题目：Spatiotemporal Characteristics and Propagation of Summer Extreme Precipitation Events Over United States: A Complex Network Analysis
期刊：Geophysical Research Letters
01 研究背景
极端降水对美国经济社会产生了重大影响，每年美国因极端降水事件造成的损失达30-40亿美元。自20世纪以来，美国大部分地区极端降水事件的强度和频率都在增加。虽然学界已经对美国本土（conterminous United States，CONUS）极端降水事件的长期变化、时空变率及相关大尺度气象模式等气候特征进行了研究，但却忽略了夏季极端降水事件（summer extreme precipitation events，SEPEs）演变的时空结构。了解这种结构及其气象驱动条件是分析极端降水对气候变化响应的关键。
因此Mondal等人（2020）利用复杂网络分析方法，揭示了SEPEs拓扑结构的特征和传播动态，分析了SEPEs的传播过程，确定了地形、主导风模式和水汽源等控制美国SEPEs拓扑结构的关键影响因素。
02 研究数据与方法
2.1 研究数据
研究采用了全球日尺度网格化数据集（Global Unified Gauge-Based Analysis，CPC）1979-2017年的全球日降水数据，用于建立SEPEs网络（https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.cpc.globalprecip.html）；还使用了MERRA再分析数据集（NASA）的2m气温、850 hPa位势高度、850 hPa纬向和经向风数据，用于分析与SEPEs相关的气象模式（https://gmao.gsfc.nasa.gov/reanalysis/MERRA/）。
2.2 事件同步（event synchronization，ES）
本研究将日降水量超过第95百分位数的事件定义为SEPEs（不考虑雨日少于夏季总日数5%的格点，即175天）。
对于任意两个格点，ES允许一定的动态延迟，通过计算时间上重合的SEPEs数量来度量同步程度。假设格点i和j分别在til和tjm时刻出现SEPEs（l=1，2，...si，m=1，2，...sj，si和sj分别代表节点i，j的SEPEs总数），动态延迟定义如下：
c（i丨j）表示极端降水事件在格点j发生不久后在格点i发生的次数，同理可定义c（j丨i）。
由此，可计算格点i，j之间SEPEs的同步强度Qij和延迟度qij。Qij=1表示i，j之间的SEPEs完全同步，qij=1表示i的SEPEs总是先于j。若两次事件的时间间隔超过最大延迟时间（本文为3天）则认为不同步。
2.3 复杂网络（complex network，CN）
以同步矩阵建立无向网络，只有两节点之间的同步强度超过第95百分位数时才建立连边，同步矩阵如下：
同理以延迟矩阵建立有向网络，延迟矩阵如下：
度中心性（degree centrality，DC）表征节点的连边数，DC越大表明节点对网络功能和脆弱度影响越大。
介数中心性（betweenness centrality，BC）表示通过某节点的最短路径数占所有最短路径数的比例。
聚类系数（clustering coefficient，CC）表征与某节点相连的邻居节点之间的紧密程度。
平均同步距离（mean synchronized distance，MSD）表征节点在研究区域的同步尺度。
网络散度（network divergence，ND）高正值代表极端降水或水汽的辐合，即水汽的汇区，高负值代表水汽源区。
向内和向外方向（inward orientation，ID/outward orientation，OD）表征同步事件传入/传出的方向。
03 主要发现
3.1 CONUS夏季极端降水模式
SEPEs主要集中在美国东南沿海地区，其第95百分位降水阈值大于40 mm（图1c，d）。这里的降水主要与中尺度对流系统（mesoscale convective system，MCSs）和雷暴单体有关。而大平原中部和北部降水量也较大（>400 mm），且降水阈值最高（图1c，d），这是因为大平原低空急流（Great Plains low‐level jet，GPLLJ）引起的水汽辐合有利于MCSs的发展。
地形对CONUS的SEPEs具有重大调控作用。由于喀斯喀特山脉的地形阻塞作用，俄勒冈州西部和华盛顿州的降水阈值超过30mm（图1d）。从大西洋进入卡罗莱纳州和弗吉尼亚州的水汽遇到阿巴拉契亚山脉，被迫抬升形成雷暴单体，导致强降水。因此阿巴拉契亚山脉附近常有强烈的SEPEs发生（图1d，e）。
虽然SEPEs有一定破坏性，但其对CONUS的夏季总降水有显著贡献，是工、农业和生活供水的重要来源，其中尤以南部大平原（>35%）和西南地区（32%）贡献率最高（图1f）。
图1（a）CONUS 地形高程图，地表海拔从0到4000多m；（b）夏季（6-8月）复合气候态，地表温度、850 hpa位势高度和风场分别用彩色等值线、白虚线等值线和风矢（黑色箭头）表示；（c）夏季平均降水量；（d）95百分位降水阈值；（e）1979-2017年的SEPEs数量；（f）SEPEs对夏季总降水量的贡献率
3.2 网络系数的整体模态
DC分布明显表现出东部和北部高，西部和南部低的格局（图2a）。东北地区的DC值最高，是水汽输送过程的重要节点，这是由高潜热通量、天气系统和水汽辐合共同导致的。大平原北部较高的DC值与落基山脉附近的MCSs向东传播有关，加之温带气旋的大尺度水汽辐合，使得该地同步尺度很大（MSD>400 km）。东南地区MSD较小，是因为当地的高对流有效位能有利于发展出局地对流系统（图2d）。西部地区出现了集中的正ND值（图3a），是由于科迪勒拉山系对太平洋水汽的阻挡，使该地SEPEs偏少。
3.3 CONUS东部的SEPEs
美国东北部夏季降水主要受温带气旋和MCSs的影响。夏季随着气温升高，对流风暴向东海岸移动。同时沿五大湖上空GPLLJ东支发展的温带气旋向东北沿海地区传播，并与对流风暴汇合。汇合区显示出高BC（>0.8）、低CC（<0.5）、最高的DC（>0.9）和MSD值（>500 km）（框6，图2），这证实了温带气旋和MCSs对东北SEPEs的影响。
东南地区有利于深层对流发展的不稳定条件，故该地区SEPEs数量最多。又因日间海风对流向内陆的传播距离有限，所以远离海岸时SEPEs迅速减少。海岸的高CC值证实了这种空间局限性（图2c）。此外，从阿巴拉契亚山脉上集中的高BC和低CC看出，作为大西洋东南气流和北方冷空气之间的屏障，其对东南地区SEPEs的增强和传播有重要作用（图2b，c）。
图2（a）度中心性DC；（b）介数中心性BC；（c）聚类系数CC；（d）平均同步距离MSD系数。图中6个方框是SEPEs产生和传播过程的重要区域。
3.4 GPLLJ与地形的相互作用
低空急流是影响CONUS大部分地区夏季水汽输入的主要机制。GPLLJ的入口区表现出高BC（>0.8）、极低CC（<0.4）和较高的负ND值（框1，图2b，c，图3a），表明该区域是重要的水汽源区。其通过GPLLJ进行水汽输送，可以影响到远距离的SEPEs（MSD>300 km，图2d）。越过落基山脉的西风带与GPLLJ的东北支汇聚，在斜压环境下产生温带气旋。其位于阿肯色河和普拉特河流域（框2），同样具有高BC、极低CC和高MSD值（图2b-2d），表明其对美国中部水汽输送有重要作用。
3.5 水汽辐合与土壤水分-降水反馈
由于落基山脉上空的中层对流层扰动，太平洋西北气流和GPLLJ北支辐合形成德雷科风暴，这是造成大平原北部和美国中部洪水事件的主要原因。西北气流位于蒙大拿西北地区（框3），该地表现出高DC（>0.5）、高BC（>0.8）和极低CC值（<0.4）（图2a-c）。GPLLJ和西北气流这两个主要水汽带的辐合对水汽积累起着重要作用（框4），累积的水汽与密苏里河流域的背景水汽向东南方向输送（图3c）。辐合区的高MSD意味着水汽输送到较远的邻居节点（大平原北部到中部地区）并引起了同步SEPEs。
土壤水分-降水正反馈也可能是导致SEPEs的原因之一。密西西比河下游存在大片高负ND区，意味着该区域通过土壤湿度-降水正反馈形成了很强的水汽源区，对SEPEs的产生和发展有重要作用（框5，图3a）。
图3（a）网络散度ND；（b）向内方向ID；（c）向外方向OD；（d）同步性区划。图b，c中箭头表示向内和向外同步传播的方向，彩色色块表示入度和出度大小；图d给出了SEPEs的6种同步机制的区划，其中箭头表示850 hpa风场。
3.6 SEPEs的聚类区划
基于不同地区SEPEs产生机制的差异性，本研究采用分层聚类算法把CONUS划分为6个同步区域（图3d）。同一区域内SEPEs的同步性比其他区域更强，即它们有类似的降水机制。如东北和中部地区SEPEs可能是由于GPLLJ和密歇根湖提供的水汽的共同作用，西北地区和西部地区可能均受西北气流带来的水汽的影响。不同区域的交界处具有高BC（>0.8）和低CC值（<0.4），可从交界处来分析这6个区域之间的水汽交换过程。
04 主要结论
（1）本研究结合复杂网络和夏季平均气候态，揭示了美国SEPEs的主要源区及其传播方向，并分析了与SEPEs相关的高影响天气系统（GPLLJ、温带气旋、MCSs）及地形作用。
（2）GPLLJ在水汽输送过程起了关键作用，其与西风带、西北气流耦合形成的温带气旋和MCSs是引起美国大平原乃至东北地区SEPEs的重要原因，大平原上较大的MSD证实了水汽输送对SEPEs的影响范围之广。
（3）地形对SEPEs也有深远影响，如科迪勒拉山系对太平洋水汽的阻挡，使得美国西部地区SEPEs偏少，同时使西风过山后在大平原西部生成温带气旋；阿巴拉契亚山脉对东南暖湿空气的截留和对北方冷空气的阻拦造成了东南地区频繁的SEPEs。
05 引发思考
（1）本研究没有具体分析形成6个SEPEs同步区域的原因，确定每个区域相应的驱动模式以及区域间的相互作用值得进一步研究。尤其是GPLLJ和西风在落基山脉东侧的辐合区，位于5个同步区域的交汇处（框2），其与相邻区域SEPEs的相互作用需要重点关注。
（2）本研究使用的复杂网络指标使我们能清楚地了解SEPEs的空间依赖性、识别SEPEs的源、汇以及传播强度和方向，这有助于在开发预测模型时量化空间协变量。其次，不同同步机制的聚类区划也有助于理解SEPEs的可预测性。
编者注
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原文出处
Mondal, S., Mishra, A. K., & Leung, L. R. (2020). Spatiotemporal characteristics and propagation of summer extreme precipitation events over United States: A complex network analysis. Geophysical Research Letters, 47, e2020GL088185. https://doi.org/10.1029/2020GL088185
文字来源：刘恺
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编辑：刘恺
审核：罗楚玉 王建军
