長(zhǎng)江上游面雨量低頻特征分析

(1.武漢區(qū)域氣候中心，湖北 武漢 430074； 2.三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443133)

大量研究表明，熱帶和中高緯帶大氣都存在著顯著的季節(jié)內(nèi)低頻特征。Madden和Julian[1]利用1957～1967年坎頓島的觀測(cè)資料，首次發(fā)現(xiàn)熱帶大氣緯向風(fēng)和氣壓場(chǎng)存在40～50 d周期的低頻振蕩。李崇銀[2]指出北半球30～60 d振蕩主要存在著歐亞-太平洋和太平洋-北美兩個(gè)低頻遙相關(guān)，中高緯度和熱帶大氣30～60 d振蕩的影響就主要通過(guò)這兩個(gè)低頻波列進(jìn)行的。此外，大氣還普遍存在著10～20 d準(zhǔn)雙周低頻振蕩和10～30 d低頻振蕩。Murakami[3]研究印度季風(fēng)的譜分析中首次發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)雙周低頻振蕩。孫淑清[4]發(fā)現(xiàn)副熱帶高壓存在10～20 d周期。劉慧斌等[5]發(fā)現(xiàn)東北冷渦具有顯著的10～30 d低頻振蕩周期。

受大氣環(huán)流低頻特征影響，中國(guó)降水也存在著低頻規(guī)律。王遵婭等[6]指出中國(guó)東南部夏季降水存在明顯的準(zhǔn)雙周低頻振蕩特征。李勇等[7]研究結(jié)果表明2007年淮河流域降水強(qiáng)弱與對(duì)應(yīng)低頻周期存在聯(lián)系。尹志聰?shù)萚8]和王黎娟等[9]認(rèn)為江淮流域夏季降水具有明顯的低頻振蕩特征。黃麗娜等[10]發(fā)現(xiàn)福建前汛期降水存在顯著的低頻周期，出現(xiàn)頻率較高的前3個(gè)低頻周期分別為10～20，30～60 d和20～30 d。魏曉雯等[11]分析了長(zhǎng)江中下游大范圍持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程與30～60 d低頻降水的聯(lián)系。

已有的研究結(jié)果對(duì)大氣和中國(guó)東部降水低頻特征已有深入的認(rèn)識(shí)，但對(duì)長(zhǎng)江上游降雨的研究多以過(guò)程及影響分析為主，對(duì)其低頻特征研究少。本文針對(duì)長(zhǎng)江上游面雨量，在解決長(zhǎng)江上游是否也存在低頻振蕩問(wèn)題的基礎(chǔ)上，展開低頻特征分析，為進(jìn)一步了解長(zhǎng)江上游氣候特征提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

1 資料和方法

本文采用1961～2017年3～11月資料完整的長(zhǎng)江上游流域276個(gè)氣象站逐日降水量資料進(jìn)行分析，資料取自湖北省信息保障中心。長(zhǎng)江上游流域分區(qū)見文獻(xiàn)[12]，可分為岷沱江、嘉陵江、宜賓-重慶、重慶-宜昌、烏江和金沙江。本文又將金沙江分為金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下，那么，長(zhǎng)江上游流域共分為七大流域。

基于氣象站點(diǎn)逐日降水量，利用泰森多邊形方法[13-14]，計(jì)算長(zhǎng)江上游七大流域的面雨量。本文采用的分析方法有功率譜、傅里葉帶通濾波。

2 長(zhǎng)江上游子流域面雨量低頻周期

為了得到長(zhǎng)江上游七大流域面雨量的顯著周期，首先減去其氣候態(tài)，濾去季節(jié)循環(huán)的影響，然后進(jìn)行7 d的滑動(dòng)平均，濾去高頻信號(hào)，再對(duì)逐年面雨量分別進(jìn)行功率譜分析，得到這57 a功率譜平均值，見圖1。從圖1可以看到：金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下的10～40 d周期非常顯著，通過(guò)了紅噪聲檢驗(yàn)；岷沱江、嘉陵江、宜賓-重慶、重慶-宜昌和烏江的10～25 d周期非常顯著，通過(guò)了紅噪聲檢驗(yàn)。低頻周期分析結(jié)果表明，長(zhǎng)江上游七大流域都具有顯著的低頻振蕩特征，但周期有所不同，金沙江面雨量(包含金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下2個(gè)子流域，下同)具有顯著的10～40 d季節(jié)內(nèi)尺度的低頻振蕩，而其他5個(gè)子流域具有顯著的準(zhǔn)雙周振蕩。

3 長(zhǎng)江上游子流域低頻面雨量與總面雨量的關(guān)系

利用傅里葉帶通濾波方法，對(duì)金沙江面雨量提取10～40 d低頻信號(hào)，對(duì)長(zhǎng)江上游其他流域提取10～25 d低頻信號(hào)。表1給出長(zhǎng)江上游七大流域低頻面雨量占實(shí)際降水總方差的比例。從表1可以看出：低頻所占總方差比例存在顯著的年際差異，這與每年低頻信號(hào)強(qiáng)弱有關(guān)。低頻所占總方差比例最大值出現(xiàn)在1978年金沙江石鼓以上，為60.8%；最小值出現(xiàn)在2016年重慶-宜昌段，為25.2%。平均而言，對(duì)比7個(gè)流域發(fā)現(xiàn)，金沙江面雨量低頻信號(hào)最明顯，石鼓以上平均為49.7%，石鼓以下平均為46.8%；然后是嘉陵江流域面雨量，為40.5%；其次是烏江、岷沱江和宜賓-重慶，分別為37%，35.9%和35.7%；宜賓-重慶最少，為31.9%。

表1 1961～2017年長(zhǎng)江上游子流域低頻面雨量占實(shí)際降水總方差的比例Tab.1 Contribution of low-frequency areal rainfall to the total variance of rainfall over the Upper Yangtze River during 1961～2017

4 長(zhǎng)江上游子流域低頻強(qiáng)降水事件特征分析

參照文獻(xiàn)[15]，低頻強(qiáng)降水事件的選取方法為：基于上游七大流域逐日面雨量，利用傅里葉帶通濾波方法濾波，再取標(biāo)準(zhǔn)化得到降水指數(shù)IR，連續(xù)3 d及以上不小于1，則定義為一個(gè)低頻強(qiáng)降水事件。按照此方法在金沙江石鼓以上選取了351次，金沙江石鼓以下392次，岷沱江382次，嘉陵江394次，宜賓-重慶409次，重慶-宜昌417次，烏江440次，年均6～8次。逐年異常情況看，七大流域強(qiáng)降水事件次數(shù)最多年和最少年均出現(xiàn)在宜賓-重慶，2016年事件最多，出現(xiàn)了13次；2001年事件最少，出現(xiàn)了2次。

圖1 1961～2017年長(zhǎng)江上游流域面雨量功率譜分析(虛線表示紅噪聲檢驗(yàn))Fig.1 Power spectral analysis of areal rainfall over the upper Yangtze River during 1961 to 2017

表2～5分別給出長(zhǎng)江上游七大流域低頻強(qiáng)降水事件在頻次、持續(xù)天數(shù)、降水強(qiáng)度和最大面雨量等特征量統(tǒng)計(jì)情況。分季節(jié)看，七大流域中任意一個(gè)流域的這4個(gè)特征量，夏季均是排在第1位；秋季除了宜賓-重慶頻次、烏江降水強(qiáng)度和最大面雨量外，其他均多于春季，排在第2位；春季大部排在第3位。分流域看事件頻次，烏江次數(shù)最多，年均7.72次，金沙江石鼓以上最少，年均6.16次。事件持續(xù)天數(shù)統(tǒng)計(jì)顯示，金沙江(包含石鼓以上和石鼓以下)持續(xù)天數(shù)在3個(gè)季節(jié)均是最長(zhǎng)的，共計(jì)14.4 d和13.8 d，其他流域?yàn)?2 d左右。事件降水強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)顯示，重慶-宜昌在3個(gè)季節(jié)中強(qiáng)度均是最大，金沙江石鼓以上強(qiáng)度最小，且長(zhǎng)江上游東部(嘉陵江、宜賓-重慶、重慶-宜昌和烏江)降水強(qiáng)度大于西部(金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下和岷沱江)。事件最大面雨量統(tǒng)計(jì)特征與降水強(qiáng)度一致。

表2 1961～2017年長(zhǎng)江上游低頻強(qiáng)降水事件的頻次統(tǒng)計(jì)Tab.2 Frequency statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 次

表3 1961～2017年長(zhǎng)江上游低頻強(qiáng)降水事件的持續(xù)天數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Continuous days statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 d

基于長(zhǎng)江上游低頻強(qiáng)降水事件時(shí)間序列，整理低頻強(qiáng)降水過(guò)程，將各流域從時(shí)間上看為連續(xù)的低頻強(qiáng)降水事件歸為一個(gè)低頻強(qiáng)降水過(guò)程，2 785次事件可歸為1 159次低頻強(qiáng)降水過(guò)程。圖2給出了長(zhǎng)江上游低頻強(qiáng)降水過(guò)程特征統(tǒng)計(jì)情況。圖2(a)給出低頻強(qiáng)降水過(guò)程次數(shù)年際演變曲線，顯示低頻強(qiáng)降水過(guò)程次數(shù)年際差異較大，1965年和2016年過(guò)程最多，為25次，2004年和2012年過(guò)程最少，為15次。圖2(b)給出了低頻強(qiáng)降水過(guò)程次數(shù)隨過(guò)程持續(xù)天數(shù)演變曲線，顯示過(guò)程持續(xù)時(shí)間在3～14 d之間，隨著持續(xù)時(shí)間增加過(guò)程次數(shù)在減少，持續(xù)時(shí)間在3～7 d的累計(jì)過(guò)程次數(shù)占總次數(shù)的80.5%，而持續(xù)時(shí)間在8 d及以上的過(guò)程次數(shù)基本不及7 d及以下過(guò)程的一半。圖2(c)給出了低頻強(qiáng)降水過(guò)程次數(shù)隨流域數(shù)量演變曲線，這里統(tǒng)計(jì)的流域數(shù)量是指同一低頻強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)生時(shí)段內(nèi)，長(zhǎng)江上游七大流域出現(xiàn)低頻強(qiáng)降水事件的流域數(shù)量。顯示，隨著流域數(shù)量增加過(guò)程次數(shù)在減少。當(dāng)只有1個(gè)流域出現(xiàn)強(qiáng)降水事件的降水過(guò)程最多，為349次；2個(gè)流域和3個(gè)流域的降水過(guò)程相當(dāng)，分別為228次和227次；7個(gè)流域同時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)降水事件的降水過(guò)程也有發(fā)生，有28次。長(zhǎng)江上游7個(gè)流域同時(shí)出現(xiàn)低頻強(qiáng)降水事件的過(guò)程有21次發(fā)生在夏季，7次發(fā)生在秋季，持續(xù)天數(shù)在7～14 d之間。

表4 1961～2017年長(zhǎng)江上游低頻強(qiáng)降水事件的降水強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Tab.4 Intensity statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 mm

表5 1961～2017年長(zhǎng)江上游低頻強(qiáng)降水事件的最大面雨量統(tǒng)計(jì)Tab.5 Maximum areal rainfall statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 mm

圖2 長(zhǎng)江上游低頻強(qiáng)降水過(guò)程特征統(tǒng)計(jì)情況Fig.2 Characteristics statistics of low-frequency heavy rainfall processes over the Upper Yangtze River

5 結(jié) 論

本文基于長(zhǎng)江上游七大流域的面雨量資料，應(yīng)用功率譜分析了長(zhǎng)江上游面雨量低頻周期，應(yīng)用帶通濾波方法提取面雨量低頻信號(hào)，定義并挑選了低頻強(qiáng)降水事件和過(guò)程，統(tǒng)計(jì)分析其特征，得到以下結(jié)論。

(1) 通過(guò)功率譜分析，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江上游七大流域面雨量存在著顯著的低頻振蕩特征，但周期有所不同，金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下這2個(gè)流域具有顯著的10～40 d季節(jié)內(nèi)尺度的低頻振蕩，而其他5個(gè)流域具有顯著的10～25 d準(zhǔn)雙周振蕩。

(2) 長(zhǎng)江上游七大流域夏季低頻降水事件在頻次、持續(xù)天數(shù)、降水強(qiáng)度和最大面雨量這4個(gè)特征量上排第1，秋季次之，春季最小。流域間對(duì)比，烏江事件次數(shù)最多，金沙江石鼓以上最少；金沙江(包含石鼓以上和石鼓以下)持續(xù)天數(shù)最長(zhǎng)，其他流域相當(dāng)；重慶-宜昌降水強(qiáng)度和最大面雨量最大，金沙江石鼓以下最小。

(3) 進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)低頻強(qiáng)降水過(guò)程特征，可將2 785次事件歸為1 159次低頻強(qiáng)降水過(guò)程。過(guò)程次數(shù)年際差異較大，在15～25次之間。隨持續(xù)時(shí)間增加、流域數(shù)量增加，過(guò)程次數(shù)呈減少趨勢(shì)。