長(zhǎng)江中下游地區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”*

張世軒 封國(guó)林 趙俊虎

1 引言

暴雨是指24 h降水量為50 mm或以上的強(qiáng)降雨過(guò)程,多發(fā)生于夏季6—7月份,由于暴雨常常帶來(lái)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害,因而是大氣科學(xué)研究的熱點(diǎn)和重要課題[1],也引起許多國(guó)家和地區(qū)的學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-9].長(zhǎng)江中下游是我國(guó)暴雨集中多發(fā)區(qū)域,夏季平均暴雨日數(shù)在3 d以上,降水量可占夏季總降水的40%以上[1],因而對(duì)該地區(qū)夏季降水具有十分重要的影響,降水異常年份的分析也表明,長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季雨帶的形成和降水的多寡與暴雨有著密切的聯(lián)系[10-14],如2011年6月長(zhǎng)江中下游地區(qū)連續(xù)的4場(chǎng)暴雨過(guò)程,使得該月降水量累積達(dá)到整個(gè)夏季降水的60%左右[15],造成該地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)[16,17],并決定了整個(gè)夏季主雨帶的位置.事實(shí)上,暴雨是一個(gè)天氣尺度系統(tǒng),但類(lèi)似于這樣的天氣尺度系統(tǒng)頻繁活動(dòng)時(shí),其在時(shí)間和空間上會(huì)造成一定的持續(xù)性,多次過(guò)程的累積或疊加,會(huì)產(chǎn)生一種“積成效應(yīng)”,往往會(huì)形成類(lèi)似于中長(zhǎng)期天氣過(guò)程的現(xiàn)象,進(jìn)而對(duì)夏季降水多寡和分布產(chǎn)生決定性作用.然而與之相矛盾的是,從短期氣候預(yù)測(cè)的可預(yù)測(cè)性角度而言,無(wú)法提前三個(gè)月(中國(guó)3月夏季汛期預(yù)測(cè)會(huì)商制)實(shí)現(xiàn)對(duì)上述降水過(guò)程的預(yù)測(cè),從而導(dǎo)致2011年夏季主雨帶的預(yù)測(cè)失敗.因此,如何定位暴雨這種短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)整個(gè)夏季降水的貢獻(xiàn)和影響,以及如何對(duì)其進(jìn)行預(yù)估,是目前汛期降水預(yù)測(cè)存在的疑點(diǎn)和難點(diǎn)之一.此外,縱觀國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究大都基于個(gè)例分析,側(cè)重某次暴雨過(guò)程的特征分析[18-22],對(duì)多次過(guò)程所造成的“積成效應(yīng)”鮮為提及.

基于此,本文提出暴雨“積成效應(yīng)”這一概念,以長(zhǎng)江中下游地區(qū)為例,從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析暴雨的時(shí)-空分布特征,制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)劃分暴雨“積成效應(yīng)”,進(jìn)一步建立相關(guān)的指數(shù)對(duì)其進(jìn)行描述,探討它與夏季降水時(shí)-空分布之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,初步確立暴雨這一類(lèi)天氣尺度活動(dòng)對(duì)同期夏季降水具有重要貢獻(xiàn),為進(jìn)一步研究多次暴雨過(guò)程累積或疊加作用對(duì)夏季主雨帶分布和局地氣候等的影響等提供依據(jù).

2 資料及處理

研究資料包括中國(guó)氣象局氣象信息中心資料室提供的中國(guó)740站1960—2011年逐日降水資料.研究時(shí)段為夏季6月1日到8月31日共92 d.選取長(zhǎng)江中下游地區(qū) (27°N—34°N,105°E—125°E)進(jìn)行研究,首先對(duì)資料連續(xù)缺測(cè)2 d以上的站點(diǎn)進(jìn)行剔除,對(duì)缺測(cè)1 d的站點(diǎn)用前后兩天的資料進(jìn)行線性插補(bǔ),實(shí)際上由于所選研究時(shí)段為夏季,觀測(cè)資料缺測(cè)較少,因此插補(bǔ)對(duì)結(jié)果影響很小.經(jīng)上述處理最終挑選出121個(gè)站點(diǎn),其分布如圖1所示,區(qū)域內(nèi)所選站點(diǎn)分布均勻,符合研究要求.本文均以1960—2011年52年平均作為氣候態(tài).

圖1 長(zhǎng)江中下游121站空間分布

3 暴雨“積成效應(yīng)”及其與夏季降水的關(guān)系

3.1 暴雨“積成效應(yīng)”的定義

根據(jù)一般降水的級(jí)別定義,本文分析時(shí)將日降水量在0.1 mm以上定為有降水發(fā)生,而將50 mm及以上的降水統(tǒng)稱為暴雨.本文所討論的暴雨“積成效應(yīng)”由滿足以下兩個(gè)方面性質(zhì)的暴雨所決定,一是空間上暴雨發(fā)生的范圍要達(dá)到一定的尺度,能夠?qū)θ纸邓a(chǎn)生作用;二是在時(shí)間上暴雨過(guò)程具有一定的持續(xù)性,決定降水的強(qiáng)度.

據(jù)此,首先從空間范圍入手,統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)江中下游區(qū)6月1日—8月31日在1960—2011年每年的總降水站點(diǎn)數(shù)(有降水發(fā)生即可)和暴雨站點(diǎn)數(shù),并計(jì)算多年平均逐日發(fā)生站點(diǎn)數(shù).如圖2所示,從演變形勢(shì)可以看到長(zhǎng)江中下游夏季平均每天發(fā)生暴雨的站點(diǎn)數(shù)為3個(gè)左右,而平均每天發(fā)生降水的站點(diǎn)可達(dá)40個(gè)左右,站點(diǎn)數(shù)分布呈現(xiàn)兩個(gè)峰值,較大峰值時(shí)段在第11 d(6月11日)至第43 d(7月13日)左右,暴雨能達(dá)到5個(gè)站點(diǎn)左右,對(duì)應(yīng)發(fā)生降水站點(diǎn)為50個(gè)以上,較小峰值時(shí)段為第70 d(8月9日)至第92 d(8月31日),暴雨能達(dá)到3個(gè)左右,對(duì)應(yīng)發(fā)生降水的站點(diǎn)數(shù)為40個(gè)左右.另外,較大峰值所對(duì)應(yīng)時(shí)段與多年梅雨平均發(fā)生時(shí)段相符合,此時(shí)每日出現(xiàn)暴雨的站點(diǎn)數(shù)平均為5個(gè)左右,總降水站點(diǎn)能占到全區(qū)總站點(diǎn)的約1/2.進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)1960—2011年夏季6月1日—8月31日共4784 d中,不同暴雨發(fā)生站點(diǎn)數(shù)的出現(xiàn)頻次,并計(jì)算其頻率.圖3(a)不同站點(diǎn)數(shù)發(fā)生頻率分布,可以看到統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)該區(qū)暴雨發(fā)生站點(diǎn)數(shù)最多為25個(gè),出現(xiàn)頻率為0.1%,最少為1個(gè),出現(xiàn)頻率為24.5%,不同暴雨發(fā)生站點(diǎn)數(shù)的出現(xiàn)頻率擬合曲線呈現(xiàn)指數(shù)型衰減特征,其衰減速率在5站之前較快,之后則逐漸減慢.而圖3(b)累積百分率擬合曲線則呈指數(shù)型增長(zhǎng)特征,與圖3(a)對(duì)應(yīng),暴雨發(fā)生站點(diǎn)數(shù)少于5個(gè)時(shí),其累積發(fā)生頻率增長(zhǎng)較快,隨后逐漸減緩,其中發(fā)生站點(diǎn)數(shù)小于5個(gè)的出現(xiàn)總頻率為 64.0%,而 5站以上 (包含 5站)總頻率為36%,粗略計(jì)算所得兩者的平均發(fā)生概率比為(64/4)：(36/21)—10.7：1. 結(jié)合上述兩方面的討論,我們將長(zhǎng)江中下游地區(qū)某天滿足5個(gè)或5個(gè)以上站點(diǎn)出現(xiàn)暴雨這一空間尺度特征,作為評(píng)判暴雨“積成效應(yīng)”發(fā)生的空間范圍條件.

圖2 長(zhǎng)江中下游52年平均逐日暴雨站點(diǎn)數(shù)(a)和總降水站點(diǎn)數(shù)(b)演變特征(曲線為5次多項(xiàng)式擬合)

圖3 不同暴雨站點(diǎn)數(shù)發(fā)生頻次百分率(a)及其累計(jì)百分率(b)的演變

其次,滿足空間尺度條件的幾場(chǎng)暴雨的時(shí)間間隔不超過(guò)一次天氣過(guò)程的持續(xù)時(shí)間(3—5 d左右)時(shí),說(shuō)明幾場(chǎng)暴雨過(guò)程具有一定的連續(xù)性,這種性質(zhì)的幾次暴雨過(guò)程累積,其時(shí)間尺度可表現(xiàn)出中長(zhǎng)期天氣過(guò)程的特點(diǎn),因而我們認(rèn)為它在時(shí)間上也具有一定的持續(xù)性.暴雨“積成效應(yīng)”是由滿足上述時(shí)-空尺度特征的幾次暴雨過(guò)程的累計(jì)或疊加所產(chǎn)生.

對(duì)于長(zhǎng)江中下游地區(qū),實(shí)際過(guò)程中可由如下的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷：當(dāng)該區(qū)某天暴雨站點(diǎn)數(shù)達(dá)到5站以上(≥5)時(shí),以這一天開(kāi)始每3 d滑動(dòng)求平均值,如果連續(xù)10 d或10 d以上滑動(dòng)平均值都滿足上述標(biāo)準(zhǔn),則記錄這一次暴雨降水過(guò)程,統(tǒng)計(jì)整個(gè)夏季滿足條件的所有過(guò)程,這些過(guò)程的累計(jì)或者疊加對(duì)夏季降水等所產(chǎn)生的影響和作用,即為長(zhǎng)江中下游地區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”.

3.2 長(zhǎng)江中下游地區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”的指標(biāo)

由上述的定義可知,要對(duì)上述事件進(jìn)行刻畫(huà),需要從持續(xù)時(shí)間(Ld)、控制面積(Ar),以及降水貢獻(xiàn)率(Qs)三個(gè)方面入手,針對(duì)所研究的每一年,以上指數(shù)分別定義如下：

其中,當(dāng)滿足以上時(shí)空選擇條件時(shí)Li=1,否則Li=0,i為滿足條件的序數(shù)日,持續(xù)時(shí)間Ld為所有滿足Li=1的總天數(shù),m為一次“區(qū)域性暴雨事件”的持續(xù)時(shí)間,Ar為上述時(shí)間段內(nèi)中心區(qū)域空間范圍大小,按照0.5°×0.5°分辨率對(duì)站點(diǎn)網(wǎng)格化,然后計(jì)算面積,Ai是每個(gè)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的面積大小.Rij表示滿足條件的第i天第 j站點(diǎn)上的降水量,其求和即表示暴雨“積成效應(yīng)”所產(chǎn)生的總降水,Rs表示某一年夏季降水總量,Qs為暴雨“積成效應(yīng)”時(shí)段內(nèi)滿足條件的所有站點(diǎn)降水總量占當(dāng)年夏季降水的比例,其值越大,說(shuō)明暴雨“積成效應(yīng)”時(shí)段內(nèi)的降水對(duì)當(dāng)年夏季降水的貢獻(xiàn)率越大.np為滿足條件的站點(diǎn)總數(shù).

定義的三項(xiàng)指標(biāo)以及長(zhǎng)江中下游區(qū)域平均降水量Rs隨時(shí)間演變特征如圖4所示.圖4(a)柱狀曲線表示每年暴雨“積成效應(yīng)”持續(xù)時(shí)間Ld,上方的數(shù)字表示暴雨“積成效應(yīng)”中滿足條件的暴雨過(guò)程次數(shù),可以看到每年滿足條件的暴雨過(guò)程次數(shù)并不一致,絕大多數(shù)年份以2次為主,其次為1次,出現(xiàn)3次的年份有3年,有4年沒(méi)有出現(xiàn)滿足條件的暴雨過(guò)程,分別為1961,1963,1966和1978年,與之對(duì)應(yīng)的控制面積(圖4(b))和降水貢獻(xiàn)率(圖4(c))在這幾年也都為0.以上4年的夏季降水總量也顯著偏少,居近52年中偏少年份的前4位(4(d));說(shuō)明暴雨“積成效應(yīng)”明顯偏弱時(shí),長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水顯著偏少.暴雨“積成效應(yīng)”持續(xù)時(shí)間具有明顯的年際和年代際震蕩變化,其多年平均持續(xù)時(shí)間為27.6 d左右,20世紀(jì)70年代中期以前以及20世紀(jì)80年代中期到90年代初期這兩個(gè)時(shí)段中,持續(xù)時(shí)間大多在氣候平均值以下,而20世紀(jì)70年代中期到80年代中期和20世紀(jì)90年代初期以后這兩個(gè)時(shí)段內(nèi),持續(xù)時(shí)間大多在氣候平均值附近及以上.此外,暴雨“積成效應(yīng)”對(duì)應(yīng)的暴雨過(guò)程發(fā)生次數(shù)與持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短并不完全呈正比關(guān)系,如1976年,發(fā)生次數(shù)雖為3次,但持續(xù)時(shí)間卻明顯比1983年1次事件短.

暴雨“積成效應(yīng)”中心區(qū)域面積Ar變化曲線(圖4(b))也有明顯的年際和年代際變化,總體表現(xiàn)為一種波動(dòng)上升趨勢(shì).年際變化表現(xiàn)為20世紀(jì)80年代以前,中心區(qū)域面積年際波動(dòng)幅度較大,且基本都在平均值以下,而80年代以后年際波動(dòng)幅度減弱,且基本都在平均值以上.年代際特征變化表現(xiàn)為20世紀(jì)70年代中期和80年代中期各有一次小的波峰出現(xiàn),在20世紀(jì)90年代以后出現(xiàn)一次大的波峰值,而在近10年呈現(xiàn)一種下降趨勢(shì).

圖4 暴雨“積成效應(yīng)”指標(biāo) (a)持續(xù)時(shí)間;(b)控制面積;(c)降水貢獻(xiàn)率及長(zhǎng)江中下游區(qū)域平均夏季降水量;(d)隨時(shí)間演變特征(曲線為5點(diǎn)快速傅里葉平滑曲線)

圖4 (c)為每年暴雨“積成效應(yīng)”作用時(shí)段的降水總量占當(dāng)年夏季總降水的百分比,反應(yīng)暴雨“積成效應(yīng)”對(duì)夏季降水的貢獻(xiàn)率大小.事實(shí)上,最終降水量的多少與降水過(guò)程的空間范圍、持續(xù)時(shí)間以及降水強(qiáng)度等有直接聯(lián)系,因而這一指數(shù)實(shí)際上是幾個(gè)方面的綜合作用結(jié)果,從圖中也可以看到其變化特征總體與持續(xù)時(shí)間Ld和中心區(qū)域面積Ar的變化呈現(xiàn)較好的一致性.不過(guò),從每年的對(duì)應(yīng)情況來(lái)看,也有一定的差別,如2005,2007,2009這三年,其持續(xù)時(shí)間Ld較平均值偏長(zhǎng),面積Ar在平均值附近變化,而降水貢獻(xiàn)率卻在氣候平均值以下.原因可能是這些年份暴雨“積成效應(yīng)”雖然持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、控制的空間范圍廣,但其每次過(guò)程暴雨的降水強(qiáng)度并不大,因而最終產(chǎn)生的降水量并不多,對(duì)夏季降水的貢獻(xiàn)也有限.

圖4(d)為長(zhǎng)江中下游地區(qū)平均夏季總降水年際變化,該地區(qū)夏季氣候平均降水為498.7 mm,1998年最大為664.3 mm,1978年最小為324.8 mm;兩者相差達(dá)339.5 mm,可見(jiàn)年際變率很大.5點(diǎn)快速傅里葉平滑曲線清楚顯示在20世紀(jì)80年代中后期長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏總降水呈現(xiàn)由少變多的年代際轉(zhuǎn)折趨勢(shì).對(duì)比分析圖4(d)與圖4(a)—(c)發(fā)現(xiàn)四者年際和年代際變化具有一致性,降水的年代際轉(zhuǎn)折與各指數(shù)的年代際轉(zhuǎn)折期大體相同,而暴雨“積成效應(yīng)”指數(shù)的強(qiáng)弱與降水的多寡亦有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.尤其像1998年等一些強(qiáng)降水年份,對(duì)應(yīng)關(guān)系十分明顯.為進(jìn)一步分析它們之間的關(guān)系,對(duì)暴雨“積成效應(yīng)”各指數(shù)和總降水量?jī)蓛芍g計(jì)算相關(guān),結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 暴雨“積成效應(yīng)”三項(xiàng)指數(shù)和區(qū)域平均降水量間的相關(guān)系數(shù)

表2 四項(xiàng)指數(shù)前10位年份

由表1可見(jiàn)持續(xù)時(shí)間Ld,中心區(qū)域面積Ar,降水貢獻(xiàn)率Qs,三者之間具有很好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)都在0.86以上(通過(guò)顯著水平為0.001的顯著性檢驗(yàn)),事實(shí)上對(duì)于一次降水過(guò)程來(lái)講,如果它持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),那么說(shuō)明系統(tǒng)穩(wěn)定性較好,往往會(huì)產(chǎn)生大范圍強(qiáng)降水,因而上述三個(gè)指標(biāo)緊密聯(lián)系,相輔相成.而暴雨“積成效應(yīng)”各指標(biāo)與總降水量指數(shù)Rs的相關(guān)指數(shù)亦有很好的相關(guān),相關(guān)系數(shù)均在0.65以上(通過(guò)99.9%的置信度),說(shuō)明暴雨“積成效應(yīng)”對(duì)整個(gè)夏季降水具較大的影響和貢獻(xiàn).即對(duì)暴雨來(lái)講,其降水強(qiáng)度比一般降水明顯偏大,如果持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣,那么由此產(chǎn)生的降水對(duì)整個(gè)夏季降水的貢獻(xiàn)權(quán)重必然會(huì)高.

將暴雨“積成效應(yīng)”各指數(shù)按大小排序,選其對(duì)應(yīng)的最強(qiáng)10年繪入表2中,對(duì)比分析可見(jiàn),在區(qū)域平均降水Rs最強(qiáng)的10年中,對(duì)應(yīng)前10位的高Ld年有7年,高Ar有4年,高Qs有7年.總體而言具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,其中與Ld和Qs的對(duì)應(yīng)關(guān)系要好于Ar,Ar對(duì)應(yīng)關(guān)系不好的可能是因?yàn)樵趯?shí)際過(guò)程中,降水范圍占整個(gè)區(qū)域的比例并不大,但在降水范圍內(nèi)降水強(qiáng)度和降水量卻很大,最終形成的降水總量對(duì)整個(gè)區(qū)域降水的貢獻(xiàn)仍然較大.此外,上述面積對(duì)應(yīng)關(guān)系亦引出另外一個(gè)問(wèn)題,即以上僅從時(shí)間角度去探討降水總量的變化,沒(méi)有考慮降水的空間分布型,而Ar某種程度上是反映暴雨“積成效應(yīng)”空間分布型的一個(gè)指標(biāo).而在實(shí)際預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)降水空間分布的關(guān)注更多,那么從整個(gè)夏季降水空間分布與暴雨“積成效應(yīng)”空間分布的關(guān)系角度去考慮,是否會(huì)存在更好的對(duì)應(yīng)?以下將從這一角度進(jìn)行探討.

3.3 暴雨“積成效應(yīng)”與長(zhǎng)江中下游夏季降水空間分布型

鑒于降水空間分布不均勻性且年際變率大,要探討整個(gè)夏季降水的空間分布型與暴雨“積成效應(yīng)”控制范圍間的關(guān)系,須從宏觀角度對(duì)空間分布分型進(jìn)行探討.因此,采用EOF分解尋找每年降水空間分布的共性并對(duì)其分類(lèi),從分類(lèi)的角度去探討兩者之間的關(guān)系.對(duì)1960—2011年52年長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水進(jìn)行EOF分解,其前6個(gè)模態(tài)的累積解釋方差占總解釋方差的60.7%,而前兩個(gè)模態(tài)的累積解釋方差占總解釋方差的35.5%.因此選前兩個(gè)模態(tài)所代表的空間型,對(duì)其取正反,得到四種空間模態(tài)分布型：全區(qū)一致偏旱(圖5(a))、以長(zhǎng)江為界的“南澇北旱”(圖5(b))或“南旱北澇”(圖5(d))以及全區(qū)一致偏澇(圖5(c)).

由于暴雨的局地性特征很強(qiáng),同一場(chǎng)暴雨相鄰區(qū)域或站點(diǎn)的降水量可能相差很大,而考慮空間分布時(shí)我們更注重暴雨過(guò)程控制的范圍,所以用暴雨發(fā)生頻次分布更能宏觀地表現(xiàn)其空間控制范圍大小.統(tǒng)計(jì)1960—2011年近52年暴雨“積成效應(yīng)”時(shí)段內(nèi)區(qū)域各站點(diǎn)的暴雨發(fā)生頻次行,然后對(duì)這一序列進(jìn)行EOF分解,其前6個(gè)模態(tài)的累積解釋方差占總解釋方差的52.2%,而前兩個(gè)模態(tài)的累積解釋方差占總解釋方差的31.6%.與夏季總降水EOF分解前兩個(gè)模態(tài)所占比例大致相當(dāng),對(duì)它前兩個(gè)模態(tài)按照相同處理取正反,得到4種空間分布型,如圖6所示,其分布與夏季總降水的4種分布型十分類(lèi)似,即全區(qū)一致偏弱(圖6(a))、以長(zhǎng)江為界的“南強(qiáng)北弱”(圖6(b))或“南弱北強(qiáng)”(圖6(d))以及全區(qū)一致偏強(qiáng)(圖6(c)).

圖5 長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水EOF空間分布型 (a)全區(qū)一致偏旱;(b)“南澇北旱”;(c)全區(qū)一致偏澇;(d)“南旱北澇”

圖6 暴雨“積成效應(yīng)”控制范圍EOF空間分布型 (a)全區(qū)一致偏弱;(b)“南強(qiáng)北弱”;(c)全區(qū)一致偏強(qiáng);(d)“南弱北強(qiáng)”

進(jìn)一步以上述EOF分解結(jié)果入手,利用每一年的實(shí)況降水和暴雨“積成效應(yīng)”控制期暴雨發(fā)生頻次空間分布與上述4個(gè)模態(tài)求相似,相似系數(shù)表達(dá)式為

式中i和 j表示某一時(shí)刻兩個(gè)不同空間場(chǎng),Sij衡量?jī)蓚€(gè)空間點(diǎn)的相似程度,對(duì)其取余弦得到兩個(gè)場(chǎng)的夾角αij,αij越小,表示兩場(chǎng)間的夾角越小,兩場(chǎng)越相似,反之則相反.由此,計(jì)算某一年實(shí)際場(chǎng),與上述EOF分解所得4個(gè)模態(tài)場(chǎng)的αij,然后以αij大小歸類(lèi),將長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水和暴雨“積成效應(yīng)”空間范圍分為四種類(lèi)型,分別如表3與表4所示.其中A1和B1型分別對(duì)應(yīng)夏季降水一致偏旱和暴雨“積成效應(yīng)”全區(qū)偏弱,A2和B2型分別對(duì)應(yīng)夏季降水南多北少和暴雨“積成效應(yīng)”南強(qiáng)北弱,A3和B3分別對(duì)應(yīng)夏季降水南少北多和暴雨“積成效應(yīng)”南弱北強(qiáng),A4和B4分別對(duì)應(yīng)夏季降水全區(qū)偏多或暴雨“積成效應(yīng)”全區(qū)偏強(qiáng).從表3和表4可以看出長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水A1型分布為14年,A2型12年,A3型14年,A4型12年,對(duì)應(yīng)暴雨“積成效應(yīng)”空間范圍B1型8年,B2型11年,B3型22年,B4型11年.

進(jìn)一步分析兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)比表3與表4統(tǒng)計(jì)得表5.從表中可以看出B1型8年中有7年對(duì)應(yīng)A1型,B2型11年中有9年對(duì)應(yīng)A2型,B3型22年中有14年對(duì)應(yīng)A3,B4型11年中有8年對(duì)應(yīng)A4型,體現(xiàn)了對(duì)角線占優(yōu)這一特征,即長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水空間分布與暴雨“積成效應(yīng)”空間分布具有很好的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系.反之,從整體降水型對(duì)應(yīng)暴雨“積成效應(yīng)”空間型來(lái)看,以A1型為例,即當(dāng)整個(gè)夏季全區(qū)降水偏少時(shí),暴雨“積成效應(yīng)”在空間上也主要表現(xiàn)為一致偏弱的B1型,其次是B2型和B4型的“南強(qiáng)北弱”和“南弱北強(qiáng)”型,一致偏強(qiáng)的B3型很少.此外,A3型全區(qū)降水偏多的14年全部對(duì)應(yīng)了暴雨“積成效應(yīng)”一致偏強(qiáng)的B3型.可見(jiàn)暴雨“積成效應(yīng)”空間范圍的分布,對(duì)整個(gè)夏季不同降水型的產(chǎn)生具有較大的影響.

表3 長(zhǎng)江中下游夏季降水分類(lèi)

表4 暴雨“積成效應(yīng)”空間分布分類(lèi)

表5 兩種空間型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.4 暴雨“積成效應(yīng)”強(qiáng)弱與中國(guó)東部夏季降水

以上幾節(jié)通過(guò)定量的刻畫(huà)暴雨“積成效應(yīng)”指標(biāo),探討其與長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水的時(shí)空分布之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)兩者間具有十分緊密的聯(lián)系.因此,有必要定義一個(gè)指數(shù)來(lái)定量化地描述暴雨“積成效應(yīng)”強(qiáng)弱的變化,以此探討其變化特征以及與相關(guān)氣象因子之間的聯(lián)系.從暴雨“積成效應(yīng)”的本質(zhì)來(lái)講,它是多次強(qiáng)降水過(guò)程的累積或疊加效應(yīng),首先會(huì)從降水量的角度影響并決定整個(gè)夏季降水,其次則會(huì)通過(guò)大量的降水改變土壤含水量,從熱能輸送和交換等方面,對(duì)后期降水和溫度產(chǎn)生影響.因此,暴雨“積成效應(yīng)”時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生降水量的多少能夠較好反映出其作用的強(qiáng)弱.據(jù)此定義暴雨“積成效應(yīng)”強(qiáng)度指數(shù)(BQDI)：

式中Si是第i年暴雨“積成效應(yīng)”時(shí)段內(nèi)的總降水量,Sm是氣候平均夏季降水總量,這兩者的比值越大表明暴雨“積成效應(yīng)”越強(qiáng),其造成的降水與氣候平均夏季降水越接近,對(duì)第i年夏季降水的貢獻(xiàn)也越大.Norm(···)表示 BQDI(i=1,2,···,52)為一條標(biāo)準(zhǔn)序列.

圖7(a)為1960—2011年BQDI隨時(shí)間的演變呈現(xiàn)出明顯的年際振蕩變化,與3.2節(jié)中長(zhǎng)江中下游地區(qū)域平均夏季降水變化曲線對(duì)比,可以看到暴雨“積成效應(yīng)”強(qiáng)弱年與夏季降水多寡年(相對(duì)于氣候平均)具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,指數(shù)值在1(即1倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)以上的年份基本對(duì)應(yīng)降水顯著偏多的年份,而在-1以下的年份基本對(duì)應(yīng)降水顯著偏少的年,尤其在1961,1963,1966和1978年這幾個(gè)長(zhǎng)江中下游大范圍干旱年,和1969,1980,1982,1998年這幾個(gè)長(zhǎng)江中下游大范圍偏澇年,指數(shù)值都分別表現(xiàn)出顯著偏弱和偏強(qiáng)的一致性響應(yīng)變化特征.將這一指數(shù)與圖4(e)區(qū)域平均夏季降水做相關(guān),其相關(guān)系數(shù)為0.79,明顯高于3.2節(jié)定義的三項(xiàng)指標(biāo)與夏季降水的相關(guān),說(shuō)明暴雨“積成效應(yīng)”的這一新指標(biāo)能更好地反映夏季降水多寡的特征.圖7(a)中10年平均曲線演變顯示,20世紀(jì)90年代以前,暴雨“積成效應(yīng)”強(qiáng)度值大都在0以下,說(shuō)明暴雨“積成效應(yīng)”在這一時(shí)段內(nèi)強(qiáng)度偏弱,而90年代初,指數(shù)出現(xiàn)一次跳躍式變化,從0值以下突然轉(zhuǎn)到0.5以上,隨后至今都處于0值以上,說(shuō)明90年代以后至今,暴雨“積成效應(yīng)”處于偏強(qiáng)期,這一轉(zhuǎn)折變化與長(zhǎng)江中下游降水的年代際轉(zhuǎn)折變化相一致[22],與中國(guó)東部地區(qū)由“南旱北澇”向“南澇北旱”的年代際轉(zhuǎn)折特征也有類(lèi)似之處.另外,需要指出的是21世紀(jì)近10年,指數(shù)相較于20世紀(jì)90年代又有所減弱,這與近10年江淮雨帶的向北遷移也有一定的對(duì)應(yīng).

圖7 1960—2011年BQDI變化(a)及其與中國(guó)東部地區(qū)夏季降水的相關(guān)系數(shù)分布(b)(相關(guān)系數(shù)乘以100,陰影區(qū)表示通過(guò)95%的置信度,正負(fù)相關(guān)分別用深淺陰影)

將這一指數(shù)與所選擇的中國(guó)東部394個(gè)站點(diǎn)夏季降水求相關(guān),可以發(fā)現(xiàn)相關(guān)分布的強(qiáng)正值區(qū)主要分布于27°N—34°N范圍的長(zhǎng)江中下游區(qū),相關(guān)性大都可通過(guò)99%的置信度,另一較弱的正相關(guān)區(qū)域位于45°N以北的東北西北部,兩個(gè)顯著負(fù)相關(guān)區(qū)分別位于華南以及35°N—45°N范圍內(nèi)的部分地區(qū)(可通過(guò)95%的置信度),其中華南地區(qū)中心較弱,而河套地區(qū)以及東北東南部中心較強(qiáng),相關(guān)系數(shù)的正負(fù)帶狀分布與中國(guó)東部夏季降水的雨帶分布也大致類(lèi)似(圖7(b)).盡管這種同時(shí)期降水和降水的相關(guān)不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但這種相關(guān)性的好壞從某種程度上反映出兩者變化的密切性和同步性,因而可以作為評(píng)判暴雨“積成效應(yīng)”在整個(gè)夏季降水中的重要性的依據(jù).

此外,選出BQDI最大的五年1969,1975,1982,1998和2010年,最小的五年1961,1963,1966,1978和1985年,分別合成暴雨“積成效應(yīng)”強(qiáng)、弱年中國(guó)東部地區(qū)實(shí)際降水距平百分率(圖8(a),(b)),以及兩者差值分布(圖8(c)),由圖可見(jiàn),合成結(jié)果與上述相關(guān)分布近似一致,即強(qiáng)指數(shù)年,長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水明顯偏多,華南和華北大部分地區(qū)降水偏少,東北地區(qū)除東部部分地區(qū)外降水亦呈偏多趨勢(shì)(圖8(a));而弱指數(shù)年則大致相反,表現(xiàn)為長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水明顯偏少,華南部分地區(qū)、華北和東北大范圍降水偏多(圖8(b)).強(qiáng)年減弱年合成差值分布更為明顯,可以看到所選長(zhǎng)江中下游區(qū)為顯著正值區(qū)(通過(guò)95%置信度),而華南及華北和東北大部位顯著負(fù)值區(qū)(通過(guò)95%置信度),反之亦然,說(shuō)明長(zhǎng)江中下游區(qū)BDSI強(qiáng)、弱年份,整個(gè)東部地區(qū)的降水形式呈現(xiàn)出截然相反的兩種分布形勢(shì).

綜合而言,長(zhǎng)江中下游地區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”所產(chǎn)生的作用,與同期整個(gè)夏季降水具有十分密切的聯(lián)系,其強(qiáng)弱隨時(shí)間的變化與同期夏季降水多寡隨時(shí)間的變化具有很好的一致性,而其控制范圍與長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水空間分布亦有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.另外,長(zhǎng)江中下游區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”不僅能夠反映該地區(qū)的夏季降水多寡,還能在某種程度上反映出整個(gè)東部旱澇的分布情況.由此可見(jiàn)對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”的把握和預(yù)估,對(duì)該區(qū)夏季降水甚至整個(gè)東部雨帶分布的的評(píng)估都有一定的實(shí)際意義.

圖8 長(zhǎng)江中下游BQDI強(qiáng)年(a)和弱年(b)中國(guó)東部降水距平百分率合成及強(qiáng)-弱年差值合成(c)(陰影表示通過(guò)95%置信度,負(fù)值為淺色,正值為深色)

4 結(jié)論和討論

本文選長(zhǎng)江中下游地區(qū),提出暴雨“積成效應(yīng)”這一概念,對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的刻畫(huà)和分析,探究它對(duì)同期夏季降水的貢獻(xiàn)和聯(lián)系,得出以下結(jié)論.

1)從持續(xù)時(shí)間(Ld)、控制面積(Ar),以及降水貢獻(xiàn)率(Qs)三個(gè)角度提出暴雨“積成效應(yīng)”的判定標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)其特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)Ld,Ar及Qs三者之間具有顯著的相關(guān)性,說(shuō)明三者之間具有密切的內(nèi)在聯(lián)系;而長(zhǎng)江中下游地區(qū)平均夏季降水亦有很好相關(guān),且表現(xiàn)出一致的年際和年代際變化.

2)利用暴雨發(fā)生頻次描述暴雨的空間范圍,并利用EOF分解,對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水和暴雨“積成效應(yīng)”空間分布進(jìn)行分型,對(duì)比發(fā)現(xiàn)暴雨頻次分布范圍和整個(gè)夏季降水型的空間模態(tài)具有較好的一一映射關(guān)系.

3)通過(guò)定義長(zhǎng)江中下游地區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”BQDI,并以此分析其與所選區(qū)域夏季降水及整個(gè)東部地區(qū)降水的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)該指數(shù)與整個(gè)夏季平均降水具有一致的年際和年代際變化特征;而與中國(guó)東部夏季降水相關(guān)的空間分布以及合成分析顯示,長(zhǎng)江中下游地區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”強(qiáng)弱,與中國(guó)東部夏季降水多寡具有很好的一致性,強(qiáng)指數(shù)年,長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水偏多,華南和華北偏少;而弱指數(shù)年則大致相反.

本文通過(guò)選取暴雨這一天氣尺度強(qiáng)降水為研究對(duì)象,建立它與季節(jié)尺度降水的關(guān)系,從多次暴雨累積和疊加的角度將其轉(zhuǎn)化為一種中長(zhǎng)期天氣過(guò)程考慮,提出暴雨“積成效應(yīng)”,并以長(zhǎng)江中下游地區(qū)為例,對(duì)這一概念進(jìn)行了定義,并初步分析了暴雨“積成效應(yīng)”的特征以及與同期夏季降水的關(guān)系.相關(guān)結(jié)論表明多次暴雨形成的“積成效應(yīng)”所造成的降水在整個(gè)夏季降水中占有十分重要的比重,且與夏季降水年際和年代際變化的一致性以及強(qiáng)的相關(guān)性,顯示出兩者變化的同步性以及關(guān)系的密切性.因而暴雨“積成效應(yīng)”概念的提出以及進(jìn)一步深入的研究具有其現(xiàn)實(shí)意義和潛在應(yīng)用價(jià)值：如對(duì)暴雨“積成效應(yīng)”的認(rèn)識(shí),將可能有助于我們對(duì)諸如2011年夏季長(zhǎng)江中下游地區(qū)由暴雨這一天氣尺度過(guò)程引發(fā)“旱澇急轉(zhuǎn)”并導(dǎo)致整個(gè)夏季降水雨帶異常變化的成因做進(jìn)一步的深入探討;暴雨災(zāi)害是我國(guó)重大氣象災(zāi)害之一,每年暴雨洪澇損失所占比例僅次于干旱災(zāi)害損失,給生態(tài)、環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)帶來(lái)諸多問(wèn)題.而暴雨“積成效應(yīng)”造成的危害要比一般暴雨過(guò)程范圍更廣、影響更嚴(yán)重,且極端降水頻次的增加[24],將進(jìn)一步加劇這種危害發(fā)生的頻率;因此對(duì)其進(jìn)行深入研究,分析其潛在風(fēng)險(xiǎn)特征,對(duì)提高氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警、服務(wù)能力均很有必要;再者,目前我國(guó)汛期預(yù)測(cè)對(duì)暴雨等這類(lèi)天氣過(guò)程的影響并未考慮,而實(shí)際過(guò)程中暴雨對(duì)夏季雨帶往往會(huì)產(chǎn)生一種決定性作用,因而從暴雨“積成效應(yīng)”的角度或許能夠?yàn)樵谘雌陬A(yù)測(cè)的進(jìn)一步提高提供一些新的思路;此外,暴雨“積成效應(yīng)”對(duì)土壤含水量的改變,導(dǎo)致土壤表面的反照率和熱容量以及輸入大氣的感熱和潛熱等能量的變化,又會(huì)影響到后期的降水和溫度等,這一過(guò)程又具有某種“氣候效應(yīng)”,對(duì)局地氣候的變化也可能產(chǎn)生作用[25-30].對(duì)于以上問(wèn)題,我們將在本文基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)有理論研究成果[31-33]進(jìn)行深入的分析和探索.

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