1960—2010年中国南方地区夏季旱涝时空分布特征

1960—2010年中国南方地区夏季旱涝时空分布特征
茅海祥;王文
【摘要】Based on the summer precipitation data from 213 stations in the South China from 1960 to 2010,Z index was analyzed.Rotated empirical orthogonal function（REOF）division was discussed by precipitation anomaly field.Z indices at regionally representative stations were analyzed by methods of a linear trend analysis,a Mann-Kendall analysis and a Morlet wavelet analysis.The results show that summer precipitation area of the South China is mainly divided into five regions by a REOF analysis method.The annual and inter-decadal variations of summer precipitation are significant in five regionally representative stations,and their trends change from arid to wet.The abrupt changes at Yueyang
station,Guangzhou station,Lishui station,Xinyang station and Chaohu station appear in 1973,1993,1992,2002 and 1979,respectively.UF values are rising after the abrupt change.The occurrence of drought and flood in five divisions are consistent.Summer precipitation cycles are 2-3 years and 5-6 years in the South China.%基于1960—2010年中国南方地区51 a降水资料,进行Z指数变换,再利用降水距平场作REOF分区,并分别对各区域代表站点Z指数序列作线性趋势分析和M-K分析及Morlet小波分析。

结果表明：中国南方5个分
区岳阳站、广州站、丽水站、信阳站和巢湖站5个典型站点的年际及年代际波动
幅度都比较明显,但均呈由干变湿的趋势。

且5个站点分别在1973、1993、1992、2002年和1979年发生突变,突变后UF一直呈上升趋势,总体均由干变湿5,个分区
旱涝异常具有相对一致的性质。

中国南方地区夏季降水具有多时间尺度振荡的特点,存在2—3 a和5—6 a的周期。

【期刊名称】《气象与环境学报》
【年(卷),期】2012(028)001
【总页数】6页(P90-95)
【关键词】夏季降水;Z指数;REOF;中国南方
【作者】茅海祥;王文
【作者单位】南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京210044;南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京210044【正文语种】中文
【中图分类】P468.024
引言
干旱是中国常见的一种自然灾害，它影响区域广，发生频繁，延续时间长。

常年干旱受灾面积约占气象灾害总受灾面积的60%或以上，居各气象灾害之首［1］。

过去研究普遍认为干旱主要发生在中国北方地区，近年来在全球气候变化背景下随着极端天气气候事件频繁出现，干旱的发生频率和强度也明显增加，特别是近几年中国南方地区干旱频繁发生。

如2003年江南和华南、西南部分地区发生严重伏秋连旱，其中湖南、江西、浙江、福建省和广东等省部分地区发生了伏秋冬连旱且旱情严重。

2004年华南和长江中下游发生大范围严重秋旱，其中广西、广东大部、海南、福建西南部、湖南南部、湖北东部、江西大部、苏皖中南部和浙江北部等地，
达到重旱或特重旱标准。

2005年，华南南部出现严重的秋冬春连旱，云南发生近50 a来少见的严重春旱。

2006年川渝地区出现百年难遇的伏旱，2007年出现严
重的冬春干旱连夏旱。

2009年秋季以来，中国西南部分地区持续少雨，气温偏高，遭遇严重旱灾。

开展南方干旱风险管理及干旱预警研究是新的、迫切的重要研究。

很多学者针对中国南方地区的干旱研究已经积累了大量的证据，如周国莲等［2］选取云南125个气象观测站1961—2002年的逐月降水资料运用EOF方法对42
a云南降水量场的时空分布特征进行了分析研究。

吴林等［3］利用1965—2005
年华南168个站的月平均降水资料，运用EOF方法对华南区域降水的时空分布特征进行研究，得到华南地区时间变化上各季节降水在年际和年代际的有区域一致性，但有季节性差异以及空间分布上各季节降水的的差异:春季降水呈现东多西少，夏
季和秋季呈现南多北少，冬季呈东北地区多、西南地区少的特征。

上述对南方地区降水特征的研究有很多仅停留在省级区域和华南地区［4－5］，大多针对典型年
份进行案例研究［6］，有的也只是针对降水量资料的处理，或者只是对降水距平百分率场进行的EOF分解，不同时间尺度、不同地区降水量变化幅度很大，直接
用降水量在时空尺度上相互比较缺乏科学依据，而且降水分布是一种偏态分布，并非正态分布。

实践证明，Z指数旱涝指标能较客观地反映旱涝程度［7］，故本文
针对降水距平场从REOF出发进行分区后再行分析各区Z指数，旨在析出南方地
区降水的更多信息。

1 资料与方法
1.1 资料选取
为了保证资料的完整性和连续性，选取淮河流域以南青藏高原以东(97°51'E以东，35°N以南)中国南方地区213个气象台站1960—2010年夏季(6—8月)的实测降水量。

1.2 研究方法
采用降水 Z 指数、REOF、趋势分析［8］、Mannkendall［9］和 Morlet等方法进行分析。

1.2.1 Z指数
降水Z指数是国家和省级旱涝监测业务的主要指标，由于某一时段的降水量一般
并不服从正态分布，为此用Person III型分布拟合某一时段的降水量效果较好［1］。

Z指数正是假设降水量服从P－III型分布，通过对月降水量标准化处理后，可将其概率密度函数转变为以Z为新变量的标准化正态分布。

Z指数越大表示越湿(涝)，越小表示越干(旱)。

2 结果分析
2.1 降水Z指数的空间分布特征
对1960—2010年中国南方地区213站51 a夏季降水资料的降水距平场进行REOF分析，其载荷量LV能够较好地反映降水场的空间特征，取前5个空间向量作正交旋转变换，前5个载荷向量累积解释方差贡献占总方差的51%(图1)，且根据主要空间型分布这5个分区正好覆盖中国南方地区(图2)。

一区主要在湖北湖南四川一带，二区主要是云南、广州、广西一带，三区主要是浙江、江西、福建一带，四区主要是河南、陕西一带，五区主要是江苏、安徽一带。

与5个异常区对应的
载荷向量场分别在岳阳站(－0.6)、广州站(0.6)、丽水站(－0.7)、信阳站(－0.7)和
巢湖站(0.6)取得了最大值。

在此基础上，分别对典型代表站Z指数序列进行LR，MK，Morlet小波分析。

图1 REOF前5个载荷向量 RLV1(a)、RLV2(b)、RLV3(c)、RLV4(d)和RLV5(e)变化Fig.1 The first 5 loading vectors of REOF for LV1(a)，RLV2(b)，RLV3(c)，RLV4(d)，RLV5(e)
图2 所选用分区及其代表站分布Fig.2 The 5 divisions and their representative stations
2.2 年际变化
从5个分区降水Z指数的年际变化曲线来看，中国南方的干旱均有减缓的趋势(图3)，但年际差别较大，其中五区的线性趋势(0.028)最大，四区最小(0.009)，其余
三站为0.014。

一区在1963、1968、1972、1978、1981、1985、1992 年和2005 年出现 8 次大旱过程，同实况统计［10］相吻合;在 1969，1977，1980，1996，1998年和2002年出现6次大涝，亦同实况［10］一致，总体上在20世纪90年代以前Z指数多为负值主要是偏旱阶段，90年代以后多为正值偏涝，由
干变湿。

二区在20世纪60—80年代旱涝变化不明显，但20世纪80年代至21
世纪初旱涝变化较为明显，出现1981、1994年和1997年3次涝年，1990、1992年2次旱年且自1996年以后开始降水趋多，Z指数变大，转为偏涝阶段。

三区和四区1960—2009年整个阶段旱涝变化特征较为明显，其中三区在20世纪80年代中期以后降水开始增多，由干变湿。

五区在1967，1978，1990年和2001年Z指数达到了－5以下，出现重旱，其余时段Z指数多呈正值，显示出偏湿特性，这同孙林海等［11］的研究结果一致。

以上5个区的Z指数与时间相关
系数都通过了90%的显著性检验。

图3 中国南方地区5个分区代表站岳阳(a)、广州(b)、丽水(c)、信阳(d)和巢湖(e)
的Z指数线性趋势变化Fig.3 Variation trends of Z index at Yueyang(a)，Guangzhou(b)，Lishui(c)，Xinyang(d)and Chaohu(e)stations in the South China from 1960 to 2010
2.3 突变特征
图4 中国南方地区5个分区代表站点岳阳(a)、广州(b)、丽水(c)、信阳(d)和巢湖(e)的Z指数M-K突变检验Fig.4 Mann-Kendall test of Z index at Yueyang(a)，Guangzhou(b)，Lishui(c)，Xinyang(d)and Chaohu(e)stations in the South China from 1960 to 2010
根据南方5个分区的降水Z指数的M-K检验曲线(图4)可以看出，一区降水Z指
数在1973年以前发生波动性的上升和下降，1973年发生气候突变，突变以后降
水Z指数持续上升，自1973年开始一直持续呈显著上升趋势。

二区降水Z指数
在1993年发生突变，1993年以来一直持呈续上升趋势。

三区降水Z指数在
1992年发生突变，1992年以来一直呈持续上升趋势。

四区在1962，1970，1983年和2000年发生4次突变，2002年再次发生突变后一直持续上升趋势。

五区在20世纪60年代下降趋势显著，1979年发生突变［12］后一直持续上升，但在2000年和2003年有过一次较大的波动，其中一、三、五区突变之后甚至超过了显著性水平0.05的临界线。

5个分区旱涝异常具有相对一致的性质，由旱变
涝［11］。

2.4 周期特征
研究表明［13］，小波系数的变化趋势与气候信号的起伏是基本一致的。

从图5
可以看出，5个区域站点的降水均存在明显的周期振荡特征，但不同时间尺度所对应的降水结构存在差别，在大时间尺度下又存在着变化复杂的小时间尺度结构，表明这5个区域站点降水的变化特征是由不同周期振荡叠加而成。

由图5可以看出，一区20世纪60年代末期至70年代初有2 a的显著周期，20世纪70年代中期
至80年代中期以及20世纪90年代中期至21世纪初存在着3 a的显著周期。

二区在20世纪60年代中期、80年代初期均有2a的显著周期，自80年代至90
年代中期有6 a周期;同时20世纪90年代初还有着2 a的显著周期，21世纪初期还存在着一个3 a的显著周期。

三区在20世纪70年代初期80年代中期存在着2 a显著周期。

另外，自80年代初至90年代初还存在着一个5 a的显著周期，在
90年代初期还存在着一个3 a的周期。

四区在20世纪80年代末期及90年代中
期至21世纪初期存在一个2 a显著周期。

五区在20世纪60年代中期至70年代初期存在着一个3 a和6 a的显著周期，80年代末期90年代初期有2 a的显著周
期。

图5 中国南方地区5个分区代表站点岳阳(a)、广州(b)、丽水(c)、信阳(d)和巢湖(d)的Z指数Morlet小波比较Fig.5 Morlet wavelet analysis of Z index at Yueyang(a)，Guangzhou(b)，Lishui(c)，Xinyang(d)and Chaohu(e)stations
in the South China from 1960 to 2010
3 结论与讨论
通过上述气候诊断方法，对中国南方地区1960—2010年51 a的降水Z指数进行分析，得出以下结论:
(1)经REOF分析将降水距平的空间结构分为5个具有较高相关性的异常区。

这5
个异常区分别是贵州、湖南、湖北一带，云南、广东一带，浙江、江西、福建一带，河南、陕西一带和江苏、安徽一带。

与5个异常区对应的载荷向量场分别在岳阳站、广州站、丽水站、信阳站和巢湖站取得了最大值;
(2)岳阳站、广州站、丽水站、信阳站和巢湖站5个典型站点的年际及年代际波动
幅度都比较明显，其中巢湖站最大、信阳站最小，但是总体均呈由干变湿的特性。

(3)中国南方地区5个代表站分别在1973、1993、1992、2002年和1979年发
生突变;突变之后Z指数一直呈上升趋势，由干变湿。

(4)中国南方地区夏季降水具有多时间尺度振荡的特点，存在2—3 a和5—6 a的
周期。

(5)南方旱涝研究有很多是基于华南地区的研究［3，14－15］，此外黄晚华等［16］使用 SPI指数研究了整个南方地区的旱涝形势，郭锐［17］等基于160个测站中南方81个测站1955—2001年47 a各个季节的Z指数分析了不同地区不同季节旱涝发生的频率。

Z指数的大小不仅与降水量有关，还与降水的时空分布有关，在中国有着成熟的应用。

区域旱涝灾害的研究，常以单站Z指数值作为旱涝
指标。

本文基于秦岭—淮河以南，青藏高原以东的南方213个测站1960—2010
年51 a的夏季Z指数，计算表明，使用Z指数可较好地反映中国南方地区夏季的旱涝形势。

(6)随着区域不同，测站数量的增减、资料长度的变化，干旱气候分区也有一定的
差异。

参考文献
［1］袁文平.标准化降水指标与Z指数在我国应用的对比分析［J］.植物生态学报，2004，28(4):523 －529.
［2］周国莲，晏红明.云南近40 a降水量的时空分布特征［J］.云南大学学报，2007，29(1):55 －61.
［3］吴林，覃峥嵘，黄大贞，等.华南区域季节性降水的差异分析［J］.气象研究
与应用，2009，30(3):6－8.
［4］俞胜宾，翟盘茂，张强.1961—2004海南岛干旱演变特征分析［J］.热带作
物学报，2006，27(3):111 －115.
［5］伍红雨，王谦谦.贵州夏季降水异常的区域特征［J］.干旱气象，2008，
3(26):41 －46.
［6］邹旭凯，高辉.2006年夏季川渝高温干旱分析［J］.气候变化研究进展，2007，3(3):149 －153.
［7］陆桂荣，郑美琴，周秀君，等.山东日照市2种干旱指标的应用对比［J］.干旱气象，2010，3(28):102 －106.
［8］李海东，沈渭寿，赵卫，等.1957—2007年雅鲁藏布江中游河谷降水变化的小波分析［J］.气象与环境学报，2010，26(4):1 －7.
［9］张楠，苗春生，邵海燕，等.1951—2007年华北地区夏季气温变化特征［J］.气象与环境学报，2009，25(6):23－28.
［10］温克刚，曾庆华.中国气象灾害大典(湖南卷)［M］.北京:气象出版社，
2006:181－211，91－127.
［11］孙林海，陈兴芳.南涝北旱的年代气候特点和形成条件［J］.应用气象学报，2003，14(6):641 －647.
［12］王遵娅，丁一汇，何金海，等.近50年来中国气候变化特征的再分析［J］.气象学报，2004，62(2):228 －236.
［13］尤卫红.气候变化的多尺度诊断分析和预测的多种技术方法研究［M］.北京:气象出版社，1998:9－20.
［14］林爱兰，吴尚森.近40年华南汛期旱涝变化及趋势预测［J］.热带气象学报，1996，12(2):160 －166.
［15］余功梅.华南近40年降水的气候特征［J］.热带气象学报，1996，
12(3):252 －256.
［16］黄晚华，基于标准化降水指数的中国南方季节性干旱近58a演变特征［J］.农业工程学报，2010，26(7):50－59.
［17］郭锐，智协飞.中国南方旱涝时空分布特征分析［J］.气象科学，2009，
29(5):598 －605.。