張存杰， 肖潺， 李帥， 珠杰桑布， 任玉玉， 張思齊, 王榮

1 國家氣候中心， 北京 100081 2 中國長江三峽集團(tuán)有限公司， 湖北宜昌 443133 3 西藏自治區(qū)南木林縣氣象局， 西藏日喀則 857000

0 引言

2021年8月6日，聯(lián)合國政府間氣候變化委員會(IPCC，2021)發(fā)布報(bào)告《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》，報(bào)告顯示，亞洲地區(qū)觀測到的平均溫度的升高，已經(jīng)超出自然變率的范疇，極端暖事件在增加、極端冷事件在減少，這一趨勢未來將延續(xù)；1950年代以來，全球大部分陸地經(jīng)歷了熱浪頻率和強(qiáng)度的增加、寒潮頻率和強(qiáng)度的減弱，人類活動對此有主要貢獻(xiàn)；1950年代以來，大部分有觀測資料的陸地地區(qū)經(jīng)歷了極端降水頻率和強(qiáng)度的增加，人類活動引起的氣候變化有可能是主要的驅(qū)動因子；人類活動有可能增加了1950年代以來復(fù)合型極端事件的發(fā)生概率，包括全球尺度上高溫-干旱復(fù)合事件的增加、部分地區(qū)火災(zāi)天氣的增加、部分地區(qū)復(fù)合型洪澇事件的增加.

為了積極應(yīng)對頻繁發(fā)生的極端天氣氣候事件及其對社會經(jīng)濟(jì)造成的不利影響，2012年政府間氣候變化專門委員會(IPCC，2012)發(fā)布了《管理極端事件和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，推進(jìn)氣候變化適應(yīng)》(IPCC SREX)特別報(bào)告.該報(bào)告從災(zāi)害性天氣氣候事件和氣候?yàn)?zāi)害的背景和歷史、脆弱性和災(zāi)害損失的觀測和預(yù)估、對極端事件和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理的認(rèn)知、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理及其與可持續(xù)發(fā)展的相互作用等方面，闡釋了國際科學(xué)界在氣候?yàn)?zāi)害及其風(fēng)險(xiǎn)管理方面的最新進(jìn)展.

近幾十年來我國旱澇等重大天氣氣候事件也頻繁發(fā)生，造成的社會經(jīng)濟(jì)損失越來越嚴(yán)重，為了充分吸納國內(nèi)外最新的科學(xué)進(jìn)展，借鑒國際社會在極端事件研究和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理方面先進(jìn)理念和經(jīng)驗(yàn)，充分體現(xiàn)中國防災(zāi)減災(zāi)體系的特色，秦大河等(2015)組織編寫了《中國極端天氣氣候事件和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理與適應(yīng)國家評估報(bào)告》(CSREX).該報(bào)告指出，在全球氣候變化的背景下，我國氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加劇，防災(zāi)減災(zāi)形勢異常嚴(yán)峻.秦大河和翟盤茂(2021)組織編寫了《中國氣候與生態(tài)環(huán)境演變(2021)》，該報(bào)告評估了近幾十年我國極端溫度、極端降水、干旱、臺風(fēng)等事件的變化規(guī)律，結(jié)果顯示，1961年以來，我國極端高溫發(fā)生頻次增加，極端低溫發(fā)生頻次減少，進(jìn)入21世紀(jì)后，我國南方、華北和四川盆地等地極端高溫破紀(jì)錄事件頻繁發(fā)生，極端低溫破紀(jì)錄事件主要出現(xiàn)在華北和東北地區(qū)；1961年以來，我國極端降水頻率、累積暴雨站日數(shù)、極端降水強(qiáng)度趨于增強(qiáng)，干旱發(fā)生頻次增加、強(qiáng)度增強(qiáng)、范圍擴(kuò)大，尤其是嚴(yán)重和極端干旱的增加趨勢更為明顯；極端降水和干旱變化具有明顯的區(qū)域差異.

長江是中華民族的母親河，是中華民族發(fā)展的重要支撐.長江全長6300多公里，為世界第三大河流，全流域涉及19個(gè)省、自治區(qū)、直轄市，流域面積180×104km2，橫跨東、中、西部三大經(jīng)濟(jì)區(qū)，具有完備的自然生態(tài)系統(tǒng)、獨(dú)特的生物多樣性，有全國三分之一的水資源、五分之三的水能資源，全國大部分淡水湖分布在長江中下游地區(qū)，是我國重要的戰(zhàn)略水源地、生態(tài)寶庫和重要的黃金水道(劉揚(yáng)揚(yáng)等，2021).Rao等(2022)研究發(fā)現(xiàn)，21世紀(jì)以來非夏季風(fēng)季節(jié)長江流域大部分支流的徑流量有增加的趨勢，特別是在下游流域.有關(guān)長江流域極端氣候事件的研究比較多，張強(qiáng)等(2021)運(yùn)用氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)(張存杰等，2017)及區(qū)域性干旱過程識別方法(廖要明等，2021)，分析了1961—2019年長江中下游區(qū)域性干旱過程及其變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)長江中下游地區(qū)年干旱日數(shù)呈現(xiàn)“西北部增多、東南部減少”的變化趨勢，并發(fā)現(xiàn)區(qū)域過程干旱綜合強(qiáng)度以及受災(zāi)面積與重旱和特旱站數(shù)相關(guān)性好；夏軍等(2021)對比分析了長江流域歷史上幾次特大洪水事件(1870、1954、1981、1998和2020年)的洪水特征，提出了新時(shí)代長江流域洪水整體防御和山洪防治的策略.隨著全球氣候變化，近年來長江流域發(fā)生了嚴(yán)重的干旱和洪澇事件，如2019年長江中下游發(fā)生伏秋連旱(李俊等，2020)、2020年長江中下游等地梅雨期及梅雨量均突破歷史最高紀(jì)錄(Ding et al.，2021；中國氣象局氣候變化中心，2020,2021)，頻繁出現(xiàn)的極端天氣氣候事件給當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重影響.雖然這些研究從單個(gè)事件角度分析了極端氣候的特征和變化規(guī)律，但未從多種極端氣候事件的角度綜合分析長江流域的極端氣候特征.因此，有必要利用最新的觀測資料，對長江流域近幾十年來極端強(qiáng)降水、極端干旱、極端高溫和極端低溫等極端天氣氣候事件(以下簡稱“極端事件”)的氣候特征、演變規(guī)律和綜合危險(xiǎn)性進(jìn)行深入細(xì)致的研究，為當(dāng)?shù)貞?yīng)對氣候變化、有效防范極端事件和開展災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù).

1 極端事件的分類和判別標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展

1.1 極端事件的分類

在IPCC SREX報(bào)告中，將極端事件分為三類：一是能夠利用天氣氣候變量直接判定的極端事件，如溫度、降水、風(fēng)速等；二是能夠影響天氣氣候變量的極端性或者其本身就具有極端性的天氣氣候現(xiàn)象，如季風(fēng)、厄爾尼諾和其他變率模態(tài)、熱帶氣旋和溫帶氣旋等；三是能夠?qū)ψ匀画h(huán)境產(chǎn)生重大影響的極端事件，如干旱、洪水、極端海平面、影響海岸帶的事件、滑坡、沙塵暴等.這種分類方法基本涵蓋了學(xué)術(shù)界常用的極端事件類型，并從評估全球氣候系統(tǒng)的極端事件及其相關(guān)問題視角出發(fā)，把極端事件與其形成的天氣氣候環(huán)境以及影響聯(lián)系在一起，但由于這三類極端事件之間相互關(guān)聯(lián)(羅亞麗，2012)，在區(qū)域視角上也容易混淆極端事件、極端事件的形成條件以及極端事件造成的災(zāi)害.

極端事件一般具有三個(gè)特征：一是發(fā)生概率?。欢菑?qiáng)度大；三是有較大的經(jīng)濟(jì)社會影響.極端事件的這些特點(diǎn)，特別是其對經(jīng)濟(jì)社會造成的嚴(yán)重影響，使極端事件的變化受到科學(xué)家、決策者和社會公眾的廣泛關(guān)注.在已有的研究中，按照極端天氣氣候事件的性質(zhì)、指標(biāo)或要素、影響程度等，從不同的角度對極端天氣氣候事件進(jìn)行了分類.不同的分類方法對評估會產(chǎn)生一定的影響，而且在不同類別極端天氣氣候事件研究成果的數(shù)量和質(zhì)量方面，也存在比較大的差別.為此，CSREX報(bào)告綜合考慮上述分類方法，在具體評估過程中，把極端天氣氣候事件主要分為單要素極端天氣氣候事件和多要素極端天氣氣候事件兩類(翟盤茂和劉靜，2012).

此外，近年來針對極端事件的研究，已經(jīng)由單站(點(diǎn))的極值分析，向時(shí)間和空間并重的方向發(fā)展，區(qū)域性、持續(xù)性、綜合性極端事件等新的概念應(yīng)運(yùn)而生，技術(shù)方法逐漸成熟，并在近年研究中逐漸得到應(yīng)用(Zhang and Qian,2011；Ren et al.,2012；Wang et al.，2014；葉殿秀等，2019；張強(qiáng)等，2021).由此，也可以把極端事件分為兩類：一類是單站(點(diǎn))極端事件，另一類是區(qū)域性、持續(xù)性和綜合性極端事件.區(qū)域性極端事件更加注重考慮事件的空間范圍，持續(xù)性極端事件更多體現(xiàn)事件在時(shí)間上的連續(xù)性，而綜合性極端事件既考慮事件的時(shí)間和空間特征，也涵蓋不同種類極端事件在時(shí)間和空間上的關(guān)聯(lián)性及其總體特征.

本文的重點(diǎn)研究對象是氣候事件本身的極端性和危險(xiǎn)性，在判識長江流域單點(diǎn)極端干旱、極端降水、極端高溫和極端低溫事件年發(fā)生頻率的基礎(chǔ)上，通過與全國范圍2000多個(gè)站點(diǎn)對比、排序和等級劃分，最后確定單個(gè)極端事件在全國范圍的危險(xiǎn)程度.

1.2 極端事件的判別方法

要從大量的天氣氣候記錄中定量區(qū)分出極端事件，需要確定一個(gè)閾值，當(dāng)某天氣氣候記錄或變量超過閾值時(shí)，就被判定為發(fā)生一次極端事件.按照不同的閾值確定方法，可以把閾值分為“絕對”和“相對”兩類.

以一個(gè)特定值為閾值判定極端事件，這個(gè)特定值被稱為絕對閾值，它在特定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)是固定的.一些絕對閾值是根據(jù)某物理原理或某些現(xiàn)象的出現(xiàn)而確定的，如一些研究把0℃作為判定霜凍事件的絕對閾值.還有一些絕對閾值是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或極端事件的影響而人為確定的，如在目前的中國氣象業(yè)務(wù)中，常把35℃作為判定高溫事件的絕對閾值，把24h降水量50 mm作為判定暴雨事件的絕對閾值.

絕對閾值物理意義明確，指標(biāo)計(jì)算易于操作，其在國內(nèi)氣象業(yè)務(wù)中的應(yīng)用更為普遍.但絕對閾值具有很大的局地性，如2003年夏季歐洲出現(xiàn)的超級熱浪，日最高氣溫持續(xù)超過30 ℃，而同樣的氣溫記錄在印度可能較為常見；又如在中國南方濕潤地區(qū)的夏季，暴雨事件的判定閾值是24h降水量達(dá)到或超過50 mm，而在西北干旱、半干旱區(qū)，當(dāng)24 h降水量達(dá)到或超過25 mm時(shí)，就被判定為暴雨事件.

基于統(tǒng)計(jì)概率分析計(jì)算得到的極端事件判定閾值，被稱作相對閾值，其大小依賴于具體的空間范圍和時(shí)間段(Yan et al.,2006；嚴(yán)中偉，2010).其計(jì)算過程主要分為三個(gè)步驟：首先，確定氣候變量和空間范圍，并確保氣候變量的狀態(tài)和變化在該空間范圍內(nèi)基本一致，同時(shí)選定長度一般至少為30年的時(shí)間段作為基準(zhǔn)期，并盡量選用距離當(dāng)前最近的三個(gè)連續(xù)十年；其次，以該基準(zhǔn)期和空間范圍內(nèi)氣候變量的所有觀測或統(tǒng)計(jì)值為基礎(chǔ)，確定其所遵從的統(tǒng)計(jì)分布(PDF)；再次，計(jì)算累積概率分布(CDF)的百分位數(shù)，并選定某個(gè)百分位數(shù)為極端事件的判定閾值，如第90個(gè)百分位數(shù)，不同的百分位數(shù)也可用于劃分不同程度的極端事件.

相對閾值的概念往往更具普適性和可比性，也能更確切地反映不同地區(qū)、不同時(shí)段內(nèi)氣候的極端性特征.例如，發(fā)生概率相同的強(qiáng)降水事件，在干旱區(qū)的相對閾值可能是20 mm·d-1，而在濕潤區(qū)可能達(dá)到80 mm·d-1.此外，在氣候模式模擬研究中，使用相對閾值還可以有效消除模擬結(jié)果中存在的系統(tǒng)性偏差，因此，國際學(xué)術(shù)界更多地采用相對閾值作為極端事件的判定標(biāo)準(zhǔn).

世界氣象組織氣候委員會下屬“氣候變化檢測和指數(shù)專家組”(Joint Expert Team on Climate Change Detection and Indices，簡稱ETCCDI)定義了27種典型的氣候指數(shù)(Peterson et al.,2001)，其中包括16個(gè)氣溫指數(shù)和11個(gè)降水指數(shù).這些指數(shù)既有絕對閾值指標(biāo)，也有相對閾值指標(biāo)，為了描述極端事件的不同變化特征，可以靈活選擇不同指標(biāo).近年來，這些指標(biāo)在針對極端溫度、極端降水等極端事件的研究中得到了廣泛應(yīng)用(翟盤茂和潘曉華,2003；周雅清和任國玉，2010；Xu et al.,2013;Sun et al., 2014).

本文選取的相對閾值指標(biāo)作為研究極端干旱、極端降水、極端高溫和極端低溫的判別方法(表1)，其中極端干旱采用過去90天降水的SPI指數(shù)(張存杰等，2017)進(jìn)行研究，極端降水采用連續(xù)3天降水量作為研究對象，極端高溫采用日最高氣溫、極端低溫采用日最低氣溫進(jìn)行研究.李雁等(2013)研究表明，我國西北干旱區(qū)日極端最大降水量一般在10 mm左右，但這種極端降水不易引起洪澇等災(zāi)害，不是我們研究的重點(diǎn)，因此將3天降水量不低于30 mm作為極端降水事件的第二約束條件.為了增加相對閾值的穩(wěn)定度，我們采取了合理增加樣本的方式來進(jìn)行計(jì)算.

表1 單個(gè)極端事件的判別指標(biāo)和含義Table 1 Discriminant index and meaning of different extreme climate events

1.3 多個(gè)極端事件的綜合危險(xiǎn)性評價(jià)方法

為描述某一區(qū)域極端事件的總體變化特征，許多研究提出了綜合性的極端事件表征指標(biāo).Karl和Knight(1998)針對美國的天氣氣候特點(diǎn)，提出了極端天氣氣候事件指數(shù)(Climate Extremes Index，簡稱CEI)，它是一個(gè)由傳統(tǒng)的極端事件表征指標(biāo)組合而成的新指數(shù)，用于研究美國極端事件的變化規(guī)律.任國玉等(2010)選取了對中國大陸地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會影響較高的全國平均高溫日數(shù)、低溫日數(shù)、強(qiáng)降水日數(shù)、沙塵天氣日數(shù)、大風(fēng)日數(shù)、干旱面積百分率和登陸熱帶氣旋頻數(shù)等7種極端事件表征指標(biāo)，合成為兩個(gè)綜合極端事件指數(shù)，即由各單項(xiàng)指標(biāo)簡單(等值權(quán)重)合成的綜合指數(shù)I，以及加權(quán)(差異權(quán)重)合成的綜合指數(shù)II，并分析了1956—2008年中國大陸地區(qū)極端事件的總體演變趨勢，其中綜合指數(shù)II主要依據(jù)各種極端事件引發(fā)的災(zāi)害嚴(yán)重(損失)程度及其社會影響大小，分別確定其對應(yīng)指標(biāo)的相對重要性和權(quán)重系數(shù).Wang等(2018)利用氣象部門收集的歷史氣象災(zāi)情資料，確定了洪澇、干旱、高溫、低溫、臺風(fēng)五種極端事件各月所占的權(quán)重系數(shù)，構(gòu)建了一個(gè)中國氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，并分析了氣候風(fēng)險(xiǎn)與農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)、醫(yī)院住院人數(shù)等之間的關(guān)系.針對自然災(zāi)害損失的定量化評價(jià)問題，張鵬等(2015)提出了一種基于幾何平均模型的綜合災(zāi)情指數(shù)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了對給定區(qū)域多元災(zāi)情數(shù)據(jù)的量化計(jì)算.

綜合指標(biāo)最大的難點(diǎn)是如何確定單個(gè)因子所占的權(quán)重，任國玉等利用中國氣象局收集的全國各省歷史災(zāi)情資料，確定了7種極端氣候因子相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，分別為強(qiáng)降水日數(shù)權(quán)重系數(shù)0.30，干旱面積百分率權(quán)重0.25，登陸熱帶氣旋數(shù)權(quán)重0.20，低溫日數(shù)權(quán)重0.08，高溫日數(shù)權(quán)重0.07，沙塵天氣日數(shù)和大風(fēng)日數(shù)權(quán)重均為0.05.這種綜合指標(biāo)雖然確定了各因子的權(quán)重系數(shù)，但嚴(yán)重依賴所收集到的災(zāi)情數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量，而且災(zāi)害損失與當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和人口數(shù)量密切相關(guān)，得到的綜合極端事件并不一定代表真正意義上的極端氣候事件；各種因子的權(quán)重系數(shù)隨著區(qū)域和時(shí)段都需要調(diào)整，這給實(shí)際應(yīng)用帶來了困難.

本文重點(diǎn)研究天氣氣候事件本身的極端性，不考慮造成損失情況，因此構(gòu)建了一個(gè)通過在全國范圍(2000多個(gè)站點(diǎn))對比、排序和等級劃分，最后等權(quán)重合成一個(gè)綜合危險(xiǎn)性指標(biāo).這種方法避免了依賴歷史災(zāi)情資料的問題，而且通過每個(gè)極端事件發(fā)生頻率在全國范圍排序，并按照同樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等級劃分，這樣去掉了不同極端事件發(fā)生頻率的量級差異，并具有了可比性.合成的綜合指標(biāo)既反映了事件本身的極端性，也反映了在全國層面的危險(xiǎn)性.

2 資料和方法

2.1 資料

本文使用中國氣象局國家信息中心提供的1961—2020年全國共2254個(gè)氣象觀測站觀測的逐日降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫資料，其中平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫是經(jīng)過均一化檢驗(yàn)和訂正的資料(楊溯和李慶祥，2014；Cao et al.,2016).長江流域站點(diǎn)數(shù)共668個(gè)站點(diǎn)，其中上游271個(gè)站點(diǎn)，中下游397個(gè)站點(diǎn).圖1給出了長江流域在中國的具體位置以及氣象站點(diǎn)分布情況.

圖1 長江流域代表站點(diǎn)分布圖蘭線為長江主要河道，紅線為長江上游與中下游分界線，小三角為氣象站點(diǎn).Fig.1 Distribution map of representative stations in the Yangtze River Basin The blue line is the main channel of the Yangtze River, the red line is the dividing line between the upper and middle-lower reaches of the Yangtze River, and the triangle marks are the locations of weather stations.

2.2 相對閾值確定

為了判識是否是極端事件，需要給出相應(yīng)的閾值.本文采用Bonsal等(2001)給出的非參數(shù)化方案，即百分位法來確定極端高溫、極端低溫、極端降水等事件劃分相對閾值，公式如下：

(1)

式中，P為累積頻率，本文極端高溫和極端降水取90百分位的閾值(P為0.9)，極端低溫取10百分位(P為0.1)；N為參加計(jì)算的樣本總數(shù)；M為該閾值對應(yīng)的序列編號，據(jù)此可以獲得具體的閾值.

2.3 極端干旱事件的判別

長江中下游2011年發(fā)生嚴(yán)重的冬春連旱，2011年1月至5月的降水量為180 mm，與常年同期相比偏少64%左右(鄧汗青和羅勇，2013).統(tǒng)計(jì)這段時(shí)間的最長連續(xù)無降水日數(shù)(CDD，日降水量小于1 mm的連續(xù)最長日數(shù))也只有19天，中間雖然出現(xiàn)了28個(gè)降水大于等于1 mm的日數(shù)，但只有6天降水量超過10 mm，說明降水日數(shù)多(或者最長連續(xù)無降水日數(shù)少)不能代表干旱不嚴(yán)重，這個(gè)例子反映出最長連續(xù)無降水日數(shù)(CDD)不能代表實(shí)際干旱情況.計(jì)算武漢市2010—2011年90天SPI指數(shù)，發(fā)現(xiàn)2010年11開始降水持續(xù)偏少，到12月底出現(xiàn)輕旱，進(jìn)入2011年1月干旱持續(xù)發(fā)展，到中旬發(fā)展為重旱，2—5月雖然出現(xiàn)的幾次降水過程，但降水量級較小不足以緩解干旱，導(dǎo)致干旱一致維持到6月初，后面出現(xiàn)了幾次暴雨過程徹底解除了干旱.統(tǒng)計(jì)武漢市2011年1—5月的SPI90反映的干旱日數(shù)為151天，重旱以上干旱日數(shù)也達(dá)到141天，說明SPI90干旱指數(shù)可以反映武漢市的干旱實(shí)際狀況.

這里選擇過去90天降水SPI指數(shù)(即SPI90)作為干旱指標(biāo)，重旱(SPI90小于等于-1.5)以上日數(shù)作為極端干旱事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.極端干旱事件的判別公式如下：

(2)

式中SPI90是過去90天降水量的SPI值；EXdry為極端干旱事件，1為達(dá)到，0為沒有達(dá)到.

2.4 極端降水事件的判別

根據(jù)吳紹洪等(2017,2018)研究結(jié)果，暴雨洪澇事件造成的損失與連續(xù)3天的降水量關(guān)系密切，3天降水量越大損失越大，并將30 mm作為發(fā)生洪澇事件的起始降水量.因此，這里選取連續(xù)3天的降水量(RX3day)作為判斷極端降水的指數(shù).

這里采用相對閾值的方法確定極端降水事件，即采用百分位法，確定累積頻率為90%的閾值，選取超過90%閾值的事件為極端降水事件.為了使選取的閾值具有穩(wěn)定性，需要增加樣本的數(shù)量，這里采用前后5天的序列組成當(dāng)天的序列，對新的序列進(jìn)行排序和判定閾值.

由于干旱和半干旱區(qū)日降水量不服從正太分布，用百分位法選出的極端降水事件有時(shí)異常偏多，但這種事件往往降水量不大，不足以引起暴雨洪澇災(zāi)害，因此，這里用3天降水量必須大于等于30 mm作為第二約束條件.極端降水事件的判別公式如下：

(3)

式中RX3day為連續(xù)3天的降水量(單位mm)；CDFRX3day為前后5天歷史資料組成的樣本計(jì)算得到的累積頻率密度；EXrain為極端降水事件，1為達(dá)到，0為沒有達(dá)到.

2.5 極端高溫事件的判別

這里采用相對閾值的方法確定極端高溫事件，即采用百分位法，計(jì)算確定日最高氣溫(TX1day)的累積頻率為90%的閾值，選取超過90%閾值的日數(shù)為極端高溫事件.與前面方法相同，為了增加樣本的數(shù)量，采用前后5天的序列組成當(dāng)天的序列，對新的序列進(jìn)行排序和判定閾值.極端高溫事件的判別公式如下：

(4)

式中CDFTX1day為前后5天日最高氣溫歷史資料組成的樣本計(jì)算得到的累積頻率密度；EXtx為極端高溫事件，1為達(dá)到，0為沒有達(dá)到.

2.6 極端低溫事件的判別

與前面極端高溫事件的定義和判別方法類似，在增加樣本的基礎(chǔ)上，極端低溫事件計(jì)算確定日最低氣溫(TN1day)的累積頻率10%的閾值，選取小于等于閾值的日數(shù)為極端低溫事件，統(tǒng)計(jì)分析極端低溫事件出現(xiàn)的頻率.極端低溫事件的判別公式如下：

(5)

式中CDFTN1day為前后5天日最低氣溫歷史資料組成的樣本計(jì)算得到的累積頻率密度；EXtn為極端低溫事件，1為達(dá)到，0為沒有達(dá)到.

2.7 單個(gè)極端事件的危險(xiǎn)性等級確定

針對單個(gè)極端事件的危險(xiǎn)性需要從時(shí)間和空間兩個(gè)維度進(jìn)行評判，時(shí)間維度評判指極端事件年發(fā)生頻率與歷史上發(fā)生情況進(jìn)行對比；空間維度評判指在給定的區(qū)域范圍內(nèi)，不同站點(diǎn)極端事件發(fā)生頻率相互之間的比較，如果研究中國范圍的極端事件危險(xiǎn)性，需要對中國范圍所有站點(diǎn)的發(fā)生頻率進(jìn)行比較，這樣可以確定該極端事件在每個(gè)站點(diǎn)在中國范圍的危險(xiǎn)程度.

具體操作時(shí)需要兩步完成：第一步，計(jì)算單個(gè)極端事件的年發(fā)生日數(shù)，然后除以年日數(shù)，得到該事件的年發(fā)生頻率.為了計(jì)算便捷，這里年日數(shù)統(tǒng)一取365天.如果要分析某段時(shí)期(如1981—2010年)的危險(xiǎn)性，需要對年發(fā)生頻率進(jìn)行平均，得到該段時(shí)期年平均發(fā)生頻率.第二步，將研究區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)(如全國有2254個(gè)站)的年平均發(fā)生頻率由小到大進(jìn)行排序，用百分位法確定90%、70%、40%的閾值，用確定的閾值將每個(gè)站點(diǎn)極端氣候事件的危險(xiǎn)性劃分為“特高、高、中、低”四個(gè)等級，分別賦值4、3、2、1.這樣確定的“特高、高、中、低”四個(gè)等級的極端事件占比分別為10%、20%、30%和40%.

單個(gè)極端事件的危險(xiǎn)性等級判別公式如下：

(6)

(7)

2.8 多個(gè)極端氣候事件綜合危險(xiǎn)性等級確定

要研究某一區(qū)域多個(gè)極端天氣氣候事件的綜合危險(xiǎn)性，需要確定單個(gè)極端事件的危險(xiǎn)性，以及單個(gè)極端事件在所占的比重.通過前面2.2—2.7節(jié)的分析，單個(gè)極端事件在歷史上的極端程度通過閾值已經(jīng)明確，通過在全國范圍內(nèi)進(jìn)行比較，按照百分位法，危險(xiǎn)等級已經(jīng)劃定，因此，多個(gè)極端事件綜合危險(xiǎn)性只需將前面給出的單個(gè)極端事件危險(xiǎn)性等級進(jìn)行累加就可以，無需再考慮權(quán)重因子.

為了確定多個(gè)極端氣候事件綜合危險(xiǎn)性等級，需要對前面累加的指數(shù)進(jìn)行等級劃分，與2.7節(jié)相同，這里仍然使用百分位法進(jìn)行等級閾值確定.將研究區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)(如全國有2254個(gè)站)的極端氣候綜合危險(xiǎn)性指數(shù)由小到大進(jìn)行排序，用百分位法確定90%、70%、40%的閾值，用該閾值將多個(gè)極端氣候事件的綜合危險(xiǎn)性劃分為“特高、高、中、低”四個(gè)等級，分別賦值4、3、2、1.

多個(gè)極端事件的綜合危險(xiǎn)性指數(shù)和等級判別公式如下：

MECI=Hdry+Hrain+Htx+Htn,

(8)

(9)

式(8)中MECI為多個(gè)極端事件的綜合危險(xiǎn)性指數(shù)，Hdry為極端干旱事件危險(xiǎn)性等級，Hrain極端降水事件危險(xiǎn)性等級，Htx為極端高溫事件危險(xiǎn)性等級，Htn為極端低溫事件危險(xiǎn)性等級；式(9)為多個(gè)極端事件綜合指數(shù)在全國范圍比較確定的綜合危險(xiǎn)性等級，4為特高級危險(xiǎn)性，3為高級危險(xiǎn)性，2為中級危險(xiǎn)性，1為低級危險(xiǎn)性.

表2為依據(jù)1981—2010年全國發(fā)生的極端干旱、極端降水、極端高溫和極端低溫事件年發(fā)生頻率，通過百分位法確定的危險(xiǎn)性等級閾值，以及綜合指標(biāo)危險(xiǎn)性等級閾值.本文單個(gè)極端事件的危險(xiǎn)性和多個(gè)極端事件的綜合危險(xiǎn)性分析都以此表為準(zhǔn).

表2 中國范圍極端事件的危險(xiǎn)性等級判別標(biāo)準(zhǔn)(1981—2010年)Table 2 Standard for classification of extreme climate events risk in China from 1981 to 2010

3 結(jié)果分析

3.1 長江流域極端氣候事件危險(xiǎn)性空間特征

分析1981—2010年長江流域極端干旱發(fā)生的危險(xiǎn)性等級(圖2a)，可以看出，相對于全國其他地區(qū)，長江流域大部分地區(qū)極端干旱發(fā)生的危險(xiǎn)性等級都在中級以上，特高級、高級和中級危險(xiǎn)等級站點(diǎn)數(shù)分別占全國總站數(shù)的30%左右(表3)，說明長江流域容易發(fā)生極端干旱事件.云南北部、四川西北部、金沙江上游、湖北東北部、安徽西北部等地是極端干旱事件發(fā)生高危險(xiǎn)和特高危險(xiǎn)地區(qū).四川盆地中部、重慶南部、江西等地是極端干旱事件低危險(xiǎn)區(qū)域.

分析1981—2010年長江流域極端降水事件發(fā)生的危險(xiǎn)性等級(圖2b)，可以看出，相對于全國其他地區(qū)，長江流域大部分地區(qū)極端降水事件發(fā)生的危險(xiǎn)性等級都在中級以上，尤其長江中下游地區(qū)，危險(xiǎn)等級都在高級以上，湖南西部、江西大部、湖北南部等地極端降水事件發(fā)生的危險(xiǎn)性處于特高級.特高級和高級危險(xiǎn)等級占比分別為62%和41%，而且大部分都集中在中下游地區(qū)，說明長江中下游地區(qū)，特別是江南等地是極端降水事件容易發(fā)生的地區(qū).

圖2 長江流域極端氣候事件危險(xiǎn)性等級(1981—2010年)(a) 極端干旱； (b) 極端降水； (c) 極端高溫； (d) 極端低溫.Fig.2 Map of risk levels for different extreme climate events in Yangtze River Basin from 1981 to 2010(a) Extreme droughts; (b) Extreme precipitation; (c) Extreme high temperature; (d) Extreme low temperature.

表3 長江流域極端氣候事件不同等級危險(xiǎn)性站點(diǎn)在全國范圍所占比例(單位：%)Table 3 Proportion of different risk stations of extreme climate events in the Yangtze River Basin in China (Unit：%)

四川東部、云南北部、重慶、貴州、湖北西北部等地極端降水事件也比較容易發(fā)生，中級危險(xiǎn)等級占比為42%左右.四川西北部、金沙江上游等地是極端降水事件發(fā)生低危險(xiǎn)區(qū)域.

分析1981—2010年長江流域極端高溫事件發(fā)生的危險(xiǎn)性等級(圖2c)，可以看出，相對于全國其他地區(qū)，長江流域極端高溫事件主要發(fā)生在金沙江上游、四川西北部、甘肅南部、陜西南部以及長江中下游沿岸附近地區(qū)，其余地區(qū)危險(xiǎn)性較低.特高級和高級危險(xiǎn)等級占比分別為13%和14%，相對較低，說明長江流域近幾十年極端高溫事件發(fā)生的頻率與全國其他地區(qū)相比，總體偏低.通過年代際對比分析發(fā)現(xiàn)，1980年代和1990年代，長江流域極端高溫事件發(fā)生頻次相對較少，導(dǎo)致30年平均發(fā)生頻率相對較低.但進(jìn)入21世紀(jì)以來，長江流域極端高溫事件明顯增多，21世紀(jì)前10年長江中下游地區(qū)是極端高溫高危險(xiǎn)區(qū)，2010年以來長江上游地區(qū)變?yōu)闃O端高溫高危險(xiǎn)區(qū).這說明極端事件的發(fā)生具有明顯的區(qū)域特征和年代際的特征，不能一概而論.

分析1981—2010年長江流域極端低溫事件發(fā)生的危險(xiǎn)性等級(圖2d)，可以看出，相對于全國其他地區(qū)，長江流域大部分地區(qū)極端低溫事件發(fā)生危險(xiǎn)性等級較高，特高級和高級危險(xiǎn)等級占比分別為43%和41%，相對較高，說明長江流域近幾十年極端低溫事件發(fā)生的頻率與全國其他地區(qū)相比，總體偏高.除四川西部和金沙江中上游以及長江中下游沿江地區(qū)外，其余地區(qū)極端低溫發(fā)生的危險(xiǎn)性等級均在中等以上.四川東部、重慶大部、貴州中北部、湖南南部和西部、湖北西北部等地極端低溫事件發(fā)生危險(xiǎn)性為特高級，極易發(fā)生低溫事件.通過年代際對比分析發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)90年代以來，長江流域極端低溫事件發(fā)生的危險(xiǎn)性相對于全國其他地區(qū)明顯偏高.

3.2 長江流域極端氣候事件發(fā)生頻率年代際變化特征

分析1961—2020年長江流域極端干旱年發(fā)生頻率線性變化趨勢(圖3a)，可以看出，長江流域近60年極端干旱事件年發(fā)生頻率呈現(xiàn)線性減少趨勢，全流域平均每10年減少5.6%，上游為減少2.4%，中下游減少趨勢更明顯，平均每10年減少7.8%，其中，全流域和中下游的線性趨勢通過了0.05的信度檢驗(yàn).1961—2020年長江流域極端干旱年平均發(fā)生頻率為7.75%，每年大約28天.20世紀(jì)60年代和70年代，長江流域極端干旱事件發(fā)生頻繁，年平均發(fā)生頻率為9.43%，每年大約43天.80年代到21世紀(jì)前10年，發(fā)生頻率相對較少，年平均發(fā)生頻率為6.76%，每年大約24天.2010年后極端干旱發(fā)生相對較多，如長江中下游2011年發(fā)生了嚴(yán)重的春季干旱和2019年發(fā)生了嚴(yán)重的夏季干旱，年平均發(fā)生頻率分別為27.86%和12.62%，極端干旱日數(shù)為101天和46天.

圖3 長江流域極端氣候事件年發(fā)生頻率歷史演變(1961—2020年)(a) 極端干旱； (b) 極端降水； (c) 極端高溫； (d) 極端低溫.Fig.3 Historical evolution of annual frequency of extreme climate events in the Yangtze River Basin from 1961 to 2020(a) Extreme droughts； (b) Extreme precipitation; (c) Extreme high temperature; (d) Extreme low temperature.

分析1961—2020年長江流域極端降水事件年發(fā)生頻率線性變化趨勢(圖3b)，可以看出，長江流域近60年極端降水事件年發(fā)生頻率呈現(xiàn)線性增加趨勢，全流域平均每10年增加0.15%，上游為增加0.03%，中下游增加相對較為明顯，平均每10年增加0.23%，但都未通過0.05的信度檢驗(yàn). 1961—2020年長江流域極端降水事件年平均發(fā)生頻率為6.07%，每年大約22日；上游發(fā)生率較低，為4.49%，每年大約16天；中下游發(fā)生率相對較高，為7.15%，每年大約26天.20世紀(jì)60年代，長江流域極端降水事件發(fā)生頻繁較低，年平均發(fā)生頻率為5.8%，每年大約21天.70年代開始長江流域極端降水事件發(fā)生頻率一致處于增加趨勢，到20世紀(jì)后期和21世紀(jì)最近幾年，出現(xiàn)了兩個(gè)多發(fā)時(shí)期，其中1998年和2020年極端降水事件發(fā)生頻繁，年平均發(fā)生頻率分別為7.92%和8.51%，極端降水日數(shù)為29天和31天，導(dǎo)致長江流域發(fā)生了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害.

分析1961—2020年長江流域極端高溫事件年發(fā)生頻率線性變化趨勢(圖3c)，可以看出，長江流域近60年極端高溫事件年發(fā)生頻率呈現(xiàn)明顯的線性增加趨勢，全流域平均每10年增加1.25%，上游為增加相對較為明顯為1.52%，中下游為1.06%，都通過了0.01的信度檢驗(yàn). 1961—2020年長江流域極端高溫事件年平均發(fā)生頻率為10.19%，每年大約37天，上游和中下游基本接近.近60年來長江流域極端高溫事件年平均發(fā)生頻率階段性特征明顯，20世紀(jì)60年代到90年代，長江流域極端高溫事件發(fā)生頻繁相對較低，年平均發(fā)生頻率為8.35%，每年大約30天.21世紀(jì)以來長江流域極端高溫事件發(fā)生頻率一致處于增加趨勢，近20年年平均發(fā)生頻率為13.87%，每年大約51天.2013年和2006年是長江流域極端高溫事件發(fā)生最多的兩年，其中上游地區(qū)2013年和2006年年發(fā)生頻率分別為21.76%和19.47%，極端高溫日數(shù)為79天和71天，導(dǎo)致2013年夏季我國南方發(fā)生嚴(yán)重高溫?zé)崂撕头禐?zāi)害、2006年川渝地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重高溫干旱災(zāi)害.

分析1961—2020年長江流域極端低溫事件年發(fā)生頻率線性變化趨勢(圖3d)，可以看出，長江流域近60年極端低溫事件年發(fā)生頻率呈現(xiàn)明顯的線性減少趨勢，全流域平均每10年減少1.59%，上游減少1.46%，中下游減少1.68，都通過了0.01的信度檢驗(yàn). 1961—2020年長江流域極端低溫事件年平均發(fā)生頻率為10.28%，每年大約37天，上游和中下游基本接近.20世紀(jì)60年代初由于受站點(diǎn)缺測資料的影響，極端低溫事件相對60年代后期明顯偏少.自1966年以來，長江流域極端低溫事件發(fā)生頻率一致處于減少趨勢.20世紀(jì)70年代年平均發(fā)生頻率為12.55%，每年大約46天，近10年為5.97%，每年大約22天，減少了24天，減少趨勢比較明顯.

3.3 長江流域極端氣候事件線性趨勢空間特征

分析1961—2020年長江流域極端干旱年發(fā)生頻率線性變化趨勢空間分布特征(圖4a)，可以看出，我國長江流域過去60年極端干旱事件年發(fā)生頻率大部分地區(qū)呈減少趨勢，減少最明顯的區(qū)域位于四川西北部、金沙江上游、長江中下游地區(qū)等地，通過了0.05信度檢驗(yàn).四川東南部、云南北部、貴州中西部、陜西南部、湖北北部、河南西南部等地極端干旱事件呈現(xiàn)弱的增加趨勢，信度檢驗(yàn)不顯著.

圖4 長江流域極端氣候事件年發(fā)生頻率線性變化趨勢(1961—2020年)(a) 極端干旱； (b) 極端降水； (c) 極端高溫； (d) 極端低溫.圖中斜線為信度檢驗(yàn)通過了0.05的區(qū)域.Fig.4 Spatial distribution of annual frequency linear trend of extreme climate events in the Yangtze River Basin from 1961 to 2020(a) Extreme droughts; (b) Extreme precipitation; (c) Extreme high temperature; (d) Extreme low temperature. The slanted areas in the figure are those that have passed the reliability test by 0.05.

分析1961—2020年長江流域極端降水年發(fā)生頻率線性變化趨勢空間分布特征(圖4b)，可以看出，我國長江流域過去60年極端降水事件年發(fā)生頻率大部分地區(qū)呈增加趨勢，增加最明顯的區(qū)域位于長江中下游的湖北、湖南、江西、安徽、江蘇和上海等地.極端降水事件減少的區(qū)域比較分散，主要云南北部、四川盆地中部、貴州東北部、湖南西北部、湖北東北部等地極，呈現(xiàn)弱的減少趨勢.長江流域極端降水事件線性趨勢絕大部分地區(qū)都未通過0.05信度檢驗(yàn)，說明變化不顯著.

分析1961—2020年長江流域極端高溫事件年發(fā)生頻率線性變化趨勢空間分布特征(圖4c)，可以看出，我國長江流域過去60年極端高溫事件年發(fā)生頻率均呈現(xiàn)增加趨勢，增加明顯的區(qū)域主要位于長江上游和中下游沿江附近地區(qū)，云南北部、金沙江上游、四川中南部、甘肅南部等地增加最為明顯.貴州東南部、湖南西南部、江西大部、湖北北部等地極端高溫事件增加趨勢相對較弱.大部分地區(qū)都通過了0.05信度檢驗(yàn).

分析1961—2020年長江流域極端低溫事件年發(fā)生頻率線性變化趨勢空間分布特征(圖4d)，可以看出，我國長江流域過去60年極端低溫事件年發(fā)生頻率均呈現(xiàn)減小趨勢，減小明顯的區(qū)域主要位于金沙江中上游、四川西部、湖北中北部、江西北部、安徽中部、中部、上海等地.重慶南部、湖北西北部、湖南西北部等地極端低溫事件減少趨勢相對較弱.幾乎所有地區(qū)都通過了0.05信度檢驗(yàn)，說明極端低溫事件減少很顯著.

3.4 長江流域極端氣候事件綜合危險(xiǎn)性分析

分析1981—2010年長江流域極端氣候綜合危險(xiǎn)性等級(圖5)，可以看出，相對于全國其他地區(qū)，長江流域大部分地區(qū)極端氣候綜合危險(xiǎn)性等級較高，都在中級以上水平，其中湖南大部、江西西部、湖北南部、云南東北部、金沙江上游等地綜合危險(xiǎn)性在高級到特高級水平，說明這些地區(qū)極端氣候事件容易發(fā)生.四川西南部和西北部個(gè)別地方危險(xiǎn)性等級為低級.通過年代際對比分析發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)90年代以來，長江流域極端氣候事件發(fā)生的危險(xiǎn)性相對于全國其他地區(qū)明顯偏高，20世紀(jì)90年代高危險(xiǎn)區(qū)域位于陜西南部、重慶北部、湖北西北部、湖南和江西南部等地，2010年以來高危險(xiǎn)區(qū)域位于云南北部、四川南部、重慶南部，湖南和江西南部以及長江中下游沿江附近地區(qū).分析表明，長江流域極端氣候事件的綜合危險(xiǎn)性具有區(qū)域性和年代際變化特征.

圖5 長江流域極端氣候綜合危險(xiǎn)性等級(1981—2010年)Fig.5 Comprehensive risk level of extreme climate in the Yangtze River Basin from 1981 to 2010

分析1961—2020年長江流域極端氣候事件綜合年發(fā)生頻率線性變化趨勢(圖6a)，可以看出，長江流域近60年極端氣候事件綜合年發(fā)生頻率呈現(xiàn)線性下降趨勢，全流域平均每10年減少0.19%，上游減少0.04%，下游減少0.29%，中下游減少趨勢較明顯，通過了0.05的信度檢驗(yàn).1961—2020年長江流域極端氣候事件綜合年平均發(fā)生頻率為8.57%，每年大約31天次，上游和中下游基本接近.20世紀(jì)60年代和70年代是極端氣候事件高發(fā)期，綜合年平均發(fā)生頻率為9.25%，每年大約34日次；80年代和90年代發(fā)生頻率相對較少，綜合年平均發(fā)生頻率為8.02%，每年大約29日次；21世紀(jì)以來長江流域極端氣候事件呈現(xiàn)弱的增多趨勢，近10年綜合年平均發(fā)生頻率為8.54%，每年大約31日次.2011年和1963年是長江流域極端氣候事件發(fā)生最多的兩年，大約發(fā)生了49日次和47日次.

分析1961—2020年長江流域極端氣候事件綜合年發(fā)生頻率線性變化趨勢空間分布特征(圖7a)，可以看出，區(qū)域差異比較明顯.減少的區(qū)域主要位于四川西部、金沙江上游、長江中下游大部分地區(qū)，特別是金沙江上游地區(qū)、長江下游部分地區(qū)減少比較明顯，這些地區(qū)都通過了0.05信度檢驗(yàn).綜合年發(fā)生頻率增加的區(qū)域主要位于云南北部、四川盆地和四川東南部、陜西南部、湖北西北部等地，這些地區(qū)近年來極端高溫和極端干旱事件發(fā)生頻繁，應(yīng)引起高度重視.

圖6a和圖7a給出的長江流域極端氣候事件綜合年發(fā)生頻率是極端干旱、極端降水、極端高溫和極端低溫年發(fā)生頻率的簡單累加，未考慮每一種極端事件權(quán)重和量級大小.為了客觀反映極端氣候事件的總體情況，這里首先將四種極端氣候事件年發(fā)生頻率分別與全國2000多站的年發(fā)生頻率進(jìn)行比較，用百分位法確定每個(gè)站的單個(gè)極端事件危險(xiǎn)性等級，然后將確定的等級進(jìn)行累加，得到該站多個(gè)極端事件的綜合性危險(xiǎn)等級.分析歷年綜合危險(xiǎn)性等級變化情況，既可以了解該地區(qū)極端氣候事件歷史變化規(guī)律，也可以掌握在全國范圍內(nèi)危險(xiǎn)程度所處的位置.這里給出了長江流域以及上游區(qū)域和中下游區(qū)域極端氣候事件綜合年危險(xiǎn)性等級歷史演變圖(圖6b),也給出了近60年長江流域極端氣候事件綜合年危險(xiǎn)性等級線性趨勢空間分布的特征(圖7b)，這樣可以掌握長江流域極端氣候事件危險(xiǎn)性總體變化特征.

圖6 1961—2020年長江流域極端氣候綜合年發(fā)生頻率(a)和綜合年危險(xiǎn)等級(b)歷史演變，圖中直線為線性趨勢Fig.6 Comprehensive annual frequency (a) and comprehensive annual risk level (b) of extreme climate in the Yangtze River Basin from 1961 to 2020. Straight line shows a linear trend

圖7 1961—2020年長江流域極端氣候綜合年發(fā)生頻率線性趨勢(a)和綜合年危險(xiǎn)等級線性趨勢(b)，圖中斜線為信度檢驗(yàn)超過0.05的區(qū)域Fig.7 The linear trends of comprehensive annual frequency (a) and comprehensive annual risk level (b) of extreme climate in the Yangtze River Basin from 1961 to 2020. The slanted areas in the figure are those that have passed the reliability test by 0.05

對比圖6a和圖6b，可以看出，近60年長江流域極端氣候事件綜合年發(fā)生頻率雖然呈現(xiàn)下降趨勢，但在全國范圍內(nèi)進(jìn)行比較，長江流域極端氣候事件綜合年危險(xiǎn)性等級處于上升趨勢，全流域每10年上升0.14，其中上游區(qū)域?yàn)?.23，中下游為0.07，全流域和上游通過了0.01信度檢驗(yàn).這說明長江流域極端氣候事件發(fā)生頻率雖然在減少，但在全國范圍內(nèi)危險(xiǎn)性等級在上升，影響范圍在擴(kuò)大.對比圖7a和圖7b，可以看出，長江流域極端氣候事件綜合危險(xiǎn)性等級上升的區(qū)域范圍較大，占整個(gè)區(qū)域的68%，主要位于長江流域中部地區(qū).上升比較顯著的區(qū)域位于云南中北部、四川大部、陜西南部和湖北西北部等地，結(jié)合圖7a，可以發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域極端氣候事件不但危險(xiǎn)性等級在上升，而且年發(fā)生頻率也在增加，需要引起高度重視.

圖8a給出了長江流域極端干旱和極端高溫特高級和高級危險(xiǎn)站數(shù)占全國同級別站數(shù)百分比歷史演變圖，可以看出，長江流域極端干旱占比和極端高溫占比歷史變化趨勢基本一致，都呈現(xiàn)上升趨勢，說明長江流域發(fā)生高危險(xiǎn)和特高危險(xiǎn)干旱事件和高溫事件的區(qū)域在擴(kuò)大，極端干旱占比每10年增加0.72%，極端高溫占比每10年增加0.93%，但都未通過0.05信度檢驗(yàn).可以發(fā)現(xiàn)極端干旱與極端干旱占比變化基本同步，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.66，說明長江流域極端干旱事件與極端高溫事件經(jīng)常同步發(fā)生，如2006年夏季川渝地區(qū)發(fā)生高溫干旱事件、2013年伏期我國南方發(fā)生高溫干旱事件等.近60年有4個(gè)明顯的階段性變化時(shí)期，1961—1995年變化較為平穩(wěn)，極端高溫干旱事件呈現(xiàn)弱的擴(kuò)大趨勢，1996—2005年極端高溫干旱事件發(fā)生較少、范圍縮小，2006—2014年屬于高發(fā)時(shí)期，這個(gè)時(shí)期發(fā)生了2006、2009、2011、2013等多次極端高溫干旱事件，2015—2020年變化不明顯.值得注意的是，與圖3a和圖4a相比，長江流域極端干旱年發(fā)生頻率雖然處于減少趨勢，但與全國其他區(qū)域相比，長江流域高危險(xiǎn)和特高危險(xiǎn)的干旱事件的全國占比還是處于上升趨勢，而且與極端高溫相伴，極端高溫干旱的危險(xiǎn)性較高，應(yīng)該引起相關(guān)部門重視.

圖8 長江流域極端干旱和極端高溫(a)、極端降水和極端低溫(b)特高級和高級危險(xiǎn)站數(shù)占全國同級別站數(shù)百分比歷史演變(1961—2020年)(單位：%)Fig.8 The historical evolution of the percentage of extra-high and high risk stations of extreme drought and extreme heat (a) and extreme precipitation and extreme cold (b) to the same level stations in China (Unit：%)

圖8b給出了長江流域極端降水和極端低溫特高級和高級危險(xiǎn)站數(shù)占全國同級別站數(shù)百分比歷史演變圖，可以看出，近60年來長江流域極端降水占比和極端低溫占比都處于明顯增加趨勢，歷史變化趨勢基本一致，說明長江流域發(fā)生高危險(xiǎn)和特高危險(xiǎn)極端降水事件和極端低溫事件的區(qū)域在擴(kuò)大，極端降水占比每10年增加1.64%，極端低溫占比每10年增加3.99%，增加趨勢較為顯著，均通過了0.01的信度檢驗(yàn).高危險(xiǎn)和特高危險(xiǎn)極端降水事件的占比階段性特征不明顯，近60年來持續(xù)增加，2020年占比達(dá)到57.7%，說明全國高危險(xiǎn)和特高危險(xiǎn)極端降水事件大部分發(fā)生在長江流域地區(qū)，應(yīng)該繼續(xù)加強(qiáng)暴雨洪澇災(zāi)害的防御工作.高危險(xiǎn)和特高危險(xiǎn)極端低溫事件的占比近60年來增加明顯，與圖3d和圖4d比較，雖然近60年來長江流域大部分地區(qū)極端低溫年發(fā)生頻率處于顯著減少趨勢，但與全國其他地區(qū)相比較，高危險(xiǎn)和特高危險(xiǎn)極端低溫事件的占比增加、面積擴(kuò)大，這一現(xiàn)象應(yīng)該引起重視.階段性變化可以分為兩段，1961—2000年處于顯著增加時(shí)期，進(jìn)入21世紀(jì)以來，占比呈現(xiàn)下降趨勢.

圖9給出了長江流域極端氣候事件綜合指標(biāo)中不同危險(xiǎn)等級站數(shù)占全國同級別站數(shù)的百分比，可以看出，長江流域近60年極端氣候事件綜合特高危險(xiǎn)和高危險(xiǎn)等級占比處于上升趨勢，特別是特高危險(xiǎn)等級占比增加更為明顯，平均每10年增加4.29%，通過了0.01的信度檢驗(yàn)；中危險(xiǎn)和低危險(xiǎn)等級站數(shù)占比處于下降趨勢，其中低危險(xiǎn)等級平均每10年減小1.91%，通過了0.01的信度檢驗(yàn).近60年長江流域綜合特高危險(xiǎn)等級占比平均為37.48%，特別是2011年達(dá)到86.46%，這說明與全國其他地區(qū)相比，長江流域是特高危險(xiǎn)極端氣候事件易發(fā)區(qū)域，2013年以后雖然有所下降，但仍然處于高位.

圖9 長江流域極端氣候綜合危險(xiǎn)不同等級站數(shù)占全國同級別站數(shù)百分比歷史演變(1961—2020年)(單位：%)Fig.9 Historical evolution of the percentage of stations with different comprehensive risk levels of extreme climate in the Yangtze River Basin to stations with the same level in China from 1961 to 2020 (Unit：%)

4 討論

分析表明，長江流域極端干旱事件年發(fā)生頻率總體呈現(xiàn)下降趨勢，但進(jìn)入21世紀(jì)有增多的趨勢，極端干旱事件發(fā)生頻繁.李淑萍等(2015)分析發(fā)現(xiàn)我國長江中下游1961—2012年夏季干旱站點(diǎn)數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢；馬柱國等(2018)分析認(rèn)為，我國江淮地區(qū)從20世紀(jì)70年代開始一直處于降水偏多時(shí)期，進(jìn)入21世紀(jì)以來江淮地區(qū)降水減少，向干旱化轉(zhuǎn)變，極端干旱事件發(fā)生頻繁，這些研究成果與本文得到的結(jié)論基本一致.

分析表明，長江流域極端降水事件年發(fā)生頻率以及在全國的占比均呈現(xiàn)增加的趨勢，這與葉殿秀等(2019)分析全國區(qū)域性暴雨過程得到的結(jié)論基本一致，他們分析認(rèn)為，1961—2016年我國南方(包括長江流域)區(qū)域性暴雨過程和暴雨強(qiáng)度都呈顯著增加趨勢；任福民等(2015)、Zou和Ren(2015)分析認(rèn)為1961—2012年我國區(qū)域性強(qiáng)降水事件呈升高趨勢，指出長江中下游地區(qū)和華南北部地區(qū)是區(qū)域性強(qiáng)降水事件的頻發(fā)地區(qū).

不同的研究都一致表明，受全球氣候變化影響，我國大部分地區(qū)極端高溫發(fā)生頻次增加、極端低溫發(fā)生頻次減少(Masson-Delmotte和Zhai,2022；翟盤茂等，2021)，這與本文的研究結(jié)論一致.多個(gè)研究也指明，進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國干旱與高溫并發(fā)事件明顯增加(宋連春等，2021；周波濤和錢進(jìn)，2021).艾雅雯等(2020)分析了我國1961—2016年春季極端低溫事件時(shí)空特征，分析認(rèn)為，雖然在過去半個(gè)多世紀(jì)我國春季極端低溫事件的頻率和強(qiáng)度都呈現(xiàn)顯著下降趨勢，但自2007年以來115°以東地區(qū)(包括長江下游地區(qū))春季極端低溫事件的頻次和強(qiáng)度有所增加，這與本文得到的長江流域極端低溫事件在全國的占比增加結(jié)論基本一致.

有關(guān)多個(gè)極端氣候事件合成的綜合極端氣候指數(shù)的研究較少，任國玉等(2010)構(gòu)建的綜合指數(shù)Ⅰ與本文圖6給出的長江流域極端氣候事件綜合年發(fā)生頻率意義相近，都未考慮各種事件的權(quán)重，得到的結(jié)果也基本一致，即極端氣候事件總體有不斷減少、減弱的趨勢.任國玉等構(gòu)建的綜合指數(shù)Ⅱ雖然考慮了權(quán)重影響，但多年變化趨勢不明顯.

本文雖然沒有用歷史災(zāi)情資料確定每種極端事件的權(quán)重大小，但通過與全國2000多站進(jìn)行比較，通過百分位法給出相同的等級劃分，然后進(jìn)行合成，這種綜合方法較為客觀，避免了確定不同事件權(quán)重系數(shù)的人為性.問題是這里只考慮了極端干旱、極端降水、極端高溫和極端低溫4種事件得到綜合結(jié)果，如果參與綜合分析的事件不同，綜合結(jié)果也會不同，應(yīng)該區(qū)別對待.另外，在等級劃分時(shí)使用的是全國統(tǒng)一的閾值，容易忽略本地區(qū)的特殊情況，如極端降水的高危險(xiǎn)區(qū)都位于長江中下游地區(qū)，而西部地區(qū)極端降水事件少但影響重.

對比圖5與圖2，發(fā)現(xiàn)多個(gè)極端事件的綜合危險(xiǎn)性空間分布與單個(gè)極端事件的有所不同，綜合危險(xiǎn)性等級在中下游地區(qū)高于上游地區(qū)，與圖2的極端降水和極端低溫分布特征類似，但上游區(qū)域極端干旱和極端高溫的特征沒有反映出來，這也反映出綜合危險(xiǎn)性指標(biāo)的缺陷，即強(qiáng)調(diào)總體特征的同時(shí)，有時(shí)會掩蓋個(gè)體特征.

本文把極端事件本身的極端性作為研究重點(diǎn)，未考慮事件的成因和社會經(jīng)濟(jì)影響，危險(xiǎn)性分析也是基于過去60年的歷史觀測資料.如果要研究極端事件的風(fēng)險(xiǎn)和危害程度，以及如何適應(yīng)未來氣候變化并做好極端事件風(fēng)險(xiǎn)防范，還需要利用數(shù)值模式模擬和預(yù)估的未來氣候變化數(shù)據(jù)，結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展途徑情景分析數(shù)據(jù)，以及利用歷史事件影響和災(zāi)情數(shù)據(jù)等，在多個(gè)極端氣候事件危險(xiǎn)性、暴露度和脆弱性綜合分析的基礎(chǔ)上，科學(xué)給出未來極端氣候事件的綜合風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果(史培軍等，2014；劉毅等，2011；韓振宇等，2021).這也是適應(yīng)未來氣候變化、應(yīng)對極端氣候事件風(fēng)險(xiǎn)的必由之路.

5 結(jié)論

在單個(gè)極端氣候事件定義和判別基礎(chǔ)上，構(gòu)建了單個(gè)極端事件危險(xiǎn)性等級判別方法和多個(gè)極端事件綜合危險(xiǎn)性等級確定方法，這種方法較為客觀地給出了多個(gè)極端事件的綜合指標(biāo)和危險(xiǎn)性判別方法，減少了人為確定權(quán)重系數(shù)所帶來的不確定性.通過與全國其他地區(qū)相比較，可以掌握所關(guān)心區(qū)域，如長江流域，極端氣候事件的危險(xiǎn)程度.

利用經(jīng)過均一化訂正的全國2254站和長江流域669站近60年(1961—2020年)逐日觀測資料，分析了長江流域近60年極端高溫事件、極端低溫事件、極端干旱事件和極端降水事件年發(fā)生頻率空間特征和線性變化趨勢，與全國其他地區(qū)相比較，給出了長江流域單個(gè)極端事件危險(xiǎn)性等級和綜合危險(xiǎn)性等級.

長江流域近60年極端干旱事件年發(fā)生頻率呈現(xiàn)線性減少趨勢，全流域平均每10年減少5.6%.減少最明顯的區(qū)域位于四川西北部、金沙江上游、長江中下游地區(qū)等地，四川東南部、云南北部、貴州中西部、湖北北部等地呈現(xiàn)弱的增加趨勢.與全國他其區(qū)域相比較，長江流域大部分地區(qū)極端干旱發(fā)生的危險(xiǎn)性等級都在中級以上，說明長江流域容易發(fā)生極端干旱事件.

長江流域近60年極端降水事件年發(fā)生頻率呈現(xiàn)線性增加趨勢，全流域平均每10年增加0.15%，中下游區(qū)域增加相對較為明顯，平均每10年增加0.23%.增加最明顯的區(qū)域位于長江中下游的湖北、湖南、江西、安徽、江蘇和上海等地.與全國他其區(qū)域相比較，長江流域大部分地區(qū)極端干旱發(fā)生的危險(xiǎn)性等級都在中級以上，尤其長江中下游地區(qū)，危險(xiǎn)等級都在高級以上，湖南西部、江西大部、湖北南部等地極端降水事件發(fā)生的危險(xiǎn)性處于特高級.

長江流域近60年極端高溫事件年發(fā)生頻率呈現(xiàn)線性增加趨勢，全流域平均每10年增加1.25%.增加明顯的區(qū)域主要位于長江上游和中下游沿江附近地區(qū)，大部分區(qū)域都通過顯著性檢驗(yàn)，尤其進(jìn)入21世紀(jì)以來極端高溫事件發(fā)生頻繁.相對于全國其他地區(qū)，除金沙江上游以及長江中下游沿岸附近地區(qū)外，長江流域其余地區(qū)極端高溫事件發(fā)生危險(xiǎn)性相對較低.

長江流域近60年極端低溫事件年發(fā)生頻率呈現(xiàn)線性減少趨勢，全流域平均每10年減少1.59%.減小明顯的區(qū)域主要位于金沙江中上游、四川西部以及長江下游區(qū)域.相對于全國其他地區(qū)，長江流域大部分地區(qū)極端低溫事件發(fā)生危險(xiǎn)性等級較高.

多個(gè)極端事件的綜合危險(xiǎn)性分析表明，相對于全國其他地區(qū)，長江流域是極端氣候事件的易發(fā)區(qū)和高發(fā)區(qū)，近60年綜合高危險(xiǎn)和特高危險(xiǎn)等級占比處于上升趨勢，說明長江流域發(fā)生極端高溫、極端干旱、極端降水和極端低溫危險(xiǎn)性在增加.

值得注意的是，進(jìn)入21世紀(jì)以來，長江流域極端高溫和極端干旱相伴而生的高溫干旱事件的危險(xiǎn)性在增加，如連續(xù)發(fā)生了2006、2009、2011、2013和2022年等多次極端高溫干旱事件，給當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重影響.全國高危險(xiǎn)和特高危險(xiǎn)極端降水事件大部分集中在長江流域地區(qū)，應(yīng)該繼續(xù)加強(qiáng)暴雨洪澇災(zāi)害的防御工作.極端低溫事件雖然處于減少趨勢，但與全國其他地區(qū)相比較，長江流域高危險(xiǎn)和特高危險(xiǎn)極端低溫事件的占比增加、面積擴(kuò)大，這一現(xiàn)象應(yīng)該引起重視.

致謝由衷感謝中國氣象局國家氣象信息中心的曹麗娟研究員提供的資料支持，國家氣候中心葉殿秀正研高工和徐影研究員、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所戴爾阜研究員以及北京師范大學(xué)龔道溢教授等對本文提供的幫助與支持.