云南雨季开始期演变特征分析

云南雨季开始期演变特征分析 云南雨季开始期演变特征分析 第?卷第2期 2006年3月 气候与环境研究 ClimaticandEnvironmentalResearch Vo1.11No.2 Mar.2006 云南雨季开始期演变特征分析 陶云郑建萌万云霞.刘瑜 1云南省气侯中心,昆明650034 2云南古专业气象台,昆明650034 摘要应用EOF分析方法,小波分析方法及云南16个地州代站196l,2002年共42年逐日降水量 资料,对南雨季开始期的空间分布,时间演变及多尺度周期变化等特征进行了诊断研究.结果表明: 1)南雨季开始期的空间分布,第一主要特征是全省雨季开始期一致偏早(晚);第二主要特征为云南 滇中及以东,以南地区与云南西部雨季开始期反向变化的空间异常分布型态;2)云南雨季开始期存在明 显的4o年左右K周期,28年左右的年代际周期和8年左右的年际周期.从小波方差看,云南雨季开始 期的变化以40年和28年左的变化周期的振动最强,变化最显着,而年际变化相对较弱;3)云南雨季 开始偏早期与偏晚期5月份500hPa高度距甲场有着明显区别;4)印度季风与南海季风对云南雨季开始 爆发也起着积檄的作州. 关键词雨季开始期时空变化特征多尺度周期 文章编号1006—9585(2006)02—0229—07中图分类号P468文献标识码A EvolutionFeatureoftheRainySeasonOnsetTimeofYunnanProvince TAOYun,ZHENGJian—Meng,WANYunXia.,andLIUYu lClimateCentero/YunnanPro'vince,Kunming 2SpecialMeteorologicalObservatoryofYunnan 650034 Province,Kunming650034 AbstractApplyingE()Fmethod.MorletWaveletMethodand42一 yearprecipitationdataof16representativesta— tionsinYunnanprovincedailyfrom1961to2002toresearchthespatialdistribution,temporalevolutionandmuhi- scaleperiodoftherainyseasononsettimeofYunnanProvince.Theresultsindicatedthat:1)Thefirstlymainspa— tialdistributivefeatureoftherainyseasononsettimeinYunnanwasthatthewholeprovinceSrainyseasononset timewasunanimouslyearlier(orlater)thanthenormaltime;Thesecondlymainspatialdistributivefeatureofthe rainyseasononsettimeinYunnanwasthatitwasreversespatia1distributionbetweenthemiddle,theeasternand thesouthernareasofYunnanandthewesternareasofYunnan;2)Therewasobviouslyapproximately40a1ongOS— cillationperiod.approximately28ainterdeeadaloscillationperiodandapproximately8yearinterannualoscillation period.Itcouldbeseenfromwaveletvariancethatthe40一yearand28一 yearperiodwerethestrongestandnlOStre markablcamongtheperiodsofrainyseasononsettimeinYunnanandinterannualchangeperiodisrelativelyweaker; 3)Therewasanobviouslydifferenceof500hPaanomalousheightfieldinMaybetweenabovenorma1andbelow— normalyearsofrainyseasoninYunnan;4)IndiamonsoonandsouthseaofChinamonsoonhad positiveeffectonthe rainyseasononsettimeinYunnan. Keywordsrainyseasononsettime,temporalandspatialchangefeature,muhi—scaleperiod 收稿日期 资助项目 作者简介 2004l1_26收到,2005—1010收到修定稿 家重点琏础研究发展规划项目2003CB4151Ol和云南省气象局2002年青年基金课题"'九五'短期气候预测方法在云南 雨季Jr始期预测中的释用对比研究" 陶云.女,1971年}n生,在职博士,高工,主要从事短期气候预测与研究.Email:cqkty@slna.com 230 气候与环境研究 ClimaticandEnvironmenta1Research 11卷 v0l_11 1引言 云南属于云贵高原主体,又是低纬度地区, 位于(21.14,29.25.N,97.52,lO6.19.E)之 间,处于全球最强盛的印度季风和东亚季风的 交叉影响范围内,形成了干湿季节分明的立体 气候.干季,南支西风急流流经云南上空,强 而稳定,整个冬季盛行干燥的西南风,降水很 少.湿季,南支西风急流趋于消失,云南上空 主要盛行西南暖湿气流,云南降水相对集中于 这一时期.从干季向湿季过渡是云南的关键时 期,也是云南省大部分地区大春作物栽种的季 节,云南雨季开始的早晚将直接影响着云南省 的工农业生产,特别是对全省农业生产起着至 关重要的作用. 10mm的这一天即为雨季开始日,该天所在候为 雨季开始候.其中多年雨季平均候雨量等于5,10 月多年平均合计雨量除以36候.我们计算了云南 16个地州代表站1961~2002年的雨季开始候. (2)国家气候中心提供的1961~2002年北半 球500hPa逐月高度场资料. (3)应用EOF分析方法[]及Morlet小波分 析方法_0]分析了云南l6个代表站雨季开始候空 间分布及多尺度周期变化特征,并用t统计量检 验了小波分析所获得的均值突变的显着性.EOF 分析方法在提取气象场优势信号,反映气象场空 间分布特征等方面有其独到之处,详细方法介绍 参考文献E8].Morlet小波分析技术是应用广泛 的分析时间序列演变的多时间尺度特征的方法. 另外文中还使用了相关系数分析方法,并做相应 的显着性检验. 云南雨季开始期,早可在4月下旬开始,迟 可在6月下旬开始,迟早相差近卜个月左右.一3云南16个代表站雨季开始候空间 般云南雨季开始期正常年份在5月第5候左右,分布特征 5月雨量的多寡与云南雨季早晚有着密切关系. 历来云南雨季开始期和5月雨量的预报,都是云 南预测中的重中之重.近年来,云南省的气象工 作者对5月雨量影响因子,环流形势以及5月强 降水过程进行了大量分析研究l】];刘瑜等人分 析了年际变化尺度下,云南雨季偏早年与偏晚年 的环流特征ET],但对于云南雨季开始期的气候演 变特征的研究_T作不深入.本文利用EOF分析 方法及Morlet小波分析方法研究了云南雨季开 始期的空间分布及多尺度周期变化特征;利用国 家气候中心提供的北半球500hPa高度场资料, 初步分析了在年代际尺度下云南雨季处于偏晚与 偏早时期的环流特征以及云南雨季开始期与季风 的关系. 2资料与方法 (1)取云南16个地州代表站1961~2002年共 42年逐日降水量资料,根据云南省气象台业务标 准,自4月21日起,满足任意5天滑动累计雨量 ?多年雨季平均候雨量的某一天为止,以后连续 l5天内,又有任意5天滑动累计雨量?多年雨季 平均候雨量,则第一个5天中某一日雨量? 应用EOF分析方法对云南16个代表站1961 ~ 2002年42年的雨季开始候资料进行分析,云 南雨季开始期前5个特征向量的方差贡献分别为 35.4,13.8,9.85,8.7和5.8.可 见,前2个特征向量的方差贡献皆超过1O,其 空间分布代表了云南主要的两种分布类型,其中 第一特征向量为云南雨季开始期的最主要的分布 类型.云南雨季开始期前2个特征向量空间分布 见图1. 图1中,第一特征向量占总方差的35.4, 是云南雨季开始期最主要的分布类型.第二特征 向量占总方差的l3.8,是云南雨季开始期的另 一 种主要的分布类型.从图1a中我们可以清楚看 出,云南雨季开始期最主要的分布类型是:全省 雨季开始期一致偏早(晚),称为全省一致型.图 lb是云南雨季开始期的第二类主要的分布类型: 云南滇中及以东,以南地区与云南西部雨季开始 期相反,即云南雨季开始期滇中及以东,以南地 区偏早(晚),西部偏晚(早).总之,虽然云南 雨季开始期各个地区有着不同的发生时间,但全 省雨季开始期一致偏早(晚)是云南雨季开始期 的一个主要分布型. 2期 No.2 陶等:云南雨季开始期演变特征分析 TAOYun,eta1.EvolutiveFeatureoftheRainySeasonOnsetTimeofYunnanProvince281 罔1云南l6个代表站雨季开始候的EOF前二个特征向量空间分布(a)第一特征向量;(b)第二特征向量 Fig.1ThespatialdistributionofH)Fcharacteristicvectorsofrainyseasononsettimeatthe16r epresentativestationsinYunnan,(a) Thefirstcharacteristicw~ctor:(b)thesecondcharacteristicvector 4昆明雨季开始候在云南雨季中的 代表性 由于云南局地性气候特征较为显着,全省雨 季开始期差异较大,早的地区如西双版纳州,平 均在5月第3候开始,晚的地区如迪庆州,平均 在6月第2候开始,两者间相差近1个月.从地 理位置来看,昆明位丁云南中部,促使云南雨季 开始的南方天气系统和北方天气系统影响昆明地 区时,基本上影响了云南大部地区.从云南主要 大春农作物的的主产地来看,云南中部地区是主 要的粮食主产地,以昆明作为云南雨季开始期的 代表站来研究,有着积极的意义. 另外,我们计算了云南其余15个代表站雨季 开始候与昆明雨季开始候的相关关系(图2).从 网2中可以清楚看出,昆明雨季开始候与大部测 站存在明显的正相关关系,有10个测站的相关系 数通过0.1显着性检验水平,占66.7,其中有 9个测站的相关系数通过0.01显着性检验水平, 占60.相关较差的测站是昭通,景洪,保山, 潞西及泸水,基本位于云南的边缘地区.保山相 关系数一O.178,与昆明雨季开始候为弱的负相关 外,其余云南l4个代表站与昆明雨季开始候的相 关系数都为正相关.即昆明雨季开始期偏早(晚) 年,云南大部地区雨季也偏早(晚). 图2昆明雨季开始候与云南15个代表站雨季开始候的相关 (深阴影区:通过0.01显着性水平区;浅阴影区:通过0.1显 着性水平区) Fig.2ThecorrelationbetweenKunming'srainyseasono~set pentadandthe15representalivestationsrainyseasononset pentadofYunnan(deeplyshadedarealpassing0.01significance levelarea~lightlyshadedarea:passing0.1significancelevel area 同时分析了云南雨季开始早(晚)与云南雨 季(5--10月)降水量之问的关系(图略).云南 雨季开始候与云南雨季(5,10月)总降水量存在 负的相关关系,其相关系数达一0+389,通过丁 0.02显着性检验水平,说明云南雨季开始偏早 气候与环境研究 ClimaticandEnvironmentalResearch ll卷 Vol_l1 (晚),整个雨季的总降水量偏多(少). 5云南雨季开始期的时间演变特征 从以上讨论可知,云南雨季开始期主要空间 分布是全省一致型,即云南雨季有一致偏早(晚) 的特征,同时昆明与云南其余15个代表站相关性 较好,因此昆明基本可以作为云南雨季开始期的 代表站. 图3是云南雨季开始期的时问序列.从图中 可以看出,云南雨季开始期存在明显的年际变化 特征.1963,1969,1977,1987及1997年雨季开 始期偏晚4候以上,为雨季开始期特晚,其中 舞 嘏 悱 窿 图3云南雨季开始期时间演变曲线 Fig.3ThetemporalevolutionofYunnansrainyseasononset time 8? 毫 巷 正 避 婚 量 1977年偏晚7候,为雨季开始最晚的一年;1964, 1976及2000年雨季开始期偏早4候以上,为雨季 开始期特早,1964年偏早5候,为雨季开始最早 的一年. 利用Morlet小波分析,便可研究云南雨季开 始期的多尺度以及周期变化特征,在图4中,云 南雨季开始期存在明显的40年左右长周期,28年 左右的年代际周期和8年左右的年际周期.从40 年变化周期来看,1966年和1998年是均值突变 点,1966年之前为负位相,1967,1997年之间为 正位相,1998年以后又转为负位相.利用t统计 量对3个时段的平均值进行显着性检验:,螂一 一 192,t8一一218,临界值t一2.750,均值突变 点前后的正负位相问存在显着区别,通过0.01的 显着水平.反映在云南雨季开始期上,正位相表 示雨季开始偏晚,负位相表示雨季开始偏早,即 1966年以前云南雨季处于偏早期,1967~1997年 云南雨季转为偏晚期,1998年后云南雨季又转为 另一个偏早期.从年代际(28年左右)的变化来 看,1973年,1986年及2002年附近为均值突变 点.1961,1972年,1986,2001年为云南雨季偏 晚时段,1973,1985年及2002年以后为云南雨季 相对偏早期.利用t统计量对3个时段的平均值进 行显着性检验:t3:=:一18.6,t6:=:25,临界值 t一2.807,均值突变点前后的正负位相问存在显 着区别,通过0.O1的显着水平.对于更短的时间 年份Year 图4云南雨季开始期时间序列小波(Morlet)分析结果 Fig.4TheMorletwaveletanalysisofYunnanSrainyseasononseltime 2期 No.2 陶云等:云南雨季开始期演变特征分析 EvolutiveFeatureoftheRainySeasonOnsetTimeofYunnanProvince233 尺度,也就是年际(8年左右)变化周期,l961 , 1963年,1967,1972年,1977,1979年, 19861988年以及1995~1998年云南雨季开始期 处于相对偏晚时期,1964,1966年,1973,1976 年,198041985年,1989,1994年以及1999年 以后云南雨季开始期处于相对偏早的时期. 图5是伸缩尺度"分别取20~21,9,ll和3 ---- 4时的小波系数合成图,由图可见不同时期的 周期变化特征.当a取20~21时,明显地反映出 原序列的长周期特征(图5a);当a取9,l1时, 竺 基 笤 : ? 巅 1 螂 ? 号 弓 毛 8 至 ? 1龋 鲻 七 基 8 : ? \幅 鲻 罔5伸缩尺度a20~2I(a),n一9,11(b),?一3,4(c) 的小波系数合成结果 Fig.5Thewaveletcoet't'icientsynthesizingresultsoftheflexi blescale"=2O21(a),a--911(b),a--34(c) 28年左右的年代际变化周期便表现出来(图5b); 当口取3,4时,8年左右的年际变化周期便表现 出来(图5c). 无论从长周期(40年)还是从年代际变化周 期(28年)来看,云南雨季开始期处于一个雨季 开始期相对偏早的时期.在这样的大背景下,从 云南雨季开始期的年际(8年)变化来看,2002 年后云南雨季开始期已经开始转入另一个雨季开 始期相对偏晚的时期. 另外,从小波方差图(略)可以看出,在 196l,2002年整个时间域内,云南雨季开始期的 变化以40年和28年左右的变化周期的振动最强, 这说明云南雨季开始期的年代际及更长周期的变 化最显着,而年际变化相对较弱. 6云南雨季开始期年代际变化的500 hPa环流特征 从上述分析可知,云南雨季开始期存在40年 和28年左右的年代际变化周期及8年左右的年际 变化周期.在文献I-7-1中已经较详细地讨论了云 南雨季开始期年际尺度的环流变化特征,在此, 主要利用国家气候中心提供的北半球500hPa高 度场资料,初步分析了在年代际尺度下(28年左 右)云南雨季处于偏晚与偏早时期的5月500hPa 环流特征(图6). 从云南雨季偏早时期5月500hPa高度场的 距平合成图上(图6a)可看到,极地中心为较强 负距平覆盖,极涡中心位于东半球乌拉尔山附近, 中心数值达一30gpm.东半球从高纬到低纬距平 场分布为一+一,在(30,7O.N,120,180.E) 附近有一中心数值为+15gpm的正距平区;在低 纬地区,特别是盂加拉湾地区高度场较常年偏低 lOgpm左右.中,高,低纬的这种配置有利于北 方冷空气的南下及南方暖湿空气的入侵,致使云 南雨季偏早,5月降水偏多.相反,在云南雨季偏 晚时期5月500hPa环流特征是极地高度场明显 偏高(图6b),极涡较常年偏弱,东半球从高纬 到低纬距平场分布为+一+,乌拉尔山附近为中 心数值达+10gpm的正距平区,在(40,70.N, 120~180.E)附近有一中心数值为一10gpm的负 距平区;低纬地区为弱的正距平区控制.这表明 234 气候与环境研究 ClimatieandEnvironmentalResearch 11卷 Vo1.11 9O.E9O.E 图6云南雨季偏早期(a)及偏晚期(b)5月500hPa高度场距平合成(单位:10gpm) Fig.6500hPaanomalousheightfieldinMayofabove-normal(a)andbelow— normal(b)yearsofrainyseasoninYunnan(units10gpm) 整个5月中高纬系统偏北,冷空气活动偏弱,低 纬地区少低槽活动,不利于南方水汽向北输送, 致使云南雨季偏晚,5月降水偏少. 另外,根据文献[12]和[13-]计算获得南 亚季风强度指数(0,2O.N,40,120.E)和南海 季风强度指数(0,10.N,100,130.E).计算云 南雨季开始候与印度季风指数和南海季风指数的 逐月相关关系(图略)发现,云南雨季开始期与 同年3月,4月和5月的印度季风指数有很好的相 关关系,相关系数分别为一0.261,一0.533和一 0.456,通过了0.1,0.001和0.01的显着性水平 检验,即同年3月,4月和5月的印度季风指数偏 强(弱),云南雨季开始早(晚);与头年3月和 同年3月,4月,5月的南海季风指数也存在较好 的相关关系,相关系数分别为一0.310和 -- 0.317,一0.497,一0.287,通过了0.05和 0.05,0.001,0.1的显着性水平检验,即头年3 月和同年3,4,5月的南海季风指数偏强(弱), 云南雨季开始早(晚). 7主要结论 利用云南l6个地州代表站1961,2002年共 42年逐日降水量资料,运用EOF,小波分析等常 用的统计方法,对云南雨季开始期异常的时空特 征进行了诊断分析,得出如下主要结论: (1)就整体而言.云南雨季开始期的一致性 是云南地区雨季开始期的主要特征,全省雨季开 始期一致偏早(晚),称为全省一致型.其次为云 南滇中及以东,以南地区与云南西部雨季开始期 反向变化的空间异常分布型态;即云南雨季开始 期滇中及以东,以南地区偏早(晚),西部偏晚 (早).总之,虽然云南雨季开始期各个地区有着 不同的发生时问,但全省雨季开始期一致偏早 (晚)是云南雨季开始期的一个主要分布型. (2)昆明与云南其余l5个代表站相关性较 好,因此昆明基本可以作为云南雨季开始期的代 表站,进行云南雨季开始期的时空特征研究. (3)小波分析表明,云南雨季开始期存在明 显的40年左右长周期,28年左右的年代际周期和 8年左右的年际周期.从小波方差看,云南雨季开 始期的变化以4O年和28年左右的变化周期的振 动最强,变化最显着,而年际变化相对较弱. (4)从小波分析的结果可以初步预测,无论 从长期变化周期(40年)还是从年代际变化周期 (28年)来看,云南雨季开始期处于一个雨季开始 期相对偏早的时期.从云南雨季开始期的年际(8 年)变化来看,2002年后云南雨季开始期已经开 2期 No.2 陶云等:云南雨季开始期演变特征分析 TAOYun,eta1.EvolutiveFeatureoftheRainySeasonOnsetTimeofYunnanProvince235 始转入另一个雨季开始期相对偏晚的时期. (5)分析云南雨季28年变化周期的偏早 (晚)时期的环流特征发现,500hPa高度距平场 与云南雨季开始早晚有较好的对应关系,雨季开 始偏早期与偏晚期5月的500hPa高度场存在明 显区别. (6)印度季风与南海季风对云南雨季开始爆 发也起着积极的作用,云南雨季开始期与同年3, 4和5月的印度季风指数有很好的相关关系,即同 年3,4和5月的印度季风指数偏强(弱),云南 雨季开始早(晚);与头年3月和同年3,4,5月 的南海季风指数也存在较好的相关关系,即头年3 月和同年3,4,5月的南海季风指数偏强(弱), 云南雨季开始早(晚). 参考文献(References) [1]陶云,曹杰,段旭.云南省五月雨量转折突变的研究,气 象科学,2002,22(3):287,293 [2】 [3] [4] [5] TaoYun,Cao. 1ie,DuanXu.TheresearchoftheMay rainfallturningabruptchangeinYunnanprovince.Sci. entiaMeteorologicaSinica(inChinese).2002,22:287 , 293 曹杰.谢应齐,严华生,等.预报方程时变参数递推的一种 新.大气科学,1997,21(6):698,704 Caojie,XieYingqi.YanHutLsheng,eta1.Ancwprojectof forecasteqLmtiontimeparameterrecurrence.&,ienZiaAsmo一 @he'caSinica(inChine~),1997,21(6):698~704 肖子牛.温敏.云南五月降水量与前期季节内振荡活动相 互关系的分析研究+大气科学,1999.23(2):177,183 XiaoZiniu,WenMin.Thecorrelationresearchbetween theMayprecipitationinYunnanandprophaseinterseason oscillationaction.ChineseJournal0,Atmospherie"Sciences (inChinese),1999.23(2):177,183 严华生,鲁亚斌,尤卫红,等.云南省五月份雨量的天气气 候成冈探讨.应用气象.1995,6(1):124,128 YanIluasheng.IuYabing,YouWeihong.eta1.The weatherandclimatecausesoftheMayprecipitationinYun' nan.JournalofAppliedMeteorologicalScience(inChi nese),1995,6(1):124,128 曹杰,陶云,段旭.云南5月强降水天气与亚洲季风变化 的关系.云南大学.2002,24(5):361,365 CaoJie,TaoYun,DuanXu.Therelationbetweenthe MayveryheavyrainfallinYunnanandtheAsiamonsoon [6] [7] [8] [9] Elo2 [11] [12] [13] index~Journalo. fYunnanUniversity(inChinese),2002, 24(5):361,365 陶云,朱天禄.多维时间序列交叉谱分析在降水场诊断中 的应用.气候与环境研究,2003,8(4):503~509 TaoYun,ZhuTianlu.Anapplicationofmulti?dimensional timeseriescrossspectrumanalysistothediagnosisof Yunnan'sprecipitationfield.ClimaticandEnvironmental Research(inChinese),2003,8(4):5O3,509 刘瑜,马振锋,陶云,等.云南2002年雨季偏早的环流特 征分析.高原气象,2003,22(增刊):102~109 IiuYu,MaZhenfeng,TaoYun,eta1.Fhecirculatkm characteristicsanalysisofYunnan'srainyseasononset timeaboveearlyin2002.PlateauMeteorology(inChi nese)?2003?22(Supp1.):102,109 黄嘉佑.气象统计分析与预报方法.北京:气象出版社, 2000.126,145 HuangJiayou.StatisticAnalysisandForecastMethodsin Meteorology(inChinese),Beijing:ChinaMeteorological Press,2000.126,145 匡正,季仲贞,林一骅.华北降水时问序列资料的小波分 析.气候与环境研究,2000.5(3):312~317 KuangZheng,JiZhongzhen,LinYihua,Thewaveletanal— ysisofprecipitationtimeseriesintheNorthofChina.Cli maticandEnvironmentalResearch(inChinese).2000,5 (3):312,317 张庆云,卫捷,陶诗言.近50年华北干旱的年代际和年际 变化及大气环流特征.气候与环境研究,2003,8(3): 307,318 ZhangQingyun,WeiJie,TaoShiyan.Fheinterannualand interdecadalchangeofthedroughtintheNorthofChinain nearly50yearsanditsatmosphericeircumfluencefeatures. 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