1964—2013年廣東地區(qū)冬季降水分布特征分析

摘? 要：根據(jù)1964—2013年的降水資料和NCEP/NCAR再分析資料，采用EOF算法、譜分析等方法分析廣東地區(qū)冬季降水分布特征。結(jié)果表明，在50年間，廣東冬季降水量和全年總降水量隨時(shí)間呈基本一致的波動(dòng)型變化，但隨空間變化的差異明顯。廣東冬季降水的主要模態(tài)為全區(qū)一致型分布，主模態(tài)時(shí)間系數(shù)顯示有明顯周期為2.5年的年際變化特征。其冬季降水異常對(duì)應(yīng)著不同的相關(guān)物理量場(chǎng)異常，降水偏多年，500 hPa環(huán)流負(fù)異常，850 hPa有西南風(fēng)正距平，水汽通量距平輻合，散度負(fù)異常及渦度正異常;降水偏少年則與之相反。

關(guān)鍵詞：冬季降水;分布特征;異常降水分析

Abstract：According to the precipitation data from 1964 to 2013 and NCEP/NCAR reanalysis data，EOF algorithm，spectral analysis and other methods were used to analyze the distribution characteristics of winter precipitation in Guangdong. The results showed that in 50 years，winter precipitation and annual total precipitation in Guangdong showed basically the same fluctuation pattern with time，but significant differences with spatial variation. The main modes of winter precipitation in Guangdong are uniformly distributed in the whole region，and the time coefficient of the main mode shows an obvious interannual variation with a period of 2.5 years. The winter precipitation anomaly corresponds to different related physical quantity field anomalies. The precipitation is multi-year，the circulation is negative at 500 hPa，the southwest wind is positive at 850 hPa，the water vapor flux is horizontal convergence，the divergence is negative and the vorticity is positive;the precipitation is relatively young，the opposite is true.

Keywords：winter precipitation;distribution characteristics;analysis of abnormal precipitation

0? 引? 言

廣東是我國(guó)最典型的季風(fēng)氣候區(qū)之一，受冬季風(fēng)控制，廣東大部分地區(qū)冬季降水較少、較均勻，形成干季降水氣候特征[1]。冬季降水的偏少對(duì)本地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民飲水、森林火災(zāi)、水利發(fā)電等民眾生活、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面的影響都比較重大，而對(duì)于民航業(yè)來(lái)說(shuō)，降水是影響航班運(yùn)行最主要的天氣之一。因此，研究其降水時(shí)空分布特征及分析其降水異常成因顯得尤為重要。

目前為止，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)華南地區(qū)降水特征做了一定的研究。李江南等[2]研究了廣東省前汛期和后汛期的氣候特征;賀海晏[3]研究了廣東省近40年的旱澇特征。在此之外，關(guān)于華南或廣東冬季降水異常成因研究及分析的文獻(xiàn)也不在少數(shù)，如王江曼等[4]研究了太平洋年代際濤動(dòng)（PDO）不同相位時(shí)期ENSO事件對(duì)華南冬季降水影響的差異。前人的研究大多是集中在對(duì)華南或?qū)V東某一地區(qū)的前后汛期、春夏季降水、天氣個(gè)例及旱澇的研究，而只選擇冬季廣東省的降水作為研究對(duì)象的基本沒(méi)有。因此，本文分析了1964—2013年廣東地區(qū)冬季降水分布特征和與之相關(guān)的物理量場(chǎng)，希望對(duì)廣東冬季降水有更加細(xì)致的了解，從而為廣東冬季降水的天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)提供一些理論上的參考和依據(jù)。

1? 資料和方法

1.1? 資料

（1）來(lái)自國(guó)家氣象信息中心的廣東省33個(gè)基準(zhǔn)站1964—2014年逐月降水站點(diǎn)資料。（2）來(lái)自NCEP/NCAR的1964～2014年全球大氣月平均再分析資料，空間分辨率為2.5×2.5，包括各層位勢(shì)高度、水平風(fēng)、比濕場(chǎng)。

1.2? 方法

用EOF算法將廣東33個(gè)測(cè)站的冬季（12月—次年2月）降水量距平進(jìn)行分解，用分解后得到的第一模態(tài)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)代表廣東冬季降水時(shí)間序列，并采用譜分析的方法來(lái)研究廣東冬季降水時(shí)間系列的年際、年代際周期特征，最后采用合成分析方法分別研究冬季降水異常與500 hPa環(huán)流場(chǎng)、850 hPa水汽場(chǎng)、渦度和散度場(chǎng)異常的關(guān)系。其中，利用EOF分解的原理及具體的展開(kāi)形式見(jiàn)文獻(xiàn)[5]，而利用功率譜分析近50年廣東冬季降水隨時(shí)間的變化周期的原理如下：

假定將時(shí)間序列xt展開(kāi)為Fourier級(jí)數(shù)，則可表示為：

式中，fi為頻率，t為時(shí)間序號(hào)，k為周期分量的個(gè)數(shù)，即主周期（基波）及其諧波的個(gè)數(shù)，εt為標(biāo)準(zhǔn)誤差（白噪聲序列）。當(dāng)頻率fi給定時(shí)，式（1）可以視為多元線性回歸模型，可以證明，待定系數(shù)ai、bi的最小二乘估計(jì)為：

2? 廣東地區(qū)冬季降水概況

2.1? 廣東冬季和全年降水量的時(shí)間變化特征

作出1964—2013年廣東冬季和全年降水量時(shí)間序列圖進(jìn)行分析，可以看出廣東冬季的降雨量在全年降雨量中所占的比例較小（均量不到10%）。從線性變化趨勢(shì)來(lái)看，冬季和全年降水呈基本一致的波動(dòng)形勢(shì)變化，沒(méi)有明顯的年代際上升或下降趨勢(shì)，但也有少數(shù)年份呈反相變化。1982年冬季和全年的降水一致地異常偏多，都達(dá)到50年以來(lái)的最大值;然而在2008年，全年降水異常偏多，冬季的降水卻在這50年中異常偏少最嚴(yán)重。

2.2? 廣東冬季和全年的50年平均雨量區(qū)域分布特征

從圖1可看出，1964—2013年廣東冬季和全年平均雨量的區(qū)域分布差別較大。冬季降水北多南少，而且從北到南逐次遞減，廣東北部地區(qū)（連州、韶關(guān)一帶）達(dá)到全省冬季降水的最大值（>200.00 mm），最小值出現(xiàn)在廣東最南端的徐聞（<60.00 mm）;全年降水中部和中南部偏西地區(qū)較其他地區(qū)多，在靠近內(nèi)陸及最南端（徐聞?wù)荆└浇慕邓佟Ｈ杲邓趶V東中南部偏西的地區(qū)（上川島站）出現(xiàn)最大值中心，高達(dá)2 399.57 mm，在廣東省最東端（南澳測(cè)站）出現(xiàn)最小值中心，低達(dá)1 361.47 mm。

結(jié)合圖1（a）和1（b）來(lái)看，廣東最南端徐聞?wù)镜亩竞腿杲邓际亲钌俚模菀装l(fā)生干旱。

3? 廣東冬季降水的時(shí)空分布特征

為了進(jìn)一步揭示廣東冬季降水的時(shí)空分布特征，對(duì)上述33個(gè)站點(diǎn)1964—2013年冬季降水量距平進(jìn)行EOF分解，得出結(jié)果：

第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)百分比最大，達(dá)到了85.04%，第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)急劇減小到4.70%，后面幾個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)更小。這與凌良新等[1]研究得出的廣東地區(qū)第一季度（1—3月）降水量第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)較大（達(dá)83.30%）的事實(shí)基本符合。因第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)較大，說(shuō)明廣東冬季降水只有一種比較顯著的空間異常類型，從第一模態(tài)中就能基本反映出廣東冬季降水時(shí)空分布特征，所以下文給出了第一模態(tài)所對(duì)應(yīng)的空間和時(shí)間特征向量場(chǎng)。

3.1? 空間變化特征

作圖發(fā)現(xiàn)第一主模態(tài)空間特征向量場(chǎng)的值均大于零，說(shuō)明廣東冬季降水具有全省一致性，當(dāng)?shù)谝粫r(shí)間系數(shù)的值大于零時(shí)，廣東省冬季的降水量一致偏多，反之偏少。其中東北部靠近福建的地區(qū)冬季降水的變異程度比較大，大值中心位于河源;而東南部的小部分地區(qū)以及西南部的徐聞、雷州一帶降水變異不是很顯著。

3.2? 時(shí)間變化特征

作出第一模態(tài)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)圖，發(fā)現(xiàn)冬季降水的年際變化特征較明顯，冬季降水異常偏多的年數(shù)多于異常偏少的年數(shù)，而且偏多的水平較高。在1964—2013年中，1982年冬季降水異常偏多的程度最大，2008年的冬季降水異常偏少的程度也比較大，這與2.1所得結(jié)果一致;而冬季降水的年代際變化特征不明顯。

3.3? 周期分析

為了得出異常變化的周期，用譜分析的方法對(duì)廣東冬季降水量距平EOF分解的第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果如圖2所示，周期為2.5年時(shí)的周期強(qiáng)度最高，其經(jīng)過(guò)了顯著性水平為0.1的顯著性檢驗(yàn)。所以功率譜分析顯示廣東冬季降水具有比較顯著的2.5年周期的年際變化特征，而年代際變化周期不明顯。

對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)的周期圖

4? 廣東冬季降水異常的相關(guān)物理量場(chǎng)分析

上述的分析表明，廣東冬季降水年際差異較明顯，尤其在有些年份冬旱嚴(yán)重。因此，對(duì)冬季降水異常的年份，要分析降水異常的可能原因，我們可以從其相關(guān)物理量場(chǎng)異常特征的角度來(lái)展開(kāi)研究。

以冬季降水量距平值的標(biāo)準(zhǔn)差為基準(zhǔn)，大于1倍標(biāo)準(zhǔn)差的年份選為多雨年;由于少雨年年數(shù)少，為了使合成分析的結(jié)果更準(zhǔn)確，所以降低異常偏少的標(biāo)準(zhǔn)，將小于0.8倍標(biāo)準(zhǔn)差的年份選為少雨年。最終選取的多雨年為：1968、1982、1984、1989、1991、1994、1997、2009，少雨年為：1973、1976、1980、1983、1986、1987、1998、2008。

4.1? 廣東冬季降水異常的環(huán)流特征分析

為了分析環(huán)流場(chǎng)異常所導(dǎo)致的廣東冬季降水異常的成因，首先作出1964—2013年廣東冬季500 hPa氣候平均高度場(chǎng)。然后根據(jù)上面所取的降水偏多和偏少年作冬季500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)合成圖，并與冬季500 hPa平均高度場(chǎng)作對(duì)照，可看出：冬季降水偏多年，在500 hPa距平圖可以看到北冰洋一帶和日本及其東側(cè)的洋面上為正距平，位勢(shì)高度增高，表明東亞大槽變淺，而中低緯度東亞地區(qū)及南亞北部地區(qū)有明顯負(fù)距平，處在東亞大槽槽底偏西的廣東地區(qū)也主要受負(fù)距平控制，說(shuō)明中低緯度東亞地區(qū)冷空氣活躍，而且因?yàn)榈途暥鹊膹V東地區(qū)高度場(chǎng)比常年偏低，經(jīng)向風(fēng)加大，這樣的高空環(huán)流可能有利于干冷和暖濕的空氣交綏，使廣東受到影響，從而使廣東冬季降水偏多;而冬季降水偏少年，亞洲東部主要為負(fù)變高，歐洲及亞洲大部分區(qū)域包括廣東為明顯高度正距平，處在日本海附近的東亞大槽雖然有所加強(qiáng)，但廣東處于東亞大槽槽后偏西地帶且有明顯正變高，因此經(jīng)向梯度減小，不利于冷暖空氣交綏，降水較常年偏少。

4.2? 廣東冬季降水異常的水汽輸送特征分析

由于廣東為沿海省份，冬季降水與水汽輸送有密切的關(guān)系，因此根據(jù)上面所取的降水異常年份作冬季合成850 hPa水汽通量距平及水汽通量散度距平圖。在冬季降水偏多年，廣東上空為水汽通量散度的負(fù)距平區(qū)，結(jié)合近50年廣東地區(qū)冬季的氣候平均水汽通量及散度圖來(lái)看，說(shuō)明降水偏多年的廣東上空為西南風(fēng)正距平控制，水汽通量輻合較強(qiáng)，而且在廣東東北部有一明顯的水汽通量散度負(fù)距平中心，表明在降水偏多年該地區(qū)得到的水汽較常年和其他地區(qū)異常偏多，這與前面3.1所得到的結(jié)論是一致的;從水汽通量矢量圖上可見(jiàn)，降水偏多年西南風(fēng)異常顯著，西南風(fēng)所攜帶的水汽主要從孟加拉灣經(jīng)中南半島及南海輸送到廣東上空。而降水偏少年的情況則與之相反，冬季降水偏少年主要受東北風(fēng)正距平控制，西南風(fēng)分量異常偏小，西南風(fēng)的負(fù)異常使輸送到廣東地區(qū)的水汽較少，水汽供應(yīng)不足，進(jìn)而導(dǎo)致冬季廣東地區(qū)降水偏少，冬季干燥少雨。

由以上分析可以進(jìn)一步說(shuō)明：區(qū)域內(nèi)得到水汽的多（少）決定了降水量的相對(duì)多（少）。

4.3? 廣東冬季降水異常的渦度和散度場(chǎng)分析

按照以上所取的降水異常年份作出廣東冬季降水異常偏多年和偏少年的合成850 hPa渦度距平及散度距平圖。在廣東冬季降水偏多年，冬季的廣東地區(qū)主要被散度負(fù)距平以及渦度正異常控制，說(shuō)明控制廣東地區(qū)冬季氣候的冷高壓反氣旋環(huán)流較弱，下沉運(yùn)動(dòng)也較弱，其低層主要表現(xiàn)為西南風(fēng)輻合，有利于降水偏多。而在降水偏少年，冬季的廣東地區(qū)主要被散度的正距平以及渦度負(fù)異常控制，說(shuō)明廣東地區(qū)的低層主要為高壓反氣旋控制下的下沉運(yùn)動(dòng)，攜帶水汽的西南風(fēng)輻合較弱，使降水比常年偏少。同時(shí)也可以明顯看出在廣東東北部渦度和散度的異常程度比廣東省其他地區(qū)大，而廣東省的西南部的徐聞地區(qū)異常程度較小，這同樣驗(yàn)證了3.1得到的結(jié)論。

5? 結(jié)? 論

通過(guò)以上對(duì)1964—2013年廣東地區(qū)冬季降水分布特征的分析，得到如下的結(jié)論：

（1）在1964—2013年中，廣東冬季和全年降水隨時(shí)間呈基本一致的波動(dòng)變化，但也有少數(shù)幾年兩者呈反相變化。在地域分布上，冬季降水和全年降水差異較明顯。冬季北多南少，且由北到南逐次遞減，而全年降水量在中部和靠近南海的陽(yáng)江一帶的地區(qū)較多，其他地區(qū)較少，最南端徐聞地區(qū)在冬季和全年降水中都達(dá)到最小值，其冬季干旱相對(duì)嚴(yán)重。

（2）EOF分析表明，第一模態(tài)為廣東冬季降水量距平變化的主模態(tài)，方差貢獻(xiàn)達(dá)85.04%，其空間特征向量場(chǎng)的值均為正值，為全區(qū)一致型分布，變異中心在廣東東北部河源、佛岡一帶。譜分析得出第一模態(tài)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)顯示了1964—2013年廣東冬季降水有明顯的周期為2.5年的年際變化特征，降水偏多的年份數(shù)多于偏少的年份數(shù)，正異常最大在1982年，負(fù)異常最大在2008年。

（3）廣東冬季降水異常偏多（少）對(duì)應(yīng)著不同的各相關(guān)物理量場(chǎng)異常。冬季降水偏多（少）年：廣東地區(qū)500 hPa高度場(chǎng)為負(fù)（正）距平;廣東上空850 hPa為水汽通量距平輻合（輻散）區(qū)，西南風(fēng)分量大（小），輸送水汽充足（較少）;850 hPa低空主要受散度負(fù)（正）異常和渦度正（負(fù)）異常控制，空氣的輻合運(yùn)動(dòng)較常年強(qiáng)（弱）。這些相關(guān)物理量場(chǎng)的異常導(dǎo)致了廣東冬季降水較常年偏多（少）。

參考文獻(xiàn)：

[1] 凌良新，章鷹，陳往溪.廣東年、季降水量時(shí)空變化分布特征 [J].廣東氣象，2008，30（6）：24-27.

[2] 李江南，王安宇，蒙偉光，等.廣東省前汛期和后汛期降水的氣候特征 [J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（3）：91-94+98.

[3] 賀海晏.近40年廣東省的旱澇特征 [J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，1998（4）：297-305.

[4] 王江曼，李春.太平洋年代際濤動(dòng)對(duì)ENSO與華南冬季降水關(guān)系的可能影響 [J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，45（8）：1-9.

[5] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù) [M].北京：氣象出版社，1999.

作者簡(jiǎn)介：徐娟（1993.12—），女，漢族，云南楚雄人，助理工程師，本科，學(xué)士學(xué)位，研究方向：氣候分析。