The Long-term Variation of Extreme Heavy Precipitation and Its Link to Urbanization Effects in Shanghai during 1916–2014

Using the hourly precipitation records of meteorological stations in Shanghai, covering a period of almost a century(1916–2014), the long-term variation of extreme heavy precipitation in Shanghai on multiple spatial and temporal scales is analyzed, and the effects of urbanization on hourly rainstorms studied. Results show that:(1) Over the last century, extreme hourly precipitation events enhanced significantly. During the recent urbanization period from 1981 to 2014, the frequency of heavy precipitation increased significantly, with a distinct localized and abrupt characteristic.(2) The spatial distribution of long-term trends for the occurrence frequency and total precipitation intensity of hourly heavy precipitation in Shanghai shows a distinct urban rain-island feature; namely, heavy precipitation was increasingly focused in urban and suburban areas.Attribution analysis shows that urbanization in Shanghai contributed greatly to the increase in both frequency and intensity of heavy rainfall events in the city, thus leading to an increasing total precipitation amount of heavy rainfall events. In addition,the diurnal variation of rainfall intensity also shows distinctive urban–rural differences, especially during late afternoon and early nighttime in the city area.(3) Regional warming, with subsequent enhancement of water vapor content, convergence of moisture flux and atmospheric instability, provided favorable physical backgrounds for the formation of extreme precipitation.This accounts for the consistent increase in hourly heavy precipitation over the whole Shanghai area during recent times.     

北京地区夏季极端降水变化特征及城市化的影响

应用北京地区20站1971—2010年降水记录及城市发展数据,采用百分位方法定义极端降水事件的阈值,分析了北京地区夏季极端降水事件的时空变化特征及城市化的影响。结果表明：(1)北京夏季极端降水阈值及频数存在较强局地性特征,基本沿地形高度分布,极端降水频数多发区与高阈值区不完全对应;(2)近40年极端降水频率及强度均呈现下降趋势,年际及年代际差异显著;(3)城市化发展不同阶段极端降水强度及频数均有不同的分布形态,城市化对城市不同区域极端降水影响不一样,城市化导致城市下风向近郊区极端降水强度、次数均表现为增多趋势;(4)城市对极端降水的影响还与天气过程强度有关,强天气背景下城市对极端降水频数的影响程度高于对降水强度的影响。     

1961—2014年广东小时强降水的变化特征

利用1961—2014年广东32个气象观测站逐小时降水资料,采用线性趋势分析、Mann Kendall检验、功率谱分析、计算趋势系数等统计诊断方法,分析了广东小时强降水在年以及前、后汛期的气候特征及变化。结果表明,广东年、前、后汛期多年平均小时强降水的次数、强度、降水量和贡献率的空间分布均呈沿海向内陆递减。近54年来,广东平均小时强降水的次数、强度、降水量和贡献率在年以及前、后汛期的时间尺度上均为显著上升的趋势,与同期广东年暴雨次数和年降水变化不明显有明显差异。广东大部分测站小时强降水量均呈增加的趋势,其中珠三角增加最为显著。近54年来广东年和前汛期小时强降水次数存在3.7年和22年、后汛期存在3年左右的显著周期震荡。广东年和后汛期小时强降水次数在1993—1994年发生增加的突变,前汛期小时强降水次数没有突变发生。     

1980-2020年山西省极端降水的研究

基于1980-2020年山西省109个气象观测站点的逐日降水资料,选取10个极端降水指数,采用气候倾向率、相关分析、因子分析、R/S预测方法等方法,对山西省极端降水进行了时空分布的研究,以期为山西省的气候变化、生态环境保护、防灾减灾、气象服务工作提供参考依据,结果表明：(1)从时间尺度来看,1980-2020年期间,山西省极端降水的强度和极值都有明显增加,连续干旱日数和连续湿日日数呈下降趋势,其余均表现出不同程度的增加,其中年总降水量增加幅度最明显;从空间尺度来看,年总降水量、降水强度、降水频率、极值均为从西北向东南逐渐增多,空间差异较明显;从各站点的空间分布来看,北部和中部地区的极端事件增加最显著,北部地区的干旱日数仍以增加趋势为主,连续湿日日数气候倾向率的空间差异较大,中部地区站点显著增加,南北部以减少趋势为主;(2)基于相关分析方法表明各极端降水指数(除干旱日数外)与年总降水量都有很好的相关关系,强降水量和极强降水量对年总降水量的贡献值呈现出增加趋势;采用因子分析方法提取了3个公共因子,方差贡献率累计达到了87％,可以看出极端降水强度和降水量指数在对极端降水方面影响较大;利用R/S分析法可以得到年总降水量、中雨日数、大雨日数、最大5日降水量这几个指数未来呈现弱减少趋势,而干旱日数仍为减少趋势,连续湿日日数为持续弱增加趋势。总体看来,山西省极端降水近年来呈现出增加趋势,在空间分布有明显差异。     

1961—2012年重庆市的降水特征分析

利用重庆市1961—2012年34个气象观测站的逐日降水资料,采用EOF分析、线性回归及相关分析的方法对重庆市的降水量时空特征、降水频数特征及降水强度特征进行诊断分析研究,并进行了相关讨论.结果表明:重庆市的年总降水量呈逐年减少的变化特征,并且年总降水量存在空间一致性与重庆市东北地区和其他地区反相变化的空间分布形式;各类持续性降水过程频数的空间分布差异较大,持续性降水过程频数的变化趋势表明短期降水过程(持续2 d)逐年增加而持续较长时间(持续5 d及以上)的连阴雨天气过程减少趋势明显;降水强度分析中发现一般降水(小雨、中雨、大雨)的年总降水量呈下降趋势,是引起重庆市年总降水量减少的主要原因,小雨、中雨降水强度逐年减弱而大雨的强度有弱的增强,较强降水等级(暴雨与大暴雨)的年总降水量呈较弱的上升趋势,降水强度也表现为弱的增强趋势;持续5 d及以上降水过程频数的减少可能与当地500 hPa位势高度场的上升及赤道太平洋海表温度的升高相关,大雨及以上等级降水的强度变化可能与El Niño Modoki现象有关.     

北京城、郊和山区不同强度等级降水变化特征比较

利用北京地区1977-2013年18个站点逐小时降水资料,将小时降水分为弱降水（第50百分位值以下）、中等强度降水（第50至90百分位值）以及强降水（第90百分位值以上）3个等级,对北京地区山区、郊区以及城区夏季不同强度等级降水变化特征进行了深入细致的分析。结果表明,北京地区夏季降水量存在显著的减少趋势,这种减少趋势主要是由于弱降水和中等强度降水的显著减少引起的,强降水没有表现出明显的增多或减少趋势;与郊区相比,2004年之后城区的强降水对夏季总降水量的贡献越来越大而弱降水的贡献减小。在降水日变化上,不同地区、不同等级的降水存在差异。弱降水存在清晨和夜间双峰值特征,中等强度和强降水只存在夜间单峰值特征。清晨峰值时刻,山区、郊区和城区弱降水都表现出一致的显著减少趋势;夜间峰值时刻,山区的各等级降水变化不显著,而在2004年之后,城区弱降水少于郊区,强降水则多于郊区。北京地区降水过程不对称性特征（降水过程峰值前后差异性）十分明显,其中以强降水的不对称性最强,相对于郊区和山区来说,城区强降水过程的不对称性有增大的趋势。     

2010-2019年浙江暖季短时强降水特征分析

利用2010-2019年浙江省暖季(5-9月)1426个国家站和区域站小时雨量数据和NCEP 1° X 1°逐日4次再分析资料,分析了浙江省暖季短时强降水、极端短时强降水时空分布特征及区域性短时强降水事件,结果表明:①近10年暖季短时强降水频次呈增多趋势,降水强度变化平稳;8月(上旬)降水频次最多,9月(中旬)强度最强...     

陇东塬区不同量级降水的气候变化特征

利用西峰站1951～2010年逐日降水观测资料,根据划分的雨量级别分析了近60a来陇东塬区西峰年降水量及分级降水雨量谱的气候变化特点,并利用累积距平法和Mann—Kendall方法对气候突变进行分析检测。结果表明,近60a西峰的年降水量有明显的下降趋势,其中小雨、中雨、大雨均为正贡献,暴雨为负贡献。而1986—2010年期间年降水有弱的上升,主要是大雨级的雨量增大、雨日增多和雨强增强所致;进一步分析得出,上述变化仍属于年际变化范畴,因此不能说突变已经发生,但有上升迹象。     

河北廊坊城市化进程对降水特征的影响

利用1970-2012年廊坊市逐日降水观测资料和城市化发展资料,研究了城市化进程对廊坊地区降水特征的影响。结果表明：随着城市化的发展廊坊地区年降水量和汛期降水量分布格局发生明显改变,降水向城市化发展迅速的地区集中;城市化对降水的影响随降水强度增大而逐渐显著,且城市化发展愈迅速影响愈大;城市化使城区的降水量趋于集中,郊区的降水量趋于均化,这种趋势在未来一段时间内将持续。     

华北中部近45a极端降水事件变化特征

利用华北中部41个气象台站1961—2005年逐日降水资料,采用通用的极端气候指数,分析了近45a来华北中部极端降水事件频率变化的时空特征。结果表明：华北中部平均年最大日降水量呈下降趋势,南部平原地区一般减少,北部山地区域多有增加,降水日数有较明显减少,强降水日数和暴雨日数变化趋势不明显,降水日数的减少主要是中、小雨（雪）日数减少造成的。暴雨日数和强度在20世纪90年代中后期显著增加。华北中部强降水日数和暴雨日数在降水日数中的比重有增大趋势,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。这种相对增加趋势主要发生在20世纪90年代中期以后。     

近45年来河北省极端降水事件的变化研究

利用河北省1961-2005年逐日降水资料,采用通用的极端气候指数,分析了近45年河北省极端降水事件频率变化的时空特征.结果表明,全省平均年最大日降水量呈下降趋势,1980年为由多向少的转折点;强降水日数和暴雨日数变化不大,但南部平原地区一般减少,北部山地区域多有增加,暴雨日数和强度在1990年代中后期显著增加;降水日数有较明显减少,南部和东南部平原减少更显著;降水日数的减少主要是中、小雨(雪)日数减少造成的.这些结果说明,河北省强降水日数和暴雨日数在降水日数中的比重有增大趋势,强降水量和暴雨降水量在总降水量中的比重可能增加了.这种相对增加趋势主要发生在1990年代中期以后.     

1961—2005年江苏省降水变化趋势

以江苏省62个气象站1961-2005年降水资料为基础,系统分析了近45年来江苏省降水变化趋势.结果表明:1961-2005年江苏省年降水量无显著变化趋势,秋季降水量呈显著下降趋势,冬季降水量呈显著上升趋势.全省年降水日数呈略有下降趋势,以小于10mm的降水日数下降尤为明显.夏季极端强降水总量、极端强降水事件频率为增加趋势,秋季极端强降水事件强度为下降趋势.     

近50年广东省分级降水的时空分布特征及其变化趋势的研究

利用广东省86个常规气象观测站1961—2010年的逐日降水资料,分析近50年广东省降水气候特征,探讨不同等级降水空间分布及随时间变化特征。结果表明:广东省降水丰沛,年均降水量多为1 500~2 000 mm;降水气候特征的区域差异较大,不同区域降水量与降水日数分布差异显著;各月的降水日数差异没有降水量月分布的差异明显,非汛期的日降水量较小,而汛期降水日数多且日降水量大;小雨日和中雨日的区域差异小,大雨日、暴雨日、大暴雨日的大值中心主要集中在广东省的三大暴雨中心地区 (清远中心、阳江中心、海陆丰中心),雨日量级分布大致由北向南逐渐增强,且随着降水等级的增加降雨日数迅速减少;小雨、中雨和大雨的降水贡献率均由粤北地区向沿海地区递减,暴雨和大暴雨的贡献率由粤北向沿海递增;小雨日数显著减少、大雨以上日数略有增多,总降水日数也呈减少趋势;小雨和中雨的贡献率呈减少趋势,大雨以上贡献率增多,使年均降水量呈增多趋势。      

四川地区短时强降水事件时空演变特征研究

利用四川地区自动气象站逐小时降水观测资料,分析了2010~2019年5~9月短时强降水事件24h累计降水量、频次和强度的时空分布特征,探讨了短时强降水事件发生的频次、极值分布及其与地形、海拔高度等的关系。结果表明:四川地区平均24h累计降雨量基本在50mm以上,盆地东北部、西南部、南部及阿坝州东部甚至超过100mm,最大值出现在广安,达175mm。四川地区短时强降水事件开始时间的日变化特征表现为“V”型结构的夜间峰值位相,事件持续时段多为傍晚至凌晨,时长可达10h以上,最长甚至可持续22h。在强降水事件极值的日变化上,极大值频次和降水量呈单峰结构,在03时达到最大,其后逐渐减小至15时达到谷值,而后再次增大;降水强度呈弱双峰结构,分别在04时和16时达到谷值,13时和18时达到峰值,其日变化呈“增-减-增-减”的特征。四川短时强降水事件与复杂地形有密切的关系,5~6月事件活跃区在四川盆地中部,7月在盆地西部的龙门山脉一带,8月在雅安、乐山附近,9月在盆地北部且频次明显减少;短时强降水事件的最大小时雨强可达80mm以上,出现在7~8月的盆地西部龙门山一带和南部地区。短时强降水事件随着海拔高度的增加,发生频次和日数逐渐减少,海拔2000m以上地区基本无强降水发生日出现( 峨眉山气象站例外)。      

云南小时降水的时空分布变化研究

利用2005—2018年125个国家级台站小时降水观测数据研究云南小时降水时空分布特征。结果表明:云南年总降水量、不同持续时间降水量、极端强降水量及降水日变化空间分布差异很大。年降水量自西北向南增加,雨强自北向南增强,降水时长西部大于东部、南部略大于北部,年降水量受降水时长和雨强共同影响,降水时长影响最强,雨强影响较弱,这种特征在滇西北最突出,但滇东北的降水量与雨强相关更好。云南大部夜雨量多于昼雨量,滇东北和北部边缘夜雨特征最显著;降水日变化特征在云南北部为夜间单峰,西部边缘为清晨单峰,中部为夜间与午后峰值相当的双峰,南部也为夜间和午后双峰,但南部不同区域间主峰和次峰出现时间不同。云南南部降水贡献以短、中历时降水为主,北部则以长、超长历时降水为主。云南短时强降水发生次数的空间分布表现为自西北向东南增加;年发生站次数具有增加趋势,日变化特征为显著单峰,多在傍晚至入夜出现,且极端短时强降水更易在凌晨出现。这些小时降水时空分布特征很大程度上代表了低纬高原地区的降水特征。由于低值天气系统多影响低纬高原中北部,热带天气系统多影响南部,且低纬高原地形复杂,局地热力条件差异明显,这些因素造成该区域小时降水时空分布特征差异显著。     

东北地区降水日数、强度和持续时间的年代际变化

利用93站1951—2002年逐日降水资料，分析了东北地区不同强度降水事件的时空演变特征及其对旱涝的影响。结果表明:52年来，东北地区小雨事件对年降水量的贡献率呈显著增加趋势，中雨的贡献率略为减少，大雨和暴雨的贡献率变化不大；东北年总雨日减少趋势非常明显，雨日的减少主要体现在小雨日数的减少；年降水强度表现为明显的增强趋势，主要体现为小雨和暴雨强度增强；20世纪80年代中期之前多小雨事件，80年代中期之后多中雨以上强度的降水，特别是90年代中期之后多暴雨事件。在显著变暖的20世纪90年代，降水日数明显减少，但暴雨日数基本不变，强度明显增强。对东北地区降水量、降水变幅、降水事件的变化特征分析表明:该区域降水有向不均衡、极端化发展的趋势，旱涝灾害也有加重趋势。     

2008-2012年南京短时强降水特征分析

利用2008-2012年南京自动气象观测站逐时降水量的观测资料,分析南京短时强降水的发生规律,包括短时强降水的年变化、月变化、日变化和空间分布等特征。结果表明：2008-2012年南京雨强大于50 mm/h^-1的致灾性短时强降水过程的发生次数呈显著增长趋势;短时强降水天气主要出现在6-9月,其中7-8月出现日数最多,雨强最大;春雨期短时强降水最易发生在凌晨,梅雨期短时强降水最易发生在上午和傍晚,台汛期短时强降水最易发生在上午;下半夜-凌晨短时强降水出现次数较少,傍晚前后是短时强降水多发时段;短时强降水天气的空间分布具有明显的城郊差异;城市化效应不能引起城区的局地降雨,但在大尺度天气系统过境时,会使城区的对流活动较郊区更活跃,且城市下风向地区的降水也因此增强。     

中国近50a极端降水事件变化特征的季节性差异

利用中国419个测站1958-2007年逐日降水资料集,分析了近50a中国不同区域年和季节极端降水事件的基本变化特征。结果表明,多年平均极端降水事件的空间分布具有明显的纬向分布特征,并表现出显著的季节性差异。长江以南地区是春、冬季极端降水事件发生频次较高的区域;而年、夏季以及秋季极端降水事件发生频次在西南地区较高,在西北东部较低。年极端降水事件频次的长期变化趋势与夏季相似,华北和东北有增加趋势,其他地区为弱的减少趋势;其他季节的长期变化趋势存在明显的区域和季节性差异。年和季节极端降水事件的发生频次具有显著的年际和年代际变化特征。年极端降水事件时间序列的多项式拟合曲线的变化情况与夏季基本一致;而其他季节的变化则存在较大差异,表现出显著的季节性差异。     

甘肃省暖季小时降水变化特征

利用2013-2019年暖季（4-9月）小时降水资料，分析了甘肃省强降水极值及频率的时空分布特征。结果表明：（1）甘肃省小时强降水频次呈现东高西低分布，在陇南地区东南部及陇东地区北部有2个高中心，达到29次。（2）小时强降水极值在陇中地区及以南地区高，向西北递减，陇南地区降水极值最高，超过40 mm/h。（3）小时强降水频次主要出现在7-8月，同期的雨强也最大；小时强降水频次和小时雨强均在17-24时最强，峰值为21时。（4）不同区域的降水日内变化存在明显差异，河西地区小时降水频次的峰值出现在18时，陇中和陇南地区均出现在21时，陇东地区和甘南高原分别出现在22时和19时。     

基于TRMM PR探测的夏季合肥地区降水特征分析

利用热带测雨卫星TRMM搭载的测雨雷达（PR）1998-2012年的观测资料,研究了合肥地区夏季（6、7、8月）不同类型降水的降水强度和频次的水平空间分布、降水垂直结构、日变化特征以及气候变化等特征,揭示了城市化效应造成城市及其周边区域降水特征在时空上的分布差异。研究结果表明,（1）主城区对流和层云降水强度低于周边区域,对流降水频次也低于周边区域,但层云降水频次则相反。可见城市化发展是改变降水的空间分布的因素之一,且对不同的降水类型空间分布影响不同。（2）主城区降水回波信号高度高于周边区域,而降水强度低于周边区域,表明城市效应促进降水云发展而未造成降水强度增强。（3）合肥地区对流和层云降水的强度和频次日循环存在时空分布不均匀性,其中城区的对流降水强度和频次日循环与城市热岛效应日循环具有一致性。总体来看,城市化对局地降水强度影响较大,而对局地降水频次的总体影响不是很明显。（4）通过降水气候变化分析表明,城区两种类型降水强度和频次均呈逐年下降趋势,周边区域降水强度呈不显著上升趋势,降水频次呈逐年下降趋势,其中层云降水频次下降趋势较显著。城市化进程使得城市及其周边区域降水不均匀性逐年增强。极端降水空间分布特征分析表明,城市周边区域强降水频次高于主城区,尤其在城市的下风区高出主城区75%;而周边区域弱降水发生的频次低于主城区,城市下风区最低,低于主城区约18%。