江南地區(qū)夏季極端降水同步事件的關(guān)聯(lián)特征分析

夏思悅， 張新主， 王一嬌

(湖南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 湖南 長沙 410081)

0 引言

政府間氣候變化專門委員會(huì)(intergovernmental panel on climate change，IPCC)第5次評估報(bào)告指出，近100年全球平均地表氣溫顯著升高，使地表蒸發(fā)量增大，地表降水過程也將加強(qiáng)，極端降水事件頻發(fā)[1].在降水相對充沛、持續(xù)時(shí)間較長條件下，極端降水危害更大，易引發(fā)城市內(nèi)澇和山洪災(zāi)害[2].鑒于極端降水的危害性，有很多學(xué)者就極端降水的時(shí)空特征、成因進(jìn)行了研究.針對極端降水時(shí)空特征，研究多以氣候變化檢測專家組定義的極端降水指數(shù)為指標(biāo).國內(nèi)對季風(fēng)區(qū)的研究表明：極端降水指數(shù)時(shí)間上存在變化趨勢，其中強(qiáng)度類指數(shù)在多數(shù)地區(qū)呈上升趨勢，年際突變多發(fā)于20世紀(jì)80年代末至90年代初[3-5]，趨勢顯著性自東南向西北部減弱[5-6]，極端降水普遍歷時(shí)較短，持續(xù)期較長的事件多集中在長江中下游地區(qū)[7].另外，有研究采用集中度分析降水在空間上的分配差異，指出在海拔較低的海岸地區(qū)集中度更高[8]，江南地區(qū)東南部較西北部高，區(qū)域性極端事件發(fā)生可能性更大[9-10].在探究極端降水可預(yù)測的時(shí)空記憶性方面，Malik等[11]通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析了南亞季風(fēng)降水的時(shí)空發(fā)展過程，表明印度夏季風(fēng)與ENSO的耦合與極端降水具有較強(qiáng)相關(guān)；Bores等[12-13]對南美季風(fēng)期極端降水的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析表明，不同驅(qū)動(dòng)機(jī)制影響降水傳播路徑及強(qiáng)度；Conticello等[14]采用Louvain算法，劃分出空間一致性較強(qiáng)的極端降水的子區(qū)域，據(jù)此判斷水汽輸送的不同來源與分布；何蘇紅等[15]對東亞地區(qū)極端降水的研究表明，同步事件在沿海地區(qū)空間關(guān)聯(lián)性小、聚集性強(qiáng)、時(shí)間相對超前.針對極端降水的成因，國內(nèi)研究表明：東亞副熱帶西風(fēng)急流位置[16]、南海副熱帶高壓[17]、西北太平洋副熱帶高壓及ENSO[18-19]等的變化都可能引起我國降水強(qiáng)度和空間分布.同時(shí)，聚類方法在探究影響大尺度氣候變化的代表性因素中應(yīng)用較廣，如龍浠玉等[20]通過對位勢高度SOM-k聚類，發(fā)現(xiàn)中高緯高空低壓槽南下、低空氣旋型渦流的發(fā)展等為洞庭湖流域極端降水提供了條件.綜上所述，目前對江南地區(qū)極端降水事件時(shí)間和空間同步性研究較少涉及，降水與環(huán)流時(shí)空關(guān)聯(lián)特征研究較少.本文運(yùn)用事件同步法，構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，以便有助于解讀區(qū)域內(nèi)極端降水動(dòng)態(tài)過程，揭示不同環(huán)流情況對區(qū)域極端降水的影響，更客觀地認(rèn)識和預(yù)測降水形成特征，從而更準(zhǔn)確判斷極端降水的成因.

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江南地區(qū)(110～120°E，23～30°N)是指長江以南、南嶺以北的中國中東部地區(qū)[21].區(qū)域內(nèi)包含湖南、江西、福建、廣東大部、浙江南部等地區(qū)以及湘江、沅江、贛江等河流.氣候類型主要為亞熱帶季風(fēng)氣候，地形包括山地、丘陵和平原等.該區(qū)域人口眾多，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，同時(shí)受季風(fēng)、大洋及青藏高原等影響，氣象復(fù)雜多變，降水時(shí)空分布較不均勻，不同類型的極端降水頻次、降水量及強(qiáng)度等多年來有增大趨勢，由此引發(fā)的災(zāi)害給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來威脅[22].

1.2 數(shù)據(jù)來源

(1)本文采用中國氣象局國家氣象信息中心(HTTP://DATA.CMA.CN/)所提供的1970-2019年中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集.為確保數(shù)據(jù)的有效性，將缺測日數(shù)超過1%的站點(diǎn)剔除，選取位于江南地區(qū)330個(gè)站點(diǎn)的降水要素集，日降水量為20～20時(shí)累計(jì)降水量.該數(shù)據(jù)集已經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)量控制，并在國內(nèi)氣象研究中廣泛應(yīng)用.

(2)環(huán)流數(shù)據(jù)采用美國NCEP/NCAR再分析資料(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html)，包括位勢高度、經(jīng)緯向風(fēng)、比濕等要素，時(shí)段與降水?dāng)?shù)據(jù)一致，氣壓層均為8層，水平分辨率均為2.5°×2.5°.

1.3 研究方法

1.3.1 百分位閾值法

本文采用翟盤茂等[23]定義的百分位閾值法確定極端降水閾值.將江南地區(qū)各站≥1 mm 的日降水量按升序排列，取第95百分位值作為該站的閾值，超過閾值的事件即為極端降水事件.各站點(diǎn)具有不同的閾值及極端事件時(shí)間序列.

1.3.2 事件同步法

事件同步法(event synchronization, ES)是用于計(jì)算時(shí)間序列與事件之間非線性相關(guān)性的有效工具，已廣泛運(yùn)用于全球氣候分析中.參考Quiroga[24]，其主要步驟如下：

(2)計(jì)算格點(diǎn)i與j的ES數(shù)量，定義C(i|j):

根據(jù)地表監(jiān)測資料，滑坡體在產(chǎn)生地表裂縫之后仍處于變形發(fā)展中，在對隧道進(jìn)行有效加固及對山體開始卸載后，變形速度開始下降至蠕動(dòng)，各測點(diǎn)每天的位移一般在10 mm左右，沉降一般在5～10 mm，仍處于蠕動(dòng)的不穩(wěn)定狀態(tài)。場區(qū)處于雨季，降雨量大且集中，坡體上缺少完善的排水系統(tǒng)，降雨極易沿裂縫下滲，形成動(dòng)水壓力，還使滑體飽和而自重增加，并降低滑帶土體抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致下滑力增大而抗滑力減小。一旦下滑力大于抗滑力，滑體將會(huì)有進(jìn)一步滑動(dòng)的傾向。

同樣地，為了探究方向上的延遲性，定義D(i|j)：

(3)構(gòu)建對稱陣Qij和非對稱陣qij：

式中：Qij∈[0,1]，越接近1代表同步性越強(qiáng)；qij∈[-0.5,0.5]，越接近-0.5代表i處事件大部分落后于j，qij=-0.5(0.5)時(shí)，則表示格點(diǎn)i事件總是落后(超前)于j.

(5)為了分析極端降水同步特征，本文選了如下參數(shù)指標(biāo)(見表1).

表1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征量說明

1.3.3 SOM-K聚類

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自組織特征映射(SOM)與k-means相結(jié)合的方法為氣候?qū)W提供了一種將天氣狀態(tài)的復(fù)雜分布可視化的機(jī)制[25]，在氣候模式分類和識別方面具有廣泛應(yīng)用.該方法主要包括兩個(gè)階段：

第一，以平均量化誤差(QE)和拓?fù)湔`差(TE)綜合最小化原則設(shè)定SOM輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，將QE、TE由小到大排名[26]，如圖1所示.當(dāng)class=6*6時(shí)，綜合誤差排名最高，即總和最小.

圖1 聚類數(shù)量選擇依據(jù)

第二，在初聚類中心基礎(chǔ)上，根據(jù)Davies Bouldin指數(shù)確定k-means聚類數(shù)[27]，當(dāng)cluster=6時(shí)，DB指數(shù)最低，即分類效果最好.

運(yùn)用啟發(fā)式Louvain算法，以模塊度Q最優(yōu)為基礎(chǔ)，經(jīng)過兩層迭代，使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)有效分離.

式中：m是所有節(jié)點(diǎn)度中心度的總和；δ(Ci,Cj)判斷節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j是否屬于同一個(gè)社區(qū)，若屬于則為1，否則取值0.

本文研究區(qū)站點(diǎn)劃分為4類，得到Q=0.7796，表明劃分結(jié)果中的各子區(qū)域具有較為明顯的空間一致性.

2 結(jié)果與分析

2.1 同步事件特征量分析

運(yùn)用事件同步法確定極端降水同步事件，并構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，分析其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)揭示的降水特征，具體如圖2所示.由圖2可知，江西省中部的度中心度值(K)高，而湖南省大部、兩廣地區(qū)的K值相對較低.可見極端降水關(guān)聯(lián)范圍受地形影響較明顯，受山地地形阻擋降水多集中于迎風(fēng)坡側(cè)，而在低平地帶雨區(qū)廣闊，關(guān)聯(lián)范圍較大.由于東南沿海地區(qū)夏季常受海洋熱帶氣團(tuán)影響，多發(fā)氣旋型極端降水，其極端事件關(guān)聯(lián)范圍與氣旋強(qiáng)度、規(guī)模及移動(dòng)路徑相關(guān)性大，因此K值也相對較大.同時(shí)，從西南到北部SK由負(fù)值過渡為正值，說明西南地區(qū)極端降水一般超前于北部地區(qū)，夏季南半球東南信風(fēng)越赤道轉(zhuǎn)為西南向，加之海陸熱力性質(zhì)差異，影響南亞、東南亞等地，有利于為我國西南地區(qū)帶來印度洋的充沛水汽，使該地區(qū)容易較早產(chǎn)生極端降水，水汽北移的過程為北部內(nèi)陸區(qū)域帶來較為滯后的極端降水.東南沿海區(qū)極端降水發(fā)生也相對超前.這與該地環(huán)流背景有關(guān)，夏季受季風(fēng)環(huán)流引導(dǎo)強(qiáng)烈，易形成熱力對流為主的對流型或熱帶氣旋型極端降水.另外，沿海及區(qū)域邊緣地帶為局部聚集系數(shù)(CC)高值區(qū)，而在湖南、江西、廣東等地為CC低值區(qū)，這證實(shí)了極端降水空間一致性與地形存在一定相關(guān)性.綜上指標(biāo)，除東南沿海外，江南地區(qū)多數(shù)極端降水主要沿西南—東北方向通道進(jìn)行傳播，說明形成降水所需的水汽可能來自印度洋、孟加拉灣等地，并且途經(jīng)印度半島、孟加拉灣、中南半島進(jìn)入廣東沿海，在江南地區(qū)向北傳播，形成較大影響范圍的區(qū)域極端降水.

圖2 極端降水網(wǎng)絡(luò)特征量的空間分布

2.2 同步事件區(qū)域特征

由于江南地區(qū)范圍較大，極端降水在整個(gè)區(qū)域同步發(fā)生概率較小，因此需將同步性高的站點(diǎn)聚集為相應(yīng)分區(qū)，以利于識別極端降水事件的區(qū)域性特征，運(yùn)用前文所述Louvain算法劃分，結(jié)果如圖3所示.

圖3 極端降水同步事件的區(qū)域劃分

由圖3可知，江南地區(qū)極端降水同步事件可分為4類，分別為沿海型、南部型、中部型和北部型.除沿海外，其余站點(diǎn)分布形態(tài)呈西南-東北，這與中國夏季主要水汽來源及推移過程相一致.沿海型夏季受海陸季風(fēng)影響較深，熱帶氣旋多發(fā)，登陸東南沿岸帶來大量水汽，產(chǎn)生持續(xù)期較短的氣旋型極端降水，進(jìn)入內(nèi)陸后強(qiáng)度減弱，因此該類同步站點(diǎn)僅聚集于沿岸范圍.

2.3 同步事件與環(huán)流關(guān)聯(lián)分析

由于在大規(guī)模環(huán)流特征揭示上，區(qū)域性事件具有信號更強(qiáng)，且危害更大，因此為更準(zhǔn)確研究江南地區(qū)極端降水事件的成因，將所有同步事件中關(guān)聯(lián)站點(diǎn)數(shù)量超過前述各分區(qū)三分之一的事件定義為區(qū)域性極端降水事件[28]，共識別出850次事件，對其環(huán)流結(jié)構(gòu)開展分析.根據(jù)前述最佳分類原則，將850 hPa位勢高度距平場聚類為如圖4的6類，即GS1—6，樣本分別為：GS1，148天(17.41%)；GS2，221天(26%)；GS3，116天(13.65%)；GS4，113天(13.29%)；GS5，175天(20.59%)；GS6，77天(9.06%).

由圖4可知，6類位勢高度距平場均近似偶極子分布，這意味著江南地區(qū)夏季極端降水時(shí)，位勢高度、海平面氣壓與周邊地區(qū)存在反相變化，有助于水汽的進(jìn)入和較強(qiáng)降水的出現(xiàn)，與前人研究相一致.另外6類位勢高度距平場，江南地區(qū)位勢高度距平均為負(fù)值，意味著江南地區(qū)較周圍氣壓更低，具備水汽輻合條件.從GS1型來看，江南地區(qū)850 hPa位勢高度更低，江南地區(qū)至西北太平洋一帶地區(qū)負(fù)距平延伸；500 hPa位勢場顯示，江南地區(qū)位于大振幅低壓槽前，阿爾泰山以北為高壓脊控制.GS2型位勢高度距平場顯示，中緯區(qū)115°E東西兩側(cè)存在正距平中心和負(fù)距平中心，江南地區(qū)位于弱低壓槽東南側(cè)，加之西太平洋副熱帶高壓偏西，有助于水汽大量進(jìn)入江南地區(qū).GS3型850 hPa位勢高度負(fù)距平中心主要位于日本群島及太平洋東南側(cè)范圍，江南地區(qū)也受低壓控制，貝加爾湖以南及塔里木盆地附近則為正距平中心，為北方冷空氣南下提供條件.從GS4型來看，850 hPa位勢高度負(fù)距平集中于江南地區(qū)沿海側(cè)，日本海附近地區(qū)氣壓較高，且統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)該類型引發(fā)降水中，46%位于沿海站點(diǎn)內(nèi)，且主要為氣旋型極端降水，可推測江南地區(qū)受熱帶低空渦旋影響，氣流強(qiáng)烈上升，而在氣旋外圍形成下沉高壓區(qū)；500 hPa位勢場可見，江南地區(qū)受低壓短槽控制，西太平洋副高西伸脊點(diǎn)偏西偏北.GS5型850 hPa位勢高度負(fù)距平區(qū)大范圍分布于30°N以北地區(qū)，中國東北部至日本群島為負(fù)距平區(qū)，印度半島、東南亞群島至西太平洋區(qū)域氣壓偏高，西太平洋副高西伸明顯、位置偏南，有利于西南氣流與低壓槽帶來的南下冷空氣匯合，易在江南地區(qū)北部形成極端降水.GS6型與2型相似，850 hPa位勢高度負(fù)距平勢力更強(qiáng)，異常低壓范圍更廣，正距平區(qū)僅存于西北太平洋部分區(qū)域，槽脊振幅較大.

圖4 位勢高度距平場的分類注：白色實(shí)線表示500 hPa位勢，填色表示850 hPa位勢.

3 討論

本文旨在探討江南地區(qū)夏季極端降水同步事件的空間特征，揭示區(qū)域極端降水的不同環(huán)流形勢，更客觀準(zhǔn)確地認(rèn)識和判斷極端降水的成因，所得結(jié)果與前人研究基本一致[15]，較好地反映出研究區(qū)的極端降水空間關(guān)聯(lián)范圍、聚集性及時(shí)間先后等特征.對于區(qū)域性極端事件的環(huán)流形勢分析，符合前人對該區(qū)域研究中涉及極端降水類型，如鋒面型、氣旋型等[22].本研究利用極端降水同步事件的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對提高江南地區(qū)對夏季極端降水的預(yù)報(bào)水平有理論指導(dǎo)意義，可從環(huán)流形勢的組合性異常入手，以不同站點(diǎn)的關(guān)聯(lián)程度、傳播方向及脆弱性等為依據(jù)，建立適用于研究區(qū)的極端降水預(yù)報(bào)機(jī)制.對于關(guān)聯(lián)范圍較大、發(fā)生時(shí)間較滯后的區(qū)域，應(yīng)及時(shí)提取前期信號，建立科學(xué)合理的預(yù)報(bào)概念模型，以減輕重大天氣災(zāi)害事件對人民生產(chǎn)生活造成的消極影響，對于沿海聚集性較強(qiáng)的區(qū)域，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注夏季熱帶氣旋帶來的極端降水，結(jié)合東亞夏季風(fēng)、西太平洋副高等指標(biāo)以提高預(yù)報(bào)精度.但本文對于極端降水同步事件的水汽輸送、垂直結(jié)構(gòu)等的研究尚有缺乏，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步探討其具體影響機(jī)制.

4 結(jié)論

本文運(yùn)用事件同步法建立極端降水復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合聚類方法探究了江南地區(qū)區(qū)域性極端降水的代表性位勢高度距平場及水汽輸送情況，得到如下結(jié)論：

(1)江南地區(qū)極端降水的時(shí)空關(guān)聯(lián)存在區(qū)域差異，中部同步事件關(guān)聯(lián)范圍較大、聚集性較差，在事件傳播中起主要作用，即為從印度洋等地來的水汽傳輸提供了通道.沿海地區(qū)極端降水一般超前于內(nèi)陸地區(qū)，且邊緣同步事件聚集性強(qiáng)，與東亞夏季風(fēng)環(huán)流規(guī)律相一致.

(2)采用Louvain算法將江南地區(qū)同步事件中具有明顯空間同質(zhì)性的區(qū)域劃分類別，得到4個(gè)子區(qū)域，分別為沿海型、南部型、中部型和北部型，各子區(qū)內(nèi)站點(diǎn)分布呈東西帶狀，與中國南方夏季雨帶的遷移規(guī)律相一致，且沿海區(qū)域夏季極端降水多由熱帶氣旋引發(fā)，聚集性強(qiáng)、持續(xù)性差，多聚集于沿岸地區(qū).

(3)為探究江南地區(qū)極端降水的大規(guī)模環(huán)流特征，定義區(qū)域性極端降水事件，探討其形成時(shí)的環(huán)流信號.利用SOM-k聚類，對850 hPa位勢高度場進(jìn)行劃分，得到共6類結(jié)構(gòu)，且均顯示出偶極子現(xiàn)象，500 hPa位勢高度在東亞大陸中高緯存在大振幅槽脊，江南地區(qū)一帶低槽活動(dòng)較為頻繁，西太平洋副熱帶高壓較平均值偏西偏南，使得東亞夏季風(fēng)減弱，氣流輻合穩(wěn)定在研究區(qū)內(nèi)，形成區(qū)域性極端降水.