引言

全球变化的区域响应是气候变化研究的一个热点问题。任国玉等^[1]指出，1951年以来，我国长江中下游地区年和夏季降水呈现明显增加趋势。李峰等^[2]认为20世纪70年代中期前后长江中下游地区降水量存在明显变化。孙林海等^[3]的研究表明我国多雨带也存在明显的年代变化。江苏作为长江下游的我国经济大省，近年来经济快速发展，乡镇企业如雨后春笋般地迅速发展起来，省内经济发展也很不平衡，与我国其它地区相比，该省土地利用方式变化很明显，很多农业用地转化为工业用地，这势必改变当地的气候变化特征，也会使当地气候变化与长江中下游其它地区气候变化有所不同。在全球变暖的背景下，其气候的变化特征特别是其长期趋势和年代际变化特征如何，对此问题的深入研究有助于我们了解工业化对气候变化的影响。降水量 (简记为R) 作为反映气候特征的最重要指标之一，对其进行长期趋势和年代际变化特征的研究是有重要意义的。关于江苏降水的变化，施宁^[4]研究了宁苏扬地区1470~1995年间旱涝变化的趋势，指出，宁苏扬地区近500多年可划分为差异显著的6个旱涝气候阶段，其中近100多年来干旱频率高，洪涝年份略少，总体旱涝年份增多，正常年份减少。田心如和于莲君^[5]指出，近百年来汛期江苏省较易发生的旱灾，1920~1930年代为旱灾频发期，淮北地区近年有向旱年发展的趋势，江淮之间及苏南地区进入1990年代以来向旱年发展的趋势则愈来愈明显。马骅^[6]则指出，雨涝是江苏省主要天气气候灾害之一，几乎每年都有不同程度地发生。在雨季里，由于长期连续阴雨或大雨、暴雨而形成大面积的地表径流造成内涝，如果出现大范围连续暴雨会引起山洪爆发。本文则分析全省最新观测资料，揭示其中反映的近40年来江苏省不同季节降水的气候变化趋势和年代际变化的新特征。

1.   资料和方法

本文所用资料为江苏省60个气象站1961~2001年逐月总降水量资料。季节的划分按气象部门习惯的分法，即春季为3~5月，夏季为6~8月，秋季为9~11月，冬季为12~2月。各季降水量为3个月降水量之和，年降水量为12个月降水量的总和，在分析中采用降水距平百分率 (简记为RAP)。

设R_i(i=1，2，...40) 为某站 (或全省平均) 某月 (某季或年)1961~2000年的降水序列，则第i年RAP为:

式中M为该序列的平均值。为了分析各月和季节RAP的变化趋势，采用线性回归方程:r_i′=a +bi +ε来拟合该序列随时间变化的线性趋势，其中a，b为回归系数，ε为残差，则回归系数b即可表示趋势的大小。根据文献[7]给出的回归效果检验法，当回归方程的复相关系数大于临界相关系数，则趋势显著，否则不显著。本文取信度为0.05，则相应的临界相关系数为0.305。

为了解RAP的空间分布，采用三次样条函数插值法^[8]，将计算所得60站线性趋势插值到整个江苏省，空间分辨率为0.02°(纬度)×0.02°(经度)，得到变化趋势的空间分布图。

60站4个年代 (20世纪60、70、80和90年代) 各季节的10年RAP的计算方法如下:

其中l=1，2，...60，表示60个站点; k=1，2，3，4，表示4个年代; i=1，2，...40表示40年，Ml为l站40年平均值。考虑到采用最新资料，本文4个年代分别为1961~1970、1971~1980、1981~1990和1991~2000年，与传统的年代划分有1年之差，但对整个分析影响不大。

为分析全省和各代表站RAP不同时段的趋势和年代际变化特征，采用高斯滤波的方法^[9]，对RAP序列进行平滑处理，窗宽选择为5。具体采用如下公式:

其中高斯函数形式为，R_i′即为平滑后第i年RAP的值。

2.   结果分析

2.1   趋势分析

根据原始资料计算了全省60个站平均各月及年RAP的趋势，表 1给出了全省平均及各地区代表站逐月RAP趋势，可见其中1、3、4、6和9月全省60站平均降水量的距平百分率有显著的线性趋势。1、4和9月大部分站点的线性趋势是显著的，3月 (6个) 和6月 (5个) 有近一半代表站线性趋势显著，其它月份的线性趋势达不到显著性水平。4、7、9、12月份江苏省降水有减少趋势，特别明显的为9月 (-76 %/40 a) 和4月份 (-58 %/40 a)。其余月份则有增加趋势，其中最显著的为1(87 %/40 a)、3(59 %/40 a) 和6月份 (55 %/40 a)。从江苏省13个地市代表站的降水百分率趋势看，1、3、4、6、9和10月趋势符号各站基本上是一致的，但2、5、7、8、11和12月有的站有正趋势，而另一些站则有负趋势。

表  1  逐月降水距平百分率趋势

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从全省平均降水的距平百分率看，春、夏季与年RAP变化趋势基本一致，但秋、冬季与年RAP变化则有一定的差异。为了了解这一差异，采用公式 (3) 对原始序列进行滤波，得到全省平均RAP变化的平滑曲线 (图 1)。可见，年RAP基本上在0线附近振动，最大幅度在10 %左右。尽管如文献[2]所指出，20世纪90年代前期降水减少，但90年代后期降水却是增加的。秋季降水在60年代前期急剧下降，幅度达60 %左右，60年代后期到70年代稳定少变，80年代前期又有所升高，80年代后期到90年代前期又有明显减少，幅度在45 %左右，达到40年最低值，90年代后期降水又开始增多，但仍未达到平均值。冬季降水变化与秋季近于反向，但位相有一定的差异。60年代初开始，到70年代前期持续增多，增幅也达60 %左右，然后减少，到80年代初又开始增多，80年代末和90年代初达40年最大值，以后又减少，但仍维持正距平值。

图  1  秋季、冬季和年RAP平滑序列的变化

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为了比较江苏省北部、中部和南部降水变化空间的差异，选择徐州、泰州、苏州分别作为北部、中部和南部的代表站，绘制出其春、夏、秋、冬季和年RAP变化平滑曲线，结果如图 2所示。由图可以看出，3个代表站之间是有一定的差异的。从春季看，徐州变化幅度最大，特别是20世纪80年代中期以前，变化较有规律，幅度较大频率较小，而80年代后期以后，变化幅度较小而振动频率较高。苏州在60年代先增多后减少，70年代到90年代前期有增多趋势，泰州降水量在80年代初以前有减少趋势，80年代初到90年代初增多，然后又减少。夏季降水量变化的差异也很明显，徐州降水在80年代及以前有下降趋势，而90年代又有上升趋势，苏州降水从60年代后期开始持续呈上升趋势，而泰州降水在40年里没有明显的长期趋势。从秋季和冬季RAP变化图可以看出，大趋势并无显著差异，其差异主要在幅度和位相上。从年总降水量看，3站之间也存在差异，在80年代以前其变化位相比较一致，而80年代中期以后差异明显，苏州降水量明显增多，而泰州和徐州则近于反相变化。

图  2  徐州、泰州和苏州RAP变化滑序列 (a) 春季, (b) 夏季, (c) 秋季, (d) 冬季, (e) 全年

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2.2   趋势的空间分布

根据原始的春、夏、秋、冬和年降水序列，计算了全省60站四季和年RAP线性趋势，并绘出了其空间分布图，如图 3所示。可见，春季尽管大部分区域降水有减少趋势，但也有一部分区域降水有增多趋势。其中增幅最大的为泰州北部和盐城南部地区，幅度可达20 %/40a以上，另外连云港、宿迁、镇江南部和常州西北部也有一定的增多趋势。降水减少幅度最大的几个中心分别为徐州地区、盐城北部、南通和苏州地区，最大减幅也可达到20 %/40a以上。

图  3  RAP变化趋势 (a) 春季, (b) 夏季, (c) 秋季, (d) 冬季, (e) 全年

(单位:%/40m)

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夏季降水长期趋势则呈现出南部降水增多，而北部降水减少的空间分布，并且这种空间差异非常明显。南通、泰州、扬州、宿迁及这些地区以南的6个地区降水都有增多趋势，其中苏州地区和南京地区有些县市降水量增多幅度可达70 %/40 a, 而北部的盐城中部和北部、连云港及徐州降水都有减少趋势，其中徐州北部个别县降水量减少幅度也可达到40 %/40a。秋季降水全省各地区都有减少趋势，其中沿江的南通、苏锡常、南京及扬州地区减少幅度可达40 %/40a以上，另外盐城北部、连云港、宿迁北部和徐州东部减少趋势也较明显。冬季全省各地区降水均有增多趋势，其中增多幅度最大的区域为宿迁南部、扬州西部和南京北部，幅度可达40 %/40a以上。年RAP的变化趋势空间分布的主要特征是，南部降水有增多趋势，而北方降水则显著减少。其中苏州、无锡、常州、南京西部、南通南部降水增多较明显，幅度可达 (20 %~30 %)/40 a, 而徐州、连云港和盐城部分地区降水则明显减少，幅度可达-20 %/40a左右。

采用显著性F检验，结果发现尽管各季各地都有一定的线性趋势，但由于RAP的时间变率较大，与总体变率相比，只有夏季线性趋势能够通过显著性检验的区域较大，即苏州、无锡和南通的中部和南部地区RAP线性趋势能通过信度为0.05的显著性检验，而秋季冬季能通过显著性检验的只有镇江和南京北部、泰州和扬州的南部地区，年RAP线性趋势只有苏州南部和南通南部能够达到显著性检验标准，而春季全省都达不到显著性标准。

2.3   年代际变化空间差异

为了了解年代际变化的空间差异，根据公式 (2) 计算了60站四季及全年4个年代RAP，结果表明:春季RAP年代际变化空间差异主要表现在北部年代际变率大，而南部则较小，尽管1960~1970年代省内不同地区降水百分率距平符号相差明显，但1980~1990年代绝大多数站点的距平符号是一致的，即1980年代降水明显偏少，而1990年代降水则显著偏多。其中北部的徐州、连云港、宿迁和盐城北部大多数县市1980年代降水比40年平均降水偏少20 %左右，而南部各地区则偏少10 %或以下。夏季RAP年代际变化与春季不同，北方变率小而南方变率大，江苏中部的几个地区则界于两者之间。变率最大的为南京、南通和苏州地区，其中有些县市60年代降水偏少达25 %以上，90年代偏多也达25 %以上，1970~1980年代距平则在10 %以内。因此江苏南部地区夏季降水增多趋势明显，而北部有减少趋势，中部趋势则相对较小。秋季RAP的年代际变率很大，为4个季节中变率最大者，4个年代RAP大多数县市都在10 %~30 %。冬季距平较大的为60年代和90年代，距平可达10 %~15 %，而1970~1980年代距平则较小，小于10 %。年RAP的年代际变率相对较小，其中南通北部、泰州、镇江、扬州地区降水百分率的年代际变化与其它地方相比则更不明显，距平绝对值都很小。

根据4个年代RAP距平符号 (RAP＜0记为“-”，表示降水偏少，否则记为“ +”，表示降水偏多或正常)，以及排列组合原理，可将4个年代变化分为16个型，但由于“----”和“ ++++”型是不可能出现的，实际上最多只可能有14个型，将四季和年RAP不同符号型出现的站数进行统计，结果如表 2所示，其空间分布如图 4所示。

表  2  四季和年4个年代RAP符号型的站数统计表

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图  4  四个年代 (a) 春季, (b) 夏季, (c) 秋季, (d) 冬季, (e) 全年RAP的符号性的空间分布

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可见4个年代春季RAP距平符号型主要为10型、9型、1型和11型，其中前两型占总站数的2/3。从空间分布看，北方的宿迁、连云港、淮阴地区、徐州东南部、盐城北部及南京地区为10型 (即RAP经历了“少-多-少-多”的变化过程)。扬州、泰州、镇江、常州、无锡和南通北部为9型 (多-少-少-多)。而东南部的苏州和南通南部为1型 (多-少-少-少)。徐州西北和盐城北部为11型 (多-多-少-多)。夏季RAP距平符号型除4、6、7型外，其它各型都有站点出现，可见夏季RAP年代际变化空间差异明显，但站数最多的主要为12、10、3、9、8、5型。南部的苏锡常、南京及镇江地区为12型 (少-少-多-多)。北部的徐州、连云港及宿迁北部为3型 (多-多-少-少)。10型 (少-多-少-多) 主要出现在扬州、南京北部、泰州中部和南通北部，8型在12与10型的中间地带，而宿迁、淮阴、盐城和泰州北部则为5型、9型及其它型混杂。秋季60个站中有50个站为5型 (多-少-多-少)，其余的4个型总共才10个站，并且在空间上零散分布，表明秋季RAP年代际变化在空间上基本上是一致的。冬季有38个站为10型 (少-多-少-多)，约占全省站点的2/3，东部及南部地区都属于此型。而西部的徐州、宿迁和南京则为8、12和14型混杂，但基本上所有站点90年代降水量都偏多。年总降水量，年代际变化型主要为12、9、3和5型，其中站点数最多的12型 (少-少-多-多) 分布在苏州、无锡、常州、南京、南通南部、镇江地区; 其二为3型 (多-多-少-少)，分布在徐州、连云港和宿迁地区的北部; 其三为5型 (多-少-多-少)，主要为盐城北部地区。其它地区为多型混杂。江苏中部和南部年降水量90年代都偏多 (型号为8~14)。

3.   结语

(1) 就全省平均而言，1、3和6月RAP有显著的增多趋势，而4、9两月减少趋势显著，其它月份的变化则达不到显著性水平。

(2) 从变化趋势的空间分布看，年和不同季节RAP变化趋势存在明显的空间差异。年RAP变化趋势为南部明显增大，北部明显减小，中部变化不明显。春季大部分地区RAP减小，夏季主要是南部增多，北部减少，秋季则全省RAP减小，冬季全省RAP增大。尽管如此，只有夏季线性趋势能够通过显著性检验的区域较大，即苏州、无锡和南通的中部和南部地区RAP线性趋势能通过信度为0.05的显著性检验，而秋季冬季能通过显著性检验的只有镇江和南京北部、泰州和扬州的南部地区，年RAP线性趋势只有苏州南部和南通南部能够达到显著性检验标准，而春季全省都达不到显著性标准。

(3) 4个年代的年RAP符号，在江苏南部呈“--++”型，北部为“ ++--”型，中部则呈“ +--+”、“ +-+-”等过渡型。春季RAP符号在北方呈“-+-+”型，中部呈“ +--+”型，南部则呈“ +---”型，徐州和盐城地区主要为“ ++-+”型。夏季RAP符号，主要分布型由北到南依次为“ ++--”、“ +-+-”、“ +--+”、“-+-+”和“--++”。秋季RAP符号型全省绝大多数台站为“ +-+-”，冬季RAP符号在东部和南部大片地区为“-+-+”型，而西部则主要为“-+++”、“--++”、“-+-+”和“---+”型混杂。