气候变化背景下陆地季风与非季风区极端降水特征对比
第40卷第2期高原气泰Vol. 40No. 2 2021年 4月PLATEAU METEOROLOGY April, 2021
何静.范广洲，张永莉，等，2021.气候变化背景下陆地季风与非季风区极端降水特征对比[J].高原气象，40(2):324-332.
H E Jing, F A N G u a n g z h o u,Z H A N G Yongli,et al, 2021. L a n d M o n s o o n a n d N o n-m o n s o o n R e g i o n s u n d e r Climate C h a n g e C o m­parison o f E x t r e m e Precipitation Characteristics[J]. Plateau M e t e o r o l o g y.40(2)：324-332.D O I：10. 7522/j. issn. 1000-0534. 2020. 00077.
气候变化背景下陆地季风与非季风区
极端降水特征对比
何静，范广洲，张永莉，赖欣
(成都信息工程大学大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室/气候与环境变化联合实验室.四川成都610225)
摘要：利用月平均地表气候要素数据集(C R U T S 4. 02)的逐月降水和逐月日平均气温资料，采用线性趋
势分析、滑动平均和相关分析等方法，研究了 1901 —2017年气候变化背景下全球陆地季风区与非季风区
的极端降水特征.结果表明：我国所处的亚洲季风区的极端降水频率分布较为稳定，仅在变暖减缓时段
出现大范围小值区；非季风区在急剧加速变暖时段极端降水频率分布呈现两极化，大范围的小值区与大
值区共存，而季风区不易出现这种情况季风与非季风K极端降水频率均值变化基本趋于一致，只在加
速变暖时段有所不同。季风与非季风极端降水频率小值区格点数占比变化趋于一致，仅在两个加速变
暖时段有所区别，而对于大值区，除去1921—1949年和1950—1972年，季风冈大值K格点数占比均低于
非季风区:，季风与非季风区极端降水M的分布形式受气候变化影响相对较小，但无论处于哪个冷暖时
lol瑞文出装段，季风区的极端降水f l均远远高于非季风区：非季风区的极端降水频率与气温的相关性要好于季风
区，叠加温度趋势变化时，中髙纬度大部分地区呈正相关的关系，去趋势后，相关性减弱：
关键词：气候变化背景；季风与非季风区；极端降水特征
文章编号：1000-0534(2021)02-0324-09中图分类号：P467文献标识码：A
DOI：10. 7522/j. issn. 1000-0534. 2020. 00077
1引言
IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Ch-ange)第五次评估报告表明全球地表温度有所增加，尤其是在1900年之后，多种数据表明这种增暖 趋势是毋庸置疑的（IPCC，2013)。在这种全球气 候变暖的背景下，极端天气气候事件出现的频率也 越来越多，对社会与自然产生了重大影响（胡宜昌 等，2007；叶培龙，2019；冯晓莉等，2020；卢珊 等，2020)。而极端降水事件属于极端天气气候事 件之一，因此近年来对于极端降水的研究得到了广 泛的关注（Frich et al，2002; Zhai et al, 2005; Alex­ander e ta l， 2006; 杨霞等， 2020)。
全球季风是指大气环流随着季节的变化而出 现大尺度反向的现象，并伴有显著的降水变化特征 (Trenberth et al, 2000)。季风气候影响了全球约三 分之二的人口，其与非季风气候的变化与人类活动 息息相关。而降水量的变化对全球季风与非季风 区范围有着重要影响，反过来季风区与非季风区的 降水又可对大气环流产生影响，经水循环来改变全 球降水分布（Wang e ta l, 2012) ：其中极端降水对 于降水量的变化贡献很大，因此研究季风区与非季 风区极端降水变化特征尤为重要。
前人对此做了相关方面的研究。靳俊芳(2015) 研究了我国东部季风区城市极端降水事件，发现在 全球变暖的背景下，东部季风区绝大部分城市的极
摄影专业收稿日期：2020-06-03；定稿日期：2020-09-27
资助项目：国家自然科学基金项目（42075019.42075081); B家重点研发计划项目（2018YFC1505702)；第一.次青藏高原综合科学考察研 究项目（2019QZKK010203)
作者简介：何静（丨993—），女，河北承德人，硕士研究生，主要从事气候变化研究.E-mail: *****************
通信作者：范广洲（1970—)，男，山东人.教授，主要从事气候变化与数值模拟研究.E-mail:************
2期何静等：气候变化背景下陆地季风与非季风区极端降水特征对比325
端强降水量和强降水量增多趋势显著。姜江等 (2015)模拟了 RCP4. 5背景下中国季风区降水变化 特征，指出21世纪季风区的降水强度有所增加，尤 其在2081—2099年最为显著。彭冬冬等(2016)利 用全球稱合模式FGOALS-g2模拟了 21世纪全球季 风区极端降水特征，发现在RCP8.5排放背景下，可降水量的增加将导致全球季风区的降水总量和 降水强度有所增加。嵇红霞（2017)研究了我国东 部季
风区局地持续性暴雨事件特征，指出我国东部 季风区区域持续性暴雨事件的频次持续增加，极端 性越来越强。李健颖和毛江玉（20丨9)分析了亚洲 季风区夏季30〜60天大气季节内振荡（ISO)和长江 中下游极端降水的联系，认为亚洲季风区ISO强度 的变化可以调制长江中下游持续性极端降水的频 次与时间。
回顾前人的研究工作，发现很少有学者对气候 变化背景下的季风与非季风区的极端降水特征进 行对比研究，而季风区与非季风区的区分很大程度 上与降水有关，因此本文在前人的基础上，将气候 变化、季风区与非季风区和极端降水这三个方面结 合起来，更加深人系统的研究极端降水事件特征，为日后极端天气气候事件的研究奠定基础。
2资料选取与方法介绍
2. 1研究资料
英国东英吉利大学对多个知名数据库进行整 合和插值，重建了一套覆盖范围大且具有高分辨率 的月平均地表气候要素数据集(CRUTS资料），在 全球气候变化研究领域被广泛使用。本文所利用 的地表逐月降水和逐月日平均温度资料来自于其 在2018年最新发布的TSv4.02数据集，时间范围 为1901—2017年，空间分辨率为0.5。><0.5。。
文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局 标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016) 1665 号的地图制作，底图无修改：
2.2研究方法
全球极端降水量具有较大的局地变化性，因此 对于极端降水事件的定义也应参考各个地区的降 水特征：根据前人研究极端降水事件所用的定义 方法（王小玲和翟盘茂，2008；孙健奇和敖娟，2013；任正果等，2014；李娟等，2020)，本文采用 阈值的方法定义极端降水事件，即将1901 —2017年 CRU逐月降水序列按照升序排列，取第90个百分 位的值作为对应格点极端强降水事件的阈值，而某些地区发生降水次数甚少，导致这些地区按上述方 法计算得到的阈值为〇，则认为这些地区一旦出现 降水非零值便记为一次极端降水事件。对于极端 降水频率，本文所采用的定义方法为极端降水事件 发生的次数占对应时段总月数的百分比（赖欣等，2010；李丽平等，2012)〇前人对极端降水均值的 研究相对较少，本文对极端降水均值的定义为某时 段极端降水总量与该时段极端降水次数之比。
Wang et al(2012)定义季风区的方法被广泛应 用（林壬萍等，2012；彭思敏等，2019)，季风区范 围的确定需同时满足两个条件：（1)夏季平均降水 量与冬季平均降水量之差大于300 mm，其中北半 球夏季是指当年5 —9月，冬季是指当年11月至次 年3月，南半球相反。（2)季风降水指数(MPI)大于 0.55。MPI的计算方法为
Z5, - P2
M P I =—-----
P
式中：A为夏季平均降水量；匕为冬季平均降水 量；P为年均降水量。
对于季风区（非季风区）极端降水频率大值区 (小值区)格点数占比的计算方法为季风区(非季风 区）极端降水频率大值区（小值区）格点数与季风区 (非季风区)格点总数之比。
同时，本文主要还采用线性趋势分析、滑动平 均和相关分析等方法，用来研究极端降水的变化 特征。
3全球季风与非季风区的分布
全球季风区与非季风区的分布范围如图1所 示.从图1中可以看出，季风区主要分布在赤道及 其两侧的热带与副热带地区，非季风区主要分布在 中高纬地区。其中常被列入季风区的中国东南地 区此时处于非季风区范闱内，这是因为该地区降水
图1190丨一2017年全球陆地季风区与非季风区分布
绿部分为季风区
Fig. 1T h e distribution o f global terrestrial m o n s o o n regions
a n d n o n-m o n s o o n regions f r o m1901 to 2017. T h e gr e e n
part is the m o n s o o n z o n
e
326局原气象40卷
量的季节性变化很小，春秋两季降水量在全年降水 量里也占了较大比重，因此没有达到定义要求（彭 思敏等，2019)。除此之外，全球主要的季风区的 轮廓（亚洲季风区、澳洲季风区、西非季风区、南美 季风区和北美季风区）都在图中表现出来。其中季 风区面积较大的主要有亚洲季风区、西非季风区和 南美季风区。亚洲季风区主要位于我国东部与南 部、中南半岛和印度地区；西非季风区明显分为两 部分，分别位于非洲的中部和南部；南美季风区则 主要存在于南美中部地区。
4全球温度变化特征
图2为全球陆地年均温度变化。从图2中可以 看出，在20世纪70年代以前，温度变化较为平缓，在70年代之后，温度急剧升高。为了研究气候变 化背景下的极端降水事件特征，本文对1901 —2017 年的温度时间序列做了 9年滑动平均，参考陈姣和 张耀存(2 016)对时段的划分，根据滑动曲线的变化 趋势将着117年分成了 6个冷暖时段，其中偏冷时 段为1901—1920年，1950 —1972年；偏暖时段为 1921—1949 年，1973-2000 年，2001—2010 年和 2011—2017年。经计算，1973—2000年的气温升高 速率为0.257 °0( 10a)H, 2001—2017年升温速率 为0. 144 °CM10a)'增暖速度不及前一时段，综合 滑动变化曲线将1973-2000年定义为加速变暖时 段，2001-2010年则为变暖减缓时段；而2011 —2
017年的气温升高速率高达0.87。0(10a)'远高 于1973—2000年，因此将2011—2017年定义为急剧 加速变暖时段：
图2 1901—2017年全球陆地年均温度变化及其9年滑动
平均曲线
水平实线为每个时段的平均值
Fig. 2 Annual global average temperature change from 1901 to 2017 and its 9-year moving average curve. The solid horizontal line is the average of each period 5气候变化背景下季风区与非季风区极端降水频率的时空分布特征
5.1空间分布特征
图3为不同冷暖时段下极端降水频率的空间分 布特征。经计算，无论温度怎样变化，各个时段的 极端降水频率均值基本都在8%〜12%之间，因此将 极端降水频率大于12%的区域视为大值区，将极端 降水频率在8 %以内的区域视为小值区。从图3中可以看出，1901 —1920年，季风区范围内的小值区 主要位于西非季风区南部、南美和北美季风区，而 非季风区的小值区分布较为广泛，欧亚大陆北部、中东和北美的很多地区极端降水频率甚至都在4%以下；在偏暖的1921—1949年，整体上全球极端降 水
频率有所增加。季风区的极端降水频率较明显 的小值区仅存在于南美季风区南部，亚洲季风区较 前一时段变化不大。对于非季风区来说，欧亚大陆 北部变化最大，小值区范围很大程度上有所减少，极端降水频率基本都在8%以上；1950—1972年为 偏冷时段，但分布情况与同是偏冷时段的1901 —1920年极端降水分布形式并不相似，而是与前一时 段分布情况较为相同，这可能与前一时段平均温度 差异不大有关。从图3中还可以看出，全球极端降 水频率进一步有所增加，季风区的小值区范围进一 步缩小，仅在澳洲季风区西北部有较明显的小值 区，亚洲季风区依然无太大变化：非季风丨x：的极端 降水频率也普遍升高，高纬地区只有零星小值区的 存在，同时成片的大值区开始出现；1973—2000年 全球温度升高得较快，但亚洲季风区依然没有太大 变化，澳洲季风区极端降水频率升高明显，大部分 地区都在12%以上，西非季风区变化较大，其北部 出现较大范围小值区。对于非季风区来说，北半球 高纬地区变化较大，很多地区极端降水频率进一步 升高，格陵兰岛的东北部极端降水频率甚至达到了 20%以上，而这一地区在偏冷的1901 —1920年属于 小值区；2001—2010年为变暖减缓时段，但从全球 范围内来看，小值区范围有所扩大，可能与此时变 暖速度减小有关。在季风区范围内，西非季风区南 部有大范围小值区，亚洲季风区也出现了较大范围 的小值区。而非季风区小值区则表现为在中高纬 范围内明显扩大。2011—2017年为急剧加速变暖时 段，此时非季风区变化较为显著，小值区和大值区 范围都有所扩大，极端降水频率的两极化开始显现 出来，这可能是受气候剧烈变化的影响，
这一现象
何静等：气候变化背景下陆地季风与非季风区极端降水特征对比
327
60°N-30°N-0
°-
30°S-60°S-60°N-2030°N--16120°--830°S-1
4
60°S-20
16
12
8
4
图3
不同冷暖时段季风区与非季风K 极端降水频率的分布(单位：％)
黑斜线覆盖区域为季风区
Fig. 3
Distribution o f  ex t r e m e  precipitation frequency in m o n s o o n  a n d  n o n -m o n s o o n  regions in
different cold a n d  w a r m  periods. U n i t ： %. T h e  black diagonal line covers the m o n s o o n  area
ll  -io  -
在格陵兰岛尤为显著，大值区与小值区共存于此， 在这个区域，极端降水频率低至4%以下，高至 20%以上。这一时段季风区的变化则主要体现为 亚洲季风区小值区范围的减少。
5.2时间分布特征
对不同冷暖时段季风与非季风区的极端降水 频率分别做平均，得到了罔4。从图4中可以看 出，季风与非季风区都在最冷的1901 — 1920年极 端降水频率最低，在1950—1972年，季风区极端年 降水频率最高，而非季风区则在加速变暖的1973 一2000年极端降水频率最高。季风与非季风区极 端降水频率均值变化基本趋于一致，只在加速变 暖时段有所不同，季风区的极端降水频率较前一 时段有所减小，非季风区的极端降水频率有所增
8 -
1901-1920 1921-1949 1950-1972 1973-2000 2001-2010 2011-2017
年份
图4
不同冷暖时段季风与非季风区极端降水频率
均值对比
Fig. 4 C o m p a r i s o n  o f  the m e a n  value o f  e x t r e m e  precipitation
frequency b e t w e e n  m o n s o o n  a n d  n o n -m o n s o o n  regions
in different cold a n d  w a r m  periods
2期
90°N 60°N-30°N-
30°S-60°S-(a) 1901 — 1920年
(b) 1921 -1949年
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328
高 原气象
40卷
10-
10-1901-1920 1921-1949 1950-1972 1973-2000 2001-2010 2011-2017 年份
1901-1920 1921-1949 1950-1972 1973-2000 2001-2010 2011-2017
年份
图5
不同冷暖时段季风与非季风区极端降水频率大小值格点数占比对比
Fig. 5
C o m p a r i s o n  o f  the proportion o f  grid points o f  e x t r e m e  precipitation frequency b e t w e e n
m o n s o o n  a n d  n o n -m o n s o o n  regions in different cold a n d  w a r m  periods
6
气候变化背景下季风区与非季风 区极端降水量的时空分布特征
6.1空间分布特征
从不同冷暖时段季风与非季风区极端降水量 均值的空间分布（图6)中可以看出，总体上来看， 五个冷暖时段极端降水M 空间分布无太大变化，尤 其在季风区范围内，各级别极端降水量的分布区域 基本不变。在非季风区范围内，北美、南美洲和中 西伯利亚地区的北部在第一时段分布形式与其他 时段差别较大，在这个最冷的时段里，很多地区没 有极端降水事件，而在其他时段，没有极端降水事 件的地区明显减少，南美洲北部的极端降水量甚 至达到300 m m 以上。在急剧加速变暖的2011 — 2017年，处于非季风区的西西伯利亚地区极端降水 量均值高于100 mm 的区域面积明显增大:
6.2时间分布特征
为了更加直观地比较气候变化背景下季风与
非季风区的极端降水量，对其做了区域平均。从图 7中可以看出，无论处于哪个冷暖时段，季风区的 极端降水量均远远高于非季风区，并且季风区极端 降水量的变化趋势也和非季风区大体一致，仅在 1973—2000年稍有不同，季风区极端降水量较前一 时段有所减小，而非季风区有所增加。季风与非季 风区都是在最冷的1901_ 1920年极牺降水量最小， 季风区极端降水i t 此时仅为268. 28 mm ，非季风区 则低至137. 99 mm 。
7极端降水频率与温度变化的关系
为了进一步更加具体地探究气候变化背景下 季风区与非季风区极端降水与温度变化的关系，本 文对极端降水频率与温度变化做了相关性研究。
根据1901 _2017年全球地表温度变化(图略)与
季风区
非季风区
27,11
6.74 6.92
>〇〇〇■： ： ： ：|
32
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27.39
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孪风区
非季风区23.03
20.26
10.02
5.83
5.86
力口在前3个时段季风区的极端降水频率均高于 非季风区，在偏暖的1921—1949年季风与非季风 区极端降水频率相差最大，而在加速变暖、变暖减 缓和急剧加速变暖时段，非季风区的极端降水频率均高于季风区。
为了更系统地比较各个冷暖时段季风与非季 风区的极端降水频率特征，本文对两个区域极端降 水频率大值区格点数和小值区格点数分别做了对 比，为了使对比更加客观公正，结果采用百分比的 形式来表达。从图5中可以看出，对于小值区而 言，随着时段的变化，季风与非季风格点数占比的 变化趋势大体趋于一致，仅在两个加速变暖时段有 所不同：在1973 —2000年，季风区小值区格点数占 比较前一时段（1950—1972年)有所增加，非季风区
(a)小值区
有所减小；2011—2017年的季风区小值区格点数占 比较前一时段(2001 —2010年）有所减小，而非季风 区有所增加；除去1973 —2000年和2001—2010年， 其他各个时段季风区小值区格点数占均低于非季 风区；季风区与非季风区小值区都在最冷的1901 — 1920年范围最大，格点数占比分别高达30. 44%和 41.97%。而对于大值区，与小值区有所不同，季风 与非季风格点数占比变化趋势并不相似，在1950— 1972年，季风区的大值区格点数占比在6个时段中 最大，达到26. 23%，在变暖减缓时段，非季风区大 值区格点数占比达到最大，高达32%。总体而言， 除去1921 —1949年和丨950—1972年，季风区大值区 格点数占比均低于非季风区，这一特点在后3个时 段表现尤为明显。
(b)大值区
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