梁 豐, 劉丹丹, 王婉昭, 劉鵬飛, 于芳健

(1.遼寧省朝陽市氣象局, 遼寧 朝陽 122000; 2.遼寧省氣象科學(xué)研究所, 沈陽 110166)

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1961-2013年東北地區(qū)夏季降水變化趨勢分析

梁 豐1, 劉丹丹1, 王婉昭2, 劉鵬飛1, 于芳健1

(1.遼寧省朝陽市氣象局, 遼寧 朝陽 122000; 2.遼寧省氣象科學(xué)研究所, 沈陽 110166)

選取東北地區(qū)84個氣象站1961—2013年逐日降水資料，利用Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法、線性回歸、氣候傾向率和變異系數(shù)方法分析了近50年東北地區(qū)夏季降水日數(shù)、降水量和降水強度的時空變化特征，討論了夏季不同等級降水日數(shù)和降水強度變化趨勢和變異場特征。結(jié)果表明：近53年，東北地區(qū)夏季降水日數(shù)呈顯著的下降趨勢，其變化總體呈現(xiàn)出60年代>70年代≈80年代>90年代>21世紀(jì)前13年(2001—2013年)的特征，而降水量和降水強度的升降變化并不顯著。東北地區(qū)夏季小雨雨日總體呈下降趨勢，其中，東北地區(qū)東南部降幅最大，平均為-2.5～-1 d/10 a；中雨雨日傾向率也以下降為主；大雨、暴雨雨日傾向率的下降區(qū)域位于黑龍江中部、吉林西北部和遼東半島，而在遼寧中部、黑龍江西部和內(nèi)蒙東北部為大雨和暴雨雨日上升區(qū)。東北地區(qū)夏季小雨雨強傾向率在東北地區(qū)東南部以上升為主，升幅為0～0.1 mm/10 a，而西北部主要以下降為主，降幅為-0.1～0 mm/10 a；東北地區(qū)夏季大雨和暴雨日數(shù)波動較大，尤以暴雨日數(shù)的波動最為顯著，相比于大雨和暴雨，小雨、中雨雨日和雨強的變化都要更穩(wěn)定。

東北地區(qū); 夏季降水; 變化趨勢; Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗

受環(huán)境變遷、氣候變化和人類活動的共同影響，中國極端天氣氣候事件一直呈高發(fā)態(tài)勢。東北地區(qū)作為典型的氣候脆弱和敏感區(qū)，同時又是我國最大的商品糧基地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最具發(fā)展?jié)摿Φ牡貐^(qū)之一，圍繞東北地區(qū)開展的氣候、生態(tài)、水文等相關(guān)研究也越來越受到科學(xué)家的關(guān)注[1-7]。降水不僅是淡水資源的重要來源，同時也是區(qū)域水循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤為重要。但由于地理、地形、環(huán)境等諸多因素影響，區(qū)域間降水變化差異顯著[8-14]。目前針對東北地區(qū)降水前人已做過大量研究，概括起來可分為兩類，一類是從環(huán)流角度探討影響東北地區(qū)降水的關(guān)鍵因子，如孫力等[15]指出，東北地區(qū)夏季降水與東北亞夏季850 hPa南風(fēng)異常關(guān)系密切，夏季南風(fēng)偏強時，東北地區(qū)降水整體偏多，反之，降水偏少；孫鳳華等[16]研究了影響東北地區(qū)氣候的關(guān)鍵區(qū)、關(guān)鍵時段和關(guān)鍵因子，發(fā)現(xiàn)東北夏季多雨主要發(fā)生在極渦偏心、東亞高緯阻塞高壓盛行、副熱帶高壓偏西偏北、青藏高原上空西風(fēng)急流中心強度偏強的環(huán)流系統(tǒng)配置下；鄒旭東等[17]還發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)冬季降水多年對應(yīng)東亞200 hPa U風(fēng)分量增強、500 hPa高壓減弱、850 hPa東海南風(fēng)增強；沈柏竹等[18]分析了影響東北初夏和盛夏降水年際變化的環(huán)流因子，指出初夏降水異常以冷渦活動的影響為主，而盛夏則以東亞夏季風(fēng)的影響為主；第二類是研究東北降水的時空變化特征，如賀偉等[19]研究了1961—2005年東北地區(qū)氣溫和降水變化趨勢，指出近45 a東北地區(qū)氣候總體向暖干化發(fā)展；姜曉艷等[20]對東北地區(qū)近百年降水時間序列進(jìn)行了小波分析，發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)降水存在多時間尺度變化特征；葉敏等[21]基于帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)，對中國1961—2010年旱澇時空演化特征進(jìn)行了分析，指出東北地區(qū)近50 a干旱強度明顯增加；孫鳳華等[22]通過對東北地區(qū)降水日數(shù)、強度和持續(xù)時間的研究，得出東北地區(qū)降水有向不均衡、極端化發(fā)展的趨勢；李邦東等[23]也指出東北地區(qū)年內(nèi)降水分配更不均勻，發(fā)生區(qū)域旱澇的風(fēng)險進(jìn)一步提高。

前人的研究工作為我們在理論上的借鑒奠定了堅實的基礎(chǔ)。本文利用1961—2013年東北地區(qū)逐日降水資料，研究東北地區(qū)夏季降水日數(shù)、降水量和降水強度的時空變化特征，探討不同等級降水日數(shù)和降水強度的氣候傾向率和穩(wěn)定性特征，對揭示東北地區(qū)夏季降水變化規(guī)律具有一定的現(xiàn)實意義，也是對已有研究工作的一個補充。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文所指東北地區(qū)包括遼寧、吉林、黑龍江省和內(nèi)蒙古東部的赤峰市、通遼市、興安盟和呼倫貝爾市，總面積124.3萬km2。東北地區(qū)自南向北跨中溫帶與寒溫帶，四季分明，夏季溫?zé)岫嘤?，冬季寒冷干燥，自東南向西北，從濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)過渡到半干旱區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

資料為國家氣象信息中心提供的東北地區(qū)84站1961—2013年逐日降水資料，資料經(jīng)過了較為嚴(yán)格的修訂，包括錯誤數(shù)據(jù)訂正、遺失數(shù)據(jù)補漏、無效數(shù)據(jù)剔除，并經(jīng)過氣候極值、內(nèi)部一致性、空間一致性等質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)的實有率普遍在99%以上，數(shù)據(jù)的正確率接近100%。對個別臺站的缺測數(shù)據(jù)及斷點進(jìn)行均值替代處理，站點分布如圖1所示。

圖1 站點分布

1.3 研究方法

夏季定義為每年的6—8月，降水日數(shù)定義為日雨量≥0.1 mm日數(shù)的總和；降水強度定義為降水總量與降水日數(shù)之比。采用中央氣象臺的降水劃分標(biāo)準(zhǔn)，以P表示日降水量，不同等級降水的劃分標(biāo)準(zhǔn)為：0.1 mm≤P<10 mm為小雨，10 mm≤P<25 mm為中雨，25 mm≤P<50 mm為大雨，50 mm≤P為暴雨。

采用世界氣象組織推薦的Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法對各統(tǒng)計量進(jìn)行顯著性檢驗，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，因此更適合水文氣象等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)的趨勢分析[24-25]。采用氣候傾向率分析各統(tǒng)計量的空間分布特征，氣候傾向率為正值表示統(tǒng)計量為上升趨勢，負(fù)值表示下降趨勢。利用變異系數(shù)分析不同等級降水日數(shù)和降水強度的穩(wěn)定性，變異系數(shù)越大，表示降水日數(shù)和降水強度隨時間變化大，出現(xiàn)旱澇幾率也越大，變異系數(shù)越小，表示降水日數(shù)和降水強度波動越小，降水的穩(wěn)定性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 東北地區(qū)夏季降水基本特征

東北地區(qū)夏季多年平均的降水日數(shù)呈明顯的帶狀分布(圖2a)，高值區(qū)位于長白山一帶，夏季總降水日數(shù)超過50 d，低值區(qū)在東北平原以西地區(qū)，夏季平均的總降水日數(shù)在30 d左右。多年平均的降水量分布(圖2b)與降水日數(shù)分布略有不同，高值中心在遼東半島以東，總降水量超過500 mm，低值區(qū)位于大興安嶺一帶，夏季總降水量不足300 mm。多年平均的降水強度分布(圖2c)與降水量分布更為接近，高、低值中心與降水量的高、低值中心基本一致，高值中心超過13 mm，低值中心不足7 mm。

圖2 東北地區(qū)夏季多年平均降水日數(shù)、降水量和降水強度分布

2.2 東北地區(qū)夏季降水變化趨勢

分析圖3和表1可知，降水日數(shù)全部呈下降趨勢，其中顯著下降的測站有32個，占全部測站的38.1%，說明夏季降水日數(shù)呈顯著的下降趨勢；降水量呈下降趨勢的測站有66個，其中通過顯著性檢驗的測站有6個，占下降測站總數(shù)的比例較低，所以降水量的下降趨勢并不顯著；降水強度呈上升趨勢的測站數(shù)高于呈下降趨勢的測站數(shù)，但因通過顯著性檢驗的站點也較少，所以降水強度的升降趨勢亦不顯著。

注：圖中實心標(biāo)記表示通過0.05的顯著性檢驗，下同。

圖3 東北地區(qū)夏季降水日數(shù)、降水量、降水強度年際變化趨勢空間分布

表1 東北地區(qū)夏季降水日數(shù)、降水量、降水強度趨勢統(tǒng)計

從區(qū)域分布來看，東北地區(qū)東南部為夏季降水日數(shù)的顯著下降區(qū)，傾向率均值為-2.5～-1.5 d/10 a，西北部地區(qū)降幅較小，均值不足-1.5 d/10 a；東北地區(qū)大部夏季降水量也呈現(xiàn)一定的下降趨勢，總體表現(xiàn)為東部降幅較大而西部降幅較小，高值中心位于黑龍江中部，均值為-30～-15 mm/10 a；降水強度呈現(xiàn)出微弱的上升趨勢，升降幅度絕對值多為0～0.25 mm/10 a。以上研究表明，1961—2013年東北地區(qū)夏季降水日數(shù)和降水量都有不同程度的下降趨勢，其中東北地區(qū)東南部降水日數(shù)下降最為顯著。

2.3 區(qū)域平均的降水日數(shù)、降水量及降水強度年際、年代際變化特征

圖4給出了東北地區(qū)夏季降水日數(shù)、降水量和降水強度的年際和年代際變化，降水日數(shù)(圖4a)總體呈減少的趨勢，變率為-1.07 d/10 a，趨勢系數(shù)為0.40，減少趨勢非常顯著(通過0.01的信度檢驗)；區(qū)域平均的降水量(圖4b)也顯示出一定的減少趨勢，變率為-6.76 mm/10 a，趨勢系數(shù)為0.16，減少趨勢不顯著(未通過0.05的信度檢驗)；降水強度則呈微弱的增加趨勢，增加趨勢亦不顯著。

從夏季降水日數(shù)的年代際變化來看(圖4b)，東北地區(qū)20世紀(jì)60年代降水日數(shù)最多，平均為41.8 d，70年代和80年代接近，分別為40.2 d和40.5 d，20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)的前13年降水日數(shù)最少，分別為38.7 d和37.0 d，降水日數(shù)變化總體呈現(xiàn)出60年代>70年代≈80年代>90年代>21世紀(jì)前13 a(2001—2013年)的特征；降水量的年代際變化趨勢與降水日數(shù)不同，主要表現(xiàn)為近53年降水量有兩個峰值，分別為60年代和80年代，80年代以前降水量經(jīng)歷了先降后升的階段，80年代以后降水量逐漸減少；降水強度無明顯的年代際增減趨勢，除20世紀(jì)70年代降水強度低于9 mm(8.6 mm)以外，其他時期降水強度都超過9 mm，最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，為9.7 mm，80年代與90年代接近，為9.5 mm，60年代和21世紀(jì)的前13年也基本一致，分別為9.2 mm和9.1 mm。

圖4 區(qū)域平均的夏季降水日數(shù)、降水量和降水強度年際、年代際變化

2.4 不同等級降水日數(shù)傾向率空間分布

統(tǒng)計表明，近50 a東北地區(qū)夏季小雨、中雨、大雨和暴雨降水日數(shù)年際變化呈顯著趨勢的測站分別有34個、6個、4個和0個(表2)，總體上表現(xiàn)為：小雨日數(shù)變化最為顯著，中雨及以上級別降水日數(shù)變化趨勢相對穩(wěn)定，而小雨及中雨日數(shù)呈下降趨勢的測站又明顯多于呈上升趨勢的測站，大雨和暴雨日數(shù)呈上升和下降趨勢的測站數(shù)相差不大。

圖5給出了不同等級降水日數(shù)傾向率空間分布，小雨雨日總體呈下降趨勢，其中又以東北地區(qū)東南部降幅最大，為-2.5～-1 d/10 a，中西部地區(qū)降幅較小，為-1～0 d/10 a。

中雨雨日傾向率有一定的區(qū)域差異，但雨日呈下降趨勢的測站還是明顯偏多，且表現(xiàn)出南多北少、東多西少的分布特征，即在遼寧中南部、吉林大部、黑龍江中東部和內(nèi)蒙古中部下降趨勢明顯，傾向率大多為-1～0 d/10 a。其他地區(qū)中雨雨日呈小幅上升趨勢，傾向率主要集中在0～1 d/10 a。

大雨、暴雨雨日傾向率分布較為類似，即大雨和暴雨雨日下降的區(qū)域主要位于黑龍江中部、吉林西北部和遼東半島，而在遼寧中部、黑龍江西部和內(nèi)蒙古東北部為大雨和暴雨雨日上升區(qū)，但二者的升降幅度都不大，絕對值均未超過0.5 d/10 a。

圖5 夏季不同等級降水日數(shù)傾向率空間分布

表2 夏季不同等級降水日數(shù)傾向率統(tǒng)計

2.5 不同等級降水強度傾向率空間分布

分析圖6和表3，近53 a東北地區(qū)夏季小雨、中雨、大雨和暴雨降水強度年際變化呈顯著趨勢的測站分別有5個、6個、6個和1個(表3)，占比較低，總體上升降趨勢均不顯著。從升降測站數(shù)來看，小雨雨強呈上升和下降的測站相等，中雨、大雨雨強呈下降趨勢的測站要相對偏多，而暴雨呈下降趨勢的測站相對偏少。

從傾向率空間分布(圖6)來看，小雨雨強傾向率(圖6a)在東北地區(qū)東南部以上升為主，升幅為0～0.1 mm/10 a，而西北部主要以下降為主，降幅為-0.1～0 mm/10 a。

中雨、大雨雨強傾向率在東北地區(qū)大部都呈下降趨勢，其中內(nèi)蒙古東北一帶為中雨雨強下降的高值區(qū)，傾向率為-1～-0.5 mm/10 a，而在黑龍江中部地區(qū)為大雨雨強下降的高值區(qū)，傾向率均值為-2.5～-1 mm/10 a。遼寧中南部、吉林西部和黑龍江東部為中雨雨強上升區(qū)，升幅為0～0.5 mm/10 a，大雨雨強上升區(qū)主要位于遼寧中南部，升幅0～1 mm/10 a。

遼寧東部、吉林南部和黑龍江中西部地區(qū)為暴雨雨強上升區(qū)，暴雨雨強傾向率均值為0～6 mm/10 a，個別站點超過6 mm/10 a。遼寧西北部、吉林北部和黑龍江偏南地區(qū)暴雨雨強呈下降趨勢，傾向率均值為-3～0 mm/10 a。

2.6 穩(wěn)定性特征

從東北地區(qū)夏季不同等級降水日數(shù)和強度變異系數(shù)(平滑后)的時間變化(圖7a)可以看出，東北地區(qū)夏季大雨和暴雨日數(shù)波動較大，尤以暴雨日數(shù)的波動最為顯著，變異系數(shù)多大于1.0，而小雨和中雨日數(shù)的波動相對較小，變異系數(shù)多在0.5以下。從年代際變化來看，暴雨日數(shù)在70年代中后期到80年代初期、21世紀(jì)初期的后半段變異系數(shù)最大，表明暴雨日數(shù)在此期間年際分布變得很不均勻。

圖6 不同等級降水強度傾向率空間分布

表3 夏季不同等級降水強度傾向率統(tǒng)計

不同等級降水強度也表現(xiàn)為小雨和中雨的變異系數(shù)(圖7b)要小于大雨和暴雨，表明相比于大雨和暴雨，小雨和中雨的雨強也要更穩(wěn)定。但大雨和暴雨的變異系數(shù)也多在0.5以下，相對大雨和暴雨雨日的變異系數(shù)要小很多，說明大雨和暴雨雨強的變化相對于雨日要更穩(wěn)定。

圖7 東北地區(qū)夏季不同等級降水日數(shù)和強度變異系數(shù)的時間變化曲線

3 結(jié) 論

利用東北地區(qū)84個站點1961—2013年逐日降水資料，研究了東北地區(qū)夏季雨日、雨量和雨強的時空變化特征，并以降水日數(shù)和降水強度為基礎(chǔ)，探討了不同等級降水日數(shù)和強度的氣候傾向率和穩(wěn)定性特征，得到以下結(jié)論：

(1) 近53 a，東北地區(qū)夏季降水日數(shù)呈顯著的下降趨勢，其中東北地區(qū)東南部為顯著下降區(qū)；降水量和降水強度的升降趨勢并不明顯。

(2) 東北地區(qū)夏季降水日數(shù)存在明顯的年際和年代際振蕩，降水日數(shù)變化總體呈現(xiàn)出60年代>70年代≈80年代>90年代>21世紀(jì)前13年(2001—2013年)的特征；降水量的年代際變化表現(xiàn)為近53 a降水量有兩個峰值，分別為60年代和80年代，80年代以前降水量經(jīng)歷了先降后升的階段，80年代以后降水量逐漸減少。

(3) 東北地區(qū)夏季小雨雨日總體呈下降趨勢，其中又以東北地區(qū)東南部降幅最大，平均-2.5～-1 d/10 a；中雨雨日傾向率有一定的區(qū)域差異，但雨日呈下降趨勢的測站還是明顯偏多，且表現(xiàn)出南多北少、東多西少的分布特征；大雨、暴雨雨日傾向率分布較為類似，主要的下降區(qū)域位于黑龍江中部、吉林西北部和遼東半島，而在遼寧中部、黑龍江西部和內(nèi)蒙東北部為大雨和暴雨雨日上升區(qū)，但二者的升降幅度都不大，絕對值均不超過0.5 d/10 a。

(4) 近53 a，東北地區(qū)夏季小雨雨強傾向率在東北地區(qū)東南部以上升為主，升幅為0～0.1 mm/10 a，而西北部主要以下降為主，降幅為-0.1～0 mm/10 a；中雨、大雨雨強傾向率在東北地區(qū)大部都呈下降趨勢，其中內(nèi)蒙古東北一帶為中雨雨強下降的高值區(qū)，而在黑龍江中部地區(qū)為大雨雨強下降的高值區(qū)；遼寧中南部、吉林南部和黑龍江中西部地區(qū)為暴雨雨強上升區(qū)，而在遼寧西北部、吉林北部和黑龍江偏南地區(qū)暴雨雨強則呈下降趨勢。

(5) 東北地區(qū)夏季大雨和暴雨日數(shù)波動較大，尤以暴雨日數(shù)的波動最為顯著，而小雨和中雨日數(shù)相對穩(wěn)定。相比于大雨和暴雨，小雨和中雨的雨強也要更穩(wěn)定。

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Analysis on the Trend of Variation of Summer Precipitation in Northeast China During the Period from 1961 to 2013

LIANG Feng1, LIU Dandan1, WANG Wanzhao2, LIU Pengfei1, YU Fangjian1

(1.ChaoyangMeteorologicalAdministration,Chaoyang,Liaoning122000,China;2.InstituteofMeteorologicalSciencesofLiaoningProvince,Shenyang110166,China)

Based on daily precipitation data obtained from 84 meteorological stations in northeast China during the period from 1961 to 2013, we analyzed the summer precipitation characteristics, the features of precipitation days and intensity characteristics of different grades of summer precipitation events. The results indicated that both summer precipitation days and light rain days presented the significant decreasing trend, while light rain days decreased by -2.5～-1 days/decade during the period from 1961 to 2013. The moderate rain day tendency rate also showed the decline trend, especially in eastern and southern parts of northeast China. The heavy rain and rainstorm day tendency rates declined in the middle of Heilongjiang Province, northwest Jilin Province and Liaodong Peninsula, and it presented the rising trend in the other areas. In recent 53 years, the light rain intensity presented the slight increasing trend with 0～0.1 mm/decade in eastern and southern parts of northeast China. However, the intensity of moderate and heavy rain showed the decline trend in most areas. The variation coefficients of heavy rain and rainstorm days were greater than light rain and moderate rain days. It could be seen that heavy rain and rainstorm days became unstable. These changes will lead to the increasing risk of flood disaster in this region.

northeast China; summer precipitation; variation trend; Mann-Kendall

2015-07-07

2015-07-23

公益性行業(yè)(氣象)科研專項“中高緯積雪和海冰異常及其與大氣環(huán)流的相互作用對中國東北夏季低溫的影響”(GYHY201106016)

梁豐(1987—),男(蒙古族),遼寧喀左人,助理工程師,碩士,研究方向為氣候變化與短期氣候預(yù)測。E-mail:she3she3@163.com

P467

1005-3409(2015)05-0067-07