摘要：利用50年江浙滬地區(qū)30個氣象基準(zhǔn)臺站的逐日降水資料，采用線性回歸分析、Mann-Kendall（M-K）趨勢和突變分析、Morlet小波分析、GIS技術(shù)和EOF分解技術(shù)分析和研究了1961-2010年江浙滬地區(qū)降水時空變化特征。結(jié)果表明，江浙滬地區(qū)50年來夏季降水量呈現(xiàn)出一個總體上升的趨勢，上升幅度8月>7月>6月；對江浙兩省夏季降水量距平進(jìn)行EOF分解，發(fā)現(xiàn)江浙地區(qū)降水量距平總體呈現(xiàn)出一致的增加趨勢，江蘇省降水距平場呈“西北-東南”向分布，浙江省的降水距平場呈“東北-西南”向分布；江浙滬地區(qū)降水量和各月降水量均有3年左右的振蕩周期，此外還各自存在3～8年不等的振蕩周期，16年以上的年代際周期不顯著。

關(guān)鍵詞：江浙滬地區(qū)；降水量；時空分布；EOF分解；Morlet小波分析

中圖分類號：P426.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）14-3581-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.012

Abstract： Basing on the daily precipitation data of 30 meteorological stations from 1961 to 2010 of Jiangsu-Zhejiang-Shanghai area， the temporal and spatial distribution of summer rainfall in Jiangsu-Zhejiang-Shanghai area was analyzed by the linear regression analysis， Mann-Kendall（M-K） trends and mutation analysis， Morlet wavelet analysis， GIS technology and EOF analysis. The results showed that， in 50 years， summer precipitation in Jiangsu-Zhejiang-Shanghai area presented an overall trend. Furthermore， the growth of precipitation in August was faster than in July， the growth of precipitation in July was faster than in June. Using spatial decomposition of summer rainfall anomaly by EOF， it was shown that precipitation anomaly presented a consistent increase general trend in Jiangsu-Zhejiang area. The precipitation anomaly field in Jiangsu province presented the distribution of northwest to the southeast. The precipitation anomaly field in Zhejiang province presented the distribution of northeast to the southwest. Annual precipitation and monthly precipitation in Jiangsu-Zhejiang-Shanghai area had an oscillation period of about 3 years. Besides， these regions existed the oscillation period from 3 years to 8 years independently. However， the period more than 16 years was indistinctive.

Key words：Jiangsu-Zhejiang-Shanghai area； precipitation； temporal and spatial distribution； EOF； Morlet wavelet

在全球變暖的大背景下，氣候變化對人類的影響受到了廣泛的關(guān)注。降水是衡量氣候變化的重要因素之一，是農(nóng)作物生長和發(fā)育必不可少的客觀條件，其變化對于人類的生產(chǎn)、生活有著重要的影響。

20世紀(jì)中葉以來，國內(nèi)外學(xué)者對降水的時空變化規(guī)律有許多方面的研究，研究內(nèi)容主要集中在降水的多時間尺度分析[1-3]、利用EOF分解對降水空間分布規(guī)律的研究[4-6]、基于GIS技術(shù)的降水空間分布研究[7，8]、小波變換[9-11]、趨勢及突變檢驗[12，13]等方面。Fowler等[14]運用小波變換的方法研究在全球變暖的條件下強降水的時間周期規(guī)律；Basistha等[15]運用多尺度時間分析法分析了印度喜馬拉雅地區(qū)降水時空分布規(guī)律；Becker等[16]運用Mann-Kendall趨勢檢驗和地理空間分析方法分析了長江流域過去50年的降雨趨勢；Chu等[17]運用GIS空間分析技術(shù)和小波時間周期分析技術(shù)分析了海河盆地的降水時空分布規(guī)律；姚淑霞等[18]分析了科爾沁沙地奈曼旗地區(qū)1970- 2010年降水的多時間尺度；許月卿等[19]基于小波理論分析了河北平原降水的變化規(guī)律；吳昊旻等[20]利用1971- 2009年的降水資料分析了浙江省降水的時空分布規(guī)律；陸忠艷等[21]基于GIS技術(shù)分析了遼寧省氣溫和降水的空間分布。

江浙滬地區(qū)位于亞洲大陸東岸的中緯度地帶，屬于中國長江下游的長三角地區(qū)，處在亞熱帶和暖溫帶的氣候過渡地帶，是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候控制區(qū)。在太陽輻射、大氣環(huán)流以及長三角地區(qū)特定的地理位置、地貌特征共同影響下，江浙滬地區(qū)基本的氣候特點是四季分明、氣候溫和、季風(fēng)顯著、冬冷夏熱、雨量充沛、降水集中、梅雨季顯著。30個站點的氣象統(tǒng)計分析資料表明，江浙滬地區(qū)降水多集中在夏秋季，以夏季最為集中。江浙滬地區(qū)50年來夏季年平均降水量為495.15 mm，占全年總降水量的40%以上，暴雨、臺風(fēng)等強對流天氣以及洪澇等地質(zhì)災(zāi)害在夏季也比較頻繁地發(fā)生。目前，降水時空分布規(guī)律的研究主要集中于單一省份和大城市，而對于大范圍地區(qū)如長三角、珠三角等地區(qū)研究較少。由于降水與農(nóng)作物產(chǎn)量密切相關(guān)，通過對降水分布和變化的研究，可進(jìn)一步了解農(nóng)作物的產(chǎn)量變化特征，以及江浙滬地區(qū)整體氣候變化的趨勢，其結(jié)果可為江浙滬地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展、城市發(fā)展和規(guī)劃提供參考。

1 數(shù)據(jù)和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以江浙滬地區(qū)30個站點1961- 2010年逐日降水資料為基礎(chǔ)，資料的時間序列長度為50年，通過進(jìn)一步站點的篩選，選取資料完整、地形地貌特征具有較好代表性的27個臺站為代表站，并以其為基礎(chǔ)展開研究。圖1為江浙滬地區(qū)臺站分布圖，其中江蘇省臺站12個，浙江省臺站14個，上海市臺站1個。

1.2 研究方法

應(yīng)用線性傾向估計法進(jìn)行估計計算、M-K（Mann-Kendall）突變及趨勢檢驗，詳見文獻(xiàn)[22]和文獻(xiàn)[23]。估計計算江浙滬地區(qū)夏季降水量的年際變化規(guī)律及其顯著性。Morlet小波[22，23]用于尋找江浙滬地區(qū)降水的周期性變化規(guī)律。

GIS技術(shù)和EOF空間分析[23]，是近年來研究氣象要素時空分布規(guī)律常用的方法，GIS技術(shù)依托ArcGIS軟件對各要素值進(jìn)行插值，從而直觀地得到要素值在指定區(qū)域的分布情況。EOF（Empirical Orthogonal Function）分解是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的空間分析方法，通過把氣象要素分解為時間和空間場量，從而分析各模態(tài)的要素值，能夠使空間要素的特征更直觀地得以呈現(xiàn)。近幾年EOF技術(shù)迅猛發(fā)展，在大氣科學(xué)學(xué)科被廣泛應(yīng)用于強迫氣候信號的檢測和估計、氣候數(shù)值模擬模型的構(gòu)建、氣候時間信號的檢測和估計等方面。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季降水量的多時間尺度趨勢分析

2.1.1 夏季降水量年變化趨勢分析 由圖2a可見，50年來，江浙滬地區(qū)夏季降水量總體呈現(xiàn)上升趨勢，一元線性擬合的結(jié)果為y=2.68 x+430.797，從中可知50年來降水的年傾向率為2.680 mm。由圖2b可見，UFk線大部分大于0，說明江浙滬地區(qū)1961年以來降水量呈整體上升趨勢。而在1987年以后UFk超出了0.05的置信度基準(zhǔn)線，說明上升的趨勢進(jìn)一步顯著。UFk與UBk在1980- 1985年之間有突變交點，之后江浙滬地區(qū)降水量急劇上升，分析其成因主要是因為1980年來，隨著人類活動的日益頻繁，中國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，特別是長三角地區(qū)工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)，導(dǎo)致氣候變暖趨勢加劇，從而導(dǎo)致降水量的增加。

由圖3可見，50年來，江浙滬夏季降水呈現(xiàn)出比較明顯的年代際變化特征。1961-1974年，除1962、1965年降水量高于50年平均降水量外，其余年份降水量均低于50年平均降水量，為少雨期；1975-1988年，多雨期和少雨期交替出現(xiàn)，交替周期為1～3年；1989-2002年，降水量表現(xiàn)為一致的大于平均水平，在這個時間周期中，江浙滬地區(qū)進(jìn)入豐雨期；2003-2010年，多雨期和少雨期再次交替出現(xiàn)，但是周期相對穩(wěn)定且較短，以2年左右的循環(huán)周期為主。

7年滑動平均在這里起到低通濾波的作用，可以比較有效地濾掉降水的年際振蕩，從而更為直觀容易地觀察到降水的年代際變化規(guī)律，圖3中曲線的變化趨勢表明，20世紀(jì)60年代至80年代中期降水量整體偏少，1970、1976、1979年分別達(dá)到少雨量的3個峰值，其中以1970年的降水量減少最為顯著；20世紀(jì)60年代至70年代的降水明顯少于20世紀(jì)70年代至80年代的降水，但是總體都是偏少趨勢。20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，降水量表現(xiàn)為顯著上升趨勢，1998年前后到達(dá)峰值。2002年后，降水量表現(xiàn)為減少的趨勢，2004年前后達(dá)到一個減小的峰值。

以降水距平百分率≥25.00%為澇，降水距平百分率≤-25.00%為干旱[24]來研究江浙滬地區(qū)整體的旱澇時間分布。干旱的年份為1961、1964、1966、1967、1971、1978、2004年，其中干旱嚴(yán)重的是1967和1978年，降水的距平百分率分別為-49.00%和 -41.11%。洪澇的年份相對較少，只有1993、1997、2001年3個年份達(dá)到洪澇指標(biāo)，降水距平百分率分別為29.11%、25.14%、29.38%。

2.1.2 夏季降水量月變化趨勢分析 由圖4a可見，50年來，江浙滬地區(qū)6月降水量總體呈現(xiàn)上升趨勢，一元線性擬合的結(jié)果為y=0.54 x+171.93，從中可知50年來降水的年傾向率為0.540 mm。由圖4b可見，UFk線大部分大于0，說明江浙滬地區(qū)1961年以來6月降水量呈整體上升趨勢。而在1989年以后UFk超出了0.05置信度區(qū)間，說明上升的趨勢顯著。UFk與UBk在1981年有突變交點，在這突變點之后的年份江浙滬地區(qū)6月降水量急劇上升。從圖4c、圖4e可以看出7、8月江浙滬50年降水均呈上升趨勢，一元線性擬合的結(jié)果分別為y=0.79 x+141.54和y=1.44 x+115.99，降水的年傾向率分別為0.790和1.440 mm。M-K檢驗結(jié)果由圖4d、圖4f給出，江浙滬7月和8月的降水均呈現(xiàn)出整體上升趨勢。7月降水在1983年前后有一個突變點，之后7月降水量急劇上升，并在1986年前后超越了0.05的置信區(qū)間，呈顯著上升趨勢。相比之下，江浙滬地區(qū)8月降水量的突變點出現(xiàn)在1985年前后，而直到2000年前后，降水的變化才超過了0.05置信區(qū)間，呈顯著上升趨勢。

由圖4a、圖4c、圖4e對比江浙滬地區(qū)6月、7月、8月降水的年際變化趨勢，降水的傾向率分布呈8月>7月>6月，這表明8月對于夏季降水量整體的增加貢獻(xiàn)最大，同時也表明8月降水總量在整個夏季降水中的比重將有所增加。對照天氣形勢分析其原因，可能是由于副熱帶高壓南北移動周期增長，8月份副熱帶高壓向南移，江浙滬地區(qū)再次進(jìn)入雨期，由于天氣形勢穩(wěn)定，導(dǎo)致雨期增長，從而導(dǎo)致降水量的增加。

由表1可見，夏季降水量均呈增加趨勢，以降水增減量、降水增減幅度來研究6、7、8月降水的增加大小和幅度，其中降水增減量=降水線性傾向率×年份，降水增減幅度=降水增減量/年平均降水量×100%。從分析結(jié)果看出，8月降水增加最為顯著，為72.0 mm；6月降水量增加最為緩慢，為27.0 mm。8月的降水增加幅度達(dá)到48.1%，超過了另外兩個月的總和。從季節(jié)來看，夏季（6、7、8月）整體表現(xiàn)為增加的趨勢，降水增量為134.0 mm，降水增幅為27.1%。

2.2 夏季降水量的空間分布

EOF分解后的特征量雖然不能夠代表降水量的大小，但是可以反映出降水的變化特征和空間分布情況，在將降水量矩陣化的過程中，由于距平場有較高的穩(wěn)定性，所以將降水?dāng)?shù)據(jù)做距平處理。由于選取江浙地區(qū)26個站點作為研究對象，所以EOF分解的結(jié)果將以26個模態(tài)的形式出現(xiàn)，26個模態(tài)對結(jié)果的貢獻(xiàn)率也不盡相同，從中選取貢獻(xiàn)率高的一個或幾個模態(tài)來研究江浙滬地區(qū)降水的空間分布規(guī)律是可行的。

由表2可見，EOF分解的26個模態(tài)中，前4個模態(tài)對樣本的貢獻(xiàn)率分別為30.58%、25.22%、10.94%、5.81%，累計貢獻(xiàn)率為72.55%，其余22個特征向量的貢獻(xiàn)率僅占到27.45%。又由于第一、第二向量已經(jīng)占到總方差的55.80%，既能夠較好地表征江浙滬地區(qū)降水量場的變化特征，又具有較強的物理表征意義，因此，對第一和第二向量進(jìn)行分析對該區(qū)域降水量具有良好的代表性。

圖6為江浙滬夏季降水量的第一特征向量（a）和第二特征向量（b）的空間分布圖。第一特征向量表征一個大尺度特征場，是降水分布的一個平均場。從圖6a中可以看出，夏季降水量距平除了在江蘇西南部和浙江東南部個別地區(qū)有微弱的減少趨勢外，在江浙大部分地區(qū)均呈現(xiàn)出一致的增加趨勢，反映出江浙地區(qū)降水量年變化要么呈現(xiàn)一致的上升，要么呈現(xiàn)一致的下降趨勢，這與先前的時間分析結(jié)果基本一致。其最高值中心出現(xiàn)在江蘇西北部、江蘇東南部、浙江東北部地區(qū)，反映出上述地區(qū)降水變化量大。

第二特征向量場（圖6b）的空間分布表明江浙地區(qū)夏季降水的另外一個空間分布特征。江蘇地區(qū)降水距平量呈現(xiàn)出西北地區(qū)增加、東南地區(qū)減少的分布特征，等值線呈現(xiàn)出“東北-西南”向分布，其中，西北地區(qū)等值線最大值為0.4，東南地區(qū)等值線最小值為-0.3。以徐州為中心的蘇北地區(qū)為高值區(qū)，以南京為中心的蘇中地區(qū)為另一個高值中心區(qū)，降水量的增加最為顯著；而常州、南通一帶為低值中心區(qū)，降水量距平呈減少的趨勢。浙江地區(qū)降水距平量呈現(xiàn)出西南、東部微弱減少，中部微弱增加的自西向東“- + -”的格局，以麗水為中心的地區(qū)是強低值區(qū)，以金華為中心的浙江中部地區(qū)為等值線的一個微弱高值區(qū)，該區(qū)域占到浙江省總面積的1/2以上，浙江省東部極小的區(qū)域等值線的分布為負(fù)。

2.3 夏季降水量變化多尺度小波分析

圖7為江浙滬地區(qū)50年降水量的年變化和月（6、7、8月）變化的Morlet小波功率譜、時間功率譜、2～8年尺度平均時間序列圖，分別以圖a、圖b、圖c表示，圖a中虛線部分包圍區(qū)域表示通過0.05顯著水平的白噪聲檢驗區(qū)域，對比年變化和夏季各月變化可以看出，均存在一個2～8年左右的年際振蕩周期。

由圖Ⅰa和圖Ⅰb可以看出，江浙滬地區(qū)年降水量存在準(zhǔn)2、3年的振蕩周期，周期強度隨著時間發(fā)生變化（圖Ⅰa、圖Ⅰc），準(zhǔn)2年周期出現(xiàn)在1960年代初和1970～1990年之間，1965～1970年之間為準(zhǔn)3年的周期。與此同時，小波功率譜還分析出一個周期為16年左右的周期，但是沒有通過顯著性檢驗。

由圖Ⅱa和圖Ⅱb可以看出，江浙滬地區(qū)6月降水量存在3～10年左右的周期，且隨時間發(fā)生一定變化（圖Ⅱa、圖Ⅱc）。1970年以前，6月降水量無明顯的周期變化；1971～ 1983年之間為準(zhǔn)4年的周期；1984～ 1993年是一個準(zhǔn)2年的周期；1994-2010年分別有2個周期，分別是一個準(zhǔn)3年的周期和一個準(zhǔn)7年的周期，同時小波功率譜還檢測到一個16～32年左右的周期。

由圖Ⅲa和圖Ⅲb可以看出，江浙滬地區(qū)7月降水量存在3～8年左右的周期，且隨時間發(fā)生一定變化（圖Ⅲa、圖Ⅲc）。1960～1972年，江浙滬7月降水量呈現(xiàn)出一個準(zhǔn)4年周期；1973～2000年，7月降水量呈現(xiàn)出2個周期的分布，分別為一個準(zhǔn)3年的周期和一個準(zhǔn)6年的周期，但是通過Ⅲ（b）時間功率譜可知，6年的時間周期信號更為強烈。

由圖Ⅳa和圖Ⅳb可以看出，江浙滬地區(qū)7月降水量存在一個穩(wěn)定的3年左右的周期，且隨時間的變化長期穩(wěn)定存在（圖Ⅳa、圖Ⅳc）。

3 小結(jié)與討論

1）江浙滬地區(qū)50年來，夏季降水量呈現(xiàn)出一個總體上升的趨勢，上升的幅度約為每10年增加26.8 mm。逐月分析發(fā)現(xiàn)，夏季降水量呈現(xiàn)一致的增加趨勢，其中8月增幅最大，6月增幅最小。由降水距平百分率可以衡量江浙滬地區(qū)的旱澇程度，發(fā)現(xiàn)江浙滬地區(qū)干旱的年份多于洪澇的年份，且干旱的程度較洪澇程度而言顯得更嚴(yán)重。

2）對江浙兩省夏季降水量距平進(jìn)行EOF分解，除浙江省和江蘇省部分地區(qū)有微弱的負(fù)值外，江浙地區(qū)降水量距平總體呈現(xiàn)出一致的增加趨勢。江蘇省的降水距平場呈“西北-東南”向分布，浙江省的降水距平場呈“東北-西南”向分布。

3）對江浙滬地區(qū)年降水量和夏季各月降水量進(jìn)行Morlet小波分析，結(jié)果表明年降水和各月降水量變化存在著不同時間周期的振蕩。其中年降水量和各月降水量均有3年左右的振蕩周期，此外還各自存在3～8年不等的振蕩周期，以8月降水量變化的周期最為單一穩(wěn)定。部分月份檢測出16、32年及以上的年代際周期振蕩。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉 東，付 強.基于小波變換的三江平原低濕地井灌區(qū)年降水序列變化趨勢分析[J].地理科學(xué)，2008，28（3）：380-384.

[2] 劉新平，何玉惠，趙學(xué)勇，等.科爾沁沙地奈曼旗地區(qū)降水變化特征分析[J].水土保持研究，2011，18（2）：155-158.

[3] 蘇宏超，沈永平，韓 萍，等.新疆降水特征及其對水資源和生態(tài)環(huán)境的影響[J].冰川凍土，2007，29（3）：344-350.

[4] 南慶紅，楊 舵，楊 青.應(yīng)用EOF方法分析新疆降水變化特征[J].中國沙漠，2003，23（5）：554-559.

[5] 邱海軍，曹明明，劉 聞.基于EOF的陜西省降水變化時空分異研究[J].水土保持通報，2011，31（3）：57-59.

[6] TILMAN D，WEDIN D，KNOPS J. Productivity and sustainability influenced by biodiversity in grassland ecosystems[J].Nature， 1996（379）：718-720.

[7] 陳亞寧，徐長春，楊余輝，等.新疆水文水資源變化及對區(qū)域氣候變化的響應(yīng)[J].地理學(xué)報，2009，64（11）：1331-1339.

[8] WANG W G，SHAO Q X，PENG S Z，et al. Spatial and temporal characteristics of changes in precipitation during 1957-2007 in the Haihe River basin，China[J].Stochastic Environmental Research and Risk Assessment，2011，25（7）：881-895.

[9] 辛 渝，陳洪武，張廣興，等.新疆年降水量的時空變化特征[J].高原氣象，2008，27（5）：993-1003.

[10] 李雪梅，姜逢清，李蘭海，等.塔里木河北源及干流區(qū)域降水變化趨勢與多尺度特征對比[J].冰川凍土，2010，32（2）：285-294.

[11] 李春強，杜毅光，李保國.1965-2005年河北省降水量變化的小波分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2010，29（11）：1340-1344.

[12] 簡 虹，駱云中，謝德體.基于Mann-Kendall法和小波分析的降水變化特征研究[J].西南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011， 36（4）：217-222.

[13] 劉亞龍，王 慶，畢景芝，等.基于Mann-Kendall方法的膠東半島海岸帶歸一化植被指數(shù)趨勢分析[J].海洋學(xué)報，2010，32（3）：79-87.

[14] FOWLER A M，HENNESSY K J. Potential impacts of global warming on the frequency and magnitude of heavy precipitation[J].Natural Hazards，1995，11（3）：283-303.

[15] BASISTHA A，ARYA D S，GOEL N K. Analysis of historical changesin rainfall in the Indian Himalayas[J]. International Journal of Climatology，2009，29（4）：555-572.

[16] BECKER S， GEMMER M， JIANG T. Spatiotemporal analysis of precipitation trends in the Yangtze River catchment[J]. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment，2006，20（6）：435-444.

[17] CHU J T，XIA J，XU C Y，et al.Spatial and temporal variability of daily precipitation in Haihe River basin，1958-2007[J].Journal of Geographical Sciences，2010，20（2）：248-260.

[18] 姚淑霞，張銅會，趙傳成.科爾沁沙地奈曼旗1970—2010年降水的多時間尺度分析[J].中國沙漠，2014，34（2）：542-549.

[19] 許月卿，李雙成，蔡運龍.基于小波分析的河北平原降水變化規(guī)律研究[J].中國科學(xué)D輯：地球科學(xué)，2004，34（12）：1176-1183.

[20] 吳昊旻，楊羨敏，姜燕敏.浙江省夏秋季降水量時空分布特征及趨勢演變規(guī)律[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2011，32（3）：326-330.

[21] 陸忠艷，李長青，袁子鵬，等.基于GIS的遼寧氣溫和降水空間擴展方法[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2008，29（1）：90-93.

[22] 黃嘉佑.氣象統(tǒng)計分析與預(yù)報方法[M].第三版.北京：氣象出版社，2004.

[23] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù)[M].第二版.北京：氣象出版社，1999.

[24] 黃榮輝，徐予紅，周連童.我國夏季降水的年代際變化及華北干旱化趨勢[J].高原氣象，1999，18（4）：465-476.