珠三角地區(qū)近38年冬半年降水*量變化特征及干旱成因分析

朱鐵才，林文實，葉坤輝，徐良韜

(中山大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

珠三角地區(qū)是廣東經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，屬于熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候，全年降水比較豐富。但是，該地區(qū)降水量季節(jié)變化較大，主要集中在汛期 (4－9月)，約占全年的80%;在冬半年 (10月－次年3月)，由于受冬季風(fēng)的影響，降水量少且變率大，當(dāng)降水量偏少時，常常出現(xiàn)不同程度的干旱，甚至出現(xiàn)秋冬春連旱的嚴(yán)重旱情，造成干旱缺水，對飲水安全、生態(tài)環(huán)境和春耕工作等造成一定程度的影響［1－2］。姚章民等［2］研究指出，近年來，珠江干旱出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時間長、波及范圍大，不僅給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響，使流域經(jīng)濟(jì)遭受重大損失，而且造成供水緊張局面，引發(fā)飲水安全問題。梁必騏等［3］認(rèn)為自17世紀(jì)以來，廣東80%以上的年份發(fā)生干旱災(zāi)害。例如，2003－2005年初廣東就連續(xù)出現(xiàn)了秋冬春連旱的嚴(yán)重旱情，省內(nèi)大部分地區(qū)處于重旱到極旱狀態(tài)，珠三角地區(qū)也深受其害。因此，廣東干旱問題近年來引起了許多學(xué)者的關(guān)注和研究。例如，劉江龍等［4］研究指出，廣東旱災(zāi)的致災(zāi)因子主要有大氣環(huán)流異常、厄爾尼諾影響、自然地理環(huán)境復(fù)雜、社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境多變、水資源分布不均、人類活動不合理、水利工程欠完善等;張勇等［5］根據(jù)廣東旱災(zāi)的氣候成因，提出了多方面的防御對策。

根據(jù)世界氣象組織的定義，干旱指在較大范圍內(nèi)相對長期平均水平而言降水減少，從而導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力下降［6］。Wilhite等［7］研究指出，所有類型的干旱都源于降水的缺乏，當(dāng)降水缺乏持續(xù)一段時間，干旱就此發(fā)生。所以，干旱問題是與該地區(qū)的降水量多少息息相關(guān)的。近年來，較多對廣東或者華南地區(qū)汛期降水的研究［8－14］，而對于珠三角地區(qū)冬半年降水研究則極少，相關(guān)的主要有:紀(jì)忠萍等［15］研究指出廣東冬半年降水存在顯著的準(zhǔn)40a、準(zhǔn)2 a左右的變化周期，而且與赤道中東太平洋的海溫具有明顯的正相關(guān)，與菲律賓以東的西北太平洋的海溫具有明顯的負(fù)相關(guān);李秀珍等［16］研究指出輸送至華南的水汽秋季主要來源于孟加拉灣及副熱帶西太平洋，冬季主要來源于青藏高原南側(cè)的東亞南支偏西風(fēng)氣流，春季則主要來源于東亞南支偏西風(fēng)氣流及熱帶西太平洋海區(qū)。因此，研究珠三角地區(qū)冬半年的降水變化特征是有必要的。本文將主要研究珠三角地區(qū)冬半年降水量的變化特征，以及分析降水量偏少年份一特征向量值全部為正值，且大小相近，是典型的的大氣環(huán)流場特征，以探尋珠三角地區(qū)干旱的成因。

1 資料與方法

本文所用資料主要包括:①1970－2008年珠江三角洲地區(qū)22個氣象觀測站的逐月降水量資料。這些站點包括三水、花都、從化、廣州、南海、東莞、龍門、增城、博羅、惠陽、鶴山、開平、新會、臺山、順德、番禺、中山、斗門、珠海、惠東、深圳和上川島等。② NCEP/NCAR再分析資料的全球1970－2008年逐月平均500 hPa位勢高度場和850 hPa風(fēng)場，水平分辨率為2.5°×2.5°。

采用的主要方法有滑動平均、主分量分析(EOF)和小波分析等［17－18］。

2 冬半年降水量變化分布特征

對1970－2007年珠三角地區(qū)22個氣象站冬半年 (10月－次年3月)降水量的距平分布進(jìn)行EOF分析，得到前三個主分量的方差貢獻(xiàn)率依次為85.1%、6.0%、3.0%，累積方差貢獻(xiàn)率已達(dá)到94.1%，收斂速度很快，表明前3個主分量已經(jīng)給出了珠三角地區(qū)冬半年降水量變化的大部分信息。

圖1 1970－2007年珠三角地區(qū)冬半年降水量距平第一至三特征向量圖Fig.1 Diagram showing the first to third eigenvectors of precipitation anomaly for the cold half of the year in the Pearl River Delta from 1970 to 2007

如圖1(a)、(b)、(c)所示，珠三角地區(qū)冬半年降水量變化分布類型主要包括一致型、南北差異型和東西差異型。如圖1(a)所示，第一特征向量分布為一致型，所占方差貢獻(xiàn)率為85.1%，是珠三角地區(qū)冬半年降水量變化最主要的分布類型。第一致型分布，表明珠三角地區(qū)冬半年降水量變化分布具有很高的同步性。如圖1(b)所示，第二特征向量分布為南北差異型，所占方差貢獻(xiàn)率為6.0%。第二特征向量值表現(xiàn)為南正北負(fù)，而且相差較大，表明珠三角地區(qū)冬半年降水量變化分布有可能出現(xiàn)南北不一致的情況。如圖1(c)所示，第三特征向量分布為東西差異型，所占方差貢獻(xiàn)率為3.0%。第三特征向量值表現(xiàn)為西正東負(fù)，而且相差也比較大，表明珠三角地區(qū)冬半年降水量變化分布存在出現(xiàn)東西不一致的可能性。綜上可見，珠三角地區(qū)冬半年降水量變化分布一般是一致的，但也存在南北差異和東西差異的可能性。

3 冬半年降水量變化趨勢分析

對1970－2007年冬半年珠三角地區(qū)22個氣象站平均降水量的距平分布進(jìn)行五點滑動平均分析和小波分析，分別見圖2和圖3所示。

圖2 1970－2007年珠三角地區(qū)冬半年降水量距平及五年滑動平均分布圖Fig.2 Precipitation anomaly for the cold half of the year and five-year moving average distribution in the Pearl River Delta from 1970 to 2007

由圖2可見，在1970－2007年期間珠三角地區(qū)冬半年降水量的走勢大致可以分為三個階段:第一階段為1970－1980年代初期，處于震蕩上升走勢，期間上下波動幅度較大，并且在1982年冬半年降水量達(dá)到最高峰，其距平值高達(dá)718.7 mm;第二階段為1980年代初期－1990年代中期，處于橫向盤整走勢，期間上下波動幅度較小;第三階段為1990年代中期－2007年，處于明顯的下降走勢，其中2001－2007年冬半年降水量出現(xiàn)了連續(xù)7年的負(fù)距平，并且未來走向具有明顯的繼續(xù)下行的趨勢。

圖3 1970－2007年珠三角地區(qū)冬半年降水量距平的小波變換圖Fig.3 The wavelet transform of the precipitation anomaly for the cold half of the year in the Pearl River Delta from 1970 to 2007

圖3為1970－2007年珠三角地區(qū)冬半年降水量距平的小波變換圖。圖中信號的強(qiáng)弱通過小波系數(shù)的大小來表示，小波系數(shù)絕對值越大，表明該時間尺度變化越顯著;等值線為正的用實線表示，代表降水量偏多;等值線為負(fù)的用虛線表示，代表降水量偏少，小波系數(shù)為零則對應(yīng)著突變點。由圖3可見，珠三角地區(qū)冬半年降水量變化具有明顯的2～3 a、6～7 a和13～14 a的周期。其中，以6～7 a周期震蕩最為顯著，尤其在1970年代末期之后得到了較好的體現(xiàn)，其對應(yīng)的小波系數(shù)依次為負(fù)(1979－1983年)、正 (1984－1986年)、負(fù)(1987－1990)、正 (1991－1993年)、負(fù) (1994－1996年)、正 (1997－1999年)、負(fù) (2000－2002年)、正 (2003－2005年)、負(fù) (2006－2007年)，表示在6～7 a周期上，珠三角地區(qū)冬半年降水量經(jīng)歷了偏少、偏多、偏少、偏多、偏少、偏多、偏少、偏多、偏少等9個明顯的階段性變化，而且直到2007年負(fù)值等值線尚未閉合。如果結(jié)合13～14 a周期的變化來看，2007年后應(yīng)當(dāng)也是小波系數(shù)由正的大值變小的過程中，又從距平圖來看，2000年以后降水是整體偏少的，以現(xiàn)有結(jié)果綜合分析，未來一段時間內(nèi)珠三角地區(qū)冬半年降水量仍存在偏少的可能，但也存在不確定性。

4 冬半年干旱的成因分析

干旱主要是由于降水偏少造成的，根據(jù)《氣象干旱等級》國家標(biāo)準(zhǔn) (GB/T20481－2006)［19］所采用的降水量距平百分率指標(biāo)的干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，某時段降水量低于同期氣候平均降水量30%以上 (即降水量距平百分率≤－30%)就可以定義為中旱以上 (包括中旱、重旱和特旱)的干旱程度，珠三角地區(qū)1970－2007年冬半年降水量低于平均降水量30%以上的年份包括有1970、1973、1976、1979、 1985、 1992、 1998、 2003、 2004、2005和2007年共11 a，可以作為珠三角地區(qū)的冬半年干旱年份。降水的異常主要由于受到大氣環(huán)流異常的影響，所以，可以從上述選取的珠三角地區(qū)11個冬半年干旱年份的大氣環(huán)流場形勢分析其干旱成因。

4.1 500 hPa高度場

由圖4的500 hPa位勢高度距平合成場可見，亞歐大陸表現(xiàn)為兩槽一脊的形勢分布。極區(qū)附近，俄羅斯以及亞歐大陸中部表現(xiàn)為正距平;東經(jīng)20°以西，北緯60°到北緯30°大部分地區(qū)表現(xiàn)為負(fù)距平;貝加爾湖－東亞－北緯20°以南表現(xiàn)為負(fù)距平。這種距平分布反映了極渦偏弱，歐洲槽偏強(qiáng)，巴爾喀什湖附近高壓脊偏強(qiáng)，而亞歐大陸中緯度西風(fēng)帶擾動偏弱。紀(jì)忠萍等［15］研究指出，極渦偏弱，歐洲槽偏強(qiáng)，巴爾喀什湖附近的高壓脊偏強(qiáng)，冷空氣活躍，亞洲大陸中低緯度西風(fēng)帶低壓擾動不活躍，是導(dǎo)致廣東降水偏少的共同原因。可見，極渦偏弱，歐洲槽偏強(qiáng)，巴爾喀什湖附近高壓脊偏強(qiáng)，冷空氣活躍，而中緯度西風(fēng)帶擾動不足正是珠三角地區(qū)冬半年干旱的主要原因。

圖4 珠三角地區(qū)冬半年干旱年份的500 hPa位勢高度距平合成場 (單位:gpm)Fig.4 The synthesis of 500 hPa geopotential height anomaly field of the years when drought occurred during the cold half of the year in the Pearl River Delta region(unit:gpm)

4.2 850 hPa風(fēng)場

由圖5的850 hPa風(fēng)場距平合成場可見，我國東北附近為一氣旋環(huán)流，日本東面西北太平洋有一反氣旋環(huán)流，我國中東部一帶由異常的西北距平風(fēng)場控制，我國東南部－南海－中南半島由異常的偏北距平風(fēng)場控制，珠三角地區(qū)上空由一致的偏北距平風(fēng)場控制，同時注意到菲律賓附近還有一氣旋環(huán)流。這種形勢反映了冷空氣活躍，而南部擾動系統(tǒng)不強(qiáng)，水汽輸送偏弱的特點。據(jù)研究，華南冬季的持續(xù)性降水天氣大多數(shù)是由印緬槽擾動所引起［20］。紀(jì)忠萍等［15］研究指出，冷空氣活躍并控制廣東，而南支槽活動偏弱，冷暖空氣對峙少，是導(dǎo)致廣東的降水持續(xù)偏少的共同原因?？梢?，珠三角地區(qū)冬半年干旱主要是由于該地區(qū)上空冷空氣活躍，南部擾動系統(tǒng)不強(qiáng)，水汽輸送偏弱等原因造成的。

圖5 珠三角地區(qū)冬半年干旱年份的850 hPa風(fēng)場距平合成場 (單位:m/s)Fig.5 The 850 hPa wind anomaly synthetic field of the years when drought occurred during the cold half of the year in the Pearl River Delta region(unit:m/s)

5 結(jié)論

本文根據(jù)1970－2008年珠三角地區(qū)冬半年的降水資料，利用滑動平均、EOF分析和小波分析等方法，分析了降水變化特征及干旱成因，得到以下結(jié)論:

1)珠三角地區(qū)冬半年降水量變化分布類型主要包括一致型、南北差異型和東西差異型三種類型。其中，一致型是最主要的分布類型，其所占方差貢獻(xiàn)率高達(dá)85.1%。

2)1970－2007年期間珠三角地區(qū)冬半年降水量大致可以分為震蕩上升、橫向盤整和明顯下降的走勢，對未來走向也具有明顯的繼續(xù)下行的趨勢。

3)珠三角地區(qū)冬半年降水量變化具有明顯的2～3、6～7和13～14 a的周期。其中，以6～7 a周期震蕩最為顯著，并且顯示未來一段時間內(nèi)珠三角地區(qū)冬半年降水量偏少的可能性仍較大。

4)從大氣環(huán)流場來看，冬半年 (10月－次年3月)極渦偏弱，歐洲槽偏強(qiáng)，巴爾喀什湖附近高壓脊偏強(qiáng)，冷空氣活躍，而中緯度西風(fēng)帶擾動不足，南支槽活動偏弱，冷暖空氣對峙少，是造成珠三角地區(qū)冬半年干旱的主要原因。

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