1961—2005年河南盛夏降水特征分析

刘云丰，张 博，李沁东

（1.中国民用航空飞行学院，四川 德阳 618307；2.四川省西充县气象局，四川 南充 637200）

河南省是我国人口密集，土地、矿产资源丰富，经济发达的地区，也是我国工农业的主要产地之一。它位于东亚副热带季风区，横跨黄河、长江、淮河和海河四大流域，其降水分布具有过渡带的典型特征。一般与江淮流域入汛不同步，江淮梅雨结束，意味着河南中部及其以北地区汛期来临。李跃凤和丁一汇等[1]研究发现，我国东部夏季降水具有多模态、多时间尺度的特征，各个区域的降水存在各自特有的周期变化。吴富山等[2]表明，梅雨结束后，我国东部的主要雨带不是一跃而至黄河以北，而是阶段性的逐次向北跳跃的。Liu等[3]指出，20世纪90年代初期以来，伴随着东亚夏季风的增强，我国东部夏季雨带出现年代际北移，表现为淮河流域（110°～120°E，30°～35°N）夏季降水增加，我国东部夏季降水不再是以前大家普遍认为的“南涝北旱”的降水格局，此研究成果已被IPCC的第5次报告引用。Zhai等[4]指出，近40年来，夏半年极端降水频率在华北地区减小、在长江流域增加，全年平均华北地区降水量减少主要是因为降水频率减小，而长江流域降水增加主要是由于降水强度加大且极强降水事件增多。Wang等[5]也指出，近40年夏季极端降水频率在长江流域增多而在华北地区减少。刘海文等[6]指出，华北汛期降水量的多寡主要受其汛期大雨的频率和暴雨的贡献率影响。华北汛期降水量和暴雨贡献率都在1978年前后发生了年代际突变，华北暴雨贡献率的年代际突变是造成华北汛期降水量发生年代际突变的内在因素。李红梅等[7]指出，在过去的40多年中，暴雨的强度在长江流域增大，在华北大部分地区则减小。在华北地区总降水的减少中，强降水的发生频率呈减少趋势，强度也呈减弱趋势。

以上研究工作是针对我国东部夏季降水进行的趋势分析，本文则是采用以上研究成果和方法，针对河南省区域，利用观测资料分析河南省盛夏降水、暴雨日数、极端降水频次等的变化趋势。

1 资料和方法

本文所用资料是中国气象局国家气象中心提供的河南省17个台站1961—2005年逐日降水。按照天气学定义，暴雨是指大于50.0 mm/d，所以，特针对暴雨和暴雨强度进行统计分析。统计指标包括暴雨日数、极端降水事件、第95个百分位降水量。

文章中极端降水事件的定义是根据翟盘茂[8]等提出的观点确定的，即将1961—2005年逐年7月、8月日降水量序列的第95个百分位值的45年平均值定义为极端降水事件的值，当某站某日降水量超过这一阈值时，就被称之为极端降水事件。与传统的、全国统一的、固定的日降水量定义方法相比，该方法的优越之处在于它充分考虑了降水的地区间差异，使得各地极端降水的阈值都依本地降水情况而定，能够更好地反映降水变化的区域性特征。

Bonsal[9]指出，如果某个气象要素有n个值，将这n个值按升序排列，即x1，x2，…，xm，…，xn，某个值小于或等于xm的概率为：

式（1）中：m为xm的序号，如果有62个值，那么，第95个百分位上的值为排序后的x59（p＝94.1%）和x60（p＝95.7%）的线性插值；n为某个气象要素值的个数。

用式（1）来估计百分位值，不但计算方便，而且避免了对要素序列分布的任何假设。同时，Folland[10]等对式（1）也进行了详细的讨论，并通过与其他公式的比较论证了该公式的合理性。式（1）的结果与Gamma分布的公式结果基本等同。

此外本文所用的分析方法包括趋势分析，小波分析，运用EOF（正交分解）的方法对盛夏7月、8月降水进行特征分析，以及河南盛夏降水量与东亚季风的合成分析。

2 河南省盛夏降水分布和年际变化特征

2.1 空间分布

图1给出了1961—2005年河南省7月、8月平均降水量的空间分布情况，从图中可以看到，在河南省的东南地区有1个大值中心，最大降水量达到370 mm。而在河南省西部地形较高的地区，平均降水量最少，有1个小值中心，降水量仅为190 mm。中部地区和北部平均降水量较为一致，为300 mm左右。由此可以看出，豫南地区与豫北地区的降水有明显的差异，这可能是由于豫南地区受江淮梅雨锋雨带的影响比较大。

图1 1961—2005年河南省7月、8月平均降水量空间分布（单位：mm）

2.2 气候变化趋势

从图2中可以看出，河南省地区1961—2005年，7月、8月的年平均降水量在157～530 mm之间，其中，最小值在1997年，最大值在1982年。另外，回归直线呈微弱上升趋势，气候倾向率为每10年上升4.084 8 mm，这说明随时间的增加降水量呈上升趋势。由滑动平均曲线可知，20世纪70年代到80年代初，河南盛夏平均降水量震荡呈升高的趋势，此后震荡有下降趋势。20世纪80年代中期开始，震荡出现明显的上升趋势。图3是自1970年以来的t统计量，t统计量有一处超过0.05显著性水平，这一正值出现在1984年，说明河南省7月、8月平均降水量在近45年来出现过一次明显的突变，20世纪80年代经历了一次由少到多的过程。Liu等[3]研究结果表明，20世纪90年代初期以来，随着东亚夏季风的增强，我国东部夏季雨带出现年代际北移，表现为淮河流域（110°～120°E，30°～35°N）夏季降水增加，我国东部夏季降水不再是以前大家普遍认为的“南涝北旱”的降水格局一致。

图2 河南省1961-2005年7、8月平均降水量变化趋势

图3 滑动t统计量曲线

如图4所示，利用小波功率谱分析降水量序列得出，7月、8月降水量的准2年、准7年的周期振荡现象较为显著。其中，准2年的周期在1995年至21世纪初存在较大的谱值，而准7年的周期在20世纪80年代初至20世纪90年代初存在较大的谱值。

图4 河南省7月、8月降水量的功率谱及其对应的方差

2.3 合成分析

图5是对河南省7月、8月降水量进行标准化处理，选取指数大于1个标准差或者小于－1个标准差的高、低值年份，其中，高值年有1961年、1967年、1968年、1970年、1973年、1991年、1994年、1997年、1999年，低值年有1965年、1974年、1979年、1984年、1987年。利用高、低值年的700 hPa环流场与气候平均态作差值，进而对河南7月、8月降水进行环流场的合成分析。

图5 河南7月、8月降水量标准化距平时间序列

图6（a）为强降水年700 hPa环流场合成分析，由图可得，河南地区主要受来自太平洋的东亚夏季风的偏东南气流影响，有充足的水汽输送，有利于降水发生；而图6（b）为弱降水年700 hPa环流场，河南地区主要为较为干燥的偏北气流，水汽相对不足，不利于降水。因此，在降水量高值年，东亚夏季风偏东南气流的水汽输送比较强，有利于河南地区降水的增多。

图6 河南省7月、8月降水量高（a）、低值年（b）与同期气候态差值的700 hPa环流合成场

3 河南省盛夏降水指标特征分析

3.1 暴雨日数特征

由图7（a）可知，河南省7月、8月平均暴雨日数为1.26个，最大暴雨日数为2.93个，出现在1981年；最小暴雨日数为0.47个，分别出现在1986年、1993年、2002年。此外，从图中还可以看出，20世纪60年代中期至70年代中期，暴雨日数减少；20世纪70年代中期到80年代中期，暴雨日数年际变化较为平缓；20世纪80年代中期至20世纪90年代初，有明显的下降趋势；20世纪90年代至暴雨日数有所增加，趋于平缓。

从图7（b）中可以看出，在豫南地区信阳有1个大值中心，暴雨日数达1.97个，在豫西三门峡有1个小值中心，暴雨日数仅0.51个。暴雨日数的空间分布与降水量空间分布极其相似，这间接说明暴雨对降水量的贡献比较大，这与李红梅等[7]对我国东部地区盛夏总降水变化主要受暴雨的影响这一结论相一致。

图7 河南省1961—2005年7月、8月暴雨日数特征

3.2 极端降水特征

如图8（a）所示，河南省1961—2005年7月、8月第95个百分位降水量总体呈现东南多西北少的分布特征，且在豫南信阳存在1个大值中心，在豫西三门峡存在1个小值中心，所以，以此为阈值统计极端降水事件的频率。从图8（b）中可以看出，7月、8月极端降水频率的趋势性变化，即在驻马店和周口地区呈增加趋势且增加速率最多，而在河南安阳、焦作、信阳和南阳地区呈减小的趋势。由阈值可以看出，极端降水主要反映的是中雨以上强度的降水。下面我们用EOF（正交分解）对极端事件发生频次进行统计分析，揭示其空间分布特征，具体如表1所示。

图8 河南省1961—2005年7月、8月极端降水特征

表1 1961—2005年河南省7月、8月极端降水事件频次前8个EOF分量对场总方差的贡献

尽管极端降水有很强的地域性，构造的降水类型较为复杂，但从图中可以看出，前8个模态对总方差的贡献率达到82.1%.利用North[11]等的经验方法对其取样误差进行评估，EOF结果特征值收敛很快，表明满足能量按自由度均分，是稳定可分的，因此，具有实际的物理意义。其中，前4个模态的累积方差贡献率为61.1%，我们可以将前4个模态视为重点研究对象。

图9是河南7月、8月极端降水频次的前4个模态的空间分布。图9（a）为第一模态分布，从图中可以看出，全省区域一致（均为正值），表明河南7月、8月极端降水事件发生频次在空间上表现出了一致性。显然这种一致性与大尺度天气系统的影响有关，尽管全省不同地区之间的气候差异明显，但是，它们的极端降水在一定程度上受某些因子的共同影响和控制。振幅高值中心位于河南中部平顶山和郑州，是极端降水频次最主要的空间分布型式。

图9（b）为第二模态分布，它占总方差的12.9%，载荷值零线将整个河南省分成南北两块，极端降水事件发生频次呈现明显的南北特征，并且正负载荷向量绝对值基本相当。这说明，极端降水频次大致呈南北的反位相变化，反映了河南7月、8月极端降水频次的空间局地差异。之所以会出现这种变化特征，可能主要与河南省的地理分布特点有关。豫南地处淮河以南，受江淮梅雨锋雨带的影响比较大，而豫北地处黄河以北，太行山东侧，7月、8月雨水集中，具有华北暖温带亚湿润气候的特征。

图9（c）为第三模态分布，它占总方差的9.7%，载荷值零线主要集中在河南省焦作和南阳。这表明，极端降水频次呈东北少西南多的反位相变化，反映了河南7月、8月极端降水频次的空间局地差异。这与南阳盆地汛期气候特点、焦作地处太行山东侧汛期来临西南季风盛行处于迎风坡一侧的特点有关。

图9（d）为第四模态分布，它占总方差的9.1%，显然从图中可以看出极端降水频次呈东西的反位相变化。这可能与副热带高压位置偏南有关，当副热带高压位置偏南时，河南省东部地区降水偏多，而西部地区降水会有减小的趋势，最终会导致东西出现极端降水事件的相反情况发生。

图9 1961—2005年河南省7月、8月极端降水事件频次EOF的前4个模态空间分布

图10 河南省1961—2005年7月、8月极端降水频次变化趋势（a）滑动t统计量曲线（b）

从图10（a）中可以看出，河南省地区1961—2005年，7月、8月的极端降水频次在1.0～4.8次之间，其中，最小值在2002年，最大值在1982年。回归直线呈微弱上升趋势，气候倾向率为每10年上升0.022 3，说明随时间的增加极端降水频次呈微弱的上升趋势。图10（b）是自1970年以来t统计量，t统计量有一处超过0.05显著性水平，这一负值出现在1972年。这说明，河南省7月、8月极端降水频次在近45年来出现过一次明显的突变，20世纪70年代经历了一次由多到少的过程。

图11为河南省7月、8月极端降水频次的小波功率谱。对图11（a）中极端降水序列进行分析得出，7月、8月极端降水频次的准3年、准7年的周期振荡现象显著。其中，准3年的周期在1980—1985年存在较大的谱值，准7年的周期在20世纪70年代末至20世纪90年代初存在较大的谱值。

图11 河南省7月、8月极端降水频次的功率谱及其对应的方差

4 结论

近45年来，河南省7月、8月降水量空间分布是东南多西北少，降水量有微弱的上升趋势；滑动t检验显示，在20世纪80年代的突变经历了一次由少到多的过程。

河南省7月、8月降水量存在准2年、准7年的周期振荡现象较为显著。由合成分析可知，东亚夏季风偏东南气流的增强有利于河南地区降水的增加。

河南省7月、8月暴雨日数的空间分布为东南多西北少，其中，暴雨日数呈较弱的增加趋势。

河南省7月、8月极端降水频次的空间分布为河南中部地区，运用EOF分解方法分析，结果表明，第一模态为河南省7月、8月极端降水频次的一致性，第二模态为南北反位相。河南省7月、8月极端降水频次呈微弱上升趋势，在20世纪70年代有一次突变，经历了由少到多的过程，且存在准3年、准7年的周期振荡。

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