1979～2016年西南地区夏季持续性降水的变化特征

谭 霞，周筠珺2，李明刚，刘 平

(1.成都信息工程大学大气科学学院，成都 610225；2.南京信息工程大学气象灾害预警与评估协同创新中心，南京 210044；3.四川省人工影响天气办公室，成都 610072)

引言

过去50年间，中国夏季降水有所增加，降水量、强度呈增加趋势，降水频率呈减小趋势。西南地区降水量、频率呈减小趋势，降水强度呈增大趋势，降水量在盆地明显减少，川东、西地区明显增加，川西南山地呈稳定的小幅增加趋势，黔南(北)呈缓慢减少(增加)趋势，滇东(西)呈平缓减少(增加)趋势[1-6]，其中川东降水量增加趋势的年际变化存在 2～3年、年代际变化存在15年左右的显著周期特征[7]。中国100°E以西的连阴雨日数有微弱增多趋势，但在西南地区则显著减少，且西南地区东部的连阴雨降水量逐年呈显著下降趋势[8]，但极端降水频数有增加趋势，袁文德等[9]采用百分位阈值法定义极端降水事件，发现西南地区1日最大降水量和极端降水比率均从东向西逐渐递减，极端降水量、降水强度和5日最大降水量均从东南部向西北部递减。故该地区极端干旱发生频次逐渐增多，极端洪涝发生频次夏季最多，总体逐渐减少[10]，其中持续性洪涝事件的持续时间、发生强度无明显变化趋势，但发生频率有减少趋势[11]。沈浒英等[12]发现1998年汛期亚洲地区盛行经向环流，西太平洋副热带高压持续偏南、偏强，亚欧地区中高纬度阻塞形势稳定，维持时间长。王伟等[13]利用多年逐月降水量资料，结合高度场和风场资料，发现欧亚地区中高纬地区环流(乌山、贝湖附近高度距平的变化) 以及西南地区上空伴随高度场出现的气旋性环流和反气旋性环流是直接影响西南地区夏季降水的重要环流因子。还有发现31候时南亚高压东脊点与西太平洋副热带高压西脊点之间经距与前一年的差距越大，该年西南地区夏季降水偏多[14]。也有研究发现春季位于赤道附近的印度洋和中东太平洋海表温度(SST)偏高，夏季南亚高压和西太平洋副高位置偏南，强度偏强，面积偏大且后者西伸明显，东亚和南亚夏季风偏弱，将有利于西南地区东部降水增多，该区域出现洪涝的可能性较大[15]。西南地区东部夏季气候变化和高原夏季风的变化关系密切[16]。唐佑民等[17]研究发现赤道东太平洋增温，黔西、黔南、川东、川南、滇北降水偏少，而滇南、盆地西部降水偏多，若赤道中太平洋偏西(日界线附近)增温，然后东传，上述地区降水呈相反的变化。胡容等[18]发现短波槽东移南下和西南涡东移北上是2012 年5月重庆暴雨过程的主要原因。2013年8月底重庆连阴雨过程中欧亚地区中高纬 500 hPa 呈“两脊一槽”型[19]。

已有研究分析了西南地区降水量、降水强度、降水频率和极端降水量、降水强度的分布特征和变化趋势，以及影响西南地区降水的天气系统和环流背景，缺乏对持续性降水的分布特征和变化趋势以及持续性降水异常年大气环流特征的研究。在全球气温持续增暖的背景下，近几十年来全球降水也发生着显著的变化，其最为突出的表现即为降水的极端化特征愈加明显[20]，与之相对应的，极端强雨或持续性(强)降水引发了近年来许多国家、地区洪涝灾害发生频繁。西南地区在夏、秋季节降水的持续性较好，该区域地质构造复杂，地貌类型多样，地势高差大，当一段时期内降水连续发生时，易发生泥石流，山体滑坡、洪涝等严重的气象灾害[21]。例如1981年7月泥石流冲毁成昆铁路利子依达沟大桥，造成一列客车坠落，300余人伤亡。2003年6月四川省甘孜州丹巴县岳扎乡的特大泥石流灾害，造成7人死亡，7人失踪，经济损失严重。2003 年7月四川丹巴县巴底乡的特大泥石流造成51人死亡[22]。

研究西南地区夏季持续性降水的气候特征及变化特征、长(短)持续性降水的时空变化特征、发生持续性降水的大尺度环流异常特征，可加深对变暖背景下降水及旱涝灾害变化规律的认识，能为气象灾害预测提供线索，为气象防灾减灾提供依据，具有重要的科学和实际意义。

1 资料与方法

1.1 资料

本文研究时段为 1979～2016 年逐年 6～8 月，使用的资料包括：

(1)中国气象局气象信息中心提供的 194 站点逐日降水资料。经过质量控制，剔除了研究时段内缺测过多的站点，最终选取了西南地区(21°～35°N，97°～111°E，包括四川、贵州、云南和重庆)25 个站点，其位置分布见图1。

(2)NCEP/NCAR逐月再分析资料，空间分辨率为：2.5×2.5。使用的变量有：经向风，纬向风，垂直速度。

1.2 长、短持续性降水的定义

(1)雨日、有雨时段和无雨时段参照李明刚等[23]的定义：

当某天降水量<1.0mm(考虑蒸发)或为 0mm 时，定义为无雨日，降水量≥1.0mm 时，定义为雨日；当第一个雨日到最后一个雨日连续M日都为雨日，定义为一次持续M日的有雨(降水)时段，同理，当第一个无雨日到最后一个无雨日连续M日都为无雨日，定义为一次持续M日的无雨时段。

(2)长持续性降水和短持续性降水的定义：

对于各个站点，将其38年夏季所有有雨时段按照持续天数进行升序排列，确定各站点 90%分位上有雨时段持续天数阈值，阈值计算参考了 Bonsal et al[24]的方法。基于各站点的有雨时段持续天数阈值，定义持续降水天数大于阈值的有雨时段为长持续降水，小于或等于阈值的持续性降水事件为短持续降水。

2 夏季持续性降水的气候平均态和长期变化特征

2.1 夏季持续性降水的气候平均态和变化趋势

1979～2016 年多年平均 6～8 月降水总日数存在西多东少的分布，由图 2a可见，西南地区西部夏季降水总天数相对较多，均在45日以上，其中云南省西南部最多，超过55日，而西南地区的其他区域相对较少，均不到45日，西南地区东部夏季平均总雨日则多在35日以下。从1979～2016年的各站逐年总雨日的变化趋势(图 2b)上看，西南地区绝大多数站点夏季降水总天数呈现减少的趋势，仅有少数站点呈增加趋势，但这些趋势呈显著变化的站点却并不多。可知在过去38年里，西南地区夏季的降水天数西多东少，且西南地区多数站点的夏季降水天数在减少，云南省西南部减少明显。

近 38 年夏季降水平均持续天数的气候平均呈现东短西长的特征(图 3a)。在西南地区降水持续天数多在3日以上，西南地区西部区域多在 3.5～4.5日之间，云南省西南部地区则在 4.5日以上。降水时段持续天数的变化趋势上(图3b)，四川地区多数站点呈变长趋势，变长趋势不显著，而西南地区其他区域绝大多数站点为变短趋势，且云南少部分站点变短趋势显著。无雨时段的持续天数可以反映出降水过程之间的间隔长短。气候平均6～8月无雨时段平均持续天数上(图 3c)，西南西部地区无雨时段平均持续天数最短，在4日以下；西南东部地区持续天数较长，在4～5日之间。其中四川东北部和贵州东部以及重庆市持续天数最长，达 4.5日以上。趋势变化上(图 3d)，无雨时段的持续天数在西南地区大多数站点变长，少数站点无雨时段的持续天数变短且分布零散。表明在过去38年里，西南地区平均夏季持续性降水平均持续天数东短西长；四川地区多数站点夏季持续性降水平均持续天数变长，变长不显著，其他区域绝大多数站点变短，云南少部分站点明显变短。西南地区平均夏季持续性无雨平均持续天数东长西短；大多数站点夏季持续性无雨平均持续天数变长，变长不显著，少数站点变短。在西南地区东部，降水的持续天数短而间隔时间长，反映出利于发生干旱的降水持续特征；与之相反，在西南地区西部，降水持续天数长且间隔短，体现为利于产生洪涝的降水持续特征。

2.2 夏季持续性降水的年际及年代际变化特征

上述分析表明，西南地区站点降水持续特征的趋势变化存在较好的区域一致性。基于此，我们选取的(21°～35°N，97°～111°E)范围内的共25个站点(图 1a)，以这 25个站点的算术平均值作为西南地区的区域平均结果。近 38年西南地区 6～8 月降水平均持续天数存在明显的由长变短的长期变化。图 4a 显示，1990 年代西南地区降水持续天数较长，其年代均值为3.79日，长于 38 年平均值(3.65日)，其中 1991 年和 1995 年降水平均持续天数超过4日，为 38 年中降水平均持续天数最长的两年。2000～2016年降水平均持续天数为3.58日，明显短于 1980年代的年代均值 3.62和 1990年代的年代均值3.79日，且亦短于多年平均。一段时期内，持续性降水事件的平均降水天数多，可说明该时期内降水的持续性较强。图 4b 显示， 1980 年代和 1990年代西南地区无雨持续天数较短，两个年代均值分别为 3.81日及3.83日，均短于38年平均值(3.85日)，其中1992年和 2006年无雨平均持续天数超过4.5日，为38年中无雨平均持续天数最长的两年。2000～2016年无雨平均持续天数为3.88日，明显长于1980 和 1990年代，亦长于多年平均。一段时期内，持续性无雨事件的平均持续天数长，可说明该时期内降水的间隔较久。

在1979～2016 年38 年里，西南地区持续性降水事件平均持续天数与持续性无雨事件平均持续天数呈相反的变化，持续性降水事件平均持续天数逐渐变短(故该区域持续性降水事件降水强度和总降水量也会改变)，该地区持续性无雨事件平均持续天数逐渐变长。针对西南地区的各个站点，对 1979～2016 年 38 年中 6～8 月的所有持续性降水事件按其降水持续天数进行升序排列，得到每个站点 90%分位上降水持续天数阈值。在西南地区西部，绝大多数站点阈值≥ 6 日(图 5a)，四川西部和云南西南部区域多为≥ 7 日，90%分位上降水持续天数阈值最长的地区为云南省西南部，达10 日。这种分布符合我国西南地区降水持续天数由东向西逐渐递增的特征。对于区域内的每个站点，当一次降水时段的持续天数大于该站点的阈值时，记为一次长持续性降水事件；当一次降水时段的持续天数小于或等于该站点的阈值时，记为一次短持续性降水事件。图 5b 给出了西南地区长持续性降水事件平均持续降水天数(事件平均)。可以看出，西南地区西部区域长持续性降水事件平均持续降水天数> 9 日，云南省西南部地区长持续性降水事件平均持续降水天数>12 日，且其少部分区域长持续性降水事件平均持续降水天数> 15 日。表明降水持续天数阈值东短西长，大部分区域阈值>5；西部区域的长持续降水事件的平均降水天数>9，且云南西南部的长持续降水事件的平均降水天数更大。

西南地区所有雨日的区域平均如图 6a所示，1980 年代和 1990 年代西南地区平均降水天数较多，两个年代均值分别为 44.28日及 44.65 日，均长于 38年平均值(43.96 日)，其中 1998 年平均降水天数超过 50 日，为 38 年中平均降水天数最长的一年。2000 年以后，平均降水天数由长变短，年际变率亦变大。2000～2016年平均降水天数天数为 43.25 日，明显短于1980 和 1990 年代，亦短于多年平均。图 6b为西南地区所有长持续性降水事件平均持续降水天数(逐年统计平均)的区域平均，可知1980 年代和 1990 年代西南地区长持续性降水事件平均持续降水天数的年代均值分别为 5.81日及5.86日，均长于38年平均值(5.41 日)，其中 1986年 、1995年和1999年长持续性降水事件平均持续降水天数均超过 7.5 日，为 38 年中长持续性降水事件平均持续降水天数间最长的三年。2000～2016年长持续性降水事件平均持续降水天数为4.89日，明显短于1980和1990年代，亦短于多年平均。一段时期内，长持续性降水事件平均持续降水天数短，可说明该时期内长持续性降水事件的持续降水天数普遍较短，反之亦然。西南地区所有短持续性降水平均持续降水天数(逐年统计平均)的区域平均如图 6c所示，1990年代西南地区短持续性降水事件平均持续降水天数长，其年代均值为3.19日，长于 38年平均值(3.15 日)，其中1995、1998、2000年和2005短持续性降水事件平均持续降水天数超过3.3日，为 38 年中无雨平均持续时间最长的四年。2000～2016年短持续性降水事件平均持续降水天数为3.13日，明显短于1990年代，亦短于多年平均。一段时期内，短持续性降水事件平均持续降水天数长，可说明该时期内短持续性降水事件的持续降水天数长普遍较长，反之亦然。综上西南地区夏季降水天数、夏季长持续性降水平均持续降水天数、夏季短持续性降水平均持续降水天数均呈减少趋势，其中夏季长持续性降水平均持续降水天数减少趋势显著性(显著水平为0.05)。

近 38年气候平均 6～8 月长持续事件降水总天数占平均持续降水总天数的比值呈现出东小西大的特征(图 7a)。在西南地区西部区域其比值>17%，在川西和云南省西南部地区其比值>20%。气候平均 6～8 月短持续事件降水总天数占平均持续降水总天数的比值呈现出东大西小的特征(图 7b)，在西南地区东部区域其比值>84%，在川西和云南省西南部地区其比值<78%。长持续事件降水总天数占持续降水的总天数的比值变化趋势上(图 7c)，四川地区部分站点呈增加趋势，而西南地区其他区域绝大多数站点为减小趋势。且少部分站点减小趋势显著。短持续事件降水总天数占持续降水的总天数的比值变化趋势上(图 7d)，四川地区部分站点呈减小趋势，而西南地区其他区域绝大多数站点为增加趋势，且少部分站点增加趋势显著。综上西南地区各站点长持续降水事件的总天数占持续性降水总天数的比例与短持续降水事件的总天数占持续性降水总天数的比例呈相反的变化趋势；多数站点(南部)长持续降水事件的总天数占持续性降水总天数的比例呈减少趋势，且部分站点减少趋势显著。

上述分析揭示出，近38年西南地区持续降水特征存在显著的年际变化。进一步，将西南地区长、短持续性降水事件降水平均持续天数的年际信号进行了分离(图 8a、8b)。2000年以前，长持续性降水事件的降水平均持续天数处在高值年代，年际变率相对较小，年际分量标准化值>1的年份多出现在此时段内(表 1)，2000年以后，长持续性降水事件的降水平均持续天数进入低值年代，年际变率变大，年际分量标准化值<-1的年份则多出现在此时段内(表 1)。2000年以前，短持续性降水事件的降水平均持续天数处在高值年代，年际变率相对较小，年际分量标准化值>1的年份大多出现在此时段内(表 2)，2000年以后，短持续性降水事件的降水平均持续天数进入低值年代，年际变率变大，年际分量标准化值<-1 的年份大多出现在此时段内(表 2)。

表1 年际时间尺度上西南地区夏季长持续性事件平均降水持续天数的偏多和偏少年份(标准化值不小于 1 个标准差)

表2 同表1，为短持续性事件

结果表明：2000年之前，长持续和短持续降水持续天数都偏多，即持续性降水的持续性较强，2000年之后，长持续和短持续降水持续天数都偏少，即持续性降水的持续性偏弱。故西南地区持续性降水事件持续天数呈现在 2000年前异常偏多，2000年后异常偏变少的特征，即西南地区持续性降水的持续性在 2000年前后由强变弱。

长持续降水总降水量与长持续降水总天数呈同相变化，增减趋势一致(图9a)，长持续降水平均持续天数偏多年(1986年、1995年、1999年、2002年、2007年)其总降水量较多(>3000mm)，其中1995年、1999年、2007年为长持续降水总天数的三个峰值年，总天数>260天，分别为309天、264天、278天，其对应的总降水量亦为三个高值年，分别为3988.7mm、3613.7mm、4096.9mm。长持续降水平均持续天数偏少年中2006年、2011年、2016年长持续降水总降水量为谷值(<1000mm)，分别为822.5mm、519.2mm、971.9mm，其长持续降水总天数亦为谷值(<100天)，分别为80天、50天、82天。短持续降水总降水量与短持续降水总天数的变化趋势亦一致(图9b)，短持续降水平均持续天数偏多年中1998年、2000年短持续降水总降水量为峰值(>10000mm)，分别为11191.1mm、10179.1mm，短持续降水总天数为峰值(>820天)，分别为852天、821天。短持续降水平均持续天数偏少年中1989年、2011年、2013年长持续降水总降水量为谷值(<7800mm)，分别为7362.7mm、7285mm、7786.5mm，短持续降水总天数为谷值(<650天)，分别为647天、635天、622天。长、短持续性降水总降水量占持续性降水总降水量比例的变化(图9c)可见，长持续降水平均持续天数偏多年其总降水量占持续性降水总降水量的比例均大于25%，其中2007年最高，高达32.56%，长持续降水平均持续天数偏少年其总降水量占持续性降水总降水量的比例普遍较低，低于15%，其中2011年最低，低至6.65%，短持续降水平均持续天数偏多年其总降水量占持续性降水总降水量的比例普遍小于78%，其中1995年低至69.4%；短持续降水平均持续天数偏少年短其总降水量占持续性降水总降水量的比例普遍大于83%，其中2011年高达93.35%。

3 持续性降水变化相关的环流异常特征

上述分析揭示出西南地区在近 38 年，降水平均持续天数、长持续性降水事件的平均持续天数及短持续性降水事件的平均持续天数均存在明显的年际变化，且这些指标有较为同步的变化。

3.1 长持续性降水事件年平均持续天数异常相关的环流型

基于西南地区长持续性降水年平均持续天数的标准化时间序列(图 8a)，选取> 1 的年份为异常偏多年，<-1 的年份为异常偏少年作合成分析(具体年份见表 1)。偏多年份与偏少年份的合成差值风场显示，在对流层 700hPa(图 10a)，西南地区主要受东北气流影响，云南南部受西风气流影响；华东有一大范围的气旋性风场，在西南地区东南侧有一以海南省为中心的反气旋性风场；西南地区合成差值垂直速度主要为负(上升运动)，负中心为<-0.015Pa/s。而在 500hPa(图 10b)，贝湖南方有反气旋性风场，西南地区为偏西气流控制，其南方也有反气旋性风场，东部黄海上空有气旋性风场；合成差值垂直速度主要为负(上升运动)，负中心为<-0.01Pa/s。200hPa(图 10c)，贝湖上空为反气旋性风场，西南地区受一致的偏西气流影响；合成差值垂直速度主要为负(上升运动)，负中心为<-0.005Pa/s。

3.2 短持续性降水年年平均持续天数异常相关的环流型

基于西南地区短持续性降水事件降水平均持续天数年际分量的标准化时间序列(图 8b)，选取>1 的年份为异常偏多年，<-1 的年份为异常偏少年作合成分析(具体年份见表 2)。偏多年份与偏少年份的合成差值风场显示，在对流层 700hPa(图 11a)，西南地区受东北气流影响，华南有一以福建省为中心的气旋性风场，印度洋上有一个反气旋性风场；合成差值垂直速度主要为负(上升运动)，负中心为<-0.015Pa/s。在 500hPa(图 11b)，华南有气旋性风场，西南地区为东北气流控制；合成差值垂直速度主要为负(上升运动)，负中心为<-0.015Pa/s。200hPa(图 11c)，中国西部地区存在强大的气旋性风场，中心位于青海省东部，西南地区受西风气流控制；合成差值垂直速度主要为负(上升运动)，负中心为<-0.01Pa/s。

对比发现，在年际时间尺度上，西南地区长持续性降水与短持续性降水异常年份差值合成的环流有相同之处，亦存在不同。相似之处在于：在对流层低层，我国东南部地区均存在气旋性环流异常，且其西侧的东北风与我国北方反气旋性环流南侧的气流在西南地区产生辐合。700hPa 和 200hPa西南地区的差值合成风场都分别为东北风和西风； 700hPa、500hPa、200hPa 西南地区的差值合成的垂直速度场都为负(上升运动)，负中心<-0.015Pa/s。不同之处在于：长持续性降水多寡年合成环流场上，低层西南地区北侧的反气旋性环流异常中心位于蒙古地区而短持续降水则位于我国东北地区，在高层短持续性降水多寡年合成风场上，高原上空存在明显的气旋性环流异常；长持续性降水500hPa 差值合成风场的西南地区为西风控制，而短持续性降水500hPa差值合成风场的西南地区受东北风影响。

4 结论

本文利用1979～2016年夏季西南地区25个站点的逐日降水资料分析了西南地区的降水持续性和长、短持续性降水的气候特征及变化，得出以下结论：

(1)西南地区夏季的降水总天数呈西多东少分布特征，总体呈减少趋势，其中云南省西南部减少最为明显。有雨时段平均持续天数呈西长东短的分布，其中四川省多数站点有雨时段平均持续天数呈变长趋势，其他区域绝大多数站点呈变短趋势。无雨时段平均持续天数呈东长西短的分布，大多数站点无雨时段平均持续天数有变长趋势，少数站点变短，但变化趋势均不显著。

(2)西南地区夏季长、短持续性降水平均持续天数均呈减少趋势，其中长持续性降水平均持续天数的减少比短持续降水平均持续天数的减少更加明显。长持续性降水事件的总降水天数占所有持续性降水的总降水天数的比例呈西大东小的分布特征，短持续性降水事件的总降水天数占所有持续性降水的总降水天数的比例呈西小东大的分布特征。各站长、短持续降水事件的总降水天数占持续性降水总天数的比例呈南北反向的变化趋势，北部站点长持续降水事件的总天数占持续性降水总天数的比例呈增加(减少)趋势，南部站点减少(增加)，且部分站点减少(增加)趋势显著。持续性降水事件平均持续天数呈现在 2000年前异常偏多，2000年后异常偏变少的特征，即西南地区持续性降水的持续性在 2000年前后由强变弱。

(3)西南地区的长持续性降水与短持续性降水异常年份差值合成的环流特征存在异同之处。相似之处在于：在对流层低层，我国东南部地区均存在气旋性环流异常，与我国北方反气旋性环流在西南地区产生辐合；西南地区多寡年差值合成垂直速度场在对流层高、中、低三层上均为负异常(上升运动)，负中心< -0.015 Pa/s。不同之处在于：长持续性降水多寡年合成环流场上，低层西南地区北侧的反气旋性环流异常中心位于蒙古地区而短持续降水则位于我国东北地区；在高层短持续性降水多寡年合成风场上，高原东部存在明显的气旋性环流异常，西南地区受东北风影响，而长持续性降水多寡年合成风场上，西南地区为西风控制。

本文仅对西南地区持续性降水变化特征进行了分析，与其变化特征相联系的环流特征和形成机理还有待进一步分析和探索。