貴州省主汛期暴雨的氣候特征分析

白 慧，陳貞紅，李長(zhǎng)波，梁興華

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000; 3.貴州省普定縣氣象局，貴州 普定 562100)

貴州省主汛期暴雨的氣候特征分析

白 慧1，陳貞紅2，李長(zhǎng)波3，梁興華3

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000; 3.貴州省普定縣氣象局，貴州 普定 562100)

利用1981—2010年30 a貴州省83個(gè)地面氣象觀測(cè)站月降水量和月暴雨日數(shù)資料，采用合成、方差分析和經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解，著重討論貴州省主汛期6－7月暴雨日數(shù)的空間分布及其時(shí)間演變特征，進(jìn)而對(duì)6－7月暴雨日數(shù)EOF第一模態(tài)的時(shí)間序列作小波分析、趨勢(shì)分析及突變檢驗(yàn)，分析貴州省6－7月暴雨日數(shù)時(shí)間序列的短期氣候特征。結(jié)果表明:近30 a貴州省6－7月暴雨日數(shù)與降水量的時(shí)空分布一致，并對(duì)降水量有主要貢獻(xiàn)。暴雨日數(shù)的空間分布存在3個(gè)暴雨多發(fā)區(qū)和2條暴雨少發(fā)帶，范圍最廣、強(qiáng)度最大的暴雨多發(fā)區(qū)位于省之西南部，大值中心在六枝、晴隆和鎮(zhèn)寧附近。暴雨日數(shù)時(shí)間序列的變化在20世紀(jì)90年代是偏多時(shí)期，20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)至今是偏少時(shí)期。貴州省6－7月暴雨日數(shù)EOF第一模態(tài)時(shí)間序列在20世紀(jì)90年代存在顯著的3～5 a年際震蕩，在1981—2010年間總體變化趨勢(shì)分為3個(gè)時(shí)段:1981—1990年、1991—2000年和2001—2010年，呈“降—升—降”變化，沒(méi)有明顯的突變點(diǎn)。

暴雨;氣候特征;貴州

1 引言

近年來(lái)，隨著全球變暖，極端高溫和強(qiáng)降水等極端事件的發(fā)生呈趨多趨強(qiáng)的態(tài)勢(shì)［1－2］，已引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。許多氣象工作者在暴雨方面的研究不僅僅從經(jīng)驗(yàn)和定性的角度出發(fā)，同時(shí)采用多種物理量進(jìn)行診斷分析，得出了許多有益的結(jié)論，并通過(guò)研制暴雨診斷方法和預(yù)報(bào)系統(tǒng)使暴雨預(yù)報(bào)向客觀定量化方向轉(zhuǎn)變［3－8］。縱觀暴雨研究，對(duì)江淮流域和華南暴雨關(guān)注較多，而對(duì)云貴高原地區(qū)特別是貴州的關(guān)注較少，云貴高原地形多樣，有獨(dú)特的地理氣候特征，由持續(xù)性暴雨引發(fā)的洪澇和由突發(fā)性局地暴雨引發(fā)的泥石流等各種自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。

貴州地處我國(guó)西南的云貴高原東麓、副熱帶東亞大陸的季風(fēng)區(qū)內(nèi)，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，暴雨是貴州重要的災(zāi)害性天氣之一，夏季是暴雨的多發(fā)期，暴雨、大暴雨出現(xiàn)頻繁，暴雨頻次從數(shù)量上來(lái)說(shuō)，雖不如我國(guó)東部和南部，但暴雨落點(diǎn)分散、時(shí)間短、強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)，既是山洪、泥石流等自然災(zāi)害的主要誘發(fā)因素，又是重要的水資源補(bǔ)充，區(qū)域性強(qiáng)降水過(guò)程往往是解除農(nóng)業(yè)干旱的主要途徑之一，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)有很大影響［9－11］。以往對(duì)貴州暴雨的研究多集中于利用天氣學(xué)方法，并結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)暴雨過(guò)程進(jìn)行個(gè)例診斷分析及數(shù)值模擬分析，在氣候特征方面的研究涉及不多［12－16］。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，著重討論近28 a來(lái)貴州省夏季主汛期6－7月暴雨日數(shù)的空間分布及其在時(shí)頻域上的變化規(guī)律，使我們對(duì)貴州暴雨的氣候變化特征有一個(gè)整體認(rèn)識(shí)，以期對(duì)今后進(jìn)一步研究氣候變化背景下暴雨的發(fā)生發(fā)展機(jī)制、科學(xué)預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)及防災(zāi)減災(zāi)提供一定的理論依據(jù)，利于暴雨的實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作。

2 資料和方法

2.1 資料

1981—2010年30 a貴州省83站的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)和逐月暴雨日數(shù)。

2.2 方法

①根據(jù)中國(guó)氣象部門(mén)規(guī)定24 h(20時(shí)—20時(shí))雨量≥50 mm為暴雨。本文取每日24 h(20時(shí)—20時(shí))降水量≥50 mm的降雨日為一個(gè)暴雨日。

②對(duì)貴州省83站的降水量和暴雨日數(shù)作氣候平均的逐月百分比統(tǒng)計(jì)分析，得到氣候態(tài)降水量和暴雨日數(shù)的月季分布特征。

③對(duì)6－7月貴州省83站的暴雨日數(shù)時(shí)間序列作方差分析，得到貴州省暴雨日數(shù)年際變率的空間分布。

④對(duì)6－7月貴州省83站的暴雨日數(shù)作EOF分解［17］，并進(jìn)一步對(duì)EOF第一模態(tài)時(shí)間序列與貴州省觀測(cè)的暴雨日數(shù)時(shí)間序列作相關(guān)性分析，驗(yàn)證貴州省的暴雨中心的時(shí)空分布。

⑤對(duì)6－7月貴州省83站暴雨日數(shù)的EOF第一模態(tài)時(shí)間序列作小波分析，提取主要振蕩周期的時(shí)頻分布。

⑥對(duì)6－7月貴州省83站暴雨日數(shù)的EOF第一模態(tài)時(shí)間序列作累積距平分析，討論其趨勢(shì)變化。

⑦利用Mann－Kendall(M－K)法［18］檢驗(yàn)6－7月貴州省83站暴雨日數(shù)的EOF第一模態(tài)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，討論其發(fā)生突變的位置。

3 貴州省降水的氣候態(tài)特征

3.1 貴州省氣候態(tài)降水量、暴雨日數(shù)的逐月分布

在氣候平均上，4月上中旬貴州自東向西先后進(jìn)入雨季，暴雨天氣也隨之發(fā)生［19］。對(duì)1981—2010年貴州省暴雨日數(shù)進(jìn)行逐月統(tǒng)計(jì)，4月隨著南支槽前潮濕的西南風(fēng)的建立和盛行，貴州降水量明顯增多，逐漸進(jìn)入雨季，5月西南季風(fēng)建立，6月夏季風(fēng)強(qiáng)度到達(dá)峰值，雨季也進(jìn)入盛期。9月明顯減少;5－8月暴雨發(fā)生頻率最高，占全年暴雨日數(shù)的84%，6－7月暴雨站日數(shù)在全年占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占58%，是暴雨高發(fā)期;10月冬季風(fēng)建立后，降水量持續(xù)減少，暴雨發(fā)生幾率也顯著減少(圖1)。因此選取貴州省主汛期6－7月暴雨日數(shù)為本文分析、討論對(duì)象具有很好代表性和可行性。

圖1 1981—2010年貴州省83站逐月降水量百分比(a)和暴雨站日數(shù)百分比(b)

3.2 貴州年6－7月氣候態(tài)降水量、暴雨日數(shù)的時(shí)空分布

從貴州省83站1981—2010年28 a 6－7月氣候平均降水量、暴雨日數(shù)的空間分布來(lái)看，發(fā)現(xiàn)夏季全省降水量最大值區(qū)域位于省之西南的六枝、晴隆和興義一帶;都勻和荔波一帶為次大值區(qū)域;江口、德江和鳳崗一帶為全省降水量第3大值區(qū)域;省的西部到東部在27°N一線為降水量相對(duì)小值區(qū)域;省北部的道真、桐梓一帶也是降水量相對(duì)小值區(qū)(圖2a)。全省暴雨日數(shù)與降水量的空間分布一致，與3個(gè)多雨區(qū)和2個(gè)少雨帶相對(duì)應(yīng)的存在3個(gè)暴雨多發(fā)區(qū)和2個(gè)暴雨少發(fā)帶，暴雨中心強(qiáng)度最大、范圍最廣的區(qū)域也位于六枝、晴隆和鎮(zhèn)寧一帶(圖2b)，表明貴州夏季暴雨日對(duì)降水量有主要貢獻(xiàn)。

從貴州省1981—2010年28 a 6－7月83站平均降水量、暴雨站日數(shù)的時(shí)間序列看(圖3a、圖3b)，降水量和暴雨站日數(shù)在20世紀(jì)90年代是偏多的時(shí)期，20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)至今是偏少的時(shí)期，二者的相關(guān)系數(shù)為0.93，通過(guò)0.01信度檢驗(yàn)，表明貴州夏季降水量與暴雨的多寡一致，即夏季暴雨對(duì)降水量有主要貢獻(xiàn)。

通過(guò)以上分析，得到貴州1981—2010年30 a暴雨日數(shù)時(shí)空分布的短期氣候特征。暴雨出現(xiàn)最頻繁的時(shí)期在6－7月;6－7月暴雨日數(shù)的空間分布為3個(gè)暴雨中心和2個(gè)暴雨少發(fā)帶，范圍最廣、強(qiáng)度最大的暴雨中心位于省之西南的六枝、普定、晴隆站附近;6－7月暴雨日數(shù)的時(shí)間序列顯示20世紀(jì)90年代是一個(gè)暴雨相對(duì)多發(fā)期。

4 貴州6－7月暴雨日數(shù)年際變化的時(shí)空分布

如圖4，1981—2010年貴州6－7月暴雨日數(shù)空間分布變率最大區(qū)域位于黔南的都勻附近，中心值位于都勻站;次大區(qū)域位于安順地區(qū)的鎮(zhèn)寧、安順附近，中心值位于鎮(zhèn)寧站;年際變率較大的區(qū)域還有黔西南州和省之北部的鳳崗、德江到松桃一線;暴雨日數(shù)年際變率較小值區(qū)域位于27°N省之西部威寧到東部三穗一線和省之北部道真—桐梓一帶。與1981—2010年貴州6－7月暴雨日數(shù)氣候態(tài)的空間分布一致的是同樣存在3個(gè)暴雨日數(shù)年際變率大值中心，2個(gè)暴雨日數(shù)年際變率相對(duì)小值帶;不同之處在于暴雨日數(shù)范圍最廣、強(qiáng)度最大的區(qū)域位于省之西南的六枝、晴隆和興義一帶，而暴雨日數(shù)年際變率最大的區(qū)域位于省之南部的都勻地區(qū)。

為進(jìn)一步說(shuō)明貴州暴雨中心年際變化的時(shí)空分布及其時(shí)間變化特征，以下通過(guò)EOF、小波分析、趨勢(shì)分析以及突變等方法展開(kāi)分析。

圖4 1981—2010年6－7月逐年貴州省83站暴雨日數(shù)方差的空間分布

4.1 貴州6－7月暴雨日數(shù)EOF第一模態(tài)的時(shí)空分布

貴州省1981—2010年6－7月異常暴雨日數(shù)EOF前5模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為50.0%，第1模態(tài)的方差貢獻(xiàn)大約占到前5模態(tài)的一半，為22.8%，表明第1模態(tài)能較好的體現(xiàn)異常暴雨日數(shù)的時(shí)空分布特征。6－7月暴雨日數(shù)的空間分布為省之西北部畢節(jié)地區(qū)與省之中部、北部、南部和東部呈反位相變化，異常大值區(qū)位于省之中東部一線和東北部一帶，中心值分別位于省之中西部的普定站、中部的花溪、貴定和福泉站、中東部的鎮(zhèn)遠(yuǎn)、三穗和劍河站及江口松桃站，中心值位置與貴州省的3個(gè)暴雨中心一致(圖5a)。時(shí)間序列在20世紀(jì)90年代正位相的年份有7 a，且振幅超過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份都集中在20世紀(jì)90年代，為1991、1996和1999年(圖5b)，與觀測(cè)的暴雨站日數(shù)異常年份一致(圖4b)，且二者相關(guān)系數(shù)為0.98，通過(guò)信度0.01的檢驗(yàn)。表明在20世紀(jì)90年代暴雨日數(shù)的空間分布多為“西北部少—全省大部多”型，并且年際變率大。

圖5 1981—2010年6－7月貴州省83站暴雨日數(shù)EOF第1模態(tài)空間分布(a)和時(shí)間序列(b)

4.2 貴州省6－7月暴雨日數(shù)EOF第1模態(tài)時(shí)間序列的氣候特征

4.2.1 周期分析 對(duì)1981—2010年6－7月貴州省暴雨日數(shù)進(jìn)行小波分析，發(fā)現(xiàn)暴雨日數(shù)在20世紀(jì)90年代具有明顯的3～5 a年際震蕩周期(圖6a、圖6b)。

圖6 1981—2010年6－7月貴州省暴雨日數(shù)小波能量譜(陰影表示通過(guò)信度0.05的檢驗(yàn)，錐形線以下不可信)(a)、3～5 a尺度的平均小波能量曲線(實(shí)線)和0.05信度線(虛線)(b)

4.2.2 突變分析 如圖7，1981—2010年6－7月貴州省暴雨日數(shù)EOF第1模態(tài)時(shí)間序列的累積距平具有明顯的階段性變化特征。在1981—1990年總體上距平值為負(fù)，呈下降趨勢(shì);1991—2000年總體上距平值為正，呈上升趨勢(shì);2001—2009年總體上距平值為負(fù)，呈下降趨勢(shì)。

對(duì)1981—2010年6－7月貴州省暴雨站日數(shù)各階段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表1)，可以看出，貴州省6－7月暴雨站日數(shù)距平百分率最小值出現(xiàn)在1981—1990年間，最大值出現(xiàn)在1991—2000年間，2個(gè)時(shí)段暴雨站日數(shù)距平百分率相差達(dá)43%，3個(gè)時(shí)期的暴雨站日數(shù)變化趨勢(shì)呈“降—升—降”。

通過(guò)上述趨勢(shì)分析與對(duì)比，1981—2010年6－7月貴州省暴雨日數(shù)EOF第一模態(tài)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)與觀測(cè)的暴雨站日數(shù)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)在1981—1990年、1991—2000年和2001—2010年3個(gè)時(shí)段一致，呈“降—升—降”。

4.2.3 突變檢驗(yàn) 通過(guò)以上對(duì)1981—2010年6－7月貴州省暴雨日數(shù)的周期、趨勢(shì)分析得知，20世紀(jì)90年代是暴雨多發(fā)期，且具有顯著的3～5 a年際變化。

圖7 1981－2010年6－7月貴州省暴雨日PC1數(shù)累積距平

表1 1981—2010年6－7月貴州省暴雨站日數(shù)統(tǒng)計(jì)

為了清楚說(shuō)明暴雨日數(shù)的趨勢(shì)變化，采用MK非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法(簡(jiǎn)記M－K檢驗(yàn))，對(duì)1981—2010年6－7月貴州省暴雨站日數(shù)EOF第1模態(tài)時(shí)間序列數(shù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)其發(fā)生突變的時(shí)間。如圖8，UF線與UB線在20世紀(jì)80年代初相交于信度0.05的臨界值內(nèi);UF線在1991—2000年之間呈持續(xù)上升趨勢(shì)，且在1993、1995、1996、1997、1998、1999和2000年突破臨界值，表明全省暴雨站日數(shù)在該時(shí)期上升趨勢(shì)明顯;UF線在2001年后持續(xù)減小，表明進(jìn)入21世紀(jì)后暴雨站日數(shù)呈下降趨勢(shì)。即1981—2010年6－7月全省暴雨站日數(shù)不存在明顯的突變點(diǎn)，但在20世紀(jì)90年代呈明顯的增多趨勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)后，持續(xù)減小，與上節(jié)分析的趨勢(shì)變化一致。

圖8 1981—2010年6－7月貴州省暴雨站日數(shù)PC1的M－K檢驗(yàn)(實(shí)線:UF線;虛線:UB線;點(diǎn)線:0.05信度線)

5 主要結(jié)論

通過(guò)對(duì)1981—2010年28 a貴州省夏季6－7月83站降水量和暴雨日數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的初步分析，得到以下結(jié)論:

①貴州省6－7月暴雨站日數(shù)的空間分布存在3個(gè)暴雨多發(fā)區(qū)和2條暴雨少發(fā)帶，暴雨日數(shù)范圍最廣、強(qiáng)度最大的區(qū)域位于該省西南部，中心位置在六枝、晴隆和鎮(zhèn)寧附近;暴雨日數(shù)時(shí)間序列的變化在20世紀(jì)90年代是偏多時(shí)期，20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初至今是偏少時(shí)期。

②貴州省6－7月暴雨日數(shù)年際變率的空間分布同樣存在3個(gè)變率大值區(qū)域，位置與氣候態(tài)一致，但強(qiáng)度最大的區(qū)域位于該省南部，最大值位于都勻站。

③貴州省6－7月暴雨日數(shù)EOF第1模態(tài)占前5模態(tài)的22.5%，其空間分布型是省的西北部地區(qū)與全省大部分地區(qū)變化呈反位相變化，即西北部暴雨日數(shù)偏少時(shí)，全省大部分地區(qū)一致暴雨日數(shù)偏多;西北部暴雨日數(shù)偏多時(shí)，全省大部分地區(qū)一致暴雨日數(shù)偏少。第1模態(tài)時(shí)間序列在20世紀(jì)90年代正位相震蕩頻率最高、幅度最大，與氣候態(tài)暴雨日數(shù)距平時(shí)間序列的變化一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98，通過(guò)信度0.01的檢驗(yàn)。

④對(duì)6－7月貴州省暴雨日數(shù)EOF第1模態(tài)時(shí)間序列進(jìn)行小波分析，得到暴雨日數(shù)在20世紀(jì)90年代存在顯著的3～5 a年際震蕩，通過(guò)信度0.05的檢驗(yàn)，并與觀測(cè)的暴雨日數(shù)變化趨勢(shì)一致。

⑤對(duì)6－7月貴州省暴雨日數(shù)EOF第1模態(tài)時(shí)間序列進(jìn)行累積距平分析，發(fā)現(xiàn)暴雨日數(shù)的變化趨勢(shì)總體分為3個(gè)時(shí)段:1982—1990年、1991—2000年和2001—2009年，3個(gè)時(shí)段的累積距平值分別為－4.6、7.7和－3.1，變化趨勢(shì)呈“降—升—降”。

⑥對(duì)6－7月貴州省暴雨日數(shù)EOF第一模態(tài)時(shí)間序列進(jìn)行M－K突變檢驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)突變點(diǎn);但在20世紀(jì)80年代變化趨勢(shì)呈“先升后降”;在20世紀(jì)90年代上升趨勢(shì)顯著，通過(guò)信度0.05的檢驗(yàn);從21世紀(jì)初開(kāi)始呈下降趨勢(shì)。

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Climatic characteristics of rainstorms in main flood seasons of GuiZhou

BAI Hui1，CHEN Zhen－h(huán)ong2，LI Chang－bo3，LIANG Xing－h(huán)ua3
(1.Guizhou Bureau of Meteorology，Guizhou Guiyang 550002;2.Anshun Bureau of Meteorology，Guizhou Anshun 562100;3.Puding Bureau of Meteorology，Guizhou Puding 562100)

Based on the monthly precipitation and the rainstorm days data at 84 ground meteorological observation stations in Guizhou during 1981～2010，this paper uses compose，variance and EOF for analysising the spatial and temporal distribution from June to July in Guizhou，and then using the wavelet analysis，trend analysis and mutation test for discussing climatic characteristics of the rainstorm days data from June to July in Guizhou.The results show that:there is a consistent spatial and temporal distribution between the rainstorm days and precipitation，and the rainstorm account the amount of precipitation for the major present from June to July in Guizhou in recently 30 years.The spatial distribution has the characteristics which contain three heavy rainstorms centers and two stormprone areas.The heaviest rainstorm centers locate in the southwestern Guizhou，around the Liuzhi，Qinglong and Zhenning.The change of the rainstorm days is a more period in 1990’s and a less period in 1980’s and 2000’.The time series of EOF mode1 has the significant 3～5 a interannual period.The trend has three stages(1981～1990，1991～2000 and 2001～2010)，which shows was down－up－down changes，and has no mutation point.

rainstorm;climatic characteristics;Guizhou

P468.0+24

A

2011－04－06

白慧(1984—)，女，助工，主要從事氣候診斷及短期氣候預(yù)測(cè)工作。

1003－6598(2012)03－0001－06