强降雨

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华南强降雨频次时空分布

1引言

近年来，气候变暖背景下，极端强降水事件造成的灾难越来越大，

引起普遍关注，很多科学家对极端强降水事件的强度和频率转变特征进

行了商量。Zhai等[1]商量了中国极端强降水50年来的转变趋势，觉

察在我国西部地区、长江流域和东南沿海地区有上升趋势，而华北和四

川盆地有显著减弱的趋势；一些商量觉察，最近50年，我国华北地区

的年降水量明显趋于削减[2－3]，在年降水量趋向削减的地区，极端强

降水事件频率一般也趋于削减[4]；杨金虎等[5]觉察西北地区6个分区

近45年逐年汛期极端强降水事件的发生频次转变趋势各不相同，其中

北疆区、南疆区、青海高原区及河套区表现为较明显的增长趋势；邹用

昌等[6]商量觉察，长江中下游、西北地区北部和西南地区西部年极端

强降水过程频数呈现趋势性增加，华北等地区呈现趋势性削减；闵屾等

[7]觉察：长江以南地区夏季极端强降水的区域性与持续性均较好，简

洁导致区域性洪涝灾难的发生，而东南沿海冬季极端强降水的区域性

与持续性均较好。华南处于对气候转变敏感的南海季风区，下垫面类

型冗杂多样，海-陆-气交换剧烈，极端强降水频繁。近年来，华南地

区由极端强降水造成的洪涝灾难频繁发生，造成了严重的经济损失，

因此分析商量华南极端强降水的时空分布特征、发生频率和强度的转

变，对灾难防御和应急管理具有特殊重要的意义。目前已有许多关于

华南地区降水的商量[8－13]，但这些商量多集中在降水气候平均态的

转变方面，对极端强降水事件的分布特征及其转变商量较少。本文利

用华南地区近50年的逐日降水资料，商量其极端强降水频次时空分布

特征和转变趋势，以期为华南地区极端强降水预报和影响评估、降低

极端强降水造成的损失提供参考依据。

2资料和方法

所用资料为华南(指广东、广西、海南三省区，下同)196个气象

观测站1961—2021年逐日降水观测资料。由于华南地区有部分站点是

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在1960年月后才建站，并且在1980、1990年月后，由于观测环境被破

坏，一些站点进行了搬迁，因此，为保证资料开始时间的一致性以及考

虑到资料的稳定性和代表性，在选择代表测站时，选用1961年后建站

且48年中无缺测资料的测站，同时剔除48年中站址变动2次以上的测

站，然后对符合以上条件测站的资料，运用单站资料序列t检验法进行

均一性检验，最终通过检验的站点共有110个。以这110个站点1961

—2021年共48年的逐日降水量作为基本商量资料。依据我国目前业务

规定，把日降水量超过50mm的降水事件称为暴雨，把日降水量超过25mm

小于50mm的降水事件称为大雨。由于极端气候事件发生具有很强的地

区差异，接受同一的尺度来定义极端气候事件，可能出现部分地区极端

气候事件过于频繁，而另外一些地区极端气候事件极少发生[14]，所以

根据各地的状况确定极端事件的阈值对商量更有实际意义。因此，本文

尝试按目前国际上流行的百分位法，根据每一个测站的日降水量定义极

端强降水事件的阈值，具体方法[15]是：把1971—2000年逐年日降水

量序列的第95个百分位值的30年平均值定义为极端强降水事件的阈

值，当某站某日降水量超过该阈值，就认为该站该日出现了极端强降

水事件。

假如以表示极端强降水事件的气候趋势系数，则年极端强降水日

数的趋势定量转变可用一次线性方程表示，即：xy=a0+a1y(y=1，2，3，，

n)(2)其中将a110称为气候倾向率。本文用百分位法确定出所选110

个站点的极端强降水事件阈值，用公式(1)、(2)计算极端强降水事件

的气候倾向率转变趋势，并运用M-K非参数统计检验法，正交函数分

解(EOF)、旋转阅历正交函数分解(REOF)等方法对极端强降水事件进行

检测，揭示华南地区极端强降水事件的时空演化特征。

3极端强降水频次的空间分布特征

3.1阈值和极端强降水频次的空间分布

图1a给出了华南极端强降水事件阈值和极端强降水事件发生频

次的空间分布，华南极端强降水事件阈值在18~44.2mm之间，大致呈

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东南-西北方向、沿海到内陆慢慢减小的分布，阈值大于30mm的区域基

本上分布在华南东南沿海和广西沿海地区，最大东兴站的阈值为

44.2mm，阈值小于25mm的区域主要分布在广西的中西部，其中广西右

江河谷站点的阈值较小，最小百色站仅为18mm。华南极端强降水事件

阈值的空间分布与华南年降水量的分布极为相像，说明极端强降水与年

降水总量的关系特殊亲热，这与王志福等[14]商量得出的结论相像。而

从极端强降水频次分布图(图1b)可以觉察，极端强降水事件发生频次

的分布与阈值的分布有较大的差异。华南地区极端强降水事件发生频次

在16.5～18.9d/a之间，最大和最小相差2.4d/a，较大的地区主要集

中在华南中部，即广西中东部的南宁市和贵港市一带，发生频次大于

18.5d/a以上，最大为上林和桂平，到达18.9d/a，而频次较小的地区

分布在广西的十万大山到左江河谷一带以及百色和河池西北部、广东沿

海、海南的东南角，在16.5～17.5d/a之间，最小为十万大山北侧的上

思16.5d/a。其余各测站极端强降水频次相差较小，分布相对较为均匀。

3.2极端强降水频次的空间异样分布特征

为了分析华南不同区域极端强降水频次的特征，对华南110个站

点1961—2021年逐年极端强降水频次作EOF和REOF分解，利用其载

荷向量和旋转载荷向量分析华南极端强降水频次的空间异样特征。表

1给出了旋转前后EOF和REOF对总方差的奉献率和累积奉献率，旋转

前后的前8个模态累积奉献率就到达了69.5%。图2是华南地区极端

强降水逐年发生频次EOF分解的前三个模态的空间分布，从第1模态

(图2a)分布可以看出，整个华南区域的载荷向量为一致的正值，说明

整个华南地区的极端强降水事件发生表现出一致的同位相转变，这种

转变特征说明华南一般是在同一大尺度天气系统把握之下，出现极端

强降水事件的时间基本一致。而且还可以看出，广西东南部、广东西

北部载荷值较大，说明这些区域极端强降水事件最简洁出现异样。该

模态方差的奉献为32.3%。从第2模态分布(图2b)来看，载荷值零线

基本上把华南区域分为东西两大区域，广东和海南区域的载荷值小于

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零，而广西区域载荷值大于零，极端强降水事件发生频次呈现东西反向

的分布特征，之所以出现这种特征，与华南地区降雨受西太平洋副热带

高压影响特殊大有关[8]，当西太平洋副高位置偏东，海南、广东位于

副高边缘，易受副高边缘偏南气流影响出现降雨，而广西则少雨；当副

高西伸把握华南沿海时，广西处于副高边缘易出现降雨，海南、广东则

因受副高把握而高温少雨。可见西太平洋副高的偏东或偏西导致了华南

东西部出现极端强降水事件的步调不太一致。该模态方差的奉献为

9.3%；而从第3模态分布(图2c)来看，载荷值零线穿越华南中部地区，

基本上把华南分为南北两大区域，极端强降水事件发生的频次呈现明显

的南北反向分布特征。形成这一特征的主要缘由与造成华南强降水的两

个影响系统——冷空气与热带系统有关：华南的北部受北面的系统影响

较大，当受北方冷空气南下影响产生强降水时，假如冷空气较弱，则其

影响区域主要是华南的北部地区，而热带系统影响时，其主要造成强降

水区域是在华南南部地区，对北部的影响则较小，特别从图上可以看出，

海南和雷州半岛载荷值较大，说明这些地方的极端强降水易受南面热

带系统的影响而出现异样。该模态方差的奉献率为8.8%。从方差奉献

率来看，极端强降水日的前3个模态总奉献率已达50.4%，是华南极

端强降水频次分布的3个最主要的空间异样模态。

4极端强降水频次的时间演化特征

4.1年际和年月际转变特征

图3是华南极端强降水频数的月际分布，可以分析华南极端强降

水事件年内各月分布状况，华南的极端强降水事件发生的高峰月为6

月，占全年的18.6%，其次为5月和9月，发生最少的月份为12月和

1月，仅占全年的1.3%。统计说明，华南极端强降水事件夏半年(4—9

月，下同)发生的频次占全年次数的83.7%，而冬半年(10月—次年的

3月)仅占全年次数的16.7%。从各站资料分析来看，华南地区各站的

极端强降水事件夏半年发生的频次各占本站全年次数的63.5%~91.4%，

除万宁、琼中低于70%以外，其余都占70%以上，特别是凌云、天娥和

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深圳超过90%，而冬半年各站的极端强降水事件除万宁、琼中各占全年

次数的35.4%、30.6%外，其余不超过30%，这说明华南的极端强降水事

件主要发生在夏半年，冬半年发生的频率较小，这与事实上华南地区的

降雨特别是强降雨主要出如今夏半年特殊相符。用华南地区110站逐年

的极端强降水频次的算术平均建立区域的逐年平均降水频次序列，分析

华南极端强降水频次的年际和年月际转变。图4是华南年均极端强降水

频次的时间序列及11年滑动平均曲线，华南极端强降水频次具有明显

的年际转变，偏多的年份为1997、1973、1994、2021、2021年，均超

过22d/a，最多年份为1997年为23.7d/a；偏少年份为1963、1991、

1989、2021年，均少于13d/a，最少年份为1963年为11.8d/a，多年

平均频次为17.8d/a。从各年月平均发生次数来看，从1960年月开始

各年月的平均发生次数分别为17.1、18.0、17.4、18.4、20.1d/a，其

中1960年月和1980年月华南极端强降水次数较多年平均值小，说明这

两个年生极端强降水频数相对较少，而进入1990年月以后，极端强降

水频次在增加，特别是进入21世纪以来，前8年的平均频次比前4个

年月的平均频次高，比多年平均值增加了2.3d/a，11a滑动平均也说

明了这一特性，可以看出，从1980年月中后期起，极端强降水频次呈

现由少变多的趋势。

4.2趋势分析

为了分析华南极端强降水频数的转变趋势，分别计算了华南各站

和各站平均的极端强降水频次系列的气候倾向率。结果说明(图5)，

华南区域各站极端强降水频次气候倾向率并不一致，广西中部至广东

西南部的中部、桂东南至雷州半岛、海南中部极端强降水频数呈削减

趋势，气候倾向率在-0.1～-0.5a-1之间，均未通过0.1的显著性检

验，说明减弱趋势不显著；华南其余地区呈增加趋势，其中广东东部

沿海、广西东北部和西北部、海南的西南部增加的趋势较为明显，气

候倾向率都大于0.5d/(10a)，其中饶平、横县、海丰、澄海和宜州的

气候倾向率大于1.0d/(10a)，最大的饶平10年增长率为1.2次，各

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站的趋势系数在0.29～0.35之间，都通过了0.05的显著性检验。华南

各站极端强降水频次的平均序列则呈上升的趋势(图4)，气候倾向率为

0.24d/(10a)，趋势系数为0.14，未到达0.1的显著性检验水平，上升

的趋势不显著。利用M-K方法对其进行突变检验(图6)，可看到序列在

1967年发生了1次增多的突变，但这次增多的突变未通过0.05的显著

性检验，序列在1980年月前期开始有一个波动削减的趋势，1991年开

始又转向波动增多的态势。

5不同区域极端强降水事件特征

为了进一步了解华南地区极端强降水发生频次的次地域特点，本文

对前8个主成分对应的载荷向量进行了旋转，得到6个主要的空间分区

模态，并用REOF各模态对应的时间系数的标准化距平序列和二阶时间

趋势来分析不同区域极端强降水发生频次的年际转变特征(图7a～7f)。

图中阴影区为旋转载荷量确定值大于0.5的区域，当分区模态图中载荷

向量为负值时，对荷载值及所对应的时间系数乘以-1，以便更直观地分

析。

Ⅰ区(图7a)主要位于广东北部及广西中部以东部分地区，旋转载

荷向量大值区集中在粤东地区，载荷确定值最大值为0.86。Ⅰ区48

年来极端强降水发生频次表现为一致较强的增长趋势，1963、1965、

1967、1971和2021年极端强降水事件异样偏少，而1973、1983、1992、

1997和2021年异样偏多。

Ⅱ区(图7b)主要在广西西部地区，旋转载荷向量大值区位于桂中

偏西地区，载荷确定值最大值为0.78。48年来Ⅱ区极端强降水发生频

次呈弱的削减趋势，发生频次异样偏少年为1963、1975、1976、1995

和2000年，异样偏多年为1961、1973、1986、1994和2021年。

Ⅲ区(图7c)位于广西东部及广东西部地区，旋转载荷向量大值区

位于广西东部偏南地区，载荷确定值最大值为0.75。48年来极端强降

水发生频次表现为反抛物线状，转折期在1986年左右，之前呈削减趋

势，之后呈增长趋势。Ⅳ～Ⅵ区主要(图7d～7f)位于广东西部、广西

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东北部及海南省，载荷确定值最大值分别为0.81、0.78、0.79。

Ⅳ区48年极端强降水发生频次呈抛物线状，1987年以前为弱的上

升趋势，1987年以后慢慢呈削减趋势。

Ⅴ区48年极端强降水发生频次呈上升趋势，发生频次异样偏少年

为1965、1966、1969、1984和1986年，异样偏多年为1968、1993、

1994、1999和2021年。

Ⅵ区48年极端强降水发生频次呈缓慢上升趋势。

由于REOF各模态高值中心站点能较好地代表各区域气候特征，下

面分别从各空间分区中选择荷载向量大值站：澄海、靖西、平南、新兴、

三亚、全州作为各个区域的代表站，分析不同区域极端强降水事件的转

变特征及趋势。表2是各代表站趋势系数、气候倾向率及其检验。图8

是用6个气候区代表站的极端强降水频次序列的M-K突变检测结果，6

个代表站中澄海、三亚、全州3站序列发生了显著增多的突变，但发生

突变的时间各不相同：Ⅰ区代表站澄海极端强降水频次的UF(正序)线

(图8a)在1966年开始上升，1980年月初期到达1.96临界值，1990

年月之后持续超过1.96临界线，UF线与UB(反序)线1966年相交，交

点在±1.96之间，可以断定澄海的极端强降水频次在1960年月中期

发生了显著增多的突变。Ⅴ区代表站三亚极端强降水频次的UF线和

UB线(图8e)在1970年相交，UF线1970年月至今为持续的上升趋势，

2000年至今UF线都在1.96值之上，说明三亚的极端强降水频次在

1970年发生了显著增多的突变。Ⅵ区代表站全州极端强降水频次的UF

线和UB线(图8f)在1960年月中期以后呈上升趋势，1990年月初上升

趋势明显，1980年月前期两曲线相交，交点在±1.96之间，说明全州

的极端强降水频次在1980年生了显著增多的突变。而对于其他的3个

区域的代表站，Ⅱ区代表站靖西极端强降水频次的UF线和UB线在1960

年月—1980年月为平稳的波动转变，在1990年月开始呈明显上升趋

势，虽然1996年超过1.96临界值，但UF线和UB线并无相交点，因

此不能确定靖西极端强降水频次发生了突变。Ⅲ区代表站平南和Ⅳ区

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代表站新兴极端强降水频次的UF线呈现阶段性波动转变的趋势，平南

极端强降水频次在1960年月呈上升趋势，1970年月—1990年月初呈下

降趋势，1990年月之后略有上升。新兴极端强降水频次在1960年月前

期呈现波动较小的振动，1960年月末发生了一次增多的突变，转为持

续上升趋势，1990年月末开始呈下降趋势。两代表站极端强降水频次

的UF线转变值都未超出±1.96临界值，它们发生的突变均未通过0.05

的显著性检验。

6结论

(1)华南极端强降水阈值分布呈沿海到内陆慢慢削减的分布特征，

与年降水量的分布较为相像；而极端强降水频次分布则为华南中部较大，

广东沿海和广西西部内陆较小的分布特征。

(2)华南极端强降水频次有3个最主要的空间异样模态，一致性异

样特征是华南极端强降水频次分布的最主要空间模态，而东、西反向和

南、北反向转变模态也是比较重要的异样模态。

(3)华南的极端强降水事件主要发生在夏半年，夏半年极端强降水

频次占全年总频次的83.7%。1960年月和1980年月是极端强降水频次

较少的年月，1990年月特别是进入21世纪后华南极端强降水频次增

加明显。

(4)华南区域各站极端强降水频次气候倾向率并不一致，除中部呈

削减趋势外，其余大部呈增加趋势；华南各站极端强降水频次的平均

序列则呈上升的趋势，但上升趋势不显著，在1980年月前期开始有一

个波动削减的趋势，至1991年开始转向波动增多的态势。

(5)华南极端强降水事件发生频次具有很大的空间差异，可分为具

有不同空间特征的6个主要区域,各个气候区极端强降水发生频次转

变各有特点，其中6个气候区代表站中澄海、三亚、全州3站发生了

显著增多的突变。