江淮梅雨期各类降水的变化分析

武 芳, 刘海文,2

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;2.重庆市气象局气象科研所,重庆401147)

自1970年代全球开始增暖以来[1],中国各地的降水和表面气温都发生了显著的变化[2]。Allan et al[3]使用观测事实证实,近数十年里,世界一些地区包括北半球中纬度地区的降雨持续增多,这的确与人类排放温室气体导致的全球变暖有关;连接气候变暖和强烈暴风雨的发生之间,确实存在相关性;在暖季时大雨发生的情形较为频繁,全球变暖导致暴雨更强更频繁,而冷季则相反,并且情况比大多数气象学家预期的更加严重。因此,在全球变暖的背景下,气候的异常变化成为人们研究的热点[4-6]。近些年来,关于降水日数、无降水日数、不同日降水量对总降水的贡献率引起了气象学者的关注[7-8]。李红梅等[9]分析了近40年中国东部盛夏(7、8月)降水量长期趋势和年代际变化特征,按小雨、中雨、大雨及暴雨降水强度分类,探讨了不同强度降水在中国东部降水变化中的贡献。中国年降雨日已经明显减少,而且降雨日的减少比降水量的减少更加明显[10]。研究还表明,虽然中国总体降水升降趋势不明显,可区域性和季节性的升降趋势却很显著[11]。

江淮地区是中国涝灾多发区域[12],20世纪70年代中期以来,中国夏季降水呈明显的“南涝北旱”的年代际变化特征[2,13-14]。其中,所谓的“北旱”主要位于35°N以北的华北区域;而“南涝”则主要位于中国长江流域以南地区;“南涝北旱”的分界线大致以“淮河”为界[15]。因此,江淮地区从地理位置来讲,一方面处于由长江以北到黄河以南的过渡地带;另一方面又是中国“南涝北旱”的分界线。尽管关于江淮梅雨降水规律进行了大量研究[16-19],但将日降水按小雨、中雨、大雨、暴雨及大暴雨量级分类,来对江淮梅雨降水长期变化规律的研究还相对较少,江淮梅雨降水主要由哪一种或哪几种类型的降水所决定,它们的长期变化趋势又是什么?这就是研究的主要内容。

1 数据和方法

中国740站逐日降水资料由中国气象局气象信息中心提供,时间为1951～2008年。由于中国多数气象台站资料始于1957年[20],因此,所选资料的时间从 1957开始,2008年截止。以110°E～122°E,28°N～34°N 区域作为江淮地区,取1957～2008年江淮地区无缺测的70个台站作为江淮地区代表站(图1)。江淮梅雨期起止时间参照文献[21],即6月15日开始,7月 15日结束,持续时间为31d。

为讨论不同强度的降水变化规律,按照传统天气学定义,把降水划分为小雨(0.1～9.9 mm/d)、中雨(10～24.9mm/d)、大雨(25～49.9mm/d)、暴雨(50～99.9mm/d)、大暴雨(≥100mm/d)5种类型[22]。其中,某一站梅雨降水量规定为该站梅雨期内(31d)各类降水量之和。江淮地区梅雨降水量则定义为70站梅雨降水量之和。参照李红梅等[9]的做法,将降水频率、降水贡献率等统计指标称为降水特性。变化分析也包括趋势变化、年际变化以及年代际变化分析。江淮地区5类日降水的频率被定义为江淮地区70站对应类型降水在梅雨期内发生次数的算术平均值再除以梅雨期日数(31d)。梅雨期各类降水的降水贡献率被定义为江淮地区70站梅雨期对应类型降水的降水量的和再除以52年江淮地区70站梅雨期降水量之和(即785526.9mm),由此得到1957～2008年江淮梅雨量,5类日降水频率和5类日降水量贡献率的值。

文中使用的方法有：线性倾向估计、滑动平均和小波分析等方法[23]。

2 结果分析

2.1 江淮梅雨量与5类日降水特性的相关分析

为了研究梅雨降水量与5类日降水特性中哪一个指标关系最密切,分别计算了1957～2008年江淮梅雨降水量与5类降水频率、5类降水贡献率的相关系数值。结果表明,江淮梅雨降水量和5类日降水频率的相关系数分别为0.546、0.737、0.893、0.948 、0.851;和 5 类降水贡献率相关系数分别是 0.626、0.741 、0.904、0.943、0.854。由此可见 ,50 多年来,江淮梅雨降水量和5类日降水频率、贡献率都呈显著的正相关关系,都通过了0.05的显著性水平检验;这表明,在这5类降水中,无论哪类降水,发生越频繁,其贡献率越大(表明该类降水量越大),则梅雨降水量就越多。从相关系数值来看,梅雨降水量和暴雨频率、暴雨贡献率的相关系数值最大,这说明梅雨降水量和暴雨发生的频率以及暴雨强度的关系最为密切。值得注意的是,52年来梅雨量最大值(372.36mm)和暴雨的频率、贡献率最大值都出现在1969年;同样,梅雨量的最小值(74.91mm)和暴雨的频率、贡献率最小值也都出现在1961年;而其它4类日降水的频率、贡献率的值与梅雨量则没有这样的对应关系(图2、图3)。进一步对50多年来这5类日降水量的贡献率求和,它们的值分别为10.6%、20.0%、26.7%、28.9%、13.8%。50多年来暴雨的贡献率最大,约占总降水的1/3,这说明暴雨对梅雨降水量有重要的作用。因此,50多年来,江淮梅雨量的多寡主要由暴雨发生的频率及暴雨强度所决定。

2.2 江淮梅雨量和5类日降水特性的长期变化分析

图2给出了1957～2008年期间江淮梅雨降水量、5类日降水频率的原始时间序列、长期趋势变化以及13a滑动平均曲线。可见江淮梅雨降水量、5类日降水频率均具有明显的年际和年代际变化特征。为分析5类日降水的趋势变化,进行了线性倾向估计计算[23],得出江淮梅雨降水量、5类降水频率线性倾向估计值分别为：0.2107、-0.0118、-0.0201、0.203、0.2267、0.2595,都未达0.05的显著水平。这说明 50多年来,梅雨量以及5类日降水频率的趋势变化并不显著。这与华北汛期以及长江流域盛夏降水量呈显著的趋势变化特征有很大不同[9,22]。虽然小雨、中雨频率在50多年的趋势变化特征并不显著,但是如以小雨、中雨频率最大值出现的年份为界,即分别以1975年和1973年为界,对它们进行线性倾向估计计算,则结果有很大不同。对小雨频率而言,在1957～1975年,其线性倾向估计值为0.6238;而在1975～2005年,其线性倾向估计值为-0.3378;在这两个阶段,都通过了0.05的显著性水平检验。而对于中雨频率而言,在1957～1973年,其线性倾向估计值为0.5843;1973～2008年,其线性倾向估计值为-0.326。在这两个阶段,都通过了0.05的显著性水平检验。这说明,尽管50多年来,从总体上讲,小雨、中雨的趋势变化特征并不显著。但在1970年代中期前后,它们的趋势变化都发生了显著的年代际变化,即由1970年代中期前的显著上升趋势,改变为显著下降趋势。事实上,正是由于小雨和中雨的频率趋势变化在1970年代中期前后发生了相反的年代际变化,从而导致50多年来,两者的线性趋势线几乎和平均值相重合(图略)。而大雨、暴雨以及大暴雨则都显示出略微上升的趋势变化特征。

图1 用于分析的1957～2008年逐日降水资料的江淮地区70个台站分布

总之,江淮梅雨降水量、5类日降水频率的长期变化特征并不一致。小雨和中雨的频率的趋势变化在1970年代中期前后发生了明显的年代际改变,1970年代中期以前两者都呈显著的上升趋势,而1970年代中期以后,则改变为显著的下降趋势;大雨、暴雨以及大暴雨的长期上升趋势变化并不显著,表现出一定的演变特征。

用同样的方法分析5类日降水贡献率的长期变化特征(图3)。5类日降水贡献率线性倾向估计值分别为：0.0155、-0.0215、0.2176、0.2285、0.2402,5类日降水贡献率的线性倾向估计值都未通过0.1的显著性水平检验,表现为长期演变特征。同样,若以小雨和中雨的贡献率最大值所在的年份1973年为界,分别对它们进行线性倾向估计。结果表明：1957～1973年,小雨贡献率的线性倾向估计值为0.4154;1973～2005年,其倾向估计值为-0.33,这两个值都通过了0.1的显著性水平检验;对于中雨贡献率而言,1957～1973年,其线性倾向估计值为0.5668;1973～2008年,其线性倾向估计值为-0.3239,两者也都通过了0.05的显著性水平检验。

图3 江淮梅雨期5类日降水贡献率的时间序列(折线)、线性趋势(斜实线)、13年滑动平均(长虚线)及其平均值(水平直线)

2.3 江淮梅雨量和5类日降水特性的年代际变化分析

为了分析江淮梅雨期降水量以及5类日降水特性的年代际变化特征,分别对江淮梅雨期降水量以及5类日降水特性进行了13a滑动平均(图2、图3)。由图可见,江淮梅雨期降水量和5类日降水有着明显的年代际变化特征。就梅雨期降水量而言(图2a),1967年以前处于降水偏少阶段,1967～1975年为偏多阶段;1975～1989年为偏少阶段,1989年以后又转为偏多阶段;显示出准20年的周期振荡。进一步对江淮梅雨期降水量进行小波分析结果表明(图4),江淮梅雨期降水量的确表现出准20年的周期振荡特征。在5类日降水特性中,小雨频率的年代际变化特征和梅雨量的年代际变化特征有所不同。其具体表现为1967年前处于偏少阶段,1967～1983为偏多阶段,1983～1995年为调整阶段,1995年后转为偏少阶段。对于中雨频率而言,它的年代际变化特征和小雨频率的年代际变化特征大致类似,也表现为偏少、偏多、调整和偏少阶段。大雨频率的年代际变化特征和上述2类降水频率的年代际变化特征又有所不相同。尽管在1960年代以前也表现为偏少阶段,1968～1981年表现为偏多阶段、1982～1989年为调整阶段,但在1990年代初期后却转为偏多阶段。暴雨频率的年代际变化特征与前3类日降水的年代际变化特征存在很大不同,除其在1966年前后存在一个较小的振荡外,1972～1989年为偏少阶段,1989年以后则为偏多阶段。而大暴雨频率的年代际变化特征又有自身的特点,大致可以划分为两阶段,若以1989年为界,之前为偏少阶段,其后为偏多阶段。此外,5类日降水贡献率的年代际变化特征和其相对应的日降水频率的年代际变化特征基本类似(图3)。

综上所述,50多年来江淮梅雨量和5类日降水特性都存在明显的年代际变化,但它们之间的年代际变化特征并不一致。江淮梅雨期降水量主要表现为准20年的周期振荡。小雨和中雨降水频率和贡献率,具有偏少、偏多、调整和偏少4个阶段;大雨降水频率和贡献率尽管也存在着偏少、偏多和调整3个阶段,但是第4个阶段却转变为偏多阶段;对于降水强度较强的暴雨、大暴雨频率和贡献率而言,主要表现为两个阶段的年代际变化,即以1989年为界,之前为偏少阶段,之后为偏多阶段。

3 结论与讨论

利用中国740站逐日降水资料,在将日降水量划分为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨的基础上,对江淮梅雨期降水量和5类日降水的长期变化特征进行了分析和研究,结论如下：

(1)50多年来,江淮梅雨期降水量和5类降水频率、降水量贡献率都呈显著的正相关关系。这说明,无论哪类降水,其发生的越频繁,贡献率越大,则梅雨降水量就越多。50多年来暴雨对江淮梅雨的贡献率最大,几乎占江淮梅雨总降水量的1/3,暴雨频率、暴雨强度是决定梅雨降水量多寡的主要内在因子。

(2)尽管梅雨期降水量及5类日降水特性都没有明显的趋势变化,表现出长期演变特征;但是小雨、中雨的频率及其贡献率的趋势变化,却在1970年代中期前后发生了明显的年代际变化,即由1970年代中期前的显著上升趋势转为后来的显著下降趋势。

(3)50多年来江淮梅雨量和5类日降水特性都存在一定的年代际变化特征,但它们之间的年代际变化特征并不相同。江淮梅雨量主要表现为准20年的周期振荡特征。小雨和中雨的日降水特性都表现为偏少、偏多、调整和偏少4个阶段的年代际变化特征;大雨降水的特性也存在偏少、偏多和调整阶段,但是第4个阶段却表现为偏多阶段;对暴雨、大暴雨的降水特性而言,主要表现为两段,即以1989为界,之前为偏少阶段,其后为偏多阶段。

需要指出的是,文中仅从气候学上梅雨期内讨论了5类降水的长期变化特征,得出一些非常有意义的结果。如果再对梅雨期进行细分,将梅雨期划分为正常梅雨,早梅雨,迟梅雨,特长梅雨,短梅和空梅,倒黄梅等,进一步来研究上述5类日降水特性的年际变化特征,也是一件非常有意义的工作。

图4 江淮梅雨降水量时间序列的Morlet小波分析实部图

致谢：感谢成都信息工程学院科研基金(KYTZ201012)对本文的资助

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