中国大陆长短历时暴雨数据集（1961-2015）

孔  锋1,2,3

1. 清华大学公共管理学院应急管理研究基地，北京 100084；2. 中亚大气科学研究中心，乌鲁木齐 830002；

3. 中国气象局气象干部培训学院，北京 100081

摘  要：快速城市化和全球气候变化背景下，全球多地暴雨事件频发，导致城市看海现象频频上演，给社会、经济等诸多方面造成了巨大损害。本文采用1961-2015年中国659个气象观测站点数据，在中国气象局中央气象台对日暴雨的定义（日降雨量≥50 mm）的基础上，将持续2天及以上的暴雨事件定义为长历时暴雨；将仅持续1天的暴雨事件定义为短历时暴雨；将短历时暴雨和长历时暴雨事件总和定义为总暴雨。同时引入暴雨贡献率，将长（短）历时暴雨雨量占总暴（降）雨量的比例定义为长（短）历时暴雨雨量对总暴（降）雨雨量的贡献率；将总暴雨雨量占总降雨雨量的比例定义为总暴雨雨量对总降雨雨量的贡献率。根据变化趋势计算公式计算得到不同历时暴雨量及其贡献率数据集，并采用七大地理分区统计各分区长短历时暴雨差异。该数据集包括中国总降雨、总暴雨、短历时暴雨和长历时暴雨量及其贡献率的659个站点空间演变特征数据集（.doc和.xlsx格式）；中国七大地理分区数据（.shp格式），数据量共计780 KB（压缩为一个zip文件，440 KB）。该数据集分析的科学发现已发表在《干旱区地理》2017年第40卷第2期。

关键词：长历时暴雨；短历时暴雨；暴雨贡献率；地理分区；中国

DOI: 10.3974/geodp.2018.03.09

 

1  前言

全球变化背景下，全球多地暴雨事件频发，给生产、生活和社会经济发展带来了严峻影响[1–5]。不同历时的暴雨可能是不同时间尺度天气系统的影响结果，一般有着不同的物理机制[6]。短历时降水可能与太阳辐射加热密切相关，因此，短历时暴雨多是强对流型天气的产物，一般雨强相对较大，但持续时间较短[7]。洪涝灾害大都与短历时的极端强降水密切相关[8]。而长历时暴雨一般是天气系统过程的产物，伴随着天气过程的发展而变化，因而持续时间相对较长[9–11]。因此，诊断长短历时暴雨空间分异对于深入认识暴雨空间演变过程具有重要意义。本文根据中国气象局中央气象台规定的暴雨阈值，结合暴雨持续时间（天数）计算了中国长短历时暴雨数据集（1961-2015）。该数据集可为分析不同持续时间的暴雨事件及其对总暴雨的贡献率提供重要数据支撑。

2  数据集元数据简介

中国长、短历时暴雨雨量特征数据集（1961-2015）[12]的名称、作者、地理区域、数据年代、数据集组成、数据出版与共享服务平台、数据共享政策等信息见表1。

表1  中国长、短历时暴雨雨量特征数据集（1961-2015）元数据简表

条目

描述

数据集名称

中国长、短历时暴雨雨量特征数据集（1961-2015）

数据集短名

GeographicRegionsChina

作者信息

孔锋 P-2607-2018, 清华大学公共管理学院应急管理基地, kongfeng0824@foxmail.com

方建 P-1535-2019, 武汉大学资源与环境科学学院，fangjian06@whu.edu.cn

吕丽莉 P-1203-2019, 中国气象局发展研究中心，lvll@cma.gov.cn

史培军 P-1601-2015, 北京师范大学，spj@bnu.edu.cn

刘凡 P-1607-2019, 北京师范大学，liufan.bnu@foxmail.com

王铸 P-2003-2019, 北京师范大学，bnuwangzhu@foxmail.com

杨旭 P-2101-2018, 北京师范大学，yangxu8@mail.bnu.edu.cn

地理区域

地理范围包括4°00′N-53°31′N，73°40′E-135°05′E

地理区域范围涉及整个中国陆地范围，但不包含港、澳、台地区

数据年代

1961-2015年

数据格式

.xlsx、.doc、.shp

数据量

780 KB（zip压缩后440 KB）

数据集组成

数据集由三个文件夹组成三部分数据，分别是长短历时暴雨空间分异数据文件夹、站点统计数据文件夹和中国七大地理分区文件夹：

1. 长短历时暴雨空间分异数据文件夹，包含1个.xlsx文件，是中国长短历时暴雨数据集（1961-2015）。数据量为84 KB

2. 站点统计数据文件夹，包含7个.doc文件，分别是中国及七大地理分区暴雨站点数统计。7个表的数据量为368 KB

3. 中国七大地理分区文件夹，是.shp格式的中国七大地理分区数据。数据量为328 KB

基金项目

国家自然科学基金（41601561）；中国博士后科学基金（2015M582263）

出版与共享服务平台

全球变化科学研究数据出版系统 http://www.geodoi.ac.cn

地址

北京市朝阳区大屯路甲11号100101，中国科学院地理科学与资源研究所

数据共享政策

全球变化科学研究数据出版系统的“数据”包括元数据（中英文）、实体数据（中英文）和通过《全球变化数据学报》（中英文）发表的数据论文。其共享政策如下：（1）“数据”以最便利的方式通过互联网系统免费向全社会开放，用户免费浏览、免费下载；（2）最终用户使用“数据”需要按照引用格式在参考文献或适当的位置标注数据来源；（3）增值服务用户或以任何形式散发和传播（包括通过计算机服务器）“数据”的用户需要与《全球变化数据学报》（中英文）编辑部签署书面协议，获得许可；（4）摘取“数据”中的部分记录创作新数据的作者需要遵循10%引用原则，即从本数据集中摘取的数据记录少于新数据集总记录量的10%，同时需要对摘取的数据记录标注数据来源[13]

3  数据研发方法

3.1  长短历时暴雨及其贡献率定义

本文采用的1961-2015年日值降水数据来自中国气象科学数据共享服务网地面气象资料数据库中的中国地面气候资料日值数据集V3.0[6]。本文根据中国气象局中央气象台颁布的降水强度等级划分标准筛选暴雨事件，即取24小时降水总量为50 mm作为暴雨阈值，达到暴雨阈值及以上的降雨事件定义为暴雨事件；将仅持续1天的暴雨事件定义为短历时暴雨事件；将持续2天及以上的暴雨事件定义为长历时暴雨事件；将短历时暴雨和长历时暴雨事件总和定义为总暴雨事件；将24小时降水总量超过0 mm的事件定义为总降雨事件。

在上述定义基础上分别计算1961-2015年中国659个气象观测站逐年的总降雨雨量、总暴雨雨量、短历时暴雨雨量、长历时暴雨雨量总和。然后进一步引入降雨贡献率概念，将总暴雨雨量占总降雨雨量的比例定义为总暴雨雨量贡献率；将短暴雨雨量占总暴雨雨量的比例定义为短历时暴雨雨量贡献率；将长暴雨雨量占总暴雨雨量的比例定义为长历时暴雨雨量贡献率。

根据上述定义，本文计算出长短历时暴雨空间分异数据文件夹中.xlsx文件里面的3个字段数据，即总暴雨雨量占总降雨雨量的比例、短历时暴雨雨量占总暴雨雨量的比例、长历时暴雨雨量占总暴雨雨量的比例。

3.2  变化趋势计算公式

本文所采用的变化趋势计算方法如下：对于1961-2015年中国659个气象观测站点，其样本量n=55的年际总降雨雨量、总暴雨雨量、短历时暴雨雨量和长历时暴雨雨量及其贡献率序列xj，用tj表示所对应的时刻，建立xj与tj之间的一元线性回归方程：

                                  (1)

式中，a为回归常数，b为回归系数。利用最小二乘法可求出a和b。

                        (2)

回归系数b表示气象观测站点的年际总降雨雨量、总暴雨雨量、短历时暴雨雨量和长历时暴雨雨量及其贡献率的线性变化趋势。b>0表明呈增加趋势，b<0则表示呈减少趋势。b的大小反映增加或减少的速率。

根据上述公式，本文计算出长短历时暴雨空间分异数据文件夹中.xlsx文件里面的7个字段数据，即总降雨雨量变化趋势、总暴雨雨量变化趋势、短历时暴雨雨量变化趋势、长历时暴雨雨量变化趋势、总暴雨雨量占总降雨雨量的比例的变化趋势、短历时暴雨雨量占总暴雨雨量比例的变化趋势、长历时暴雨雨量占总暴雨雨量比例的变化趋势。

3.3  中国七大地理分区数据及其站点统计

本文采用行政地理区划上的东北、华北、华中、华东、华南、西北和西南七大分区（不包含港澳台地区）将中国划分为七大地理分区，七大地理分区详细内容介绍见站点统计数据文件夹中的表1 中国七大地理分区特征。采用七大地理分区统计全国及各分区年际总降雨雨量、总暴雨雨量、短历时暴雨雨量和长历时暴雨雨量及其贡献率变化趋势的站点数目，详细情况见站点统计数据文件夹中的表2-表7。

4  数据结果与验证

4.1  数据集组成及可视化

数据集包括三部分数据，分别是：

注：底图来源于中国国家基础地理信息中心2008年数据（下列地图均采用此底图数据）

图1  中国总降雨雨量变化趋势空间格局的数据可视化图

图2  中国总暴雨雨量变化趋势空间格局的数据可视化图

（1）长短历时暴雨空间分异数据文件夹，包含一个.xlsx文件，是中国长短历时暴雨数据集（1961-2015），数据包含了1961-2015年中国总降雨雨量变化趋势、总暴雨雨量变化趋势、短历时暴雨雨量变化趋势、长历时暴雨雨量变化趋势、总暴雨雨量占总降雨雨量的比例、短历时暴雨雨量占总暴雨雨量的比例、长历时暴雨雨量占总暴雨雨量的比例、总暴雨雨量占总降雨雨量的比例的变化趋势、短历时暴雨雨量占总暴雨雨量比例的变化趋势、长历时暴雨雨量占总暴雨雨量比例的变化趋势。上述10个字段数据的地图可视化如图1-7所示。

图3  中国短历时（左）和长历时（右）暴雨雨量变化趋势空间格局的数据可视化图

图4  中国总暴雨雨量占总降雨雨量比例空间格局的数据可视化图

图5  中国短历时（左）和长历时（右）暴雨雨量占总暴雨雨量比例空间格局的数据可视化图

图6  中国总暴雨雨量占总降雨雨量比例变化趋势空间格局的数据可视化图

图7  中国短历时（左）和长历时（右）暴雨雨量占总暴雨雨量比例变化趋势空间格局的数据可视化图

（2）站点统计数据文件夹，包含7个.doc文件，分别是中国七大地理分区特征；中国总降雨、总暴雨和短、长历时暴雨雨量变化趋势的站点数统计；不同地区总降雨、总暴雨和短、长历时暴雨雨量变化趋势的站点数统计；中国不同历时暴雨雨量占总暴雨雨量比例的站点数统计；不同地区不同历时暴雨雨量占总暴雨雨量比例的站点数统计；中国不同历时暴雨雨量所占比例变化趋势的站点数统计；不同地区不同历时暴雨雨量所占比例变化趋势的站点数统计。

（3）中国七大地理分区文件夹，是.shp格式的中国七大地理分区数据。

上述数据成果的科学发现已发表在《干旱区地理》2017年第40卷第2期[6]。

4.2  数据结果讨论

中国七大地理分区中总暴雨雨量占总降雨雨量比例变化趋势和短历时暴雨雨量占总暴雨雨量比例变化趋势中呈增加趋势的站点明显多于减少趋势的站点（表2）。在长历时暴雨雨量占总暴雨雨量比例变化趋势中，东北、华北、华东、西北和西南呈减少趋势的站点居多，而华中和华南呈增加趋势的站点居多。

表2  不同地区不同历时暴雨雨量所占比例变化趋势的站点数统计

参数

变化

趋势

站点数及不同历时暴雨雨量占总降雨雨量比例

东北

华北

华中

华东

华南

西北

西南

总暴雨

雨量

<0

19 (2.88%)

31 (4.70%)

5 (0.76%)

3 (0.46%)

0 (0.00%)

32 (4.86%)

33 (5.01%)

>0

59 (8.95%)

56 (8.50%)

70 (10.62%)

82 (12.44%)

58 (8.80%)

116 (17.60%)

95 (14.42%)

短历时暴雨雨量

<0

17 (2.58%)

26 (3.95%)

5 (0.76%)

14 (2.12%)

0 (0.00%)

34 (5.16%)

31 (4.70%)

>0

61 (9.26%)

61 (9.26%)

70 (10.62%)

71 (10.77%)

58 (8.80%)

114 (17.30%)

97 (14.72%)

长历时暴雨雨量

<0

50 (7.59%)

73 (11.08%)

24 (3.64%)

50 (7.59%)

15 (2.28%)

137 (20.79%)

84 (12.75%)

>0

28 (4.25%)

14 (2.12%)

51 (7.74%)

35 (5.31%)

43 (6.53%)

11 (1.67%)

44 (6.68%)

 

本文仅讨论该数据集的准确度及影响因素。本文采用的1961-2015年的日值降水数据来自中国气象科学数据共享服务网地面气象资料数据库中的中国地面气候资料日值数据集V3.0。根据尽量保留最多站点并保证观测时间连续的原则，本文参考已有研究成果[10–11]，如果站点日值缺测超过55年日值5%的站点，则剔除该站点；站点日值缺测小于55年日值5%的站点，则利用临近站点补缺或用本站点的年代际该日值均值补缺本站点的缺测日值，最后得到可用的659个降水观测站点。观测站点的补缺虽然可以校正数据质量，缩小与实际数据的差异，但是相比真实情况仍具有一定误差，仍需要结合国内外多套不同源的观测数据进行对比。但可以肯定的是补缺后的数据并不影响中国长时间大范围的暴雨时空变化规律特征。目前学界内采用补缺观测数据诊断长时间暴雨时空变化仍是其他数据无法替代的，且模式数据依赖观测数据的验证。不同历时暴雨数据及其贡献率对于认识暴雨时空演变特征具有重要意义。

5  结论

中国长短历时暴雨数据集（1961-2015）展示了1961-2015年中国659个站点的总降雨雨量、总暴雨雨量、短历时暴雨雨量和长历时暴雨雨量变化趋势及其贡献率变化特征的空间分异规律，为科学诊断中国城市不同类型暴雨致灾强度和风险评估提供了重要基础性数据，为科学有效管理水资源和制定相关政策提供了参考。

参考文献

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[4]       孔锋, 方建, 吕丽莉. 1961-2015年中国暴雨变化诊断及其与多种气候因子的关联性研究[J]. 热带气象学报, 2018, 34(1): 34-47.

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[11]    史培军, 孔锋, 方佳毅. 中国年代际暴雨时空变化格局[J]. 地理科学, 2014, 34(11): 1281-1290.

[12]    孔锋, 方建, 吕丽莉等. 中国长、短历时暴雨雨量特征数据集(1961-2015) [DB/OL]. 全球变化科学研究数据出版系统, 2018. DOI: 10.3974/geodb.2018.05.13.V1.

[13]    全球变化科学研究数据出版系统. 全球变化科学研究数据共享政策[OL]. DOI: 10.3974/dp.policy.

2014.05 (2017年更新).