1964—2013年广东地区冬季降水分布特征分析

摘  要：根据1964—2013年的降水资料和NCEP/NCAR再分析资料，采用EOF算法、谱分析等方法分析广东地区冬季降水分布特征。结果表明，在50年间，广东冬季降水量和全年总降水量随时间呈基本一致的波动型变化，但随空间变化的差异明显。广东冬季降水的主要模态为全区一致型分布，主模态时间系数显示有明显周期为2.5年的年际变化特征。其冬季降水异常对应着不同的相关物理量场异常，降水偏多年，500 hPa环流负异常，850 hPa有西南风正距平，水汽通量距平辐合，散度负异常及涡度正异常;降水偏少年则与之相反。

關键词：冬季降水;分布特征;异常降水分析

Abstract：According to the precipitation data from 1964 to 2013 and NCEP/NCAR reanalysis data，EOF algorithm，spectral analysis and other methods were used to analyze the distribution characteristics of winter precipitation in Guangdong. The results showed that in 50 years，winter precipitation and annual total precipitation in Guangdong showed basically the same fluctuation pattern with time，but significant differences with spatial variation. The main modes of winter precipitation in Guangdong are uniformly distributed in the whole region，and the time coefficient of the main mode shows an obvious interannual variation with a period of 2.5 years. The winter precipitation anomaly corresponds to different related physical quantity field anomalies. The precipitation is multi-year，the circulation is negative at 500 hPa，the southwest wind is positive at 850 hPa，the water vapor flux is horizontal convergence，the divergence is negative and the vorticity is positive;the precipitation is relatively young，the opposite is true.

Keywords：winter precipitation;distribution characteristics;analysis of abnormal precipitation

0  引  言

广东是我国最典型的季风气候区之一，受冬季风控制，广东大部分地区冬季降水较少、较均匀，形成干季降水气候特征[1]。冬季降水的偏少对本地的农业生产、居民饮水、森林火灾、水利发电等民众生活、社会经济发展方面的影响都比较重大，而对于民航业来说，降水是影响航班运行最主要的天气之一。因此，研究其降水时空分布特征及分析其降水异常成因显得尤为重要。

目前为止，已经有很多学者对华南地区降水特征做了一定的研究。李江南等[2]研究了广东省前汛期和后汛期的气候特征;贺海晏[3]研究了广东省近40年的旱涝特征。在此之外，关于华南或广东冬季降水异常成因研究及分析的文献也不在少数，如王江曼等[4]研究了太平洋年代际涛动（PDO）不同相位时期ENSO事件对华南冬季降水影响的差异。前人的研究大多是集中在对华南或对广东某一地区的前后汛期、春夏季降水、天气个例及旱涝的研究，而只选择冬季广东省的降水作为研究对象的基本没有。因此，本文分析了1964—2013年广东地区冬季降水分布特征和与之相关的物理量场，希望对广东冬季降水有更加细致的了解，从而为广东冬季降水的天气预报和气候预测提供一些理论上的参考和依据。

1  资料和方法

1.1  资料

（1）来自国家气象信息中心的广东省33个基准站1964—2014年逐月降水站点资料。（2）来自NCEP/NCAR的1964～2014年全球大气月平均再分析资料，空间分辨率为2.5×2.5，包括各层位势高度、水平风、比湿场。

1.2  方法

用EOF算法将广东33个测站的冬季（12月—次年2月）降水量距平进行分解，用分解后得到的第一模态所对应的时间系数代表广东冬季降水时间序列，并采用谱分析的方法来研究广东冬季降水时间系列的年际、年代际周期特征，最后采用合成分析方法分别研究冬季降水异常与500 hPa环流场、850 hPa水汽场、涡度和散度场异常的关系。其中，利用EOF分解的原理及具体的展开形式见文献[5]，而利用功率谱分析近50年广东冬季降水随时间的变化周期的原理如下：

假定将时间序列xt展开为Fourier级数，则可表示为：

式中，fi为频率，t为时间序号，k为周期分量的个数，即主周期（基波）及其谐波的个数，εt为标准误差（白噪声序列）。当频率fi给定时，式（1）可以视为多元线性回归模型，可以证明，待定系数ai、bi的最小二乘估计为：

2  广东地区冬季降水概况

2.1  广东冬季和全年降水量的时间变化特征

作出1964—2013年广东冬季和全年降水量时间序列图进行分析，可以看出广东冬季的降雨量在全年降雨量中所占的比例较小（均量不到10%）。从线性变化趋势来看，冬季和全年降水呈基本一致的波动形势变化，没有明显的年代际上升或下降趋势，但也有少数年份呈反相变化。1982年冬季和全年的降水一致地异常偏多，都达到50年以来的最大值;然而在2008年，全年降水异常偏多，冬季的降水却在这50年中异常偏少最严重。

2.2  广东冬季和全年的50年平均雨量區域分布特征

从图1可看出，1964—2013年广东冬季和全年平均雨量的区域分布差别较大。冬季降水北多南少，而且从北到南逐次递减，广东北部地区（连州、韶关一带）达到全省冬季降水的最大值（>200.00 mm），最小值出现在广东最南端的徐闻（<60.00 mm）;全年降水中部和中南部偏西地区较其他地区多，在靠近内陆及最南端（徐闻站）附近的降水偏少。全年降水在广东中南部偏西的地区（上川岛站）出现最大值中心，高达2 399.57 mm，在广东省最东端（南澳测站）出现最小值中心，低达1 361.47 mm。

结合图1（a）和1（b）来看，广东最南端徐闻站的冬季和全年降水都是最少的，更容易发生干旱。

3  广东冬季降水的时空分布特征

为了进一步揭示广东冬季降水的时空分布特征，对上述33个站点1964—2013年冬季降水量距平进行EOF分解，得出结果：

第一模态的方差贡献百分比最大，达到了85.04%，第二模态的方差贡献急剧减小到4.70%，后面几个模态的方差贡献更小。这与凌良新等[1]研究得出的广东地区第一季度（1—3月）降水量第一模态方差贡献较大（达83.30%）的事实基本符合。因第一模态方差贡献较大，说明广东冬季降水只有一种比较显著的空间异常类型，从第一模态中就能基本反映出广东冬季降水时空分布特征，所以下文给出了第一模态所对应的空间和时间特征向量场。

3.1  空间变化特征

作图发现第一主模态空间特征向量场的值均大于零，说明广东冬季降水具有全省一致性，当第一时间系数的值大于零时，广东省冬季的降水量一致偏多，反之偏少。其中东北部靠近福建的地区冬季降水的变异程度比较大，大值中心位于河源;而东南部的小部分地区以及西南部的徐闻、雷州一带降水变异不是很显著。

3.2  时间变化特征

作出第一模态所对应的时间系数图，发现冬季降水的年际变化特征较明显，冬季降水异常偏多的年数多于异常偏少的年数，而且偏多的水平较高。在1964—2013年中，1982年冬季降水异常偏多的程度最大，2008年的冬季降水异常偏少的程度也比较大，这与2.1所得结果一致;而冬季降水的年代际变化特征不明显。

3.3  周期分析

为了得出异常变化的周期，用谱分析的方法对广东冬季降水量距平EOF分解的第一模态时间系数进行分析。结果如图2所示，周期为2.5年时的周期强度最高，其经过了显著性水平为0.1的显著性检验。所以功率谱分析显示广东冬季降水具有比较显著的2.5年周期的年际变化特征，而年代际变化周期不明显。

对应时间系数的周期图

4  广东冬季降水异常的相关物理量场分析

上述的分析表明，广东冬季降水年际差异较明显，尤其在有些年份冬旱严重。因此，对冬季降水异常的年份，要分析降水异常的可能原因，我们可以从其相关物理量场异常特征的角度来展开研究。

以冬季降水量距平值的标准差为基准，大于1倍标准差的年份选为多雨年;由于少雨年年数少，为了使合成分析的结果更准确，所以降低异常偏少的标准，将小于0.8倍标准差的年份选为少雨年。最终选取的多雨年为：1968、1982、1984、1989、1991、1994、1997、2009，少雨年为：1973、1976、1980、1983、1986、1987、1998、2008。

4.1  广东冬季降水异常的环流特征分析

为了分析环流场异常所导致的广东冬季降水异常的成因，首先作出1964—2013年广东冬季500 hPa气候平均高度场。然后根据上面所取的降水偏多和偏少年作冬季500 hPa位势高度距平场合成图，并与冬季500 hPa平均高度场作对照，可看出：冬季降水偏多年，在500 hPa距平图可以看到北冰洋一带和日本及其东侧的洋面上为正距平，位势高度增高，表明东亚大槽变浅，而中低纬度东亚地区及南亚北部地区有明显负距平，处在东亚大槽槽底偏西的广东地区也主要受负距平控制，说明中低纬度东亚地区冷空气活跃，而且因为低纬度的广东地区高度场比常年偏低，经向风加大，这样的高空环流可能有利于干冷和暖湿的空气交绥，使广东受到影响，从而使广东冬季降水偏多;而冬季降水偏少年，亚洲东部主要为负变高，欧洲及亚洲大部分区域包括广东为明显高度正距平，处在日本海附近的东亚大槽虽然有所加强，但广东处于东亚大槽槽后偏西地带且有明显正变高，因此经向梯度减小，不利于冷暖空气交绥，降水较常年偏少。

4.2  广东冬季降水异常的水汽输送特征分析

由于广东为沿海省份，冬季降水与水汽输送有密切的关系，因此根据上面所取的降水异常年份作冬季合成850 hPa水汽通量距平及水汽通量散度距平图。在冬季降水偏多年，广东上空为水汽通量散度的负距平区，结合近50年广东地区冬季的气候平均水汽通量及散度图来看，说明降水偏多年的广东上空为西南风正距平控制，水汽通量辐合较强，而且在广东东北部有一明显的水汽通量散度负距平中心，表明在降水偏多年该地区得到的水汽较常年和其他地区异常偏多，这与前面3.1所得到的结论是一致的;从水汽通量矢量图上可见，降水偏多年西南风异常显著，西南风所携带的水汽主要从孟加拉湾经中南半岛及南海输送到广东上空。而降水偏少年的情况则与之相反，冬季降水偏少年主要受东北风正距平控制，西南风分量异常偏小，西南风的负异常使输送到广东地区的水汽较少，水汽供应不足，进而导致冬季广东地区降水偏少，冬季干燥少雨。

由以上分析可以进一步说明：区域内得到水汽的多（少）决定了降水量的相对多（少）。

4.3  广东冬季降水异常的涡度和散度场分析

按照以上所取的降水异常年份作出广东冬季降水异常偏多年和偏少年的合成850 hPa涡度距平及散度距平图。在广东冬季降水偏多年，冬季的广东地区主要被散度负距平以及涡度正异常控制，说明控制广东地区冬季气候的冷高压反气旋环流较弱，下沉运动也较弱，其低层主要表现为西南风辐合，有利于降水偏多。而在降水偏少年，冬季的广东地区主要被散度的正距平以及涡度负异常控制，说明广东地区的低层主要为高压反气旋控制下的下沉运动，携带水汽的西南风辐合较弱，使降水比常年偏少。同时也可以明显看出在广东东北部涡度和散度的异常程度比广东省其他地区大，而广东省的西南部的徐闻地区异常程度较小，这同样验证了3.1得到的结论。

5  结  论

通过以上对1964—2013年广东地区冬季降水分布特征的分析，得到如下的结论：

（1）在1964—2013年中，广东冬季和全年降水随时间呈基本一致的波动变化，但也有少数几年两者呈反相变化。在地域分布上，冬季降水和全年降水差异较明显。冬季北多南少，且由北到南逐次递减，而全年降水量在中部和靠近南海的阳江一带的地区较多，其他地区较少，最南端徐闻地区在冬季和全年降水中都达到最小值，其冬季干旱相对严重。

（2）EOF分析表明，第一模态为广东冬季降水量距平变化的主模态，方差贡献达85.04%，其空间特征向量场的值均为正值，为全区一致型分布，变异中心在广东东北部河源、佛冈一带。谱分析得出第一模态所对应的时间系数显示了1964—2013年广东冬季降水有明显的周期为2.5年的年际变化特征，降水偏多的年份数多于偏少的年份数，正异常最大在1982年，负异常最大在2008年。

（3）广东冬季降水异常偏多（少）对应着不同的各相关物理量场异常。冬季降水偏多（少）年：广东地区500 hPa高度场为负（正）距平;广东上空850 hPa为水汽通量距平辐合（辐散）区，西南风分量大（小），输送水汽充足（较少）;850 hPa低空主要受散度负（正）异常和涡度正（负）异常控制，空气的辐合运动较常年强（弱）。这些相关物理量场的异常导致了广东冬季降水较常年偏多（少）。

参考文献：

[1] 凌良新，章鹰，陈往溪.广东年、季降水量时空变化分布特征 [J].廣东气象，2008，30（6）：24-27.

[2] 李江南，王安宇，蒙伟光，等.广东省前汛期和后汛期降水的气候特征 [J].中山大学学报（自然科学版），2002（3）：91-94+98.

[3] 贺海晏.近40年广东省的旱涝特征 [J].热带气象学报，1998（4）：297-305.

[4] 王江曼，李春.太平洋年代际涛动对ENSO与华南冬季降水关系的可能影响 [J].中国海洋大学学报（自然科学版），2015，45（8）：1-9.

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

作者简介：徐娟（1993.12—），女，汉族，云南楚雄人，助理工程师，本科，学士学位，研究方向：气候分析。