基于MTM-SVD方法的攀西秋雨变化规律分析

王春学, 马振峰, 毛家勋

(1.四川省气候中心, 四川 成都 610072; 2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室,四川 成都 610072; 3.四川省攀枝花市气象局, 四川 攀枝花 617000)

华西秋雨是中国西部地区秋季多雨的一种特殊天气现象，主要出现在渭水流域、汉水流域、川东、川南东等地[1]。高由禧等[2]指出最标准的秋雨出现在四川盆地东部，青藏高原东部的松潘、康定和西昌等地，以及贵阳附近。梁健洪[3]指出，陕南和川北是典型秋雨区，以此为中心向四周扩展为准典型秋雨区和一般秋雨区。而罗霄等[4]的研究表明华西秋雨有2个大值中心，北部中心位于陕南到川东北地区，南部中心位于四川南部至云南中西部，并且2个大值中心变化并不一致。张顺谦等[5]的研究也发现西南地区秋雨REOF展开第一模态大值中心在四川盆地东部，而第4模态的大值中心则出现在攀西(攀枝花市和凉山州)地区附近。攀西地区9—10月仍处在雨季[6]，攀西东北部秋绵雨频率达90%以上，中部和南部一般在70%～80%左右[7]。近50 a攀西地区暴雨日数增多、强度增强[8]，王佳津等[9]的研究也表明攀西地区5—10月持续性暴雨发生频次达1～3次，其中10月攀西地区是持续性暴雨发生相对集中期。1961—2009年攀西秋雨有逐渐增加的趋势[5]，而2010年以来的8 a中攀西秋雨有6 a偏多，其中2016年9月18—19日攀西出现秋雨天气过程，并引发山洪泥石流等灾害，造成4万多人受灾，经济损失近7 000万元[10]。从前人研究成果可以注意到，攀西秋雨是华西秋雨的一部分，并且有其独特的变化特征，但是由于相对陕南到川北的典型华西秋雨偏弱，所以相关研究较少。本文将从攀西秋雨的空间分布、趋势、突变等方面分析攀西秋雨的变化事实，并利用MTM-SVD方法重点研究其年际周期变化规律。对攀西秋雨时空变化特征的研究一方面可以丰富华西秋雨的内容，增强华西秋雨认识；另一方面掌握攀西秋雨变化规律有助于提高攀西秋雨预测水平和增强气象防灾减灾能力。

1 资料和方法

1.1 数据资料

采用的资料为攀西地区18个气象台站1961—2017年9—10月的逐日降水量资料。

1.2 分析方法

(1) 采用罗霄等定义的秋雨指数，即9—10月降水量占全年降水量百分比与9—10月降水日数占全年降水日数百分比之和。

IAR= (9+10)月降水量/全年降水量+(9+10)

月降水日数/全年降水日数

(2) MTM-SVD方法是由Mann和Park[11]提出的一种多变量频域分解技术。这是一种将谱分析的多锥度方法(multi-taper method， MTM)和变量场的奇异值分解(singular value decomposition， SVD)方法结合在一起的气候信号检测技术，详细内容参阅相关文献[12-13]。近年来MTM-SVD被广泛使用在气象科研领域中[14-17]。

2 结果与分析

2.1 主模态分析

对1961—2017年攀西地区逐年秋雨指数进行EOF分析，前3个模态通过了显著性检验，累积方差贡献率达70.6%，其中第一模态方差贡献率达46.1%，为攀西秋雨年际变化主模态(表1)。图1给出了第一模态空间分布及其对应的时间系数，可以看到第一模态为全区一致变化分布型，大值中心出现在西昌、德昌、昭觉和普格附近，对比时间系数可知，全区一致型存在显著的年际、年代际波动，但没有明显的变化趋势，其中1960—1990年以偏强为主，1991—2017年以偏弱为主，但是有逐渐增强的趋势。

表1 1961-2017年攀西秋雨EOF分析前3个模态的方差贡献率%

图1 1961-2017年攀西秋雨EOF分析第一模态及其对应的时间系数

2.2 突变检验

上文分析表明攀西秋雨主模态在1990年代初存在年代际差异，为了检验该差异是否显著，这里使用滑动t检验对第一模态时间系数进行突变分析，为了滤除年际变化信号，滑动时间窗口选为20 a。从图2可以看出，1995年的t统计量超过0.05的显著性水平(为正值)，说明攀西秋雨在1995年前后出现过一次显著的突变，即由全区一致偏多转变为全区一致偏少。

注：虚线为α=0.05显著性。

2.3 周期特征分析

2.3.1 1961—2017年周期特征 用MTM-SVD方法分析1961—2017年攀西秋雨的周期特征，图3给出了LFV谱分析结果，横坐标为频率(倒数为周期)，可以看到在年际尺度上，3.2 a周期通过了99%置信度检验；年代际尺度上有11 a左右的峰值，但是没有达到一定的置信度水平。为了研究攀西秋雨周期特征随时间的变化，进行了20 a滑动窗口的LFV谱分析，由于进行了20 a滑动，两端各缺少了10 a的信息。20 a滑动LFV谱分析(图略)表明，攀西秋雨的准3 a周期在1975—1995年之间非常明显，1995年之后准3 a周期突然消失，准2 a周期有所显现，说明攀西秋雨的周期特征具有年代际变化，这可能与攀西秋雨主模态1995年前后的气候突变有关。张顺谦等[5]发现1961—2009年攀西地区的秋雨存在2～3 a周期，罗霄等[4]的研究也表明1990年代初到21世纪初华西秋雨存在准2 a周期，同时5～8 a周期也非常显著，而王春学等[18]和蒋竹将等[19]则发现华西秋雨北部地区4～8周期最为明显，说明华西秋雨南部和北部地区年际波动存在差异，而南部地区2～3 a周期最为明显，并且存在年代际变化，所以有必要对攀西秋雨的周期特征进行分阶段研究，这里以1995年为界分为1961—1994和1995—2017年2个阶段。

注：虚线表示蒙特卡洛置信度水平。下同。

2.3.2 分段周期特征 图4给出了1961—1994年攀西秋雨LFV谱分析结果，可以看到年际尺度上3.4 a周期通过了99%的置信度检验，3.0 a周期通过了95%的置信度检验；年代际尺度上8.6 a周期也通过了95%的置信度检验。对比上文可知，1961—1994年攀西秋雨的准3 a周期仍然存在，并形成准3 a周期带，出现两个峰值，而且都达到了较高的显著性水平，这与滑动窗口分析结果一致，说明1995年之前攀西秋雨准3 a周期最为显著。

图4 1961-1994年攀西秋雨LFV谱分析

用MTM-SVD方法对攀西秋雨在准3 a周期上进行典型循环重建，图5给出了典型循环的时空变化过程。第1 a时，整个攀西地区为正异常，并形成以西昌、木里、德昌为中心的异常大值区，即第1 a，攀西秋雨表现为全区一致偏强；第2 a时，正异常强度减弱，范围缩小，仅在木里、会东地区附近出现正异常，其余大部以负异常为主，在德昌附近出现负异常大值中心，即第2 a，攀西秋雨总体偏弱；第3 a时，攀西大部地区为负异常，在西昌附近出现负异常大值中心，即第3 a攀西秋雨整体偏弱；第4 a时，又恢复到第1 a的情况，攀西秋雨偏强(图略)，开始下一个准3 a周期循环。分析表明攀西秋雨的准3 a周期循环，主要表现了攀西秋雨“偏强—偏弱—偏弱”的年际变化过程。

接下来选取了攀西秋雨异常大值中心代表站(西昌站)在准3 a周期上进行时间重建，进一步分析准3 a周期的时间变化特征。从图6中可以发现，西昌站准3 a周期在1961—1994年一直存在，并且基本都表现出“偏强—偏弱—偏弱”的演变过程，其中1970年代中期到1980年代中期最为明显。

图5 1961-1994年攀西秋雨准3 a周期典型循环重建

图6 1961-1994攀西秋雨代表站(西昌站)在准3 a周期上的时间重建(距平值)

高原季风与海陆季风的不同步转变是华西秋雨的形成的主要原因[2]，高原夏季风偏强(弱)时，高原东侧低压系统活跃(不活跃)，同时有利于(不利于)副热带西风南撤，华西秋雨强(弱)[20-21]。研究表明1961—1995年高原夏季风主周期为3～4 a，季风强度增强趋势明显[22]，所以攀西秋雨1961—1994年的显著准3 a周期很可能是高原夏季风年际周期波动的结果。

图7给出了1995—2017年攀西秋雨LFV谱分析结果，可以看到年际尺度上2 a周期通过了99%的置信度检验；年代际尺度上无显著周期。对比可知，1995—2017年攀西秋雨的准3 a周期已经消失，而被准2 a周期取而代之，这与滑动窗口分析结果一致，即1995年前后的攀西秋雨主模态的突变很可能是造成攀西秋雨周期特征转变的原因。

图7 1995-2017年攀西秋雨LFV谱分析

图8给出了攀西秋雨准2 a周期的典型循环过程，第1 a时，整个攀西地区为正异常，并形成以西昌、盐源、德昌为中心的异常大值区，即第1 a，攀西秋雨表现为全区一致偏强；第2 a时，攀西秋雨异常情况与第1 a完全相反，即第2 a，攀西秋雨偏弱；第3 a时，又恢复到第1 a的情况，攀西秋雨偏强(图略)，开始下一个准2 a周期循环。分析表明攀西秋雨的准2 a周期循环，主要表现了攀西秋雨强弱交替的年际异常变化过程。

图8 1995—2017年攀西秋雨准2 a周期典型循环重建

同样选取了异常大值中心代表站(西昌站)在准2 a周期上进行时间重建，进一步分析准2 a周期的时间变化特征。从图9可以发现，西昌准2 a周期在1995—2017年一直存在，基本都表现出强弱异常交替演变的循环过程，其中1995—2001年最为明显，2006—2010年次之。东亚季风和南亚季风都具有显著的准2 a周期，其中西南季风的强弱直接影响华西秋雨的多寡，1960年代开始亚洲季风出现逐渐减弱的变化趋势[23-25]，但研究表明从2000年开始亚洲东南季风和西南季风频率都有显著的上升趋势[26]，1990年代中后期攀西秋雨的准2 a振荡可能是亚洲海陆季风系统的年际波动所致。

图9 1995-2017年攀西秋雨代表站(西昌站)在准2 a周期上的时间重建(距平值)

3 结论与讨论

(1) 1961—2017年攀西秋雨EOF展开的第一模态为全区一致变化型，方差贡献率达46.1%，为攀西秋雨主模态，1960—1990年以偏强为主，1991—2017年以偏弱为主，但是有逐渐增强的趋势。滑动t检验表明攀西秋雨全区一致型在1995年前后出现过一次显著突变，由全区一致偏多转变为全区一致偏少。

(2) MTM-SVD方法分析表明，1961—2017年攀西秋雨年际尺度上的3.2 a周期通过了99%置信度检验，20 a滑动窗口分析显示，攀西秋雨的准3 a周期在1975—1995年非常明显，1995年之后准3 a周期突然消失，准2 a周期有所显现，这可能与攀西秋雨主模态1995年前后的气候突变有关。

(3) 1961—1994年攀西秋雨3.4 a周期通过了99%的置信度检验，3.0 a周期通过了95%的置信度检验，这与滑动窗口分析结果一致，说明1995年之前攀西秋雨准3 a周期最为显著。攀西秋雨准3 a周期典型循环重建表明，第1 a整个攀西地区为正异常，并形成以西昌、木里、德昌为中心的异常大值区，第2 a正异常强度减弱，范围缩小，仅在木里、会东地区附近出现正异常，其余大部以负异常为主，在德昌附近出现负异常大值中心，第3 a攀西大部地区为负异常，在西昌附近出现负异常大值中心。选取异常大值中心西昌站在准3 a周期上进行时间重建，发现准3 a周期在1961—1994年一直存在，其中1970年代中期到1980年代中期最为明显。

(4) 1995—2017年攀西秋雨2 a周期通过了99%的置信度检验，这与滑动窗口分析结果一致。攀西秋雨准2 a周期的典型循环表现为，第1 a整个攀西地区为正异常，并形成以西昌、盐源、德昌为中心的异常大值区；第2 a异常情况与第1 a完全相反。同样选取了异常大值中心西昌站在准2 a周期上进行时间重建，发现准2 a周期在1995—2017年一直存在，其中1995—2001年最为明显，2006—2010年次之。

(5) 通过本文的研究发现，攀西秋雨有显著的年际周期波动，并且存在年代际变化特征，1995年以前准3 a周期最明显，之后准2 a周期占主导地位，即在攀西秋雨年际预测当中，不但要掌握其年际周期规律，还要了解其显著年代背景，这样将其年际和年代际波动规律相结合，有助于提高攀西秋雨的气候预测水平。

(6) 华西秋雨的产生与地形有很大关系，这可能是北方冷空气或寒潮活动的结果[27]，也可能与高原上空冷空气平流到四川盆地造成的热力不稳定有关[28]，高原和盆地区的秋雨特征也有较大差异，高原雨量多盆地雨日多[2]，而攀西地区介于二者之间，存在典型的地形夜雨现象[29-30]，地形影响和季风环流系统同样都很重要，值得深入研究。