黔東南相當暴雨日數(shù)與雨日數(shù)的氣候變化

孫飛飛,顧 欣

(1.貴州省榕江縣氣象局,貴州 榕江 557200；2.貴州省黔東南自治州氣象局,貴州 凱里 556000)

1 引言

黔東南州地處云貴高原向湘桂丘陵盆地過渡地帶，屬亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，地形特點是以雷公山為中心向四周延伸呈傘狀分布，地勢西高東低，山谷交錯縱橫，境內(nèi)海拔最高地是苗嶺山脈主峰雷公山2 178.8 m，海拔最低為137 m。受西風帶和副熱帶環(huán)流系統(tǒng)影響，是南北氣流交匯比較頻繁、劇烈的區(qū)域。暴雨災(zāi)害為黔東南地區(qū)最為嚴重的自然災(zāi)害之一，2015年黔東南暴雨日數(shù)突破自1961年以來的歷史極值，5—6月雷山縣出現(xiàn)3次日降水量大于閾值的極端暴雨天氣事件；2016年黔東南暴雨災(zāi)害主要發(fā)生在南部地區(qū)的黎平、從江、榕江縣境內(nèi)，其中黎平縣出現(xiàn)降水量大于閾值的極端暴雨事件，從江縣和榕江縣遭受嚴重的洪澇災(zāi)害等。近年來黔東南暴雨洪澇災(zāi)害事件頻繁，氣象工作者們對造成黔東南降水及暴雨變化的氣候特征進行大量的研究，文獻[1]指出持續(xù)性暴雨和大暴雨是造成黔東南特大洪澇災(zāi)害的主要原因，而暴雨最大區(qū)位于西部，最少區(qū)位于北部；黔東南區(qū)域暴雨[2]的年代際變化具有20世紀80年代偏少，90年代偏多等特征；汛期暴雨[3]存在準2 a周期振蕩，又具有相對連續(xù)性。而降水氣候特征的研究中[4-6]黔東南降水量逐年增多，與全國降水量變化趨勢相反，降水量最多發(fā)生在20世紀90年代，平均降水量的地理分布為東向南、西向北遞減，降水量變化存在48 a、18 a和3 a的周期振蕩。隨著時間的不斷推進，黔東南地區(qū)降水的觀測資料已經(jīng)更新，對于出現(xiàn)新的氣候特征，需要進一步研究。因此，本文引入相當暴雨日數(shù)定義，研究黔東南地區(qū)1961—2015年相當暴雨日數(shù)與雨日數(shù)的氣候變化特征，對黔東南的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和氣象決策服務(wù)具有重要意義。

2 資料及方法

由于日常暴雨日數(shù)定義存在一定局限性，對于降水量已達到暴雨強度，但降水時段跨越20時日界，通常歸為2 d的降水量進行統(tǒng)計；另外，暴雨、大暴雨、特大暴雨過程若均作暴雨過程統(tǒng)計，則忽視了不同暴雨強度對總降水量的貢獻。因此，我們將暴雨過程總降水量除以50所得商取整數(shù)，即為相當暴雨日數(shù)。這樣既克服日界局限性，又表示了暴雨過程強度差異，相當暴雨日數(shù)是綜合反映汛期洪澇降水過程特征的統(tǒng)計量，與總降水量有明確的定量關(guān)系[7]；降雨日數(shù)為日降水量≥0.1 mm的天數(shù)，以下簡稱雨日數(shù)。

本文利用1961—2015年黔東南地區(qū)16個縣市降水量實時觀測資料，采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF)法[8-9]、線性傾向估計方法、Mann-Kendal突變分析方法、功率譜分析[10-11]等分析相當暴雨日數(shù)及雨日數(shù)之間的氣候變化特征及規(guī)律。

3 結(jié)果分析

3.1 相當暴雨日數(shù)與雨日數(shù)平均空間分布

從黔東南近55 a相當暴雨日數(shù)平均空間分布來看，如圖1a，大值中心位于雷公山脈西南側(cè)，沿東北方向遞減，小值區(qū)位于黔東南北部；黔東南近55 a雨日數(shù)平均空間分布，如圖1b，大值中心也是位于西部和東部的黎平，小值區(qū)分別為南北兩個區(qū)域，一是位于黔東南北部的施秉和鎮(zhèn)遠，二是位于南部的榕江和從江，兩個小值區(qū)沿著黔東南中部相連，將大值區(qū)域分為東西兩個部分。由此可見，相當暴雨日數(shù)和雨日數(shù)的空間分布差異較大。

圖1 黔東南1961—2015年相當暴雨日數(shù)平均空間分布(a)、雨日數(shù)平均空間分布(b)Fig.1 Mean spatial distribution of that the number of equivalent torrential rain days(a) and the number of rainy days(b) from 1961—2015 in the southeast of guizhou

3.2 相當暴雨日數(shù)與雨日數(shù)的異常空間分布

對黔東南1961—2015年近55 a相當暴雨日數(shù)和雨日數(shù)進行經(jīng)驗正交函數(shù)分解，相當暴雨日數(shù)的第1、2特征向量的方差貢獻分別為30.52%、11.60%。模態(tài)1(圖2a)空間分布顯示出黔東南相當暴雨日數(shù)存在西北—東南向遞減的同位相分布，大值中心分布在麻江、凱里、劍河一線，表明這些地區(qū)相當暴雨日數(shù)容易發(fā)生異常變化，小值中心則分布在黎平；模態(tài)2(圖2b)的空間分布顯示出南—北向的反位相型分布，南部相當暴雨日數(shù)增多，東部則減少，正值中心位于丹寨、榕江、從江南部一線，負值中心則位于三穗、鎮(zhèn)遠。

雨日數(shù)的第1、2特征向量的方差貢獻分別為76.36%、5.07%，模態(tài)1(圖2c)的空間分布以西北至東部一線為中心，并向外部遞減的同位相分布，因而位于臺江、三穗、錦屏一帶的中北部地區(qū)，雨日數(shù)容易發(fā)生異常變化；雨日數(shù)模態(tài)2(圖2d)的空間分布，為南北向的反位相型分布，雨日數(shù)模態(tài)2的負值區(qū)以北部的岑鞏為中心，正值中心位于以西部的麻江，另外，雨日數(shù)第2向量特征值<1，因此，雨日數(shù)的空間分布特征主要取決于模態(tài)1。

圖2 黔東南1961—2015年相當暴雨日數(shù)經(jīng)驗正交函數(shù)分解空間分布模態(tài)1(a)、模態(tài)2(b)及雨日數(shù)空間分布模態(tài)1(c)、模態(tài)2(d)Fig.2 EOF mode of two sequence from 1961—2015 in the southeast of guizhou(a)The first mode of the number of equivalent torrential rain days (b)The second mode of the number of equivalent torrential rain days (c) The first mode of the number of rainy days (d)The second mode of the number of rainy days

從相當暴雨日數(shù)和雨日數(shù)異?？臻g分布來看，主要受地形對降水機制影響[11]，由于黔東南暴雨天氣主要受高原低槽影響，當西南暖濕氣流進入黔東南境內(nèi)時，受到雷公山脈的阻擋作用被迫抬升，致使西南一側(cè)作為迎風坡的相當暴雨日數(shù)就偏多；北部處于武陵山系的背風坡，受氣流下沉作用相當暴雨日數(shù)就較少；南部受東風波和臺風登錄后的外圍云系影響，暴雨天氣比北部多一些。再就是由于黔東南西高東低地勢，經(jīng)湖南和湖北南下來的冷空氣從東北路徑入侵，沿著清水江流域向西不斷堆積而形成靜止鋒天氣，西部陰雨天氣較多。

3.3 相當暴雨日數(shù)與雨日數(shù)的時間變化

3.3.1 趨勢變化 從黔東南1961—2015年近55 a相當暴雨日數(shù)和雨日數(shù)的第1模態(tài)時間序列來看，相當暴雨日數(shù)分布偏多和偏少的特征變化頻繁，而雨日數(shù)的分布特征相對突出。由圖3a可知,黔東南相當暴雨日數(shù)在20世紀80年代之前主要表現(xiàn)為偏少趨勢，80年代期間變化平穩(wěn)，90年代至21世紀初逐漸轉(zhuǎn)為偏多趨勢，其中1996年和2015年為異常偏多年，近5 a來相當暴雨日數(shù)由偏少年轉(zhuǎn)為異常偏多年。從雨日數(shù)時間序列分布來看,如圖3b，20世紀60年代初雨日數(shù)分布偏少，70—80年代雨日數(shù)分布相對偏多，90年代由偏多轉(zhuǎn)變?yōu)槠?，?1世紀初雨日數(shù)表現(xiàn)出異常偏少的特征，其中2011—2015年出現(xiàn)兩次由異常偏少轉(zhuǎn)為異常偏多的跳躍式變化，尤其是2011年異常偏少，2012年又異常偏多。

總的來看，相當暴雨日數(shù)以80年代為過渡期，整體變化表現(xiàn)出80年代前偏少，90年代后偏多，而雨日數(shù)變化除了20世紀60年代初具有偏少的特征外，整體表現(xiàn)出90年代前偏多，90年代后偏少的特征。因此，相當暴雨日數(shù)與雨日數(shù)的分布變化趨勢基本相反。

圖3 黔東南1961—2015年相當暴雨日數(shù)時間序列(a)和雨日數(shù)時間序列(b)Fig.3 Time series of that from 1961-2015 in the southeast of Guizhou (a)the number of equivalent torrential rain days, (b)the number of rainy days

3.3.2 突變分析 為進一步分析相當暴雨日數(shù)及雨日數(shù)的趨勢變化，分別對相當暴雨日數(shù)及雨日數(shù)進行M-K檢驗，由圖4可知，相當暴雨日數(shù)的UF(正序)線與UB(負序)線在1966、1967、1976、1977、1979、1982、1985、1986、2011、2014年頻繁發(fā)生相交，UF線在1970—1975年、1996—2006年、2009—2011年、2015年通過0.05的顯著性水平，其中1987—2011年相當暴雨日數(shù)上升趨勢顯著，2000年達到最大值。雨日數(shù)的UF(正序)線與UB(負序)線在1962、1963、2002年發(fā)生相交，1967年之前呈下降趨勢，UF線在1964—2001年相對穩(wěn)定變化且主要體現(xiàn)出上升趨勢，在2003—2015年期間呈下降趨勢。

以上分析可以看出，相當暴雨日數(shù)的年際變化中看不到明顯突變，但整體變化的上升趨勢明顯，而雨日數(shù)在60年代中期至21世紀初相對穩(wěn)定變化，2002年趨勢發(fā)生突變，之后呈下降趨勢。

圖4 黔東南1961—2015年相當暴雨日數(shù)M-K檢驗(a)和雨日數(shù)M-K檢驗(b)Fig.4 MK inspection of the number of equivalent torrential rain days and rainy days from 1961—2015 in southeast Guizhou

3.4 周期變化

對黔東南相當暴雨日數(shù)和雨日數(shù)進行功率譜分析，樣本量55，最大滯后長度取11。由圖5可見，相當暴雨日數(shù)功率譜曲線的最大峰值對應(yīng)周期長度為2.2 a，其次為4.4 a，峰值超過標準譜(序列無持續(xù)性，故采用白噪聲標準譜檢驗)；雨日數(shù)功率譜曲線的最大峰值對應(yīng)周期為2.4 a，第2周期為11.0 a。由以上分析可以看出，相當暴雨日數(shù)和雨日數(shù)的第1周期暴雨變化非常接近，而第2周期有所不同，相當暴雨日數(shù)第2周期相對時間較短為4.4 a,雨日數(shù)的第2周期變化時間較長為11.0 a。也就說在大氣環(huán)境背景下，相當暴雨日數(shù)和雨日數(shù)的變化是一致的，相對而言，雨日數(shù)變化相對穩(wěn)定，而相當暴雨日數(shù)變化相對不穩(wěn)定，周期變化頻繁。

圖5 黔東南1961—2015年相當暴雨日數(shù)模態(tài)1時間系數(shù)的功率譜分析(a)、雨日數(shù)模態(tài)1時間系數(shù)的功率譜分析(b)Fig.5 Power spectrum analysis of the first mode time series of two sequence from 1961—2015 in the southeast of Guizhou(a) the number of equivalent torrential rain days,(b) the number of rainy days

4 結(jié)論

①黔東南近55 a相當暴雨日數(shù)平均空間分布以雷公山脈西南側(cè)為中心沿東北方向遞減，模態(tài)分布主要有兩種：一是呈西北—東南向遞減的同位相型分布，大值中心位于雷公山西側(cè)，小值中心位于黎平；二是呈南—北向的反位相型分布，正值中心區(qū)位于丹寨、榕江、從江南部一線，負值中心位于三穗和鎮(zhèn)遠。雨日數(shù)平均空間分布以東部和西部為大值區(qū)，南部和北部為小值區(qū),主模態(tài)以西北至東部一線為中心，向兩邊遞減的同位相型分布,同相當暴雨日數(shù)的空間分布相比，受地形因素影響分布不同。

②黔東南近55 a相當暴雨日數(shù)呈上升趨勢，雨日數(shù)呈下降趨勢，變化趨勢基本相反。不同的是，相當暴雨日數(shù)在不同年代均保持上升，而雨日數(shù)分布在21世紀前變化趨勢相對穩(wěn)定，2002年之后出現(xiàn)趨勢突變，逐漸轉(zhuǎn)為下降趨勢。相當暴雨日數(shù)與雨日數(shù)均存在2 a左右的主周期變化，雨日數(shù)分布還具有11 a左右的長周期變化。