（气象学专业论文）广东秋冬春季节性干旱、连旱的时空分布特征及机理研究.pdf

摘要 广东秋冬春季节性干旱、连早的时空 分布特征及机理研究 专业：气象学 硕士生：邓文剑 指导老师：黎伟标副教授、杜尧东研究员 摘要 本文利用n c e p n c a r 再分析资料、广东省8 4 个观测站实测的1 9 6 9 年一 2 0 0 4 年月平均降水资料以及台风年鉴资料等，通过z 指数确定广东省秋冬春季 节性干旱和连早等级指数，并利用线性拟合、小波分析以及e o f 分解等统计方 法，对广东省秋冬春季节性干旱和连早的时空特征进行了分析，并通过合成分析 等方法探讨广东省连旱年的环流背景的异常特征。分析表明： 1 1 9 7 0 2 0 0 4 年广东省秋冬春季节性降水量以及三季降水总量的年际、年代际 变化较大，空间分布也十分不均匀，总体呈下降趋势。春季降水量对三季降水总 量贡献最大 2 广东省在1 9 7 0 - - 2 0 0 4 年大范围季节性干旱发生频繁，且秋旱和春旱程度有 加剧趋势，而冬旱程度略有减缓。广东地区季节性干旱等级指数年际、年代际变 化较大。秋、冬、春季e o f 分解具有十分相似的分布型。 3 广东省秋冬春连旱连涝指数年际、年代际差异大，e o f 分解第一模态全省一 致性较好。在连早年，秋季发生干旱的站点数出现极多或极少两种极端特点，秋 旱对连旱的影响比秋涝对连涝的影响大；冬季的干旱分布比较一致，与连早年的 相关性也比较好；连早年里春季全省站点旱涝一致性较好，全省发生春涝的次数 摘要 不多。在连涝年，发生大范围秋涝与秋旱的频率不高；发生大范围冬涝机率较大； 容易发生大范围春涝，春季偏涝分布一致性好。 4 春季的旱涝情况与三季的连旱连涝情况联系最为紧密，秋季与整个的旱涝相 关最小。秋季旱涝的空间差异大，而冬春两季的早涝空间差异则较小，这可能与 不同季节对应的降水的影响系统的尺度及稳定性有关。 5 连旱秋季，乌拉尔山地区上空为负高度场异常，表明阻塞高压活动不频繁， 另外日本地区上空高度场为正异常，东亚高空槽异常减弱，冷空气较弱，降水偏 少；另外广东地区降水还与近海地区热带气旋的活动有较好的负相关关系。 6 连早年冬季，乌拉尔山地区高压脊异常加强，有利于冷空气的堆积；日本地 区为负的高度场异常，有利于东亚大槽的加深，而广东在槽后的异常偏强的由北 往南的冷空气控制之下，温度偏低，偏北气流加强，冷暖空气在海洋地区交绥， 不利于广东降水。 7 连早年春季，乌拉尔山地区为一异常反气旋所控制，中国东北部存在一异常 气旋性环流，冷空气较弱；中国东北部的异常气旋性环流的低槽由于华南地区的 异常偏南气流北抬，冷暖空气在较北的地区交绥，不利于广东降水。 关键词：季节性干旱，连旱，z 指数，冷空气 摘要 t h e s t u d y o n s p a t i a la n dt e m p o r a l d i s t r i b u t i o na n dm e c h a n i s mo fs e a s o n a l a n dc o n t i n u o u s d r o u g h ti na u t u m n ，w i n t e r a n d s p r i n g o fg u a n g d o n g m a j o r ：m e t e o r o l o g y n a m e ：i ) e n gw e n j i a n s u p e r v i s o r ：l iw e i b i a oa n dd u y a o d o n g a b s t r a c t u s i n gn c e p n c a rr e a n a l y s i s 倒d a t a , m o n t h l yp r e c i p i t a t i o no f 8 4 s u l f a c es t a t i o no f g u a n g d o n ga n dd a t ao ft y p h o o ny e a r b o o ke t c zi n d e xh a sb e e na p p l l e di na n a l y z i n gt h es p a t i a l a n dt e m p o r a ld i s m b u f i o no fs e a s o n a la n dc o n t i n u o u s & o u g h ti na u t u m n , w i n t e ra n ds p r i n go f g u a n g d o n gw i t hl i n e a r 矗l t i n 易w a v e l e ta n a l y s i sa n de o fe t c ，a n dt h em e c h a n i s mo f c o n t i n u o u s d r o u g h th a sb e e ns t u d i e dw i t hc o m p o s i t ea n a l y s i s t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ei n t e r a n u s lv a r i a t i o na n di n t e r d e c a d a lo fs e a s o l l a lp r e c i p i t a t i o ni na u t u m n , w i n t e ra n d s p r i n g w h i c hd e c l i n e sa saw h o l e , a 坤c h a n g e a b l e a n dt h es p a t i a ld i s t n l o u f i o nd i s t r i b u t e se v e n l y s od o e st h et o t a lp r e c i p i t a t i o n t h e s p r i n gp r e c i p i t a t i o nc o n t r i b u t e st h em o s tt ot h et o t a l p r e c i p i t a t i o n zt h es e a s o n a l 出o u g h ti nw i d e - a r e ah a p p e n sf r e q u e n t l y t h eg r a d eo f a u t u m nd r o u g h ta n d s p r i n gd r o u g h ta g g r a v a t e s , w h i l et h ew i n t e rd r o u g h tg r a d ea l i e n a t e s t h ei n t e r a n u a lv a r i a t i o na n d i n t e r d a c a d a lv a r i a t i o no fs e a s o n a l & o u g h tg r a d ea 托c h a n g e a b l e e o fa n a l y s i ss h e w st h es i m i l a r d i s t r i b u t i o ni na u t m m l , w i n t e ra n ds p r i n g 3 t h ei n t e r a n u a lv a r i a t i o na n di n t e r d e c a d a lo fc o n t i n u o u sd f o u g h to rf l o o dg r a d ea i e c h a n g e a b l e t h ef i r s tm o d eo fe o fs h e w st h ec o n s i s t e n ts p a t i a ld i s t r i b u t i o ni ng u a n g d o n g i nt h e c o n t i n u o u sd r o u g h ty e a m o s to tt h eo n l yaf e ws t a t i o n sa md r o u g h ti na o t n m n w h i c hs h o w st h a t t h ei n f l u e n c eo fa u t u m nd r o u g h tt oc o n t i n u o u sd r o u g h ti sm u c hi n o i ei m p o r t a n tt h a na u t u m nf l o o d m 摘要 t oc o n t i n u o u sf l o o d t h ew i n t e rd r o u g h td i s t r i b u t i o ni ng u a n g d o n gs u r f a c es t a t i o n si sc o n s i s t e n t , a n dt h ec o r r e l a t i o nw i t he 0 1 f i n u o t l sd r o u g h ti sb e t t e r t h es p r i n gd r o u g h td i s t r i b u t i o ni n g u a n g d o n gs u 血s l a l j o n s i se o l b i s t e n t , a n dt h es p r i n gf l o o dh a r d l yh a p p e n s i nc o n t i n u o u sf l o o d y e a r , w i d e - a r e aa u w f l o o do f & o u g h ti si l l h _ c q l l t e n e y t l a ep r o b a b l eo fw i d e - a r e aw i n t e rf l o o di s g r e a t s oi si ti ns p r i n g 4 t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ns p r i n gd r o u g h ta n dc o n t i n u o u sd r o u g h ti st h eb e s t , w h i kt h e a u l u md r o u g h ti st h eo p p o s i t e t h ed i r e p a n c eo fa u t u m nd r o u g h ta n df l o o ds p a t i a ld i s t r i b u t i o n i so b v i o u sw h i l ei st h el e s so b v i o u si nw i n t e ra n ds p r i n g , w l a i e l am a yb cr e l a t et ot h es c a l eo f p r e c i p i t a t i o ns y s t e m 5 i nt h ee o - t i m l o u sd r o u g h ty e a r , i na t t t t m m , t h eg e n e r a le k e u l a t i o nm a yp r e v e n tt h ec o l d a i rm o v i n gt os o u t ha n dw e s t e r nl a e i t i es u b t r o p i c a lh i g hi sw e a k e r , w h i c hm a yl e a dt ot h el e s s p r e c i p i t a t i o ni nc - u a l l g d o n g t 3 u a n g d o n gi s a l s oc o n t , o i l e db yt h ed o w n w a r da i ra n dt k t e m p e r a t u r er i s e t l a cl e s si n e e i p i t a t i o nm a y a l s oo w nt ot h et r o p i c a lc y c l o n e & i nt l a ee o n t i n u o 鹏d r o u g h ty e a r , i nw i n t e r , t h ee u r a s i ai sc o n t r o l l e db yt h ea n o m a l y a n t i c y c l o n e t h es o u t l a o tc h i n ai sb c t w e e l lt h ea n o m a l ya n t i c y c l o n ea n dn o r t h e a s tc o l dv o r t e x , w l a i e l am a yl e a dt ot h es t r o n g e rn o r t hw i n d t h en o r t hw i n di ss os t r o n gt h a tt l a cc o l da i ra n dt h e v a 1 3 1 1a i rm a ym e e ti nt h eo c e a f t ot l a es o u t ho fc t u a n g d o n g t h ed o w n w a r da i r 柚dt h e a n o m a l yc o l dt e m p e r a t u r ed e g r a d et h ep r e c i p i t a t i o ni ng u a n g d o n g 7 mt h ec o n t i n u o u sd r o u g h ty e a l , i ns p r i n g , u r a l sm r s a n o m a l yh i g ha n dt h es o u t ho f c h i n aa n o m a l yh i g hm a yp r e v e n tt l a cc o l da i rm o v i n gt os o u t h t ot h es o u t ho fj a p a n , t h e r ei sa a n o m a l ya n t i c y c l o n e a n dt h es o u t ho fc h i n ai sc o n t r o l l e db yt h es o u t hw i n df r o mt h i sa n o m a l y a n t i c y c l o n e t h e r e f o r e t h ec o l da i rc a n tr e a e l at h es o u t ho fc h i n a , w h i c hw i l ll e a d t ol e s s p r e c i p i t a t i o n k e yw o r d s ：s e a s o n a ld r o u g h t , c o n t i n u o u sa r o u g l a t , zi n d e x , c o l da i r i v 第1 章前言 1 1 干旱与干旱灾害 第1 章前言 干旱是一种复杂的现象，从气象学角度上看，把降雨的多年平均状况视为正 常现象，低于平均值就是干旱；从水资源角度来说，干旱是供水不足而导致不平 衡缺水的形势。在生产力水平低下的年代h ，人类活动对自然界的影响微乎其微， 影响干旱的因素有降水、蒸发、气温等自然因子。随着社会的进步，生产力的发 展，人类的生活和生产活动对自然界的相对平衡状态的改变或破坏作用越来越明 显，除了降水、蒸发、气温等影响因子外，农业土地利用、复种耕作、种植结构、 城市建设、人口增长、工业布局、生产水平以及水利工程供水能力等人类社会和 经济活动也成为影响干旱的重要因素，干旱逐渐演变成为由自然现象和社会因素 共同作用的结果，变得更加复杂。 干旱会对社会产生不良后果，引发了干旱灾害。2 0 世纪8 0 年代以前，旱灾 的影响主要体现在农业生产领域，旱灾被解释为“土壤水分不足，不能满足农作 物和牧草生长的需要，造成较大的减产或绝产的灾害”( 商务印书馆，1 9 7 8 ) ，历 史上对灾情的描述也多用“亢旱、饥”、“禾尽槁”、“人食树皮草根”等与农业、 粮食相关的词语。随着经济社会的发展，进入2 0 世纪9 0 年代，社会生产力快速 发展，人口向城市集中，农业在国民经济所占比例下降，工业用水需求大增，生 态用水受到广泛关注，旱灾的影响逐渐由农业为主向社会经济生活的各方面转 移，旱灾变得更加复杂，这势必要求人们对旱灾的认识领域扩展，程度也要随之 加深。 干旱与旱灾的复杂性给现阶段的干旱和旱灾的研究带来了不少的困难。研究 干旱，首先要对新历史时期下干旱和旱灾的复杂性有充分的认识，在遵循尊重自 然的前提理念下，逐步掌握干旱的自然规律，按照自然规律、经济规律和可持续 发展的原则，在生活、生产和生态用水之间进行科学分配，减轻人为因素造成的 干旱缺水。在农作物种植方面，要因地制宜，根据各地自然条件合理安排早作与 第1 章前言 水田耕作；工业用水方面，在水资源短缺地区应严格控制耗水多、污染重的工业 企业。只有在遵从人与自然和谐相处的抗旱理念的前提条件下，充分发挥抗旱主 体的积极性，建立和完善我国防旱抗旱体系，才能逐步提高我们抗旱工作的管理 水平和减灾成效。 1 2 广东省干旱概况 广东位于北纬2 0 0 0 8 2 5 0 3 2 ，东经1 0 9 0 4 0 1 1 7 。2 0 t 2 1 ，地处热带、热 带季风区，总的来说年降水充沛，但是降水的时空分布十分不均匀。由于广东省 降水季节之间、地区之间差异很大，加上大阳辐射强，温度较高，蒸发作用较大， 所以该地区干旱时有发生。在季节性干旱里，广东地区又以春旱和秋旱最为严重。 从上世纪建国以来，广东省季节性干旱具有频率高、灾害重等特点。据统计 表明。，海丰、汕头、阳江、徐闻春旱高发地区，年平均春早次数为0 5 5 t 0 8 2 次；罗定、梅县、连州等夏旱高发地区年平均夏旱次数为0 1 3 o 2 6 次，约4 8 年一遇；全省各地秋早年平均次数为0 1 3 0 5 3 次，约1 0 年2 5 遇；冬旱相 对而言发生频率较高，粤北等冬旱高发区的年平均冬早次数为0 3 9 o 5 3 次。建 国以来，全省约有四分之一耕地( 5 5 万公顷以上) 经常受早，如1 9 9 0 1 9 9 1 年 的秋冬春连旱，全省受旱面积达2 2 3 8 1 万公顷，其中水稻面积为1 2 1 4 7 万公顷， 其他作物1 0 2 3 4 万公顷，而成灾面积7 5 5 1 万公顷，绝收面积1 5 3 2 万公顷，该 年严重的干旱还影响到工业和人民生活，由于长时间的干旱使得水源枯竭，全省 大部分江河水位急降，沿海甚至出现了海水倒流，全省的蓄水量约为2 9 3 8 9 亿立 方米，为多年平均需水量的4 5 3 ，深圳市自1 9 9 0 年夏秋至1 9 9 1 年6 月，主要 的供水水库库容达不到正常年份的1 0 ，湛江有1 5 9 0 个村庄、5 6 万人吃水有困 难，梅州全市1 7 0 万人食用水有困难，甚至由于缺水供电不足，5 0 的工厂企业 被迫停工。由此可见干旱已经成为制约广东经济发展的重要因子之一。 1 3 研究背景 2 第1 章前言 关于华南地区或广东地区的降水和干旱气候特征，已有不少学者从不同的角 度进行了研究。贺海晏4 用广东省4 0 年的降水资料，分析了评价年雨量的分布 特征，指出全省的平均干旱年为1 9 5 6 、1 9 6 3 、1 9 7 7 、1 9 9 1 年，且1 9 5 6 年和1 9 6 3 年为特大干旱年。余功梅匹曾对华南地区近4 0 年的降水做过分析，认为华南地 区5 0 年代、7 0 年代和9 0 年代前期降水偏多，而在6 0 年代和8 0 年代降水则偏 少，呈抛物线型。李江南6 也做过相关方面的研究，结果表明广东前汛期的降 水年际变化比较大，主要周期以2 2 、7 和3 年最为显著，降水的趋势总体是上升 的。谌芸7 等分析指出，在1 9 8 1 - - 1 9 9 9 年全国大部分地区秋季降水呈负趋势变 化，华南地区趋势系数小于_ 0 4 。由于全国大部分地区冬季降水普遍偏少，在华 南地区冬季降水的时空分布特征方面的研究较少。 另外，对广东降水偏少引致广东季节性干早的成因方面，也有较多的研究。 一般来说广东地区春旱主要是由大尺度的天气背景所引起的1 8 - 9 ) e 若前汛期降水 提前或者延迟，冷暖气团未能在广东省境内交锋，如冬季风在大陆过于强盛，西 太平洋副热带高压带西伸北移得较早等等，都会导致广东省春水短缺而发生春 旱。另外，广东的春旱与春季蒸发量增大也有关系。粱建茵、吴尚森n o _ 1 1 在研 究中发现，主要受大尺度西风带锋面系统以及低空急流影响的华南前汛期降水， 存在显著的准三年周期变化，在降水较少的年份易出现“空讯”现象，导致华南 地区的干旱。而地处华南的广东省前汛期偏旱的原因则主要是由于冷空气偏弱。 西太平洋暖池偏暖是广东干旱的前期影响因子。西太平洋副高在南海地区的强偏 南风和较强东亚大槽以及南支西风急流的相互作用则有利于缓解广东的干旱。张 勇，王春林1 2 等认为，春旱的原因除了上述原因之外，春季温度升高，蒸发量 增大，特别是在有些背风坡出现焚风现象，也是造成春旱的原因之一。而对于 8 0 年代华南降水的偏少，也有研究发现廿，同期在华南地区上空对流层上层出 现冷却，2 6 。n 3 5 。n 的经圈环流下沉，导致中国东南部盛行偏北风，造成了 降水的异常偏少。谌芸等晤认为当5 0 0 h p a 欧亚大陆呈一，+ ，一分布形式时。 亚洲经向环流减弱，我国秋季干旱少雨。另外，秋旱的主要成因还有7 ：热带气 旋影响小，西太平洋副热带高压带偏强等。刘江龙、刘会平等人在研究中提到1 4 2 0 0 4 年广东的秋旱主要是由于北上的热带气旋并没有给广东带来降水，南下的 冷空气在热带气旋的偏北气流引导之下快速南下，没有与冷空气相持而导致降水 3 第1 章前言 偏少。而有关影响华南地区冬季降水的因子研究相对较少，徐忠峰等吣指出， 华南地区冬季降水与同期的平均东风强度存在显著的负相关关系，东南亚地区冬 季东风偏强时，同期华南地区降水偏少 到目前为止，对华南地区的旱涝研究几乎都侧重于季节性干旱，较少研究将 秋冬春三个季节作为一个整体去研究其连旱的特征及机理，然而广东地区冬春连 旱时有发生吃，并对广东的农业有一定的影响，尤其是当干旱从秋季延续下来一 直到春季，这种秋冬春连旱对广东造成的社会、经济和人民生活的影响和损失程 度均会加大。为此本文对广东地区的秋冬春连旱进行了初步的研究，并进一步从 环流异常、温度异常以等因子去探讨连旱的机理。 1 4 论文结构 本文所用的资料和分析方法介绍见第二章；第三章分析广东省秋、冬、春季 的干旱时空分布特征；第四章对秋冬春连旱的时空特征作了初步的分析；第五章 为连旱连涝等级异常的机理研究；第六章是结语。 4 第2 章资料处理以及研究方法 2 1 资料 第2 章资料处理以及研究方法 2 1 1 采用由广东省气候中心整编的1 9 6 9 2 0 0 4 年广东省8 4 个观测站的日 降水、气温和蒸发量资料，为了使得资料长度一致，排除了茂名站和东莞站，这 8 4 个站均匀分布于全省，且完整性较好。 2 1 2 来自n a t i o n a lc e n t e r sf o re n v i r o n m e n t a lp r e d i c t i o n1 9 7 0 2 0 0 4 年的高度 场、风场、温度场和垂直速度场的再分析数据。 2 1 31 9 6 9 2 0 0 4 年台风年鉴资料。 2 2 研究方法 图2 - 1 广东省站点图 2 2 1 早涝指数的计算 2 2 1 1 对干旱指数的定义以及选取 5 第2 章资料处理以及研究方法 干旱可以从两个方面去定义8 1 ，一是干旱气候，即最大可能蒸发量比降水量 大得多得气候现象；另外一个是干旱灾害，是指某一具体时段内的降水量比常年 的平均降水量显著偏少而对农业生产产生灾害。前者主要用于大范围的气候区 划，不一定会造成灾害，后者侧重于对农业生产所造成的影响。 目前在广泛运用的早涝指标大多数都是根据当地的实际情况拟合出来的。比 较成熟的指标如降水距平百分率、降水温度均一化指标、标准化降水指标t 1 6 ) ， 还有z 指数，这几个指标都是从气象条件方向进行定义的。k i t e 在他的研究中认 为叫”，某一时段的降水服从柏松分布，对降水进行z 变换即可得到划分旱涝 的z 指数。而鞠笑生u 卜1 9 则在该基础上提出z 指数在我国3 种单站旱涝指标中 为最优的，并提出了区域旱涝指数，并对华北地区和长江流域的早涝进行分析， 取得了较好的结果。张存杰在研究西北地区的旱涝时也提出z 指数优于其他指数 的观点。黄道友、彭廷柏等滋通过比较z 指数和“土壤一作物”系统法干旱， 认为z 指数与其他指数有差别主要原因是，z 指数是气象部门用来划分气候学干 旱、涝灾害等级的基本方法，但是与其他指数也有较好的一致性。可见z 指数 的应用相当广泛，它可较好的反映干旱的情况及程度，所以我们可在研究中借鉴 前人的这一研究成果，采用z 指数来作为广东秋冬春连旱的早涝指数。 2 2 1 2z 指数的计算“8 “ 干旱指数z 的计算方法如下：假定某时段的降水量服从泊松n i 型分布，首 先对降水量工进行正态化处理，则可将其概率密度函数泊松i i i 型分布转换成以z 为变量的正态分布，转换公式为： 磊一苦e 吼胪一6 e + 鲁 c 上式中，e 为偏态系数，吼为标准化变量，均可由降水量资料序列计算求得， 即： 6 第2 章资料处理以及研究方法 劬。x l - - x o 其中： 。一压磊 一1 - 三- 扣n 舒x l ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 采用上式求得的z 值，可将广东省春季早涝情况按照特涝到特早划分成7 个等 级。另外，在计算区域旱涝指标时，我们用到下式： j 。垫；生生0 0 矗 工。坐生翌2 ) d 0 0 厅 ( 2 6 ) 其中，、分别为区域涝指标和旱指标，氇为区域内z 指数为i 等级的站点数， n 为总站点数。 表2 - 1 依据正态化z 指数划分的旱涝等级 等级z 值 区域旱涝指标 z 早涝类型 1z 1 6 4 5b 5 0 特涝 21 0 3 7 z = 1 6 4 53 5 i 5 0 大涝 30 8 4 2 ：z = 1 0 3 73 i - l 3 5 偏涝 4- 0 8 4 2 z = 0 8 4 2 - 3 i l 3正常 5 1 0 3 7 2 - 0 8 4 23 l - l 3 5 偏早 6 1 6 4 5 一1 0 3 7 3 5 l 5 0大旱 7 z 0 时，说明石随时间t 呈上升趋势；当， o ，6 r ( 2 1 4 ) 其中表示复共轭，1 ；f ，。声o ) t 去a 妒( 三二a 生) 称为子波函数，a 为尺度参数，吖 b 为平移参数，矽，0 ，6 ) 为子波变换系数。 利用p a r s e v a l 恒等式和傅立叶变换的基本性质，( 2 1 4 ) 式可变为： 巧 ，酚一尝，( 缈汹妒q y ( 2 - 1 5 ) 其中表示一傅立叶变换，多( ) 和善 ) 分别为，o ) 和1 ；f ，) 的 傅立叶变换。同时可得到连续子波变换的反演公式为： l o 第2 章资料处理以及研究方法 ，( f ) 。丢正正。，6 渺。 o ) 等 ( 2 - 6 ) 其中，- e 0 3 称为子波的容许条件，因此，( f ) 信号的 子波变换没有损失任何信息，能量是守恒的。利用公式( 2 - 1 6 ) 还可以滤出给定 周期范围内的信号分量，起到滤波的作用。 习惯上，我们要分析的不是子波变换的尺度本身，而是其对应的傅立叶周期， 因此，需要将子波变换的尺度转变为傅立叶周期。用m o r l e t 子波函数对资料序 列进行子波变换时，尺度参数a 与傅立叶周期t 存在一一对应的关系： 月- r j u , * 乃。丽j 以d 孙，( 枷) 即傅立叶周期和尺度参数近似相等，文中取： 口，a2x20125，(2-18) 其中，( 巧) 。- 1 0 9 ：( 牛) 。 子波变换系数模能够给出各种时间尺度周期的振幅，模越大，表示其所对应 尺度的周期变化在该时段比较强；子波变换的实部包含给定时间和尺度信号相对 于其它时间和尺度信号的强度和位相两方面的信息。 1 1 第3 章广东省秋冬春降水与季节性旱涝时空变化特征 第3 章广东秋冬春降水与季节性旱涝时空变化特征 广东省位于低纬海陆交界地带，地形复杂。北依逶迤的南岭，南面浩瀚 的南海，全省地势大体是北高南低，山地和丘陵地貌居多，其次为台地和平原。 广东境内的主要山脉是横亘在粤北的南岭。南岭东西绵延达1 0 0 0 多k m ，作弧形 向南突出，呈不完全的东西走向。北高南低的地势以及南岭山脉对广东省的气候 影响非常大，首先是对气流的阻挡作用非常明显，尤其是南岭山脉，冬季从北方 南下的冷空气经过南岭山脉的阻挡作用，到了南岭南侧会明显的削弱，较弱的冷 空气甚至难以翻越南岭山脉。二是对气流的抬升作用，南岭山脉以及粤北较高的 地势，对超低空偏南暖湿气流在迎风坡出现地形的抬升作用，喇叭口地形的狭管 效应以及绕流、摩擦作用引起的气流辐合上升都可能把来源于海洋的水汽汇集输 送到高空，使湿层增厚，最后达到饱和而成云致雨。若遇到降水系统时，南岭山 脉会加剧降水系统的上升运动，从而使得降水维持和雨强加大。由于迎风坡的降 水多于背风坡，降水的强度也大于背风坡，是形成广东省的三大多雨中心和两个 少雨中心的原因之一。 3 1 本章研究方法 本文着重广东省秋冬春季节连早的特征及造成这种现象的机理，因此干旱指 数分开为秋冬春三个季节来研究。为研究早涝指数的长期变化趋势，我们采取线 性倾向估计方法，并对其相关系数进行统计检验；为了研究旱涝指数的周期特征 以及时空分布特征，我们采用了小波分析方法以及经验正交函数展开( e o b 方法。 3 2 广东省秋冬春各季降水的时空概况 广东省降水特征与地理位置关系密切m ，总体分布特点为：山体迎风面降 第3 章广东省秋冬春降水与季节性早涝时宅变化特征 水量大，背风区雨量少。全省多数地区年降水量为1 5 0 0 2 0 0 0 m m ，三个多雨中 心的年降水量都在2 1 0 0 r a m 以上，少雨区中，最少雨量出现在罗定，为1 3 7 2 5 m m ， 是全国最丰沛的地区之一。广东省降水除了空间分布极不均匀之外，在各个季度 的分布差异也很大。 3 2 1 秋季( 9 1 1 月) 降水时空概况 9 月份仍以热带气旋带来的降水居多，加月份以后，夏季风向冬季风过渡， 干燥寒冷的极地大陆气团影响和控制南亚大陆，广东省也不例外，所以降水量在 1 0 月份锐减，1 1 月份进一步减少。 图3 - 1 给出了1 9 7 0 - 2 0 0 4 年广东省秋季降水量分布以及其线性趋势，由图中 看出，在上个世纪七十年代到八十年代中期，广东省秋季降水处于偏多期，八十 年代中到2 0 0 2 年处于偏少期，2 0 0 3 年之后降水量又回升。降水较多的年份有1 9 7 1 年、1 9 8 2 年、1 9 9 4 年以及2 0 0 3 年，降水较少的年份有1 9 7 0 年、1 9 9 0 年、1 9 9 2 年以及1 9 9 5 年，如表3 - 1 所示，由此可见，广东省秋季降水量时间分布十分不 均匀。从降水量的线性趋势来看，广东省秋季降水量总体呈下降趋势，回归系数 为1 4 ，但是趋势系数较小，为m 1 5 ( 当c t = 0 1 0 时趋势系数r 一0 2 7 ) ，表明全 省降水量的下降趋势不够明显。 表3 - 1 广东省秋季降水较多年份和较少年份 降水偏多年 1 9 7 1 年1 9 8 2 矩1 9 9 4 芷2 0 0 3 芷 降水量( 衄) 4 6 94 7 34 1 34 7 8 降水偏少年1 9 7 0 年1 9 9 0 焦1 9 9 2 篮1 9 9 5 燕 降水量( r a m ) 1 6 61 6 41 6 11 5 2 另外，选取的广东省8 4 个站点的降水量分布图表明了广东省秋季降水量主 要呈北低南高的特点( 图3 - 2 ) ，降水极大值中心主要位于雷州半岛和阳江、上川 岛一带，极小值中心位于翁源和怀集、封开一带，其中降水量最大的站点为上川 岛5 1 1 r a m ，最小的站点为封开1 9 6 r a m ，由此看出广东省秋季降水的空间分布也 第3 章广东省秋冬春降水与季节性旱捞时空变化特征 十分不均匀。而在8 4 个站中，有1 8 个站的趋势系数为正值( 表3 - 2 ) ，主要分布 在珠三角和东部沿海地区，但是其趋势系数值不大，表示这些站点的降水量虽有 增加趋势，但是趋势不明显。在负趋势系数的站点里，其中平远、龙川、兴宁、 蕉岭、大埔、梅县、五华以及揭西等8 个站的趋势系数超过了0 1 0 的检验水平， 主要分布在广东省的东北部地区。 趋势系数大的站其回归系数并不一定大，如乐昌站的趋势系数为一0 1 3 ，回 归系数为一1 3 0 ，而龙门的趋势系数为一0 1 4 0 毫米年，比乐昌站的趋势系数要 小，但是其回归系数一1 2 7 毫米年，却比乐昌站的要大，这是由于均方差不同 而造成的，因此用趋势系数来研究降水的长期变化比用回归系数有其优越性，这 样计算出来的趋势系数，实际上就是标准化后的一元线性回归系数，它消去了气 象要素均方差对线性回归系数数值大小的影响，从而可以在不同地理位置的不同 气象要素之间比较长期趋势变化的大小。 表3 - 2 广东省秋季降水正趋势系数站点 站点连南四会三水花都广州南海博罗 趋势系数 o 0 1o 0 10 1 0o 1 2o 2 30 2 20 0 3 站点饶平 汕头澄海南澳鹤山 顺德 番禹 趋势系数 o 0 3o 0 20 0 1o 0 9 o 0 7o 1 9 0 0 5 站点中山斗门珠海阳江 趋势系数o 1 5o m 0 0 50 0 8 图3 - 1 广东省秋季降水量( 实线) 以及 线性拟合曲线( g t 线) 1 4 图3 - 2 广东省秋季降水量3 5 年气候平均图 第3 章广东省秋冬春降水与季节性旱涝时空变化特征 3 2 2 冬季( 1 2 - 2 月) 降水时空概况 图3 3 给出了1 9 7 0 - 2 0 0 4 年广东省冬季降水量分布以及其线性趋势，分析该 图我们知道，从上个世纪8 0 年代初到9 0 年代中后期，广东省冬季降水处于偏多 期，其他时期为偏少期。广东省冬季降水的时间分布也十分不均匀，其中降水较 多年份有1 9 8 3 年、1 9 8 5 年、1 9 9 0 年、1 9 9 2 年以及1 9 9 8 年，降水较少年份有1 9 7 7 年、1 9 8 1 年、1 9 8 4 年、1 9 8 8 年以及1 9 9 9 年( 表3 3 ) 。从降水量的线性趋势来 看，广东省冬季降水量总体呈上升趋势，回归系数为0 7 1 ，但是趋势系数很小， 为0 0 7 。没有通过当a = 0 1 0 的检验水平，表明全省降水量的上升趋势不够明显， 以自然变动为主。 表3 - 3 广东省冬季降水较多年份和较少年份 降水偏多年1 9 8 3 年1 9 8 5 焦1 9 9 0 笠1 9 9 2 拒1 9 9 8 焦 降水量( n a n )4 9 82 8 23 1 42 2 7 3 降水偏少年 1 9 7 7 芷1 9 8 1 生1 9 8 4 钽1 9 8 8 正1 9 9 9 矩 降水量( r a m ) 6 15 95 16 75 5 另外，广东省8 4 个站点的降水量分布图表明了广东省冬季降水量主要呈北 高南低的特点( 图3 - 4 ) ，与秋季刚好相反。降水极大值中心主要位于韶关与河源 一带，极小值中心位于雷州半岛一带，其中降水量最大的站点为乳源2 4 2 m m ， 最小的站点为徐闻6 0 r a m ，由此看出广东省冬季降水的空间分布也十分不均匀。 而在8 4 个站的趋势系数中，有1 2 个站的趋势系数为负值( 表3 - 4 ) ，主要分布在 广东省北部地区，但是其趋势系数值不大，表明这些站点的降水量虽有增加趋势， 但是趋势不明显。在正趋势系数的站点里，只有徐闻与湛江2 个站的趋势系数通 过了e t = 0 1 0 的检验水平，表明这两个站的降水量下降趋势明显。 第3 章广东省秋冬春降水与季节性早涝时空变化特征 、k a 1 心j - 一 刑瓯 uy vy h ” 图3 - 4 广东省冬季降水量3 5 年气候平均图 图3 3 广东省冬季降水量( 实线) 以及 线性拟合曲线( 虚线) 表3 - 4 广东省冬季降水负趋势系数站点 站点乐昌连山阳山英德上川岛 l 趋势系数 - 0 0 0 4- 0 0 3 6- 0 0 3 8- 0 0 0 80 0 0 7 3 2 3 春季( 3 5 月) 降水时空概况 早春阶段由于仍以北方干冷气团控制为主，热力对流较弱，是降水较少季节， 主要的降水来自于冷空气南侵的锋面活动，故北部比南部降水相对要多；晚春阶 段，南海夏季风开始爆发，偏南气流给广东省带来大量的降水，其中4 、5 月份 是广东省前汛期的降水偏少时段。 从总体而言，广东省春季降水从上个世纪7 0 年代到9 0 年代中期处于偏多期， 9 0 年代之后季节平均降水量略有下降，如图3 5 所示。表3 5 给出了广东省春季 降水较多年份以及较少年份的降水量，降水较多的年份有1 f f 7 3 年、1 9 7 5 年、1 9 8 3 年、1 9 8 7 年以及1 9 9 2 年，降水较少年份有1 9 7 1 年、1 9 7 7 年、1 9 9 1 年、1 9 9 5 年以及2 0 0 2 年。广东省春季降水量的时间分布也十分不均匀。降水量的线性拟 合曲线表明了全省春季降水总体呈下降趋势，回归系数为- 0 4 0 6 ，趋势系数为 - 0 2 7 ，通过了a = o 1 0 的检验水平，表明该下降趋势是显著的。 另外，从3 - 6 的广东省春季降水3 5 年的气候平均图看出，广东省春季降水 空间分布也极其不均匀，主要有3 个降水极大值中心，分布位于佛岗和英德、恩 1 6 t暑*t*l 第3 章广东省秋冬春降水与季节性旱涝时空变化特征 平、陆丰一带，极小值中心位于东部的南澳以及雷州半岛的徐闻一带。其中降水 量最大的站点为佛岗，约为8 2 8 m m ，其次是恩平8 2 0 m m ，降水量最小的站点为 徐闻，约为2 1 9 m m 。在8 4 个站的趋势系数中，只有3 个站点的趋势系数为正值， 分别为电白的0 1 8 ，雷州的0 1 2 和徐闻的0 0 3 。在负趋势系数中，有2 1 个站点 的趋势系数通过了a = o 1 0 的检验水平，甚至有1 3 个站的趋势系数通过了 a = o 0 5 的检验水平，如表3 6 所示，主要分布在广东的北部以及西部地区。 表3 - 5 广东省春季降水较多年份和较少年份 降水偏多年1 9 7 3 焦1 9 7 5 焦1 9 8 3 年 1 9 8 7 年1 9 9 2 年 降水量( m m )8 2 48 0 88 6 38 0 37 9 5 降水偏少年 1 9 7 1 芷1 矿7 7 年1 9 9 1 年1 9 9 5 矩2 0 0 2 燕 降水量c r a m ) 3 8 23 6 82 9 03 3 93 1 6 表3 - 6 广东省春季降水趋势系数通过a = o 0 5 检验水平的站点 站点阳山佛岗翁源新丰封开郁南怀集 趋势系数 _ o 3 7m 3 6 _ o 3 30 3 8 - 0 4 3o 3 8o 5 0 站点广宁清远龙门信宜罗定阳春 趋势系数 - 0 3 6o 4 3- 0 4 13 50 3 3- 0 3 3 图3 - 5 广东省春季降水i t ( 实线) 以及 线性拟合曲线( 虚线) 图3 - 6 广东省春季降水量3 5 年气候平均图 3 3 广东省秋冬春季节性旱涝等级的时空分布概况 第3 章广东省秋冬春降水与季节性旱涝时空变化特征 干旱是指在一定的农业生产水平条件下，较长时段内因降水比常年平均值特 别偏少，影响农作物生长的一种农业气象灾害。影响干旱程度的因子较多，如降 水、气温以及土壤蒸发等等，但是降水为其中最重要最直接的影响因子。 本文通过z 指数将旱涝等级划分成为7 级，其中l 、2 、3 级为偏涝，4 级为 正常，5 、6 、7 级为偏旱，即是说，旱涝等级越高表示干旱程度越严重。为了研 究广东省干旱的情况，本章对全省8 4 个站点的旱涝等级进行了时空特征的分析。 特征 3 3 1 广东省秋季早涝等级指数的时空分布特征 3 3 1 i 广东秋季旱涝等级指数在时间上的分布、趋势以及周期 图3 7 给出了广东省秋季旱涝等级时间曲线以及其线性拟合曲线，从图中我 们可以看出，全省的旱涝等级时间曲线与降水量的时间曲线有较好的对应关系， 但是旱涝等级的时间曲线更方便、直观的表示了各年的旱涝程度。从1 9 7 0 年到 2 0 0 4 年里，有1 4 年属于偏旱年，其中有5 年是重早年，早涝等级达到7 级，而