鄒曉光

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

0 引 言

降水特點(diǎn)和過(guò)程受人類活動(dòng)、氣候變化等因素作用已發(fā)生顯著的改變，在全球氣候變化背景下開(kāi)展汛期降水變化趨勢(shì)的研究，對(duì)于水生態(tài)文明建設(shè)、水資源管理規(guī)劃和反映水文特征規(guī)律等具有重要意義[1]。遼寧省地處中國(guó)東北地區(qū)南部，介于E118°53′-125°46′，N38°43′-43°26′之間，總面積14.8萬(wàn)km2、地勢(shì)特征為中部低、東西兩側(cè)高的變化特征，東、西兩側(cè)為海拔約800-500m的低山丘陵，中部為遼河平原海拔約200m，地形地貌有“六三一水三分田”之稱。該區(qū)域?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)氣候，氣候特點(diǎn)為春秋季短、冬長(zhǎng)夏暖、平原風(fēng)大、寒冷期長(zhǎng)、雨量集中、雨熱同期、四季分明、光照豐富，年降水量600-1100mm之間。遼寧境內(nèi)各支流縱橫交錯(cuò)，其中面積為1000-5000km2、>5000km2、的河流有31和17條，有中朝共用的界河鴨綠江、太子河、大凌河、遼河和太子河等。研究區(qū)海域遼闊，東、西兩側(cè)與黃海和渤海相鄰，近海水域面積6.4萬(wàn)km2，海洋島嶼有長(zhǎng)興島、石城列島、大鹿島及里長(zhǎng)山列島等266個(gè)，全省島岸線長(zhǎng)627km。復(fù)雜的水文條件和特殊的地理環(huán)境，使得境內(nèi)降水存在顯著的區(qū)域性和季節(jié)性特征，該地區(qū)主汛期為6-8月，主汛期降水集中且多暴雨或強(qiáng)降雨，對(duì)遼寧主汛期降水特征的分析可為實(shí)現(xiàn)人水和諧發(fā)展、洪水科學(xué)管理和指導(dǎo)防汛抗旱工作提供科學(xué)依據(jù)[2-6]。

氣候的變暖使得區(qū)域降水特征出現(xiàn)了較為明顯的改變，從而明顯影響著區(qū)域水資源的時(shí)空分布，而水文氣象災(zāi)害的發(fā)生頻率及其對(duì)人類健康、環(huán)境、生態(tài)的影響強(qiáng)度呈明顯的增加趨勢(shì)，中國(guó)學(xué)者對(duì)汛期降水影響因素及其變化特征進(jìn)行了一系列研究。例如，尹潔[7]通過(guò)比較少雨和多雨環(huán)流合成圖、典型ITCZ特征、阻高、副高等要素，從高中低維環(huán)流的角度揭示了汛期異常降水變化規(guī)律；肖名忠等研究認(rèn)為不同分區(qū)的汛期降水模式具有一定的區(qū)域性特征，降水量存在較大差異，同時(shí)大干旱災(zāi)害的發(fā)生具有全流域性的特點(diǎn)；舒長(zhǎng)根等[8]為獲取江西6-7月降水異常原因分析了青藏高原熱力、副熱帶高壓情況；張超美等[9]依據(jù)逐日降水和NCEP再分析數(shù)據(jù)，對(duì)汛期降水因子采用偏相關(guān)法進(jìn)行分析，通過(guò)歸因分析構(gòu)建汛期降水GCM模式預(yù)測(cè)模型。如上分析，當(dāng)前主要側(cè)重于汛期降水影響因子及其變化特征的研究，而考慮分區(qū)特征和主汛期降水的研究還鮮有報(bào)道。據(jù)此，文章以遼寧省6-8月降水為例，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)法揭示了汛期降水特征及其變化規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1961-2014年汛期雨量系列數(shù)據(jù)來(lái)源于氣象基本站、遼寧省水文局等，遼寧地區(qū)主汛期降水分區(qū)及各分區(qū)主汛期降水趨勢(shì)利用REOF方法、M-K檢驗(yàn)、線性趨勢(shì)法，主汛期降水周期特征利用Morlet法分析。受文章篇幅限制，不再詳細(xì)介紹以上方法的運(yùn)算流程，具體參考文獻(xiàn)資料[10-13]。

2 遼寧省主汛期降水分析

2.1 降水距平

根據(jù)遼寧省降水距平過(guò)程及其空間分布情況，其中6-10月為汛期、6-8月為主汛期、9-10月為后汛期，汛期降水整體呈“西北少、東南多”的特征，主汛期降水分布與該變化趨勢(shì)基本一致，而降水量后汛期呈“中間少、南北多”的特點(diǎn)。汛期和主汛期降水距平變化基本吻合，遼寧省汛期降水時(shí)間距平，見(jiàn)圖1。其相關(guān)系數(shù)為0.88，二者均未呈現(xiàn)出顯著的趨勢(shì)性，由此表明后汛期和前汛期降水存在較大顯著，主汛期為主導(dǎo)整個(gè)降水分布的關(guān)鍵。所以，文章選取6-8月主汛期進(jìn)一步分析遼寧地區(qū)降水特征。

圖1 遼寧省汛期降水時(shí)間距平

2.2 客觀分區(qū)

根據(jù)1981-2014年6-8月遼寧省降水資料，采用REOF法進(jìn)行客觀分區(qū)，從而獲取2個(gè)模態(tài)的遼寧省主汛期降水時(shí)間序列，REOF第1、2模態(tài)6-8月降水的時(shí)間序列，REOF第1、2模態(tài)6-8月降水的時(shí)間序列，見(jiàn)圖2。其中，第1、2模態(tài)的方差貢獻(xiàn)度為65.2%、21.4%。從方差貢獻(xiàn)的角度認(rèn)為，降水客觀分區(qū)的主導(dǎo)模態(tài)為第1模態(tài)，其它模態(tài)的權(quán)重貢獻(xiàn)快速瘦臉。“東、西偶極”型為第1模態(tài)空間分布特征，東部臨海地區(qū)的降水量級(jí)顯著高于西部地區(qū)，東部降水偏多(少)的年份西部片少(多)。6-8月降水距平與時(shí)間序列保持較好的一致性，通常情況下西部降水偏少而東部降水偏多。其它地區(qū)的空間分布與最西部地區(qū)相反，最西部地區(qū)的年水量偏多(少)而中部偏少(多)，中部地區(qū)的異常降水為決定全省降水變化的關(guān)鍵要素。

圖2 REOF第1、2模態(tài)6-8月降水的時(shí)間序列

根據(jù)REOF分析結(jié)果，占比較大的為第1模態(tài)，由此進(jìn)一步說(shuō)明遼寧東、西地區(qū)存在較為顯著的主汛期降水差異，6-8月降水距平與時(shí)間序列保持較好的一致性。因此，將遼寧地區(qū)6-8月降水研究按照第1模態(tài)的“東、西偶極”劃分為2個(gè)部分，由此統(tǒng)計(jì)分析東西兩部分降水情況。

3 主汛期降水趨勢(shì)特征

3.1 線性趨勢(shì)

遼寧地區(qū)主汛期降水線性趨勢(shì)，見(jiàn)圖3。根據(jù)圖3中變化特征可知，主汛期降水呈現(xiàn)出一定的減弱趨勢(shì)，遼西主汛期降水呈現(xiàn)出傾向率為-5.6mm/10a的微弱減少趨勢(shì)，遼東主汛期降水呈現(xiàn)出傾向率為-16mm/10a的顯著降低趨勢(shì)。

圖3 遼寧地區(qū)主汛期降水線性趨勢(shì)

3.2 M-K分析

對(duì)于長(zhǎng)序列氣象數(shù)據(jù)的參數(shù)估計(jì)較為常用的方法為線性回歸法，其中M-K法不需要滿足一定的分布即可完成統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，且結(jié)構(gòu)體系受異常值干擾的程度較低，較其它方法更具有正態(tài)分布檢驗(yàn)的適用性和可行性。顯著性為0.05的情況下利用M-K法分析遼西主汛期降水，從而繪制出UB、UF曲線圖，遼西主汛期降水M-K分析，見(jiàn)圖4。根據(jù)圖4可知，20世紀(jì)80年代遼西6-8月降水量呈上升趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代以后的總體呈下降趨勢(shì)，長(zhǎng)時(shí)間序列不存在明顯的上升或下降趨勢(shì)，其中1993年和2012年為降水突變時(shí)間。

圖4 遼西主汛期降水M-K分析

顯著性為0.05的情況下利用M-K法分析遼東主汛期降水，從而繪制出UB、UF曲線圖，遼東主汛期降水M-K分析，見(jiàn)圖5。根據(jù)圖5可知，2000年中期以前遼東主汛期降水量呈現(xiàn)出波動(dòng)性下降趨勢(shì)，且變化幅度不明顯；90年代中期以后至今的主汛期降水總體呈下降趨勢(shì)，近期突變時(shí)間發(fā)生于2006年前后。

4 主汛期降水周期特征

4.1 遼西主汛期降水周期特征

采用Morlet小波系數(shù)法分析遼西6-8月降水規(guī)律，遼西主汛期降水趨勢(shì)，見(jiàn)圖6。整個(gè)時(shí)間域上遼西主汛期降水的豐枯變化主要由5a以下、5-20a、20-40a、40-60a尺度控制，大時(shí)間尺度20-40a上存在明顯的變化周期，遼西6-8月降水經(jīng)歷了3次豐-枯循環(huán)變化，當(dāng)前等值線未閉合且處于豐水期，可見(jiàn)未來(lái)幾年將仍處于豐水期。整個(gè)時(shí)域的小尺度周期末存在連續(xù)性變化，且存在較快的振動(dòng)頻率；在5-20a時(shí)間尺度上，2000年以后的周期性變化不顯著，而之前存在明顯周期性。

圖5 遼東主汛期降水M-K分析

圖6 遼西主汛期降水趨勢(shì)

根據(jù)6-8月遼西降水小波方差圖變化趨勢(shì)可知，遼西主汛期降水存在5個(gè)峰值，相應(yīng)的時(shí)間尺度依次為32、55、10、5、2a。其中，32a時(shí)間尺度的峰值達(dá)到最大，可見(jiàn)該時(shí)間尺度上遼西6-8月降水存在最強(qiáng)的振動(dòng)周期，該時(shí)段為第1主周期，10、5、2a周期與中小尺度相對(duì)應(yīng)。

4.2 遼東主汛期降水周期特征

采用Morlet小波系數(shù)法分析遼東6-8月降水規(guī)律，遼西主汛期降水趨勢(shì)，見(jiàn)圖7。整個(gè)時(shí)間域上遼東主汛期降水的豐枯變化主要可分為6a以下、6-18a、18-25a、25-35a、35-50a、>50a尺度控制，遼東6-8月降水在50a以上時(shí)間尺度上先后經(jīng)歷了枯-豐-枯-豐-枯變化特征，等值線2013年處于未閉合狀態(tài)，由此可見(jiàn)未來(lái)存在較大的枯水可能性。遼東6-8月降水在25-35a尺度上經(jīng)歷了9個(gè)豐枯循環(huán)，遼東主汛期降水在18a尺度下具有較快的變動(dòng)頻率，尺度周期性在6-18a尺度上較為明顯，2000年以后的6a以下尺度的分散較為凌亂，各時(shí)段的強(qiáng)弱程度存在較大差異。

根據(jù)6-8月遼東降水小波方差圖變化趨勢(shì)可知，遼東主汛期降水存在7個(gè)峰值，相應(yīng)的時(shí)間尺度依次為42、56、18、24、6、4、10a。其中，42a時(shí)間尺度的峰值達(dá)到最大，可見(jiàn)該時(shí)間尺度上遼東6-8月降水存在最強(qiáng)的振動(dòng)周期，該時(shí)段為第1主周期，18、24、6、4、10a周期與中小尺度相對(duì)應(yīng)，在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)遼東6-8月降水變化特征主要由以上7個(gè)時(shí)間尺度周期控制。

5 結(jié) 論

遼寧省降水存在著顯著的空間分布性，在空間尺度上降水呈“西北少東南高”型，主汛期為影響汛期降水的關(guān)鍵要素。通過(guò)對(duì)遼寧地區(qū)主汛期降水分區(qū)的研究，揭示了各分區(qū)降水周期及變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1) 將主汛期降水利用REOF法劃分為遼東、遼西兩個(gè)分區(qū)，對(duì)遼寧主汛期降水利用線性趨勢(shì)法分析，結(jié)果顯示其降水存在減弱趨勢(shì)。其中，遼西主汛期降水呈現(xiàn)出傾向率為-5.6mm/10a的微弱減少趨勢(shì)，遼東主汛期降水呈現(xiàn)出傾向率為-16mm/10a的顯著降低趨勢(shì)；20世紀(jì)80年代遼西6-8月降水量呈上升特征，90年代以后的總體呈不斷下降特征，長(zhǎng)時(shí)間序列上升或下降不顯著。

2) 2000年中期以前遼東主汛期降水量呈現(xiàn)出波動(dòng)性下降趨勢(shì)，且變化幅度不明顯；90年代中期以后至今的主汛期降水總體呈下降趨勢(shì)，近期突變時(shí)間發(fā)生于2006年前后。

3) 32a時(shí)間尺度的峰值達(dá)到最大，該時(shí)間尺度上遼西6-8月降水存在最強(qiáng)的振動(dòng)周期，該時(shí)段為第1主周期，10、5、2a周期與中小尺度相對(duì)應(yīng)；遼東地區(qū)主汛期降水第1主周期為42a，18、24、6、4、10a周期與中小尺度相對(duì)應(yīng)，在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)遼東6-8月降水變化特征主要由以上7個(gè)時(shí)間尺度周期控制。