江淮梅雨的时空变化特征

第 31卷第 1期 南 京 气 象 学 院 学 报 Vol. 31 No. 1 2008年 2月 Journal of Nanjing Institute of Meteorology Feb. 2008 毛文 ,王谦谦 ,马慧 ,等. 江淮梅雨的时空变化特征 [ J ]. 南京气象学院学报 , 2008, 31 (1) : 1162122. 　　收稿日期 : 2006211227;改回日期 : 2007204230 　　基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (40675042) ;国家重点基础研究发展计划项目 (2004CB418300) ;国家自然科学基金重点资助项目 (40233037) 　　作者简介 :毛文书 (1972—) ,男 ,四川简阳人 ,硕士 ,讲师 ,研究方向为短期气候预测及数值模拟 , mws1225@163. com. 江淮梅雨的时空变化特征 毛文书 1, 2 ,王谦谦 1 ,马慧 3 ,沈桂凤 1 ( 1. 南京信息工程大学 大气科学学院 ,江苏 南京　210044; 2. 成都信息工程学院 高原大气与环境研究中心 ,四川 成都　610225; 3. 中山市气象局 ,广东 中山　528401) 摘要 :利用江淮地区 37站 1954—2001年 48 a梅雨特征量资料 ,采用谐波分析、EOF和最大熵谱分 析等讨论了江淮梅雨的时空变化特征。结果明 :江淮梅雨时空分布不均 ,梅雨特征量存在显 著的年际 —年代际变化特征 ,梅雨特征量年代际变化之间存在明显的负相关或正相关关系 ;梅雨特 征量存在显著不同的多时间尺度振荡周期和长期演变趋势且江淮地区雨季也呈不同的年际和年代 际变化特征。 关键词 :梅雨 ;谐波分析 ; EOF;最大熵谱分析 中图分类号 : P467　　文献标识码 : A　　文章编号 : 100022022 (2008) 0120116207 Temporal Evolution and Spatia l D istr ibution Character istics of M eiyu in Changjiang2Hua ihe River Valley MAO W en2shu1, 2 ,WANG Q ian2qian1 ,MA Hui3 , SHEN Gui2feng1 (1. School of A tmospheric Sciences, NU IST, Nanjing　210044, China; 2. Center of Plateau A tmospheric and Environmental Research, Chengdu University of Information Technology, Chengdu　610225, China; 3. Zhongshan Meteorological Bureau, Zhongshan　528401, China) Abstract:On the basis of the Meiyu characteristic variable data at 37 stations in the Changjang2Huaihe R iver Valley from 1954 to 2001, the temporal evolution and spatial distribution ofMeiyu characters are in2 vestigated in term s of harmonic analysis, emp irical orthogonal function ( EOF) and maximum entropy spec2 trum analysis and so on. Results show that temporal2spatial distributions of Meiyu characteristic variables are not homogeneous in the Changjiang2Huaihe R iver Valley. There are p rom inent interannual quasi2three years and interdecadal(10 years) variabilities in variations ofMeiyu characteristic variables, and there are also positive or negative correlations between those interdecadal variations. The duration, rainfall and rain2 fall rate of Meiyu are positively / close correlated ( P < 0. 001) and excep t the onset date, the end date, rainfall and duration of Meiyu all showed an increasing long2term trend. Key words:Meiyu; harmonic analysis; EOF; maximum entropy spectrum analysis 0　引言 江淮地区通常指湖北宜昌以东 28～34°N之间 区域 ,包括豫、赣、鄂、苏、浙、皖、沪六省一市的大部 地区 ,该区域具有独特的自然地理环境 ,其间大部为 海拔较低的丘陵和平原。江淮地区东临太平洋 ,南 接南岭山脉 ,西连三峡、湘黔和秦 (岭 )巴 (山 )山地 , 北通中原大地 ,具有重要的战略地位。我国是著名 的季风气候区 ,从多年候平均主要雨带的分布来看 , 5月到 6月上旬主要候大雨带停滞在南岭以南 ,即 称之为“华南前汛期 ”; 6月中旬到 7月上旬主要候 大雨带北移 ,摆动在我国长江中下游及淮河流域一 带 ,即称之为“江淮梅雨 ”[ 1 ]。梅雨是我国江淮流域 的特征性天气气候现象 ,是东亚夏季风向北推进过 程中 ,东亚大气环流由春到夏过渡季节的产物 [ 2 ]。 东亚夏季风的年际变化大 ,每年入、出梅的迟早、梅 雨期的长短、梅雨量的丰枯对我国江淮地区的工农 业生产、防汛抗旱决策、城市防洪等具有关键性的影 响。叶笃正等 [ 3 ]研究表明 ,全国涝灾主要集中在江 淮地区 ,其中 6—7月的旱涝大部分是由梅雨异常引 起的 ,因此梅雨一直是我国气象学者研究的重要课 。魏凤英等 [ 4 ]利用徐群定义的 1885—2000 年长 江中下游梅雨特征量资料 ,研究指出入梅和出梅是 反映东亚过渡季节环流变化与调整的重要天气气候 指标 ,发现长江中下游梅雨出梅日期和梅雨期长度 的年际变差很大 ,这一工作是用统计方法从一个层 次上对长江中下游梅雨特征量的年际和年代际变化 特征进行分析的 ,没有涉及梅雨的年际、年代际变化 随时间演变的特征。徐群 [ 526 ]分析了近 80 a长江中 下游梅雨特征 ,并利用江苏省中南部各 5个站 46 a 的逐日雨量资料和西太平洋副高逐候脊线纬度资 料 ,划分出苏南和江淮的梅雨期 ,并对一些异常特征 进行了分析。章淹 [ 7 ]分析了近 50 a江淮梅雨的变 化 ,指出 20世纪 50年代以后江淮梅雨经历集中降 水期缩短、降水量减少等重大转变。王叶红等 [ 8 ]分 析发现长江中下游 6—7 月降水存在 50 年代和 80—90年代的多雨期 , 60—70年代干早期 3个明显 的气候阶段。胡娟等 [ 9 ]研究指出我国江淮地区 5— 7月降水异常峰值出现在 6月和 7月 ,基本呈单峰 型分布。刘勇等 [ 10 ]利用安徽省近 50 a梅雨资料 , 研究了安徽梅雨的年际变化特征。毛文书等 [ 11212 ] 研究指出江淮梅雨期暴雨量峰值出现在 6月第 5候 和 7月第 1候 ,南亚高压和副热带高压异常直接影 响到梅雨量的丰枯。随着全球气候变暖 ,年代际气 候变化的研究成为目前气候研究的热点问题 ,特别 是 20世纪 90年代中期这类研究成为国际气候变化 及其可预报性研究 (CL IVAR)计划中的重要研究内 容之一 [ 13 ]。事实上 ,气候系统存在多种尺度的变 化 ,而且在不同时期振荡的强弱也可能存在差异 ,因 此有必要从多层次的角度对江淮梅雨的年际、年代 际振荡及随时间演变特征进行研究。本文利用江苏 省气象局给出的梅雨特征量资料 ,采用谐波分 析 [ 14 ]、经验正交函数分解 [ 15216 ]、线性倾向估计 [ 17 ]等 诊断方法 ,对江淮梅雨的时空变化特征进行了较为 详细的讨论 ,这有利于进一步揭示梅雨规律 ,做好梅 雨预测服务工作。 1　资料 江苏省气象局整编的江淮地区 37站 1954— 2001年共 48 a梅雨特征量资料 ,包括入梅日期、出 梅日期、梅雨期长度、梅雨量及梅雨强度资料。其中 梅雨强度用公式表示为 梅雨强度 =梅雨总日数梅雨期长度 ×梅雨总量。 2　梅雨量的空间分布特征 2. 1　客观代表站的选取 利用江苏省气象局整编的江淮地区 5个梅雨特 征量资料 ,在消除台站迁移、经过均一性检查和严格 质量控制基础上 ,按照所研究区域内站点尽量多、时 段尽量长的原则 ,选取江淮区域 ( 110～123°E、28～ 34°N ) 37站 48 a的梅雨特征量资料进行分析 ,其站 点空间分布如图 1所示。 图 1　江淮地区 37站的空间分布 Fig. 1　Spatial distribution of the 37 stations in the Changjiang2Huaihe R iver Valley 由图可见 ,本区内站点分布均匀 ,具有较好的代 表性 ,它包括了江淮地区五省一市的大部地区 ,即江 苏、安徽、浙江、湖北的大部、江西北部以及上海市 , 它们分别是 :光化、巴东、钟祥、恩施、宜昌、荆州、武 汉、来凤、修水、连云港、亳县、宿县、淮安、射阳、阜 阳、蚌埠、滁县、南京、镇江、东台、南通、霍山、合肥、 常州、溧阳、上海、黄石、安庆、杭州、乍浦、慈溪、景德 镇、黄山、金华、嵊州、鄞县、衢州。 2. 2　梅雨量的空间分布 对江淮地区 37站 48 a梅雨量距平进行 EOF分 析 ,得到方差贡献率较大的前 3个模态的空间分布 及相应的时间系数变化如图 2所示。由图 2可知 , 它反映出江淮梅雨量的几种主要的大范围空间分布 型 ,累积方差贡献率为 73. 4% ,利用 North等 [ 18 ]的 经验方法对其取样误差进行评估 , EOF结果特征值 收敛很快 ,表明满足能量按自由度均分 ,是稳定可分 的 ,因此具有实际的物理意义。第 1模态 (图 2a)占 711第 1期 毛文书 ,等 :江淮梅雨的时空变化特征 总方差的 56. 3% ,表明梅雨量的空间分布型为全区 一致型 ,其振幅高值中心位于江淮地区中部淮河流 域以南和长江流域以北的皖南和鄂北地区 ,是江淮 梅雨量最主要的空间分布型。由其相应的时间系数 图 2　梅雨量 EOF分解前 3个模态的空间分布 ( a, c, e)及相应的时间系数 ( b, d, f) Fig. 2　 ( a, c, e) Spatial distributions and ( b, d, f) corresponding time coefficient of the first three EOF modes of the Meiyu p recip itation in the Changjiang2Huaihe R iver Valley in 1954—2001 变化 (图 2b)可知 :整个江淮地区 1954年严重偏涝 , 而 1966年严重偏旱。第 2模态 (图 2c)占总方差的 11. 5% ,表明江淮梅雨量大致以 31°N为界呈南多 (少 )北少 (多 )的反位相变化 ,反映了江淮梅雨量 南、北部之间的空间局地差异。由其相应的时间系 数变化 (图 2d)可知 , 1978年、1984年和 1993年江 淮地区旱涝南北差异最为显著。第 3模态 (图 2e) 占总方差的 5. 7% ,表明江淮梅雨量大致以 115°E 为界呈东多 (少 )西少 (多 )的反位相变化 ,反映了江 淮地区梅雨量东、西部之间的空间局地差异。由其 相应的时间系数变化 (图 2f)可知 , 1969年、1970年 和 1984年江淮东西部地区旱涝差异显著。 从以上分析可见 ,采用一级近似将江淮地区作 为一个整体来分析其梅雨量的时空变化特征是合理 的。梅雨强度变化的空间分布与梅雨量变化的空间 分布相似 ,故不再赘述。 811 南京气象学院学报 第 31卷 　 3　梅雨特征量的时间演变 上文分析江淮梅雨量的空间分布时 ,是把梅雨 量在时间上作为一个点来考虑的 ,下面把整个江淮 地区各梅雨特征量分别做区域平均 ,将其在空间上 作为一个点 ,来进一步分析各梅雨特征量的时间变 化特征。使用谐波分析方法对梅雨特征量时间序列 进行年际和年代际尺度分离 ,利用线性倾向方法计 算梅雨特征量的长期演变趋势。图 3给出入梅日 期、出梅日期、梅雨期长度、梅雨量和梅雨强度 5个 梅雨特征量的时间演变曲线 ,其中柱线为年际尺度 分量 ,光滑曲线为年代际尺度分量 ,虚线为线性趋势 线 ,细实线为 ±0. 7倍差选择线。 图 3　梅雨特征量标准化距平年际尺度分量 (柱线 )、年代际尺度分量 (实线 )的时间变化和长期趋势 (虚线 ) a. 入梅日期 ; b. 出梅日期 ; c. 梅雨期长度 ; d. 梅雨量 ; e.梅雨强度 Fig. 3　 Interannual( bar) and interdecadal( solid line) component evolution and long2term trend ( dash line) of normalized Meiyu characteristic variable anomaties for ( a) onset date, ( b) end date, ( c) duration, ( d) rainfall, and ( e) rainfall rate in 1954—2001 3. 1　梅雨特征量的年际变化 由图 3中年际分量 (柱线 )可以清楚地看出 ,梅 雨特征量均存在显著不同的年际变化特征。若以超 过 0. 7倍标准差作为梅雨特征量偏多 (迟 ) ,低于 - 0. 7倍标准差作为梅雨特征量偏少 (早 )的标准 , 给出 48 a以来江淮梅雨特征量的异常年份如表 1 所示。 由表 1可知 , 48 a来江淮梅雨入梅日期异常偏 早的年份有 4 a,异常偏晚的年份有 6 a;出梅日期 异常偏早的年份有 8 a,异常偏晚的年份有 4 a;梅 雨期长度异常偏长的年份有 7 a,异常偏短的年份 有 8 a;梅雨量异常偏多 (以下简称丰梅年 )的年份 有 5 a,梅雨量异常偏少 (以下简称枯梅年 )的年份 911第 1期 毛文书 ,等 :江淮梅雨的时空变化特征 有 6 a;梅雨强度异常偏强的年份有 7 a,异常偏弱 的年份有 9 a。 由以上分析可见 ,江淮梅雨特征量时间分布不 均 ,其年际变化差异显著。梅雨量异常的年份 ,丰梅 年中分别各有 1 /4的年份入梅日期偏早和出梅日期 偏迟 ,有 4 /7的年份梅雨期长度异常偏长 ,有 5 /7的 年份梅雨强度异常强 ;枯梅年中有 4 /8的年份出梅 偏早 ,有 3 /7的年份梅雨期长度异常偏短 ,有 3 /9的 年份梅雨强度异常偏弱。 表 1　梅雨特征量异常年份 Table 1　A nom alous years of M eiyu characteris tic variables in the Changjiang2H uaihe R iver V alley in 1954—2001 特征量 异常 年份 入梅日期 偏早年 1966、1971、1984、1991 偏迟年 1965、1972、1982、1990、1992、1993 出梅日期 偏早年 1958、1961、1971、1978、1988、1994、 2000、2001 偏迟年 1954、1959、1962、1974 梅雨期长度 偏长年 1954、1956、1962、1980、1984、1991、1996 偏短年 1958、1965、1972、1978、1988、1994、 2000、2001 梅雨量 丰梅年 1954、1980、1983、1991、1996 枯梅年 1958、1959、1961、1978、1985、2000 梅雨强度 偏强年 1954、1962、1969、1980、1983、1991、1996 偏弱年 1958、1965、1971、1978、1981、1992、 1994、2000、2001 为进一步了解梅雨特征量的周期变化特征 ,分 别对各梅雨特征量进行最大熵谱分析 (图略 ) ,结果 表明 :入梅日期具有 2. 67 a和 8 a的显著周期变 化 ;出梅日期具有 9. 6 a和 2. 8 a的显著周期变化 ; 梅雨期长度具有 9～9. 6 a和 2. 67 a的显著周期变 化 ;梅雨量具有 9. 6 a和 2. 53 a的显著周期变化 ; 梅雨强度具有 6. 86 a和 2. 67 a。由此可见 , 5个梅 雨特征量均具有相同的准 3 a的周期变化特征 ,其 中出梅日期、梅雨期长度、梅雨量还具有准 10 a的 相同显著周期变化特征 ,江淮梅雨的这种周期变化 特征同 A llan等 [ 19 ]及 Reason等 [ 20 ]研究指出的有关 2～2. 5 a的年际振荡及 10～13 a的年代际振荡在 全球气候系统中最突出的结论是吻合的。其他研究 也证实了准 6～7 a振荡在气候要素中存在的事 实 [ 21222 ] ,并被认为是气候系统内部的变化和 EN SO 振荡的结果。 3. 2　梅雨特征量的年代际变化 由图 3中线性趋势线 (虚线 )可以清楚地看出 48 a来梅雨特征量均存在显著不同的长期趋势变 化特征。其中除入梅日期长期趋势系数呈下降趋势 以外 ,出梅日期、梅雨期长度、梅雨量和梅雨强度长 期趋势系数都呈上升趋势 ,说明从较长时间尺度来 看 ,江淮梅雨特征量除入梅日期偏迟以外 ,出梅日期 偏迟、梅雨期长度偏长、梅雨量偏多、梅雨强度偏强。 由图 3中年代际分量 (实线 )可知梅雨特征量 呈现显著不同的年代际变化特征。入梅日期的年代 际变化 (图 3a ) 表明 , 1954—1956 年、1970—1975 年、1987—1994 年入梅日期偏早 , 而 1957—1969 年、1976—1986年入梅日期偏迟。出梅日期的年代 际变化 (图 3b)表明 , 1956—1964年、1970—1975年 出梅日期偏早 ,而 1965—1969年、1976—2001年出 梅日期偏迟。梅雨量的年代际变化 (图 3c)表明 , 50 年代前期梅雨量偏多 , 50年代中期 —60年代末期梅 雨量偏少 , 70年代初期 —80年代初期梅雨量呈正常 略偏多的状态 , 80年代中期 —90年代初期梅雨量显 著偏多 , 90年代中期 —20世纪初梅雨量呈偏少 —偏 多的波动状态。梅雨期长度的年代际变化 (图 3d) 表明 , 50年代初期梅雨期长度偏长 , 50年代中期 — 60年代后期梅雨期长度偏短 , 70年代呈偏多 —偏少 的波动状态 , 80年代初期 —20世纪初期梅雨期长度 偏长。梅雨强度的年代际变化 (图 3e)表明 , 50年 代初期梅雨强度偏强 , 50年代中期 —60年代末期梅 雨强度偏弱 , 70年代初期 —80年末期梅雨强度呈偏 弱 —偏强 —偏弱的波动状态 , 90年代初期 —20世纪 初梅雨强度呈偏强的状态。 以上分析表明 ,从较长时间尺度来看 ,梅雨期长 度、梅雨量和梅雨强度的年代际变化趋势与出梅日 期的年代际变化趋势相比虽然存在一定差异但总体 基本相似 ,只是振幅略有不同。谐波分析的结果还 表明各梅雨特征量的年际和年代际尺度分量之间具 有显著不同的方差构成 ,说明梅雨特征量存在显著 不同的年际和年代际尺度变化特征 ,各梅雨特征量 的年际尺度分量的方差贡献均大于年代际尺度分量 的方差贡献 ,说明梅雨特征量的年际变化比年代际 变化要显著。5个梅雨特征量中以梅雨强度的年际 尺度分量的方差贡献最为显著 ,达 85. 34% ,入梅日 期的年代际尺度分量的方差贡献最显著 , 为 28. 33% ,说明梅雨入梅日期的年代际变化较其他 4 个特征量更为显著。 021 南京气象学院学报 第 31卷 　 为了更进一步了解各梅雨特征量年代际变化之 间的关系 ,分别计算了各梅雨特征量年代际变化分 量之间的相关系数。结果表明 ,入梅日期和出梅日 期这两个特征量的年代际变化分别与梅雨期长度、 梅雨量和梅雨强度的年代际变化之间存在明显的负 相关或正相关关系 ,其中梅雨期长度、梅雨量和梅雨 强度的年代际变化之间相关系数大 , 达 0. 69 ～ 0. 91,通过 0. 001的 M onte2C arlo显著性检验。 以上分析说明 ,一般而言 ,江淮梅雨入梅偏早、 出梅偏晚 ,梅雨期长度偏长、梅雨量偏大、梅雨强度 偏强 ,反之亦然。可见 ,江淮梅雨入、出梅的早晚 ,梅 雨期的长短 ,梅雨量的强弱 ,对江淮梅雨量的丰、枯 有重要影响。 4　江淮地区降水异常月际和雨季变化 为了对江淮地区各月降水量的异常变化有一个 了解 ,若以某年该月降水量与该月多年平均降水量 之差大于 1倍标准差表示降水异常 ,以某年该月降 水量与该月多年平均降水量距平大于零表示雨季 , 图 4给出江淮地区各月降水量异常的月际变化分布 和雨季变化分布。 图 4　1954—2001年江淮地区各月降水异常的月际变化 ( a)和雨季变化 ( b) (图 a中阴影部分表示距平绝对值大于 35 mm;图 b中阴影部分距平大于 35 mm ) Fig. 4　 ( a)M onthly rainfa ll anom aly ( areas w here the abso lute va lue > 35 mm are shaded) and ( b) ra iny season ( areas w here the va lue > 35 mm are shaded) varia tions in the Chang jiang2H uaihe R iver V alley in 1954—2001 由图 4a可知 ,江淮地区各月降水量异常年际变 化显著 , 48 a来江淮地区月降水量异常的时段主要 集中在江淮地区夏季的 6—8月 ,其中大涝的 1954 年、1980年、1983年、1991年和 1998年降水异常都 出现在 6—7月 ,大旱的 1958年、1959年、1961年、 1978年和 1985年也都出现在 6—7月 ,大涝年、大 旱年分别与梅雨量丰梅年、枯梅年几乎相同 ,说明梅 雨量的丰枯不仅反映了江淮 6—7月降水量的多寡 , 而且在很大程度上决定着江淮地区 6—7月的旱涝。 由图 4b可知 , 48 a来江淮地区的雨季一般出 现在 4—9月 , 50年代中期至 80年代初期雨季的开 始期集中在 4月 ,雨季的结束期集中在 9月 ; 但 80 年代中期至本世纪初 ,雨季的开始期明显往后推移 , 大多集中 5月 ,而雨季的结束期也明显提前 ,大多集 中在 8月。由江淮地区的雨季变化图与江淮梅雨入 梅日期的时间演变曲线对比分析发现 : 50年代中期 至 80年代初期 ,江淮地区雨季偏早 ,则江淮梅雨入 梅日期偏早 ; 80年代中期至本世纪初 ,江淮地区雨 季偏迟 ,则江淮梅雨入梅日期偏迟 ,说明江淮梅雨入 梅日期的早晚与江淮地区雨季的变化密切相关。若 以降水量距平的高值区表示该年强降水事件 ,图中 清楚地表明暴雨等强降水事件大都出现在 6—7月 , 这与以往的研究成果相吻合 [ 11 ] 。 5　结论 (1)梅雨量空间分布不均 , EO F分解结果表明 江淮地区梅雨量的总体变化特征一致 ,将江淮地区 梅雨量作为一个整体来考虑是合理的。 (2)梅雨特征量存在显著不同的年际变化和多 121第 1期 毛文书 ,等 :江淮梅雨的时空变化特征 时间尺度振荡周期 , 5个梅雨特征量具有相同的准 3 a显著周期变化特征 , 其中出梅日期、梅雨期长 度、梅雨量还具有相同的准 10 a显著周期变化特 征。 (3)梅雨特征量存在显著不同的年代际变化和 长期趋势变化特征。5个梅雨特征量的年代际变化 之间存在明显的负相关或正相关关系 ,其中梅雨期 长度、梅雨量和梅雨强度的年代际变化之间相关系 数大 ,达 0. 69～0. 91,通过 0. 001的 M onte2C arlo显 著性检验。除入梅日期呈下降的长期变化趋势外 , 出梅日期、梅雨量、梅雨期长度、梅雨强度均呈上升 的长期变化趋势。 (4)江淮地区雨季一般出现在 4—9月 , 50年代 中期至 80年代初期雨季的开始期集中在 4月 ,雨季 的结束期集中在 9月 ,但 80年代中期至本世纪初 , 雨季的开始期明显往后推移 ,大多集中 5月 ,而雨季 的结束期也明显提前 ,大多集中在 8月 ,江淮地区雨 季偏早 ,则入梅日期偏早 ;反之亦然。 参考文献 : [ I ]　朱乾根 ,林锦瑞 ,寿绍文 ,等. 天气学原理和方法 [M ]. 北京 :气 象出版社 , 1992: 4952496. 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