張世軒 封國林 趙俊虎

1 引言

暴雨是指24 h降水量為50 mm或以上的強降雨過程,多發(fā)生于夏季6—7月份,由于暴雨常常帶來嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害,因而是大氣科學(xué)研究的熱點和重要課題[1],也引起許多國家和地區(qū)的學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-9].長江中下游是我國暴雨集中多發(fā)區(qū)域,夏季平均暴雨日數(shù)在3 d以上,降水量可占夏季總降水的40%以上[1],因而對該地區(qū)夏季降水具有十分重要的影響,降水異常年份的分析也表明,長江中下游地區(qū)夏季雨帶的形成和降水的多寡與暴雨有著密切的聯(lián)系[10-14],如2011年6月長江中下游地區(qū)連續(xù)的4場暴雨過程,使得該月降水量累積達到整個夏季降水的60%左右[15],造成該地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)[16,17],并決定了整個夏季主雨帶的位置.事實上,暴雨是一個天氣尺度系統(tǒng),但類似于這樣的天氣尺度系統(tǒng)頻繁活動時,其在時間和空間上會造成一定的持續(xù)性,多次過程的累積或疊加,會產(chǎn)生一種“積成效應(yīng)”,往往會形成類似于中長期天氣過程的現(xiàn)象,進而對夏季降水多寡和分布產(chǎn)生決定性作用.然而與之相矛盾的是,從短期氣候預(yù)測的可預(yù)測性角度而言,無法提前三個月(中國3月夏季汛期預(yù)測會商制)實現(xiàn)對上述降水過程的預(yù)測,從而導(dǎo)致2011年夏季主雨帶的預(yù)測失敗.因此,如何定位暴雨這種短時強降水對整個夏季降水的貢獻和影響,以及如何對其進行預(yù)估,是目前汛期降水預(yù)測存在的疑點和難點之一.此外,縱觀國內(nèi)外相關(guān)研究大都基于個例分析,側(cè)重某次暴雨過程的特征分析[18-22],對多次過程所造成的“積成效應(yīng)”鮮為提及.

基于此,本文提出暴雨“積成效應(yīng)”這一概念,以長江中下游地區(qū)為例,從統(tǒng)計學(xué)角度分析暴雨的時-空分布特征,制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)劃分暴雨“積成效應(yīng)”,進一步建立相關(guān)的指數(shù)對其進行描述,探討它與夏季降水時-空分布之間的對應(yīng)關(guān)系,初步確立暴雨這一類天氣尺度活動對同期夏季降水具有重要貢獻,為進一步研究多次暴雨過程累積或疊加作用對夏季主雨帶分布和局地氣候等的影響等提供依據(jù).

2 資料及處理

研究資料包括中國氣象局氣象信息中心資料室提供的中國740站1960—2011年逐日降水資料.研究時段為夏季6月1日到8月31日共92 d.選取長江中下游地區(qū) (27°N—34°N,105°E—125°E)進行研究,首先對資料連續(xù)缺測2 d以上的站點進行剔除,對缺測1 d的站點用前后兩天的資料進行線性插補,實際上由于所選研究時段為夏季,觀測資料缺測較少,因此插補對結(jié)果影響很小.經(jīng)上述處理最終挑選出121個站點,其分布如圖1所示,區(qū)域內(nèi)所選站點分布均勻,符合研究要求.本文均以1960—2011年52年平均作為氣候態(tài).

圖1 長江中下游121站空間分布

3 暴雨“積成效應(yīng)”及其與夏季降水的關(guān)系

3.1 暴雨“積成效應(yīng)”的定義

根據(jù)一般降水的級別定義,本文分析時將日降水量在0.1 mm以上定為有降水發(fā)生,而將50 mm及以上的降水統(tǒng)稱為暴雨.本文所討論的暴雨“積成效應(yīng)”由滿足以下兩個方面性質(zhì)的暴雨所決定,一是空間上暴雨發(fā)生的范圍要達到一定的尺度,能夠?qū)θ纸邓a(chǎn)生作用;二是在時間上暴雨過程具有一定的持續(xù)性,決定降水的強度.

據(jù)此,首先從空間范圍入手,統(tǒng)計長江中下游區(qū)6月1日—8月31日在1960—2011年每年的總降水站點數(shù)(有降水發(fā)生即可)和暴雨站點數(shù),并計算多年平均逐日發(fā)生站點數(shù).如圖2所示,從演變形勢可以看到長江中下游夏季平均每天發(fā)生暴雨的站點數(shù)為3個左右,而平均每天發(fā)生降水的站點可達40個左右,站點數(shù)分布呈現(xiàn)兩個峰值,較大峰值時段在第11 d(6月11日)至第43 d(7月13日)左右,暴雨能達到5個站點左右,對應(yīng)發(fā)生降水站點為50個以上,較小峰值時段為第70 d(8月9日)至第92 d(8月31日),暴雨能達到3個左右,對應(yīng)發(fā)生降水的站點數(shù)為40個左右.另外,較大峰值所對應(yīng)時段與多年梅雨平均發(fā)生時段相符合,此時每日出現(xiàn)暴雨的站點數(shù)平均為5個左右,總降水站點能占到全區(qū)總站點的約1/2.進一步統(tǒng)計長江中下游地區(qū)1960—2011年夏季6月1日—8月31日共4784 d中,不同暴雨發(fā)生站點數(shù)的出現(xiàn)頻次,并計算其頻率.圖3(a)不同站點數(shù)發(fā)生頻率分布,可以看到統(tǒng)計時段內(nèi)該區(qū)暴雨發(fā)生站點數(shù)最多為25個,出現(xiàn)頻率為0.1%,最少為1個,出現(xiàn)頻率為24.5%,不同暴雨發(fā)生站點數(shù)的出現(xiàn)頻率擬合曲線呈現(xiàn)指數(shù)型衰減特征,其衰減速率在5站之前較快,之后則逐漸減慢.而圖3(b)累積百分率擬合曲線則呈指數(shù)型增長特征,與圖3(a)對應(yīng),暴雨發(fā)生站點數(shù)少于5個時,其累積發(fā)生頻率增長較快,隨后逐漸減緩,其中發(fā)生站點數(shù)小于5個的出現(xiàn)總頻率為 64.0%,而 5站以上 (包含 5站)總頻率為36%,粗略計算所得兩者的平均發(fā)生概率比為(64/4)：(36/21)—10.7：1. 結(jié)合上述兩方面的討論,我們將長江中下游地區(qū)某天滿足5個或5個以上站點出現(xiàn)暴雨這一空間尺度特征,作為評判暴雨“積成效應(yīng)”發(fā)生的空間范圍條件.

圖2 長江中下游52年平均逐日暴雨站點數(shù)(a)和總降水站點數(shù)(b)演變特征(曲線為5次多項式擬合)

圖3 不同暴雨站點數(shù)發(fā)生頻次百分率(a)及其累計百分率(b)的演變

其次,滿足空間尺度條件的幾場暴雨的時間間隔不超過一次天氣過程的持續(xù)時間(3—5 d左右)時,說明幾場暴雨過程具有一定的連續(xù)性,這種性質(zhì)的幾次暴雨過程累積,其時間尺度可表現(xiàn)出中長期天氣過程的特點,因而我們認(rèn)為它在時間上也具有一定的持續(xù)性.暴雨“積成效應(yīng)”是由滿足上述時-空尺度特征的幾次暴雨過程的累計或疊加所產(chǎn)生.

對于長江中下游地區(qū),實際過程中可由如下的標(biāo)準(zhǔn)進行判斷：當(dāng)該區(qū)某天暴雨站點數(shù)達到5站以上(≥5)時,以這一天開始每3 d滑動求平均值,如果連續(xù)10 d或10 d以上滑動平均值都滿足上述標(biāo)準(zhǔn),則記錄這一次暴雨降水過程,統(tǒng)計整個夏季滿足條件的所有過程,這些過程的累計或者疊加對夏季降水等所產(chǎn)生的影響和作用,即為長江中下游地區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”.

3.2 長江中下游地區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”的指標(biāo)

由上述的定義可知,要對上述事件進行刻畫,需要從持續(xù)時間(Ld)、控制面積(Ar),以及降水貢獻率(Qs)三個方面入手,針對所研究的每一年,以上指數(shù)分別定義如下：

其中,當(dāng)滿足以上時空選擇條件時Li=1,否則Li=0,i為滿足條件的序數(shù)日,持續(xù)時間Ld為所有滿足Li=1的總天數(shù),m為一次“區(qū)域性暴雨事件”的持續(xù)時間,Ar為上述時間段內(nèi)中心區(qū)域空間范圍大小,按照0.5°×0.5°分辨率對站點網(wǎng)格化,然后計算面積,Ai是每個網(wǎng)格對應(yīng)的面積大小.Rij表示滿足條件的第i天第 j站點上的降水量,其求和即表示暴雨“積成效應(yīng)”所產(chǎn)生的總降水,Rs表示某一年夏季降水總量,Qs為暴雨“積成效應(yīng)”時段內(nèi)滿足條件的所有站點降水總量占當(dāng)年夏季降水的比例,其值越大,說明暴雨“積成效應(yīng)”時段內(nèi)的降水對當(dāng)年夏季降水的貢獻率越大.np為滿足條件的站點總數(shù).

定義的三項指標(biāo)以及長江中下游區(qū)域平均降水量Rs隨時間演變特征如圖4所示.圖4(a)柱狀曲線表示每年暴雨“積成效應(yīng)”持續(xù)時間Ld,上方的數(shù)字表示暴雨“積成效應(yīng)”中滿足條件的暴雨過程次數(shù),可以看到每年滿足條件的暴雨過程次數(shù)并不一致,絕大多數(shù)年份以2次為主,其次為1次,出現(xiàn)3次的年份有3年,有4年沒有出現(xiàn)滿足條件的暴雨過程,分別為1961,1963,1966和1978年,與之對應(yīng)的控制面積(圖4(b))和降水貢獻率(圖4(c))在這幾年也都為0.以上4年的夏季降水總量也顯著偏少,居近52年中偏少年份的前4位(4(d));說明暴雨“積成效應(yīng)”明顯偏弱時,長江中下游地區(qū)夏季降水顯著偏少.暴雨“積成效應(yīng)”持續(xù)時間具有明顯的年際和年代際震蕩變化,其多年平均持續(xù)時間為27.6 d左右,20世紀(jì)70年代中期以前以及20世紀(jì)80年代中期到90年代初期這兩個時段中,持續(xù)時間大多在氣候平均值以下,而20世紀(jì)70年代中期到80年代中期和20世紀(jì)90年代初期以后這兩個時段內(nèi),持續(xù)時間大多在氣候平均值附近及以上.此外,暴雨“積成效應(yīng)”對應(yīng)的暴雨過程發(fā)生次數(shù)與持續(xù)時間長短并不完全呈正比關(guān)系,如1976年,發(fā)生次數(shù)雖為3次,但持續(xù)時間卻明顯比1983年1次事件短.

暴雨“積成效應(yīng)”中心區(qū)域面積Ar變化曲線(圖4(b))也有明顯的年際和年代際變化,總體表現(xiàn)為一種波動上升趨勢.年際變化表現(xiàn)為20世紀(jì)80年代以前,中心區(qū)域面積年際波動幅度較大,且基本都在平均值以下,而80年代以后年際波動幅度減弱,且基本都在平均值以上.年代際特征變化表現(xiàn)為20世紀(jì)70年代中期和80年代中期各有一次小的波峰出現(xiàn),在20世紀(jì)90年代以后出現(xiàn)一次大的波峰值,而在近10年呈現(xiàn)一種下降趨勢.

圖4 暴雨“積成效應(yīng)”指標(biāo) (a)持續(xù)時間;(b)控制面積;(c)降水貢獻率及長江中下游區(qū)域平均夏季降水量;(d)隨時間演變特征(曲線為5點快速傅里葉平滑曲線)

圖4 (c)為每年暴雨“積成效應(yīng)”作用時段的降水總量占當(dāng)年夏季總降水的百分比,反應(yīng)暴雨“積成效應(yīng)”對夏季降水的貢獻率大小.事實上,最終降水量的多少與降水過程的空間范圍、持續(xù)時間以及降水強度等有直接聯(lián)系,因而這一指數(shù)實際上是幾個方面的綜合作用結(jié)果,從圖中也可以看到其變化特征總體與持續(xù)時間Ld和中心區(qū)域面積Ar的變化呈現(xiàn)較好的一致性.不過,從每年的對應(yīng)情況來看,也有一定的差別,如2005,2007,2009這三年,其持續(xù)時間Ld較平均值偏長,面積Ar在平均值附近變化,而降水貢獻率卻在氣候平均值以下.原因可能是這些年份暴雨“積成效應(yīng)”雖然持續(xù)時間長、控制的空間范圍廣,但其每次過程暴雨的降水強度并不大,因而最終產(chǎn)生的降水量并不多,對夏季降水的貢獻也有限.

圖4(d)為長江中下游地區(qū)平均夏季總降水年際變化,該地區(qū)夏季氣候平均降水為498.7 mm,1998年最大為664.3 mm,1978年最小為324.8 mm;兩者相差達339.5 mm,可見年際變率很大.5點快速傅里葉平滑曲線清楚顯示在20世紀(jì)80年代中后期長江中下游地區(qū)夏總降水呈現(xiàn)由少變多的年代際轉(zhuǎn)折趨勢.對比分析圖4(d)與圖4(a)—(c)發(fā)現(xiàn)四者年際和年代際變化具有一致性,降水的年代際轉(zhuǎn)折與各指數(shù)的年代際轉(zhuǎn)折期大體相同,而暴雨“積成效應(yīng)”指數(shù)的強弱與降水的多寡亦有很好的對應(yīng)關(guān)系.尤其像1998年等一些強降水年份,對應(yīng)關(guān)系十分明顯.為進一步分析它們之間的關(guān)系,對暴雨“積成效應(yīng)”各指數(shù)和總降水量兩兩之間計算相關(guān),結(jié)果見表1.

表1 暴雨“積成效應(yīng)”三項指數(shù)和區(qū)域平均降水量間的相關(guān)系數(shù)

表2 四項指數(shù)前10位年份

由表1可見持續(xù)時間Ld,中心區(qū)域面積Ar,降水貢獻率Qs,三者之間具有很好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)都在0.86以上(通過顯著水平為0.001的顯著性檢驗),事實上對于一次降水過程來講,如果它持續(xù)時間長,那么說明系統(tǒng)穩(wěn)定性較好,往往會產(chǎn)生大范圍強降水,因而上述三個指標(biāo)緊密聯(lián)系,相輔相成.而暴雨“積成效應(yīng)”各指標(biāo)與總降水量指數(shù)Rs的相關(guān)指數(shù)亦有很好的相關(guān),相關(guān)系數(shù)均在0.65以上(通過99.9%的置信度),說明暴雨“積成效應(yīng)”對整個夏季降水具較大的影響和貢獻.即對暴雨來講,其降水強度比一般降水明顯偏大,如果持續(xù)時間長、范圍廣,那么由此產(chǎn)生的降水對整個夏季降水的貢獻權(quán)重必然會高.

將暴雨“積成效應(yīng)”各指數(shù)按大小排序,選其對應(yīng)的最強10年繪入表2中,對比分析可見,在區(qū)域平均降水Rs最強的10年中,對應(yīng)前10位的高Ld年有7年,高Ar有4年,高Qs有7年.總體而言具有較好的對應(yīng)關(guān)系,其中與Ld和Qs的對應(yīng)關(guān)系要好于Ar,Ar對應(yīng)關(guān)系不好的可能是因為在實際過程中,降水范圍占整個區(qū)域的比例并不大,但在降水范圍內(nèi)降水強度和降水量卻很大,最終形成的降水總量對整個區(qū)域降水的貢獻仍然較大.此外,上述面積對應(yīng)關(guān)系亦引出另外一個問題,即以上僅從時間角度去探討降水總量的變化,沒有考慮降水的空間分布型,而Ar某種程度上是反映暴雨“積成效應(yīng)”空間分布型的一個指標(biāo).而在實際預(yù)報和監(jiān)測過程中對降水空間分布的關(guān)注更多,那么從整個夏季降水空間分布與暴雨“積成效應(yīng)”空間分布的關(guān)系角度去考慮,是否會存在更好的對應(yīng)?以下將從這一角度進行探討.

3.3 暴雨“積成效應(yīng)”與長江中下游夏季降水空間分布型

鑒于降水空間分布不均勻性且年際變率大,要探討整個夏季降水的空間分布型與暴雨“積成效應(yīng)”控制范圍間的關(guān)系,須從宏觀角度對空間分布分型進行探討.因此,采用EOF分解尋找每年降水空間分布的共性并對其分類,從分類的角度去探討兩者之間的關(guān)系.對1960—2011年52年長江中下游地區(qū)夏季降水進行EOF分解,其前6個模態(tài)的累積解釋方差占總解釋方差的60.7%,而前兩個模態(tài)的累積解釋方差占總解釋方差的35.5%.因此選前兩個模態(tài)所代表的空間型,對其取正反,得到四種空間模態(tài)分布型：全區(qū)一致偏旱(圖5(a))、以長江為界的“南澇北旱”(圖5(b))或“南旱北澇”(圖5(d))以及全區(qū)一致偏澇(圖5(c)).

由于暴雨的局地性特征很強,同一場暴雨相鄰區(qū)域或站點的降水量可能相差很大,而考慮空間分布時我們更注重暴雨過程控制的范圍,所以用暴雨發(fā)生頻次分布更能宏觀地表現(xiàn)其空間控制范圍大小.統(tǒng)計1960—2011年近52年暴雨“積成效應(yīng)”時段內(nèi)區(qū)域各站點的暴雨發(fā)生頻次行,然后對這一序列進行EOF分解,其前6個模態(tài)的累積解釋方差占總解釋方差的52.2%,而前兩個模態(tài)的累積解釋方差占總解釋方差的31.6%.與夏季總降水EOF分解前兩個模態(tài)所占比例大致相當(dāng),對它前兩個模態(tài)按照相同處理取正反,得到4種空間分布型,如圖6所示,其分布與夏季總降水的4種分布型十分類似,即全區(qū)一致偏弱(圖6(a))、以長江為界的“南強北弱”(圖6(b))或“南弱北強”(圖6(d))以及全區(qū)一致偏強(圖6(c)).

圖5 長江中下游地區(qū)夏季降水EOF空間分布型 (a)全區(qū)一致偏旱;(b)“南澇北旱”;(c)全區(qū)一致偏澇;(d)“南旱北澇”

圖6 暴雨“積成效應(yīng)”控制范圍EOF空間分布型 (a)全區(qū)一致偏弱;(b)“南強北弱”;(c)全區(qū)一致偏強;(d)“南弱北強”

進一步以上述EOF分解結(jié)果入手,利用每一年的實況降水和暴雨“積成效應(yīng)”控制期暴雨發(fā)生頻次空間分布與上述4個模態(tài)求相似,相似系數(shù)表達式為

式中i和 j表示某一時刻兩個不同空間場,Sij衡量兩個空間點的相似程度,對其取余弦得到兩個場的夾角αij,αij越小,表示兩場間的夾角越小,兩場越相似,反之則相反.由此,計算某一年實際場,與上述EOF分解所得4個模態(tài)場的αij,然后以αij大小歸類,將長江中下游地區(qū)夏季降水和暴雨“積成效應(yīng)”空間范圍分為四種類型,分別如表3與表4所示.其中A1和B1型分別對應(yīng)夏季降水一致偏旱和暴雨“積成效應(yīng)”全區(qū)偏弱,A2和B2型分別對應(yīng)夏季降水南多北少和暴雨“積成效應(yīng)”南強北弱,A3和B3分別對應(yīng)夏季降水南少北多和暴雨“積成效應(yīng)”南弱北強,A4和B4分別對應(yīng)夏季降水全區(qū)偏多或暴雨“積成效應(yīng)”全區(qū)偏強.從表3和表4可以看出長江中下游地區(qū)夏季降水A1型分布為14年,A2型12年,A3型14年,A4型12年,對應(yīng)暴雨“積成效應(yīng)”空間范圍B1型8年,B2型11年,B3型22年,B4型11年.

進一步分析兩者的對應(yīng)關(guān)系,對比表3與表4統(tǒng)計得表5.從表中可以看出B1型8年中有7年對應(yīng)A1型,B2型11年中有9年對應(yīng)A2型,B3型22年中有14年對應(yīng)A3,B4型11年中有8年對應(yīng)A4型,體現(xiàn)了對角線占優(yōu)這一特征,即長江中下游地區(qū)夏季降水空間分布與暴雨“積成效應(yīng)”空間分布具有很好的一一對應(yīng)關(guān)系.反之,從整體降水型對應(yīng)暴雨“積成效應(yīng)”空間型來看,以A1型為例,即當(dāng)整個夏季全區(qū)降水偏少時,暴雨“積成效應(yīng)”在空間上也主要表現(xiàn)為一致偏弱的B1型,其次是B2型和B4型的“南強北弱”和“南弱北強”型,一致偏強的B3型很少.此外,A3型全區(qū)降水偏多的14年全部對應(yīng)了暴雨“積成效應(yīng)”一致偏強的B3型.可見暴雨“積成效應(yīng)”空間范圍的分布,對整個夏季不同降水型的產(chǎn)生具有較大的影響.

表3 長江中下游夏季降水分類

表4 暴雨“積成效應(yīng)”空間分布分類

表5 兩種空間型的對應(yīng)關(guān)系

3.4 暴雨“積成效應(yīng)”強弱與中國東部夏季降水

以上幾節(jié)通過定量的刻畫暴雨“積成效應(yīng)”指標(biāo),探討其與長江中下游地區(qū)降水的時空分布之間的對應(yīng)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)兩者間具有十分緊密的聯(lián)系.因此,有必要定義一個指數(shù)來定量化地描述暴雨“積成效應(yīng)”強弱的變化,以此探討其變化特征以及與相關(guān)氣象因子之間的聯(lián)系.從暴雨“積成效應(yīng)”的本質(zhì)來講,它是多次強降水過程的累積或疊加效應(yīng),首先會從降水量的角度影響并決定整個夏季降水,其次則會通過大量的降水改變土壤含水量,從熱能輸送和交換等方面,對后期降水和溫度產(chǎn)生影響.因此,暴雨“積成效應(yīng)”時段內(nèi)產(chǎn)生降水量的多少能夠較好反映出其作用的強弱.據(jù)此定義暴雨“積成效應(yīng)”強度指數(shù)(BQDI)：

式中Si是第i年暴雨“積成效應(yīng)”時段內(nèi)的總降水量,Sm是氣候平均夏季降水總量,這兩者的比值越大表明暴雨“積成效應(yīng)”越強,其造成的降水與氣候平均夏季降水越接近,對第i年夏季降水的貢獻也越大.Norm(···)表示 BQDI(i=1,2,···,52)為一條標(biāo)準(zhǔn)序列.

圖7(a)為1960—2011年BQDI隨時間的演變呈現(xiàn)出明顯的年際振蕩變化,與3.2節(jié)中長江中下游地區(qū)域平均夏季降水變化曲線對比,可以看到暴雨“積成效應(yīng)”強弱年與夏季降水多寡年(相對于氣候平均)具有很好的對應(yīng)關(guān)系,指數(shù)值在1(即1倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)以上的年份基本對應(yīng)降水顯著偏多的年份,而在-1以下的年份基本對應(yīng)降水顯著偏少的年,尤其在1961,1963,1966和1978年這幾個長江中下游大范圍干旱年,和1969,1980,1982,1998年這幾個長江中下游大范圍偏澇年,指數(shù)值都分別表現(xiàn)出顯著偏弱和偏強的一致性響應(yīng)變化特征.將這一指數(shù)與圖4(e)區(qū)域平均夏季降水做相關(guān),其相關(guān)系數(shù)為0.79,明顯高于3.2節(jié)定義的三項指標(biāo)與夏季降水的相關(guān),說明暴雨“積成效應(yīng)”的這一新指標(biāo)能更好地反映夏季降水多寡的特征.圖7(a)中10年平均曲線演變顯示,20世紀(jì)90年代以前,暴雨“積成效應(yīng)”強度值大都在0以下,說明暴雨“積成效應(yīng)”在這一時段內(nèi)強度偏弱,而90年代初,指數(shù)出現(xiàn)一次跳躍式變化,從0值以下突然轉(zhuǎn)到0.5以上,隨后至今都處于0值以上,說明90年代以后至今,暴雨“積成效應(yīng)”處于偏強期,這一轉(zhuǎn)折變化與長江中下游降水的年代際轉(zhuǎn)折變化相一致[22],與中國東部地區(qū)由“南旱北澇”向“南澇北旱”的年代際轉(zhuǎn)折特征也有類似之處.另外,需要指出的是21世紀(jì)近10年,指數(shù)相較于20世紀(jì)90年代又有所減弱,這與近10年江淮雨帶的向北遷移也有一定的對應(yīng).

圖7 1960—2011年BQDI變化(a)及其與中國東部地區(qū)夏季降水的相關(guān)系數(shù)分布(b)(相關(guān)系數(shù)乘以100,陰影區(qū)表示通過95%的置信度,正負(fù)相關(guān)分別用深淺陰影)

將這一指數(shù)與所選擇的中國東部394個站點夏季降水求相關(guān),可以發(fā)現(xiàn)相關(guān)分布的強正值區(qū)主要分布于27°N—34°N范圍的長江中下游區(qū),相關(guān)性大都可通過99%的置信度,另一較弱的正相關(guān)區(qū)域位于45°N以北的東北西北部,兩個顯著負(fù)相關(guān)區(qū)分別位于華南以及35°N—45°N范圍內(nèi)的部分地區(qū)(可通過95%的置信度),其中華南地區(qū)中心較弱,而河套地區(qū)以及東北東南部中心較強,相關(guān)系數(shù)的正負(fù)帶狀分布與中國東部夏季降水的雨帶分布也大致類似(圖7(b)).盡管這種同時期降水和降水的相關(guān)不具有統(tǒng)計學(xué)意義,但這種相關(guān)性的好壞從某種程度上反映出兩者變化的密切性和同步性,因而可以作為評判暴雨“積成效應(yīng)”在整個夏季降水中的重要性的依據(jù).

此外,選出BQDI最大的五年1969,1975,1982,1998和2010年,最小的五年1961,1963,1966,1978和1985年,分別合成暴雨“積成效應(yīng)”強、弱年中國東部地區(qū)實際降水距平百分率(圖8(a),(b)),以及兩者差值分布(圖8(c)),由圖可見,合成結(jié)果與上述相關(guān)分布近似一致,即強指數(shù)年,長江中下游地區(qū)降水明顯偏多,華南和華北大部分地區(qū)降水偏少,東北地區(qū)除東部部分地區(qū)外降水亦呈偏多趨勢(圖8(a));而弱指數(shù)年則大致相反,表現(xiàn)為長江中下游地區(qū)降水明顯偏少,華南部分地區(qū)、華北和東北大范圍降水偏多(圖8(b)).強年減弱年合成差值分布更為明顯,可以看到所選長江中下游區(qū)為顯著正值區(qū)(通過95%置信度),而華南及華北和東北大部位顯著負(fù)值區(qū)(通過95%置信度),反之亦然,說明長江中下游區(qū)BDSI強、弱年份,整個東部地區(qū)的降水形式呈現(xiàn)出截然相反的兩種分布形勢.

綜合而言,長江中下游地區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”所產(chǎn)生的作用,與同期整個夏季降水具有十分密切的聯(lián)系,其強弱隨時間的變化與同期夏季降水多寡隨時間的變化具有很好的一致性,而其控制范圍與長江中下游地區(qū)夏季降水空間分布亦有很好的對應(yīng)關(guān)系.另外,長江中下游區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”不僅能夠反映該地區(qū)的夏季降水多寡,還能在某種程度上反映出整個東部旱澇的分布情況.由此可見對長江中下游地區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”的把握和預(yù)估,對該區(qū)夏季降水甚至整個東部雨帶分布的的評估都有一定的實際意義.

圖8 長江中下游BQDI強年(a)和弱年(b)中國東部降水距平百分率合成及強-弱年差值合成(c)(陰影表示通過95%置信度,負(fù)值為淺色,正值為深色)

4 結(jié)論和討論

本文選長江中下游地區(qū),提出暴雨“積成效應(yīng)”這一概念,對其進行簡單的刻畫和分析,探究它對同期夏季降水的貢獻和聯(lián)系,得出以下結(jié)論.

1)從持續(xù)時間(Ld)、控制面積(Ar),以及降水貢獻率(Qs)三個角度提出暴雨“積成效應(yīng)”的判定標(biāo)準(zhǔn),并對其特征進行分析,發(fā)現(xiàn)Ld,Ar及Qs三者之間具有顯著的相關(guān)性,說明三者之間具有密切的內(nèi)在聯(lián)系;而長江中下游地區(qū)平均夏季降水亦有很好相關(guān),且表現(xiàn)出一致的年際和年代際變化.

2)利用暴雨發(fā)生頻次描述暴雨的空間范圍,并利用EOF分解,對長江中下游地區(qū)夏季降水和暴雨“積成效應(yīng)”空間分布進行分型,對比發(fā)現(xiàn)暴雨頻次分布范圍和整個夏季降水型的空間模態(tài)具有較好的一一映射關(guān)系.

3)通過定義長江中下游地區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”BQDI,并以此分析其與所選區(qū)域夏季降水及整個東部地區(qū)降水的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)該指數(shù)與整個夏季平均降水具有一致的年際和年代際變化特征;而與中國東部夏季降水相關(guān)的空間分布以及合成分析顯示,長江中下游地區(qū)暴雨“積成效應(yīng)”強弱,與中國東部夏季降水多寡具有很好的一致性,強指數(shù)年,長江中下游地區(qū)降水偏多,華南和華北偏少;而弱指數(shù)年則大致相反.

本文通過選取暴雨這一天氣尺度強降水為研究對象,建立它與季節(jié)尺度降水的關(guān)系,從多次暴雨累積和疊加的角度將其轉(zhuǎn)化為一種中長期天氣過程考慮,提出暴雨“積成效應(yīng)”,并以長江中下游地區(qū)為例,對這一概念進行了定義,并初步分析了暴雨“積成效應(yīng)”的特征以及與同期夏季降水的關(guān)系.相關(guān)結(jié)論表明多次暴雨形成的“積成效應(yīng)”所造成的降水在整個夏季降水中占有十分重要的比重,且與夏季降水年際和年代際變化的一致性以及強的相關(guān)性,顯示出兩者變化的同步性以及關(guān)系的密切性.因而暴雨“積成效應(yīng)”概念的提出以及進一步深入的研究具有其現(xiàn)實意義和潛在應(yīng)用價值：如對暴雨“積成效應(yīng)”的認(rèn)識,將可能有助于我們對諸如2011年夏季長江中下游地區(qū)由暴雨這一天氣尺度過程引發(fā)“旱澇急轉(zhuǎn)”并導(dǎo)致整個夏季降水雨帶異常變化的成因做進一步的深入探討;暴雨災(zāi)害是我國重大氣象災(zāi)害之一,每年暴雨洪澇損失所占比例僅次于干旱災(zāi)害損失,給生態(tài)、環(huán)境、社會、經(jīng)濟帶來諸多問題.而暴雨“積成效應(yīng)”造成的危害要比一般暴雨過程范圍更廣、影響更嚴(yán)重,且極端降水頻次的增加[24],將進一步加劇這種危害發(fā)生的頻率;因此對其進行深入研究,分析其潛在風(fēng)險特征,對提高氣象災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警、服務(wù)能力均很有必要;再者,目前我國汛期預(yù)測對暴雨等這類天氣過程的影響并未考慮,而實際過程中暴雨對夏季雨帶往往會產(chǎn)生一種決定性作用,因而從暴雨“積成效應(yīng)”的角度或許能夠為在汛期預(yù)測的進一步提高提供一些新的思路;此外,暴雨“積成效應(yīng)”對土壤含水量的改變,導(dǎo)致土壤表面的反照率和熱容量以及輸入大氣的感熱和潛熱等能量的變化,又會影響到后期的降水和溫度等,這一過程又具有某種“氣候效應(yīng)”,對局地氣候的變化也可能產(chǎn)生作用[25-30].對于以上問題,我們將在本文基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)有理論研究成果[31-33]進行深入的分析和探索.

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