1 全球极端降水事件的时空变化特征
近年来，极端天气事件引发的自然灾害日益严重，引起了全球各个国家政府和社会的高度关注。本文利用全球4270个测站1971—2010年逐日降水资料，采用百分位阈值法，对近40年来极端降水事件的平均特征、年际变化、时空分布进行分析，结果显示：
近40年来全球全年端降水事件频次的空间分布存在很大差异，总的来说全年总极端降水频次分布与各地区的气候特点有关，频次低值区主要分布在南北纬30°左右，并向南北逐渐增大。极端降水量占总降水量的比值全球分布差异很大，大雨在美国中部、东部部分地区逐渐增加，在地中海沿岸大部也有比较明显的增加趋势，欧洲其他部分地区增减趋势并不明显。在俄罗斯地区，西部部分站点大雨所占比例增加明显，而中部地区减少趋势占主导地位。中国长江流域强降水过程明显趋于增多,发生洪涝灾害的频率也趋于增加。在南半球地区，南美洲南部、南非地区呈增加趋势，澳大利亚西北部和东南部增幅较大。从全球来看，极端降水强度高值区主要在南北纬回归线之间，且向高纬逐渐递减。降水强度变化趋势和极端降水量与总降水量比值的变化趋势有很好的一致性。
关键词：全球；极端降水；时空变化；
第一章 前言
1.1 极端降水事件的研究意义
IPCC第四次评估报告错误!未找到引用源。表明，在全球变暖的大背景下，各类极端事件在近年来变得更加频繁和强烈。极端天气事件引发的自然灾害日益严重，引起了政府和社会的高度关注。极端事件的频率和强度变化对自然和人类社会的冲击远大于气候平均所带来的变化。
AR4错误!未找到引用源。中对极端气候的定义给出了较为明确的阐述：即对一特定地点和时间极端天气事件就是从概率分布的角度来看，发生概率极小的事件，通常只占该类天气现象的10%或更低。
全球地形差异较大、气候复杂多样，近些年来环境保护以及社会可持续发展
2 等受到全球各个国家前所未有的关注。1988年孟加拉国水灾，淹没近2/3国土，3000万人丧失家园，是近百年来全球最严重的一次由极端降水引发的水灾。1991年孟加拉国再遭重创，全国受灾人口占总人口的1/10，死亡13.8万人，损失30亿美元错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。。据统计，中国因洪灾造成的直接经济损失约占全国各类自然灾害损失的62%，相当于同期GDP的1.55%错误!未找到引用源。。但是几十年来，大多数通过观测降水资料的全球长期气候变化的分析都集中在平均值的分析上。极端降水事件作为极端事件之一，其频次和降水强度的变化将导致气候变化的影响更加突出。因此，研究极端事件，特别是极端降水事件的时空变化特征，对于研究气候变化影响，减少洪涝灾害所带来的损失，具有重要意义。
1.2 极端降水事件的研究进展
近年来许多学者在极端降水领域开展了广泛的研究：Trenberh指出错误!未找到引用源。，地面温度升高，会使地表蒸发加剧，大气保持水分的能力增强。地表蒸发加剧，将更易发生干旱，同时大气水分增加，降水也将增加，从而更易发生洪涝。Karl错误!未找到引用源。等利用百分位阈值法对美国极端降水事件做出了研究。Frich等错误!未找到引用源。研究表明，非洲南部和澳大利亚东南部，俄罗斯西部，欧洲部分地区和美国东部强降水事件显著增加，东亚和西伯利亚部分地区频率在减少。Alexander et al错误!未找到引用源。也证明了相似的观点。
从中国来看，翟盘茂错误!未找到引用源。最先利用百分位阈值法对中国极端降水事件进行了分析和研究。刘学华等错误!未找到引用源。利用百分位阈值法定义气候指数研究1961—2010年中国极端气温和降水，并指出近40a以来我国中等雨日指数、强降水指数、强降水比率指数以及年降水量总体线性变化呈增加趋势。近50a的研究资料表明，我国极端降水变化有明显的区域性差异，我国华北、西北东部和东北东部降水量有所减少，降水日数也明显减少,干旱化倾向明显而长江流域强降水过程明显趋于增多,发生洪涝灾害的频率也趋于增加。我国的极端强降水平均强度和极端强降水值都有增加的趋势,极端强降水事件也趋于增多错误!未找到引用源。-[13]。
目前应用降水资料对极端降水的研究有不少，但大都主要集中某一区域，对于区域性的极端降水事件频次和时空分布研究居多，对于全球范围的极端降水事件研究较少，本文采用1971-2010年40年的全球4270测站逐日降水资料，应用百分位阈值法来定义极端降水事件标准，研究全球极端降水事件的时空变化特征。
3
第二章 数据和方法
2.1数据处理和选站
本文采用全球4270个测站1971年至2010年总计40年的逐日降水资料作为基础数据。首先对数据就行简单的质量控制，将其中缺测时间较长，数据质量较差、有明显迁站的站点予以剔除。
具体方法是：第一步：若某站点某一年降水资料缺测值大于总日数的20%，则该年缺测；第二步：在第一步的基础上，若某测站数据长度不足25年，则该测站剔除。
错误数据排查：在朝鲜1982年以前的降水资料中，有多次数据重复出现，且部分测站全年降水总量不足10mm，与1990-2010年降水资料对比，可认为数据有误，将这些站点全年数据改为缺测。
通过以上方法，最终选取全球4270个测站来研究极端降水事件的时空变化特征。
2.2分析方法
（1）阈值定义方法：
我国一般采用绝对阈值的方法定义极端降水事件，日降水量超过50mm的降水事件定义为暴雨，日降水量超过25mm的降水事件称为大雨。但是在全球范围内，地形差异较大，气候复杂多样，不能用一个简单统一的标准来定义极端降水事件。为了更为准确客观的定义全球极端降水事件，本文采用百分位分析法。具体方法是：
将4270个测站1971-2010年逐年湿日(日降水量>=0.1mm)的降水序列按升序排列，求得第95%分位值，则年平均95%分位值为该测站极端降水阈值。当某测站某日降水量大于该阈值时，则发生极端降水事件。
（2）极端降水频次定义：
本文分别统计4270个站点逐日降水资料，对每个测站，某一年极端降水事
4 件出现的次数称为该年极端降水事件的频次，每个季节出现的次数则称为该季节极端降水事件频次。
（3）极端降水强度定义：
极端降水强度是衡量极端降水的另一个主要指标，极端降水强度越大，表示单次极端降水量越高，强度越大也越有可能造成灾害。极端降水强度的定义方法是：对于某一年极端降水强度，定义为该年极端降水量除以对应的极端降水天数，则称为该年极端降水强度[14]。多年极端降水强度的平均值定义为年平均极端降水强度。
（4）极端降水事件的变化趋势：
极端降水的变化趋势采用一次线性方程表示，即：
Y=a0+a1t
式中，Y为气象要素，t为时间；a1为线性趋势项。若a1>0，则表示该气象要素呈上升趋势，若a1<0，则表示该气象要素呈下降趋势。
（5）异常资料点检测和处理：
如果有一个数据明显地偏离了平均值，称它为异常点。异常点有可能是因为观测误差引起。由于异常的偏离了平均值，所以对降水资料趋势的计算结果会产生很大影响。Lau错误!未找到引用源。在研究ENSO与全球降水量关系时，是将大于3σ的异常点全部剔除后来研究。本文在进行极端降水事件线性变化趋势的研究中，也采用同样的方法。
5
第三章 全球极端降水事件空间分布特征分析
3.1全球年平均降水量的分布特征
为更好的揭示全球极端降水的时空变化特征，首先分析全球 (1971-2010)年近40年的年平均降水量的分布情况(图3.1)。由图所示，全球年降水量的分布的基本特点是 :
降水量较大的区域主要集中在季风区，全球多年平均降水随纬向分布有着较好的连贯性 ,即热带地区比较湿润，从赤道南北递减，但是在南半球中高纬度降水量还是比较多。降水量最大值的区域主要在赤道西太平洋地区、非洲西海岸和南美北部区域。年降水量最大值超过2000mm。除此之外、我国东南部到日本一带、印度半岛、北美太平洋沿岸、澳大利亚东北部、 墨西哥湾地区到北美东南部、安第斯山地区的降水量也比较大；全球降水较少的的地区有：我国西北部地区、青藏高原、蒙古、中亚大部分地区、非洲撒哈拉沙漠地区、北半球高纬度的大部分区域和澳大利亚中部沙漠地区。年降水量普遍小于400mm，个别地区小于200mm。
图3.1 全球年平均降水量量分布（单位mm）
6
3.2极端降水事件阈值的空间分布
依据第95个百分位值统计的全球极端降水事件的阈值分布（图3.2）可以看出：不同地区的极端降水事件阈值有明显差异，阈值总体呈现由赤道向高纬地区递减的趋势，阈值较大区域主要在墨西哥湾、南美洲北部以及东南部、非洲西海岸、印度半岛、东南亚地区、日本一带。在印度半岛西南侧和菲律宾部分测站阈值高于100mm。北美洲地区阈值的分布特点是从墨西哥湾向西北递减，美国东南沿海阈值在40mm以上，西部干旱区则不足10mm。欧洲地区除地中海沿岸阈值较高外，大部分地区阈值都在30mm以下。中国地区极端降水事件的阈值分布空间差异也非常显著。阈值从东南到西北地区由高到低依次递减，阈值最大值出现在中国华南地区，该地区极端降水阈值≥40mm，局部≥50mm，其他地区中，长江中下游地区大体在30-50mm之间分布，西北大部分度阈值大致在10-20mm之间。在南半球地区的澳大利亚地区，阈值呈现由沿海向中部沙漠地区递减趋势。全球阈值较小的地区主要在60°N以北的地区、中纬度内陆地区以及全球主要的干旱半干旱地区。
总的来说极端降水阈值的分布与总降水量的分布有密切的关系。如上所述，中国西北大部分地区属于干旱区或极端干旱区，年降水量在100mm以内，其极端降水事件阈值很低(约为10-20mm)。在印度半岛，降水主要分布印度半岛的西海岸（西南）和东北部，年降水量最大可达到2000mm以上，其阈值可达到80mm以上。实际上降水多的地区一般防洪设施比较完善，防洪能力也较强因此只有相对较大的日降水量才可能出现洪涝灾害，而对于中国西北部分地区，30mm以上的日降水量在当地已经很少发生。如果出现，则很有可能对当地人民的生命财产造成威胁。
7 图3.2 全球极端降水阈值分布（单位：mm）
3.3 全球极端降水事件频次分布
研究极端降水事件另一个重要的物理量是极端降水事件频次，分析极端降水事件频次分布有助于我们研究极端降水事件的强度以及变化趋势。
图3.3 全球极端降水事件年平均频次分布（单位：次/a）