我国西南地区东部夏季降水的时空特征.doc
李永华 , 徐海明 , 白莹莹 , 等 . 我国西南地区东部夏季降水的时空特征 J . 高原气象 , 2010 , 29 (2) : 523 - 530我国西南地区东部夏季降水的时空特征李永华1 - 2 ,徐海明1 ,白莹莹2 ,强1 ,何泽能2李( 1 . 南京信息工程大学 气象灾害省部共建教育部重点实验室 , 江苏 南京 210044 ;2 . 重庆市气象科学研究所 , 重庆 401147)摘 要 : 利用 1959 2006 年西南地区东部 20 个测站和中国 740 个测站的逐日降水量资料 , 采用 EO F 、Mann - Kendal 、M ESA (最大熵谱分析) 、Mo rlet 小波 、线性相关等方法 , 分析了西南地区东部夏季降 水的时空演变特征 。结果表明 : 西南地区东部夏季降水量大体分为 3 种类型 , 即全区域一致型 、南北 相反型和东西相反型 , 其中全区域一致型是西南地区东部夏季降水最主 要的分布型 , 出现频率达到60 %以上 。在整个时间域内 , 西南地区东部夏季降水略有增加的趋势 ; 在 20 世纪 60 年代和 70 年代总 体偏旱 , 而在 80 年代前期总体偏涝 , 80 年代中后期开始波动加剧 , 旱涝交替发生 , 但总体相对偏涝 ;21 世纪初以来 , 西南地区东部总体偏旱 ; 1959 年以来 , 1998 , 1980 和 1993 年是降水偏多最明显的年 份 , 而 2006 年和 1972 年降水偏少最明显 。西南地区东部夏季降水的年际及年代际变化特征均较明显 , 存在 23 年 、15 年左右的显著周期 。西南地区东部与宜宾以下的整个长江流域和西藏东部及川西高 原的降水呈显著正相关 , 而与华南及东南沿海地区 、华北中部和四川盆地西部地区呈显著负相关 。关键词 : 西南地区东部 ; 夏季降水 ; 时空特征文章编号 : 100020534 (2010) 0220523208中图分类号 : P463 . 1文献标识码 : A夏季旱涝强度和频率都有加剧趋势 。如 1998 , 2004和 2007 年该地区均发生了区域或局地特大洪涝 , 而 2001 年和 2006 年发生了区域性的特大干旱 , 给 当地造成严重的经济损失和较大的社会影响 , 同时 也引起气象工作者对该区域旱涝变化及其成因的高 度关注 。马振锋等 3 、蒋兴文等 4 的研究表明 , 四 川盆地汛期降水主要存在“东西振荡”的分布型 , 四 川盆地降水呈东 西反 位 相是 一重 要 的模 态 。刘 德等 5 对重庆地区夏季旱涝的变化特征进行了分析 ,1引言气候及其变化越来越受到人们的关注 , 全球变暖对环境 、水资源 、粮食等的影响已成为科学界的重要研究课题 , 也是各国政府作经济和社会决策时 所必须考虑的重要问题 。IPCC 2007 年发布的第四 次评估 ( A R4) 报告 1 指出 , 1906 2005 年的近百年 间地球表面平均温度上升了 0 . 74 , 近 50 年的线 性增温速率达到 0 . 13 / 10a , 这种温度上升趋势还 将持续 , 气候变暖加剧了旱涝等极端天气气候事件 的频繁出现 , 同时也指出 , 全球变暖存在着明显的 区域差异 。我国西南地区东部是夏季降水量较为丰沛的地 区之一 , 但与西南地区其它区域相比 , 西南地区东 部夏季降水变化趋势也有明显的差别 2 - 4 。该区域 夏季降水年际变率较大 , 因此也是夏季旱涝发生频 率较高的地区之一 , 旱涝灾害是该地区最主要的气候灾害 。特别是在全球变暖的大背景下 , 近年来其指出 20 世纪 50 年代末期至 60 年代前期 、70 年代 、90 年代前中期重庆伏旱发生频率较高 , 而 60 年代中后期 、80 年代及 90 年代后期重庆洪涝发生频率 较高 。西南地区东部与四川盆地 、重庆地区并不是 相同区域 , 从上述分析可以看到 , 西南地区东部的 气候特征并不完全同于西南其他地区 , 以往的研究 多是针对四川盆地或重庆地区 6 - 9 , 而将西南地区 东部作为一个整体来分析研究其夏季降水的时空特征尚不多见 。因此 , 本文拟对西南地区东部夏季降收稿日期 : 2009201209 ; 改回日期 : 2009204216基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 40975058) ; 重庆市自然科学基金计划重点项目 ( CS TC , 2008BA0022) ; 中国气象局省所科技发展专项 ( CMA T G2008 S09) ; 重庆市气象局科技计划项目 (zl - 200810) 共同资助作者简介 : 李永华 ( 1972 ) , 男 , 重庆人 , 博士生 , 高工 , 主要从事气候诊断预测及区域气候变化研究. E2mail : l yhcq 163 . co m表 1 西南地区东部 20 个测站20 observation stations in the east of Southwest ChinaTable 1经度/ E纬度/ N经度/ E纬度/ N经度/ E纬度/ N站名站名站名阆中巴中 达州 奉节 遂宁 南充 梁平105°58106°46107°30109°30105°35106°06107°4831°3531°5131°1231°0330°3030°4730°41万州恩施 沙坪坝 涪陵 来凤梓习水108°24109°28106°28107°25109°25106°50106°1330°4630°1729°3529°4529°3128°0828°20酉阳吉首 遵义 湄潭 思南 黔西108°46109°44106°53107°28108°15106°0128°4828°1927°4227°4627°5727°02水的时空特征进行分析 , 这对促进该区域旱涝气候变化的认识以及提高夏季旱涝预测水平 , 进而为该 地区防御旱涝灾害提供科学决策依据具有十分重要 的意义 。式中 n 为样本量 。当相邻的特征值i + 1 满足i - i +1 ei( 2)时 , 就认为这两个特征值所对应的自然正交函数是有价值的信号 。 对西南地区东部夏季降水变化特征分析中 , 分析年代际特征使用线性倾向估计和多项式拟合曲线 方法 。在 分 析 降 水 的 突 变 性 质 中 , 采 用 Ma n n - Ke ndall 方法 14 - 15 , 该方法是一种非参数统计检验 方法 , 其优点在于不需要样本遵从一定的分布 , 也 不受少数异常值的干扰 , 更适用于类型变量和顺序 变量 , 而且计算简便 。在分析降水的平均显著周期 中 , 使用 最 大 熵 谱 分 析 ( Ma xi mum Ent rop y Sp ec2 t r um A nal ysi s , 简称 M ESA) 16 - 17 , 它比通常谱分 析分辨率高 , 峰值偏离少 , 特别适宜于短序列资料 或长周期的分析 。虽然基于 Fo urier 变换的最大熵 谱分析具有很多优点 , 但它只对频率 ( 周期) 具有分 辨率 , 对时间没有分辨率 , 为了揭示西南地区东部 夏季降水的多时间尺度特征 , 拟进一步采用 Mo rlet小波分析方法 18 - 21 。2资料选取和方法介绍本文所指的西南地区东部是 27° 32°N 、105°110°E 范围内的地区 , 主要包括四川东部 、重庆 、贵州北部以及湖南西部局部和湖北西部局部地区 。 本文所使用的资料包括西南地区东部 20 个测站 (表 1) 1959 2006 年逐日降水量资料和全国 740 个测站 1959 2006 年逐日降水量资料 。在计算的 测站中有个别站部分年份资料缺测 , 采用比值订正 法进行了序列插补 。利用西南地区东部 20 个测站逐日降水量资料 计算出各站逐年夏季 ( 68 月) 降水量序列 ( 表 1) , 采用经验正交函数 ( EO F) 展开方法 , 研究夏季降水 量时空分布特征 。EO F 展开是最常用的研究气候 场的方法 10 - 12 , 这种方法的优点在于典型场由气 象要素场序列本身的特征来确定 , 因而能较好地反 映出场的基本结构特征 , 它能在有限区域对不规则 分布的站点进行分区 。此外 , 这种方法展开收敛速 度快 , 很容易将大量资料的信息浓缩集中到前几个 特征向量上 , 可以最大限度地表征气候变量场整个 区域的变率结构 。为了探讨西南地区东部夏季降水 的空间分布特征 , 本文采用 EO F 分析方法 , 并根 据 No rt h et al . 13 提出的计算特征值误差范围来进 行显著性检验 , 其检验方法是 : 先计算特征值的 误差范围 , 即 :1西南地区东部夏季降水的时空分布特征 夏季降水的空间分布特征分析 西南地区东部夏季多年平 均降 水量 是 有差 异33 . 1的 , 计算结果 (图略) 表明 , 西南地区东部夏季降水最多的区域主要是以恩施 、来凤和酉阳为代表的偏 东南地区 , 夏季平均降水量在 550 mm 以上 , 而涪 陵 、南充 、遂宁 、奉节 、 梓 、黔西等地夏季平均降 雨量少于 450 mm 。夏季多年平均降水量最大的是 恩施 , 达到 589 . 2 mm ; 最少的是涪陵 , 仅有 425 . 3mm , 两者差值达 163 . 9 mm 。造成这种降水量分布22ei = i( 1),n2 期李永华等 : 我国西南地区东部夏季降水的时空特征525差异可能与测站所处地理位置及地形有关 。为了进一步分析西南地区东部夏季降水的空间 特征 , 下面采用 EO F 方法对 1959 2006 年西南地 区东部 20 个测站的夏季降水量资料作计算 , 计算 结果如表 2 所示 。EO F 分析通过显著性检验的前几个特征向量所代表的空间分布型是该变量场典型的分布结构 。表 2 西南地区东部夏季降水的 EOF 结果Ta ble 2 EOF results of summer precipitation in the east of Southwest China12345方差贡献/ %42 . 21 . 724 . 7818 . 30 . 752 . 117 . 80 . 320 . 575 . 00 . 200 . 164 . 20 . 170 . 12eii - i + 1图 1 西南地区东部夏季降水 EO F 分析中的前 3 个特征向量场 (a , c , e) 和对应的时间系数 ( b , d , f )Fig. 1 The fir st 3 eigenvecto r s (a , c , e) and t heir co r respo nding ti me coefficient s ( b , d , f ) fo rEO F a nalysi s of summer p recipitatio n in t he ea st of So ut hwest Chi na , resp ectivel y从图 1a 可以看到 , 第一特征向量的各分量符号一致 , 反映了西南地区东部夏季降水变化趋势具有基 本一致的特征 , 高值中心主要集中在重庆的涪陵 、 万州 、酉阳等地区 , 其载荷值达到 0 . 26 以上 。从图1c 可以看到 , 第二特征向量主要反映西南地区东部 夏季降水 南北 变 化 相 反 的 空 间 分 布 特 征 , 也 就 是 说 , 当南部夏季降水偏多 ( 少) 时 , 北部偏少 ( 多) , 其南北分界线大致位于 29° 30°N 之间 。从图 1e 可以看到 , 第三特征向量主要反映西南地区东部夏 季降水东西变化相反的空间分布特征 , 也就是说 , 当东部夏季降水偏多 (少) 时 , 西部偏少 ( 多) , 其东 西分界线大致位于 107° 108°E 之间 。由于 EO F 分析的取样大小对反映真实分布结构存在一定的取 样误差 , 上面分析得到的西南地区东部夏季降水的 空间分布型是否真实存在 , 需从稳定性的角度进一 步加以分析 。下面把 1959 1992 年 ( 34 年) 的夏季 降水场作为基本样本 (记为 N 34) , 然后每次增加 5 年的样本 (记为 N 39 、N 44) 分别作 EO F 分析 , 以便 比较 。表 3 给出了 3 个不同样本前 5 个特征向量的解 释方差及经检验的有效个数 。由表 3 可以看到 , 随表 3 西南地区东部夏季降水 EOF 分析 各分量的解释方差( 单位 : %)Table 3 Variance contributions of principal component of EOF analysis f or summer ra infall in the east ofSouthwest China . ( Un it : %)着样本量的改变 , 解释方差值及有效个数均变化不大 , 各分布型 ( 图 略) 也无 明 显 差 异 , 说 明 经 EO F 分析得到的西南地区东部夏季降水量的空间分布型 是真实存在的 。根据特征向量场可以将西南地区东部夏季降水 量大体分为 3 种类型 , 即全区域一致型 (图 1a) 、南 北相反型 ( 图 1c) 和东西相反型 ( 图 1e) 。再根据时 间权重系数 (图 1 b 、d 、f ) 并结合实际分布状况划分 出西南地区东部夏季降水量 1959 2006 年的逐年 分布型 , 并计算出各分布型的出现频率 (表 4) 。从表 4 可以看到 , 全区域一致型是西南地区东 部 夏 季 降 水 最 主 要 的 分 布 型 , 其 出 现 频 率 最 高 (62 . 5 %) , 其次是南北相反型 ( 27 . 1 %) , 最少的是 东西相反型 ( 10 . 4 %) 。20 世纪 90 年代和 80 年代 西南地区东部出现全区域一致分布的频率非常高 , 分别为 90 %和 70 % , 而南北相反型在 60 年代出现 了 4 年 , 70 年代和 80 年代分别出现了 3 年 。为了反映具有相同气候背景区域的降水总体状 况 , 按照中国气象局国家气候中心气候预测室所采用的方法计算 1959 2006 年西南地区东部区域降水指数 22 - 23 :n3 1 Ri + n =×100 % ,( 3)R i nn i = 1式中 n 为测站数 ,Ri 为 68 月总降水量 ,R i 为降n 3水多年平均值 , i 为测站序号 ( i = 1 , 2 , ,n) ,有效分量个数表示 n 个测站中降水量距平 R 0 的站数 。降水指数可 以 较好 地刻 画 区 域 降 水 的 多 寡 , 其 值 越 大 , 表示区域降水越多 , 正常值为 150 。区域降水指数能否代表整 个区 域的 降 水情 况呢 ? 我们计算了西南地区东部区域降水指数 、夏季样本12345N 3438 . 620 . 19 . 95 . 34 . 63N 3939 . 319 . 98 . 85 . 44 . 33N 4441 . 218 . 58 . 15 . 44 . 53表 4 西南地区东部夏季降水 1959 2006 年各分布类型出现的频数Frequency of distributing type f or summer precipitation in the east of Southwest China from 1959 to 2006Table 4类份年份出现频率1959 3 , 1960 3 , 1961 3 , 1966 3 , 1968 , 1970 3 , 1971 3 ,1972 3 , 1976 3 , 1978 3 , 1980 , 1982 , 1983 , 1984 , 1985 3 ,1987 , 1988 3 , 1990 3 , 1991 , 1992 3 , 1993 , 1994 3 , 1995 ,1997 3 , 1998 , 1999 , 2000 , 2001 3 , 2003 , 2006 3全区域一致型30/ 48 ( 62 . 5 %)1964 , 1965 3 , 1967 , 1969 , 1973 , 1977 , 1979 , 1981 3 ,1986 , 1989 3 , 1996 , 2004 , 2005 3南北相反型13/ 48 ( 27 . 1 %)东西相反型1962 3 , 1963 , 1974 3 , 1975 , 2002 35/ 48 ( 10 . 4 %)注 : 3 表示与图 1 中典型场符号相反的分布2 期李永华等 : 我国西南地区东部夏季降水的时空特征527表 5 降水指数与 EOF 分解的第一时间系数 、区域夏季平均降水量序列的相关系数Ta ble 5 The correlation coeff icient bet ween the ra infall index and the f irst EOF time coeff icientor area average precipitation图 3 显示了 1959 2006 年西南地区东部夏季降水指数序列 Ma nn - Ke ndall 统 计 量曲 线 。由 图 可见 , 西南地区东部夏季降水发生突变的时间主要 在 1963 年前后 , 在 1963 年西南地区降水总体趋势 是由偏少转为偏多 , 这与图 2 显示的降水增加的总 体趋势一致 。而且在 1971 年和 1973 年也分别出现 了交叉点 , 表明在 20 世纪 70 年代前期降水波动比较大 , 这与实际情况相吻合 。第一时间系数区域平均降水区域降水指数第一时间系数区域平均降水 区域降水指数1 . 0000 . 9980 . 986-1 . 0000 . 984-1 . 000降水场 EO F 分解的第一时间系数 、区域夏季平均降水量 3 个序列的相关系数 (表 5) 。从表 5 可见 , 3 个序列的相关系数都很大 , 均通过 0 . 001 显著性水 平检验 , 相关性非常密切 。3 个序列的时间演变趋 势也都非常的一致 (图略) , 表明 3 个序列均能很好 地代表整个区域夏季降水的变化特征 。为了与实际 业务应用相结合 , 下面采用区域降水指数序列来分 析区域降水的时间变化特征 。3 . 2 夏季降水的时间变化特征分析图 2 显示了 1959 2006 年西南地区东部夏季 降水指数的变化情况 。由图可以看到 , 在整个时间 域内 , 西南地区东部夏季降水略有增加的趋势 。在20 世纪 60 年代和 70 年代 , 降水指数总体偏小 , 表 明这段时间总体偏旱 , 而在 80 年代前期总体偏涝 ,80 年代中后期开始波动加剧 , 旱涝交替发生 , 但总 体相对偏涝 。21 世纪初以 来 , 西南 地区 东部 总 体 偏旱 。1959 年以来 , 1998 , 1980 和 1993 年是降水 偏多最明显的年份 , 而 2006 年和 1972 年降水偏少最明显 。图 3 1959 2006 年西南地区东部夏季降水指数序列 Mann - Kendall 统计量曲线粗直线为= 0 . 05 显著性水平临界值Fig. 3 The stati stic of summer p recipitatio n index serie s i n t he ea st of So ut hwest China f ro m 1959 to 2006 ba sedo n Ma nn - Kendall . Thick st raight line i s criticalval ue of significa nt level at = 0 . 05图 4 1959 2006 年西南地区东部夏季降水指数序列最大熵谱分析Fig. 4 The M ESA of rainf all indexes in t he ea st ofSo ut hwest China in summer f ro m 1959 to 2006图 4 是 1959 2006 年西南地区东部夏季降水指数序列最大熵谱分析 ( M ESA ) , 熵谱分析中取最 大波数 16 , 若谱密度有峰点 , 其对应的周期就是序 列存在的平均显著周期 。从图 4 可见 , 西南地区东 部夏季降水指数序列存在 15 年左右的主周期及 23 年左右的次显著周期 。最大熵谱分析的结果显 示 , 从平均周期来看 , 西南地区东部夏季降水的年际及年代际变化特征均较为明显 。图 2 1959 2006 年西南地区东部夏季降水指数序列细实线 : 指数序列 , 粗实线 : 线性趋势 ,虚线 : 五阶多项式拟合Fig. 2 The p recipitatio n index serie s in t he ea st ofSo ut hwe st Chi na in summer f ro m 1959 to 2006 . Thin line i s index series , t hick line i s linear t rend , da shed line i sfive2o r der polyro mial fit ting curve图 5 1959 2006 年西南地区东部夏季降水指数序列 Mo rlet 小波变换实部系数 (a) 及小波变换功率谱 ( b) ( a) 中阴影区为系数负值区 , ( b) 中阴影区表示在 90 %置信度统计下显著 , 点阴影区是小波变换受边界影响的区域 Fig. 5Po wer spect r um analysi s of t he Mo rlet wavelet t ransfo r m fo r t he summer rai nf all indexesin t he ea st of So ut hwe st China f ro m 1959 to 2006 . The shaded a rea s in (a) are negative i so timic s , shaded area s in ( b) a re t hat t he val ues are significa nt a bo ve t he co nfident level of 90 % ,do t ted line a rea s mea n t he o nes of inf l uence图 5 是 1959 2006 年夏季降水指数序列 Mo r2let 小波分析结果 。结合图 5a 和 b 可见 , 15 年左右 周期的年代际变化特征在整个 时间 域内 都比 较 显 著 。在 20 世纪 70 年代中期至 80 年代中期 , 3 年周 期也较显著 ; 20 世纪 80 年代中期以后至 21 世纪初 期 , 2 年左右 的周 期也 较 为显 著 。从 图 5a 可 以 看 出 , 以 15 年周期时间尺度的演变来看 , 50 年代末 到 60 年代前期 、整个 70 年代 、80 年代后期到 90 年代中期 , 西南地区东部夏季降水处于偏少阶段 , 总体偏旱 ; 而 60 年代中期到末期 、80 年代前中期 、90 年代中期到末期 , 西南地区东部夏季 降水 处 于 偏多阶段 , 总体偏涝 。自 21 世纪初以来 , 西南地区 东部又进入降水相对偏少的阶段 , 总体偏旱 。这与 上面的分析结果基本一致 。夏季降水 (旱涝) 的这种 年际及年代际变化可能与 QBO 和太阳活动等因子 信号的综合影响有一定的联系 。3 . 3夏季降水与中国夏季降水的相关简析图 6 显示的是西南地区东部夏季降水指数与中 国 740 个测站夏季降水的相关系数分布图 。由图可 见 , 与西南地区东部夏季降水显著正相关区域主要 有两个 , 分别是宜宾以下的整个长江流域和西藏东 部及川西高原 ; 而与西南地区东部夏季降水呈显著 负相关的区域也有两个 , 分别是华南及东南沿海地 区以及华北中部地区 , 而四川盆地西部夏季降水也 与西南地区东部呈负相关 , 这在一定程度上印证了四川盆地夏季降水的“东西振荡”特征 3 - 4 。以上分析表明 , 西南地区东部夏季降水与长江流域的变化比较一致 , 而与华南 、东南以及华北中 部的夏季降水变化相反 , 也就是说 , 当长江流域夏 季降 水 偏 多 ( 少 ) 时 , 西 南 地 区 东 部 往 往 也 偏 多 (少) ; 当华南 、东南沿海及华北中部夏季降水偏多(少) 时 , 西南地区东部往往偏少 (多) 。图 6 西南地区东部夏季降水指数与中国 740 个测站夏季降水的相关系数分布图中阴影区为通过 95 %置信水平区域 , 深色区域为 正相关显著区 , 浅色区域为负相关显著区Fig. 6 The di st ributio n of co r relatio n coefficient bet ween t he rai nf all indexes in t he ea st of So ut hwe stChina a nd summer p recipitatio n at 740 statio ns ofChina . Shaded a rea s have p a ssed t he a rea s of co nfident level of 95 % , da r k area s are po sitivei so timic s a nd light a rea s a re negative o ne s2 期李永华等 : 我国西南地区东部夏季降水的时空特征529对旱涝的影响J . 高原气象 , 2007 , 26 ( 3) : 476 - 484刘德 , 李永华 , 高阳华 , 等. 重庆夏季旱涝的欧亚环流特征分 析 J . 高原气象 , 2005 , 24 ( 2) : 275 - 279刘毅 , 何金海 , 王黎娟. 近 40 年重庆地区夏季降水的气候特 征 J . 气象科学 , 2005 , 25 ( 5) : 490 - 498周毅 , 高阳华 , 段相洪. 三峡库区夏季降水基本气候特征 J . 西南农业大学学报 ( 自然科学版) , 2005 , 27 ( 2) : 269 - 272 刘晓冉 , 程炳岩 , 杨茜 , 等. 川渝地区夏季高温干旱变化特征 及其异常年环流形势分析 J . 高原气象 , 2009 , 28 ( 2 ) : 306- 313陈永仁 , 李跃清 , 王春国 , 等. 夏季南亚高压与川渝地区降水 的关系研究J . 高原气象 , 2009 , 28 ( 3) : 539 - 5484结论通过对西南地区东部夏季降水的时空变化特征 5 6 分析 , 得到如下主要结论 :(1)西南地区东部夏季降水分布大体分为 3 7 种类型 , 即全区域一致型 、南北相反型和东西相反型 , 其中全区域一致型是西南地区东部夏季降水最 主要的分布型 , 其出现频率达到 60 %以上 。 8 (2)1959 2006 年西南地区东部夏季降水的 9 变化特征是 : 在整个时间域内 , 西南地区东部夏季降水略有增加的趋势 ; 在 20 世纪 60 年代和 70 年 代总体偏旱 , 而在 80 年代前期总体偏涝 , 80 年代 中后期开始波动加剧 , 旱涝交替发生 , 但总体相对 偏涝 , 21 世 纪 初 以 来 , 西 南 地 区 东 部 总 体 偏 旱 ;1959 年以来 , 1998 , 1980 和 1993 年是降水偏多最 明显的年 份 , 而 2006 年 和 1972 年 降 水 偏 少 最 明显 。 10 Pa ndzic K. 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