近40 a貴州主汛期降水時(shí)空變化及其異常年低頻特征分析

孔德璇，楊春艷，劉莉娟，劉 相

(1.貴州省黔西南州氣象局，貴州 興義 562400；2.貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553000)

1 引言

貴州處于低緯度地區(qū)，高海拔，主要受東南季風(fēng)影響，氣候地域差異較大，降水較豐富，但也表現(xiàn)出較為顯著的旱澇異?，F(xiàn)象。降水是由不同時(shí)間尺度振蕩疊加的結(jié)果，而不同時(shí)間尺度振蕩分量與大氣低頻振蕩相互作用是導(dǎo)致大范圍天氣和氣候異常的重要原因。前人研究表明，大氣低頻振蕩的向北傳播對中國東部雨帶的季節(jié)性北跳的影響極為顯著[1-2]，ENSO也與其年際變化密不可分。大氣低頻振蕩存在季節(jié)變化和年際變化特征。不同地區(qū)的低頻振蕩通過大氣低頻遙相關(guān)相互聯(lián)系及影響[3]。降水具有明顯的低頻振蕩特征。華南前汛期降水主要以10～20 d準(zhǔn)雙周振蕩為主[4-8]；長江中下游大范圍持續(xù)性強(qiáng)降水過程(梅汛期和臺汛期)大部分發(fā)生在低頻降水的峰值階段，主要以10～60 d振蕩周期為主[9]；中國夏半年低頻降水的振蕩周期主要為10～50 d[10]；夏季高原東部降水存在10～20 d、30～60 d振蕩周期[11-12]。

低頻振蕩的研究對延伸期預(yù)報(bào)具有重要的指示意義，而貴州地區(qū)主汛期降水的低頻特征研究卻十分匱乏。因此，本文研究近40 a貴州主汛期降水的氣候特征，分析典型旱澇年降水的低頻時(shí)空特征，研究各低頻分量與降水的關(guān)系，為貴州主汛期低頻降水的延伸期預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

2 資料與方法

資料來源于國家氣象信息中心1977—2016年5—8月貴州82個(gè)縣氣象觀測站逐日降水資料。利用合成分析法來分析近40 a貴州主汛期降水的時(shí)空分布特征；利用1977—2016年貴州主汛期平均總降水量標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列，選取多個(gè)典型澇年和典型旱年；利用合成分析法、顯著性檢驗(yàn)方法、Morlet小波分析法、Butterworth帶通濾波等方法，研究所選取的典型澇年、典型旱年、典型站點(diǎn)降水的低頻特征，提取各低頻分量，探討各低頻分量與降水的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 貴州主汛期降水的時(shí)空分布特征

由圖1看出，貴州主汛期降水呈現(xiàn)明顯的年代際變化特征。1981—1990年，貴州主汛期區(qū)域平均總降水呈少雨態(tài)勢，1991—2002年降水呈多雨態(tài)勢，在2003—2013年降水又轉(zhuǎn)少，2014年后降水增加。其中，1991—2002年主汛期降水偏多明顯。因此，貴州主汛期降水的時(shí)間分布特征與嚴(yán)小冬等[13-15]研究結(jié)果一致。

圖1 1977—2016年貴州主汛期總降水量的變化趨勢(曲線為多項(xiàng)式擬合趨勢，虛直線為氣候平均降水值，單位：mm)Fig.1 The change trend of total precipitation of main rainfall season in Guizhou from 1977 to 2016 (The imaginary line represents the climatic mean precipitation, the curve represents the trend of polynomial fitting, unit: mm)

圖2中給出了貴州主汛期多年平均總降水量的空間分布?？芍?，貴州主汛期多年平均總降水量呈現(xiàn)出南多北少的趨勢特征，大值區(qū)主要集中在貴州的南部地區(qū)，尤其在貴州西南地區(qū)(六盤水市、安順市中西部和黔西南州)較為明顯。

圖2 貴州主汛期多年平均降水量(單位：mm)Fig.2 Annual average precipitation of main rainfall season in Guizhou (Unit: mm)

圖3給出1977—2016年貴州主汛期總降水量的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列，并以±σ為標(biāo)準(zhǔn)，選取貴州主汛期的典型澇年為1977、1979、1996、1999、2002、2014、2015年共7 a，選取貴州主汛期的典型旱年為1981、1989、1990、2006、2009、2011、2013年共7 a。

圖3 1977—2016年貴州主汛期總降水量標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列Fig.3 The standardized time series of total precipitation of main rainfall season in Guizhou from 1977 to 2016

3.2 貴州主汛期典型澇年的低頻降水特征

圖4給出貴州所選7個(gè)典型澇年的主汛期平均總降水量的空間分布?？梢钥闯?，主汛期典型澇年降水主要集中在貴州南部，大值中心位于六盤水東部、安順市、黔南州中部、黔東南州西部、黔西南州，主要形成兩個(gè)顯著大值中心，一個(gè)是六枝站，典型澇年平均主汛期總降水量值達(dá)1 117 mm；另一個(gè)是都勻站，典型澇年平均主汛期總降水量值達(dá)1 152 mm。

根據(jù)圖4，在總降水量大值區(qū)(降水量>1 065 mm的區(qū)域)，選出8個(gè)典型站點(diǎn)作為貴州主汛期典型澇年進(jìn)一步研究的對象。表1是利用小波方法對所選站點(diǎn)的典型澇年逐日降水進(jìn)行分析的結(jié)果，表明：貴州主汛期典型澇年的典型站點(diǎn)降水低頻周期主要為10～20 d和30～40 d，主要表現(xiàn)在6月和7月。對六枝站(圖5 a)和都勻站(圖5 b)的典型澇年逐日降水序列進(jìn)行小波分析，六枝站在6月和7月降水表現(xiàn)出10～20 d的低頻振蕩周期，而都勻站在7月降水存在10～13 d、18～23 d、27～40 d共3個(gè)低頻振蕩周期，以27～40 d最為顯著。將對8個(gè)站區(qū)域平均后的小波分析顯示，10～20 d、30～40 d是主汛期典型澇年典型站點(diǎn)降水的顯著低頻周期，低頻降水主要發(fā)生在6月和7月。

圖4 貴州7個(gè)典型澇年平均主汛期總降水量的空間分布(黑點(diǎn)為降水量>1 065的站點(diǎn)，單位：mm)Fig.4 The average precipitation distribution (black dots represent the stations that precipitation is greater than 1065) of the 7 typical flood years of main rainfall season in Guizhou (Unit: mm)

表1 貴州主汛期各典型站點(diǎn)7個(gè)典型澇年平均降水量的低頻振蕩周期Tab.1 Low-frequency oscillation cycles of average precipitation of these typical stations of the 7 typical flood years of main rainfall season in Guizhou

圖5 貴州主汛期典型澇年六枝(a)、都勻(b)逐日降水序列小波分析(陰影區(qū)為通過顯著性水平α=0.05的檢驗(yàn))Fig.5 Sequence wavelet of daily precipitation in the typical flood years of main rainfall season in Guizhou (the shadow region pass through the significance test by means of reliability α=0.05) (a) Liuzhi station, (b) Duyun station

利用小波分析對每一個(gè)典型澇年逐日降水序列進(jìn)行分析(圖略)，由表2得出，貴州主汛期典型澇年降水主要表現(xiàn)出10～20 d和30～40 d的低頻振蕩特征，其中10～20 d最為顯著，主要存在于6月和7月。對7個(gè)典型澇年主汛期區(qū)域平均逐日降水進(jìn)行帶通濾波分析，發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)低頻分量之間具有相互作用，當(dāng)兩者正位相疊加時(shí)，低頻降水則增強(qiáng)，且振幅越大，降水越強(qiáng)；當(dāng)兩者負(fù)位相疊加時(shí)，低頻降水就中斷；當(dāng)正、負(fù)位相疊加時(shí)，低頻降水減弱(見圖6)，這與文獻(xiàn)[8]的結(jié)果一致。

表2 貴州主汛期典型澇年的低頻降水周期Tab.2 Low-frequency oscillation cycles of the average precipitation of the typical flood years of main rainfall season in Guizhou

3.3 貴州主汛期典型旱年的低頻降水特征

圖7給出所選7個(gè)典型旱年的平均主汛期總降水量的空間分布情況，結(jié)果顯示：主汛期典型旱年降水主要集中在西南部的六盤水市、黔西南州、黔南州南部，主要形成兩個(gè)顯著大值中心，一個(gè)是興義站，典型旱年平均主汛期總降水量值達(dá)800 mm；另一個(gè)是六枝站，典型旱年平均主汛期總降水量值達(dá)781 mm。

根據(jù)圖7，在典型旱年平均總降水量大值區(qū)(降水量>720 mm的區(qū)域)，選出6個(gè)典型站點(diǎn)作為對貴州主汛期典型旱年的研究對象。利用小波方法對所選站點(diǎn)的典型旱年逐日降水進(jìn)行分析見表3，結(jié)果表明：貴州主汛期典型旱年的典型站點(diǎn)降水低頻周期主要為10～20 d，集中在6月和7月。對六枝站、興義站的典型旱年逐日降水序列進(jìn)行小波分析(圖8)，六枝站6月降水呈現(xiàn)出10～25 d的低頻振蕩周期，8月為10～15 d的低頻周期；而興義站6月和7月降水存在10～15 d的低頻振蕩周期。進(jìn)一步對6個(gè)典型站區(qū)域平均后的小波分析顯示，10～20 d是主汛期典型旱年典型站點(diǎn)降水的顯著低頻周期，低頻降水主要發(fā)生在6月和7月。

圖6 貴州主汛期7個(gè)典型澇年逐日降水序列(直方圖)及其各自相應(yīng)的低頻分量(實(shí)線、虛線)的濾波曲線，單位：mm Fig.6 Daily precipitation sequence (histogram) and their filtering curve of respective frequency components (solid line, dotted line) of 7 typical flood years of main rainfall season in Guizhou, Unit: mm

圖7 貴州7個(gè)典型旱年的平均主汛期總降水量的空間分布(黑圓點(diǎn)表示降水量>720的站點(diǎn)，單位：mm)Fig.7 The average precipitation distribution (black dots represent the stations that precipitation is greater than 720) of the 7 typical drought years of main rainfall season in Guizhou (Unit: mm)

站名周期(d)站名周期(d)興義10～15盤州10～17六枝10～25晴隆10～17丹寨10～17、27～33普安10～20

同理，利用小波方法和帶通濾波方法對各典型旱年逐日降水序列進(jìn)行分析(圖略)，由表4可見：在典型旱年，貴州主汛期降水表現(xiàn)出明顯的10～20 d和較弱的35～45 d的低頻振蕩特征，主要存在于6月和7月。同樣地，典型旱年主汛期降水的各低頻分量之間的相互作用表現(xiàn)得與典型澇年的一致(圖9)。

圖8 貴州主汛期典型旱年六枝(a)、興義(b)逐日降水序列小波分析(陰影區(qū)為通過顯著性水平α=0.05的檢驗(yàn))Fig.8 Sequence wavelet of average daily precipitation in the typical drought years of main rainfall season in Guizhou (the shadow region pass through the significance test by means of reliability α=0.05) (a) Liuzhi station, (b) Xingyi station

典型年份周期(d)主要月份198110～205、6198910～186、7、8199010～20、25～455、6、7200610～18、20～356、7、8200910～22、35～506、7201110～19、35～605、6201310～17、20～25、30～455、67 a平均10～20、35～456、7

4 小結(jié)

本文通過小波分析、帶通濾波等方法，分析了近40 a貴州主汛期降水的時(shí)空分布特征，以及貴州主汛期典型澇年、典型旱年降水的低頻特征，初步得出以下結(jié)論：

①貴州主汛期降水呈現(xiàn)明顯的年代際變化特征，20世紀(jì)80年代少雨，90年代多雨，2003—2013年少雨，2014年后降水增加。貴州主汛期多年平均總降水量呈現(xiàn)出南多北少的趨勢特征，其大值區(qū)集中在貴州的南部地區(qū)，尤其在貴州西南地區(qū)(六盤水市、安順市中西部和黔西南州)較為明顯。

②貴州典型澇年的主汛期平均總降水量主要集中在貴州南部(六盤水東南部、安順市、黔南州中部、黔東南州西部、黔西南州)。貴州主汛期典型澇年、典型站點(diǎn)降水具有10～20 d、30～40 d的低頻振蕩周期，其中以10～20 d最顯著，低頻降水主要發(fā)生在6月和7月。典型旱年的主汛期平均總降水量主要集中在西南部的六盤水市、黔西南州、黔南州南部。低頻降水主要發(fā)生在6月和7月，10～20 d是典型旱年降水的低頻振蕩周期，典型站點(diǎn)的低頻降水主要存在明顯的10～20 d和較弱的35～45 d的振蕩特征。

圖9 貴州主汛期6個(gè)典型旱年逐日降水序列(直方圖)及其各自相應(yīng)的低頻分量(實(shí)線、虛線、點(diǎn)線)的濾波曲線，單位：mmFig.9 Daily precipitation sequence (histogram) and their filtering curve of respective frequency components (solid line, dotted line, point line) of 6 typical drought years of main rainfall season in Guizhou, Unit: mm

③總的來看，典型澇年與典型旱年的主汛期平均總降水量在西南部最為明顯，且各主汛期降水的低頻振蕩周期差別不明顯。各低頻分量之間具有相互作用，當(dāng)兩(三)者正位相疊加時(shí)，低頻降水則增強(qiáng)，且分量振幅越大，降水越強(qiáng)；當(dāng)兩(三)者負(fù)位相疊加時(shí)，低頻降水就中斷；當(dāng)正、負(fù)位相疊加時(shí)，低頻降水減弱。

導(dǎo)致持續(xù)性降水異常的直接原因主要是大尺度大氣環(huán)流持續(xù)異常，而持續(xù)異常環(huán)流的形成和維持與大氣低頻振蕩息息相關(guān)。要想研究持續(xù)性降水的低頻振蕩特征，同樣需探討大氣低頻振蕩對持續(xù)性降水異常的影響。所以，今后將對貴州主汛期低頻降水的形成機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步研究，以期提高貴州主汛期降水的延伸期預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。