Scientia Geographica Sinica  2013 , 33 (2): 238-243 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2013.02.238

Orginal Article

江苏省梅汛期暴雨特征及其对长江下游水位的影响

孙燕12, 朱伟军1

1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏 南京,210044
2. 江苏省气象台,江苏 南京,210008

Rainstorm Characteristics During Meiyu Period in Jiangsu and Its Effect on Water Levels of Lower Reaches of the Changjiang River

SUN Yan12, ZHU Wei-jun1

1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing ,Jiangsu 210044,China
2. Observatory of Jiangsu Province, Nanjing, Jiangsu 210008,China

中图分类号:  P467

文献标识码:  A

文章编号:  1000-0690(2013)-0238-06

收稿日期: 2012-01-9

修回日期:  2012-08-5

网络出版日期:  2013-02-20

版权声明:  2013 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献,在以下情况下可以自由使用:学术研究、学术交流、科研教学等,但不允许用于商业目的.

基金资助:  江苏省科技厅科技支撑计划社会发展项目(BE2011818)、淮河流域气象开放研究基金(HRM201006)和江苏省气象科研开放基金 (K201006)资助

作者简介:

作者简介:孙 燕(1976-),女,山东潍坊人,博士研究生,高级工程师,主要从事短期区域气候诊断与预测研究。E-mail:jsshqxtsy@sina.com

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摘要

利用1961~2009 年江苏省逐日降水资料和南京站逐日水文资料,采用模糊聚类、小波分析、相关分析等方法分析了江苏梅汛期暴雨的气候特征及其与长江下游水位的关系。发现,在梅雨期间江苏省大部分区域都会出现暴雨,但也存在明显的地域差异,暴雨量的多寡一定程度上决定了该年梅雨量的丰枯;江苏南、北两个区域梅汛期暴雨均存在多时间尺度特征,但其年际和年代际振荡的周期和强度随时间的变化有不同表现。长江下游南京站6~7月的水位变化与梅雨期暴雨的年际、年代际周期变化和异常年份的发生有一定相似性,江苏南区梅雨期暴雨量与南京水位的相关性通过了0.10的显著性检验,可以认为南京站6~7月水位的高低与梅雨期暴雨具有一定的相关性。

关键词: 梅汛期 ; 暴雨 ; 长江下游 ; 水位

Abstract

By using the daily precipitation data of Jiangsu Province and daily hydrological data of Nanjing City during the period from 1961 to 2009, the climatic characteristics of Meiyu rainstorms in Jiangsu and their relationship with the water levels over the lower reaches of the Changjiang River were analyzed based on the fuzzy clustering, wavelet analysis, correlation analysis and other methods. Results show that during the Meiyu period, although with a significant regional differences, rainstorms appear in most regions of Jiangsu, and the more or less of the maganitude of their rainfall to a certain extent determine the abundance or dry of the total Meiyu rainfall for a certain year. The rainstorms during Meiyu period both in North and South Jiangsu show multiple time scale features, but their period and intensity changes with time have different performance on the interannual and interdecadal time-scale. The water level from June to July in Nanjing has the similar inter-annual, decadal periodic variation and abnormal years, and the correlation between the rainfall and water level in Nanjing has passed the 0.1 confidence level of significance test, which suggests a certain close relevance between the water level and rainstorm in Nanjing during the Meiyu period.

Keywords: Meiyu period ; rainstorm ; lower reaches of the Changjiang River ; water level

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孙燕, 朱伟军. 江苏省梅汛期暴雨特征及其对长江下游水位的影响[J]. , 2013, 33(2): 238-243 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2013.02.238

SUN Yan, ZHU Wei-jun. Rainstorm Characteristics During Meiyu Period in Jiangsu and Its Effect on Water Levels of Lower Reaches of the Changjiang River[J]. Scientia Geographica Sinica, 2013, 33(2): 238-243 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2013.02.238

江苏是中国水域面积比例最大的省份,水网稠密,全省主要流湖泊大致可分为沂沭泗水系、淮河下游水系、长江和太湖水系三大流域系统。同时,江苏又处在亚热带与南温带的过渡性气候带中,每年6~7月常常有一段降水集中的连阴雨天气,即“梅雨”。梅雨是中国江淮流域春末夏初过渡季节中的一种重要天气气候现象[1],是东亚夏季风向北推进过程中,东亚大气环流由春到夏过渡季节的产物。东亚夏季风的年际变化大,每年入、出梅的迟早、梅雨期的长短、梅雨量的丰枯对江淮地区的工农业生产、防汛抗旱决策、城市防洪等具有关键性的影响,而梅雨期暴雨引发的江淮流域洪涝灾害也是中国重要的气象灾害之一。

国内气象工作者对江淮梅雨进行了大量研究,并取得丰硕成果[2~6]。叶笃正等[2]研究表明,全国涝灾主要集中在江淮地区,其中6~7月的旱涝大部分是由梅雨异常引起的。丁一汇等[ 7 ]对1991年江淮流域持续性大暴雨进行了深入的研究,周功铤等[8] 分析了梅汛期暴雨的热力、动力结构,尹东屏等[9]在分析2003年和2006年江苏梅雨期间暴雨的平均环流形势的基础上,较深入地分析了暴雨的落区和雨量大小与锋生函数分布和梅雨锋区强度的关系。但有关梅雨期暴雨的研究[7~12]大都基于典型强降水过程动力、热力特征的研究,专门针对梅雨期暴雨气候特征和影响系统的研究相对较少。本文将对江苏梅雨期暴雨的时空特征、周期变化进行分析,以期揭示其中的一些规律,为江苏梅雨期暴雨的气候诊断和预测提供依据,并为后续的机理研究提供诊断事实。另外,结合长江下游南京站近50 a的水文资料,分析其水位变化的特点,研究当地梅雨期暴雨对河流水位的可能影响。

1 资料和方法

江苏省气候中心整编了江苏省76站1961~2009年逐日降水资料,本文在消除台站迁移、城市热岛效应、经过均一性检查和严格质量控制的基础上,选取资料记录完整、缺测记录少、年代较长的66个站。根据气象业务部门的标准,日降水≥50 mm的降水称为暴雨降水,本文用此标准确定暴雨日,暴雨量为各测站梅雨期暴雨降水总量。并选取江苏省水利厅1961~2009年南京站逐日水位资料。

本文采用经验正交函数分解来分析梅雨期暴雨的主要空间分布特征,采用聚类分析用来进行梅雨暴雨的站点地域划分,小波分析用来分析梅雨暴雨和南京站水位的周期性特征,采用二项式系数加权平均法对梅雨期暴雨作11 a滑动平均分析年代际特征。

2 江苏省梅雨期暴雨的空间分布特征

2.1 江苏梅雨期暴雨特征量的平均分布

本文取江苏省1961~2009 年近50 a梅雨期暴雨量为气候平均值。从图1a 可见, 江苏省梅雨期暴雨量100 mm以上的站点主要出现在江苏的中部和西南部,其中最大暴雨量中心位于江苏西南部的高淳、浦口和高邮、兴化,年均梅雨期暴雨量可达130 mm。 暴雨日和暴雨量的空间分布相似(图1b),表明特别局地的超强降水出现不多。除苏西北的丰县、沛县和苏东南的东山、吴江极少区域梅雨期暴雨日小于1 d外,其他地区的梅雨期暴雨日都在1 d以上,表明江苏省在梅雨期间大部分区域都会出现暴雨。从图1c 可见,江苏大部分地区梅雨期的暴雨比都在0.3 以上,最大中心值出现在淮北北部和江苏西南部,都在0.38以上,说明在梅雨期间暴雨所占整个梅雨期降水量的比重还是很大的,暴雨量的多寡一定程度上决定了该年梅雨量的丰枯;另外,江苏西北角和苏南部分地区不足0.3,表明该区域在梅雨期间持续性的小量级降水所造成的降水量是梅雨量的重要组成部分,暴雨量的比重相对较小。图2是1961~2009年逐年梅雨期出现暴雨的站点数,从66站近50 a的梅雨期降水情况来看,大多数年份的暴雨站点数集中在30~60站,有4 a出现60站及以上的暴雨,极大值出现在2003年,为63站;只有11 a出现暴雨的站点数小于30站,极小值出现在1978年,仅有4站。可见,虽然江苏梅雨期出现暴雨的站数有一定的年际差异,但是总体而言暴雨发生的范围还是很广的。

图1   江苏1961~2009年梅雨期暴雨的气候特征(a暴雨量(mm); b暴雨日(d); c暴雨比)

Fig. 1   Climate character of rainstorm during Meiyu period in Jiangsufor 1960-2009: a the rainfallof rainstorm (mm), b the rain-storm days (d), c the ratio of rain-storm

图2   江苏省1961~2009年梅雨期出现暴雨的站数散点图

Fig. 2   Scatter diagram of rainstorm station number during Meiyu period in 1961-2009

2.2 江苏省梅雨期暴雨的气候分区

由上述分析可知,江苏梅雨期暴雨存在比较明显的南北差异。为了较准确划分南北区域的范围,本文应用SPSS软件[14], 采用组内连接(组间距离测度标准采用Pearson correlation系数),对江苏省66站1961~2009年梅雨期暴雨量场进行分区。分层聚类的分区(组) 结果最多有66 种,分别统计从66个区(组)连续分层聚类到1个区(组)的情况,连续计算每一种分区方案的组(区)内和组(区)间的平均相关系数,将组内和组间的平均相关系数之差值(Δr)作为衡量分区效果好坏的指标,结合站点的地理位置,依此来确定“最佳”分区方案。最终,江苏66 站1961~2009年梅雨期暴雨的“最佳”分区可定为2个,即分别为南区(35站)、北区(31站),如图3

图 3   江苏省梅雨期暴雨量的气候分区

Fig. 3   Climate division of rainstorm during Meiyu period in Jiangsu

3 江苏省梅雨期暴雨的时间演变特征

3.1 江苏及各分区梅雨期暴雨量偏少、偏多年的选取

为估算江苏梅雨期暴雨异常情况,计算了梅雨期暴雨量的标准化值, 参考文献[15]将其定义为I指数。以I指数绝对值1.0作为标准,即对应的暴雨量距平为均方差的1.0倍, 来选取全省及南北各分区梅雨期暴雨量偏多、偏少的年份, 结果列于表1

可见, 江苏省梅雨期暴雨量偏多年有5年, 偏少年有6年,其暴雨量异常偏多、偏少的年份占到22.4% ,即平均每4.5年左右就有1年是梅雨期暴雨偏多年或偏少年,最涝年为1991年,最旱年为1978年。北区梅雨期暴雨量异常年相对较多,偏多年有8年,偏少年共有7年,其梅雨期暴雨量异常偏多、偏少的年份占到30. 6%,即平均3.3年左右就有1年是暴雨量偏多或偏少年,最多年为1991年, 最少年为1984年。南区梅雨期暴雨偏多年是7年, 偏少年是6年,暴雨量异常偏多、偏少的年份占到26. 5% 。最偏多年为1991年, 最偏少年为1978年。南北两区一致偏多的年份为1991年和2003年,只占到了各自异常偏多年的25.0%和28.5%,说明江苏梅雨期暴雨有其独特的区域特点;同样的方法对江苏省全区选取的偏多年只有5年,是因为求平均后略去了一些空间分布不均而造成的异常。由此可见,对江苏省梅雨期暴雨量做分区研究是有必要的。同样,选出的偏少年份也是北区多于南区。值得注意的是,南北一致偏少的年份有4年,占到了各自偏少年的57.1%和66.7%,说明梅雨期暴雨偏少年时具有全区的一致性,而暴雨偏多年其区域性明显。即暴雨偏少时南北区都少,偏多时却是有的多有的少,暴雨区域性明显。

表1   江苏及两个分区梅雨期暴雨偏多、偏少的年份

Table 1   The more or less rainstorm years over Jiangsu Province, the north partition, and the south partition

区域偏多年偏少年
北区(31站)1965年、1983年、1986年、1991年、1996年、2003年、2006年、2007年1961年、1973年、1978年、1984年、1988年、1994年、2005年
南区(35站)1969年、1972年、1975年、1991年、1999年、2003年、2004年1966年、1978年、1988年、1992年、1994年、2005年
江苏省(66站)1972年、1991年、1996年、2003年、2007年1966年、1973年、1978年、1988年、1994年、2005年

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3.2 江苏梅雨期暴雨异常的年代际变化特征

为了更好地研究江苏梅雨期暴雨异常的年代际变化趋势,采用二项式系数加权平均法对江苏省及南北分区近50 a的梅雨期暴雨量标准化距平的时间序列作11年滑动平均,如图4所示。可见南北分区梅雨期暴雨异常在年代际变化尺度上不完全一致。南区(图4a)梅雨期暴雨在60年代和80年相对偏少,只是在60年代末到70年代中期和70年代末偏多;90年代以后进入暴雨偏多的时期。江苏全区(图4c)梅雨期暴雨在60年代到70年代相对偏少,之后维持多、少、多的有规律波动上升的趋势。由线性拟合趋势直线可见,近50 a里江苏全省梅雨期暴雨都呈现上升趋势。北区(图4b)梅雨期暴雨在20世纪60年代到70年代后期处在一个相对偏少的时期, 只是在60年代中期存在一个很弱的偏多的波动; 70年代末到90年代初梅雨期暴雨偏多,之后进入暴雨偏少期,但持续时间不长,之后维持多、少、多的有规律的振荡变化,整体呈现波动上升的趋势。

图4   江苏南(a)北(b)区和江苏省(c)梅雨期暴雨的标准化距平,11 a滑动平均曲线和线性趋势线

Fig. 4   The standardized anomaly precipitation, 11-year moving average curve and the linear trend line of 50-year time series over the south (a), north (b), and the Jiangsu Province (c)

3.3 江苏梅雨量异常的小波分析

分别对江苏全省及南北分区1961~2009年近50 a的梅雨期暴雨量的I指数时间序列进行了Morlet小波分析(图5),其中阴影部分为通过了95%的显著性检验。

可见,南区梅雨期暴雨存在显著的准6 a、准4 a和准2 a的振荡周期,其中,准2 a的振荡周期主要存在于20世纪90年代中期,准4 a的振荡周期主要发生在80年代和2000年以后,准6 a的振荡周期主要发生在90年代。北区梅雨期暴雨存在准2 a、准3 a、准4 a和准6 a的振荡周期,在80年代末到90年代前期准2 a的振荡周期显著,在70年代前期准3 a的振荡周期比较显著,而准4 a的振荡周期主要存在于80年代后期以后,相对也比较稳定,准6 a的振荡周期主要出现在80年代中后期到90年代中期。就江苏省而言,其梅雨期暴雨存在准2 a、准4 a和准6 a的振荡周期,准2 a的振荡周期主要存在于20世纪80年代末到90年代前期,准4 a的振荡周期从80年代后期开始一直存在且较稳定,准6 a的振荡周期同样存在于80年代中后期到90年代中期。由此可见, 江苏及南北分区都存在着准2 a、准4 a和准6 a的振荡周期,且基本都存在于80年代中期以后,表现也相对较稳定。谱值均在1991年达到最大,为暴雨偏多的年份或从暴雨量偏少期向偏多年转折时能量较为集中;另外,2003年为谱值的次大值,这与前文关于南北两区一致暴雨偏多的年份为1991年和2003年的结论一致。

图5   江苏南区( a) 、北区( b) 和全区( c)梅雨期暴雨量标准化距平的小波系数(阴影区大于2.5)

Fig.5   Wavelet coefficients of standardized anomaly precipitation of the south partition (a), the north partition (b), and the whole Jiangsu Province. (Wavelet coefficients of shaded area are more than 2.5)

4 长江下游南京站水位的变化特点

根据江苏省水利厅提供的南京站逐日水位资料,根据梅雨期暴雨的多发时段,统计计算出1961~2009年南京6~7月的平均水位(50 a的平均值为7.25 m),见图6a。可见,南京站的水位年际变化明显,并且呈现波动上升的趋势,同样,计算其I指数,见图6 b,长江南京站 6~7月水位偏高的年份为1973年、1977年、1983年、1991年、1995年、1998年、1999年,而1991年和1999年也是江苏南区梅雨期暴雨异常偏多的年份。

用Morlet小波的方法对南京市水位进行周期分析,见图7,南京6~7月的平均水位存在显著的准4 a、准8 a的振荡周期,其中,准4 a的振荡周期主要存在于20世纪90年代中期到21世纪初期,江苏南区梅雨期暴雨也在该时段存在准4 a的振荡周期;准8 a的振荡周期主要发生在20世纪70年代中期到90年代初。

图6   1961~2009年南京站6~7月平均水位(a)及其I指数(b)

Fig.6   Average river level from 1961 to 2009 in Nanjing Station (a) and I index (b)

图7   1961~2009年南京站6~7月平均水位的小波系数(阴影区大于2.5)

Fig.7   Wavelet coefficients of monthly average river level from 1961 to 2009 in Nanjing Station

通过以上分析可以发现长江下游南京站水位与梅雨期暴雨的周期和异常年份的发生有一定相似性,因此,计算了1961~2009年江苏南区梅雨期暴雨量与南京水位的相关系数为0.23,通过了0.10的显著性检验,因此南京站6~7月水位的高低与江苏南区梅雨期暴雨具有一定的相关性。但是,河流蒸发量的大小、河流周围的绿化带的多少也会影响水位的高低变化,上游降雨、流量、水位的变化也会对下游水位带来影响,另外,人类活动会不会大量取用河水灌溉农田,破坏水源等等也会对水位造成重大影响。因此,当地暴雨量对水位会带来重大影响,但不是唯一的影响因子,需要综合考虑自然、人类活动、河流源头的变化等因素。

5 结 论

1) 江苏省在梅雨期间大部分区域都会出现暴雨,暴雨量的多寡一定程度上决定了该年梅雨量的丰枯;另外,江苏梅雨期暴雨存在明显的地域差异。

2) 江苏南、北部梅雨期暴雨都存在多时间尺度特征,主要存在准2 a、准4 a、准6 a周期特征。 由于年际和年代际振荡的周期和强度随时间的变化有不同表现, 两个区域暴雨偏多、偏少年出现的年份有所不同。

3) 长江下游南京站水位与梅雨期暴雨的周期和异常年份的发生有一定相似性,1961~2009年江苏南区梅雨期暴雨量与南京水位的相关系数为0.23,并且通过了0.10的显著性检验,可以认为南京站6~7月水位的高低与梅雨期暴雨具有一定的相关性。

The authors have declared that no competing interests exist.


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