长江上游面雨量低频特征分析

(1.武汉区域气候中心，湖北 武汉 430074； 2.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443133)

大量研究表明，热带和中高纬带大气都存在着显著的季节内低频特征。Madden和Julian[1]利用1957～1967年坎顿岛的观测资料，首次发现热带大气纬向风和气压场存在40～50 d周期的低频振荡。李崇银[2]指出北半球30～60 d振荡主要存在着欧亚-太平洋和太平洋-北美两个低频遥相关，中高纬度和热带大气30～60 d振荡的影响就主要通过这两个低频波列进行的。此外，大气还普遍存在着10～20 d准双周低频振荡和10～30 d低频振荡。Murakami[3]研究印度季风的谱分析中首次发现准双周低频振荡。孙淑清[4]发现副热带高压存在10～20 d周期。刘慧斌等[5]发现东北冷涡具有显著的10～30 d低频振荡周期。

受大气环流低频特征影响，中国降水也存在着低频规律。王遵娅等[6]指出中国东南部夏季降水存在明显的准双周低频振荡特征。李勇等[7]研究结果表明2007年淮河流域降水强弱与对应低频周期存在联系。尹志聪等[8]和王黎娟等[9]认为江淮流域夏季降水具有明显的低频振荡特征。黄丽娜等[10]发现福建前汛期降水存在显著的低频周期，出现频率较高的前3个低频周期分别为10～20，30～60 d和20～30 d。魏晓雯等[11]分析了长江中下游大范围持续性强降水过程与30～60 d低频降水的联系。

已有的研究结果对大气和中国东部降水低频特征已有深入的认识，但对长江上游降雨的研究多以过程及影响分析为主，对其低频特征研究少。本文针对长江上游面雨量，在解决长江上游是否也存在低频振荡问题的基础上，展开低频特征分析，为进一步了解长江上游气候特征提供有价值的参考依据。

1 资料和方法

本文采用1961～2017年3～11月资料完整的长江上游流域276个气象站逐日降水量资料进行分析，资料取自湖北省信息保障中心。长江上游流域分区见文献[12]，可分为岷沱江、嘉陵江、宜宾-重庆、重庆-宜昌、乌江和金沙江。本文又将金沙江分为金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下，那么，长江上游流域共分为七大流域。

基于气象站点逐日降水量，利用泰森多边形方法[13-14]，计算长江上游七大流域的面雨量。本文采用的分析方法有功率谱、傅里叶带通滤波。

2 长江上游子流域面雨量低频周期

为了得到长江上游七大流域面雨量的显著周期，首先减去其气候态，滤去季节循环的影响，然后进行7 d的滑动平均，滤去高频信号，再对逐年面雨量分别进行功率谱分析，得到这57 a功率谱平均值，见图1。从图1可以看到：金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下的10～40 d周期非常显著，通过了红噪声检验；岷沱江、嘉陵江、宜宾-重庆、重庆-宜昌和乌江的10～25 d周期非常显著，通过了红噪声检验。低频周期分析结果表明，长江上游七大流域都具有显著的低频振荡特征，但周期有所不同，金沙江面雨量(包含金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下2个子流域，下同)具有显著的10～40 d季节内尺度的低频振荡，而其他5个子流域具有显著的准双周振荡。

3 长江上游子流域低频面雨量与总面雨量的关系

利用傅里叶带通滤波方法，对金沙江面雨量提取10～40 d低频信号，对长江上游其他流域提取10～25 d低频信号。表1给出长江上游七大流域低频面雨量占实际降水总方差的比例。从表1可以看出：低频所占总方差比例存在显著的年际差异，这与每年低频信号强弱有关。低频所占总方差比例最大值出现在1978年金沙江石鼓以上，为60.8%；最小值出现在2016年重庆-宜昌段，为25.2%。平均而言，对比7个流域发现，金沙江面雨量低频信号最明显，石鼓以上平均为49.7%，石鼓以下平均为46.8%；然后是嘉陵江流域面雨量，为40.5%；其次是乌江、岷沱江和宜宾-重庆，分别为37%，35.9%和35.7%；宜宾-重庆最少，为31.9%。

表1 1961～2017年长江上游子流域低频面雨量占实际降水总方差的比例Tab.1 Contribution of low-frequency areal rainfall to the total variance of rainfall over the Upper Yangtze River during 1961～2017

4 长江上游子流域低频强降水事件特征分析

参照文献[15]，低频强降水事件的选取方法为：基于上游七大流域逐日面雨量，利用傅里叶带通滤波方法滤波，再取标准化得到降水指数IR，连续3 d及以上不小于1，则定义为一个低频强降水事件。按照此方法在金沙江石鼓以上选取了351次，金沙江石鼓以下392次，岷沱江382次，嘉陵江394次，宜宾-重庆409次，重庆-宜昌417次，乌江440次，年均6～8次。逐年异常情况看，七大流域强降水事件次数最多年和最少年均出现在宜宾-重庆，2016年事件最多，出现了13次；2001年事件最少，出现了2次。

图1 1961～2017年长江上游流域面雨量功率谱分析(虚线表示红噪声检验)Fig.1 Power spectral analysis of areal rainfall over the upper Yangtze River during 1961 to 2017

表2～5分别给出长江上游七大流域低频强降水事件在频次、持续天数、降水强度和最大面雨量等特征量统计情况。分季节看，七大流域中任意一个流域的这4个特征量，夏季均是排在第1位；秋季除了宜宾-重庆频次、乌江降水强度和最大面雨量外，其他均多于春季，排在第2位；春季大部排在第3位。分流域看事件频次，乌江次数最多，年均7.72次，金沙江石鼓以上最少，年均6.16次。事件持续天数统计显示，金沙江(包含石鼓以上和石鼓以下)持续天数在3个季节均是最长的，共计14.4 d和13.8 d，其他流域为12 d左右。事件降水强度统计显示，重庆-宜昌在3个季节中强度均是最大，金沙江石鼓以上强度最小，且长江上游东部(嘉陵江、宜宾-重庆、重庆-宜昌和乌江)降水强度大于西部(金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下和岷沱江)。事件最大面雨量统计特征与降水强度一致。

表2 1961～2017年长江上游低频强降水事件的频次统计Tab.2 Frequency statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 次

表3 1961～2017年长江上游低频强降水事件的持续天数统计Tab.3 Continuous days statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 d

基于长江上游低频强降水事件时间序列，整理低频强降水过程，将各流域从时间上看为连续的低频强降水事件归为一个低频强降水过程，2 785次事件可归为1 159次低频强降水过程。图2给出了长江上游低频强降水过程特征统计情况。图2(a)给出低频强降水过程次数年际演变曲线，显示低频强降水过程次数年际差异较大，1965年和2016年过程最多，为25次，2004年和2012年过程最少，为15次。图2(b)给出了低频强降水过程次数随过程持续天数演变曲线，显示过程持续时间在3～14 d之间，随着持续时间增加过程次数在减少，持续时间在3～7 d的累计过程次数占总次数的80.5%，而持续时间在8 d及以上的过程次数基本不及7 d及以下过程的一半。图2(c)给出了低频强降水过程次数随流域数量演变曲线，这里统计的流域数量是指同一低频强降水过程发生时段内，长江上游七大流域出现低频强降水事件的流域数量。显示，随着流域数量增加过程次数在减少。当只有1个流域出现强降水事件的降水过程最多，为349次；2个流域和3个流域的降水过程相当，分别为228次和227次；7个流域同时出现强降水事件的降水过程也有发生，有28次。长江上游7个流域同时出现低频强降水事件的过程有21次发生在夏季，7次发生在秋季，持续天数在7～14 d之间。

表4 1961～2017年长江上游低频强降水事件的降水强度统计Tab.4 Intensity statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 mm

表5 1961～2017年长江上游低频强降水事件的最大面雨量统计Tab.5 Maximum areal rainfall statistics of low-frequency heavy rainfall events over the Upper Yangtze River during 1961～2017 mm

图2 长江上游低频强降水过程特征统计情况Fig.2 Characteristics statistics of low-frequency heavy rainfall processes over the Upper Yangtze River

5 结 论

本文基于长江上游七大流域的面雨量资料，应用功率谱分析了长江上游面雨量低频周期，应用带通滤波方法提取面雨量低频信号，定义并挑选了低频强降水事件和过程，统计分析其特征，得到以下结论。

(1) 通过功率谱分析，发现长江上游七大流域面雨量存在着显著的低频振荡特征，但周期有所不同，金沙江石鼓以上和金沙江石鼓以下这2个流域具有显著的10～40 d季节内尺度的低频振荡，而其他5个流域具有显著的10～25 d准双周振荡。

(2) 长江上游七大流域夏季低频降水事件在频次、持续天数、降水强度和最大面雨量这4个特征量上排第1，秋季次之，春季最小。流域间对比，乌江事件次数最多，金沙江石鼓以上最少；金沙江(包含石鼓以上和石鼓以下)持续天数最长，其他流域相当；重庆-宜昌降水强度和最大面雨量最大，金沙江石鼓以下最小。

(3) 进一步统计低频强降水过程特征，可将2 785次事件归为1 159次低频强降水过程。过程次数年际差异较大，在15～25次之间。随持续时间增加、流域数量增加，过程次数呈减少趋势。