浅析长江中下游夏季极端降水分布特征

许永姿

摘 要：本文利用长江中下游地区1961—2010年88个测站夏季（6—8月）的逐日降水资料，NOAA延伸再建的海表面温度资料和NCEP/NCAR再分析500hPa高度场资料。通过第95百分位法统计出极端降水序列，采用EOF、REOF分解、线性倾向估计以及M-K突变性检验等方法对我国长江中下游地区夏季极端降水时空分布特征进行了分析，结果显示：长江中下游夏季极端降水阈值空间分布差异较大，大致呈现东高西低，南多北少的分布形势。其中阈值高值区位于赣鄂皖3省的交界处，高低值相差达40mm/d；夏季极端降水在一致性异常特征的基础上，存在着南北反向差异；并可以再划分为6种主要的空间型：分别为运河流域型、入海型、两湖平原型、南部型、北方型和沿海型。6种主要空间型的夏季极端降水年际变化特征并不完全一致，但从长期变化趋势来看，除了湘北、赣北及长江中下游地区东北部，这3块小区域的极端降水表现为减少外，其余区域均表现为增加趋势；进入20世纪90年代，长江中下游地区整体夏季极端降水偏多。

关键词：长江中下游地区；夏季；极端降水量；空间分布

中图分类号：S16 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170732068

引言

长江作为我国的第一大河，因其地理位置优越，雨量充沛，资源丰富，是我国经济发达、居住人口密集的地区。入夏长江流域进入雨季，受夏季风影响，长江中下游降水丰沛且集中，所以出现暴雨概率较大，经常面临洪涝灾害的威胁。尤其是20世纪90年代后，长江中下游地区共发生了6次大洪水事件，成为了近1000a以来全国洪水发生频率最高的年代之一[1]。据IPCC报告[2]，全球气候变暖会加速水汽循环，将带来降水的增加，并在全球的各区域呈现不同变化。龚道溢[3]发现自20世纪70年代以来，全国东部地区的降水量有显著上升；与全球气温近几十年的变暖趋势一致[4]。

极端天气和气候事件作为一种小概率事件，突发性强，影响范围广，因而严重影响人类的生存环境，阻碍世界经济的发展和社会的进步[5]。已有研究表明，近50a来中国年降水量虽无明显的极端变化倾向，但雨日显著减少，降水强度呈增加趋势，强降水事件欲趋集中，大范围的洪涝事件出现频率明显增强[6]。刘学华[7]等人认为，全国强降水日指数与强降水比率指数的整体线性变化呈上升趋势。瞿盘茂[8]等人研究表明，近50a来长江及其以南地区极端降水事件逐渐趋于频繁。目前一些中外学者对中国长江中下游地区的极端降水时空分布特征进行了细致研究。苏布达[8]等人指出1986年以来长江流域洪涝灾害频繁发生，突出表现在中下游地区，究其缘由主要是因长江流域东南部和西南部极端降水强度和频率增加所致，并与长江流域的极端降水时空分布型态的变化密切相关。张永领[9]等人发现长江流域的極端强降水量、降水强度和日数在长江中下游呈现显增加趋势，极端强降水量变化的空间分布存在显著的差异。

本文利用长江中下游地区1961—2010年近50a的逐日降水资料，对长江中下游地区的夏季极端降水的空间分布特征与时间演变规律进行了分析，不仅对掌握该地区气候背景状况与自然环境变化有着很重要的意义，并且对掌握该地区与全球气候变化的微妙联系，全面掌握全球气候异常和预测未来气候变化，都有一定必要性。

1 资料与方法

1.1 资料的选取与处理

本文选用取国家气象信息中心提供的743站逐日降水资料，时间取自1961—2010年，共计50a。研究区域为长江中下游地区（E108～123，N24～36），具体是指南岭以北，秦岭——淮河一线以南，巫山以东的广大区域，包括湖南、湖北、江苏、浙江、江西、安徽和上海6省1市。该区域地势低平，以平原丘陵为主，中游平原包括湖北江汉平原、江西鄱阳湖平原、湖南洞庭湖平原；下游平原包括长江沿岸平原和巢湖平原及江苏、浙江、上海之间的长江三角洲。由于测站发生变迁等，剔除降水资料长度不足50a的站点，最后选取了88个站点。所选区域站点相对分布较均匀，且在空间分布上较密集。

1.2 方法简介

在我国通常把日降水量大于50mm称为暴雨，把日降水量大于25mm称为大雨。但对于不同的地区而言，极端强降水事件是不能够完全用全国统一固定的日降水量定义的，因为这样可能出现部分地区极端气候事件过于频繁，而另一地区极端气候事件鲜少发生[10]。为了充分考虑降水的区域间的差异从而更好地反映降水变化的区域性特征，本文采用长江中下游各站1961—2010年逐年6—8月日降水量序列的第95个百分位值的50a平均定义为该台站的极端降水事件阈值，当该站某日降水量大于该阈值时，称之发生了极端降水事件[9]，据此统计出长江中下游地区逐年夏季各站的极端降水总量并建立相应的时间序列。

为了解长江中下游地区夏季极端降水时空分布特征，这里采用经验正交函数分解法（EOF）[11]分离时间空间场。EOF分解法亦称为主分量分析，它收敛速度快，容易将变量场的信息集中在几个模态上，再结合旋转正交函数分解法（REOF）[12]，能更好地了解典型空间分布结构。本文为了消除地理位置、地形及不同月份的影响，对长江中下游地区夏季极端降水序列进行了标准化处理。采用EOF对标准化资料进行展开，得到空间载荷量及主成分阵，于此基础上，进行REOF展开，得到旋转载荷向量和对应的旋转主成分。

为进一步掌握时间序列长期的变化趋势，运用线性倾向估计[13]和Mann-Kendall法[14]对时间序列展开了周期分析。

2 长江中下游地区的夏季极端降水量空间分布特征

2.1 长江中下游地区夏季极端降水阈值分布特征

由长江中下游地区1961—2010年夏季极端降水量阈值空间分布分析图（图略）可见长江中下游地区夏季极端降水阈值分布空间差异很大。其中江西、安徽和湖北交界的一片区域是极端降水量阈值高值分布区，其值均大于区域平均值，其中安徽黄山最高，近80mm/d；而鄂西北、湘南、赣南和浙东北极端降水量阈值相对较低，其中湖北房县极端降水阈值最低为40mm/d。由此可见：长江中下游地区的夏季极端降水量空间分布差异显著。据初步分析，基于研究区域南北纬相距10多个维度，东边靠近海洋，西部居于内陆，这种地理位置差异使得长江中下游地区内的极端降水量空间差异较大。

2.2 长江中下游地区夏季极端降水异常空间分布特征

对长江中下游地区88个台站夏季极端降水量做EOF和REOF展开，提取主要成分进行分析，以及利用其载荷量（LV）与旋转载荷量（RLV）反映出夏季长江中下游地区的极端降水量异常的空间分布特征。表（略）给出了旋转前主成分矩阵（PC）对总方差的贡献率，前3个方差贡献率分别为13.54%、10.07%、7.35%，总计30.96%，经North检验前3个特征向量均通过，经验正交函数有意义，这是长江中下游夏季极端降水异常3个主要的空间模态。由此可见，随着时間尺度的扩展，测站数量的增多，其主成分与旋转主成分的收敛迅速降低，表明长江中下游地区的夏季极端降水量的时空差异很大。

通过分析长江中下游地区夏季极端降水EOF分析的前3个模态的空间分布图（图略），第一种特征向量场是整个长江中下游地区的载荷向量全区都为正，说明整个长江中下游地区夏季极端降水异常呈现一致性特征。即在同一大尺度天气系统的控制之下，出现极端降水的步调是一致的。沿江一带的载荷量值较大，表明该区域极端降水量变率最大，是异常敏感区。

第二特征场图（图略）与第一特征场有着较大差异，明显看出以长江为界，江南与江北的极端降水异常显示出反向变化的结构特点，即江北极端降水偏多（偏少）时，江南极端降水偏少（偏多）。其中安徽和江苏交界区、湘南、赣中等区域的载荷量较大，表明这些区域极端降水是最容易发生异常的。探究这种变化特征的形成原因，主要由于西太平洋副热带高压的季节性北移所致。副热带雨带偏南时，此区域南部受副热带雨带影响最容易出现极端降水，北部容易干旱；当副热带高压北移而控制该区域南部之时，因为其北部处于副热带高压边缘容易出现极端降水，而南部由于受副高控制从而导致高温少雨。

第三种特征向量图（图略）可发现湘中北地区夏季的极端降水异常出现与其周围地区相反的特征。这是因为在一些年份，湖南在副高控制下，晴热少雨。特别是在湘江中下游与洞庭湖区，正处于副高主体之下，降水量明显减少，干旱特别严重。而湘西北处于副高边缘，干旱相对较轻，湘西南与湘东南，由于受台风等热带天气系统的影响，和地形的抬升作用常出现较多降水，缓和严重的旱情，从而使湖南中部降水与周围地区不一致。

为了进一步掌握长江中下游地区的夏季极端降水异常的次级地域特点，在EOF展开的基础上，对得出的前10个主成分及对应的载荷量进行了旋转（REOF），REOF可以将空间场上与主成分相关的高值荷载向量区集中在较小的范围内，从而有利于识别物理量的空间型。表2给出了旋转后主成分矩阵（RPC）对总方差的贡献率，可见旋转后的各方差贡献率相较旋转前要均匀分散。可得6个主要的空间分区模态，这6个主成分的方差贡献均比其它大，累积方差贡献达到46.37%，基本能反映长江中下游夏季极端降水的主要异常分布。

6个主要空间分区分别为ⅰ区：运河流域型（图略），该型的解释方差为9.71%，主要反映了安徽、江苏南部极端降水的异常特征。其旋转载荷向量大值区位于长江下游段以北，中心值是+0.83，代表台站是江苏南京，此地区位置偏北，极端降水量主要集中在7—9月份；ⅱ区：入海型（图略），该型的解释方差为7.40%，主要反映了浙江北部极端降水的异常特征。旋转载荷向量大值区位于长江下游入海段以南，中心值为+0.795，代表台站为浙江平湖；ⅲ区：两湖平原型（图略），该型的解释方差为11.34%，主要反映了湖南北部和湖北南部极端降水的异常特征。旋转载荷向量最大值区集中于长江中游沿江两侧，中心值为-0.769，代表台站为湖南省岳阳，此地区位于两湖平原，乃华南、长江中下游的过渡地带，极端降水峰值出现于6月份；ⅳ区：南部型（图略），该型的解释方差为6.57%，主要反映了湖南南部及江西中南部极端降水的异常特征。旋转载荷向量大值区位于整个长江中下游地区南部，中心值为-0.7，代表台站为江西宜春；ⅴ区：北方型（图略），该型的解释方差为5.56%，主要反映了湖北北部、安徽北部和江苏北部极端降水的异常特征。旋转载荷量大值区位于整个长江中下游地区北部，中心值为+0.64，代表台站为湖北枣阳，该地区在汉水流域；ⅵ区：沿海型（图略），该型的解释方差为5.79%，主要反映了浙江南部和江西中部偏北极端降水的异常特征。旋转载荷量大值区位于长江下游以南，中心值是-0.742，代表台站是浙江省丽水，该地区位于沿海地带，受台风影响显著。

长江中下游地区的夏季极端降水量的6个异常空间分布型分别为运河流域型、入海型、两湖平原型、北部型、南部型、和沿海型。

3 结论

长江中下游地区夏季的极端降水的阈值空间分布的差异较大，安徽、 江西、和湖北交界的区域为阈值大值分布区，而鄂西北、湘南、赣南和浙东北极端降水阈值相对较小。

夏季极端降水异常主要存在全区一致变化和南北反向变化2种模态。其中异常特征最主要的模态表现为，整个长江中下游地区全区域一致性，即1961—2010年50a间全区夏季出现极端降水的步调是完全一致的。另外，以长江为界，南北反向变化的模态也比较重要，即江南降水多（少）时，北少（多）。

长江中下游区域夏季极端降水可以再划分为6种主要的空间型：分别为运河流域型、入海型、两湖平原型、南部型、北方型和沿海型。

参考文献

[1]姜彤，施雅风.全球变暖、长江水灾与可能损失[J].地球科学进展，2003，18（2）：277-284.

[2]IPCC.Climate change 1995.Adaptations and mitigation of climate change[M].Cambridge： Cambridge University Press，1995：3-23.

[3]Changnon S A，Roger A，Pielk Jr，et al.Human f act ors explain the increased losses from weather and climate extremes[J].Bull.of the Amer.Mete.Soci.2000，81（3）： 437，442.

[4]瞿盘茂，潘晓华.中国北方近50年温度和降水极端事件变化.地理学报，2003，58（增刊）：1-10.

[5]刘学华，季致建，吴洪宝，等.中国近40年来极端气温降水的分布特征及年代际变化[J].热带气象学报，2006，22（6）：

618-624.

[6]瞿盘茂，王莘莘，李威.极端降水事件的变化的观测研究[J].气候变化研究进展，2007，3（3）：144-148.

[7]苏布达，姜彤，任国玉，等.长江流域1960—2004年极端强降水对空变化趋势[J].气候变化研究进展，2006，2（1）：9-14.

[8]王志福，钱永甫.中国极端降水事件的频数和强度特征[J].水科学进展，2009，20（1）：1-9.

[9]施能.气象研究与预报中的多元分析方法[M].北京：气象出版社.2002：120-122，143-146.

[10]魏凤英.现代气候统计诊断预测技术[M].北京：气象出版社，1999.