（气象学专业论文）1948～2003年热带地区年、季降水气候特征与变化研究.pdf

19 4 8 2 0 0 3 年热带地区年、季降水气候特征与变化研究 中文摘要 本文采用c h e n 等人最新创建的全球陆地和海洋月降水资料( p r e c ) 、美国 n c e p 瓜c a r 所整理的全球再分析月平均风场资料和月平均海温资料，分析了 1 9 4 8 - - 2 0 0 3 年热带地区年、季降水场气候变化的一些问题，主要研究内容和结 论如下： 分析了热带地区年、季降水量的时、空间分布特征，指出热带地区年、季 降水量较大和较少的区域。发现近5 6 年来，热带地区年、季降水量均存在下降 趋势，其中年降水的下降趋势最为明显，而6 8 月和1 2 2 月降水的下降趋势较 不明显。同时还发现，热带地区年、季降水存在明显的年际变化和年代际变化 特征。 分析了热带地区年、季降水量的长期变化趋势，指出近5 6 年来，热带地区 年、季降水量有明显的趋势变化，其气候变化均以负趋势为主，同时还发现年、 6 - 8 月、9 1 1 月和1 2 - 2 月降水量的负趋势比正趋势范围大，强度强的特征不是 随机的，而3 5 月降水量的负趋势与正趋势范围与强度差不多。分析了热带地 区年、季降水量场趋势系数的分布特征，并指出了年、季降水趋势的正值区和 负值区，并对年、季降水正负趋势区的降水时间序列进行了初步的研究。 划分了1 9 4 8 2 0 0 3 年热带地区年、季的早涝年，并对划分的旱、涝年进行 了m o n t ec a r l o 检验，结果表明旱涝年的划分是可靠的。研究了热带地区旱涝年 的分布规律和特征，指出早涝年的分布是不均匀的，具有明显的年代际特征。 同时还指出，年、季的早、涝年降水距平存在较大差异，并指出了差异明显的 地区。 通过对年、季旱涝年的距平风场及涝年减旱年的差值风场进行合成分析， 发现旱、涝年的2 0 0 h p a 、5 0 0 h p a 和8 5 0 h p a 风场存在明显差异。对年、季旱涝 年的h a d l e y 环流和太平洋w a l k e r 环流进行合成分析，发现，h a d l e y 环流对热 带地区年、季降水量没有太大影响，而太平洋w a l k e r 环流对热带地区的年、3 5 月、6 8 月和1 2 2 月热带地区降水量有明显的影响。 分析了早、涝年太平洋和印度洋海温的情况，发现海温与热带地区年、季 降水异常有明显的关系。e n s o 事件对热带地区年、季降水均有明显的影响， 同时指出了e 1n i n o 发生时，热带地区年、季降水减少和增加地区。 关键词：热带地区；降水；旱涝；气候变化 t h es t u d yo nc l i m a t ec h a r a c t e r sa n dc h a n g e si nt r o p i c a a n n u a la n ds e a s o n a lp r e c i p i t a t i o nf i e l d sd u r i n g 19 4 8 2 0 0 3 a b s t r a c t b a s e do nt h eg l o b a lm o n t h l yr a i nd a t a ( p r e cv i z p r e c i p i t a t i o nm o n t h l y a n o m a l i e so v e rg l o b a ll a n d & o c e a n sf r o m1 9 4 8 1 - 2 0 0 4 2 ) c r e a t e db yc h e ne ta l ， n c e p n c a rr e a n a l y z e dg l o b a lm o n t h l ym e a nw i n dd a t aa n ds s td a t a , t h i sp a p e r i n v e s t i g a t e ss o m ep r o b l e m so ft h ec l i m a t ec h a n g ei nt r o p i c a la n n u a la n ds e a s o n a l p r e c i p i t a t i o nf i e l d sd u r i n g19 4 8 2 0 0 3 n em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s t h et e m p o r a la n ds p a t i a lf e a t u r e so fa n n u a la n ds e a s o n a lp r e c i p i t a t i o nf i e l d s o v e rt h et r o p i c a la r ea n a l y z e d ，a n dn e g a t i v et r e n dv a r i a t i o n sa r ef o u n di na l lo ft h e a n n u a la n ds e a s o n a lp r e c i p i t a t i o nf i e l d se s p e c i a l l yi nt h ea n n u a lo n e i ta l s os h o w s t h a tt h ei n t e r a n n u a la n dd e c a d a lf l u c t u a t i o n so fa n n u a la n ds e a s o n a lp r e c i p i t a t i o na r e o b v i o u s t h r o u g hc a l c u j a t i n gt h ep r e c i p i t a t i o nt r e n dc o e f f i c i e n ti nt h et r o p i c ，i th a sb e e n f o u n dt h a ts i g n i f i c a n tn e g a t i v et r e n d so c c u ri na n n u a la n ds e a s o n a lp r c c i p i t a t i o n f i e l d s t h e nt h et e m p o r a lf e a t u r e so fp r e c i p i t a t i o nt r e n dc o e 岱c i e n ta f ea n a l y z e di n d e t a i la n dt h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v et r e n da r e a sa r ep o i n t e do u t t h ed r o u g h ta n df l o o dy e a r si nt h e1 o p i ch a v eb e e np l o t t e do u tb yc a l c u l a t i n g t w ot r o p i c a li n d e x e si na n n u a la n ds e a s o n a ls c a l e sf r o m1 9 4 8t o2 0 0 3 ，a n dh a v eb e e n t e s t e db ym o n t ec a r l ot e s t s r e s u i ts h o w st h a tt h ed i s t r i b u t i o no fd r o u g h ta n df l o o d y e a r st a k e so nad e c a d a lf e a t u r ei na n n u a la n ds e a s o n a ls c a l e s 1 1 1 er e l a t i o n sb e t w e e nr a i n f a l la n dw i n df i e l d s h a d l e yc i r c u l a t i o na n dp a c i f i c w a i k e rc i r c u l a t i o nh a v eb e e ns t u d i e d r e s u l t ss u g g e s tt h a tt h ec o n n e c t i o ni sc l o s e 、 ，i t hw i n df i e l d sa n dp a c i f i cw a l k e rc i r c u l a t i o n , b u ti si r r e l a t i v ew i 也h a d l e y c i r c u l a t i o n n l er e l a t i o n sb e t w e e nr a i n f a l la n ds s t e n s 0e v e sh a v eb e e na n a l y z e d e v i d e n c e ss u g g e s tt h a tt h es s th a sa s s o c i a t e dc l o s e l y 、i t l la n n u a la n ds e a s o n a l p r e c i p i t a t i o nc h a n g e s i ta l s os h o w st h a te n s o e v e n t sh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so n a n n u a la n ds e a s o n a lp r e c i p i t a t i o n t h e nt h ea r e a sw h o s er a i n f a l lw i l li n c r e a s eo r d e c r e a s ew h i l ea ne ln i n oe v e n th a p p e n sa r ep o i n t e do u t k e y w o r d s ：t h et r o p i c ；p m c i f ) i t a t i o n ；d r o u g h ta n df l o o dy e a r ；c l i m a t ec h a n g e 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：剜短缝 日 期：碰晕 自 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京气象学院有关保留、使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数 据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学 位论文在解密后适用本规定。 作者签名：童i 垒逢 日期：塑蔓翻 1 1 研究意义 第一童绪论 降水是气候变化的重要分量。大尺度降水对全球水循环、水资源、工农业生产以及人 民的生活有重要的影响。研究大尺度降水的气候特征和变化，对研究全球水循环及全球气 候异常等具有非常重要的意义，同时也对防灾减灾具有非常明确的现实意义。然而，目前 对大尺度降水变化的研究相对较少，这和降水资料本身具有的特点有关。降水的时、空变 化大，降水样本资料在时间和空间上来说都十分缺乏，这就限制了问题的研究。热带地区 是全球热量及水汽的主要源地，全球约2 3 的降水发生在热带，该地区降水所释放的潜热 为大气环流提供了3 4 以上的能量”j 。以热带地区作为一个整体研究热带地区降水气候 特征与气候变化对全球水循环以及海气相互作用研究等方面具有非常重要的意义。降水是 热带气候最重要最敏感的因子，其对大气环流的变化是十分敏感的，同时热带地区也是 e n s o 事件对全球气候影响最为显著的地区。可见热带地区降水受到了多种天气系统的影 响。但是，由于热带7 0 左右的区域是海洋，降水观测资料的缺乏对热带地区降水的科学 研究、监测和预报造成了相当大的困难，使得我们对包括海洋降水的热带降水气候特征与 变化的研究与认识太少了。因此，利用最新的资料对热带地区降水气候特征与变化进行全 面的研究是十分迫切而必要的。最近n c e p n o a a 的c h e n 等”1 重建了1 9 4 8 年开始的全球 降水资料p r e c 。陆地部分称为p r e c l ，海洋部分称为p r e c o ，包括了6 0 。s 7 5 。n 的 全部海洋格点的降水量，这为全面研究热带地区降水气候特征和变化提供了可能。本文就 是利用p r e c 中1 9 4 8 1 2 0 0 4 2 的资料，全面研究了热带地区年、季降水的气候特征与气候 变化及其与大气环流、h a d l e y 环流、太平洋w a l k e r 环流、太平洋和印度洋海温、e n s o 事 件的关系。 1 2 研究动态 从上个世纪8 0 年代开始，国内外许多学者就对全球大尺度降水气候变化进行了研究。 b r a d l e y t 4 l ；l 开究 t1 8 5 5 1 9 8 4 年北半球的降水变化，发现在1 9 8 4 年的前3 0 4 0 年，5 - 3 5 n 的 副热带降水是负趋势，3 5 7 0 。n 的中高纬度降水是正趋势，北半球降水作为整体，趋势不 大。h u l m e 5 1 研究1 9 5 1 1 9 8 0 年全球降水，指出1 9 5 0 1 9 8 0 年全球平均降水略有减少( 0 4r a m 年) ，北半球的减少为1 3 m m 年，北半球热带的0 - 3 0 ! 减少为3 4 m m 年。h u l m el e 研究了 1 9 0 0 1 9 9 2 年的全球年降水量的时间变化图及降水的纬向距平百分图( 对1 9 5 1 1 9 8 0 年平 均) ，指出在5 0 。1 4 以北年降水量在1 9 4 0 年以后是比较明显的线性增加的趋势；2 3 4 5 0 。n 整个时间段年降水量无趋势；0 - 2 3 4 a n 的年降水量在5 0 年代以后是负趋势；7 0 年代初开 始，全球年降水量开始减少为负趋势，直到8 0 年代中期，以后负距平就明显减少了，降水 量转变为正趋势，直到他所以研究的资料结束期( 1 9 9 0 年) 。e i s c h e i d l 7 1 研究了5 0 年代中期 到1 9 9 3 年的资料，得到全球年降水量都是一致的负趋势的结果。m a r kn e w ”1 等研究了2 0 世纪雨量筒降水资料表明全球陆地降水( 包括南极洲) 在2 0 世纪增长了大约9 m m ( 每十 年0 8 9 m m 的趋势) ，并表明全球和半球陆地降水年代际变化的主振荡型与厄尔尼诺- 南方 涛动( e n s o ) 有关，它解释了全球平均陆地降水年际变化的方差的3 8 和全球降水时空变 化的8 。d a ia 等 9 1 研究了全球1 9 0 0 1 9 8 8 年的逐月的降水资料，指出：全球降水场的第 一e o f 型与e n s o 有关，第二e o f 反映了全球降水在1 9 0 0 1 9 8 8 年时段的线性增加的趋 势( 2 4m m 1 0 年) 。李庆祥等 1 0 - l i 诞长了一个北半球陆面月降水资料即m i k e , h u l m e 的资 料。并用该资料初步分析了1 9 0 0 1 9 9 6 年北半球陆面降水的基本特点。施能等i l 采用趋势 系数及蒙特卡罗模拟的统计检验方法对1 9 4 8 2 0 0 0 年的全球陆地月降水资料( p r e c l ) 作 了详细的研究，表明全球陆地年降水量场有明显的趋势变化，全球大约2 3 左右的陆地年 降水量是负趋势，l ，3 左右的年降水量是正趋势，正负趋势面积及强度的差异在统计上是 显著的。施能等 1 3 1 4 1 研究了1 9 4 8 2 0 0 0 年全球陆地年降水场的长期变化，指出在1 9 7 8 年 前后全球年降水量突变减少，平均每年减少0 5 4 r a m 。黄先香等“”研究了1 9 4 8 - 2 0 0 1 年南、 北半球6 _ 8 月降水的长期趋势变化，指出南、北半球6 - 8 月的降水都为负趋势。文献 1 6 1 9 】 对1 9 4 8 2 0 0 1 年的全球陆地月降水资料( p r e c 几) 分季节进行了研究，结果表明：全球3 5 月陆地降水量场以负趋势为主要变化特征；6 8 月陆地降水量场正趋势的范围是很小的； 9 - 1 1 月陆地降水量场有明显的趋势变化，大约2 3 左右的陆地是负趋势，仅l ，3 左右是正 趋势：1 2 2 月陆地降水量场从1 9 7 5 年开始有明显的下降趋势，北半球有明显的降水减少， 而南半球有极微弱的下降趋势。刘锦绣等“研究了1 9 4 8 - 2 0 0 3 年的全球陆地年降水量的长 期变化，表明全球陆地降水量平均减少0 4 3 m m 年，在2 5 s 5 5 1 4 的范围内，各纬圈平均的 年降水量都是负趋势，最强的降水负趋势出现在5 0 n 2 5 n ，其中1 5 0 i q 一2 0 。1 4 的降水量趋势 系数高达0 5 5 ，平均每格点减少1 8 3 m m 年。刘锦绣等“研究了1 9 4 8 - 2 0 0 3 年热带地区年 降水量的气候特征与变化，指出1 9 4 8 - 2 0 0 3 年热带地区年降水量场以负趋势为主要变化特 征，还指出e n s o 事件可能是热带地区年降水量减少的一个重要原因。 同时也有很多学者探讨了大尺度降水与大气环流、海温及d 姻o 的关系。廖清海等 2 0 1 利用1 9 6 8 1 9 9 9 年月平均n c 删a 蛋再分析资料，分析了东亚地区夏季大气环流的季节循 环进程在江淮流域持续性降水异常过程中的作用，表明东亚地区季节循环的变异对形成我 注1 ：刘锦绣，顾驶强，施能1 9 4 8 2 0 0 3 全球陆地年降水量变化特征水利水电进展, 2 0 0 5 ( 即将裳寰) 注2 ：刘锦绣。施能1 9 4 8 2 0 0 3 年热带地区降术气候特征与变化甯哀气拳学院学报( 已通过，特簏表) 2 国东部地区持续性降水异常，特别是7 月旱涝起着重要作用。刘宣飞等”将中国东部夏季降 水单点相关图中达统计显著性标准台站数最多的相关分布型定义为主相关型，讨论了与该 雨型对应的环流异常特征，表明当雨带位于河套地区、长江中下游少雨时：长江中下游为 偏东风，太平洋w 扯e r 环流偏强，南亚夏季风环流偏强，南亚高压位置偏北。王谦谦等 2 2 j 在1 9 9 1 年太平洋海温异常对降水影响的数值试验里表明，太平洋地区的海温异常与我国、 南亚、东南亚和美洲等地的降水异常确实有密切的关系。吴国雄等“卅通过数值模拟与资 料分析研究了降水对海表温度异常的响应，结果表明与热带s s t a 相联系的低空环流异常和 降水异常均发生在s s t a 邻域。b r a d l e y 等 4 1 对1 8 8 4 - 1 9 7 6 年以来的e h 胁与i a n i n a 事件的 0 - 3 0 。i , , 1 的非洲，北美洲及东南亚三个区的纬带平均降水进行了分析，指出：在暖事件时， 北半球热带的纬向平均的降水趋于减少，非洲大陆降水的异常在三个区中表现为最弱。l a u k m 等田悃e o f 方法研究了1 9 0 i 1 9 8 0 年的全球1 5 5 个观测站的降水资料与e n s o 的关系，认 为全球降水变率( 降水矩平标准差，月平均降水量) 第一主分量时间序列的波动与冷暖事件 发生的年份有很好的致性，并给出了e n s o 发生时全球排序的早、涝区。h u l m e 5 1 用 1 9 5 1 1 9 8 0 年资料，研究e n s o ( 用s o 玳表) 与全球平均的降水的关系，表明1 9 5 1 - 1 9 8 0 的e n s o 事件与全球降水的减少有关。王绍武等 2 6 1 根据18 9 9 1 9 8 2 年赤道太平洋降水资料， 研究了1 0 1 2 月降水量的时空变化，并与赤道东太平洋海温变化相比较，指出赤道中太平洋 降水与东太平洋海温有明显的正相关关系，厄尔尼诺时多雨。施能等 z 7 - z s 研究了全球6 8 月 早涝特征，指出全球6 8 月的早涝变化与e n s o 之间有明显的联系。夏冬冬，施能等口”研究 了e n s o 事件与全球陆地年降水量的关系，表明暖事件年全球陆地年降水量大范围减少，而 陆地年降水量增加的地区不多。王绍武等 3 0 1 区别了暖、冷事件年，并对1 9 9 3 年以前的全球 平均的年降水的时间序列进行了统计检验，证明在e 1 n i n o 年r - ，全球陆地平均年降水量显著 减少，而在l a n i m 年则显著增加。 从以上的研究可以发现，我们对大尺度降水量的气候变化及特征的了解还不够，全球 降水的研究大部分局限于陆地地区，用最新资料对热带地区降水的研究基本没有展开。因 此，利用最新的包括海洋的降水资料详细讨论热带地区降水气候特征与变化是十分必要的。 1 3 研究内容 ( 1 ) 5 6 年来热带地区年、季降水的时空特征； ( 2 ) 年、季降水的长期变化趋势及趋势系数的分布 ( 3 ) 年、季降水的旱涝划分及分布规律和特征； ( 4 ) 热带地区降水异常与大气环流的关系； ( 5 ) 热带地区降水与海温和e n s o 的关系。 1 4 研究的特色与创新之处 ( 1 ) 使用c h e n 等闭创建的1 9 4 8 1 2 0 0 4 2 全球陆地和海洋月降水资料、美国n c e p n c a r 全球再分析资料中的1 9 4 8 1 - 2 0 0 4 2 的月平均风场资料和月平均海温格点资料来研究热带 地区降水气候特征和变化： ( 2 ) 以热带地区为整体，全面研究了热带地区年、季降永的时空分布特征、长期变化趋势 特征、旱涝特征，以及年、季降水与大气环流、海温和e n s o 的关系； ( 3 ) 研究了包括海洋地区的热带降水，弥补了降水研究在热带海洋上的空白。 4 第二章1 9 4 8 2 0 0 3 年热带地区年、季降水的时空特征 热带地区7 0 以上的地区是海洋，其降水变化受到了大气环流、海温、e n s o 等多种 因素的影响，本章主要对降水资料进行分析，找出热带地区降水的空间和时间分布特征。 2 1 资料和方法 2 1 1 资料 本文使用c h e m 等口】最新创建的全球月降水资料( p r e c ) ，包括陆地( p r e c l ) 和海 洋( p r e c ，o ) 两部分。p r e c 资料的长度是1 9 4 8 年1 月至2 0 0 4 年2 月，空间分辨率是2 5 。 纬度x 2 5 0 经度，范围是1 2 5 “e i 2 5 “w ，8 8 7 5 。s 8 8 7 5 n ，全球共有1 0 3 6 8 个格点。陆 地降水资料( p r e c l ) 是全球历史气候两( g h c n ) 最新第二版本的1 7 0 0 0 个气象站的雨 量观测资料和美国气候预报中心( c p c ) 编制和收集的气候异常监观系统( c a m s ) 资料结合 的产品：而全球海洋月降水分析( p r e c o ) ，是用s m i t h 3 1 】等人的e o f 重建方法将近年来 的卫星观测定义的降水空间分布型与雨量筒、船舶观测得到的时间变化信息结合起来创造 的最新全球资料。该资料有严格的检测和质量控制，c h e n 等【3 2 】已经阐明了该资料的优良特 性。本文研究的热带地区范围为( 1 8 0 。e 1 8 0 。w ，3 0 6 s 3 0 。n ) - 格点数共有3 6 0 0 个t 分 别取1 1 2 月、3 - 5 月、6 _ 8 月、9 1 1 月和1 2 月到次年2 月的月降水量之和得到年及四季的 降水量。 2 1 2 方法 ( 1 ) m m m - k e n d a l l 法1 3 3 l m a n n - k e n d a l l 法是一种非参数统计突变检测方法。这一方法的优点在于不仅计算简 便，而且可以明确突变开始的时间，并指出突变区域。方法具体介绍如下： 对于具有n 个样本量的时间序列x ，构造一秩序列： ( k = 2 3 ，n ) 喜则p _ ( j = l 2 ，i ) 可见，秩序列s k 是第i 时刻数值大于j 时刻数值个数的累计数。 在时间序列随机独立的假定下，定义统计量： 5 “o 。j1 = 中其 哦2 掣神 其中u f l = 0 ，e ( 耻) ，v a t ( s k ) 是累计数风的均值和方差，在x l ，x 2 ，砘相互独立 且有相同连续分布时，它们可由下式算出： 踯萨竿 胁( ) = n ( n _ - 1 ) r ( 2 n + 5 ) u f i 为标准正态分布，它是按时间序列x 顺序x 1 ，x 2 计算出的统计量序列，给定 显著性水平口，查正态分布表，若i 【刃1 ，则表明序列存在明显的趋势变化。 按时间序列x 逆序岛x - ，再重复上述过程同时使u b l c = 一u f k ，k = n ，n - 1 ，1 ，u b l = 0 - ( 2 ) 小渡变换方法口3 ，州 小波变换方法是一种时频分析方法，是由f o u r i e r 变按方法发展而来的。传统的f o u r i e r 变换方法是一种频域分析，对频率( 周期) 具有分辨率，但有其固有的缺陷，它几乎不能 获取信号在任意时刻的频率特征，而在实际问题中所关心的恰恰是信号局部范围内的特征。 而运用小波变抉方法既可以了解时间序列的不同时间域的频率( 周期) 特征又可以了解不 同频率的时间分布特征。 用来反映时频特征的是小波变换系数w ( a ，b ) 小波系数模平方( 1 w ( a ，6 1 i 。) 的大 小可以表示时问尺度信号的强弱，由于m o r l e t 小波的实部也是一个对称的小波函数，小波 系数w ( a ，b ) 的实部可以表示不同特征时间信号在不同时闻的强弱和位相两方面消息， 适过检壹小渡系数w ( a ，b ) 的等位相线的辐合状况可以确定信号的奇异点( 突变点) 及 其发生时阃。 2 2 热带地区年、季降水的空间分布特征 经计算，热带地区多年平均年降永量是1 0 5 5 5 m m ，3 - 5 月降水置是2 6 4 2 m m ，6 - 8 月 降水量是2 6 94 m m ，9 - 1 1 月降水量是2 6 12 m m ，1 2 2 月降水量是2 6 4 ，6 m m 。国2 1 是热 带地区年和四季降水分布图，其中年降水单位为l o o m m ，四季降水单位为l o m m 。由图 2 1 a 可以看到i 主要降水区包括太平洋热带辐合区( i t c z ) 、南太平洋辐台区( s p c z ) 、 大西洋热带辐台区、东印度洋、南美北部、我国东南沿海、印度南部、孟加拉湾、非洲西 部和马达加斯加降水量较少的地区是中东的大部分地区、澳大利亚西部、非洲西南的纳 米比亚和博茨瓦纳、印度洋南部、大西洋北部和南部、太平洋北部和东南部，年降水量的 分布与l a u 2 s 的结果基本一致。3 - 5 月( 图2 1 b ) 降水量的分布与年降水量基本相似，极 大值区出现在西太平洋、南美洲北部以及马来西亚附近，降水量达到了8 0 0 r a m 以上，降 水量较少的地区有非洲北部、澳大利亚西部以及大西洋北部和南部。6 - 8 月( 图2 1 c ) 降 水量极大值区出现在印度和孟加拉湾附近、西太平洋、赤道太平洋、赤道大西洋及南美洲 北部，降水量可达1 0 0 0 m m 以上：最为干旱的地区在非洲的大部分地区、澳大利亚以及 南美洲的南部。9 1 1 月( 图2 1 d ) 降水量分布与年降水量的分布相似，极大值出现在西 太平洋、赤道太平洋、印度洋东部、马来西亚、新加坡以及赤道大西洋；降水量较少的她 区在非洲北部以及西澳大利亚。1 2 - 2 月( 图2 1 e ) 降水量极大值区出现在西太平洋地区、 马来西亚、印度尼西亚、巴西以及马达加斯加，降水量高达8 0 0 m m ：在赤道以北的大部 分地区特别是非洲北部，降水量都较少。 臣回 2 3 热带地区年、季降水的均方差场分布特征 图2 2 是热带地区年和四季降水的均方差分布图。从图2 2 a 可以看出；赤道太平洋、 印度洋东部、缅甸、我国东南部、澳太利亚东北部地区以及南美洲的北部等是年降水量均 方差较大的区域，这些区域年与年之间的年降水量差异较大；从图2 2 6 可以看出：1 5 0 s 5 0 n 附近的太平洋、澳大利亚东北部、印度尼西亚地区、孟加拉国、我国东南部和南美洲北部 等是3 5 月降水量均方差较大的区域，这些区域年与年之间的3 5 月降水量差异较大；从 图2 2 c 可以看出：赤道太平洋、西太平洋、印度洋东部孟加湾地区、印度、尼泊尔、缅甸、 泰国及我国东南部、南美洲北部、墨西哥南部部分地区以及科特迪瓦附近地区等是6 _ 8 月 降水量均方差较大的区域，这些区域年与年之间的6 8 月降水量差异较大；从图2 2 d 可以 看出：赤道太平洋、东印度洋、印度、孟加拉湾、尼泊尔、缅甸、越南、菲律宾、马来西 亚、赤道大西洋、南美东南部以及赤道非洲的部分地区是9 - 1 1 月降水量均方差较大的区域， 这些区域年与年之间的9 1 1 月降水量差异较大；从图2 2 e 可以看出：太平洋西南部、印度 洋东部、菲律宾、马来西亚、新加坡、澳大利亚东北部、南美洲的大部分地区、马达加斯 加南部、非洲南部的部分地区是1 2 - 2 月降水量均方差较大的区域，这些区域年与年之间的 1 2 。2 月降水量差异较大。根据方差的定义可以知道，以上这些地区，年与年之间的降水差 异较大，容易发生早涝灾害。同时将图2 2 与图2 1 相比较。可以发现，降水均方差较大的 区域基本上也是降水量较大的地区。 7 2 4 热带地区年、季降水的年际及年代际变化特征 2 4 1 热带地区年、季降水的时间序列分析 图2 3 是1 9 4 8 - 2 0 0 3 年标准化的热带地区年、季降水时间序列及线性回归和高斯9 点 滤波曲线。可以看出。近5 6 年来，热带地区年、季降水量均存在下降趋势，其中年降水的 下降趋势最为明显，而6 - 8 月和1 2 2 月的下降趋势最不明显。同时由图还可以看出，热带 地区年、季降水存在明显的年际及年代际尺度的振荡。1 2 2 月最为明显。对于年降水量， 热带地区4 0 年代末到7 0 年代末为多雨期，8 0 年代初至今，降水基本为负距平；3 5 月， 热带地区4 0 年代末到6 0 年代初和7 0 年代中期到8 0 年代后期为多雨期，6 0 年代初到7 0 年代中期和8 0 年代后期至今，降水基本为负距平；6 - 8 月，热带地区4 0 年代末期到7 0 年 代末期降水年际变化明显，降水多寡交替出现，7 0 年代末期至今，降水基本为负距平：9 1 1 月，热带地区4 0 年代末到8 0 年代初为多雨期，8 0 年代初至今，降水基本为负距平：1 2 2 月，4 0 年代末到7 0 年代初降水年际变化明显，降水正负距平交替出现，7 0 年代初至今， 热带地区降水呈明显的年代际震荡，7 0 年代初到8 0 年代初和8 0 年代末期到9 0 年代中期 为多雨期，8 0 年代初到8 0 年代中期和9 0 年代中期至今为少雨期。同时可以发现，1 9 9 7 年年、3 - 5 月、9 1 1 月降水量异常地偏少，而6 - 8 月降水量异常的多，这可能与1 9 9 7 年的 l a n i n a 事件有关。 匪习 图2 4 为1 9 4 8 2 0 0 3 年热带地区年、季平均降水量的m a x m - k e n d a l l 统计量曲线。可以 看到图2 4 a 中u f 曲线和u b 曲线在1 9 9 4 年有一个交点，表明年降水量在1 9 9 4 年发生 突变减少，且由u f 曲线可以看出，年降水量在1 9 4 8 2 0 0 3 年时段内基本都呈负趋势，1 9 9 6 年以后年降水量减少的趋势超过了0 0 5 显著性水平临界线。图2 4 b 中u f 曲线和u b 曲线 在1 9 9 7 、1 9 9 8 和2 0 0 0 年有三个交点，表明3 5 月降水量在1 9 9 7 2 0 0 0 年之间发生突变减 少，且由u f 曲线可以看出，3 - 5 月降水量在1 9 5 3 1 9 6 2 期间都呈微弱的正趋势，1 9 6 2 年后 降水量基本都呈负趋势，2 0 0 0 年以后降水量减少的趋势超过了o 0 5 显著性水平临界线。图 2 4 c 中u f 曲线和l i b 曲线在1 9 8 5 年有一个交点，表明6 - 8 月降水量在1 9 8 5 年发生突变 减少，且由u f 曲线可以看出，6 8 月降水量在1 9 4 8 1 9 5 3 年呈微弱的正趋势，1 9 6 0 年到 1 9 8 0 年期间降水量正负趋势交替出现，1 9 5 3 1 9 6 0 年期间以及1 9 8 0 年至今6 8 月降水量基 本都呈负趋势，且1 9 9 6 年以后降水量减少的趋势超过了0 0 5 显著性水平临界线。图2 4 d 中u f 曲线和u b 曲线在1 9 9 1 年有一个交点，表明9 1 1 月降水量在1 9 9 1 年发生突变减少， 且由u f 曲线可以看出，9 1 1 月降水量1 9 4 8 1 9 5 0 年、1 9 5 5 - 1 9 6 2 年和1 9 7 3 - 1 9 8 7 年期间降 水呈正趋势，1 9 5 0 1 9 5 5 年、1 9 6 2 1 9 7 3 年期间以及1 9 8 7 年至今基本都里负趋势，且2 0 0 0 年以后减少的趋势超过了0 0 5 显著性水平临界线。图2 4 e 中1 9 5 0 1 9 6 5 年期间u f 曲线和 u b 曲线有多个交点，表明1 2 2 月降水量在这段时间内，降水呈多波动特征，同时u f 曲 线和u b 曲线在1 9 9 5 年有一个交点，表明1 2 - 2 月降水量在1 9 9 5 年发生突变减少，由u f 曲线可以看出，在1 9 4 8 2 0 0 3 年的大部分年份，1 2 - 2 月降水量呈下降趋势但下降趋势并 不显著。 2 4 2 热带地区年、季降水的周期分析 图2 5 为了进一步了解降水的年际和年代际变化，运用小波变换的方法对热带地区近5 6 年 的年、季平均降水量时间序列进行分析，得到1 9 4 8 - 2 0 0 3 年热带地区年、季平均降水量的 m o r l e t 小波变换系数的模平方的时频分布( 图2 5 ) 。由图可以看出，1 9 4 8 - 2 0 0 3 年热带地 区年降水存在明显的年际变化和年代际变化周期，年际变化周期为6 年左右，在整个时间 域上都存在但信号较弱，最强信号在4 0 年代末期到6 0 年代中期以及9 0 年代至本世纪初； 年代际变化的主要周期为1 7 年左右，信号从6 0 年代中期至今一直都比较强。5 0 年代初至 今3 5 月热带地区降水存在4 年左右的年际变化周期，最强信号在6 0 年代初期到7 0 年代 中期，同时在8 0 年代初至今还存在着7 年左右的年际变化周期，且信号较强；存在1 6 到 1 8 年的年代际变化周期，最强信号在7 0 年代初至本世纪初。6 - 8 月热带地区降水年际周期 信号不强，主要为2 年和5 年周期，最强信号都集中在8 0 年代末期到9 0 年代末期，基本 上不存在年代际变化周期。9 1 1 月热带地区降水存在5 年左右年际变化周期但周期信号很 弱；1 7 年的年代际变化周期在整个时域上都存在但信号不强。1 2 2 月热带地区降水在4 0 年代末期到7 0 年代中期存在6 年左右的年际变化周期，最强信号在5 0 年代末期到6 0 年代 末：1 5 年左右的年代际变化周期在整个时域上都存在且信号较强，最强信号在6 0 年代中 期到本世纪初。 2 5 小结 ( 1 ) 热带地区年降水在太平洋热带辐合区、南太平洋辐合区、大西洋热带辐合区、 东印度洋、南美北部、我国东南沿海、印度南部、盂加拉湾、非洲西部和马达加斯加降水 较多，在中东的大部分地区、澳大利亚西部、非洲西南的纳米比亚和博茨瓦纳、印度洋南 部、大西洋北部和南部、太平洋北部和东南部降水量较少；3 5 月降水量极大值区出现在 西太平洋、南美洲北部以及马来西亚附近，降水量较少的地区有非洲北部、澳大利亚西部 以及大西洋北部和南部。6 - 8 月降水量极大值区出现在印度和盂加拉湾附近地区、西太平 洋、赤道太平洋、赤道大西洋及南美洲北部，在非洲的大部分地区、澳大利亚以及南美洲 9 的南部降水较少。9 - 1 1 月降水极大值出现在西太平洋、赤道太平洋、印度洋东部、马来 西亚、新加坡以及大西洋的赤道附近地区；在非洲北部以及西澳大利亚降水较少。1 2 - 2 月降水量极大值区出现在西太平洋地区、马来西亚、印度尼西亚、巴西以及马达加斯加； 在赤道以北的大部分地区特别是非洲北部，降水量都较少。分析了年、季降水均方差的分 布，发现降水均方差较大的区域基本上也是降水量较大的地区。 ( 2 ) 近5 6 年来，热带地区年、季降水量均存在下降趋势，其中年降水的下降趋势最 为明显，而6 - 8 月和1 2 - 2 月的下降趋势较不明显。发现热带地区年、季降水存在明显的 年际及年代际尺度的撮荡，年降水在4 0 年代末到7 0 年代末为多雨期，8 0 年代初至今是 少雨期；3 5 月降水在4 0 年代末到6 0 年代初以及7 0 年代中期到8 0 年代后期为多雨期， 8 0 年代后期至今为少雨期：6 - 8 月降水在4 0 年代末期到7 0 年代末期年际变化明显，降水 多寡交替出现，7 0 年代末期至今为少雨期；9 1 1 月降水在4 0 年代末到8 0 年代初为多雨 期，8 0 年代初至今为少雨期：1 2 2 月降水量明显的年际振荡。m - k 检验表明热带地区年 降水量在1 9 9 4 年发生突变减少，3 5 月降水量在1 9 9 7 - 2 0 0 0 年之间发生突变减少，6 8 月 降水量在1 9 8 5 年发生突变减少，9 1 1 月降水量在1 9 9 1 年发生突变减少，1 2 - 2 月降水量 在1 9 5 0 - 1 9 6 5 年期间降水呈多波动特征，在1 9 9 5 年发生突变减少。 ( 3 ) 降水量的小波分析表明，热带地区年、季降水存在明显的年际变化和年代际变 化周期。年降水的年际变化周期为6 年左右，年代际变化的主要周期为1 7 年左右；3 5 月 降水在5 0 年代初至今存在4 年左右的周期，在8 0 年代初至今存在7 年左右的周期，年代 际变化的周期为1 6 到1 8 年；6 - 8 月降水年际周期信号不强，且基本上不存在年代际变化 周期：9 - 1 1 月降水存在5 年左右年际变化周期但信号很弱，存在1 7 年的年代际变化周期 但信号不强；1 2 - 2 月降水在4 0 年代末期到7 0 年代中期存在6 年左右的周期。年代际变化 周期为1 5 年左右。 1 0 第三章1 9 4 8 2 0 0 3 年热带地区年、季降水的长期变化趋势 3 1 资料和方法 3 1 1 资料 本文使用c h e n 等 3 】最新创建的全球月降水资料( p r e c ) ，包括陆地( p r e c l ) 和海 洋( p r e c o ) 两部分。p r e c 资料的长度是1 9 4 8 年1 月至2 0 0 4 年2 月，空间分辨率是2 5 。 纬度x 2 5 0 经度，范围是1 2 5 e 1 2 5 。w ，8 8 7 5 s 8 8 7 5 n ，全球共有1 0 3 6 8 个格点。本 文研究的熟带地区范围为( 1 8 0 。e l s 0 。w ，3 0 。s 3 0 。n ) ，共有3 6 0 0 个格点。分别取1 一1 2 月、3 5 月、6 - 8 月、9 1 1 月和1 2 月到次年2 月的月降水量之和得到年及四季的降水量。 3 1 2 方法 趋势系数【3 5 】及蒙特卡洛模拟的统计检验p ”1 。气象要素的长期变化趋势通常用一元线 性回归系数来表示。但是，这个系数有单位，在不同的气象要素之间及同一要素的不同时 间、地点之间不能互相比较。趋势系数是气象要素的时间序列与自然数列之间的相关系数， 也就是标准化的一元线性回归系数，是个无单位的量。它消去了气象要素的均方差对线性 回归系数数值大小的影响，从而可以在不同地理位置的不同气象要素之间比较长期趋势变 化的大小。但是气象要素的变化可能是它们的自然变动，我们认为，只有当计算的趋势系 数达到或超过统计检验的显著性标准时，这种长期变化才有意义。所以对计算的趋势系数 需要进行统计检验。可以用蒙特卡洛模拟试验的统计检验方法。具体做法是：进行1 0 0 0 次独立的随机试验，产生出长度为5 6 的1 0 0 0 个不同的正态( 0 ，1 ) 的序列，将它们与自 然数列1 ，2 ，5 6 求相关系数，可以得到1 0 0 0 个模拟的趋势系数。然后将避1 0 0 0 个趋 势系数的绝对值从大到小排序，就容易找到1 ，5 置信上限，这就是趋势系数的临界值。 趋势系数的绝对值大于该临界值，就认为通过了蒙特卡洛模拟的统计检验。蒙