1968—2017年广东汛期降水REOF分型特征

徐碧裕，叶朗明，胡丽华，梁敏妍

（江门市气象局，广东江门 529000）

业务上一般将每年的4—9月定为广东的雨季［1］。由于南北距离的差异，广东省内受天气系统影响的程度各不相同，导致降水时空分布不均匀，降水地理差异较大［2－6］，汛期降水集中的地区洪涝灾害频繁，对人民生命财产造成损失。因此，对广东汛期降水进行气候分型研究具有重要意义。在对广东降水气候资料进行REOF空间分型时，陈子燊等［7］、刘智勇等［8］在干湿状况、刘燕等［3］、李晓娟等［4］在前汛期大到暴雨频数等方面都将广东地区划分为4个空间气候区：粤东区、粤北区、雷州半岛区、珠三角区；黄茂栋等［2］分析汛期总降水时将广东划分成5个气候区。

本研究在以往研究的基础上，采用REOF旋转经验正交函数法将广东汛期降水进行区划，并综合利用Morlet小波分析、Mann－Kendall检验、滑动T检验进一步研究所划分区域的突变和周期特征，以期为今后广东汛期气候预测和防洪减灾提供理论支撑。

1 资料及方法

采用1968—2017年近50年4—9月广东地区国家气象站汛期总降水资料，得到广东省86站50年汛期总降水时间序列，再对该降水数据进行标准化处理。

（1）REOF方法是旋转经验正交展开方法［9－10］。气象上经常采用REOF方法对气象要素场进行分析，它使原来的特征向量结构简化，反映的气候特征更明显。

（2）North显著性检验［11］。基于EOF和REOF分析方法分解出的经验正交函数究竟是有物理意义的信号还是毫无意义的噪声，应该进行显著性检验，特别是当变量场空间点数m大于样本量时，显著性检验尤其重要。

（3）Mann－Kendall检验［12］是检验气象时间序列单调趋势的有效工具，主要特点为不受少数异常值的干扰，适用于类型变量和顺序变量且不要求样本遵从一定的分布。该方法可以用来分析时间序列的变化趋势，也可以确定突变时间和突变的区域。

2 汛期降水的分型

对于汛期降水的空间分布，常受区域性天气系统影响，为探究每个暴雨区域的时空气候特征，对降水场进行EOF分解，再经过North检验，筛选主分量进行旋转（REOF），得出汛期降水气候区。

2.1 降水场EOF特征

对标准化处理后的汛期降水场（X50×86）（时间长度50年、空间站点n＝86站）进行EOF时空分解，得到前5个降水场的方差贡献率分别为42.35%、12.37%、6.54%、5.29%、3.44%，对应的累计方差贡献率分别为42.35%、54.72%、61.26%、66.55%、69.99%。

经过North显著性检验发现，前5个降水场特征值（λ）能通过检验，第6个起则未能通过检验。因为

当j＝6时，｜2.150－2.217｜＝0.067＜2.217 0×0.152＝0.337不符合。

分析可知，前5个降水场累计方差贡献达到69.99%，能较好地代表华南汛期降水的空间分布特征，因此，本研究将选择前5个主分量进行方差最大旋转经验正交分解。

2.2 REOF各模态时空特征

REOF结果显示，5个模态方差贡献率分别为16.69%、16.48%、14.09%、13.68%、9.05%，较EOF分解后分布更加均匀，特征值也有类似表现。

2.3 REOF空间分布特征

对50年广东汛期降水REOF分型后，可得到5个模态：第1模态空间分布表现为高值集中在粤东沿海地区，中心在潮阳、汕头、惠来等地（图1a）；第2模态的高值在粤西至雷州半岛一带，中心在吴川、电白、湛江等地（图1b）；第3模态的高值集中在粤北内陆地区，中心在连南、连州、阳山等地（图1c）；第4模态的高值在珠江三角洲附近，中心在顺德、南海、番禺等地（图1d）；第5模态的高值为粤东内陆地区，中心出现在大埔、梅县、五华等地（图1e）。

5个模态中，高值中心站点的荷载值均超过0.7。根据高值区范围分布（填色区，荷载值大于0.5的地区），经整理后可将广东划分为5个气候区（图1f），依顺序分别命名为粤东沿海区、粤西至雷州半岛区、粤北内陆区、珠江三角洲区、粤东内陆区。

图1 近50年华南汛期降水REOF分解后得到的5个特征向量场空间分布（填色区，荷载值＞0.5）（a、b、c、d、e）以及降水区划分（f）

2.4 REOF时间变化及周期特征

1）突变特征。

图2a－e为第1至第5模态下通过置信度为95%的M－K突变检验；图f为各模态下通过0.5%置信度的滑动T检验结果。在第1模态中，根据M－K检验中UF和UB统计量，50年中共存在4个明显交点，分别出现在1973、1990、2008及2013年前后；结合滑动T值显著性检验（图2f红线），可知显著突变点在2008年。Lanczos低通滤波曲线给出了整体特征，1990年之前波动振幅小，时间系数负值为主，粤东沿海区降水偏少；在1990年至2008年，时间系数开始出现波动上升趋势，显著区降水增多；在2008年之后时间系数振幅增大，时间系数正负值跨度大，极端性降水增多。

在第2模态中，M－K检验UF和UB统计量交点在2004、2007和2013年，且在95%置信水平内；T值显著检验也出现3个99.5%置信水平的异常时间点分别是1989、2007、2013年。两种检验方法综合可知，2007年及2013年是2个显著突变点。根据Lanczos低通滤波曲线，在2007年之前时间系数总体是由正到负波动增加的，降水减少，逐渐由涝转向旱；在2007年后时间系数呈上升趋势，显著区降水增多；2013年及之后时间系数减小，粤西至雷州半岛显著区降水减少。

在第3模态中，M－K检验UF和UB统计量交点有1969、1972、1975、2015、2017年；而T值检验的异常时间点分别为1992、2006、2009、2013。两者没有交集，因此不存在显著突变点，说明粤北内陆显著区降水变化较为平稳。

在第4模态中，M－K检验UF和UB统计量交点与T值检验突变点出现在1985年，结合Lanczos低通滤波曲线，在1985年及之前，时间系数振幅大，且总体有缓慢减小趋势，珠三角区降水总体以减少为主；1985年及之后，时间系数有波动增加趋势，珠江三角洲区降水波动增加。

在第5模态中，根据前述方法，突变点出现在1970年，1970年及之后时间系数值增大，粤东内陆区降水增多；Lanczos低通滤波曲线中，由负值转为正值后平稳变化，在1990年之前正值为主，且呈上升趋势，1970—1990年期间偏涝；在1990年之后，时间系数下降，波动振幅减小，总体均值接近0，说明偏涝的程度降低，有向偏旱转变的趋势。

图2 近50年广东汛期降水REOF分解后得到的5个模态对应时间系数变化

2）周期特征。

在每个模态荷载大值区中（对应图2荷载值0.7以上的部分），取荷载值排名前3站的平均雨量值时间序列代表该模态的典型特征，作小波分析：第1模态取潮阳、汕头、惠来；第2模态取吴川、电白、湛江；第3模态取连南、连州、阳山；第4模态取顺德、南海、番禺；第5模态取大埔、梅县、五华。结合文献［12］给出的小波分析方法，近50年广东汛期降水在各个模态下的显著周期年份和周期变化各不相同。

第1模态下，对应功率谱图上通过检验的（图3a－Ⅱ黑色实线范围内，落在虚线以上的区域）有4个大值中心，3～5年的周期出现在1972年；2～3年的周期出现在1990和2010年前后；6～7年的周期出现在2000年后。小波全谱图（图3a－Ⅲ）显示共有3个功率峰值，分别是2.5、3.5、6年，说明第1模态下近50年汛期总降水主要由3种周期构成。均方差值（图3a－Ⅳ）也显示出1972、1990、2010年存在均方差峰值，说明这3个时段前后的周期特征显著，其中又以2010年后的2.5和6年周期更为显著，均方差值峰值达到1.5×105mm2以上。

第2模态下，小波功率谱图（图3b－Ⅱ）上存在通过检验的3个大值中心，4年的周期出现在1983年前后；3～8年的周期出现在2002年前后，其中后者的均方差值（图3b－Ⅳ）达到2.0×105mm2的峰值，这一时期的周期特征显著；在1990年前后周期出现向极分化特征，1990年前有4年周期，但1990年后主要以3～4和7～8年周期为主。分析小波全谱（图3b－Ⅲ），功率峰值出现在4年周期上，受边缘效应影响（图3b－Ⅲ虚线），因此第2模态下50年的汛期总降水主要以4年周期为主。

第3模态下，通过检验的2～8年周期主要出现在1973、1995，2000年，对应周期为2～3、8、4年（图3c－Ⅱ）；小波全谱图中，功率峰值出现在2.5和4年周期上，故第3模态下50年汛期总降水主要以2.5和4年周期为主（图3c－Ⅲ）；上述年份1973、1995、2000年，也是均方差峰值出现的年份（图3c－Ⅳ），均方差峰值约0.8×105mm2左右，但在1990年后4年周期均方差大值持续时间较长，说明1990年后是稳定的4年周期。

第4模态下，1993、2005年前后分别存在4～8、2～3年的周期（图3d－Ⅱ），以2000年为分界线，2000年前4～8年周期，2000年后2～4年周期，因此周期有缩短趋势；均方差峰值约在0.8×105mm2左右，出现在1993和2010年前后，周期特征明显（图3d－Ⅳ）；结合全谱图可见，第4模态下50年汛期总降水主要以2.5年周期为主（图3d－Ⅲ）。

第5模态下，1985—2010年间始终存在4～8年周期变化，其中1985—2000年以4年周期为主，而后2000—2010年周期逐渐增加，存在由4年周期增加到8年周期的趋势（图3e－Ⅱ），均方差值在1985年后至2000年间始终维持在4×104mm2，说明这一时期周期较为稳定，周期维持在3～5年间（图3e－Ⅳ）；综合小波全谱，第5模态下近50年汛期总降水，主要以4和7年周期为主（图3e－Ⅲ）。

图3 近50年广东汛期降水REOF分解后得到的5个模态对应功率谱分析

3 结论

1）通过REOF分解，近50年广东汛期降水可划分为5种模态，空间分型依次为粤东沿海型、粤西至雷州半岛型、粤北内陆型、珠江三角洲型、粤东内陆型。

2）近50年来广东汛期降水中，每个空间分型中都有不同的旱涝特征：粤东沿海在2008年之前降水相对平稳，2008年之后极端性降水增多；粤西至雷州半岛突变发生在2007及2013年，2007年前由涝转向旱，2007年后降水增多；2013年及之后降水又减少；粤北内陆的历年降水变化较为平稳；珠江三角洲1985年前降水总体偏少，1985年及之后降水波动增加；粤东内陆在1970年后降水增多，而后平稳变化，旱涝变化幅度小。

3）近50年来广东汛期降水中，每个空间分型降水突变时间点各不相同，粤东沿海型2008年；粤西至雷州半岛型2007和2013年；粤北内陆型无明显突变点；珠江三角洲型1985年；粤东内陆型1970年，其中，自2010年后的趋势来看，粤东沿海和珠江三角洲降水增多；粤东内陆和粤北内陆降水变化平稳；粤西至雷州半岛降水减少。

4）各个空间分型在近50年汛期降水的主要周期和周期变化特征各不相同：粤东沿海汛期降水以2.5、3.5、6年周期为主，2010年后2.5和6年周期更为显著；粤西至雷州半岛以4年周期为主，1990年后周期出现向极分化趋势；粤北内陆以2.5和4年周期为主，1990年后出现稳定的4年周期；珠江三角洲以2.5年周期为主，2000年后周期有缩短趋势；粤东内陆汛期降水以4和7年周期为主，1985年后至2000年周期稳定时间较长，2000年后周期有增加趋势。