長江上游面雨量低頻特征分析

(1.武漢區域氣候中心，湖北 武漢 430074； 2.三峽水利樞紐梯級調度通信中心，湖北 宜昌 443133)

大量研究表明，熱帶和中高緯帶大氣都存在著顯著的季節內低頻特征。Madden和Julian[1]利用1957～1967年坎頓島的觀測資料，首次發現熱帶大氣緯向風和氣壓場存在40～50 d周期的低頻振蕩。李崇銀[2]指出北半球30～60 d振蕩主要存在著歐亞-太平洋和太平洋-北美兩個低頻遙相關，中高緯度和熱帶大氣30～60 d振蕩的影響就主要通過這兩個低頻波列進行的。此外，大氣還普遍存在著10～20 d準雙周低頻振蕩和10～30 d低頻振蕩。Murakami[3]研究印度季風的譜分析中首次發現準雙周低頻振蕩。孫淑清[4]發現副熱帶高壓存在10～20 d周期。劉慧斌等[5]發現東北冷渦具有顯著的10～30 d低頻振蕩周期。

受大氣環流低頻特征影響，中國降水也存在著低頻規律。王遵婭等[6]指出中國東南部夏季降水存在明顯的準雙周低頻振蕩特征。李勇等[7]研究結果表明2007年淮河流域降水強弱與對應低頻周期存在聯系。尹志聰等[8]和王黎娟等[9]認為江淮流域夏季降水具有明顯的低頻振蕩特征。黃麗娜等[10]發現福建前汛期降水存在顯著的低頻周期，出現頻率較高的前3個低頻周期分別為10～20，30～60 d和20～30 d。魏曉雯等[11]分析了長江中下游大范圍持續性強降水過程與30～60 d低頻降水的聯系。

已有的研究結果對大氣和中國東部降水低頻特征已有深入的認識，但對長江上游降雨的研究多以過程及影響分析為主，對其低頻特征研究少。本文針對長江上游面雨量，在解決長江上游是否也存在低頻振蕩問題的基礎上，展開低頻特征分析，為進一步了解長江上游氣候特征提供有價值的參考依據。

1 資料和方法

本文采用1961～2017年3～11月資料完整的長江上游流域276個氣象站逐日降水量資料進行分析，資料取自湖北省信息保障中心。長江上游流域分區見文獻[12]，可分為岷沱江、嘉陵江、宜賓-重慶、重慶-宜昌、烏江和金沙江。本文又將金沙江分為金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下，那么，長江上游流域共分為七大流域。

基于氣象站點逐日降水量，利用泰森多邊形方法[13-14]，計算長江上游七大流域的面雨量。本文采用的分析方法有功率譜、傅里葉帶通濾波。

2 長江上游子流域面雨量低頻周期

為了得到長江上游七大流域面雨量的顯著周期，首先減去其氣候態，濾去季節循環的影響，然后進行7 d的滑動平均，濾去高頻信號，再對逐年面雨量分別進行功率譜分析，得到這57 a功率譜平均值，見圖1。從圖1可以看到：金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下的10～40 d周期非常顯著，通過了紅噪聲檢驗；岷沱江、嘉陵江、宜賓-重慶、重慶-宜昌和烏江的10～25 d周期非常顯著，通過了紅噪聲檢驗。低頻周期分析結果表明，長江上游七大流域都具有顯著的低頻振蕩特征，但周期有所不同，金沙江面雨量(包含金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下2個子流域，下同)具有顯著的10～40 d季節內尺度的低頻振蕩，而其他5個子流域具有顯著的準雙周振蕩。

3 長江上游子流域低頻面雨量與總面雨量的關系

利用傅里葉帶通濾波方法，對金沙江面雨量提取10～40 d低頻信號，對長江上游其他流域提取10～25 d低頻信號。表1給出長江上游七大流域低頻面雨量占實際降水總方差的比例。從表1可以看出：低頻所占總方差比例存在顯著的年際差異，這與每年低頻信號強弱有關。低頻所占總方差比例最大值出現在1978年金沙江石鼓以上，為60.8%；最小值出現在2016年重慶-宜昌段，為25.2%。平均而言，對比7個流域發現，金沙江面雨量低頻信號最明顯，石鼓以上平均為49.7%，石鼓以下平均為46.8%；然后是嘉陵江流域面雨量，為40.5%；其次是烏江、岷沱江和宜賓-重慶，分別為37%，35.9%和35.7%；宜賓-重慶最少，為31.9%。

表1 1961～2017年長江上游子流域低頻面雨量占實際降水總方差的比例Tab.1 Contribution of low-frequency areal rainfall to the total variance of rainfall over the Upper Yangtze River during 1961～2017

4 長江上游子流域低頻強降水事件特征分析

參照文獻[15]，低頻強降水事件的選取方法為：基于上游七大流域逐日面雨量，利用傅里葉帶通濾波方法濾波，再取標準化得到降水指數IR，連續3 d及以上不小于1，則定義為一個低頻強降水事件。按照此方法在金沙江石鼓以上選取了351次，金沙江石鼓以下392次，岷沱江382次，嘉陵江394次，宜賓-重慶409次，重慶-宜昌417次，烏江440次，年均6～8次。逐年異常情況看，七大流域強降水事件次數最多年和最少年均出現在宜賓-重慶，2016年事件最多，出現了13次；2001年事件最少，出現了2次。

圖1 1961～2017年長江上游流域面雨量功率譜分析(虛線表示紅噪聲檢驗)Fig.1 Power spectral analysis of areal rainfall over the upper Yangtze River during 1961 to 2017

表2～5分別給出長江上游七大流域低頻強降水事件在頻次、持續天數、降水強度和最大面雨量等特征量統計情況。分季節看，七大流域中任意一個流域的這4個特征量，夏季均是排在第1位；秋季除了宜賓-重慶頻次、烏江降水強度和最大面雨量外，其他均多于春季，排在第2位；春季大部排在第3位。分流域看事件頻次，烏江次數最多，年均7.72次，金沙江石鼓以上最少，年均6.16次。事件持續天數統計顯示，金沙江(包含石鼓以上和石鼓以下)持續天數在3個季節均是最長的，共計14.4 d和13.8 d，其他流域為12 d左右。事件降水強度統計顯示，重慶-宜昌在3個季節中強度均是最大，金沙江石鼓以上強度最小，且長江上游東部(嘉陵江、宜賓-重慶、重慶-宜昌和烏江)降水強度大于西部(金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下和岷沱江)。事件最大面雨量統計特征與降水強度一致。

表2 1961～2017年長江上游低頻強降水事件的頻次統計Tab.2 Frequency statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 次

表3 1961～2017年長江上游低頻強降水事件的持續天數統計Tab.3 Continuous days statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 d

基于長江上游低頻強降水事件時間序列，整理低頻強降水過程，將各流域從時間上看為連續的低頻強降水事件歸為一個低頻強降水過程，2 785次事件可歸為1 159次低頻強降水過程。圖2給出了長江上游低頻強降水過程特征統計情況。圖2(a)給出低頻強降水過程次數年際演變曲線，顯示低頻強降水過程次數年際差異較大，1965年和2016年過程最多，為25次，2004年和2012年過程最少，為15次。圖2(b)給出了低頻強降水過程次數隨過程持續天數演變曲線，顯示過程持續時間在3～14 d之間，隨著持續時間增加過程次數在減少，持續時間在3～7 d的累計過程次數占總次數的80.5%，而持續時間在8 d及以上的過程次數基本不及7 d及以下過程的一半。圖2(c)給出了低頻強降水過程次數隨流域數量演變曲線，這里統計的流域數量是指同一低頻強降水過程發生時段內，長江上游七大流域出現低頻強降水事件的流域數量。顯示，隨著流域數量增加過程次數在減少。當只有1個流域出現強降水事件的降水過程最多，為349次；2個流域和3個流域的降水過程相當，分別為228次和227次；7個流域同時出現強降水事件的降水過程也有發生，有28次。長江上游7個流域同時出現低頻強降水事件的過程有21次發生在夏季，7次發生在秋季，持續天數在7～14 d之間。

表4 1961～2017年長江上游低頻強降水事件的降水強度統計Tab.4 Intensity statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 mm

表5 1961～2017年長江上游低頻強降水事件的最大面雨量統計Tab.5 Maximum areal rainfall statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 mm

圖2 長江上游低頻強降水過程特征統計情況Fig.2 Characteristics statistics of low-frequency heavy rainfall processes over the Upper Yangtze River

5 結 論

本文基于長江上游七大流域的面雨量資料，應用功率譜分析了長江上游面雨量低頻周期，應用帶通濾波方法提取面雨量低頻信號，定義并挑選了低頻強降水事件和過程，統計分析其特征，得到以下結論。

(1) 通過功率譜分析，發現長江上游七大流域面雨量存在著顯著的低頻振蕩特征，但周期有所不同，金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下這2個流域具有顯著的10～40 d季節內尺度的低頻振蕩，而其他5個流域具有顯著的10～25 d準雙周振蕩。

(2) 長江上游七大流域夏季低頻降水事件在頻次、持續天數、降水強度和最大面雨量這4個特征量上排第1，秋季次之，春季最小。流域間對比，烏江事件次數最多，金沙江石鼓以上最少；金沙江(包含石鼓以上和石鼓以下)持續天數最長，其他流域相當；重慶-宜昌降水強度和最大面雨量最大，金沙江石鼓以下最小。

(3) 進一步統計低頻強降水過程特征，可將2 785次事件歸為1 159次低頻強降水過程。過程次數年際差異較大，在15～25次之間。隨持續時間增加、流域數量增加，過程次數呈減少趨勢。