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1引言

近年來，氣候變暖背景下，極端強降水事件造成的災害越來越大，引起普遍關注，很多科學家對極端強降水事件的強度和頻率變化特征進行了研究。Zhai等[1]研究了中國極端強降水50年來的變化趨勢，發現在我國西部地區、長江流域和東南沿海地區有上升趨勢，而華北和四川盆地有顯著減弱的趨勢；一些研究發現，最近50年，我國華北地區的年降水量明顯趨于減少[2－3]，在年降水量趨向減少的地區，極端強降水事件頻率一般也趨于減少[4]；楊金虎等[5]發現西北地區6個分區近45年逐年汛期極端強降水事件的發生頻次變化趨勢各不相同，其中北疆區、南疆區、青海高原區及河套區表現為較明顯的增長趨勢；鄒用昌等[6]研究發現，長江中下游、西北地區北部和西南地區西部年極端強降水過程頻數呈現趨勢性增加，華北等地區呈現趨勢性減少；閔屾等[7]發現：長江以南地區夏季極端強降水的區域性與持續性均較好，容易導致區域性洪澇災害的發生，而東南沿海冬季極端強降水的區域性與持續性均較好。華南處于對氣候變化敏感的南海季風區，下墊面類型復雜多樣，海-陸-氣交換強烈，極端強降水頻繁。近年來，華南地區由極端強降水造成的洪澇災害頻繁發生，造成了嚴重的經濟損失，因此分析研究華南極端強降水的時空分布特征、發生頻率和強度的變化，對災害防御和應急管理具有非常重要的意義。目前已有許多關于華南地區降水的研究[8－13]，但這些研究多集中在降水氣候平均態的變化方面，對極端強降水事件的分布特征及其變化研究較少。本文利用華南地區近50年的逐日降水資料，研究其極端強降水頻次時空分布特征和變化趨勢，以期為華南地區極端強降水預測和影響評估、降低極端強降水造成的損失提供參考依據。

2資料和方法

所用資料為華南(指廣東、廣西、海南三省區，下同)196個氣象觀測站1961—2008年逐日降水觀測資料。由于華南地區有部分站點是在1960年代后才建站，并且在1980、1990年代后，由于觀測環境被破壞，一些站點進行了搬遷，因此，為保證資料開始時間的一致性以及考慮到資料的穩定性和代表性，在挑選代表測站時，選用1961年后建站且48年中無缺測資料的測站，同時剔除48年中站址變動2次以上的測站，然后對符合以上條件測站的資料，運用單站資料序列t檢驗法進行均一性檢驗，最后通過檢驗的站點共有110個。以這110個站點1961—2008年共48年的逐日降水量作為基本研究資料。按照我國目前業務規定，把日降水量超過50mm的降水事件稱為暴雨，把日降水量超過25mm小于50mm的降水事件稱為大雨。由于極端氣候事件發生具有很強的地區差異，采用同一的尺度來定義極端氣候事件，可能出現部分地區極端氣候事件過于頻繁，而另外一些地區極端氣候事件極少發生[14]，所以根據各地的情況確定極端事件的閾值對研究更有實際意義。因此，本文嘗試按目前國際上流行的百分位法，根據每一個測站的日降水量定義極端強降水事件的閾值，具體方法[15]是：把1971—2000年逐年日降水量序列的第95個百分位值的30年平均值定義為極端強降水事件的閾值，當某站某日降水量超過該閾值，就認為該站該日出現了極端強降水事件。

如果以表示極端強降水事件的氣候趨勢系數，則年極端強降水日數的趨勢定量變化可用一次線性方程表示，即：xy=a0+a1y(y=1，2，3，，n)(2)其中將a1•10稱為氣候傾向率。本文用百分位法確定出所選110個站點的極端強降水事件閾值，用公式(1)、(2)計算極端強降水事件的氣候傾向率變化趨勢，并運用M-K非參數統計檢驗法，正交函數分解(EOF)、旋轉經驗正交函數分解(REOF)等方法對極端強降水事件進行檢測，揭示華南地區極端強降水事件的時空演變特征。

3極端強降水頻次的空間分布特征

3.1閾值和極端強降水頻次的空間分布

圖1a給出了華南極端強降水事件閾值和極端強降水事件發生頻次的空間分布，華南極端強降水事件閾值在18~44.2mm之間，大致呈東南-西北方向、沿海到內陸逐漸減小的分布，閾值大于30mm的區域基本上分布在華南東南沿海和廣西沿海地區，最大東興站的閾值為44.2mm，閾值小于25mm的區域主要分布在廣西的中西部，其中廣西右江河谷站點的閾值較小，最小百色站僅為18mm。華南極端強降水事件閾值的空間分布與華南年降水量的分布極為相似，說明極端強降水與年降水總量的關系非常密切，這與王志福等[14]研究得出的結論相似。而從極端強降水頻次分布圖(圖1b)可以發現，極端強降水事件發生頻次的分布與閾值的分布有較大的差別。華南地區極端強降水事件發生頻次在16.5～18.9d/a之間，最大和最小相差2.4d/a，較大的地區主要集中在華南中部，即廣西中東部的南寧市和貴港市一帶，發生頻次大于18.5d/a以上，最大為上林和桂平，達到18.9d/a，而頻次較小的地區分布在廣西的十萬大山到左江河谷一帶以及百色和河池西北部、廣東沿海、海南的東南角，在16.5～17.5d/a之間，最小為十萬大山北側的上思16.5d/a。其余各測站極端強降水頻次相差較小，分布相對較為均勻。

3.2極端強降水頻次的空間異常分布特征

為了分析華南不同區域極端強降水頻次的特征，對華南110個站點1961—2008年逐年極端強降水頻次作EOF和REOF分解，利用其載荷向量和旋轉載荷向量分析華南極端強降水頻次的空間異常特征。表1給出了旋轉前后EOF和REOF對總方差的貢獻率和累積貢獻率，旋轉前后的前8個模態累積貢獻率就達到了69.5%。圖2是華南地區極端強降水逐年發生頻次EOF分解的前三個模態的空間分布，從第1模態(圖2a)分布可以看出，整個華南區域的載荷向量為一致的正值，說明整個華南地區的極端強降水事件發生表現出一致的同位相變化，這種變化特征表明華南一般是在同一大尺度天氣系統控制之下，出現極端強降水事件的時間基本一致。而且還可以看出，廣西東南部、廣東西北部載荷值較大，說明這些區域極端強降水事件最容易出現異常。該模態方差的貢獻為32.3%。從第2模態分布(圖2b)來看，載荷值零線基本上把華南區域分為東西兩大區域，廣東和海南區域的載荷值小于零，而廣西區域載荷值大于零，極端強降水事件發生頻次呈現東西反向的分布特征，之所以出現這種特征，與華南地區降雨受西太平洋副熱帶高壓影響非常大有關[8]，當西太平洋副高位置偏東，海南、廣東位于副高邊緣，易受副高邊緣偏南氣流影響出現降雨，而廣西則少雨；當副高西伸控制華南沿海時，廣西處于副高邊緣易出現降雨，海南、廣東則因受副高控制而高溫少雨。可見西太平洋副高的偏東或偏西導致了華南東西部出現極端強降水事件的步調不太一致。該模態方差的貢獻為9.3%；而從第3模態分布(圖2c)來看，載荷值零線穿越華南中部地區，基本上把華南分為南北兩大區域，極端強降水事件發生的頻次呈現明顯的南北反向分布特征。形成這一特征的主要原因與造成華南強降水的兩個影響系統——冷空氣與熱帶系統有關：華南的北部受北面的系統影響較大，當受北方冷空氣南下影響產生強降水時，如果冷空氣較弱，則其影響區域主要是華南的北部地區，而熱帶系統影響時，其主要造成強降水區域是在華南南部地區，對北部的影響則較小，特別從圖上可以看出，海南和雷州半島載荷值較大，表明這些地方的極端強降水易受南面熱帶系統的影響而出現異常。該模態方差的貢獻率為8.8%。從方差貢獻率來看，極端強降水日的前3個模態總貢獻率已達50.4%，是華南極端強降水頻次分布的3個最主要的空間異常模態。

4極端強降水頻次的時間演變特征

4.1年際和年代際變化特征

圖3是華南極端強降水頻數的月際分布，可以分析華南極端強降水事件年內各月分布情況，華南的極端強降水事件發生的高峰月為6月，占全年的18.6%，其次為5月和9月，發生最少的月份為12月和1月，僅占全年的1.3%。統計表明，華南極端強降水事件夏半年(4—9月，下同)發生的頻次占全年次數的83.7%，而冬半年(10月—次年的3月)僅占全年次數的16.7%。從各站資料分析來看，華南地區各站的極端強降水事件夏半年發生的頻次各占本站全年次數的63.5%~91.4%，除萬寧、瓊中低于70%以外，其余都占70%以上，特別是凌云、天娥和深圳超過90%，而冬半年各站的極端強降水事件除萬寧、瓊中各占全年次數的35.4%、30.6%外，其余不超過30%，這說明華南的極端強降水事件主要發生在夏半年，冬半年發生的頻率較小，這與實際上華南地區的降雨特別是強降雨主要出現在夏半年非常相符。用華南地區110站逐年的極端強降水頻次的算術平均建立區域的逐年平均降水頻次序列，分析華南極端強降水頻次的年際和年代際變化。圖4是華南年均極端強降水頻次的時間序列及11年滑動平均曲線，華南極端強降水頻次具有明顯的年際變化，偏多的年份為1997、1973、1994、2001、2008年，均超過22d/a，最多年份為1997年為23.7d/a；偏少年份為1963、1991、1989、2004年，均少于13d/a，最少年份為1963年為11.8d/a，多年平均頻次為17.8d/a。從各年代平均發生次數來看，從1960年代開始各年代的平均發生次數分別為17.1、18.0、17.4、18.4、20.1d/a，其中1960年代和1980年代華南極端強降水次數較多年平均值小，說明這兩個年生極端強降水頻數相對較少，而進入1990年代以后，極端強降水頻次在增加，特別是進入21世紀以來，前8年的平均頻次比前4個年代的平均頻次高，比多年平均值增加了2.3d/a，11a滑動平均也表明了這一特性，可以看出，從1980年代中后期起，極端強降水頻次呈現由少變多的趨勢。

4.2趨勢分析

為了分析華南極端強降水頻數的變化趨勢，分別計算了華南各站和各站平均的極端強降水頻次系列的氣候傾向率。結果表明(圖5)，華南區域各站極端強降水頻次氣候傾向率并不一致，廣西中部至廣東西南部的中部、桂東南至雷州半島、海南中部極端強降水頻數呈減少趨勢，氣候傾向率在-0.1～-0.5a-1之間，均未通過0.1的顯著性檢驗，說明減弱趨勢不顯著；華南其余地區呈增加趨勢，其中廣東東部沿海、廣西東北部和西北部、海南的西南部增加的趨勢較為明顯，氣候傾向率都大于0.5d/(10a)，其中饒平、橫縣、海豐、澄海和宜州的氣候傾向率大于1.0d/(10a)，最大的饒平10年增長率為1.2次，各站的趨勢系數在0.29～0.35之間，都通過了0.05的顯著性檢驗。華南各站極端強降水頻次的平均序列則呈上升的趨勢(圖4)，氣候傾向率為0.24d/(10a)，趨勢系數為0.14，未達到0.1的顯著性檢驗水平，上升的趨勢不顯著。利用M-K方法對其進行突變檢驗(圖6)，可看到序列在1967年發生了1次增多的突變，但這次增多的突變未通過0.05的顯著性檢驗，序列在1980年代前期開始有一個波動減少的趨勢，1991年開始又轉向波動增多的態勢。

5不同區域極端強降水事件特征

為了進一步了解華南地區極端強降水發生頻次的次地域特點，本文對前8個主成分對應的載荷向量進行了旋轉，得到6個主要的空間分區模態，并用REOF各模態對應的時間系數的標準化距平序列和二階時間趨勢來分析不同區域極端強降水發生頻次的年際變化特征(圖7a～7f)。圖中陰影區為旋轉載荷量絕對值大于0.5的區域，當分區模態圖中載荷向量為負值時，對荷載值及所對應的時間系數乘以-1，以便更直觀地分析。

Ⅰ區(圖7a)主要位于廣東北部及廣西中部以東部分地區，旋轉載荷向量大值區集中在粵東地區，載荷絕對值最大值為0.86。Ⅰ區48年來極端強降水發生頻次表現為一致較強的增長趨勢，1963、1965、1967、1971和2002年極端強降水事件異常偏少，而1973、1983、1992、1997和2006年異常偏多。

Ⅱ區(圖7b)主要在廣西西部地區，旋轉載荷向量大值區位于桂中偏西地區，載荷絕對值最大值為0.78。48年來Ⅱ區極端強降水發生頻次呈弱的減少趨勢，發生頻次異常偏少年為1963、1975、1976、1995和2000年，異常偏多年為1961、1973、1986、1994和2001年。

Ⅲ區(圖7c)位于廣西東部及廣東西部地區，旋轉載荷向量大值區位于廣西東部偏南地區，載荷絕對值最大值為0.75。48年來極端強降水發生頻次表現為反拋物線狀，轉折期在1986年左右，之前呈減少趨勢，之后呈增長趨勢。Ⅳ～Ⅵ區主要(圖7d～7f)位于廣東西部、廣西東北部及海南省，載荷絕對值最大值分別為0.81、0.78、0.79。

Ⅳ區48年極端強降水發生頻次呈拋物線狀，1987年以前為弱的上升趨勢，1987年以后逐漸呈減少趨勢。

Ⅴ區48年極端強降水發生頻次呈上升趨勢，發生頻次異常偏少年為1965、1966、1969、1984和1986年，異常偏多年為1968、1993、1994、1999和2002年。

Ⅵ區48年極端強降水發生頻次呈緩慢上升趨勢。

由于REOF各模態高值中心站點能較好地代表各區域氣候特征，下面分別從各空間分區中挑選荷載向量大值站：澄海、靖西、平南、新興、三亞、全州作為各個區域的代表站，分析不同區域極端強降水事件的變化特征及趨勢。表2是各代表站趨勢系數、氣候傾向率及其檢驗。圖8是用6個氣候區代表站的極端強降水頻次序列的M-K突變檢測結果，6個代表站中澄海、三亞、全州3站序列發生了顯著增多的突變，但發生突變的時間各不相同：Ⅰ區代表站澄海極端強降水頻次的UF(正序)線(圖8a)在1966年開始上升，1980年代初期達到1.96臨界值，1990年代之后持續超過1.96臨界線，UF線與UB(反序)線1966年相交，交點在±1.96之間，可以斷定澄海的極端強降水頻次在1960年代中期發生了顯著增多的突變。Ⅴ區代表站三亞極端強降水頻次的UF線和UB線(圖8e)在1970年相交，UF線1970年代至今為持續的上升趨勢，2000年至今UF線都在1.96值之上，說明三亞的極端強降水頻次在1970年發生了顯著增多的突變。Ⅵ區代表站全州極端強降水頻次的UF線和UB線(圖8f)在1960年代中期以后呈上升趨勢，1990年代初上升趨勢明顯，1980年代前期兩曲線相交，交點在±1.96之間，說明全州的極端強降水頻次在1980年生了顯著增多的突變。而對于其他的3個區域的代表站，Ⅱ區代表站靖西極端強降水頻次的UF線和UB線在1960年代—1980年代為平穩的波動變化，在1990年代開始呈明顯上升趨勢，雖然1996年超過1.96臨界值，但UF線和UB線并無相交點，因此不能確定靖西極端強降水頻次發生了突變。Ⅲ區代表站平南和Ⅳ區代表站新興極端強降水頻次的UF線呈現階段性波動變化的趨勢，平南極端強降水頻次在1960年代呈上升趨勢，1970年代—1990年代初呈下降趨勢，1990年代之后略有上升。新興極端強降水頻次在1960年代前期呈現波動較小的振動，1960年代末發生了一次增多的突變，轉為持續上升趨勢，1990年代末開始呈下降趨勢。兩代表站極端強降水頻次的UF線變化值都未超出±1.96臨界值，它們發生的突變均未通過0.05的顯著性檢驗。

6結論

(1)華南極端強降水閾值分布呈沿海到內陸逐漸減少的分布特征，與年降水量的分布較為相似；而極端強降水頻次分布則為華南中部較大，廣東沿海和廣西西部內陸較小的分布特征。

(2)華南極端強降水頻次有3個最主要的空間異常模態，一致性異常特征是華南極端強降水頻次分布的最主要空間模態，而東、西反向和南、北反向變化模態也是比較重要的異常模態。

(3)華南的極端強降水事件主要發生在夏半年，夏半年極端強降水頻次占全年總頻次的83.7%。1960年代和1980年代是極端強降水頻次較少的年代，1990年代特別是進入21世紀后華南極端強降水頻次增加明顯。

(4)華南區域各站極端強降水頻次氣候傾向率并不一致，除中部呈減少趨勢外，其余大部呈增加趨勢；華南各站極端強降水頻次的平均序列則呈上升的趨勢，但上升趨勢不顯著，在1980年代前期開始有一個波動減少的趨勢，至1991年開始轉向波動增多的態勢。

(5)華南極端強降水事件發生頻次具有很大的空間差異，可分為具有不同空間特征的6個主要區域,各個氣候區極端強降水發生頻次變化各有特點，其中6個氣候區代表站中澄海、三亞、全州3站發生了顯著增多的突變。