華北地區(qū)夏季極端降水的時(shí)空特征

摘 要：利用華北地區(qū)1961-2010年逐日夏季降水資料，用95%降水分位數(shù)定義了華北各站極端降水閾值，提取出夏季極端降水，分析了華北地區(qū)近50年夏季極端降水事件的時(shí)空特征。結(jié)果表明，總體上華北夏季極端降水是一致減少的，同時(shí)，在南北向及東西向也存在一定的反相關(guān)差異。

關(guān)鍵詞：華北地區(qū)；夏季極端降水；時(shí)空特征

引言

華北地區(qū)位于我國(guó)北部地區(qū)，在大興安嶺、青藏高原以東，內(nèi)蒙古高原以南，秦嶺淮河以北。東臨渤海黃海，北與東北地區(qū)、內(nèi)蒙古地區(qū)相接。屬溫帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨。由于華北地區(qū)是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，降雨特別是極端降水，對(duì)于糧食的生長(zhǎng)和生產(chǎn)有著極大地影響。因此，對(duì)華北地區(qū)夏季極端降水的時(shí)空變化規(guī)律，及其影響因素進(jìn)行研究是十分必要的。

極端降水事件，是造成一個(gè)地區(qū)災(zāi)害天氣的主要原因之一，與之相伴的通常是洪澇災(zāi)害。受夏季季風(fēng)的影響，華北地區(qū)洪澇災(zāi)害頻發(fā)。又由于華北獨(dú)特的地理和政治地位，所以有很多學(xué)者研究該區(qū)域夏季極端降水的時(shí)空變化特征。有研究發(fā)現(xiàn)[1]，華北地區(qū)年降水量明顯趨于減少。資料顯示，在年降水量減少的地區(qū)，極端降水頻數(shù)一般也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此華北地區(qū)的極端降水頻數(shù)也應(yīng)有減少的趨勢(shì)。但也有資料表明，在總的降水量沒(méi)有明顯變化甚至減少的時(shí)候，極端降水量在總的降水量中占的比例卻為增加趨勢(shì)。所以，華北地區(qū)夏季極端降水的時(shí)間分布不是很顯著。再?gòu)南募撅L(fēng)場(chǎng)角度上看[2]，華北地區(qū)夏季極端降水多年，印度季風(fēng)強(qiáng)度較強(qiáng)且能夠伸展到我國(guó)東北地區(qū)，副熱帶高壓強(qiáng)度也較強(qiáng)且位置偏北，在我國(guó)內(nèi)蒙古北部和貝加爾湖南部有氣旋性環(huán)流存在，造成極端降水量偏多；而極端降水少年，印度季風(fēng)強(qiáng)度較弱，水汽僅輸送到較低唯獨(dú)，從而導(dǎo)致30°N以北地區(qū)水汽大量減少，副熱帶高壓強(qiáng)度較極端降水多年弱且位置偏南，造成極端降水減少。據(jù)孫建華[3]等研究發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)夏季降雨量占年降雨量的50%以上，且主要由幾次極端降水造成，一次極端降水的日降水量有時(shí)可達(dá)月降水量的50%以上，且華北地區(qū)80%-90%的極端降水出現(xiàn)在夏季，并集中在7月下旬到8月上旬。在水汽來(lái)源方面，何金海[4]等研究指出：來(lái)源于西太平洋的水汽輸送及華北地區(qū)西北側(cè)的西風(fēng)帶水汽輸送隊(duì)華北極端降水的產(chǎn)生有密切關(guān)系，極端降水前期及極端降水日，來(lái)自西太平洋和中高緯西風(fēng)帶的水汽輸送變化及異常對(duì)極端降水的產(chǎn)生有重要影響；來(lái)自孟加拉的異常水汽輸送僅對(duì)華北極端降水的形成有一定的加強(qiáng)作用。

文章主要研究的是，華北地區(qū)夏季極端降水時(shí)空變化。通過(guò)EOF分析，得到該地區(qū)極端降水異常的空間向量場(chǎng)和時(shí)間向量場(chǎng)。從空間向量場(chǎng)，可以得到華北地區(qū)夏季極端降水異常的空間分布，再結(jié)合對(duì)應(yīng)的時(shí)間向量場(chǎng)，就可以得到整個(gè)華北地區(qū)的夏季極端降水異常的時(shí)間演變。

1 資料及方法

1.1 所用資料

降水資料來(lái)源于國(guó)家氣候中心整編的中國(guó)大陸743站逐日資料。選取華北5省99個(gè)站包括：內(nèi)蒙古34個(gè)站，河北18個(gè)站，山西15個(gè)站，河南18個(gè)站，山東14個(gè)站。所選取的時(shí)間為1961年-2010年，共50年的夏季（6-8月）逐日降水資料。500hP年高度場(chǎng)及海溫場(chǎng)為1961年-2010年夏季月平均NECP/NC年R再分析資料。

文章采用華北各站1961～2010年逐年6～8月日降水量序列的第95個(gè)百分位值的50年平均定義為該臺(tái)站極端降水事件的閾值，當(dāng)該站某日降水量大于該閾值時(shí)，就稱之發(fā)生了極端降水事件，統(tǒng)計(jì)出華北地區(qū)逐年夏季各站極端降水總量并建立時(shí)間序列。

如某日華北地區(qū)內(nèi)極端降水事件發(fā)生的站的數(shù)量超過(guò)33個(gè)站，則該日為華北極端降水事件發(fā)生日。將每年華北地區(qū)夏季極端降水事件發(fā)生日求和，則定義該值為當(dāng)年華北地區(qū)夏季極端降水頻數(shù)。

將每個(gè)夏季華北地區(qū)每個(gè)極端降水事件發(fā)生日內(nèi)極端降水總量除以該日內(nèi)發(fā)生極端降水事件的站數(shù)，并排序，取逐年的最大值定義為該年華北地區(qū)夏季日最大極端降水量。

1.2研究方法

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）[5]

它是一種原變量場(chǎng)分解為正交函數(shù)的線性組合，構(gòu)成為數(shù)很少的不相關(guān)的典型模態(tài)，去代替原始變量場(chǎng)，每個(gè)典型模態(tài)都含有盡可能多的原始場(chǎng)的信息的一種方法。該分析方法的基本原理是將氣象要素場(chǎng)分解為僅與空間或時(shí)間有關(guān)的兩部分，與時(shí)間有關(guān)的部分表示各正交函數(shù)隨時(shí)間的變化，成為時(shí)間系數(shù)，與空間有關(guān)的部分由正交函數(shù)組成，稱為特征向量。

2 華北地區(qū)夏季極端降水的時(shí)空變化特征

2.1 夏季日最大極端降水量

由華北夏季日最大極端降水的時(shí)間序列（圖1）可以看出，總體上最大日極端降水量為弱增加。然而由9點(diǎn)平滑曲線可以分析得，在70年代初到80年代中期，華北地區(qū)最大日極端降水量是減少的，而80年代中期以后，該值又開(kāi)始增加，且變率大于之前的減少階段。在經(jīng)歷了80年代中期至90年代初期的上升后，在1990到2000年這十年中，為華北地區(qū)夏季日最大極端降水最大的十年。2000年以后，開(kāi)始減少。

2.2 夏季極端降水頻數(shù)

圖2（a）中給出了華北地區(qū)夏季極端降水頻數(shù)（實(shí)線）與該地區(qū)夏季極端降水量的時(shí)間序列（虛線）。結(jié)果表明，兩者之間有極好的相關(guān)性，即極端降水頻數(shù)與極端降水量呈正相關(guān)，符合之前提出的第一類結(jié)論。單看極端降水頻數(shù)圖2（b）不難發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)夏季極端降水頻數(shù)的均值為6.5d，在全球變暖變旱的大背景下，極端降水頻數(shù)在減少。在60年代末期到70年代初，極端降水頻數(shù)較少，而后在1970年左右開(kāi)始增加，到80年代初期開(kāi)始變?yōu)榫徛郎p少。

結(jié)合之前夏季日最大極端降水量分析，可以看出，在華北地區(qū)，夏季極端降水變得更為集中，如圖3（a、b）顯示了華北地區(qū)夏季極端降水頻數(shù)及總極端降水量均在減少，但日最大極端降水量卻在增加。

2.3 華北地區(qū)夏季極端降水異常的時(shí)空變化特征

表1給出的是華北地區(qū)夏季極端降水做EOF分析的前11個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)，可見(jiàn)前11個(gè)特征向量的累積方差達(dá)到69.6%，其中，前3個(gè)特征向量解釋了總方差的近40%，基本能夠反映華北夏季極端降水異常的主要特征。為此下面著重分析前3個(gè)特征向量的時(shí)空分布。

第一特征向量場(chǎng)（圖3（a））全部是正值，反映了華北地區(qū)夏季極端降水異常總體一致，即整個(gè)地區(qū)夏季極端降水偏多（或偏少）的特征。由圖可以看出，在河北省地區(qū)，有一個(gè)中心值，則該區(qū)域是夏季極端降水異常的敏感區(qū)。當(dāng)整個(gè)華北地區(qū)夏季極端降水偏多時(shí)，該區(qū)域較其他地區(qū)偏多的更明顯，反之亦然。

結(jié)合第一時(shí)間向量場(chǎng)（圖3（b））：對(duì)應(yīng)于全部為正值的第一特征向量，可以看出華北地區(qū)夏季極端降水異常隨時(shí)間的演變過(guò)程。由時(shí)間序列的趨勢(shì)線可以看出，華北地區(qū)夏季極端降水總體上隨時(shí)間在減少。而通過(guò)9點(diǎn)平滑曲線不難發(fā)現(xiàn)，第一時(shí)間向量的時(shí)間序列不是單純的線性減少。在70年代初到80年代初，華北夏季極端降水為緩慢減少。而進(jìn)入80年代中期以后，極端降水又開(kāi)始增加。進(jìn)入90年代以后，由于全球變暖加劇，華北夏季極端降水也隨之減少。而特征向量場(chǎng)上的高載荷區(qū)（河北保定附近）在90年代以后，極端降水減少的更為明顯。

第二特征向量（圖4（a））看出華北地區(qū)夏季極端降水異常呈現(xiàn)南方為負(fù)北方為正的分布。反映了華北夏季極端降水異常的南北差異，其零線位于內(nèi)蒙古南部，表明當(dāng)此零線以南極端降水偏多（偏少）時(shí)，則以北極端降水會(huì)偏少（偏多）。其中，特征向量的大值中心位于內(nèi)蒙古東部和河南地區(qū)，表明著兩個(gè)地方此異常特征表現(xiàn)的最明顯。

結(jié)合第二時(shí)間向量（圖4（b））：根據(jù)第二特征向量場(chǎng)華北地區(qū)呈南北分布的夏季極端降水異常，可以看出，總體上時(shí)間序列為緩慢下降。對(duì)于北方地區(qū)，空間向量為正值，所以其極端降水總體在減少。但在80年代初到90年代初，夏季極端降水有所增加，而從90年代中期開(kāi)始，時(shí)間序列急劇減少，華北北部地區(qū)極端降水明顯減少。但對(duì)于處于負(fù)值區(qū)的華北南部地區(qū)，當(dāng)時(shí)間序列總體減少時(shí)，該區(qū)域極端降水反而增多。而相應(yīng)的在80年代初到90年代初，在北部極端降水增多的時(shí)期，該地區(qū)的極端降水反而減少，90年代中期以后，則明顯增加，在2000年以后，華北南部地區(qū)的極端降水偏多。對(duì)于高載荷區(qū)，內(nèi)蒙古東部在時(shí)間向量增大時(shí)，極端降水增大的更明顯，而河南地區(qū)則極端降水減少的更顯著，反之亦然。

而第三特征向量（圖5（a））將華北極端降水異常分布按東西向劃分。內(nèi)蒙古東南部、河北南部、河南和山東地區(qū)為正值，其余西部地區(qū)為負(fù)值。這反映了華北地區(qū)夏季極端降水異常的東西差異，其零線位于河北中南部及山西南部一帶，當(dāng)此零線以東極端降水偏多（或偏少）時(shí)，以西地區(qū)極端降水會(huì)偏少（或偏多）。山東地區(qū)為高載荷正值區(qū)，相較而言，該地區(qū)極端降水偏多更明顯，而山西西北部及內(nèi)蒙古西南部位為高載荷負(fù)值，則極端降水偏少更顯著。

結(jié)合第三時(shí)間向量場(chǎng)（圖5（b））：與第二模態(tài)結(jié)果相類似，第三特征向量場(chǎng)顯示華北地區(qū)夏季極端降水異常呈東西分布，結(jié)合時(shí)間向量場(chǎng)不難發(fā)現(xiàn)，時(shí)間序列總體緩慢增加。對(duì)于處在正值區(qū)的東部地區(qū)，在90年代前，極端降水在減少，而在90年代以后，隨著時(shí)間序列的增加，極端降水開(kāi)始增加。而對(duì)于負(fù)值區(qū)的西部地區(qū)來(lái)說(shuō)，剛好相反，極端降水逐漸減少。高載荷中心極端降水對(duì)應(yīng)的偏多（或偏少）更為顯著。

由前三個(gè)模態(tài)可以看出，總體上華北夏季極端降水異常有統(tǒng)一的變化，而同時(shí)，在南北向及東西向也存在一定的反相關(guān)差異。其中，在總體一致的情況下，河北保定地區(qū)為高載荷區(qū)，相較其他地區(qū)，夏季極端降水的變化更為顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）在華北地區(qū)夏季極端降水頻數(shù)減少的情況下，極端降水量與頻數(shù)保持一定的相關(guān)性，隨頻數(shù)減少而減少，但日最大極端降水量反而增大。即華北地區(qū)夏季極端降水總雨量減少，頻數(shù)減少，但極端降水較為集中，日最大極端降水量較多。

（2）華北地區(qū)夏季極端降水總體有一致的變化，其中，河北保定地區(qū)為異常敏感區(qū)。同時(shí)，在該區(qū)域夏季極端降水在南北向及東西向也存在一定的反相關(guān)差異。

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