图1 华南、江淮和华北地区降水单点相关图(阴影表示置信度达95%的区域):(a)以河源站为基点的5～6月;(b)以安庆站为基点的6～7月;(c)以北京站为基点的7～8月
由于不同时间尺度、不同地区降水量变化幅度很大,直接用降水量在时空尺度上很难相互比较,而且降水分布是一种偏态分布,并非正态分布,所以在许多降水分析中,用Z指数[14]来描述降水量的变化。Z指数不仅考虑了降水服从偏态分布的实际,而且也进行了正态标准化处理,从而使之适合确定不同时间尺度的干旱监测、评价,具有相同干旱等级划分标准,能进行多时间尺度旱涝等级对比分析,是一种较好的气候干旱指标。具体的做法就是先求出降水量γ分布概率,再计算其正态分布的逆累积分布函数。表1给出了～年华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季的Z指数值及对应的ΔR/σ(ΔR为降水距平,σ为降水标准差)。
表1～年华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季Z指数及对应的ΔR/σ
为了易于比较,统一将旱涝等级分成7个等级,并且各等级出现的频率定义为:1级重涝5%,2级中涝10%,3级轻涝15%,4级正常40%,5级轻旱15%,6级中旱10%,7级重旱5%。根据这一划分原则,按各等级出现频率得到华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季旱涝等级划分标准(表2)。
表2 华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季旱涝等级划分标准和结果
从表1和表2可知:华南前汛期降水发生轻涝以上事件共有14年,降水距平全部在1.5σ以上,发生轻旱以上事件共有13年,仅年达到1.5σ,因此近50年华南前汛期降水洪涝强度大于干旱;从时间分布来看,华南前汛期降水轻涝以上事件14年中有11年发生在20世纪80年代以前,仅有3年发生在80年代以后;而轻旱以上事件13年中,有9年发生在20世纪80年以后,故自年以来华南前汛期降水总体表现为下降的趋势。
江淮梅雨轻涝以上事件共有11年,降水距平绝对值全部在2σ以上;轻旱以上事件共有16年,降水距平绝对值全部在1.7σ以上,因此江淮梅雨涝(旱)事件均很显著。从强度上来说,洪涝大于干旱;从时间分布来看,江淮梅雨轻涝以上的11年中,有9年发生在20世纪80年代以后,而轻旱以上的16年中仅有4年在80年代以后,故自年以来江淮梅雨总体表现为趋涝的趋势。
华北雨季发生轻涝以上事件共有16年,降水距平都在0.5σ以上;发生轻旱以上事件也为16年,降水距平全部小于-0.5σ,因此近50年华北干旱与洪涝强度大体相当。从时间分布来看,轻涝以上事件16年中,有10年发生在年以前,而轻旱以上的16年中有9年在20世纪80年代以后,故近50年以来华北雨季总体表现为趋旱的趋势(图2)。从图2可以清楚地看到近50年华南前汛期降水和华北雨季降水量总体的下降趋势和江淮梅雨的上升趋势。
图2～年三种梅雨的标准化Z指数时间序列(黑粗线为二阶多项式回归趋势线):(a)华南前汛期降水;(b)江淮梅雨;(c)华北雨季
4 华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季旱涝的年际及年代际
变化特征采用DB16紧支撑双正交小波对华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季三组Z指数时间序列进行分析。DB16小波既可用于连续小波变换也可以用于离散小波变换,并且易于设计快速算法,其原理及其优越性已有很多介绍[15],本文不作赘叙。
图3为～年华南前汛期降水Z指数时间序列DB-16小波分析的结果。d1、d2、d3、d4和a4分别表示0～3.5年、3.5～7年、7～14年、14～28年和大于28年的周期时间尺度,从年际变化的角度看(即振荡周期在7年以下),从20世纪50年代末至60年代末存在显著的3年左右的变化周期,从70年代末至20世纪末表现为5年左右的周期,而从年代际变化来看主要有80年代初至20世纪末的9年左右的周期和60年代中期至20世纪末的21年左右的振荡周期。
图3～年华南前汛期降水Z指数时间序列DB-16小波分析(d1～a4表示周期的时间尺度):d1:0～3.5年;d2:3.5～7年;d3:7～14年;d4:14～28年;a4:大于28年
对于江淮梅雨(图4)主要表现为20世纪50～60年代3年左右周期、70年代末至20世纪2.5年左右周期和～年5年左右周期的年际变化,另外年以前还呈现出20年左右周期的年代际变化。图5为华北雨季的演变情况,从年际变化来看主要表现为年以前的5年左右的振荡周期;年代际变化则显现为至20世纪末的9年左右和年以来的20年左右的振荡周期。
图4江淮梅雨，其余同图3
图5华北雨季，其余同图3
从表3可见,华南前汛期降水年际变化特征最为显著,江淮梅雨次之,华北雨季最弱,而年代际变化正好相反,华北雨季最为显著,华南前汛期降水最弱。
表3 华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季不同周期成分的方差贡献率
5 华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季旱涝与同期hPa高度场相关的对比
这里计算了华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季相应的Z指数时间序列与同期hPa高度场的相关系数(如图6)。
图6Z指数与同期hPa高度场的相关图:(a)华南前汛期降水;(b)江淮梅雨;(c)华北雨季。阴影表示置信度达95%的区域,浅灰为显著负相关,深灰为显著正相关
在hPa高度上,华南前汛期降水主要与其北侧的中纬地区的高度场呈显著负相关(图6a),表明当其北侧中高纬地区高度场偏低时,华南前汛期降水偏多,反之则偏少;江淮梅雨(图6b)与副高和鄂霍茨克阻塞高压呈显著正相关,江淮地区正好位于两高之间的相对低值区内,副高较强时向该地区输送大量水汽,而鄂霍茨克阻塞高压较强使得中纬地区西风分支,冷暖空气在此交汇,造成江淮梅雨偏多,反之,则偏少;华北雨季(图6c)与副高呈显著正相关,而与其西北部的中高纬地区的高度场呈显著的负相关,即当其西北部有低值系统发展时,华北降水偏多,反之,则偏少。
6 华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季旱涝与前期海温相关的特征对比
还计算了华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季相应的Z指数时间序列与前期海温(前一年11月至当年5月)的相关系数,由于篇幅所限,这里仅给出相关系数达最大值月份的图。
华南前汛期降水的Z指数在前期6个月中主要有两个显著的相关区域:一个是西太平洋暖池附近的持续显著负相关区,表明暖池区附近海温偏低时,后期华南前汛期降水量偏多的可能性比较大,海温偏高时,华南前汛期降水往往偏少;另一个是位于孟加拉湾及其以南地区的负相关区,在前期2月负相关达最大(见图7a)。江淮梅雨的前期,首先是与西太平洋暖池附近海温的显著正相关(与华南前汛期降水正好相反),4月份该正相关达最大值,第二个显著正相关区域位于中国东部及南部沿海,在前期1月(图略)和4月达最大(图7b),即中国临近海域海温偏高时,后期江淮梅雨往往偏多,反之则偏少。另外,与赤道东太平洋海温也呈显著正相关,在2月份达最大(图略),表明有ElNino现象发生时,江淮梅雨偏多,而LaNina现象发生时,江淮梅雨很可能偏少。
图6Z指数与同期hPa高度场的相关图:(a)华南前汛期降水;(b)江淮梅雨;(c)华北雨季。阴影表示置信度达95%的区域,浅灰为显著负相关,深灰为显著正相关
华北雨季前期主要存在三个海温显著相关的海区(图7c):首先是位于西太平洋暖池的显著负相关(与华南前汛期降水相同),在1月份达最大;第二个是大西洋西部的显著正相关区(这也是与华南前汛期降水和江淮梅雨不同之处),在1月份达最大;最后一个是与北太平洋SST的负相关和北美洲西海岸的正相关,这也是与华南前汛期降水和江淮梅雨不同之处,表明华北雨季与前期PDO(太平洋年代际振荡)的关系比华南前汛期降水和江淮梅雨更为密切。
7 结论
(1)近50年无论是华南前汛期降水、江淮梅雨,还是华北雨季,旱(涝)事件频率相当,华南和江淮洪涝强度大于干旱强度,华北干旱与洪涝强度相当,华南前汛期降水和华北雨季总体呈趋旱的趋势,而江淮梅雨呈趋涝的趋势。
(2)华南前汛期降水年际变化最为显著,江淮梅雨次之,华北雨季最弱,年代际变化的情况正好相反,华北雨季最为明显。
(3)从同期hPa高度场来看,华南前汛期降水多少与其北侧有无低值系统向南发展关系密切,江淮梅雨和华北雨季均与副高相关显著,不同之处在于前者还和鄂霍茨克阻塞高压呈显著正相关,而后者受其西北侧中高纬地区的环流影响较大。
(4)从前期海温来看,华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季均与西太平洋暖池附近的海温有着显著的相关关系,此外,华北雨季与大西洋西部和北太平洋海温关系比华南前汛期降水和江淮梅雨更为密切,江淮梅雨与中国近海海温相关关系最为显著,而华南前汛期降水与孟加拉湾附近海温相关最明显。
参考文献略。
本文原载与《大气科学》，年5月，第30卷第3期
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