基于MTM-SVD方法的攀西秋雨變化規(guī)律分析

王春學(xué), 馬振峰, 毛家勛

(1.四川省氣候中心, 四川 成都 610072; 2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610072; 3.四川省攀枝花市氣象局, 四川 攀枝花 617000)

華西秋雨是中國西部地區(qū)秋季多雨的一種特殊天氣現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在渭水流域、漢水流域、川東、川南東等地[1]。高由禧等[2]指出最標(biāo)準(zhǔn)的秋雨出現(xiàn)在四川盆地東部，青藏高原東部的松潘、康定和西昌等地，以及貴陽附近。梁健洪[3]指出，陜南和川北是典型秋雨區(qū)，以此為中心向四周擴(kuò)展為準(zhǔn)典型秋雨區(qū)和一般秋雨區(qū)。而羅霄等[4]的研究表明華西秋雨有2個(gè)大值中心，北部中心位于陜南到川東北地區(qū)，南部中心位于四川南部至云南中西部，并且2個(gè)大值中心變化并不一致。張順謙等[5]的研究也發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)秋雨REOF展開第一模態(tài)大值中心在四川盆地東部，而第4模態(tài)的大值中心則出現(xiàn)在攀西(攀枝花市和涼山州)地區(qū)附近。攀西地區(qū)9—10月仍處在雨季[6]，攀西東北部秋綿雨頻率達(dá)90%以上，中部和南部一般在70%～80%左右[7]。近50 a攀西地區(qū)暴雨日數(shù)增多、強(qiáng)度增強(qiáng)[8]，王佳津等[9]的研究也表明攀西地區(qū)5—10月持續(xù)性暴雨發(fā)生頻次達(dá)1～3次，其中10月攀西地區(qū)是持續(xù)性暴雨發(fā)生相對集中期。1961—2009年攀西秋雨有逐漸增加的趨勢[5]，而2010年以來的8 a中攀西秋雨有6 a偏多，其中2016年9月18—19日攀西出現(xiàn)秋雨天氣過程，并引發(fā)山洪泥石流等災(zāi)害，造成4萬多人受災(zāi)，經(jīng)濟(jì)損失近7 000萬元[10]。從前人研究成果可以注意到，攀西秋雨是華西秋雨的一部分，并且有其獨(dú)特的變化特征，但是由于相對陜南到川北的典型華西秋雨偏弱，所以相關(guān)研究較少。本文將從攀西秋雨的空間分布、趨勢、突變等方面分析攀西秋雨的變化事實(shí)，并利用MTM-SVD方法重點(diǎn)研究其年際周期變化規(guī)律。對攀西秋雨時(shí)空變化特征的研究一方面可以豐富華西秋雨的內(nèi)容，增強(qiáng)華西秋雨認(rèn)識；另一方面掌握攀西秋雨變化規(guī)律有助于提高攀西秋雨預(yù)測水平和增強(qiáng)氣象防災(zāi)減災(zāi)能力。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

采用的資料為攀西地區(qū)18個(gè)氣象臺站1961—2017年9—10月的逐日降水量資料。

1.2 分析方法

(1) 采用羅霄等定義的秋雨指數(shù)，即9—10月降水量占全年降水量百分比與9—10月降水日數(shù)占全年降水日數(shù)百分比之和。

IAR= (9+10)月降水量/全年降水量+(9+10)

月降水日數(shù)/全年降水日數(shù)

(2) MTM-SVD方法是由Mann和Park[11]提出的一種多變量頻域分解技術(shù)。這是一種將譜分析的多錐度方法(multi-taper method， MTM)和變量場的奇異值分解(singular value decomposition， SVD)方法結(jié)合在一起的氣候信號檢測技術(shù)，詳細(xì)內(nèi)容參閱相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]。近年來MTM-SVD被廣泛使用在氣象科研領(lǐng)域中[14-17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 主模態(tài)分析

對1961—2017年攀西地區(qū)逐年秋雨指數(shù)進(jìn)行EOF分析，前3個(gè)模態(tài)通過了顯著性檢驗(yàn)，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)70.6%，其中第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率達(dá)46.1%，為攀西秋雨年際變化主模態(tài)(表1)。圖1給出了第一模態(tài)空間分布及其對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)，可以看到第一模態(tài)為全區(qū)一致變化分布型，大值中心出現(xiàn)在西昌、德昌、昭覺和普格附近，對比時(shí)間系數(shù)可知，全區(qū)一致型存在顯著的年際、年代際波動(dòng)，但沒有明顯的變化趨勢，其中1960—1990年以偏強(qiáng)為主，1991—2017年以偏弱為主，但是有逐漸增強(qiáng)的趨勢。

表1 1961-2017年攀西秋雨EOF分析前3個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率%

圖1 1961-2017年攀西秋雨EOF分析第一模態(tài)及其對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)

2.2 突變檢驗(yàn)

上文分析表明攀西秋雨主模態(tài)在1990年代初存在年代際差異，為了檢驗(yàn)該差異是否顯著，這里使用滑動(dòng)t檢驗(yàn)對第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)進(jìn)行突變分析，為了濾除年際變化信號，滑動(dòng)時(shí)間窗口選為20 a。從圖2可以看出，1995年的t統(tǒng)計(jì)量超過0.05的顯著性水平(為正值)，說明攀西秋雨在1995年前后出現(xiàn)過一次顯著的突變，即由全區(qū)一致偏多轉(zhuǎn)變?yōu)槿珔^(qū)一致偏少。

注：虛線為α=0.05顯著性。

2.3 周期特征分析

2.3.1 1961—2017年周期特征 用MTM-SVD方法分析1961—2017年攀西秋雨的周期特征，圖3給出了LFV譜分析結(jié)果，橫坐標(biāo)為頻率(倒數(shù)為周期)，可以看到在年際尺度上，3.2 a周期通過了99%置信度檢驗(yàn)；年代際尺度上有11 a左右的峰值，但是沒有達(dá)到一定的置信度水平。為了研究攀西秋雨周期特征隨時(shí)間的變化，進(jìn)行了20 a滑動(dòng)窗口的LFV譜分析，由于進(jìn)行了20 a滑動(dòng)，兩端各缺少了10 a的信息。20 a滑動(dòng)LFV譜分析(圖略)表明，攀西秋雨的準(zhǔn)3 a周期在1975—1995年之間非常明顯，1995年之后準(zhǔn)3 a周期突然消失，準(zhǔn)2 a周期有所顯現(xiàn)，說明攀西秋雨的周期特征具有年代際變化，這可能與攀西秋雨主模態(tài)1995年前后的氣候突變有關(guān)。張順謙等[5]發(fā)現(xiàn)1961—2009年攀西地區(qū)的秋雨存在2～3 a周期，羅霄等[4]的研究也表明1990年代初到21世紀(jì)初華西秋雨存在準(zhǔn)2 a周期，同時(shí)5～8 a周期也非常顯著，而王春學(xué)等[18]和蔣竹將等[19]則發(fā)現(xiàn)華西秋雨北部地區(qū)4～8周期最為明顯，說明華西秋雨南部和北部地區(qū)年際波動(dòng)存在差異，而南部地區(qū)2～3 a周期最為明顯，并且存在年代際變化，所以有必要對攀西秋雨的周期特征進(jìn)行分階段研究，這里以1995年為界分為1961—1994和1995—2017年2個(gè)階段。

注：虛線表示蒙特卡洛置信度水平。下同。

2.3.2 分段周期特征 圖4給出了1961—1994年攀西秋雨LFV譜分析結(jié)果，可以看到年際尺度上3.4 a周期通過了99%的置信度檢驗(yàn)，3.0 a周期通過了95%的置信度檢驗(yàn)；年代際尺度上8.6 a周期也通過了95%的置信度檢驗(yàn)。對比上文可知，1961—1994年攀西秋雨的準(zhǔn)3 a周期仍然存在，并形成準(zhǔn)3 a周期帶，出現(xiàn)兩個(gè)峰值，而且都達(dá)到了較高的顯著性水平，這與滑動(dòng)窗口分析結(jié)果一致，說明1995年之前攀西秋雨準(zhǔn)3 a周期最為顯著。

圖4 1961-1994年攀西秋雨LFV譜分析

用MTM-SVD方法對攀西秋雨在準(zhǔn)3 a周期上進(jìn)行典型循環(huán)重建，圖5給出了典型循環(huán)的時(shí)空變化過程。第1 a時(shí)，整個(gè)攀西地區(qū)為正異常，并形成以西昌、木里、德昌為中心的異常大值區(qū)，即第1 a，攀西秋雨表現(xiàn)為全區(qū)一致偏強(qiáng)；第2 a時(shí)，正異常強(qiáng)度減弱，范圍縮小，僅在木里、會(huì)東地區(qū)附近出現(xiàn)正異常，其余大部以負(fù)異常為主，在德昌附近出現(xiàn)負(fù)異常大值中心，即第2 a，攀西秋雨總體偏弱；第3 a時(shí)，攀西大部地區(qū)為負(fù)異常，在西昌附近出現(xiàn)負(fù)異常大值中心，即第3 a攀西秋雨整體偏弱；第4 a時(shí)，又恢復(fù)到第1 a的情況，攀西秋雨偏強(qiáng)(圖略)，開始下一個(gè)準(zhǔn)3 a周期循環(huán)。分析表明攀西秋雨的準(zhǔn)3 a周期循環(huán)，主要表現(xiàn)了攀西秋雨“偏強(qiáng)—偏弱—偏弱”的年際變化過程。

接下來選取了攀西秋雨異常大值中心代表站(西昌站)在準(zhǔn)3 a周期上進(jìn)行時(shí)間重建，進(jìn)一步分析準(zhǔn)3 a周期的時(shí)間變化特征。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，西昌站準(zhǔn)3 a周期在1961—1994年一直存在，并且基本都表現(xiàn)出“偏強(qiáng)—偏弱—偏弱”的演變過程，其中1970年代中期到1980年代中期最為明顯。

圖5 1961-1994年攀西秋雨準(zhǔn)3 a周期典型循環(huán)重建

圖6 1961-1994攀西秋雨代表站(西昌站)在準(zhǔn)3 a周期上的時(shí)間重建(距平值)

高原季風(fēng)與海陸季風(fēng)的不同步轉(zhuǎn)變是華西秋雨的形成的主要原因[2]，高原夏季風(fēng)偏強(qiáng)(弱)時(shí)，高原東側(cè)低壓系統(tǒng)活躍(不活躍)，同時(shí)有利于(不利于)副熱帶西風(fēng)南撤，華西秋雨強(qiáng)(弱)[20-21]。研究表明1961—1995年高原夏季風(fēng)主周期為3～4 a，季風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)趨勢明顯[22]，所以攀西秋雨1961—1994年的顯著準(zhǔn)3 a周期很可能是高原夏季風(fēng)年際周期波動(dòng)的結(jié)果。

圖7給出了1995—2017年攀西秋雨LFV譜分析結(jié)果，可以看到年際尺度上2 a周期通過了99%的置信度檢驗(yàn)；年代際尺度上無顯著周期。對比可知，1995—2017年攀西秋雨的準(zhǔn)3 a周期已經(jīng)消失，而被準(zhǔn)2 a周期取而代之，這與滑動(dòng)窗口分析結(jié)果一致，即1995年前后的攀西秋雨主模態(tài)的突變很可能是造成攀西秋雨周期特征轉(zhuǎn)變的原因。

圖7 1995-2017年攀西秋雨LFV譜分析

圖8給出了攀西秋雨準(zhǔn)2 a周期的典型循環(huán)過程，第1 a時(shí)，整個(gè)攀西地區(qū)為正異常，并形成以西昌、鹽源、德昌為中心的異常大值區(qū)，即第1 a，攀西秋雨表現(xiàn)為全區(qū)一致偏強(qiáng)；第2 a時(shí)，攀西秋雨異常情況與第1 a完全相反，即第2 a，攀西秋雨偏弱；第3 a時(shí)，又恢復(fù)到第1 a的情況，攀西秋雨偏強(qiáng)(圖略)，開始下一個(gè)準(zhǔn)2 a周期循環(huán)。分析表明攀西秋雨的準(zhǔn)2 a周期循環(huán)，主要表現(xiàn)了攀西秋雨強(qiáng)弱交替的年際異常變化過程。

圖8 1995—2017年攀西秋雨準(zhǔn)2 a周期典型循環(huán)重建

同樣選取了異常大值中心代表站(西昌站)在準(zhǔn)2 a周期上進(jìn)行時(shí)間重建，進(jìn)一步分析準(zhǔn)2 a周期的時(shí)間變化特征。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，西昌準(zhǔn)2 a周期在1995—2017年一直存在，基本都表現(xiàn)出強(qiáng)弱異常交替演變的循環(huán)過程，其中1995—2001年最為明顯，2006—2010年次之。東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)都具有顯著的準(zhǔn)2 a周期，其中西南季風(fēng)的強(qiáng)弱直接影響華西秋雨的多寡，1960年代開始亞洲季風(fēng)出現(xiàn)逐漸減弱的變化趨勢[23-25]，但研究表明從2000年開始亞洲東南季風(fēng)和西南季風(fēng)頻率都有顯著的上升趨勢[26]，1990年代中后期攀西秋雨的準(zhǔn)2 a振蕩可能是亞洲海陸季風(fēng)系統(tǒng)的年際波動(dòng)所致。

圖9 1995-2017年攀西秋雨代表站(西昌站)在準(zhǔn)2 a周期上的時(shí)間重建(距平值)

3 結(jié)論與討論

(1) 1961—2017年攀西秋雨EOF展開的第一模態(tài)為全區(qū)一致變化型，方差貢獻(xiàn)率達(dá)46.1%，為攀西秋雨主模態(tài)，1960—1990年以偏強(qiáng)為主，1991—2017年以偏弱為主，但是有逐漸增強(qiáng)的趨勢?；瑒?dòng)t檢驗(yàn)表明攀西秋雨全區(qū)一致型在1995年前后出現(xiàn)過一次顯著突變，由全區(qū)一致偏多轉(zhuǎn)變?yōu)槿珔^(qū)一致偏少。

(2) MTM-SVD方法分析表明，1961—2017年攀西秋雨年際尺度上的3.2 a周期通過了99%置信度檢驗(yàn)，20 a滑動(dòng)窗口分析顯示，攀西秋雨的準(zhǔn)3 a周期在1975—1995年非常明顯，1995年之后準(zhǔn)3 a周期突然消失，準(zhǔn)2 a周期有所顯現(xiàn)，這可能與攀西秋雨主模態(tài)1995年前后的氣候突變有關(guān)。

(3) 1961—1994年攀西秋雨3.4 a周期通過了99%的置信度檢驗(yàn)，3.0 a周期通過了95%的置信度檢驗(yàn)，這與滑動(dòng)窗口分析結(jié)果一致，說明1995年之前攀西秋雨準(zhǔn)3 a周期最為顯著。攀西秋雨準(zhǔn)3 a周期典型循環(huán)重建表明，第1 a整個(gè)攀西地區(qū)為正異常，并形成以西昌、木里、德昌為中心的異常大值區(qū)，第2 a正異常強(qiáng)度減弱，范圍縮小，僅在木里、會(huì)東地區(qū)附近出現(xiàn)正異常，其余大部以負(fù)異常為主，在德昌附近出現(xiàn)負(fù)異常大值中心，第3 a攀西大部地區(qū)為負(fù)異常，在西昌附近出現(xiàn)負(fù)異常大值中心。選取異常大值中心西昌站在準(zhǔn)3 a周期上進(jìn)行時(shí)間重建，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)3 a周期在1961—1994年一直存在，其中1970年代中期到1980年代中期最為明顯。

(4) 1995—2017年攀西秋雨2 a周期通過了99%的置信度檢驗(yàn)，這與滑動(dòng)窗口分析結(jié)果一致。攀西秋雨準(zhǔn)2 a周期的典型循環(huán)表現(xiàn)為，第1 a整個(gè)攀西地區(qū)為正異常，并形成以西昌、鹽源、德昌為中心的異常大值區(qū)；第2 a異常情況與第1 a完全相反。同樣選取了異常大值中心西昌站在準(zhǔn)2 a周期上進(jìn)行時(shí)間重建，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)2 a周期在1995—2017年一直存在，其中1995—2001年最為明顯，2006—2010年次之。

(5) 通過本文的研究發(fā)現(xiàn)，攀西秋雨有顯著的年際周期波動(dòng)，并且存在年代際變化特征，1995年以前準(zhǔn)3 a周期最明顯，之后準(zhǔn)2 a周期占主導(dǎo)地位，即在攀西秋雨年際預(yù)測當(dāng)中，不但要掌握其年際周期規(guī)律，還要了解其顯著年代背景，這樣將其年際和年代際波動(dòng)規(guī)律相結(jié)合，有助于提高攀西秋雨的氣候預(yù)測水平。

(6) 華西秋雨的產(chǎn)生與地形有很大關(guān)系，這可能是北方冷空氣或寒潮活動(dòng)的結(jié)果[27]，也可能與高原上空冷空氣平流到四川盆地造成的熱力不穩(wěn)定有關(guān)[28]，高原和盆地區(qū)的秋雨特征也有較大差異，高原雨量多盆地雨日多[2]，而攀西地區(qū)介于二者之間，存在典型的地形夜雨現(xiàn)象[29-30]，地形影響和季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)同樣都很重要，值得深入研究。