（气象学专业论文）广西干旱的时空分布特征及春旱和夏旱的成因分析.pdf

广西干旱的时空分布特征及春旱和夏旱的成因分析 专业：气象学 硕士生：张凌云 指导老师：简茂球教授 摘要 本文利用广西具有气候代表性的3 2 个站点1 9 6 1 - 2 0 0 7 年逐日降水量资料， 引入季节无雨日作为划分干旱的标准，采用e o f 分析等方法，分析了广西干旱 的时空分布特征，并用n c e p 再分析资料、n o a a 海温资料、国家气候中心的7 4 项环流特征量资料等，采用小波分析、带通滤波分析等方法，对广西春、夏两 个季节的干旱成因进行初步分析。主要得出以下结果。 就气候平均状况而言，在四个季节罩面，广西冬季的无雨同最多，其次是秋 季、春季，夏季的无雨日最少。从时间变化看，广西春、夏季无雨日的趋势变化 不明显，主要以年际、年代际变化为主，秋、冬季的无雨日则总体呈上升趋势， 并在趋势变化的基础上叠加着明显的年际变化。从空间分布看，广西各季节干旱 以全区一致性型为主要空间分布型。广西夏、秋季发生干旱的频数较其他季节高。 在春旱年，大气环流异常具有如下特征：广西上空对流层低层出现偏南一西 南气流距平强辐散异常，伴随有明显的水汽通量辐散异常，同时东亚大槽偏弱， 阿留申低压明显减弱，中纬度大陆高压减弱，中高纬环流平直，不利于冷空气南 下华南。广西春早年前冬阿留申低压明显增强，大陆高压也增强，冷空气活动频 繁；当f j i 冬印缅槽偏弱时，广西春季发生干旱的可能性较大。 在夏早年，大气环流异常具有如下特征：亚洲热带西南季风偏弱，广西上空 有明显的水汽通量辐散异常，中高纬地区5 0 0 h p a 槽脊较深，低纬地区的气流趋 于平直，印缅槽变浅，副高加强西伸。广西夏早年春季副高偏弱，阿留申低压偏 弱；当春季东亚大槽偏弱时，广西夏季发生干旱的可能性较大。 1 1 1 对广西2 0 0 3 年夏旱和2 0 0 4 年春旱的个例分析表明，大气环流的季节内振荡 与干旱的发生有非常密切的联系。2 0 0 4 年广西春早是大气环流1 0 - - 3 0 天和4 0 - 8 0 天季内尺度变化共同作用的结果，其中以1 0 - - 3 0 天的季内振荡的贡献最显著。 2 0 0 3 年夏旱也与大气环流的1 0 2 0 天和6 0 - 9 0 天两种季节内尺度变化的共同 作用有密切关系，其中1 0 2 0 天的季内振荡的贡献最显著。 关键词：无雨日，干旱，时空分布特征，大气环流异常，季内振荡 t e m p o r a la n ds p a t i a l d i s t r i b u t i o no fd r o u g h te v e n t s i ng u a n g x ia n dt h ec a u s e so fs p r i n gd r o u g h t sa n d s u m m e r d r o u g h t s m a j o r ： n a m e ： m e t e o r o l o g y z h a n gl i n g y u n s u p e r v i s o r ：p r o f j i a nm a o q i a o a b s t r a c t b a s e do nt h ed a i l yp r e c i p i t a t i o nd a t af r o m19 61t o2 0 0 7i ng u a n g x ia n dt h e s e a s o n a ln o n r a i n yd a y sa sa ni n d e xf o rd r o u g h te v e n t s ，t h es p a t i a la n dt e m p o r a l c h a r a c t e r i s t i c so fd r o u g h t si ng u a n g x ia r ea n a l y z e db yt h ee o fm e t h o d t h e m e c h a n i s m sf o rs p r i n gd r o u g h t sa n ds u m m e rd r o u g h t si ng u a n g x ia r ef u r t h e r d i s c u s s e db a s e do nt h en c e pr e a n a l y s i sd a t a ，n o a as e as u r f a c et e m p e r a t u r ed a t a ， t h en a t i o n a lc l i m a t ec e n t e ro ft h e7 4c i r c u l a t i o ni n d i c e sa n dw i t hm e t h o d so f w a v e l e ta n a l y s i s ，b a n d - p a s sf i l t e ra n a l y s i sa n ds oo n c l i m a t o l o g i c a l l y , t h e r ei sam a x i m u mo fn o n - r a i n yd a y si nw i n t e ro fg u a n g x i ， f o l l o w e db ya u t u m n ，s p r i n ga n ds u m m e r t h en o n r a i n yd a y si ns p r i n ga n ds u m m e ro f g u a n g x iv a r yw i t hn os i g n i f i c a n tt r e n d s ，b u tm a i n l yo ni n t e r - a n n u a la n di n t e r - d e c a d a l t i m es c a l e s ，w h i l et h e r ee x i s t sa ni n c r e a s i n gt r e n do fn o n r a i n yd a y si na u t u m na n d w i n t e rw i t har a t eo f3d a y se v e r y10y e a r s ，a n dad o m i n a n ti n t e r - a n n u a lv a r i a t i o ni s s u p e r i m p o s e do nt h ei n c r e a s i n gt r e n d t h ed o m i n a n ta n o m a l o u sp a t t e m so f s e a s o n a l d r o u g h tf o ra l ls e a s o n ss h o wai n p h a s ed i s t r i b u t i o no f a n o m a l i e si nt h ew h o l ea r e ao f g u a n g x i t h ef r e q u e n c i e so fs u m m e ra n da u t u m nd r o u g h t si ng u a n g x i a r eh i g h e rt h a n i nt h es p r i n gd r o u g h tc a s e s ，t h eg e n e r a lc i r c u l a t i o ne x h i b i t sf o l l o w i n ga n o m a l o u s c h a r a c t e r i s t i c s t h e r ee x i s t s d i v e r g e n ts o u t h w e s t e r l y a n o m a l i e si nt h el o w e r t r o p o s p h e r eo v e rg u a n g x i ，a c c o m p a n i e db yd i v e r g e n tm o i s t u r ef l u xo v e rt h e r e ，w h i l e v t h ee a s ta s i a nt r o u g hi sw e a k e n e d ，t h ea l e u t i a nl o wp r e s s u r es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s i n g ， a n dt h eh i g hp r e s s u r eo v e rm i d l a t i t u d e so fe u r o a s i a nc o n t i n e n tb e c o m e sw e a k e n e d ， w h i c hl e a d st oam o r ef l a tz o n a lf l o wi nm i d a n dh i g hl a t i t u d e sa n di sn o tf a v o r a b l et o i n t e n s i v ec o l da i rs o u t h w a r dt os o u t hc h i n a i nt h ep r e - w i n t e ro fs p r i n gd r o u g h t si n g u a n g x i ，a l e u t i a nl o wp r e s s u r ei sm a r k e d l yd e e p e n e dw h i l ec o n t i n e n t a lh i g hp r e s s u r e ， w h i c hl e a d st oa c t i v ec o l da i ra c t i v i t i e si ne a s ta s i a t h ew e a k e rt r o u g hi ns o u t h e r n t i b e t a np l a t e a ui nw i n t e rm e a n sap o s s i b l ed r o u g h te v e n ti nt h ef o l l o w e ds p r i n gi n g u a n g x i i nt h es u m m e rd r o u g h tc a s e s ，t h e g e n e r a l c i r c u l a t i o ne x h i b i t s f o l l o w i n g a n o m a l o u sc h a r a c t e r i s t i c s t h ea s i a nt r o p i c a ls o u t h w e s t e r l ym o n s o o ni sw e a k e r t h e r ee x i s ta p p a r e n t l yd i v e r g e n ta n o m a l i e so fm o i s t u r ef l u xo v e rg u a n g x i i nm i d a n dh i g hl a t i t u d e s ，t h et r o u g h sa n dr i d g e so f5 0 0 h p aa r ei n t e n s i f i e d ，b u tt h ef l o wi n l o wl a t i t u d er e g i o n st e n d st ob em o r ef l a tz o n a l l y t h et r o u g hi ns o u t h e r nt i b e t a n p l a t e a ui sw e a k e n e da n dt h es u b t r o p i c a lp a c i f i ch i g hi si n t e n s i f i e da n de x t e n d e d w e s t w a r d t h ee a s ta s i a nt r o u g hi su s u a l l yw e a k e n e di nt h ep r e s p r i n g so fs u m m e r d r o u g h t s ，a c c o m p a n i e dw i t haw e a ks u b t r o p i c a lp a c i f i ch i i g h b a s e do nt h ea n a l y s i so nt h es u m m e rd r o u g h te v e n ti n2 0 0 3t h es p r i n gd r o u g h t e v e n ti n2 0 0 4i ng u a n g x i ，i tw a sf o u n dt h a tt h ed r o u g h tc a s e sa r ec l o s e l yl i n k e dw i t h t h ei n t r a - s e a s o n a lo s c i l l a t i o n si na t m o s p h e r e t h es p r i n gd r o u g h ti n2 0 0 4i ng u a n g x i o c c u r r e dd u et oac o c o n t r i b u t i o nf r o mb o t hi n t r a s e a s o n a lo s c i l l a t i o n so nt i m e s c a l e o f1 0t o3 0d a y sa n d4 0t o8 0d a y sw h i l et h ec o n t r i b u t i o nf r o m1 0t o3 0d a y s o s c i l l a t i o ni sd o m i n a n t t h es u m m e rd r o u g h ti n2 0 0 3i sa l s or e s u l t e df r o mt h e c o c o n t r i b u t i o no fo s c i l l a t i o n so f10t o2 0d a y sa n d6 0t o9 0d a y s ，o fw h i c h10t o2 0 d a y so s c i l l a t i o np l a y sam o r ei m p o r t a n tr o l e k e y w o r d s ：n o n r a i n yd a y s ，d r o u g h t ，s p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， a t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o na n o m a l i e s ，i n t r a s e a s o n a lo s c i l l a t i o n v i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本论文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 吼芦年伸7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 日期：砷年y 月 似 日 导师签名： 日期：年月日 1 1 研究目的及意义 第1 章引言 在众多危害经济建设和人民生活及生命财产的自然灾害中，干旱是最主要的 气候灾害之一，因其出现的次数最多、持续时l 、日j 最长、影响范围最大，给国民经 济特别是农业生产带来的直接损失最重，而且还对环境有潜在影响。尤其值得注 意的是，随着人类的经济发展和人口膨胀，水资源短缺现象日趋严重，这也直接 导致了干旱地区的扩大与干旱化程度的加重，干旱化趋势己成为全球关注的问 题。我国幅员辽阔，地形复杂，且受季风气候影响，在全国境内，除了局地性或 区域性的干旱灾害几乎每年都会出现外，大范围的严重干旱也时有发生。据历史 记载，在我国近5 2 0 年来，共出现了8 次特大旱灾( 持续2 年以上并造成巨大 损失的大范围严重干旱) ，平均6 5 年一遇。历史上的特大旱灾往往都是涉及西北 东部至华北地区，重旱范围一般都包括淮河以北到海河以南的整个黄河流域的广 大地区。特大旱灾使整个社会经济崩溃，引发社会动荡和政治变迁。广西地处我 国南部，位于北纬2 0 。5 47 2 6 。2 37 ，东经1 0 4 。2 97 1 1 2 。0 47 ，南临北 部湾，与南海相连，东接广东，与太平洋相近，西靠云贵高原，北与湖南毗邻且 离东西向秦岭山脉不远，地形地貌复杂，水系纵横交错，地势差异大。广西属亚 热带季风气候区，主要特征是夏长冬短、雨热同季，夏季气温高、降水多，冬季 天气干冷。广西有四个多雨中心，分别位于桂南防城、桂中金秀一昭平、桂东北 的桂林和桂北的融安，年降雨量均在1 9 0 0 毫米以上；而桂西左、右江谷地和桂 中盆地则是主要旱区，年降雨量仅为1 1 0 卜1 2 0 0 毫米。旱灾是广西出现频率较 高、损失较严重的一种自然灾害，是制约广西经济发展的重要因素之一。据统计 瞳1 ，广西受大风、寒潮、洪涝、干旱等灾害的侵害，干旱灾害占6 0 ，洪涝灾害 占1 3 ，其他灾害占2 7 。广西为农业大省，农业生产受气候的影响大，干旱则 是制约广西农业生产最主要的灾害之一。发生于3 - 5 月春播春种期问的春旱对春 作的播种育秧影响极大，严重影响春季的农业生产进度；发生于7 9 月夏收秋种 期问的夏秋旱则对秋作的种植及生长发育影响严重，会大大降低秋作的产量及品 质；发生于1 2 月至次年2 月的冬旱则使森林火险等级居高不下，导致火灾的发 生机率大大提高。此外，勤劳智慧的广西人民善于利用丰富的水力资源，大大小 小、高效环保的水力发电站遍布全区，昼夜不息地为广西人民提供生产和生活用 电，同时，天然美丽的山水还为广西营造了数不胜数的风景名胜，因此，干旱对 广西的电力及旅游经济也会产生重要的影响。钟利华等。”通过对广西2 0 0 3 2 0 0 5 年高温、干旱天气气候事件及其对电力供求影响的分析发现，广西2 0 0 3 - - 2 0 0 5 年高温、干旱灾害强度偏强，频率增大，季节性、持续性的干旱造成广西水力发 电量呈负增长状态，由于电力负荷加大，水力发电量供应不足，使广西电力供求 呈紧张的局面，2 0 0 3 ，- - - 2 0 0 5 年出现了不同程度的拉闸限电现象。 综上所述，干旱不但直接影响到人们的同常生活、工农业生产以及其他各行 各业，同时还在一定程度上制约着广西经济的发展与腾飞。因此，通过分析广西 干旱的气候特征及成因，可以为干旱的预测预报提供科学的参考依据，从而为广 西的经济发展提供科学的决策参考。 1 2 国内外研究现状 干旱的成因机制一直以来都是各国科学家关于干旱事件研究的重点。 h o e r l i n 等h 1 用大气环流模式( g c m s ) 分析和模拟了1 9 9 8 2 0 0 2 年问全球中纬度 地区大范围干旱现象的成因后认为，海温异常与这些干旱事件的形成密切相关。 b a r l o w 等晦1 认为，e n s o 事件所导致的异常气候事件是1 9 9 8 2 0 0 1 年间中亚、西 南亚持续干旱的主要原因。b a r l o w 等1 通过研究太平洋海温变化的三种模态 ( e n s o 、p d o 和n p ) 与美国夏季旱涝之间的关系，认为这三种海温变化模态在美 国长期干旱事件中起着重要作用。s h a b b a r 等盯1 对海温变化与加拿大夏季干旱作 了研究，并分析了利用海洋或海气耦合模式来提高干旱预报时效的潜在可能性。 刘永强等口3 也研究了e n s o 事件与我国旱涝灾害的关系。黄荣辉等砷1 认为，我国旱 涝气候灾害的年代际变化与热带太平洋海温、热带w a l k e r 环流的年代际变化密 切相关。关于华南旱涝的成因，i j f 人也做了较多研究。许孟英等n 伽研究了华南初 夏干旱年份的季风环流特征；常越等对华南旱、涝年前汛期的水汽输送特征进 行了对比分析；毛连海等n 2 1 认为，近5 0 年副高通过对华南至江淮涡度的影响， 进而影响华南至江淮的旱涝；徐蕾如等n 3 1 分析了e n s o 与华南降水的关系，认为 e n s o 年3 6 月华南内陆降水偏少而沿海偏多；吴迪生n 伽等认为海气相互作用对 2 广东旱涝有明显影响。对于广西干旱的成因，前人也做了一些的研究。俞同新等 踟从大气环流特点、阿情和水情等方面分析了1 9 8 9 年广西的旱情。此后，彭本 贤n 町对1 9 9 1 年广西干旱的天气气候特征及其成因作了分析。李贻美n 7 1 也从气候 成因、旱情和水情等方面对1 9 9 1 年广西的春早进行了分析比较。王艳兰等n 砌研 究了1 9 9 8 年秋1 9 9 9 年春桂林秋冬春三季连旱的特征及成因，其认为，严重干 旱与欧亚大气环流异常密切相关，而副高是造成该次严重干旱的主导系统。而黄 雪松等n 叫则对2 0 0 3 年夏 - 2 0 0 4 年冬广西的旱灾成因及特征进行了研究，认为该 年干旱的环流背景为：东亚高度场普遍偏高，环流以纬向为主，1 0 0 。e 以东、 5 0 。n 以南主要受单一的副热带高压系统控制，其结果与王艳兰等n 踟一致。李耀 先等心州对广西干旱的气候成因进行了比较系统的探讨，分别研究了季风环流、热 带气旋、南海高压和印度低压以及e n s o 事件对广西干旱的影响，其认为，广西 各月干旱与副高强弱有关，热带气旋入浸次数偏少的年份广西易出现夏秋干旱， 南海高压强度弱则广西冬春雨水偏少，e n s o 事件对广西降水有显著影响从而影 响到广西各季的干旱。唐伍斌瞳采用e o f 分析广西秋冬旱涝时空分布和年际变化 特征，认为近几年广西秋旱明显，与5 0 0 h p a 高度场有关，乌位尔山东面槽涝年 明显比早年深，南海高压偏强，副高较弱；冬季涝年冷空气路径偏南、青藏高原 位势低，不断有小槽东移影响广西。李宇中等心踟也认为，秋季大陆副高偏强是导 致广西秋季异常干旱的重要原因，广西秋季降水存在着年代际和年际两个显著振 荡周期，以e n s o 事件为代表的赤道太平洋地区热力振荡和太阳活动周期性变化 是这两种振荡的重要影响因子。吴林等分析了广西贺州地区3 0 年来干湿情况， 认为该区域近3 0 年来无极端干旱或极端湿润出现，但未来几年干旱指数处于增 强趋势中。 对干旱的研究，干旱指标的确定是一个重要的前提。关于气象干旱指标，国 内外学者曾有过较多的研究。2 0 世纪初叶，美国曾采用“连续少雨同数”瞳4 2 5 3 来作为干旱的标准，1 9 6 0 年代以后，又开始采用与气象、土壤、蒸散等因素相 关的综合“机理性干旱指标”，如p d s i 1 、c m i 心7 1 等。意大利l eh o u o r o u t 等啪3 采用“可靠降水指标”来研究非洲大陆的干旱状况，澳大利亚干旱监测中心幽1 则以“持续少雨月数”作为干旱标准。此外，还有降水距平百分率引、标准化降 水指数口h3 2 1 等。我国的气象干旱指标也多采用降水距平百分率、湿度指标及z 指 3 数等口3 3 4 | 。德国科学家c u b a s c h 等口朝则采用a w t p 指数作为干旱划分的指标，梁 巧倩等汹1 曾用以作过广东冬半年干旱的分析。 李茂松等。行3 认为，中国旱灾发生具有明显的时空分布规律。从全国范围看， 春夏季节旱区主要在黄淮海地区和西北地区；夏秋季节旱区转移至长江流域，直 至南岭以北地区；秋冬季节则移至华南沿海；冬春季节再由华南扩大到西南地区。 从干旱的地区分布看，华北、西北和东北经常有春旱，有时出现春夏连旱；秦岭、 淮河以北春夏连旱较频繁，夏旱次之，个别年份有春、夏、秋连旱，该地区由于 降水较少且变率大，干旱发生频率居全国之首，加上该地区人口较多，耕地资源 丰富，形成水土资源不平衡，是较突出的受旱区；秦岭、淮河以南，南岭以北多 夏旱( 伏旱) 和秋旱，华南南部干旱主要集中在冬春季和秋季，个别年份有秋、冬、 春三季连早；j j i 西北多春、夏旱，川东多伏旱：北部和西北地区、青藏高原大部 地区属常年干旱、半干旱气候，旱灾对这些地区的农业生产也造成严重的影响。 李克让等m 1 认为，中国的多旱及重旱区主要发生在黄淮海、东南沿海、西南和东 北西部地区，以黄淮海地区的干旱范围最大，旱情最重；平均干旱持续时间，特 别是最长持续期9 个月以上的区域主要发生在我国北方的西北、华北、内蒙古东 部和东北西部、淮河中下游以及云南北部；近4 0 年，整个中国的干旱指数存在 着线性增长趋势，其中以东北、华北、华南和西南的趋势最为明显。由于受全球 气候变化的影响，广西干旱的时空变化也呈现出一定的规律性，对此，前人曾做 了一些研究。智协飞等旧1 认为，南方干旱发生季节多集中在夏秋季或秋冬季，近 年来华南地区发生干旱多为秋冬旱或冬春旱，个别年份有秋、冬、春连旱，夏旱 较少。李耀先等啪1 通过选取桂林、柳州、河池、百色、贺州、梧州、贵港、玉林、 钦州、北海、东兴等1 2 个站为代表站，根据建国以来各站逐年逐月的降雨量距 平，确定各站干旱轻、中、重的等级指标，在此基础上，分析了广西干旱的类型、 出现频率以及时空分布特征。陈国保等h 伽根据玉林市春、夏、秋三个季节干旱对 农业生产的影响，参照历年的旱情资料，确定出干旱的农业气象指标，分析了近 5 0 年来玉林市干旱的发生规律。周游游等n 门通过对有关资料的分析、计算，从 造成干旱的气候、喀斯特地质背景及人类活动3 个方面的主要因素，分析干旱的 形成原因及量化干旱程度，研究结果表明，气候因素是产生干旱的基本原因。覃 义珍h 纠也从气象干旱、农业干旱和生活干旱等方面分析了广西中部地区的干旱特 4 征，并从自然因素和人为因素两方面分析了广西中部地区干旱的成因，结果显示， 因地形地貌对降雨的影响是造成干旱最重要和决定性的因素。 1 3 本文的研究内容 前人对广西干旱的研究，主要归结为两个方面。一方面是在干旱指标上多从 某个时段如月或季等累积雨量距平的角度入手，以此来确定干旱的发生及等级。 事实上，由于降水的时空分布的不均匀性，雨量偏多的季节仍可能出现严重的干 旱，这是因为有较长连续无降水时段的存在；而如果降水的时空分布比较均匀， 则雨量偏少的年份也可能无旱灾发生，因而在干旱时空分布特征分析上带有一定 的局限性，大气水分平衡考虑的也少。另一方面是在干旱成因分析上多是分析同 期大气环流特征，且大多数以5 0 0 h p a 环流场为研究对象，对前期的环流特征研 究较少，台风影响、与e n s o 等的关系分析以统计分析为多，对于季节性干旱的 分析，以秋、冬旱的居多，分析春、夏旱的比较少，对广西区域春、夏季干旱事 件的大气环流特征及其机理进行比较全面系统的分析极少有人做过。因此，本文 将从逐日降水量的角度入手，引入“季节无雨同”作为划分干旱的标准，采用 e o f 分析等方法来分析广西干旱的时空分布特征，运用n c a r n c e p1 2 层逐同资 料、n o a a 海温资料、国家气候中心的7 4 项环流特征量资料等，采用小波分析、 带通滤波分析等方法，对广西春、夏两个季节的干旱成因进行分析，并选择了广 西近年来春季和夏季因无雨同偏多而产生干旱的两个典型年份，进行干旱成因分 析，从而寻求春、夏早的发生与大气环流的演变与相关。具体研究以下内容： 1 、广西干旱特征的统计分析 ( 1 ) 各季节降水量、无雨日、相当干期的气候平均特征 ( 2 ) 各季节降水量、无雨同、相当干期的时间变化特征 ( 3 ) 各季节无雨日的时空演变特征 ( 4 ) 各季节干旱频数和持续性干旱( 跨季节、跨年度干旱) 频数特征分析 2 、广西春季、夏季干旱事件的大气环流特征及机理分析 3 、广西近年春旱、夏旱典型个例分析 5 2 1 资料 第2 章资料和分析方法 本文使用的资料主要有： 1 ) 广西气候中心整理的1 9 6 1 - 2 0 0 7 年3 2 个气候代表站的逐日降水量资料。 2 ) 1 9 6 1 2 0 0 7 年共4 7 年n c a r n c e p 再分析资料逐日资料子集中的高空1 2 层纬向风u 、经向风y 、p 坐标垂直速度缈、位势高度h g t 和比湿9 等资料。具 体来讲，高空1 2 层分别为1 0 0 0h p a ，9 2 5h p a ，8 5 0h p a ，7 0 0h p a ，6 0 0h p a ， 5 0 0h p a ，4 0 0h p a ，3 0 0h p a ，2 5 0 h p a ，2 0 0h p a ，1 5 0h p a ，1 0 0h p a ，其中比 湿q 在3 0 0h p a 以上为0 。上述资料格式为经纬度网格点，分辨率为2 5 。2 5 ”。 3 ) 1 9 6 1 2 0 0 7 共4 7 年n o a a ( e x t e n d e dr e c o n s t r u c t e ds e a s u r f a c e t e m p e r a t u r e ，v 2 ) 扩展重构全球海表温度资料，资料存放格式为经纬度网格点， 分辨率为2 0 。2 0 。 4 ) 1 9 6 1 2 0 0 7 共4 7 年n c a r n c e p 再分析资料逐月资料子集中的全球海平面 气压资料，资料存放格式为经纬度网格点，分辨率为2 5 。2 5 。 5 ) 1 9 6 1 - 2 0 0 7 共4 7 年由n c a r n c e p 再分析资料算得的垂直积分( 地面一 3 0 0 h p a ) 水汽通量资料，分辨率为2 5 。2 5 。 6 ) 国家气候中心气候系统珍断预测室再处理的7 4 项环流特征量资料。 2 2 计算及分析方法 2 2 1a w t p 指数及一次连续干期的计算方法 a w t p 指数方程由c u b a s c h 等。惦1 ( 1 9 9 5 ) 提出，以无降水日作为统计日，定 义下次降水的平均等待时间( a w t p ) 为：对于给定时间长度为l 天的时间序列，有 awtp=芝f(-)妻(圭1i=1) c 2 一t ， = lf ( i ) l 了ii ( 2 一1 ) 1，= l “j 其中i 为某相邻两次降水的干期时间( 天) ，n 为该时间序列出现的最长干期天 数，f ( i ) 代表在l 天的时间序列内出现长度为i 的干期次数。a w t p 指数的意义 可以通过下面的例子来说明： 6 假设有三个长度都为3 6 0 天的时间序列a 、b 和c ，其中a 和b 都有5 0 的日 子( 即1 8 0 天) 出现降水，其中a 序列中的降水隔天发生，b 序列中前1 8 0 天无 降水，后1 8 0 天连续降水；而c 序列中前9 0 天无降水，后2 7 0 天连续降水。对 a 序列：l = 3 6 0 ，n = i ，f ( 1 ) = 1 8 0 ；对b 序列：l = 3 6 0 ，n = 1 8 0 ，f ( 1 8 0 ) = l ，当i = 1 ， 2 ，1 7 9 时，f ( i ) = o ；对c 序列：l = 3 6 0 ，n = 9 0 ，f ( 9 0 ) = l 当i = 1 ，2 ， 8 9 时，f ( i ) = o 。根据( 2 1 ) 式，有 a w t p ( a ) = 1 8 0 1x 二= o 5 ( 天)( 2 2 ) a w t p ( b ) ：l 上1 8 0 + 上x1 7 9 + 上x1 7 8 + 上1 ：4 5 2 5 ( 天) ( 2 3 ) a w t p ( c ) ：1 ! 一x 9 0 + ! 一x 8 9 + + 一1 ：1 1 3 7 5 ( 天)( 2 4 ) 此例说明，尽管a 、b 两序列中无降水天数一样，但实际上序列b 中的干旱显 然要比a 严重得多，而a w t p 指数值能合理反映出这种差别。另外，a 序列中无 降水天数虽然比c 序列多，但c 序列中连续9 0 天无降水造成的干旱灾害显然比 a 突出，c 序列的a w t p 值比a 的值大正好反映出这一特征。因此，a w t p 反映了 某时段里干期( 无降水期) 持续时间及它们在整个时间序列中分布的综合效果，可 以用来衡量平均干期的长短或干旱灾情的轻重程度。 为了比较方便，也可以把a w t p 值转换为一次等效的连续干期i ( 即一次持 续无雨的时段的天数，以下简称相当干期e d p e q u i v a l e n td r yp e r i o d ) ，则由 ( 2 一1 ) 式有a w t p = ( i + 1 ) i 2 几，因此，可通过求解一元二次方程得到i 值： e d p = i = 一去+ 扛而两两 ( 2 - 5 ) 2 2 2 水汽汇及水汽通量矢量计算方法 全球逐日高空逐层水汽q 2 可由水汽方程倒算得到n 3 1 ，其计算公式如下： = - l 陪旷o v q + ( o 瓦a q ( 2 - 6 ) 其中q 为比湿，矿为水平风，缈为p 坐标垂直速度，l 为凝结潜热常数。q 2 还可 以表示为 q 2 乩c - e ) “警 ( 2 _ 7 ) 7 其中c 为凝结率，e 为蒸发率q 2 ，符号“表示相对于大尺度值的偏差量，符 号“”表示水平平均。对( 2 - 7 ) 式垂直积分可得 ( q 2 ) = 吉e q 2 勿( p d ( 2 8 ) 其中p 为降水量，e 为地表涡旋水汽能量( 即蒸发量) ，p 。为地面气压。由于3 0 0 h p a 以上几乎没有水汽，n e c p 资料高空3 0 0 h p a 以上比湿q = 0 ，故p t = 3 0 0 h p a 。 单位水平面积气柱整层大气水汽输送通量矢量虿= ( 9 ，g ) 可由下式来计 算，即 西= 吉赡旷g 咖= g - s ：( “，v ) g 勿 ( 2 9 ) 式中各物理量的含义与前相同，u 、v 分别为纬向风和经向风分量。 另外，本文对计算出的逐同水汽汇及水汽输送通量分别进行月平均和季平均 处理，得到逐月和季节的水汽汇及水汽输送通量。 2 2 3 小波分析方法 小波分析h 们亦称多分辨率分析，是近年来国际上十分热门的一个前沿领域， 被认为是f u r i e r 分析方法的突破性进展。小波分析方法具有以下优点：( 1 ) 在 时域和频域同时具有良好的局部性质；( 2 ) 可以将信号或图象分解成交织在一起 的多尺度成分，并对各种不同尺度( 层次) 成分采用相应的时域或空域取同样步 长，从而能够不断地聚集到所研究对象的任意微小细节。因此，近1 0 年来小波 分析已被广泛应用于多种学科领域的研究中，在大气科学中常被用来作气候序列 的时频结构分析。下面简单介绍这一方法。 由小波分析理论可知，若函数甲( f ) 满足下列条件的任意函数 j 二甲( f ) = o ( 2 1 0 ) 仁旧旧 防 其中甲( f ) 叫基本小波或小波母函数，易( 缈) 是甲( f ) 的频谱。令 妙啪( f ) = 忑1 沙( 了t - b ) ，口，6 尺，口。( 2 - 1 2 ) 妙( f ) 称为由母小波、壬，( f ) 生成的依赖于参数a 、b 的连续小波，它是双窗函数， 一个是时间窗，一个是频率谱。沙( f ) 的振荡随亩的增大而增大，因此，a 是 频率参数，b 是时间参数，表示波动在时间上的平移。定义函数f ( t ) 小波变换的 连续形式为 c o 曲) = ( f ，= 去e 阳，歹( ) d t ( 2 - 1 3 ) 其中，符号“一 表示共轭，符号“ 表示内积，缈f ( a ，b ) 称为小波系数。 由小波变换的定义可知，小波系数是通过f ( t ) 在整个时间域上的积分中得 到的，现在要把它化为有限时问域内的积分。由式( 2 - 1 2 ) 可以看出，积分对时 序函数f ( t ) 是线性的，即 ( o f l + t 2 f ( a ，b ) _ ( o f 。( a ，b ) + 国f 2 ( a ，b ) ( 2 - 1 4 ) 根据式( 2 1 0 ) ，当国f ：( a ，b ) 2 常数时，有 ( o f l + t 2 f ( a ，b ) - ( o f 。( a ，b ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 5 ) 式为我们提供了一个计算小波系数值的方法。由于小波母函数的速 降性，边界外的值对给定点的小波系数影响甚小。对于任何有限区间的时间序列， 总可以分解为平均值和距平值两部分，即f = 7 + 厂，若简单地认为有限区间外 f = 0 ，则可以得到 国f ( a , b ) = c o f i ( a ，b ) ( 2 - 1 6 ) 即 鹏b ，= 去胁t ，歹( ) d t 浯 这样就可以把小波系数的计算简化为有限区域内一个时间序列的距平值与 小波母函数的共轭佰的乘积了。试验结果表明，这种简化是有效的。 9 小波系数中的小波母函数不是固定不变的，而是根据所研究问题的特点进行 选取。常用的小波母函数m o r l e t 小波在显示时间序列周期方面有优势，故本文 选用m o r l e t 小波 少( f ) ：万一_ e x ip ( i 国o t ) e x p ( 姜) ( 2 1 8 ) 其中国。为非空问化频率，在计算中通常取为常数6 0 。复数形式的m o r l e t 小波 比实数形式小波有更多优点，它的实部和虚部的相位差詈可以消除实数形式小波 变换模的振荡，而且还可将模和位相分离开，其实部和虚部可分别作为两个子波 函数看待，模可判断信号不同时空尺度的结构及其突变点的位置，而虚部为双对 称小波函数。 2 2 4 带通滤波分析方法 气象研究中，当需要滤出某一感兴趣的波段或频率带的振动时，可使用带通 滤波器h 5 1 。本文选用m u r a k a m i ( 1 9 7 9 ) 构造的基于一级b u t t e r w o r t h 函数的带通 滤波器，其滤波输出为 以= 口( 吒- x k 一2 ) - b l y , 一l - 5 2 2 , 一2 ( 2 1 9 ) 其响应频率函数为 酢，= 蔫等 浯2 。， 为确定其中口、6 i 、6 2 三个参数，必须先给出三个频率、q 和哆( 彩= 等) 中的两个。是带通滤波器的中心频率，该处的响应函数为1 0 ；q 和哆在 两边的频率值，该处的响应函数都为0 5 ；由q 和哆组成滤波器的带宽，一旦 其中两个频率已知，可用下式求出第三个频率：喀= q 哆。只要知道了取样时 阳i 阳l 隔a t ，三个系数分别由下列各式定义 l o 其中 2 q 4 + 2 a q - i - 饼 6 l ：掣 1 4 - i - 2 a q + 鲜 反：兰二兰塑g 4 + 2 q + 鲜 施i i s i n c o , a ti i 一 is i n c 0 2 哆a t - t - c o s o ) l a t c o s a t l l li l +织i 嗡2 再磊4s i 面nc o 顶, a ts 鬲i nco丽2at ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 实际计算分两步。第一步，由时间序列用( 2 1 9 ) 式先计算出初步的过滤值， 即各个y 。值，在计算之前应先除去时间序列的平均值和线性趋势。第二步，把过 滤值y 。从时间上倒过来，再过滤一次求得最后的过滤值，这种作法使各种频率都 不会产生位相移动。 2 2 5 经验正交函数( e o f ) 分析方法 经验正交函数分解4 l ，又称为主分量分析，是气象统计分析的常用方法之一， 它能够把随时间变化的气象要素场分解为空间函数部分概括场地域分布特点，这 部分是不随时间变化的；而时间函数部分则由空间点( 变量) 的线性组合所构成， 成为主分量，这些主分量的头几个占有原空间点( 变量) 的很大部分，研究主分 量随时间变化的规律就可以代替对场的随时间变化的研究。 设抽取气象要素场样本容量为n 的资料，则场中任一空间点i 和任一时问点 j 的距平观测值x t - 可看成由m 个空间函数和时间函数( k = 1 ，2 ，3 ，m ) 的 线性组合，表示成 嘞= = k l y i ，+ + _ 2 y 2 ，+ + 咋，儿女 ( 2 2 4 ) 七= l 上述分解还可以表示成矩阵形式 式中x 为，l ，l 距平资料矩阵，阵中元素吻( i = l ，2 ，3 ，m ； j 2 1 ，2 ， 3 ，n ) 为距平值，即阵中元素满足下式 ( 2 2 5 ) 式中 v = m lv 1 2 h m v 2 1v 2 2 屹m 哆v p 2 圭窆嘞= o 7 产l y = y l iy 1 2 y l n y 2 1y 2 2 y 2 q y p ly p 2 yp n ( 2 - 2 6 ) 以_ 2 善屹2 1 后= 7 ( 2 2 7 ) 1n l 么一z ， l y , y l = z