黔東南州近40 a夏季降水時(shí)空分布及異常年環(huán)流特征分析

潘 影，鄧世有，王 玨

(1.貴州省三穗縣氣象局，貴州 三穗 556500；2.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000)

0 引言

貴州省黔東南地處云貴高原與湘西丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，地勢(shì)西高東低，地形起伏較大，山高坡陡，地質(zhì)環(huán)境脆弱，年平均氣溫在14.7～18.5 ℃，年降水量在1 003.8～1 166.7 mm[1]。由于自然因素的影響，強(qiáng)降水極易誘發(fā)和加劇地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅，而夏季降水的多少對(duì)黔東南州地質(zhì)災(zāi)害的影響巨大，作好夏季降水量預(yù)報(bào)就顯得尤為重要。

目前，對(duì)于中國(guó)夏季降水時(shí)空分布特征的研究取得很大的進(jìn)展[2-4]。黨皓飛等[5]研究指出，中國(guó)夏季降水的時(shí)間變化尺度主周期為16 a，在1990年左右發(fā)生了明顯的年代際突變。有研究指出[6-14]：中國(guó)區(qū)域降水異常與大氣環(huán)流異常密切相關(guān) ,西太平洋副熱帶高壓和西南季風(fēng)等是影響長(zhǎng)江流域的主要環(huán)流系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的位置和強(qiáng)度也是造成黔東南夏季降水異常的主要原因。伍紅雨等[15]研究發(fā)現(xiàn)貴州夏季降水多雨年較少雨年的西太平洋副熱帶高壓偏弱,脊線明顯偏南偏西。田菊萍等[16]研究表明黔東南州年降水日數(shù)分布是西多東少、北多南少。

針對(duì)目前小尺度空間的降水時(shí)空分布特征的研究不多。本文利用1981—2020年黔東南州16個(gè)站點(diǎn)夏季(6—8月)的月降水資料，采用小波分析、M-K和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法，分析黔東南州夏季降水的氣候特征，使用EOF對(duì)黔東南州夏季降水的空間分布進(jìn)行初步研究，找出黔東南州夏季降水時(shí)空分布及其異常年環(huán)流特征，以期為黔東南州夏季降水預(yù)報(bào)提供參考思路。

1 資料和方法

黔東南州16個(gè)氣象觀測(cè)站夏季各月降水量資料來(lái)源于貴州省氣象局CIMISS數(shù)據(jù)庫(kù)，西太平洋副熱帶高壓的脊線、西伸點(diǎn)和強(qiáng)度指數(shù)等資料來(lái)源于國(guó)家氣候中心新130項(xiàng)監(jiān)測(cè)指數(shù)。定義黔東南州16個(gè)站每年夏季降水量之和為當(dāng)年夏季總降水量，用Ri表示，總降水量距平百分率表達(dá)式為：

(1)

式中Mi為總降水量距平百分率，單位為%。Mi在±20%之間為正常，Mi>20%為偏多，Mi<-20%為偏少。

2 夏季降水分布特征

2.1 夏季降水時(shí)間分布特征

2.1.1 夏季降水年代際特征 由圖1看到，黔東南州夏季降水距平百分率正負(fù)年數(shù)相當(dāng)，且曲線的波形變化十分明顯，清晰地顯示了黔東南州夏季降水近40 a來(lái)經(jīng)歷了2次明顯的波動(dòng)。1981—1990年，黔東南州夏季降水量距平百分率多為負(fù)值，且有5 a的降水距平百分率低于-20%，故定為相對(duì)枯水期。1991—2001年夏季降水呈顯著上升趨勢(shì)，降水距平百分率10 a的平均值超過(guò)了20%，此期間可定為相對(duì)豐水期。2002—2013年夏季降水呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，出現(xiàn)6 a的降水距平百分率低于-20%，此期間可定為相對(duì)枯水期。2014—2020年夏季降水呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明2013年枯水期結(jié)束，黔東南州夏季降水進(jìn)入相對(duì)豐水期。

圖1 黔東南州1981—2020年夏季逐年降水量距平變化Fig.1 Change of annual summer precipitation anomaly in Qiandongnan prefecture from 1981 to 2020

2.1.2 夏季降水周期特征 小波分析能發(fā)現(xiàn)隱藏在時(shí)間序列中的各種變化周期，比較全面的反映出系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度中的變化。小波系數(shù)實(shí)部等值線圖能反映某要素值的周期變化，進(jìn)而能判斷在不同時(shí)間尺度上，某要素值的未來(lái)變化趨勢(shì)。

本文利用小波分析方法對(duì)黔東南州1981—2020年16個(gè)站夏季降水進(jìn)行分析。圖2為使用Matlab軟件計(jì)算出的小波系數(shù)實(shí)部繪制的色斑圖。圖中暖色調(diào)區(qū)域表示降水偏多;冷色調(diào)區(qū)域表示降水偏少。

從圖2看出，黔東南州夏季降水周期變化顯著，旱澇交替明顯。在11～25 a尺度上出現(xiàn)了枯豐交替的準(zhǔn)2次振蕩；在4～10 a時(shí)間尺度上存在準(zhǔn)5次振蕩。同時(shí)，還可以看出11～25 a尺度的周期變化在整個(gè)分析時(shí)段表現(xiàn)的非常穩(wěn)定，具有全域性；而4～10 a尺度的周期變化在2000年以后表現(xiàn)的較為穩(wěn)定?？傊诮邓康臅r(shí)間演變過(guò)程中主要存在著11～25 a、4～10 a左右的兩類(lèi)尺度周期變化規(guī)律。

圖2 黔東南州夏季降水時(shí)序小波系數(shù)實(shí)部時(shí)頻分布圖(縱坐標(biāo)為周期尺度，橫坐標(biāo)為年份，圖內(nèi)標(biāo)值為小波系數(shù)的實(shí)部值)Fig.2 Real-part time-frequency distribution of time-series wavelet coefficients of summer precipitation in Qiandongnan Prefecture (y-coordinate is periodic scale,abscissa is year,and the internal scale value is the real part value of the wavelet coefficients)

2.1.3 夏季降水突變性特征 從圖3看出，黔東南州1981—2002年總體呈上升趨勢(shì)，2003—2013年呈下降趨勢(shì)，2014年開(kāi)始又呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；從圖3中可以看出，UF和UB兩條檢驗(yàn)曲線在臨界值之內(nèi)有多個(gè)交點(diǎn)，黔東南州夏季降水量的突變年份為1993、1996年和1999年。突變點(diǎn)都出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，結(jié)合圖1，發(fā)現(xiàn)1996年是近40 a降水最多的一年，而且20世紀(jì)90年代也是近40 a降水偏多的10 a。由此可見(jiàn)，20世紀(jì)90年代是黔東南州夏季降水的突變時(shí)段。

圖3 黔東南州1981—2020年夏季逐年降水量距平Mann-Kendall突變檢驗(yàn)Fig.3 Mann-Kendall mutation test of annual summer precipitation anomaly in Qiandongnan Prefecture from 1981 to 2020

2.2 夏季降水空間分布特征

為了進(jìn)一步了解黔東南州夏季降水的空間分布及其周期變化，將黔東南州近40 a來(lái)16個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站的月降水量資料進(jìn)行EOF分析，通過(guò)分析結(jié)果計(jì)算出前10個(gè)主分量的方差，前2個(gè)分別為23.89%、17.19%，其分量所占的方差貢獻(xiàn)率為41%，表明前2個(gè)分量包括了降水量分布的大部分信息，能代表黔東南州夏季降水主要的空間分布特點(diǎn)。

第1模態(tài)占23.89%，是研究黔東南州夏季降水空間分布最主要的模態(tài)。由圖4a可以看出，黔東南州夏季降水主要表現(xiàn)為南北反位相的空間分布特征，在州北部地區(qū)為負(fù)值，州南部(錦屏、黎平、從江、榕江和丹寨)為正值，特征值零線沿州中部一線。表明黔東南州夏季降水量呈南北反位相，即北部降水較常年偏少(多)的時(shí)候，南部降水較常年偏多(少)，稱(chēng)為南北型。結(jié)合南北型所對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列(圖4b)可知，時(shí)間系數(shù)的絕對(duì)值越大，則此型在該年的分布型越明顯。由圖4b可以看出，絕對(duì)值大于10 的年份(1988、1993、1994、1997、2005、2006、2008、2010、2016、2017、2020 年)正位相較強(qiáng)，結(jié)合圖5，發(fā)現(xiàn)正值年份南部降水較常年偏多，而北部降水較常年偏少；1984、1985、1986、1987、1991、1992、1995、1998、2002、2007、2011、2012、2014 年為負(fù)位相較強(qiáng)，結(jié)合圖5，發(fā)現(xiàn)負(fù)值年份北部降水較常年偏多，而南部降水較常年偏少。

圖4 黔東南州夏季降水EOF第1特征向量的空間型(a)和時(shí)間序列(b)Fig.4 Spatial type (a)and time series (b)of the first eigenvector of summer precipitation in Qiandongnan Prefecture

圖5 黔東南州1981—2020年夏季南北逐年降水量距平Fig.5 Annual precipitation anomaly in summer from north to south of Qiandongnan Prefecture during 1981—2020

由圖6a看出，黔東南州夏季降水主要表現(xiàn)為東西反位相的空間分布特征，在州東部地區(qū)為負(fù)值，州的西部(凱里、麻江、雷山和丹寨)為正值，特征值零線沿州中部偏西一線，表明黔東南州夏季降水量呈東西反位相，即東部降水較常年偏少(多)的時(shí)候，西部降水較常年偏多(少)，稱(chēng)為東西型。結(jié)合東西型所對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列圖6b看出，時(shí)間系數(shù)的絕對(duì)值越大，則分布型越明顯。由6b還可以看出，絕對(duì)值大于10的年份(1982、1988、1993、1994、1997、2001、2005、2009、2016、2017 年)正位相較強(qiáng)，結(jié)合圖7，表明正值年份東部降水較常年偏多，西部降水較常年偏少；而1983、1987、1992、1998、2003、2007、2015 年為負(fù)位相較強(qiáng)，結(jié)合圖7，發(fā)現(xiàn)負(fù)值年份西部降水較常年偏多，東部降水較常年偏少。

圖6 黔東南州夏季降水EOF 第2特征向量的空間型(a)和時(shí)間序列(b)Fig.6 Spatial type (a)and time series (b)of the second eigenvector of summer precipitation in Qiandongnan Prefecture

圖7 黔東南州1981—2020年夏季東西逐年降水量距平Fig.7 Annual precipitation anomaly between east and west in summer of Qiandongnan Prefecture from 1981 to 2020

3 異常年環(huán)流指數(shù)分析

為了保證指數(shù)距平百分率在一個(gè)量級(jí)并且正負(fù)趨勢(shì)不變，采用以下公式處理：

(2)

其中Xi表示每年夏季(6—8月)對(duì)應(yīng)的環(huán)流指數(shù)平均值，i表示總年數(shù)，Zi表示年指數(shù)距平百分率。根據(jù)式(2)處理西太平洋副高的脊線、西伸點(diǎn)和強(qiáng)度指數(shù)(見(jiàn)圖8)，西太平洋副高的脊線距平百分率正值表示脊線位置偏北，負(fù)值表示偏南。西伸點(diǎn)正值表示副高位置偏東，負(fù)值表示偏西。強(qiáng)度指數(shù)正值表示副高偏強(qiáng)，負(fù)值表示偏弱。

圖8 黔東南州夏季降水量距平和西太平洋副高的脊線、西伸點(diǎn)、強(qiáng)度指數(shù)距平(單位：%)Fig.8 Summer precipitation anomaly and ridge line,western extension point and intensity index anomaly of the Western Pacific Subtropical High in Qiandongnan Prefecture (unit:%)

降水距平百分率超過(guò)±20%為異常年，則1981、1985、1989、1992、2003、2005、2011和2013年為夏季降水量異常偏少年，1993、1996、1999、2007、2015和2017年為夏季降水量異常偏多年。由圖8看出，黔東南州夏季降水量距平百分率與脊線、西伸點(diǎn)的距平百分率總體上成反位相，即夏季降水量異常偏少的8 a，副高脊線、西伸點(diǎn)的距平百分率多為正值，表明副高較常年偏北偏東，副高強(qiáng)度正常到偏弱；夏季降水量異常偏多的6 a，副高脊線、西伸點(diǎn)的距平百分率多為負(fù)值，表明副高較常年偏南偏西，副高強(qiáng)度正常到偏強(qiáng)。由此可知，黔東南州夏季降水量的多少與副高脊線、西伸點(diǎn)、強(qiáng)度有密切的關(guān)系。

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析，得出以下結(jié)論:

①近40 a黔東南州夏季降水量的時(shí)間尺度表現(xiàn)為2次波動(dòng)，1991—2001年和2014—2020年為2個(gè)波峰，即為相對(duì)豐水期;1981—1990年和2002—2013年為2個(gè)波谷，即為相對(duì)枯水期。夏季降水存在明顯的11～25 a的主周期和4～10 a的次周期變化,并在20世紀(jì)90年代發(fā)生了顯著的變化，也是近40 a黔東南州夏季降水量最多的10 a。

②黔東南州夏季降水量空間分布主要呈現(xiàn)南北反位相和東西反位相2種類(lèi)型。第1模態(tài)占23.89%，表明黔東南州夏季降水量呈南北反位相，即北部降水較常年偏少(多)的時(shí)候，南部降水較常年偏多(少)；第2模態(tài)占17.19%，表明黔東南州夏季降水量呈東西反位相，即東部降水較常年偏少(多)的時(shí)候，西部降水較常年偏多(少)。

③黔東南州夏季降水量的多少與副高脊線、西伸點(diǎn)、強(qiáng)度有密切的關(guān)系，即夏季降水量異常偏少年，副高較常年偏北偏東，副高強(qiáng)度正常到偏弱；夏季降水量異常偏多年，副高較常年偏南偏西，副高強(qiáng)度正常到偏強(qiáng)。