近62年铜陵梅雨演变特征及2020年梅雨异常分析.pdf

收稿日期:2023-02-21;修订日期:2023-03-18作者简介:林群星(1971),女,本科,高级工程师,主要从事气候研究。基金项目:铜陵市气象局基金资助项目(TL202201)。通信作者:凌 林(1996),男,本科,助理工程师,主要从事大气科学研究。E-mail:648337621 。第 41 卷 第 4 期2023 年 8 月江 西 科 学JIANGXI SCIENCEVol.41 No.4Aug.2023 doi:10.13990/j.issn1001-3679.2023.04.016近 62 年铜陵梅雨演变特征及 2020 年梅雨异常分析林群星1,凌 林2,王泽华1(1.铜陵市气象局,244100,安徽,铜陵;2.庐江县气象局,231500,安徽,庐江)摘要:利用 19602021 年铜陵气象观测站梅雨相关气象观测资料,结合西太平洋副热带高压脊线的季节进程,划分出近 62 a 铜陵地区梅雨期,采用 Morlet 小波变换等方法对铜陵梅雨的时间序列进行分析,并对 2020年梅雨异常进行分析。结果表明:铜陵梅雨呈现明显的年代际变化,2000 S 梅雨量和梅雨长度为各年代际中最小值,2010 S 梅雨量为各年代际中最大值。梅雨量主要受到 60、41、9 a 主周期的影响,梅雨长度主要受到38、60、9 a 主周期的影响。探寻出在整个研究时域只有 2020 年梅雨量和梅雨长度同时位于 3 个主周期的小波系数实部等值线高值中心及其周期波峰处,因此在多周期共振的结合下导致了 2020 年梅雨量、梅雨长度均创下历史极值。关键词:铜陵;梅雨;2020 梅雨;小波分析中图分类号:P461 文献标识码:A 文章编号:1001-3679(2023)04-706-06Evolution Characteristics of Plum Rain in Tongling in Recent 62 Years and Analysis of Plum Rain Anomaly in 2020LIN Qunxing1,LING Lin2,WANG Zehua1(1.Tongling Meteorological Bureau,244100,Tongling,Anhui,PRC;2.Lujiang County Meteorological Bureau,231500,Lujiang,Anhui,PRC)Abstract:Based on the meteorological observation data of Meiyu in Tongling Meteorological Observa-tion Station from 1960 to 2021,combined with the seasonal process of the Western Pacific subtropi-cal ridge,find out the plum rain period in Tongling area in the last 62 years.Morlet wavelet trans-form was used to analyze the time series of Tongling Meiyu,and the anomaly of Meiyu in 2020 was analyzed.The results showed that the meiyu of Tongling showed obvious interdecadal variation.The Meiyu rainfall and Meiyu length of 2000 S were the minimum values in each decadal period,and the Meiyu rainfall of 2010 S was the maximum values in each decadal period.Plum rainfall was mainly affected by the main periods of 60,41 and 9 years,and the length of plum rain was mainly affected by the main periods of 38,60 and 9 years.It is found that in the whole research domain,only the 2020 Meiyu rainfall and the length of Meiyu are located at the high value center and the peak of the periodic wave of the real part of the wavelet coefficients in the three main periods.Therefore,under the combination of multi-period resonance,the plum rainfall and the length of plum rain in 2020 both reached historical extreme value.Key words:Tongling;plum rain;2020 plum rain;wavelet analysis0 引言梅雨是指初夏时节从中国江淮流域到韩国、日本一带雨期较长的连阴雨天气,其间暴雨、大暴雨天气过程频繁出现,降水连绵不断,多雨闷热易生霉,谓之 霉雨,因为此时正是江南梅子成熟的季节,所以又称为“梅雨”1,是我国长江中下游春末夏初过渡季节中的重要天气气候现象。梅雨来到的迟早和梅雨量的丰枯,直接影响着夏收夏种和旱涝的形成与持续。梅雨气候的异常变化是长江中下游地区气候变化研究的重要课题。早在 1930 S 竺可桢2就指出江淮地区夏季降水显著的气候学特征是年际差异,并具有明显的年代际变化和趋势变化。周曾奎3对近 40 a 江淮梅雨期的划定、梅雨期的天气气候特征、梅雨期环流及演变规律等作了全面、系统的分析研究。关于梅雨的变化周期,不同资料或不同方法确定的梅雨变化周期各不相同4-9。但区域梅雨表现在局地上仍各有差异10-13。梅雨的一致性是不同地区梅雨降水局地性的概括,而局地梅雨降水在一定程度上可体现区域梅雨的一致性。铜陵位于安徽省中南部,地处长江下游南岸,梅汛期降水形成的洪涝是铜陵地区的主要自然灾害之一,因此分析铜陵梅雨特征气候变化和寻找梅雨时间系列的周期变化规律,探寻 2020 年铜陵梅雨气候异常特征及其成因,不仅有助于进一步理解铜陵梅雨的局地气候变化,对长江中下游梅雨的气候变化研究也具有参考价值。铜陵梅雨是否能体现区域梅雨的一致性?2020 年出现历史罕见的梅雨是否能从梅雨的长时间序列中探得端倪?这些均是需要探讨总结的问题。本文采用 19602021 年铜陵气象观测站气温、水汽压、降水量等梅雨相关气象观测资料,结合西太平洋副热带高压脊线的季节进程,划分出近 62 a 铜陵地区梅雨期,分析铜陵梅雨入出梅日期、梅雨量、梅雨长度等特征量的变化趋势,采用 Morlet 小波变换对铜陵梅雨近 62 a 的长时间系列进行周期特征分析,从中探寻铜陵梅雨周期变化规律及 2020 年梅雨气候异常特征及其成因,以期为气象台做好梅雨相关预报提供参考。1 资料与方法本文参考安徽省气象台制定的入、出梅标准,选取铜陵气象观测站的日降水量,参考其日平均气温、日照时数、水汽压等相关要素值,并结合副热带 高 压 脊 线 的 位 置 及 相 关 文 献 为 分 析 资料14-17,综合判断铜陵入出梅日期。采用的分析方法有趋势分析、统计分析、Morlet 小波变换。2 铜陵近 62 a 梅雨气候变化特征2.1 梅雨量时间变化图 1 是铜陵梅雨量随时间的变化曲线,由图1 可知,铜陵梅雨量呈现出明显的年代际变化,1960 S1970 S 梅雨量偏少;1980 S1990 S 梅雨量偏多,梅雨量 1980 S 其 5 年滑动平均值绕常年值附近上下波动是最接近常年值的年代际;2000 S 梅雨量偏少明显,为枯梅期,是整个研究时域梅雨量最少的时期;进入 2010 S 以来,梅雨量显著偏多是丰梅期,为整个研究时域梅雨量最多的时期。铜陵梅雨量整体上经历了偏少偏多少多的转变。图 1 还可以看出,梅雨量常年值为 314.7 mm,最大值为 999.9 mm(2020年)。梅雨量大于 800 mm 以上的年份有 6 a,分别为 2020 年(999.9 mm)、1983 年(948.8 mm)、1999 年(893.7 mm)、1991 年(883.7 mm)、2016年(863.9 mm)、1969 年(802.4 mm)。空梅一共有 4 a,分别为 1965、1978、2000、2009 年。基于梅雨量明显的年代际特征,预计 2020 S 的十年间梅雨量将偏少。掌握梅雨量年代际变化特征,对准确做好梅雨期总降水量预报,进而做好防汛抗旱的服务工作具有一定参考价值。02004006008001 0001 200梅雨量/mm梅雨量5年滑动平均常年值10年平均999.9948.91960196519701975198019851990199520002005201020152020年图 1 19602021 年铜陵梅雨量变化707第 4 期 林群星等:近 62 年铜陵梅雨演变特征及 2020 年梅雨异常分析2.2 入出梅时间变化铜陵历年入出梅日期见图 2,由图 2 可知,铜陵各年入、出梅日期差异都比较大。铜陵平均入梅日为 6 月 18 日,入梅最早的是 1991 年 5 月 18日,最晚的是 1982、2005、2012 年均为 7 月 11 日,早晚相差 54 d。由入梅日 5 a 滑动平均可以看出,铜陵入梅日有明显的年代际变化,1970 S 和1990 S 入梅偏早,大多年份在 6 月 18 日之前;1980 S 和 2000 S 入梅偏迟,大多年份在 6 月 18日之后;进入 2010 S 入梅日大多在常年值附近。5年滑动平均1960196519701975198019851990199520002005201020152020年5年滑动平均入梅日出梅日平均入梅日入梅日出梅日期5月14日5月24日6月3日6月13日6月23日7月3日7月13日7月23日8月2日日期图 2 19602021 年铜陵入出梅日逐年演变铜陵平均出梅日为 7 月 13 日,梅雨结束最早的是 1961 年 6 月 15 日,最晚的是 2020 年 8 月 1日,早晚相差 48 d。由出梅日 5 年滑动平均可以看出,铜陵出梅日没有明显的年代际变化,1970 S和 2010 S 出梅偏迟,大多在 7 月 13 日之后;1990 S 和 2000 S 出梅偏早,大多在 7 月 13 日之前;1980 S 出梅日绕常年值上下波动较大。准确做好入出梅日预报可为梅雨期作物的生长发育和正常收获及减少籽粒发芽霉变提供有力保障。表 1 中列出各年代际梅雨参数的统计特征值,结合图 1 和表 1 可以看出,1960 S 处于梅雨量较少的年代际,梅雨量较常年偏少 15%,梅雨长度较常年少 4 d,入梅时间与常年相同,出梅较常年偏早 3 d;1970 S 梅雨量较常年偏少 9%,梅雨长度较常年多6 d,入梅较常年偏早8 d,出梅较常年偏晚4 d;1980 S 入出梅日、梅雨长度、梅雨量基本正常;1990 S 为梅雨量次多的年代际,其值较常年偏多 18%,入梅时间较常年偏早 8 d,出梅基本正常;2000 S 是梅雨量和梅雨长度最少的年代际,梅雨长度仅15 d,较常年少8 d,其入梅较常年偏晚4 d,出梅较常年偏早2 d,梅雨量较常年偏少29%;进入 2010 S 以来,梅雨量较常年偏多 27%,为各年代际中最高值,入梅时间较常年偏迟 5 d,出梅时间较常年偏晚 7 d,梅雨长度较常年偏多4 d,其中 2020 年出现了梅雨量(999.9 mm)和梅雨长度(52 d)的历史极大值。由以上分析可以看出,铜陵梅雨存在着显著的年代际变化,梅雨量整体上大致经历了“正常偏少正常正常偏多少多”的转变。表 1 19612020 年各年代铜陵梅雨特征量的统计特征时段平均入梅日期平均出梅日期平均梅雨长度/d平均梅雨量/mm19611970 6 月 18 日7 月 10 日19267.319711980 6 月 10 日7 月 17 日29284.519811990 6 月 19 日7 月 11 日23336.419912000 6 月 10 日7 月 12 日27368.720012010 6 月 22 日7 月 11 日15222.320112020 6 月 23 日7 月 20 日27399.0常年值6 月 18 日7 月 13 日23313.0最大值7 月 11 日8 月 1 日52999.9最小值5 月 18 日6 月 15 日002.3 小波变换分析2.3.1 梅雨量小波变换分析为了解铜陵梅雨量的周期性特征,利用 Morlet 小波分析法对铜陵19602021 年(包括空梅年)梅雨量做小波变换。图 3 为梅雨量小波系数实部等值线和模平方等值线图,由图 3 可知,小波系数表现出 5 个时间尺度的主周期变化规律,其中:5262 a 时间尺度上表现出少多交替的准 1 次振荡(图 3(a),这种震荡能量从 1960 年一直持续,但 2010 年以后其能量明显减弱(图 3(b);另外,在 3250 a 尺度上表现出了多少多少多 5 个交替变化,且占满整个时域(图 3(a),其震荡能量在 1990 年以后明显增强,直至 2020 年为最强(图 3(b);在47 a 尺度上存在多少交替的振荡(图3(a),这种震荡在 19782005 年间表现较明显,其他时域表现较弱(图 3(b);在 813 a 尺度上存在多少交替的振荡(图 3(a),其震荡能量自 1980 年以后越来越强,直至 2020 年为最强(图 3(b);在1931 a 尺度上也存在多少交替的振荡(图 3(a),其震荡能量存在 19602003 年间。图 3(a)还可以看出,只有 2020 年同处于 5262、3250、813 a 3 个时间尺度的高值(多梅期)中心,而这 3 个时间尺度也是对近代及未来影响较807江 西 科 学2023 年第 41 卷大的尺度。102030405060周期/a196019651970197519801985199019952000200520102015 2020-330.0-280.0-230.0-180.0-130.0-80.0-30.020.070.0120.0170.0220.0270.0320.0-338.0196019651970197519801985199019952000200520102015 2020102030405060周期/a0.0002.219E+044.438E+046.565E+048.875E+041.109E+051.331E+051.553E+051.775E+05年年(b)（a)图 3 19602021 年梅雨量小波系数实部等值线(a)和小波系数模平方等值线(b)图 4(a)是铜陵梅雨量小波方差,由图 4(a)可知,小波方差有 5 个明显的峰值,由强到弱分别为60、41、6、9、24 a,即60 a 为第一主周期,41 a 为第二主周期,6、9、24 a 分别为第三、四、五主周期。图 4(b)、(c)、(d)分别是对近代及未来影响较大的 60、41、9 a 主周期小波系数实部曲线图,它们反映出铜陵梅雨量在不同时间尺度下的周期变化情况。图 4(b)可见在第一主周期 60 a 时间尺度下平均振荡周期为 40 a 左右,19602021 年经历了 2 个波峰和 2 个波谷。图 4(c)可见在第二主周期 41 a 时间尺度下平均振荡周期为 26 a 左右,经历了 3 个波峰和 2 个波谷。图 4(d)可见在 9 a时间尺度下平均振荡周期为 6 a 左右,经历了 10个波峰和 10 个波谷。41 a 时间尺度下,预计2033 a 出现波谷,波谷持续时间为 20262039 a;9 a 时间尺度下,预计在 2023 年出现波谷,2026年出现波峰。由此判断,铜陵梅雨量 20262039年在第二主周期影响下整体呈减少趋势,但在第四主周期影响下将使减少趋势出现波动。由以上分析可知,在整个研究时域只有 2020年同处于 60、41、9 a 3 个主周期高值(多梅期)中心,对应的是其周期波峰处,因此在多周期共振的结合下导致了 2020 年有史上最多的梅雨量。通过对梅雨量的周期分析,能够清晰地反映其在不同时间尺度中的变化趋势,把握梅雨量的周期变化规律,可为梅雨量预报提供可靠思路。050 00001 000 0001 500 0002 000 0002 500 0003 000 0003 500 0004 000 000小波方差值1 4 7 10131619222528313437404346495255586164时间尺度/a196019631966196919751972197819841981198719901993202019961999201420112008200520022017年(b)60年时间尺度小波系数实部曲线(a)梅雨量小波方差小波系数实部-400-300-200-1000100200300400196019631966196919751972197819841981198719901993202019961999201420112008200520022017年196019631966196919751972197819841981198719901993202019961999201420112008200520022017年(c)41年时间尺度小波系数实部曲线(d)9年时间尺度小波系数实部曲线-400-300-200-1000100200300400500-400-300-200-1000100200300400小波系数实部小波系数实部图 4 19602021 年梅雨量小波方差(a)及不同时间尺度下周期(b)、(c)、(d)2.3.2 梅雨长度小波变换分析 Morlet 小波变换分析反应了铜陵梅雨长度在不同时间尺度下的周期变化情况。梅雨长度小波分析结果见图 5,图 5(a)小波系数表现出 4 个时间尺度的周期变化规律,其中:2746 a 尺度上表现出短长交替的准 3 次振荡,且具有全域性,图 5(b)可见其振荡能量占满整个研究时域且自 1960 年后越来越强;图 5(a)在 5262 a 尺度上梅雨长度表现出了短907第 4 期 林群星等:近 62 年铜陵梅雨演变特征及 2020 年梅雨异常分析长交替的准 1 次振荡,图 5(b)可见该震荡能量2010 年后逐渐减弱;图 5(a)可见在 27 a 和 813 a 尺度上也存在长短交替的振荡,但均未占满整个研究时域,图 5(b)可见 813 a 尺度在 2010年后能量逐渐加强。图 5(a)还可以看出 2020 年同处于 2746、5262、813 a 3 个时间尺度的高值(长梅期)中心,而这 3 个时间尺度也是对近代及未来影响较大的尺度。1960196519701975198019851990199520002005201020152020年1960196519701975198019851990199520002005201020152020年102030405060102030405060-30.00-24.00-18.00-12.00-6.0000.0006.00012.0018.0024.0030.00周期/a周期/a0.00080.00160.0240.0320.0400.0480.0560.0640.0720.0800.0880.0960.0(a)(b)图 5 19602021 年梅雨长度小波系数实部等值线(a)和小波系数模平方等值线(b)图 6(a)是铜陵梅雨长度小波方差,图 6(a)可见,小波方差有 4 个明显的峰值,由强到弱分别为 38、60、9、5 a,即 38 a 为第一主周期,60、9、5 a分别为第二、第三、第四主周期。图 6(b)、(c)、(d)分别是对近代及未来有影响的 38、60、9a 主周期小波系数实部曲线图。图 6(b)可见在第一主周期 38 时间尺度下平均振荡周期为 24 a 左右,19602021 年经历了 3 个波峰和 3 个波谷;图 6(c)可见 60 a 时间尺度下平均振荡周期为 36 a 左右,经历了 2 个波峰和 2 个波谷。图 6(d)可见 9 a 时间尺度下平均振荡周期为 6 a 左右,经历了 11 个波峰和 11 个波谷。38 a 时间尺度下,预计 2032 年出现波谷,波谷持续时间为 20262038 年;9 a 时间尺度下,预计在 2023 年出现波谷,2026 年出现波峰。由此判断,铜陵梅雨长度20262038 年在第一主周期影响下整体呈缩短趋势,但在第二主周期影响下将使缩短趋势出现波动。由以上分析可知,在整个研究时域只有 2020年梅雨长度同时位于 38、60、9 a 3 个主周期的高值(长梅期)中心,对应的是其周期波峰处,因此在多周期共振的结合下导致了 2020 年有最长的梅雨期。这与梅雨量分析的结果相对应。可见多周期共振具有超强的爆发力。但梅雨量和梅雨长度 60 a 主周期的能量在 2010 年以后均衰减的较快,所以近代及未来梅雨量主要受 41 a、9 a 主周期的影响;梅雨长度主要受 38 a、9 a 主周期的影响。可见梅雨量和梅雨长度均具有多尺度性、主周期性和同步性变化的特点,并具有基本相似且显著的变化周期。年5 00010 00015 00020 00025 00030 000小波方差值1 4 7 10131619222528313437404346495255586164时间尺度/a196019631966196919751972197819841981198719901993202019961999201420112008200520022017(b)38年时间尺度小波系数实部曲线(a)梅雨长度小波方差小波系数实部(c)60年时间尺度小波系数实部曲线(d)9年时间尺度小波系数实部曲线0-30-20-100102030年196019631966196919751972197819841981198719901993202019961999201420112008200520022017-15-10-5051015小波系数实部年196019631966196919751972197819841981198719901993202019961999201420112008200520022017-25-20-15-10-50510152025小波系数实部图 6 19602021 年铜陵梅雨长度小波方差(a)及不同时间尺度下周期变化情况(b)、(c)、(d)017江 西 科 学2023 年第 41 卷3 结论1)铜陵梅雨呈现明显的年代际变化,2000 S梅雨量和梅雨长度为各年代际中最小值,2010 S梅雨量为各年代际中最大值。梅雨量常年值为 314.7 mm。梅雨量大于 800 mm 以上的年份有 6 年,空梅有 4 年。2020 年出现了梅雨量(999.9 mm)和梅雨长度(52 d)的历史极大值。铜陵入梅日有明显的年代际变化,平均入梅日为6 月 18 日,早晚相差 54 d;出梅日年代际变化不明显,平均出梅日为 7 月 13 日,早晚相差 48 d。小波分析揭示了铜陵梅雨的周期变化特征,铜陵近代及未来梅雨量主要受 41、9 a 主周期的影响;梅雨长度主要受 38、9 a 主周期的影响;探寻出在整个研究时域只有 2020 年梅雨量和梅雨长度同时位于 3 个主周期的小波系数实部等值线高值中心和其周期波峰处,因此在多周期共振的结合下导致了 2020 年梅雨量、梅雨长度均创下历史极值。梅雨量和梅雨长度均具有多尺度性、主周期性和同步性变化的特点,并具有基本相似且显著的变化周期。2)铜陵入梅时间有年代际变化规律和出梅时间没有明显的年代际规律及铜陵平均入出梅时间等内容与刘勇13研究安徽梅雨年际变具有一定的同步性,有很多相似之处,但在具体的入出梅日期和梅雨长度上又不完全相同。这些都体现了梅雨的一致性是不同地区梅雨局地性的概括,而铜陵局地梅雨在一定程度上体现了区域梅雨的一致性。关于 2020 年梅雨异常,很多学者从短期环流系统演变和当年的实况资料等进行了深入研究18-20,本文采用 Morlet 小波变换对铜陵梅雨近62 年的长时间系列进行了多尺度周期特征分析,探寻到只有 2020 年梅雨同处于多个主周期高值中心和其周期波峰处,在多周期共振的结合下导致了 2020 年梅雨量等均创下历史极值。3)本文仅从梅雨量、梅雨长度和入出梅日期的时间序列变化规律及周期特征进行分析,认知是很有限的,梅雨作为复杂天气背景下的产物,与之相关的因素很多,今后为构建更加科学、合理的梅雨预测,将是梅雨研究者努力的课题。参考文献:1 中国气象局预报与网络司,梅雨监测业务规定(试行)S.北京:气象出版社,2013.2竺可祯.东南季风与中国之雨量J.地理学报,1934,1(1):1-27.3周曾奎.江淮梅雨M.北京:气象出版社,1996.4饶艳燕.安徽省近 60 年梅雨时空特征分析D.合肥:合肥工业大学,2020.5梁萍,陈丽娟,丁一汇,等.长江梅雨的长期变率与海洋的关系及其可预报性研究J.气象学报,2018,76(3):379-393.6唐永兰,徐桂荣,万蓉,等.近 52 a 湖北省梅雨期降水的气候变化特征分析J.暴雨灾害,2016,35(6):511-520.7吴珊珊,张超美.2013 年梅雨监测及近 50 年江西梅雨气候特征J.气象与减灾研究,2014,37(1):13-20.8杨静,钱永甫.121a 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