1961—2005年河南盛夏降水特征分析

劉云豐，張 博，李沁東

（1.中國民用航空飛行學(xué)院，四川 德陽 618307；2.四川省西充縣氣象局，四川 南充 637200）

河南省是我國人口密集，土地、礦產(chǎn)資源豐富，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，也是我國工農(nóng)業(yè)的主要產(chǎn)地之一。它位于東亞副熱帶季風(fēng)區(qū)，橫跨黃河、長江、淮河和海河四大流域，其降水分布具有過渡帶的典型特征。一般與江淮流域入汛不同步，江淮梅雨結(jié)束，意味著河南中部及其以北地區(qū)汛期來臨。李躍鳳和丁一匯等[1]研究發(fā)現(xiàn)，我國東部夏季降水具有多模態(tài)、多時(shí)間尺度的特征，各個(gè)區(qū)域的降水存在各自特有的周期變化。吳富山等[2]表明，梅雨結(jié)束后，我國東部的主要雨帶不是一躍而至黃河以北，而是階段性的逐次向北跳躍的。Liu等[3]指出，20世紀(jì)90年代初期以來，伴隨著東亞夏季風(fēng)的增強(qiáng)，我國東部夏季雨帶出現(xiàn)年代際北移，表現(xiàn)為淮河流域（110°～120°E，30°～35°N）夏季降水增加，我國東部夏季降水不再是以前大家普遍認(rèn)為的“南澇北旱”的降水格局，此研究成果已被IPCC的第5次報(bào)告引用。Zhai等[4]指出，近40年來，夏半年極端降水頻率在華北地區(qū)減小、在長江流域增加，全年平均華北地區(qū)降水量減少主要是因?yàn)榻邓l率減小，而長江流域降水增加主要是由于降水強(qiáng)度加大且極強(qiáng)降水事件增多。Wang等[5]也指出，近40年夏季極端降水頻率在長江流域增多而在華北地區(qū)減少。劉海文等[6]指出，華北汛期降水量的多寡主要受其汛期大雨的頻率和暴雨的貢獻(xiàn)率影響。華北汛期降水量和暴雨貢獻(xiàn)率都在1978年前后發(fā)生了年代際突變，華北暴雨貢獻(xiàn)率的年代際突變是造成華北汛期降水量發(fā)生年代際突變的內(nèi)在因素。李紅梅等[7]指出，在過去的40多年中，暴雨的強(qiáng)度在長江流域增大，在華北大部分地區(qū)則減小。在華北地區(qū)總降水的減少中，強(qiáng)降水的發(fā)生頻率呈減少趨勢，強(qiáng)度也呈減弱趨勢。

以上研究工作是針對(duì)我國東部夏季降水進(jìn)行的趨勢分析，本文則是采用以上研究成果和方法，針對(duì)河南省區(qū)域，利用觀測資料分析河南省盛夏降水、暴雨日數(shù)、極端降水頻次等的變化趨勢。

1 資料和方法

本文所用資料是中國氣象局國家氣象中心提供的河南省17個(gè)臺(tái)站1961—2005年逐日降水。按照天氣學(xué)定義，暴雨是指大于50.0 mm/d，所以，特針對(duì)暴雨和暴雨強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括暴雨日數(shù)、極端降水事件、第95個(gè)百分位降水量。

文章中極端降水事件的定義是根據(jù)翟盤茂[8]等提出的觀點(diǎn)確定的，即將1961—2005年逐年7月、8月日降水量序列的第95個(gè)百分位值的45年平均值定義為極端降水事件的值，當(dāng)某站某日降水量超過這一閾值時(shí)，就被稱之為極端降水事件。與傳統(tǒng)的、全國統(tǒng)一的、固定的日降水量定義方法相比，該方法的優(yōu)越之處在于它充分考慮了降水的地區(qū)間差異，使得各地極端降水的閾值都依本地降水情況而定，能夠更好地反映降水變化的區(qū)域性特征。

Bonsal[9]指出，如果某個(gè)氣象要素有n個(gè)值，將這n個(gè)值按升序排列，即x1，x2，…，xm，…，xn，某個(gè)值小于或等于xm的概率為：

式（1）中：m為xm的序號(hào)，如果有62個(gè)值，那么，第95個(gè)百分位上的值為排序后的x59（p＝94.1%）和x60（p＝95.7%）的線性插值；n為某個(gè)氣象要素值的個(gè)數(shù)。

用式（1）來估計(jì)百分位值，不但計(jì)算方便，而且避免了對(duì)要素序列分布的任何假設(shè)。同時(shí)，F(xiàn)olland[10]等對(duì)式（1）也進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并通過與其他公式的比較論證了該公式的合理性。式（1）的結(jié)果與Gamma分布的公式結(jié)果基本等同。

此外本文所用的分析方法包括趨勢分析，小波分析，運(yùn)用EOF（正交分解）的方法對(duì)盛夏7月、8月降水進(jìn)行特征分析，以及河南盛夏降水量與東亞季風(fēng)的合成分析。

2 河南省盛夏降水分布和年際變化特征

2.1 空間分布

圖1給出了1961—2005年河南省7月、8月平均降水量的空間分布情況，從圖中可以看到，在河南省的東南地區(qū)有1個(gè)大值中心，最大降水量達(dá)到370 mm。而在河南省西部地形較高的地區(qū)，平均降水量最少，有1個(gè)小值中心，降水量僅為190 mm。中部地區(qū)和北部平均降水量較為一致，為300 mm左右。由此可以看出，豫南地區(qū)與豫北地區(qū)的降水有明顯的差異，這可能是由于豫南地區(qū)受江淮梅雨鋒雨帶的影響比較大。

圖1 1961—2005年河南省7月、8月平均降水量空間分布（單位：mm）

2.2 氣候變化趨勢

從圖2中可以看出，河南省地區(qū)1961—2005年，7月、8月的年平均降水量在157～530 mm之間，其中，最小值在1997年，最大值在1982年。另外，回歸直線呈微弱上升趨勢，氣候傾向率為每10年上升4.084 8 mm，這說明隨時(shí)間的增加降水量呈上升趨勢。由滑動(dòng)平均曲線可知，20世紀(jì)70年代到80年代初，河南盛夏平均降水量震蕩呈升高的趨勢，此后震蕩有下降趨勢。20世紀(jì)80年代中期開始，震蕩出現(xiàn)明顯的上升趨勢。圖3是自1970年以來的t統(tǒng)計(jì)量，t統(tǒng)計(jì)量有一處超過0.05顯著性水平，這一正值出現(xiàn)在1984年，說明河南省7月、8月平均降水量在近45年來出現(xiàn)過一次明顯的突變，20世紀(jì)80年代經(jīng)歷了一次由少到多的過程。Liu等[3]研究結(jié)果表明，20世紀(jì)90年代初期以來，隨著東亞夏季風(fēng)的增強(qiáng)，我國東部夏季雨帶出現(xiàn)年代際北移，表現(xiàn)為淮河流域（110°～120°E，30°～35°N）夏季降水增加，我國東部夏季降水不再是以前大家普遍認(rèn)為的“南澇北旱”的降水格局一致。

圖2 河南省1961-2005年7、8月平均降水量變化趨勢

圖3 滑動(dòng)t統(tǒng)計(jì)量曲線

如圖4所示，利用小波功率譜分析降水量序列得出，7月、8月降水量的準(zhǔn)2年、準(zhǔn)7年的周期振蕩現(xiàn)象較為顯著。其中，準(zhǔn)2年的周期在1995年至21世紀(jì)初存在較大的譜值，而準(zhǔn)7年的周期在20世紀(jì)80年代初至20世紀(jì)90年代初存在較大的譜值。

圖4 河南省7月、8月降水量的功率譜及其對(duì)應(yīng)的方差

2.3 合成分析

圖5是對(duì)河南省7月、8月降水量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，選取指數(shù)大于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差或者小于－1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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環(huán)流場與氣候平均態(tài)作差值，進(jìn)而對(duì)河南7月、8月降水進(jìn)行環(huán)流場的合成分析。

圖5 河南7月、8月降水量標(biāo)準(zhǔn)化距平時(shí)間序列

圖6（a）為強(qiáng)降水年700 hPa環(huán)流場合成分析，由圖可得，河南地區(qū)主要受來自太平洋的東亞夏季風(fēng)的偏東南氣流影響，有充足的水汽輸送，有利于降水發(fā)生；而圖6（b）為弱降水年700 hPa環(huán)流場，河南地區(qū)主要為較為干燥的偏北氣流，水汽相對(duì)不足，不利于降水。因此，在降水量高值年，東亞夏季風(fēng)偏東南氣流的水汽輸送比較強(qiáng)，有利于河南地區(qū)降水的增多。

圖6 河南省7月、8月降水量高（a）、低值年（b）與同期氣候態(tài)差值的700 hPa環(huán)流合成場

3 河南省盛夏降水指標(biāo)特征分析

3.1 暴雨日數(shù)特征

由圖7（a）可知，河南省7月、8月平均暴雨日數(shù)為1.26個(gè)，最大暴雨日數(shù)為2.93個(gè)，出現(xiàn)在1981年；最小暴雨日數(shù)為0.47個(gè)，分別出現(xiàn)在1986年、1993年、2002年。此外，從圖中還可以看出，20世紀(jì)60年代中期至70年代中期，暴雨日數(shù)減少；20世紀(jì)70年代中期到80年代中期，暴雨日數(shù)年際變化較為平緩；20世紀(jì)80年代中期至20世紀(jì)90年代初，有明顯的下降趨勢；20世紀(jì)90年代至暴雨日數(shù)有所增加，趨于平緩。

從圖7（b）中可以看出，在豫南地區(qū)信陽有1個(gè)大值中心，暴雨日數(shù)達(dá)1.97個(gè)，在豫西三門峽有1個(gè)小值中心，暴雨日數(shù)僅0.51個(gè)。暴雨日數(shù)的空間分布與降水量空間分布極其相似，這間接說明暴雨對(duì)降水量的貢獻(xiàn)比較大，這與李紅梅等[7]對(duì)我國東部地區(qū)盛夏總降水變化主要受暴雨的影響這一結(jié)論相一致。

圖7 河南省1961—2005年7月、8月暴雨日數(shù)特征

3.2 極端降水特征

如圖8（a）所示，河南省1961—2005年7月、8月第95個(gè)百分位降水量總體呈現(xiàn)東南多西北少的分布特征，且在豫南信陽存在1個(gè)大值中心，在豫西三門峽存在1個(gè)小值中心，所以，以此為閾值統(tǒng)計(jì)極端降水事件的頻率。從圖8（b）中可以看出，7月、8月極端降水頻率的趨勢性變化，即在駐馬店和周口地區(qū)呈增加趨勢且增加速率最多，而在河南安陽、焦作、信陽和南陽地區(qū)呈減小的趨勢。由閾值可以看出，極端降水主要反映的是中雨以上強(qiáng)度的降水。下面我們用EOF（正交分解）對(duì)極端事件發(fā)生頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，揭示其空間分布特征，具體如表1所示。

圖8 河南省1961—2005年7月、8月極端降水特征

表1 1961—2005年河南省7月、8月極端降水事件頻次前8個(gè)EOF分量對(duì)場總方差的貢獻(xiàn)

盡管極端降水有很強(qiáng)的地域性，構(gòu)造的降水類型較為復(fù)雜，但從圖中可以看出，前8個(gè)模態(tài)對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率達(dá)到82.1%.利用North[11]等的經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)其取樣誤差進(jìn)行評(píng)估，EOF結(jié)果特征值收斂很快，表明滿足能量按自由度均分，是穩(wěn)定可分的，因此，具有實(shí)際的物理意義。其中，前4個(gè)模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)率為61.1%，我們可以將前4個(gè)模態(tài)視為重點(diǎn)研究對(duì)象。

圖9是河南7月、8月極端降水頻次的前4個(gè)模態(tài)的空間分布。圖9（a）為第一模態(tài)分布，從圖中可以看出，全省區(qū)域一致（均為正值），表明河南7月、8月極端降水事件發(fā)生頻次在空間上表現(xiàn)出了一致性。顯然這種一致性與大尺度天氣系統(tǒng)的影響有關(guān)，盡管全省不同地區(qū)之間的氣候差異明顯，但是，它們的極端降水在一定程度上受某些因子的共同影響和控制。振幅高值中心位于河南中部平頂山和鄭州，是極端降水頻次最主要的空間分布型式。

圖9（b）為第二模態(tài)分布，它占總方差的12.9%，載荷值零線將整個(gè)河南省分成南北兩塊，極端降水事件發(fā)生頻次呈現(xiàn)明顯的南北特征，并且正負(fù)載荷向量絕對(duì)值基本相當(dāng)。這說明，極端降水頻次大致呈南北的反位相變化，反映了河南7月、8月極端降水頻次的空間局地差異。之所以會(huì)出現(xiàn)這種變化特征，可能主要與河南省的地理分布特點(diǎn)有關(guān)。豫南地處淮河以南，受江淮梅雨鋒雨帶的影響比較大，而豫北地處黃河以北，太行山東側(cè)，7月、8月雨水集中，具有華北暖溫帶亞濕潤氣候的特征。

圖9（c）為第三模態(tài)分布，它占總方差的9.7%，載荷值零線主要集中在河南省焦作和南陽。這表明，極端降水頻次呈東北少西南多的反位相變化，反映了河南7月、8月極端降水頻次的空間局地差異。這與南陽盆地汛期氣候特點(diǎn)、焦作地處太行山東側(cè)汛期來臨西南季風(fēng)盛行處于迎風(fēng)坡一側(cè)的特點(diǎn)有關(guān)。

圖9（d）為第四模態(tài)分布，它占總方差的9.1%，顯然從圖中可以看出極端降水頻次呈東西的反位相變化。這可能與副熱帶高壓位置偏南有關(guān)，當(dāng)副熱帶高壓位置偏南時(shí)，河南省東部地區(qū)降水偏多，而西部地區(qū)降水會(huì)有減小的趨勢，最終會(huì)導(dǎo)致東西出現(xiàn)極端降水事件的相反情況發(fā)生。

圖9 1961—2005年河南省7月、8月極端降水事件頻次EOF的前4個(gè)模態(tài)空間分布

圖10 河南省1961—2005年7月、8月極端降水頻次變化趨勢（a）滑動(dòng)t統(tǒng)計(jì)量曲線（b）

從圖10（a）中可以看出，河南省地區(qū)1961—2005年，7月、8月的極端降水頻次在1.0～4.8次之間，其中，最小值在2002年，最大值在1982年?；貧w直線呈微弱上升趨勢，氣候傾向率為每10年上升0.022 3，說明隨時(shí)間的增加極端降水頻次呈微弱的上升趨勢。圖10（b）是自1970年以來t統(tǒng)計(jì)量，t統(tǒng)計(jì)量有一處超過0.05顯著性水平，這一負(fù)值出現(xiàn)在1972年。這說明，河南省7月、8月極端降水頻次在近45年來出現(xiàn)過一次明顯的突變，20世紀(jì)70年代經(jīng)歷了一次由多到少的過程。

圖11為河南省7月、8月極端降水頻次的小波功率譜。對(duì)圖11（a）中極端降水序列進(jìn)行分析得出，7月、8月極端降水頻次的準(zhǔn)3年、準(zhǔn)7年的周期振蕩現(xiàn)象顯著。其中，準(zhǔn)3年的周期在1980—1985年存在較大的譜值，準(zhǔn)7年的周期在20世紀(jì)70年代末至20世紀(jì)90年代初存在較大的譜值。

圖11 河南省7月、8月極端降水頻次的功率譜及其對(duì)應(yīng)的方差

4 結(jié)論

近45年來，河南省7月、8月降水量空間分布是東南多西北少，降水量有微弱的上升趨勢；滑動(dòng)t檢驗(yàn)顯示，在20世紀(jì)80年代的突變經(jīng)歷了一次由少到多的過程。

河南省7月、8月降水量存在準(zhǔn)2年、準(zhǔn)7年的周期振蕩現(xiàn)象較為顯著。由合成分析可知，東亞夏季風(fēng)偏東南氣流的增強(qiáng)有利于河南地區(qū)降水的增加。

河南省7月、8月暴雨日數(shù)的空間分布為東南多西北少，其中，暴雨日數(shù)呈較弱的增加趨勢。

河南省7月、8月極端降水頻次的空間分布為河南中部地區(qū)，運(yùn)用EOF分解方法分析，結(jié)果表明，第一模態(tài)為河南省7月、8月極端降水頻次的一致性，第二模態(tài)為南北反位相。河南省7月、8月極端降水頻次呈微弱上升趨勢，在20世紀(jì)70年代有一次突變，經(jīng)歷了由少到多的過程，且存在準(zhǔn)3年、準(zhǔn)7年的周期振蕩。

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