(1.武漢區(qū)域氣候中心，湖北 武漢 430074； 2.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443133)

大量研究表明，熱帶和中高緯帶大氣都存在著顯著的季節(jié)內(nèi)低頻特征。Madden和Julian[1]利用1957～1967年坎頓島的觀測資料，首次發(fā)現(xiàn)熱帶大氣緯向風(fēng)和氣壓場存在40～50 d周期的低頻振蕩。李崇銀[2]指出北半球30～60 d振蕩主要存在著歐亞-太平洋和太平洋-北美兩個低頻遙相關(guān)，中高緯度和熱帶大氣30～60 d振蕩的影響就主要通過這兩個低頻波列進行的。此外，大氣還普遍存在著10～20 d準(zhǔn)雙周低頻振蕩和10～30 d低頻振蕩。Murakami[3]研究印度季風(fēng)的譜分析中首次發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)雙周低頻振蕩。孫淑清[4]發(fā)現(xiàn)副熱帶高壓存在10～20 d周期。劉慧斌等[5]發(fā)現(xiàn)東北冷渦具有顯著的10～30 d低頻振蕩周期。

受大氣環(huán)流低頻特征影響，中國降水也存在著低頻規(guī)律。王遵婭等[6]指出中國東南部夏季降水存在明顯的準(zhǔn)雙周低頻振蕩特征。李勇等[7]研究結(jié)果表明2007年淮河流域降水強弱與對應(yīng)低頻周期存在聯(lián)系。尹志聰?shù)萚8]和王黎娟等[9]認(rèn)為江淮流域夏季降水具有明顯的低頻振蕩特征。黃麗娜等[10]發(fā)現(xiàn)福建前汛期降水存在顯著的低頻周期，出現(xiàn)頻率較高的前3個低頻周期分別為10～20，30～60 d和20～30 d。魏曉雯等[11]分析了長江中下游大范圍持續(xù)性強降水過程與30～60 d低頻降水的聯(lián)系。

已有的研究結(jié)果對大氣和中國東部降水低頻特征已有深入的認(rèn)識，但對長江上游降雨的研究多以過程及影響分析為主，對其低頻特征研究少。本文針對長江上游面雨量，在解決長江上游是否也存在低頻振蕩問題的基礎(chǔ)上，展開低頻特征分析，為進一步了解長江上游氣候特征提供有價值的參考依據(jù)。

1 資料和方法

本文采用1961～2017年3～11月資料完整的長江上游流域276個氣象站逐日降水量資料進行分析，資料取自湖北省信息保障中心。長江上游流域分區(qū)見文獻[12]，可分為岷沱江、嘉陵江、宜賓-重慶、重慶-宜昌、烏江和金沙江。本文又將金沙江分為金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下，那么，長江上游流域共分為七大流域。

基于氣象站點逐日降水量，利用泰森多邊形方法[13-14]，計算長江上游七大流域的面雨量。本文采用的分析方法有功率譜、傅里葉帶通濾波。

2 長江上游子流域面雨量低頻周期

為了得到長江上游七大流域面雨量的顯著周期，首先減去其氣候態(tài)，濾去季節(jié)循環(huán)的影響，然后進行7 d的滑動平均，濾去高頻信號，再對逐年面雨量分別進行功率譜分析，得到這57 a功率譜平均值，見圖1。從圖1可以看到：金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下的10～40 d周期非常顯著，通過了紅噪聲檢驗；岷沱江、嘉陵江、宜賓-重慶、重慶-宜昌和烏江的10～25 d周期非常顯著，通過了紅噪聲檢驗。低頻周期分析結(jié)果表明，長江上游七大流域都具有顯著的低頻振蕩特征，但周期有所不同，金沙江面雨量(包含金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下2個子流域，下同)具有顯著的10～40 d季節(jié)內(nèi)尺度的低頻振蕩，而其他5個子流域具有顯著的準(zhǔn)雙周振蕩。

3 長江上游子流域低頻面雨量與總面雨量的關(guān)系

利用傅里葉帶通濾波方法，對金沙江面雨量提取10～40 d低頻信號，對長江上游其他流域提取10～25 d低頻信號。表1給出長江上游七大流域低頻面雨量占實際降水總方差的比例。從表1可以看出：低頻所占總方差比例存在顯著的年際差異，這與每年低頻信號強弱有關(guān)。低頻所占總方差比例最大值出現(xiàn)在1978年金沙江石鼓以上，為60.8%；最小值出現(xiàn)在2016年重慶-宜昌段，為25.2%。平均而言，對比7個流域發(fā)現(xiàn)，金沙江面雨量低頻信號最明顯，石鼓以上平均為49.7%，石鼓以下平均為46.8%；然后是嘉陵江流域面雨量，為40.5%；其次是烏江、岷沱江和宜賓-重慶，分別為37%，35.9%和35.7%；宜賓-重慶最少，為31.9%。

表1 1961～2017年長江上游子流域低頻面雨量占實際降水總方差的比例Tab.1 Contribution of low-frequency areal rainfall to the total variance of rainfall over the Upper Yangtze River during 1961～2017

4 長江上游子流域低頻強降水事件特征分析

參照文獻[15]，低頻強降水事件的選取方法為：基于上游七大流域逐日面雨量，利用傅里葉帶通濾波方法濾波，再取標(biāo)準(zhǔn)化得到降水指數(shù)IR，連續(xù)3 d及以上不小于1，則定義為一個低頻強降水事件。按照此方法在金沙江石鼓以上選取了351次，金沙江石鼓以下392次，岷沱江382次，嘉陵江394次，宜賓-重慶409次，重慶-宜昌417次，烏江440次，年均6～8次。逐年異常情況看，七大流域強降水事件次數(shù)最多年和最少年均出現(xiàn)在宜賓-重慶，2016年事件最多，出現(xiàn)了13次；2001年事件最少，出現(xiàn)了2次。

圖1 1961～2017年長江上游流域面雨量功率譜分析(虛線表示紅噪聲檢驗)Fig.1 Power spectral analysis of areal rainfall over the upper Yangtze River during 1961 to 2017

表2～5分別給出長江上游七大流域低頻強降水事件在頻次、持續(xù)天數(shù)、降水強度和最大面雨量等特征量統(tǒng)計情況。分季節(jié)看，七大流域中任意一個流域的這4個特征量，夏季均是排在第1位；秋季除了宜賓-重慶頻次、烏江降水強度和最大面雨量外，其他均多于春季，排在第2位；春季大部排在第3位。分流域看事件頻次，烏江次數(shù)最多，年均7.72次，金沙江石鼓以上最少，年均6.16次。事件持續(xù)天數(shù)統(tǒng)計顯示，金沙江(包含石鼓以上和石鼓以下)持續(xù)天數(shù)在3個季節(jié)均是最長的，共計14.4 d和13.8 d，其他流域為12 d左右。事件降水強度統(tǒng)計顯示，重慶-宜昌在3個季節(jié)中強度均是最大，金沙江石鼓以上強度最小，且長江上游東部(嘉陵江、宜賓-重慶、重慶-宜昌和烏江)降水強度大于西部(金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下和岷沱江)。事件最大面雨量統(tǒng)計特征與降水強度一致。

表2 1961～2017年長江上游低頻強降水事件的頻次統(tǒng)計Tab.2 Frequency statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 次

表3 1961～2017年長江上游低頻強降水事件的持續(xù)天數(shù)統(tǒng)計Tab.3 Continuous days statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 d

基于長江上游低頻強降水事件時間序列，整理低頻強降水過程，將各流域從時間上看為連續(xù)的低頻強降水事件歸為一個低頻強降水過程，2 785次事件可歸為1 159次低頻強降水過程。圖2給出了長江上游低頻強降水過程特征統(tǒng)計情況。圖2(a)給出低頻強降水過程次數(shù)年際演變曲線，顯示低頻強降水過程次數(shù)年際差異較大，1965年和2016年過程最多，為25次，2004年和2012年過程最少，為15次。圖2(b)給出了低頻強降水過程次數(shù)隨過程持續(xù)天數(shù)演變曲線，顯示過程持續(xù)時間在3～14 d之間，隨著持續(xù)時間增加過程次數(shù)在減少，持續(xù)時間在3～7 d的累計過程次數(shù)占總次數(shù)的80.5%，而持續(xù)時間在8 d及以上的過程次數(shù)基本不及7 d及以下過程的一半。圖2(c)給出了低頻強降水過程次數(shù)隨流域數(shù)量演變曲線，這里統(tǒng)計的流域數(shù)量是指同一低頻強降水過程發(fā)生時段內(nèi)，長江上游七大流域出現(xiàn)低頻強降水事件的流域數(shù)量。顯示，隨著流域數(shù)量增加過程次數(shù)在減少。當(dāng)只有1個流域出現(xiàn)強降水事件的降水過程最多，為349次；2個流域和3個流域的降水過程相當(dāng)，分別為228次和227次；7個流域同時出現(xiàn)強降水事件的降水過程也有發(fā)生，有28次。長江上游7個流域同時出現(xiàn)低頻強降水事件的過程有21次發(fā)生在夏季，7次發(fā)生在秋季，持續(xù)天數(shù)在7～14 d之間。

表4 1961～2017年長江上游低頻強降水事件的降水強度統(tǒng)計Tab.4 Intensity statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 mm

表5 1961～2017年長江上游低頻強降水事件的最大面雨量統(tǒng)計Tab.5 Maximum areal rainfall statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 mm

圖2 長江上游低頻強降水過程特征統(tǒng)計情況Fig.2 Characteristics statistics of low-frequency heavy rainfall processes over the Upper Yangtze River

5 結(jié) 論

本文基于長江上游七大流域的面雨量資料，應(yīng)用功率譜分析了長江上游面雨量低頻周期，應(yīng)用帶通濾波方法提取面雨量低頻信號，定義并挑選了低頻強降水事件和過程，統(tǒng)計分析其特征，得到以下結(jié)論。

(1) 通過功率譜分析，發(fā)現(xiàn)長江上游七大流域面雨量存在著顯著的低頻振蕩特征，但周期有所不同，金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下這2個流域具有顯著的10～40 d季節(jié)內(nèi)尺度的低頻振蕩，而其他5個流域具有顯著的10～25 d準(zhǔn)雙周振蕩。

(2) 長江上游七大流域夏季低頻降水事件在頻次、持續(xù)天數(shù)、降水強度和最大面雨量這4個特征量上排第1，秋季次之，春季最小。流域間對比，烏江事件次數(shù)最多，金沙江石鼓以上最少；金沙江(包含石鼓以上和石鼓以下)持續(xù)天數(shù)最長，其他流域相當(dāng)；重慶-宜昌降水強度和最大面雨量最大，金沙江石鼓以下最小。

(3) 進一步統(tǒng)計低頻強降水過程特征，可將2 785次事件歸為1 159次低頻強降水過程。過程次數(shù)年際差異較大，在15～25次之間。隨持續(xù)時間增加、流域數(shù)量增加，過程次數(shù)呈減少趨勢。