劉 蕾, 高 輝, 張 麗, 王亞玲, 付 偉

(1.蕪湖市氣象局, 安徽 蕪湖 241000; 2.中國(guó)人民解放軍93117部隊(duì), 南京 210018)

隨著全球變暖速度的加快，近100年來(lái)全球范圍內(nèi)氣溫、降水都存在明顯的年代際改變，已經(jīng)引起很多學(xué)者的關(guān)注[1-3]。長(zhǎng)序列降水資料是近百年來(lái)氣候變化研究的基礎(chǔ)[4]，但我國(guó)大部分連續(xù)觀測(cè)資料都是解放后開(kāi)始的，因此解放前的資料主要是基于多種數(shù)據(jù)源的重建資料。例如，王紹武[5]利用史料、樹(shù)木年輪等代用資料重建了1880—1996年中國(guó)氣溫和降水序列；楊溯等[6]收集全球12個(gè)數(shù)據(jù)源降水歷史月值資料，通過(guò)多種統(tǒng)計(jì)方法整理出全球降水歷史月值數(shù)據(jù)集；李慶祥等[7]基于不同分辨率網(wǎng)格數(shù)據(jù)集，建立了110年中國(guó)降水變化序列，并指出全國(guó)年降水量變化略呈下降趨勢(shì)。

近百年來(lái)降水變化存在明顯的區(qū)域特征[8]。海英和高志強(qiáng)[9]利用CRU05資料研究中國(guó)的氣候變化，發(fā)現(xiàn)除了秦淮河以南亞熱帶地區(qū)氣候變得的冷濕，其他地區(qū)氣候向濕熱方向發(fā)展。近百年來(lái)華北以及華南的降水發(fā)生了4次年代際尺度的躍變，長(zhǎng)江中下游降水發(fā)生了5次年代際尺度的躍變[10]。在夏季，我國(guó)東部夏季降水百年來(lái)年代際變化特征顯著，空間場(chǎng)上以偶極型和三級(jí)型的分布特征為主[11-12]。針對(duì)長(zhǎng)江中下游不同地區(qū)的百年降水研究也較多，近120年來(lái)浙江省年降水量無(wú)明顯的線性變化趨勢(shì)，存在56 a和35 a兩個(gè)周期[13]，上海地區(qū)夏季降水在過(guò)去100多年里存在3個(gè)多雨濕潤(rùn)期和3個(gè)少雨偏干期[14]；近百年來(lái)武漢地區(qū)汛期降水有明顯的階段性和躍變性，旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生[15]。近百年來(lái)的降水變化與太陽(yáng)活動(dòng)、火山爆發(fā)、大尺度的海洋變率密切相關(guān)[16]。

可以看出，許多學(xué)者對(duì)近百年長(zhǎng)江中下游地區(qū)年降水、夏季降水的分布特征進(jìn)行了多角度分析，但是對(duì)近百年四季降水量的分析及不同季節(jié)的變化突變、周期的差異性研究較少。另外，很多研究是基于再分析資料，且研究范圍較廣，無(wú)法細(xì)致的描述安徽沿江地區(qū)百年降水的變化特征。中國(guó)具有長(zhǎng)達(dá)百年氣象觀測(cè)的站少之又少，特別是長(zhǎng)江中下游地區(qū)，僅有武漢、蕪湖、南京、上海徐家匯4個(gè)站自19世紀(jì)末起開(kāi)始進(jìn)行氣象觀測(cè)且資料序列較長(zhǎng)(圖1)。蕪湖作為中國(guó)12個(gè)百年氣象臺(tái)站之一，自1880年起就有了降水觀測(cè)，資料十分可貴，利用實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能更真實(shí)的展示出長(zhǎng)江中下游地區(qū)、特別是安徽沿江地區(qū)百年降水變化。

1 數(shù)據(jù)源與方法

1880年3月蕪湖海關(guān)開(kāi)始?xì)庀笥^測(cè)，資料持續(xù)到1937年11月。1937年12月10日，日軍轟炸蕪湖后，蕪湖淪陷。自此，長(zhǎng)達(dá)58 a的氣象觀測(cè)被迫中斷，直至解放后才逐漸恢復(fù)氣象觀測(cè)。故本文數(shù)據(jù)來(lái)源于三處：1880年3月—1937年11月降水資料來(lái)源于中國(guó)氣象局檔案館，該數(shù)據(jù)摘自海關(guān)氣象觀測(cè)的逐月降水統(tǒng)計(jì)表；1952—2019年蕪湖市降水資料來(lái)源于安徽省氣象信息中心；由于1938—1951年蕪湖市氣象觀測(cè)中斷，為了資料的完整性，采用CRU再分析降水資料進(jìn)行檢驗(yàn)和替代。CRU資料整合了若干個(gè)數(shù)據(jù)集，月降水量時(shí)間長(zhǎng)度為1901—2019年，分辨率較高且資料連續(xù)，在東亞地區(qū)具有較高的可靠性[17]。有研究表明，CRU資料重建的我國(guó)年總降水量與全國(guó)160個(gè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合，部分地區(qū)相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9以上，中國(guó)東部四季降水量和CRU重建資料十分一致[18]。

注：圖中三角形為蕪湖站。

對(duì)得到的140年蕪湖市降水長(zhǎng)序列采用Morlet小波分析進(jìn)行周期檢驗(yàn)；另外，采用Mann-kendall檢驗(yàn)方法和累積距平對(duì)全年和各季節(jié)降水時(shí)間序列進(jìn)行突變分析。1952—2019年蕪湖市降水資料來(lái)源于安徽省氣象信息中心，該資料已進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，對(duì)臺(tái)站遷移和自動(dòng)站代替人工站數(shù)據(jù)均進(jìn)行了對(duì)比觀測(cè)，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，故不再對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。

1880年3月—1937年11月降水資料由于年份久遠(yuǎn)，故需要多種資料進(jìn)行對(duì)比。首先參考竺可楨等[19]匯編的《中國(guó)之雨量》對(duì)該資料進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)兩套資料無(wú)論在年、月季尺度上相關(guān)系數(shù)極高，說(shuō)明這些資料是經(jīng)過(guò)早期氣象學(xué)者校對(duì)的，但部分月份降水仍有異常值存在。先對(duì)1880—1937年月降水量進(jìn)行均一性檢驗(yàn)并結(jié)合1952—2019年的臺(tái)站極值檢查，發(fā)現(xiàn)異常月份見(jiàn)表1，對(duì)這7個(gè)奇異值采用如下方法替代：首先計(jì)算出該缺測(cè)數(shù)據(jù)前后10 a當(dāng)月平均降水量，再與當(dāng)月CRU資料降水值取平均值，得到的月降水?dāng)?shù)據(jù)能較準(zhǔn)確的反映出當(dāng)月降水的真實(shí)變化。

表1 月降水奇異值及存在非均一性的原因

進(jìn)一步比對(duì)1901—1936年、1952—2019年CRU和蕪湖市測(cè)站月、年降水量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)CRU重建的蕪湖市降水量與月降水量和年降水相關(guān)系數(shù)均較高，高達(dá)0.8以上，通過(guò)了99.9%的信度檢驗(yàn)。說(shuō)明CRU可以很好地模擬出蕪湖市月降水變化特征，對(duì)年降水的模擬效果也較好。故1938—1951年的月降水資料主要參考CRU資料，但由于CRU資料存在變化振幅小、極值不顯著的特征，與實(shí)際降水量有一定偏差，因此先對(duì)其進(jìn)行訂正再代入使用。具體方法如下：首先以CRU資料作為基準(zhǔn)，計(jì)算出1938—1951年各月距平百分率，再分別以同等級(jí)的1880—1937年、1952—2019年月降水量的平均值代替。從圖2可以看出，通過(guò)該方法訂正后，1938—1951年降水標(biāo)準(zhǔn)差增加明顯，極值更為顯著，訂正后的降水更符合觀測(cè)降水的變化。

圖2 1901-1951年降水量訂正前后的13 a滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)間序列

2 結(jié)果與分析

2.1 趨勢(shì)變化

蕪湖市1880—2019年近140年的降水量特征變化見(jiàn)圖3A所示，年降水量呈現(xiàn)微弱的增加趨勢(shì)，遞增率僅為2.0 mm/10 a，但蕪湖市百年降水有明顯的年代際、年際間差異。降水最多的年份為2016年(1 984.2 mm)，降水最少的年份為1978年(564.2 mm)，相差3倍以上。從9點(diǎn)滑動(dòng)平均的時(shí)間序列可以看出，20世紀(jì)初1905—1920年降水量異常偏多，其次20世紀(jì)50年代、80年代-90年代初期、2010s年代后期蕪湖市均呈現(xiàn)降水量偏多的態(tài)勢(shì)。19世紀(jì)80年代后期-90年代、20世紀(jì)20—30年代、60—70年代降水偏少。近140年來(lái)，蕪湖市年降水量共經(jīng)歷了4次偏多—偏少間的年代際轉(zhuǎn)換，因此蕪湖市少雨期和多雨期呈現(xiàn)交替分布的格局。

圖3 蕪湖市1880-2019年降水量時(shí)間序列

蕪湖市春季降水量總體呈現(xiàn)較明顯的遞減的趨勢(shì)(圖3B)，遞減率為3.4 mm/10 a。春季降水異常偏多的年份主要在1930年之前，最多的年份春季降水量可高達(dá)690.9 mm(1885年)，該年份春季降水量甚至多于夏季。最低的年份春季降水量?jī)H僅為119.3 mm(1917年)。20世紀(jì)初—1920年、20世紀(jì)50年代、90年代春季降水量偏多，19世紀(jì)90年代、20世紀(jì)20年代、21世紀(jì)以來(lái)春季降水量偏少。從累積距平變化可以看出， 20世紀(jì)以來(lái)，春季降水量遞減速度明顯加快，遞減率達(dá)到39.4 mm/10 a。其中，1880—1940年年際間變化最為劇烈，此時(shí)春季出現(xiàn)旱澇的概率最大。

蕪湖市夏季降水量是呈明顯的增加趨勢(shì)(圖3C)，遞增率為4.8 mm/10 a，特別是近70 a來(lái)，夏季降水的遞增速度加快，遞增率高達(dá)6.7 mm/10 a。累積距平場(chǎng)上也顯示自1980年來(lái)夏季降水量一直維持正距平增加的趨勢(shì)。夏季降水量最大值出現(xiàn)在1954年(1 028.1 mm)，最小值出現(xiàn)在1900年(115.1 mm)。從9 a滑動(dòng)平均序列圖看出，20世紀(jì)初-1920年、20世紀(jì)50年代、80年代至今，蕪湖市夏季降水量偏多；19世紀(jì)90年代、20世紀(jì)20—30年代、70年代夏季降水量偏少，夏季降水量也呈現(xiàn)干、濕交替的年代際變化。

蕪湖市秋季整體無(wú)明顯的增加或減少趨勢(shì)(圖3D)，秋季最大降水量出現(xiàn)在1983年(629.5 mm)，最小降水量出現(xiàn)在1898年，季度降水量?jī)H17.8 mm，屬于嚴(yán)重的秋季干旱。秋季降水異常偏多的年份主要在1910年之前和1980年之后，1911—1979年之間秋季降水變化平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的極值。20世紀(jì)初-1920年、60—80年代，2015年至今，蕪湖市秋季降水量偏多；19世紀(jì)90年代、20世紀(jì)20—30年代、50年代、90年代秋季降水量偏少。

蕪湖市冬季降水量為微弱的增加趨勢(shì)(圖3E)，遞增率為2.2 mm/10 a。冬季最大降水量出現(xiàn)在1905年(436.6 mm)，最小降水量出現(xiàn)在1893年(32.8 mm)。蕪湖市冬季降水量變化比較平緩，年代際變化較小。20世紀(jì)初-1920年、50年代、21世紀(jì)以來(lái)冬季降水量偏多，20世紀(jì)60年代、80年代冬季降水量偏少。但這種年代際變化的變率明顯小于夏季和全年降水量。

總體來(lái)看，19世紀(jì)90年代，除了1895年左右秋季降水偏多，其他各月降水量均為負(fù)距平。1900—1920年基本呈現(xiàn)四季一致正距平，異常強(qiáng)降水主要集中在6—9月，對(duì)全年降水量增加的貢獻(xiàn)最大。20世紀(jì)20—30年代則呈現(xiàn)完全相反的趨勢(shì)，除了個(gè)別年份外，3—10月維持持續(xù)的負(fù)距平，故全年降水量也呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢(shì)。40年代降水變化平緩；50年代5—7月降水異常偏多，9—11月降水偏少。60年代則與50年代呈現(xiàn)相反的季節(jié)分布。70年代9—11月降水偏多，其他月份維持降水負(fù)距平。80年代-90年代初期，夏季降水一直維持正距平，這也與之前的分析一致。2000年左右夏季降水明顯偏少，但進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，6—9月的降水量持續(xù)增多。蕪湖市夏季降水量的變化趨勢(shì)與全年降水量變化最為一致，兩者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.79，說(shuō)明夏季降水量的年代際變化對(duì)全年降水量起決定性作用。

2.2 周期變化

圖4A中清晰的顯示了年降水量小波變換系數(shù)的實(shí)部的波動(dòng)特征，具體反映了蕪湖市年降水量偏多和偏少交替變換的特性?？梢钥闯觯徍心杲邓看嬖?0 a，10 a，5 a左右的準(zhǔn)周期振蕩。從模平方時(shí)頻分布結(jié)果可得：40 a時(shí)間尺度的周期振蕩最為顯著，在這個(gè)尺度上共出現(xiàn)了干、濕交替4次，這一點(diǎn)與年降水量序列變化結(jié)論一致。1990年之前，年降水量一直存在準(zhǔn)10 a的周期，但這種周期在近20 a變得不再顯著。5 a左右的周期變化時(shí)間較短，且不連續(xù)，波動(dòng)能量集中在1900—1920年，2000—2019年?？傮w來(lái)看，準(zhǔn)40 a的周期振蕩貫穿整個(gè)140年，是影響未來(lái)蕪湖地區(qū)降水量的主要時(shí)間尺度。

圖4B顯示，在整個(gè)時(shí)間域上蕪湖市春季降水量具有80 a尺度的年代際變化周期。另外，蕪湖市春季降水也存在在30～40 a的周期變化；1940—1980年存在準(zhǔn)20 a周期變化；1880—1940年、1880—2019年為準(zhǔn)10 a周期變化。但整體信號(hào)強(qiáng)度明顯比年降水量弱，這說(shuō)明春季降水量的周期振蕩并不十分顯著。其中，10 a時(shí)間尺度的周期表現(xiàn)最強(qiáng)，其他長(zhǎng)周期波動(dòng)能量較弱。

從圖4C可以看出，夏季降水量的周期變化特征與年降水量十分相似，但周期振蕩時(shí)段與年降水量有所不同。夏季降水量小波實(shí)部等值線在40 a左右的振蕩最為明顯。除此之外，蕪湖市夏降水量一直存在準(zhǔn)10 a的周期，但在1880—1940年、1950—1980年波動(dòng)最為顯著。1890—1920年、1970—2019年，蕪湖市夏季降水量還存在準(zhǔn)5 a的周期變化。但夏季降水量的準(zhǔn)10 a 、5 a周期的振蕩中心與年降水量的振蕩中心不同。

由圖4D可見(jiàn)，秋季降水量整個(gè)周期上存在60 a的年代際變化周期，1960年之前存在30 a的周期，這兩個(gè)周期主要集中在2000年之前，另外在整個(gè)時(shí)間域上具有10 a尺度的變化周期，并且周期振蕩十分顯著。

冬季降水量在整個(gè)時(shí)間域上存在80 a的年代際變化周期(圖4E)，除此之外，20世紀(jì)60年代之前存在20～25 a的變化周期，但這種變化周期在1960—2000年之間縮短至15 a左右，2000年之后，又變成了20 a左右的周期變化。另外，20世紀(jì)40年代之前蕪湖市秋季降水還存在10 a的周期變化。綜上所述，蕪湖市年、四季的降水量均存在多個(gè)周期，且有一致的準(zhǔn)10 a周期，但在長(zhǎng)周期上分布有所不同。

圖4 1880-2019年蕪湖市降水量的Morlet小波變換實(shí)部

2.3 突變特征

蕪湖市百年降水量序列較長(zhǎng)，除了存在周期性變化，還存在變化顯著的年份，需要進(jìn)行突變檢驗(yàn)。不同的突變檢驗(yàn)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用Mann-Kendall檢驗(yàn)并結(jié)合圖3的累積距平對(duì)蕪湖市百年年降水量、四季降水量的突變特征進(jìn)行分析。若某時(shí)段內(nèi)UF和UB曲線交點(diǎn)太多，則沒(méi)有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。去除掉交點(diǎn)太多的時(shí)段后，蕪湖市年降水量的UF和UB主要相交于1901年、1924年、1954年、2014年(圖5A)，這些年份也是累積距平場(chǎng)上的轉(zhuǎn)折年份，說(shuō)明這些年份降水量變化幅度較大。圖5B顯示春季降水量UF和UB在1901年、1925年、2002年、2014年相交，考慮到累積距平(圖3B)的變化，確定1901年、1925年、2002年為春季降水量的突變年。夏季降水量的UF和UB曲線交于1885年、1905年、1921年、2006年(圖5C)，由于累積距平中2006年不是轉(zhuǎn)折年份(圖3C)，確定1885年，1905年，1921年為夏季降水量突變年，結(jié)合夏季降水的周期變化和年代際變化特征，這3個(gè)年份降水都有明顯的轉(zhuǎn)折，具有氣候?qū)W意義。秋季降水量UF和UB主要相交于1901年、1922年、1977年、1984年、2011年(圖5D)，在累積距平曲線上(圖3D)除了1977年，其他年份都是轉(zhuǎn)折年，因此1901年、1922年、1984年、2011年秋季降水量增多或減少顯著。MK檢驗(yàn)(圖5E)和累積距平(圖3E)均顯示冬季降水量的突變年為1997年，這表明1997年之后，冬季降水量呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。

圖5 1880-2019年蕪湖市降水量的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

3 結(jié) 論

(1) 近140年來(lái)蕪湖市年降水量?jī)H呈略微上升趨勢(shì)，但各季節(jié)變化趨勢(shì)明顯不同，其中夏季降水量增加趨勢(shì)最為明顯，冬季次之；秋季沒(méi)有明顯的增加趨勢(shì)；春季降水量則呈現(xiàn)較明顯的遞減趨勢(shì)，21世紀(jì)以來(lái)這種遞減趨勢(shì)更為顯著。

(2) 不同季節(jié)降水的周期也有所不同。蕪湖市年降水量和夏季降水量周期時(shí)間尺度基本一致，整個(gè)時(shí)間域內(nèi)受40 a，10 a和5 a等3個(gè)時(shí)間尺度波動(dòng)變化所影響，但10 a和5 a時(shí)間尺度的周期振蕩時(shí)段不同。春季降水量存在80 a，40 a，20 a和10 a共4個(gè)時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律；秋季降水量存在60 a，30 a和10 a的準(zhǔn)周期變化；冬季降水量在存在80 a，15～20 a和10 a等3個(gè)周期，其中15～20 a左右周期較明顯，是主導(dǎo)周期。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，年降水量及四季降水量多雨期和少雨期交替分布與其周期變化十分吻合，不同季節(jié)的周期變化影響著各季節(jié)降水量的干濕交替變化。

(3) 各季節(jié)的突變年是多雨期、少雨期的轉(zhuǎn)換年，與降水量的周期變化對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。除了冬季外，1900年、1920年左右都是年、各季降水量一致的突變年，故1900年左右全年和各季降水量呈明顯增多的趨勢(shì)，1920年則呈現(xiàn)顯著的遞減趨勢(shì)。除此之外，春季在2002年開(kāi)始呈現(xiàn)明顯的減弱趨勢(shì)；秋季在1984年、2011年也存在突變，特別是2011年以來(lái)，秋季降水量偏多的趨勢(shì)更加明顯；冬季降水量在1997年之后處于偏高期。

綜上，19世紀(jì)90年代-1920年蕪湖市各季節(jié)降水變化趨勢(shì)基本一致，這種一致性在百年蕪湖市降水變化中非常罕見(jiàn)。1940年之后，各季節(jié)的年代際分布差異性逐漸增大，突變分析也顯示了近20 a來(lái)各季降水量變化趨勢(shì)差異性更為顯著。近140年來(lái)這種各季氣候趨勢(shì)的差異性逐漸增大是否與全球變暖有關(guān)？是否是整個(gè)長(zhǎng)江中下游的共同特征？這些問(wèn)題還需要進(jìn)一步深入研究。