1. 引言
江西省地处中国东南部,位于长江中下游南岸,省界轮廓略呈长方形,地形具有南高北低、东南西三面环山、由周边向内倾斜。江西省属中亚热带湿润季风气候区,气候特点是:春暖、夏热、秋燥、冬冷,冬夏季长而春秋季短,四季温差大,光照充足,气候温和,雨量充沛,四季分明。春夏之交,冷暖气流交绥,梅雨连绵,易受洪涝灾害;夏季多为副热带高压控制,盛行偏南风;夏秋之际,主要受台风影响,常伴有局部暴雨洪水灾害;冬季常受西伯利亚(或蒙古)高压影响,盛行偏北风。江西省河流众多,绝大部分汇入鄱阳湖,入湖水系以赣江、抚河、修水、信江和饶河五大河流为主体,经鄱阳湖调蓄后由湖口汇入长江,形成完整的鄱阳湖水系。4~6月为江西的主汛期,主汛期内暴雨洪水灾害频发,威胁人民的生命和财产安全,分析江西主汛期降水的特征有助于江西的防汛抗旱工作,也是从了解洪水到管理洪水最终到人水和谐的必要一环。
舒长根 [1] 从副热带高压、青藏高原热力两方面分析了江西6月初~7月初降水异常的原因。尹洁 [2] 通过对典型少雨年2004年6月的副高、阻高、ITCZ系统特征的分析,以及对历史少雨年和多雨年环流合成图作对比,分析江西汛期降水异常的高中低纬环流特征。张超美 [3] 等基于1951~2013年江西省87个台站逐日降水数据和 NCEP/NCAR再分析资料,利用偏相关统计方法选取影响江西省汛期降水的强迫因子,并进行归因分析,最终基于GCM模式预报结果建立江西省汛期降水的降尺度预测模型。研究江西省汛期降水特征及影响因素的文献较多,但对江西省主汛期降水及其分区特征研究较少。
基于此,本文以江西省主汛期(4~6月)降水为研究对象,采用点、面雨量数据系列,运用统计学方法,分析研究江西省主汛期降水区域特征。
2. 数据与方法
2.1. 数据
1) 江西省水文局提供的1951~2017年水情基本站汛期雨量系列;
2) 气象基本站1951~2017年汛期雨量资料系列。
2.2. 方法
1) 用REOF方法分析江西省主汛期降水分区;
2) 用线性趋势法与Mann-Kendall检验法(简称M-K方法)分析各分区主汛期降水趋势;
3) 用Morlet小波分析各分区主汛期降水周期特征。
由于篇幅所限,本文对上述方法不做介绍,详情请参考相关文献,如文献 [4] [5] [6] [7] 。
3. 江西省汛期降水的空间分布
江西省汛期(4~9月)、主汛期(4~6月)、后汛期(7~9月)降水空间分布及距平过程如图1所示,整个汛期降水量呈现“东北多西南少”分布,主汛期分布与其较为相似,而后汛期降水量则呈现“南北多中间少”的分布。整个汛期降水距平没有明显的趋势性,主汛期与其变化十分相似,二者线性相关系数达0.87,可见前汛期降水与后汛期降水有明显不同,整个汛期降水分布由主汛期主导。因此,本文选择主汛期(4~6月)为时段,对江西主汛期降水特征作进一步分析。
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Figure 1. Precipitation spatial distribution and anomaly of flood season in Jiangxi Province
图1. 江西省汛期降雨空间分布及时间距平
4. 江西省主汛期降水的客观分区
利用江西省1981~2010年4~6月降水资料作REOF分析,得到江西省主汛期降水的前2个模态的空间分布和时间序列,如图2。第1~2模态的方差贡献分别为64.0%,22.6%。
从方差贡献可以看出,第1模态为主导模态,之后的模态所占贡献快速收敛。第一模态的空间分布为“南北偶极”型,降水量级北部明显大于南部,北部降水明显偏多(少)的年份南部降水会偏少(多)。时间序列与4~6月降水距平一致,降水偏多年份,通常北部降水偏多南部降水偏少。
第2模态方差贡献率为22.6%,空间分布最北部与其余地方反相关。降水偏多(少)年份主要表现为中部地区明显偏多(少),最北部则略偏少(多)。全省降水异常程度主要由中南部降水异常程度决定。
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Figure 2. Precipitation spatial distribution and time series of modals 1 - 2 of major flood season during 1981-2010 in Jiangxi
图2. 1981~2010年4~6月降水REOF第1~2模态空间分布及其时间序列
从REOF的结果来看,第1模态所占比例大,同时较好地表现出江西省主汛期降水的南北差异,时间序列也与4~6月降水距平一致,因此,对于4~6月降水的研究,根据第一模态的“南北偶极”结果,将江西划分为南北两部分,分别开展之后的统计分析。
5. 分区主汛期降水趋势特征
5.1. 线性趋势
赣北、赣南历年主汛期降水线性变化如图3和图4,从图中可以看出:在多年的丰枯交替变化中主汛期降水存在减弱的趋势,其中,赣北主汛期的降水存在微弱减小的趋势,倾向率为−5.7 mm/10 a;赣南主汛期降水存在较明显减小的趋势,倾向率为−17 mm/10 a。
5.2. M-K分析
赣北主汛期的降水M-K分析(取0.05的显著性水平),绘制UF与UB曲线如图5所示,由图可得,赣北4~6月降雨量在20世纪50年代呈上升趋势;20世纪60年代初期以后的长时段里多呈下降趋势,整个序列上升(除1954年)或下降趋势变化不显著,突变时间发生在 1963年和2016年前后。
赣南主汛期的降水M-K分析(取0.05的显著性水平),绘制UF与UB曲线如图6所示,由图可得,赣南主汛期降水量在20世纪70年代中期以前有升有降,呈波动性特征,但变化不显著;赣南主汛期降水量在20世纪60年代中期以后呈下降趋势,且20世纪80年代末至今下降趋势显著,通过了0.05的显著性水平,最
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Figure 3. Precipitation linear trend of major flood season in northern Jiangxi
图3. 赣北主汛期的降水线性趋势
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Figure 4. Precipitation linear trend of major flood season in southern Jiangxi
图4. 赣南主汛期的降水线性趋势
近一次突变时间在 1976年左右。
6. 分区主汛期降水周期特征
6.1. 赣北主汛期的降水周期特征
赣北4~6月降水Morlet小波系数实部如图7(左)所示,赣北4~6月降水由42~64 a,22~42 a,5~22 a,5 a以下4种尺度的周期波动变化规律控制整个时间域上的丰枯变化,大尺度的周期变化明显,如22~42 a尺度上,赣北4~6月降水经历了丰–枯–丰–枯–丰–枯的循环变化规律,目前处于丰水期,等值线未闭合,表明接下来的年份将继续处于丰水状态。小尺度震动频率加快,周期未表现出整个时域的连续性,如5~22 a尺度上,20世纪90年代以前表现出周期现象,但90年代后周期性不明显。
绘制赣北4~6月降水小波方差图,从图7(右)中可以看出赣北4~6月降水存在5个较明显的峰值,依次对应着35 a,56 a,11 a,6 a,3 a的时间尺度。其中,最大峰值对应着35 a的时间尺度,表明赣北4~6月降水在35 a的时间尺度上周期震动最强,为第1主周期,中小尺度主要对应11 a,6 a,3 a的周期。
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Figure 5. Precipitation M-K analysis of major flood season in northern Jiangxi
图5. 赣北主汛期降水M-K分析
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Figure 6. Precipitation M-K analysis of major flood season in southern Jiangxi
图6. 赣南主汛期降水M-K分析
6.2. 赣南主汛期的降水周期特征
赣南历年4~6月雨量序列Morlet小波系数实部如图8(左)所示,其小波系数实部图大致可以分为50 a以上,32~50 a,23~32 a,15~23 a,6~15 a和6 a以下6类时间尺度的周期变化,在50 a以上的尺度上,赣南4~6月降水经历了枯–丰–枯–丰–枯的变化,且2017年等值线未闭合,表明未来大尺度上处于枯水状态可能性大。在23~32 a尺度上,赣南4~6月降水经历了枯–丰–枯–丰–枯–丰–枯–丰–枯9个循环过程。15年以下尺度,赣南4~6月降水周期频率变动加快,6~15年尺度周期性比较明显,6 a以下尺度在20世纪80年代中期以后分布比较零乱,不同时段强弱不同,局部差异大。
赣南4~6月降水小波方差见图8(右),从图中可看出,小波方差图存在7个较为明显的峰值,依次对应着43 a、56 a、17 a、25 a、6 a、4 a、10 a的时间尺度。其中最大峰值对应43 a的时间尺度,说明赣南4~6月降水在43 a尺度上周期震动最强,为第1主周期;中小尺度对应17 a、25 a、6 a、4 a、10 a的周期。上述7个时间尺度周期的波动控制着赣南4~6月降水在整个时间域内的变化特征。
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Figure 7. Precipitation Morlet wavelet real parts map and variance of major flood season in northern Jiangxi (In the real parts map:Bright color represents abundant state, Dark color represents low state, the same below)
图7. 赣北主汛期的降水小波实部与方差图(亮色代表丰水,暗色代表枯水,下同)
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Figure 8. Precipitation Morlet wavelet real parts map and variance of major flood season in southern Jiangxi
图8. 赣南主汛期降水小波实部与方差图
7. 结论
江西省汛期降水空间分布显示,江西省汛期和主汛期降水均呈“东南多西北少”的空间分布型,整个汛期降水分布由主汛期主导。本文分析了江西省主汛期降水的分区,进一步分析了各分区主汛期降水的趋势及周期特征,得到以下结论:
1) 应用REOF将江西省主汛期降水分为赣北和赣南两个分区。
2) 线性趋势分析表明,在多年的丰枯交替变化中江西主汛期降水存在减弱的趋势,其中,赣北主汛期降水存在微弱减小的趋势,倾向率为−5.7 mm/10 a;赣南主汛期降水存在较明显减小的趋势,倾向率为−17 mm/10 a。赣北4~6月降雨量在20世纪50年代呈上升趋势;20世纪60年代初期以后的长时段里多呈下降趋势,整个序列上升(除1954年)或下降趋势变化不显著,突变时间发生在1963年和2016年前后。
3) 赣南主汛期降水量在20世纪60年代中期以后呈下降趋势,且20世纪80年代末至今下降趋势显著,最近一次突变时间在1976年左右。
4) 周期分析表明,35 a为赣北主汛期系列第1主周期,赣北主汛期降水的中小周期分别为11 a,6 a和3 a;43 a为赣南主汛期降水系列第1主周期;中小尺度对应17 a、25 a、6 a、4 a、10 a周期。
基金项目
江西省水利厅科技项目(KT201524)。