引言

“梅雨”是指初夏时节从中国江淮流域到韩国、日本一带雨期较长的连阴雨天气，期间暴雨、大暴雨天气过程频繁出现，降水连绵不断，多雨闷热易生霉，谓之“霉雨”；因此时正是江南梅子成熟的季节，所以又称为“梅雨” ^[1-2]。中国梅雨区域主要分布在江淮流域，涉及的行政区域包含了上海、江苏、安徽、浙江、江西、湖北、湖南等6省1市。湖北地处长江中游地区，其梅雨期是一年之中降水最为集中的时段，因此，梅雨期历为湖北暴雨洪涝的多发期、频发期、危害期^[3]，梅雨期的长短及梅雨期降水量的多寡等特征直接与湖北地区旱涝的形成与持续有关，对湖北气候有不可忽视的影响。研究湖北梅雨期的降水特征对深入认识湖北降水的变化规律至关重要，有利于气象及各级防汛部门提前做好汛期防御措施、明确防洪重点、安全度汛，也是治理沿淮水患、合理利用雨洪资源和深化生态认识的重要环节，是湖北乃至江淮流域地区气候及气候变化研究的重要课题。

许多学者针对湖北梅雨期的降水特征开展了研究工作。在天气学个例方面，徐双柱等^[4]利用武汉多普勒雷达和武汉暴雨所AREM模式资料，对湖北2005年梅雨期的一次暴雨过程的中尺度特征和维持机制进行了分析。在气候特征统计分析方面，胡昌琼等^[5]利用湖北1960—2007年32个站点梅雨期逐候降水资料，分析了湖北梅雨期降水集中度和降水集中期；孙又欣等^[6]利用10 a来的相关数据，分析了湖北梅雨弱化的新特点，指出了梅雨新特点带来的复杂性和危害性。上述研究成果极大地丰富了人们对湖北梅雨期降水特征的认识，为今后研究工作的开展提供了重要的参考价值。但因资料的限制，现阶段关于湖北梅雨期降水特征的研究，多是集中在特殊年份天气学个例的形成规律、内部结构、致灾机制和灾害影响等方面，或是时间尺度较短、分辨率较低的梅雨期降水的气候特征统计，而利用较长时间序列的站点逐日降水资料，探讨湖北梅雨期降水的气候变化特征的研究较少。这是由于要收集长时间序列的梅雨期逐日降水资料并加以整编是一项繁杂的基础性工作，涉及到梅雨期的划分和大量统计，从而使以往梅雨期降水的气候研究工作受到限制。本文利用湖北1961—2012年长时间序列的站点逐日降水资料，采用多种气候统计分析方法，从多年变化、空间分布、趋势变化、强度指数等方面，探讨湖北梅雨期降水的气候变化特征，以期提高对其变化规律的认识，为防洪工作的开展和水资源的利用提供参考。

2 资料与方法

使用的资料包括国家气象信息中心提供的湖北1961—2012年70个站点逐日20—20时(北京时，下同)降水资料及武汉区域气候中心提供的相应时段入梅、出梅日期和梅雨期强度指数统计资料。图 1为本文使用的湖北70个站点的空间分布图，从中可见，70个站点分布较均匀密集，其降水资料的分析结果可有效代表湖北梅雨期的降水特征。需要说明的是，2001年、2005年、2009年为空梅年，为考虑梅雨期降水气候特征统计的连续性和完整性，参考文献[7]对空梅做了特殊处理，即空梅年参照入梅的条件确定入梅日期，但入梅后就空梅了。

文中降水特征量的定义和统计标准如下：年降水量定义为某年70个站点所有雨日降水量的累加；梅雨期降水量定义为某年梅雨期70个站点所有雨日降水量的累加；梅年比定义为梅雨期降水量占年降水量的比例。平均年降水量、梅雨期降水量分别定义为某站点某年限段内所有雨日降水量的累加、梅雨期所有雨日降水量的累加除以年限；平均梅年比定义为某站点平均梅雨期降水量占平均年降水量的比例。梅雨期内若某站点某日降水量大于等于50 mm，记为一个梅雨期暴雨站次，该日则记为一个梅雨期暴雨日，梅雨期暴雨量则定义为某年梅雨期内所有暴雨站次降水量的累加，暴雨比定义为梅雨期暴雨量占梅雨期降水量的比例。平均梅雨期暴雨日、暴雨量、暴雨比定义为某站点某年限段内对应值的累加除以年限。

气象要素的趋势变化可用一元线性方程表示^[8]：

$ {{x}_{i}}={{a}_{0}}+{{a}_{1}}{{t}_{i}}\ \ \ \ \ \ i=1, \ \ 2\cdots n $

(1)

式(1)中，x_i是样本量为n的气象要素变量，t_i为x_i所对应的时间，a₀为回归常数，a₁为回归系数，使n对观测值和计算值的误差的平方和达到最小求a₀、a₁的方法称为最小二乘法。

为研究气象要素的线性倾向趋势和变化特征及变化幅度，计算了气象要素与时间之间的相关系数r_xt (称为趋势系数) ^{[9, 10]}。

$ {{r}_{xt}}=\frac{\sum\limits_{i=1}^{n}{\left( {{x}_{i}}-\overline{x} \right)\left( i-\overline{t} \right)}}{\sqrt{\sum\limits_{i=1}^{n}{{{\left( {{x}_{i}}-\overline{x} \right)}^{2}}\sum\limits_{i=1}^{n}{{{\left( i-\overline{t} \right)}^{2}}}}}} $

(2)

式(2)中，n为年数，x_i是第i年要素值，x为其样本均值，t=(n + 1)/2。显然，这个值为正(负)时表示该要素在所计算的n年内有线性增(减)的趋势。$ {{r}_{xt}}\sqrt{n-2}/\sqrt{1-{{r}_{xt}}^{2}} $符合n - 2的t分布，从而检验这种趋势是否有意义，还是一种随机振动。

由式(1)可知

$ {{a}_{1}}=\frac{d{{x}_{i}}}{d{{t}_{i}}} $

(3)

若t_i = 1, 2…，n (年数)，则根据回归理论有

a₁·10称为气候倾向率^[11]，单位为某要素单位·(10 a)^-1。式(4)中，σ_x要素x的均方差，σ_t为数列1，2…, n的均方差。这样，可以从趋势系数r_xt，求出气候倾向率。

滑动平均^{[12, 13]}相当于低通滤波，可用来诊断气象要素的变化趋势，本文使用3点滑动。

3 结果分析 3.1 梅雨期变化特征

图 2为1961—2012年湖北梅雨期的变化特征。从图 2a可知，近52 a来湖北大多数年份的入梅日期在6月，平均入梅日期为6月18日，最早入梅日期为5月27日(1972、1996年)，最迟为7月10日(1982年)，历年最大相差44d。大多数年份的出梅日期在7月，平均出梅日期为7月11日，最早出梅日期为6月13日(1994年)，最迟的为8月4日(1998年)，历年最大相差51 d。由图 2b可知，近52 a来湖北梅雨期长度呈减少趋势，最小二乘拟合的趋势系数约为-0.09。另外，平均梅雨期长度为23 d，最短的梅雨期长度为2d(2001年)，最长的则达56d(1996年)，历年最大相差达54 d。

使用滑动平均来分析梅雨特征量的年际变化。图 2c为1961—2012年湖北滑动平均的入梅、出梅日期和梅雨期长度，总体来看，三者的波动震荡趋势较为一致。从滑动平均入梅日期看，1960s中后期处于相对平稳状态，其余年代基本为波动状态，其中1980s前期至1990s中期具有在波动中随年代逐步提前的特点，1990s中期至2000s中期具有在波动中随年代逐步推后的趋势。从滑动平均出梅日期看，2000s中前期相对平稳，其余年代基本为波动状态，其中1980s中期至1990s中后期具有在波动中随年代逐步推迟的特点。从滑动平均梅雨期长度看，1960s后期至1970s前期、1970s后期至1980s中期和1990s前期至2000s前期的较长，之后的较短。整体来看，2000年之后湖北入梅日期推迟，出梅日期提前，梅雨长度缩短，这与蒋薇等^[14]人的研究结论一致。

采用累计距平方法来判断梅雨特征量的长期变化趋势。图 2d为1961—2012年入梅、出梅日期和梅雨期长度的累积距平。对入梅日期而言，1961— 2012年期间累计距平有2次明显的转折，以1996年和2000年为界，1996年之前呈明显下降(偏早)趋势，1996—1999年呈上升(推迟)趋势，1999—2000年呈下降(偏早)趋势，2000年之后呈明显上升(推迟)趋势。对出梅时间和梅雨期长度而言，累计距平期间均经历了1次明显的转折，且均以2000年为界，前后两个时段分别对应出梅日期推迟、梅雨期长度偏长和出梅偏早、梅雨期长度偏短。以上分析表明2000年为1961— 2012年湖北入梅、出梅日期和梅雨期长度变化的转折点，这与上文年际变化特征的分析结论一致。

3.2 年降水量和梅雨期降水量的变化特征

梅雨期降水量是梅雨期的基本特征量，也是造成洪涝的主因。图 3a为1961—2012年湖北历年的年降水量、梅雨期降水量和梅年比，从中可见，近52 a来湖北年降水量多数超过60×10³ mm，最多达114 232 mm (1983年)，最少为57 291 mm (1966年)，相差约1倍。梅雨期降水量多集中在(5~35)×10³ mm，最多的达45 054 mm (1996年)，最少为2 951 mm (2001年)，相差约15倍。梅年比多集中在10%~30%，表明梅雨期降水量对年降水量的贡献较大，最高的达43.7% (1996年)，最低的为4.2% (2005年)，相差约10倍。

图 3b为1961—2012年湖北滑动平均的年降水量、梅雨期降水量和梅年比，从中可见，滑动平均年降水量的年际变化表现为小振幅波动震荡，振幅在1970s中期至1980s中期较大；滑动平均梅雨期降水量和梅年比的波动震荡较大，振幅在1960s中期至1970s前期和1980s后期至2000s前期较大，在2000年之后具有雨量趋均趋少、比值减小的特点，即2000年之后，湖北梅雨期降水呈现弱化的特点。

图 4为1961—2012年湖北平均年降水量、梅雨期降水量和梅年比的空间分布，从中可见，三者的空间分布形态相似，均存在2个高值区和1个低值区，且极值中心的位置相近。平均年降水量、梅雨期降水量、梅年比大部分分别在1 000 mm以上、160 mm以上、18%以上，2个高值区分别位于鄂东(中心值分别为1 581 mm、325 mm、25%)和鄂西南(中心值分别为1 679 mm、358 mm、20%)，低值区主要位于鄂西北(中心值分别为782 mm、114 mm、14%)。综上可知，近52 a湖北平均年降水量、梅雨期降水量和梅年比均存在着明显的区域特征。

下面具体分析三者每10 a平均的空间分布特征(图 5)。对平均年降水量(左图)而言，每10 a的空间分布很相似，均存在2个高值区和1个低值区，2个高值区分别位于鄂东南和鄂西南，低值区主要位于鄂西北。其中1970s (图 5d)、1980s (图 5g)和1990s (图 5j)低值区范围较其他时段明显偏大，江汉平原也处于该低值区范围内，表明这3个10 a间鄂西北及江汉平原的年降水量明显偏少。对梅雨期降水量(中图)而言，每10 a的空间分布各有特点，其共同点是鄂西北存在1个低值中心。其中1960s (图 5b)低值区的范围最大，中心极值最低(67 mm)。另外，1990s(图 5k)和2000s (图 5n)的梅雨期降水量分别较其他时段明显偏多和明显偏少。对梅年比(右图)而言，其与梅雨期降水量的空间分布特征相似，其中1960s (图 5c)的梅年比区域特征较其他时段明显，1990s (图 5l)和2000s (图 5o)的梅年比，分别较其他时段的偏高和偏低。

为分析湖北年降水量、梅雨期降水量和梅年比在气候变化中增减的定量程度，计算了其变化的趋势系数和气候倾向率。

图 6为1961—2012年湖北年降水量、梅雨期降水量和梅年比的趋势系数空间分布。对年降水量(图 6a)而言，湖北70个站点中有33个站点为正趋势，主要位于鄂西南和鄂西北的交界处、江汉平原东南部以及鄂东，其中有2个站的趋势系数超过0.27 (0.05信度的相关系数为0.27)，通过0.05的显著性水平检验，分别是秭归(110.97° E，30.83° N) 0.31和石首(112.40° E，29.70°N) 0.29；其他37个站点为负趋势，主要位于鄂西北、江汉平原和鄂东北三者的交界处以及鄂西南，其中咸丰(109.15°E，29.68°N)的负趋势为-0.28，通过0.05的显著性水平检验。表明近52 a来鄂西南和鄂西北的交界处、江汉平原东南部以及鄂东的年降水量在增加，而鄂西北、江汉平原和鄂东北三者的交界处以及鄂西南的年降水量在减少，但大部分站点的变化趋势并不明显，仅秭归、石首的年降水量明显增加，咸丰的年降水量明显减少。对梅雨期降水量(图 6b)而言，湖北70个站点中有48个站点为正趋势，主要位于江汉平原南部、鄂西北以及鄂东，其他22个站点为负趋势，主要位于鄂西南和江汉平原中北部。但所有站点的趋势系数在-0.11~0.23之间，未通过0.05的显著性水平检验，最强正趋势位于潜江(112.90°E，30.40°N)，最强负趋势位于宣恩(109.48°E，30.00°N)。对梅年比(图 6c)而言，其趋势系数空间分布特征与梅雨期降水量的相似，70个站点中有46个站点为正趋势，24个站点为负趋势，其趋势系数在-0.13~0.22之间，未通过0.05的显著性水平检验，最强正趋势位于潜江(112.90° E，30.40° N)，最强负趋势位于利川(108.93°E，30.28°N)。表明湖北梅雨期降水量和梅年比的变化趋势不明显。

图 7为1961—2012年湖北年降水量、梅雨期降水量和梅年比的气候倾向率空间分布，从中可见，三者气候倾向率的空间分布特征与其趋势系数相似。对年降水量而言(图 7a)，约1/2站点的气候倾向率为正值，正值范围为0.38~48.40 mm·(10 a)^-1，最强正值位于秭归(110.97°E，30.83°N)，负值范围-0.52 ~-47.40 mm·(10 a)^-1，最强负值位于咸丰(109.15°E，29.68°N)。对梅雨期降水量而言(图 7b)，大部分站点的气候倾向率为正值，正值范围为0.80~24.87 mm·(10 a)^-1，最强正值位于潜江(112.90°E，30.40°N)，负值范围为-0.05~-13.58 mm·(10 a)^-1，最强负值位于恩施(109.47°E，30.28°N)。对梅年比(图 7c)而言，大部分站点的气候倾向率为正值，正值范围为0.10%·(10a)^-1~1.86%·(10a)^-1，最强正值位于潜江(112.90°E，30.40°N)，负值范围为-0.01%~- 0.95%·(10 a)^-1，最强负值位于荆门(112.22°E，31.00°N)。

3.3 梅雨期暴雨日降水的特征分析

图 8a为1961—2012年湖北历年的梅雨期降水量、暴雨量、暴雨比的变化特征，从中可见，52 a来湖北梅雨期暴雨量多数超过3×10³ mm，最多的达23 823 mm (1969年)，最少的为676 mm (1965年)，相差约3倍；暴雨比多数超过25%，表明梅雨期暴雨量对梅雨期降水量的贡献较大，最高的达74% (2009年)，最低的为20% (1965年)，相差2倍多。图 8b为滑动平均梅雨期降水量、暴雨量和暴雨比，从中可见，三者的波动震荡较大，且震荡趋势一致，振幅在1960s中期至1970s前期和1980s后期至2000s前期较高，而在1970s前期至后期和1980s前期至中期较低，2000年之后，梅雨期暴雨量也呈现弱化的特点。图 8c为湖北历年的梅雨期暴雨站次数及其滑动平均，从中可见，52 a来湖北梅雨期暴雨站次数呈增加趋势，最小二乘拟合的趋势系数约为0.44，多数超过80站次，最多的达262站次(1996年)，最少的为7站次(1965年)，相差255站次，且其滑动平均的波动震荡趋势与梅雨期暴雨量的一致。

图 9为1961—2012年湖北平均梅雨期暴雨日、暴雨量和暴雨比的空间分布，从中可见，三者的空间分布形态相似，均存在2个高值区和1个低值区，且极值中心的位置相近，但位于鄂东高值区的极值中心较平均年降水量、梅雨期降水量和梅年比(图 4)的偏北。平均梅雨期暴雨日、暴雨量、暴雨比大部分地区分别在1 d、80 mm、40%以上。两个高值区分别位于鄂东(中心值分别为1.88 d、177 mm、59%)和鄂西南(中心值分别为1.92 d、171 mm、48%)，低值区位于鄂西北(中心值分别为0.23 d、16 mm、13%)，平均梅雨期暴雨日、暴雨量和暴雨比的高值中心分别约是低值中心的8倍、11倍、4倍。综上分析可知，湖北梅雨期暴雨特征也具有明显的区域特征。

由每10 a平均的梅雨期暴雨日、暴雨量和暴雨比的空间分布(图 10)分析可知，三者每10 a平均的空间分布形态相似，且鄂东为高值区，鄂西北为低值区。其中1980s (a—c)的梅雨期暴雨日、暴雨量和暴雨比的低值区范围较其他时段明显偏大，江汉平原也处于该低值区范围内，表明1980s江汉平原的暴雨日、暴雨量明显偏少，暴雨比明显偏低。同时1970s (图d—f)的暴雨日、暴雨量较其他时段明显偏少，暴雨比明显偏低，而1990s (图j—l)的明显偏多和偏高。另外，1970s (图d—f)和2000s(图m—o)的暴雨量、暴雨日和暴雨比在江汉平原东北部有1高值中心。

图 11为1961—2012年湖北梅雨期暴雨日、暴雨量和暴雨比的趋势系数空间分布。对梅雨期暴雨日和暴雨量(图 11a、b)而言，70个站点中均有54个站点为正趋势，其他16个站点为负趋势，且潜江(112.90°E，30.40°N)梅雨期暴雨日、暴雨量的趋势系数分别为0.31、0.35，仙桃(113.43°E，30.37°N)梅雨期暴雨日、暴雨量的趋势系数均为0.28，通过0.05的显著性水平检验。梅雨期暴雨日除鄂西南为负趋势外，其他为正趋势，最强负趋势-0.17位于建始(109.72°E，30.60°N)；梅雨期暴雨量与暴雨日趋势系数分布不同主要表现在江汉平原中北部有一负值中心，而最强负趋势-0.18位于恩施(109.47°E，30.28°N)。以上分析表明，湖北大部分站点的梅雨期暴雨日、暴雨量在增加，但变化趋势并不明显，仅潜江和仙桃明显增加。对梅雨期暴雨比(图 11c)而言，其趋势系数空间分布与梅雨期暴雨量相似，70个站点中有55个站点为正趋势，但有10个站点通过0.05的显著性水平检验，主要位于鄂东，最强正趋势0.52位于云梦(113.75°E，31.03°N)。其他15个站点为负趋势，主要位于江汉平原和鄂西南，但未通过0.05的显著性水平检验，最强负趋势-0.25位于荆门(112.22°E，31.00°N)。表明湖北大部分站点的梅雨期暴雨比呈增加趋势，且鄂东的增加趋势明显。

图 12为1961—2012年湖北梅雨期暴雨日、暴雨量和暴雨比的气候倾向率空间分布，从中可见，三者气候倾向率的分布特征与其趋势系数相似，大部分站点为正值。对梅雨期暴雨日而言(图 12a)，正值范围为0.000 4~0.30 d·(10 a)^-1，最强正值位于保康(111.27°E，31.88°N)，负值范围为-0.001 7 ~-0.16 d·(10 a)^-1，最强负值位于建始(109.72°E，30.60°N)。对梅雨期暴雨量而言(图 12b)，正值范围为0.0077 ~ 31.42 mm·(10 a)^-1，最强正值位于潜江(112.90° E，30.40°N)，负值范围为- 0.073 1~-14.19 mm·(10 a)^-1，最强负值位于恩施(109.47°E，30.28°N)。对梅雨期暴雨比(图 12c)而言，正值范围为0.15%~ 10.92 %·(10 a)^-1，最强正值位于云梦(113.75° E，31.03° N)，负值范围为-0.32% ~-4.85%·(10 a)^-1，最强负值位于荆门(112.22°E，31.00°N)。

3.4 梅雨强度指数的特征分析

梅雨强度是梅雨期降水的重要指标，也是湖北地区旱涝致灾的关键因素，常用区域梅雨强度指数(M)^[7]来衡量。

参考M等级的划分标准^[7]，统计了52 a来湖北的M (表 1)，图 13为1961—2012年湖北历年M、滑动平均M和最小二乘拟合。从中可见，52 a来湖北M等级偏弱的年数最多，为20个；其次为M等级正常的年数，为11个；再次为湖北M等级偏强的年数，为10个。同时，52 a来湖北M呈弱增加趋势，最小二乘拟合的趋势系数约为0.006，其中最弱的M =-1.7 (1965年)，最强的M =3.6 (1996年)。结合图 8c分析可知，M和梅雨期暴雨站次数的变化趋势一致，极值和波动趋势均对应较好。经查对可知，一些典型的水涝年份如1991、1998和2003年等，其M等级为强或偏强；而一些典型的干旱年份如1978年，其M等级为偏弱。说明湖北M基本能真实反映梅雨期降水强弱及旱涝的情况，有一定的学术研究和实际应用价值。

4 结论与讨论

利用湖北1961—2012年70个站点逐日20—20时降水资料及相应时段入梅日期、出梅日期和梅雨期强度指数统计资料，分析近52 a湖北梅雨期降水的气候变化特征，结论如下：

(1) 近52 a来湖北的入梅、出梅日期和梅雨期长度历年差异较大，梅雨期较长但呈减少趋势，其平均入梅日期为6月18日，平均出梅日期为7月11日，平均梅雨期长度为23 d，三者年际变化的波动震荡趋势较为一致。2000年为湖北梅雨的转折点，2000年之后入梅日期推迟，出梅日期提前，梅雨长度缩短，梅雨期降水呈现弱化的特点。

(2) 湖北年降水量、梅雨期降水量、暴雨量、暴雨站次数较多，梅年比、暴雨比较高，且历年差异较大。年降水量多数超过60×10³ mm，梅雨期降水量多集中在(5~35)×10³ mm，梅雨期暴雨量、暴雨站次数多数分别超过3×10³ mm、80站次，梅年比多集中在10%~ 30%，暴雨比多数超过25%。年降水量的年际变化表现为小振幅波动震荡，其他的波动震荡较大且除梅年比外的震荡趋势很一致。

(3) 湖北梅雨期降水存在明显的区域性和年代际变化。52 a平均特征表明，鄂东和鄂西南为高值区，鄂西北为低值区。1990s和2000s的梅雨期降水量和梅年比分别较其他时段明显偏多、偏高和偏少、偏低，且后者1960s的区域特征较其他时段明显。1970s的梅雨期暴雨日、暴雨量较其他时段明显偏少，暴雨比明显偏低。

(4) 趋势系数和气候倾向率分析表明，近52 a来鄂东的暴雨比明显增加，湖北大部分站点的年降水量、梅年比、梅雨期降水量、暴雨量、暴雨日在增加，主要位于江汉平原南部和鄂东南，少部分站点在减少，主要位于江汉平原中北部和鄂西南，但趋势均不明显。年降水量仅秭归、石首明显增加，咸丰明显减少；梅雨期降水量、梅年比70个站点均未通过0.05显著性水平检验，最强正趋势、最强正气候倾向率均位于潜江，最强负趋势分别位于宣恩和利川，最强负气候倾向率分别位于恩施和荆门；梅雨期暴雨日、暴雨量仅潜江和仙桃明显增加。

(5) 湖北梅雨强度指数其呈弱增加趋势，且与暴雨站次数的变化趋势一致。其在典型的水涝年份的等级为强或偏强，在典型的干旱年份的等级为偏弱。等级偏弱的年数最多，为20个；其次为等级正常的年数，为11个；再次为等级偏强的年数，为10个。

本文利用气候分析方法，探讨了近52 a湖北梅雨期降水气候变化的基本特征，今后将会对梅雨期降水的变化周期、不同等级暴雨的特征进行研究，或是对梅雨期的天气形势做聚类分析，进一步探讨湖北梅雨期的降水特征。

武汉区域气候中心为本文提供了湖北入梅、出梅日期和梅雨期强度指数统计资料，谨致谢忱！