过去60年中国年降水量和季节性降水极值的异质变化模式

《International Soil and Water Conservation Research》：Heterogeneous patterns of change for annual and seasonal precipitation extremes in China over the past 60 years

中国降水极端事件时空变化与区域异质性研究（摘要）： 本研究基于2418个气象站1961-2022年数据，运用11个降水极端指数揭示：全国降水极端事件总体增强，西北地区冬季极端降水增幅达国家均值15倍，西南和华南出现干燥化趋势。空间异质性显著，西南和华南干燥化与重暴雨并存，西北和东北地区湿润加剧。季节分析显示DJF（12-02月）极端降水增幅最显著，MAM（03-05月）和SON（09-11月）部分时段出现减弱。CDD（连续无雨日）和CWD（连续多雨日）的空间分异为研究提供了新视角，西北地区CWD增幅达10.22天/十年，而华南CDD增幅达1.56天/十年。研究证实全球变暖背景下中国降水极端事件呈现时空异质性和区域极值特征，对防灾减灾具有重要指导意义。

　　
中国降水极端事件时空演变特征及区域差异研究

摘要
本研究基于中国气象局1961-2022年2418个地面气象观测站数据，系统分析了降水极端事件的时空演变规律及其区域差异特征。采用11个降水极端指标，发现全国范围内降水极端事件呈现整体增强趋势，但存在显著空间异质性。冬季（12-2月）极端降水事件强度增幅达年均1.47天，较全国平均水平快14倍；西北地区（含青藏高原）的降水极端事件增速超过全国均值，呈现"加速效应"。华南和西南地区则表现出干旱化趋势，其中西南地区重特大降水事件比例提升达3.8倍。研究结果揭示了全球变暖背景下中国降水极端事件演变的新模式，为灾害防御和水资源管理提供科学依据。

1. 研究背景
全球变暖导致大气水汽含量增加，已有研究证实极端降水事件频率和强度普遍上升（IPCC, 2023）。中国作为全球最大的季风区，其降水时空分布特征对区域气候系统影响显著。尽管前人研究揭示了夏季降水极端事件增加（Zhang et al., 2021），但存在三方面不足：一是多依赖遥感数据存在系统性偏差（Beck et al., 2019）；二是研究时段集中于2010年代，缺乏长时间序列（An et al., 2023）；三是缺乏对非夏季时段（尤其是冬季）的系统性研究。本研究通过构建全国性地面观测数据集，填补上述研究空白。

2. 研究方法
2.1 区域划分
采用Shi & Xu（2007）提出的八区划方案：东北（1）、华北（2）、江淮（3）、华南（4）、西南（5）、青藏高原（6）、西北西部（7）、西北东部（8）。这种划分既考虑地形差异（如青藏高原3000米以上高海拔区），也兼顾气候系统特征（如季风区与非季风区分界）。

2.2 数据处理
原始数据包含2481个站点记录，经严格清洗后保留2418个有效站点数据。清洗标准包括：单站缺失率>10%剔除，单年缺失率>50%剔除，连续缺记录>30天剔除。特别处理了站点空间分布不均问题，采用空间加权平均法确保各区域统计代表性。

3. 研究结果
3.1 年尺度变化特征
- 整体增强：全国年均极端降水日数增加1.67天/10年（p<0.05），其中R95p（>95%分位数降水日数）增幅最大（7.3天/10年）
- 区域分化：西北（7区）和青藏高原（6区）增幅达全国平均14-15倍，华南（4区）和西南（5区）出现干旱化趋势
- 指标分化：强度指标（R95p, R99p）增幅显著（年均2.1mm/10年），而频数指标（R10mm, R20mm）增速更快（年均1.47天/10年）

3.2 季尺度演变规律
- 冬季（DJF）增幅最显著：所有区域中，DJF时段极端降水指标增幅达年均3.8倍，其中西北地区DJF时段R20mm（>20mm日降水）日数增加14.2天/10年
- 夏季（JJA）表现分化：江淮（3区）和华南（4区）极端降水日数下降，但强度指标上升
- 春秋季过渡带（MAM/SON）呈现波动性变化，与季风系统调整密切相关

3.3 空间异质性表现
- 湿润区（1、3、6、7、8区）：连续多雨日（CWD）增加，其中青藏高原（6区）CWD增幅达年均0.21天/10年
- 干旱区（4、5区）：连续干旱日（CDD）增幅达年均1.56天/10年，但西南（5区）同时出现极端降水日数增加（R95p+19.8%）
- 特殊区域（8区）：冬季极端降水强度增速达年均3.2mm/10年，超过全国均值21倍

4. 机理分析与讨论
4.1 大气环流影响
西北地区（7区）的加速变化与西伯利亚高压北抬幅度增加相关（Chen et al., 2016）。青藏高原（6区）的增强趋势与印度洋偶极子（IPO）正相位事件增多有关（Xu et al., 2019），该区冬季降水强度增幅达年均4.8mm/10年。

4.2 气候系统相互作用
华南（4区）干旱化与CP ENSO（中太平洋厄尔尼诺）事件频发相关（Zhao et al., 2022），导致东亚季风降水带南压。西南（5区）降水类型转变（轻→中→重）与大气可降水汽量增加有关，但地表水汽通量存在季节分配不均问题。

4.3 数据可靠性验证
通过对比ERA5再分析数据（An et al., 2023）发现，地面观测数据低估极端降水日数（偏差约-0.3天/10年），但更准确反映强度变化（偏差+0.15mm/10年）。与CHM Precipitation dataset（Hu et al., 2024）对比显示，本研究对北方地区R95p（>95%分位数日降水）的评估更接近实际观测。

5. 关键发现与启示
5.1 四大时空演变模式
1) 冬季加剧模式：西北地区DJF时段极端降水强度年均增长达3.8倍（R20mm日数+14.2天/10年）
2) 南北分异模式：秦岭-淮河一线北侧（1、2、7区）湿润化，南侧（3、4、5区）出现干旱化与强度增加并存
3) 降水类型转变模式：西南（5区）60%站点显示降水类型从轻（<10mm）向重（>34.27mm）转变
4) 区域加速度差异：西北（7区）和青藏高原（6区）极端降水增速达全国均值15-20倍

5.2 灾害风险新特征
- 洪涝风险：西北地区暴雨（R20mm）频率增加与河道行洪能力下降形成叠加效应
- 干旱风险：华南地区连续干旱日数增加（CDD+1.56天/10年）与极端降水日数减少（R10mm-4.39天/10年）形成矛盾
- 混合灾害风险：西南地区出现"干旱中突发暴雨"的复合型风险，2021年成都地区暴雨期间 concurrent干旱日数达17天

5.3 方法论创新
1) 构建"站点数据+区域划分"双验证体系，通过8个气候区对比消除地理共线性影响
2) 开发PMP（可能最大降水）动态评估模型，结合历史最大降水事件（1961-1990）与当前气候情景（1991-2022）对比
3) 引入"降水类型转变指数"（DPI），量化轻→中→重降水比例变化

6. 研究展望
6.1 数据深化方向
- 增加青藏高原雪水观测点（当前仅占样本量3.2%）
- 开发多源数据融合算法（地面+卫星+雷达）
- 建立区域尺度降水极端事件数据库（分辨率0.1°×0.1°）

6.2 机理研究重点
- 气溶胶辐射效应与水汽输送的耦合作用
- 季风内区动力过程对极端降水的触发机制
- 植被-大气-降水反馈机制（如植被覆盖度对水汽循环的影响）

6.3 应用延伸
- 开发"降水极端性时空指数"（PESI）预警系统
- 建立区域差异化风险评估模型（西北暴雨/华南干旱）
- 制定"轻→中→重"降水类型转换应对预案

本研究证实中国降水极端事件呈现"西北强、华南弱、西南变、东部急"的时空格局特征。西北地区暴雨频率与强度增幅达全国平均15倍，而华南地区则出现"干旱化与暴雨化并存"的复杂态势。这些发现挑战了传统"干区更干、湿区更湿"的全球模式，揭示季风区特有的降水极端性演变规律。建议后续研究应加强跨区域大气过程模拟，特别是青藏高原水汽通道与西北干旱化的耦合机制。