近六十年中國華西地區秋季降水時空特征分析

鄧 歡 華 維 馮亮亮 夏昌基 鄧 浩

(1.成都信息工程大學大氣科學學院/高原大氣與環境四川省重點實驗室/四川省氣象災害預測預警工程實驗室,四川 成都 610225;2.中國科學院大氣物理研究所竺可楨—南森國際研究中心,北京 100029)

0 引言

中國華西地區主要包括四川、重慶、云貴北部、湖北湖南西部,甘肅和陜西南部等地,區內地形地貌復雜,來自北方的冷空氣與南方暖濕空氣多在此匯集,從而形成華西地區秋季多雨的獨特氣候現象。華西地區秋季降水的主要特征表現為降水持續時間長、量級小,以綿綿細雨為主,降水量僅次于夏季。由于通常發生在秋收時期,長時間陰雨天氣可對農業生產產生不利影響[1],有時也會出現極端降水事件并誘發山體滑坡和泥石流等次生災害[2]。因此,華西地區秋季降水的時空特征及其異常機理一直備受關注。

不少學者從不同角度對華西地區秋季降水的時空變化特征及其環流背景進行了研究。20世紀80年代,已有研究指出華西地區秋季降水是引起長江上游秋汛的最直接原因,但華西地區秋季降水并非常年顯著,而是存在明顯的少雨和多雨的年際變化特征[3]。在華西地區秋季降水的年際和年代際變化特征方面,徐金霞等[4]發現華西地區秋季降水在20世紀80年代中期發生了年代際轉折,具體為20世紀80年代中期以前秋季降水偏多,之后轉為降水偏少,這與羅霄等[5]的研究結果基本一致。陳剴等[6]進一步指出華西地區秋季降水的年代際突變發生在1998年前后,20世紀60年代至80年代中后期秋季降水為減少趨勢,90年代至21世紀10年代為增加趨勢。同時,一些研究[7-9]還對華西地區秋季降水的多時間尺度周期特征進行了分析,相關研究結果表明華西地區秋季降水存在明顯的準4 a和準6 a的周期變化。對華西地區秋季降水的個例分析[10-13]也發現,引起華西地區秋季降水異常的主要環流系統包括能量鋒區、烏拉爾山高壓脊、南亞高壓、巴湖槽、東亞急流軸向北加強移動、西太平洋副熱帶高壓加強西伸以及東南亞西南季風等因素。此外,華西地區秋雨的多寡也與高原地表熱源[14]、印度洋偶極子[15]、熱帶大氣季內振蕩[16]、北半球歐亞秋季遙相關[17]以及東亞西風急流強度[18]等因子有關。上述研究加深了對中國華西地區秋季降水的認識,然而由于華西地區秋季降水的復雜性,仍需進一步采用時間尺度更長、空間分辨率更高的資料對華西秋季降水變化特征及其異常的環流背景進行診斷分析。鑒于此,本文利用1961-2020年高分辨率逐日格點降水資料和再分析資料,通過多種統計方法對華西地區秋季降水的時空變化特征及異常環流背景進行分析。

1 資料與方法

1.1 資料

降水量資料為基于全國2416個地面氣象臺站降水量觀測數據通過“距平逼近”插值方法得到的CN05.1逐日降水格點數據集,其空間分辨率為0.25°×0.25°[19]。大氣環流資料采用美國國家環境預報中心和美國國家大氣研究中心(national centers for environmental prediction and national center for atmospheric research,NCEP/NCAR)提供的1961-2020年逐月再分析資料,要素包括風場、比濕場、地表氣壓場、高度場和垂直速度場,該資料空間分辨率為2.5°×2.5°[20]。

1.2 方法

采用施能[21]定義的氣候趨勢系數分析華西地區秋季降水量的變化趨勢;利用相關分析方法[21]分析秋季降水與秋雨指數之間的相互關系;使用Morlet小波分析方法[22-23]研究華西地區秋季降水變化的多尺度時頻結構;利用合成分析方法[24]分析華西地區秋季旱澇年對應的環流背景特征,并通過t檢驗方法[21]進行顯著性檢驗。本文秋季為9-11月,華西地區為(25 °N～36 °N,100 °E～111 °E)。

2 結果分析

2.1 華西地區秋季降水時間演變特征

圖1為區域平均的華西地區秋季和9-11月降水量年際變化曲線。由圖1(a)可知,華西地區秋季降水量的氣候平均值為235.8 mm,而9-11月各月分別為127.9 mm、75.9 mm和32 mm。進一步分析可以發現,華西地區秋季降水最多的年份出現在2014年,降水量達到308.3 mm,而最小值出現在 1998年,僅為157.4 mm,其年代際變化大致可分為兩個階段,第一階段從1961-1998年,降水量主要呈減少趨勢;第二階段從1999-2020年,秋季降水呈明顯的增加趨勢。從各年代平均值可知,從1960年代開始降水逐漸減少,到1990年代達到最低值,為208.2 mm,2000年代開始秋季降水量較前一年代略有增加,到2010年代降水迅速增加,達到最大,為270.4 mm。

進一步對秋季各月降水量的年代際特征進行分析。由9月降水量變化曲線(圖1b)可知,降水最多的年份為2014年,降水量達到182.7 mm,最小值出現在1998年,僅有76.6 mm,該月降水量的年代際變化特征與秋季降水量基本一致,均表現為1960年代到1990年代減少,之后增加的變化趨勢。從各年代平均值可以看出,1960年代到1980年代降水量變化不大,至1990年代達到最低值,之后緩慢增加,到2010年代開始迅速上升。華西地區10月最大降水量(圖1c)出現在2017年,達到112.4 mm,最小為 1979年,為48.5 mm,其年代際變化主要呈現“減少—增加—減少—增加”的趨勢,其中1980年代降水量最少,為70.1 mm,而2010年代達到最大的82.5 mm。11月降水量(圖1d)最大值出現在1963年,為63.5 mm,最小值為1988年,降水僅有12.3 mm,其年代際變化趨勢相對并不顯著。

2.2 華西地區秋季降水空間分布特征

圖2為多年平均的華西地區秋季及各月降水量空間分布。由秋季累積降水量空間分布(圖2a)可知,受地形和環流系統影響,華西地區秋季降水的空間分布極不均勻,其大小在70～400 mm,主要表現出華西東部和西南部地區降水較多,而西部和北部地區降水較少的特征,且同時存在多個降水大值中心,其中最大降水中心位于重慶、四川和陜西三省交界地區,其次是位于四川西南部和云貴交界處的兩個降水中心。進一步分析華西地區秋季各月降水量空間空間分布(圖2b～d)可知,秋季各月降水大值中心隨時間逐漸向東南方向回撤,量級也隨之減小,其中9月降水大值中心分布與秋季累積降水量大值中心基本一致,表明9月對秋季季節降水的貢獻最大。

為進一步分析華西地區秋季降水量的地域特征,給出了降水百分率的空間分布圖(圖3)。由圖可知,華西地區秋季累積降水量占全年總降水量比例在12%～31%,且北部高于南部,其最大中心位于陜西南部,相較于降水大值中心明顯北移,而最小中心主要位于四川東南部和貴州東部(圖3a)。9-11月(圖3b～d)降水百分率逐漸減小,且大值中心同樣較降水量中心有所北移。

圖4為華西地區秋季及各月降水的趨勢相關系數空間分布。由圖4(a)可知,秋季累積降水量變化趨勢較為復雜,主要表現為降水增加、減少區域交錯分布的特點,其中降水顯著增加的區域分別位于川西高原、重慶北陜西交界地區以及湖南西部地區,而降水量顯著減少的區域則主要集中在陜甘交界地區、四川盆地中部以及云貴一帶。9月華西地區降水量趨勢系數空間分布(圖4b)與秋季累積降水量相似,但除貴州降水顯著增加外,其余顯著變化區面積均有所減小。10月華西地區降水量趨勢系數(圖4c)則主要表現為華西地區中部增加、南部減少的趨勢,主要的增加中心位于重慶北部和四川西北部。11月降水量趨勢系數空間分布(圖4d)由西往東變線為“增加—減少—增加”的特征,但僅有貴州和云南部分地區通過顯著性檢驗。

2.3 華西地區秋季降水指數變化特征

以往研究[25]指出,9-10月降水異常對秋季整體降水的空間分布起著決定性作用,由上文分析也可發現,11月華西地區降水量較少,對秋季累積降水的影響并不明顯。因此,進一步將華西地區9-10月平均降水定義為秋季降水指數以表征該地區秋季降水的總體變化特征(圖5)。從圖5(a)可知,華西地區秋季降水總量與秋季降水指數的變化基本一致,其相關系數達到0.94,通過95%的顯著性水平檢驗,而從秋季降水指數與秋季降水量的空間相關系數分布(圖5b)也可發現,相關系數以顯著的正相關為主,僅川西高原少部分地區為負相關分布,除云南和四川西部部分地方沒有通過顯著性水平檢驗,其余區域都通過了95%顯著性水平檢驗,這與Zhu等[26]的研究結果一致,因此采用秋季降水指數表征華西地區秋季降水量的變化特征是較為合理的。

為分析華西地區秋季降水的周期特征,采用Morlet小波分析方法對秋雨指數進行了周期分析(圖6)。由圖6(a)可知,1961-2020年華西地區秋季降水主要存2～4 a短震蕩周期、6～12 a和14～20 a中震蕩周期以及25～32 a長震蕩周期。進一步由圖6(b)小波方差分布可知,華西秋季降水存在多個明顯的峰值,分別為3 a、6 a、9 a和17 a,其中17 a的震蕩周期最強,是華西地區秋季降水的第一主周期,對應秋季降水存在多次“偏少—偏多”的中周期交替變化。

2.4 與華西地區秋季降水異常相關的環流特征

為進一步探討影響秋季降水的環流背景,對華西地區秋季降水極端旱澇年進行合成分析。首先計算華西地區秋季降水指數的標準化時間序列,選取大于1的年份為降水偏多年,小于-1的年份為降水偏少年(表1)進行合成。

水汽是導致降水異常的關鍵影響因子。圖7為華西地區秋季降水偏多和偏少年850 hPa風場、整層積分的水汽通量和水汽通量散度合成圖。由降水偏多年850 hPa風場合成場(圖7a)可知,巴爾喀什湖以東為明顯的異常反氣旋環流中心所控制,其南側為顯著的偏東異常氣流,可將北太平洋地區水汽輸送至華西地區,而華西地區南部則為異常的偏南氣流控制,大量源于印度洋和西太平洋的暖濕氣流通過氣流輸送至華西地區,兩支異常氣流在華西地區相遇有利于降水增加。從整層積分的水汽通量差值場(圖7c)可知,影響華西地區降水異常的水汽主要來自西太平洋地區。進一步從水汽通量散度差值場(圖7e)發現,華西地區大部分為水汽通量散度的顯著負異常中心,表明大量水汽在該地區輻合,有利于華西地區秋季降水增加。由降水偏少年850 hPa風場(圖7b)、水汽通量場(圖7d)和水汽通量散度合成圖(圖7f)可知,與澇年相反,華西地區上空主要以偏北氣流為主,其水汽含量遠小于澇年,并且以輻散為主,不利于華西地區降水發生。

圖8為華西地區秋季降水偏多和偏少年海平面氣壓和500 hPa位勢高度場合成圖。在降水偏多年海平面氣壓合成場(圖8a)上,東亞地區海平面氣壓為東正西負分布,華西地區主要為負值分布,而降水偏少年則相反,東亞地區海平面氣壓差值場為西正東負形勢,華西地區主要為正異常分布,表明大陸性高壓增強,副熱帶高壓減弱,不利于華西地區降水形成。進一步由500 hPa位勢高度差值場可以發現,降水偏多年在巴爾喀什湖以東為顯著的負異常中心,中國中東部為顯著的正異常中心,這與旱年500 hPa位勢高度分布相反,表明華西地區秋季降水與巴爾喀什湖大槽和西太平洋副熱帶高壓聯系密切,當巴爾喀什湖大槽加深,太平洋副熱帶高壓增強并西伸北抬時有利于華西地區秋季降水形成,反之亦然。

垂直速度對大氣水汽和能量的垂直輸送有重要影響[27]。圖9為華西地區秋季垂直速度沿100°E～111°E的垂直剖面圖。由圖可知,華西地區秋季降水偏多和偏少年垂直速度差值存在明顯差異,降水偏多年華西地區上空垂直速度為負值分布為主,最大負中心出現在30°N～35°N附近,表明華西地區上空氣流主要為上升運動為主,有助于降水形成,而降水偏少年在華西地區上空為垂直速度正值中心所控制,表明降水偏少年華西地區主要為下沉運動,不利于對流活動增強。

3 結論

本文利用1961-2020年CN05.1逐日降水量資料和NCEP/NCAR再分析資料,通過線性趨勢、小波分析以及合成分析等統計方法對近60 a來中國華西地區秋季降水的時空變化特征及異常的環流背景進行了分析,得到以下結論::

(1)華西地區近60 a來秋季累積降水、9月、10月和11月降水氣候平均值分別為235.8 mm、127.9 mm、75.9 mm和32 mm,且存在明顯“先增加后減少”的年際變化特征,以及“偏多—偏少—偏多”的年代際變化特征。

(2)受地形和環流影響,華西地區秋季降水的空間分布極不均勻,其中秋季累積降水主要表現為華西地區東部和西南部地區降水較多,而西部和北部地區降水較少的特征,且存在多個降水大值中心,最大降水中心位于重慶、四川和陜西三省交界地區,而9-11月各月降水大值中心逐漸向東南部移動,量級也隨之減小,其中9月對秋季季節降水的貢獻最大。

(3)秋季累積降水量的變化趨勢較為復雜,主要表現為降水增加、減少交錯分布的特點。9月變化趨勢與秋季累積降水量相似,10月則主要表現為華西地區中部增加,南部減少的趨勢。11月降水量趨勢系數空間分布由西往東變線為“增加—減少—增加”的特征。

(4)根據9、10月降水量定義的秋季降水指數能夠較好地表征華西地區秋季降水的基本變化特征,小波分析表明華西地區秋季降水存在3 a、6 a、9 a和17 a的準震蕩周期,第一主周期經歷了多次“偏少—偏多”交替變化。

(5)華西地區秋季降水偏多和偏少年大氣環流表現出反位相變化特征,降水偏多年巴爾喀什湖大槽加深,西太平洋副熱帶高壓增強且西伸北抬,源于西太平洋地區的水汽在華西地區輻合上升,有利于降水增加,反之亦然。