中国东部降水的气候模态及雨季划分

于群，吴炜，周发琇，王启

(1．山东省气象台，山东 济南 250031;2．中国海洋大学海洋—大气相互作用与气候实验室，山东 青岛2 66100)

中国东部降水的气候模态及雨季划分

于群1，吴炜1，周发琇2，王启2

(1．山东省气象台，山东 济南 250031;2．中国海洋大学海洋—大气相互作用与气候实验室，山东 青岛2 66100)

应用中国东部地面观测气候平均候降水量数据和谐波分析方法，研究了华南、长江中下游、淮河流域、华北四个区域降水的年变化特征，特别是夏季风降水的阶段性和区域特征，并对构成降水年变化的气候分量进行分析，将各区降水年变化分解为年循环模态、季节模态、季节内振荡和月内振荡四个气候模态。结果表明:不同模态间的相互调制对降水的阶段性和区域性具有重要影响，年循环是影响雨季的主要模态，季节和季节内振荡模态对决定主汛期起重要作用。基于气候模态划分中国东部雨季和主汛期，方法简单，结果客观合理。

中国东部;降水气候模态;区域特征;雨季划分

1 数据和方法

采用中国国家气候中心1971—2000年全国722个地面测站候平均降水量资料。候数据比旬、月数据更细致，适于季节、季节内现象的研究。我国传统的候计时法，是将候与月、旬匹配，故一年为72候。各候实际天数不等同，因此本研究对原始序列做了日均处理，对各候做实际天数的平均，构成72个日均值的候序列。

应用谐波分析方法，它是研究不同尺度气候问题的常用工具(胡基福，1996)。运用这一简单方法将降水分为年循环模态(1波，365 d)、季节模态(2—4波，90—180 d)、季节内振荡模态(即 CISO，5—12波，30—72 d)、月内振荡模态(13—36波，10—30 d)(Yu et al.，2012)。从华南至华北分为4个区域:华南地区(110 ～122°E，20 ～28°N);长江中下游地区(110～122°E，28 ～32°N);淮河流域(110～122°E，32 ～35°N);华北地区(115 ～125°E，35 ～42°N)(王遵娅和丁一汇，2008)，上述划分较好地反映了中国东部(因资料原因，不含台湾)降水的典型区域特性。对各区降水量做平均处理，以消除区内气候差异的影响，突出区域气候的共性，以有效比较各区的气候特征。

2 我国东部降水的时空演变

2.1 经向变化

将东部各区日降水量做纬向平均，其经向—时间剖面(图1)刻画了区域差异，清晰显示出冬、夏季风对东部降水的影响。在冬季风的鼎盛期，从第65候到翌年第2候，一年之中降水最少。华北在夏季风控制下形成的雨季仅有4个月左右，之后降水迅速减少，冬季风开始活跃并控制华北达6～7个月(孙继松等，1999)，从第52候到翌年第30候，华北处于少雨期;随着冬季风向南推进，淮河流域从第57候起进入少雨期，持续到翌年第20候，短于华北;长江中下游地区冬季降雨明显比华北偏多，且长江中下游地区南北部差异较大。3月底4月初华南降水量增多，这一阶段是东亚副热带夏季风季节循环的起始和孕育阶段，东亚大气环流已经开始由冬季型向夏季型转变(何金海等，2010)。6月中旬东亚夏季风突然从华南向北推进到长江流域，梅雨季开始(丁一汇等，2007)。

图1 中国东部各区日降水量的纬度—时间剖面(单位:mm/d)Fig.1 Latitude-time cross-section of daily mean precipitation in eastern China(units:mm/d)

表1 中国东部各区逐月降水量占年降水量的百分比Table 1 Percentage of monthly precipitation in annual one in each subarea of eastern China %

一般认为4—6月为华南前汛期，7—9月受赤道辐合带和台风的影响，形成华南后汛期，降水主要集中在24°N以南，降水量弱于前汛期。中国东部雨带自南向北移动，华南前汛期后期，随着夏季风北上，长江流域进入主汛期，即梅雨期，随后淮河流域进入主汛期，比华北提前1～2候。第40—44候，华北北部进入一年中的多雨期，第45候雨带又南撤至36～38°N，华北多雨期结束。在冬季风爆发的前期和后期，华南和长江中下游都有一段相对多雨期，而同期华北降水较少;夏季风爆发后，雨带自华南向北推进，长江流域降水集中在梅雨期，之后还有一个雨量较为集中的时段，但淮河流域和华北却只有一个峰值。这反映出季风气候在不同区域具有明显差异。华南、长江中下游、淮河流域、华北日降水量依次递减，分别为 4.5、3.9、2.2、1.7 mm/d。

2.2 年变化的区域性

华南、长江中下游、淮河流域、华北平均降水量的年变化(表1)，与冬、夏季风的演变密切相关，冬季风降水偏少，夏季风降水多而集中。在冬、夏季风的不同阶段，不同区域的降水量表现不同，尤其是主汛期具有跳跃式推进的气候特征。夏季对年降水量的贡献，淮河流域和华北远大于华南。夏季风爆发后，自南向北各区降水量比例最大的月份依次是6月(15.7%)、6 月(16.8%)、7 月(20.7%)、7 月(27.6%)，所占比例依次增大。7、8月为淮河流域和华北降水较多月份，分别占年降水量的36.3%和51.3%;6月两地所占比例持平;其他各月，淮河流域大于华北。各区降水集中的半年时段，华南、长江中下游为3—8月，淮河和华北为5—10月。6个月降水量占年降水量比例依次是72.8%、70.0%、77.1%、87.3%。由此可见，北方降水受季风的影响更显著，雨季和干季的差异更突出。

由日降水量的年变化(图2)可以看到，华南、长江中下游分别在第34、35候达到年最大值。华南降水量呈双峰型，第25—35候日降水量持续维持在7.5 mm/d以上，最大值为10.1 mm/d;第41—50候基本维持在5.2 mm/d以上，第45候达7.6 mm/d。长江中下游年降水量呈准双峰型，最大值达10.0 mm/d，第43—48候(8月)的峰值较弱。淮河流域年降水量比华北多，第40—46候却不及华北(最大值时段)，年内其他时段基本都多于华北。

图2 中国东部各区候平均的日降水量的年变化Fig.2 Annual variations of pentad mean of daily precipitation in each subarea of eastern China

3 东部降水的气候模态

我国东部降水年变化的基本形势(图1、2)为冬少夏多，大值出现在夏半年。观察发现，在年变化的背景下，降水的年变化是由不同的气候分量构成的，本节将把各区降水量的年变化用谐波分析方法分解为不同的气候分量，即气候模态，并分析各模态的基本特征及其对降水的贡献。

3.1 四个模态的方差贡献

谐波分析的复谱从1波往高波数的分布呈负指数递减，这种负指数分布与降水强度和时间、暴雨面深关系等若干降水统计分布呈负指数分布(张学文和马力，1992)一致。东部各区降水4个模态对降水量的相对方差贡献仍然接近负指数分布(表2)，其共同点是第1模态的贡献占绝对优势，其他模态的贡献依次迅速递减，同时存在区域差异。第1模态即年循环，其相对方差贡献自南向北依次减小，华南最大(88.7%)，华北最小(70.8%)，与日降水量的南北差异一致，年循环正是降水量年变化的基本趋势，是其他模态演变的背景。季节模态与年循环不同，相对方差贡献从南向北依次增大，华南和长江中下游的量级接近，淮河流域和华北地区相对于南方增加一个量级，华北最大(26.0%)，约是淮河流域的2.5倍，表明夏季风降水在北方尤为重要，对年降水量的贡献远大于南方。华北的季节内振荡贡献最小(只有0.8%)，而长江中下游地区最大(9.2%)，是华南地区的两倍多，这可能是长江中下游主汛期降水多变的重要原因;王遵娅和丁一汇(2008)、黄菲等(2008)也指出长江中下游季节内振荡信号最强。淮河流域的月内振荡贡献最大(6.1%)，约是华北地区的3倍，华南地区和长江中下游接近，居中。长江中下游地区CISO贡献约是月内振荡的2倍;淮河流域和华北地区都是月内振荡贡献大于CISO;华南地区的二者贡献相似(约4%)。相对于气候模态，由原始降水量(图1、2)得到的信息是有限的，前两个模态的相对方差贡献都十分显著，由原始值与前两个模态合成之差可以得到低频振荡信号，各区雨季的低频振荡信号都更强，振幅较大，对雨季和主汛期起讫起着重要作用。

表2 中国东部各区各模态的相对方差贡献Table 2 Relative variance contribution of different climatic modes in each subarea of eastern China %

3.2 四个模态对降水年变化的影响

3.2.1 年循环模态和季节模态

季风气候的一个典型特征是冬干夏湿的年变化，年循环模态与地—气热力系统的年循环有关，是行星风带年内南北移动的结果，反映了降水年变化的气候背景。文中图示各模态曲线变化是相对于基波的振幅(图3、4)。华南至华北年循环模态的峰值变化(图3a)正是夏季风雨带自南向北推进的结果，位相依次延后，但华南与长江中下游位相相近，淮河与华北基本相同，峰值从南到北分别位于第32、33、40、41候，长江中下游比华南推迟1候，淮河流域与华北也只差1候。华南的正值区间为第15—50候，长江中下游为第16—51候，淮河为第22—57候，华北为第23—58候，与各区降水偏多时段一致(第2.2节)。从年循环来看，就降水气候特征而言，长江中下游以南与以北地区有明显差异，具有各自的阶段特性。

图3 中国东部各区日降水量年循环模态(a)和季节模态(b)Fig.3 (a)Annual cycle mode and(b)seasonal mode of daily precipitation in each subarea of eastern China

季节模态见图3b，它是冬、夏季风在年内此消彼长，处于各自盛期或处于二者过渡期，因环流等条件差异导致的不同降水阶段。季节模态很好地反映了各区雨季降水的集中阶段，其中:华南具有显著的双峰型，峰值在第28候(前汛期)和第50候(后汛期)，前一个峰值时间与夏季风在南海地区的突然爆发一致;长江中下游为准双峰型，第二峰值较弱，主峰值第35候正好位于梅雨典型时段6月17日—7月8日(丁一汇等，2007);淮河流域和华北为单峰型，峰值依次在第40候和第42候，第40候位于淮河流域梅雨期，第42候正是华北“七下八上”的降雨集中期。

3.2.2 季节内振荡和月内振荡模态

气候意义下，降水的季节内振荡和月内振荡模态可以认为具有振荡位相锁定特征，各区CISO和月内振荡(图4)基本上都是夏半年比冬半年振荡明显，尤其华北夏季月内振荡振幅显著。相邻区域模态在不同时段存在着关联，第31—45候(6—8月中旬)华南、长江中下游、淮河流域CISO步调相似，但位相依次滞后;而华北与淮河流域在第31—39候(6—7月中旬)、第43—49候(8—9月初)CISO基本一致。华南CISO最大峰值出现在第33候，与降水最大值接近，它与出现在第28候的季节模态峰值共同造就了华南4—6月的前汛期;另外，第45候的峰值与季节模态在第50候的峰值都对华南7—9月的后汛期有重要贡献。长江中下游CISO最大峰值出现在第35候，与季节模态的峰值重叠，强化了梅雨主汛期。淮河流域CISO在第38候的峰值加强了主汛期。华北CISO振幅虽然较小，但它第43候的峰值对华北主汛期也有贡献。可见CISO和季节模态对主汛期的形成起重要作用。就月内振荡(图4b)而言，华南地区和长江中下游除12月、1月外，其他月份的振幅都较大，淮河流域和华北地区在第25—60候(5—10月)振幅较大，其中淮河流域在第31—36候(6月)最强，华北地区在第42—50候振幅较大。

4 基于气候模态的雨季和主汛期划分

雨季是指一年中降水较多的时段，一般来说其降水量占年总量的70%左右，而主汛期的降水尤为集中。通常通过判断降水量的变化来确定雨季的起讫时间。张家诚(1991)以旬降水量大于年降水量4%作为雨季开始。丁菊丽等(2009)选用华南74个代表站，分析认为4月第1候—6月第6候是平均意义上的华南前汛期。强学民和杨修群(2008)取22～25°N华南32个站，将华南前汛期定义为第19—34候。刘海文和丁一汇(2008)用半客观方法确定出华北汛期的起讫日期为6月30日—8月18日。通过采用谐波分析构建气候序列，Wang(1994)研究了热带降水的气候区划;Wang and Lin(2002)探讨了亚太季风区各区雨季的差异与联系。气候模态的叠加能有效反映降水年变化的基本特征，尤其是雨季和主汛期(图5)，根据气候模态的合成来确定雨季、主汛期起讫具有明确的物理意义。各模态相互调制，共同决定雨季、主汛期的形成，而仅利用原始降水量是难以实现的。

4.1 雨季划分

图4 中国东部各区日降水量季节内振荡模态(a)和月内振荡模态(b)Fig.4 (a)Intra-seasonal and(b)intra-monthly oscillation modes of daily precipitation in each subarea of eastern China

雨季的划分因地而异，各地并无统一的划分标准。本文根据各气候模态对降水年变程的贡献，确立了一个简单有效、且普遍适用的方法来划分东部雨季，即以年循环、季节和CISO三模态叠加后大于等于日降水量的出现候作为雨季开始候，而以小于均值的前一候作为雨季结束候。图5a中非负值区间正是前三个模态大于等于基波值时段，也就是雨季持续区间。各区前三个模态对降水量的方差贡献都超过94%(表2)，而月内振荡贡献相对较小，且频率较高、变化较快，因而以此确定雨季是合理的。雨季划分结果见表3，各区雨季降水量约占全年的70%，可见这种划分方法符合气候规律，其中华南雨季在第17—50候，持续34候，仅比年循环正值区短2候;长江中下游在第15—50候，持续36候，与年循环正值区间基本接近;淮河流域在第24—53候，持续30候;华北在第30—51候，持续21候，基本以年循环峰值为对称，位于正值区中部，可见年循环是影响雨季的主要模态。自南向北，长江中下游雨季最长，华北最短，短于前者15候;华南、长江中下游、淮河流域、华北雨季降水量占年总量的比例分别为71.8%、71.3%、70.3%和 72.8%，以此确定的雨季，华南、长江中下游、淮河流域、华北日降水量分别大于5.0、4.0、2.0和1.6 mm/d，自南向北日降水量递减。

图5 中国东部各区日降水量前3个模态(a)和第2、3模态(b)合成曲线Fig.5 Composite curves of(a)the first three modes，and(b)the second and third modes of daily precipitation in each subarea of eastern China

表3 中国东部各区雨季、主汛期的划分结果Table 3 Division of rainy season and flood season in each subarea of eastern China

4.2 主汛期划分

主汛期是雨季中降水最为集中的时段，期间CISO极为活跃，对季节模态调制也最为显著。CISO和季节模态合成(图5b)的主要正值区间与各地主汛期(表3)相吻合。华南雨季出现了三个正值时段，其中第25—35候持续时间最长、振幅最大，可以确定为当地主汛期，这与丁菊丽等(2009)、强学民和杨修群(2008)关于华南降水最集中时段的研究结果是统一的。长江中下游雨季有两个正值区间(图5b)，其中第32—38候非常显著，它与丁一汇等(2007)确定的气候平均梅雨期6月17日—7月8日非常一致。淮河流域和华北雨季的正值时段位于第35—45候和第36—48候。由此确定的华北主汛期，与刘海文和丁一汇(2008)得出的华北汛期始于6月30日止于8月18日的结果基本一致。日降水量分析表明，华南≥7.5 mm/d，长江中下游≥6.0 mm/d，淮河流域和华北≥4.0 mm/d，说明由CISO和季节模态共同确定的主汛期，符合降水实际情况。季节模态决定了主汛期的态势，而CISO则确定了主汛期的起止，主汛期降水量自南向北依次为470.0、274.9、293.1、350.8 mm。华南和长江中下游地区不止一个汛期，而淮河流域和华北地区有且只有一个汛期。本文确定的长江中下游地区主汛期与气候意义的梅雨期一致，它与淮河流域和华北主汛期相比，持续时间较短，降水量也不及后两者;然而它只是长江中下游的汛期之一，属于该区的最强降水时段。除了7—8月中旬外，长江中下游地区降水基本都多于淮河流域和华北，尤其上半年差值显著。

5 结论

1)中国东部季风区降水年变化反映了季风气候的共性和区域间差异，随着冬、夏季风此消彼长，雨带呈季节性南北移动，在夏季风期间尤为突出。主汛期自南向北推迟，从华南到长江中下游是渐变的，而长江中下游到淮河流域和华北具有突变性，淮河流域、华北之间具有渐变性，北方受季风影响干湿季更明显。对中国东部适当分区可有效体现降水的阶段性与区域性。

2)采用简单的谐波分析方法，从降水量年变化中有效分离出年循环、季节、季节内、月内振荡四个气候模态，其中年循环模态反映了年变化的基本趋势;季节模态体现了季风进退对降水的影响，并显示出华南、长江中下游雨季双峰型和淮河流域、华北雨季单峰型特征;长江中下游季节内振荡最强，淮河流域月内振荡最强，相邻区域在不同模态的不同时段存在着关联。四个模态的划分反映了降水的统计分布规律，对于理解降水的阶段性以及区域气候形成的机理具有重要意义。

3)定义年循环和季节、CISO三个模态大于等于基波时段为雨季，各区雨季降水量都占全年70%左右，日降水量分别超过 5.0、4.0、2.0、1.6 mm·d-1。由季节、CISO模态确定的主汛期，分别位于华南前汛期的后期，长江中下游的梅雨期，而淮河流域和华北的主汛期，处于长江中下游地区主次汛期之间，期间日降水量自南向北依次达到7.5、6.0、4.0、4.0 mm·d-1。以前三个模态定义雨季，以第二、三模态确定主汛期，是客观合理的划分方法，以此决定的雨季和主汛期，符合降水规律，呈现出中国东部雨季和主汛期的时空变化特征。

区域划分大小要适中，过大会掩盖区内的重要气候差异，过小则不宜反映区内的气候共性。本文对华南的划分较大，但反映了区域共性，华南的降水气候特征是很复杂的(王遵娅和丁一汇，2008)。另外李丽平等(2012)指出，总降水量的时间变化对强降水量、强降水概率、暴雨概率有很好的指示意义;本文通过分析平均降水量(即总降水量)，大致可以推断出强降水量、强降水概率、暴雨概率的分布。降水是气候预测中的难题，更多、更好的方案仍在探索之中。气候模态的分析提供了一个探索预测方法的新思路，探讨其年代际、年际变化可为降水预测提供参考依据。

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(责任编辑:倪东鸿)

Climate modes of precipitation in eastern China and division of rainy season

YU Qun1，WU Wei1，ZHOU Fa-xiu2，WANG Qi2
(1.Shandong Meteorological Observatory，Ji'nan 250031，China;2.Laboratory of Ocean-Atmosphere Interaction and Climate(OAC)，Ocean University of China，Qingdao 266100，China)

Using the climatological mean pentad precipitation data in eastern China，annual variations of monsoon precipitation within the four subareas，i.e.South China，the middle-lower reaches of Yangtze River，Huaihe Basin and North China，are studied.Especially the stages and regional features of summer monsoon precipitation are discussed in detail.By harmonic analysis method，climatological variation of precipitation within each subarea is decomposed into annual cycle mode，seasonal mode，intra-seasonal oscillation mode and intra-monthly oscillation mode.Results show that the impact of interactions among the four modes on the stages and regional features of precipitation are significant.The annual cycle mode is the main mode influencing rainy season，and the seasonal mode and CISO(climatological intraseasonal oscillation)mode are important to determine the flood season.Based on the four climate modes，a new division method of rainy season and flood season in eastern China is put forward.It may be more objective and reasonable as compared to former division methods，though the method is simple.

eastern China;climate mode of precipitation;regional feature;division of rainy season

P462

A

1674-7097(2014)03-0378-07

于群，吴炜，周发琇，等.2014.中国东部降水的气候模态及雨季划分［J］.大气科学学报，37(3):378-384.

Yu Qun，Wu Wei，Zhou Fa-xiu，et al.2014.Climate modes of precipitation in eastern China and division of rainy season［J］.Trans Atmos Sci，37(3):378-384.(in Chinese)

0 引言

降水是重要的气候要素之一，也是描述季风气候的主要变量。中国东部是典型的季风区，降水的年变化受冬、夏季风影响，夏季风很大程度决定了年降水量，尤其是我国东部的北方地区。杨广基和刘家铭(1987)指出，东部地区降水与东亚环流季节演变有密切联系。季风是一种年循环现象，Murakamiet al.(1986)认为，季风区存在显著的季节变化和季节内振荡。Lau et al.(1988)进一步指出，东亚季风可分为季节、季节内和年际变化三种时间尺度，东亚季风区主要雨带的突跳与季节内振荡(intraseasonal oscillation，ISO)和季节循环的位相锁定有关。Wang and Xu(1997)发现，北半球夏季风的气候季节内振荡(climatological intraseasonal oscillation，CISO)有着显著统计意义，气候季节内振荡叠加在季节变化之上，并存在区域差异。李崇银(1991)指出，北半球中高纬度与热带季节内振荡相互作用对降水至关重要。近几年研究(黄平和黄荣辉，2010;徐敏等，2010;尹志聪等，2011)表明，中国东部降水的低频振荡与亚洲夏季风的低频变化有着密切关系。气候系统具有不同时空尺度，各尺度间存在相互作用。Meehl et al.(2001)提出了一个气候系统时空尺度相互作用的概念模型，不同尺度的相互作用导致了气候的多变性，其中较大尺度的时空过程为较小的提供背景，而较小的又具有调制作用。东亚季风存在年循环、季节变化和低频振荡，在其影响下降水同样存在不同尺度的气候分量。中国东部降水年循环和季节演变是为人熟知的气候现象，季节内振荡、准双周振荡也有显著意义。Yu et al.(2012)从山东降水的年内变化中有效分离出四个不同尺度的气候模态，验证其统计显著性，并分析了主要模态及其与东亚西风急流的关系。该方法对于理解降水的各气候分量及其贡献是有益的，有助于降水的年内趋势预测。对中国东部降水，尤其是江淮流域降水的研究较多(丁一汇等，2007;刘富弘等，2010;王勇等，2011)。本文拟通过比较东部降水的气候模态，揭示各区年变化的气候背景及低频振荡的变化规律，以及它们对降水阶段性、区域性的贡献，并探讨基于主要模态的雨季和主汛期的划分。

2012-11-21;改回日期:2014-03-25

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB955604);山东省气象局重点课题(2009sdqxz11)通信作者:于群，博士，高级工程师，研究方向为应用气候学，yq_jn@sina.com.