我国西南地区东部夏季降水的时空特征.doc
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1、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 rle
2、t 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 199
3、3 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
4、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
5、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
6、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 :
7、 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
8、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105581064610730109301053510606107483135315131123103303030473041万州恩施 沙坪坝 涪陵 来凤梓习水108241092810628107251092510650106133046301729352945293128082820酉阳吉首 遵义 湄潭 思南 黔西108461094410653107281081510601284828192742274627572702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
9、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
10、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 3
11、2N 、105110E 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、- 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
13、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
14、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 .
15、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 S
16、o 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 30N 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
17、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 108E 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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、 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 , 2
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