贵州省铜仁市雨季开始期演变特征及环流分析

舒国勇，高红梅，严小冬，2

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300;2.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002)

贵州省铜仁市雨季开始期演变特征及环流分析

舒国勇1，高红梅1，严小冬1，2

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300;2.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002)

通过1961—2012年铜仁市各站的逐日降雨量统计出雨季开始期，利用EOF和小波分析方法，得出铜仁市雨季开始期的空间分布特征及时间演变特点：铜仁雨季开始期主要是各地一致偏早(晚)型，其次是西北部与东南部雨季开始期呈反位相变化;雨季开始期偏晚年份为 1975、1976、1986、1988、1995、1996、2005、2007、2011 年，偏早年份为 1961、1977、1989、1990、1993、2002、2008年;1985年之后，雨季开始期2～4 a变化周期显著。同时，利用NCEP/NCAR月平均北半球500 hPa环流资料，分析铜仁雨季开始期偏早年与偏晚年的3—5月之间的环流差异，让政府决策部门和公众对铜仁市雨季开始期时空演变特征有较为清晰的认识，也为更好预测雨季开始期奠定基础。

雨季开始期;EOF;Morlet小波;500 hPa环流

1 引言

铜仁市位于于贵州东北部，在27°08'～29°05'N、107°44'～109°28'E 之间，地处贵州高原自东向西的三级台阶的第一级阶梯上和贵州高原东北边缘向湘西丘陵过渡的斜坡地带，地势一般由西北向东南降低，其中武陵山脉中海拔为2 493 m的梵净山将铜仁市分为东西两个部分。铜仁属于中亚热带季风湿润气候区，季风气候明显，冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，而冬、夏季风的变化更替时间及强弱变化，也是造成铜仁雨季开始期提前或推迟的原因之一。

铜仁市各地雨季开始期最早有出现在3月上旬，最晚也有出现在6月上旬，而铜仁大部分地区一般进入雨季的正常时间在3月下旬—4月上旬之间。近年来有部分学者研究了关于各地的雨季开始期特征变化［1－4］，如陶云［2］等研究云南雨季开始期演变特征，刘瑜［1，3］等人研究云南雨季开始期的异常环流特征，文中描述了云南当地的雨季开始期特征，并对历年来影响雨季开始期的因子做了详细研究。雨季开始期的偏早偏晚对当地农业的耕种及农作物的生长起着至关重要的作用，而雨季开始期的预测对农业发展具有重要的意义。目前还未有对铜仁雨季开始期的特征变化做研究，所以本文主要研究铜仁市雨季开始期的主要空间分布及时间演变周期，并对雨季开始期偏早或偏晚的环流特征做合成对比分析。

2 资料与方法

铜仁市共有10个县(区)，由于万山部分降雨资料大量缺测，故只取铜仁市其它9个代表站，即碧江、松桃、江口、玉屏、沿河、德江、思南、印江和石阡，逐日降雨资料时间段为1961—2012年共52 a。根据文献［5］定义，自3月1日起，某站任意滑动5 d总降水量多于该站多年平均旬降水量，则把这滑动5 d中的最大降水日或日降水量≥20 mm的当日，称为雨季开始期;利用NCEP/NCAR 2.5×2.5°月平均高度场再分析资料，分析铜仁主要偏早年和偏晚年的3、4、5月份环流特征，并分别与历史同期相比，试图揭示主要影响铜仁雨季开始期的大气环流特征。

运用经验正交函数分解(EOF)和Morlet小波，开展相关分析工作。EOF分析技术［6］能够有效提取、定量表达数据中的主要型式与它们的时空演变，以及不同型式之间是如何相互联系的，利用EOF方法有利于揭示铜仁雨季开始期的主要空间分布特征。小波分析［7］是用来分析包含非静态功率的时间序列在不同频率的谱值，近几年来，将小波分析用在大气科学中的文献日益增多［8－11］，本文主要利用小波变换能量守恒的属性，用小波能量谱来进行分析，小波能量谱具有直观地反映振动强度随频率和时间变化的优良性。

3 铜仁市雨季开始期的时间演变和空间分布特征

3.1 铜仁市雨季开始期空间分布

铜仁总面积达到18 023 km2，由于铜仁地区的山地地形较为复杂，所以各个县区的雨季开始期有所差别。首先应用EOF分析方法，对铜仁市9个代表站1961—2012年的雨季开始期的资料进行分析，得出铜仁雨季开始期前5个特征向量方差贡献分别为 44.18%、20.51%、8.77%、7.94% 和 5.52%。North［12］等指出，气象变量场分解后，还需要计算相邻两个特征值之差进行显著性检验，从而判断对该气象变量场的分解是否有意义。设n为样本量，λi是第 i个特征值，如果满足 λi－ λi+1≥ei=，则认为第i个特征值所对应的经验正交函数的分解是有意义的。表1是铜仁雨季开始期的EOF分析结果，根据显著性检验原则，第一和二个模态的方差贡献已达64.71%，并通过显著性检验，说明EOF分解的收敛速度快，可以作为铜仁雨季开始期的主要模态。

图1a是方差贡献为44.18%的第一特征向量空间分布，体现出了铜仁雨季开始期的主要分布类型，全市呈现一致的偏早(晚)，图1b是方差贡献为20.51%的第二特征向量空间分布，从图上可以看出，西部和北部的沿河、松桃、德江、印江和思南，与东部和南部的石阡、江口和碧江呈反相态，也就是西北部雨季开始期偏早(晚)，则东南部雨季开始期偏晚(早)，总体来说，西北部和东南部的雨季开始时间呈反向变化。

表1 铜仁雨季开始期的EOF分析结果

图1 铜仁市9个代表站雨季开始期的EOF第一特征向量(a)及第二特征向量(b)

3.2 铜仁市雨季开始期的时间演变特征

通过以上铜仁雨季EOF分析的第一特征向量空间分布可以得出，铜仁的雨季开始期呈现全市一致的偏早(晚)型，将铜仁雨季开始期进行标准化处理，从图2中可以看出，雨季开始期偏晚年份为：1975、1976、1986、1988、1995、1996、2005、2007、2011年，偏早年份为 1961、1977、1989、1990、1993、2002、2008年，其中最偏晚的是2011年，即5月才出现雨季开始期，最偏早的是1990年，即3月中旬左右出现雨季开始期。

图2 铜仁雨季开始期时间演变曲线

以上分析可以得出雨季开始期存在一个周期变化的特征，通过Morlet小波分析方法，研究雨季开始期的周期性变化特征。图3a是铜仁雨季开始期的标准化后的变化曲线，从图上可以看出，在20世纪90年代之前，雨季开始期的变化周期在12 a左右，变化振幅较小，但在20世纪90年代以后，特别是在2002年以后，雨季开始期的变化振幅较大且频率加快。而通过小波功率谱分布图可以看出(图3b)，雨季开始期主要是存在10 a以下的周期变化，而通过能量谱的变化曲线显示，通过信度检验的周期主要有两个(图3c)，分别是2 a和4 a周期，以下还做了2～4 a周期在此时间序列中占的贡献的变化曲线，图3d显示在1985年之前2～4 a周期所占的贡献率相对较少，变化比较有规律，然而在1985年之后，2～4 a周期所占的贡献率陡然增大，说明在1985年之后雨季开始期主要以2～4 a周期变化为主，对应雨季开始期的年际变化，2000年以后雨季开始期的偏早年与偏晚年变化频率较高。

图3 (a)铜仁雨季开始期标准化序列变化;(b)雨季开始期的小波能量谱周期分析;(c)雨季开始期的小波能量谱的信度检验图;(d)2～4a周期的方差贡献曲线

4 铜仁市雨季偏早年与偏晚年的环流对比分析

通过以上的讨论得出铜仁市雨季开始期的主要偏早年和偏晚年，结合500 hPa高度场，分别对两者之间的500 hPa环流场做合成分析，重点分析铜仁雨季开始期3、4、5月的环流场演变特征。

图4a是铜仁雨季开始期偏早年的3月500 hPa环流距平合成图(偏早年的平均值减去30 a的平均值)，从图上可以看出，极地中心极涡强度偏强，负值中心值达到－80 gpm，极涡中心向欧亚大陆延伸，在中高纬(40～70°N，60°E)有一深厚低槽，有利于极地冷空气向南输送，而乌拉尔山西部和贝加尔湖附近都呈现正值中心，中心值都为40 gpm，中高纬呈现“+－+”型，低纬地区没有明显的特征变化。相比之下，3月雨季开始期偏晚年的(图4b)极地高度场与历史同期相比偏高，即极地低涡强度相对偏弱，中高纬度整体是负值区覆盖，这表明极地冷空气强度偏弱，不利于向南入侵，对中纬度偏南地区影响也减弱，3月中国中高纬度上呈弱的负距平，即高度场与同期相比偏低，说明受西风槽的影响，但西风槽位置偏北，对中纬度以南的铜仁的降水产生不利影响。

图4c是铜仁雨季开始期偏早年的4月500 hPa距平合成图，极地低涡强度相比3月有所减弱，但是极涡的负值中心达到－60 gpm，乌拉尔山与贝加尔湖的正值中心都有所减弱，北太平洋上的高度场增强，然而在中纬(20～40°N，60°E)区域有一个较大的负距平中心，值为－40 gpm。4月份偏晚年(图4d)的500 hPa距平合成图显示，在极地低涡强度仍然偏弱，乌拉尔山和贝加尔湖上的高度场异常偏高，中心达到50～60 gpm。4月500 hPa环流距平场上偏早和偏晚年在中高纬上的高压几乎要相互连接，都是阻断极地冷空气向南入侵，但是偏晚年的中高纬高度场异常偏高，这样对中低纬地区的水汽输送会有不利的影响。

图4e是铜仁雨季开始期偏早年的5月500 hPa距平合成图，极地低涡仍然存在，虽然覆盖面积减少，但中心值为－60 gpm，欧亚大陆上高压系统减弱，同时中低纬的高度场减弱，而在中国大陆西部有负值中心－20 gpm，表明在中国西部5月多低值系统发生，如高原低压槽东移，常影响中国西南、华中及华东等地区的降水。5月偏晚年(图4f)在贝加尔湖北部有高度场距平正值中心70 gpm，横跨亚洲北部地区以至欧洲东部地区，中国大陆高度场都为正值区。

综合以上分析，在铜仁雨季开始期偏早年极地低涡都是比较强盛，冷空气较活跃，不断南下输送，虽然4－5月极地冷空气活动略有减弱，但是在欧亚大陆的中低纬高度场开始有所下降，表明有利于低值系统的生成，如高原上短波槽的出现、南支槽的建立等，给铜仁地区的降水提供有利条件。而雨季偏晚年在极地地区，低涡强度都偏弱，大部分呈现正值区，由于中高纬纬度的高度场相对较强，阻断极地冷空气的向南输送，不利于中低纬地区产生降水。

图4 铜仁雨季开始期3～5月500 hPa高度距平合成图(单位：10 gpm)

5 结论与讨论

通过铜仁市辖区内9个站点历年日降水资料，统计出雨季开始期，结合EOF正交分解法、Morlet小波和合成等方法，对雨季开始期空间分布、时间变化和雨季开始期偏早年以及偏晚年对应环流开展大量分析，初步得出以下结果：

①铜仁市雨季开始期主要有2个分布型，即呈现一致性偏早(晚)型，其方差贡献为44.18%，另一型是西北部雨季开始期偏早(晚)，则东南部雨季开始期偏晚(早)。

②通过铜仁雨季开始期的序列平均值和标准差，判断出雨季开始期的偏早年和偏晚年，铜仁雨季开始期主要存在10 a以下的周期变化，而通过信度检验的周期主要是2 a和4 a周期，从1985年至今，2～4 a周期所占的贡献率较大，在此周期变化中，雨季开始期偏早和偏晚的变化频率较高。

③雨季开始期偏早和偏晚年合成图中，3月份的北半球500 hPa环流场上，极涡的强度与雨季的变化有密切的关系，低涡强度越强，冷空气越活跃，不断南下输送，给低纬度地区的降水提供有利条件;同时，4、5月中低纬低值系统发展，有利于低压槽、南支槽等低值系统的生成，相对偏晚年，极地低涡都呈现偏弱，中高纬高压系统偏强，阻碍冷空气的南下。

总的来说，本文不仅对铜仁雨季开始期时间演变趋势和空间分布变化进行了仔细分析，而且还对影响其雨季开始期迟早的对应环流展开了一定分析，获得了一些有意义的结果。但是，因其影响雨季开始期的因素太多，受资料及其分析手段限制，很多潜在影响因素还在不断探索中。

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Beginning Period Evolution Characteristcs of Rainy Season and the Circulation Analysis in Tongren City of Guizhou

Shu Guo － yong1，Gao Hong － mei1，Yan Xiao － dong1，2

(1.Tongren Meteorological Service of Guizhou Province，Tongren 554300;2.Climate Center of Guizhou Province，Guiyang 550002)

The spatial distribution and the temporal evolution characteristics of the beginning of the Tongren rainy season are analysed through using EOF and wavelet analysis method based on the daily stations rainfall statistics during 1961 to 2012.There are the following results：the beginning of Tongren rainy season is the unity of late(early)type，following by the anti－phase change of the northwest and southeast.The late years of the beginning rainy season including ：1975、1976、1986、1988、1995、1996、2005、2007、2011，the early years is 1961、1977、1989、1990、1993、2002、2008.The beginning of Tongren rainy season has a noteworthy 2 － 4 year cycle.At the same time，Using the NCEP/NCAR monthly mean 500hPa circulation data in Northern Hemisphere，the circulation differences from March to May of the beginning of the rainy season period are demonstrated，which is the foundation for the government decision－making and a better understanding of the beginning rainy season to the people.

beginning rainy season;EOF;Morlet wavelet;500hPa circulation

P466

A

1003－6598(2012)05－0009－05

2012－06－19

舒国勇(1963—)，男，工程师，主要从事天气气候分析研究和气象服务管理工作。