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 et al， 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 et al， 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）利用全球耦合模式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（2019）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， 更加深入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（CRU TS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TS v4.02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0， 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）。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
式中： 为夏季平均降水量； 为冬季平均降水量； 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围内， 这是因为该地区降水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（2016）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 ℃·（10a）-1， 2001 -2017年升温速率为0.144 ℃·（10a）-1， 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 -2017年的气温升高速率高达0.87 ℃·（10a）-1， 远高于1973 -2000年， 因此将2011 -2017年定义为急剧加速变暖时段。
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。非季风区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， 得到了图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 -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加。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1950 -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。
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量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 mm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年极端降水量最小， 季风区极端降水量此时仅为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。
图9为全球陆地季风与非季风区极端降水频率与温度变化趋势和去趋势相关系数分布图。从图9中可以看出， 叠加了温度变化趋势后， 季风区的极端降水频率受温度影响较小， 绝大部分区域与温度变化无显著关系， 只有澳洲季风区西北部和南美季风区南部的少部分区域相关系数在0~0.4， 西非季风区和亚洲季风区的零星区域表现为极端降水频率与气温变化呈负相关的关系； 对于非季风区来说， 极端降水频率受温度影响的区域远多于季风区， 中高纬度地区相关性较好， 大部分呈正相关的关系， 格陵兰岛和东西伯利亚的部分地区相关系数达到了0.4以上， 只有少部分地区呈负相关关系， 例如格陵兰岛西部和非洲北部。若去掉全球变暖的温度趋势， 季风区的极端降水频率与温度变化相关性依然不显著； 而非季风区的极端降水频率与温度变化总体上呈负相关的关系， 相关系数基本都在-0.4~0， 通过检验的相关区域也较为分散， 只在格陵兰岛和澳洲南部分布区域较为集中。
图9 1901 -2017年全球陆地极端降水频率与温度变化趋势(a)和去趋势(b)相关系数分布彩色区域为通过0.1显著性水平检验的区域, 黑色斜线覆盖区域为季风区 Fig.9 Distribution of correlation coefficients (a) and detrends (b) of global terrestrial extreme precipitation frequency and temperature from 1901 to 2017.Color areas are those that pass the 0.1 significance level test, the black diagonal line covers the monsoon area |
8 结论
利用CRU TS V4.02的逐月降水和逐月日平均气温资料， 对比研究了气候变化背景下1901 -2017年全球陆地季风与非季风区极端降水特征， 得出以下结论：
（1） 总体上我国所处的亚洲季风区的极端降水频率分布较为稳定， 基本都在8%~12%， 只在变暖减缓时段出现较大范围的小值区； 大范围的小值区常分布在在南美季风区和西非季风区。对于非季风区， 北半球高纬地区极端降水频率分布在各个时段变化较大， 尤其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两极化情况。
（2） 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； 在加速变暖、 变暖减缓和急剧加速变暖时段， 季风区的极端降水频率低于非季风区。
（3） 对于小值区而言， 季风与非季风格点数占比变化趋于一致， 仅在两个加速变暖时段有所不同； 季风区与非季风区小值区都在最冷的1901 -1920年范围最大。而对于大值区， 季风与非季风格点数占比变化趋势并不相似， 总体而言， 除去1921 -1949年和1950 -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。
（4） 季风与非季风区极端降水量的分布形式受气候变化影响相对较小， 只在在非季风区范围内， 北美和南美洲和中西伯利亚地区的北部在最冷的1901 -1920年分布形式与其他时段差别较大， 很多地区没有极端降水事件。在急剧加速变暖时段， 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。
（5） 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。季风区和非季风区极端降水量的变化趋势也大体一致， 且极端降水量都是在最冷的1901 -1920年最小。
（6） 无论是否叠加气候变暖的温度趋势， 季风区的极端降水频率与温度变化的相关性都不显著， 而非季风区的相关性要好于季风区， 叠加了温度趋势变化时， 中高纬度地区相关性较好， 大部分呈正相关的关系。去趋势后， 相关性相对较差， 通过检验的相关区域也较为分散， 只在格陵兰岛和澳洲南部分布区域较为集中。