引言

易致灾的降水可分为两类：一类是短时强降水，另一类是长时间持续的暴雨、低温连阴雨和冻雨等。暴雨可直接引起气象灾害，给人民生命财产造成重大损失：2004年发生在北京城区的“7.10”突发性暴雨，造成了城市交通大瘫痪；2005年6月10日下午，黑龙江省宁安市沙兰镇西北上游流域内突发历史罕见的、短时间的特大暴雨，给当地人民生命财产造成了重大伤亡和损失；2006年7月31日上午，北京首都机场周围发生了大暴雨，致使机场高速公路积水严重，造成首都机场共252次航班延误^[1]。致灾性更强的降水是长持续时间的暴雨、低温连阴雨和冻雨等，长时间、大范围的连阴雨或频繁的暴雨都会引发洪涝灾害。夏季东亚季风所引起的持续性暴雨是我国洪涝灾害产生的最主要原因^[2]。除了暴雨，长时间的低温连阴雨和冻雨等也是引起大范围气象灾害的重要原因：1972年3月底至4月上旬，受强冷空气影响，出现倒春寒天气，北方部分地区早春作物受到不同程度的冻害，南方大部持续低温阴雨，早稻烂秧严重，油菜、豌豆遭受冻害；另外，在近几十年中，1976年春南方低温阴雨，1984年湖北、贵州秋季低温阴雨，1996年春季江南、华南和西南低温连阴雨，以及1982年春南方低温阴雨及西北霜雪冻害，这些事件都给国民生产生活带来了很大的危害^[3]；需要特别关注的是，2008年1月10日至2月2日我国南方地区的低温雨雪冰冻天气，这是持续性低温雨雪天气造成极为严重损失的典型事件，据民政部统计，全国受灾人口达1亿多，直接经济损失达1500多亿元，农作物受灾面积和直接经济损失已经超过2007年全年低温冻害灾害造成的损失^[4]。因此，深入研究降水持续性的时空分布特征，对于我国的防灾减灾工作有着非常重要的意义。

早期对降水持续性的研究，多关注不同季节降水的小时数^[5-6]，国内亦有类似的定义和讨论，如林之光等^[7]利用台站降水资料，讨论我国不同地区降水时数的季节变化及地形对降水时数的影响。近年来，降水的持续时间受到越来越多的重视。Zhao等^[8]用一个标准来表示特定区域的有效降水，然后用有效降水的持续时间来定义雨季的持续时间，讨论中国东部持续性降水的长期变化；亦有研究讨论长时间持续的暴雨等极端降水事件的性质^[9]。除此之外，还有对持续性暴雨成因的讨论^[10]等。Yu等^[11]将江淮和黄淮地区降水事件按照持续时间分类，发现降水峰值与降水持续性密切相关，持续性降水的峰值大多位于午夜至清晨，而短时降水的极大值则多出现在下午或傍晚。李建等^[12]结合每次降水的持续时间，对降水日变化的气候特征进行分析，发现北京地区下午至前半夜的降水主要表现为持续时间少于6小时的降水事件，而后半夜至清晨的降水峰值则主要由持续时间大于6小时的降水事件累积而成。Li等^[13]在讨论中国南方地区降水日循环的季节变化时指出，不同季节西南部和东南部的短时降水和持续性降水的峰值时间有差异。两区域短时降水的峰值时间全年变化较为一致，暖季在午后至傍晚，冷季在午夜或者清晨；长持续性降水则表现出不同的特征，西南部全年峰值在午夜或者清晨，东南部7—9月的峰值在午后至傍晚。同时，针对不同持续性降水日变化特征的差异，前人也有一些机理方面的工作，如从夏季南方对流云降水和层状云降水的角度分析长短持续性降水的峰值时间^[14]，或者从对流层低层风场日循环的角度讨论长江流域夏季持续性夜雨开始时间自西向东滞后的可能机制^[15]。然而这些工作较少直接讨论降水持续性的季节变化。

从起讫时间和地域差异考虑，我国的主要雨季包括江南春雨、华南前汛期、江淮梅雨、华北和东北雨季、华南后汛期、华西秋雨和西部雨季等^[16-33]。以上雨季多是以降水量、降水频率和强度的变化为依据进行划分的，而前人较少从降水持续时间的角度讨论降水的季节变化。

我国降水持续性的空间分布特征如何，其季节演变有何规律，是否与降水量的季节变化特征相同，持续不同时间的降水事件呈现怎样的空间和季节分布特征？本文利用台站降水资料，从降水平均持续时间入手，对以上问题进行讨论。

1 数据和方法

本文所用资料为国家气象信息中心整编的我国地面气象观测站的逐12小时降水资料(把一天分成两个时段，以08和20时为时间分界点)，因此文中1个时次代表 12小时(本文后面提到的时次，均指12小时)。考虑到记录的完整性和可比性，本文挑选一年内连续缺测时间不超过5天(10个时次)的台站分析，图 1a中用黑点表示588个台站的站点位置。

基于两方面的考虑：一是将局地条件引起的小降水事件滤去，二是保证足够的样本数，不至于略去明显的降水事件；本文进行了台站降水强度(单位：mm/时次)的阈值确定工作。以往对降水的讨论中，全国各站多采用同一个阈值，由于我国降水地域差异明显，对不同的台站分别确定阈值，更有实际意义。本文采用累积降水量占总降水百分比的方法：对每个台站，把1969—2008年12小时降水所有样本按升序排列，取累积降水量占总降水量的百分比为3%所对应的降水强度值为该站降水的阈值(如图 1b所示)，即不高于此降水强度的所有时次降水量之和占该站40年总降水量的3%。总体来说，阈值从东南向西北逐渐减小，与降水量的分布类似。大值带位于华南，超过1.6 mm/时次；东北地区西北部和西北地区较小，低于0.8 mm/时次；另外，四川盆地以西有一个低值中心。

除了阈值的规定，为了更加客观地考察降水的持续性，对于一次持续性降水，允许有间断点，需保证该间断点的前两个时次和后两个时次有降水。当某一降水时次之后的1个时次没有降水且不满足以上的间断条件时，称为一次降水事件的结束，将一次降水事件开始至结束间的时次数定义为其持续时间。降水平均持续时间的定义：降水总时次/降水事件总数。

2 降水平均持续时间的季节变化特征

图 2给出40年(1969—2008年)平均的年降水平均持续时间的气候态分布。可以看出，35°N以南，从西到东，呈现“高低高”的分布特征，江南地区、西南地区和青藏高原东南部是大值区，均超过2.0时次，最长平均持续时间出现在青藏高原东南部，超过2.2时次，中部区域略短，低于1.8时次，包括陇中高原、陇南地区、四川盆地及其东南的云贵高原东北部；35°N以北，西北和内蒙古西部最短，低于1.4时次，东北地区北部略长。

进一步看不同季节降水持续性的演变，接近57%的台站夏季降水平均持续时间最长，约27%的台站秋季降水平均持续时间最长，春、冬季降水平均持续时间最长的台站比例均低于10%。降水平均持续时间最长季节的空间分布图(图 3)显示，最长降水平均持续时间为夏季的区域主要分布在东南沿海地区、华北北部、东北地区、内蒙古东部、西南地区的西南部和青藏高原地区，对应了这些地区的雨季；江淮和黄淮流域、关中盆地、汉水谷地、长江中游地区以及海南省秋季降水平均持续时间最长；江南地区春季降水持续时间最长，对应江南春雨。其中，江淮和黄淮流域以及长江中游地区的降水平均持续时间最长季节(秋季)与雨季时间(夏季)不一致，是由于秋季持续时间较长的降水事件发生的比例高于夏季，而这些区域降水量和降水频率则均是夏季值最高(图略)。

图 4给出不同季节降水平均持续时间的空间分布。由图可知，不同地区降水平均持续时间随季节变化的差异明显，比较典型的是，东南地区春季和冬季的降水平均持续时间较夏、秋季长，四川盆地各季节值相差不大且较低，云南省西北与青藏高原相接的地区各季节也相差不大但值较高。从冬季到春季，全国大部分地区降水平均持续时间变长，比较两个季节各站点的降水平均持续时间发现，除了西北、东南和江淮黄淮的部分地区，全国超过75%的地区降水平均持续时间春季长于冬季(图略)。春季降水平均持续时间的空间分布特征与年平均分布特征相似，只是在35°N以南，西部大值区的值和范围较小，中部的低值区范围扩大，东部大值区的值略高，东南地区普遍超过2.2时次。夏季东北的东部和35°N以南的大部分地区降水持续时间超过1.8时次，青藏高原东部地区降水持续时间最长，超过2.2时次，不过江南地区的降水平均持续时间较春季明显减少。秋季最显著的特征是河套东南的汉中盆地和汉水谷地等地区降水持续时间显著提高，另外，江淮流域和长江中游以南地区也比夏季降水持续时间长。冬季全国大部分地区降水平均持续时间较短，低于1.6时次，只有东南地区和云南省西北与青藏高原相接的地区较高，超过2个时次。

为了进一步了解不同区域降水持续性的季节变化特征，用40年平均的逐旬降水平均持续时间标准化距平作经验正交函数(empirical orthogonal function, EOF)展开。图 5和6分别给出EOF展开第一、二模态空间型及时间序列[方差贡献分别是36.1%和9.7%，均通过了利用计算机特征值误差范围进行的显著性检验(North检验)]。第一模态空间场(图 5a)的分布反映了我国长江流域以南的东南地区降水平均持续时间与全国大部分地区呈现相反的变化特征，正值中心位于东北、青藏高原及其以东。结合时间序列(图 5b)，第一模态反映的是，空间场的正值地区降水平均持续时间在暖季(13—30旬)较高，并且在夏季达到最高；而东南地区相反，冷季降水平均持续时间高于暖季。第二模态空间场(图 6a)突出的特征是江淮和黄淮地区有正值中心，南北方向上，呈现“负正负”的分布形势。结合时间序列(图 6b)，第二模态反映的是江淮和黄淮地区秋季的降水平均持续时间较其他季节长。

根据EOF分解结果，确定4个典型区域：1区，即东北和华北北部地区(39°N以北，110°E以东)，2区，即江淮和黄淮地区(30°N以北，110°E以东，第二模态空间分布值不低于3的区域)，3区，即东南地区(30°N以南，110°E以东，第一模态空间分布负值的区域)，4区，即青藏高原及其以东地区(29°~35°N，104°E以西，第一模态空间分布值不低于5的区域)。另外，根据图 2，西南地区(28°N以南，105°E以西)存在降水平均持续时间的大值区，将此区作为一个区域，即5区。对以上确定的5个区域(图 1a)，后面将深入讨论其降水持续性的季节变化特征(后面的讨论中用序号代表区域)。我国中部地区(105°~110°E)处在西部的高原和东部的平原之间，地形复杂，影响降水的因素较多，本文暂不讨论。

图 7给出5个区域降水平均持续时间、降水量、降水频率和降水事件频次的逐旬演变。从降水持续时间的变化特征来看，1区属于单峰型，其他4个区域属于多峰型。各区域降水平均持续时间最长旬分别是1区的7月下旬，2区的10月上旬，3区的3月下旬，4区6月下旬以及5区的7月下旬。与其他4个区域雨季值最高不同，2区的梅雨期(6月下旬和7月上旬)峰值属于次峰。另外，3区秋、冬季也存在高值区，5区的降水平均持续时间除了夏季主要的高值区，还存在10月下旬的小峰值。从降水平均持续时间的平均值来看，3区最高，达到1.95时次，1区最低，为1.42时次；标准差最大的是4区，为0.38时次，最小的是1和3区，0.16时次。从降水平均持续时间和降水量逐旬演变的相关系数来看，1和4区均超过0.90，说明这两个地区降水持续时间与降水量的变化一致性较好；2和3区相关系数很低，分别仅为0.03和0.18，原因在于降水平均持续时间存在不同于降水量和降水频率变化的高值区，包括2区的10月峰值，3区秋、冬季节的高值。5个区域降水频率和降水事件频次的变化趋势非常接近，相关系数均超过0.90；二者与降水平均持续时间的相关系数在1和4区也较高，超过0.90，在2和3区最低，均低于0.30。东部3个区域降水平均持续时间夏季的季节内变化明显，3区的降水持续时间在第18和19旬(6月下旬和7月上旬)开始降低，2区的降水平均持续时间则是在这个时段迅速提高并达到峰值，对应了江淮梅雨和季风雨带的第一次北跳；2区第20旬(7月中旬)开始降水平均持续时间值迅速缩短，而1区降水平均持续时间在21旬(7月下旬)最长，对应东北和华北雨季以及季风雨带的第二次北跳；到了23旬(8月中旬)，随着雨带南撤到江淮流域，2区的降水平均持续时间又变长，说明降水平均持续时间的变化可能与季风雨带的移动有关。另外，4和5区均在第22旬(8月上旬)是低值区。

3 不同持续时间降水的季节变化特征

比较5个区域不同持续时间降水事件的降水强度(图略)发现，对于持续3个时次以下的降水事件，随着降水持续时间的延长，各区域降水强度呈现增大的趋势，而持续3个时次以上的降水事件强度趋于平稳。据此，我们将持续1个时次的降水事件定义为短时降水，而将持续3个时次及以上的降水事件定义为持续性降水。后面主要讨论此两类事件的区域特征和季节演变规律。

图 8给出两类降水事件降水量和降水频率占全年总降水的比例。从两类事件降水量和降水频率之和对总降水的贡献来看，1和2区略低，占总降水的70%左右，其他3个区域均超过80%。1区短时降水的贡献最高，降水频率的贡献超过了40%，高于持续性降水。3区短时降水的降水量和频率贡献最低，持续性降水贡献最高，其中持续性降水降水量甚至接近60%；5区两类事件的总贡献最高，降水量和降水频率都达到83%。同时可以发现，对于东部3个区域，自南向北，短时降水量和频率的比例逐渐增加，持续性降水比例减少。

图 9给出5个区域两类降水事件降水量(左)、降水频率(中)和降水强度(右)逐旬演变。综合比较几张图，各区域短时降水和持续性降水的逐旬演变相关性很高，无论降水量、降水频率还是降水强度的相关系数都通过了0.01显著性水平检验。对于1和4区，短时降水和持续性降水的变化基本一致，在雨季以外，两类事件相差不大，到了雨季，持续性降水的降水量和降水频率增长迅速，比例明显高于短时降水，降水平均持续时间也提高。对于2区的10月上旬、3区1和2月和5区的10月下旬，持续性降水的降水频率虽然不高，但有明显的增加趋势，而短时降水不变或减少，这样持续性降水占的比例大，所以降水平均持续时间高。2区两类事件降水频率的逐旬演变特征，尤其是各个季节两类事件的比例也解释了为什么图 3中江淮和黄淮地区秋季降水平均持续时间最长。两类事件在东部地区夏季季节内变化差异明显，3区持续性降水量和频率从6月下旬开始下降，而短时降水没有明显减少；同时2区持续性降水在6月下旬和7月上旬的梅雨期降水量、频率和强度明显提高，而从7月中旬降低，此时短时降水仍然增加；1区7月下旬持续性降水的降水量和降水频率明显高于短时降水；到了8月中旬，2区持续性降水的降水量提高，短时降水的降水水量降低；这对应了前面降水平均持续时间逐旬演变的讨论，与Yuan等^[34]的观点一致，可能是夏季季风雨带随时间“北跳和南撤”造成的。降水强度的典型特征是，各区域两类降水事件基本上是暖季(5—10月)值较高，冷季较低；各旬4区长短持续性降水强度比值相差最小。

4 结论

本文从降水平均持续时间入手，讨论了中国5个地区降水持续性的季节变化特征，并讨论不同持续时间降水事件的降水量、频率和强度的季节变化特征。主要结论如下：

(1) 中国地区降水年平均持续时间地域差异明显。35°N以南，西部和东部年降水平均持续时间较长，中部略短；35°N以北，西北和内蒙古西部最短，东北地区北部略长。降水平均持续时间随季节的变化基本能反映出各地的雨季特征，包括江南春雨、江淮地区的梅雨、东北和华北夏季雨季、关中盆地和汉水谷地的秋雨以及青藏高原地区和西南地区夏季的雨季。

(2) 对于讨论的5个典型区域，东北和华北北部地区、青藏高原及其以东地区降水平均持续时间与降水量的季节变化较为一致；其他3个区域降水平均持续时间存在秋、冬季的大值区，如东南地区的秋冬季节高值区、江淮和黄淮地区10月上旬的峰值以及西南地区10月下旬的高值区。

(3) 东南地区、江淮和黄淮地区、东北和华北北部地区夏季季节内降水平均持续时间的变化对应了季风雨带的“北跳和南撤”过程。

(4) 东部三个区域，自南向北，短时降水的降水量和降水频率占全年总降水的比例逐渐增加，持续性降水的比例减少。

(5) 短时降水和持续性降水的季节变化特征不同，雨季两类降水事件的降水量和频率都高，由于持续性降水的比例明显高于短时降水，降水平均持续时间长；而结论(2) 提到的3个秋、冬季节高值区是由持续性降水的增加和短时降水的减少造成的。降水强度上，各区域两类事件变化趋势较为一致，暖季高，冷季低。