1961—2005年河南盛夏降水特征分析

劉云豐，張 博，李沁東

（1.中國民用航空飛行學院，四川 德陽 618307；2.四川省西充縣氣象局，四川 南充 637200）

河南省是我國人口密集，土地、礦產資源豐富，經濟發達的地區，也是我國工農業的主要產地之一。它位于東亞副熱帶季風區，橫跨黃河、長江、淮河和海河四大流域，其降水分布具有過渡帶的典型特征。一般與江淮流域入汛不同步，江淮梅雨結束，意味著河南中部及其以北地區汛期來臨。李躍鳳和丁一匯等[1]研究發現，我國東部夏季降水具有多模態、多時間尺度的特征，各個區域的降水存在各自特有的周期變化。吳富山等[2]表明，梅雨結束后，我國東部的主要雨帶不是一躍而至黃河以北，而是階段性的逐次向北跳躍的。Liu等[3]指出，20世紀90年代初期以來，伴隨著東亞夏季風的增強，我國東部夏季雨帶出現年代際北移，表現為淮河流域（110°～120°E，30°～35°N）夏季降水增加，我國東部夏季降水不再是以前大家普遍認為的“南澇北旱”的降水格局，此研究成果已被IPCC的第5次報告引用。Zhai等[4]指出，近40年來，夏半年極端降水頻率在華北地區減小、在長江流域增加，全年平均華北地區降水量減少主要是因為降水頻率減小，而長江流域降水增加主要是由于降水強度加大且極強降水事件增多。Wang等[5]也指出，近40年夏季極端降水頻率在長江流域增多而在華北地區減少。劉海文等[6]指出，華北汛期降水量的多寡主要受其汛期大雨的頻率和暴雨的貢獻率影響。華北汛期降水量和暴雨貢獻率都在1978年前后發生了年代際突變，華北暴雨貢獻率的年代際突變是造成華北汛期降水量發生年代際突變的內在因素。李紅梅等[7]指出，在過去的40多年中，暴雨的強度在長江流域增大，在華北大部分地區則減小。在華北地區總降水的減少中，強降水的發生頻率呈減少趨勢，強度也呈減弱趨勢。

以上研究工作是針對我國東部夏季降水進行的趨勢分析，本文則是采用以上研究成果和方法，針對河南省區域，利用觀測資料分析河南省盛夏降水、暴雨日數、極端降水頻次等的變化趨勢。

1 資料和方法

本文所用資料是中國氣象局國家氣象中心提供的河南省17個臺站1961—2005年逐日降水。按照天氣學定義，暴雨是指大于50.0 mm/d，所以，特針對暴雨和暴雨強度進行統計分析。統計指標包括暴雨日數、極端降水事件、第95個百分位降水量。

文章中極端降水事件的定義是根據翟盤茂[8]等提出的觀點確定的，即將1961—2005年逐年7月、8月日降水量序列的第95個百分位值的45年平均值定義為極端降水事件的值，當某站某日降水量超過這一閾值時，就被稱之為極端降水事件。與傳統的、全國統一的、固定的日降水量定義方法相比，該方法的優越之處在于它充分考慮了降水的地區間差異，使得各地極端降水的閾值都依本地降水情況而定，能夠更好地反映降水變化的區域性特征。

Bonsal[9]指出，如果某個氣象要素有n個值，將這n個值按升序排列，即x1，x2，…，xm，…，xn，某個值小于或等于xm的概率為：

式（1）中：m為xm的序號，如果有62個值，那么，第95個百分位上的值為排序后的x59（p＝94.1%）和x60（p＝95.7%）的線性插值；n為某個氣象要素值的個數。

用式（1）來估計百分位值，不但計算方便，而且避免了對要素序列分布的任何假設。同時，Folland[10]等對式（1）也進行了詳細的討論，并通過與其他公式的比較論證了該公式的合理性。式（1）的結果與Gamma分布的公式結果基本等同。

此外本文所用的分析方法包括趨勢分析，小波分析，運用EOF（正交分解）的方法對盛夏7月、8月降水進行特征分析，以及河南盛夏降水量與東亞季風的合成分析。

2 河南省盛夏降水分布和年際變化特征

2.1 空間分布

圖1給出了1961—2005年河南省7月、8月平均降水量的空間分布情況，從圖中可以看到，在河南省的東南地區有1個大值中心，最大降水量達到370 mm。而在河南省西部地形較高的地區，平均降水量最少，有1個小值中心，降水量僅為190 mm。中部地區和北部平均降水量較為一致，為300 mm左右。由此可以看出，豫南地區與豫北地區的降水有明顯的差異，這可能是由于豫南地區受江淮梅雨鋒雨帶的影響比較大。

圖1 1961—2005年河南省7月、8月平均降水量空間分布（單位：mm）

2.2 氣候變化趨勢

從圖2中可以看出，河南省地區1961—2005年，7月、8月的年平均降水量在157～530 mm之間，其中，最小值在1997年，最大值在1982年。另外，回歸直線呈微弱上升趨勢，氣候傾向率為每10年上升4.084 8 mm，這說明隨時間的增加降水量呈上升趨勢。由滑動平均曲線可知，20世紀70年代到80年代初，河南盛夏平均降水量震蕩呈升高的趨勢，此后震蕩有下降趨勢。20世紀80年代中期開始，震蕩出現明顯的上升趨勢。圖3是自1970年以來的t統計量，t統計量有一處超過0.05顯著性水平，這一正值出現在1984年，說明河南省7月、8月平均降水量在近45年來出現過一次明顯的突變，20世紀80年代經歷了一次由少到多的過程。Liu等[3]研究結果表明，20世紀90年代初期以來，隨著東亞夏季風的增強，我國東部夏季雨帶出現年代際北移，表現為淮河流域（110°～120°E，30°～35°N）夏季降水增加，我國東部夏季降水不再是以前大家普遍認為的“南澇北旱”的降水格局一致。

圖2 河南省1961-2005年7、8月平均降水量變化趨勢

圖3 滑動t統計量曲線

如圖4所示，利用小波功率譜分析降水量序列得出，7月、8月降水量的準2年、準7年的周期振蕩現象較為顯著。其中，準2年的周期在1995年至21世紀初存在較大的譜值，而準7年的周期在20世紀80年代初至20世紀90年代初存在較大的譜值。

圖4 河南省7月、8月降水量的功率譜及其對應的方差

2.3 合成分析

圖5是對河南省7月、8月降水量進行標準化處理，選取指數大于1個標準差或者小于－1個標準差的高、低值年份，其中，高值年有1961年、1967年、1968年、1970年、1973年、1991年、1994年、1997年、1999年，低值年有1965年、1974年、1979年、1984年、1987年。利用高、低值年的700 hPa環流場與氣候平均態作差值，進而對河南7月、8月降水進行環流場的合成分析。

圖5 河南7月、8月降水量標準化距平時間序列

圖6（a）為強降水年700 hPa環流場合成分析，由圖可得，河南地區主要受來自太平洋的東亞夏季風的偏東南氣流影響，有充足的水汽輸送，有利于降水發生；而圖6（b）為弱降水年700 hPa環流場，河南地區主要為較為干燥的偏北氣流，水汽相對不足，不利于降水。因此，在降水量高值年，東亞夏季風偏東南氣流的水汽輸送比較強，有利于河南地區降水的增多。

圖6 河南省7月、8月降水量高（a）、低值年（b）與同期氣候態差值的700 hPa環流合成場

3 河南省盛夏降水指標特征分析

3.1 暴雨日數特征

由圖7（a）可知，河南省7月、8月平均暴雨日數為1.26個，最大暴雨日數為2.93個，出現在1981年；最小暴雨日數為0.47個，分別出現在1986年、1993年、2002年。此外，從圖中還可以看出，20世紀60年代中期至70年代中期，暴雨日數減少；20世紀70年代中期到80年代中期，暴雨日數年際變化較為平緩；20世紀80年代中期至20世紀90年代初，有明顯的下降趨勢；20世紀90年代至暴雨日數有所增加，趨于平緩。

從圖7（b）中可以看出，在豫南地區信陽有1個大值中心，暴雨日數達1.97個，在豫西三門峽有1個小值中心，暴雨日數僅0.51個。暴雨日數的空間分布與降水量空間分布極其相似，這間接說明暴雨對降水量的貢獻比較大，這與李紅梅等[7]對我國東部地區盛夏總降水變化主要受暴雨的影響這一結論相一致。

圖7 河南省1961—2005年7月、8月暴雨日數特征

3.2 極端降水特征

如圖8（a）所示，河南省1961—2005年7月、8月第95個百分位降水量總體呈現東南多西北少的分布特征，且在豫南信陽存在1個大值中心，在豫西三門峽存在1個小值中心，所以，以此為閾值統計極端降水事件的頻率。從圖8（b）中可以看出，7月、8月極端降水頻率的趨勢性變化，即在駐馬店和周口地區呈增加趨勢且增加速率最多，而在河南安陽、焦作、信陽和南陽地區呈減小的趨勢。由閾值可以看出，極端降水主要反映的是中雨以上強度的降水。下面我們用EOF（正交分解）對極端事件發生頻次進行統計分析，揭示其空間分布特征，具體如表1所示。

圖8 河南省1961—2005年7月、8月極端降水特征

表1 1961—2005年河南省7月、8月極端降水事件頻次前8個EOF分量對場總方差的貢獻

盡管極端降水有很強的地域性，構造的降水類型較為復雜，但從圖中可以看出，前8個模態對總方差的貢獻率達到82.1%.利用North[11]等的經驗方法對其取樣誤差進行評估，EOF結果特征值收斂很快，表明滿足能量按自由度均分，是穩定可分的，因此，具有實際的物理意義。其中，前4個模態的累積方差貢獻率為61.1%，我們可以將前4個模態視為重點研究對象。

圖9是河南7月、8月極端降水頻次的前4個模態的空間分布。圖9（a）為第一模態分布，從圖中可以看出，全省區域一致（均為正值），表明河南7月、8月極端降水事件發生頻次在空間上表現出了一致性。顯然這種一致性與大尺度天氣系統的影響有關，盡管全省不同地區之間的氣候差異明顯，但是，它們的極端降水在一定程度上受某些因子的共同影響和控制。振幅高值中心位于河南中部平頂山和鄭州，是極端降水頻次最主要的空間分布型式。

圖9（b）為第二模態分布，它占總方差的12.9%，載荷值零線將整個河南省分成南北兩塊，極端降水事件發生頻次呈現明顯的南北特征，并且正負載荷向量絕對值基本相當。這說明，極端降水頻次大致呈南北的反位相變化，反映了河南7月、8月極端降水頻次的空間局地差異。之所以會出現這種變化特征，可能主要與河南省的地理分布特點有關。豫南地處淮河以南，受江淮梅雨鋒雨帶的影響比較大，而豫北地處黃河以北，太行山東側，7月、8月雨水集中，具有華北暖溫帶亞濕潤氣候的特征。

圖9（c）為第三模態分布，它占總方差的9.7%，載荷值零線主要集中在河南省焦作和南陽。這表明，極端降水頻次呈東北少西南多的反位相變化，反映了河南7月、8月極端降水頻次的空間局地差異。這與南陽盆地汛期氣候特點、焦作地處太行山東側汛期來臨西南季風盛行處于迎風坡一側的特點有關。

圖9（d）為第四模態分布，它占總方差的9.1%，顯然從圖中可以看出極端降水頻次呈東西的反位相變化。這可能與副熱帶高壓位置偏南有關，當副熱帶高壓位置偏南時，河南省東部地區降水偏多，而西部地區降水會有減小的趨勢，最終會導致東西出現極端降水事件的相反情況發生。

圖9 1961—2005年河南省7月、8月極端降水事件頻次EOF的前4個模態空間分布

圖10 河南省1961—2005年7月、8月極端降水頻次變化趨勢（a）滑動t統計量曲線（b）

從圖10（a）中可以看出，河南省地區1961—2005年，7月、8月的極端降水頻次在1.0～4.8次之間，其中，最小值在2002年，最大值在1982年。回歸直線呈微弱上升趨勢，氣候傾向率為每10年上升0.022 3，說明隨時間的增加極端降水頻次呈微弱的上升趨勢。圖10（b）是自1970年以來t統計量，t統計量有一處超過0.05顯著性水平，這一負值出現在1972年。這說明，河南省7月、8月極端降水頻次在近45年來出現過一次明顯的突變，20世紀70年代經歷了一次由多到少的過程。

圖11為河南省7月、8月極端降水頻次的小波功率譜。對圖11（a）中極端降水序列進行分析得出，7月、8月極端降水頻次的準3年、準7年的周期振蕩現象顯著。其中，準3年的周期在1980—1985年存在較大的譜值，準7年的周期在20世紀70年代末至20世紀90年代初存在較大的譜值。

圖11 河南省7月、8月極端降水頻次的功率譜及其對應的方差

4 結論

近45年來，河南省7月、8月降水量空間分布是東南多西北少，降水量有微弱的上升趨勢；滑動t檢驗顯示，在20世紀80年代的突變經歷了一次由少到多的過程。

河南省7月、8月降水量存在準2年、準7年的周期振蕩現象較為顯著。由合成分析可知，東亞夏季風偏東南氣流的增強有利于河南地區降水的增加。

河南省7月、8月暴雨日數的空間分布為東南多西北少，其中，暴雨日數呈較弱的增加趨勢。

河南省7月、8月極端降水頻次的空間分布為河南中部地區，運用EOF分解方法分析，結果表明，第一模態為河南省7月、8月極端降水頻次的一致性，第二模態為南北反位相。河南省7月、8月極端降水頻次呈微弱上升趨勢，在20世紀70年代有一次突變，經歷了由少到多的過程，且存在準3年、準7年的周期振蕩。

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