近60 a西南雨季降水變化特征

高煥昕, 毛文書, 師春香, 粟 運, 張 皓

(1.成都信息工程大學大氣科學學院,四川 成都 610225;2.國家氣象信息中心,北京 100081)

0 引言

基于IPCC第五次評估報告,全球溫度受高于工業化前1.5℃變暖影響,全球平均降水量同樣隨著全球平均地表溫度的增加而增加,陸地變暖的加劇及其區域變化也會影響降水的區域分布[1-2]。中國西南地區位于青藏高原東南側的低緯度帶,海拔高低起伏,具有尤為復雜的地形地貌特征。青藏高原、云貴高原、橫斷山脈及四川盆地特殊地形造成了該地域降水量空間分布的不均勻性;又因其主要氣候類型為亞熱帶季風氣候,從而受到多種季風系統交替影響,致使該地區降水季節差異性較大,干濕季分明,是西南夏季風攜帶水汽進入中國的門戶區域[3-4]。5-10月為西南地區的雨季,大部分地域該時期的降水占年總降水量近80%[5]。因為5月是中國西南大部分地區農作物的關鍵栽種期,因此本文對西南地區雨季降水的時空演變特征進行探討,希望對農作物栽種及政府決策提供理論上的幫助。

相比于中國東部,關于中國西南地區雨季降水特征的研究相對較少。董謝瓊等[6]指出西南地區降水因為受地形影響導致局地差異大,空間分布不均。除冬季,春、夏、秋年降水量的變化趨勢均呈減少趨勢。晏紅明等[7]指出西太平洋副熱帶高亞的異常變動對西南地區降水的影響。范思睿等[8]對西南區域50 a的空中水資源進行研究,指出西南地區近50年水汽總量呈減小趨向。按春夏秋冬四季劃分,西南地區水汽通道分別來自孟加拉灣和偏西氣流、孟加拉灣和印度洋季風、西太平洋、偏西風和西太平洋。粟運等[9]指出西南地區夏季降水近60年總體呈下降趨勢,且在空間上表現出顯著的地域分型。李永華等[10]指出西南地區東部夏季降水空間分型為全區一致型、南北相反型和東西相反型3種類型,西南東部夏季降水有略增趨勢,且年際及年代際變化特征明顯,顯著周期為2～3年及15年左右。Jiang等[11]指出西南地區冬季降水主要模態為均勻型與北半球環狀模態有較高的相關性。現今表示干濕季節最顯著的指標就是降水量的變化,目前研究多以降水量的變化來進行雨季劃分[12]。張家誠等[13-14]進行了季節劃分方面的研究,規定雨季標為旬雨量與年平均雨量之比的百分率>4%,定義雨季開始日期的旬降水量>全年降水量的3%。晏紅明等[15]則用區域平均來定義西南汛期,即在中國西南某一候空間平均候降雨量>全年72候平均降雨量,同時滿足該條件的站點在該區域超過50%,并且此候之后接連4候的候雨量>72候平均雨量,用來表示雨季開始,而雨季結束日期的判定與此過程相反。由于前人對于西南地區雨季降水研究相對較少,為更好地了解西南地區雨季降水的時空演變特征,本文采用西南地區58年81個氣象站點的逐日降水資料,首先運用EOF方法分析西南地區雨季降水的空間分布類型,接著運用REOF方法對西南地區進行分區討論,最后運用線性趨勢估計、Mann-Kendall突變檢驗及莫萊特小波分析對每一分區雨季降水的時空演變特征進行詳細說明。

1 資料和方法

文中所指西南地區是21°N～34°N、97°E～109°E的區域,主要包括四川省、云南省、貴州西部及重慶大足地區,西南地區各站點及海拔分布如圖1所示。

圖1 西南地區站點及海拔分布圖

基于1960-2017年西南地區81個氣象站點的逐日降水量資料,西南雨季降水的開始日期和結束日期資料進行研究分析。具體步驟為:在西南地區58年81個站的逐日降水資料中,按照晏紅明等[15]的方法對雨季降水開始和結束日期進行篩選,所得區間的總降水量即為西南地區雨季降水量數據集。通過經驗正交函數(EOF)[16]展開方法,確定西南雨季降水量空間分布類型;接著運用旋轉經驗正交函數分解(REOF)[16]分析方法由高載荷區進行空間區域詳細劃分歸類;最后運用線性趨勢估計、Mann-Kendall突變檢驗[17-18]及莫萊特小波分析[19-21]這3種氣候變率診斷和預測方法對各區空間平均的雨季降水的突變年份和變化周期進行詳細討論。

2 西南雨季特征量變化

西南雨季開始日期見圖2(a),近60 a來,西南雨季多年平均開始日期是5月26日,最早出現在1964年5月4日,最晚出現在1977年6月18日,西南雨季開始日期略有后延的趨勢。晏紅明等[15]指出,在西南地區雨季開始時間早與晚主要與中低緯地區冷空氣活動密切相關。雨季開始較早時,冷空氣對西南地區的影響較為頻繁;反之雨季開始時間較晚時,高低層氣溫負距平并不明顯。

西南雨季結束日期見圖2(b),近60 a來,西南雨季多年平均結束日期是10月13日,最早結束在10月1日,位于1962年、1972年、2007年、2014年及2016年;最晚結束在1965年11月5日,雨季結束日期有提前結束趨勢。晏紅明等[15]指出西南雨季結束日期與冷空氣活動關系密切度不大,但與夏季型環流向冬季型環流轉變的時間較為一致。

西南雨季長度日期見圖2(c),近60 a來,西南雨季長度平均為142天,雨季最短只有123天,出現在1977年,雨季最長有163天,出現在2001年,西南雨季長度有縮短趨勢。而近60年的西南雨季天數縮短趨勢正對應了下面所研究的西南雨季降水量呈負變化的趨勢。

圖2 西南地區雨季特征量變化

3 西南雨季降水量的時空變化

如圖3所示,整個西南地區雨季降水呈負趨勢,年代際變率為-9.865 mm/10 a,這與董謝瓊等[6]所研究的西南地區近40年來,除冬季外,春、夏、秋年降水量都表現出負趨勢強于正趨勢的降水變化趨勢結果相似。

圖3 西南地區空間平均的雨季降水線性趨勢圖

由圖4(a)可知,西南地區近60 a來雨季降水量空間分布不均勻,西南雨季降水量自東南向西北大體呈減小趨勢。總降水量在250～1800 mm變化,由于西南地區獨特的地形和山脈影響,造成多雨區及少雨區交替分布。主要有3個降水高值區,分別位于四川中部峨眉山地區以及云南西部和南部,中心值超過1000 mm,并且在高值區降水梯度也較大;而川西高原雨季降水量相對較少,年平均雨季降水量不足500 mm,且分區分布較均勻。

由圖4(b)可知,西南地區雨季降水的年代際變率大體由南到北呈先減少再增加趨勢。川西北高原及云南除南部地區以外的大部分地區年際變率為負值,其余部分為正值,其中川西北高原雨季降水年代際變率較大,較其他地區降水不穩定,這恰恰說明了年降水量豐富的區域年變率小,而年降水量少的區域年變率大的觀測事實。以上結論表明西南地區雨季降水呈現出顯著的空間差異性。

圖4 西南地區平均58年雨季降水的空間分布以及各站點降水年際變率分布圖

4 西南雨季降水的空間分型

4.1 西南雨季降水量的EOF分解

首先對雨季降水數據集求距平作EOF分析,精確探討西南地區不同地域雨季降水的空間特征。其中,前4個模態的方差貢獻率分別為21.6%、12.4%、10.6%、5.9%,累計方差貢獻率達到50.5%,能夠較好地模擬出西南地區雨季降水的空間分布類型。因此選取前4個特征向量場作為西南地區雨季降水的前4個模態。

第1載荷向量場所描述的形態占總場的21.6%,是西南地區雨季降水空間分布的主模態。從圖5(a)可知,西南地區西北部的川西高原,東北部的四川盆地及其周圍山地及香格里拉地區最西邊雨季降水場具有負距平,其余地區均為正距平區。在云貴高原交界處,昆明普安一帶尤其顯著,正值區覆蓋地區范圍廣。西南地區雨季降水呈現出以全區域一致偏高或者一致偏低為主,因此從區域角度來考慮西南雨季降水空間分布是合理的。由時間序列分析圖5(e)可知,2008年以后時間系數全為負值,是下降負趨勢,說明在2008年以后雨季降水的空間分布形態與EOF第1模態相反,全區大范圍以降水減少為主。在2001年時間系數值最大,是降水增多最為明顯的年份,而在2011年時間系數值最小,是降水減少最為明顯的年份。

第2載荷向量場所描述的形態占總場的12.4%。由圖5(b)可知,西南地區中部及東南部,包括除云南中東部及貴州西部地區雨季降水場具有正距平,其余地區為負距平區。正距平大值區集中在興義、望謨一帶。負距平主要在諾爾蓋-雅安-大足為界的西南地區東北部。表明西南地區雨季降水西南-東北的變化呈負-正-負分布的空間特征。由時間序列分析圖5(e)可知,1986年、1997年、2006年的時間系數正值較大,是雨季降水量相對增多明顯的年份。而在1961年、1966年、1975年、1981年和2013年的時間系數值較小,是雨季降水量相對減少明顯的年份。

第3載荷向量場所描述的形態占總場的10.6%,與第2特征向量所占比重相當。由圖5(c)可知,西南地區中部及南部,包括云南中南部及成都平原地區雨季降水場具有正距平,其余地區為負距平區。負距平主要在四川省東北部萬源一帶。整個西南地區云南省主要為正,而其他地區由東到西變化呈負-正-負的空間特征。由時間序列分析圖5(e)可知,1966年、1973年、1977年、2016年的時間系數值較大,是雨季降水量相對增多明顯的年份。而在1965年、1974年、1983年、1993年、2000年的時間系數值較小,是雨季降水量相對減少明顯的年份。

第4載荷向量場所描述的形態占總場的5.9%。由圖5(d)圖可知,西南雨季降水呈西北-東南反位相變化。正值區集中在貴州西部地區,負值區集中在川西高原地區。造成這種位勢變化原因是受西太平洋副熱帶高壓系統的影響,由于副高增強偏西的影響,西南地區東部受副高控制,干旱少雨,西部受副高西南暖濕氣流水汽輸送而多雨。從時間序列分析圖5(e)可知,1967年、1983年的時間系數正值較大,是雨季降水量相對增多明顯的年份。而1998年的時間系數值較小,是雨季降水量相對減少明顯的年份。

圖5 西南地區雨季降水EOF前4個模態空間分布及相應的時間系數序列

綜上所述,由西南地區雨季降水量的總體空間分型可以看出,西南地區雨季降水明顯存在東西或南北差異,且其空間分布較為復雜,時間序列分析多數模態為全局震蕩。因此為進一步探討西南地區雨季降水的局部特征,將進行旋轉主成分分析西南地區雨季降水距平場。

4.2 西南雨季降水量的REOF分解

在上述EOF分解的基礎之上,選取前4個特征向量進行旋轉,旋轉后前4個模態的累計方差貢獻率達到54%,且旋轉后載荷向量特征值明顯變大,這樣就能進一步探討西南地區雨季降水的局地空間分布特征。根據前4個模態(圖6a～e)的絕對值大于0.5的高旋轉載荷向量的特征值,再結合西南地區海拔、地形等條件,把西南地區劃分成3個主要空間變化區(圖6e)。1區為川西高原區,該地區主要受高原季風影響,王穎等[24]研究了高原季風的季節進程對應著西南地區雨季起止時間,而高原季風的位置及強弱亦會對西南雨季降水強度產生影響。2區主要為云南區,該地區主要受印度季風影響,代冰冰等[23]研究結果表明印度季風開始期與云南雨季開始期的相關性較好。3區為四川東北部以及重慶南部及貴州西部地區(簡稱東部區),該地區主要受西太平洋副熱帶高壓的影響,李永華等[24]指出西南地區東部降水與西太平洋副熱帶高壓變化存在明顯的年際和年代際變化特征,表明當副高脊線位置偏北時,西南地區東部夏季易干旱,反之易洪澇。

圖6 西南地區雨季降水REOF前4個模態空間分布以及分區結果

5 各區域雨季降水的時間變化特征

5.1 川西高原區

圖7為川西高原區的降水特征。由圖7(a)看出該區域雨季降水的年代際變率為-0.067 mm/10 a,趨勢略有減小。從21世紀初到2010年左右該地區雨季降水有減少趨勢。20世紀60年代到21世紀初期,降水量呈波動變化。該區域雨季降水量的最小值出現在2010年左右,最大值出現在2000年左右。由圖7(b)可以看出,在20世紀70年代初期至80年代中后期,UF統計量為負值,表明該地區雨季降水總體呈下降趨勢,而從90年代初至今,UF統計量基本上均為正值,表明該區雨季降水呈上升趨勢。由UF和UB曲線交點的位置判別出,該區域雨季降雨量在1964-1968年、1980-1982年、2005年、2011年均存在突變。然而這些交點都位于顯著性水平線內,說明這些突變時間點為不顯著突變。由圖7(c)看出,該區1960-2017年58年的空間平均降水在不同時間尺度上的周期震蕩,等值線為負的代表降水偏少,正的代表降水偏多,小波系數為0的對應突變點。該區域顯著的降水周期有準5 a周期、準10 a周期以及準30 a周期。5 a以下的周期,從20世紀60年代到21世紀初一直存在。5～10 a的時間尺度上,從20世紀70年代初期到90年代初期經歷了多-少-多的準四年周期震蕩。在10～15 a的時間尺度上,從20世紀60年代到90年代,存在少-多-少的準3年周期震蕩。在10～20 a的時間尺度上,從20世紀70年代迄今經歷了少-多-少的準5 a周期震蕩。從較長時間尺度來看:從20世紀60年代中期直到2017年,經歷了少-多-少的循環交替,而且直到2017年等值線也未閉合,說明未來一段時間內雨季降水將繼續減少。

圖7 川西高原區線性趨勢變化、MK突變檢驗及小波分析

5.2 云南區

圖8為云南區的降水特征。由圖8(a)看出,該區域雨季降水年代際變率為-11.93 mm/10a,呈減小趨勢。徐靜等[25]亦得出1968-2018年云南地區夏季降水呈現減少趨勢。從20世紀60年代到90年代雨季降水呈波動狀態,在20世紀90年代初到21世紀初降水有增加趨勢,而在21世紀初到10年代間降水下降較為明顯。該區域雨季降水的最大值為本世紀初期,最小值出現在2012年左右。由圖8(b)看出,在研究區間,雨季降水在1988年,2003-2007年均存在突變,然而這些交點均位于顯著性水平線內,說明這些突變時間點為不顯著突變。由圖8(c)知,該地區主要存在準5 a、準10 a、準20 a的降水周期。 5 a以下的周期,并不明顯。5～10 a的時間尺度,從20世紀60代到21世紀初一直存在,全年的降水出現了顯著的豐水/枯水的交替,具有全域性的特點。10～20 a的時間尺度上,從20世紀60年代中期至21世紀2010年左右,經歷了多-少-多的準3 a周期震蕩,其周期變化穩定。從較長時間尺度來看:從20世紀60年代至今,經歷了多-少-多的準2 a周期震蕩,而且直到2017年等值線也未閉合,說明未來一段時間內雨季降水將繼續減少。

圖8 云南區的線性趨勢變化、MK突變檢驗以及小波分析

5.3 東部區

圖9為東部區的降水特征。由圖9(a)看出,該區域雨季降水具有減小的趨勢,年代際變率為-16.972 mm/10 a。20世紀60年初期到70年代初雨季降水量有顯著減少的趨勢,20世紀70年代到2010年左右,降水量呈波動減少趨勢。雨季降水量的最小值出現在1970年左右,最大值出現在1960年左右。該地區雨季降水在1972年,1986-1988年發生突變。且1972年位于顯著性水平線外,說明1972年為顯著突變年份。由圖9(c)可以看出,該地區分別存在準5 a、準10 a的變化周期。5 a以下的周期,并不明顯。5～10 a,從20世紀60代到21世紀初一直存在,全年的降水出現了顯著的豐水/枯水的交替,具有全域性的特點。從較長時間尺度來看:從20世紀60年代到21世紀2010年左右經歷了多-少-多的交替循環。

圖9 東部區的線性趨勢圖、MK突變檢驗圖以及小波分析

6 結論

(1)近60 a來,西南地區雨季降水年代際變率為-9.865 mm/10 a,呈負趨勢。西南地區雨季降水高值區有3個,各自位于四川中部峨眉山地區以及云南西部和南部,中心值超過1000 mm,并且在高值區降水梯度也較大。而川西高原雨季降水量相對較少,年平均雨季降水量不足500 mm,且分區分布較均勻。西南雨季降水量自東南向西北大體呈減小趨勢。西南地區雨季降水的年代際變率大體由南到北呈先減少再增加趨勢,其中川西北高原雨季降水較其他區域降水不穩定。

(2)雨季降水量EOF分析表明:第1模態顯示西南雨季降水為全區一致型,第2模態顯示西南雨季降水西南到東北呈 “負-正-負”的分布類型,第3模態顯示西南地區雨季降水除云南省外由東到西為“負-正-負”的分布類型,而第4模態顯示西南地區雨季降水在西北-東南呈反位相變化。

(3)雨季降水量REOF分析表明:根據前4個模態的高載荷區及西南地區地形、海拔等因素,把西南地區分成3個區域,1區為川西高原地區,2區為云南區以及3區為東部區,三區的雨季降水量均呈下降的趨勢。

(4)西南地區三個區域雨季降水量均存在顯著的周期變化特征。其中:川西高原區主要存在準5 a周期、準10 a周期以及準30 a周期;云南區存在準5 a、準10 a、準20 a的降水周期;東部區主要存在準5 a和準10 a的變化周期。由此可知,三個分區均存在準5 a和準10 a的共同主周期。