川渝地区夏季降水变化气候特征分析

毛文书, 曾 戢, 孙 云, 张艳艳, 杨冬冬

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;2.中国人民解放军96211部队84分队,云南建水654300;3.石家庄市气象局,河北石家庄050081;4.兰州资源环境职业技术学院,甘肃兰州730021)

1 引言

Jones[1]和Hulme[2]等对全球的降水变化研究表明：20世纪以来全球地表降水增加了大约1%,在30°N-85°N的年降水量增长了7%-12%,在5°S-50°S的年降水量增长了2%-3%,北半球中高纬度秋、冬季降水量也有所增长。关于我国夏季降水量的变化特征已有很多研究[3-6],但主要集中于东部地区,而降水量的变化具有明显的区域特征,近年来关于川渝地区夏季降水量变化特征的分析研究也有一些：如鲍媛媛[7]、彭加毅等[8]通过Z指数的变化,采用相关分析和合成分析方法研究了川渝地区夏季旱涝与海温的关系。陈效孟[9]用区域标准化候降水量的RPC时间系数作多元最优分割,揭示出四川盆地夏半年(4-9月)降水分布存在季节性突变：春到初夏,降水由东多西少突变为南多北少;初夏到盛夏,降水突变为西多东少;盛夏到初秋,降水突变为东北多、中南少,多雨区绕盆地中部呈顺时针方向转移。刘德[10]采用车贝雪夫正交多项式分解方法[11]展开重庆地区夏季降水场,结果表明：最近40年来重庆各地夏季降水量变化趋势一致,可以分为两段：80年代中期以前有增加的趋势,而80年代后期至今则有减少的趋势。刘海隆等[12]利用重庆三峡库区16站逐月降水量资料,从降水倾向率、周期性、阶段性3个方面探讨了近40年来重庆三峡库区降水量的变化特征,结果表明重庆三峡库区降水量西段有增加的趋势,而东段则有减少的趋势。周长艳[13]、陈文秀[14]、刘晓冉等[15]研究表明川渝盆地的降水量和水资源总体呈减少趋势,整个西南地区东南部的降水量整体均呈下降趋势。川渝地区地处中国西南内陆,东接两湖平原,南连云贵高原,西邻青藏高原,北衔甘、陕山地,川渝地区西部以高原山地为主,川西北部属长冬无夏的高原气候,川西南属冬干夏湿的西南季风气候,川渝东部则是较为平坦的盆地和丘陵,属湿润温暖的东南季风气候,因此,川渝地区是中国气候带最多的地区之一。同时,川渝地区又是我国夏季旱涝灾害发生频率较高的地区之一,如2006年夏季,川渝地区出现了百年一遇的特大干旱,给川渝地区人民的生命财产安全带来了严重损失。因此,进一步加强对川渝地区夏季降水量变化规律的研究,对于提高川渝地区夏季降水变化的短期气候预测水平,具有现实意义。

2 资料和方法

(1)国家气候中心整编的川渝地区34站1960-2006年共计47年的逐月降水量资料,为了消除地理位置、地形等的影响,对每个站、每年的逐月降水量资料均采用1971-2000年30年气候平均值和标准差进行距平标准化处理。

(2)主要方法有：Morlet小波分析[16],谐波分析[17],经验正交函数(EOF)[18]分解;旋转经验正交函数(REOF)[19]分解。

3 川渝地区夏季降水量的空间分布

3.1 代表站的选取

利用川渝地区34站1960-2006年共47年逐月降水量资料,在消除台站迁移,经过均一性检查和严格质量控制的基础之上,按照所研究区域内站点尽量多,时段尽量长的原则,挑选出川渝地区34站47年的逐月降水量资料进行分析,其站点的空间分布如图1所示。

由图1可见,所选内域内站点分布均匀,它包括了川渝地区的大部分地区,即川西高原大部、四川盆地以及重庆市大部,它们分别是：若尔盖、德格、甘孜 、道孚、马尔康、小金 、松潘 、都江堰、绵阳 、新龙、雅安 、康定 、峨眉山 、乐山 、木里 、九龙 、越西 、昭觉 、雷波 、宜宾 、盐源 、西昌 、会理 、万源 、阆中 、巴中 、遂宁 、南充 、叙永 、成都、奉节、梁平、沙坪坝、酉阳共计34站。

图1 川渝地区34站的空间分布

3.2 川渝夏季降水量的客观分区

为了解川渝地区夏季降水量的空间分布特征,对川渝地区34站1960-2006年共47年夏季降水量标准化距平进行EOF分解,得到方差贡献率较大的前3个模态的空间分布,如图2所示。

由图2可知,川渝地区夏季降水量标准化距平 EOF分解前3个模态的累积方差贡献率为53.5%,利用North[20]等的经验方法对其取样误差进行评估,EOF结果特征值收敛比较快,表明满足能量按自由度均分,是稳定可分的,因此具有实际的物理意义,它表示了川渝地区夏季降水量的几种主要的大范围空间分布型态。第1模态(图2a)占总方差的27.8%,表明降水量的空间分布型为全区一致型,其振幅高值中心位于川渝地区南部的雅安附近,是川渝地区夏季降水量的主要空间分布型态。第2模态(图2b)占总方差的13.9%,表明川渝地区夏季降水量川西高原区、盆地东、西部区域的反位相变化,反映了川渝地区夏季降水量川西高原、盆地东、西部之间的空间局地差异。第3模态(图2c)占总方差的11.8%,表明川渝地区夏季降水量大致以29°N为界呈南多(少)北少(多)的反相位变化,反映了川渝地区夏季降水量南、北部之间的空间局地差异。以上分析表明：川渝地区夏季降水量空间分布不均,第1模态为全区一致型,但第2、3模态显示川渝地区夏季降水量变化表现出显著不同的空间区域差异特征,因此,为了更加细致地研究川渝地区夏季降水量的不同区域变化特征,再对川渝地区夏季降水量标准化距平进行REOF分解,以揭示川渝地区夏季降水量的区域变化特征,其客观分区结果如图3所示。

从图3可知REOF分区结果：川渝地区夏季降水量可以分为3个区,分别是川西高原区、盆地中部区和盆地东部区。其中：川西高原地区,为冬干夏湿的西南季风气候区,存在众多高山峡谷,在亚热带的基带上,依次出现暖温带、温带、寒温带、永冻带等山地气候类型,某些区域受喜马拉雅山脉大的地形及山脉背风坡的局部地形影响,常常形成少雨区。盆地中部区属西南季风气候区,平原、盆地、河谷、丘陵共存,其地形较为复杂,在这里形成较多的降水。盆地东部地区,属湿润温暖的东南季风气候区,受亚热带季风影响,地形是较为平坦的盆地和丘陵,属于多雨区。以上分析表明,REOF分解所得主要模态空间分布结构清晰,且相邻区域几乎没有重叠,能够较好地反映川渝地区夏季降水的实际区域变化特征,分区较为客观,有利于进一步揭示川渝地区夏季降水量的区域变化差异。

4 川渝地区夏季降水量的时间演变

上面分析了川渝地区夏季降水量的空间分布,是把降水量在时间上作为一个点来考虑分析的,下面把川渝各区夏季降水量分别做区域平均,将其在空间上作为一个点,来进一步分析川渝各区降水量的时间演变特征。使用谐波方法对各区降水量时间序列进行年际和年代际尺度分离,利用线性倾向估计方法计算降水量的长期演变趋势。图4给出川渝各区夏季降水量的时间演变曲线,其中柱线为年际尺度分量,光滑曲线为年代际尺度分量,实线为线性趋势线,虚线为正负0.6倍标准差选择线。

4.1 川渝夏季降水量的年际、年代际变化

由图4中的线性趋势线(实线)可以清楚地看出47年来川渝各区夏季降水量存在显著不同的长期趋势变化特征。其中川西高原区和盆地东部区夏季降水量长期趋势变化呈增多的趋势,而盆地中部区夏季降水量长期趋势变化呈减少的趋势。

由图4中年际分量(柱线)变化可知：川渝各区夏季降水量年际变化差异显著,若以0.6倍标准差作为降水异常的标准,47年来川西高原区降水异常偏多的年份(下简称多雨年)有5年,分别是1960年 、1968 年 、1974 年 、1993年和 1998 年;降水异常偏少的年份(下简称少雨年)有5年,分别是1967年、1972年、1994年、1997年和2006年。盆地中部区多雨年有6年,分别是 1961年、1966年 、1981年、1984年、1990年和1995年;少雨年有 5年,分别是1963年、1965年、1969年、1982年和 2006年。盆地东部区多雨年有 6年,分别是 1965年、1974年、1989年、1993年、1998年和2005年;少雨年有 5年,分别是1990年、1994年、1997年 、2001年和 2006年。由图4中年代际分量(光滑曲线)可知川渝地区夏季降水量具有显著不同的年代际变化特征。川西高原地区的夏季降水量年代际变化(图4a)表明：1960年前期降水量偏少,1960年中期-1960年未期降水量偏多,1970年初期-1980年初期降水量偏少,1980年中期-21世纪初期降水量显著偏多。盆地中部夏季降水量年代际变化(图4b)表明：1960年前期降水量偏多,1960年中期-1980年初期降水量显著偏少,1980年中期-1990年初期降水量偏多,1990年中期至今降水量显著偏少。盆地东部夏季降水量年代际变化(图4c)表明1960年代初期-1970年未期降水量偏少,1980年初期-21世纪初期降水量显著偏多。

图2 川渝地区夏季降水量标准化距平EOF分解前3个模态的空间分布

4.2 川渝各区夏季降水量的周期变化

为更进一步细致地研究川渝地区夏季降水量的周期变化特征,采用Morlet小波对川渝各区夏季降水量进行小波分析,图5分别给出川渝各区夏季降水量小波分析的频域分布及川渝各区夏季降水量的能量分布,这种能量主要是由于冷暖空气相遇,气流上升冷却,在成云致雨的过程中凝结潜热的释放所造成的。

根据Morlet小波分析的原理可知：只有川渝各区夏季降水量小波分析的频域分布与相应的能量分布相结合才能准确地分析出川渝各区夏季降水量的主周期变化,降水能量谱值变化最显著的时段对应着主周期变化最显著的时段。由图5可知：川渝各区夏季降水量呈显著不同的多尺度周期变化特征。由川西高原区夏季降水量小波分析频域及能量分布图5(a-b)可知：川西高原区47年来夏季降水量变化均存在准15年和准5年的显著周期变化特征。由盆地中部区夏季降水量小波分析频域及能量分布图5(c-d)可知：盆地中部区夏季降水量在1960年-1980年中期存在 14年的显著周期变化特征,另外在1960年-1970年中期存在准6年的次周期变化特征,在1970年中期至1990年初期存在准3年的次周期变化特征。由盆地东部区夏季降水量小波分析频域及能量分布图5(e-f)可知：盆地东部区夏季降水量近47年均存在16年和8年的显著主周期变化特征,另外1960年初期-1980年前期还存在准3年的次周期变化特征。以上分析表明：川渝各区夏季降水量均存在显著不同的多尺度周期变化特征,长周期中又包含短周期变化,这说明川渝各区夏季降水量的变化是由不同时间尺度周期振荡叠加共同作用的结果。

图3 川渝地区夏季降水量标准化距平的REOF分解

图4 川渝各区夏季降水量年际、年代际变化及长期趋势变化曲线

5 川渝各区的雨季变化特征

以某年某月降水量与该月多年平均降水量之差表示雨季的强弱,图6给出川渝各区夏季降水量的雨季变化图像。

由图6可知,川渝各区的雨季变化具有显著不同的变化特征,其中川西高原区雨季主要集中在7-9月,1990年以前,川西高原雨季主要集中在8-9月,而1990年以后,川西高原雨季提前,主要集中在7-8月。盆地中部区雨季在1990年以前主要集中在6-9月,1990年以后,雨季推迟,雨期缩短,主要集中在7-9月;盆地东部区雨季在1990年以前主要集中在5-9月,1990年以后,雨季有提前的趋势,并分为两段雨季,雨季时间长度有所缩短。以上分析表明：川西高原区雨季变化最短,但雨季变化有提前的趋势,盆地中部区雨季最长,盆地中部雨季有推迟的趋势,而盆地东部区雨季变化则有提前的趋势。

图5 川渝各区夏季降水量小波分析的频域和能量分布

6 结论

(1)EOF结果表明：川渝地区夏季降水主要有全区域一致型、川西高原区、盆地东、西部区域之间的反位相变化分布型以及以29°N为界的南、北反相位变化分布型,其中全区一致型是川渝夏季降水量的最主要空间分布型态。

(2)川渝地区夏季降水的空间分布不均,REOF分解结果表明川渝地区夏季降水量变化可以分为川西高原区、盆地中部区和盆地东部区3个不同变化的区域。

(3)川渝各区夏季降水量时间分布不均,各区降水量均具有显著不同的年际—年代际变化和多尺度周期变化特征。从较长时间尺度来看,川西高原和盆地东部夏季降水量变化呈增长趋势,而盆地中部夏季降水量呈减少的长期变化趋势。川西高原夏季降水量有准15年、准5年的多尺度周期变化;盆地中部夏季降水量有准14年、准6年和准3年的多尺度周期变化;盆地东部地区夏季降水量有准16年、准8年、准3年的多尺度周期变化。

(4)川渝各区具有显著不同的雨季变化特征,其中川西高原雨季主要集中在7-9月,1990年以前,川西高原雨季集中在8-9月,而1990年以后,川西高原雨季提前,主要集中在7-8月。盆地中部雨季1990年以前主要集中在6-9月,1990年以后,雨季推迟,雨期缩短,主要集中在7-9月;盆地东部雨季1990年以前,主要集中在5-9月,1990年以后,雨季有提前的趋势,并分为两段雨季,雨季时间长度有所缩短。

图6 川渝各区夏季降水量的雨季变化(图中阴影区表示距平大于20%的区域

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