《Atmospheric Research》：Consistent intensification of extreme heavy and light precipitation events in the Tienshan Mountains, Central Asia
编辑推荐：
青藏山区极端降水时空演变及驱动机制研究揭示：2000年后极端轻降水（R1p）频率显著下降，而极端重降水（R99p）频率激增，空间呈现80°E的东西分异格局，垂直分层效应在1500-3500米区间最显著，主要受青藏高原热力学过程和季风水汽输送协同影响。研究为中亚"水塔"生态区的水资源管理和灾害防控提供新证据。
张学琦|陈亚宁|夏振华|李志|方功环|孙帆|李宇鹏|王飞
中国科学院新疆生态与地理研究所干旱地区生态安全与可持续发展重点实验室，中国乌鲁木齐
摘要
中亚的天山山脉作为全球干旱和半干旱地区的关键区域，由于其独特的地形和气候条件，降水量分布极不均匀。虽然极端强降水现象已得到广泛研究，但对极端弱降水现象的研究却相对较少。此外，在不同气候和地貌条件下极端事件的空间分布模式及其驱动机制仍需进一步探索。本研究系统地分析了极端水文气候事件（包括极端强降水和弱降水）的时空变化趋势，旨在为水资源管理和灾害预防提供参考。自2000年以来，该地区的水文状况发生了显著变化：极端弱降水事件的频率异常值（R1p）从正值转为负值，表明其发生频率大幅下降；而极端强降水事件（R99p）的频率则显著上升。从空间上看，80°E附近存在明显的双极分布模式，即极端强降水事件向东增加、向西减少。在垂直方向上，中高度地区成为降水强度的放大中心，强降水强度增加最为显著，弱降水频率下降最为明显。这些现象是青藏高原热力学过程与季风驱动的水汽输送共同作用的结果，导致天山山脉东西两侧的极端降水特征存在显著差异。未来的研究应进一步探讨高原与大气环流之间的相互作用，以提高极端事件的预测和缓解能力，从而更好地服务于水资源管理和灾害防范。
引言
随着全球气候变化的加剧，极端气候事件对生态系统、人类社会和经济发展的影响日益显著（Newman和Noy，2023；Sun等人，2024）。1980年至2023年间，极端天气和气候相关事件给欧盟造成了约7380亿欧元的经济损失。其中，水文灾害（洪水）占44%，气象灾害（风暴，包括雷电和冰雹）占近29%，其余27%由气候灾害造成（欧洲环境署，2024）。作为气候系统的关键组成部分，降水直接影响水文循环。极端强降水可引发洪水、滑坡等水文灾害，严重影响地表水和地下水的数量与质量（Merz等人，2021；Schroeter等人，2025）。相反，极端弱降水则表现为“无效湿润”现象：尽管有降雨发生，但由于蒸发需求过高，无法有效补充水资源（Cammalleri等人，2020），这不仅加剧了干旱状况，还加剧了极端高温事件的风险（Zhang等人，2024）。
然而，与连续的温度记录不同，降水数据具有间歇性和空间异质性（Hao和Chen，2024）。传统观测数据存在代表性问题和数据缺失问题（Kidd等人，2017），而遥感再分析数据在复杂地形区域难以准确捕捉降水模式（Chen等人，2020；Li等人，2023）。因此，与温度极端事件（如热浪和霜冻）的共识相比（Wang等人，2025；Wang等人，2021），降水极端事件的表征仍存在较大不确定性。实际上，揭示降水极端变化的完整谱系需要更多研究。
近年来，极端强降水事件的时空特征及其驱动机制受到了广泛关注。众多研究利用不同的观测数据和数值模拟方法，分析了不同地区和时间尺度上的极端强降水特征（Zhang等人，2022a；Xu等人，2021），并探讨了其与季风和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）等大尺度大气环流模式的关联（Zhao等人，2025）。然而，现有研究主要集中在极端强降水现象上，对极端弱降水现象的关注较少。尽管有学者指出弱降水事件的增加可能加剧高温风险（Zhang等人，2024），但其时空分布、季节性和海拔依赖性以及气象驱动因素等方面仍缺乏深入研究。类似地，极端弱降水的发生和变化也受多种因素影响。忽视极端弱降水可能导致对降水极端现象的理解不全面，从而阻碍气候变化背景下降水系统演变的研究。
为填补这些空白，本研究以天山山脉为例。天山山脉被誉为“中亚的水塔”，为中亚五国及中国新疆地区的社会经济活动提供了重要水资源（Farinotti等人，2015）。中亚是全球公认的干旱地区，年平均降水量约为273毫米，从沙漠地区的不足70毫米到塔吉克斯坦中部山区的2400毫米不等（粮农组织，2013）。本研究利用长期的高分辨率日降水数据，系统分析了极端强降水和极端弱降水的时空分布及其季节性和海拔变化（阈值分别设定为1500米和3500米，区分了干旱的山麓地带、地形降水带和冰川/冰缘带）。同时，通过温度、大气可降水量和风场等指标，探讨了导致这些空间差异的机制。通过提供新的见解和科学证据，本研究旨在支持区域干旱和洪水的协同预防和管理，并推动极端气候事件研究从单一关注强降水向同时考虑湿润和干燥极端事件的转变。
数据
APHRODITE（亚洲降水—高分辨率观测数据集成，用于极端事件评估）数据集是一个高分辨率（0.25°×0.25°）的日格化降水数据集，覆盖亚洲季风区、中东和俄罗斯/欧亚北部地区。该数据集基于雨量计观测结果，并采用先进的插值算法结合数字高程模型进行插值处理（Chen等人，2008）。
与其他数据集相比
近期极端水文气候事件的重大变化
在中亚天山山脉，极端水文气候事件（包括极端弱降水事件R1p和极端强降水事件R99p）的强度在历史时期有所波动。极端弱降水事件的频率下降，而极端强降水事件的频率上升。值得注意的是，自2000年以来，极端水文气候事件的变化更加明显
评估不同百分位数对极端水文气候事件阈值的影响
根据世界气象组织的指导原则，我们将1961–1990年作为参考期，以该时期的日降水第1百分位数和第99百分位数分别作为极端弱降水和极端强降水事件的阈值。选择不同的阈值可能导致样本量差异，从而影响结果的可靠性（Sch?r等人，2016）。因此，我们对阈值的选择进行了讨论
结论
基于高分辨率日格化降水数据，我们分析了过去六十年间中亚天山山脉极端降水（包括强降水和弱降水）的长期变化趋势及其驱动机制。结果表明，自2000年以来，该地区的降水特征发生了显著变化：极端弱降水事件（R1p）的频率大幅下降，而极端强降水事件（R99p）的频率上升
CRediT作者贡献声明
张学琦：撰写初稿、验证、方法论设计、数据分析与概念构建。陈亚宁：审稿与编辑、监督、资金申请。夏振华：数据可视化与整理。李志：审稿与编辑、监督。方功环：数据可视化、方法论设计。孙帆：撰写与编辑。李宇鹏：数据可视化、软件开发。王飞：撰写与编辑、概念构建。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42401041、42130512）、中国科学院的战略重点研究计划（XDB0720402）以及新疆维吾尔自治区自然科学基金（2024D01B85）的支持。同时，也非常感谢中国博士后科学基金会（CPSF，GZC20232962）、中国博士后科学基金会（2024M753478）以及新疆水循环重点实验室提供的博士后研究资助。
