李裕赫 王天竺

（1.中國民航東北地區(qū)空中交通管理局氣象中心，遼寧 沈陽 110161；2.中國民航東北地區(qū)空中交通管理局黑龍江分局，黑龍江 哈爾濱 150078）

1 引言

在全球變暖的氣候背景下，遼寧省極端天氣頻發(fā)，尤其是夏季極端降水發(fā)生頻繁，研究遼寧省夏季降水的特征是十分有必要的，國內(nèi)外大量專家學者也對夏季降水展開了研究。夏季降水是遼寧省全年降水的重要構成部分。遼寧省在7，8 月副熱帶高壓偏北的形勢下，當副熱帶高壓略有擺動，或西伸加強或東撤南落，都可能引起不穩(wěn)定能量釋放而造成局地性強降水。當高壓西北部有鋒面、低壓、高空槽和切變線活動時，會出現(xiàn)范圍較廣的區(qū)域性強降水，對環(huán)境、農(nóng)業(yè)［1-2］、交通運輸業(yè)以及市民出行都會造成一定程度的影響。

賈小龍等［3-4］曾對近50 a 東北地區(qū)降水異常的氣候特征以及東北夏季降水的氣候和異常特征進行過分析，結果表明，東北地區(qū)降水異常的季節(jié)變化明顯，異常在6—8 月最大，尤其是7—8 月，異常峰值所在月有較明顯的年際變化。有研究表明［5-6］，遼寧省區(qū)域性暴雨基本發(fā)生在7—8 月。林蘭蘭［1］對遼寧省旱澇成因以及前期海溫外強迫特征進行了剖析，研究了遼寧夏季降水的季節(jié)內(nèi)特征。常姝婷、白雪、曲梓祎等［5］在全球增暖減緩背景下，研究發(fā)現(xiàn)遼寧省夏季降水量存在一定的增加趨勢，但趨勢較弱，其中遼寧省南部降水的增加趨勢較其他地區(qū)顯著，對遼寧省整體降水變化的貢獻程度相對較高。遼寧省南北邊界的夏季水汽通量與降水量呈現(xiàn)高度的正相關性。

在空間分布特征方面，王艷等［7］對遼寧省夏季降水量的空間分布特征和時間演變規(guī)律進行了診斷分析研究。龔強、汪宏宇、王盤興等［3］采用統(tǒng)計分析的方法對近50 a 東北夏季降水的氣候及異常特征進行了分析。公穎、周小珊、董博等［6］對遼寧省夏季降水時空分布特征及其成因進行了較為深入的統(tǒng)計、分析。

綜上所述，目前國內(nèi)對于遼寧省夏季降水的特征分析有諸多成果，但是對于近30 a 遼寧省夏季降水的時空變化的特征分析較少，往往分析的年代較早，缺乏對近期降水變化的分析。本文基于ECMWF提供的ERA5 再分析資料，通過線性趨勢分析、EOF等方法，研究了近30 a 遼寧省夏季降水的時空變化特征，通過再分析資料更加了解遼寧省夏季降水的各項特征，有利于從空間尺度等方面為降水預報提供理論參考依據(jù)。

2 資料與方法

本文所使用的數(shù)據(jù)為ECMWF 提供的最新一代全球大氣數(shù)值預報再分析資料ERA5 中的1992—2021 年共30 a 降水量場，分辨率為0.25°×0.25°。ERA5 降水量資料是基于先進的數(shù)據(jù)同化和模式系統(tǒng)所得到的再分析數(shù)據(jù)，為大范圍降水和對流降水的總和，包括落在地表的液態(tài)和固態(tài)降水，不包括霧、露或降落在地表之前在大氣中蒸發(fā)的降水。

本文主要采用線性趨勢分析、EOF 等方法進行研究。

EOF 分解法：設年降水量資料矩陣為Xij，其中i（i＝1，2，…，n）為樣本數(shù)，j（j＝1，2，…，n）為空間點數(shù)，則EOF 展開可表示成下列矩陣運算形式：

空間載荷向量矩陣：

式中，λj 為X 的相關矩陣R（m×n）的特征值。

可以看出，L 在空間分布上與V 完全一致，它表示年降水量所對應的時間系數(shù)Tij與年降水量的相關系數(shù)，能更直觀地反映EOF 分解的時間系數(shù)（T）對年降水量序列的代表性。

3 結果分析

3.1 近30 a 遼寧省降水量概況

遼寧省地處歐亞大陸東岸，東北地區(qū)南部，由于其冬季受西伯利亞冷高壓的影響，夏季受亞洲沿岸的東亞大槽引導西南和東南季風北上的影響，其具有明顯的季風氣候特征，省內(nèi)雨熱同期、雨量不均。由圖1 可以看出，遼寧省1992—2021 年1 月平均年降水量最少，僅為7.4 mm，隨后逐月增多。其中月均降水量集中于7，8 月，表現(xiàn)出夏季前期偏少、后期偏多的特征。7 月達到最大值，年平均降水量可達164.1 mm；9 月迅速減少，隨后逐月減少。分季節(jié)來看，遼寧省春季年降水量占全年總降水量的17.1%，夏季為60.0%，秋季為18.6%，冬季最少。夏季降水量遠高于其他季節(jié)，表現(xiàn)出明顯的雨熱同期特征。也有學者研究表明，東北地區(qū)降水異常的季節(jié)變化明顯，異常在6—8 月最大［2］。因此本文主要對遼寧省夏季降水量的時空變化特征進行探討。

圖1 1992—2021 年遼寧省月均降水量分布及各季節(jié)降水量占年均總降水量的百分比分布

3.2 近30 a 遼寧省夏季降水量時空變化特征

為了更直觀地揭示遼寧省夏季降水量的時空分布特征，計算出1992—2021 年遼寧省夏季年均降水氣候態(tài)的空間分布，可以得知，遼寧省夏季降水量表現(xiàn)出顯著的東多西少的特征。大值區(qū)位于遼寧省東部山地丘陵區(qū)，年降水量可達600 mm 以上；小值區(qū)位于西部與內(nèi)蒙古高原相連的山地丘陵區(qū)，部分區(qū)域年降水量不足300 mm；中部平原區(qū)降水量居中，年降水量在450 mm 左右。此外，遼寧省近30 a區(qū)域平均夏季降水量表現(xiàn)為減少的趨勢，見圖2，變化率為-31 mm/10 a。最大值出現(xiàn)在1994 年夏季，降水量為623.3 mm；最小值出現(xiàn)在2014 年夏季，降水量僅為246.2 mm。有學者研究表明，東北南部地區(qū)在20 世紀90 年代中后期有轉入干旱的趨勢，降水量較80 年代中期至90 年代中期顯著偏少［8］。研究發(fā)現(xiàn)，這種干旱的趨勢仍然存在，2012—2021 年遼寧省夏季年降水量相較1992—2001 年夏季年降水量減少了13.6%。但在此背景下，遼寧省夏季極端降水事件卻時有發(fā)生，導致遼河流域嚴重的洪澇災害，這種現(xiàn)象值得關注。

圖2 1992—2021 年遼寧省夏季降水量年際變化

經(jīng)過計算遼寧省夏季年均降水的空間趨勢變化及均方差空間分布，可以得知，雖然近30 a 遼寧省區(qū)域平均夏季降水量表現(xiàn)出減少的趨勢，分區(qū)域來看，仍有降水增多的地區(qū)。在東部地區(qū)夏季降水量表現(xiàn)為顯著減少的趨勢，變化率超過-5 mm/10 a；西部地區(qū)次之。降水量增多的地區(qū)主要位于遼寧省中部，以中南部區(qū)域增多趨勢更為顯著，變化率為2 mm/10 a 以上。均方差表現(xiàn)出東高西低的空間分布特征，說明遼寧省中東部地區(qū)近30 a 夏季降水量的變化特征較為顯著，西部地區(qū)變化特征較弱。因此認為遼寧省中東部地區(qū)可能為當前氣候背景下的敏感區(qū)，對氣候變化的響應性較強，夏季降水量的減少趨勢最為明顯。

為了更好地揭示近30 a 遼寧省夏季降水量的時空變化特征，采用EOF 分析方法將其夏季降水量進行時空分解，并將其對應的時間系數(shù)進行標準化處理。對其距平場進行EOF 分解發(fā)現(xiàn)，其降水距平的第一和第二特征向量的方差貢獻率分布為35.5%與16.5%，累計方差貢獻達到51%，因此前兩模態(tài)可以描述遼寧省夏季降水的主要特征。第一模態(tài)即降水量呈一致性的變化特征，當全省降水量處于偏多時段時，個體區(qū)域降水量同時也呈現(xiàn)偏多的特征；當全省降水量處于偏少時段時，個體區(qū)域降水量同時也呈現(xiàn)偏少的特性，整體降水趨勢有一致性。第二模態(tài)即東西反向型，降水量分布處于東西部完全相反的態(tài)勢，東部降水量較多時，西部偏少；東部降水量偏少時，西部反而呈現(xiàn)較多的情形。

圖3 給出了近30 a 遼寧省夏季降水量EOF 分析的第一模態(tài)對應的時間系數(shù)（PC1），可以得知，遼寧省夏季降水第一模態(tài)表現(xiàn)為全域的一致性特征，最大值位于遼寧省中南部、東北部，其對應的時間系數(shù)有明顯的年代際變化特征。21 世紀前為正，表明該時段遼寧夏季降水量整體偏多，21 世紀后負值明顯增多，說明該時段遼寧省夏季降水量整體偏少，與其區(qū)域平均夏季降水量的年際變化曲線對應。

圖3 1992—2021 年遼寧省夏季降水量EOF 分析第一模態(tài)對應的時間系數(shù)

圖4 給出了近30 a 遼寧省夏季降水量EOF 分析第二模態(tài)對應的時間系數(shù)（PC2）。降水距平的第二模態(tài)表現(xiàn)為東西向的經(jīng)向變化差異，表明降水量在經(jīng)向的對比加大，大值區(qū)位于遼寧省東南側，小值區(qū)位于西北側，其時間系數(shù)的正值表示遼寧省夏季降水量表現(xiàn)為西低東高的差異特征［9］；負值相反，表現(xiàn)出遼寧省東西部地區(qū)對氣候變化相反的響應性。同時東北冷渦對于遼寧省降水量的影響很大［10］，由于東北冷渦是高空冷性渦旋系統(tǒng)，疊加白天晴空輻射造成的地面升溫作用，很容易形成低暖高冷的對流不穩(wěn)定層結，引起大量強對流天氣。當有充足的水汽輸送時，東北冷渦還能誘發(fā)區(qū)域性大暴雨，一些影響較大的降水往往會受東北冷渦的影響。

圖4 1992—2021 年遼寧省夏季降水量EOF 分析第二模態(tài)對應的時間系數(shù)

4 結論

本文基于ECMWF 提供的ERA5 高分辨率降水量資料，通過線性趨勢分析、EOF 分析等方法，對遼寧省夏季降水量的時空變化特征進行了分析，得出了以下主要結論：

（1）遼寧省的年降水量具有雨熱同期、分布不均的特點。1992—2021 年1 月平均年降水量最少，7 月最多，7 月年降水量可達164.1 mm，表現(xiàn)出夏季前期偏少、后期偏多的特征。分季節(jié)來看，夏季降水量占全年總降水量的60%，遠高于其他季節(jié)。

（2）遼寧省夏季降水量表現(xiàn)出顯著的東多西少的特征，大值區(qū)位于東部山地丘陵，年降水量可達600 mm 以上；小值區(qū)位于西部與內(nèi)蒙古高原相連的山地丘陵，部分區(qū)域年降水量不足300 mm。20 世紀90 年代后期以來，東北地區(qū)的干旱趨勢仍然存在，遼寧省近30 a 區(qū)域平均夏季降水量表現(xiàn)為減少的趨勢，變化率為-31 mm/10 a，2012—2021 年遼寧省夏季年降水量相較1992—2001 年夏季年降水量減少了13.6%。分區(qū)域來看，遼寧省東部夏季降水量表現(xiàn)為顯著減少的趨勢，西部次之，但仍有降水量增多的地區(qū)，主要集中在中南部。中東部可能為當前氣候背景下的敏感區(qū)，對氣候變化的響應性較強，夏季降水量的減少趨勢最為明顯。

（3）EOF 分解表明，遼寧省夏季降水距平場的第一模態(tài)表現(xiàn)為全域的一致性特征，其對應的時間系數(shù)有明顯的年代際變化特征，21 世紀前為正，表明該時段遼寧省夏季降水量整體偏多；21 世紀后負值明顯增多，說明該時段遼寧省夏季降水量整體偏少。第二模態(tài)表現(xiàn)為東西向的經(jīng)向變化差異，表明降水量在經(jīng)向的對比加大，表現(xiàn)出遼寧省東西部地區(qū)對氣候變化相反的響應性。