政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 第4次评估报告指出，在全球气候变暖背景下，全球陆地大部分地区降水正在发生显著变化，降水量在高纬度地区增加、在中低纬度地区减少，强降水比例则普遍增加，我国也不例外，根据模式预估这种趋势将延续^[1-3].近50年来，我国年降水量变化存在明显的区域差异，即西部、长江中下游、东南沿海、东北北部增加，华北、东北南部、西北东部减少，与全球结论并不一致^[1-4].此外，我国也开始对降水极值或强度的变化趋势进行研究^[5-9]，发现长江中下游降水强度呈增加趋势^[10-15].

华中地区地处长江中下游，属东亚季风区，降水时空变化大，大范围或局部频繁的暴雨常常会造成人民生命财产的重大损失.本研究将利用多种统计方法对华中地区84个测站1961-2005年强降水事件的变化特征进行分析，揭示本地区不同级别强降水事件的气候变化特征，包括趋势、突变和周期特征，这些研究对提高强降水的预报水平、积极防御和减轻灾害带来的损失有重要作用.

资料选用国家气象信息中心资料室整编的华中五省 (河南、湖北、湖南、安徽、江西)84个测站1961-2005年逐日降水量资料，这些测站较为均匀地分布于华中地区.其中，少数测站在研究时段内有过迁移，但分析发现，这些测站在迁移过程中站址间距均小于12 km, 海拔高度差变化很小或基本不变，故可以认为资料序列是均一的；另外，对于由仪器变更所引起的序列不均一性已由国家气象信息中心资料室进行了订正.

在我国，不同地区的强降水事件并不能完全用统一的暴雨标准来简单定义.本文采用分位值法^[5，16]，这样定义有利于增强少雨地区和多雨地区强降水事件变化的空间可比性.本文逐一计算并分析了10 %~1 %各分位值上的强降水特征，首先按照文献[17]和^[5]挑选出10 %和5 %两个分位值，另外为全面考虑不同级别强降水变化的区别，又选择了两个分位值，超过8 %分位值处阈值的极端强降水经过区域平均为50.0 mm, 恰为通常的暴雨定义；而2 %分位值处极端强降水阈值经过区域平均为57.6 mm, 最接近于通常的暴雨定义.最终确定以10 %，8 %，5 %和2 %这4个较有代表性的分位值来分析不同级别强降水变化的区别.值得注意的是，本文选用的资料包括雨、雪等多种形式所产生的降水，但经分位值法处理后的资料中不包括除降雨之外的其他形式降水.在此基础上，运用趋势系数法得出不同级别强降水的时空变化趋势，并通过蒙特卡洛统计检验方法 (Monte Carlo) 对其显著性进行检验^[16，18-20]，趋势系数这一定义去除了均方差和单位对回归系数的影响，使得降水量、日数和强度的变化趋势可以进行比较.最后，运用曼-肯德尔方法 (Mann-Kendall)^[5]和Mo rlet小波分析方法^[21-22]对不同级别强降水的时间序列进行突变和周期分析.

运用分位值法对华中地区不同级别强降水进行分析可知，就整个华中地区来说，各个测站日降水量序列中10 %分位值处阈值为16.8~31.8 mm, 平均为24.7 mm, 接近于通常的大雨定义 (≥25.0 mm)，定义为Ⅳ级强降水事件；8 %分位值处阈值为19.8~36.7 mm, 平均为28.6 mm, 定义为Ⅲ级强降水事件；5 %分位值处阈值为25.5~47.4 mm, 平均为37.6 mm, 定义为Ⅱ级强降水事件；2 %分位值处阈值为36.8~74.4 mm, 平均为57.6 mm, 略大于通常的暴雨定义 (≥50.0 mm)，定义为Ⅰ级强降水事件.不同级别强降水的降水量阈值也存在一定的空间分布差异，最小值位于河南，通常为安阳或卢氏；最大值则表现不同，Ⅰ级、Ⅱ级位于安徽安庆，Ⅲ级、Ⅳ级位于江西景德镇.

表 1给出了华中地区不同级别强降水的降水量、日数和强度平均值、均方差和变差系数.从均方差来看，分位值越小，降水量、日数的绝对变化值越小，而强度的绝对变化值越大.从变差系数来看，分位值越小，强降水日数和强度的相对变化值越大，强度表现尤为明显，从Ⅳ级的0.17增大至Ⅰ级的0.41，相对变化值增大近2.5倍.不同级别降水量、日数和强度空间分布差异不大.降水量自河南向湖南和江西逐渐增大，河南大部、安徽北部和湖北西北部为低值区，湖南西北部、江西东部为高值区；日数自北向南逐渐增大，河南大部、安徽北部和湖北西北部为低值区，湖南南部、江西西部为高值区；强度以河南西部、湖北西北部和湖南南部部分地区为低值区，湖北东部至江西北部的长江中下游一线以及湖南西北部局部地区为高值区.图 1给出了华中地区Ⅰ级强降水的降水量、日数和强度空间分布.

表 1

表 1 华中地区不同级别强降水的降水量、日数和强度的平均值、均方差和变差系数 Table 1 The mean, standard deviation and variation coefficient of the precipitation, days and intensity of heavy rain events in various grades over Central China

表 1 华中地区不同级别强降水的降水量、日数和强度的平均值、均方差和变差系数 Table 1 The mean, standard deviation and variation coefficient of the precipitation, days and intensity of heavy rain events in various grades over Central China

图 1

图 1. 华中地区Ⅰ级强降水的降水量、日数和强度空间分布图 Fig 1. The spatial distribution figures of the precipitation, days and intensity of heavy rain events in Grade Ⅰ over Central China

对华中地区不同级别强降水的降水量、日数和强度时间变化趋势进行分析，得出了一些有意义的结果:从回归系数来看，随着分位值的减小，降水量的增幅由Ⅳ级的18.84 mm/10 a减小至Ⅰ级的9.53 mm/10 a；日数由Ⅳ级的0.33 d/10 a减小至Ⅰ级的0.10 d/10 a；强度则在Ⅰ级时增幅最大，达0.81 mm ·d^-1/10 a, 其次是Ⅲ级的0.30 mm ·d^-1 /10 a和Ⅳ级的0.27 mm · d^-1 /10 a, Ⅱ级时增幅最小，仅0.18 mm · d^-1 /10 a.即各级别上区域平均的强降水的降水量、日数和强度均表现为一定的增加趋势，仅在增幅上有所差别 (表 2、图 2).

表 2

表 2 华中地区不同级别强降水的降水量、日数和强度回归系数和趋势系数 Table 2 The regression coeff icient and trend coef ficient of the precipitation, days andintensity of heavy rain events in various grades over Central China

表 2 华中地区不同级别强降水的降水量、日数和强度回归系数和趋势系数 Table 2 The regression coeff icient and trend coef ficient of the precipitation, days andintensity of heavy rain events in various grades over Central China

图 2

图 2. 华中地区不同级别强降水的降水量、日数和强度随时间变化图 Fig 2. The time variation figures of the precipitation, days and intensity of heavy rain events in various grades over Central China

为消除均方差和单位对回归系数数值大小的影响，采用趋势系数这一定义进一步阐述了不同级别强降水的降水量、日数和强度长期变化趋势，结果表明:①同一级别强降水的降水量、日数和强度趋势系数的大小排位为降水量，日数，强度；②不同级别区域平均强降水的降水量、日数和强度均呈增加趋势；其中，Ⅳ级、Ⅲ级强降水的降水量通过0.1显著性检验，有较显著增加趋势；Ⅲ级强降水日数的增加趋势也较其他级别大；除5 %分位值外，其余各级别上降水强度增加趋势相同，均为0.18.

图 3给出了华中地区Ⅰ级强降水的降水量、日数和强度趋势系数空间分布图.可以看出，降水量在华中大部地区随时间变化呈增加趋势，其中以河南东部部分地区和安徽南部局部地区增加明显；日数在华中大部地区随时间变化也呈增加趋势，局部地区增加明显；从整体来看，降水量和日数在河南东部部分地区、宜昌以东的长江中下游地区增加趋势明显.强度变化趋势与降水量和日数不一致，在宜昌以东的长江中下游地区强度减弱趋势有所体现，而沿江地区向南、向北强度均有增加趋势，从而使强度变化趋向于空间上的平均，这也可以解释区域平均的降水强度趋势系数要小于降水量、日数趋势系数的原因.

图 3

图 3. 华中地区Ⅰ级强降水的降水量、日数和强度趋势系数空间分布图 Fig 3. The trend coefficient spatial distribution figures of the precipitation, day sandintensity of heavy rain events in Grade Ⅰ over Central China

为分析不同级别不同测站强降水的降水量、日数和强度趋势系数空间差异，对Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级强降水的降水量、日数和强度趋势系数空间分布也进行了分析.结果表明:不同级别强降水的降水量、日水的降水量趋势系数通过0.1显著性检验的站点分布)；③强度表现出3个明显特征:一是除5 %分位值外，其余各级别上强度呈增大趋势 (或减小趋势) 的站点数基本上相同，10 %，8 %和2 %分位值上降水强度趋势系数为正值的站点数分别为54，53，51，仅在具体的空间分布上有微小差异；二是随着分位值减小，宜昌以东的长江中下游地区强度趋势系数为负值的范围逐渐变大，表明某些地区降水强度的增大趋势逐渐转变为减小趋势，如湖北西南部和江汉平原南部的部分地区；三是随着分位值的减小，湖南南部和江西南部强度趋势系数为负值的范围逐渐变小，表明其中某些地区降水强度的减小趋势逐渐转变为增大趋势，如湖南东南部和江西西南部的部分地区.

图 4

图 4. 华中地区Ⅲ级和Ⅳ级强降水的降水量趋势系数通过0.1显著性检验站点空间分布 Fig 4. The spatial distribution figures of weather stations which heavy rain precipitation trend coefficient passing the test of 0.1 level in Grade Ⅲ and Ⅳ over Centra l China

由曼-肯德尔法突变检验法分析可知，不同级别强降水的降水量一致在1993年发生突变，自此降水量有一定的增加趋势，但这种增加趋势均未超过显著性水平0.05临界线；日数也均在20世纪80年代末、90年代初发生突变，10 %，8 %，5 %，2 %分位值上日数的突变开始年份分别为1992年、1993年、1992年和1989年，但增加趋势也均未超过显著性水平0.05临界线；强度自1994年开始加强，但进入21世纪后这种加强趋势不明显，加强和减弱现象交替出现.图 5给出了华中地区Ⅰ级强降水的降水量突变检验图.

图 5

图 5. 华中地区Ⅰ级强降水的降水量突变检验图 (1.96和-1.96两条线表示0.05显著性水平临界值) Fig 5. The break test figure of the total rain in Grade Ⅰ over Central China (1.96 and-1.96 show the critical value of 0.05 level)

通过对气候序列进行Morlet小波分析可知，近45年来华中地区Ⅰ级强降水的降水量存在12~14年的年代际变化以及6~9年的短期变化.从20世纪60年代初期开始，12~14年的周期振荡信号就存在，60年代初期至60年代中后期、70年代中期至80年代初期、80年代中后期至90年代中期以及21世纪初期处于12~14年的少雨周期中；而60年代后期至70年代中期、80年代初期至80年代中期、90年代中期至90年代末期则处于12~14年的多雨周期中.近几，华中地区正处于12~14年的少雨周期中，并且这一周期还会持续.

由Ⅰ级强降水的降水量小波系数模值对数分布图可以看出 (图略)，12~14年的周期信号在所讨论的时间段内都有体现，没有局部变化特征，并且以20世纪70年代至90年代表现较强；6~9年的周期信号也一直比较明显地存在于各时间段，并且以60年代中期至70年代末期、90年代初期至90年代末期表现最强.

相对应的强降水日数和强度的周期分析同上；其余各级别上强降水的降水量、日数和强度也都存在12~14年的年代际变化以及6~9年的短期变化.

1) 利用分位值法对华中地区不同级别强降水进行了分析.得出各测站降水序列中日降水量大于10 %，8 %，5 %，2 %分位值的强降水的降水量阈值经过区域平均分别为24.7 mm, 28.6 mm, 37.6 mm和57.8 mm；相对应地，强降水的降水量分别为580.0 mm, 511.6 mm, 385.0 mm和192.3 mm, 日数分别为12.8 d, 10.2 d, 6.4 d和2.6 d, 强度分别为45.2 mm/d, 50.0 mm/d, 60.2 mm/d和74.7 mm/d.

2) 随着分位值减小，强降水的降水量、日数的平均值和均方差逐渐减小，变差系数逐渐增大；而强度的平均值、均方差和变差系数均为逐渐增大.空间分布上，降水量自河南向湖南和江西逐渐增大；日数自北向南逐渐增大；强度以河南西部、湖北西北部和湖南南部部分地区为低值区，以湖北东部至江西北部的长江中下游一线以及湖南西北部局部地区为高值区.

3) 不同级别区域平均的强降水的降水量、日数和强度均为增加趋势，大于10 %，8 %，5 %，2 %分位值的降水量每10年分别增加18.84 mm，17.48 mm, 14.17 mm和9.53 mm, 日数每10年分别增加0.33 d, 0.28 d, 0.21 d和0.10 d, 强度每10年分别增加0.27 mm/d, 0.30 mm/d, 0.18 mm/d和0.81 mm/d.

4) 不同级别区域平均的强降水的降水量、日数和强度均呈增加趋势；其中，Ⅳ级、Ⅲ级强降水的降水量通过了0.1的显著性检验，有较显著增加趋势.不同测站降水量、日数和强度的趋势系数表现也不同，随着分位值减小，宜昌以东的长江中下游地区降水量、日数和强度的趋势系数均有所减小，湖南南部和江西南部降水强度的趋势系数有所增大.

5) 不同级别强降水的降水量在1993年均发生突变，有一定的增多趋势；日数也均在20世纪80年代末、90年代初发生突变，大于10 %，8 %，5 %，2 %分位值的强降水日数突变年份分别为1992年、1993年、1992年和1989年；强度自1994年开始增强，进入21世纪后这种趋势变得不明显，加强和减弱现象交替出现.

6) 不同级别强降水的降水量、日数和强度均存在12~14年的年代际变化以及6~9年的短期变化.