近六十年中國(guó)華西地區(qū)秋季降水時(shí)空特征分析

鄧 歡 華 維 馮亮亮 夏昌基 鄧 浩

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/四川省氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警工程實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610225;2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所竺可楨—南森國(guó)際研究中心,北京 100029)

0 引言

中國(guó)華西地區(qū)主要包括四川、重慶、云貴北部、湖北湖南西部,甘肅和陜西南部等地,區(qū)內(nèi)地形地貌復(fù)雜,來自北方的冷空氣與南方暖濕空氣多在此匯集,從而形成華西地區(qū)秋季多雨的獨(dú)特氣候現(xiàn)象。華西地區(qū)秋季降水的主要特征表現(xiàn)為降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、量級(jí)小,以綿綿細(xì)雨為主,降水量?jī)H次于夏季。由于通常發(fā)生在秋收時(shí)期,長(zhǎng)時(shí)間陰雨天氣可對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響[1],有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)極端降水事件并誘發(fā)山體滑坡和泥石流等次生災(zāi)害[2]。因此,華西地區(qū)秋季降水的時(shí)空特征及其異常機(jī)理一直備受關(guān)注。

不少學(xué)者從不同角度對(duì)華西地區(qū)秋季降水的時(shí)空變化特征及其環(huán)流背景進(jìn)行了研究。20世紀(jì)80年代,已有研究指出華西地區(qū)秋季降水是引起長(zhǎng)江上游秋汛的最直接原因,但華西地區(qū)秋季降水并非常年顯著,而是存在明顯的少雨和多雨的年際變化特征[3]。在華西地區(qū)秋季降水的年際和年代際變化特征方面,徐金霞等[4]發(fā)現(xiàn)華西地區(qū)秋季降水在20世紀(jì)80年代中期發(fā)生了年代際轉(zhuǎn)折,具體為20世紀(jì)80年代中期以前秋季降水偏多,之后轉(zhuǎn)為降水偏少,這與羅霄等[5]的研究結(jié)果基本一致。陳剴等[6]進(jìn)一步指出華西地區(qū)秋季降水的年代際突變發(fā)生在1998年前后,20世紀(jì)60年代至80年代中后期秋季降水為減少趨勢(shì),90年代至21世紀(jì)10年代為增加趨勢(shì)。同時(shí),一些研究[7-9]還對(duì)華西地區(qū)秋季降水的多時(shí)間尺度周期特征進(jìn)行了分析,相關(guān)研究結(jié)果表明華西地區(qū)秋季降水存在明顯的準(zhǔn)4 a和準(zhǔn)6 a的周期變化。對(duì)華西地區(qū)秋季降水的個(gè)例分析[10-13]也發(fā)現(xiàn),引起華西地區(qū)秋季降水異常的主要環(huán)流系統(tǒng)包括能量鋒區(qū)、烏拉爾山高壓脊、南亞高壓、巴湖槽、東亞急流軸向北加強(qiáng)移動(dòng)、西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)西伸以及東南亞西南季風(fēng)等因素。此外,華西地區(qū)秋雨的多寡也與高原地表熱源[14]、印度洋偶極子[15]、熱帶大氣季內(nèi)振蕩[16]、北半球歐亞秋季遙相關(guān)[17]以及東亞西風(fēng)急流強(qiáng)度[18]等因子有關(guān)。上述研究加深了對(duì)中國(guó)華西地區(qū)秋季降水的認(rèn)識(shí),然而由于華西地區(qū)秋季降水的復(fù)雜性,仍需進(jìn)一步采用時(shí)間尺度更長(zhǎng)、空間分辨率更高的資料對(duì)華西秋季降水變化特征及其異常的環(huán)流背景進(jìn)行診斷分析。鑒于此,本文利用1961-2020年高分辨率逐日格點(diǎn)降水資料和再分析資料,通過多種統(tǒng)計(jì)方法對(duì)華西地區(qū)秋季降水的時(shí)空變化特征及異常環(huán)流背景進(jìn)行分析。

1 資料與方法

1.1 資料

降水量資料為基于全國(guó)2416個(gè)地面氣象臺(tái)站降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)通過“距平逼近”插值方法得到的CN05.1逐日降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)集,其空間分辨率為0.25°×0.25°[19]。大氣環(huán)流資料采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(national centers for environmental prediction and national center for atmospheric research,NCEP/NCAR)提供的1961-2020年逐月再分析資料,要素包括風(fēng)場(chǎng)、比濕場(chǎng)、地表氣壓場(chǎng)、高度場(chǎng)和垂直速度場(chǎng),該資料空間分辨率為2.5°×2.5°[20]。

1.2 方法

采用施能[21]定義的氣候趨勢(shì)系數(shù)分析華西地區(qū)秋季降水量的變化趨勢(shì);利用相關(guān)分析方法[21]分析秋季降水與秋雨指數(shù)之間的相互關(guān)系;使用Morlet小波分析方法[22-23]研究華西地區(qū)秋季降水變化的多尺度時(shí)頻結(jié)構(gòu);利用合成分析方法[24]分析華西地區(qū)秋季旱澇年對(duì)應(yīng)的環(huán)流背景特征,并通過t檢驗(yàn)方法[21]進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。本文秋季為9-11月,華西地區(qū)為(25 °N～36 °N,100 °E～111 °E)。

2 結(jié)果分析

2.1 華西地區(qū)秋季降水時(shí)間演變特征

圖1為區(qū)域平均的華西地區(qū)秋季和9-11月降水量年際變化曲線。由圖1(a)可知,華西地區(qū)秋季降水量的氣候平均值為235.8 mm,而9-11月各月分別為127.9 mm、75.9 mm和32 mm。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn),華西地區(qū)秋季降水最多的年份出現(xiàn)在2014年,降水量達(dá)到308.3 mm,而最小值出現(xiàn)在 1998年,僅為157.4 mm,其年代際變化大致可分為兩個(gè)階段,第一階段從1961-1998年,降水量主要呈減少趨勢(shì);第二階段從1999-2020年,秋季降水呈明顯的增加趨勢(shì)。從各年代平均值可知,從1960年代開始降水逐漸減少,到1990年代達(dá)到最低值,為208.2 mm,2000年代開始秋季降水量較前一年代略有增加,到2010年代降水迅速增加,達(dá)到最大,為270.4 mm。

進(jìn)一步對(duì)秋季各月降水量的年代際特征進(jìn)行分析。由9月降水量變化曲線(圖1b)可知,降水最多的年份為2014年,降水量達(dá)到182.7 mm,最小值出現(xiàn)在1998年,僅有76.6 mm,該月降水量的年代際變化特征與秋季降水量基本一致,均表現(xiàn)為1960年代到1990年代減少,之后增加的變化趨勢(shì)。從各年代平均值可以看出,1960年代到1980年代降水量變化不大,至1990年代達(dá)到最低值,之后緩慢增加,到2010年代開始迅速上升。華西地區(qū)10月最大降水量(圖1c)出現(xiàn)在2017年,達(dá)到112.4 mm,最小為 1979年,為48.5 mm,其年代際變化主要呈現(xiàn)“減少—增加—減少—增加”的趨勢(shì),其中1980年代降水量最少,為70.1 mm,而2010年代達(dá)到最大的82.5 mm。11月降水量(圖1d)最大值出現(xiàn)在1963年,為63.5 mm,最小值為1988年,降水僅有12.3 mm,其年代際變化趨勢(shì)相對(duì)并不顯著。

2.2 華西地區(qū)秋季降水空間分布特征

圖2為多年平均的華西地區(qū)秋季及各月降水量空間分布。由秋季累積降水量空間分布(圖2a)可知,受地形和環(huán)流系統(tǒng)影響,華西地區(qū)秋季降水的空間分布極不均勻,其大小在70～400 mm,主要表現(xiàn)出華西東部和西南部地區(qū)降水較多,而西部和北部地區(qū)降水較少的特征,且同時(shí)存在多個(gè)降水大值中心,其中最大降水中心位于重慶、四川和陜西三省交界地區(qū),其次是位于四川西南部和云貴交界處的兩個(gè)降水中心。進(jìn)一步分析華西地區(qū)秋季各月降水量空間空間分布(圖2b～d)可知,秋季各月降水大值中心隨時(shí)間逐漸向東南方向回撤,量級(jí)也隨之減小,其中9月降水大值中心分布與秋季累積降水量大值中心基本一致,表明9月對(duì)秋季季節(jié)降水的貢獻(xiàn)最大。

為進(jìn)一步分析華西地區(qū)秋季降水量的地域特征,給出了降水百分率的空間分布圖(圖3)。由圖可知,華西地區(qū)秋季累積降水量占全年總降水量比例在12%～31%,且北部高于南部,其最大中心位于陜西南部,相較于降水大值中心明顯北移,而最小中心主要位于四川東南部和貴州東部(圖3a)。9-11月(圖3b～d)降水百分率逐漸減小,且大值中心同樣較降水量中心有所北移。

圖4為華西地區(qū)秋季及各月降水的趨勢(shì)相關(guān)系數(shù)空間分布。由圖4(a)可知,秋季累積降水量變化趨勢(shì)較為復(fù)雜,主要表現(xiàn)為降水增加、減少區(qū)域交錯(cuò)分布的特點(diǎn),其中降水顯著增加的區(qū)域分別位于川西高原、重慶北陜西交界地區(qū)以及湖南西部地區(qū),而降水量顯著減少的區(qū)域則主要集中在陜甘交界地區(qū)、四川盆地中部以及云貴一帶。9月華西地區(qū)降水量趨勢(shì)系數(shù)空間分布(圖4b)與秋季累積降水量相似,但除貴州降水顯著增加外,其余顯著變化區(qū)面積均有所減小。10月華西地區(qū)降水量趨勢(shì)系數(shù)(圖4c)則主要表現(xiàn)為華西地區(qū)中部增加、南部減少的趨勢(shì),主要的增加中心位于重慶北部和四川西北部。11月降水量趨勢(shì)系數(shù)空間分布(圖4d)由西往東變線為“增加—減少—增加”的特征,但僅有貴州和云南部分地區(qū)通過顯著性檢驗(yàn)。

2.3 華西地區(qū)秋季降水指數(shù)變化特征

以往研究[25]指出,9-10月降水異常對(duì)秋季整體降水的空間分布起著決定性作用,由上文分析也可發(fā)現(xiàn),11月華西地區(qū)降水量較少,對(duì)秋季累積降水的影響并不明顯。因此,進(jìn)一步將華西地區(qū)9-10月平均降水定義為秋季降水指數(shù)以表征該地區(qū)秋季降水的總體變化特征(圖5)。從圖5(a)可知,華西地區(qū)秋季降水總量與秋季降水指數(shù)的變化基本一致,其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.94,通過95%的顯著性水平檢驗(yàn),而從秋季降水指數(shù)與秋季降水量的空間相關(guān)系數(shù)分布(圖5b)也可發(fā)現(xiàn),相關(guān)系數(shù)以顯著的正相關(guān)為主,僅川西高原少部分地區(qū)為負(fù)相關(guān)分布,除云南和四川西部部分地方?jīng)]有通過顯著性水平檢驗(yàn),其余區(qū)域都通過了95%顯著性水平檢驗(yàn),這與Zhu等[26]的研究結(jié)果一致,因此采用秋季降水指數(shù)表征華西地區(qū)秋季降水量的變化特征是較為合理的。

為分析華西地區(qū)秋季降水的周期特征,采用Morlet小波分析方法對(duì)秋雨指數(shù)進(jìn)行了周期分析(圖6)。由圖6(a)可知,1961-2020年華西地區(qū)秋季降水主要存2～4 a短震蕩周期、6～12 a和14～20 a中震蕩周期以及25～32 a長(zhǎng)震蕩周期。進(jìn)一步由圖6(b)小波方差分布可知,華西秋季降水存在多個(gè)明顯的峰值,分別為3 a、6 a、9 a和17 a,其中17 a的震蕩周期最強(qiáng),是華西地區(qū)秋季降水的第一主周期,對(duì)應(yīng)秋季降水存在多次“偏少—偏多”的中周期交替變化。

2.4 與華西地區(qū)秋季降水異常相關(guān)的環(huán)流特征

為進(jìn)一步探討影響秋季降水的環(huán)流背景,對(duì)華西地區(qū)秋季降水極端旱澇年進(jìn)行合成分析。首先計(jì)算華西地區(qū)秋季降水指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列,選取大于1的年份為降水偏多年,小于-1的年份為降水偏少年(表1)進(jìn)行合成。

水汽是導(dǎo)致降水異常的關(guān)鍵影響因子。圖7為華西地區(qū)秋季降水偏多和偏少年850 hPa風(fēng)場(chǎng)、整層積分的水汽通量和水汽通量散度合成圖。由降水偏多年850 hPa風(fēng)場(chǎng)合成場(chǎng)(圖7a)可知,巴爾喀什湖以東為明顯的異常反氣旋環(huán)流中心所控制,其南側(cè)為顯著的偏東異常氣流,可將北太平洋地區(qū)水汽輸送至華西地區(qū),而華西地區(qū)南部則為異常的偏南氣流控制,大量源于印度洋和西太平洋的暖濕氣流通過氣流輸送至華西地區(qū),兩支異常氣流在華西地區(qū)相遇有利于降水增加。從整層積分的水汽通量差值場(chǎng)(圖7c)可知,影響華西地區(qū)降水異常的水汽主要來自西太平洋地區(qū)。進(jìn)一步從水汽通量散度差值場(chǎng)(圖7e)發(fā)現(xiàn),華西地區(qū)大部分為水汽通量散度的顯著負(fù)異常中心,表明大量水汽在該地區(qū)輻合,有利于華西地區(qū)秋季降水增加。由降水偏少年850 hPa風(fēng)場(chǎng)(圖7b)、水汽通量場(chǎng)(圖7d)和水汽通量散度合成圖(圖7f)可知,與澇年相反,華西地區(qū)上空主要以偏北氣流為主,其水汽含量遠(yuǎn)小于澇年,并且以輻散為主,不利于華西地區(qū)降水發(fā)生。

圖8為華西地區(qū)秋季降水偏多和偏少年海平面氣壓和500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)合成圖。在降水偏多年海平面氣壓合成場(chǎng)(圖8a)上,東亞地區(qū)海平面氣壓為東正西負(fù)分布,華西地區(qū)主要為負(fù)值分布,而降水偏少年則相反,東亞地區(qū)海平面氣壓差值場(chǎng)為西正東負(fù)形勢(shì),華西地區(qū)主要為正異常分布,表明大陸性高壓增強(qiáng),副熱帶高壓減弱,不利于華西地區(qū)降水形成。進(jìn)一步由500 hPa位勢(shì)高度差值場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn),降水偏多年在巴爾喀什湖以東為顯著的負(fù)異常中心,中國(guó)中東部為顯著的正異常中心,這與旱年500 hPa位勢(shì)高度分布相反,表明華西地區(qū)秋季降水與巴爾喀什湖大槽和西太平洋副熱帶高壓聯(lián)系密切,當(dāng)巴爾喀什湖大槽加深,太平洋副熱帶高壓增強(qiáng)并西伸北抬時(shí)有利于華西地區(qū)秋季降水形成,反之亦然。

垂直速度對(duì)大氣水汽和能量的垂直輸送有重要影響[27]。圖9為華西地區(qū)秋季垂直速度沿100°E～111°E的垂直剖面圖。由圖可知,華西地區(qū)秋季降水偏多和偏少年垂直速度差值存在明顯差異,降水偏多年華西地區(qū)上空垂直速度為負(fù)值分布為主,最大負(fù)中心出現(xiàn)在30°N～35°N附近,表明華西地區(qū)上空氣流主要為上升運(yùn)動(dòng)為主,有助于降水形成,而降水偏少年在華西地區(qū)上空為垂直速度正值中心所控制,表明降水偏少年華西地區(qū)主要為下沉運(yùn)動(dòng),不利于對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文利用1961-2020年CN05.1逐日降水量資料和NCEP/NCAR再分析資料,通過線性趨勢(shì)、小波分析以及合成分析等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)近60 a來中國(guó)華西地區(qū)秋季降水的時(shí)空變化特征及異常的環(huán)流背景進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論::

(1)華西地區(qū)近60 a來秋季累積降水、9月、10月和11月降水氣候平均值分別為235.8 mm、127.9 mm、75.9 mm和32 mm,且存在明顯“先增加后減少”的年際變化特征,以及“偏多—偏少—偏多”的年代際變化特征。

(2)受地形和環(huán)流影響,華西地區(qū)秋季降水的空間分布極不均勻,其中秋季累積降水主要表現(xiàn)為華西地區(qū)東部和西南部地區(qū)降水較多,而西部和北部地區(qū)降水較少的特征,且存在多個(gè)降水大值中心,最大降水中心位于重慶、四川和陜西三省交界地區(qū),而9-11月各月降水大值中心逐漸向東南部移動(dòng),量級(jí)也隨之減小,其中9月對(duì)秋季季節(jié)降水的貢獻(xiàn)最大。

(3)秋季累積降水量的變化趨勢(shì)較為復(fù)雜,主要表現(xiàn)為降水增加、減少交錯(cuò)分布的特點(diǎn)。9月變化趨勢(shì)與秋季累積降水量相似,10月則主要表現(xiàn)為華西地區(qū)中部增加,南部減少的趨勢(shì)。11月降水量趨勢(shì)系數(shù)空間分布由西往東變線為“增加—減少—增加”的特征。

(4)根據(jù)9、10月降水量定義的秋季降水指數(shù)能夠較好地表征華西地區(qū)秋季降水的基本變化特征,小波分析表明華西地區(qū)秋季降水存在3 a、6 a、9 a和17 a的準(zhǔn)震蕩周期,第一主周期經(jīng)歷了多次“偏少—偏多”交替變化。

(5)華西地區(qū)秋季降水偏多和偏少年大氣環(huán)流表現(xiàn)出反位相變化特征,降水偏多年巴爾喀什湖大槽加深,西太平洋副熱帶高壓增強(qiáng)且西伸北抬,源于西太平洋地區(qū)的水汽在華西地區(qū)輻合上升,有利于降水增加,反之亦然。