川渝地區夏季降水變化氣候特征分析

毛文書, 曾 戢, 孫 云, 張艷艷, 楊冬冬

(1.成都信息工程學院大氣科學學院,四川成都610225;2.中國人民解放軍96211部隊84分隊,云南建水654300;3.石家莊市氣象局,河北石家莊050081;4.蘭州資源環境職業技術學院,甘肅蘭州730021)

1 引言

Jones[1]和Hulme[2]等對全球的降水變化研究表明：20世紀以來全球地表降水增加了大約1%,在30°N-85°N的年降水量增長了7%-12%,在5°S-50°S的年降水量增長了2%-3%,北半球中高緯度秋、冬季降水量也有所增長。關于我國夏季降水量的變化特征已有很多研究[3-6],但主要集中于東部地區,而降水量的變化具有明顯的區域特征,近年來關于川渝地區夏季降水量變化特征的分析研究也有一些：如鮑媛媛[7]、彭加毅等[8]通過Z指數的變化,采用相關分析和合成分析方法研究了川渝地區夏季旱澇與海溫的關系。陳效孟[9]用區域標準化候降水量的RPC時間系數作多元最優分割,揭示出四川盆地夏半年(4-9月)降水分布存在季節性突變：春到初夏,降水由東多西少突變為南多北少;初夏到盛夏,降水突變為西多東少;盛夏到初秋,降水突變為東北多、中南少,多雨區繞盆地中部呈順時針方向轉移。劉德[10]采用車貝雪夫正交多項式分解方法[11]展開重慶地區夏季降水場,結果表明：最近40年來重慶各地夏季降水量變化趨勢一致,可以分為兩段：80年代中期以前有增加的趨勢,而80年代后期至今則有減少的趨勢。劉海隆等[12]利用重慶三峽庫區16站逐月降水量資料,從降水傾向率、周期性、階段性3個方面探討了近40年來重慶三峽庫區降水量的變化特征,結果表明重慶三峽庫區降水量西段有增加的趨勢,而東段則有減少的趨勢。周長艷[13]、陳文秀[14]、劉曉冉等[15]研究表明川渝盆地的降水量和水資源總體呈減少趨勢,整個西南地區東南部的降水量整體均呈下降趨勢。川渝地區地處中國西南內陸,東接兩湖平原,南連云貴高原,西鄰青藏高原,北銜甘、陜山地,川渝地區西部以高原山地為主,川西北部屬長冬無夏的高原氣候,川西南屬冬干夏濕的西南季風氣候,川渝東部則是較為平坦的盆地和丘陵,屬濕潤溫暖的東南季風氣候,因此,川渝地區是中國氣候帶最多的地區之一。同時,川渝地區又是我國夏季旱澇災害發生頻率較高的地區之一,如2006年夏季,川渝地區出現了百年一遇的特大干旱,給川渝地區人民的生命財產安全帶來了嚴重損失。因此,進一步加強對川渝地區夏季降水量變化規律的研究,對于提高川渝地區夏季降水變化的短期氣候預測水平,具有現實意義。

2 資料和方法

(1)國家氣候中心整編的川渝地區34站1960-2006年共計47年的逐月降水量資料,為了消除地理位置、地形等的影響,對每個站、每年的逐月降水量資料均采用1971-2000年30年氣候平均值和標準差進行距平標準化處理。

(2)主要方法有：Morlet小波分析[16],諧波分析[17],經驗正交函數(EOF)[18]分解;旋轉經驗正交函數(REOF)[19]分解。

3 川渝地區夏季降水量的空間分布

3.1 代表站的選取

利用川渝地區34站1960-2006年共47年逐月降水量資料,在消除臺站遷移,經過均一性檢查和嚴格質量控制的基礎之上,按照所研究區域內站點盡量多,時段盡量長的原則,挑選出川渝地區34站47年的逐月降水量資料進行分析,其站點的空間分布如圖1所示。

由圖1可見,所選內域內站點分布均勻,它包括了川渝地區的大部分地區,即川西高原大部、四川盆地以及重慶市大部,它們分別是：若爾蓋、德格、甘孜 、道孚、馬爾康、小金 、松潘 、都江堰、綿陽 、新龍、雅安 、康定 、峨眉山 、樂山 、木里 、九龍 、越西 、昭覺 、雷波 、宜賓 、鹽源 、西昌 、會理 、萬源 、閬中 、巴中 、遂寧 、南充 、敘永 、成都、奉節、梁平、沙坪壩、酉陽共計34站。

圖1 川渝地區34站的空間分布

3.2 川渝夏季降水量的客觀分區

為了解川渝地區夏季降水量的空間分布特征,對川渝地區34站1960-2006年共47年夏季降水量標準化距平進行EOF分解,得到方差貢獻率較大的前3個模態的空間分布,如圖2所示。

由圖2可知,川渝地區夏季降水量標準化距平 EOF分解前3個模態的累積方差貢獻率為53.5%,利用North[20]等的經驗方法對其取樣誤差進行評估,EOF結果特征值收斂比較快,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,它表示了川渝地區夏季降水量的幾種主要的大范圍空間分布型態。第1模態(圖2a)占總方差的27.8%,表明降水量的空間分布型為全區一致型,其振幅高值中心位于川渝地區南部的雅安附近,是川渝地區夏季降水量的主要空間分布型態。第2模態(圖2b)占總方差的13.9%,表明川渝地區夏季降水量川西高原區、盆地東、西部區域的反位相變化,反映了川渝地區夏季降水量川西高原、盆地東、西部之間的空間局地差異。第3模態(圖2c)占總方差的11.8%,表明川渝地區夏季降水量大致以29°N為界呈南多(少)北少(多)的反相位變化,反映了川渝地區夏季降水量南、北部之間的空間局地差異。以上分析表明：川渝地區夏季降水量空間分布不均,第1模態為全區一致型,但第2、3模態顯示川渝地區夏季降水量變化表現出顯著不同的空間區域差異特征,因此,為了更加細致地研究川渝地區夏季降水量的不同區域變化特征,再對川渝地區夏季降水量標準化距平進行REOF分解,以揭示川渝地區夏季降水量的區域變化特征,其客觀分區結果如圖3所示。

從圖3可知REOF分區結果：川渝地區夏季降水量可以分為3個區,分別是川西高原區、盆地中部區和盆地東部區。其中：川西高原地區,為冬干夏濕的西南季風氣候區,存在眾多高山峽谷,在亞熱帶的基帶上,依次出現暖溫帶、溫帶、寒溫帶、永凍帶等山地氣候類型,某些區域受喜馬拉雅山脈大的地形及山脈背風坡的局部地形影響,常常形成少雨區。盆地中部區屬西南季風氣候區,平原、盆地、河谷、丘陵共存,其地形較為復雜,在這里形成較多的降水。盆地東部地區,屬濕潤溫暖的東南季風氣候區,受亞熱帶季風影響,地形是較為平坦的盆地和丘陵,屬于多雨區。以上分析表明,REOF分解所得主要模態空間分布結構清晰,且相鄰區域幾乎沒有重疊,能夠較好地反映川渝地區夏季降水的實際區域變化特征,分區較為客觀,有利于進一步揭示川渝地區夏季降水量的區域變化差異。

4 川渝地區夏季降水量的時間演變

上面分析了川渝地區夏季降水量的空間分布,是把降水量在時間上作為一個點來考慮分析的,下面把川渝各區夏季降水量分別做區域平均,將其在空間上作為一個點,來進一步分析川渝各區降水量的時間演變特征。使用諧波方法對各區降水量時間序列進行年際和年代際尺度分離,利用線性傾向估計方法計算降水量的長期演變趨勢。圖4給出川渝各區夏季降水量的時間演變曲線,其中柱線為年際尺度分量,光滑曲線為年代際尺度分量,實線為線性趨勢線,虛線為正負0.6倍標準差選擇線。

4.1 川渝夏季降水量的年際、年代際變化

由圖4中的線性趨勢線(實線)可以清楚地看出47年來川渝各區夏季降水量存在顯著不同的長期趨勢變化特征。其中川西高原區和盆地東部區夏季降水量長期趨勢變化呈增多的趨勢,而盆地中部區夏季降水量長期趨勢變化呈減少的趨勢。

由圖4中年際分量(柱線)變化可知：川渝各區夏季降水量年際變化差異顯著,若以0.6倍標準差作為降水異常的標準,47年來川西高原區降水異常偏多的年份(下簡稱多雨年)有5年,分別是1960年 、1968 年 、1974 年 、1993年和 1998 年;降水異常偏少的年份(下簡稱少雨年)有5年,分別是1967年、1972年、1994年、1997年和2006年。盆地中部區多雨年有6年,分別是 1961年、1966年 、1981年、1984年、1990年和1995年;少雨年有 5年,分別是1963年、1965年、1969年、1982年和 2006年。盆地東部區多雨年有 6年,分別是 1965年、1974年、1989年、1993年、1998年和2005年;少雨年有 5年,分別是1990年、1994年、1997年 、2001年和 2006年。由圖4中年代際分量(光滑曲線)可知川渝地區夏季降水量具有顯著不同的年代際變化特征。川西高原地區的夏季降水量年代際變化(圖4a)表明：1960年前期降水量偏少,1960年中期-1960年未期降水量偏多,1970年初期-1980年初期降水量偏少,1980年中期-21世紀初期降水量顯著偏多。盆地中部夏季降水量年代際變化(圖4b)表明：1960年前期降水量偏多,1960年中期-1980年初期降水量顯著偏少,1980年中期-1990年初期降水量偏多,1990年中期至今降水量顯著偏少。盆地東部夏季降水量年代際變化(圖4c)表明1960年代初期-1970年未期降水量偏少,1980年初期-21世紀初期降水量顯著偏多。

圖2 川渝地區夏季降水量標準化距平EOF分解前3個模態的空間分布

4.2 川渝各區夏季降水量的周期變化

為更進一步細致地研究川渝地區夏季降水量的周期變化特征,采用Morlet小波對川渝各區夏季降水量進行小波分析,圖5分別給出川渝各區夏季降水量小波分析的頻域分布及川渝各區夏季降水量的能量分布,這種能量主要是由于冷暖空氣相遇,氣流上升冷卻,在成云致雨的過程中凝結潛熱的釋放所造成的。

根據Morlet小波分析的原理可知：只有川渝各區夏季降水量小波分析的頻域分布與相應的能量分布相結合才能準確地分析出川渝各區夏季降水量的主周期變化,降水能量譜值變化最顯著的時段對應著主周期變化最顯著的時段。由圖5可知：川渝各區夏季降水量呈顯著不同的多尺度周期變化特征。由川西高原區夏季降水量小波分析頻域及能量分布圖5(a-b)可知：川西高原區47年來夏季降水量變化均存在準15年和準5年的顯著周期變化特征。由盆地中部區夏季降水量小波分析頻域及能量分布圖5(c-d)可知：盆地中部區夏季降水量在1960年-1980年中期存在 14年的顯著周期變化特征,另外在1960年-1970年中期存在準6年的次周期變化特征,在1970年中期至1990年初期存在準3年的次周期變化特征。由盆地東部區夏季降水量小波分析頻域及能量分布圖5(e-f)可知：盆地東部區夏季降水量近47年均存在16年和8年的顯著主周期變化特征,另外1960年初期-1980年前期還存在準3年的次周期變化特征。以上分析表明：川渝各區夏季降水量均存在顯著不同的多尺度周期變化特征,長周期中又包含短周期變化,這說明川渝各區夏季降水量的變化是由不同時間尺度周期振蕩疊加共同作用的結果。

圖3 川渝地區夏季降水量標準化距平的REOF分解

圖4 川渝各區夏季降水量年際、年代際變化及長期趨勢變化曲線

5 川渝各區的雨季變化特征

以某年某月降水量與該月多年平均降水量之差表示雨季的強弱,圖6給出川渝各區夏季降水量的雨季變化圖像。

由圖6可知,川渝各區的雨季變化具有顯著不同的變化特征,其中川西高原區雨季主要集中在7-9月,1990年以前,川西高原雨季主要集中在8-9月,而1990年以后,川西高原雨季提前,主要集中在7-8月。盆地中部區雨季在1990年以前主要集中在6-9月,1990年以后,雨季推遲,雨期縮短,主要集中在7-9月;盆地東部區雨季在1990年以前主要集中在5-9月,1990年以后,雨季有提前的趨勢,并分為兩段雨季,雨季時間長度有所縮短。以上分析表明：川西高原區雨季變化最短,但雨季變化有提前的趨勢,盆地中部區雨季最長,盆地中部雨季有推遲的趨勢,而盆地東部區雨季變化則有提前的趨勢。

圖5 川渝各區夏季降水量小波分析的頻域和能量分布

6 結論

(1)EOF結果表明：川渝地區夏季降水主要有全區域一致型、川西高原區、盆地東、西部區域之間的反位相變化分布型以及以29°N為界的南、北反相位變化分布型,其中全區一致型是川渝夏季降水量的最主要空間分布型態。

(2)川渝地區夏季降水的空間分布不均,REOF分解結果表明川渝地區夏季降水量變化可以分為川西高原區、盆地中部區和盆地東部區3個不同變化的區域。

(3)川渝各區夏季降水量時間分布不均,各區降水量均具有顯著不同的年際—年代際變化和多尺度周期變化特征。從較長時間尺度來看,川西高原和盆地東部夏季降水量變化呈增長趨勢,而盆地中部夏季降水量呈減少的長期變化趨勢。川西高原夏季降水量有準15年、準5年的多尺度周期變化;盆地中部夏季降水量有準14年、準6年和準3年的多尺度周期變化;盆地東部地區夏季降水量有準16年、準8年、準3年的多尺度周期變化。

(4)川渝各區具有顯著不同的雨季變化特征,其中川西高原雨季主要集中在7-9月,1990年以前,川西高原雨季集中在8-9月,而1990年以后,川西高原雨季提前,主要集中在7-8月。盆地中部雨季1990年以前主要集中在6-9月,1990年以后,雨季推遲,雨期縮短,主要集中在7-9月;盆地東部雨季1990年以前,主要集中在5-9月,1990年以后,雨季有提前的趨勢,并分為兩段雨季,雨季時間長度有所縮短。

圖6 川渝各區夏季降水量的雨季變化(圖中陰影區表示距平大于20%的區域

[1]Jones,P D,Humle,M.Calculating regional climatic time series for temperature and precipitation[J].Methodand Illustration,Int.J.Climate,1996,16(4)：361-377.

[2]Humle,M,T J Osborn,T C Johns.Precipitation sensitivity to global warming：Comparison of observations with HadCM2 simulations[J].Geophysical Research Leeters,1998,25(17)：3379-3382.

[3]施能,陳家其,屠其璞.中國100年來4個年代際的氣候變化特征[J].氣象學報,1995,53(4)：431-439.

[4]任國玉,吳虹,陳正洪.我國降水變化趨勢的空間特征[J].應用氣象學報,2000,11(3)：322-330.

[5]陳興芳,宋文玲.我國初夏降水的短期氣候變化和成因分析[J].氣象,1994,20(10)：17-21.

[6]馬振鋒.西南地區夏季降水預測模型[J].氣象,2002,28(11)：29-32.

[7]鮑媛媛,康志明,金榮花.川渝地區夏季旱澇與海溫異常淺析[J].氣象,2007,33(5)：89-93.

[8]彭加毅,孫照渤,譚桂容.重慶降水和赤道東太平洋海溫相關的多時間尺度特征[J].南京氣象學院學報,1999,22(4)：632-636.

[9]陳效孟.用旋轉主分量分析四川降水自然天氣季節[J].四川氣象,1997,17(4)：61-66.

[10]劉德,李永華.重慶地區夏季降水時空分布特征分析[J].成都氣象學院學報,1999,1(14)：93-96.

[11]周家斌.車貝雪夫多項式及其在氣象中的應用[M].北京：氣象出版社,1990：48-51.

[12]劉海隆,王欲文.重慶市三峽庫區近40年來降水變化特征分析[J].貴州氣象,2001,25(2)：23-25.

[13]周長艷,李躍清,彭俊.高原東側川渝盆地降水與水資源特征及變化[J].大氣科學.2006,16(30)：1219-1226.

[14]陳文秀,郝克俊.20世紀四川盆地降水變化特征分析[J].四川氣象,2001,21(1)：37-39.

[15]劉曉冉,李國平,范廣洲.我國西南地區1960-2000年降水資源變化的時空特征[J].自然資源學報,2007,22(5)：784-792.

[16]魏鳳英.現代氣候統計診斷與預測技術[M].北京：氣象出版社,1999：106-113.

[17]吳洪寶,吳蕾.氣候變率診斷和預測方法[M].北京：氣象出版社,2005：208-245.

[18]黃嘉佑.我國夏季氣溫、降水量場的時空分析特征[J].大氣科學,1991,15(3)：124-132.

[19]黃嘉佑.轉動主分量分析在天氣氣候分析中的應用[J].氣象,1988,14(9)：47-51.

[20]North G R,Bell T L,Cahalan R F.Sampling errors in the estimation of the empirical orthogonal functions[J].Mon.Wea.Rev.,1982,110(7)：699-706.