近40年江浙滬及其周邊地區(qū)可降水量的時空分布特征*

陳梅花, 黃晶晶, 周佳敏

(浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)

0 前 言

水汽變化是天氣和氣候變化的主要驅(qū)動力[1].近幾十年來，江浙滬及周邊地區(qū)氣溫持續(xù)上升、降水量季節(jié)分配更加不均、降水強(qiáng)度增大，由此導(dǎo)致極端氣候事件增多、洪旱災(zāi)害威脅加劇[2].江浙滬地區(qū)地勢西南高、東北低，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候.研究該地區(qū)長時間水汽含量的時空分布特征，有助于理解、預(yù)測與防范這一地區(qū)的極端氣候.

整層大氣的水汽含量可用可降水量(precipitable water vapor,PWV)來表示,以mm為單位.我國學(xué)者對可降水量時空分布特征的研究主要集中在西部干旱區(qū)[3-6]，只有個別涉及全國范圍[7],對我國濕潤地區(qū)的研究不多.現(xiàn)有文獻(xiàn)涉及本研究區(qū)的相關(guān)成果較少，僅楊引明等[8]利用2002—2008 年長江三角洲地區(qū)GPS資料,分析了大氣可降水量的氣候特征，并重點對梅雨期的大氣可降水量特征及其與強(qiáng)降水的關(guān)系進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)可降水量與梅雨期強(qiáng)降水量之間有明顯關(guān)聯(lián).雖然既有文獻(xiàn)已對可降水量的空間分布及季節(jié)變化特征方面進(jìn)行了研究，但對可降水量變化的長期時空特征及其特殊年份可降水量的時空變化規(guī)律、海陸差異等還缺乏應(yīng)有的研究.

本文采用GIS 空間分析、距平、Mann-Kendall檢驗等方法對1980—2016年江浙滬及周邊地區(qū)可降水量進(jìn)行了分析研究，旨在揭示可降水量的時空分布規(guī)律、海陸差異及特殊年份的時空特征等，為有關(guān)部門提供決策依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

大氣可降水量的研究采用的數(shù)據(jù)來源多樣，有臺站觀測資料、探空資料、GPS反演、衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演，以及NCEP(national centers for environmental prediction),ECMWF(European centre for medium-range eather forecasts)再分析數(shù)據(jù)等.其中，ECMWF再分析資料將地面臺站資料、探空數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演結(jié)果、GPS反演數(shù)據(jù)等進(jìn)行同化，得到全球網(wǎng)格點資料[9].本文數(shù)據(jù)來自ERA-Interim數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集是ECMWF目前最完善的數(shù)據(jù)集,是同化衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)最多的再分析資料[10]，有很多學(xué)者利用該數(shù)據(jù)集的可降水量數(shù)據(jù)做了相關(guān)研究[1,6-7].另外，也有研究表明,ECMWF提供的可降水量數(shù)據(jù)與GPS反演的可降水量比較一致[11].

本文將利用1980—2016年ECMWF大氣可降水量數(shù)據(jù)，討論江浙滬地區(qū)大氣可降水量的長期變化特征和空間分布差異.可降水量數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.75°×0.75°，利用的數(shù)據(jù)范圍為27°～35.25° N，116.25°～124.5° E.

本文采用日值數(shù)據(jù)，先利用VC編程計算研究區(qū)各個格點可降水量,1980—2016年共37 a的年平均值、季節(jié)平均值，再利用Arc GIS軟件分析研究區(qū)內(nèi)可降水量季節(jié)平均值的空間分布和多年變化.本文主要運用距平法研究海陸年均可降水量的演變趨勢，運用Mann-Kendall 檢驗法[12]對可降水量的時間變化趨勢及突變進(jìn)行分析，并針對可降水量異常高和異常低的年份進(jìn)行深入的時空特征分析，計算特殊時段可降水量距平的空間分布，以及代表性地點可降水量在特殊年份的年變過程.

2 可降水量的空間分布特征

為研究不同季節(jié)江浙滬可降水量的空間分布特征，本文計算了從1980—2016年春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12 —次年2月)4個季節(jié)可降水量的多年平均值，得到1980—2016年江浙滬地區(qū)季節(jié)平均可降水量分布,見圖1.

從圖1可以看出，研究區(qū)可降水量分布在海陸、緯度和地形上有較明顯的差異.

夏季(圖1(b))的平均可降水量最高，達(dá)到42～53 mm，南北差異小.這是因為夏季江浙滬地區(qū)東南季風(fēng)攜帶了大量來自太平洋的水汽，到達(dá)區(qū)域上空，使可降水量高于其他月份，且夏季大氣環(huán)流對本區(qū)的影響強(qiáng)度超過了緯度熱量，所以可降水量南北差異不大.夏季可降水等值線較為特殊，研究區(qū)北部平直等值線被擠壓到鹽城以北.南部受地形影響，打破了隨緯度增加大氣可降水量隨之下降的規(guī)律.在麗水、慶元附近出現(xiàn)了一個低值中心，可降水量為46 mm,而其東部海域達(dá)到53 mm,西部平原丘陵地區(qū)可降水量也達(dá)到了52 mm.

冬季(圖1(d))平均可降水量最低,為8～22 mm.冬季研究區(qū)受亞洲高壓控制，氣流下沉，來自蒙古、西伯利亞的冷空氣南下經(jīng)過江浙滬地區(qū)，氣流寒冷干燥，可降水量少.春季(圖1(a))和秋季(圖1(c))平均可降水量介于二者之間，秋季可降水量平均值稍高.

(a)春季 (b)夏季

(c)秋季 (d)冬季

圖1 1980—2016年江浙滬地區(qū)各季節(jié)多年平均可降水量分布

縱觀以上數(shù)據(jù)，從緯度差異上看，圖1所示研究區(qū)可降水量在4個季節(jié)均呈現(xiàn)出南高北低的規(guī)律,這說明緯度是控制本區(qū)可降水量的重要因素.從海陸差異上看，研究區(qū)北部可降水量等值線都比較平直，且春季、夏季等值線由大陸向海域傾斜，說明這2個季節(jié)陸地可降水量大于海域可降水量，其中夏季二者差距更明顯；冬季等值線從海洋向大陸稍稍傾斜，這表明同緯度的海洋可降水量高于陸地可降水量.從地形上看，南部山地丘陵地區(qū)可降水量數(shù)值較周圍低，春季、秋季和冬季在麗水、慶元附近地區(qū)等值線向低緯凹陷，夏季受地形影響更甚，此地出現(xiàn)一個封閉的低值中心.

上述分析表明，緯度和地形及季風(fēng)環(huán)流是影響本地區(qū)可降水量空間分布的主要因素.

3 可降水量的時間變化特征

3.1 年均可降水量隨時間變化過程

江浙滬地區(qū)可降水量不僅有顯著的季節(jié)變化，其年際差異也較突出.圖2(a)為1980—2016年研究區(qū)海陸年平均可降水量的變化曲線，其中年均可降水量在2016年最大，1998年次之，在2004年最小，1992年次之；其年際變化較大，趨勢呈現(xiàn)分段特征，1995年之前波動變化，起伏不大，之后出現(xiàn)幾次較大連續(xù)變化.從圖2可知，研究區(qū)可降水量海陸差異不大，但它們之間的對比關(guān)系并不是隨機(jī)的，大多數(shù)年份海洋上空可降水量小于陸地上空的可降水量，但在2006年之后，海洋上空可降水量一般高于大陸上空的可降水量，2014,2015兩年二者基本持平，這種變化可為海陸氣候要素包括溫度、降雨量等的動態(tài)研究提供參考.

(a)年平均可降水量 (b)年平均可降水量距平

圖2 1980—2016年研究區(qū)海陸年平均可降水量及其距平

圖2(b)為年均大氣可降水量距平值的變化.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，陸地大氣可降水量距平值呈波動變化的趨勢，1980—1995年距平值大多是正值，2001—2013年距平值大多是負(fù)值，并在2004年達(dá)到距平值的最低值.最近3 a可降水量逐年上升，2016年甚至超出多年平均值2 mm.2016年陸地可降水量距平達(dá)到最大正值，其次為1998年.海洋上空可降水量距平與大陸的情況基本相似，只在1992年、1995—1997年和2010年海洋可降水量的負(fù)距平比陸地上空大.少數(shù)年份與變化趨勢相反.以上距平值體現(xiàn)了可降水量變化的程度，可作為氣象災(zāi)害預(yù)測的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

3.2 季節(jié)可降水量隨時間變化過程

為了更為細(xì)致地研究可降水量的時間變化，并考慮到可降水量的季節(jié)差異，本文分析了季節(jié)平均可降水量隨時間的變化過程，見圖3.

圖3給出了春夏秋冬4個季節(jié)海陸平均可降水量的多年變化過程，并添加了線性趨勢線.陸地季節(jié)可降水量線性變化有微弱下降趨勢，而海洋可降水量除了春季有細(xì)微的下降趨勢外，其他季節(jié)都有細(xì)微上升趨勢，這說明研究區(qū)季節(jié)可降水量以水平波動為主；海陸熱力差異導(dǎo)致不同季節(jié)可降水量海陸對比明顯，春季和夏季陸地可降水量高于海洋，夏季2010—2016年出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)，海洋可降水量高于或相當(dāng)于陸地可降水量，冬季海洋可降水量明顯高于陸地，秋季二者最為接近.

3.1的研究結(jié)果揭示了2016年可降水量最高、1998年居次，而2004年可降水量為37 a中的最低值的原因.圖3可以反映這3 a可降水量偏高或偏低的具體季節(jié).1998年可降水量異常高的季節(jié)分別為春季(圖3(a))和夏季(圖3(b)),其可降水量均達(dá)到了歷年最大值.2016年可降水量異常高的季節(jié)分別為春季(圖3(a))和秋季(圖3(c)),其春季可降水量在歷年中算比較高的，而秋季可降水量達(dá)到歷年最高值.2004年可降水量極端偏低，分別在夏季和秋季達(dá)到歷年最低.

3.3 M-K突變分析

為進(jìn)一步分析可降水量的變化規(guī)律，本文采用M-K 方法分析陸地年均可降水量的突變特性，顯著性水平α=0.05.圖4為研究區(qū)陸地上空年均可降水量M-K突變檢驗結(jié)果(圖中水平虛線表示α=0.05的顯著性水平臨界值).從圖4可以看出，1995年之前UF(正向時間序列統(tǒng)計值)大于0，可降水量有上升趨勢，但沒有超過信度線，說明上升趨勢不明顯;2003年之后,UF值小于0，可降水量有下降趨勢，2013年超過信度線，說明2013年可降水量下降趨勢明顯.1995—2003年間可降水量有一個從下降到上升的短期波動.UF和UB(逆向時間序列統(tǒng)計值)2條曲線在1995年、2001年相交，且交點位于顯著性水平臨界線之間，表明可降水量在1995年、2001年發(fā)生了突變，可降水量由增加到減少.M-K突變分析結(jié)果表明，研究區(qū)陸地上空可降水量多年變化以波動為主，只在個別年份可降水量出現(xiàn)極端值，如1998年、2004年和2016年等.

(a)春季 (b)夏季

(c)秋季 (d)冬季

圖3 1980—2016年各季節(jié)可降水量隨時間變化曲線

圖4 研究區(qū)陸地上空年均可降水量M-K突變分析

4 可降水量在特殊年份時空特征的進(jìn)一步研究

上文的研究表明，研究區(qū)可降水量長期變化趨勢不明顯，與年際變化曲線(圖2(a))較為一致，可降水量以圍繞平均值上下波動為主，但1998年、2004年和2016年可降水量遠(yuǎn)離平均值(圖2(b))，表現(xiàn)異常.根據(jù)Doswell[13]的強(qiáng)降水概念模型，極端降水強(qiáng)度的增長率應(yīng)該和水汽的增長率呈正比，可降水量的異常增多或減少可能帶來降水的突變.例如，1998年異常高的可降水量，相對應(yīng)的是該年的特大洪水；2004年可降水量異常低，南方遭受罕見干旱，尤其是6月、7月份降雨嚴(yán)重偏少；2016年可降水量異常高，相對應(yīng)的是長江發(fā)生1998年以來最大洪水[14].可降水量異?？赡軐?dǎo)致相應(yīng)區(qū)域的氣候突變，給城市基礎(chǔ)設(shè)施、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等帶來挑戰(zhàn).研究這些特殊年份可降水量的時空分布規(guī)律，有助于市政部門未雨綢繆，為應(yīng)對各種可能的氣象災(zāi)害作好準(zhǔn)備.

4.1 1998年、2004年和2016年季節(jié)可降水量距平分布

為了提高研究的針對性，根據(jù)3.2的結(jié)果，本文對1998年春季、2004年夏季和2016年秋季等幾個極端異常季節(jié)的可降水量距平進(jìn)行計算(見圖5).1998年春季(圖5(a))可降水量距平在整個研究區(qū)都為正值，出現(xiàn)一條橫跨海陸的高值條帶，北部以鹽城、徐州為界，南部以安慶、杭州和寧波為界，向兩邊遞減，在南京、合肥形成高值中心，達(dá)到5.5 mm.

2004年夏季(圖5(b))可降水量距平全區(qū)為負(fù)，與2004年夏季嚴(yán)重干旱相一致.可降水量距平在東南部達(dá)到-7 mm，由東南向西北遞減.出現(xiàn)以寧波為中心的大片干旱區(qū)域.

(a)1998年春季 (b)2004年夏季

(c)2016年秋季

圖5 1998年、2004年及2016年特殊季節(jié)可降水量距平分布

2016年秋季(圖5(c))降水量全區(qū)正距平，與2016年洪水相應(yīng).可降水量距平由東南沿海向西北內(nèi)陸遞減.除去西北角，幾乎全區(qū)距平都超過3 mm，最大距平為9 mm，位于東南海域.上海、寧波、溫州等沿海城市可降水量距平接近8 mm.

4.2 1998年、2004年及2016年特定地點可降水量變化趨勢對比

為了深入分析上面3個特殊年份可降水量隨時間的演變過程，本文選取了3個有代表性的地理位置(見表1)，分別以上海、金華、慶元代表沿海、盆地和山區(qū).

表1 統(tǒng)計了代表性地點可降水量極端偏高的次數(shù)，本文以多年平均值加上1倍標(biāo)準(zhǔn)差為參考，凡是超過這個參考的數(shù)據(jù)記為極端偏高可降水量.洪澇年份(1998年、2016年)可降水量偏高次數(shù)很多，2016年更甚于1998年.干旱年份(2004年)可降水量極端偏高次數(shù)為洪澇年份的1/2甚至1/3.

從表1 可知，以上3個地區(qū)雖然所處地理位置不同，但其極端變化卻很一致.因此,下文以金華為代表，來分析3個特殊年份可降水量的年變過程.圖6為金華在1998年、2004年及2016年的可降水量年變曲線、多年平均值曲線、多年平均值加上1倍標(biāo)準(zhǔn)差曲線(參考值)，為便于對比，也給出了3 a實際降水量(見柱狀圖).

表1 代表性地點可降水量極端偏高次數(shù)統(tǒng)計

(a)1998年

(b)2004年

(c)2016年

圖6(a)表明,1998年全年可降水量都偏高，春季和夏季尤為突出，春季可降水量持續(xù)偏高，夏季極端可降水量集中在6月梅雨期及7月中下旬二度梅時期，其他時段可降水量并不是很高，導(dǎo)致1998年夏季可降水量距平整體不如春季那么顯著；1998年降水主要集中在春季和夏季，與可降水量高值時段相一致.

2004年全年可降水量都很低，見圖6(b)，少數(shù)時候超過了參考值，夏秋季節(jié)尤其少，7月、8月和10月可降水量持續(xù)低于平均值.可降水量偏低導(dǎo)致了2004年降水偏少，其中可降水量低于平均值的時段，降水量幾乎為0，幾次強(qiáng)降水與較高的可降水量相對應(yīng).

2016年可降水量很高，見圖6(c)，春秋季節(jié)尤為顯著，其中夏季偏高次數(shù)集中于7月中上旬、8月初，而春秋兩季持續(xù)偏高，這與圖3(a)和圖3(c)可降水量異常高的季節(jié)相一致.5月、10月份，可降水量持續(xù)超過參考值.2016年降水次數(shù)超過1998年，春季降雨非常頻繁，夏季降雨集中在6月、7月份，秋季降雨次數(shù)也比較高，且降雨量也較1998年高.

上述研究表明,可降水量的年變過程能較好地反映地區(qū)的旱澇情況，可降水量異常偏高的時段往往也是降雨次數(shù)多、降雨量大的時段，而可降水量異常偏低的年份，其降水量也異常少.可見，可降水量長時間地偏高與偏低，會給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重的洪澇與干旱.

5 結(jié) 論

本文采用1980—2016年空間分辨率0.75°×0.75°的ECMWF大氣可降水量數(shù)據(jù)對江浙滬及其周邊地區(qū)可降水量的時空特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)可降水量有如下規(guī)律:

1)可降水量季節(jié)分布不均，夏高冬低.可降水量的空間分布整體特征是：南多北少，東西差異不大，山區(qū)出現(xiàn)低值.地理緯度、季風(fēng)環(huán)流和海拔是決定可降水量分布的主要因素.

2)海陸對比明顯：春夏海洋可降水量低于大陸，冬季海洋可降水量高于大陸；2006年之前海洋上空可降水量低于大陸上空，2006年之后，出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn).

3)可降水量的年際變化以波動為主.1998年、2016年可降水量極端偏高，2004年可降水量極端偏低，與研究區(qū)旱澇災(zāi)害相應(yīng).1998年春、2004年夏、2016年秋季節(jié)可降水量距平顯著，與研究區(qū)洪澇和干旱災(zāi)害相應(yīng).這3 a可降水量異常偏高的或偏低的時段與區(qū)域洪澇和干旱在時間上也比較一致.以上可降水量變化規(guī)律可作為理解、預(yù)測與防范江浙滬地區(qū)極端氣候的依據(jù).

致謝：感謝歐洲中期天氣預(yù)報中心提供的可降水量數(shù)據(jù)！感謝審稿專家提出的寶貴意見！