中国近百年降水变化特征分析

Analysis of Variation Characteristics of Precipitation in Nearly 100 Years of China

摘要: 中国气象台站资料具有时间较短(1951年以前观测站缺测资料较多)和覆盖面不均匀(东部站点密集，西部站点稀少)的特点，不利于中国降水年代际变率的研究。本文利用英国East Anglia大学气候研究中心(CRU)全球陆地逐月平均降水数据集TS3.22，分辨率为0.5˚ × 0.5˚，时间长度为1901.1~2013.12的CRU资料，德国气象局全球降水气候中心(Global Precipitation Climatology Centre)全球陆地逐月平均降水数据集，分辨率为0.5˚ × 0.5˚，时间长度为1901.1~2010.12的GPCC以及中国2782台站逐月降水资料，插值为0.5˚ × 0.5˚格点资料，时间长度为1901.1~2013.12的台站资料，使用趋势分析，小波分析，M-K突变分析，功率谱分析等方法分析不同区域降水的变化特征和规律，揭示中国百年来降水的时空变化特征。结果表明：1) CRU和GPCC资料与中国台站资料降水的趋势基本吻合。2) 东北和华北地区近百年的降水呈线性上升趋势；西南地区呈线性下降趋势。3) 小波分析表明，东北地区存在2~3年和22左右的周期特征；华北地区有1~2年和3年左右的周期特征；江南地区有2年左右的周期特征；西南地区有1~2年和2~4年左右的周期特征。4) 通过功率谱分析，西北地区降水存在4~6年的周期振荡，其它区域没有显著的周期特征。5) 通过Z指数反映出了各个区域近百年的旱涝程度。

Abstract: Chinese meteorological station data have limitations such as relatively short records (with significant data gaps before 1951) and uneven spatial coverage (denser stations in the east but sparser in the west), which hinder the study of decadal precipitation variability in China. This paper utilizes the monthly average precipitation dataset of global land (TS3.22) from the Climatic Research Unit (CRU) of the University of East Anglia, UK, with a resolution of 0.5° × 0.5° and a time span from January 1901 to December 2013; the monthly average precipitation dataset of global land from the Global Precipitation Climatology Centre (GPCC) of the German Meteorological Service, with a resolution of 0.5° × 0.5° and a time span from January 1901 to December 2010; as well as the monthly precipitation data from 2782 stations in China, which are interpolated into grid data with a resolution of 0.5° × 0.5° and cover the time period from January 1901 to December 2013. Methods such as trend analysis, wavelet analysis, Mann-Kendall mutation analysis, and power spectrum analysis are employed to analyze the variation characteristics and laws of precipitation in different regions, aiming to reveal the spatiotemporal variation characteristics of precipitation in China over the past century. The results show that: 1) The precipitation trends in the CRU and GPCC datasets are basically consistent with those in the Chinese station data. 2) Precipitation in Northeast China and North China has shown a linear upward trend over the past century, while that in Southwest China has shown a linear downward trend. 3) Wavelet analysis indicates that there are periodic characteristics of about 2~3 years and 22 years in Northeast China; about 1~2 years and 3 years in North China; about 2 years in the Jiangnan region; and about 1~2 years and 2~4 years in Southwest China. 4) By power spectrum analysis, there are periodic oscillations of precipitation in Northwest China, and there is no significant periodic characteristic in the other regions of the precipitation in the northwest of China. 5) The Z index reflects the drought degree of nearly one hundred years in each region.

1. 引言

中国是世界上自然灾害多发国家之一，其每年对我国造成的损失相当可观，对人民生活和国民经济产生负面影响。据统计，全世界每年因自然灾害造成的损失可以达到600亿以上。气候和天气灾害在自然灾害中占相当大的比例，如洪水，干旱，大风，极端的炎热和寒冷等。其中旱涝灾害是我国历史上最主要的气象灾害之一，所造成的损失也大。描述一个地区，甚至全球气候变化的重要指标是降水，降水量的多少对一个地区气候有非常重要的影响。降水量过多会出现旱涝，降水量过少会有干旱。所以，研究中国或者某一个地区降水量的变化会减少该地区旱涝灾害引起的损失[1]-[3]。在增暖的背景下，全球和区域的降水发生了重大调整。而温度的升高增加了地表的蒸发，降水和地表蒸发的变化最终导致地表水分收支平衡发生变化。因此可以通过计算最大潜在蒸发并结合降水定义了干湿指标。干湿指标分析的结果表明，由于温度升高的原因近100年我国西部地区虽然降水增加，但是并不存在变湿趋势；而东部地区呈现出降水增加，也可以看到明显的变湿趋势；在近50年，西北西部的显著变湿范围小于降水显著增加的范围，东部的干化区域范围大于降水显著区域。以上充分说明增暖可以减弱降水增加对地表水分收支的贡献；在近20年，我国新疆北部，尽管降水有显著的增加，但是由于受区域增暖的影响，降水显著增加的区域并没有显著的变湿趋势。而我国北方则主要以干旱为主。在降水显著减小的区域，由于温度的升高，加剧了这些地区的干化程度[4] [5]。

中国气象台站资料具有时间较短(1951年以前观测站缺测资料较多)和覆盖面不均匀(东部站点密集，西部站点稀少)的特点，不利于中国降水年代际变率的研究。利用时空分辨率较高的降水资料，有利于进一步分析不同区域和不同季节中国降水的变化特征和规律。因此利用时空分辨率较高的长时间降水资料，揭示中国百年来降水的时空变化特征。

根据NCC120和CRU数据集分析可知，中国降水在20世纪的演变过程中，有显著的年代际变化。根据CRU曲线的距平值可以给出20世纪前五个大涝年份是：1954年、1998年、1973年、1915年和1911；前五个大旱年份是：1902年、1986年、1929年、1978年和1925年[6] [7]。从80年代中期开始，由于全球变暖趋势的加剧，降水也相应增加。徐国昌等研究发现我国北方的大部分区域的年降水量有准三年周期，而东部地区在准三年周期显著区的中心部位。李栋梁等人研究发现，西北地区东部的年降水量也呈准三年周期。西北地区西部变化周期较长，20世纪前半期干旱明显，后半期降水逐渐增加。1900年代际降水较多，1910年代较少。1920~1940年代降水较多，1946年降水最多。而在1950~1960年代降水下降趋势非常明显。1970年降水很少，1974年达到最低。从1980年代开始降水呈现上升的趋势[7] [8]。根据CRU数据和王绍武等重建的降水序列中可以得出中国东部地区四季降水的变化特征在近100年时间序列上为增加趋势。在东部，降温使得该区域的潜在蒸发减弱，加上降水的增加趋势，导致该地区变湿，变湿的范围与降水相比，范围大而且强度也强[9] [10]。综上所述，对我国降水变化方面的研究较多的是我国的东部地区、华北、西北地区，但都是较短时间的研究。本文试图通过较多的站点资料和较长时间尺度的降水资料对我国近百年的降水变化特征做分析。

2. 资料及方法介绍

本文利用英国East Anglia大学气候研究中心(CRU)全球陆地0.5˚ × 0.5˚，时间长度为1901年1月~2013年12月的逐月平均降水数据集TS3.22和德国气象局全球降水气候中心(Global Precipitation Climatology Centre)全球陆地0.5˚ × 0.5˚，时间长度为1901年1月~2010年12月的逐月平均降水数据集与中国2782台站，插值为0.5˚ × 0.5˚格点，时间长度为1961年1月~2013年12月的逐月降水资料以及MK法、小波分析法、功率谱分析和干湿指标着重分析：1) 全国年降水量年代际变化的演变；2) 分析中国各区域的百年降水变化，同时应用Mann-Kendall法研究年降水量的时间变化，揭示其变化规律；3) 使用小波分析法和功率谱分析各个区域百年降水的周期变化；4) 通过计算Z指数，分析近百年来各个区域的旱涝情况。

3. 资料对比

在分析百年降水变化特征时，首先将CRU和GPCC资料集与中国台站资料作对比，在验证其可信度的基础上，讨论全国降水时空分布特征。

在全国年降水气候分布图中(见图1)，GPCC在长江以南地区、东北以及华北地区与中国台站资料相吻合，而CRU在西北、华北以及东北地区较吻合，两种资料的可信度都很高，只是GPCC的值相比CRU更接近于中国台站资料的值。从图2得知20世纪前20年代全国降水充沛；20世纪20年代年降水偏少；20世纪30年代是多雨期；在1940年代的头5年全国经历了罕见的干旱时期；在1960年之后，CRU、GPCC和中国台站资料相比，整体趋势基本一致，因此两个数据集有较高的可信度。在20世纪后期，并没有出现明显的干湿情况，变化情况主要在各种不同的分布之间相互转换。综上所述，在年平均降水量中，CRU与GPCC基本和中国台站资料相吻合，但值得一提的是，在1901年至1930年这30年中，GPCC的值远大于CRU的值，其原因会进一步分析。

(a) (b)

(c)

Figure 1. China’s annual precipitation climatology distribution. (a) CMA; (b) GPCC; (c) CRU

图1. 中国年降水气候态分布图。(a) CMA；(b) GPCC；(c) CRU

Figure 2. Anomalies of China’s annual average precipitation. Red—GPCC, Blue—CRU, Green—China Meteorological Station data. The average value is based on the 1961~2010 climate average

图2. 中国年平均降水量距平。红色——GPCC，蓝色—CRU，绿色——中国台站资料，取1961~2010年平均值

3.1. 中国近百年降水年代际变化特征分析

这里主要对CRU和GPCC降水资料作对比。见图3，GPCC数据集的降水资料在青藏地区有一向外延伸的三角区域，并不沿高原地区地形走势，其数值非常大，但是这个现象只维持在1901~1930年中，在40年代以后逐渐减小，因此1901~1930年的降水变化主要参考CRU数据集。西北地区在20世纪前80年一直处于少雨期，在1990年后降水有所增加；东北以及内蒙一带降水除了20世纪30年代、50年代以及1981~2000年间偏多以外，其余年份均属于降水偏少。华北地区整体在略偏少和略偏多之间徘徊，并未表现出降水连续偏少或者偏多的现象；江南地区除20世纪30年代处于少雨期外，降水整体充沛；西南地区除20世纪10年代和90年代外，降水整体处于偏多。综上所述，一百年尺度来分析，西北和东北地区的降水一直都处于偏少的状态，并没有明显增加的情况；江南和西南地区降水充沛。

Figure 3. Spatial distribution of decadal precipitation in China. Columns 1 & 3: CRU data (1901~2013); Columns 2 & 4: GPCC data (1901~2010). Top to bottom, left to right: Spatial distribution maps for each decade; Climatological mean baseline: 1961~2010

图3. 中国年代际降水空间分布图：第一和第三列是CRU (1901~2013)；第二和第四列是GPCC (1901~2010)从上到下，从左到右为每十年一个空间分布图，取1961~2010年平均值

3.2. 中国不同区域的降水变化特征分析

中国近百年降水变化有区域性变化的特征，因此本文将划分为五个区域进行分析(图4)。西北地区以及青藏地区由于地形以及GPCC资料引起的三角高值区，在分区域时除去此部分。其经纬度的取值范围如表1所示。

Figure 4. Schematic diagram of regional division

图4. 区域划分示意图

Table 1. Value ranges for regional division

表1. 区域划分取值范围

	范围
Ⅰ	东北	120˚~135˚E，38˚~56˚N
Ⅱ	西北	73˚~98˚E，39˚~50˚N
Ⅲ	华北	110˚~12˚0E，34˚~42˚N
Ⅳ	江南	110~123˚E，26˚~34˚N
Ⅴ	西南	96˚~108˚E，21˚~28˚N

3.2.1. 百年降水变化趋势(MK法)分析

由图5(a)可知，东北地区除1971~2000年左右有下降趋势外，其余年代整体表现为上升趋势，因此近百年的降水变化总体呈现线性上升的趋势，从MK突变检验图中可以看出1923年前后有突变。

图5(b)可知，CRU呈现20世纪前十年变化是下降趋势，而1911年之后整体为上升趋势，1986年前后有一个突变点；与CRU资料不同的是，GPCC资料在1931~1961年仍然表现出下降趋势，从MK检验中可以知道，其突变点是1903年左右，但突变不明显。

从图5(c)中可以看出，华北地区的降水趋势并没有非常明显的线性下降或者线性上升趋势，而表现出年代际的变化。多项式趋势图可以反映出1901~1911年、1931~1961年、1991~2010年为上升趋势，1911~1930年、1961~1981年为上升趋势。MK检验法分析突变的年份是1944年前后。

图5(d)可知，江南地区的降水变化也呈现出了年代际变化。1901~1911年、1931~1961年、1981~2000年间的降水基本上是增加的趋势，而1912~1930年、1961~1981年以及2001年之后的降水都是明显下降的趋势。江南地区有显著突变的年份是1912年前后，在1912年之后有下降的突变。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Figure 5. (a) Precipitation trend in northeastern China (MK); (b) Precipitation trend in northwestern China (MK); (c) Precipitation trend in north China (MK); (d) Precipitation trend in Jiangnan Region (MK); (e) Precipitation trend in southwest China (MK). Left—CRU, Right—GPCC

图5. (a) 东北地区降水变化趋势(MK法)；(b) 西北地区降水变化趋势(MK法)；(c) 华北地区降水的变化趋势(MK法)；(d) 江南地区降水变化趋势(MK法)；(e) 西南地区降水变化趋势(MK法)。左——CRU，右——GPCC

图5(e)中可知，西南地区的降水整体呈现出线性下降的趋势。在MK检验图中，显著的通过检验的突变点对应的年份是1962年左右。

3.2.2. 百年降水变小波分析法

从小波分析的结果表明(见图6)，近百年来中国降水变化都存在一定的周期特征，图6(a)可知东北地区存在2~3a年和22a左右的周期特征；西北地区小波分析的图中可以发现，CRU资料集与GPCC资料集的结果并不一致，GPCC资料集的结果是2~4年左右的周期变化，而CRU资料的结果是1~2年以及2~4年左右的周期变化，结合两个数据集分析得出西北地区有2年左右的周期特征；华北地区有1~2年和3年左右的周期特征；江南地区有2年左右的周期特征；西南地区存在1~2年和2~4年左右的周期特征。

(a)

(a)

(c)

(d)

(e)

Figure 6. Wavelet analysis plot, Left: CRU, Right: GPCC. (a) Northeastern; (b) Northwestern; (c) North China; (d) Jiangnan region; (e) Southwest

图6. 小波分析图，左：CRU，右：GPCC。(a) 东北；(b) 西北；(c) 华北；(d) 江南；(e) 西南

3.2.3. 功率谱分析

通过对各区域年降水量进行功率谱分析，得出不同区域的周期变化特征。图7(a)为东北地区功率谱分析图，取平滑值m = 22，只有CRU资料集的点通过了检验，但周期特征不是很明显。图7(b)为西北地区。取了m = 25，CRU和GPCC资料集的点都通过了检验，并且得出西北地区降水存在4~6年左右的周期震荡。华北地区取了m = 19，同样只有CRU资料集的点通过了检验线，但是没有显著的周期特征，见图7(c)。图7(d)西南地区和图7(e)江南地区分别取了m = 19和m = 20，结果表明上述两个区域两个资料集都没有通过检验点，也没有明显的周期特征。

3.2.4. 不同区域旱涝变化特征

由于某一时段的降水量一般并不服从正态分布，现在假设年降水量服从Person III型分布[3]，其概率密度分布为：

$p\left(X\right)={\left[\beta \Gamma \left(\gamma \right)\right]}^{-1}{\left[\left(X-\alpha \right)/\beta \right]}^{\gamma -1}{e}^{-\left(X-\alpha \right)/\beta }$ (1)

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figure 7. Centennial-scale precipitation power spectrum analysis across Chinese regions. Red—CRU (1901~2013), Green—GPCC (1901~2010)

图7. 中国各区域百年降水功率谱分析图。红色——CRU (1901~2013)，绿色——GPCC (1901~2010)

对降水量进行正态化处理，可将概率密度型函数Person III型分布转换为以Z为变量的标准正态分布，其转换公式为：

$Z_i=\frac{6}{C_s}{\left[\frac{C_s}{2}{\varphi }_i+1\right]}^{\frac{1}{3}}-\frac{6}{C_S}+\frac{C_s}{6}$ (2)

在式子(2)中，$C_S$ 位偏态系数，${\varphi }_i$ 位标准变量，均可由降水资料序列计算求得，即

$C_s=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\left(X_i-\overline{X}\right)}^3}}{n{\sigma }^3},{\varphi }_i=\frac{X_I-\overline{X}}{\sigma }$ (3)

在式子(3)中，$\sigma =\sqrt{\frac{1}{n}{{\displaystyle \sum _{i=1}^n\left(X_i-\overline{X}\right)}}^2},\overline{X}=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{i=1}^n{X}_i}$ 。

根据Z变量的正态分布曲线，划分为7个等级并确定其相应的Z界限值，作为各级旱涝指标，如表2所示。接下来将根据Z指数，讨论每一个区域近百年以来的旱涝情况。

Table 2. Drought-flood classification using Z-index

表2. 以Z为指标的旱涝等级

等级	Z值	类型
1	Z ≥ 1.645	极涝
2	1.037 < Z ≤ 1.645	大涝
3	0.842 < Z ≤ 11.037	偏涝
4	−0.842 ≤ Z ≤ 0.842	接近正常
5	−1.037 ≤ Z ≤ −0.842	偏旱
6	−1.645 ≤ Z ≤ −1.037	大旱
7	Z < −1.645	极旱

图8可知，东北地区在20世纪前24年基本上是偏旱年，在30至40年代左右是接近于正常值，在1951年至1965年左右降水基本偏多，有些年份出现了极涝和大涝，之后的也是都基本接近于正常值，在1988年左右又出现了一次极涝年；CRU和GPCC资料在西北地区的分析结果并不一致，在20世纪前40年代，两个资料集结果表现相反，整体结果西北地区偏旱年较多；华北地区20世纪前40年代基本属于偏旱年，多次出现了极旱的情况，在1951~1963年左右降水增加，出现了大涝和极涝的情况，1963年之后一直到1991年降水有所减少，但更多的年份是普遍接近于正常值，在20世纪末和21世纪初期属于旱年；江南地区的干旱情况是基本上属于大涝，极涝，或者是接近于正常值，这也是由于江南地区本身降水偏多的原因，在20世纪20年代以及60~80年代的属于偏旱年；西南地区在20世纪的前30年代的降水基本上属于大涝，有些年份还出现了极涝，在1958~1968年以及21世纪初期西北地区属于偏旱年，还出现了极旱的情况。

4. 结论和总结

本文利用了时空分辨率较高的长时间降水资料CRU，GPCC以及中国2782个台站逐月降水资料，对我国百年降水特征进行了分析。结果表明：

1) CRU和GPCC资料与中国台站资料降水的趋势基本吻合，GPCC资料在20世纪30年代前与CRU的差异很大，主要是由于GPCC在西藏地区的异常降水造成。

2) 中国区域降水的年代际变化呈显著的区域特征，因此分为东北、西北、华北、江南和西南地区分别讨论各区域的百年降水变化特征。

3) 东北和华北地区近百年的降水呈线性上升趋势；GPCC资料在西北地区呈线性下降趋势，而CRU资料呈线性上升趋势；江南地区降水的线性趋势不明显，但具有显著的年代际变化特征；西南地区呈线性下降趋势。

4) 小波分析表明，东北地区存在2~3年和22左右的周期特征；西北地区有2年左右的周期特征；华北地区有1~2年和3年左右的周期特征；江南地区有2年左右的周期特征；西南地区有1~2年和2~4年左右的周期特征。华北地区在1911~1941年间基本偏旱，在50年代和60年代间有极涝。

Figure 8. Annual grade values of Drought-Flood indices. Red—GPCC, Green—CRU

图8. 旱涝指标的历年等级值。红色——GPCC，绿色——CRU

5) 通过功率谱分析，西北地区降水存在4~6年的周期振荡，其它区域没有显著的周期特征。

6) Z指数反映出东北在20世纪30年代前降水偏少，多次出现极端旱年，之后降水逐渐增多，60年代普遍偏涝；西北地区基本是偏旱或者接近正常值，在1961年之后偏涝，有些年份出现极涝的情况；江南地区基本接近正常值，在20世纪10，20，30，70，80年代都是偏旱，有些年份是极旱；西南地区在20世纪50年代都是降水多，基本是大涝年，在21世纪降水有减少的趋势，出现了极旱。

基金项目

中国气象局水文气象重点开放实验室项目(24SWQXZO39)。

NOTES

^*通讯作者。