華南地區(qū)前后汛期極端降水事件對比分析*

蔡悅幸，陸希，楊崧

(1.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275;2.災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;3.廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275)

華南地區(qū)位于我國最南方，屬熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，并且緊鄰南海以及太平洋，是全國雨量最充沛的地區(qū)之一。每年華南地區(qū)降水集中在兩個時(shí)期，分別是4-6月(前汛期)和7-9月(后汛期)[1-3]。很多學(xué)者探討了前后汛期降水的不同成因和變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)前汛期降水主要以鋒面降水為主，受大尺度西風(fēng)帶影響[4-5]，年際變化不明顯，總體呈減少趨勢[6]；后汛期降水以強(qiáng)對流活動和臺風(fēng)降水為主，有明顯的年際變化[3,7]。

進(jìn)入汛期后，華南地區(qū)雨量增加，極端降水事件頻發(fā)，往往導(dǎo)致嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會生活帶來巨大損失[8-10]。然而關(guān)于華南地區(qū)前后汛期極端降水的研究相對較少，有研究指出華南前后汛期極端降水的概率分布特征不同，前汛期自南向北呈“高-低-高”的分布，后汛期由沿海至內(nèi)陸遞減[11]。文獻(xiàn)[12-13]分析了近40 a的資料表明90年代以來華南前汛期極端降水異常程度明顯增加，后汛期極端降水長期線性變化趨勢不明顯，但在90年代也發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)折。也有研究表明華南夏季極端降水在80年代末有明顯的轉(zhuǎn)折與西北太平洋海溫異常有關(guān)[14]。綜上所述，華南前后汛期極端降水事件存在很大差異，其時(shí)空分布變化規(guī)律、異常分布特征以及可能影響原因有各自的特點(diǎn)[15]。然而前人的研究多數(shù)把前汛期與后汛期分開研究，極端降水事件對比分析尚不多見；且僅用百分位法來表征極端降水，在華南地區(qū)不夠準(zhǔn)確，需要改進(jìn)。本文擬采用改進(jìn)后的百分位法和統(tǒng)計(jì)分析方法，對比分析華南地區(qū)前、后汛期極端降水總量和頻次的時(shí)空變化規(guī)律和異常分布特征，并分析該地區(qū)前、后汛期極端降水變異與大氣環(huán)流、太平洋海域的海溫異常以及與南海熱帶氣旋之間的關(guān)聯(lián)性，探討我國華南地區(qū)前、后汛期極端降水事件發(fā)生差異的可能原因，為區(qū)域氣候診斷分析提供參考依據(jù)。

1　資料與方法

1.1　資料來源

本文使用1961-2014 年廣東、廣西、海南三省的逐日降水資料來自國家氣象信息中心。由于有些站點(diǎn)建站時(shí)間較晚，資料序列長度不足54 a，為保證資料序列的均一性，選取50個站點(diǎn)作為華南地區(qū)代表站，站點(diǎn)分布如圖1所示。位勢高度場、風(fēng)場、相對濕度和地面氣壓等數(shù)據(jù)均來自美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)發(fā)布的第一套全球逐月再分析數(shù)據(jù)，選用1960-2014 年共55 a的月平均再分析資料，區(qū)域范圍90°E-120°W，30°S-60°N，分辨率為2.5°×2.5°[16]。射出長波輻射(Outgoing Longwave Radiation)資料來源于1975-2013年共39 a 的NOAA (美國國家海洋和大氣局) Interpolated OLR的月平均資料，覆蓋范圍為90°-150°E，0°-60°N，分辨率為2.5°×2.5°[17]。熱帶氣旋資料來自日本氣象廳(JMA)熱帶氣旋最優(yōu)路徑數(shù)據(jù)集[19]。

1.2　研究方法

定義極端降水事件一般有2種方法：一是采用日累積降水量≥50 mm(暴雨)作為判定標(biāo)準(zhǔn)，缺點(diǎn)是不能體現(xiàn)不同地區(qū)的極端降水特征，因?yàn)椴煌貐^(qū)極端降水的閾值不同。另一種方法為國際上通用的百分位法，將各站1961-2014 年汛期(4-9月)逐日降水量按升序排列，并將該序列的第95個百分位值的54 a平均值定義為極端降水事件的閾值，若某站日降水量超過閾值則認(rèn)為該站有一次極端降水事件發(fā)生。第95個百分位降水的計(jì)算方法如下[19]：

若把降水序列按升序排列為：X1,X2,X3,…,Xm, …,Xn, 則某個降水值 ≤Xm的概率為

(1)

其中m為Xm的序號，n為降水序列的個數(shù),這里n=183,為整個汛期(4-9月)的總天數(shù)。第95個百分位是指P=95%所對應(yīng)的Xm值。這種定義極端降水閾值的方法消除了地域和時(shí)間因素的影響，有利于極端降水事件的空間可比性以及時(shí)間趨勢[20]，有利于客觀地分析極端降水的變化趨勢。

根據(jù)百分位法，圖1給出了華南地區(qū)各站點(diǎn)汛期(4-9月)極端降水事件閾值的空間分布。由圖1可見，極端降水閾值存在明顯的地區(qū)差異，廣東沿海地區(qū)、廣西的東南沿海地區(qū)及海南省的閾值較大，廣西西部及廣東和廣西北部交界處的閾值較小。其中，最大值(86.135 mm)出現(xiàn)在廣東的上川島，其閾值已超出暴雨強(qiáng)度；最小值(43.01 mm)出現(xiàn)在廣西的那坡。根據(jù)傳統(tǒng)的百分位定義華南地區(qū)的極端降水事件，缺點(diǎn)在于有些地區(qū)的閾值小于50 mm暴雨標(biāo)準(zhǔn)，然而華南地區(qū)泄洪條件較好，為了研究引發(fā)災(zāi)害的極端降水事件，本文在傳統(tǒng)的百分位定義法基礎(chǔ)上增加暴雨條件即某站日降水量超過閾值且≥50 mm則定義為極端降水事件。為了描述極端降水事件，本文選用了2個指標(biāo)來表征華南地區(qū)汛期的極端降水特征，分別為：極端降水總量即一定時(shí)間段內(nèi)日降水量大于第95百分位值且大于等于50 mm的總降水量; 極端降水頻率即一定時(shí)間段內(nèi)日降水量大于第95百分位值且大于等于50 mm的總降水量與總?cè)諗?shù)之比，單位為%。

為分析極端降水異常分布特征，本文采用Morlet小波分析等[21-22]]方法研究華南地區(qū)前、后汛期的極端降水事件的時(shí)空變化規(guī)律，并利用合成分析和奇異值分解(SVD)方法[23]分析該地區(qū)極端降水異常與太平洋海溫的關(guān)聯(lián)性特征。

2　前汛期和后汛期極端降水的時(shí)空變化特征

本文統(tǒng)計(jì)了1961-2014年前后汛期的極端降水總量和極端降水頻率，兩種指標(biāo)的變化趨勢基本一致。從距平圖(圖2a, 2b)可以看出前后汛期極端降水總量與頻率都有很明顯的年際變化，且呈上升趨勢，說明華南地區(qū)整個汛期極端降水事件多發(fā)且降水總量增加。前汛期(4-6月)極端降水事件多發(fā)年(即標(biāo)準(zhǔn)化大于1)主要集中在1968, 1971, 1973, 1993, 1998, 2001, 2005, 2008和2010年，少發(fā)年(即標(biāo)準(zhǔn)化小于-1)主要集中在1963，1967，1976，1985，1989，1991，1999，2002和2004年，其中發(fā)生極端降水事件最多的一年是2008年，最少的一年是1963年。而后前汛期(7-9月)的極端降水事件多發(fā)年為1961, 1967, 1976, 1981, 1985, 1993, 1994, 2001, 2002, 2006和2013年，少發(fā)年為1965，1975, 1977, 1983, 1989, 2011和2012，其中發(fā)生極端降水事件最多的一年是2002年，最少的一年是1989年。

從小波分析結(jié)果(圖2c, 2d)可知，前汛期極端降水頻率主要存在2個周期。一是3～5 a年際變化周期，其能量波動影響的時(shí)域主要在60年代中后期和90年代后期到2000年代初期；此外準(zhǔn)兩年的變化周期出現(xiàn)在2000年代初期以后。后汛期則有6～8 a的顯著變化周期，其波動能量影響的時(shí)域主要分布在90年代以后。華南地區(qū)前后汛期存在著不同的變化周期，而兩者呈現(xiàn)出顯著變化周期主要都位于90年代以后。

為了揭示前后汛期極端降水的空間分布特征，圖3給出了華南地區(qū)前后汛期近54 a 平均的極端降水總量和極端降水頻率分布圖。前汛期的極端降水總量 (圖3a) 大值區(qū)位于廣西東北部和廣東中部以及南部沿海地區(qū)，廣東廣西大部分極端降水頻率 (圖3c) 偏高，其大值區(qū)與極端降水總量大值區(qū)基本一致。廣西東北部山區(qū)較多，很容易由極端降水事件引發(fā)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。后汛期的極端降水總量 (圖3b) 大值超過前汛期，主要在廣西廣東南部沿海地區(qū)和海南，極端降水頻率 (圖3d) 的大值落區(qū)也基本一致。綜上所述，華南地區(qū)前后汛期極端降水事件的時(shí)間和空間分布均有差異。

3　前后汛期極端降水事件時(shí)空差異的成因

由前文可知，華南極端降水事件存在著明顯的年際變化，且前后汛期變化周期不一樣，這與大氣環(huán)流、海溫的關(guān)系密切。因此研究華南地區(qū)極端降水事件多發(fā)年和少發(fā)年的大氣環(huán)流和海溫異常特征對于研究華南地區(qū)汛期極端降水事件的可能成因有重要意義。由于后汛期華南地區(qū)還受到南海熱帶氣旋活動影響，且南海區(qū)域由于受到低緯度環(huán)流的影響，其熱力學(xué)變化對華南降水起著重要作用[24]。因而探討南海大氣對流活動對華南地區(qū)前后極端降水事件的影響，對于研究該地區(qū)汛期極端降水事件的可能成因也有一定意義。

圖3　1961-2014年華南地區(qū)前后汛期極端降水總量和極端降水頻率的空間分布圖Fig.3　The spatial distribution of extreme rainfall index in South China; (a) extreme rain amount (mm) in the early rainy season; (b) extreme rain amount (mm) in the latter rainy season; (c) extreme rainfall frequency (%) in the early rainy season; (d) extreme rainfall frequency (%) in the latter rainy season

3.1　年際變化與大氣環(huán)流、海溫的關(guān)系

由前文可知，前后汛期極端降水事件可分為多發(fā)年與少發(fā)年，根據(jù)前文的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將東亞地區(qū)500 hPa位勢高度場、850 hPa風(fēng)場和整層水汽通量散度等各海氣要素的異常值針對前、后汛期極端降水指數(shù)的多發(fā)年和少發(fā)年分別進(jìn)行合成分析，圖4和圖5分別給出了各要素在極端降水事件多發(fā)年和少發(fā)年的合成差值。由500 hPa位勢高度場的合成差值場可看出，多發(fā)年與少發(fā)年相比，前汛期(圖4a)有來自北方的冷高壓勢力加強(qiáng)，東亞大槽加深發(fā)展，有利于北方冷空氣向南擴(kuò)展。西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度偏強(qiáng)，并向西伸，導(dǎo)致大量的暖濕氣流向華南輸送，與北方冷空氣交匯，易于對流活動旺盛，產(chǎn)生極端降水事件[5,25]。 后汛期(圖4b)中高緯地區(qū)出現(xiàn)緯向環(huán)流，高緯處貝加爾湖和中國東北部為正異常，45°N附近出現(xiàn)東西向的負(fù)距平帶，且副高位置偏東偏北。華南地區(qū)出現(xiàn)負(fù)值區(qū)，環(huán)流形式有利于熱帶氣旋等低值系統(tǒng)以及夏季風(fēng)的偏南氣流在華南維持，對流活躍，易產(chǎn)生極端降水[26]。

由850 hPa風(fēng)場的合成差值場可得，前汛期 (圖5a) 在30°N以南的洋面上出現(xiàn)了反氣旋差值環(huán)流，其西南側(cè)有強(qiáng)盛的西南差值氣流由南海自北輸送，說明了極端降雨多發(fā)年南海夏季風(fēng)強(qiáng)盛。同時(shí)在大陸中部有一支強(qiáng)盛的偏北氣流由華中直接向華南地區(qū)輸送，南北氣流在華南地區(qū)交匯，有利于中尺度對流的生成和活躍，從而產(chǎn)生極端降水事件。這與前文分析的高度場結(jié)果相吻合。后汛期(圖5b)，在南海以及華南上空出現(xiàn)氣旋性差值環(huán)流，有利于局地的水汽輻合，上升運(yùn)動加強(qiáng)，為該地區(qū)熱帶氣旋等對流系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，易發(fā)生極端降水事件。同時(shí)隨著西北太平洋夏季風(fēng)向東向北推進(jìn)，西北太平洋上空也出現(xiàn)了氣旋性差值環(huán)流，利于西北太平洋熱帶氣旋的產(chǎn)生，西北太平洋的熱帶氣旋經(jīng)過南海也會造成華南地區(qū)的極端降水。從前后汛期的顯著區(qū)域可以看出華南極端降水事件的多發(fā)年與南海夏季風(fēng)和西北太平洋夏季風(fēng)的強(qiáng)度有密切關(guān)系[27-30]。圖5c是前汛期的整層水汽通量散度的合成差值場(垂直積分為地表氣壓到300 hPa，以消除地形影響)，圖中清楚地顯示了最大的水汽輻合區(qū)位于華南地區(qū)，有利于上升運(yùn)動。而孟加拉灣、西北太平洋和中國北方上空均為水汽輻散區(qū)，這些地區(qū)的水汽在華南地區(qū)上空輻合，造成前汛期極端降水偏多[31]。后汛期華南上空的水汽輻合區(qū)位置較前汛期偏南，延伸至南海。東海，菲律賓沿海以及北印度洋為水汽輻散區(qū)，同時(shí)西北太平洋也出現(xiàn)了水汽輻合區(qū)，利于熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展。

圖4　東亞地區(qū)500 hPa位勢高度場的合成差值場(多發(fā)年減去少發(fā)年，其中打點(diǎn)區(qū)域表示通過信度為0.05的顯著性檢驗(yàn))Fig.4　The differences of 500 hPa geopotential height during the early and latter rainy season between high and less frequent years

由于華南前、后汛期極端降水存在區(qū)域性差異，為進(jìn)一步了解影響華南地區(qū)極端降水的異常情況，本研究將探討太平洋海溫的影響。對華南地區(qū)前后汛期極端降水總量，極端降水頻次的標(biāo)準(zhǔn)化場分別與不同時(shí)間的太平洋海溫異常的標(biāo)準(zhǔn)化場進(jìn)行SVD異性相關(guān)分析。發(fā)現(xiàn)前期冬季海溫(前一年年12月至今年2月)對前汛期極端降水有很好的指示作用，極端降水總量和極端降水頻次的第一模態(tài)協(xié)方差率分別為38.01%(圖6a)和51.16%(圖略)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二模態(tài)協(xié)方差。相關(guān)性結(jié)果表明前汛期極端降水總量和前期冬季海溫相關(guān)系數(shù)為0.45(通過了信度為0.01的顯著性檢驗(yàn))。從海溫異性相關(guān)分布場可以看出(圖6c)海溫分布類似于ENSO型，熱帶中東太平洋為顯著的正異常，熱帶西太平洋為負(fù)值區(qū)并且向東北延伸。中高緯度中太平洋為顯著的負(fù)異常區(qū)。結(jié)合極端降水的異性相關(guān)場(圖6a)可以得出當(dāng)赤道中東太平洋異常增暖時(shí)，廣西廣東交界處以及廣西南部，廣東西部極端降水增多。

后汛期的極端降水總量和極端降水頻次與同期夏季(6-8月)有很好的相關(guān)，其第一模態(tài)的協(xié)方差率分別為25.93%(圖6b)和21.58%(圖略)。相關(guān)分布場可以看出整個熱帶太平洋都為正異常區(qū)(圖6d)，對應(yīng)整個華南大部分地區(qū)為極端降水正異常區(qū)(圖6b),即當(dāng)熱帶太平樣異常增暖時(shí)，后汛期華南大部分地區(qū)極端降水增多。相關(guān)系數(shù)表明后汛期極端降水總量與同期夏季太平洋海溫相關(guān)系數(shù)為0.65(通過了信度為0.01的顯著性檢驗(yàn))，可見海溫對于后汛期極端降水影響更加明顯。

綜上所述，前汛期前期冬季海溫呈El Nino分布時(shí)，造成了相應(yīng)的大氣環(huán)流異常。以北緯30°N為界，南北洋面上出現(xiàn)了兩種不同類型的大氣環(huán)流，東北太平洋上的異常氣旋環(huán)流將北方冷濕空氣向南輸送，西南洋面上的異常反氣旋環(huán)流將暖濕氣流向北輸送，冷暖氣流在華南交匯造成極端降水偏多。后汛期隨著同期夏季熱帶太平洋增暖，特別是西北太平洋暖池，造成洋面上對流旺盛，出現(xiàn)了氣旋性異常，上升運(yùn)動明顯，局地強(qiáng)對流性降水增強(qiáng)引起極端降水增多。

圖5　東亞地區(qū)850 hPa風(fēng)場和整層水汽通量散度的合成差值場(多發(fā)年合成場減去少發(fā)年合成場的合成差，其中打點(diǎn)區(qū)域表示通過信度為0.05的顯著性檢驗(yàn))Fig.5　The differences of 850 hPa wind and vertically-integrated water vapor flux divergence during the early (a, c) and latter (b, d) rainy season (the difference is between high and less frequent years).Shaded areas (5a and 5b) and dotted areas (5c and 5d) are statistically significant at 0.05 confidence level

圖6　華南地區(qū)前后汛期極端降水總量與太平洋海表溫度異常第一耦合模態(tài)異性相關(guān)場分布(打點(diǎn)區(qū)域表示通過信度為0.05的顯著性檢驗(yàn))Fig.6　Heterogeneous correlation patterns for the leading SVD mode between extreme rainfall anomaly in the early rainy season (a) and the preceding winter SST anomaly (c), and their associated time series (c); (b) and (d) and (f) are in the latter rainy season.Dotted areas are statistically significant at 0.05 confidence level

3.2　南海周邊大氣對流活動的貢獻(xiàn)

由于華南前后汛期極端降水明顯與局地強(qiáng)對流系統(tǒng)有關(guān)，本文將進(jìn)一步探討南海周邊大氣對流活動的貢獻(xiàn)。OLR低值區(qū)表示對流活動發(fā)展旺盛，高值區(qū)對應(yīng)著少云或無云的下沉區(qū)。由于OLR資料限制，分析華南地區(qū)1975-2013年前、后汛期極端降水總量與其同期的OLR的相關(guān)性，可以看出前汛期OLR低值區(qū)(圖7a)即對流旺盛區(qū)呈西南-東北帶狀分布，華南地區(qū)東北部對流系統(tǒng)更加旺盛，這與極端降水的空間分布一致(圖3)，副高脊線位于15°N附近，深入南海上空，導(dǎo)致降水系統(tǒng)偏北。后汛期(圖7b)副高北跳，高壓強(qiáng)大，脊線呈東西向，有利于熱帶氣旋西行登陸，引發(fā)強(qiáng)對流系統(tǒng)偏南，位于華南沿海地區(qū)。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)熱帶氣旋對前后汛期極端降水的影響，本文選用了日本氣象廳熱帶氣旋最優(yōu)路徑數(shù)據(jù)中的1977-2014年前、后汛期南海熱帶氣旋數(shù)目(0°N -25°N，100°E -125°E)，分別與前后汛期極端降水總量和極端降水頻次進(jìn)行相關(guān)分析(圖略)。前汛期南海熱帶氣旋的年平均數(shù)為2.26個，與極端降水總量幾乎不相關(guān)，可見熱帶氣旋對于前汛期極端降水的影響極其微弱。后汛期南海熱帶氣旋(生成與經(jīng)過)年平均6.83個，與極端降水總量和極端降水頻次的相關(guān)系數(shù)分別為0.27和0.29并通過信度為0.1的顯著性檢驗(yàn)，且在90年代以及2000年代中后期相關(guān)性更好，說明熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展對于后汛期華南極端降水的影響較大。

圖7　華南地區(qū)前后汛期極端降水總量與OLR的相關(guān)系數(shù)分布(打點(diǎn)區(qū)域表示通過信度為0.05的顯著性檢驗(yàn))Fig.7　The correlation distribution of extreme rainfall over South China against OLR：(a) is in the latter rainy season; (b) is in the latter rainy season.Dotted areas are statistically significant at 0.05 confidence level

4　結(jié)　論

根據(jù)1961-2014年華南地區(qū)50個站點(diǎn)的逐日降水資料，采用了改良后的百分位法定義了華南地區(qū)前后汛期的極端降水，并運(yùn)用小波分析、SVD等統(tǒng)計(jì)方法分析了華南地區(qū)的前、后汛期極端降水事件的時(shí)空變化規(guī)律以及可能影響的原因。主要結(jié)論如下：

1) 華南地區(qū)前后汛期極端降水都有明顯的年際變化，極端降水總量和極端降水頻次都呈上升趨勢，但是變化周期不同。前汛期主要為3～5 a 的周期變化，而后汛期主要為6～8 a 的周期變化。前后汛期極端降水的空間分布也存在差異，前汛期極端降水多發(fā)生在廣西東北部和廣東中部，而后汛期極端降水多發(fā)生在沿海地區(qū)。

2) 造成前后汛期極端降水時(shí)空變化差異的主要原因如下：① 前汛期由于南海夏季風(fēng)的爆發(fā)，強(qiáng)盛的西南氣流由南向北輸送暖濕氣流，同時(shí)北方冷空氣延伸至華南地區(qū)，冷暖空氣在華南中北部交匯，對流旺盛，易于發(fā)生極端降水。后汛期由于局地海溫增暖對流旺盛，西北太平洋和南海熱帶氣旋的增多，在華南沿海地區(qū)易出現(xiàn)極端降水。② 前汛期前冬季赤道太平洋特別是中東太平洋增暖使得廣西東部，廣東西部極端降水增多。后汛期同期夏季整個熱帶太平洋海溫增暖造成華南大部份地區(qū)極端降水增多。

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