引言

近百年来，全球和中国的气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化^[1-4]。在气候变暖的背景下，极端气候事件强度和频率的变化引起学界极大兴趣^[5-7]。一些研究发现，最近的50多年，北半球中高纬度陆地极端强降水事件增多了^[8-10]，我国长江流域和东南沿海地区的极端强降水事件频率也明显增多^{[6-7, 11]}。

在最近的50余年，我国华北地区的年降水量明显趋于减少^[6-7]。研究表明，在年降水量趋向减少的地区，极端强降水事件频率一般也趋于下降^[10]。华北地区的暴雨和强降水事件频率也有减少趋势^[6]。但是，也有分析认为，即使在总降水量没有明显变化甚至减少的地区，例如美国和地中海等地区，极端强降水量在总降水量中所占份额却有增加趋势^[9]。相似的情形可能发生在华北地区^[12]。

暴雨和强降水事件的长期变化对农业、环境及生态系统有重要影响。在区域气候明显变暖和降水总量显著减少的背景下，华北地区极端强降水事件发生频率和强度究竟出现了什么变化，非常值得关注。本文以华北地区的核心区域河北省为例，利用逐日降水资料和通用的极端降水阈值定义方法，对近45年来极端降水事件发生频率和强度变化趋势进行了研究。

1 资料及方法

本文所用降水资料为河北省39个地面气象站1961—2005年的逐日降水资料，由河北省气候中心资料室进行了较严格的质量控制，订正了由于各种人为原因造成的错误值。考虑到空间要素的连贯性，本文增加了北京和天津的两个站的逐日降水资料。

在计算分析极端降水事件时间序列前，首先需要选取具有代表性的极端强降水指数^[13-14]。由于我国的气候类型存在明显的地域性差异，极端降水事件指数的定义既要考虑绝对降水量，又要兼顾相对降水量。世界气象组织(WMO)气候学委员会(CCL)及气候变率和可预报性研究计划(CLIVAR)推荐了50个极端气候指数^[15](http://www.eca.knmi.nl)，可以作为目前研究中通用的指数。本文从中选取5个极端降水指数。表 1给出这5个极端降水指数的定义。

由于降水台站分布相对均匀，平均极端降水指数序列通过计算全部41个站的算术平均值获得。估计极端降水指数的变化趋势采用线性趋势估计法。线性趋势的统计显著性采用t检验方法进行检验，而极端降水指数变化的突变或转折采用Mann-Kendall(M-K)方法进行检验。

2 河北省极端降水指数的变化趋势

在全球气候变暖的背景下，河北年平均降水量有减少趋势。其中，极端降水事件的变化可能起到更重要的作用。因为降水量变化不大，但是如果降水在时空分布上变化不均匀，仍然会加剧区域旱涝灾害发生的频率和强度。极端降水事件能在一定程度上较好地反映降水的不均匀分布。

2.1 年最大日降水量

图 1给出河北省空间平均的逐年最大日降水量时间变化序列，可以看出R_M日整体呈现下降的趋势，线性趋势为12mm/10a，通过了α=0.05的显著性检验。进入20世纪80年代以来减少明显，1980年是个分界点，之前的年最大日降水量均值为211.34mm，之后的均值为176.2mm，减少了35mm。这表明在20世纪70年代末和20世纪80年代初中国极端降水的频率和极值确实存在突变(经M-K检验，图略)。

2.2 强降水日数

图 2a是河北省强降水日数R_95%线性变化趋势的地理分布。只有少数站强降水日数R_95%呈弱的上升趋势，绝大多数台站为负值，即强降水日数减少，但在统计上都不具有显著意义，所有台站强降水日数增加和减少都没有超过0.1d/10a。

全省平均强降水日数每年发生9.4d。近45年来，强降水日数在20世纪70年代偏多，20世纪80年代初偏少，20世纪80年代末到20世纪90年代初偏多，但长期线性趋势变化不明显(图 2b)。M-K检验没有发现强降水日数时间序列存在任何转折现象。

2.3 中等雨日数R_75%

图 3a是河北省中等雨日线性变化率的地理分布。除北部地区呈弱的上升趋势外，其余地区均在减少，其中南部平原趋势变化较大，以大于1d/10a的速率减少。

河北省平均中等强度降水日数每年为21.8d。从图 3b看出，20世纪80年之前中等强度降水日数普遍较多，20世纪80年代前期中雨以上的降水日数很少，后期出现频次增多，进入20世纪90年代呈下降的趋势，经M-K统计检验，突变点是2000年。

2.4 有量降水日数变化趋势

在气象预报中，雨日增多，干旱的程度降低，而且雨日的气候变化与降水量的气候变化会有很大的差别，这在有些省份已有研究^[15-18]。日降水量>0.1 mm的降水日数定义为雨日。图 4a表明南部地区有量降水日数减少明显，尤其是东部沿海市更为显著。长城以北尤其是西北部的丘陵地区降水日增加较大，而东北地区的多雨中心变化不大。

图 4b是雨日的时间序列，可以看出，河北省R_0.lmm呈减少趋势。R_0.1mm统计量M-K曲线显示突变点是1981年、1986年和1994年，1981年之后有量降水日数逐渐下降，到1986年之后呈明显上升趋势，直到1994年；1994年之后雨日显著减少，总体看来前20年比后20年的雨日要平均多6~10d。

2.5 暴雨日数变化特征

日降水量超过50mm的降水事件都归为暴雨，包含了通常所说的暴雨和特大暴雨(>100mm/d)。根据研究区39站1961—2005年统计，暴雨发生频次平均是每年1.385次，平均降水强度为77.4mm/d，这说明大部分的暴雨更接近定义的50mm这个下限。与龚道溢计算的72.5mm/d比较一致。虽然河北省平均暴雨天数只占雨季降水总数的1.5%，其降水量却占夏季总降水量的29.2%，全年降水量的20.7%。

近45年来暴雨频次大部分台站呈现弱的减少趋势，南部平原地区减少更明显，但北部山区有较多台站有增加趋势(图 5a)。暴雨在1980年前后发生了转折，呈现显著下降趋势(图 5b)。也同整个东亚地区1979—1980年前后夏季降水大尺度的年代际转折同步。因此，河北省以及华北地区暴雨日数和降水极值的变化可能与1980年左右发生的大尺度降水模态的年代际转换有关。经M-K检验，明显的突变点发生在1981和1997年，其中1981—1997年趋势为明显下降，1997年之后明显增加。

从以上降水日数的分析可以看出，对于河北省降水而言，主要降水事件为中等强度降水；在年降水量减少的前提下，其每年的总降水日数也呈减少的趋势，每年暴雨以及强降水日数变化幅度很小，降水日数的减少主要是50mm以下有量降水日数尤其是中等强度降水日数的减少。

3 结语

利用39个站逐日降水资料，对1961—2005年河北省极端强降水事件频率和强度的时间变化特征进行了分析，获得以下结果。

(1) 全省平均年最大日降水量整体呈现下降的趋势，线性趋势为12mm/10a。1980年为最大日降水量由多向少的转折点，但整个分析时期的最大值却出现在2001年。

(2) 全省平均的强降水日数和暴雨日数变化不大，但南部平原地区一般明显减少，而北部山地台站多数呈增加趋势。暴雨日数在20世纪90年代中后期增加显著。

(3) 南部地区和东部沿海城市的有量降水以及中等雨日显著减少，西北部的丘陵地区降水日有不同程度的增加，说明平原的气候脆弱与旱化明显。

以上分析结果表明，自20世纪60年代初以来，河北省极端强降水日数发生了一定变化。全省平均年最大日降水量、降水日数和总降水量变化趋势具有明显的相似性，均表现出显著的下降趋势，而强降水日数和暴雨日数的变化趋势则不明显。因此，降水日数的减少主要是中、小雨(雪)日数减少造成的。

降水类型的变化差异表明，河北省强降水日数和暴雨日数在降水日数中的比例有增大趋势，强降水量和暴雨降水量在总降水量中的比重可能也增加了。这一现象与前人针对国外和我国华北地区的分析结果有相似性^[9-12]。但是，河北省极端强降水事件的相对增加主要发生在20世纪90年代中期以后。此前全省强降水日数、暴雨日数同降水日数的变化趋势十分相似，极端强降水事件频率的相对变化不明显。

关于极端降水变化的原因，今后还需要进行专门研究。此外，降水的观测还存在若干问题。这些问题主要包括风速和辐射导致的测量误差等^[19]。今后的极端降水变化检测研究中需要对这些误差给予更多关注。