淺析長江中下游夏季極端降水分布特征

許永姿

摘 要：本文利用長江中下游地區(qū)1961—2010年88個測站夏季（6—8月）的逐日降水資料，NOAA延伸再建的海表面溫度資料和NCEP/NCAR再分析500hPa高度場資料。通過第95百分位法統(tǒng)計出極端降水序列，采用EOF、REOF分解、線性傾向估計以及M-K突變性檢驗等方法對我國長江中下游地區(qū)夏季極端降水時空分布特征進行了分析，結果顯示：長江中下游夏季極端降水閾值空間分布差異較大，大致呈現(xiàn)東高西低，南多北少的分布形勢。其中閾值高值區(qū)位于贛鄂皖3省的交界處，高低值相差達40mm/d；夏季極端降水在一致性異常特征的基礎上，存在著南北反向差異；并可以再劃分為6種主要的空間型：分別為運河流域型、入海型、兩湖平原型、南部型、北方型和沿海型。6種主要空間型的夏季極端降水年際變化特征并不完全一致，但從長期變化趨勢來看，除了湘北、贛北及長江中下游地區(qū)東北部，這3塊小區(qū)域的極端降水表現(xiàn)為減少外，其余區(qū)域均表現(xiàn)為增加趨勢；進入20世紀90年代，長江中下游地區(qū)整體夏季極端降水偏多。

關鍵詞：長江中下游地區(qū)；夏季；極端降水量；空間分布

中圖分類號：S16 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170732068

引言

長江作為我國的第一大河，因其地理位置優(yōu)越，雨量充沛，資源豐富，是我國經(jīng)濟發(fā)達、居住人口密集的地區(qū)。入夏長江流域進入雨季，受夏季風影響，長江中下游降水豐沛且集中，所以出現(xiàn)暴雨概率較大，經(jīng)常面臨洪澇災害的威脅。尤其是20世紀90年代后，長江中下游地區(qū)共發(fā)生了6次大洪水事件，成為了近1000a以來全國洪水發(fā)生頻率最高的年代之一[1]。據(jù)IPCC報告[2]，全球氣候變暖會加速水汽循環(huán)，將帶來降水的增加，并在全球的各區(qū)域呈現(xiàn)不同變化。龔道溢[3]發(fā)現(xiàn)自20世紀70年代以來，全國東部地區(qū)的降水量有顯著上升；與全球氣溫近幾十年的變暖趨勢一致[4]。

極端天氣和氣候事件作為一種小概率事件，突發(fā)性強，影響范圍廣，因而嚴重影響人類的生存環(huán)境，阻礙世界經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步[5]。已有研究表明，近50a來中國年降水量雖無明顯的極端變化傾向，但雨日顯著減少，降水強度呈增加趨勢，強降水事件欲趨集中，大范圍的洪澇事件出現(xiàn)頻率明顯增強[6]。劉學華[7]等人認為，全國強降水日指數(shù)與強降水比率指數(shù)的整體線性變化呈上升趨勢。瞿盤茂[8]等人研究表明，近50a來長江及其以南地區(qū)極端降水事件逐漸趨于頻繁。目前一些中外學者對中國長江中下游地區(qū)的極端降水時空分布特征進行了細致研究。蘇布達[8]等人指出1986年以來長江流域洪澇災害頻繁發(fā)生，突出表現(xiàn)在中下游地區(qū)，究其緣由主要是因長江流域東南部和西南部極端降水強度和頻率增加所致，并與長江流域的極端降水時空分布型態(tài)的變化密切相關。張永領[9]等人發(fā)現(xiàn)長江流域的極端強降水量、降水強度和日數(shù)在長江中下游呈現(xiàn)顯增加趨勢，極端強降水量變化的空間分布存在顯著的差異。

本文利用長江中下游地區(qū)1961—2010年近50a的逐日降水資料，對長江中下游地區(qū)的夏季極端降水的空間分布特征與時間演變規(guī)律進行了分析，不僅對掌握該地區(qū)氣候背景狀況與自然環(huán)境變化有著很重要的意義，并且對掌握該地區(qū)與全球氣候變化的微妙聯(lián)系，全面掌握全球氣候異常和預測未來氣候變化，都有一定必要性。

1 資料與方法

1.1 資料的選取與處理

本文選用取國家氣象信息中心提供的743站逐日降水資料，時間取自1961—2010年，共計50a。研究區(qū)域為長江中下游地區(qū)（E108～123，N24～36），具體是指南嶺以北，秦嶺——淮河一線以南，巫山以東的廣大區(qū)域，包括湖南、湖北、江蘇、浙江、江西、安徽和上海6省1市。該區(qū)域地勢低平，以平原丘陵為主，中游平原包括湖北江漢平原、江西鄱陽湖平原、湖南洞庭湖平原；下游平原包括長江沿岸平原和巢湖平原及江蘇、浙江、上海之間的長江三角洲。由于測站發(fā)生變遷等，剔除降水資料長度不足50a的站點，最后選取了88個站點。所選區(qū)域站點相對分布較均勻，且在空間分布上較密集。

1.2 方法簡介

在我國通常把日降水量大于50mm稱為暴雨，把日降水量大于25mm稱為大雨。但對于不同的地區(qū)而言，極端強降水事件是不能夠完全用全國統(tǒng)一固定的日降水量定義的，因為這樣可能出現(xiàn)部分地區(qū)極端氣候事件過于頻繁，而另一地區(qū)極端氣候事件鮮少發(fā)生[10]。為了充分考慮降水的區(qū)域間的差異從而更好地反映降水變化的區(qū)域性特征，本文采用長江中下游各站1961—2010年逐年6—8月日降水量序列的第95個百分位值的50a平均定義為該臺站的極端降水事件閾值，當該站某日降水量大于該閾值時，稱之發(fā)生了極端降水事件[9]，據(jù)此統(tǒng)計出長江中下游地區(qū)逐年夏季各站的極端降水總量并建立相應的時間序列。

為了解長江中下游地區(qū)夏季極端降水時空分布特征，這里采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解法（EOF）[11]分離時間空間場。EOF分解法亦稱為主分量分析，它收斂速度快，容易將變量場的信息集中在幾個模態(tài)上，再結合旋轉正交函數(shù)分解法（REOF）[12]，能更好地了解典型空間分布結構。本文為了消除地理位置、地形及不同月份的影響，對長江中下游地區(qū)夏季極端降水序列進行了標準化處理。采用EOF對標準化資料進行展開，得到空間載荷量及主成分陣，于此基礎上，進行REOF展開，得到旋轉載荷向量和對應的旋轉主成分。

為進一步掌握時間序列長期的變化趨勢，運用線性傾向估計[13]和Mann-Kendall法[14]對時間序列展開了周期分析。

2 長江中下游地區(qū)的夏季極端降水量空間分布特征

2.1 長江中下游地區(qū)夏季極端降水閾值分布特征

由長江中下游地區(qū)1961—2010年夏季極端降水量閾值空間分布分析圖（圖略）可見長江中下游地區(qū)夏季極端降水閾值分布空間差異很大。其中江西、安徽和湖北交界的一片區(qū)域是極端降水量閾值高值分布區(qū)，其值均大于區(qū)域平均值，其中安徽黃山最高，近80mm/d；而鄂西北、湘南、贛南和浙東北極端降水量閾值相對較低，其中湖北房縣極端降水閾值最低為40mm/d。由此可見：長江中下游地區(qū)的夏季極端降水量空間分布差異顯著。據(jù)初步分析，基于研究區(qū)域南北緯相距10多個維度，東邊靠近海洋，西部居于內陸，這種地理位置差異使得長江中下游地區(qū)內的極端降水量空間差異較大。

2.2 長江中下游地區(qū)夏季極端降水異?？臻g分布特征

對長江中下游地區(qū)88個臺站夏季極端降水量做EOF和REOF展開，提取主要成分進行分析，以及利用其載荷量（LV）與旋轉載荷量（RLV）反映出夏季長江中下游地區(qū)的極端降水量異常的空間分布特征。表（略）給出了旋轉前主成分矩陣（PC）對總方差的貢獻率，前3個方差貢獻率分別為13.54%、10.07%、7.35%，總計30.96%，經(jīng)North檢驗前3個特征向量均通過，經(jīng)驗正交函數(shù)有意義，這是長江中下游夏季極端降水異常3個主要的空間模態(tài)。由此可見，隨著時間尺度的擴展，測站數(shù)量的增多，其主成分與旋轉主成分的收斂迅速降低，表明長江中下游地區(qū)的夏季極端降水量的時空差異很大。

通過分析長江中下游地區(qū)夏季極端降水EOF分析的前3個模態(tài)的空間分布圖（圖略），第一種特征向量場是整個長江中下游地區(qū)的載荷向量全區(qū)都為正，說明整個長江中下游地區(qū)夏季極端降水異常呈現(xiàn)一致性特征。即在同一大尺度天氣系統(tǒng)的控制之下，出現(xiàn)極端降水的步調是一致的。沿江一帶的載荷量值較大，表明該區(qū)域極端降水量變率最大，是異常敏感區(qū)。

第二特征場圖（圖略）與第一特征場有著較大差異，明顯看出以長江為界，江南與江北的極端降水異常顯示出反向變化的結構特點，即江北極端降水偏多（偏少）時，江南極端降水偏少（偏多）。其中安徽和江蘇交界區(qū)、湘南、贛中等區(qū)域的載荷量較大，表明這些區(qū)域極端降水是最容易發(fā)生異常的。探究這種變化特征的形成原因，主要由于西太平洋副熱帶高壓的季節(jié)性北移所致。副熱帶雨帶偏南時，此區(qū)域南部受副熱帶雨帶影響最容易出現(xiàn)極端降水，北部容易干旱；當副熱帶高壓北移而控制該區(qū)域南部之時，因為其北部處于副熱帶高壓邊緣容易出現(xiàn)極端降水，而南部由于受副高控制從而導致高溫少雨。

第三種特征向量圖（圖略）可發(fā)現(xiàn)湘中北地區(qū)夏季的極端降水異常出現(xiàn)與其周圍地區(qū)相反的特征。這是因為在一些年份，湖南在副高控制下，晴熱少雨。特別是在湘江中下游與洞庭湖區(qū)，正處于副高主體之下，降水量明顯減少，干旱特別嚴重。而湘西北處于副高邊緣，干旱相對較輕，湘西南與湘東南，由于受臺風等熱帶天氣系統(tǒng)的影響，和地形的抬升作用常出現(xiàn)較多降水，緩和嚴重的旱情，從而使湖南中部降水與周圍地區(qū)不一致。

為了進一步掌握長江中下游地區(qū)的夏季極端降水異常的次級地域特點，在EOF展開的基礎上，對得出的前10個主成分及對應的載荷量進行了旋轉（REOF），REOF可以將空間場上與主成分相關的高值荷載向量區(qū)集中在較小的范圍內，從而有利于識別物理量的空間型。表2給出了旋轉后主成分矩陣（RPC）對總方差的貢獻率，可見旋轉后的各方差貢獻率相較旋轉前要均勻分散?？傻?個主要的空間分區(qū)模態(tài)，這6個主成分的方差貢獻均比其它大，累積方差貢獻達到46.37%，基本能反映長江中下游夏季極端降水的主要異常分布。

6個主要空間分區(qū)分別為ⅰ區(qū)：運河流域型（圖略），該型的解釋方差為9.71%，主要反映了安徽、江蘇南部極端降水的異常特征。其旋轉載荷向量大值區(qū)位于長江下游段以北，中心值是+0.83，代表臺站是江蘇南京，此地區(qū)位置偏北，極端降水量主要集中在7—9月份；ⅱ區(qū)：入海型（圖略），該型的解釋方差為7.40%，主要反映了浙江北部極端降水的異常特征。旋轉載荷向量大值區(qū)位于長江下游入海段以南，中心值為+0.795，代表臺站為浙江平湖；ⅲ區(qū)：兩湖平原型（圖略），該型的解釋方差為11.34%，主要反映了湖南北部和湖北南部極端降水的異常特征。旋轉載荷向量最大值區(qū)集中于長江中游沿江兩側，中心值為-0.769，代表臺站為湖南省岳陽，此地區(qū)位于兩湖平原，乃華南、長江中下游的過渡地帶，極端降水峰值出現(xiàn)于6月份；ⅳ區(qū)：南部型（圖略），該型的解釋方差為6.57%，主要反映了湖南南部及江西中南部極端降水的異常特征。旋轉載荷向量大值區(qū)位于整個長江中下游地區(qū)南部，中心值為-0.7，代表臺站為江西宜春；ⅴ區(qū)：北方型（圖略），該型的解釋方差為5.56%，主要反映了湖北北部、安徽北部和江蘇北部極端降水的異常特征。旋轉載荷量大值區(qū)位于整個長江中下游地區(qū)北部，中心值為+0.64，代表臺站為湖北棗陽，該地區(qū)在漢水流域；ⅵ區(qū)：沿海型（圖略），該型的解釋方差為5.79%，主要反映了浙江南部和江西中部偏北極端降水的異常特征。旋轉載荷量大值區(qū)位于長江下游以南，中心值是-0.742，代表臺站是浙江省麗水，該地區(qū)位于沿海地帶，受臺風影響顯著。

長江中下游地區(qū)的夏季極端降水量的6個異?？臻g分布型分別為運河流域型、入海型、兩湖平原型、北部型、南部型、和沿海型。

3 結論

長江中下游地區(qū)夏季的極端降水的閾值空間分布的差異較大，安徽、 江西、和湖北交界的區(qū)域為閾值大值分布區(qū)，而鄂西北、湘南、贛南和浙東北極端降水閾值相對較小。

夏季極端降水異常主要存在全區(qū)一致變化和南北反向變化2種模態(tài)。其中異常特征最主要的模態(tài)表現(xiàn)為，整個長江中下游地區(qū)全區(qū)域一致性，即1961—2010年50a間全區(qū)夏季出現(xiàn)極端降水的步調是完全一致的。另外，以長江為界，南北反向變化的模態(tài)也比較重要，即江南降水多（少）時，北少（多）。

長江中下游區(qū)域夏季極端降水可以再劃分為6種主要的空間型：分別為運河流域型、入海型、兩湖平原型、南部型、北方型和沿海型。

參考文獻

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