基于事件的地中海山地—平原系统极端日降雨量的空间结构与极值相依性

《Atmospheric Research》：Event-based spatial structure and extremal dependence of extreme daily rainfall across a Mediterranean mountain–plain system

　　

•一个日尺度场框架将事件几何结构与有限阈值依赖性联系起来。
•区域极端事件按共发性、持续性和移动性进行排序。
•随着降雨阈值变得更加极端，距离衰减效应增强。
•地形载荷具有事件特异性，不存在通用的海拔效应。
•排序对阈值、缺失和站点排除具有鲁棒性。

引言

极端日降水不能完全通过单点最大值来表征。短暂的局部暴雨可能引发破坏性的山洪暴发，而较慢的天气系统可能同时影响多个源头和低地集水区，即使其最大站点总量相当，也能产生广泛且持续的水灾。在地中海山地-平原地区，这种区别尤为重要，因为陡峭地形的短响应时间与大型冲积平原、密集的基础设施和集约化农业用地并存。在观测上也同样重要：年最大值和常规趋势指数保留了一个地点的强度信息，但丢弃了产生该值的降水场的共发性、空间范围、持续性和移动性（Sivapalan和Bl?schl, 1998；Syed等, 2003；Ramos等, 2005）。

降雨网络设计和降雨的空间依赖性长期以来一直是核心的水文问题（Eagleson, 1967；Rodríguez-Iturbe和Mejía, 1974；Neppel等, 1997）。近期研究将该基础从孤立站点极端值扩展到同步强降水事件及其空间尺度。基于站点的工作检验了极端降水指数的时空一致性和区域化（Ricetti等, 2025），而其他分析表明极端日降水的足迹因季节和水文气候格局而变化很大（Touma等, 2018），并表现出逐个站点汇总无法揭示的协同空间组织（Najibi等, 2020）。基于事件的研究检查了持续性过程（Yang等, 2024），近期的统计工作将降水范围本身作为极端量处理，并发展了空间事件的持续性和超水平集描述（de Fondeville和Davison, 2018, de Fondeville和Davison, 2022；Zhong等, 2025；Oesting和Huser, 2026；Cotsakis等, 2026）。这些发展有两个实际含义。当日观测值应保留在其原始时间分辨率上，当问题涉及事件组织时；边缘降雨格局必须与站点间依赖性分开：50毫米/日的降雨在湿润山地站点和干旱平原站点代表的稀有程度不同。

地中海是这类分析尤其苛刻的环境。复杂的地形组织水汽抬升和降水，但控制因素因天气系统类型、持续时间和空间尺度而异（Formetta等, 2022；Banerjee等, 2023；Xie等, 2025）。气候变暖正在加剧水循环和最异常的降水事件，尤其是在短持续时间方面，尽管频率、季节性和空间组织的变化并不均匀（Myhre等, 2019；Papalexiou和Montanari, 2019；Fowler等, 2021；Zittis等, 2021）。因此，灵活的事件框架优于假设单一过程类别或不变的依赖结构。当前的空间极端理论也告诫不要自动地将渐近极大稳定模型拟合到有限观测阈值；经验诊断和阈值敏感性仍然至关重要（Huser和Wadsworth, 2022；Huser等, 2025；Vandeskog等, 2024）。

这些问题在希腊中部的色萨利地区尤为相关，那里皮尼奥斯平原在水文和观测上与品都斯山脉、阿格拉法山脉、奥林波斯-奥萨山脉和佩利翁山脉边缘的源头和山地扇区相连。该地区发生了多次严重降雨和洪水事件，但其降水场尚未在统一处理过的区域雨量计目录中进行比较。地理环境、文献事件名称的使用和重现期解释的局限性在第2.1节中描述。

操作性雨量计档案可以填补这一空白，但只有在经过格外仔细的处理之后才行。手动记录可能包含中断符号、日/月转录差异、既表示无雨又表示无观测的零值，以及观测者实践的变化。雨量计质量控制研究强调内部一致性和空间比较，而非孤立的合理性阈值（Lewis等, 2021；O?ródka等, 2025），而基于观测的降雨制图仍然对网络密度和空间采样敏感（Daly等, 2021）。缺失性是空间结构化的，当事件由网络的极端比例定义时，这变得尤为关键。独立应用于原始降水的齐次性检验也可能将真正的区域变异性误认为人为断点。在做出强有力的结论之前，需要相对参考序列、尊重季节性和序列依赖性的重采样、多重检验校正和明确的排除实验（Kuya等, 2022；Domonkos, 2024）。

未解决的问题是比较性的而非描述性的。Daniel、Ianos和Elias各自被作为独特的天气或水文案例进行检查，但他们的降水场尚未在由相同雨量计观测和相同规则处理的共同区域总体中被定位。第二个空白存在于事件气候学和空间极端推断之间。事件目录通常描述强度和持续时间，而依赖研究通常丢弃事件身份。因此，我们对同一个日档案是否能同时揭示个别区域极端事件的几何结构和反复共同超越的距离-地形结构的了解要少得多。

我们通过将区域极端降水场而非最大站点值作为主要观测单位来解决这一空白。核心假设是，具有相似点最大值的事件可能施加非常不同的区域降水载荷，因为它们的共发性、持续性、地形占据和事件内位移不同。这一假设引出了三个相互关联的检验：异质性操作档案在明确处理结构零值和可能的不连续性后能否支持可辩护的事件总体；所选命名事件是否在该总体中占据不同的位置；以及在尊重成对数据共享站点性质后，有限阈值依赖性是否表现出可重复的距离、海拔和方向结构。

方法论的进展是在一个日尺度场框架内整合了四个通常分开处理的证据层面：档案级质量控制和相对齐次性、季节标准化事件几何结构、逐事件地形载荷和成对有限阈值依赖性。这种耦合在估计反复共同超越的距离-地形结构的同时保留了个别事件的特征和移动性。边缘稀有度与空间共发性被分开处理，缺失网络支持保持明确，每个主要事件解释都受到阈值、覆盖率、零值处理、边缘尾部和站点移除扰动的挑战。该研究的贡献是对极端降水组织的观测表征，而非对个别天气系统的动力学归因。它不估计径流、淹没概率或洪水重现期。这些边界使推断与日雨量计观测相称，同时保留了点最大值丢弃的信息。

色萨利山地-平原环境

该网络在希腊中部跨度约149公里（东西向）和102公里（南北向）（图1）。我们以严格地理和观测意义上使用"山地-平原系统"：雨量计连接了低地冲积皮尼奥斯平原和盆地底部环境与品都斯山脉、阿格拉法山脉、奥林波斯-奥萨山脉和佩利翁山脉边缘的山麓和源头扇区。海拔从Sotirio的55米到Pertouli的1142米。海拔低于300米的站点代表主要低地和盆地底部……

分析设计与可重复性

分析遵循六个有序阶段（图2）：(i) 档案解析和站点-月份质量控制；(ii) 邻近相对齐次性诊断；(iii) 站点和季节特定的边缘标准化和区域事件构建；(iv) 事件几何结构、地形占据和逐事件海拔载荷；(v) 有限阈值空间依赖性和全年自助法与站点标签排列推断；以及(vi) 涵盖阈值、覆盖率、零值的鲁棒性分析……

数据质量和相对齐次性

站点-月份审核检查了7151条记录（表1），包括264个高置信度结构零值月份、93个中等案例和86个其他排除月份。

相对检验产生了十个审核候选者和十七个没有强烈不连续性证据的站点。没有站点满足更严格的要求，即至少两个经过错误发现率校正的检验在18个月内定位到一个一致断点。在图3b中，每个审核候选者占据单独一行；其水平位置是……

日雨量计场保留的空间信息

核心结果是方法论和物理性的。日站点记录保留了一种年最大值、气候指数和单调趋势无法体现的极端降水维度：多大比例的区域同时异常，哪些地形扇区参与，以及异常降水的中心如何在报告日之间移动。Daniel和Ianos使这种区别具体化。他们的网络点最大值差异不到3%，但Daniel的持续时间超过两倍以上，涉及六个……

结论

27个色萨利水务局雨量计的筛选记录产生了123个区域极端降雨事件的质量控制目录。档案结构是重要的：264个报告为零值的月份与邻近降雨不一致，被作为缺失处理，而相对齐次性分析识别出十个站点需要审核，但在错误发现控制后未发现一致的多重检验断点。将这些不确定性传播到事件分析中，而非进行校正……

生成式AI和AI辅助技术在稿件准备过程中的声明

在准备本稿件期间，作者使用OpenAI ChatGPT仅用于改进语言和可读性。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

CRediT作者贡献声明

Stefanos P. Stefanidis：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，监督，软件，资源，项目管理，调查，形式分析，概念化。

Nikolaos D. Proutsos：写作 – 审阅与编辑，可视化，验证，项目管理，方法论，调查，形式分析，概念化。

伦理声明

作者未从参与者或其法定代表处获得知情同意。不适用。本研究不涉及人类参与者、个人数据或任何涉及人类受试者的干预；因此，不需要知情同意。

本研究遵循研究所在地的相关法律、法规框架和指南进行。

根据相关法律和机构指南，不需要伦理委员会批准。伦理……

资助

本研究得到希腊绿色基金的财务支持，项目编号为EP/3/2025/04-06-2025，在"森林保护与增强 – 应用研究与科学委员会（绿色基金技术援助）"优先领域下实施。受益方为希腊环境与能源部森林与森林环境总局，项目由希腊农业组织（ELGO–DIMITRA）执行。研究项目：TorRes "An inventory"

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

作者感谢色萨利水务局、色萨利和中部希腊去中央化管理处，提供日降雨档案和站点元数据。

Stefanos P. Stefanidis | Nikolaos D. Proutsos