1966—2016年重慶南川降水的多尺度分析

黃玉葉，錢伊恬

(1.重慶市南川區(qū)氣象局，重慶 南川 408400；2.南京信息工程大學，江蘇 南京 210044)

0 引言

隨著全球氣候變暖，世界大范圍氣候異常給許多國家?guī)砹藰O其嚴重的自然災害；因此提高對氣候異常的預報、預測能力成為日益迫切的課題。南川位于重慶市的南部，地處四川盆地東南邊緣與云貴高原過渡地帶，地形以山地為主，降水豐沛，日照時間短，暴雨是南川主要的氣象災害之一。重慶暴雨的雨量一般占年降水量的10%～20%，暴雨災害是重慶僅次于干旱的氣象災害，每年都會造成不同程度的經(jīng)濟損失[1]。暴雨是山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災害的主要誘因，其誘發(fā)的滑坡占總滑坡的90%[2]，在長江中下游地區(qū)受暴雨影響的區(qū)域呈現(xiàn)逐漸擴張的趨勢[3]。因此分析南川的降水和暴雨天氣的變化特征具有現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外對長江流域暴雨的預報、分析已經(jīng)有很多研究。如張艷梅等[5]的研究指出貴州夏季暴雨量呈增加趨勢，暴雨日數(shù)和暴雨量存在15 a和準10 a的周期振蕩；朱宵峰等[6]采用小波分析、Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗等方法分析了長江下游地區(qū)汛期暴雨特征，表明暴雨量呈現(xiàn)增加的趨勢并具有多重時間尺度的周期變化；毛冬艷等[7]的分析指出西南地區(qū)短時強降水主要集中在4—10月，呈明顯的夜發(fā)性特征，近30 a強短時強降水呈現(xiàn)頻次增加、強度增強的變化趨勢；宋美陽等[8]對重慶夏季低渦無暴雨的情況進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)大約有1/3的低渦能給重慶帶來小于暴雨等級的降水；馬端良等[9]對南亞高壓與長江中下游夏季降水異常的關系進行了分析，指出夏季南亞高壓東伸指數(shù)和5月南亞高壓脊線位置與長江中下游流域夏季降水相關性較好，對長江中下游流域夏季降水具有一定的預測作用；白慧等[10]發(fā)現(xiàn)貴州省暴雨日數(shù)時間序列的變化在20 世紀90年代是偏多時期，20 世紀80年代和21世紀至今是偏少時期，6—7月暴雨日數(shù)EFO第一模態(tài)時間序列在20世紀90年代存在顯著的3～5 a周期振蕩；姚正蘭[11]等發(fā)現(xiàn)遵義市暴雨發(fā)生有明顯的區(qū)域性，市內(nèi)有兩個暴雨多發(fā)區(qū)域，一個在東南部( 包括綏陽、湄潭、鳳岡、余慶) ，暴雨中心在鳳岡，另一暴雨多發(fā)區(qū)域為赤水。劉德等[1]的統(tǒng)計分析指出1971年以來，重慶年降水量呈遞減趨勢，其中20世紀80年代后期至20世紀90年代后期降水減少的趨勢較明顯，近50 a來重慶暴雨日數(shù)的變化趨勢也是略減。劉毅等[12]分析了近40 a重慶地區(qū)夏季降水的氣候特征，認為重慶地區(qū)夏季降水有增加的趨勢，并且存在著準22 a、14 a及2～4 a的周期變化；從1974年開始轉為多雨期，后在80年代中期突變轉為相對干旱期，到1995年降水又開始增加，并且認為南川的降水存在著準16～18 a、10～12 a和5～6 a的周期變化。

前人的研究更多地關注于西南地區(qū)或者整個重慶市的降水和暴雨分布及其變化，且主要從年際、年代際和長期變化趨勢等方面進行研究分析，其中針對南川降水的分布和變化特征以及暴雨的氣候變化特征研究較少，尤其是對南川地區(qū)降水的次季節(jié)尺度的變化特征還尚未有人研究。次季節(jié)變化是指變率周期小于一個季節(jié)時間長度(如90 d)，同時周期又大于天氣尺度波動(如10 d)的振蕩變化，通常我國夏季降水的次季節(jié)變化往往受到從熱帶向東北傳播而來的夏季低頻季節(jié)內(nèi)振蕩(Boreal Summer Intraseasonal Oscillation，BSISO)和向西北傳播的準雙周振蕩(Quasi-Biweekly Oscillation, QBWO)的影響。在實際的業(yè)務預報中，降水的短期天氣預報和季節(jié)預測已發(fā)展較為成熟，而時間尺度位于兩者之間的降水延伸期預報，仍然是目前國際和國內(nèi)各大氣象業(yè)務單位預報的空白。季節(jié)內(nèi)振蕩恰好是延伸期預報最主要的預報來源之一，因此研究南川暴雨的次季節(jié)變化有利于今后在延伸期尺度上對暴雨進行預報，有助于提高災害性天氣預報能力，進而為地方經(jīng)濟建設和防災減災做出貢獻。

1 資料與方法

本文所用資料為1966—2016年南川國家站的逐日降水資料。為了更好地研究南川站降水和暴雨的變化，本文利用重慶市降水強度等級劃分標準，以24 h(20—20時)日降水量R≥50 mm定義為一個暴雨日(d)，R≥100 mm定義為一個大暴雨日。將年暴雨量定義為每年所有暴雨日的總降水量，每年的暴雨強度定義為年暴雨量與年暴雨日數(shù)之比。本文通過趨勢分析、功率譜及小波分析等統(tǒng)計方法對南川站的降水變化及各個暴雨指標進行分析。

2 降水的年內(nèi)分布及次季節(jié)變化

2.1 降水的年內(nèi)分布特征

首先我們對月平均降水分布情況進行了統(tǒng)計，圖1a為1966—2016年51 a每月氣候平均的逐月總降水量，可以看出南川的降水具有明顯的季節(jié)變化，1—3月和11—12月的降水均不超過60 mm，從4月開始隨著汛期的開始，降水明顯增加至110 mm左右，5—7月每月的總降水量均超過了150 mm，最多出現(xiàn)在6月。月降水量主要集中在5—9月，占全年降水量的67%，10—12月每月的總降水量大約在60 mm左右。從圖1b可以看到全年降水強度最大在7月，與月降水量相比，降水強度更明顯集中在5—9月。

可見南川的降水、總降水量和平均降水強度都具有明顯的季節(jié)變化，降水主要集中在5—9月，本文將5—9月定義為汛期。

圖1 1966—2016年南川站的51 a每月氣候平均的逐月總降水量(a)和逐月降水強度(b)Fig.1 Monthly climatological annual cycle of quantum of rainfall(a) and rainfall intensity(b) at Nanchuan Station during 1966—2016

2.2 降水的次季節(jié)變化

南川站的降水量(無論是總降水量還是降水強度)主要來自于汛期(5—9月)，因此對汛期降水進一步分析其次季節(jié)變化。將該測站的汛期逐日降水去掉季節(jié)循環(huán)(即每年5—9月的平均，5月1日—9月30日共153 d)之后，再做前后各2 d一共5 d的滑動平均，以去掉天氣尺度波動，最后保留下的主要是次季節(jié)尺度的降水信號。將這些降水的次季節(jié)尺度的信號做功率譜分析(圖2)，可以發(fā)現(xiàn)在次季節(jié)尺度的10～90 d內(nèi)，出現(xiàn)多個超過95%顯著性檢驗線(藍色線)的峰值，說明南川的降水具有明顯的次季節(jié)變化特征，且最主要的次季節(jié)變化周期大約為17 d，主要受到準雙周振蕩的調(diào)控作用，且準雙周變化信號(10～25 d)大于低頻季節(jié)內(nèi)振蕩(25～90 d)。

當從赤道西北太平洋地區(qū)向西北傳播的準雙周振蕩的下沉氣流位于中國南海和菲律賓區(qū)域時，我國西南地區(qū)和長江中下游地區(qū)剛好為上升氣流，同時孟加拉灣的西南氣流給我國西南地區(qū)和長江中下游地區(qū)帶來充沛的水汽，有利于降水的發(fā)生。南川站這一明顯的準雙周振蕩提示我們可以利用一些夏季季節(jié)內(nèi)振蕩的指數(shù)[13-14]對南川站的降水事件進行實時監(jiān)測和延伸期預報。

圖2 1966—2016年南川汛期(5—9月)降水距平的功率譜分析(黑色實線)，紅色實線代表紅噪線，藍色實線代表95%顯著性檢驗線(單位：mm2)Fig.2 Power spectrum (black lines) of rainfall anomaly at Nanchuan Station of May-September during 1966—2016. Red solid line represents the red noise line and the blue solid line represents the 95% significant level(Units:mm2)

2.3 暴雨與降水量的相關性

1966—2016年南川平均年降水量1 135.8 mm，年平均暴雨的降水量165 mm，暴雨量占年降水量的比例最高達31.7%(1997年)，平均占比為14.5%。暴雨越多，當年的降水量也越多，南川的暴雨日數(shù)和暴雨量與年降水量為正相關性，其相關系數(shù)為0.61和0.60，均通過99%的顯著性檢驗，說明暴雨量也是年降水量的決定因素之一。圖3是1966—2016年間南川逐年暴雨雨量占年降水量的比例圖。從中可見每年暴雨所占年降水量的比例差異較大，具有明顯的年際變化，總體有增加的趨勢。在多雨年份，暴雨所占比例一般較大。在少雨年份，暴雨所占比例一般較小，如1978年和1993年，年降水量分別為955.2 mm和943.6 mm，比均值分別少180.6 mm和192.2 mm，該兩年并未出現(xiàn)暴雨。

圖3 1966—2016年南川暴雨雨量占年降水量比例Fig.3 Percentage of storm rainfall quantum in total rainfall quantum at Nanchuan Station during 1966—2016

3 暴雨變化特征

3.1 暴雨日數(shù)的年內(nèi)變化

南川暴雨初日最早出現(xiàn)在3月20日(2014年，降水量54.4 mm)，最晚出現(xiàn)在11月5日(1996年，降水量57.5 mm)。圖4為南川1966—2015年每月暴雨日數(shù)，南川站在3—11月均出現(xiàn)過暴雨，其分布呈單峰型,峰值出現(xiàn)在6月，達31 d，占全年暴雨日數(shù)的24%，汛期5—9月暴雨日數(shù)達111 d，占全年暴雨日數(shù)的86%。從大暴雨日數(shù)的分布來看，南川大暴雨出現(xiàn)的情況非常少，51 a間只出現(xiàn)了5次大暴雨，集中在6—9月，其中9月出現(xiàn)了2次，占大暴雨日數(shù)的40%。

圖4 1966—2016年南川暴雨日數(shù)(藍色)和大暴雨日數(shù)(紅色)年內(nèi)分布Fig.4 Monthly climatological annual cycle of storm days (blue bars) and heavy storm days (orange bars) at Nanchuan Station during 1966—2016

3.2 暴雨日數(shù)的年際、年代際變化

1966—2016年51 a間南川共出現(xiàn)128 d的暴雨日，平均為2.5 d/a(黑色實線)，暴雨的年際變化差異較大，最多的年份(2013年)有6 d，最少的年份(1969年、1978年、1980年、1993年)則為0 d。從5 a滑動平均暴雨日數(shù)來看，暴雨日數(shù)具有較明顯的年代際變化。暴雨日數(shù)主要的峰值區(qū)為20世紀70年代中期，80年代中期以及90年代中期。進入21世紀后前10 a暴雨日數(shù)有明顯減少。

年暴雨日數(shù)的長期變化趨勢并不明顯(圖5)，未通過95%水平的顯著性檢驗。因此本文進一步對暴雨量、暴雨強度等特征量的周期變化特征進行分析。

圖5 1966—2016年暴雨日數(shù)(紅色線)，氣候平均暴雨日數(shù)(黑色實線)和5 a滑動平均的暴雨日數(shù)(藍色虛線)以及其線性趨勢線(單位：d)Fig.5 Time series of (red line) annual storm days and (black line) climatological mean storm days during 1966-2016. Time series of (blue dash line) 5a running mean of annual storm days and (blue solid line) its long-term trend during 1966—2016(Unit:d)

3.3 暴雨量的周期變化

為進一步研究南川暴雨量的周期變化，通過對暴雨日總降水量進行小波分析。由圖6可以發(fā)現(xiàn)暴雨日總降水量在1966—1995年主要存在10～12 a的周期，在1996—2016年主要存在13～15 a的周期，周期變長。南川地區(qū)暴雨量的年代際變化可能是受一些年代際因子的調(diào)控作用，如太平洋年代際振蕩(Pacific Decadal Oscillation，PDO)。

圖6 1966—2016年暴雨日總降水量的小波分析，網(wǎng)格線代表通過95%顯著性檢驗(單位：mm2)Fig.6 Wavelet analysis of annual storm rainfall quantum during 1966—2016. Gridding regions represent exceeding 95% significant level(Units:mm2)

3.4 暴雨相關特征量的年代際變化

由圖7、圖8可知，1966—2016年南川暴雨量存在明顯的年代際變化，在20世紀60年代以負距平為主，70年代和80年代則以正距平為主，80年代末期到90年代中期以負距平為主。90年代中后期出現(xiàn)了正距平大值，隨后進入21世紀的10 a都以負距平為主，但從趨勢上來看，進入21世紀后南川主要是正距平的趨勢。

從圖8來看，南川的暴雨日數(shù)和暴雨日總降水量的變化特征非常接近，在20世紀70、80和90年代中期均為峰值，暴雨強度在60年代末期和80年代中期為峰值，從90年代開始維持在較穩(wěn)定并緩慢上升的趨勢。

圖7 1966—2016年南川暴雨量距平(灰色柱狀圖)及變化趨勢(紅色線)Fig.7 Annual storm rainfall anomaly (grey bars) and long-term trend (red line) at Nanchuan Station during 1966—2016

圖8 1966—2016年(灰色柱狀圖)暴雨日數(shù)(a)，暴雨日總降水量(b)和暴雨強度(c)，紅線代表7 a滑動平均(單位：d)Fig.8 Annual (grey bars) storm days(a) storm rainfall(b) and storm intensity(c) at Nanchuan Station during 1966—2016. Red lines represent 7a running mean results(Units:d)

4 結論

①南川站的逐月總降水量和降水強度均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，峰值主要集中在5—9月，該5個月的降水量占全年降水量的67%。降水量峰值出現(xiàn)在6月，月降水強度最大在7月。除了季節(jié)變化以外，南川站的汛期降水還具有明顯的次季節(jié)變化，其中最顯著的是周期為17 d左右的準雙周變化信號，這一準雙周振蕩的信號對未來南川降水的延伸期預報提供了思路。

②南川站的歷史暴雨事件發(fā)生于3—11月，主要集中在汛期5—9月，此期間的暴雨日數(shù)占全年暴雨日數(shù)的86%，其分布呈單峰型，峰值出現(xiàn)在6月。

③1966—2016年南川站的平均暴雨日數(shù)為2.5 d/a，且長期線性趨勢變化并不顯著，主要以年代際變化特征為主。暴雨日總降水量的周期變化1995年前后從10～12 a轉變?yōu)?3～15 a。南川暴雨的總體氣候狀態(tài)呈現(xiàn)較平穩(wěn)的特征。