鄱陽湖流域雨季不同時期降水歷時相關(guān)特征變化

吳 瓊， 張傳江， 馬鋒敏， 張超美

(江西省氣候中心，南昌 330046)

引 言

鄱陽湖流域位于長江中下游以南，主要位于江南地區(qū)，流域由春至秋的季節(jié)轉(zhuǎn)換過程中存在明顯的降水集中期。不同研究對我國南方地區(qū)雨季具有不同的定義[1-4]。大部分學(xué)者認(rèn)為，我國南方地區(qū)降水主要集中在5、6月華南前汛期和8、9月華南后汛期[5-8]。王遵婭等[9]指出，長江中下游至華南地區(qū)春雨非常明顯。江南雨季出現(xiàn)時間較華南地區(qū)和長江中下游地區(qū)的都要早[10]。鄱陽湖流域3-9月降水量占全年總降水量的80%[11]，本文將這段降水集中期稱之為流域的“雨季”。鄱陽湖流域3月開始出現(xiàn)春季連續(xù)陰雨天氣[12]，5月中旬前后南海季風(fēng)暴發(fā)后流域出現(xiàn)降水盛期[13-14]，業(yè)務(wù)中認(rèn)為地區(qū)主汛期于6月底結(jié)束[15-17]。根據(jù)降水出現(xiàn)的不同時期，同時結(jié)合萬日金等[12]觀點(diǎn)，本文將鄱陽湖流域雨季劃分為春雨期(3月1日-5月15日)、主汛期(5月16日-6月30日)和后汛期(7月1日-9月30日)。

降水持續(xù)時間是降水過程的一個重要特征，與日降雨量、頻率和強(qiáng)度相比，降水持續(xù)時間與降水過程的性質(zhì)關(guān)系更為密切[18]，而這往往是區(qū)分不同類型降雨過程的關(guān)鍵因素[19]。不少研究指出，鄱陽湖流域降水具有特殊性，不同時期降水性質(zhì)不同：流域早期出現(xiàn)的春季連陰雨天氣是東亞獨(dú)特的天氣氣候現(xiàn)象，它是青藏高原高大地形的動力和熱力強(qiáng)迫的結(jié)果[12]，這一階段的降水主要為鋒面降水[20]；5月4-5候南海季風(fēng)暴發(fā)，自南半球低緯海洋并在索馬里附近越過赤道途徑阿拉伯海、印度南部印度洋、孟加拉灣伸向中國南方的水汽輸送帶建立，流域出現(xiàn)季風(fēng)降水盛期[21]；7-8月東亞副熱帶季風(fēng)雨帶北推，抵達(dá)華北—東北地區(qū)，此時期鄱陽湖流域降水常與臺風(fēng)和午后對流天氣有關(guān)[22]。

降水是影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的重要因素[23-25]。鄱陽湖雨季不同時期關(guān)注的降水災(zāi)害影響不同：3月多關(guān)注連續(xù)陰雨天氣對農(nóng)業(yè)、交通和航運(yùn)等的影響，4-6月暴雨多發(fā)期則需多關(guān)注泥石流和城市內(nèi)澇等衍生災(zāi)害，7、8月多注意午后強(qiáng)對流天氣影響。因此，量化分析不同時期不同性質(zhì)降水的特征及變化十分必要。然而，鄱陽湖流域已開展的降水特征分析多針對整個雨季或者整年的變化分析上，且與降水持續(xù)時間相關(guān)的特征分析遠(yuǎn)少于對降水量和頻率的分析。本文通過將鄱陽湖雨季分為3個不同時期，揭示了不同時期降水的時段特征差異，并分析了不同時期不同歷時過程降水時空分布的特征及其變化，對提高地區(qū)降水和降水歷時相關(guān)特征的認(rèn)識具有一定的意義。

1 資料和方法

1.1 資料來源

本文資料來源于江西省氣象信息中心，對有記錄以來鄱陽湖流域逐時降水資料，通過異常值剔除和資料時間延續(xù)檢驗(yàn)等質(zhì)量控制，并綜合考慮數(shù)據(jù)完整性、地域代表性和資料時間長度等因素，最終選取1978-2019年79個國家站逐時降水資料來展開分析(圖1)，所選研究期間站點(diǎn)逐時降水資料年平均缺失率為3.01%。

圖1 鄱陽湖流域國家氣象站分布

1.2 研究方法

本文采用Sen斜率估計(jì)方法研究氣候時間尺度序列的線性趨勢[26-29]，采用Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)研究時間序列的趨勢變化是否通過顯著性水平檢驗(yàn)[30-33]。同時，對一些要素進(jìn)行自定義。

1.2.1 候降水量、時數(shù)和降水強(qiáng)度

候降水量為年平均候累計(jì)降水量的區(qū)域平均值(79站平均)，候時數(shù)為年平均候累計(jì)小時數(shù)的區(qū)域平均數(shù)，候降水強(qiáng)度為研究期候內(nèi)所有臺站統(tǒng)計(jì)時數(shù)的平均降水量。

1.2.2 降水過程歷時

初始出現(xiàn)兩個或兩個以上站點(diǎn)1 h降水量大于等于0.1 mm的時次記為降水過程發(fā)生時刻[19]，降水發(fā)生后出現(xiàn)連續(xù)2 h無降水，則判定降水過程結(jié)束，結(jié)束時刻為最后出現(xiàn)降水的時刻；降水過程歷時為降水開始時刻至結(jié)束時刻的持續(xù)時間，本文將降水過程歷時1～6 h、7～12 h和≥13 h分別稱為短歷時、中歷時和長歷時過程[34]。

1.2.3 歷時降水量、時數(shù)和降水強(qiáng)度

某一歷時降水量為所有此歷時過程年平均累計(jì)降水量的區(qū)域平均，歷時時數(shù)為所有某一歷時過程年平均累計(jì)小時數(shù)的區(qū)域平均，歷時降水強(qiáng)度為研究期內(nèi)所有臺站此歷時過程統(tǒng)計(jì)時數(shù)的平均降水量。

某一歷時降水量、時數(shù)和降水強(qiáng)度的趨勢，為該歷時所有臺站累計(jì)降水量、時數(shù)區(qū)域平均的逐年變化趨勢；某一歷時降水強(qiáng)度的趨勢，為該歷時所有臺站統(tǒng)計(jì)時數(shù)平均降水量的逐年變化趨勢，均通過Sen 斜率估計(jì)來進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 雨季不同時期降水特征

根據(jù)前文中對鄱陽湖雨季的階段性劃分，分別討論雨季各階段的降水特征。鄱陽湖流域雨季降水量存在3個峰值時段(圖 2a)。春雨期開始(第13候)，鄱陽湖流域降水量開始明顯增加，候降水量迅速增至20 mm以上，19-27候出現(xiàn)第1個峰值時段，平均候降水量為34.7 mm；春雨期結(jié)束后(第28候)，降水明顯回落；進(jìn)入主汛期，候降水量再次迅速增加，31-35候出現(xiàn)第2個峰值時段，平均候降水量為44.6 mm；進(jìn)入后汛期，候降水量急劇減少，43-49候出現(xiàn)第3個峰值時段，平均候降水量為22.5 mm，后汛期結(jié)束后候降水量均較小，均少于13.0 mm。

候降水時數(shù)呈現(xiàn)雙峰分布(圖 2b)。最大峰值出現(xiàn)在春雨期的13-21候，平均候降水時數(shù)為22.5 h。春雨期結(jié)束后候降水時數(shù)回落，進(jìn)入主汛期候降水時數(shù)又開始增多，31-34候出現(xiàn)第2個峰值，平均候降水時數(shù)為19.7 h。進(jìn)入后汛期候降水時數(shù)明顯減少(37候)，候降水時數(shù)維持在10 h左右。

候降水強(qiáng)度也呈現(xiàn)雙峰特征(圖2c)。春雨期開始，候降水強(qiáng)度增大，22-27候出現(xiàn)第1個峰值，平均候降水強(qiáng)度為1.9 mm/h；春雨期結(jié)束后，候降水強(qiáng)度先是回落，之后強(qiáng)度持續(xù)增大，第34候達(dá)到一年中極值，候降水強(qiáng)度為2.5 mm/h；之后34—48候峰值一直維持，平均候降水強(qiáng)度為2.4 mm/h；后汛期后期，第49候降水強(qiáng)度開始減小，后汛期結(jié)束后候降水強(qiáng)度均不超過1 mm/h。

圖2 鄱陽湖流域年平均累計(jì)降水量(a)、累計(jì)降水時數(shù)(b)、降水強(qiáng)度(c)逐候分布

2.2 雨季不同時期降水歷時相關(guān)特征及變化

對鄱陽湖流域雨季不同時期各歷時降水進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，3個時期階段性特征明顯。春雨期降水量主要以短、中歷時過程為主(圖3a)，短、中歷時過程的各歷時降水量達(dá)1.1 mm以上；進(jìn)入主汛期，降水以短歷時過程為主，同時長歷時過程的歷時降水量較春雨期的增多，各候歷時降水量在1.7 mm以上；后汛期降水量則明顯集中在短歷時過程，42-48候歷時2 h的降水量達(dá)2.9 mm以上。從不同歷時時數(shù)候分布可以看出(圖略)，春雨期降水時數(shù)最多，短、中歷時過程的各歷時時數(shù)在0.9 h以上；春雨期結(jié)束后降水過程歷時逐漸縮短，主汛期中歷時過程的歷時時數(shù)較春雨期的明顯偏少，至后汛期降水明顯集中在短歷時過程。分析各歷時降水強(qiáng)度逐候變化(圖略，主要分析不同時期降水時數(shù)偏多的歷時過程區(qū)間)可以看出，春雨期短、中歷時過程的歷時降水強(qiáng)度均較小，主汛期中歷時過程的歷時降水強(qiáng)度有所增加，后汛期短歷時過程的歷時降水強(qiáng)度則明顯增大，40-46候短歷時過程的歷時降水強(qiáng)度均達(dá)2.5 mm/h以上。

分析不同時期各歷時降水量的趨勢變化(圖3b)可以看出，主汛期和后汛期大部分歷時降水量呈增加的趨勢，特別是短歷時過程的歷時降水量增加趨勢十分明顯，第36候和第39候歷時降水量增長趨勢可達(dá)0.45 mm/10a；而春雨期各歷時降水量基本呈現(xiàn)減少趨勢，特別是中歷時過程的各歷時降水量減少明顯，第19候歷時7 h的降水量減少趨勢達(dá)0.25 mm/10a，這與劉高平等[35]春季連陰雨發(fā)生頻數(shù)在江南地區(qū)整體呈減少趨勢的結(jié)論一致。與降水量變化趨勢特征相似，各歷時降水時數(shù)變化主要呈現(xiàn)主汛期、后汛期短歷時過程的歷時時數(shù)增加，春雨期歷時時數(shù)減少的變化趨勢(圖略)。春雨期各歷時降水強(qiáng)度變化不大，而主汛期、后汛期短歷時過程的歷時降水強(qiáng)度呈現(xiàn)增加的趨勢(圖略)。

圖3 鄱陽湖流域各歷時降水量(a)及變化趨勢(b)(b)中陰影為正趨勢，虛線為負(fù)趨勢

2.3 雨季不同時期各歷時降水日分布

分析鄱陽湖流域雨季不同時期候平均各歷時降水量日變化分布特征發(fā)現(xiàn)，3個時期的特征差異十分明顯(圖 4)。春雨期降水量、時數(shù)和降水強(qiáng)度上午均存在一大值中心(時數(shù)和強(qiáng)度分布特征圖略)，05-10時歷時4～9 h的降水量均超過0.08 mm，05-08時歷時3～6 h的降水時數(shù)均超過0.06 h，07-12時歷時6～13 h的降水強(qiáng)度均超過1.5 mm/h。主汛期降水則呈現(xiàn)雙中心分布：上午以中歷時過程呈現(xiàn)為主，07-09時歷時降水量均超過0.08 mm，而下午主要以短歷時過程為主，15-18時歷時降水量均超過0.16 mm；歷時時數(shù)以短歷時過程呈現(xiàn)為主，上午和下午兩個中心的歷時時數(shù)分別可達(dá)0.05 h和0.07 h；歷時降水強(qiáng)度雙中心分別分布在上午的中、長歷時過程和午后的短歷時過程，歷時降水強(qiáng)度均可達(dá)2.4 mm/h。后汛期降水集中出現(xiàn)在傍晚，主要以短歷時過程呈現(xiàn)，15-19時短歷時過程的歷時降水量可達(dá)0.18 mm，歷時時數(shù)可達(dá)0.06 h，歷時降水強(qiáng)度可達(dá)3 mm/h以上。

圖4 鄱陽湖流域不同時期各歷時降水量日分布(a)春雨期,(b)主汛期,(c)后汛期

2.4 雨季不同時期短、中、長歷時過程降水區(qū)域分布及變化

圖5為3個時期不同歷時過程降水量區(qū)域分布。由圖5可以看出，3個時期隨著降水過程歷時的增加，流域降水量大值中心均逐漸北移。春雨期短歷時過程降水量南部地區(qū)的較多，中歷時過程降水量贛中東部的較多，而長歷時過程降水量東北地區(qū)的較多；主汛期降水量與春雨期的特征較類似(圖略)，短歷時過程降水量中心位于南部，中歷時降水量東多西少，長歷時降水量則東北部較多；后汛期主要關(guān)注短歷時過程降水，降水量中心分布在南部流域邊界的羅霄山脈和九連山脈地區(qū)。

圖6分別為雨季3個時期不同歷時過程降水的歷年變化趨勢分布，圖6(a)-(c)為春雨期不同歷時過程降水量的趨勢變化。分析可知，各歷時過程降水量趨勢變化均未通過顯著性水平檢驗(yàn)，流域大部分地區(qū)短歷時過程降水量均呈現(xiàn)增加趨勢，中、長歷時過程降水量則大致為北增多南減少的趨勢。上文分析到近42年來流域春雨期降水量整體呈減少趨勢，但北部地區(qū)仍需注意連陰雨增多的可能影響。主汛期降水量呈增加趨勢，其中短歷時過程降水量大部分地區(qū)趨勢變化通過了顯著性水平檢驗(yàn)，特別是流域南部降水量分布大值中心地區(qū)，短時過程降水影響加重。后汛期主要關(guān)注短歷時過程降水量的變化，流域南部均為正趨勢分布，且部分站點(diǎn)通過了顯著性水平檢驗(yàn)，需注意南部山區(qū)短時降水增加帶來的影響。

圖5 不同時期候平均不同歷時過程降水量分布(a)(b)(c)為春雨期;(d)(e)(f)為后汛期；(a)(d)為短歷時；(b)(e)為中歷時；(c)(f)為長歷時

圖6 不同時期候平均不同歷時過程降水量趨勢變化(a)(b)(c)為春雨期；(d)(e)(f)為主汛期；(g)(h)(i)為后汛期；(a)(d)(g)為短歷時；(b)(e)(h)為中歷時；(c)(f)(i)為長歷時

3 討論和結(jié)論

本文利用1978-2019年鄱陽湖流域79個國家站的逐時降水資料，分析了鄱陽湖流域雨季降水的不同時段特征，并討論了雨季不同時期各歷時降水的特征及變化和不同時期短-中-長歷時過程降水的區(qū)域特征及變化。主要結(jié)論如下：

(1)鄱陽湖流域雨季降水階段性特征明顯，春雨期降水小、時數(shù)多，主汛期候平均降水量多，后汛期小時降水強(qiáng)度大。

(2)春雨期降水量主要以短、中歷時過程為主；進(jìn)入主汛期，短歷時過程降水量增加的同時，長歷時過程降水量也在增加；后汛期降水量則比較集中在短歷時過程。從變化趨勢來看，春雨期各歷時降水量均呈減少趨勢，其中中歷時過程降水量減少明顯；主汛期和后汛期歷時降水量都呈增加趨勢，特別是短歷時過程降水量增加明顯。

(3)春雨期降水量分布上午的較多，主要為短、中歷時過程降水；主汛期降水量呈現(xiàn)雙中心分布，上午主要為中歷時過程降水，而下午主要為短歷時過程降水；后汛期降水集中在傍晚，主要為短歷時過程降水。

(4)春雨期、主汛期降水量大致為東多西少的分布，且隨著降水過程歷時的增加，降水量大值中心逐漸北移。后汛期短歷時過程降水多出現(xiàn)在南部流域邊界的羅霄山脈和九連山脈地區(qū)。從變化趨勢來看，雖然近42年來流域春雨期降水量整體減少，但北部地區(qū)降水量仍呈增加趨勢；主汛期各歷時過程降水量均呈增加趨勢，大部分地區(qū)短歷時過程降水量變化趨勢顯著。后汛期流域南部均為正趨勢分布，部分站點(diǎn)變化顯著，需注意南部山區(qū)短時降水增加的可能影響。

有研究指出，中國中東部地區(qū)持續(xù)時間不到3 h的短時降雨事件往往是由太陽強(qiáng)加熱引起的，而持續(xù)時間較長(超過6 h)的事件往往是由有組織的降雨系統(tǒng)而不是孤立的對流造成的[18]。春雨時期大氣環(huán)流是冬季型向夏季型的過渡期，這一時期偏南風(fēng)的增強(qiáng)主要是高原的動力作用所造成[12]，其歷年趨勢變化原因有待進(jìn)一步研究。政府間氣候變化專門委員會IPCC報(bào)告[36]指出，溫度升高會導(dǎo)致暴雨洪澇等極端氣候事件的發(fā)生頻率與強(qiáng)度出現(xiàn)加劇趨勢。唐傳師等[37]發(fā)現(xiàn),江西地區(qū)短歷時強(qiáng)降水發(fā)生頻次與區(qū)域性增暖呈正響應(yīng)關(guān)系。鄱陽湖流域強(qiáng)對流天氣頻發(fā)，特別是近幾年流域主汛期短時暴雨頻發(fā)，城市內(nèi)澇等災(zāi)害多有發(fā)生，這需引起足夠重視。