陳梅花, 黃晶晶, 周佳敏

(浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)

0 前 言

水汽變化是天氣和氣候變化的主要驅(qū)動(dòng)力[1].近幾十年來(lái)，江浙滬及周邊地區(qū)氣溫持續(xù)上升、降水量季節(jié)分配更加不均、降水強(qiáng)度增大，由此導(dǎo)致極端氣候事件增多、洪旱災(zāi)害威脅加劇[2].江浙滬地區(qū)地勢(shì)西南高、東北低，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候.研究該地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間水汽含量的時(shí)空分布特征，有助于理解、預(yù)測(cè)與防范這一地區(qū)的極端氣候.

整層大氣的水汽含量可用可降水量(precipitable water vapor,PWV)來(lái)表示,以mm為單位.我國(guó)學(xué)者對(duì)可降水量時(shí)空分布特征的研究主要集中在西部干旱區(qū)[3-6]，只有個(gè)別涉及全國(guó)范圍[7],對(duì)我國(guó)濕潤(rùn)地區(qū)的研究不多.現(xiàn)有文獻(xiàn)涉及本研究區(qū)的相關(guān)成果較少，僅楊引明等[8]利用2002—2008 年長(zhǎng)江三角洲地區(qū)GPS資料,分析了大氣可降水量的氣候特征，并重點(diǎn)對(duì)梅雨期的大氣可降水量特征及其與強(qiáng)降水的關(guān)系進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)可降水量與梅雨期強(qiáng)降水量之間有明顯關(guān)聯(lián).雖然既有文獻(xiàn)已對(duì)可降水量的空間分布及季節(jié)變化特征方面進(jìn)行了研究，但對(duì)可降水量變化的長(zhǎng)期時(shí)空特征及其特殊年份可降水量的時(shí)空變化規(guī)律、海陸差異等還缺乏應(yīng)有的研究.

本文采用GIS 空間分析、距平、Mann-Kendall檢驗(yàn)等方法對(duì)1980—2016年江浙滬及周邊地區(qū)可降水量進(jìn)行了分析研究，旨在揭示可降水量的時(shí)空分布規(guī)律、海陸差異及特殊年份的時(shí)空特征等，為有關(guān)部門(mén)提供決策依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

大氣可降水量的研究采用的數(shù)據(jù)來(lái)源多樣，有臺(tái)站觀(guān)測(cè)資料、探空資料、GPS反演、衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演，以及NCEP(national centers for environmental prediction),ECMWF(European centre for medium-range eather forecasts)再分析數(shù)據(jù)等.其中，ECMWF再分析資料將地面臺(tái)站資料、探空數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演結(jié)果、GPS反演數(shù)據(jù)等進(jìn)行同化，得到全球網(wǎng)格點(diǎn)資料[9].本文數(shù)據(jù)來(lái)自ERA-Interim數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集是ECMWF目前最完善的數(shù)據(jù)集,是同化衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)最多的再分析資料[10]，有很多學(xué)者利用該數(shù)據(jù)集的可降水量數(shù)據(jù)做了相關(guān)研究[1,6-7].另外，也有研究表明,ECMWF提供的可降水量數(shù)據(jù)與GPS反演的可降水量比較一致[11].

本文將利用1980—2016年ECMWF大氣可降水量數(shù)據(jù)，討論江浙滬地區(qū)大氣可降水量的長(zhǎng)期變化特征和空間分布差異.可降水量數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.75°×0.75°，利用的數(shù)據(jù)范圍為27°～35.25° N，116.25°～124.5° E.

本文采用日值數(shù)據(jù)，先利用VC編程計(jì)算研究區(qū)各個(gè)格點(diǎn)可降水量,1980—2016年共37 a的年平均值、季節(jié)平均值，再利用Arc GIS軟件分析研究區(qū)內(nèi)可降水量季節(jié)平均值的空間分布和多年變化.本文主要運(yùn)用距平法研究海陸年均可降水量的演變趨勢(shì)，運(yùn)用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法[12]對(duì)可降水量的時(shí)間變化趨勢(shì)及突變進(jìn)行分析，并針對(duì)可降水量異常高和異常低的年份進(jìn)行深入的時(shí)空特征分析，計(jì)算特殊時(shí)段可降水量距平的空間分布，以及代表性地點(diǎn)可降水量在特殊年份的年變過(guò)程.

2 可降水量的空間分布特征

為研究不同季節(jié)江浙滬可降水量的空間分布特征，本文計(jì)算了從1980—2016年春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12 —次年2月)4個(gè)季節(jié)可降水量的多年平均值，得到1980—2016年江浙滬地區(qū)季節(jié)平均可降水量分布,見(jiàn)圖1.

從圖1可以看出，研究區(qū)可降水量分布在海陸、緯度和地形上有較明顯的差異.

夏季(圖1(b))的平均可降水量最高，達(dá)到42～53 mm，南北差異小.這是因?yàn)橄募窘銣貐^(qū)東南季風(fēng)攜帶了大量來(lái)自太平洋的水汽，到達(dá)區(qū)域上空，使可降水量高于其他月份，且夏季大氣環(huán)流對(duì)本區(qū)的影響強(qiáng)度超過(guò)了緯度熱量，所以可降水量南北差異不大.夏季可降水等值線(xiàn)較為特殊，研究區(qū)北部平直等值線(xiàn)被擠壓到鹽城以北.南部受地形影響，打破了隨緯度增加大氣可降水量隨之下降的規(guī)律.在麗水、慶元附近出現(xiàn)了一個(gè)低值中心，可降水量為46 mm,而其東部海域達(dá)到53 mm,西部平原丘陵地區(qū)可降水量也達(dá)到了52 mm.

冬季(圖1(d))平均可降水量最低,為8～22 mm.冬季研究區(qū)受亞洲高壓控制，氣流下沉，來(lái)自蒙古、西伯利亞的冷空氣南下經(jīng)過(guò)江浙滬地區(qū)，氣流寒冷干燥，可降水量少.春季(圖1(a))和秋季(圖1(c))平均可降水量介于二者之間，秋季可降水量平均值稍高.

(a)春季 (b)夏季

(c)秋季 (d)冬季

圖1 1980—2016年江浙滬地區(qū)各季節(jié)多年平均可降水量分布

縱觀(guān)以上數(shù)據(jù)，從緯度差異上看，圖1所示研究區(qū)可降水量在4個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)出南高北低的規(guī)律,這說(shuō)明緯度是控制本區(qū)可降水量的重要因素.從海陸差異上看，研究區(qū)北部可降水量等值線(xiàn)都比較平直，且春季、夏季等值線(xiàn)由大陸向海域傾斜，說(shuō)明這2個(gè)季節(jié)陸地可降水量大于海域可降水量，其中夏季二者差距更明顯；冬季等值線(xiàn)從海洋向大陸稍稍?xún)A斜，這表明同緯度的海洋可降水量高于陸地可降水量.從地形上看，南部山地丘陵地區(qū)可降水量數(shù)值較周?chē)?，春季、秋季和冬季在麗水、慶元附近地區(qū)等值線(xiàn)向低緯凹陷，夏季受地形影響更甚，此地出現(xiàn)一個(gè)封閉的低值中心.

上述分析表明，緯度和地形及季風(fēng)環(huán)流是影響本地區(qū)可降水量空間分布的主要因素.

3 可降水量的時(shí)間變化特征

3.1 年均可降水量隨時(shí)間變化過(guò)程

江浙滬地區(qū)可降水量不僅有顯著的季節(jié)變化，其年際差異也較突出.圖2(a)為1980—2016年研究區(qū)海陸年平均可降水量的變化曲線(xiàn)，其中年均可降水量在2016年最大，1998年次之，在2004年最小，1992年次之；其年際變化較大，趨勢(shì)呈現(xiàn)分段特征，1995年之前波動(dòng)變化，起伏不大，之后出現(xiàn)幾次較大連續(xù)變化.從圖2可知，研究區(qū)可降水量海陸差異不大，但它們之間的對(duì)比關(guān)系并不是隨機(jī)的，大多數(shù)年份海洋上空可降水量小于陸地上空的可降水量，但在2006年之后，海洋上空可降水量一般高于大陸上空的可降水量，2014,2015兩年二者基本持平，這種變化可為海陸氣候要素包括溫度、降雨量等的動(dòng)態(tài)研究提供參考.

(a)年平均可降水量 (b)年平均可降水量距平

圖2 1980—2016年研究區(qū)海陸年平均可降水量及其距平

圖2(b)為年均大氣可降水量距平值的變化.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，陸地大氣可降水量距平值呈波動(dòng)變化的趨勢(shì)，1980—1995年距平值大多是正值，2001—2013年距平值大多是負(fù)值，并在2004年達(dá)到距平值的最低值.最近3 a可降水量逐年上升，2016年甚至超出多年平均值2 mm.2016年陸地可降水量距平達(dá)到最大正值，其次為1998年.海洋上空可降水量距平與大陸的情況基本相似，只在1992年、1995—1997年和2010年海洋可降水量的負(fù)距平比陸地上空大.少數(shù)年份與變化趨勢(shì)相反.以上距平值體現(xiàn)了可降水量變化的程度，可作為氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

3.2 季節(jié)可降水量隨時(shí)間變化過(guò)程

為了更為細(xì)致地研究可降水量的時(shí)間變化，并考慮到可降水量的季節(jié)差異，本文分析了季節(jié)平均可降水量隨時(shí)間的變化過(guò)程，見(jiàn)圖3.

圖3給出了春夏秋冬4個(gè)季節(jié)海陸平均可降水量的多年變化過(guò)程，并添加了線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn).陸地季節(jié)可降水量線(xiàn)性變化有微弱下降趨勢(shì)，而海洋可降水量除了春季有細(xì)微的下降趨勢(shì)外，其他季節(jié)都有細(xì)微上升趨勢(shì)，這說(shuō)明研究區(qū)季節(jié)可降水量以水平波動(dòng)為主；海陸熱力差異導(dǎo)致不同季節(jié)可降水量海陸對(duì)比明顯，春季和夏季陸地可降水量高于海洋，夏季2010—2016年出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)，海洋可降水量高于或相當(dāng)于陸地可降水量，冬季海洋可降水量明顯高于陸地，秋季二者最為接近.

3.1的研究結(jié)果揭示了2016年可降水量最高、1998年居次，而2004年可降水量為37 a中的最低值的原因.圖3可以反映這3 a可降水量偏高或偏低的具體季節(jié).1998年可降水量異常高的季節(jié)分別為春季(圖3(a))和夏季(圖3(b)),其可降水量均達(dá)到了歷年最大值.2016年可降水量異常高的季節(jié)分別為春季(圖3(a))和秋季(圖3(c)),其春季可降水量在歷年中算比較高的，而秋季可降水量達(dá)到歷年最高值.2004年可降水量極端偏低，分別在夏季和秋季達(dá)到歷年最低.

3.3 M-K突變分析

為進(jìn)一步分析可降水量的變化規(guī)律，本文采用M-K 方法分析陸地年均可降水量的突變特性，顯著性水平α=0.05.圖4為研究區(qū)陸地上空年均可降水量M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果(圖中水平虛線(xiàn)表示α=0.05的顯著性水平臨界值).從圖4可以看出，1995年之前UF(正向時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)值)大于0，可降水量有上升趨勢(shì)，但沒(méi)有超過(guò)信度線(xiàn)，說(shuō)明上升趨勢(shì)不明顯;2003年之后,UF值小于0，可降水量有下降趨勢(shì)，2013年超過(guò)信度線(xiàn)，說(shuō)明2013年可降水量下降趨勢(shì)明顯.1995—2003年間可降水量有一個(gè)從下降到上升的短期波動(dòng).UF和UB(逆向時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)值)2條曲線(xiàn)在1995年、2001年相交，且交點(diǎn)位于顯著性水平臨界線(xiàn)之間，表明可降水量在1995年、2001年發(fā)生了突變，可降水量由增加到減少.M-K突變分析結(jié)果表明，研究區(qū)陸地上空可降水量多年變化以波動(dòng)為主，只在個(gè)別年份可降水量出現(xiàn)極端值，如1998年、2004年和2016年等.

(a)春季 (b)夏季

(c)秋季 (d)冬季

圖3 1980—2016年各季節(jié)可降水量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖4 研究區(qū)陸地上空年均可降水量M-K突變分析

4 可降水量在特殊年份時(shí)空特征的進(jìn)一步研究

上文的研究表明，研究區(qū)可降水量長(zhǎng)期變化趨勢(shì)不明顯，與年際變化曲線(xiàn)(圖2(a))較為一致，可降水量以圍繞平均值上下波動(dòng)為主，但1998年、2004年和2016年可降水量遠(yuǎn)離平均值(圖2(b))，表現(xiàn)異常.根據(jù)Doswell[13]的強(qiáng)降水概念模型，極端降水強(qiáng)度的增長(zhǎng)率應(yīng)該和水汽的增長(zhǎng)率呈正比，可降水量的異常增多或減少可能帶來(lái)降水的突變.例如，1998年異常高的可降水量，相對(duì)應(yīng)的是該年的特大洪水；2004年可降水量異常低，南方遭受罕見(jiàn)干旱，尤其是6月、7月份降雨嚴(yán)重偏少；2016年可降水量異常高，相對(duì)應(yīng)的是長(zhǎng)江發(fā)生1998年以來(lái)最大洪水[14].可降水量異?？赡軐?dǎo)致相應(yīng)區(qū)域的氣候突變，給城市基礎(chǔ)設(shè)施、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等帶來(lái)挑戰(zhàn).研究這些特殊年份可降水量的時(shí)空分布規(guī)律，有助于市政部門(mén)未雨綢繆，為應(yīng)對(duì)各種可能的氣象災(zāi)害作好準(zhǔn)備.

4.1 1998年、2004年和2016年季節(jié)可降水量距平分布

為了提高研究的針對(duì)性，根據(jù)3.2的結(jié)果，本文對(duì)1998年春季、2004年夏季和2016年秋季等幾個(gè)極端異常季節(jié)的可降水量距平進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖5).1998年春季(圖5(a))可降水量距平在整個(gè)研究區(qū)都為正值，出現(xiàn)一條橫跨海陸的高值條帶，北部以鹽城、徐州為界，南部以安慶、杭州和寧波為界，向兩邊遞減，在南京、合肥形成高值中心，達(dá)到5.5 mm.

2004年夏季(圖5(b))可降水量距平全區(qū)為負(fù)，與2004年夏季嚴(yán)重干旱相一致.可降水量距平在東南部達(dá)到-7 mm，由東南向西北遞減.出現(xiàn)以寧波為中心的大片干旱區(qū)域.

(a)1998年春季 (b)2004年夏季

(c)2016年秋季

圖5 1998年、2004年及2016年特殊季節(jié)可降水量距平分布

2016年秋季(圖5(c))降水量全區(qū)正距平，與2016年洪水相應(yīng).可降水量距平由東南沿海向西北內(nèi)陸遞減.除去西北角，幾乎全區(qū)距平都超過(guò)3 mm，最大距平為9 mm，位于東南海域.上海、寧波、溫州等沿海城市可降水量距平接近8 mm.

4.2 1998年、2004年及2016年特定地點(diǎn)可降水量變化趨勢(shì)對(duì)比

為了深入分析上面3個(gè)特殊年份可降水量隨時(shí)間的演變過(guò)程，本文選取了3個(gè)有代表性的地理位置(見(jiàn)表1)，分別以上海、金華、慶元代表沿海、盆地和山區(qū).

表1 統(tǒng)計(jì)了代表性地點(diǎn)可降水量極端偏高的次數(shù)，本文以多年平均值加上1倍標(biāo)準(zhǔn)差為參考，凡是超過(guò)這個(gè)參考的數(shù)據(jù)記為極端偏高可降水量.洪澇年份(1998年、2016年)可降水量偏高次數(shù)很多，2016年更甚于1998年.干旱年份(2004年)可降水量極端偏高次數(shù)為洪澇年份的1/2甚至1/3.

從表1 可知，以上3個(gè)地區(qū)雖然所處地理位置不同，但其極端變化卻很一致.因此,下文以金華為代表，來(lái)分析3個(gè)特殊年份可降水量的年變過(guò)程.圖6為金華在1998年、2004年及2016年的可降水量年變曲線(xiàn)、多年平均值曲線(xiàn)、多年平均值加上1倍標(biāo)準(zhǔn)差曲線(xiàn)(參考值)，為便于對(duì)比，也給出了3 a實(shí)際降水量(見(jiàn)柱狀圖).

表1 代表性地點(diǎn)可降水量極端偏高次數(shù)統(tǒng)計(jì)

(a)1998年

(b)2004年

(c)2016年

圖6(a)表明,1998年全年可降水量都偏高，春季和夏季尤為突出，春季可降水量持續(xù)偏高，夏季極端可降水量集中在6月梅雨期及7月中下旬二度梅時(shí)期，其他時(shí)段可降水量并不是很高，導(dǎo)致1998年夏季可降水量距平整體不如春季那么顯著；1998年降水主要集中在春季和夏季，與可降水量高值時(shí)段相一致.

2004年全年可降水量都很低，見(jiàn)圖6(b)，少數(shù)時(shí)候超過(guò)了參考值，夏秋季節(jié)尤其少，7月、8月和10月可降水量持續(xù)低于平均值.可降水量偏低導(dǎo)致了2004年降水偏少，其中可降水量低于平均值的時(shí)段，降水量幾乎為0，幾次強(qiáng)降水與較高的可降水量相對(duì)應(yīng).

2016年可降水量很高，見(jiàn)圖6(c)，春秋季節(jié)尤為顯著，其中夏季偏高次數(shù)集中于7月中上旬、8月初，而春秋兩季持續(xù)偏高，這與圖3(a)和圖3(c)可降水量異常高的季節(jié)相一致.5月、10月份，可降水量持續(xù)超過(guò)參考值.2016年降水次數(shù)超過(guò)1998年，春季降雨非常頻繁，夏季降雨集中在6月、7月份，秋季降雨次數(shù)也比較高，且降雨量也較1998年高.

上述研究表明,可降水量的年變過(guò)程能較好地反映地區(qū)的旱澇情況，可降水量異常偏高的時(shí)段往往也是降雨次數(shù)多、降雨量大的時(shí)段，而可降水量異常偏低的年份，其降水量也異常少.可見(jiàn)，可降水量長(zhǎng)時(shí)間地偏高與偏低，會(huì)給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重的洪澇與干旱.

5 結(jié) 論

本文采用1980—2016年空間分辨率0.75°×0.75°的ECMWF大氣可降水量數(shù)據(jù)對(duì)江浙滬及其周邊地區(qū)可降水量的時(shí)空特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)可降水量有如下規(guī)律:

1)可降水量季節(jié)分布不均，夏高冬低.可降水量的空間分布整體特征是：南多北少，東西差異不大，山區(qū)出現(xiàn)低值.地理緯度、季風(fēng)環(huán)流和海拔是決定可降水量分布的主要因素.

2)海陸對(duì)比明顯：春夏海洋可降水量低于大陸，冬季海洋可降水量高于大陸；2006年之前海洋上空可降水量低于大陸上空，2006年之后，出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn).

3)可降水量的年際變化以波動(dòng)為主.1998年、2016年可降水量極端偏高，2004年可降水量極端偏低，與研究區(qū)旱澇災(zāi)害相應(yīng).1998年春、2004年夏、2016年秋季節(jié)可降水量距平顯著，與研究區(qū)洪澇和干旱災(zāi)害相應(yīng).這3 a可降水量異常偏高的或偏低的時(shí)段與區(qū)域洪澇和干旱在時(shí)間上也比較一致.以上可降水量變化規(guī)律可作為理解、預(yù)測(cè)與防范江浙滬地區(qū)極端氣候的依據(jù).

致謝：感謝歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的可降水量數(shù)據(jù)！感謝審稿專(zhuān)家提出的寶貴意見(jiàn)！