2017, 28 (1): 86-97
2. 福建省莆田市气象台, 莆田 351100
2. Putian Meteorological Office of Fujian, Putian 351100
受热带亚热带季风影响，华南地区降水充沛[1]。华南的雨季主要分为前汛期(4-6月)和后汛期(7-9月)。后汛期降水主要是由热带系统移至华南造成，而前汛期降水主要与亚热带准静止锋即梅雨锋有关[2-3]。前汛期大范围的持续性暴雨及其引发的洪涝灾害，给华南地区造成严重经济损失。近年来，华南地区前汛期暴雨事件增多增强[4-7]。20世纪90年代以后，极端暴雨事件的频次呈增加趋势[8-9]，华南部分地区极端暴雨量增加趋势显著[10]。由前汛期持续性暴雨引发的灾害日益严重。因此，前汛期持续性暴雨的年际和年代际特征引起广泛关注。吴丽姬等[11]统计表明，1961-2005两广地区季风爆发前和爆发后区域性持续性暴雨过程的频数年代际变化几乎相反；林爱兰等[12]统计显示，1961-2011年的不同年代广东持续性暴雨过程的月份分布不同，60年代后期至80年代过程多发生在5月，90年代以后过程多发生在6月；1990年以后，华南区域性持续性暴雨过程持续时间显著变长、影响范围显著变大、强度显著增强[13]。
已有研究表明，季节内振荡与亚洲夏季风区降水变化密切相关[14-16]。南海季风爆发前主要以锋面降水为主，而南海季风爆发后主要以夏季风降水为主[17-18]。北半球夏季季节内振荡有两种不同的周期[19]: 30~60 d[20]和10~20 d[21]，长江中下游地区、黄河中下游地区以及华南地区旱涝的年际变化与低频振荡的年际变化有关[22-24]。6月大气热源与风场低频振荡的年际变化影响华南6月降水的年际变化[25]：当西北太平洋低频反气旋和华南-日本南部低频气旋异常强的年份，华南地区低层异常辐合，华南6月多雨; 反之，华南6月易旱。前汛期500 hPa江南至华南高空槽10~20 d和30~60 d振荡的年际变化与广东省前汛期暴雨的年际关系密切相关[26]：500 hPa关键区低频高度场偏弱年份广东前汛期易出现暴雨。福建前汛期持续性暴雨过程的年际分布也与低频振荡的年际变化有关[27-29]：10~20 d振荡偏强年份，福建易出现持续时间较短的持续性暴雨过程；30~60 d振荡偏强的年份，福建易出现持续时间较长的暴雨过程。
以往的研究主要揭示暴雨过程年际特征与低频振荡的关系，关于持续性暴雨过程年代际变化与大气低频振荡关系的研究鲜见报道，此前有关华南持续性暴雨的成因分析也仅限于单一过程或单一省份典型年份的合成[30-31]，对于整个华南地区持续性暴雨过程的年代际变化特征及其与低频振荡的关系几乎未涉及。本文将在研究华南持续性暴雨的年代际变化特征的基础上，分析前汛期降水低频变化的年代际差异，及其与热带低频信号北传的可能联系，进而揭示持续性暴雨年代际变化的可能成因。
1 资料与方法 1.1 资料①逐日降水资料为国家气象信息中心提供的1961-2012年中国国家级地面气象站基本气象要素日雨量数据集；②NCEP/NCAR逐日再分析资料包括风场、高度场、地面气压场、湿度场，时间长度为1961-2012年，垂直层次为200 hPa，500 hPa，850 hPa，水平分辨率为2.5°×2.5°；③NCEP/NCAR逐日OLR (outgoing long-wave radiation)再分析资料，时间长度为1979-2012年，水平分辨率为2.5°×2.5°。
1.2 方法采用Mann-Kendall、滑动T检验、Yamamoto和Cramer等多种突变检验方法[32]进行华南前汛期持续性暴雨年代际突变分析；采用功率谱分析[33]和Morlet小波变换方法[34]分析前汛期降水的周期特征；用Butterworth滤波器[35]提取10~20 d准双周振荡(BWO)和30~60 d季节内振荡(ISO)等低频信号。
1.3 相关定义 1.3.1 华南持续性暴雨过程的定义本文研究的区域包括福建、广东、广西，选择243个气象站作为代表站，其中福建66个站、广东85个站、广西92个站，站点具体位置见图 1。
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| 图1 福建、广东和广西气象站分布图 Fig.1 Station map of Fujian, Guangdong and Guangxi | |
暴雨日定义：研究区域243个站中有不低于12个站(即5%的站)出现暴雨(日降水量不低于50 mm)。
暴雨过程定义：出现暴雨日的降水过程，过程中逐日降水须满足区域内至少5个站(即2%的站)出现暴雨，将满足此条件的第1天和最后1天的日期确定为暴雨过程的起止日期。
持续性暴雨过程定义：暴雨过程总日数不低于5 d，且包含5个暴雨日的过程。若两个暴雨过程仅间隔1 d，记为同一次过程。
1.3.2 逐日暴雨强度指数由于持续性强降水过程期间暴雨落区随时间有一定变化，应用福建、广东、广西243个气象站逐日降水资料，参考前人的研究成果[36-39]，基于不同权重系数构建华南逐日暴雨强度指数(IRD)以表征华南前汛期逐日降水的强度，该指数主要侧重暴雨量级以上的降水，兼顾降水强度及其出现的范围，指数越大表明降水强度越强，具体定义如下：
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(1) |
式(1)中，N1为特大暴雨站数，N2为大暴雨站数，N3为暴雨站数，N4为大雨站数，N5为中雨站数，N6为小雨站数。
1.3.3 持续性暴雨过程强度指数通过1.3.1节持续性暴雨过程的定义，得到历次持续性暴雨过程的起止日期，通过累加过程起止日期间的IRD，获得描述该次持续性暴雨过程强度指数(IRS)，以表征持续性暴雨过程强度，IRS除以持续日数得到持续性暴雨过程逐日暴雨强度；采用百分位数(p)法，将持续性暴雨过程强度分为5个等级，具体划分标准如表 1所示。
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表 1 前汛期持续性暴雨过程降水强度评估指标 Table 1 Precipitation intensity of pre-flood season persistent rainstorm |
1.3.4 华南前汛期暴雨强度指数
通过累加逐年4月1日-6月30日IRD，得到历年华南前汛期总暴雨强度指数(IRZ)，以表征华南前汛期暴雨的强度。
2 华南前汛期持续性暴雨年代际变化特征应用历年华南前汛期暴雨强度指数(IRZ)序列，分别采用Mann-Kendall、滑动T检验、Yamamoto和Cramer等多种突变检验方法[32-35]对其进行突变分析，研究表明，IRZ的年代际变化的突变点为1972年和1992年，与张婷等[5]研究成果一致。其中，Yamamoto和Cramer方法检测出1992年为突变点，Mann-Kendall方法检测出的突变点为1972年，滑动T检验则两个突变点都检测出。因此，划分1961-1972年为华南前汛期暴雨偏强偏多阶段，1973-1991年为暴雨偏弱偏少阶段，1992-2012年又转为暴雨增多偏强阶段。
1961-2012年华南前汛期共发生43次持续性暴雨过程，平均持续日数为10.3 d，最多持续日数为22 d，其中有11次过程发生在季风爆发前，32次过程发生在南海季风爆发后，有2次过程受台风影响。根据1.3.3节定义，得到1961-2012年43次持续性暴雨过程强度指数(IRS)序列，然后采用百分位数法，将持续性暴雨过程强度分为5个等级(表 1)，分析在不同的IRZ年代际背景下IRS的特征(表 2和图 2)。
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| 图2 1961-2012年前汛期IRS和持续日数变化 Fig.2 IRS and duration of pre-flood season persistent rainstorm from 1961 to 2012 | |
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表 2 前汛期各等级IRS样本量的年代际差异 Table 2 The decadal variation of IRS of pre-flood season in different levels |
2.1 持续性暴雨过程出现频次的年代际变化特征
1961年以来，在不同的华南前汛期暴雨强度年代际背景下，持续性暴雨过程出现频次也经历了多发-少发-多发3个不同阶段：第1阶段(1961-1972年)为多发期，年平均次数0.9次，第2阶段(1973-1991年)为少发期，年平均过程次数为0.63次，第3阶段(1992-2012年)再次出现多发，年平均过程次数为1次。
2.2 持续性暴雨过程的强度和持续日数的显著年代际变化特征从IRS看，1961-1972年和1992-2012年要强于1973-1991年，5次明显偏强的持续性暴雨过程皆出现在这两个阶段，1973-1991年未出现明显偏强的持续性暴雨过程；其中1992-2012年出现偏强及以上的过程共9次，占该阶段过程总数的47.4%，过程平均持续日数为11.4 d，无论是IRS还是持续日数皆是3个阶段中最长的，且与其他两个阶段有显著差别，并达到0.05显著性水平。可见，华南目前正处于持续性暴雨过程多发、强度偏强、过程持续时间偏长的阶段。
3 成因分析大尺度环流的低频变化会引起华南前汛期降水的低频变化，进而影响前汛期持续性暴雨发生频次、持续时间和强度。本章首先揭示华南前汛期降水的低频变化特征及其低频变化的年代际特征，前汛期降水低频变化的年代际特征与持续性暴雨年代际变化的关系，然后探讨引起前汛期持续性暴雨年代际变化的可能成因。
3.1 华南前汛期降水的低频变化特征根据1.3节的定义，对福建、广东、广西前汛期逐日暴雨强度指数(IRD)分别进行功率谱分析，由图 3可见，IRD有明显的低频变化特征，其中, 10~20 d, 20-30 d和30~60 d等周期皆达到0.05显著性水平。其中，福建、广东、广西10~20 d的低频信号皆很强，除此之外，广西20~30 d以及福建30~60 d的低频信号也较显著。
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| 图3 前汛期IRD功率谱分析(虚线为红噪音检验) Fig.3 The power spectrum analysis about IRD of pre-flood season (dash line represents Markov red noise spectrum) | |
进一步分析不同周期低频信号占前汛期总降水均方差的比例，由图 4可以看出，4-6月降水的低频信号最强区域位于华南和江南南部，不同周期低频信号均显示广东和福建强于广西。其中，10~20 d信号所占比例最大，为30%左右; 30~60 d信号次之，为16%~22%，20~30 d信号再次，为16%~20%，10~60 d低频信号占总降水均方差40%~70%。可见，华南前汛期降水的低频信号不容忽视。
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| 图4 前汛期(4-6月)降水低频信号均方差贡献分布 (a)10~20 d，(b)20~30 d，(c)30~60 d，(d)10~60 d Fig.4 The average variance contribution of low-frequency signal in pre-flood season precipitation (a)10-20 days, (b)20-30 days, (c)30-60 days, (d)10-60 days | |
3.2 华南前汛期降水低频信号的年代际变化特征
以上研究表明，华南前汛期降水有较强的低频信号，那么，前汛期暴雨的强弱度与降水低频振荡强弱也存在一定关系。采用Butterworth带通滤波方法提取1961-2012年前汛期逐日暴雨强度指数(IRD)不同低频周期的分量，计算逐年不同低频周期分量的均方差，代表逐年不同周期的低频振荡强度，然后进一步分析不同周期历年低频振荡强度与历年华南前汛期总暴雨强度(IRZ)的相关关系。由表 3可见，除了60~90 d低频变化强度与IRZ之间的相关未达到0.05显著性水平外，其他周期的低频变化强度与IRZ皆有较高的相关，皆达到了0.05显著性水平，尤其10~60 d低频振荡强度与IRZ相关系数达0.521。由图 5可见，IRZ与10~60 d低频振荡强度为明显正相关关系，当年低频振荡强度越强，该年的IRZ也越强，且二者均有明显的年代际变化特征。1961-1972年和1992-2012年降水10~60 d低频振荡强度波动较大，易出现信号较强的年份，而1973-1991年波动较小，且强度以负距平为主。可见，降水低频振荡强度的年代际变化特征与持续性暴雨过程的年代际变化特征相一致。
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| 图5 1961-2012年前汛期IRZ及10~60 d年低频振荡强度变化 Fig.5 IRZ and 10-60-day low-frequency oscillation intensity of pre-flood season rainstorm from 1961 to 2012 | |
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表 3 1961-2012年前汛期不同周期低频振荡强度与IRZ相关系数 Table 3 Correlations between oscillation intensity of low-frequency signal in cycles and IRZ of pre-flood season from 1961 to 2012 |
由于每年不同周期低频振荡强度不同，且不同低频周期信号之间的配置不同，因此，可能影响持续性暴雨的持续时间和强度。在不同阶段中，分别将不同周期的低频振荡强度，两两之间进行相关分析可得表 4。由表 4可见，前汛期20~30 d和30~60 d信号有较好的正相关关系，分析不同阶段、不同周期低频振荡强度之间的可能联系(图 6)。结果表明：①1961-1972年, 10~20 d信号、20~30 d信号分别与30~60 d信号的相关都很高，皆呈正相关关系，说明该阶段，不同周期的低频信号同位相叠加概率较大，有利于形成明显的旱涝年，且有利于持续性暴雨强度增强和维持时间增长；②1973-1991年, 10~20 d与30~60 d信号呈显著负相关关系，30~60 d信号明显偏弱，降水的低频周期较短，因此，该阶段持续性暴雨过程持续时间较短强度较弱；③1992-2012年，虽然均为正相关，但相关不显著，该阶段的特点是30~60 d信号较强，出现正距平的概率较大，10~20 d和20~30 d信号波动较大，该阶段易出现典型的旱涝年，尤其2004年后30~60 d信号明显增强，有利于发生较强且持续时间较长的持续性暴雨过程。
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| 图6 1961-2012年不同周期前汛期暴雨年低频振荡强度变化 Fig.6 Low-frequency oscillation intensity of pre-flood season rainstorm from 1961 to 2012 in various cycles | |
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表 4 前汛期不同阶段、不同周期年低频振荡强度相关系数 Table 4 Correlations between oscillation intensity of low-frequency signal in different section and cycle during pre-flood season |
3.3 热带低频信号北传特征
以上研究表明，华南前汛期持续性暴雨有着显著年代际变化特征，这一特征与华南前汛期降水的低频信号的年代际变化关系密切，华南受热带和副热带系统的共同影响，由于独特的地理位置，成为我国受热带低频振荡北传影响最为直接、信号最强的地区。应用东亚-西北太平洋季节内振荡(East Asia-western North Pacific ISO)指数(EAWNP-ISO)[22]，分析热带季节内振荡经向传播的年代际变化特征及其对华南前汛期持续性暴雨过程的可能影响。由于OLR资料年限的影响，因此，着重分析1979-1991年与1992-2012年两个阶段的差异。
Lin[23]选取了东亚-西北太平洋夏季风区域(10°S~40°N, 90°~150°E)，使用OLR和850 hPa U分量两个要素，应用联合EOF的前两个特征向量所对应的时间系数(PC1和PC2)构建EAWNP ISO-1指数表征夏季东亚-西北太平洋20~70 d热带季节内振荡经向传播指数；进一步使用第3和第4个特征向量对应的时间系数(PC3和PC4)构建EAWNP ISO-2指数, 以表征10~20 d的经向传播。分别做PC1，PC2，PC3和PC4的功率谱分析及其与前汛期降水的相关分析，结果表明：PC1和PC2皆具有20~70 d的显著周期，而PC3和PC4具有10~20 d的显著周期。它们与华南前汛期降水有显著的相关关系，如图 7所示，PC1与前汛期降水的高相关区域位于长江流域，PC2的高相关区域位于华南，它们共同揭示了20~70 d热带低频信号的北传特征，且彼此存在位相差异。与此类似，PC3和PC4与前汛期降水也有着显著的相关关系，PC3的高相关区域位于华南，PC4的高相关区域位于长江流域，它们共同揭示了10~20 d热带低频信号的北传特征。
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| 图7 PC1，PC2，PC3和PC4与前汛期降水的相关系数 (有效自由度为996，0.07对应0.05显著性水平，0.09对应0.01显著性水平) Fig.7 Correlations between PC1, PC2, PC3, PC4 and pre-flood season precipitation in China (effective degree of freedom:996;0.05 significanc level:0.07; 0.01 significanc level:0.09) | |
与Wheeler[40]定义的MJO指数类似，分别应用PC1，PC2和PC3，PC4构建二维坐标系，点的位置表征前汛期东亚-西北太平洋季节内振荡经向传播的空间位置，可划分为8个位相，点到原点的距离表征季节内振荡信号的振幅。根据不同位相重构的850 hPa风速和OLR距平场的差异，可以看出不同位相东亚-西北太平洋季节内振荡经向传播的位置。
华南前汛期4-6月，20~70 d热带对流低频信号有着明显的由南向北的传播过程，8个不同的传播位相，对应着850 hPa风场和OLR距平场的异常，可能导致我国东南沿海地区降水的异常。当EAWNP ISO-1北传至第6位相(即低频信号传至南海)时，华南南部降水出现正距平；传至第7位相(即低频信号传至华南)时，华南降水明显偏多；传至第8和第1位相(即低频信号传至江南和长江中下游)时，有利于降水的区域逐渐北移至江南和长江中下游地区；其余位相均不利于华南降水，尤其第4和第5位相，华南处于低频干位相。
东亚-西北太平洋热带对流10~20 d经向传播与华南前汛期4-6月的降水关系密切，随着对流北传进入华南-江南-长江中下游地区(即从第8位相-第1位相-第2位相)，华南降水呈现出由南向北逐渐增多的趋势，尤其当热带低频信号传至华南上空，华南降水显著偏多。以上分析表明，前汛期降水同时受20~70 d和10~20 d热带对流低频信号北传的影响。
根据上述研究结果，华南前汛期降水低频信号的年代际变化与热带对流低频信号北传的年代际变化可能具有一定关系，进一步分析1979-1991年与1992-2012年两个阶段东亚-西北太平洋热带对流10~20 d和20~70 d低频信号在8个不同位相出现的日数和强度的差异，将1979-1991年信号减去1992-2012年信号得到两者的差异，并对不同位相出现的日数和强度的差异分别进行T检验。由图 8可见，20~70 d低频信号北传(EAWNP ISO-1)和10~20 d低频信号北传(EAWNP ISO-2)在前后两个时期表现出明显不同的变化特征，且两者呈强弱相反的反相关关系，尤其当低频信号北传至第3~4位相(南海南部和菲律宾及其沿海)和第7~8位相(华南和长江中下游地区)时，表现出明显的年代际差异。
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| 图8 1979-1991年与1992-2012年两个不同阶段热带低频信号北传在不同位相上出现日数(a)和强度(b)的差异(圆圈为达到0.05显著性水平) Fig.8 Difference between two decades (the years of 1979-1991 and 1992-2012) of appear days (a) and intensity (b) about the tropical low-frequency northward movement signal in phases (circle marks the point significant at 0.05 level) | |
比较这两个阶段，不同位相低频信号出现的日数和强度表现为一致的变化特征，1979-1991年20~70 d热带低频信号在第3~4位相出现的日数和强度皆为正较差，表明与1992-2012年相比，该信号向北传播至南海南部和菲律宾及其沿海地区时，滞留日数较多且强度较强，而第7~8位相低频信号出现的日数和强度皆为显著负较差，表明信号北传至华南和长江中下游地区时，信号较后一阶段明显减弱，出现的日数也明显偏少；与此相反的是10~20 d低频信号，1979-1991年第3~4位相低频信号出现的日数和强度为负较差，而第6~8位相为正较差，表明该信号北传播至南海南部和菲律宾及其沿海地区时，信号较1992-2012年偏弱且滞留的日数较少，北传至南海北部、华南和江南地区时信号较后期增强且滞留日数偏多。综上所述，华南前汛期热带对流低频信号的周期有明显的年代际变化，1979-1991年主要受10~20 d低频信号影响，而1992-2012年主要受20~70 d低频信号影响，从而导致两个阶段前汛期持续性暴雨维持时间和强度的差异。
以上分析表明：热带低频信号北传的周期和强度的年代际差异可能是导致华南前汛期持续性暴雨年代际变化的原因之一，由于热带低频信号的周期不同，其北传至我国东南沿海时，可能导致有利于前汛期降水的环流系统低频变化的差异，影响了前汛期降水的低频变化特征，进而影响前汛期持续性暴雨的强度和持续时间。1979-1991年主要受10~20 d低频信号影响，降水的低频周期较短，因此，该阶段持续性暴雨过程持续时间较短强度较弱；而1992年以来主要受20~70 d低频信号影响，导致前汛期低频降水周期较1979-1991年偏长，进而影响持续性暴雨的持续时间和强度，易出现持续性时间长且强度较强的持续性暴雨过程。
4 结论应用福建、广东、广西243个气象站1961-2012年逐日降水资料，构建前汛期暴雨强度指数, 揭示了华南前汛期持续性暴雨年代际变化特征及其可能机理，研究表明：
1)华南前汛期持续性暴雨具有明显的年代际变化特征，经历了多发(1961-1972年)-少发(1973-1991年)-多发(1992-2012年)3个不同阶段, 目前正处于持续性暴雨多发、强度偏强、持续时间偏长的阶段。
2)华南前汛期降水具有显著的低频变化特征，不同周期低频信号均是广东和福建强于广西，且以10~20 d信号最强，30~60 d信号次之，20~30 d信号再次，10~60 d低频信号占总降水均方差40%~70%。
3)华南前汛期暴雨强度与10~60 d低频变化强度为明显正相关关系，不同周期低频信号的配置及其强度的年代际变化与前汛期持续性暴雨的持续时间和强度密切相关，1961-1972年和1992-2012年降水10~60 d低频振荡强度波动较大，易出现信号较强的年份，导致较强持续性暴雨出现概率较大，而1973-1991年波动较小且强度较弱，不易出现较强的持续性暴雨过程。
4)热带低频信号北传的周期和强度的年代际差异可能是导致华南前汛期持续性暴雨年代际变化的主要原因之一，由于热带低频信号的周期不同，其北传至我国东南沿海时，可能导致有利于前汛期降水的环流系统低频变化的差异，影响了前汛期降水的低频变化特征，进而影响前汛期持续性暴雨的强度和持续时间。当热带低频信号北传至华南的低频周期长(短)且强度强(弱)，则前汛期易出现持续时间长(短)且暴雨强度强(弱)的持续性暴雨过程。
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