楊素英，陸其峰，鞠曉慧，趙秀勇，許瀟鋒

(1.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044;2.國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京100081;3.國(guó)家氣象信息中心，北京100081;4.國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇南京210031)

1961—2010年?yáng)|北地區(qū)汛期極端降水的非均勻性特征

楊素英1，陸其峰2，鞠曉慧3，趙秀勇4，許瀟鋒1

(1.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044;2.國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京100081;3.國(guó)家氣象信息中心，北京100081;4.國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇南京210031)

利用東北地區(qū)91站1961—2010年逐日降水資料，討論東北地區(qū)汛期極端降水量的非均勻性分布特征。結(jié)果表明，東北地區(qū)極端降水量呈現(xiàn)由南向北逐漸減少的分布特征;極端降水主要集中出現(xiàn)在7月，東北地區(qū)中部極端降水出現(xiàn)相對(duì)比較分散，東北東部、北部、西部和南部出現(xiàn)比較集中;東北地區(qū)汛期緯度偏低地區(qū)極端降水量偏多，極端降水發(fā)生較晚，且較為集中，緯度偏高地區(qū)則反之。汛期極端降水量與集中度存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即汛期極端降水量越多，極端降水越集中，特別是嫩江、松花江流域。

東北地區(qū);極端降水;集中期;集中度

0 引言

極端氣候事件是小概率事件，具有突發(fā)性強(qiáng)、損害性大的特點(diǎn)，是造成自然災(zāi)害的重要原因之一，目前對(duì)于其氣候變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)還不足，所以極端氣候事件的變化越來(lái)越引起了廣泛關(guān)注(楊金虎等，2007)。作為極端氣候事件之一的極端降水事件，常常與洪澇災(zāi)害聯(lián)系在一起，同樣會(huì)對(duì)自然環(huán)境和人們生活造成嚴(yán)重影響。近50 a該領(lǐng)域科學(xué)家對(duì)降水有關(guān)的極端事件的變化研究結(jié)果表明，在過(guò)去幾十年中，北半球中、高緯度地區(qū)極端降水事件的頻率平均上升了2%～4%。在全球變暖背景下，總降水量增大的區(qū)域、強(qiáng)降水和強(qiáng)降水事件都極有可能以更大比例增加。平均總降水減少區(qū)域、強(qiáng)降水量及其降水頻數(shù)也在增加(Karl and Knight，1998;Buffoni et al.，1999;Stone et al.，1999;Yamamoto and Sakurai，1999;IPCC，2001;Manton et al.，2001)。中國(guó)總降水量變化趨勢(shì)不明顯，但降水強(qiáng)度在增強(qiáng)(翟盤茂和潘曉華，2003)，極端降水事件發(fā)生的頻率也在增加，并具有明顯的區(qū)域性(劉小寧等，2002;秦大河等，2006)。因此從極端降水有關(guān)的研究結(jié)果反映出極端降水事件具有顯著的局地性。

近年的資料表明，由于降水的時(shí)空分布不均，東北區(qū)持續(xù)性暴雨、洪澇等氣候?yàn)?zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重洪澇災(zāi)害的發(fā)生頻次在全國(guó)位于前列，給當(dāng)?shù)貒?guó)民經(jīng)濟(jì)特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境等帶來(lái)較大損失，1995年松遼流域和1998年松嫩流域發(fā)生的特大洪澇災(zāi)害所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)千億元人民幣(楊素英等，2008)。雖然東北地區(qū)平均降水量對(duì)洪澇具有一定的影響，但對(duì)于區(qū)域性洪澇來(lái)說(shuō)，一般都是由極端降水所引起的。

盡管關(guān)于東北地區(qū)極端降水事件的研究已做了不少工作，但以往的研究主要集中于強(qiáng)度和頻率的變化趨勢(shì)上(孫鳳華等，2006;楊素英等，2008)，而對(duì)于年內(nèi)非均勻分布特征的分析未曾涉獵。Zhang and Qian(2003)提出了集中度和集中期指標(biāo)，該指標(biāo)是度量降水年內(nèi)非均勻分配的方法，很好地反映了年總降水量年內(nèi)非均勻分配特性。本文對(duì)近50 a來(lái)汛期極端降水量及其集中期和集中度時(shí)空特征進(jìn)行深入分析，給出極端降水量年內(nèi)非均勻性分配特征，為進(jìn)一步研究東北洪澇災(zāi)害的成因奠定基礎(chǔ)，研究結(jié)果對(duì)東北地區(qū)短期氣候預(yù)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)有一定意義。

1 資料和方法

1.1 資料

所選資料為中國(guó)國(guó)家氣象中心提供的東北地區(qū)91個(gè)國(guó)家常規(guī)氣象觀測(cè)站1961年1月至2010年12月逐日降水資料，其中東北地區(qū)包括遼寧、吉林、黑龍江三省的全部，內(nèi)蒙古自治區(qū)東部的呼倫貝爾盟、興安盟、哲里木盟(通遼市)和赤峰市;東北地區(qū)主要水系包括黑龍江、松花江、烏蘇里江、嫩江、遼河以及額爾古納河。

1.2 極端降水事件閾值的確定方法

根據(jù)每一個(gè)測(cè)站的日降水量定義東北地區(qū)極端降水事件的閾值。其具體方法是把1961—1990年逐年的日降水量序列的第99個(gè)百分位值的30 a平均值定義為極端降水事件的閾值，當(dāng)某站某日降水量超過(guò)極端降水事件的閾值時(shí)，就稱之為一個(gè)極端降水事件(翟盤茂和潘曉華，2003)。東北地區(qū)極端降水的閾值的空間分布如圖1所示。

圖1 東北地區(qū)降水極值閾值的空間分布Fig.1 Spatial distribution of precipitation extreme threshold in Northeast China

1.3 極端降水量集中度與集中期的定義

通過(guò)引進(jìn)Zhang and Qian(2003)定義的表征單站降水量季節(jié)內(nèi)分配特征的新參數(shù)——降水集中度和集中期來(lái)分析汛期極端降水量的季節(jié)內(nèi)分配特征(楊金虎等，2007;張?zhí)煊畹龋?007;張文等，2008)。

式中:Ci和Di分別為研究時(shí)段內(nèi)的極端降水量的集中度和集中期;cosθj;Ri為某測(cè)站研究時(shí)段內(nèi)總極端降水量;rij為研究時(shí)段內(nèi)某候極端降水量;θj為研究時(shí)段內(nèi)各候?qū)?yīng)的方位角(整個(gè)研究時(shí)段的方位角設(shè)為360°)，i為年份(i=1961，1962，…，2010)，j為研究時(shí)段內(nèi)的候序(j=1，2，…，N);x，y指矢量分解后相互垂直的兩個(gè)方向。由式(1)和(2)可知，Ci能夠反映汛期極端降水在各候的集中程度，如果汛期極端降水集中在某一個(gè)候，則它們合成向量的模與總極端降水量之比為1，即Ci為極大值;如果每個(gè)候的極端降水量都相等，則它們各個(gè)分量累加后為0，Ci即為極小值。就是合成向量的方位角，它指示出每個(gè)候極端降水量合成后的總體效應(yīng)，也就是向量合成后重心所指示的角度，反映了汛期候極端降水量最大出現(xiàn)在哪一個(gè)時(shí)段內(nèi)，表1給出了集中期與候的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系。從以上的原理可以看出，極端降水量集中度與集中期(以下簡(jiǎn)稱為集中度和集中期)包含了汛期極端降水的非均勻分配信息。東北地區(qū)6—9月發(fā)生的極端降水事件占總極端降水總數(shù)的88%，是極端降水事件集中出現(xiàn)的時(shí)段(楊素英等，2008)，因此本文定義東北地區(qū)的6—9月為汛期。

表1 集中期與候的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relation between concentration period and pentad(°)

2 極端降水量及其集中度、集中期的時(shí)空特征

2.1 空間平均特征

東北地區(qū)極端降水量呈現(xiàn)出由南向北逐漸減少的特征。極端降水總量最大值出現(xiàn)在丹東地區(qū)，最大值可達(dá)240 mm，最小值出現(xiàn)在內(nèi)蒙的東北部和黑龍江北部，數(shù)值最小在100 mm以下(圖2a)。從集中期空間分布(圖2b)來(lái)看，東北各站集中期為97°～165°，轉(zhuǎn)化成候即為7月第2候—7月第6候，即幾乎整個(gè)7月，同時(shí)東北地區(qū)全區(qū)的集中期的分布比較均勻，說(shuō)明東北地區(qū)極端降水事件主要集中出現(xiàn)在7月。從東北地區(qū)極端降水量的集中度(圖2c)可以看出，各站集中度的數(shù)值在0.5～0.7之間變化，其中東北中部數(shù)值最小，說(shuō)明該區(qū)域極端降水出現(xiàn)相對(duì)比較分散，極端降水出現(xiàn)較為集中的地區(qū)主要分布在東北東部、北部、西部和南部，最大值中心出現(xiàn)在新巴爾虎左旗附近、巴林附近。

圖2 東北地區(qū)1961—2010年平均汛期極端降水量(a;mm)及其集中期(b;(°))和集中度(c)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of(a)extreme precipitation(mm)，(b)concentration period(°)and(c)concentration degree in flood period during 1961 and 2010 in Northeast China

2.2 時(shí)間演變特征

圖3給出了東北地區(qū)汛期極端降水量及其集中期和集中度區(qū)域平均的逐年變化，其中極端降水量(圖3a)近50 a總體上線性趨勢(shì)不顯著，其中20世紀(jì)60、70年代極端降水量處于偏少階段，以1976年為代表，僅為80 mm，80、90年代則處于偏多階段，以1994年最為顯著，可達(dá)240 mm，但是到了21世紀(jì)初的10 a里極端降水量又處于偏少階段，但是逐年的變化不是很劇烈，比較穩(wěn)定。而極端降水量的集中期(圖3b)近50 a來(lái)線性變化趨勢(shì)不明顯，其中1974、1996年為歷年最晚，集中期為185°，即8月第1候;2000年為歷年最早，集中期為65°，即6月第6候。最大值和最小值相差達(dá)1個(gè)月，變幅較大。圖3c給出的是東北地區(qū)極端降水量的集中度的50 a的逐年變化曲線，集中度50 a來(lái)總體變化趨勢(shì)不顯著，呈現(xiàn)出階段性的變化特征，其中20世紀(jì)60年代至80年代中期之前集中度處于偏高階段，80年代中期之后至90年代處于偏小階段，21世紀(jì)初10 a又處于偏高階段。2001年汛期極端降水最為集中，集中度為0.78;1964、1996年最為分散，集中度為0.5左右。

圖3 1961—2010年?yáng)|北地區(qū)汛期極端降水量(a;mm)及其集中期(b;(°))和集中度(c)的逐年變化Fig.3 Annual variability of(a)extreme precipitation(mm)，(b)concentration period(°)and(c)concentration degree in flood period during 1961 and 2010 in Northeast China

2.3 極端降水量的集中度、集中期的經(jīng)緯向分布

由前面的空間分布可以看出，東北地區(qū)汛期極端降水量及其集中期和集中度存在一定的區(qū)域差異。下面統(tǒng)計(jì)不同經(jīng)度帶和不同緯度帶內(nèi)，極端降水及其集中期和集中度的特征。在間隔取為2°的不同帶狀區(qū)域內(nèi)的站點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)發(fā)生極端降水的總站次、極端降水量及其集中期和集中度。東北地區(qū)極端降水經(jīng)向主要集中在120～126°E之間(圖4a)，緯向則主要分布在40～46°N之間(圖4b)。因此極端降水事件發(fā)生在這些范圍內(nèi)也往往相對(duì)偏多。從極端降水量及其集中期、集中度的經(jīng)緯向分布(圖4c、d)可以看出，東北地區(qū)極端降水量的大值區(qū)位于120～124°E、38～40°N之間，即遼東半島附近。集中期的經(jīng)緯向分布特征表現(xiàn)為隨經(jīng)度的增加集中期呈現(xiàn)由小變大再變小的波動(dòng)變化特征，東北偏西地區(qū)極端降水發(fā)生較早，最小值為120°，即7月第2候，發(fā)生較晚的經(jīng)度在120°E和128°E以東地區(qū)，這些地區(qū)極端降水發(fā)生在7月第5候。東北西部地區(qū)極端降水出現(xiàn)相對(duì)其他地區(qū)來(lái)說(shuō)，最為集中，中部相對(duì)分散，東部又趨于集中。它們的緯向分布均基本呈現(xiàn)出隨緯度增加而減少的特征，即緯度偏低地區(qū)極端降水量大，緯度偏高地區(qū)極端降水量偏低，緯度偏低地區(qū)極端降水發(fā)生較晚，出現(xiàn)較為集中，中部和北部極端降水出現(xiàn)較早(7月第2候)，出現(xiàn)較分散(集中度數(shù)值偏低)。綜合圖4c和d可以看出，東北地區(qū)的中南部地區(qū)極端降水量大，出現(xiàn)比較集中，該地區(qū)水系發(fā)達(dá)，有遼河水域，因此易引發(fā)洪澇災(zāi)害，需要予以關(guān)注。

2.4 極端降水量與集中度、集中期的關(guān)系

圖4 站點(diǎn)數(shù)(a，b)、極端降水量及其集中期、集中度(c，d)的經(jīng)向(a，c)和緯向(b，d)分布Fig.4 (a，c)Meridional and(b，d)zonal distribution of(a，b)the number of stations and(c，d)extreme precipitation amount，concentration period and concentration degree

為了探討東北地區(qū)汛期極端降水量與其集中度、集中期的相關(guān)關(guān)系，首先計(jì)算了該區(qū)區(qū)域平均集中度、集中期和極端降水量的相關(guān)系數(shù)，集中度與極端降水量相關(guān)系數(shù)為－0.81，通過(guò)0.001信度的顯著性檢驗(yàn);而集中期與極端降水量相關(guān)性較差，沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。圖5給出了各測(cè)站汛期極端降水量與集中度、集中期的相關(guān)系數(shù)，可以清楚地看出所有測(cè)站的集中度同極端降水量均呈負(fù)相關(guān)(圖5b)，并且相關(guān)關(guān)系非常顯著，絕大多數(shù)測(cè)站通過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)，嫩江、松花江流域的測(cè)站甚至可以通過(guò)0.001信度的顯著性檢驗(yàn);而極端降水量與集中期的呈正相關(guān)關(guān)系(圖5a)，但是只有內(nèi)蒙東北部的海拉爾、滿洲里一帶相關(guān)較顯著，通過(guò)了0.1信度的顯著性檢驗(yàn)，其他地區(qū)相關(guān)關(guān)系不好。由此可見(jiàn)，東北地區(qū)汛期極端降水量主要受集中度影響，特別是嫩江、松花江流域。

圖5 1961—2010年?yáng)|北地區(qū)汛期極端降水量與集中度(a)和集中期(b)的相關(guān)系數(shù)(陰影區(qū)表示通過(guò)0.1(a)和0.01(b)信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.5 Correlation coefficient between extreme precipitation and(a)concentration period，and(b)concentration degree(The shaded areas denote the significance at(a)90%and(b)99%confidence level)

利用合成方法分析東北地區(qū)汛期集中度、集中期異常年的極端降水量，進(jìn)一步探討其與極端降水量的關(guān)系。選取了集中度和集中期大于和小于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份作為異常年，由圖6給出了高值年與低值年的差值場(chǎng)。圖6a可以看出，東北全區(qū)基本上為一致的負(fù)差值，負(fù)值區(qū)中心主要集中在遼東半島地區(qū)，極端降水量的差值超過(guò)了160 mm;內(nèi)蒙東部和黑龍江東部寶清地區(qū)為負(fù)的小值區(qū)。說(shuō)明東北地區(qū)極端降水集中期越大，即極端降水發(fā)生越晚，極端降水量越少，尤其是在遼東半島地區(qū)。從集中度異常年差值場(chǎng)(圖6b)來(lái)看，東北地區(qū)大部分地區(qū)為正差值，中心在內(nèi)蒙的海拉爾、滿洲里附近，最大正差值為70 mm，遼寧和吉林南部為負(fù)差值區(qū)，中心在遼寧中部。同理說(shuō)明東北大部分地區(qū)汛期極端降水集中度越大，極端降水越集中，極端降水量越大，尤其是在內(nèi)蒙的海拉爾等東部地區(qū);反之亦然。以上分析表明，反映東北地區(qū)汛期極端降水量的分配狀況的集中度與同期極端降水量存在較好的關(guān)系。極端降水量越多，則極端降水量越集中;反之極端降水越量越少，則極端降水量越分散;尤其是在嫩江、松花江流域最為顯著。

圖6 東北地區(qū)汛期極端降水集中期(a)、集中度(b)異常年極端降水量的差值場(chǎng)(單位:mm;高值年減低值年;陰影區(qū)表示為正差值區(qū))Fig.6 Composited extreme precipitation anomaly field of(a)extreme precipitation concentration period and(b)extreme precipitation concentration degree in the flood period in Northeast China(difference between the years of higher and lower concentration degree and concentration period;the shaded areas denote the difference value is positive)

3 結(jié)論

1)東北地區(qū)極端降水量呈現(xiàn)由南向北逐漸減少的分布特征。極端降水總量最大值出現(xiàn)在丹東。極端降水主要集中出現(xiàn)在7月，東北地區(qū)中部極端降水出現(xiàn)相對(duì)比較分散，東北東部、北部、西部和南部出現(xiàn)比較集中。

2)東北地區(qū)汛期極端降水量及其集中期和集中度50 a來(lái)總體變化趨勢(shì)均不顯著，其中集中度20世紀(jì)60年代至80年代中期之前處于偏高階段，80年代中期之后至90年代處于偏低階段，21世紀(jì)初10 a又處于偏高階段，呈現(xiàn)階段性變化特征。

3)東北地區(qū)汛期緯度偏低(高)地區(qū)極端降水量偏多(少)，極端降水發(fā)生較晚(早)，且較為集中(分散)，由于該地區(qū)水系發(fā)達(dá)，有遼河水域，因此易引發(fā)洪澇災(zāi)害，需要予以關(guān)注。

4)反映東北地區(qū)汛期極端降水的極端降水量與集中度存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。東北大部分地區(qū)汛期極端降水量越多，極端降水越集中，反之極端降水量越少，則極端降水量越分散，特別是嫩江、松花江流域。

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The non-uniformity characteristic of extreme precipitation in Northeast China during the flood period during 1961—2010

YANG Su-ying1，LU Qi-feng2，JU Xiao-hui3，ZHAO Xiu-yong4，XU Xiao-feng1

(1.Key Laboratory for Atmospheric Physics and Environment of China Meteorological Administration，NUIST，Nanjing 210044，China;2.National Satellite Meteorological Center，Beijing 100081，China;3.National Meteorological Information Center，Beijing 100081，China;4.State Power Environmental Protection Research Institute，Nanjing 210031，China)

Based on daily precipitation data from 91 stations in Northeast China during the flood period from 1961 to 2010，the non-uniformity characteristic of extreme precipitation is analyzed.The main results are summarized as follows:the extreme precipitation amount gradually decreases from south to north and extreme precipitation mainly occurs in July;the extreme precipitation in central northeast is relatively dispersed whereas that in other areas is more concentrated;extreme precipitation amount of the lower-latitude regions is above the normal value and extreme precipitation occurs later and more intensively while it is the opposite situation in higher-latitude regions;there is a significant negative correlation between the amount and the concentration degree of extreme precipitation，which means the larger the extreme precipitation amount is，the more concentrated the extreme precipitation is，especially in the valley of Nen River and Songhua River.

Northeast China;extreme precipitation;concentration period;concentration degree

P426

A

1674-7097(2011)06-0756-07

2011-03-16;改回日期:2011-07-17

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY(QX)201006036);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41105096);南京信息工程大學(xué)?？蒲谢?20090218)

楊素英(1975—)，女，遼寧葫蘆島人，博士，講師，研究方向?yàn)闅馊苣z間接氣候效應(yīng)，yangsuying75@gmail.com;陸其峰(通信作者)，男，江蘇淮陰人，副研究員，研究方向?yàn)闅庀笮l(wèi)星資料同化，luqf@cma.gov.cn.

楊素英，陸其峰，鞠曉慧，等.2011.1961—2010年?yáng)|北地區(qū)汛期極端降水的非均勻性特征［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，34(6):756-762.

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