許永姿

摘 要：本文利用長(zhǎng)江中下游地區(qū)1961—2010年88個(gè)測(cè)站夏季（6—8月）的逐日降水資料，NOAA延伸再建的海表面溫度資料和NCEP/NCAR再分析500hPa高度場(chǎng)資料。通過(guò)第95百分位法統(tǒng)計(jì)出極端降水序列，采用EOF、REOF分解、線性傾向估計(jì)以及M-K突變性檢驗(yàn)等方法對(duì)我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季極端降水時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示：長(zhǎng)江中下游夏季極端降水閾值空間分布差異較大，大致呈現(xiàn)東高西低，南多北少的分布形勢(shì)。其中閾值高值區(qū)位于贛鄂皖3省的交界處，高低值相差達(dá)40mm/d；夏季極端降水在一致性異常特征的基礎(chǔ)上，存在著南北反向差異；并可以再劃分為6種主要的空間型：分別為運(yùn)河流域型、入海型、兩湖平原型、南部型、北方型和沿海型。6種主要空間型的夏季極端降水年際變化特征并不完全一致，但從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)來(lái)看，除了湘北、贛北及長(zhǎng)江中下游地區(qū)東北部，這3塊小區(qū)域的極端降水表現(xiàn)為減少外，其余區(qū)域均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)；進(jìn)入20世紀(jì)90年代，長(zhǎng)江中下游地區(qū)整體夏季極端降水偏多。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江中下游地區(qū)；夏季；極端降水量；空間分布

中圖分類(lèi)號(hào)：S16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170732068

引言

長(zhǎng)江作為我國(guó)的第一大河，因其地理位置優(yōu)越，雨量充沛，資源豐富，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、居住人口密集的地區(qū)。入夏長(zhǎng)江流域進(jìn)入雨季，受夏季風(fēng)影響，長(zhǎng)江中下游降水豐沛且集中，所以出現(xiàn)暴雨概率較大，經(jīng)常面臨洪澇災(zāi)害的威脅。尤其是20世紀(jì)90年代后，長(zhǎng)江中下游地區(qū)共發(fā)生了6次大洪水事件，成為了近1000a以來(lái)全國(guó)洪水發(fā)生頻率最高的年代之一[1]。據(jù)IPCC報(bào)告[2]，全球氣候變暖會(huì)加速水汽循環(huán)，將帶來(lái)降水的增加，并在全球的各區(qū)域呈現(xiàn)不同變化。龔道溢[3]發(fā)現(xiàn)自20世紀(jì)70年代以來(lái)，全國(guó)東部地區(qū)的降水量有顯著上升；與全球氣溫近幾十年的變暖趨勢(shì)一致[4]。

極端天氣和氣候事件作為一種小概率事件，突發(fā)性強(qiáng)，影響范圍廣，因而嚴(yán)重影響人類(lèi)的生存環(huán)境，阻礙世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步[5]。已有研究表明，近50a來(lái)中國(guó)年降水量雖無(wú)明顯的極端變化傾向，但雨日顯著減少，降水強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，強(qiáng)降水事件欲趨集中，大范圍的洪澇事件出現(xiàn)頻率明顯增強(qiáng)[6]。劉學(xué)華[7]等人認(rèn)為，全國(guó)強(qiáng)降水日指數(shù)與強(qiáng)降水比率指數(shù)的整體線性變化呈上升趨勢(shì)。瞿盤(pán)茂[8]等人研究表明，近50a來(lái)長(zhǎng)江及其以南地區(qū)極端降水事件逐漸趨于頻繁。目前一些中外學(xué)者對(duì)中國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的極端降水時(shí)空分布特征進(jìn)行了細(xì)致研究。蘇布達(dá)[8]等人指出1986年以來(lái)長(zhǎng)江流域洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，突出表現(xiàn)在中下游地區(qū)，究其緣由主要是因長(zhǎng)江流域東南部和西南部極端降水強(qiáng)度和頻率增加所致，并與長(zhǎng)江流域的極端降水時(shí)空分布型態(tài)的變化密切相關(guān)。張永領(lǐng)[9]等人發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江流域的極端強(qiáng)降水量、降水強(qiáng)度和日數(shù)在長(zhǎng)江中下游呈現(xiàn)顯增加趨勢(shì)，極端強(qiáng)降水量變化的空間分布存在顯著的差異。

本文利用長(zhǎng)江中下游地區(qū)1961—2010年近50a的逐日降水資料，對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的夏季極端降水的空間分布特征與時(shí)間演變規(guī)律進(jìn)行了分析，不僅對(duì)掌握該地區(qū)氣候背景狀況與自然環(huán)境變化有著很重要的意義，并且對(duì)掌握該地區(qū)與全球氣候變化的微妙聯(lián)系，全面掌握全球氣候異常和預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化，都有一定必要性。

1 資料與方法

1.1 資料的選取與處理

本文選用取國(guó)家氣象信息中心提供的743站逐日降水資料，時(shí)間取自1961—2010年，共計(jì)50a。研究區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)江中下游地區(qū)（E108～123，N24～36），具體是指南嶺以北，秦嶺——淮河一線以南，巫山以東的廣大區(qū)域，包括湖南、湖北、江蘇、浙江、江西、安徽和上海6省1市。該區(qū)域地勢(shì)低平，以平原丘陵為主，中游平原包括湖北江漢平原、江西鄱陽(yáng)湖平原、湖南洞庭湖平原；下游平原包括長(zhǎng)江沿岸平原和巢湖平原及江蘇、浙江、上海之間的長(zhǎng)江三角洲。由于測(cè)站發(fā)生變遷等，剔除降水資料長(zhǎng)度不足50a的站點(diǎn)，最后選取了88個(gè)站點(diǎn)。所選區(qū)域站點(diǎn)相對(duì)分布較均勻，且在空間分布上較密集。

1.2 方法簡(jiǎn)介

在我國(guó)通常把日降水量大于50mm稱(chēng)為暴雨，把日降水量大于25mm稱(chēng)為大雨。但對(duì)于不同的地區(qū)而言，極端強(qiáng)降水事件是不能夠完全用全國(guó)統(tǒng)一固定的日降水量定義的，因?yàn)檫@樣可能出現(xiàn)部分地區(qū)極端氣候事件過(guò)于頻繁，而另一地區(qū)極端氣候事件鮮少發(fā)生[10]。為了充分考慮降水的區(qū)域間的差異從而更好地反映降水變化的區(qū)域性特征，本文采用長(zhǎng)江中下游各站1961—2010年逐年6—8月日降水量序列的第95個(gè)百分位值的50a平均定義為該臺(tái)站的極端降水事件閾值，當(dāng)該站某日降水量大于該閾值時(shí)，稱(chēng)之發(fā)生了極端降水事件[9]，據(jù)此統(tǒng)計(jì)出長(zhǎng)江中下游地區(qū)逐年夏季各站的極端降水總量并建立相應(yīng)的時(shí)間序列。

為了解長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季極端降水時(shí)空分布特征，這里采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解法（EOF）[11]分離時(shí)間空間場(chǎng)。EOF分解法亦稱(chēng)為主分量分析，它收斂速度快，容易將變量場(chǎng)的信息集中在幾個(gè)模態(tài)上，再結(jié)合旋轉(zhuǎn)正交函數(shù)分解法（REOF）[12]，能更好地了解典型空間分布結(jié)構(gòu)。本文為了消除地理位置、地形及不同月份的影響，對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季極端降水序列進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用EOF對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化資料進(jìn)行展開(kāi)，得到空間載荷量及主成分陣，于此基礎(chǔ)上，進(jìn)行REOF展開(kāi)，得到旋轉(zhuǎn)載荷向量和對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)主成分。

為進(jìn)一步掌握時(shí)間序列長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)，運(yùn)用線性傾向估計(jì)[13]和Mann-Kendall法[14]對(duì)時(shí)間序列展開(kāi)了周期分析。

2 長(zhǎng)江中下游地區(qū)的夏季極端降水量空間分布特征

2.1 長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季極端降水閾值分布特征

由長(zhǎng)江中下游地區(qū)1961—2010年夏季極端降水量閾值空間分布分析圖（圖略）可見(jiàn)長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季極端降水閾值分布空間差異很大。其中江西、安徽和湖北交界的一片區(qū)域是極端降水量閾值高值分布區(qū)，其值均大于區(qū)域平均值，其中安徽黃山最高，近80mm/d；而鄂西北、湘南、贛南和浙東北極端降水量閾值相對(duì)較低，其中湖北房縣極端降水閾值最低為40mm/d。由此可見(jiàn)：長(zhǎng)江中下游地區(qū)的夏季極端降水量空間分布差異顯著。據(jù)初步分析，基于研究區(qū)域南北緯相距10多個(gè)維度，東邊靠近海洋，西部居于內(nèi)陸，這種地理位置差異使得長(zhǎng)江中下游地區(qū)內(nèi)的極端降水量空間差異較大。

2.2 長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季極端降水異?？臻g分布特征

對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)88個(gè)臺(tái)站夏季極端降水量做EOF和REOF展開(kāi)，提取主要成分進(jìn)行分析，以及利用其載荷量（LV）與旋轉(zhuǎn)載荷量（RLV）反映出夏季長(zhǎng)江中下游地區(qū)的極端降水量異常的空間分布特征。表（略）給出了旋轉(zhuǎn)前主成分矩陣（PC）對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率，前3個(gè)方差貢獻(xiàn)率分別為13.54%、10.07%、7.35%，總計(jì)30.96%，經(jīng)North檢驗(yàn)前3個(gè)特征向量均通過(guò)，經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)有意義，這是長(zhǎng)江中下游夏季極端降水異常3個(gè)主要的空間模態(tài)。由此可見(jiàn)，隨著時(shí)間尺度的擴(kuò)展，測(cè)站數(shù)量的增多，其主成分與旋轉(zhuǎn)主成分的收斂迅速降低，表明長(zhǎng)江中下游地區(qū)的夏季極端降水量的時(shí)空差異很大。

通過(guò)分析長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季極端降水EOF分析的前3個(gè)模態(tài)的空間分布圖（圖略），第一種特征向量場(chǎng)是整個(gè)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的載荷向量全區(qū)都為正，說(shuō)明整個(gè)長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季極端降水異常呈現(xiàn)一致性特征。即在同一大尺度天氣系統(tǒng)的控制之下，出現(xiàn)極端降水的步調(diào)是一致的。沿江一帶的載荷量值較大，表明該區(qū)域極端降水量變率最大，是異常敏感區(qū)。

第二特征場(chǎng)圖（圖略）與第一特征場(chǎng)有著較大差異，明顯看出以長(zhǎng)江為界，江南與江北的極端降水異常顯示出反向變化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即江北極端降水偏多（偏少）時(shí)，江南極端降水偏少（偏多）。其中安徽和江蘇交界區(qū)、湘南、贛中等區(qū)域的載荷量較大，表明這些區(qū)域極端降水是最容易發(fā)生異常的。探究這種變化特征的形成原因，主要由于西太平洋副熱帶高壓的季節(jié)性北移所致。副熱帶雨帶偏南時(shí)，此區(qū)域南部受副熱帶雨帶影響最容易出現(xiàn)極端降水，北部容易干旱；當(dāng)副熱帶高壓北移而控制該區(qū)域南部之時(shí)，因?yàn)槠浔辈刻幱诟睙釒Ц邏哼吘壢菀壮霈F(xiàn)極端降水，而南部由于受副高控制從而導(dǎo)致高溫少雨。

第三種特征向量圖（圖略）可發(fā)現(xiàn)湘中北地區(qū)夏季的極端降水異常出現(xiàn)與其周?chē)貐^(qū)相反的特征。這是因?yàn)樵谝恍┠攴荩显诟备呖刂葡?，晴熱少雨。特別是在湘江中下游與洞庭湖區(qū)，正處于副高主體之下，降水量明顯減少，干旱特別嚴(yán)重。而湘西北處于副高邊緣，干旱相對(duì)較輕，湘西南與湘東南，由于受臺(tái)風(fēng)等熱帶天氣系統(tǒng)的影響，和地形的抬升作用常出現(xiàn)較多降水，緩和嚴(yán)重的旱情，從而使湖南中部降水與周?chē)貐^(qū)不一致。

為了進(jìn)一步掌握長(zhǎng)江中下游地區(qū)的夏季極端降水異常的次級(jí)地域特點(diǎn)，在EOF展開(kāi)的基礎(chǔ)上，對(duì)得出的前10個(gè)主成分及對(duì)應(yīng)的載荷量進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)（REOF），REOF可以將空間場(chǎng)上與主成分相關(guān)的高值荷載向量區(qū)集中在較小的范圍內(nèi)，從而有利于識(shí)別物理量的空間型。表2給出了旋轉(zhuǎn)后主成分矩陣（RPC）對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率，可見(jiàn)旋轉(zhuǎn)后的各方差貢獻(xiàn)率相較旋轉(zhuǎn)前要均勻分散?？傻?個(gè)主要的空間分區(qū)模態(tài)，這6個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)均比其它大，累積方差貢獻(xiàn)達(dá)到46.37%，基本能反映長(zhǎng)江中下游夏季極端降水的主要異常分布。

6個(gè)主要空間分區(qū)分別為ⅰ區(qū)：運(yùn)河流域型（圖略），該型的解釋方差為9.71%，主要反映了安徽、江蘇南部極端降水的異常特征。其旋轉(zhuǎn)載荷向量大值區(qū)位于長(zhǎng)江下游段以北，中心值是+0.83，代表臺(tái)站是江蘇南京，此地區(qū)位置偏北，極端降水量主要集中在7—9月份；ⅱ區(qū)：入海型（圖略），該型的解釋方差為7.40%，主要反映了浙江北部極端降水的異常特征。旋轉(zhuǎn)載荷向量大值區(qū)位于長(zhǎng)江下游入海段以南，中心值為+0.795，代表臺(tái)站為浙江平湖；ⅲ區(qū)：兩湖平原型（圖略），該型的解釋方差為11.34%，主要反映了湖南北部和湖北南部極端降水的異常特征。旋轉(zhuǎn)載荷向量最大值區(qū)集中于長(zhǎng)江中游沿江兩側(cè)，中心值為-0.769，代表臺(tái)站為湖南省岳陽(yáng)，此地區(qū)位于兩湖平原，乃華南、長(zhǎng)江中下游的過(guò)渡地帶，極端降水峰值出現(xiàn)于6月份；ⅳ區(qū)：南部型（圖略），該型的解釋方差為6.57%，主要反映了湖南南部及江西中南部極端降水的異常特征。旋轉(zhuǎn)載荷向量大值區(qū)位于整個(gè)長(zhǎng)江中下游地區(qū)南部，中心值為-0.7，代表臺(tái)站為江西宜春；ⅴ區(qū)：北方型（圖略），該型的解釋方差為5.56%，主要反映了湖北北部、安徽北部和江蘇北部極端降水的異常特征。旋轉(zhuǎn)載荷量大值區(qū)位于整個(gè)長(zhǎng)江中下游地區(qū)北部，中心值為+0.64，代表臺(tái)站為湖北棗陽(yáng)，該地區(qū)在漢水流域；ⅵ區(qū)：沿海型（圖略），該型的解釋方差為5.79%，主要反映了浙江南部和江西中部偏北極端降水的異常特征。旋轉(zhuǎn)載荷量大值區(qū)位于長(zhǎng)江下游以南，中心值是-0.742，代表臺(tái)站是浙江省麗水，該地區(qū)位于沿海地帶，受臺(tái)風(fēng)影響顯著。

長(zhǎng)江中下游地區(qū)的夏季極端降水量的6個(gè)異常空間分布型分別為運(yùn)河流域型、入海型、兩湖平原型、北部型、南部型、和沿海型。

3 結(jié)論

長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季的極端降水的閾值空間分布的差異較大，安徽、 江西、和湖北交界的區(qū)域?yàn)殚撝荡笾捣植紖^(qū)，而鄂西北、湘南、贛南和浙東北極端降水閾值相對(duì)較小。

夏季極端降水異常主要存在全區(qū)一致變化和南北反向變化2種模態(tài)。其中異常特征最主要的模態(tài)表現(xiàn)為，整個(gè)長(zhǎng)江中下游地區(qū)全區(qū)域一致性，即1961—2010年50a間全區(qū)夏季出現(xiàn)極端降水的步調(diào)是完全一致的。另外，以長(zhǎng)江為界，南北反向變化的模態(tài)也比較重要，即江南降水多（少）時(shí)，北少（多）。

長(zhǎng)江中下游區(qū)域夏季極端降水可以再劃分為6種主要的空間型：分別為運(yùn)河流域型、入海型、兩湖平原型、南部型、北方型和沿海型。

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