极端降水开始时间提前和结束时间延后的变化趋势均非常明显,极端降水发生的时间段在不断的延长。其中昼、夜极端降水开始时间提前趋势的站点均达67%,其中通过显著性检验的站点占比为11%,结束时间延后趋势的站点稍少,但均超过60%,其中通过显著性检验的站点占比为12%;全天极端降水开始时间提前和结束时间延后趋势的站点也均超过67%,其中通过显著性检验的站点占比为15%,总体是开始时间平均每10 a提前2 d、结束时间平均每10 a延后近2 d。南方中部地区极端降水开始时间最早,广东西南部、广西贵州西部开始时间最晚;江西北部极端降水结束时间最早,浙江东部最晚。

    本文分析的中国南方区域主要是我国东部偏南的华南和江南两个雨带的区域,其雨季非常长,降水和极端降水的成因和机制也非常复杂,Tao 和Chen (1987)研究表明西太平洋副高、南亚高压、欧亚中高纬阻塞和切断、东亚副热带西风急流等均是影响中国南方地区降水的环流系统,这两个区域的降水也受南海季风和东亚副热带季风系统的共同影响。但本文仅对这两个区域60 a极端降水量、极端降水频次和极端降水开始、结束时间等变化特征进行了分析和阐述。文中结论表明两个区域极端降水量增加,总体开始时间平均每10 a提前2 d、结束时间平均每10 a延后近2 d。就极端降水发生时间而言,60 a来延长了近一个月(约24 d),这是气候变暖的结果,或是环流异常变化的结果,值得进一步关注和研究。

  • 图  1   中国南方七省206个站点(黑色圆点)的空间分布

    Figure  1.   Distribution of 206 meteorological stations (black dots) in seven provinces of southern China

    图  2   1961—2020年中国南方的夜间(a)、白昼(b)和全天(c)极端降水阈值(单位: mm·d−1)的空间分布

    Figure  2.   The spatial distribution of (a) nighttime, (b) daytime and (a) all-day extreme precipitation thresholds over southern China from 1961 to 2020 (unit: mm·d−1)

    图  3   1961—2020年中国南方夜间极端降水量(a)和频次(b)、白昼极端降水量(c)和频次(d)、全天极端降水量(e)和频次(f)的60 a平均值(填色)和变化趋势(a)

    Figure  3.   The 60-year average climate mean (colouring) and changing trend of nighttime extreme (a) precipitation and (b) frequency, daytime extreme (c) precipitation and (d) frequency, all-day extreme (e) precipitation and (f) frequency in southern China during 1961-2020

    图  4   1961—2020年中国南方206个站点平均的夜间(a)、白昼(b)、全天(c)极端降水量和频次的年际变化

    Figure  4.   The interannual changes of (a) nighttime, (b) daytime and (c) all-day precipitation and frequency of mean extreme precipitation for 206 meteorological stations in the southern China during 1961-2020

    图  5   1961—2020年中国南方夜间极端降水开始(a)和结束时间(b)、白昼极端降水开始(c)和结束时间(d)、全天极端降水开始(e)和结束时间(f)的60 a平均年日序(填色,将降水日期转为年日序数,以1月1日为第1 d,1月2日为第2 d,依此类推,12月31日为第365 d,依据实际观测数据得到各站点降水资料日序数的时间序列)和变化趋势(a)

    Figure  5.   The 60-year average annual order (Shaded, the precipitation date is converted into a chronological order. January 1st is the first day, January 2nd is the second day, and so on. December 31st is the 365th day. Based on actual observation data, the time series of the chronological order of precipitation data at each station are obtained) and changing trend of (a) onset and (b) end of nighttime extreme precipitation , (c) onset and (d) end of daytime extreme precipitation , (e) onset and (f) end of all-day extreme precipitation in southern China during 1961-2020

    图  6   1961—2020年中国南方206个站点平均的夜间极端降水开始(a)和结束时间(b)、白昼极端降水开始(c)和结束时间(d)、全天极端降水开始(e)和结束时间(f)的年际变化

    Figure  6.   The interannual changes of the (a) onset and (b) end of nighttime extreme precipitation , (c) onset and (d) end of daytime extreme precipitation, (e) onset and (f) end of all-day extreme precipitation over the southern China region from 1961 to 2020

    表  1   中国南方206个站点夜间、白昼及全天极端降水量、频次增加和显著增加的站点占比

    Table  1   The proportion of 206 meteorological stations with increasing nighttime, daytime and all-day extreme precipitation and precipitation frequency in southern China


    时段
    极端降水量 极端降水频次
    P1/% P2/% F1/% F2/%
    夜间 72 19 73 16
    白昼 73 22 71 20
    全天 80 19 80 20
    注:P1P2分别表示极端降水量增加、显著增加的站点占比;F1F2分别表示极端降水频次增加、显著增加的站点占比。显著增加表示通过a=0.1显著性水平检验。
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    表  2   中国南方地区夜间、白昼、全天极端降水量(P)和频次(F)的变化趋势

    Table  2   The change trends of nighttime, daytime and all-day extreme precipitation and frequency in southern China

    时段P/(mm ·10 a−1)F/(次 ·10 a)−1)
    夜间6.2*0.10*
    白昼6.9*0.11*
    全天13.4*0.16*
    注:*表示通过a=0.05显著性水平检验。
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    表  3   中国南方极端降水夜间、白昼、全天开始时间提前和显著提前、结束时间延后和显著延后的站点占比

    Table  3   The proportion of stations in southern China where the onset time of nighttime, daytime and all-day extreme precipitation is earlier, the end time is later and the 0.1 significant level test is passed

    时段 开始时间 结束时间
    E1/% E2/% L1/% L2/%
    夜间 67 10 60 8
    白昼 66 12 63 15
    全天 68 17 67 13
    注:E1E2 分别表示极端降水开始时间提前 、 显著提前的站点占比 ;L1L2 分别表示极端降水结束时间延后 、 显著延后的站点占比。显著提前或延后表示通过a=0.1显著性水平检验。
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    表  4   中国南方极端降水夜间、白昼及全天开始时间、结束时间的年变化趋势(单位:d·(10 a)−1)

    Table  4   The annual trend of onset and end time of nighttime, daytime and all-day extreme precipitation in southern China (unit: d·(10 a)−1)

    时段开始时间趋势结束时间趋势
    夜间−1.40.7
    白昼−1.6*1.4
    全天−2.0*1.8
    注:*表示通过a=0.05显著性水平检验。
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图(6)  /  表(4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-09-25
  • 录用日期:  2024-01-29
  • 网络出版日期:  2025-03-11

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