近百年中国年降水量序列的重建一龚道溢.docx
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近百年中国年降水量序列的重建一龚道溢
1880年以来中国东部四季降水量序列及其变率
王绍武1）龚道溢2）叶瑾琳1）陈振华1）
1）北京大学地球物理系,100871
2）北京师范大学资源科学所，100875
1880年以来中国东部四季降水量序列及其变率*
摘要:
根据降水量观测记录及史料，建立了我国110E以东35个站1880－1998年完整的四季及年降水量序列。
1880年－1889年主要依靠史料及少数站降水量观测；1900－1950年根据降水量等级图，并用史料插补；1951年以后完全是降水量观测资料。
3段时间降水量观测记录分别占22.6%、69.0％及100％。
史料部分利用了近30多年公布的15种经过整编的旱涝记载。
本文介绍了建立序列的方法及可能包含的误差大小。
年降水量的功率谱分析结果显示年降水量的突出周期有两个，分别是3.3a和26.7a，前者可能与ENSO的影响有关，而后者则说明我国降水有显著的年代际尺度的变化。
近百年来我国年降水量趋势，只有约+0.1%／100a。
我国降水近几十年的低频变化，可能主要是年代际变化引起的，而并非全为气候变化趋势。
关键词中国降水量变率
1前言
降水的变化是影响我国工农业生产的一个重要因素。
大范围的洪涝与持续性的干旱常可造成上百亿公斤粮食的减产以及大量生命财产的损损失。
因此，旱涝变化是气候研究的一个重要课题。
五百年旱涝的分析充分利用了我国丰富的史料，并与观观测资料结合，建立了长期的连续序列，为旱涝研究打下了良好的基础[1]。
《中国近五百年旱涝图集》[2]的出版，有力地推动了气候变化的研究，各省均相继出版了有关史料或发表了研究报告。
不过，五百年旱涝图只反映了夏季的旱涝。
实际上,根据最近几十年的完整资料分析，其它各季的旱涝也是比较频繁的[3]，如1982－1983年冬季华南降水量比常年增加一倍以上，给农业生产带来巨大危害；1966年是最近40多年中的大旱年，其中春季与秋季的干旱严重程度也都超过了夏季[4]。
因此，除了对影响较大的夏季旱涝进行研究以外，对其它季节旱涝也要加强研究。
近来何素兰、马天健[5,6]，王伯民[7]研究了我国四季及年降水量变化。
但资料时间仅限于1951-1990年，对研究气候变化，序列尚不够长。
有的作者研究了近百年降水变化，但早期用站少，后期用站多，序列不均匀[8]。
本文的目的就是建立一个均匀的降水量序列。
一方面要对中国有较好的代表性，另一方面序列又有足够的长度，能够充分显示近百年中国降水气候变化的特点。
2资料为了建立一个能反映中国降水量变化主要特征的序列；要考虑两个基本因素：
1.对中国是否有较好的代表性，2.如何保证序列的均匀性，并有足够的长度。
我们先利用近40年完整的月降水量观测资料讨论第一个问题。
原始资料包括大陆上160个站，以及台湾5个站的月降水量记录，均自1951年1月到1990年12月。
先计算历年各站年降水量，再计算历年165个站的平均值，然后计算这个平均值与165个站的相关系数。
图1给出相关系数分布图。
很明显，大约在105E以西的西部地区降水量变化与全国的降水量变化无明显关系。
图中标出0.2,0.4以及0.6等值线，对于40年资料来讲达到90％、95％及99％的信度的相关系数为0.26、0.31及0.40。
可见东部地区在45N以南与全国的总趋势是比较一致的。
关系最大是在江南地区，相关系数最高达0.70以上。
其次，再看观测资料，1951年以前中国的降水量观测记录稍多于气温观测，但也有许多缺测1）。
因此，如果早期用少数站，近期用较多的站，则序列前后不均匀。
所以，考虑到地理分布的代表性，并尽可能利用所有有较长序列的测站，从165个站中选出35个站建立1880年到1996年每个站的四季及年降水量序列，这些站在图1中用黑点标出。
显然从图1中可以看出这35个站比较均匀的复盖了我国东部地区，特别是与全国平均降水量相关比较大的地区。
这35个站的资料开始年代列在表1，同时给出1880－1889年及1900－1950年两段时间缺测年数及1951－1990年与全国平均降水量的相关系数。
图1.全国平均与各站年降水量的相关系数（据1951-1990年资料,黑点为35个站的位置）
Fig.1CorrelationinprecipitationbetweentheannualmeanofwholeChinaandthatateachstation（1951-1990,blackdotsarethe35stations）.
表135站观测开始年份、缺测年数（1880-1889年及1900－1950年两个时段）及与全国年平均降水量相关系数（以1951－1990年资料计算）
Tab.1.Beginningyearsoftheobservation,numberswithoutrecordsandthecorrelationbetweentheannualmeanprecipitationofwholeChinaandthatof35stationsduringtheperiod1951-90.
缺测
年数
缺测
年数
站名
起始年
1880-89
1900-50
相关系数
站名
起始年
1880-89
1900-50
相关系数
哈尔滨
1898
18
8
-0.03
信阳
1922
20
41
0.19
长春
1909
20
13
0.27
宜昌
1882
2
12
0.39
沈阳
1906
20
10
0.42
汉口
1880
1
9
0.48
朝阳
1908
20
26
0.25
长沙
1909
20
16
0.54
呼和浩特
1920
20
21
0.29
吉安
1930
20
30
0.59
北京
1840
4
7
0.27
桂林
1916
20
16
0.40
太原
1916
20
29
0.19
南宁
1907
20
7
0.01
济南
1916
20
16
0.22
广州
1908
20
7
0.42
郑州
1931
20
41
0.36
汕头
1880
0
7
0.46
徐州
1915
20
28
-0.02
湛江
1951
20
51
0.04
烟台
1886
16
12
0.29
银川
1935
20
47
0.28
南京
1905
20
6
0.39
兰州
1932
20
32
0.03
上海
1873
0
0
0.40
西安
1922
20
25
0.22
九江
1885
5
12
0.64
成都
1906
20
17
0.19
温州
1883
4
0
0.64
重庆
1891
11
0
0.00
福州
1880
7
0
0.46
贵阳
1921
20
0
0.23
台北
1897
17
0
0.07
昆明
1901
20
7
0.05
恒春
1897
17
0
0.42
合计
542
553
为什么把序列开始取为1880年，又为什么表1中分两段时间统计资料缺测情况呢？
这取决于资料来源。
从表1可知道1880年之前只有北京与上海两个站有观测记录。
所以，如果希望建立的降水量序列中至少有一定数量的仪器观测记录，实际上不大可能再提前了。
另外之所以把1900年前另划一段与1900－1950年分开讨论，是因为从1900年开始，我们可以利用月降水量等级图。
这是原中央气象局气象科学研究所在60年代初期开始绘制，后来由原中央气象台长期预报科继续补充，包括1900年1月到1970年12月逐月我国东部降水量等级分布图。
这份图的研制非常适合我国的具体资料情况。
例如，40年代后期华南地区缺测，但东面的福建及西面的云南、贵州及四川均有观测，这样可以从大范围级别分布来内插。
也有一些情况是相邻很近的站，如吉安（2703'N，11457'E）缺1945－1950年观测，但在附近的泰和（2645'N，l1450'E），则有1937年1月至1950年12月的完整序列显然就可以用来插补吉安的级别。
当然有时两个站相邻很近，但降水级别经常不同，例如北京与天津、南京与镇江、香港与广州。
在这种情况下内插时，就要特别小心。
但是，无论如何，根据月降水量等级图比直接用某一个单站来插补另一个站降水量效果要好得多。
但在西北部及西部边远地区，就不容易只根据降水量等级图来插补了。
在上世纪末至本世纪初史料十分丰富，因此在插补各月级别时，也参考了各地的史料。
表2不同时期仪器观测降水量记录所占百分比
Tab.2.Percentageoftheobservedrecordsduringthedifferentperiods
1880-1889年
1900-1950年
1951-1998年
1880-1998年
22.6%
69.0%
100.0%
73.7%
从表2可见1880－1899年期间观测资料只占不到四分之一的比例，因此，这段时间主要依靠史料来决定降水量级别。
不过，由于史料往往在时间上一般精确不到月，所以我们只插补了四季的级别。
顺便说明，这里无论月或季，降水量级别均分为5级。
1级为涝，2级为偏涝，3级为正常，4级为偏旱，5级为旱。
月降水等级图主要考虑概率分布划级，即1级与5级的概率为1／8，其余3级的概率为1/4。
在绘制《中国近五百年旱涝分布图集》时也用的是同样的标准。
因此，在划分1880－1899年季降水级别时，仍然采用同一原则。
不过为了适应不同地区的气候特点，概率往往有一些小的变化。
例如北方地区冬、春季4级与5级的概率要高一些,这在各种研究旱涝级别的工作中都几乎是共同的。
由于这段时期主要以史料为基础，在没有特别明显的灾害时，史料多不记载。
所以，这样划分出来的3级频率经常略高于25％，这一点也同《中国近五百年旱涝图集》一致。
3根据史料划定季降水级别
因为许多的证据来源于史料，因此如何根据史料来确定季降水级别成为一个首先要解决的问题。
在作五百年旱涝研究时[1］，对这个问题已经作过比较充分的讨论,而且1880年以后旱涝图非常完整,所以确定1880年以后夏季的降水量级别没有任何困难。
只需要根据后来又整理发表的各种史料，看一下对旱涝图有没有可以修改或补充之处。
因此，本文的主要问题是划分冬、春、秋三季的降水级别。
下面先介绍一下我们所采用史料来源。
这些资料大部分是未正式发表的材料，一般由整编单位印发。
下面表3按印发的时间先后列出15种资料。
其中2及7两种是在五百年旱涝研究协作的基础上印的，包括了我国东部大部分地区。
其它各种资料又对长江上游、我国西北及西南地区作了重要的补充。
表3旱涝史料来源
Tab.3ResourcesoftheFlood/droughtcategories
编号
来源
1
广东省自然灾害史料，文史研究馆编，1963年
2
华北、东北近五百年旱涝史料，北京大学地球物理系等，1975年
3
山东省气候历史记载初步整理，江苏省地理研究所，1975年
4
内蒙古及邻近地区气象灾害旱涝丰欠年表，内蒙古自治区气象科学研究所，1975年
5
甘肃、宁夏、青海三省区气候历史记载初步整理，江苏省地理研究所，1976年
6
河南省西汉以来历代灾情史料，河南省气象局科研所，1976年
7
华东地区近五百年气候历史资料，上海气象局等，1978年
8
宁夏回族自治区近五百年气候历史资料，宁夏气象局，1978年
9
青海东部近五百年气候史资料，青海省气象科学研究院，1978年
10
四川省近五百年旱涝史料，四川省气象局资料室，1978年
11
云南天气灾害史料，云南省气象科学研究院，1978年
12
安徽省近五百年旱涝分析，安徽省气象科学研究院，1981年
13
河南省历代旱涝等水文气候史料，河南省水文总站编，1982年
14
贵州历代自然灾害年表，贵州省图书馆编，贵州人民出版社，1982年
15
海河流域历代自然灾害史料，河北省旱涝预报课题组编，气象出版社，1985年
划分冬、春、秋三个季度降水量级别的方法基本与夏季相同，可参看文献[1]。
表4、表5举出冬、春各一个例子。
1886-1887年冬季长江流域及其以北地区大范围多雨，沿长江几个站降水量正距平均在50％以上。
根据仪器观测记录，这个冬季烟台降水达95.3mm（距平百分率为114%），上海为239.6mm（62％），芜湖221.0mm（53%），汉口209.3mm（64％），宜昌107.9mm（54%）。
关于这个冬季大雪的记载非常多，表4中给出了一些例子。
1891年春则是一个人范围干旱的例子，根据仪器观测记录，烟台降水26.2mm（距平百分率为-67%），上海为172.7mm（-36％），芜湖140.9mm（-59%），汉口295.6mm（-29％），北京11.8mm（-79%）。
这年也有不少春旱的记载（表5）。
通过这两个例子，大体上可以看到根据史料来判断冬、春、秋季降水级别也是可能的。
当然，并不是35个站中每个站每个季都能找到史料，一般在缺少降水量观测记录的季节中大约有一半时间有史料，而另一半时间则不得不依靠降水级别图内插。
不过，从1880－1998年这119年来看，有降水量观测以及有史料的情况占了86.9％，其中73.6％为降水量观测，13.3％为史料。
所以，应该说这个序列主要是根据降水量观测建立的。
图21891年35站的降水级别（a.春季b.夏季c.秋季d.冬季）
Fig.2Precipitationcategoriesforthe35stationsin1891（a.springb.summerc.autumnd.winter）
表41886-1887年冬季旱涝史料
Tab.4.Someexamplesoftheflood/droughtcategoriesforthe1886/87winter
省份
站名
年份
记载
江苏
淮阴
1886
宿迁，十二月十六日雪，明年正月初七始止。
镇江
1886
句容，大雪，溧阳十二月大雪、树介。
扬州
1887
兴化，正月大雨雪。
南京
1886
南京冬十二月大雪经月，折木坏屋，平地深五尺。
汇浦冬十二月大雪旬日，除夕尤甚，平地深六尺余。
（1887）南京春正月山水发，冲圯东水关外石闸。
安徽
宿县
1886
五河冬大雪。
六安
1886
舒城冬大雪，平地深六尺。
安庆
1887
怀宁正月大雪，平地三、四尺。
湖北
汉口
1886
冬大雪，平地六、七尺，河港坚冰，上可通车。
沔阳
1886
冬大雪，平地深四、五尺。
枣阳
1886
十二月大雪，深数尺。
安陆
1886
十二月二十四日至三十日大雪积深六尺。
河南
修武
1886
大雪深三尺，自（1886）十月十六日至（1887）正月二十日始消。
获嘉
1886
大雪深二、三尺。
鄢陵
1886
冬大雪寒甚，树木房屋皆生白毛。
信阳
1886
十二月中连续大雪，路两边雪齐人肩。
表51891年春季旱涝史料
Tab.5.Someexamplesoftheflood/droughtcategoriesforthe1891spring
省份
站名
年份
记载
山东
临朐
1891
二月至五月不雨
蒙阴
1891
春三月旱
陕西
1891
入春以来雨泽衍期，自四月以来未得透雨
上海
嘉定
1891
春夏大旱
江苏
溧阳
1891
自春徂夏旱
盐城
1891
旱蝗
兴化
1891
夏五月旱、蝗
湖北
利川
1891
春大饥
图3长沙站夏季降水序列（a.夏季降水级别,b.6月降水级别c.7月降水级别d.8月降水级别e.夏季降水量序列）
Fig.3SummerrainfalltimeseriesofChangshastation.（a.categoriesofsummer,b.categoriesofJune,c.categoriesofJuly,d.categoriesofAugust,d.summerprecipitationamountcalculatedfromthecategories,inmm）
如上所述，1880－1899年期间绘制了四季降水级别图，作为一个例子，图2中给出了1891年35个站四个季的降水级别分布图。
1900－1970年有逐月降水级别图。
接下来的问题就是如何把这两种级别转换为降水量。
4降水级别转换为降水量距平
首先我们作1900－1950年间的月降水量的转换。
月降水级别是根据概率来划定的，只不过当时的基本资料为1919－1959年。
但1951年以前降水量序列长短不齐，且有许多中断，为了求碍每个站每个级对应的降水量，我们根据1951年以来资料按相同的概率分布重新划级，得到1951年1月以来历年各月35个站的降水级别。
这个级别序列与气象科学研究所1900－1970年的级别序列有20年（1951－1970年）是重复的，因此可以比较两个月降水级别序列。
计算各站各月两种降水级别序列的相关系数，一般在0.78到0.92之间，平均0.86。
大部分时间级别相同或仅差一级。
因此，可以认为1900－1970年及1951－1998年两个月降水级别序列基本是一致的。
这样就根据后一时期比较完整的降水量资料来把1900－1950年的月降水级别转换为降水量；1951年1月以后一律用实测降水量。
这样就得到了完整的35个站1899年12月以来的的降水量序列。
然后按12月－2月、3月－5月等合成为冬、春、夏、秋四季的降水量。
其中在作月降水级别到降水量转换时，根据有关资料补绘了1899年12月的降水量级别图，使1900年冬（即1899年12月1900年2月）有一个完整的冬季资料。
图4我国东部四季平均降水量距平
（a:
春季,b:
夏季c:
秋季d:
冬季e:
年降水量,距平为对1961-1990年平均）
Fig.4AnomaliesofthemeanprecipitationovertheeasternChinaforspring（a）,summer（b）,autumn（c）,winter（d）andannual（e）.Withrespectedto1961-1990.
图3给出了长沙站夏季降水的一个例子，图3（b）,（c）和（d）分别为6，7和8月1900－1950年的降水级别。
将1951以来观测记录3个月的降水量分别按划分级别同样概率分5级，即1级与5级的概率为1／8，其余的3个级别的概率为1/4。
将各级所有年的观测降水平均即作为每级对应的降水。
这样计算出1900年到1950年长沙各月降水量，6～8月相加即为夏季的降水量。
其次，再讨论1880年到1899年降水量序列的重建。
如上所述，根据史料但也应用了所有可用的降水量观测记录，建立了1880年冬（代表1879年12月－1880年2月）到1899年秋四季各20年35站的季降水级别。
由于划分季降水级别的原则与绘制《中国近五百年旱涝分布图集》相同，所以对1951－1998年的季降水量也按这个概率分级，求出每级的平均降水量，用这个级平均降水量对1880－1899年期间作转换，这样就得到1880年冬至1899年秋四季的降水量。
与前面得到的1900年冬以来的序列连接就得到四季近119年的降水量序列。
把春、夏、秋、冬四季相加，就得到年降水量。
由于冬季是12月至2月。
所以这个年降水量序列不是每年1月到12月的和，而是当年3月至下年2月的和。
下面我们扼要讨论一下这个序列可能包含的误差，或者叫作不确定性。
表6给出3段时间各级出现的频率。
显然，频率的分布大体上是一致的，不过最后一段时期资料最完整，又是整个序列的标定时期，即用来求各级所对应的降水量的时期，所以频率分布最规整。
顺便指出，一般求多年平均往往取30年平均。
计算概率分布似乎也应该用30年，但考虑到1900－1970年的月降水级别定级时用了40年，同时，中国的降水有30－40年周期，所以我们用1951年以来的全部资料标定时期。
1880－1899年1级与5级频率稍低，3级频率稍高，这是因为主要依靠史料的缘故。
不过无论如何，总的分布趋势是一致的。
因此，可以认为这3个时期的级别序列是可以衔接的。
当然，用级平均降水量作为该季降水量显然是有误差的。
为了判断这个误差的大小，把1951年以来历年各站各季降水量对该季所对应的级的平均降水量求距平，然后分季计算标准差。
最后把这个标准差与历年对多年平均计算的标准差比较，平均为0.28。
显然，这是一个可以接受的数字。
表6不同时期降水量级别的频率（％）
Tab.6.Frequenciesoftheprecipitationcategories（%）
时期
1
2
3
4
5
1880-1899年
9.3
24.4
35.3
22.4
8.6
1900-1950年
9.1
26.8
27.8
26.9
9.4
1951-1998年
10.9
26.0
26.2
26.0
10.9
根据上述各种处理和计算，就得到了1880年以来我国东部35站四季和年降水量序列。
图4给出了东部平均的降水量序列。
此平均降水量序列的代表性如何呢？
为了比较图5（a）给出1951－1990年165个站平均年降水量，与35个站比较，165个站平均降水量要小一些，这是因为包括了西部大范围干燥区，但两者的变化趋势是很相似的。
40年的相关系数达到0.95。
我们还可以与更多站求得的中国降水量曲线比较。
图5（c）为王伯民[7]给出的384个站的降水标准序列,两者的相关系数达到0.86。
可见用35个站确实能较好地反映中国降水量的变化。
此外，35个站平均降水序列，还能在相当大程度上反映中国的旱涝变化,图5（d）为文献[3]中给出的全国受旱站数减受涝站数曲线，为了便于比较，坐标向下为正，可以看出与图3（a）的关系相当好，两者的相关系数为-0.84。
因此，我们可以认为35个站的序列基本上能代表中国的降水变化。
51880-1998年中国降水量变率的初步分析
普遍的观点认为近百年来的气温变暖，可能已经造成全球平均降水量的增加。
Hulme[9]根据1900到1994年资料计算，发现全球陆地平均降水与温度相关系数在年际尺度上为+0.36，在年代际尺度上为+0.51，显著性都超过99.9％。
对温室气体增加、全球变暖情景的模拟也显示，如果温度上升1C，全球平均降水增加量在1.5～3.0％范围[10,11]。
不过，Hulme[9]也指出，气温与降水的关系在各个地区有很大的差异。
那么，中国降水是否也与全球最暖有关呢？
这也是人们关心的一个问题。
王伯民[7]根据384个站1951－1990年资料，计算得到-46.5毫米／百年。
由于全国平均降水量大约在850毫米左右（用不同站计算结果不同）。
因此，这大约相当百年减少5.5％。
但
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