近140年芜湖地区降水量年代际变化特征

刘 蕾, 高 辉, 张 丽, 王亚玲, 付 伟

(1.芜湖市气象局, 安徽 芜湖 241000; 2.中国人民解放军93117部队, 南京 210018)

随着全球变暖速度的加快，近100年来全球范围内气温、降水都存在明显的年代际改变，已经引起很多学者的关注[1-3]。长序列降水资料是近百年来气候变化研究的基础[4]，但我国大部分连续观测资料都是解放后开始的，因此解放前的资料主要是基于多种数据源的重建资料。例如，王绍武[5]利用史料、树木年轮等代用资料重建了1880—1996年中国气温和降水序列；杨溯等[6]收集全球12个数据源降水历史月值资料，通过多种统计方法整理出全球降水历史月值数据集；李庆祥等[7]基于不同分辨率网格数据集，建立了110年中国降水变化序列，并指出全国年降水量变化略呈下降趋势。

近百年来降水变化存在明显的区域特征[8]。海英和高志强[9]利用CRU05资料研究中国的气候变化，发现除了秦淮河以南亚热带地区气候变得的冷湿，其他地区气候向湿热方向发展。近百年来华北以及华南的降水发生了4次年代际尺度的跃变，长江中下游降水发生了5次年代际尺度的跃变[10]。在夏季，我国东部夏季降水百年来年代际变化特征显著，空间场上以偶极型和三级型的分布特征为主[11-12]。针对长江中下游不同地区的百年降水研究也较多，近120年来浙江省年降水量无明显的线性变化趋势，存在56 a和35 a两个周期[13]，上海地区夏季降水在过去100多年里存在3个多雨湿润期和3个少雨偏干期[14]；近百年来武汉地区汛期降水有明显的阶段性和跃变性，旱涝灾害频繁发生[15]。近百年来的降水变化与太阳活动、火山爆发、大尺度的海洋变率密切相关[16]。

可以看出，许多学者对近百年长江中下游地区年降水、夏季降水的分布特征进行了多角度分析，但是对近百年四季降水量的分析及不同季节的变化突变、周期的差异性研究较少。另外，很多研究是基于再分析资料，且研究范围较广，无法细致的描述安徽沿江地区百年降水的变化特征。中国具有长达百年气象观测的站少之又少，特别是长江中下游地区，仅有武汉、芜湖、南京、上海徐家汇4个站自19世纪末起开始进行气象观测且资料序列较长(图1)。芜湖作为中国12个百年气象台站之一，自1880年起就有了降水观测，资料十分可贵，利用实测的数据进行分析，能更真实的展示出长江中下游地区、特别是安徽沿江地区百年降水变化。

1 数据源与方法

1880年3月芜湖海关开始气象观测，资料持续到1937年11月。1937年12月10日，日军轰炸芜湖后，芜湖沦陷。自此，长达58 a的气象观测被迫中断，直至解放后才逐渐恢复气象观测。故本文数据来源于三处：1880年3月—1937年11月降水资料来源于中国气象局档案馆，该数据摘自海关气象观测的逐月降水统计表；1952—2019年芜湖市降水资料来源于安徽省气象信息中心；由于1938—1951年芜湖市气象观测中断，为了资料的完整性，采用CRU再分析降水资料进行检验和替代。CRU资料整合了若干个数据集，月降水量时间长度为1901—2019年，分辨率较高且资料连续，在东亚地区具有较高的可靠性[17]。有研究表明，CRU资料重建的我国年总降水量与全国160个站观测数据吻合，部分地区相关系数高达0.9以上，中国东部四季降水量和CRU重建资料十分一致[18]。

注：图中三角形为芜湖站。

对得到的140年芜湖市降水长序列采用Morlet小波分析进行周期检验；另外，采用Mann-kendall检验方法和累积距平对全年和各季节降水时间序列进行突变分析。1952—2019年芜湖市降水资料来源于安徽省气象信息中心，该资料已进行了严格的质量控制，对台站迁移和自动站代替人工站数据均进行了对比观测，数据质量较高，故不再对其进行检验。

1880年3月—1937年11月降水资料由于年份久远，故需要多种资料进行对比。首先参考竺可桢等[19]汇编的《中国之雨量》对该资料进行验证，发现两套资料无论在年、月季尺度上相关系数极高，说明这些资料是经过早期气象学者校对的，但部分月份降水仍有异常值存在。先对1880—1937年月降水量进行均一性检验并结合1952—2019年的台站极值检查，发现异常月份见表1，对这7个奇异值采用如下方法替代：首先计算出该缺测数据前后10 a当月平均降水量，再与当月CRU资料降水值取平均值，得到的月降水数据能较准确的反映出当月降水的真实变化。

表1 月降水奇异值及存在非均一性的原因

进一步比对1901—1936年、1952—2019年CRU和芜湖市测站月、年降水量数据，发现CRU重建的芜湖市降水量与月降水量和年降水相关系数均较高，高达0.8以上，通过了99.9%的信度检验。说明CRU可以很好地模拟出芜湖市月降水变化特征，对年降水的模拟效果也较好。故1938—1951年的月降水资料主要参考CRU资料，但由于CRU资料存在变化振幅小、极值不显著的特征，与实际降水量有一定偏差，因此先对其进行订正再代入使用。具体方法如下：首先以CRU资料作为基准，计算出1938—1951年各月距平百分率，再分别以同等级的1880—1937年、1952—2019年月降水量的平均值代替。从图2可以看出，通过该方法订正后，1938—1951年降水标准差增加明显，极值更为显著，订正后的降水更符合观测降水的变化。

图2 1901-1951年降水量订正前后的13 a滑动标准差时间序列

2 结果与分析

2.1 趋势变化

芜湖市1880—2019年近140年的降水量特征变化见图3A所示，年降水量呈现微弱的增加趋势，递增率仅为2.0 mm/10 a，但芜湖市百年降水有明显的年代际、年际间差异。降水最多的年份为2016年(1 984.2 mm)，降水最少的年份为1978年(564.2 mm)，相差3倍以上。从9点滑动平均的时间序列可以看出，20世纪初1905—1920年降水量异常偏多，其次20世纪50年代、80年代-90年代初期、2010s年代后期芜湖市均呈现降水量偏多的态势。19世纪80年代后期-90年代、20世纪20—30年代、60—70年代降水偏少。近140年来，芜湖市年降水量共经历了4次偏多—偏少间的年代际转换，因此芜湖市少雨期和多雨期呈现交替分布的格局。

图3 芜湖市1880-2019年降水量时间序列

芜湖市春季降水量总体呈现较明显的递减的趋势(图3B)，递减率为3.4 mm/10 a。春季降水异常偏多的年份主要在1930年之前，最多的年份春季降水量可高达690.9 mm(1885年)，该年份春季降水量甚至多于夏季。最低的年份春季降水量仅仅为119.3 mm(1917年)。20世纪初—1920年、20世纪50年代、90年代春季降水量偏多，19世纪90年代、20世纪20年代、21世纪以来春季降水量偏少。从累积距平变化可以看出， 20世纪以来，春季降水量递减速度明显加快，递减率达到39.4 mm/10 a。其中，1880—1940年年际间变化最为剧烈，此时春季出现旱涝的概率最大。

芜湖市夏季降水量是呈明显的增加趋势(图3C)，递增率为4.8 mm/10 a，特别是近70 a来，夏季降水的递增速度加快，递增率高达6.7 mm/10 a。累积距平场上也显示自1980年来夏季降水量一直维持正距平增加的趋势。夏季降水量最大值出现在1954年(1 028.1 mm)，最小值出现在1900年(115.1 mm)。从9 a滑动平均序列图看出，20世纪初-1920年、20世纪50年代、80年代至今，芜湖市夏季降水量偏多；19世纪90年代、20世纪20—30年代、70年代夏季降水量偏少，夏季降水量也呈现干、湿交替的年代际变化。

芜湖市秋季整体无明显的增加或减少趋势(图3D)，秋季最大降水量出现在1983年(629.5 mm)，最小降水量出现在1898年，季度降水量仅17.8 mm，属于严重的秋季干旱。秋季降水异常偏多的年份主要在1910年之前和1980年之后，1911—1979年之间秋季降水变化平稳，没有出现明显的极值。20世纪初-1920年、60—80年代，2015年至今，芜湖市秋季降水量偏多；19世纪90年代、20世纪20—30年代、50年代、90年代秋季降水量偏少。

芜湖市冬季降水量为微弱的增加趋势(图3E)，递增率为2.2 mm/10 a。冬季最大降水量出现在1905年(436.6 mm)，最小降水量出现在1893年(32.8 mm)。芜湖市冬季降水量变化比较平缓，年代际变化较小。20世纪初-1920年、50年代、21世纪以来冬季降水量偏多，20世纪60年代、80年代冬季降水量偏少。但这种年代际变化的变率明显小于夏季和全年降水量。

总体来看，19世纪90年代，除了1895年左右秋季降水偏多，其他各月降水量均为负距平。1900—1920年基本呈现四季一致正距平，异常强降水主要集中在6—9月，对全年降水量增加的贡献最大。20世纪20—30年代则呈现完全相反的趋势，除了个别年份外，3—10月维持持续的负距平，故全年降水量也呈现明显的递减趋势。40年代降水变化平缓；50年代5—7月降水异常偏多，9—11月降水偏少。60年代则与50年代呈现相反的季节分布。70年代9—11月降水偏多，其他月份维持降水负距平。80年代-90年代初期，夏季降水一直维持正距平，这也与之前的分析一致。2000年左右夏季降水明显偏少，但进入21世纪以来，6—9月的降水量持续增多。芜湖市夏季降水量的变化趋势与全年降水量变化最为一致，两者相关系数高达0.79，说明夏季降水量的年代际变化对全年降水量起决定性作用。

2.2 周期变化

图4A中清晰的显示了年降水量小波变换系数的实部的波动特征，具体反映了芜湖市年降水量偏多和偏少交替变换的特性。可以看出，芜湖市年降水量存在40 a，10 a，5 a左右的准周期振荡。从模平方时频分布结果可得：40 a时间尺度的周期振荡最为显著，在这个尺度上共出现了干、湿交替4次，这一点与年降水量序列变化结论一致。1990年之前，年降水量一直存在准10 a的周期，但这种周期在近20 a变得不再显著。5 a左右的周期变化时间较短，且不连续，波动能量集中在1900—1920年，2000—2019年。总体来看，准40 a的周期振荡贯穿整个140年，是影响未来芜湖地区降水量的主要时间尺度。

图4B显示，在整个时间域上芜湖市春季降水量具有80 a尺度的年代际变化周期。另外，芜湖市春季降水也存在在30～40 a的周期变化；1940—1980年存在准20 a周期变化；1880—1940年、1880—2019年为准10 a周期变化。但整体信号强度明显比年降水量弱，这说明春季降水量的周期振荡并不十分显著。其中，10 a时间尺度的周期表现最强，其他长周期波动能量较弱。

从图4C可以看出，夏季降水量的周期变化特征与年降水量十分相似，但周期振荡时段与年降水量有所不同。夏季降水量小波实部等值线在40 a左右的振荡最为明显。除此之外，芜湖市夏降水量一直存在准10 a的周期，但在1880—1940年、1950—1980年波动最为显著。1890—1920年、1970—2019年，芜湖市夏季降水量还存在准5 a的周期变化。但夏季降水量的准10 a 、5 a周期的振荡中心与年降水量的振荡中心不同。

由图4D可见，秋季降水量整个周期上存在60 a的年代际变化周期，1960年之前存在30 a的周期，这两个周期主要集中在2000年之前，另外在整个时间域上具有10 a尺度的变化周期，并且周期振荡十分显著。

冬季降水量在整个时间域上存在80 a的年代际变化周期(图4E)，除此之外，20世纪60年代之前存在20～25 a的变化周期，但这种变化周期在1960—2000年之间缩短至15 a左右，2000年之后，又变成了20 a左右的周期变化。另外，20世纪40年代之前芜湖市秋季降水还存在10 a的周期变化。综上所述，芜湖市年、四季的降水量均存在多个周期，且有一致的准10 a周期，但在长周期上分布有所不同。

图4 1880-2019年芜湖市降水量的Morlet小波变换实部

2.3 突变特征

芜湖市百年降水量序列较长，除了存在周期性变化，还存在变化显著的年份，需要进行突变检验。不同的突变检验方法各有优缺点，本文采用Mann-Kendall检验并结合图3的累积距平对芜湖市百年年降水量、四季降水量的突变特征进行分析。若某时段内UF和UB曲线交点太多，则没有明显的统计学意义。去除掉交点太多的时段后，芜湖市年降水量的UF和UB主要相交于1901年、1924年、1954年、2014年(图5A)，这些年份也是累积距平场上的转折年份，说明这些年份降水量变化幅度较大。图5B显示春季降水量UF和UB在1901年、1925年、2002年、2014年相交，考虑到累积距平(图3B)的变化，确定1901年、1925年、2002年为春季降水量的突变年。夏季降水量的UF和UB曲线交于1885年、1905年、1921年、2006年(图5C)，由于累积距平中2006年不是转折年份(图3C)，确定1885年，1905年，1921年为夏季降水量突变年，结合夏季降水的周期变化和年代际变化特征，这3个年份降水都有明显的转折，具有气候学意义。秋季降水量UF和UB主要相交于1901年、1922年、1977年、1984年、2011年(图5D)，在累积距平曲线上(图3D)除了1977年，其他年份都是转折年，因此1901年、1922年、1984年、2011年秋季降水量增多或减少显著。MK检验(图5E)和累积距平(图3E)均显示冬季降水量的突变年为1997年，这表明1997年之后，冬季降水量呈现明显的上升趋势。

图5 1880-2019年芜湖市降水量的Mann-Kendall突变检验

3 结 论

(1) 近140年来芜湖市年降水量仅呈略微上升趋势，但各季节变化趋势明显不同，其中夏季降水量增加趋势最为明显，冬季次之；秋季没有明显的增加趋势；春季降水量则呈现较明显的递减趋势，21世纪以来这种递减趋势更为显著。

(2) 不同季节降水的周期也有所不同。芜湖市年降水量和夏季降水量周期时间尺度基本一致，整个时间域内受40 a，10 a和5 a等3个时间尺度波动变化所影响，但10 a和5 a时间尺度的周期振荡时段不同。春季降水量存在80 a，40 a，20 a和10 a共4个时间尺度的周期变化规律；秋季降水量存在60 a，30 a和10 a的准周期变化；冬季降水量在存在80 a，15～20 a和10 a等3个周期，其中15～20 a左右周期较明显，是主导周期。对比发现，年降水量及四季降水量多雨期和少雨期交替分布与其周期变化十分吻合，不同季节的周期变化影响着各季节降水量的干湿交替变化。

(3) 各季节的突变年是多雨期、少雨期的转换年，与降水量的周期变化对应关系较好。除了冬季外，1900年、1920年左右都是年、各季降水量一致的突变年，故1900年左右全年和各季降水量呈明显增多的趋势，1920年则呈现显著的递减趋势。除此之外，春季在2002年开始呈现明显的减弱趋势；秋季在1984年、2011年也存在突变，特别是2011年以来，秋季降水量偏多的趋势更加明显；冬季降水量在1997年之后处于偏高期。

综上，19世纪90年代-1920年芜湖市各季节降水变化趋势基本一致，这种一致性在百年芜湖市降水变化中非常罕见。1940年之后，各季节的年代际分布差异性逐渐增大，突变分析也显示了近20 a来各季降水量变化趋势差异性更为显著。近140年来这种各季气候趋势的差异性逐渐增大是否与全球变暖有关？是否是整个长江中下游的共同特征？这些问题还需要进一步深入研究。