川渝地區(qū)夏季降水變化氣候特征分析

毛文書, 曾 戢, 孫 云, 張艷艷, 楊冬冬

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225;2.中國人民解放軍96211部隊84分隊,云南建水654300;3.石家莊市氣象局,河北石家莊050081;4.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅蘭州730021)

1 引言

Jones[1]和Hulme[2]等對全球的降水變化研究表明：20世紀(jì)以來全球地表降水增加了大約1%,在30°N-85°N的年降水量增長了7%-12%,在5°S-50°S的年降水量增長了2%-3%,北半球中高緯度秋、冬季降水量也有所增長。關(guān)于我國夏季降水量的變化特征已有很多研究[3-6],但主要集中于東部地區(qū),而降水量的變化具有明顯的區(qū)域特征,近年來關(guān)于川渝地區(qū)夏季降水量變化特征的分析研究也有一些：如鮑媛媛[7]、彭加毅等[8]通過Z指數(shù)的變化,采用相關(guān)分析和合成分析方法研究了川渝地區(qū)夏季旱澇與海溫的關(guān)系。陳效孟[9]用區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化候降水量的RPC時間系數(shù)作多元最優(yōu)分割,揭示出四川盆地夏半年(4-9月)降水分布存在季節(jié)性突變：春到初夏,降水由東多西少突變?yōu)槟隙啾鄙?初夏到盛夏,降水突變?yōu)槲鞫鄸|少;盛夏到初秋,降水突變?yōu)闁|北多、中南少,多雨區(qū)繞盆地中部呈順時針方向轉(zhuǎn)移。劉德[10]采用車貝雪夫正交多項式分解方法[11]展開重慶地區(qū)夏季降水場,結(jié)果表明：最近40年來重慶各地夏季降水量變化趨勢一致,可以分為兩段：80年代中期以前有增加的趨勢,而80年代后期至今則有減少的趨勢。劉海隆等[12]利用重慶三峽庫區(qū)16站逐月降水量資料,從降水傾向率、周期性、階段性3個方面探討了近40年來重慶三峽庫區(qū)降水量的變化特征,結(jié)果表明重慶三峽庫區(qū)降水量西段有增加的趨勢,而東段則有減少的趨勢。周長艷[13]、陳文秀[14]、劉曉冉等[15]研究表明川渝盆地的降水量和水資源總體呈減少趨勢,整個西南地區(qū)東南部的降水量整體均呈下降趨勢。川渝地區(qū)地處中國西南內(nèi)陸,東接兩湖平原,南連云貴高原,西鄰青藏高原,北銜甘、陜山地,川渝地區(qū)西部以高原山地為主,川西北部屬長冬無夏的高原氣候,川西南屬冬干夏濕的西南季風(fēng)氣候,川渝東部則是較為平坦的盆地和丘陵,屬濕潤溫暖的東南季風(fēng)氣候,因此,川渝地區(qū)是中國氣候帶最多的地區(qū)之一。同時,川渝地區(qū)又是我國夏季旱澇災(zāi)害發(fā)生頻率較高的地區(qū)之一,如2006年夏季,川渝地區(qū)出現(xiàn)了百年一遇的特大干旱,給川渝地區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重?fù)p失。因此,進一步加強對川渝地區(qū)夏季降水量變化規(guī)律的研究,對于提高川渝地區(qū)夏季降水變化的短期氣候預(yù)測水平,具有現(xiàn)實意義。

2 資料和方法

(1)國家氣候中心整編的川渝地區(qū)34站1960-2006年共計47年的逐月降水量資料,為了消除地理位置、地形等的影響,對每個站、每年的逐月降水量資料均采用1971-2000年30年氣候平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進行距平標(biāo)準(zhǔn)化處理。

(2)主要方法有：Morlet小波分析[16],諧波分析[17],經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)[18]分解;旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù)(REOF)[19]分解。

3 川渝地區(qū)夏季降水量的空間分布

3.1 代表站的選取

利用川渝地區(qū)34站1960-2006年共47年逐月降水量資料,在消除臺站遷移,經(jīng)過均一性檢查和嚴(yán)格質(zhì)量控制的基礎(chǔ)之上,按照所研究區(qū)域內(nèi)站點盡量多,時段盡量長的原則,挑選出川渝地區(qū)34站47年的逐月降水量資料進行分析,其站點的空間分布如圖1所示。

由圖1可見,所選內(nèi)域內(nèi)站點分布均勻,它包括了川渝地區(qū)的大部分地區(qū),即川西高原大部、四川盆地以及重慶市大部,它們分別是：若爾蓋、德格、甘孜 、道孚、馬爾康、小金 、松潘 、都江堰、綿陽 、新龍、雅安 、康定 、峨眉山 、樂山 、木里 、九龍 、越西 、昭覺 、雷波 、宜賓 、鹽源 、西昌 、會理 、萬源 、閬中 、巴中 、遂寧 、南充 、敘永 、成都、奉節(jié)、梁平、沙坪壩、酉陽共計34站。

圖1 川渝地區(qū)34站的空間分布

3.2 川渝夏季降水量的客觀分區(qū)

為了解川渝地區(qū)夏季降水量的空間分布特征,對川渝地區(qū)34站1960-2006年共47年夏季降水量標(biāo)準(zhǔn)化距平進行EOF分解,得到方差貢獻(xiàn)率較大的前3個模態(tài)的空間分布,如圖2所示。

由圖2可知,川渝地區(qū)夏季降水量標(biāo)準(zhǔn)化距平 EOF分解前3個模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)率為53.5%,利用North[20]等的經(jīng)驗方法對其取樣誤差進行評估,EOF結(jié)果特征值收斂比較快,表明滿足能量按自由度均分,是穩(wěn)定可分的,因此具有實際的物理意義,它表示了川渝地區(qū)夏季降水量的幾種主要的大范圍空間分布型態(tài)。第1模態(tài)(圖2a)占總方差的27.8%,表明降水量的空間分布型為全區(qū)一致型,其振幅高值中心位于川渝地區(qū)南部的雅安附近,是川渝地區(qū)夏季降水量的主要空間分布型態(tài)。第2模態(tài)(圖2b)占總方差的13.9%,表明川渝地區(qū)夏季降水量川西高原區(qū)、盆地東、西部區(qū)域的反位相變化,反映了川渝地區(qū)夏季降水量川西高原、盆地東、西部之間的空間局地差異。第3模態(tài)(圖2c)占總方差的11.8%,表明川渝地區(qū)夏季降水量大致以29°N為界呈南多(少)北少(多)的反相位變化,反映了川渝地區(qū)夏季降水量南、北部之間的空間局地差異。以上分析表明：川渝地區(qū)夏季降水量空間分布不均,第1模態(tài)為全區(qū)一致型,但第2、3模態(tài)顯示川渝地區(qū)夏季降水量變化表現(xiàn)出顯著不同的空間區(qū)域差異特征,因此,為了更加細(xì)致地研究川渝地區(qū)夏季降水量的不同區(qū)域變化特征,再對川渝地區(qū)夏季降水量標(biāo)準(zhǔn)化距平進行REOF分解,以揭示川渝地區(qū)夏季降水量的區(qū)域變化特征,其客觀分區(qū)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知REOF分區(qū)結(jié)果：川渝地區(qū)夏季降水量可以分為3個區(qū),分別是川西高原區(qū)、盆地中部區(qū)和盆地東部區(qū)。其中：川西高原地區(qū),為冬干夏濕的西南季風(fēng)氣候區(qū),存在眾多高山峽谷,在亞熱帶的基帶上,依次出現(xiàn)暖溫帶、溫帶、寒溫帶、永凍帶等山地氣候類型,某些區(qū)域受喜馬拉雅山脈大的地形及山脈背風(fēng)坡的局部地形影響,常常形成少雨區(qū)。盆地中部區(qū)屬西南季風(fēng)氣候區(qū),平原、盆地、河谷、丘陵共存,其地形較為復(fù)雜,在這里形成較多的降水。盆地東部地區(qū),屬濕潤溫暖的東南季風(fēng)氣候區(qū),受亞熱帶季風(fēng)影響,地形是較為平坦的盆地和丘陵,屬于多雨區(qū)。以上分析表明,REOF分解所得主要模態(tài)空間分布結(jié)構(gòu)清晰,且相鄰區(qū)域幾乎沒有重疊,能夠較好地反映川渝地區(qū)夏季降水的實際區(qū)域變化特征,分區(qū)較為客觀,有利于進一步揭示川渝地區(qū)夏季降水量的區(qū)域變化差異。

4 川渝地區(qū)夏季降水量的時間演變

上面分析了川渝地區(qū)夏季降水量的空間分布,是把降水量在時間上作為一個點來考慮分析的,下面把川渝各區(qū)夏季降水量分別做區(qū)域平均,將其在空間上作為一個點,來進一步分析川渝各區(qū)降水量的時間演變特征。使用諧波方法對各區(qū)降水量時間序列進行年際和年代際尺度分離,利用線性傾向估計方法計算降水量的長期演變趨勢。圖4給出川渝各區(qū)夏季降水量的時間演變曲線,其中柱線為年際尺度分量,光滑曲線為年代際尺度分量,實線為線性趨勢線,虛線為正負(fù)0.6倍標(biāo)準(zhǔn)差選擇線。

4.1 川渝夏季降水量的年際、年代際變化

由圖4中的線性趨勢線(實線)可以清楚地看出47年來川渝各區(qū)夏季降水量存在顯著不同的長期趨勢變化特征。其中川西高原區(qū)和盆地東部區(qū)夏季降水量長期趨勢變化呈增多的趨勢,而盆地中部區(qū)夏季降水量長期趨勢變化呈減少的趨勢。

由圖4中年際分量(柱線)變化可知：川渝各區(qū)夏季降水量年際變化差異顯著,若以0.6倍標(biāo)準(zhǔn)差作為降水異常的標(biāo)準(zhǔn),47年來川西高原區(qū)降水異常偏多的年份(下簡稱多雨年)有5年,分別是1960年 、1968 年 、1974 年 、1993年和 1998 年;降水異常偏少的年份(下簡稱少雨年)有5年,分別是1967年、1972年、1994年、1997年和2006年。盆地中部區(qū)多雨年有6年,分別是 1961年、1966年 、1981年、1984年、1990年和1995年;少雨年有 5年,分別是1963年、1965年、1969年、1982年和 2006年。盆地東部區(qū)多雨年有 6年,分別是 1965年、1974年、1989年、1993年、1998年和2005年;少雨年有 5年,分別是1990年、1994年、1997年 、2001年和 2006年。由圖4中年代際分量(光滑曲線)可知川渝地區(qū)夏季降水量具有顯著不同的年代際變化特征。川西高原地區(qū)的夏季降水量年代際變化(圖4a)表明：1960年前期降水量偏少,1960年中期-1960年未期降水量偏多,1970年初期-1980年初期降水量偏少,1980年中期-21世紀(jì)初期降水量顯著偏多。盆地中部夏季降水量年代際變化(圖4b)表明：1960年前期降水量偏多,1960年中期-1980年初期降水量顯著偏少,1980年中期-1990年初期降水量偏多,1990年中期至今降水量顯著偏少。盆地東部夏季降水量年代際變化(圖4c)表明1960年代初期-1970年未期降水量偏少,1980年初期-21世紀(jì)初期降水量顯著偏多。

圖2 川渝地區(qū)夏季降水量標(biāo)準(zhǔn)化距平EOF分解前3個模態(tài)的空間分布

4.2 川渝各區(qū)夏季降水量的周期變化

為更進一步細(xì)致地研究川渝地區(qū)夏季降水量的周期變化特征,采用Morlet小波對川渝各區(qū)夏季降水量進行小波分析,圖5分別給出川渝各區(qū)夏季降水量小波分析的頻域分布及川渝各區(qū)夏季降水量的能量分布,這種能量主要是由于冷暖空氣相遇,氣流上升冷卻,在成云致雨的過程中凝結(jié)潛熱的釋放所造成的。

根據(jù)Morlet小波分析的原理可知：只有川渝各區(qū)夏季降水量小波分析的頻域分布與相應(yīng)的能量分布相結(jié)合才能準(zhǔn)確地分析出川渝各區(qū)夏季降水量的主周期變化,降水能量譜值變化最顯著的時段對應(yīng)著主周期變化最顯著的時段。由圖5可知：川渝各區(qū)夏季降水量呈顯著不同的多尺度周期變化特征。由川西高原區(qū)夏季降水量小波分析頻域及能量分布圖5(a-b)可知：川西高原區(qū)47年來夏季降水量變化均存在準(zhǔn)15年和準(zhǔn)5年的顯著周期變化特征。由盆地中部區(qū)夏季降水量小波分析頻域及能量分布圖5(c-d)可知：盆地中部區(qū)夏季降水量在1960年-1980年中期存在 14年的顯著周期變化特征,另外在1960年-1970年中期存在準(zhǔn)6年的次周期變化特征,在1970年中期至1990年初期存在準(zhǔn)3年的次周期變化特征。由盆地東部區(qū)夏季降水量小波分析頻域及能量分布圖5(e-f)可知：盆地東部區(qū)夏季降水量近47年均存在16年和8年的顯著主周期變化特征,另外1960年初期-1980年前期還存在準(zhǔn)3年的次周期變化特征。以上分析表明：川渝各區(qū)夏季降水量均存在顯著不同的多尺度周期變化特征,長周期中又包含短周期變化,這說明川渝各區(qū)夏季降水量的變化是由不同時間尺度周期振蕩疊加共同作用的結(jié)果。

圖3 川渝地區(qū)夏季降水量標(biāo)準(zhǔn)化距平的REOF分解

圖4 川渝各區(qū)夏季降水量年際、年代際變化及長期趨勢變化曲線

5 川渝各區(qū)的雨季變化特征

以某年某月降水量與該月多年平均降水量之差表示雨季的強弱,圖6給出川渝各區(qū)夏季降水量的雨季變化圖像。

由圖6可知,川渝各區(qū)的雨季變化具有顯著不同的變化特征,其中川西高原區(qū)雨季主要集中在7-9月,1990年以前,川西高原雨季主要集中在8-9月,而1990年以后,川西高原雨季提前,主要集中在7-8月。盆地中部區(qū)雨季在1990年以前主要集中在6-9月,1990年以后,雨季推遲,雨期縮短,主要集中在7-9月;盆地東部區(qū)雨季在1990年以前主要集中在5-9月,1990年以后,雨季有提前的趨勢,并分為兩段雨季,雨季時間長度有所縮短。以上分析表明：川西高原區(qū)雨季變化最短,但雨季變化有提前的趨勢,盆地中部區(qū)雨季最長,盆地中部雨季有推遲的趨勢,而盆地東部區(qū)雨季變化則有提前的趨勢。

圖5 川渝各區(qū)夏季降水量小波分析的頻域和能量分布

6 結(jié)論

(1)EOF結(jié)果表明：川渝地區(qū)夏季降水主要有全區(qū)域一致型、川西高原區(qū)、盆地東、西部區(qū)域之間的反位相變化分布型以及以29°N為界的南、北反相位變化分布型,其中全區(qū)一致型是川渝夏季降水量的最主要空間分布型態(tài)。

(2)川渝地區(qū)夏季降水的空間分布不均,REOF分解結(jié)果表明川渝地區(qū)夏季降水量變化可以分為川西高原區(qū)、盆地中部區(qū)和盆地東部區(qū)3個不同變化的區(qū)域。

(3)川渝各區(qū)夏季降水量時間分布不均,各區(qū)降水量均具有顯著不同的年際—年代際變化和多尺度周期變化特征。從較長時間尺度來看,川西高原和盆地東部夏季降水量變化呈增長趨勢,而盆地中部夏季降水量呈減少的長期變化趨勢。川西高原夏季降水量有準(zhǔn)15年、準(zhǔn)5年的多尺度周期變化;盆地中部夏季降水量有準(zhǔn)14年、準(zhǔn)6年和準(zhǔn)3年的多尺度周期變化;盆地東部地區(qū)夏季降水量有準(zhǔn)16年、準(zhǔn)8年、準(zhǔn)3年的多尺度周期變化。

(4)川渝各區(qū)具有顯著不同的雨季變化特征,其中川西高原雨季主要集中在7-9月,1990年以前,川西高原雨季集中在8-9月,而1990年以后,川西高原雨季提前,主要集中在7-8月。盆地中部雨季1990年以前主要集中在6-9月,1990年以后,雨季推遲,雨期縮短,主要集中在7-9月;盆地東部雨季1990年以前,主要集中在5-9月,1990年以后,雨季有提前的趨勢,并分為兩段雨季,雨季時間長度有所縮短。

圖6 川渝各區(qū)夏季降水量的雨季變化(圖中陰影區(qū)表示距平大于20%的區(qū)域

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