王春學, 馬振峰, 毛家勛

(1.四川省氣候中心, 四川 成都 610072; 2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室,四川 成都 610072; 3.四川省攀枝花市氣象局, 四川 攀枝花 617000)

華西秋雨是中國西部地區(qū)秋季多雨的一種特殊天氣現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在渭水流域、漢水流域、川東、川南東等地[1]。高由禧等[2]指出最標準的秋雨出現(xiàn)在四川盆地東部，青藏高原東部的松潘、康定和西昌等地，以及貴陽附近。梁健洪[3]指出，陜南和川北是典型秋雨區(qū)，以此為中心向四周擴展為準典型秋雨區(qū)和一般秋雨區(qū)。而羅霄等[4]的研究表明華西秋雨有2個大值中心，北部中心位于陜南到川東北地區(qū)，南部中心位于四川南部至云南中西部，并且2個大值中心變化并不一致。張順謙等[5]的研究也發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)秋雨REOF展開第一模態(tài)大值中心在四川盆地東部，而第4模態(tài)的大值中心則出現(xiàn)在攀西(攀枝花市和涼山州)地區(qū)附近。攀西地區(qū)9—10月仍處在雨季[6]，攀西東北部秋綿雨頻率達90%以上，中部和南部一般在70%～80%左右[7]。近50 a攀西地區(qū)暴雨日數(shù)增多、強度增強[8]，王佳津等[9]的研究也表明攀西地區(qū)5—10月持續(xù)性暴雨發(fā)生頻次達1～3次，其中10月攀西地區(qū)是持續(xù)性暴雨發(fā)生相對集中期。1961—2009年攀西秋雨有逐漸增加的趨勢[5]，而2010年以來的8 a中攀西秋雨有6 a偏多，其中2016年9月18—19日攀西出現(xiàn)秋雨天氣過程，并引發(fā)山洪泥石流等災害，造成4萬多人受災，經(jīng)濟損失近7 000萬元[10]。從前人研究成果可以注意到，攀西秋雨是華西秋雨的一部分，并且有其獨特的變化特征，但是由于相對陜南到川北的典型華西秋雨偏弱，所以相關研究較少。本文將從攀西秋雨的空間分布、趨勢、突變等方面分析攀西秋雨的變化事實，并利用MTM-SVD方法重點研究其年際周期變化規(guī)律。對攀西秋雨時空變化特征的研究一方面可以豐富華西秋雨的內容，增強華西秋雨認識；另一方面掌握攀西秋雨變化規(guī)律有助于提高攀西秋雨預測水平和增強氣象防災減災能力。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

采用的資料為攀西地區(qū)18個氣象臺站1961—2017年9—10月的逐日降水量資料。

1.2 分析方法

(1) 采用羅霄等定義的秋雨指數(shù)，即9—10月降水量占全年降水量百分比與9—10月降水日數(shù)占全年降水日數(shù)百分比之和。

IAR= (9+10)月降水量/全年降水量+(9+10)

月降水日數(shù)/全年降水日數(shù)

(2) MTM-SVD方法是由Mann和Park[11]提出的一種多變量頻域分解技術。這是一種將譜分析的多錐度方法(multi-taper method， MTM)和變量場的奇異值分解(singular value decomposition， SVD)方法結合在一起的氣候信號檢測技術，詳細內容參閱相關文獻[12-13]。近年來MTM-SVD被廣泛使用在氣象科研領域中[14-17]。

2 結果與分析

2.1 主模態(tài)分析

對1961—2017年攀西地區(qū)逐年秋雨指數(shù)進行EOF分析，前3個模態(tài)通過了顯著性檢驗，累積方差貢獻率達70.6%，其中第一模態(tài)方差貢獻率達46.1%，為攀西秋雨年際變化主模態(tài)(表1)。圖1給出了第一模態(tài)空間分布及其對應的時間系數(shù)，可以看到第一模態(tài)為全區(qū)一致變化分布型，大值中心出現(xiàn)在西昌、德昌、昭覺和普格附近，對比時間系數(shù)可知，全區(qū)一致型存在顯著的年際、年代際波動，但沒有明顯的變化趨勢，其中1960—1990年以偏強為主，1991—2017年以偏弱為主，但是有逐漸增強的趨勢。

表1 1961-2017年攀西秋雨EOF分析前3個模態(tài)的方差貢獻率%

圖1 1961-2017年攀西秋雨EOF分析第一模態(tài)及其對應的時間系數(shù)

2.2 突變檢驗

上文分析表明攀西秋雨主模態(tài)在1990年代初存在年代際差異，為了檢驗該差異是否顯著，這里使用滑動t檢驗對第一模態(tài)時間系數(shù)進行突變分析，為了濾除年際變化信號，滑動時間窗口選為20 a。從圖2可以看出，1995年的t統(tǒng)計量超過0.05的顯著性水平(為正值)，說明攀西秋雨在1995年前后出現(xiàn)過一次顯著的突變，即由全區(qū)一致偏多轉變?yōu)槿珔^(qū)一致偏少。

注：虛線為α=0.05顯著性。

2.3 周期特征分析

2.3.1 1961—2017年周期特征 用MTM-SVD方法分析1961—2017年攀西秋雨的周期特征，圖3給出了LFV譜分析結果，橫坐標為頻率(倒數(shù)為周期)，可以看到在年際尺度上，3.2 a周期通過了99%置信度檢驗；年代際尺度上有11 a左右的峰值，但是沒有達到一定的置信度水平。為了研究攀西秋雨周期特征隨時間的變化，進行了20 a滑動窗口的LFV譜分析，由于進行了20 a滑動，兩端各缺少了10 a的信息。20 a滑動LFV譜分析(圖略)表明，攀西秋雨的準3 a周期在1975—1995年之間非常明顯，1995年之后準3 a周期突然消失，準2 a周期有所顯現(xiàn)，說明攀西秋雨的周期特征具有年代際變化，這可能與攀西秋雨主模態(tài)1995年前后的氣候突變有關。張順謙等[5]發(fā)現(xiàn)1961—2009年攀西地區(qū)的秋雨存在2～3 a周期，羅霄等[4]的研究也表明1990年代初到21世紀初華西秋雨存在準2 a周期，同時5～8 a周期也非常顯著，而王春學等[18]和蔣竹將等[19]則發(fā)現(xiàn)華西秋雨北部地區(qū)4～8周期最為明顯，說明華西秋雨南部和北部地區(qū)年際波動存在差異，而南部地區(qū)2～3 a周期最為明顯，并且存在年代際變化，所以有必要對攀西秋雨的周期特征進行分階段研究，這里以1995年為界分為1961—1994和1995—2017年2個階段。

注：虛線表示蒙特卡洛置信度水平。下同。

2.3.2 分段周期特征 圖4給出了1961—1994年攀西秋雨LFV譜分析結果，可以看到年際尺度上3.4 a周期通過了99%的置信度檢驗，3.0 a周期通過了95%的置信度檢驗；年代際尺度上8.6 a周期也通過了95%的置信度檢驗。對比上文可知，1961—1994年攀西秋雨的準3 a周期仍然存在，并形成準3 a周期帶，出現(xiàn)兩個峰值，而且都達到了較高的顯著性水平，這與滑動窗口分析結果一致，說明1995年之前攀西秋雨準3 a周期最為顯著。

圖4 1961-1994年攀西秋雨LFV譜分析

用MTM-SVD方法對攀西秋雨在準3 a周期上進行典型循環(huán)重建，圖5給出了典型循環(huán)的時空變化過程。第1 a時，整個攀西地區(qū)為正異常，并形成以西昌、木里、德昌為中心的異常大值區(qū)，即第1 a，攀西秋雨表現(xiàn)為全區(qū)一致偏強；第2 a時，正異常強度減弱，范圍縮小，僅在木里、會東地區(qū)附近出現(xiàn)正異常，其余大部以負異常為主，在德昌附近出現(xiàn)負異常大值中心，即第2 a，攀西秋雨總體偏弱；第3 a時，攀西大部地區(qū)為負異常，在西昌附近出現(xiàn)負異常大值中心，即第3 a攀西秋雨整體偏弱；第4 a時，又恢復到第1 a的情況，攀西秋雨偏強(圖略)，開始下一個準3 a周期循環(huán)。分析表明攀西秋雨的準3 a周期循環(huán)，主要表現(xiàn)了攀西秋雨“偏強—偏弱—偏弱”的年際變化過程。

接下來選取了攀西秋雨異常大值中心代表站(西昌站)在準3 a周期上進行時間重建，進一步分析準3 a周期的時間變化特征。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，西昌站準3 a周期在1961—1994年一直存在，并且基本都表現(xiàn)出“偏強—偏弱—偏弱”的演變過程，其中1970年代中期到1980年代中期最為明顯。

圖5 1961-1994年攀西秋雨準3 a周期典型循環(huán)重建

圖6 1961-1994攀西秋雨代表站(西昌站)在準3 a周期上的時間重建(距平值)

高原季風與海陸季風的不同步轉變是華西秋雨的形成的主要原因[2]，高原夏季風偏強(弱)時，高原東側低壓系統(tǒng)活躍(不活躍)，同時有利于(不利于)副熱帶西風南撤，華西秋雨強(弱)[20-21]。研究表明1961—1995年高原夏季風主周期為3～4 a，季風強度增強趨勢明顯[22]，所以攀西秋雨1961—1994年的顯著準3 a周期很可能是高原夏季風年際周期波動的結果。

圖7給出了1995—2017年攀西秋雨LFV譜分析結果，可以看到年際尺度上2 a周期通過了99%的置信度檢驗；年代際尺度上無顯著周期。對比可知，1995—2017年攀西秋雨的準3 a周期已經(jīng)消失，而被準2 a周期取而代之，這與滑動窗口分析結果一致，即1995年前后的攀西秋雨主模態(tài)的突變很可能是造成攀西秋雨周期特征轉變的原因。

圖7 1995-2017年攀西秋雨LFV譜分析

圖8給出了攀西秋雨準2 a周期的典型循環(huán)過程，第1 a時，整個攀西地區(qū)為正異常，并形成以西昌、鹽源、德昌為中心的異常大值區(qū)，即第1 a，攀西秋雨表現(xiàn)為全區(qū)一致偏強；第2 a時，攀西秋雨異常情況與第1 a完全相反，即第2 a，攀西秋雨偏弱；第3 a時，又恢復到第1 a的情況，攀西秋雨偏強(圖略)，開始下一個準2 a周期循環(huán)。分析表明攀西秋雨的準2 a周期循環(huán)，主要表現(xiàn)了攀西秋雨強弱交替的年際異常變化過程。

圖8 1995—2017年攀西秋雨準2 a周期典型循環(huán)重建

同樣選取了異常大值中心代表站(西昌站)在準2 a周期上進行時間重建，進一步分析準2 a周期的時間變化特征。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，西昌準2 a周期在1995—2017年一直存在，基本都表現(xiàn)出強弱異常交替演變的循環(huán)過程，其中1995—2001年最為明顯，2006—2010年次之。東亞季風和南亞季風都具有顯著的準2 a周期，其中西南季風的強弱直接影響華西秋雨的多寡，1960年代開始亞洲季風出現(xiàn)逐漸減弱的變化趨勢[23-25]，但研究表明從2000年開始亞洲東南季風和西南季風頻率都有顯著的上升趨勢[26]，1990年代中后期攀西秋雨的準2 a振蕩可能是亞洲海陸季風系統(tǒng)的年際波動所致。

圖9 1995-2017年攀西秋雨代表站(西昌站)在準2 a周期上的時間重建(距平值)

3 結論與討論

(1) 1961—2017年攀西秋雨EOF展開的第一模態(tài)為全區(qū)一致變化型，方差貢獻率達46.1%，為攀西秋雨主模態(tài)，1960—1990年以偏強為主，1991—2017年以偏弱為主，但是有逐漸增強的趨勢?；瑒觮檢驗表明攀西秋雨全區(qū)一致型在1995年前后出現(xiàn)過一次顯著突變，由全區(qū)一致偏多轉變?yōu)槿珔^(qū)一致偏少。

(2) MTM-SVD方法分析表明，1961—2017年攀西秋雨年際尺度上的3.2 a周期通過了99%置信度檢驗，20 a滑動窗口分析顯示，攀西秋雨的準3 a周期在1975—1995年非常明顯，1995年之后準3 a周期突然消失，準2 a周期有所顯現(xiàn)，這可能與攀西秋雨主模態(tài)1995年前后的氣候突變有關。

(3) 1961—1994年攀西秋雨3.4 a周期通過了99%的置信度檢驗，3.0 a周期通過了95%的置信度檢驗，這與滑動窗口分析結果一致，說明1995年之前攀西秋雨準3 a周期最為顯著。攀西秋雨準3 a周期典型循環(huán)重建表明，第1 a整個攀西地區(qū)為正異常，并形成以西昌、木里、德昌為中心的異常大值區(qū)，第2 a正異常強度減弱，范圍縮小，僅在木里、會東地區(qū)附近出現(xiàn)正異常，其余大部以負異常為主，在德昌附近出現(xiàn)負異常大值中心，第3 a攀西大部地區(qū)為負異常，在西昌附近出現(xiàn)負異常大值中心。選取異常大值中心西昌站在準3 a周期上進行時間重建，發(fā)現(xiàn)準3 a周期在1961—1994年一直存在，其中1970年代中期到1980年代中期最為明顯。

(4) 1995—2017年攀西秋雨2 a周期通過了99%的置信度檢驗，這與滑動窗口分析結果一致。攀西秋雨準2 a周期的典型循環(huán)表現(xiàn)為，第1 a整個攀西地區(qū)為正異常，并形成以西昌、鹽源、德昌為中心的異常大值區(qū)；第2 a異常情況與第1 a完全相反。同樣選取了異常大值中心西昌站在準2 a周期上進行時間重建，發(fā)現(xiàn)準2 a周期在1995—2017年一直存在，其中1995—2001年最為明顯，2006—2010年次之。

(5) 通過本文的研究發(fā)現(xiàn)，攀西秋雨有顯著的年際周期波動，并且存在年代際變化特征，1995年以前準3 a周期最明顯，之后準2 a周期占主導地位，即在攀西秋雨年際預測當中，不但要掌握其年際周期規(guī)律，還要了解其顯著年代背景，這樣將其年際和年代際波動規(guī)律相結合，有助于提高攀西秋雨的氣候預測水平。

(6) 華西秋雨的產生與地形有很大關系，這可能是北方冷空氣或寒潮活動的結果[27]，也可能與高原上空冷空氣平流到四川盆地造成的熱力不穩(wěn)定有關[28]，高原和盆地區(qū)的秋雨特征也有較大差異，高原雨量多盆地雨日多[2]，而攀西地區(qū)介于二者之間，存在典型的地形夜雨現(xiàn)象[29-30]，地形影響和季風環(huán)流系統(tǒng)同樣都很重要，值得深入研究。