引言

广西地处低纬度地区，具有西北高东南低的地势分布特征，南部濒临海洋，易受台风、西南低涡等天气系统影响，非常有利于强降水的发生。每年因暴雨引发的洪涝灾害都会给广西造成严重的经济损失和人员伤亡，如1994年受灾面积165万hm²，直接经济损失数百亿元。近50年来广西全区年降水量总的有增加的趋势，年降水量变化率为13mm·a^-1左右，1960年代中期到1980年代初和1990年代前期为相对偏多期，1960年代前期和1980年代中后期为相对偏少期。因此，研究暴雨的发生发展对广西的防灾减灾工作具有重要的意义。

小波分析是一种信号的时间-频率分析方法，具有多分辨率分析的特点，在时频两域都能反映出信号的振幅、位相和功率的局部变化特征^[2-4]，它优于传统的Fourier分析，近年来广泛应用于多尺度气候分析研究，并取得了良好的效果。如沈锦花等^[5]利用Morlet小波分析方法分析了浙江省534年的旱涝气候周期变化规律。本文使用一元回归和Morlet小波分析广西历年的暴雨和大暴雨变化规律，并结合天气系统分析其发生发展的成因。

1 资料和分析方法 1.1 资料来源

使用1951—2005年广西88个气象观测站的20:00—20:00的日降水资料进行分析，如果20:00—20:00的24小时降水量≥50mm时，就定义为一个暴雨日，如果20:00—20:00的24小时降水量≥100mm时，定义为一个大暴雨日。如果24小时降水量≥250mm或12小时降水量≥150mm时，定义为一个特大暴雨。

1.2 Morlet小波分析方法

Morlet小波是正弦和余弦波的振幅被高斯函数调节产生的，表示成复小波^[6]，本文采用的Morlet基小波为：

$ \varphi \left( t \right) = {{\text{e}}^{i2\pi t}}{{\text{e}}^{ - {{\left( {\frac{{2\pi }}{{k\varphi }}} \right)}^2}\frac{{{t^2}}}{2}}} $

(1)

其中k_φ=10，分析小波为：

$ \begin{gathered} {\varphi _{a, b}}\left( t \right) = {\left| a \right|^{ - \frac{1}{2}}}{{\text{e}}^{2\pi \left( {\frac{{t - b}}{a}} \right)i}}{{\text{e}}^{ - \frac{1}{2}{{\left( {\frac{{2\pi }}{{k\varphi }}} \right)}^2}{{\left( {\frac{{t - b}}{a}} \right)}^2}}} \hfill \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;a > 0, b \in R \hfill \\ \end{gathered} $

(2)

其中a为尺度参数，b为平移参数。

当分析对象f(t)为平方可积时，即满足：$\int_{ - \infty }^{ + \infty } {{f^2}\left( t \right){\text{d}}} t < \infty , f\left( t \right) \in {L^2} $, 它的连续小波变换为：

$ \begin{gathered} \omega \left( {a, \mathit{b}} \right) = \left( {f, {\varphi _{a, b}}} \right) = \hfill \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{a^{ - \frac{1}{2}}}\int_{ - \infty }^{ + \infty } {f\left( t \right){\varphi ^ * }\left( {\frac{{t - b}}{a}} \right){\text{d}}} t \hfill \\ \end{gathered} $

(3)

符号(，)表示内积，*表示共扼。

Morlet小波系数的实部表示不同特征时间尺度信号在不同时间上的分布和位相两方面的信息，正的小波系数反映出分析对象在该时间段为偏多期，负值时反映为偏少期，零值对应着突变点。

2 广西暴雨及大暴雨分布及变化特征 2.1 暴雨分布及变化特征 2.1.1 暴雨地理分布特征

广西年平均暴雨日数为3~15天，受地形的影响存在4个暴雨中心(图 1)：一是以东兴、防城为中心的沿海地区，二是以昭平为中心的大岭山东麓地区，三是以永福、桂林为中心的桂东北地区，四是以都安为中心的“东巴凤”地区，这些地区年平均暴雨日数都达到6天以上。其中地处十万大山南侧的东兴，由于南来暖湿气流沿山坡抬升，使辐合上升气流增强，以及易受台风影响，因此发生暴雨最多，年平均暴雨日数达到15天，百色市西部地区发生暴雨最少，年平均暴雨日数仅为3~4天，全区其他地区为4~6天。

2.1.2 暴雨时间变化特征

图 2给出暴雨日数及距平的年际变化，如图 2a所示，由一元回归线可看出广西暴雨总体有逐渐增多的趋势，回归系数为0.093天/10a，即每10年增加0.093个暴雨日。各站年暴雨日数多年平均为5.6天，最少年1963年为2.6天，最多年1994年为8.7天。1961年以来，降水量最多的1994年广西90个气象站共下暴雨794站次，为有气象记录以来广西暴雨日数最多的一年，平均降水量达2006.6mm。降水量最少的1963年平均降水量仅1151.8mm。1994年发生了1950年以来广西最大的洪涝灾害，1963年是广西干旱最严重的一年。由图 2b可看出，1950年代中期到1960年代中期和1980年代基本上都是负距平，这两个时期的暴雨日数比常年偏少，其他时期为正距平多于负距平，尤其在1993年以后暴雨日数明显比正常年偏多。

从Morlet小波分析图(图 3)可以看出广西暴雨日数有明显的周期性变化规律，主要特征为存在着明显的2、4、8和14年周期振荡信号。1952—1961、1989—1997年期间存在着2年周期振荡信号，其强度最强，1989—1997年期间经历了少→多→少→多→少→多→少→多→少9个循环。1981—2005年存在着较强的4年周期振荡信号，期间经历了1981—1983年多→1983—1985年少→1985—1987年多→1987—1989年少→1989—1991年多→1991—1993年少→1993—1995年多→1995—1997年少→1997—1999年多→1999—2001年少→2001—2003年多→2003—2005年少12个循环。1955—2003年存在着8年周期振荡信号，近期经历了1988—1992年少→1992—1996年多→1996—2000年少→2000—2004年多。1957—1999年还存在大尺度的14年周期振荡信号，期间经历了1957—1964年少→1964—1971年多→1971—1978年少→1978—1985年多→1985—1992年少→1992—1999年多6个循环。

2.2 大暴雨分布及变化特征 2.2.1 大暴雨地理分布特征

广西各站年平均大暴雨日数为0.2~5天，其中东兴最多为5天，隆林最少仅为0.2天。由广西的地形分布特征，最可能出现大暴雨的地区为沿海地区，年平均暴雨日数均在2天以上，其次为柳州市北部山区、百色市东部，年平均大暴雨日数也达到了1天左右，全区其他地区一般为0.2~1天。

2.2.2 大暴雨时间变化特征

图 4给出大暴雨日数及距平年际变化。由图 4a一元回归线可看出广西大暴雨总趋势是逐渐增多的，回归系数为0.03天/10a左右，即每10年增加0.03个大暴雨日。广西各站年平均大暴雨日数平均为0.95天，最多年1994年为2.1天，最少年1963年仅为0.3天。由广西大暴雨日数距平值年际变化图(图 4b)可见，1957—1992年期间负距平明显多于正距平，说明这时期大暴雨比常年偏少，1993年以后距平值基本上是正值，即大暴雨比常年偏多，说明了这时期为大暴雨的高发期。

Morlet小波分析结果表明广西大暴雨变化同样也具有明显的周期变化规律(图 5)，主要特征为具有很强的2年周期振荡信号，其次为4、8和14年周期振荡信号。分别为1962—1977、1999—2000年有2年周期振荡，其中1991—2000年有2年周期振荡，其中1991—2000年期间经历了少→多→少→多→少→多→少→多→少→多10个循环。1975—2005年存在着4年周期振荡信号，近期经历了1995—1997年少→1997—1999年多→1999—2001年少→2001—2003年多→2003—2005年少。1975—1987、1992—2004年存在着8年周期振荡信号，期间经历了1975—1979年多→1979—1983年少→1983—1987年多，1992—1996年多→1996—2000年少→2000—2004年多。1958—2000年还存在着大尺度的14年周期振荡信号，期间经历了1958—1965年少→1965—1972年多→1972—1979年少→1979—1986年多→1986—1993年少→1993—2000年多6个循环。

3 广西暴雨发生的主要天气形势特征分析

造成广西暴雨的主要天气系统，前汛期为低涡、急流、高空槽、切变线、低层切变、地面锋面等，后汛期为热带气旋、西南低涡、高空槽、热带辐合线等。其中对广西暴雨影响最大的天气系统为热带气旋、西南低涡、低空急流、高空槽。

3.1 热带气旋

1951—2005年期间，影响广西的热带气旋平均每年有5个，最多年达9个，最少年为0个。一元回归线可看出影响广西的热带气旋总体上有明显的减少趋势，回归系数为-0.513个/10a左右，即每10年减少0.513个。影响台风个数距平值和广西暴雨日数距平值的变化中，发现两者正负一致的年份仅为24年，而相反的有29年。而统计最近30年的40次广西特大暴雨的天气过程中，其中有23次是热带气旋造成的，其余17次为西南低涡。这说明热带气旋是造成广西特大暴雨的最重要天气系统，但不是引起暴雨增加的主要原因。其大气环流特征为：

(1) 当热带气旋中心向西北或偏北移进广西境内时，副高西脊点(588线西脊点)东撤到与气旋中心所在经线5个经距以东的地方，此时热带气旋东侧为偏南急流，就会引导低纬度的云系卷入气旋外螺旋云系中，使云系结构更加紧密，促进暴雨、大暴雨发生。

(2) 当热带气旋进入广西境内，恰好有高空槽东移到河套至四川一带，形成北槽南涡的形势，就会使气旋移速减慢并逐渐转为偏北方向，延长了其对广西影响的时间，从而使暴雨、大暴雨发生。

(3) 当热带气旋进入广西境内，同时有冷空气南下影响广西，冷空气刚好移到南岭一带，会使热带气旋倒槽加强，易形成暴雨、大暴雨。

3.2 西南低涡

西南低涡是青藏高原地形和大气环流共同作用的产物，是造成广西暴雨的重要天气系统。它的移动路径有两个，一是东移，这一类低涡一般不进入广西境内，对广西的暴雨影响稍小些。二是东南移，这一类低涡进入广西境内一般都会造成大范围的暴雨过程。在统计分析17个西南低涡中，其中有4个为东移型的，对广西暴雨影响较少，广西暴雨站数都少于20个；在13个东南移型西南低涡中，其中有11个造成广西暴雨站数达到20个以上。进入广西境内的西南低涡，其形成的环流特征可分为3种类型：

(1) 切变线(或低涡)南移到广西后形成低涡，生成前一天其环流特征是：(a)850hPa切变线位于25~28°N之间，呈东西向，其北部地区存在一个有3~5个纬距宽的偏东北风带和面积范围较大的冷高压，在北部10~15个纬距和105~112°E区域内各气象站的500hPa高度比南宁高0~4dgpm之间，最好为1~3dgpm，在这种情况下切变线南移到广西境内后，很容易静止下来。(b)地面、925hPa、850hPa广西处于倒槽内，呈东高西低、北高南低形势。(c)700hPa切变线与850hPa切变线相距在3个纬距以内，成都、宜宾、西昌、丽江、昆明、贵阳、威宁等站多吹东北风。(d)500hPa高度场在高原东部有小槽，成都、宜宾、西昌、丽江、昆明、贵阳、威宁有2站以上吹偏东北风。在以上的天气形势下，切变线移到广西后容易形成低涡。典型个例如1994年6月17日切变线移到广西后形成低涡，导致广西79个站降雨，其中大暴雨11个站，暴雨20个站，大雨15个站。

(2) 高空深槽东移切断而形成低涡，其环流特征为：500hPa(或700hPa)在20~40°N、105~110°E的区域内形成一个NE—SW走向的深槽，槽底伸至20~25°N之间，此后深槽北段东移速度较快，深槽南段被切断形成低涡，川、滇、黔一带500hPa(或700hPa)吹偏东北风，广西境内地面、925hPa、850hPa处于倒槽内。

(3) 两高夹一低而生成低涡

这类低涡主要形成于盛夏7—8月之间，其主要环流特征为：青藏高原西部有高压形成并东移，和田、民丰一带500hPa高度场h≥588dgpm，副热带高压脊南落，西端脊线在20°N以南，海口吹偏西风，在以上两个高压之间形成低槽区，成都、汉口、上海500hPa平均高度≤586dgpm，槽内经常有低涡生成并南移，当青藏高原高压东移北伸时，低涡可移至广西境内。如1997年7月7日广西生成的低涡就是一个两高夹一低的典型个例(图略)，在低涡影响下, 8日广西有22个站下了暴雨。

3.3 低空急流

低空急流不仅为暴雨形成提供了充足的水汽，而且还促进大气层的对流不稳定。广西低空急流有3类：一是南移类，急流产生在锋前暖区之中，随冷空气的南下而南移。二是北移类，由于西南季风加强而形成，多数在越南南方形成，以后北移到西沙群岛以北，这一类急流往往与北方冷空气南移同时出现，它可造成广西沿海暴雨。三是复合类，当一次北移类低空急流或南移类低空急流在沿海维持摆动时，又有一次新的南移类低空急流产生并南移，这样在华南沿海有两支风速轴形成广阔的西南风区，或二者合并于沿海地区，造成大范围的持续暴雨发生。

3.4 高空槽、副热带高压

当广西处于副热带高压边缘时，在副高西北缘吹偏南风，带来了大量的暖湿气流，有利于广西强降水的发生。高空槽对热带气旋、西南低涡等低值系统移动方向起到引导作用。一般情况下，当500hPa高空槽位于30~50°N、100~115°E的区域内，振幅≥10个纬距，南支槽位于25~35°N、95~105°E的区域内，振幅为5个纬距左右。这两种形势都会对广西暴雨的发生产生影响。当高空槽位于关键区25~40°N、95~105°E时，造成广西暴雨的几率非常大，尤其当其东部地区存在副热带高压时。

4 小结

(1) 利用Morlet小波分析方法分析，结果表明广西暴雨变化具有明显的周期变化规律，都具有2、4、8、14年周期振荡信号，其中2年周期振荡信号最强。暴雨和大暴雨的各周期信号分布的时间区域略有差异。

(2) 广西暴雨和大暴雨变化总趋势为逐渐增多，在1990年代进入高峰期。而影响广西的热带气旋有减少的趋势，在最近几年呈负距平。

(3) 影响广西暴雨发生的主要天气系统为热带气旋、西南低涡、低空急流、高空槽，其中热带气旋、西南低涡是广西特大暴雨发生的主要原因。

致谢：特别感谢广西区气象科技服务中心的黄香杏高级工程师对文中天气分析部分的指导。