基于ERA5-Land数据的全球极端降水时空特征

侯志燚; 尤彬霁; 梁康锐; 李昊陽; 朝一卓; 刘刚

doi:10.13870/j.cnki.stbcxb.2026.05.001

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基于ERA5-Land数据的全球极端降水时空特征

基础研究 | 更新时间：2026-10-21

- 基于ERA5-Land数据的全球极端降水时空特征
- Spatiotemporal Characteristics of Global Extreme Precipitation Based on ERA5-Land Data
- 水土保持学报 2026年40卷第5期页码：183-194
- 作者机构：
  
  1.西北农林科技大学水土保持科学与工程学院（水土保持研究所），水土保持与荒漠化整治全国重点实验室，陕西杨凌 712100
  2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100
- 作者简介：
  
  侯志燚（2001—），男，硕士研究生，主要从事极端降水特征研究。E-mail： 18795033511@163.com
  刘刚（1982—），男，博士，研究员，博士生导师，主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。E-mail： gliu@foxmail.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金面上项目(42277344);陕西省杰出青年科学基金项目(2024JC-JCQN-39);陕西省重点研发计划项目(2025GH-YBXM-062)
- DOI：10.13870/j.cnki.stbcxb.2026.05.001
  中图分类号： P426.6
- CSTR：32310.14.stbcxb.2026.05.001
- 收稿：2026-01-30，
  
  修回：2026-03-03，
  
  录用：2026-03-10，
  
  网络首发：2026-06-22，
  
  纸质出版：2026-10-28
- 稿件说明：
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侯志燚，尤彬霁，梁康锐，等.基于ERA5-Land数据的全球极端降水时空特征［J］.水土保持学报，2026，40（5）：183-194.

Hou Zhiyi， You Binji， Liang Kangrui， et al. Spatiotemporal characteristics of global extreme precipitation based on ERA5-Land data［J］. Journal of Soil and Water Conservation，2026，40（5）：183-194.
侯志燚，尤彬霁，梁康锐，等.基于ERA5-Land数据的全球极端降水时空特征［J］.水土保持学报，2026，40（5）：183-194. DOI： 10.13870/j.cnki.stbcxb.2026.05.001. CSTR： 32310.14.stbcxb.2026.05.001.

Hou Zhiyi， You Binji， Liang Kangrui， et al. Spatiotemporal characteristics of global extreme precipitation based on ERA5-Land data［J］. Journal of Soil and Water Conservation，2026，40（5）：183-194. DOI： 10.13870/j.cnki.stbcxb.2026.05.001. CSTR： 32310.14.stbcxb.2026.05.001.

摘要

目的

分析全球极端降水的时空演变特征，阐明其与年总降水之间的区域差异规律。

方法

基于ERA5-Land小时尺度降水数据，在参考期（1991—2020年）内采用百分位法确定每个网格点的日降水量第95和第99百分位阈值（R95和R99），并计算1991—2024年PRCPTOT（年内总降水量）、极端降水指标R95p（超过R95阈值的年降水量）和R99p（超过R99阈值的年降水量）。结合IPCC AR6气候分区，利用线性趋势分析、Mann-Kendall检验、Sen′s slope估计及Pettitt突变检验，系统分析全球极端降水的空间格局、长期变化趋势及突变特征。

结果

1）全球极端降水呈现显著的气候带依赖性和空间非均匀性，高值主要集中于热带气候区及地形迎风坡区域；其中，R95p的空间分布总体上与PRCPTOT一致，而R99p表现出更强的局地集中性。2）从线性趋势特征来看，大陆性与极地气候区年总降水与极端降水以上升趋势为主，干旱与半干旱气候区以下降趋势为主；热带气候区多数区域在年总降水变化不显著甚至略有下降的情况下，极端降水仍呈上升趋势；温带气候区变化最为复杂，呈上升、下降与相对稳定并存的分异特征。趋势显著性检验表明，热带地区尤其是赤道附近极端降水增强最为突出。3）Pettitt突变检验结果显示，相较于年总降水，极端降水在更多气候分区中检测到显著突变，且突变幅度整体更明显。PRCPTOT在突变前后总体呈下降趋势，而R95p和R99p均表现出增强趋势，其中R99p的突变幅度更大。

结论

极端降水较年总降水更敏感地反映气候变暖背景下水文循环的结构性变化，其区域响应差异显著。部分区域极端降水的增强趋势已难以通过年总降水变化有效体现，表明未来气候风险评估与水文过程研究需更加关注极端降水变化。

Abstract

Objective

This study aims to analyze the spatiotemporal evolution characteristics of global extreme precipitation and clarify its regional differences relative to annual total precipitation.

Methods

Based on hourly precipitation data from ERA5-Land for 1991—2024， the 95th and 99th percentiles of daily precipitation during the reference period （1991—2020） were calculated for each grid point as R95 and R99 thresholds. Annual total precipitation （PRCPTOT） and extreme precipitation indices R95p （annual precipitation exceeding the R95 threshold） and R99p （annual precipitation exceeding the R99 threshold） were then computed. Combined with the IPCC AR6 climate classification， linear trend analysis， Mann-Kendall test， Sen′s slope estimator， and Pettitt change-point test were applied to systematically analyze the spatial patterns， long-term trends， and abrupt changes of global extreme precipitation.

Results

1） Global extreme precipitation exhibits pronounced climate-zone dependence and strong spatial heterogeneity， with high values mainly concentrated in tropical climate zones and windward slopes of mountainous terrain. The spatial distribution of R95p generally corresponds to PRCPTOT， whereas R99p shows stronger local concentration. 2） Linear trend analysis indicates that in continental and polar climate regions， both total and extreme precipitation show mainly increasing trends， while in arid and semi-arid regions， decreasing trends dominate. In most tropical regions， extreme precipitation increases significantly even when total annual precipitation trends are insignificant or slightly declining. Temperate regions show complex patterns with increasing， decreasing， and relatively stable trends coexisting. Trend significance tests reveal that the enhancement of extreme precipitation is particularly pronounced near the equator. 3） Pettitt change-point analysis shows that extreme precipitation exhibits significant abrupt changes in more climate regions than total precipitation， with generally larger magnitudes. PRCPTOT shows an overall decline before and after the change points， while R95p and R99p both show increases， with R99p exhibiting the largest magnitude of change.

Conclusion

Extreme precipitation is more sensitive than annual total precipitation in reflecting structural changes of the hydrological cycle under global warming， with significant regional variations. In some regions， the increasing trends of extreme precipitation are not effectively reflected by total precipitation changes， highlighting the need for future climate risk assessments and hydrological studies to focus more on extreme precipitation variations.

关键词

Keywords

references

Donat M G ， Lowry A L ， Alexander L V ， et al . More extreme precipitation in the world′s dry and wet regions ［J］. Nature Climate Change ， 2016 ， 6 （ 5 ）： 508 - 513 .

Westra S ， Fowler H J ， Evans J P ， et al . Future changes to the intensity and frequency of short-duration extreme rainfall： Future intensity of sub-daily rainfall ［J］. Reviews of Geophysics ， 2014 ， 52 （ 3 ）： 522 - 555 .

江志红，丁裕国，陈威霖 . 21世纪中国极端降水事件预估［J］. 气候变化研究进展， 2007 ， 3 （ 4 ）： 202 - 207 .

Jiang Zhihong ， Ding Yugong ， Chen Weilin . Projection of extreme precipitation extremes for the 21st century over China ［J］. Advances in Climate Change Research ， 2007 ， 3 （ 4 ）： 202 - 207 .

张昕晗，赵文婷，焦菊英，等 . 1960—2023年黄土高原极端降水事件时空演变特征［J］. 干旱区地理， 2025 ， 48 （ 7 ）： 1153 - 1166 .

Zhang Xinhan ， Zhao Wenting ， Jiao Juying ， et al . Spatiotemporal evolution characteristics of extreme precipitation events on the Loess Plateau from 1960 to 2023 ［J］. Arid Land Geography ， 2025 ， 48 （ 7 ）： 1153 - 1166 .

Li Shuai ， Chen Yaning ， Wei Wei ， et al . The increase in extreme precipitation and its proportion over global land ［J］. Journal of Hydrology ， 2024 ， 628 ： e130456 .

Guerreiro S B ， Fowler H J ， Barbero R ， et al . Detection of continental-scale intensification of hourly rainfall extremes ［J］. Nature Climate Change ， 2018 ， 8 （ 9 ）： 803 - 807 .

O′Gorman P A . Precipitation extremes under climate change ［J］. Current Climate Change Reports ， 2015 ， 1 （ 2 ）： 49 - 59 .

Pfahl S ， O′Gorman P A ， Fischer E M . Understanding the regional pattern of projected future changes in extreme precipitation ［J］. Nature Climate Change ， 2017 ， 7 （ 6 ）： 423 - 427 .

Sun Qiaohong ， Zhang Xuebin ， Zwiers F ， et al . A global， continental， and regional analysis of changes in extreme precipitation ［J］. Journal of Climate ， 2021 ， 34 （ 1 ）： 243 - 258 .

Wang Guiling ， Wang Dagang ， Trenberth K E ， et al . The peak structure and future changes of the relationships between extreme precipitation and temperature ［J］. Nature Climate Change ， 2017 ， 7 （ 4 ）： 268 - 274 .

Copernicus Climate Change Service . ERA5-land hourly data from 1950 to present ［DS］. Copernicus Climate Change Service （C3S） Climate Data Store （CDS）， 2019 .

Alexander L V ， Zhang X ， Peterson T C ， et al . Global observed changes in daily climate extremes of temperature and precipitation ［J］. Journal of Geophysical Research：Atmospheres ， 2006 ， 111 （ D5 ）： e2005 JD006290.

Intergovernmental Panel on Climate Change （IPCC） . Climate change 2021-the physical science basis： Working group I contribution to the sixth assessment report of the intergovernmental panel on climate change ［M］. Cambridge，UK ： Cambridge University Press ， 2023 .

Wilks D S . Statistical methods in the atmospheric sciences ［M］. 4th ed . Amsterdam ： Elsevier ， 2019 .

Sen P K . Estimates of the regression coefficient based on Kendall′s tau ［J］. Journal of the American Statistical Association ， 1968 ， 63 （ 324 ）： 1379 - 1389 .

Mann H B . Nonparametric tests against trend ［J］. Econometrica ， 1945 ， 13 （ 3 ）： e245 .

Hoeffding W ， Kendall M G . Rank correlation methods ［J］. Econometrica ， 1957 ， 25 （ 1 ）： e181 .

Pettitt A N . A non-parametric approach to the change-point problem ［J］. Applied Statistics ， 1979 ， 28 （ 2 ）： e126 .

Beck H E ， Zimmermann N E ， McVicar T R ， et al . Present and future Köppen-Geiger climate classification maps at 1-km resolution ［J］. Scientific Data ， 2018 ， 5 ： e180214 .

Iturbide M ， Gutiérrez J M ， Alves L M ， et al . An update of IPCC climate reference regions for subcontinental analysis of climate model data： Definition and aggregated datasets ［J］. Earth System Science Data ， 2020 ， 12 （ 4 ）： 959 - 970 .

Donat M G ， Alexander L V ， Yang H ， et al . Updated analyses of temperature and precipitation extreme indices since the beginning of the twentieth century： The HadEX2 dataset ［J］. Journal of Geophysical Research：Atmospheres ， 2013 ， 118 （ 5 ）： 2098 - 2118 .

Zhao Lili ， Li Lusheng ， Li Yanbin ， et al . Global extreme precipitation characteristics： The perspective of climate and large river basins ［J］. Climate Dynamics ， 2024 ， 62 （ 2 ）： 1013 - 1030 .

Allen M R ， Ingram W J . Constraints on future changes in climate and the hydrologic cycle ［J］. Nature ， 2002 ， 419 （ 6903 ）： 224 - 232 .

Trenberth K E ， Dai Aiguo ， Rasmussen R M ， et al . The changing character of precipitation ［J］. Bulletin of the American Meteorological Society ， 2003 ， 84 （ 9 ）： 1205 - 1218 .

Kunkel K E ， Karl T R ， Easterling D R ， et al . Probable maximum precipitation and climate change ［J］. Geophysical Research Letters ， 2013 ， 40 （ 7 ）： 1402 - 1408 .

Pendergrass A G ， Hartmann D L . Changes in the distribution of rain frequency and intensity in response to global warming ［J］. Journal of Climate ， 2014 ， 27 （ 22 ）： 8372 - 8383 .

Held I M ， Soden B J . Robust responses of the hydrological cycle to global warming ［J］. Journal of Climate ， 2006 ， 19 （ 21 ）： 5686 - 5699 .

Seager R ， Naik N ， Vecchi G A . Thermodynamic and dynamic mechanisms for large-scale changes in the hydrological cycle in response to global warming ［J］. Journal of Climate ， 2010 ， 23 （ 17 ）： 4651 - 4668 .

Jacobson T W ， Seager R . Pacific decadal variability and its hydroclimate teleconnections in CMIP6 models ［J］. Journal of Climate ， 2025 ， 38 （ 19 ）： 5103 - 5127 .

Cheng Lijing ， Trenberth K E ， Fasullo J ， et al . Improved estimates of ocean heat content from 1960 to 2015 ［J］. Science Advances ， 2017 ， 3 （ 3 ）： e1601545 .

Allan R P ， Soden B J . Atmospheric warming and the amplification of precipitation extremes ［J］. Science ， 2008 ， 321 （ 5895 ）： 1481 - 1484 .

Kosaka Y ， Xie Shangping . Recent global-warming hiatus tied to equatorial Pacific surface cooling ［J］. Nature ， 2013 ， 501 （ 7467 ）： 403 - 407 .

Lavers D A ， Hersbach H ， Rodwell M J ， et al . An improved estimate of daily precipitation from the ERA5 reanalysis ［J］. Atmospheric Science Letters ， 2024 ， 25 （ 3 ）： e1200 .

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