摘要：利用50年江浙沪地区30个气象基准台站的逐日降水资料，采用线性回归分析、Mann-Kendall（M-K）趋势和突变分析、Morlet小波分析、GIS技术和EOF分解技术分析和研究了1961-2010年江浙沪地区降水时空变化特征。结果表明，江浙沪地区50年来夏季降水量呈现出一个总体上升的趋势，上升幅度8月>7月>6月；对江浙两省夏季降水量距平进行EOF分解，发现江浙地区降水量距平总体呈现出一致的增加趋势，江苏省降水距平场呈“西北-东南”向分布，浙江省的降水距平场呈“东北-西南”向分布；江浙沪地区降水量和各月降水量均有3年左右的振荡周期，此外还各自存在3～8年不等的振荡周期，16年以上的年代际周期不显著。
关键词：江浙沪地区；降水量；时空分布；EOF分解；Morlet小波分析
中图分类号：P426.6 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）14-3581-06
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.012
Abstract： Basing on the daily precipitation data of 30 meteorological stations from 1961 to 2010 of Jiangsu-Zhejiang-Shanghai area， the temporal and spatial distribution of summer rainfall in Jiangsu-Zhejiang-Shanghai area was analyzed by the linear regression analysis， Mann-Kendall（M-K） trends and mutation analysis， Morlet wavelet analysis， GIS technology and EOF analysis. The results showed that， in 50 years， summer precipitation in Jiangsu-Zhejiang-Shanghai area presented an overall trend. Furthermore， the growth of precipitation in August was faster than in July， the growth of precipitation in July was faster than in June. Using spatial decomposition of summer rainfall anomaly by EOF， it was shown that precipitation anomaly presented a consistent increase general trend in Jiangsu-Zhejiang area. The precipitation anomaly field in Jiangsu province presented the distribution of northwest to the southeast. The precipitation anomaly field in Zhejiang province presented the distribution of northeast to the southwest. Annual precipitation and monthly precipitation in Jiangsu-Zhejiang-Shanghai area had an oscillation period of about 3 years. Besides， these regions existed the oscillation period from 3 years to 8 years independently. However， the period more than 16 years was indistinctive.
Key words：Jiangsu-Zhejiang-Shanghai area； precipitation； temporal and spatial distribution； EOF； Morlet wavelet
在全球变暖的大背景下，气候变化对人类的影响受到了广泛的关注。降水是衡量气候变化的重要因素之一，是农作物生长和发育必不可少的客观条件，其变化对于人类的生产、生活有着重要的影响。
20世纪中叶以来，国内外学者对降水的时空变化规律有许多方面的研究，研究内容主要集中在降水的多时间尺度分析[1-3]、利用EOF分解对降水空间分布规律的研究[4-6]、基于GIS技术的降水空间分布研究[7，8]、小波变换[9-11]、趋势及突变检验[12，13]等方面。Fowler等[14]运用小波变换的方法研究在全球变暖的条件下强降水的时间周期规律；Basistha等[15]运用多尺度时间分析法分析了印度喜马拉雅地区降水时空分布规律；Becker等[16]运用Mann-Kendall趋势检验和地理空间分析方法分析了长江流域过去50年的降雨趋势；Chu等[17]运用GIS空间分析技术和小波时间周期分析技术分析了海河盆地的降水时空分布规律；姚淑霞等[18]分析了科尔沁沙地奈曼旗地区1970- 2010年降水的多时间尺度；许月卿等[19]基于小波理论分析了河北平原降水的变化规律；吴昊F等[20]利用1971- 2009年的降水资料分析了浙江省降水的时空分布规律；陆忠艳等[21]基于GIS技术分析了辽宁省气温和降水的空间分布。
江浙沪地区位于亚洲大陆东岸的中纬度地带，属于中国长江下游的长三角地区，处在亚热带和暖温带的气候过渡地带，是典型的亚热带季风气候控制区。在太阳辐射、大气环流以及长三角地区特定的地理位置、地貌特征共同影响下，江浙沪地区基本的气候特点是四季分明、气候温和、季风显著、冬冷夏热、雨量充沛、降水集中、梅雨季显著。30个站点的气象统计分析资料表明，江浙沪地区降水多集中在夏秋季，以夏季最为集中。江浙沪地区50年来夏季年平均降水量为495.15 mm，占全年总降水量的40%以上，暴雨、台风等强对流天气以及洪涝等地质灾害在夏季也比较频繁地发生。目前，降水时空分布规律的研究主要集中于单一省份和大城市，而对于大范围地区如长三角、珠三角等地区研究较少。由于降水与农作物产量密切相关，通过对降水分布和变化的研究，可进一步了解农作物的产量变化特征，以及江浙沪地区整体气候变化的趋势，其结果可为江浙沪地区的农业发展、城市发展和规划提供参考。 1 数据和研究方法
1.1 数据来源
本研究以江浙沪地区30个站点1961- 2010年逐日降水资料为基础，资料的时间序列长度为50年，通过进一步站点的筛选，选取资料完整、地形地貌特征具有较好代表性的27个台站为代表站，并以其为基础展开研究。图1为江浙沪地区台站分布图，其中江苏省台站12个，浙江省台站14个，上海市台站1个。
1.2 研究方法
应用线性倾向估计法进行估计计算、M-K（Mann-Kendall）突变及趋势检验，详见文献[22]和文献[23]。估计计算江浙沪地区夏季降水量的年际变化规律及其显著性。Morlet小波[22，23]用于寻找江浙沪地区降水的周期性变化规律。
GIS技术和EOF空间分析[23]，是近年来研究气象要素时空分布规律常用的方法，GIS技术依托ArcGIS软件对各要素值进行插值，从而直观地得到要素值在指定区域的分布情况。EOF（Empirical Orthogonal Function）分解是20世纪80年代后期发展起来的空间分析方法，通过把气象要素分解为时间和空间场量，从而分析各模态的要素值，能够使空间要素的特征更直观地得以呈现。近几年EOF技术迅猛发展，在大气科学学科被广泛应用于强迫气候信号的检测和估计、气候数值模拟模型的构建、气候时间信号的检测和估计等方面。
2 结果与分析
2.1 夏季降水量的多时间尺度趋势分析
2.1.1 夏季降水量年变化趋势分析 由图2a可见，50年来，江浙沪地区夏季降水量总体呈现上升趋势，一元线性拟合的结果为y=2.68 x+430.797，从中可知50年来降水的年倾向率为2.680 mm。由图2b可见，UFk线大部分大于0，说明江浙沪地区1961年以来降水量呈整体上升趋势。而在1987年以后UFk超出了0.05的置信度基准线，说明上升的趋势进一步显著。UFk与UBk在1980- 1985年之间有突变交点，之后江浙沪地区降水量急剧上升，分析其成因主要是因为1980年来，随着人类活动的日益频繁，中国经济的迅猛发展，特别是长三角地区工业、农业等领域的突飞猛进，导致气候变暖趋势加剧，从而导致降水量的增加。
由图3可见，50年来，江浙沪夏季降水呈现出比较明显的年代际变化特征。1961-1974年，除1962、1965年降水量高于50年平均降水量外，其余年份降水量均低于50年平均降水量，为少雨期；1975-1988年，多雨期和少雨期交替出现，交替周期为1～3年；1989-2002年，降水量表现为一致的大于平均水平，在这个时间周期中，江浙沪地区进入丰雨期；2003-2010年，多雨期和少雨期再次交替出现，但是周期相对稳定且较短，以2年左右的循环周期为主。
7年滑动平均在这里起到低通滤波的作用，可以比较有效地滤掉降水的年际振荡，从而更为直观容易地观察到降水的年代际变化规律，图3中曲线的变化趋势表明，20世纪60年代至80年代中期降水量整体偏少，1970、1976、1979年分别达到少雨量的3个峰值，其中以1970年的降水量减少最为显著；20世纪60年代至70年代的降水明显少于20世纪70年代至80年代的降水，但是总体都是偏少趋势。20世纪90年代至21世纪初，降水量表现为显著上升趋势，1998年前后到达峰值。2002年后，降水量表现为减少的趋势，2004年前后达到一个减小的峰值。
以降水距平百分率≥25.00%为涝，降水距平百分率≤-25.00%为干旱[24]来研究江浙沪地区整体的旱涝时间分布。干旱的年份为1961、1964、1966、1967、1971、1978、2004年，其中干旱严重的是1967和1978年，降水的距平百分率分别为-49.00%和 -41.11%。洪涝的年份相对较少，只有1993、1997、2001年3个年份达到洪涝指标，降水距平百分率分别为29.11%、25.14%、29.38%。
2.1.2 夏季降水量月变化趋势分析 由图4a可见，50年来，江浙沪地区6月降水量总体呈现上升趋势，一元线性拟合的结果为y=0.54 x+171.93，从中可知50年来降水的年倾向率为0.540 mm。由图4b可见，UFk线大部分大于0，说明江浙沪地区1961年以来6月降水量呈整体上升趋势。而在1989年以后UFk超出了0.05置信度区间，说明上升的趋势显著。UFk与UBk在1981年有突变交点，在这突变点之后的年份江浙沪地区6月降水量急剧上升。从图4c、图4e可以看出7、8月江浙沪50年降水均呈上升趋势，一元线性拟合的结果分别为y=0.79 x+141.54和y=1.44 x+115.99，降水的年倾向率分别为0.790和1.440 mm。M-K检验结果由图4d、图4f给出，江浙沪7月和8月的降水均呈现出整体上升趋势。7月降水在1983年前后有一个突变点，之后7月降水量急剧上升，并在1986年前后超越了0.05的置信区间，呈显著上升趋势。相比之下，江浙沪地区8月降水量的突变点出现在1985年前后，而直到2000年前后，降水的变化才超过了0.05置信区间，呈显著上升趋势。
由图4a、图4c、图4e对比江浙沪地区6月、7月、8月降水的年际变化趋势，降水的倾向率分布呈8月>7月>6月，这表明8月对于夏季降水量整体的增加贡献最大，同时也表明8月降水总量在整个夏季降水中的比重将有所增加。对照天气形势分析其原因，可能是由于副热带高压南北移动周期增长，8月份副热带高压向南移，江浙沪地区再次进入雨期，由于天气形势稳定，导致雨期增长，从而导致降水量的增加。
由表1可见，夏季降水量均呈增加趋势，以降水增减量、降水增减幅度来研究6、7、8月降水的增加大小和幅度，其中降水增减量=降水线性倾向率×年份，降水增减幅度=降水增减量/年平均降水量×100%。从分析结果看出，8月降水增加最为显著，为72.0 mm；6月降水量增加最为缓慢，为27.0 mm。8月的降水增加幅度达到48.1%，超过了另外两个月的总和。从季节来看，夏季（6、7、8月）整体表现为增加的趋势，降水增量为134.0 mm，降水增幅为27.1%。 2.2 夏季降水量的空间分布
EOF分解后的特征量虽然不能够代表降水量的大小，但是可以反映出降水的变化特征和空间分布情况，在将降水量矩阵化的过程中，由于距平场有较高的稳定性，所以将降水数据做距平处理。由于选取江浙地区26个站点作为研究对象，所以EOF分解的结果将以26个模态的形式出现，26个模态对结果的贡献率也不尽相同，从中选取贡献率高的一个或几个模态来研究江浙沪地区降水的空间分布规律是可行的。
由表2可见，EOF分解的26个模态中，前4个模态对样本的贡献率分别为30.58%、25.22%、10.94%、5.81%，累计贡献率为72.55%，其余22个特征向量的贡献率仅占到27.45%。又由于第一、第二向量已经占到总方差的55.80%，既能够较好地表征江浙沪地区降水量场的变化特征，又具有较强的物理表征意义，因此，对第一和第二向量进行分析对该区域降水量具有良好的代表性。
图6为江浙沪夏季降水量的第一特征向量（a）和第二特征向量（b）的空间分布图。第一特征向量表征一个大尺度特征场，是降水分布的一个平均场。从图6a中可以看出，夏季降水量距平除了在江苏西南部和浙江东南部个别地区有微弱的减少趋势外，在江浙大部分地区均呈现出一致的增加趋势，反映出江浙地区降水量年变化要么呈现一致的上升，要么呈现一致的下降趋势，这与先前的时间分析结果基本一致。其最高值中心出现在江苏西北部、江苏东南部、浙江东北部地区，反映出上述地区降水变化量大。
第二特征向量场（图6b）的空间分布表明江浙地区夏季降水的另外一个空间分布特征。江苏地区降水距平量呈现出西北地区增加、东南地区减少的分布特征，等值线呈现出“东北-西南”向分布，其中，西北地区等值线最大值为0.4，东南地区等值线最小值为-0.3。以徐州为中心的苏北地区为高值区，以南京为中心的苏中地区为另一个高值中心区，降水量的增加最为显著；而常州、南通一带为低值中心区，降水量距平呈减少的趋势。浙江地区降水距平量呈现出西南、东部微弱减少，中部微弱增加的自西向东“- + -”的格局，以丽水为中心的地区是强低值区，以金华为中心的浙江中部地区为等值线的一个微弱高值区，该区域占到浙江省总面积的1/2以上，浙江省东部极小的区域等值线的分布为负。
2.3 夏季降水量变化多尺度小波分析
图7为江浙沪地区50年降水量的年变化和月（6、7、8月）变化的Morlet小波功率谱、时间功率谱、2～8年尺度平均时间序列图，分别以图a、图b、图c表示，图a中虚线部分包围区域表示通过0.05显著水平的白噪声检验区域，对比年变化和夏季各月变化可以看出，均存在一个2～8年左右的年际振荡周期。
由图Ⅰa和图Ⅰb可以看出，江浙沪地区年降水量存在准2、3年的振荡周期，周期强度随着时间发生变化（图Ⅰa、图Ⅰc），准2年周期出现在1960年代初和1970～1990年之间，1965～1970年之间为准3年的周期。与此同时，小波功率谱还分析出一个周期为16年左右的周期，但是没有通过显著性检验。
由图Ⅱa和图Ⅱb可以看出，江浙沪地区6月降水量存在3～10年左右的周期，且随时间发生一定变化（图Ⅱa、图Ⅱc）。1970年以前，6月降水量无明显的周期变化；1971～ 1983年之间为准4年的周期；1984～ 1993年是一个准2年的周期；1994-2010年分别有2个周期，分别是一个准3年的周期和一个准7年的周期，同时小波功率谱还检测到一个16～32年左右的周期。
由图Ⅲa和图Ⅲb可以看出，江浙沪地区7月降水量存在3～8年左右的周期，且随时间发生一定变化（图Ⅲa、图Ⅲc）。1960～1972年，江浙沪7月降水量呈现出一个准4年周期；1973～2000年，7月降水量呈现出2个周期的分布，分别为一个准3年的周期和一个准6年的周期，但是通过Ⅲ（b）时间功率谱可知，6年的时间周期信号更为强烈。
由图Ⅳa和图Ⅳb可以看出，江浙沪地区7月降水量存在一个稳定的3年左右的周期，且随时间的变化长期稳定存在（图Ⅳa、图Ⅳc）。
3 小结与讨论
1）江浙沪地区50年来，夏季降水量呈现出一个总体上升的趋势，上升的幅度约为每10年增加26.8 mm。逐月分析发现，夏季降水量呈现一致的增加趋势，其中8月增幅最大，6月增幅最小。由降水距平百分率可以衡量江浙沪地区的旱涝程度，发现江浙沪地区干旱的年份多于洪涝的年份，且干旱的程度较洪涝程度而言显得更严重。
2）对江浙两省夏季降水量距平进行EOF分解，除浙江省和江苏省部分地区有微弱的负值外，江浙地区降水量距平总体呈现出一致的增加趋势。江苏省的降水距平场呈“西北-东南”向分布，浙江省的降水距平场呈“东北-西南”向分布。
3）对江浙沪地区年降水量和夏季各月降水量进行Morlet小波分析，结果表明年降水和各月降水量变化存在着不同时间周期的振荡。其中年降水量和各月降水量均有3年左右的振荡周期，此外还各自存在3～8年不等的振荡周期，以8月降水量变化的周期最为单一稳定。部分月份检测出16、32年及以上的年代际周期振荡。
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