劉 蕾, 高 輝, 張 麗, 王亞玲, 付 偉

(1.蕪湖市氣象局, 安徽 蕪湖 241000; 2.中國人民解放軍93117部隊, 南京 210018)

隨著全球變暖速度的加快，近100年來全球范圍內(nèi)氣溫、降水都存在明顯的年代際改變，已經(jīng)引起很多學(xué)者的關(guān)注[1-3]。長序列降水資料是近百年來氣候變化研究的基礎(chǔ)[4]，但我國大部分連續(xù)觀測資料都是解放后開始的，因此解放前的資料主要是基于多種數(shù)據(jù)源的重建資料。例如，王紹武[5]利用史料、樹木年輪等代用資料重建了1880—1996年中國氣溫和降水序列；楊溯等[6]收集全球12個數(shù)據(jù)源降水歷史月值資料，通過多種統(tǒng)計方法整理出全球降水歷史月值數(shù)據(jù)集；李慶祥等[7]基于不同分辨率網(wǎng)格數(shù)據(jù)集，建立了110年中國降水變化序列，并指出全國年降水量變化略呈下降趨勢。

近百年來降水變化存在明顯的區(qū)域特征[8]。海英和高志強[9]利用CRU05資料研究中國的氣候變化，發(fā)現(xiàn)除了秦淮河以南亞熱帶地區(qū)氣候變得的冷濕，其他地區(qū)氣候向濕熱方向發(fā)展。近百年來華北以及華南的降水發(fā)生了4次年代際尺度的躍變，長江中下游降水發(fā)生了5次年代際尺度的躍變[10]。在夏季，我國東部夏季降水百年來年代際變化特征顯著，空間場上以偶極型和三級型的分布特征為主[11-12]。針對長江中下游不同地區(qū)的百年降水研究也較多，近120年來浙江省年降水量無明顯的線性變化趨勢，存在56 a和35 a兩個周期[13]，上海地區(qū)夏季降水在過去100多年里存在3個多雨濕潤期和3個少雨偏干期[14]；近百年來武漢地區(qū)汛期降水有明顯的階段性和躍變性，旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生[15]。近百年來的降水變化與太陽活動、火山爆發(fā)、大尺度的海洋變率密切相關(guān)[16]。

可以看出，許多學(xué)者對近百年長江中下游地區(qū)年降水、夏季降水的分布特征進行了多角度分析，但是對近百年四季降水量的分析及不同季節(jié)的變化突變、周期的差異性研究較少。另外，很多研究是基于再分析資料，且研究范圍較廣，無法細致的描述安徽沿江地區(qū)百年降水的變化特征。中國具有長達百年氣象觀測的站少之又少，特別是長江中下游地區(qū)，僅有武漢、蕪湖、南京、上海徐家匯4個站自19世紀(jì)末起開始進行氣象觀測且資料序列較長(圖1)。蕪湖作為中國12個百年氣象臺站之一，自1880年起就有了降水觀測，資料十分可貴，利用實測的數(shù)據(jù)進行分析，能更真實的展示出長江中下游地區(qū)、特別是安徽沿江地區(qū)百年降水變化。

1 數(shù)據(jù)源與方法

1880年3月蕪湖海關(guān)開始氣象觀測，資料持續(xù)到1937年11月。1937年12月10日，日軍轟炸蕪湖后，蕪湖淪陷。自此，長達58 a的氣象觀測被迫中斷，直至解放后才逐漸恢復(fù)氣象觀測。故本文數(shù)據(jù)來源于三處：1880年3月—1937年11月降水資料來源于中國氣象局檔案館，該數(shù)據(jù)摘自海關(guān)氣象觀測的逐月降水統(tǒng)計表；1952—2019年蕪湖市降水資料來源于安徽省氣象信息中心；由于1938—1951年蕪湖市氣象觀測中斷，為了資料的完整性，采用CRU再分析降水資料進行檢驗和替代。CRU資料整合了若干個數(shù)據(jù)集，月降水量時間長度為1901—2019年，分辨率較高且資料連續(xù)，在東亞地區(qū)具有較高的可靠性[17]。有研究表明，CRU資料重建的我國年總降水量與全國160個站觀測數(shù)據(jù)吻合，部分地區(qū)相關(guān)系數(shù)高達0.9以上，中國東部四季降水量和CRU重建資料十分一致[18]。

注：圖中三角形為蕪湖站。

對得到的140年蕪湖市降水長序列采用Morlet小波分析進行周期檢驗；另外，采用Mann-kendall檢驗方法和累積距平對全年和各季節(jié)降水時間序列進行突變分析。1952—2019年蕪湖市降水資料來源于安徽省氣象信息中心，該資料已進行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，對臺站遷移和自動站代替人工站數(shù)據(jù)均進行了對比觀測，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，故不再對其進行檢驗。

1880年3月—1937年11月降水資料由于年份久遠，故需要多種資料進行對比。首先參考竺可楨等[19]匯編的《中國之雨量》對該資料進行驗證，發(fā)現(xiàn)兩套資料無論在年、月季尺度上相關(guān)系數(shù)極高，說明這些資料是經(jīng)過早期氣象學(xué)者校對的，但部分月份降水仍有異常值存在。先對1880—1937年月降水量進行均一性檢驗并結(jié)合1952—2019年的臺站極值檢查，發(fā)現(xiàn)異常月份見表1，對這7個奇異值采用如下方法替代：首先計算出該缺測數(shù)據(jù)前后10 a當(dāng)月平均降水量，再與當(dāng)月CRU資料降水值取平均值，得到的月降水?dāng)?shù)據(jù)能較準(zhǔn)確的反映出當(dāng)月降水的真實變化。

表1 月降水奇異值及存在非均一性的原因

進一步比對1901—1936年、1952—2019年CRU和蕪湖市測站月、年降水量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)CRU重建的蕪湖市降水量與月降水量和年降水相關(guān)系數(shù)均較高，高達0.8以上，通過了99.9%的信度檢驗。說明CRU可以很好地模擬出蕪湖市月降水變化特征，對年降水的模擬效果也較好。故1938—1951年的月降水資料主要參考CRU資料，但由于CRU資料存在變化振幅小、極值不顯著的特征，與實際降水量有一定偏差，因此先對其進行訂正再代入使用。具體方法如下：首先以CRU資料作為基準(zhǔn)，計算出1938—1951年各月距平百分率，再分別以同等級的1880—1937年、1952—2019年月降水量的平均值代替。從圖2可以看出，通過該方法訂正后，1938—1951年降水標(biāo)準(zhǔn)差增加明顯，極值更為顯著，訂正后的降水更符合觀測降水的變化。

圖2 1901-1951年降水量訂正前后的13 a滑動標(biāo)準(zhǔn)差時間序列

2 結(jié)果與分析

2.1 趨勢變化

蕪湖市1880—2019年近140年的降水量特征變化見圖3A所示，年降水量呈現(xiàn)微弱的增加趨勢，遞增率僅為2.0 mm/10 a，但蕪湖市百年降水有明顯的年代際、年際間差異。降水最多的年份為2016年(1 984.2 mm)，降水最少的年份為1978年(564.2 mm)，相差3倍以上。從9點滑動平均的時間序列可以看出，20世紀(jì)初1905—1920年降水量異常偏多，其次20世紀(jì)50年代、80年代-90年代初期、2010s年代后期蕪湖市均呈現(xiàn)降水量偏多的態(tài)勢。19世紀(jì)80年代后期-90年代、20世紀(jì)20—30年代、60—70年代降水偏少。近140年來，蕪湖市年降水量共經(jīng)歷了4次偏多—偏少間的年代際轉(zhuǎn)換，因此蕪湖市少雨期和多雨期呈現(xiàn)交替分布的格局。

圖3 蕪湖市1880-2019年降水量時間序列

蕪湖市春季降水量總體呈現(xiàn)較明顯的遞減的趨勢(圖3B)，遞減率為3.4 mm/10 a。春季降水異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達690.9 mm(1885年)，該年份春季降水量甚至多于夏季。最低的年份春季降水量僅僅為119.3 mm(1917年)。20世紀(jì)初—1920年、20世紀(jì)50年代、90年代春季降水量偏多，19世紀(jì)90年代、20世紀(jì)20年代、21世紀(jì)以來春季降水量偏少。從累積距平變化可以看出， 20世紀(jì)以來，春季降水量遞減速度明顯加快，遞減率達到39.4 mm/10 a。其中，1880—1940年年際間變化最為劇烈，此時春季出現(xiàn)旱澇的概率最大。

蕪湖市夏季降水量是呈明顯的增加趨勢(圖3C)，遞增率為4.8 mm/10 a，特別是近70 a來，夏季降水的遞增速度加快，遞增率高達6.7 mm/10 a。累積距平場上也顯示自1980年來夏季降水量一直維持正距平增加的趨勢。夏季降水量最大值出現(xiàn)在1954年(1 028.1 mm)，最小值出現(xiàn)在1900年(115.1 mm)。從9 a滑動平均序列圖看出，20世紀(jì)初-1920年、20世紀(jì)50年代、80年代至今，蕪湖市夏季降水量偏多；19世紀(jì)90年代、20世紀(jì)20—30年代、70年代夏季降水量偏少，夏季降水量也呈現(xiàn)干、濕交替的年代際變化。

蕪湖市秋季整體無明顯的增加或減少趨勢(圖3D)，秋季最大降水量出現(xiàn)在1983年(629.5 mm)，最小降水量出現(xiàn)在1898年，季度降水量僅17.8 mm，屬于嚴(yán)重的秋季干旱。秋季降水異常偏多的年份主要在1910年之前和1980年之后，1911—1979年之間秋季降水變化平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)明顯的極值。20世紀(jì)初-1920年、60—80年代，2015年至今，蕪湖市秋季降水量偏多；19世紀(jì)90年代、20世紀(jì)20—30年代、50年代、90年代秋季降水量偏少。

蕪湖市冬季降水量為微弱的增加趨勢(圖3E)，遞增率為2.2 mm/10 a。冬季最大降水量出現(xiàn)在1905年(436.6 mm)，最小降水量出現(xiàn)在1893年(32.8 mm)。蕪湖市冬季降水量變化比較平緩，年代際變化較小。20世紀(jì)初-1920年、50年代、21世紀(jì)以來冬季降水量偏多，20世紀(jì)60年代、80年代冬季降水量偏少。但這種年代際變化的變率明顯小于夏季和全年降水量。

總體來看，19世紀(jì)90年代，除了1895年左右秋季降水偏多，其他各月降水量均為負距平。1900—1920年基本呈現(xiàn)四季一致正距平，異常強降水主要集中在6—9月，對全年降水量增加的貢獻最大。20世紀(jì)20—30年代則呈現(xiàn)完全相反的趨勢，除了個別年份外，3—10月維持持續(xù)的負距平，故全年降水量也呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢。40年代降水變化平緩；50年代5—7月降水異常偏多，9—11月降水偏少。60年代則與50年代呈現(xiàn)相反的季節(jié)分布。70年代9—11月降水偏多，其他月份維持降水負距平。80年代-90年代初期，夏季降水一直維持正距平，這也與之前的分析一致。2000年左右夏季降水明顯偏少，但進入21世紀(jì)以來，6—9月的降水量持續(xù)增多。蕪湖市夏季降水量的變化趨勢與全年降水量變化最為一致，兩者相關(guān)系數(shù)高達0.79，說明夏季降水量的年代際變化對全年降水量起決定性作用。

2.2 周期變化

圖4A中清晰的顯示了年降水量小波變換系數(shù)的實部的波動特征，具體反映了蕪湖市年降水量偏多和偏少交替變換的特性?？梢钥闯?，蕪湖市年降水量存在40 a，10 a，5 a左右的準(zhǔn)周期振蕩。從模平方時頻分布結(jié)果可得：40 a時間尺度的周期振蕩最為顯著，在這個尺度上共出現(xiàn)了干、濕交替4次，這一點與年降水量序列變化結(jié)論一致。1990年之前，年降水量一直存在準(zhǔn)10 a的周期，但這種周期在近20 a變得不再顯著。5 a左右的周期變化時間較短，且不連續(xù)，波動能量集中在1900—1920年，2000—2019年?？傮w來看，準(zhǔn)40 a的周期振蕩貫穿整個140年，是影響未來蕪湖地區(qū)降水量的主要時間尺度。

圖4B顯示，在整個時間域上蕪湖市春季降水量具有80 a尺度的年代際變化周期。另外，蕪湖市春季降水也存在在30～40 a的周期變化；1940—1980年存在準(zhǔn)20 a周期變化；1880—1940年、1880—2019年為準(zhǔn)10 a周期變化。但整體信號強度明顯比年降水量弱，這說明春季降水量的周期振蕩并不十分顯著。其中，10 a時間尺度的周期表現(xiàn)最強，其他長周期波動能量較弱。

從圖4C可以看出，夏季降水量的周期變化特征與年降水量十分相似，但周期振蕩時段與年降水量有所不同。夏季降水量小波實部等值線在40 a左右的振蕩最為明顯。除此之外，蕪湖市夏降水量一直存在準(zhǔn)10 a的周期，但在1880—1940年、1950—1980年波動最為顯著。1890—1920年、1970—2019年，蕪湖市夏季降水量還存在準(zhǔn)5 a的周期變化。但夏季降水量的準(zhǔn)10 a 、5 a周期的振蕩中心與年降水量的振蕩中心不同。

由圖4D可見，秋季降水量整個周期上存在60 a的年代際變化周期，1960年之前存在30 a的周期，這兩個周期主要集中在2000年之前，另外在整個時間域上具有10 a尺度的變化周期，并且周期振蕩十分顯著。

冬季降水量在整個時間域上存在80 a的年代際變化周期(圖4E)，除此之外，20世紀(jì)60年代之前存在20～25 a的變化周期，但這種變化周期在1960—2000年之間縮短至15 a左右，2000年之后，又變成了20 a左右的周期變化。另外，20世紀(jì)40年代之前蕪湖市秋季降水還存在10 a的周期變化。綜上所述，蕪湖市年、四季的降水量均存在多個周期，且有一致的準(zhǔn)10 a周期，但在長周期上分布有所不同。

圖4 1880-2019年蕪湖市降水量的Morlet小波變換實部

2.3 突變特征

蕪湖市百年降水量序列較長，除了存在周期性變化，還存在變化顯著的年份，需要進行突變檢驗。不同的突變檢驗方法各有優(yōu)缺點，本文采用Mann-Kendall檢驗并結(jié)合圖3的累積距平對蕪湖市百年年降水量、四季降水量的突變特征進行分析。若某時段內(nèi)UF和UB曲線交點太多，則沒有明顯的統(tǒng)計學(xué)意義。去除掉交點太多的時段后，蕪湖市年降水量的UF和UB主要相交于1901年、1924年、1954年、2014年(圖5A)，這些年份也是累積距平場上的轉(zhuǎn)折年份，說明這些年份降水量變化幅度較大。圖5B顯示春季降水量UF和UB在1901年、1925年、2002年、2014年相交，考慮到累積距平(圖3B)的變化，確定1901年、1925年、2002年為春季降水量的突變年。夏季降水量的UF和UB曲線交于1885年、1905年、1921年、2006年(圖5C)，由于累積距平中2006年不是轉(zhuǎn)折年份(圖3C)，確定1885年，1905年，1921年為夏季降水量突變年，結(jié)合夏季降水的周期變化和年代際變化特征，這3個年份降水都有明顯的轉(zhuǎn)折，具有氣候?qū)W意義。秋季降水量UF和UB主要相交于1901年、1922年、1977年、1984年、2011年(圖5D)，在累積距平曲線上(圖3D)除了1977年，其他年份都是轉(zhuǎn)折年，因此1901年、1922年、1984年、2011年秋季降水量增多或減少顯著。MK檢驗(圖5E)和累積距平(圖3E)均顯示冬季降水量的突變年為1997年，這表明1997年之后，冬季降水量呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。

圖5 1880-2019年蕪湖市降水量的Mann-Kendall突變檢驗

3 結(jié) 論

(1) 近140年來蕪湖市年降水量僅呈略微上升趨勢，但各季節(jié)變化趨勢明顯不同，其中夏季降水量增加趨勢最為明顯，冬季次之；秋季沒有明顯的增加趨勢；春季降水量則呈現(xiàn)較明顯的遞減趨勢，21世紀(jì)以來這種遞減趨勢更為顯著。

(2) 不同季節(jié)降水的周期也有所不同。蕪湖市年降水量和夏季降水量周期時間尺度基本一致，整個時間域內(nèi)受40 a，10 a和5 a等3個時間尺度波動變化所影響，但10 a和5 a時間尺度的周期振蕩時段不同。春季降水量存在80 a，40 a，20 a和10 a共4個時間尺度的周期變化規(guī)律；秋季降水量存在60 a，30 a和10 a的準(zhǔn)周期變化；冬季降水量在存在80 a，15～20 a和10 a等3個周期，其中15～20 a左右周期較明顯，是主導(dǎo)周期。對比發(fā)現(xiàn)，年降水量及四季降水量多雨期和少雨期交替分布與其周期變化十分吻合，不同季節(jié)的周期變化影響著各季節(jié)降水量的干濕交替變化。

(3) 各季節(jié)的突變年是多雨期、少雨期的轉(zhuǎn)換年，與降水量的周期變化對應(yīng)關(guān)系較好。除了冬季外，1900年、1920年左右都是年、各季降水量一致的突變年，故1900年左右全年和各季降水量呈明顯增多的趨勢，1920年則呈現(xiàn)顯著的遞減趨勢。除此之外，春季在2002年開始呈現(xiàn)明顯的減弱趨勢；秋季在1984年、2011年也存在突變，特別是2011年以來，秋季降水量偏多的趨勢更加明顯；冬季降水量在1997年之后處于偏高期。

綜上，19世紀(jì)90年代-1920年蕪湖市各季節(jié)降水變化趨勢基本一致，這種一致性在百年蕪湖市降水變化中非常罕見。1940年之后，各季節(jié)的年代際分布差異性逐漸增大，突變分析也顯示了近20 a來各季降水量變化趨勢差異性更為顯著。近140年來這種各季氣候趨勢的差異性逐漸增大是否與全球變暖有關(guān)？是否是整個長江中下游的共同特征？這些問題還需要進一步深入研究。