引言

在全球气候变暖背景下，我国很多区域降水的时空分布发生了显著地变化，大部分地区降水出现异常，干旱及旱涝灾害发生频繁，其频率也有明显增加的趋势。降水异常是导致气象及次生灾害的主要影响因子，其对区域的经济发展及人员安全有非常重要的影响^[1-3]，目前已成为气象及减灾研究领域的热点问题^[4-20]，因此针对特定区域进行对长时间序列的降水变化趋势的研究，具有重要的科学及现实意义。

近年来国内外有关降水变化趋势分析的研究取得了重要的研究成果。Goswami等^[21]指出，随着全球变暖的加剧，极端降水普遍呈现增加的趋势。Alexan⁃ der等^[22]利用全球气象台站的观测资料研究了极端气候变化，指出20世纪全球年降水量和极端降水有增加的趋势，尤其在北半球的中高纬度区域，极端降水的频率和强度显著增加。Parry等^[23]模拟研究结果也表明，随着大气中温室气体浓度的升高，极端降水事件出现的频率和强度发生了显著的变化，区域性的极端降水和干旱事件将可能出现较大的上升趋势。施雅风^[24]研究了全球变暖影响写中国自然灾害的发展趋势，认为，本世纪以来，随着气候进一步变暖, 我国北方降水少量增加不抵蒸发量的上扬, 旱灾仍将继续发展，而我国南方雨量增加特别是暴雨和台风雨的增加, 会使洪涝灾害扩大加剧。翟盘茂等^[25]研究了中国过去45年降水事件频率和强度等方面的极值变化趋势，认为降水日数极端偏多的区域范围有越来越小的趋势；平均降水强度极端偏高的区域范围表现为扩大的趋势。

事实上，随着全球气候变暖的加剧，在我国不同地区降水的时空变化也呈现出显著的区域性。鲍名和黄荣辉^[26]研究发现华北暴雨自20世纪80年代以来一直偏少。卢爱刚^[27]研究发现黄土高原的年降水量在近半个世纪呈下降走向。王颖等^[28]分析发现全国大范围降水日数减少，其减少趋势大大超过了总降水量的下降，说明降水日数的趋势变化机理不完全等同于降水量。申乐琳等^[29]对中国夏季降水量的研究表明，我国夏季降水量呈减少趋势，东部降水量普遍减少，而西部降水量增长趋势明显，但西南一些地区有减少趋势。黄勇等^[30]分析发现安徽省的降水有朝着具有局地性和突发性的降水过程方面发展，区域内突发性暴雨过程频发。姜彤和施雅风^[31]利用长江流域1961— 2010年最近50 a逐日降水量资料，分析了4个极端降水量指标和2个极端降水频率指标的时空变化及趋势变化特征，发现整个长江流域各种极端降水量指标的空间差异明显，大值区分布在长江流域上游四川盆地向青藏高原的过渡区和中下游地区；但是区域平均年降水量和极端过程降水随时间没有明显的线性趋势；而长江上游和中游一带极端频率指标中存在显著非线性增大趋势。

目前国内外对区域降水时空分布和演变规律的研究多集中于降水平均态的分析，其所应用的资料也多为月平均气温和月降水量等月、旬平均资料，而利用能反映极端降水过程的逐日降水资料较少，很难准确地反映出包括极端降水事件的发生频次、日变化、降水强度及极端降水量等降水宏观特征量的时空分布及演变特征，并且对于不同等级的降水事件的频率和强度也缺乏分类地、针对性研究。河南省地处我国中原，既受我国季风活动的影响，同时也是我国北方冷空气影响的活跃区域，其降水的时空分布及演变有鲜明的区域特征。焦建丽和康雯瑛^[32]研究了对河南省分区域的年降水特征，发现其降水存在明显的区域差异，全省年平均降水呈南多北少的空间分布特征，豫东南区域降水随时间呈增加趋势，而豫西和豫北呈减小趋势。李蔼恂等^[33]根据河南省1971—2001年4月和10月的降水资料，采用具有分类显著性检验的聚类统计检验分析方法进行分区，并在此基础上对降水距平百分率、降水强度和雨日数等参数作分析，研究各分区降水的变化特征和规律。上述研究尽管在一定程度上揭示出了对河南省降水区域特征，但由于没有针对夏季主汛期降水过程的研究，特别是缺乏对不同等级降水事件的频次、日变化及变化趋势及贡献的综合研究。

目前随着逐日、特别是逐时地、长时间序列降水资料的丰富，特别是地面自动观测站资料的有效收集及质量控制，这为进行区域的高时空分辨并且针对不同等级降水过程的统计分析研究提供了可靠的资料分析基础。河南省地处我国内陆地区，地形复杂，降水过程空间和时间分布很不均匀，夏季降水量约占全年降水量的50%~60%，其降水异常致使旱涝灾害频发，如河南“75.8特大暴雨”等。因此，基于河南省111个气象站1971—2010年逐日降水数据，从不同等级降水事件的变化和降水不均匀分布的角度出发，分析夏季降水量、降水日数、降水强度的变化特征，探讨河南省夏季降水的变化机制，对于河南省旱涝预测、防灾减灾具有重要意义。

1 数据和方法 1.1 资料简介

本文所使用的降水资料为河南省111个气象站1971—2010年夏季(6—8月)逐日降水记录，站点分布比较均匀。大气环流资料为美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)全球预报系统(Global Forecast System, GFS)的逐月格点再分析资料，空间分辨率为2.5°×2.5°进行合成分析。

1.2 分析方法

基于河南省111个站点降水资料和再分析资料，采用以下定义，分析河南省夏季降水的时空变化特征。雨日定义为日降水量大于等于0.1 mm的日数；雨强定义为降水总量与降水日数之比。不同等级的降水事件划分标准详见表 1。

本文所采取的分析方法包括趋势分析、小波分析、合成分析和动力诊断等。首先计算气象要素的时间序列与自然数数列之间相关系数(简称趋势系数)，该趋势系数是标准化的一元线性回归系数，它消去了气象要素的均方差和单位对线性回归系数数值大小的影响，从而可以在不同地理位置的不同气象要素之间比较趋势变化的大小。逐站计算趋势系数，然后利用Kriging插值方法绘制出趋势系数的空间分布图。其次，对河南省逐日降水资料进行小波变换，研究降水的年际和年代际时间尺度变化特征。最后，结合1971—2010年河南省夏季降水距平百分率，选择典型的偏旱年和偏涝年再分析资料进行合成分析，从而了解影响降水变化的大气环流异常和影响因子。

2 河南省夏季降水变化特征 2.1 降水的空间分布

图 1a为1971—2010年河南省平均夏季降水量空间分布图。从图 1a可以看出，河南省夏季降水量空间分布总体上呈现出南多北少、东多西少特征，豫南地区夏季降水量较大，最大值出现在豫南地区的新县站，多年平均夏季降水量达到609.7 mm。另外，泌阳，桐柏，驻马店，信阳，光山，商城，潢川，固始等7站也均超过500 mm。豫西和豫北年降水量较少，最小值出现在豫西地区的三门峡站，多年平均夏季降水量达到267.7 mm。由此可以看出，河南省夏季降水存在明显的空间变化特征，除部分地区，降水量由南至北依次递减。计算河南省内各地区日降水量大于等于0.1 mm的日数，绘制雨日空间分布图，如图 1b所示。可以看出，夏季雨日总体上呈现南部、西部多，而北部、东部相对较少的特征。夏季降雨日数最大值出现在豫东南和豫西地区，最大值可达40 d以上，其中栾川站达到40.2 d。而豫北地区平均雨日数较少，多站在30 d以下，最小值出现在内黄站，为28.2 d。此外，豫南、豫北地区的强降水量与多降水日数具有很好的一致性，但在河南中部地区，降水量越大，降水日数越小。从图 1c可以看出，河南省全省的夏季雨强呈现出自东南向西北递减的空间分布，各站夏季降水强度为8~16 mm·d^-1，豫东南地区的雨强较大，在13 mm·d^-1以上，豫南地区的新县、平舆两站均达到了15.59 mm·d^-1。而豫西地区则整体在11 mm·d^-1以下，卢氏站为全省最低值，仅为8.16 mm·d^-1。

2.2 降水的时间变化 2.2.1 降水量的时间变化

计算1971—2010年河南省111个观测站的降水量平均值，趋势系数采用一元线性回归模型描述，图 2为河南省近40 a的降水量变化曲线和线性回归趋势线。从图 2中可以看出，河南省夏季降水量在近40 a来整体变化不大，呈弱上升趋势，平均趋势系数为1.356 4。在2000年达到近40 a的最大值，为632.4 mm，之后出现一定程度的下降。

为了分析河南省不同区域的夏季降水量的变化趋势，利用一元线性回归分析方法计算降水量多年变化趋势。从降水量趋势系数的空间分布可以看出(图 3)，河南省大部分区域的夏季降水呈上升趋势，豫东和豫南地区上升趋势明显，特别是商丘西南部地区和周口东北部地区。仅豫北和豫西的小部分地区为负趋势系数，特别是安阳西部夏季降雨量减少趋势明显。为了解各站点夏季降水变化是否显著，分别计算了各站点夏季降水量趋势系数的显著性检验统计值，如表 2所示。可以看出，夏季降水量增多的总站点数为85，多于夏季降水量负趋势总站数的3倍。全省仅有5个站点的雨量趋势系数通过0.05的显著性检验，且为显著的增长趋势，主要分布在商丘和周口地区。总的来说，河南省夏季降水量主要为上升趋势。

2.2.2 雨日的时间变化

从河南省夏季雨日变化来看(图 4)，近40 a的总趋势是减少的，平均趋势系数为-0.026 6。其中1997年的夏季雨日仅为20 d，是近40 a来最低值。而夏季雨日的最大值则出现在2003年，42 d。河南省夏季雨日趋势系数的空间分布显示(图 5)，全省大部分地区均呈负趋势变化，仅有南部及中部部分地区呈正趋势变化，说明河南省近40 a降雨日数整体呈减少趋势。全省有3个站点的雨日趋势系数通过0.05的显著性检验，为显著的雨日减少趋势，分别是周口、卢氏、林州三站，说明上述地区近40 a夏季降雨日数的减少较为明显(表 3)。值得注意的是，周口地区近40 a夏季降水量显著增加，但降水日数却显著减少，降水有向极端化发展的趋势，可能会引起旱涝灾害。

2.2.3 雨强的时间变化

从图 6中可以看出，河南省夏季雨强在近40 a来增长趋势较为明显，但是波动剧烈，其中在1985年出现了40 a最低值，为8 mm·d^-1，而在2000年达到近40 a的最大值，约18 mm·d^-1。据夏季雨强趋势系数的空间分布(图 7)可以发现，全省大部分地区均呈正趋势变化，特别是河南中部地区增长趋势明显，仅有南阳南部及北部部分地区呈负趋势变化。在全省111个站点中，夏季降雨量呈正趋势变化的站点为85个，但是夏季雨日数呈现正趋势变化的站点只有43个，这说明大部分站点在降雨量增加的同时，降雨日数却在减少，降水有向极端化发展的趋势。全省有14个站点的雨强趋势系数通过0.05的显著性检验，主要分布在周口、商丘以及豫西的部分地区(表 4)。

2.3 各等级降水事件贡献率的时间演变 2.3.1 各等级降水事件降水量贡献率的时间演变

图 8为各等级降水事件对降水量贡献的时间序列图。近40 a来小雨雨量贡献率整体呈下降趋势，小雨雨量对夏季总降水量的平均贡献率为14.23%，其中在20世纪90年代之前，大部分年份小雨对年降水量的贡献率高于多年平均值，而进入90年代中期之后小雨的贡献率变小。中雨事件对夏季总降水量贡献率40 a的平均值为23.2%，中雨雨量的贡献率总体上表现出小幅下降的趋势。近40 a来大雨雨量对夏季降水量的平均贡献率为28%，高于小雨和中雨，总体上呈上升趋势。暴雨事件对年降水量的贡献率最大，达到34.5%，这和降水强度以及暴雨雨日的增加有一定关系。总的来说，各等级降水事件对降水量的贡献有一定规律，即小雨 < 中雨 < 大雨 < 暴雨。

3.3.2 各等级降水事件雨日贡献率的时间演变

从各等级降水事件对雨日贡献率的时间演变来看(图 9)，小雨雨日的贡献尤为突出，但小雨雨日的贡献率在过去40 a呈整体呈下降趋势，小雨雨日对夏季总雨日的平均贡献率为67.01%，其中在20世纪90年代之前，大部分年份小雨雨日对夏季总雨日的贡献率高于多年平均值。而进入90年代中期之后，小雨雨日的贡献率呈现减小趋势。除此之外，中雨、大雨、暴雨对雨日的贡献均较小。中雨事件对夏季雨日的贡献率平均值为17.59%，但是中雨雨日的贡献率总体上表现出上升趋势。大雨以及暴雨雨日的贡献率变化趋势和中雨相同，多年平均值分别为9.9%和5.5%。这说明，近40 a来，在夏季总雨日减少的整体趋势下，小雨雨日减小，而中雨雨日、大雨雨日、暴雨雨日均增加。

2.4 降水变化的周期性特征分析

为了研究降水的年际和年代际时间尺度变化特征，利用站点降雨资料对夏季雨量、雨日、雨强以及各等级降水事件的雨量、雨日、雨强进行小波分析，结果如图 10所示。各指标均表现出2~3 a左右的低频振荡周期，且雨量和雨日两个指标的周期具有较好的一致性。总雨量、总雨强、总雨日在上世纪80年代初和90年代末表现出准3年振荡周期，其中总雨量、总雨强在1980年至2003年前后表现出4~7 a振荡周期，总雨日在1995年和2003年前后分别表现出准10年和准4年振荡周期。小雨雨量、雨强均在1985年至2000年前后表现为10~12 a周期振荡，其中小雨雨量又在上世纪80年代初和90年代末表现出准3 a和准4 a振荡周期，小雨雨强在80年代中期和90年代初期表现出准3 a振荡周期；而小雨雨日在上世纪90年代末表现为准3 a周期振荡。中雨雨量、雨日在1985年至2000年前后表现为10~14 a周期振荡；中雨雨强在上世纪80年代初、80年代中至2000年前后分别表现出准3 a和3~7 a振荡周期，2005年至2010年表现为2~3 a周期振荡。大雨雨量、雨日分别在上世纪80年代初、90年代末及2000年前后表现出2~3 a的振荡周期；大雨雨强在1975年前后及上世纪九十年代初期至2004年前后表现为准3 a低频振荡，1980年前后和上世纪80年代中期至90年代初表现为准10 a分别表现出准6 a和准10 a振荡周期。暴雨雨量、雨日在20世纪80年代和2000年前后表现为准3 a年振荡，在上世纪80年代初到2000年前后表现为4~7 a的振荡周期；暴雨雨强分别在1975年前后、20世纪80年代初和2000年至2005年间分别表现为2~4 a、准2 a振荡和2~3 a振荡。

3 大气环流及物理量场的变化特征分析

为了分析近40 a河南夏季降水变化原因，结合1971—2010年河南省夏季降水距平百分率，从中选择2个偏旱年和3个偏涝年，旱年分别为1986年、1997年，全省平均降水距平百分率低于-40%；涝年分别为1982年、2000年和2003年，全省平均降水距平百分率超过40%(图 11)。对偏旱年和偏涝年分别进行合成分析，了解影响降水变化的大气环流异常和影响因子。

3.1 大气环流特征分析

从旱年和涝年夏季平均大气环流形势可以看出(图 12a、12b)，河南省在旱年和涝年的夏季平均天气背景基本一致，水汽输送均以来自孟加拉湾的西南风输送为主，并且位于200 hPa西风的右侧出口，但涝年的西风风速比旱年较大。图 12c、d为夏季500 hPa位势高度距平场。从旱年高度距平合成图可以看出(图 12c)，100°E以东大部分地区高度为正距平，表明100°E以西地区不断受短波槽东移的影响，而以东地区的脊区偏强，东亚大槽偏弱，不利于东部的冷空气南下，使得降水偏少。而涝年高度距平(图 12d)与旱年相反，500 hPa高度场偏高，110°E以东存在距平负值区，在此形势下，110°E以西为高压脊区控制，110°E以东多短波槽影响，有利于东部地区冷空气南下。另外在西北太平洋副高控制区中存在高度正距平，说明副高较平均偏强，副高外围强盛的暖湿气流与短波槽携带的冷空气在河南地区交汇，造成降水偏多。

3.2 物理量场特征分析

分析夏季850 hPa纬向风合成距平场(图 13)，偏旱年包括河南在内的中东大部为负距平，低空多偏北风；偏涝年，中东部多为正距平，低空多偏南风，携带孟加拉湾暖湿气流北上，利于河南省上空水汽积聚，易产生降水。

从850 hPa水汽输送(图 14a，b)可以看出，旱年和涝年低纬洋面的西南气流将孟加拉湾的水汽输送至河南省。在夏季，我国地区涝年中水汽通量的大值区比旱年整体偏北，说明在涝年中气流对水汽由南向北的输送距离更远，河南位于30°N以北地区，可以明显看出涝年河南省的水汽通量大于旱年河南省的水汽通量，说明在涝年夏季偏南气流对河南地区的水汽输送更强，水汽条件更好。比较旱年和涝年的水汽通量合成距平(图 14c，d)，两者的水汽通量距高于气候平均值，但涝年的水汽通量距平较大，说明涝年的水汽输送更强，这可能是涝年产生更多降水的原因之一。

从低空垂直速度图 15a，b可以看出旱年夏季河南中东部均为弱的下沉运动区，涝年夏季河南位于垂直上升运动区中，而从上升运动距平图(15c，d)中也可以看到在涝年河南地区存在垂直速度负值中心，旱年均为正值，说明从夏季平均来看，涝年中河南地区低空有明显的上升运动存在，而低层的上升运动与低层风的辐合有关，说明在涝年河南地区有明显的低层辐合上升运动，有利于水汽的辐合抬升，并且在涝年河南省上空存在的水汽增多(图 14d)，均有利于降水的产生。

3.3 机制分析

从天气背景来看，在河南省夏季，旱年100°E以西地区不断受短波槽东移的影响，而以东地区的脊区偏强，东亚大槽偏弱，不利于东部的冷空气南下。涝年则相反，500 hPa高度场偏高，110°E以西为高压脊区控制，110°E以东多短波槽影响，且副高较平均偏强，副高外围强盛的暖湿气流与短波槽携带的冷空气在河南地区交汇，有利于降水的形成。就水汽输送条件而言，旱年低空盛行偏北风且多下沉运动，很难将水汽输送到河南省上空；涝年低空多偏南风，有利于孟加拉湾的暖湿气流北上，将大量水汽输送到河南上空，并且涝年河南省上空的垂直运动明显增强，有利于水汽的辐合抬升，旺盛的对流和充足的水汽均利于降水的发生，因此易造成降水增多。

4 结论与讨论

本文基于河南省111个气象站1971—2010年逐日降水数据，采用多种分析方法，计算和分析河南省夏季不同强度降水事件的时空演变规律，并对结果进行讨论。结果分析如下：

(1) 近40 a来，河南省夏季降水量整体呈现上升趋势，76.6%的站点呈正趋势变化。其中，小雨、中雨、大雨等级的降水量呈下降趋势，而暴雨的降水量则呈上升趋势。夏季降雨日数整体下降，61.2%的站点呈现负趋势变化，小雨降雨日数呈下降趋势，而中雨、大雨、暴雨等级的雨日数则呈上升趋势。

(2) 夏季雨强呈显著的上升趋势，全省有12.6%站点的正趋势系数通过0.05的显著性检验。其中，小雨、中雨雨强增大趋势较为明显，而大雨、暴雨的雨强均没有显著的变化。

(3) 各等级降水事件对夏季降雨量贡献率依次是：小雨 < 中雨 < 大雨 < 暴雨，其中小雨和中雨等级降水事件对夏季降雨量的贡献率呈下降趋势，而大雨和暴雨等级降水事件对夏季降雨量的贡献率呈上升趋势。而各等级降水事件对夏季雨日的贡献率则相反，小雨>中雨>大雨>暴雨。其中，小雨等级降水事件对夏季降雨日数的贡献率呈下降趋势。而中雨、大雨、暴雨事件的贡献率则呈现增加趋势。

(4) 雨量、雨日、雨强以及各等级降水事件的雨量、雨日、雨强均表现出2~3 a左右的低频振荡周期，且雨量和雨日两个指标的周期具有较好的一致性。

(5) 从天气背景来看，在河南省夏季，旱年100°E以西地区不断受短波槽东移的影响，而以东地区的脊区偏强，东亚大槽偏弱，不利于东部的冷空气南下。涝年则相反，500 hPa高度场偏高，110°E以西为高压脊区控制，110°E以东多短波槽影响，且副高较平均偏强，副高外围强盛的暖湿气流与短波槽携带的冷空气在河南地区交汇，有利于降水的形成。就水汽输送条件而言，旱年低空盛行偏北风且多下沉运动，很难将水汽输送到河南省上空；涝年低空多偏南风，有利于孟加拉湾的暖湿气流北上，并且涝年河南省上空的垂直运动明显增强，有利于水汽的辐合抬升，因此易造成降水增多。

近几十年来降水量、降雨日数、降雨强度以及各等级降水事件的贡献率变化特征表明，河南省夏季降水有向不均衡、极端化发展的趋势，这可能使得河南省旱涝灾害的发生更为频繁，应引起足够重视。

本文尚存在一些问题有待进一步研究。首先，分析了河南省夏季不同强度降水事件的时空演变规律及大气环流及物理量场的变化特征，而太平洋海温、青藏高原积雪等影响因子还未进行分析。另外，本文主要利用了观测和再分析资料研究得到了河南省夏季降水有向不均衡、极端化发展的趋势，今后还需要利用数值试验验证上述结论。