中国极端降水事件综合特征：基于小时降水观测的事件导向分析

《Weather and Climate Extremes》：Comprehensive characteristics of extreme precipitation events in China: An event-oriented analysis based on hourly precipitation observation

　　

随着极端降水事件（Extreme Precipitation Events, EPEs）在全球范围内加剧并引发级联灾害，提升对其特征的综合理解对于风险评估和减灾至关重要。然而，先前的大多数研究依赖于基于站点和/或日尺度的分析，对源自小时降水观测的EPEs从事件导向视角的关注有限；因此，其基本特征——如空间组织、水平异质性、生命周期演变和传播行为——仍缺乏深入理解。本研究利用一个时空追踪框架，应用于中国43年（1981–2023）的小时雨量计数据，对EPEs进行了全面的基于事件的分析。大约50.4%的站点级极端事件嵌入于有组织的、传播的系统中，这一比例在华北和长江流域超过70%，突显了连贯雨带结构相对于孤立对流的主导地位。总EPE频率以约1.0个事件/年（event yr^-1）的速度显著增加，其中大部分增长趋势由较短生命期事件（<24小时；约0.9个事件/年）贡献。相比之下，较长生命期事件（≥24小时）虽然频率较低，但表现出更大的空间范围、更高的强度以及更可能产生接近历史记录的降雨。EPE生命周期明显不对称，表现为快速增强后缓慢衰减。运动分析揭示了主导的东向传播（约30公里/小时）以及一个阶段依赖的转变，即衰减阶段向北运动增强，这可能与来自大尺度环流（包括西太平洋副热带高压（Western Pacific Subtropical High, WPSH））日益增强的影响有关。这些结果为理解EPE演变以及改进预报和风险管理提供了一个稳健的、基于观测的基准。

### 论文解读：基于小时降水观测的中国极端降水事件综合特征研究

#### 1. 研究背景与问题

在全球变暖的背景下，极端降水事件（Extreme Precipitation Events, EPEs）的频率和强度在全球范围内显著增加，并由此引发洪水、滑坡和泥石流等级联灾害，造成严重的社会经济损失。因此，深入理解EPEs的机制和影响对于科学研究和减灾至关重要。中国地处东亚季风区，受复杂地形和多尺度天气系统交互作用影响，是EPEs的高脆弱区。以往研究多基于日尺度降水数据，虽然揭示了极端降水的长期趋势和空间分布，但日尺度数据会平滑掉次小时（sub-daily）的极端峰值，无法捕捉对流系统的快速演化和峰值强度。此外，大部分研究采用基于固定站点的欧拉（Eulerian）方法，难以刻画移动雨带的空间组织、传播行为和生命周期演变。尽管已有研究利用事件导向（event-based）方法在某些区域或针对特定类型（如持时≥24小时）的极端事件进行了分析，但全国范围内基于小时雨量计观测、对EPEs的组织性、传播特征及生命周期演变的系统量化研究仍然缺乏。因此，本研究旨在回答两个核心科学问题：(1) 站点级小时极端降水是如何组织成连贯的EPE系统的？这些EPEs的区域差异和长期趋势如何？(2) 有组织的EPEs如何在其生命周期内传播和演变？

#### 2. 主要研究方法

研究人员利用中国气象局（China Meteorological Administration, CMA）国家气象信息中心（National Meteorological Information Center, NMIC）提供的1981–2023年暖季（5–9月）共43年的小时降水观测数据，覆盖最终筛选的1935个气象站。研究方法的核心是开发了一个客观的、空间约束的聚类和追踪算法，该算法包括三个主要步骤：(1) 雨带识别：基于降水强度阈值（>0.8 mm h^-1）和空间邻近阈值（<100 km）将站点聚类成雨带特征，仅保留水平面积≥5000 km²的雨带用于追踪；(2) 时空追踪：通过双向程序，利用重叠率（Overlap Ratio, OR）>0.5的条件，将相邻时间步的雨带连接成连续的事件轨迹；(3) 极端降水事件定义：将持续至少3小时的连续雨带序列定义为一个EPE。基于追踪结果，站点级极端降水被分为系统性（纳入追踪EPE）和非系统性（未纳入EPE）两类。为分析大气环流背景，研究人员还使用了欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF）的ERA5再分析资料，并计算了夏季风指数和西太平洋副热带高压（Western Pacific Subtropical High, WPSH）强度与面积指数。

#### 3. 主要研究结果

**3.1. 站点级极端降水事件（SEPEs）的基本气候特征**

* **空间分布与影响因素**：SEPEs的平均强度、频率和总量均呈现从东南向西北递减的梯度，与地表温度、对流有效位能（Convective Available Potential Energy, CAPE）和总柱水汽（Total Column Water Vapor, TCWV）等热力与水分条件的空间分布高度相关。其中，强度与地表温度（r=0.80）和CAPE（r=0.77）相关性最强，而频率与TCWV（r=0.42）和水汽通量辐合（r=-0.31）相关性更强，表明不同特征受控于不同的环境因素。

**3.2. 系统性SEPEs与非系统性SEPEs的对比**

* **主导性与区域差异**：全国约50.4%的站点级极端事件属于系统性SEPEs。在华北和长江流域，这一比例超过70%，表明这些地区的极端降水主要由有组织的系统（如梅雨锋、低空急流）驱动。
* **强度与历史记录**：系统性SEPEs的降水强度分布显著高于非系统性事件。在1981–2023年各站点的历史最大小时降水记录中，47.5%来自系统性事件，且其强度分布也显著更强，尤其在华北地区，几乎所有站点的历史记录都来自系统性事件。

**3.3. 极端降水事件（EPEs）的特征与生命周期演变**

* **长期趋势与环境关联**：1981–2023年暖季EPEs的总频率呈显著增加趋势，约每年增加1.0个事件。该趋势与地表温度、WPSH强度和面积呈显著正相关，与东亚夏季风指数呈显著负相关，表明地表增暖、WPSH增强和夏季风加强共同有利于EPEs的频发。
* **空间分布与贡献**：EPEs的累积降水量和持续总时长在中下游长江流域最高，其次为四川东部和陕西中部。在华北和长江中下游地区，EPEs对暖季总降水的贡献可达60%，显示出其不仅是灾害来源，也是年水资源预算的关键组成部分。
* **短生命期与长生命期EPEs的对比**：短生命期EPEs（<24小时）的频率显著增加（约0.9个事件/年），主导了总EPE的增长趋势。而长生命期EPEs（≥24小时）虽然频率较低且无显著趋势，但其影响面积、最大强度、平均面降水量和最大累积降水量均显著更大，并且其峰值强度更接近站点历史记录，表明其具有更高的单次事件致灾潜力。
* **面积演变**：EPEs的生命周期以最大强度时刻为界，在发展期面积快速扩张，在衰减期系统性收缩，且发展期的扩张速率显著高于衰减期的收缩速率，显示出生命周期的非对称性。
* **持续时间**：所有EPEs的生命周期呈不对称性，衰减期的平均持续时间（中位数3小时，均值5.5小时）显著长于发展期（中位数2小时，均值4.7小时），表明衰减过程更为缓慢。然而，对于长生命期EPEs，其发展期和衰减期的持续时间则相对对称。
* **传播速度与方向**：EPEs总体以约30 km h^-1的速度向东传播，这符合中纬度西风带背景流场。短生命期EPEs传播速度更快，而长生命期EPEs更趋于准静止。在经向运动上，所有EPEs在发展期呈弱的向南或准静止状态（中位数v≈-0.1 km h^-1），而进入衰减期后则显著转变为向北运动（中位数v≈1.2 km h^-1）。ERA5合成分析表明，这一向北运动与西太平洋副热带高压（WPSH）西侧和北侧的暖湿偏南气流引导有关。
* **长生命期EPEs生命周期合成**：对长生命期EPEs的归一化生命周期分析显示，其雨带面积先快速扩张，在生命周期的40%达到峰值，随后缓慢衰减，呈“增长-成熟-衰减”的抛物线模式。瞬时最大降水强度稍晚于面积达到峰值（在50%-60%），而瞬时平均雨带强度在大部分生命周期内（约10%-80%）保持相对稳定，仅在末期显著下降。

#### 4. 结论与讨论

本研究通过应用时空追踪算法，利用中国43年小时雨量计观测数据，首次在全国尺度上量化了有组织的移动降水系统如何贡献于小时极端降水及其生命周期演变。主要结论包括：约50.4%的站点级极端降水事件嵌入于有组织的移动系统中，在华北和长江流域尤为突出；总EPE频率显著增加，主要由短生命期事件驱动，而长生命期事件尽管频率较低，但具有更大的致灾潜力；EPEs主导东向传播，且其生命周期表现出不对称性，发展期快速扩张，衰减期缓慢收缩并伴有向北的转向。研究结果提供了一个基于观测的基准，可用于评估网格化产品、再分析和模式模拟中EPEs的组织、传播和生命周期演变，并有助于改进极端降水预报和风险管理。研究也指出，在国境边界附近站点稀疏区域，系统性事件可能被误分类为非系统性事件，未来研究可结合高分辨率再分析、雷达观测和对流允许模式等进一步探讨EPEs的天气学成因和演变机制。