引言

黄山地区地处皖南山区，属亚热带季风气候，夏季潮湿多雨，梅雨集中，年平均降雨量1700mm左右，其中汛期(5—9月)平均降雨量就有1000mm，汛期又是暴雨频发时期，往往引发严重洪涝灾害和各种地质灾害。由于黄山山脉贯穿黄山地区，又是新安江流域发源地，山脉南北气候有一定差异，导致汛期降雨不但存在着时间差别，而且雨量常常分布不均，了解其时空分布特点，对于汛期降水短期气候准确预测有深远指导意义。邓自旺等^[1]用傅里叶变换和小波分析方法分析了近500年福建汛期旱涝变化特征，谢志清等^[2]用了EOF正交分解方法分析了长江三角洲强降水的空间分布状况，本文结合以上两种方法，能更加全面地分析黄山地区汛期降水时空分布。

降水量是研究汛期旱涝重要指标，雨量多少不但影响该地区农业生产，也影响整个黄山地区乃至新安江流域雨水资源和黄山旅游资源。但自2000年来黄山地区降雨量偏少，每年都有存在着不同的旱灾，特别是2005年主汛期出现干梅现象，引起雨水资源严重缺乏，本文分析认为这是因为黄山地区正处于10年干旱周期时期。

1 资料和方法 1.1 资料

选用的资料是黄山市7个气象观测站1961—2005年共45年的逐年汛期(5—9月)降水资料，在进行谱分析、小波分析及EOF正交分解前都先对资料进行距平化处理，地理范围大致为29.39~30.6°N、117.2~118.9°E。

1.2 方法

在分析降水时间特征时先以傅里叶变换为基础进行谱分析，计算降水时间序列的各周期功率谱，从而对序列进行全局性周期分析。

为了更精细说明降水振动周期，小波分析比传统的谱分析方法更加优越，小波技术可以显示出传统频域分析方法一般难以实现的特性，因为小波系数能同时反映时域参数t和频域参数a的特性(见图 1)。特别小波变换后得到的小波系数过零点可能是气候时间序列上的突变点。文中的小波基(母波)取Morlet小波，它是一种复数小波，时频均具有很好的局部性。由式(1)给出：

(1)

连续小波变换有信息冗余，各成份之间不是正交的，如果对降水序列进行EOF正交分解，分离出的空间分布结构能清晰表示不同地理区域特征，分离出的时间函数, 并对其做滑动平均，也能较清晰反映降水序列的年代及周期变化。

2 时间特征结果分析 2.1 谱分析^[3]

选取4个站歙县、祁门、屯溪、太平分别代表黄山地区东南西北各个地区，其45年原实际降水序列及其降水功率谱如图 2所示，在功率谱图上横坐标取为周期，纵坐标为对应的周期谱值(见图 2b)。通过对各站谱值0.05显著性检验，所有谱值大于0.16的周期是显著的。由此，南部、北部有3~4年显著周期，东部、西部有3年显著周期。可见黄山地区旱涝变化周期大致相同。

2.2 连续小波分析

谱分析只能从宏观上反映降水序列周期变化，为了更加具体说明汛期降水序列周期变化，以下采用连续小波分析方法。图 3是屯溪、太平、祁门、歙县4站分别代表黄山南部、北部、西部、东部45年汛期降水资料的连续小波变换结果。图中纵坐标为小波变换尺度对应的中心周期，横坐标为年份。

由图 3可见，从整体上看南部屯溪(a)、北部太平(b)、西部祁门(c)、东部歙县(d)45年降水小波变换系数都存在着16~20年和10年左右两个显著周期。

从16年到20年尺度上看，各地小波变换正负系数非常分明，旱涝趋势大致相同，经过了旱-涝-旱-涝-旱5个阶段，1970年代、1990年代汛期偏涝，1960年代、1980年代、2000年后汛期偏旱，目前黄山地区正处于偏旱期。从极值中心系数大小也可看出随着年代变化旱涝强度也有所不同，各地偏涝强度增大，且黄山西北部祁门、太平明显于东南部歙县屯溪。

从8年到12年尺度来看，西北部祁门和太平经过了5个涝期和5个旱期。5个涝期分别是1960年代前期、1970年代前期、1980年代前期、1990年代末期，与5个涝期相间的是5个旱期；东南部歙县和屯溪与西北部祁门和太平略有不同，经过了4个旱期和3个涝期分别是1960年代、1970年代中后期、1980年代后期到1990年代中期、2000年后到今，从5到10年尺度来看，目前黄山地区也正处于干旱期。

另外，从小于5年尺度来看，也存在一些短期的周期信号，各地都存在一些更小尺度比如2~3年的旱涝交替。

根据图 3小波系数极值中心，呈现带状分布，1990年代前正系数极值中心向小尺度接近，1990年代后期向大尺度延伸，说明1990年代以前旱涝变化频率逐渐加快，1990年代后旱涝交替变慢。

3 空间特征结果分析

对黄山地区7个观测站近45年来降水序列进行EOF分解^[4-5]可分别得出时间系数和空间特征向量两部分，时间系数也称为主成分，空间特征向量或称空间模态^[6]。计算各模态值如表 1所示。因为只有7个观测站，受站点限制，为了看出整个黄山地区空间系数分布，选择Kriging插值方式对第一模态进行绘图，如图 4所示。分离出的第一主成分如图 5所示。

第一空间模态方差贡献为55.29%，空间表现为南北与中西部差异型，降水强度由南北向中西部逐渐增大，这说明黄山地区空间分布最大特点为：年降水量大值区沿黄山山脉的走向分布，祁门、黄山站空间分布系数分别有一个0.49和0.53极大值载荷中心，也可说明祁门到黄山一线汛期多暴雨, 强降雨正是由黄山地形引起的。与之相反，黄山山脉东部歙县、北部太平分别有一个0.38和0.39的极小值载荷中心，汛期降水相对而言偏少。南部屯溪空间系数比北部、东部大。近45年降水实测可以充分说明这点，中西部3个站汛期降水均值祁门1016mm、黟县为1047mm、黄山光明顶为1479mm，而北部太平只有904mm、东部歙县903mm、南部屯溪为940mm。

由此，可将黄山地区汛期降水分为3个区：沿黄山山脉走向的中西部降水区、以屯溪站为代表的南部降水区和以歙县太平站为代表的东北部降水区。

降水序列分离出时间系数也即第一主成分，再对其做滑动平均，从而可清晰看出降水序列的年代际变化和周期变化。从年代际变化看，主要表现为20年左右的周期振荡：1960年代主要为负距平，1970年代为正距平，1980年代为负距平，1990年代为正距平，2000年后又为负距平，与以上小波分析16~20年分析结果相同。

4 结论

时间特征分析方法中，谱分析适宜于全局性分析，总体上黄山地区都有3~4年显著周期；连续小波变换适宜于各局部周期分析，16~20年周期都比较显著，经过了旱-涝-旱-涝-旱5个阶段，西部与北部10年左右旱涝周期表现突出，东部与南部没有明显表现；而EOF正交分解以及滑动平均有助于降水的年代周期变化，黄山地区也同样有20年左右显著周期。这3种方法各有优势，结合运用结果可从不同角度说明黄山地区汛期降水有一定周期。

空间特征分析中，EOF第一空间模态分析得出，黄山地区汛期降水可在空间上分为中西部、南部、东北部3个主要类型，这与黄山山脉地形分布是紧密相连的。