江淮梅雨期各類降水的變化分析

武 芳, 劉海文,2

(1.成都信息工程學院大氣科學學院,四川成都610225;2.重慶市氣象局氣象科研所,重慶401147)

自1970年代全球開始增暖以來[1],中國各地的降水和表面氣溫都發生了顯著的變化[2]。Allan et al[3]使用觀測事實證實,近數十年里,世界一些地區包括北半球中緯度地區的降雨持續增多,這的確與人類排放溫室氣體導致的全球變暖有關;連接氣候變暖和強烈暴風雨的發生之間,確實存在相關性;在暖季時大雨發生的情形較為頻繁,全球變暖導致暴雨更強更頻繁,而冷季則相反,并且情況比大多數氣象學家預期的更加嚴重。因此,在全球變暖的背景下,氣候的異常變化成為人們研究的熱點[4-6]。近些年來,關于降水日數、無降水日數、不同日降水量對總降水的貢獻率引起了氣象學者的關注[7-8]。李紅梅等[9]分析了近40年中國東部盛夏(7、8月)降水量長期趨勢和年代際變化特征,按小雨、中雨、大雨及暴雨降水強度分類,探討了不同強度降水在中國東部降水變化中的貢獻。中國年降雨日已經明顯減少,而且降雨日的減少比降水量的減少更加明顯[10]。研究還表明,雖然中國總體降水升降趨勢不明顯,可區域性和季節性的升降趨勢卻很顯著[11]。

江淮地區是中國澇災多發區域[12],20世紀70年代中期以來,中國夏季降水呈明顯的“南澇北旱”的年代際變化特征[2,13-14]。其中,所謂的“北旱”主要位于35°N以北的華北區域;而“南澇”則主要位于中國長江流域以南地區;“南澇北旱”的分界線大致以“淮河”為界[15]。因此,江淮地區從地理位置來講,一方面處于由長江以北到黃河以南的過渡地帶;另一方面又是中國“南澇北旱”的分界線。盡管關于江淮梅雨降水規律進行了大量研究[16-19],但將日降水按小雨、中雨、大雨、暴雨及大暴雨量級分類,來對江淮梅雨降水長期變化規律的研究還相對較少,江淮梅雨降水主要由哪一種或哪幾種類型的降水所決定,它們的長期變化趨勢又是什么?這就是研究的主要內容。

1 數據和方法

中國740站逐日降水資料由中國氣象局氣象信息中心提供,時間為1951～2008年。由于中國多數氣象臺站資料始于1957年[20],因此,所選資料的時間從 1957開始,2008年截止。以110°E～122°E,28°N～34°N 區域作為江淮地區,取1957～2008年江淮地區無缺測的70個臺站作為江淮地區代表站(圖1)。江淮梅雨期起止時間參照文獻[21],即6月15日開始,7月 15日結束,持續時間為31d。

為討論不同強度的降水變化規律,按照傳統天氣學定義,把降水劃分為小雨(0.1～9.9 mm/d)、中雨(10～24.9mm/d)、大雨(25～49.9mm/d)、暴雨(50～99.9mm/d)、大暴雨(≥100mm/d)5種類型[22]。其中,某一站梅雨降水量規定為該站梅雨期內(31d)各類降水量之和。江淮地區梅雨降水量則定義為70站梅雨降水量之和。參照李紅梅等[9]的做法,將降水頻率、降水貢獻率等統計指標稱為降水特性。變化分析也包括趨勢變化、年際變化以及年代際變化分析。江淮地區5類日降水的頻率被定義為江淮地區70站對應類型降水在梅雨期內發生次數的算術平均值再除以梅雨期日數(31d)。梅雨期各類降水的降水貢獻率被定義為江淮地區70站梅雨期對應類型降水的降水量的和再除以52年江淮地區70站梅雨期降水量之和(即785526.9mm),由此得到1957～2008年江淮梅雨量,5類日降水頻率和5類日降水量貢獻率的值。

文中使用的方法有：線性傾向估計、滑動平均和小波分析等方法[23]。

2 結果分析

2.1 江淮梅雨量與5類日降水特性的相關分析

為了研究梅雨降水量與5類日降水特性中哪一個指標關系最密切,分別計算了1957～2008年江淮梅雨降水量與5類降水頻率、5類降水貢獻率的相關系數值。結果表明,江淮梅雨降水量和5類日降水頻率的相關系數分別為0.546、0.737、0.893、0.948 、0.851;和 5 類降水貢獻率相關系數分別是 0.626、0.741 、0.904、0.943、0.854。由此可見 ,50 多年來,江淮梅雨降水量和5類日降水頻率、貢獻率都呈顯著的正相關關系,都通過了0.05的顯著性水平檢驗;這表明,在這5類降水中,無論哪類降水,發生越頻繁,其貢獻率越大(表明該類降水量越大),則梅雨降水量就越多。從相關系數值來看,梅雨降水量和暴雨頻率、暴雨貢獻率的相關系數值最大,這說明梅雨降水量和暴雨發生的頻率以及暴雨強度的關系最為密切。值得注意的是,52年來梅雨量最大值(372.36mm)和暴雨的頻率、貢獻率最大值都出現在1969年;同樣,梅雨量的最小值(74.91mm)和暴雨的頻率、貢獻率最小值也都出現在1961年;而其它4類日降水的頻率、貢獻率的值與梅雨量則沒有這樣的對應關系(圖2、圖3)。進一步對50多年來這5類日降水量的貢獻率求和,它們的值分別為10.6%、20.0%、26.7%、28.9%、13.8%。50多年來暴雨的貢獻率最大,約占總降水的1/3,這說明暴雨對梅雨降水量有重要的作用。因此,50多年來,江淮梅雨量的多寡主要由暴雨發生的頻率及暴雨強度所決定。

2.2 江淮梅雨量和5類日降水特性的長期變化分析

圖2給出了1957～2008年期間江淮梅雨降水量、5類日降水頻率的原始時間序列、長期趨勢變化以及13a滑動平均曲線?？梢娊疵酚杲邓?、5類日降水頻率均具有明顯的年際和年代際變化特征。為分析5類日降水的趨勢變化,進行了線性傾向估計計算[23],得出江淮梅雨降水量、5類降水頻率線性傾向估計值分別為：0.2107、-0.0118、-0.0201、0.203、0.2267、0.2595,都未達0.05的顯著水平。這說明 50多年來,梅雨量以及5類日降水頻率的趨勢變化并不顯著。這與華北汛期以及長江流域盛夏降水量呈顯著的趨勢變化特征有很大不同[9,22]。雖然小雨、中雨頻率在50多年的趨勢變化特征并不顯著,但是如以小雨、中雨頻率最大值出現的年份為界,即分別以1975年和1973年為界,對它們進行線性傾向估計計算,則結果有很大不同。對小雨頻率而言,在1957～1975年,其線性傾向估計值為0.6238;而在1975～2005年,其線性傾向估計值為-0.3378;在這兩個階段,都通過了0.05的顯著性水平檢驗。而對于中雨頻率而言,在1957～1973年,其線性傾向估計值為0.5843;1973～2008年,其線性傾向估計值為-0.326。在這兩個階段,都通過了0.05的顯著性水平檢驗。這說明,盡管50多年來,從總體上講,小雨、中雨的趨勢變化特征并不顯著。但在1970年代中期前后,它們的趨勢變化都發生了顯著的年代際變化,即由1970年代中期前的顯著上升趨勢,改變為顯著下降趨勢。事實上,正是由于小雨和中雨的頻率趨勢變化在1970年代中期前后發生了相反的年代際變化,從而導致50多年來,兩者的線性趨勢線幾乎和平均值相重合(圖略)。而大雨、暴雨以及大暴雨則都顯示出略微上升的趨勢變化特征。

圖1 用于分析的1957～2008年逐日降水資料的江淮地區70個臺站分布

總之,江淮梅雨降水量、5類日降水頻率的長期變化特征并不一致。小雨和中雨的頻率的趨勢變化在1970年代中期前后發生了明顯的年代際改變,1970年代中期以前兩者都呈顯著的上升趨勢,而1970年代中期以后,則改變為顯著的下降趨勢;大雨、暴雨以及大暴雨的長期上升趨勢變化并不顯著,表現出一定的演變特征。

用同樣的方法分析5類日降水貢獻率的長期變化特征(圖3)。5類日降水貢獻率線性傾向估計值分別為：0.0155、-0.0215、0.2176、0.2285、0.2402,5類日降水貢獻率的線性傾向估計值都未通過0.1的顯著性水平檢驗,表現為長期演變特征。同樣,若以小雨和中雨的貢獻率最大值所在的年份1973年為界,分別對它們進行線性傾向估計。結果表明：1957～1973年,小雨貢獻率的線性傾向估計值為0.4154;1973～2005年,其傾向估計值為-0.33,這兩個值都通過了0.1的顯著性水平檢驗;對于中雨貢獻率而言,1957～1973年,其線性傾向估計值為0.5668;1973～2008年,其線性傾向估計值為-0.3239,兩者也都通過了0.05的顯著性水平檢驗。

圖3 江淮梅雨期5類日降水貢獻率的時間序列(折線)、線性趨勢(斜實線)、13年滑動平均(長虛線)及其平均值(水平直線)

2.3 江淮梅雨量和5類日降水特性的年代際變化分析

為了分析江淮梅雨期降水量以及5類日降水特性的年代際變化特征,分別對江淮梅雨期降水量以及5類日降水特性進行了13a滑動平均(圖2、圖3)。由圖可見,江淮梅雨期降水量和5類日降水有著明顯的年代際變化特征。就梅雨期降水量而言(圖2a),1967年以前處于降水偏少階段,1967～1975年為偏多階段;1975～1989年為偏少階段,1989年以后又轉為偏多階段;顯示出準20年的周期振蕩。進一步對江淮梅雨期降水量進行小波分析結果表明(圖4),江淮梅雨期降水量的確表現出準20年的周期振蕩特征。在5類日降水特性中,小雨頻率的年代際變化特征和梅雨量的年代際變化特征有所不同。其具體表現為1967年前處于偏少階段,1967～1983為偏多階段,1983～1995年為調整階段,1995年后轉為偏少階段。對于中雨頻率而言,它的年代際變化特征和小雨頻率的年代際變化特征大致類似,也表現為偏少、偏多、調整和偏少階段。大雨頻率的年代際變化特征和上述2類降水頻率的年代際變化特征又有所不相同。盡管在1960年代以前也表現為偏少階段,1968～1981年表現為偏多階段、1982～1989年為調整階段,但在1990年代初期后卻轉為偏多階段。暴雨頻率的年代際變化特征與前3類日降水的年代際變化特征存在很大不同,除其在1966年前后存在一個較小的振蕩外,1972～1989年為偏少階段,1989年以后則為偏多階段。而大暴雨頻率的年代際變化特征又有自身的特點,大致可以劃分為兩階段,若以1989年為界,之前為偏少階段,其后為偏多階段。此外,5類日降水貢獻率的年代際變化特征和其相對應的日降水頻率的年代際變化特征基本類似(圖3)。

綜上所述,50多年來江淮梅雨量和5類日降水特性都存在明顯的年代際變化,但它們之間的年代際變化特征并不一致。江淮梅雨期降水量主要表現為準20年的周期振蕩。小雨和中雨降水頻率和貢獻率,具有偏少、偏多、調整和偏少4個階段;大雨降水頻率和貢獻率盡管也存在著偏少、偏多和調整3個階段,但是第4個階段卻轉變為偏多階段;對于降水強度較強的暴雨、大暴雨頻率和貢獻率而言,主要表現為兩個階段的年代際變化,即以1989年為界,之前為偏少階段,之后為偏多階段。

3 結論與討論

利用中國740站逐日降水資料,在將日降水量劃分為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨的基礎上,對江淮梅雨期降水量和5類日降水的長期變化特征進行了分析和研究,結論如下：

(1)50多年來,江淮梅雨期降水量和5類降水頻率、降水量貢獻率都呈顯著的正相關關系。這說明,無論哪類降水,其發生的越頻繁,貢獻率越大,則梅雨降水量就越多。50多年來暴雨對江淮梅雨的貢獻率最大,幾乎占江淮梅雨總降水量的1/3,暴雨頻率、暴雨強度是決定梅雨降水量多寡的主要內在因子。

(2)盡管梅雨期降水量及5類日降水特性都沒有明顯的趨勢變化,表現出長期演變特征;但是小雨、中雨的頻率及其貢獻率的趨勢變化,卻在1970年代中期前后發生了明顯的年代際變化,即由1970年代中期前的顯著上升趨勢轉為后來的顯著下降趨勢。

(3)50多年來江淮梅雨量和5類日降水特性都存在一定的年代際變化特征,但它們之間的年代際變化特征并不相同。江淮梅雨量主要表現為準20年的周期振蕩特征。小雨和中雨的日降水特性都表現為偏少、偏多、調整和偏少4個階段的年代際變化特征;大雨降水的特性也存在偏少、偏多和調整階段,但是第4個階段卻表現為偏多階段;對暴雨、大暴雨的降水特性而言,主要表現為兩段,即以1989為界,之前為偏少階段,其后為偏多階段。

需要指出的是,文中僅從氣候學上梅雨期內討論了5類降水的長期變化特征,得出一些非常有意義的結果。如果再對梅雨期進行細分,將梅雨期劃分為正常梅雨,早梅雨,遲梅雨,特長梅雨,短梅和空梅,倒黃梅等,進一步來研究上述5類日降水特性的年際變化特征,也是一件非常有意義的工作。

圖4 江淮梅雨降水量時間序列的Morlet小波分析實部圖

致謝：感謝成都信息工程學院科研基金(KYTZ201012)對本文的資助

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