貴州省銅仁市雨季開始期演變特征及環(huán)流分析

舒國勇，高紅梅，嚴小冬，2

(1.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300;2.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

貴州省銅仁市雨季開始期演變特征及環(huán)流分析

舒國勇1，高紅梅1，嚴小冬1，2

(1.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300;2.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

通過1961—2012年銅仁市各站的逐日降雨量統(tǒng)計出雨季開始期，利用EOF和小波分析方法，得出銅仁市雨季開始期的空間分布特征及時間演變特點：銅仁雨季開始期主要是各地一致偏早(晚)型，其次是西北部與東南部雨季開始期呈反位相變化;雨季開始期偏晚年份為 1975、1976、1986、1988、1995、1996、2005、2007、2011 年，偏早年份為 1961、1977、1989、1990、1993、2002、2008年;1985年之后，雨季開始期2～4 a變化周期顯著。同時，利用NCEP/NCAR月平均北半球500 hPa環(huán)流資料，分析銅仁雨季開始期偏早年與偏晚年的3—5月之間的環(huán)流差異，讓政府決策部門和公眾對銅仁市雨季開始期時空演變特征有較為清晰的認識，也為更好預測雨季開始期奠定基礎。

雨季開始期;EOF;Morlet小波;500 hPa環(huán)流

1 引言

銅仁市位于于貴州東北部，在27°08'～29°05'N、107°44'～109°28'E 之間，地處貴州高原自東向西的三級臺階的第一級階梯上和貴州高原東北邊緣向湘西丘陵過渡的斜坡地帶，地勢一般由西北向東南降低，其中武陵山脈中海拔為2 493 m的梵凈山將銅仁市分為東西兩個部分。銅仁屬于中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，季風氣候明顯，冬季盛行偏北風，夏季盛行偏南風，而冬、夏季風的變化更替時間及強弱變化，也是造成銅仁雨季開始期提前或推遲的原因之一。

銅仁市各地雨季開始期最早有出現(xiàn)在3月上旬，最晚也有出現(xiàn)在6月上旬，而銅仁大部分地區(qū)一般進入雨季的正常時間在3月下旬—4月上旬之間。近年來有部分學者研究了關于各地的雨季開始期特征變化［1－4］，如陶云［2］等研究云南雨季開始期演變特征，劉瑜［1，3］等人研究云南雨季開始期的異常環(huán)流特征，文中描述了云南當?shù)氐挠昙鹃_始期特征，并對歷年來影響雨季開始期的因子做了詳細研究。雨季開始期的偏早偏晚對當?shù)剞r業(yè)的耕種及農作物的生長起著至關重要的作用，而雨季開始期的預測對農業(yè)發(fā)展具有重要的意義。目前還未有對銅仁雨季開始期的特征變化做研究，所以本文主要研究銅仁市雨季開始期的主要空間分布及時間演變周期，并對雨季開始期偏早或偏晚的環(huán)流特征做合成對比分析。

2 資料與方法

銅仁市共有10個縣(區(qū))，由于萬山部分降雨資料大量缺測，故只取銅仁市其它9個代表站，即碧江、松桃、江口、玉屏、沿河、德江、思南、印江和石阡，逐日降雨資料時間段為1961—2012年共52 a。根據(jù)文獻［5］定義，自3月1日起，某站任意滑動5 d總降水量多于該站多年平均旬降水量，則把這滑動5 d中的最大降水日或日降水量≥20 mm的當日，稱為雨季開始期;利用NCEP/NCAR 2.5×2.5°月平均高度場再分析資料，分析銅仁主要偏早年和偏晚年的3、4、5月份環(huán)流特征，并分別與歷史同期相比，試圖揭示主要影響銅仁雨季開始期的大氣環(huán)流特征。

運用經驗正交函數(shù)分解(EOF)和Morlet小波，開展相關分析工作。EOF分析技術［6］能夠有效提取、定量表達數(shù)據(jù)中的主要型式與它們的時空演變，以及不同型式之間是如何相互聯(lián)系的，利用EOF方法有利于揭示銅仁雨季開始期的主要空間分布特征。小波分析［7］是用來分析包含非靜態(tài)功率的時間序列在不同頻率的譜值，近幾年來，將小波分析用在大氣科學中的文獻日益增多［8－11］，本文主要利用小波變換能量守恒的屬性，用小波能量譜來進行分析，小波能量譜具有直觀地反映振動強度隨頻率和時間變化的優(yōu)良性。

3 銅仁市雨季開始期的時間演變和空間分布特征

3.1 銅仁市雨季開始期空間分布

銅仁總面積達到18 023 km2，由于銅仁地區(qū)的山地地形較為復雜，所以各個縣區(qū)的雨季開始期有所差別。首先應用EOF分析方法，對銅仁市9個代表站1961—2012年的雨季開始期的資料進行分析，得出銅仁雨季開始期前5個特征向量方差貢獻分別為 44.18%、20.51%、8.77%、7.94% 和 5.52%。North［12］等指出，氣象變量場分解后，還需要計算相鄰兩個特征值之差進行顯著性檢驗，從而判斷對該氣象變量場的分解是否有意義。設n為樣本量，λi是第 i個特征值，如果滿足 λi－ λi+1≥ei=，則認為第i個特征值所對應的經驗正交函數(shù)的分解是有意義的。表1是銅仁雨季開始期的EOF分析結果，根據(jù)顯著性檢驗原則，第一和二個模態(tài)的方差貢獻已達64.71%，并通過顯著性檢驗，說明EOF分解的收斂速度快，可以作為銅仁雨季開始期的主要模態(tài)。

圖1a是方差貢獻為44.18%的第一特征向量空間分布，體現(xiàn)出了銅仁雨季開始期的主要分布類型，全市呈現(xiàn)一致的偏早(晚)，圖1b是方差貢獻為20.51%的第二特征向量空間分布，從圖上可以看出，西部和北部的沿河、松桃、德江、印江和思南，與東部和南部的石阡、江口和碧江呈反相態(tài)，也就是西北部雨季開始期偏早(晚)，則東南部雨季開始期偏晚(早)，總體來說，西北部和東南部的雨季開始時間呈反向變化。

表1 銅仁雨季開始期的EOF分析結果

圖1 銅仁市9個代表站雨季開始期的EOF第一特征向量(a)及第二特征向量(b)

3.2 銅仁市雨季開始期的時間演變特征

通過以上銅仁雨季EOF分析的第一特征向量空間分布可以得出，銅仁的雨季開始期呈現(xiàn)全市一致的偏早(晚)型，將銅仁雨季開始期進行標準化處理，從圖2中可以看出，雨季開始期偏晚年份為：1975、1976、1986、1988、1995、1996、2005、2007、2011年，偏早年份為 1961、1977、1989、1990、1993、2002、2008年，其中最偏晚的是2011年，即5月才出現(xiàn)雨季開始期，最偏早的是1990年，即3月中旬左右出現(xiàn)雨季開始期。

圖2 銅仁雨季開始期時間演變曲線

以上分析可以得出雨季開始期存在一個周期變化的特征，通過Morlet小波分析方法，研究雨季開始期的周期性變化特征。圖3a是銅仁雨季開始期的標準化后的變化曲線，從圖上可以看出，在20世紀90年代之前，雨季開始期的變化周期在12 a左右，變化振幅較小，但在20世紀90年代以后，特別是在2002年以后，雨季開始期的變化振幅較大且頻率加快。而通過小波功率譜分布圖可以看出(圖3b)，雨季開始期主要是存在10 a以下的周期變化，而通過能量譜的變化曲線顯示，通過信度檢驗的周期主要有兩個(圖3c)，分別是2 a和4 a周期，以下還做了2～4 a周期在此時間序列中占的貢獻的變化曲線，圖3d顯示在1985年之前2～4 a周期所占的貢獻率相對較少，變化比較有規(guī)律，然而在1985年之后，2～4 a周期所占的貢獻率陡然增大，說明在1985年之后雨季開始期主要以2～4 a周期變化為主，對應雨季開始期的年際變化，2000年以后雨季開始期的偏早年與偏晚年變化頻率較高。

圖3 (a)銅仁雨季開始期標準化序列變化;(b)雨季開始期的小波能量譜周期分析;(c)雨季開始期的小波能量譜的信度檢驗圖;(d)2～4a周期的方差貢獻曲線

4 銅仁市雨季偏早年與偏晚年的環(huán)流對比分析

通過以上的討論得出銅仁市雨季開始期的主要偏早年和偏晚年，結合500 hPa高度場，分別對兩者之間的500 hPa環(huán)流場做合成分析，重點分析銅仁雨季開始期3、4、5月的環(huán)流場演變特征。

圖4a是銅仁雨季開始期偏早年的3月500 hPa環(huán)流距平合成圖(偏早年的平均值減去30 a的平均值)，從圖上可以看出，極地中心極渦強度偏強，負值中心值達到－80 gpm，極渦中心向歐亞大陸延伸，在中高緯(40～70°N，60°E)有一深厚低槽，有利于極地冷空氣向南輸送，而烏拉爾山西部和貝加爾湖附近都呈現(xiàn)正值中心，中心值都為40 gpm，中高緯呈現(xiàn)“+－+”型，低緯地區(qū)沒有明顯的特征變化。相比之下，3月雨季開始期偏晚年的(圖4b)極地高度場與歷史同期相比偏高，即極地低渦強度相對偏弱，中高緯度整體是負值區(qū)覆蓋，這表明極地冷空氣強度偏弱，不利于向南入侵，對中緯度偏南地區(qū)影響也減弱，3月中國中高緯度上呈弱的負距平，即高度場與同期相比偏低，說明受西風槽的影響，但西風槽位置偏北，對中緯度以南的銅仁的降水產生不利影響。

圖4c是銅仁雨季開始期偏早年的4月500 hPa距平合成圖，極地低渦強度相比3月有所減弱，但是極渦的負值中心達到－60 gpm，烏拉爾山與貝加爾湖的正值中心都有所減弱，北太平洋上的高度場增強，然而在中緯(20～40°N，60°E)區(qū)域有一個較大的負距平中心，值為－40 gpm。4月份偏晚年(圖4d)的500 hPa距平合成圖顯示，在極地低渦強度仍然偏弱，烏拉爾山和貝加爾湖上的高度場異常偏高，中心達到50～60 gpm。4月500 hPa環(huán)流距平場上偏早和偏晚年在中高緯上的高壓幾乎要相互連接，都是阻斷極地冷空氣向南入侵，但是偏晚年的中高緯高度場異常偏高，這樣對中低緯地區(qū)的水汽輸送會有不利的影響。

圖4e是銅仁雨季開始期偏早年的5月500 hPa距平合成圖，極地低渦仍然存在，雖然覆蓋面積減少，但中心值為－60 gpm，歐亞大陸上高壓系統(tǒng)減弱，同時中低緯的高度場減弱，而在中國大陸西部有負值中心－20 gpm，表明在中國西部5月多低值系統(tǒng)發(fā)生，如高原低壓槽東移，常影響中國西南、華中及華東等地區(qū)的降水。5月偏晚年(圖4f)在貝加爾湖北部有高度場距平正值中心70 gpm，橫跨亞洲北部地區(qū)以至歐洲東部地區(qū)，中國大陸高度場都為正值區(qū)。

綜合以上分析，在銅仁雨季開始期偏早年極地低渦都是比較強盛，冷空氣較活躍，不斷南下輸送，雖然4－5月極地冷空氣活動略有減弱，但是在歐亞大陸的中低緯高度場開始有所下降，表明有利于低值系統(tǒng)的生成，如高原上短波槽的出現(xiàn)、南支槽的建立等，給銅仁地區(qū)的降水提供有利條件。而雨季偏晚年在極地地區(qū)，低渦強度都偏弱，大部分呈現(xiàn)正值區(qū)，由于中高緯緯度的高度場相對較強，阻斷極地冷空氣的向南輸送，不利于中低緯地區(qū)產生降水。

圖4 銅仁雨季開始期3～5月500 hPa高度距平合成圖(單位：10 gpm)

5 結論與討論

通過銅仁市轄區(qū)內9個站點歷年日降水資料，統(tǒng)計出雨季開始期，結合EOF正交分解法、Morlet小波和合成等方法，對雨季開始期空間分布、時間變化和雨季開始期偏早年以及偏晚年對應環(huán)流開展大量分析，初步得出以下結果：

①銅仁市雨季開始期主要有2個分布型，即呈現(xiàn)一致性偏早(晚)型，其方差貢獻為44.18%，另一型是西北部雨季開始期偏早(晚)，則東南部雨季開始期偏晚(早)。

②通過銅仁雨季開始期的序列平均值和標準差，判斷出雨季開始期的偏早年和偏晚年，銅仁雨季開始期主要存在10 a以下的周期變化，而通過信度檢驗的周期主要是2 a和4 a周期，從1985年至今，2～4 a周期所占的貢獻率較大，在此周期變化中，雨季開始期偏早和偏晚的變化頻率較高。

③雨季開始期偏早和偏晚年合成圖中，3月份的北半球500 hPa環(huán)流場上，極渦的強度與雨季的變化有密切的關系，低渦強度越強，冷空氣越活躍，不斷南下輸送，給低緯度地區(qū)的降水提供有利條件;同時，4、5月中低緯低值系統(tǒng)發(fā)展，有利于低壓槽、南支槽等低值系統(tǒng)的生成，相對偏晚年，極地低渦都呈現(xiàn)偏弱，中高緯高壓系統(tǒng)偏強，阻礙冷空氣的南下。

總的來說，本文不僅對銅仁雨季開始期時間演變趨勢和空間分布變化進行了仔細分析，而且還對影響其雨季開始期遲早的對應環(huán)流展開了一定分析，獲得了一些有意義的結果。但是，因其影響雨季開始期的因素太多，受資料及其分析手段限制，很多潛在影響因素還在不斷探索中。

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Beginning Period Evolution Characteristcs of Rainy Season and the Circulation Analysis in Tongren City of Guizhou

Shu Guo － yong1，Gao Hong － mei1，Yan Xiao － dong1，2

(1.Tongren Meteorological Service of Guizhou Province，Tongren 554300;2.Climate Center of Guizhou Province，Guiyang 550002)

The spatial distribution and the temporal evolution characteristics of the beginning of the Tongren rainy season are analysed through using EOF and wavelet analysis method based on the daily stations rainfall statistics during 1961 to 2012.There are the following results：the beginning of Tongren rainy season is the unity of late(early)type，following by the anti－phase change of the northwest and southeast.The late years of the beginning rainy season including ：1975、1976、1986、1988、1995、1996、2005、2007、2011，the early years is 1961、1977、1989、1990、1993、2002、2008.The beginning of Tongren rainy season has a noteworthy 2 － 4 year cycle.At the same time，Using the NCEP/NCAR monthly mean 500hPa circulation data in Northern Hemisphere，the circulation differences from March to May of the beginning of the rainy season period are demonstrated，which is the foundation for the government decision－making and a better understanding of the beginning rainy season to the people.

beginning rainy season;EOF;Morlet wavelet;500hPa circulation

P466

A

1003－6598(2012)05－0009－05

2012－06－19

舒國勇(1963—)，男，工程師，主要從事天氣氣候分析研究和氣象服務管理工作。