徐碧裕，葉朗明，胡麗華，梁敏妍

（江門市氣象局，廣東江門 529000）

業(yè)務(wù)上一般將每年的4—9月定為廣東的雨季［1］。由于南北距離的差異，廣東省內(nèi)受天氣系統(tǒng)影響的程度各不相同，導(dǎo)致降水時(shí)空分布不均勻，降水地理差異較大［2－6］，汛期降水集中的地區(qū)洪澇災(zāi)害頻繁，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成損失。因此，對(duì)廣東汛期降水進(jìn)行氣候分型研究具有重要意義。在對(duì)廣東降水氣候資料進(jìn)行REOF空間分型時(shí)，陳子燊等［7］、劉智勇等［8］在干濕狀況、劉燕等［3］、李曉娟等［4］在前汛期大到暴雨頻數(shù)等方面都將廣東地區(qū)劃分為4個(gè)空間氣候區(qū)：粵東區(qū)、粵北區(qū)、雷州半島區(qū)、珠三角區(qū)；黃茂棟等［2］分析汛期總降水時(shí)將廣東劃分成5個(gè)氣候區(qū)。

本研究在以往研究的基礎(chǔ)上，采用REOF旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)法將廣東汛期降水進(jìn)行區(qū)劃，并綜合利用Morlet小波分析、Mann－Kendall檢驗(yàn)、滑動(dòng)T檢驗(yàn)進(jìn)一步研究所劃分區(qū)域的突變和周期特征，以期為今后廣東汛期氣候預(yù)測和防洪減災(zāi)提供理論支撐。

1 資料及方法

采用1968—2017年近50年4—9月廣東地區(qū)國家氣象站汛期總降水資料，得到廣東省86站50年汛期總降水時(shí)間序列，再對(duì)該降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

（1）REOF方法是旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交展開方法［9－10］。氣象上經(jīng)常采用REOF方法對(duì)氣象要素場進(jìn)行分析，它使原來的特征向量結(jié)構(gòu)簡化，反映的氣候特征更明顯。

（2）North顯著性檢驗(yàn)［11］?；贓OF和REOF分析方法分解出的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)究竟是有物理意義的信號(hào)還是毫無意義的噪聲，應(yīng)該進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，特別是當(dāng)變量場空間點(diǎn)數(shù)m大于樣本量時(shí)，顯著性檢驗(yàn)尤其重要。

（3）Mann－Kendall檢驗(yàn)［12］是檢驗(yàn)氣象時(shí)間序列單調(diào)趨勢(shì)的有效工具，主要特點(diǎn)為不受少數(shù)異常值的干擾，適用于類型變量和順序變量且不要求樣本遵從一定的分布。該方法可以用來分析時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，也可以確定突變時(shí)間和突變的區(qū)域。

2 汛期降水的分型

對(duì)于汛期降水的空間分布，常受區(qū)域性天氣系統(tǒng)影響，為探究每個(gè)暴雨區(qū)域的時(shí)空氣候特征，對(duì)降水場進(jìn)行EOF分解，再經(jīng)過North檢驗(yàn)，篩選主分量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)（REOF），得出汛期降水氣候區(qū)。

2.1 降水場EOF特征

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的汛期降水場（X50×86）（時(shí)間長度50年、空間站點(diǎn)n＝86站）進(jìn)行EOF時(shí)空分解，得到前5個(gè)降水場的方差貢獻(xiàn)率分別為42.35%、12.37%、6.54%、5.29%、3.44%，對(duì)應(yīng)的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率分別為42.35%、54.72%、61.26%、66.55%、69.99%。

經(jīng)過North顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，前5個(gè)降水場特征值（λ）能通過檢驗(yàn)，第6個(gè)起則未能通過檢驗(yàn)。因?yàn)?/p>

當(dāng)j＝6時(shí)，｜2.150－2.217｜＝0.067＜2.217 0×0.152＝0.337不符合。

分析可知，前5個(gè)降水場累計(jì)方差貢獻(xiàn)達(dá)到69.99%，能較好地代表華南汛期降水的空間分布特征，因此，本研究將選擇前5個(gè)主分量進(jìn)行方差最大旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交分解。

2.2 REOF各模態(tài)時(shí)空特征

REOF結(jié)果顯示，5個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率分別為16.69%、16.48%、14.09%、13.68%、9.05%，較EOF分解后分布更加均勻，特征值也有類似表現(xiàn)。

2.3 REOF空間分布特征

對(duì)50年廣東汛期降水REOF分型后，可得到5個(gè)模態(tài)：第1模態(tài)空間分布表現(xiàn)為高值集中在粵東沿海地區(qū)，中心在潮陽、汕頭、惠來等地（圖1a）；第2模態(tài)的高值在粵西至雷州半島一帶，中心在吳川、電白、湛江等地（圖1b）；第3模態(tài)的高值集中在粵北內(nèi)陸地區(qū)，中心在連南、連州、陽山等地（圖1c）；第4模態(tài)的高值在珠江三角洲附近，中心在順德、南海、番禺等地（圖1d）；第5模態(tài)的高值為粵東內(nèi)陸地區(qū)，中心出現(xiàn)在大埔、梅縣、五華等地（圖1e）。

5個(gè)模態(tài)中，高值中心站點(diǎn)的荷載值均超過0.7。根據(jù)高值區(qū)范圍分布（填色區(qū)，荷載值大于0.5的地區(qū)），經(jīng)整理后可將廣東劃分為5個(gè)氣候區(qū)（圖1f），依順序分別命名為粵東沿海區(qū)、粵西至雷州半島區(qū)、粵北內(nèi)陸區(qū)、珠江三角洲區(qū)、粵東內(nèi)陸區(qū)。

圖1 近50年華南汛期降水REOF分解后得到的5個(gè)特征向量場空間分布（填色區(qū)，荷載值＞0.5）（a、b、c、d、e）以及降水區(qū)劃分（f）

2.4 REOF時(shí)間變化及周期特征

1）突變特征。

圖2a－e為第1至第5模態(tài)下通過置信度為95%的M－K突變檢驗(yàn)；圖f為各模態(tài)下通過0.5%置信度的滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果。在第1模態(tài)中，根據(jù)M－K檢驗(yàn)中UF和UB統(tǒng)計(jì)量，50年中共存在4個(gè)明顯交點(diǎn)，分別出現(xiàn)在1973、1990、2008及2013年前后；結(jié)合滑動(dòng)T值顯著性檢驗(yàn)（圖2f紅線），可知顯著突變點(diǎn)在2008年。Lanczos低通濾波曲線給出了整體特征，1990年之前波動(dòng)振幅小，時(shí)間系數(shù)負(fù)值為主，粵東沿海區(qū)降水偏少；在1990年至2008年，時(shí)間系數(shù)開始出現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，顯著區(qū)降水增多；在2008年之后時(shí)間系數(shù)振幅增大，時(shí)間系數(shù)正負(fù)值跨度大，極端性降水增多。

在第2模態(tài)中，M－K檢驗(yàn)UF和UB統(tǒng)計(jì)量交點(diǎn)在2004、2007和2013年，且在95%置信水平內(nèi)；T值顯著檢驗(yàn)也出現(xiàn)3個(gè)99.5%置信水平的異常時(shí)間點(diǎn)分別是1989、2007、2013年。兩種檢驗(yàn)方法綜合可知，2007年及2013年是2個(gè)顯著突變點(diǎn)。根據(jù)Lanczos低通濾波曲線，在2007年之前時(shí)間系數(shù)總體是由正到負(fù)波動(dòng)增加的，降水減少，逐漸由澇轉(zhuǎn)向旱；在2007年后時(shí)間系數(shù)呈上升趨勢(shì)，顯著區(qū)降水增多；2013年及之后時(shí)間系數(shù)減小，粵西至雷州半島顯著區(qū)降水減少。

在第3模態(tài)中，M－K檢驗(yàn)UF和UB統(tǒng)計(jì)量交點(diǎn)有1969、1972、1975、2015、2017年；而T值檢驗(yàn)的異常時(shí)間點(diǎn)分別為1992、2006、2009、2013。兩者沒有交集，因此不存在顯著突變點(diǎn)，說明粵北內(nèi)陸顯著區(qū)降水變化較為平穩(wěn)。

在第4模態(tài)中，M－K檢驗(yàn)UF和UB統(tǒng)計(jì)量交點(diǎn)與T值檢驗(yàn)突變點(diǎn)出現(xiàn)在1985年，結(jié)合Lanczos低通濾波曲線，在1985年及之前，時(shí)間系數(shù)振幅大，且總體有緩慢減小趨勢(shì)，珠三角區(qū)降水總體以減少為主；1985年及之后，時(shí)間系數(shù)有波動(dòng)增加趨勢(shì)，珠江三角洲區(qū)降水波動(dòng)增加。

在第5模態(tài)中，根據(jù)前述方法，突變點(diǎn)出現(xiàn)在1970年，1970年及之后時(shí)間系數(shù)值增大，粵東內(nèi)陸區(qū)降水增多；Lanczos低通濾波曲線中，由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值后平穩(wěn)變化，在1990年之前正值為主，且呈上升趨勢(shì)，1970—1990年期間偏澇；在1990年之后，時(shí)間系數(shù)下降，波動(dòng)振幅減小，總體均值接近0，說明偏澇的程度降低，有向偏旱轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

圖2 近50年廣東汛期降水REOF分解后得到的5個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)變化

2）周期特征。

在每個(gè)模態(tài)荷載大值區(qū)中（對(duì)應(yīng)圖2荷載值0.7以上的部分），取荷載值排名前3站的平均雨量值時(shí)間序列代表該模態(tài)的典型特征，作小波分析：第1模態(tài)取潮陽、汕頭、惠來；第2模態(tài)取吳川、電白、湛江；第3模態(tài)取連南、連州、陽山；第4模態(tài)取順德、南海、番禺；第5模態(tài)取大埔、梅縣、五華。結(jié)合文獻(xiàn)［12］給出的小波分析方法，近50年廣東汛期降水在各個(gè)模態(tài)下的顯著周期年份和周期變化各不相同。

第1模態(tài)下，對(duì)應(yīng)功率譜圖上通過檢驗(yàn)的（圖3a－Ⅱ黑色實(shí)線范圍內(nèi)，落在虛線以上的區(qū)域）有4個(gè)大值中心，3～5年的周期出現(xiàn)在1972年；2～3年的周期出現(xiàn)在1990和2010年前后；6～7年的周期出現(xiàn)在2000年后。小波全譜圖（圖3a－Ⅲ）顯示共有3個(gè)功率峰值，分別是2.5、3.5、6年，說明第1模態(tài)下近50年汛期總降水主要由3種周期構(gòu)成。均方差值（圖3a－Ⅳ）也顯示出1972、1990、2010年存在均方差峰值，說明這3個(gè)時(shí)段前后的周期特征顯著，其中又以2010年后的2.5和6年周期更為顯著，均方差值峰值達(dá)到1.5×105mm2以上。

第2模態(tài)下，小波功率譜圖（圖3b－Ⅱ）上存在通過檢驗(yàn)的3個(gè)大值中心，4年的周期出現(xiàn)在1983年前后；3～8年的周期出現(xiàn)在2002年前后，其中后者的均方差值（圖3b－Ⅳ）達(dá)到2.0×105mm2的峰值，這一時(shí)期的周期特征顯著；在1990年前后周期出現(xiàn)向極分化特征，1990年前有4年周期，但1990年后主要以3～4和7～8年周期為主。分析小波全譜（圖3b－Ⅲ），功率峰值出現(xiàn)在4年周期上，受邊緣效應(yīng)影響（圖3b－Ⅲ虛線），因此第2模態(tài)下50年的汛期總降水主要以4年周期為主。

第3模態(tài)下，通過檢驗(yàn)的2～8年周期主要出現(xiàn)在1973、1995，2000年，對(duì)應(yīng)周期為2～3、8、4年（圖3c－Ⅱ）；小波全譜圖中，功率峰值出現(xiàn)在2.5和4年周期上，故第3模態(tài)下50年汛期總降水主要以2.5和4年周期為主（圖3c－Ⅲ）；上述年份1973、1995、2000年，也是均方差峰值出現(xiàn)的年份（圖3c－Ⅳ），均方差峰值約0.8×105mm2左右，但在1990年后4年周期均方差大值持續(xù)時(shí)間較長，說明1990年后是穩(wěn)定的4年周期。

第4模態(tài)下，1993、2005年前后分別存在4～8、2～3年的周期（圖3d－Ⅱ），以2000年為分界線，2000年前4～8年周期，2000年后2～4年周期，因此周期有縮短趨勢(shì)；均方差峰值約在0.8×105mm2左右，出現(xiàn)在1993和2010年前后，周期特征明顯（圖3d－Ⅳ）；結(jié)合全譜圖可見，第4模態(tài)下50年汛期總降水主要以2.5年周期為主（圖3d－Ⅲ）。

第5模態(tài)下，1985—2010年間始終存在4～8年周期變化，其中1985—2000年以4年周期為主，而后2000—2010年周期逐漸增加，存在由4年周期增加到8年周期的趨勢(shì)（圖3e－Ⅱ），均方差值在1985年后至2000年間始終維持在4×104mm2，說明這一時(shí)期周期較為穩(wěn)定，周期維持在3～5年間（圖3e－Ⅳ）；綜合小波全譜，第5模態(tài)下近50年汛期總降水，主要以4和7年周期為主（圖3e－Ⅲ）。

圖3 近50年廣東汛期降水REOF分解后得到的5個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)功率譜分析

3 結(jié)論

1）通過REOF分解，近50年廣東汛期降水可劃分為5種模態(tài)，空間分型依次為粵東沿海型、粵西至雷州半島型、粵北內(nèi)陸型、珠江三角洲型、粵東內(nèi)陸型。

2）近50年來廣東汛期降水中，每個(gè)空間分型中都有不同的旱澇特征：粵東沿海在2008年之前降水相對(duì)平穩(wěn)，2008年之后極端性降水增多；粵西至雷州半島突變發(fā)生在2007及2013年，2007年前由澇轉(zhuǎn)向旱，2007年后降水增多；2013年及之后降水又減少；粵北內(nèi)陸的歷年降水變化較為平穩(wěn)；珠江三角洲1985年前降水總體偏少，1985年及之后降水波動(dòng)增加；粵東內(nèi)陸在1970年后降水增多，而后平穩(wěn)變化，旱澇變化幅度小。

3）近50年來廣東汛期降水中，每個(gè)空間分型降水突變時(shí)間點(diǎn)各不相同，粵東沿海型2008年；粵西至雷州半島型2007和2013年；粵北內(nèi)陸型無明顯突變點(diǎn)；珠江三角洲型1985年；粵東內(nèi)陸型1970年，其中，自2010年后的趨勢(shì)來看，粵東沿海和珠江三角洲降水增多；粵東內(nèi)陸和粵北內(nèi)陸降水變化平穩(wěn)；粵西至雷州半島降水減少。

4）各個(gè)空間分型在近50年汛期降水的主要周期和周期變化特征各不相同：粵東沿海汛期降水以2.5、3.5、6年周期為主，2010年后2.5和6年周期更為顯著；粵西至雷州半島以4年周期為主，1990年后周期出現(xiàn)向極分化趨勢(shì)；粵北內(nèi)陸以2.5和4年周期為主，1990年后出現(xiàn)穩(wěn)定的4年周期；珠江三角洲以2.5年周期為主，2000年后周期有縮短趨勢(shì)；粵東內(nèi)陸汛期降水以4和7年周期為主，1985年后至2000年周期穩(wěn)定時(shí)間較長，2000年后周期有增加趨勢(shì)。