廣西夏末秋初降水氣候趨勢變化和周期性分析

廣西夏末秋初降水氣候趨勢變化和周期性分析

世界氣候變化增加了極端氣候事件的頻率，降水分布變得越來越不均勻，旱季和洪水等災害的發(fā)生頻率也越來越多。干旱是指降水量明顯偏少,造成地表徑流、地下水減少,空氣干燥,土壤水分虧缺等現(xiàn)象,是我國最常見的自然災害之一。干旱問題已經(jīng)嚴重地威脅到人類的生存環(huán)境,近年來廣受國內(nèi)外科學家的關(guān)注。鄒旭愷等指出華南地區(qū)在1979―2006年期間干旱發(fā)生日數(shù)較1951―1978年有明顯的增多;周巧蘭等指出當副熱帶高壓強度偏強、過早北跳,南方地區(qū)會出現(xiàn)長時期無雨或少雨天氣。廣西地處低緯,巖溶地貌面積廣,石多土少,發(fā)生大旱和連續(xù)干旱對農(nóng)業(yè)和人蓄飲水的影響巨大,影響并制約著當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展。2009年夏末秋初廣西出現(xiàn)少見的高溫干旱天氣,夏秋交接季節(jié)正是農(nóng)作物生長關(guān)鍵期,干旱嚴重影響農(nóng)業(yè)的收成。有專家對廣西干旱進行了一些研究,如王遠超研究了夏季風變異與廣西汛期旱澇關(guān)系,指出干旱易出現(xiàn)在強夏季風年和夏季風正常年;梁雋玫等研究了厄爾尼諾對廣西汛期旱澇的影響,得出厄爾尼諾年廣西后汛期出現(xiàn)偏旱的頻率較大。這些研究工作只是利用簡單的統(tǒng)計方法對干旱進行分析,對干旱成因的研究還不夠深入,因此很有必要深入地對干旱的動力學原因進行研究。本文利用一元回歸和小波分析方法對歷年廣西夏末秋初降水氣候趨勢變化和周期性進行統(tǒng)計分析,得到干旱變化規(guī)律。著重并深入地分析了2009年夏末秋初的大氣環(huán)流和風場輻合輻散特征、水汽輸送條件、海氣相互作用,揭示了這次干旱形成的動力學原因。研究成果將為干旱氣候預測提供參考,對預防災害、減少災害損失具有重要的意義。1數(shù)據(jù)和方法1.1球后分析資料本文所用的分析資料取自美國NCEP/NCAR(國家環(huán)境預測中心/國家大氣研究中心)全球再分析月平均資料,選取時段為1951―2009年,包括500hPa位勢高度場和850hPa風場。實況資料使用廣西87個地面氣象觀測站的逐日降水資料,災情資料引自廣西氣候中心發(fā)布的《廣西2009年8月氣候影響評價》和《廣西2009年9月氣候影響評價》。1.2干旱的年際變化特征小波分析是一種信號的時間-頻率分析方法,具有多分辨率分析的特點,在時頻兩域都能反映出信號的振幅、位相和功率的局部變化特征。本文采用的Morlet小波分析干旱的年際變化規(guī)律,使用的基小波為:其中a為尺度參數(shù),b為平移參數(shù)。當f(t)為平方可積時,即滿足:當f(t)為平方可積時,即滿足:它的連續(xù)小波變換為:符號(,)表示內(nèi)積,*表示共扼。220干旱情為主要成因2009年8月廣西出現(xiàn)了3次大范圍高溫天氣過程,其中8月19―29日高溫天氣持續(xù)時間長達11d,高溫少雨導致部分地區(qū)發(fā)生干旱。全區(qū)平均降水量94.6mm,比常年同期偏少57%,偏少程度居1951年以來同期的第3位;大部地區(qū)較常年同期偏少30%～98%,其中桂林市中部、柳州市和河池市的部分縣及德保、田林、凌云、上林、富川等地偏少80%以上。旱情主要出現(xiàn)在柳州市、河池市、崇左市、南寧市、百色市、來賓市、貴港市、桂林市及賀州市等地。2009年9月廣西平均降水量為94.0mm,比常年同期偏少19%;平均氣溫27.6℃,比常年同期偏高1.9℃,偏高程度居1951年以來同期的第2位。月內(nèi)出現(xiàn)3次大范圍高溫天氣過程,上旬至中旬前期高溫少雨導致廣西大部地區(qū)出現(xiàn)干旱,旱情較為嚴重的是河池市、崇左市、百色市南部、桂林市中部、柳州市北部以及富川縣。3氣候背景分析3.1降水的特征圖1為1951―2009年廣西8―9月降水量變化圖,圖中趨勢線為一元線性回歸方程。由圖可以看出廣西8―9月降水有顯著的減少趨勢,并且通過了95%顯著性檢驗,回歸系數(shù)為-15.5mm/10a,即平均每10年減少15.5mm。8―9月降水量多年平均值為289.1mm,1955年最多,達545.6mm,最少年為1966年,僅為149.8mm。3.2偏少評論員2000年的8a周期信號采用Morlet小波分析方法對廣西1951―2009年8―9月降水量進行周期性分析,由小波系數(shù)圖(圖2)可看出廣西8―9月降水量有明顯的周期變化特征,主要特征為有較強的2a、8a和14a周期振蕩信號:1964―1996年有明顯的8a周期信號,期間經(jīng)歷了1964―1967年偏少→1968―1971年偏多→1972―1975年偏少→1976―1979年偏多→1980―1984年偏少→1985―1988年偏多→1989―1992年偏少→1993―1996年偏多8個循環(huán)。1952―2000年有較強的14a周期信號,期間經(jīng)歷了1952―1958年偏多→1959―1965年偏少→1966―1972年偏多→1973―1979年偏少→1980―1986年偏多→1987―1993年偏少→1994―2000年偏多7個循環(huán)。1991―2001年和2007―2009還存在著2a周期信號,從這個信號看,2009年廣西處于偏少期。4202009年夏秋年數(shù)據(jù)分析4.15環(huán)流形勢分析夏季冷空氣強度及其與暖濕氣流的交匯位置決定著降水區(qū)的位置和強度。從2009年8月500hPa平均高度場可以看出(圖3-a),在亞洲高緯度地區(qū)為一槽一脊的形勢,巴爾喀什湖附近為平緩的淺槽,貝加爾湖為脊,東亞總體槽脊平緩,不利冷空氣南下。副熱帶高壓強度很強,中心位置位于東海,副高脊線位于北緯33°左右,位置偏北,西伸脊點位于東經(jīng)120°,這樣的環(huán)流形勢有利于暖濕氣流交匯位置偏北,造成了雨帶北移到長江流域,導致廣西降水減少。從高度場距平值來看,中國東部和西亞地區(qū)為正距平,廣西北部地區(qū)高度場為正距平,為異常偏高,因為常受高壓脊控制而不利降水發(fā)生。從9月的高度場看(圖3-b),在亞洲高緯度地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閮刹垡患沟男蝿?巴爾喀什湖附近的槽加深,槽線呈東北―西南向,東北地區(qū)出現(xiàn)了一個淺槽,貝加爾湖的高度場減弱。副熱帶高壓南落西伸,廣西部分地區(qū)受到了副高的控制,北部地區(qū)高度場為正距平,受副熱帶高壓的下沉氣流影響,部分地區(qū)出現(xiàn)高溫天氣,不利于降水發(fā)生,廣西大部分地區(qū)降水偏少,干旱加劇。4.2實時對比,以下氣帶、反氣旋、去氣旋為主流的陣風下的格局圖4為850hPa月平均風場分布圖。從圖中可以看出,2009年8月廣西平均為弱的東南風,整個中國東部850hPa風場呈反氣旋的流場狀態(tài),低層為輻散,高層輻合,以下沉氣流為主。熱帶地區(qū)輻合帶風速小,不利生成較強的熱帶天氣系統(tǒng)影響廣西,因此這種形勢不利于廣西降水,干旱嚴重。9月850hPa風場發(fā)生了一些變化,處于廣西上空的風速加大了,風向轉(zhuǎn)為了東風,整個中國東部仍然為反氣旋的流場狀態(tài),整體還是以下沉氣流為主。在熱帶地區(qū)呈氣旋流場,熱帶低壓系統(tǒng)開始活躍,受熱帶地區(qū)低壓系統(tǒng)北上影響,廣西沿海及部分地區(qū)下半月降水增多,使干旱減輕,北部部分地區(qū)干旱繼續(xù),但整個環(huán)流系統(tǒng)不利于廣西大范圍降水的產(chǎn)生,因此9月廣西平均降水與常年相比是偏少的。4.3垂直剖面分析為了分析廣西干旱期間的水汽輸送條件,沿著廣西西南—東北向,即從20°N,99°E到26°N,111°E作出8、9月平均流場垂直剖面圖(圖5),沿線經(jīng)過南寧、桂林等縣市,該方向也是發(fā)生降水過程時廣西處于槽前的典型水汽輸送路線。從8月的平均流場來看,高空為一個由北向南的氣流。低空桂北地區(qū)有個穩(wěn)定的下沉氣流,是造成該地區(qū)少雨干旱,高溫天氣的原因;桂南地區(qū)為一個上升氣流,干旱較輕。9月桂北高低空基本為水平方向北風,空氣比較干,水汽條件差不利降水發(fā)生;桂南地區(qū)為向南和向上的流場,水汽條件稍好。4.4厄爾尼諾事件厄爾尼諾是赤道太平洋海溫持續(xù)異常偏暖的現(xiàn)象,使原屬冷水域的太平洋東部水域變成暖水域,被認為是年際氣候變化的最強信號,它的發(fā)生往往給全球不少地方造成嚴重洪澇或干旱。中國天氣氣候變化跟厄爾尼諾有密切的關(guān)系,朱乾根認為厄爾尼諾對中國各地區(qū)影響程度是不一樣的,影響最大的地區(qū)是長江以南和華南地區(qū)。赤道東太平洋海溫正異常還跟Walker環(huán)流的上升支沿著緯向移動有關(guān)。當海溫偏暖距平指數(shù)超過0.5℃且至少持續(xù)6個月,則定義為一次厄爾尼諾事件。2009年6月,赤道中東太平洋海洋大氣開始進入厄爾尼諾狀態(tài),8、9月為發(fā)展期,并持續(xù)至2010年。這種形勢下赤道太平洋的對流運動主要發(fā)生在中太平洋海上,使西太平洋副高偏強偏西,不利廣西降水發(fā)生。廣西8、9月降水量與nino3、4區(qū)海溫為反相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.25(通過90%信度檢驗),即海溫越高廣西8、9月降水越少。5天氣環(huán)境因素通過以上分析,認為廣西本次發(fā)生在夏末秋初的干旱天氣過程主要由以下原因造成。(1)從氣候變化分析看,廣西夏末秋初降水有顯著的減少趨勢,平均每10年減少15.5mm。具有2a、8a和14a周期變化特征,2009年處于2a周期信號的偏少期。(2)受環(huán)流異常影響,8月副熱帶高壓脊線偏北使雨帶北移到長江流域,東亞槽脊平緩不利冷空氣南下,廣西常受高壓脊控制,降水偏少;9月副熱帶高壓南落,廣西部分地區(qū)受到副高控制,受其下沉氣流影響,出現(xiàn)了高溫干旱天氣。(3)從水平風場來看,廣西低空呈反氣旋的環(huán)流形勢,低層輻散高層輻合造成氣流以下沉運動為主,而且風速很小,大氣穩(wěn)定,不利降水發(fā)