基于MTM-SVD方法的攀西秋雨變化規律分析

王春學, 馬振峰, 毛家勛

(1.四川省氣候中心, 四川 成都 610072; 2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室,四川 成都 610072; 3.四川省攀枝花市氣象局, 四川 攀枝花 617000)

華西秋雨是中國西部地區秋季多雨的一種特殊天氣現象，主要出現在渭水流域、漢水流域、川東、川南東等地[1]。高由禧等[2]指出最標準的秋雨出現在四川盆地東部，青藏高原東部的松潘、康定和西昌等地，以及貴陽附近。梁健洪[3]指出，陜南和川北是典型秋雨區，以此為中心向四周擴展為準典型秋雨區和一般秋雨區。而羅霄等[4]的研究表明華西秋雨有2個大值中心，北部中心位于陜南到川東北地區，南部中心位于四川南部至云南中西部，并且2個大值中心變化并不一致。張順謙等[5]的研究也發現西南地區秋雨REOF展開第一模態大值中心在四川盆地東部，而第4模態的大值中心則出現在攀西(攀枝花市和涼山州)地區附近。攀西地區9—10月仍處在雨季[6]，攀西東北部秋綿雨頻率達90%以上，中部和南部一般在70%～80%左右[7]。近50 a攀西地區暴雨日數增多、強度增強[8]，王佳津等[9]的研究也表明攀西地區5—10月持續性暴雨發生頻次達1～3次，其中10月攀西地區是持續性暴雨發生相對集中期。1961—2009年攀西秋雨有逐漸增加的趨勢[5]，而2010年以來的8 a中攀西秋雨有6 a偏多，其中2016年9月18—19日攀西出現秋雨天氣過程，并引發山洪泥石流等災害，造成4萬多人受災，經濟損失近7 000萬元[10]。從前人研究成果可以注意到，攀西秋雨是華西秋雨的一部分，并且有其獨特的變化特征，但是由于相對陜南到川北的典型華西秋雨偏弱，所以相關研究較少。本文將從攀西秋雨的空間分布、趨勢、突變等方面分析攀西秋雨的變化事實，并利用MTM-SVD方法重點研究其年際周期變化規律。對攀西秋雨時空變化特征的研究一方面可以豐富華西秋雨的內容，增強華西秋雨認識；另一方面掌握攀西秋雨變化規律有助于提高攀西秋雨預測水平和增強氣象防災減災能力。

1 資料和方法

1.1 數據資料

采用的資料為攀西地區18個氣象臺站1961—2017年9—10月的逐日降水量資料。

1.2 分析方法

(1) 采用羅霄等定義的秋雨指數，即9—10月降水量占全年降水量百分比與9—10月降水日數占全年降水日數百分比之和。

IAR= (9+10)月降水量/全年降水量+(9+10)

月降水日數/全年降水日數

(2) MTM-SVD方法是由Mann和Park[11]提出的一種多變量頻域分解技術。這是一種將譜分析的多錐度方法(multi-taper method， MTM)和變量場的奇異值分解(singular value decomposition， SVD)方法結合在一起的氣候信號檢測技術，詳細內容參閱相關文獻[12-13]。近年來MTM-SVD被廣泛使用在氣象科研領域中[14-17]。

2 結果與分析

2.1 主模態分析

對1961—2017年攀西地區逐年秋雨指數進行EOF分析，前3個模態通過了顯著性檢驗，累積方差貢獻率達70.6%，其中第一模態方差貢獻率達46.1%，為攀西秋雨年際變化主模態(表1)。圖1給出了第一模態空間分布及其對應的時間系數，可以看到第一模態為全區一致變化分布型，大值中心出現在西昌、德昌、昭覺和普格附近，對比時間系數可知，全區一致型存在顯著的年際、年代際波動，但沒有明顯的變化趨勢，其中1960—1990年以偏強為主，1991—2017年以偏弱為主，但是有逐漸增強的趨勢。

表1 1961-2017年攀西秋雨EOF分析前3個模態的方差貢獻率%

圖1 1961-2017年攀西秋雨EOF分析第一模態及其對應的時間系數

2.2 突變檢驗

上文分析表明攀西秋雨主模態在1990年代初存在年代際差異，為了檢驗該差異是否顯著，這里使用滑動t檢驗對第一模態時間系數進行突變分析，為了濾除年際變化信號，滑動時間窗口選為20 a。從圖2可以看出，1995年的t統計量超過0.05的顯著性水平(為正值)，說明攀西秋雨在1995年前后出現過一次顯著的突變，即由全區一致偏多轉變為全區一致偏少。

注：虛線為α=0.05顯著性。

2.3 周期特征分析

2.3.1 1961—2017年周期特征 用MTM-SVD方法分析1961—2017年攀西秋雨的周期特征，圖3給出了LFV譜分析結果，橫坐標為頻率(倒數為周期)，可以看到在年際尺度上，3.2 a周期通過了99%置信度檢驗；年代際尺度上有11 a左右的峰值，但是沒有達到一定的置信度水平。為了研究攀西秋雨周期特征隨時間的變化，進行了20 a滑動窗口的LFV譜分析，由于進行了20 a滑動，兩端各缺少了10 a的信息。20 a滑動LFV譜分析(圖略)表明，攀西秋雨的準3 a周期在1975—1995年之間非常明顯，1995年之后準3 a周期突然消失，準2 a周期有所顯現，說明攀西秋雨的周期特征具有年代際變化，這可能與攀西秋雨主模態1995年前后的氣候突變有關。張順謙等[5]發現1961—2009年攀西地區的秋雨存在2～3 a周期，羅霄等[4]的研究也表明1990年代初到21世紀初華西秋雨存在準2 a周期，同時5～8 a周期也非常顯著，而王春學等[18]和蔣竹將等[19]則發現華西秋雨北部地區4～8周期最為明顯，說明華西秋雨南部和北部地區年際波動存在差異，而南部地區2～3 a周期最為明顯，并且存在年代際變化，所以有必要對攀西秋雨的周期特征進行分階段研究，這里以1995年為界分為1961—1994和1995—2017年2個階段。

注：虛線表示蒙特卡洛置信度水平。下同。

2.3.2 分段周期特征 圖4給出了1961—1994年攀西秋雨LFV譜分析結果，可以看到年際尺度上3.4 a周期通過了99%的置信度檢驗，3.0 a周期通過了95%的置信度檢驗；年代際尺度上8.6 a周期也通過了95%的置信度檢驗。對比上文可知，1961—1994年攀西秋雨的準3 a周期仍然存在，并形成準3 a周期帶，出現兩個峰值，而且都達到了較高的顯著性水平，這與滑動窗口分析結果一致，說明1995年之前攀西秋雨準3 a周期最為顯著。

圖4 1961-1994年攀西秋雨LFV譜分析

用MTM-SVD方法對攀西秋雨在準3 a周期上進行典型循環重建，圖5給出了典型循環的時空變化過程。第1 a時，整個攀西地區為正異常，并形成以西昌、木里、德昌為中心的異常大值區，即第1 a，攀西秋雨表現為全區一致偏強；第2 a時，正異常強度減弱，范圍縮小，僅在木里、會東地區附近出現正異常，其余大部以負異常為主，在德昌附近出現負異常大值中心，即第2 a，攀西秋雨總體偏弱；第3 a時，攀西大部地區為負異常，在西昌附近出現負異常大值中心，即第3 a攀西秋雨整體偏弱；第4 a時，又恢復到第1 a的情況，攀西秋雨偏強(圖略)，開始下一個準3 a周期循環。分析表明攀西秋雨的準3 a周期循環，主要表現了攀西秋雨“偏強—偏弱—偏弱”的年際變化過程。

接下來選取了攀西秋雨異常大值中心代表站(西昌站)在準3 a周期上進行時間重建，進一步分析準3 a周期的時間變化特征。從圖6中可以發現，西昌站準3 a周期在1961—1994年一直存在，并且基本都表現出“偏強—偏弱—偏弱”的演變過程，其中1970年代中期到1980年代中期最為明顯。

圖5 1961-1994年攀西秋雨準3 a周期典型循環重建

圖6 1961-1994攀西秋雨代表站(西昌站)在準3 a周期上的時間重建(距平值)

高原季風與海陸季風的不同步轉變是華西秋雨的形成的主要原因[2]，高原夏季風偏強(弱)時，高原東側低壓系統活躍(不活躍)，同時有利于(不利于)副熱帶西風南撤，華西秋雨強(弱)[20-21]。研究表明1961—1995年高原夏季風主周期為3～4 a，季風強度增強趨勢明顯[22]，所以攀西秋雨1961—1994年的顯著準3 a周期很可能是高原夏季風年際周期波動的結果。

圖7給出了1995—2017年攀西秋雨LFV譜分析結果，可以看到年際尺度上2 a周期通過了99%的置信度檢驗；年代際尺度上無顯著周期。對比可知，1995—2017年攀西秋雨的準3 a周期已經消失，而被準2 a周期取而代之，這與滑動窗口分析結果一致，即1995年前后的攀西秋雨主模態的突變很可能是造成攀西秋雨周期特征轉變的原因。

圖7 1995-2017年攀西秋雨LFV譜分析

圖8給出了攀西秋雨準2 a周期的典型循環過程，第1 a時，整個攀西地區為正異常，并形成以西昌、鹽源、德昌為中心的異常大值區，即第1 a，攀西秋雨表現為全區一致偏強；第2 a時，攀西秋雨異常情況與第1 a完全相反，即第2 a，攀西秋雨偏弱；第3 a時，又恢復到第1 a的情況，攀西秋雨偏強(圖略)，開始下一個準2 a周期循環。分析表明攀西秋雨的準2 a周期循環，主要表現了攀西秋雨強弱交替的年際異常變化過程。

圖8 1995—2017年攀西秋雨準2 a周期典型循環重建

同樣選取了異常大值中心代表站(西昌站)在準2 a周期上進行時間重建，進一步分析準2 a周期的時間變化特征。從圖9可以發現，西昌準2 a周期在1995—2017年一直存在，基本都表現出強弱異常交替演變的循環過程，其中1995—2001年最為明顯，2006—2010年次之。東亞季風和南亞季風都具有顯著的準2 a周期，其中西南季風的強弱直接影響華西秋雨的多寡，1960年代開始亞洲季風出現逐漸減弱的變化趨勢[23-25]，但研究表明從2000年開始亞洲東南季風和西南季風頻率都有顯著的上升趨勢[26]，1990年代中后期攀西秋雨的準2 a振蕩可能是亞洲海陸季風系統的年際波動所致。

圖9 1995-2017年攀西秋雨代表站(西昌站)在準2 a周期上的時間重建(距平值)

3 結論與討論

(1) 1961—2017年攀西秋雨EOF展開的第一模態為全區一致變化型，方差貢獻率達46.1%，為攀西秋雨主模態，1960—1990年以偏強為主，1991—2017年以偏弱為主，但是有逐漸增強的趨勢。滑動t檢驗表明攀西秋雨全區一致型在1995年前后出現過一次顯著突變，由全區一致偏多轉變為全區一致偏少。

(2) MTM-SVD方法分析表明，1961—2017年攀西秋雨年際尺度上的3.2 a周期通過了99%置信度檢驗，20 a滑動窗口分析顯示，攀西秋雨的準3 a周期在1975—1995年非常明顯，1995年之后準3 a周期突然消失，準2 a周期有所顯現，這可能與攀西秋雨主模態1995年前后的氣候突變有關。

(3) 1961—1994年攀西秋雨3.4 a周期通過了99%的置信度檢驗，3.0 a周期通過了95%的置信度檢驗，這與滑動窗口分析結果一致，說明1995年之前攀西秋雨準3 a周期最為顯著。攀西秋雨準3 a周期典型循環重建表明，第1 a整個攀西地區為正異常，并形成以西昌、木里、德昌為中心的異常大值區，第2 a正異常強度減弱，范圍縮小，僅在木里、會東地區附近出現正異常，其余大部以負異常為主，在德昌附近出現負異常大值中心，第3 a攀西大部地區為負異常，在西昌附近出現負異常大值中心。選取異常大值中心西昌站在準3 a周期上進行時間重建，發現準3 a周期在1961—1994年一直存在，其中1970年代中期到1980年代中期最為明顯。

(4) 1995—2017年攀西秋雨2 a周期通過了99%的置信度檢驗，這與滑動窗口分析結果一致。攀西秋雨準2 a周期的典型循環表現為，第1 a整個攀西地區為正異常，并形成以西昌、鹽源、德昌為中心的異常大值區；第2 a異常情況與第1 a完全相反。同樣選取了異常大值中心西昌站在準2 a周期上進行時間重建，發現準2 a周期在1995—2017年一直存在，其中1995—2001年最為明顯，2006—2010年次之。

(5) 通過本文的研究發現，攀西秋雨有顯著的年際周期波動，并且存在年代際變化特征，1995年以前準3 a周期最明顯，之后準2 a周期占主導地位，即在攀西秋雨年際預測當中，不但要掌握其年際周期規律，還要了解其顯著年代背景，這樣將其年際和年代際波動規律相結合，有助于提高攀西秋雨的氣候預測水平。

(6) 華西秋雨的產生與地形有很大關系，這可能是北方冷空氣或寒潮活動的結果[27]，也可能與高原上空冷空氣平流到四川盆地造成的熱力不穩定有關[28]，高原和盆地區的秋雨特征也有較大差異，高原雨量多盆地雨日多[2]，而攀西地區介于二者之間，存在典型的地形夜雨現象[29-30]，地形影響和季風環流系統同樣都很重要，值得深入研究。