朝陽地區(qū)主汛期降水變化分析

王 優(yōu) 孫 奇 張富榮 李書君 馬成芝 谷惠剛

(1.朝陽市氣象局,遼寧 朝陽 122000;2.喀左縣氣象局,遼寧 朝陽 122300)

在全球變暖的大背景下,氣候異常,各類極端天氣事件頻發(fā),翟盤茂等總結(jié)了極端降水事件在氣候變暖背景下的變化趨勢及影響,并指出了降水相對閾值的定義[1]。近幾年來,國內(nèi)大部分地區(qū)都展開了關于極端降水的研究,探討了各地極端降水事件在時空上的分布情況和變化特征[2～7]。

遼寧省朝陽市屬于亞干旱氣候區(qū),屬溫帶大陸性季風氣候,具有春秋季短、四季分明、日照豐富、雨熱同季且夏季降水高度集中的特點[8]。因此,了解和掌握朝陽地區(qū)主汛期的降水變化情況,對指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和防災減災意義十分重大。關于朝陽地區(qū)降水特征及氣候分析,由于主汛期的降水對當?shù)卮笞谧魑镉绊懼陵P重要,因此有很多學者對此展開了研究,尤其是近幾年來已有不少成功的研究成果。劉丹丹等對朝陽站(54324)1961～2017年逐日降水資料,通過線性回歸、氣候傾向率的方法從連續(xù)干旱日數(shù)和連續(xù)濕潤日數(shù)的角度探討朝陽夏季極端降水事件的變化規(guī)律,結(jié)果表明,朝陽站的強降水量和極端降水量都呈減少趨勢,連續(xù)干旱日數(shù)呈增加趨勢[9]。鄭海偉應用了趨勢檢驗統(tǒng)計方法和氣候傾向率的方法對朝陽市1966～2013 年的(最大10 min、最大30 min、最大1 h、最大3 h)的強降水數(shù)據(jù)進行變化特征分析,通過Mann-kendall 檢驗發(fā)現(xiàn)在2000 年后出現(xiàn)較為明顯的下降的趨勢[10]。隋景躍等利用1957～2012 年大凌河流域下游北票、中游朝陽和上游喀左3 個氣候監(jiān)測站降水資料,運用氣候傾向率的方法分析了不同量級降水日數(shù)的時空變化特征,結(jié)果表明,年變化呈單峰型,在四季分布中夏季所占比例最大,峰值出現(xiàn)在7 月[11]。

通過對上述文獻的分析,筆者采用(朝陽、羊山、建平、老建平、凌源、喀左和北票)7 個有代表性的氣象觀測站的數(shù)據(jù)探討朝陽主汛期的降水空間分布情況。通過百分位法來對朝陽地區(qū)主汛期極端降水事件闕值進行定義,以期從極端降水事件闕值的角度來分析朝陽地區(qū)主汛期降水情況,為掌握極端降水變化特征和變化規(guī)律提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選用朝陽地區(qū)1990～2020 年7 個有代表性的國家級氣象觀測站的逐日降水數(shù)據(jù)資料,分析所指的主汛期選取每年的7 月下旬到8 月上旬。

1.2 研究方法

采用百分位法、累積距平法、Mann-kendall 檢驗。由于朝陽地區(qū)氣候南北差異較大,采用比較普遍的百分位法定義朝陽市7 個站的極端降水事件闕值。本文中將1990～2020 年逐年主汛期(7 月下旬到8 月上旬)各站的逐日降水資料按照升序排列,將第90 百分位上的值為排序后的×29 和×30 的線性插值,取該值的30 年平均值定義為該站極端降水事件的闕值。在主汛期內(nèi)(即7 月下旬到8 月上旬),若某站某日降水量超過了該站極端降水事件闕值時,就稱該站該日出現(xiàn)了極端降水事件[12]。后文則先后應用Mann-kendall 的方法來監(jiān)測1990～2020 年朝陽地區(qū)主汛期降水量時間序列的突變狀況[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 朝陽地區(qū)主汛期極端降水的空間分布

2.1.1 朝陽地區(qū)主汛期降水量

關于主汛期降雨量的分析,筆者采用的數(shù)據(jù)是朝陽地區(qū)1990～2020 年7 個國家級氣象觀測站30 年平均值。數(shù)據(jù)分析得出,朝陽地區(qū)各站點的主汛期總降水量分布存在著明顯的空間差異,呈南多北少的分布模式。降水量的大值區(qū)主要位于南部的羊山、朝陽縣和喀左,降水量在116.5～251.3 mm,低值區(qū)則在北部的建平縣,最低值出現(xiàn)在建平縣老建平站為83 mm。

2.1.2 朝陽地區(qū)主汛期極端降水闕值

所選取的朝陽地區(qū)7 個國家級氣象觀測站分布和極端降水事件闕值分析可以看出,朝陽地區(qū)主汛期降水事件闕值的空間分布存在明顯的地域差異,其中朝陽東南部地區(qū)為闕值的高值區(qū),朝陽西北部地區(qū)為闕值的低值區(qū)。由表1 的數(shù)據(jù)可以看出,朝陽地區(qū)主汛期降水事件闕值的空間分布特征和總降水量的氣候態(tài)分布基本一致,表明朝陽地區(qū)主汛期極端降水事件和主汛期總降水量的關系十分密切。

表1 主汛期總降水量和降水事件闕值對比

2.1.3 朝陽地區(qū)主汛期極端降水量與極端雨日的分析

由圖1 和圖2 中可以看出,朝陽主汛期極端降水量在空間分布上特點明顯,與降水事件闕值分布情況相似,低值區(qū)出現(xiàn)在朝陽地區(qū)的西北部,其中老建平極端降水量最少為31.9 mm,高值區(qū)出現(xiàn)在朝陽的東南部,其中羊山鎮(zhèn)極端降水量最大為72.9 mm。從極端雨日角度來看,朝陽地區(qū)并沒有明顯空間上分布的差異,最大值出現(xiàn)在喀左縣為1.2 d。

2.2 朝陽地區(qū)主汛期極端降水事件變化特征

2.2.1 朝陽地區(qū)主汛期時間變化及異常年份分析

圖3 為朝陽地區(qū)主汛期降水量的逐年變化及線性趨勢圖,朝陽地區(qū)汛期降水量與時間序列線性擬合相關系數(shù)R2為0.067,通過α=0.5 顯著性檢驗,說明降水降水量減少的趨勢還是很明顯的。

圖4 是朝陽地區(qū)主汛期降水量累積距平的時間序列。1990～2020 年主汛期降水量一直處于波動狀態(tài),20世紀90 年代到21 世紀初、21 世紀10 年代后期處于增加趨勢,其他時段為低谷時期。本文采用距平大于標準差2倍以上的方法來分析朝陽地區(qū)主汛期近30 年主汛期降水量的異常特征。

朝陽地區(qū)近30 年年汛期降水量異常年份出現(xiàn)在降水偏多主要出現(xiàn)在20 世紀90 年代和21 世紀10 年代,這與近30 年年際變化是吻合的,20 世紀90 年代的降水均值為149.4 mm,21 世紀初為89.3 mm,21 世紀10 年代為135.6 mm,可以看出是它的分布狀態(tài)是多—少—多,但總體降水趨勢是呈現(xiàn)一個減少的狀態(tài)。異常偏多的年份則分別是1995 年、1996 年、2016 年和2017 年。其中2016年降水量異常情況最為顯著,比歷年同期偏多82.99 mm,2017 年顯著性較差,僅比歷年同期偏多39.16 mm。

圖1 極端降水量空間分布

圖2 極端雨日空間分布

圖3 朝陽地區(qū)主汛期降水量的逐年變化及線性趨勢

圖4 朝陽地區(qū)主汛期降水量累積距平的時間序列

2.2.2 朝陽地區(qū)主汛期極端降水事件變化趨勢

朝陽地區(qū)區(qū)域平均極端降水事件的變化趨勢見圖5、圖6。由此可見,朝陽地區(qū)主汛期極端雨日線性增長率分布各有不同,其中北票、老建平為負值,除此之外其他地區(qū)均為正值。線性增長率最大值出現(xiàn)在朝陽縣為0.016 d/10 年,說明朝陽縣的極端雨日增長趨勢最為顯著。線性增長率最小值出現(xiàn)在北票,為-0.024 d/10 年,說明北票站出現(xiàn)極端雨日減少趨勢十分明顯。

極端降水量線性變化趨勢的空間分布與極端雨日線性變化趨勢的空間分布略有不同,朝陽北部區(qū)域的極端降水量線性變化為負值,中南部地區(qū)變化為正值。

圖5 朝陽地區(qū)主汛期極端雨日線性增長率空間分布

圖6 朝陽地區(qū)主汛期極端降水量線性增長率空間分布

線性增長率最大值也位于朝陽縣站,為2.29 d/10年,其他正值地區(qū)線性增長率均十分明顯都超過了0.7 d/10 年。線性增長率的低值區(qū)位于老建平,為-0.327 d/10 年。

2.2.3 朝陽地區(qū)主汛期極端降水事件的年代際特征和突變性

運用Mann-Kendall 方法檢測 1990～2020 年主汛期極端降水量和極端雨日時間序列的突變狀況。主汛期極端降水量和極端雨日的UF 和UB 曲線均呈現(xiàn)波動狀態(tài),且都擁有多個交點,但均未通過U0.05=±1.96 臨界線。故判斷主汛期極端降水量和極端雨日均未發(fā)生突變。

圖7 朝陽地區(qū)主汛期極端降水量m-k 檢驗曲線

3 小結(jié)與討論

朝陽地區(qū)極端降水事件闕值平均為35.6 mm,主汛期降水事件闕值、極端降水量空間分布特征和總降水量氣候態(tài)分布基本相似,呈南多北少的趨勢。

朝陽地區(qū)主汛期降水量處于波動狀態(tài),分布狀態(tài)呈多—少—多,整體線性變化趨勢是減少的,出現(xiàn)的異常降水的年份均為偏多年份。其中極端降水量和極端雨日朝陽東南地區(qū)的極端趨勢增強,這對預報極端降水和暴雨有一定指導意義。應用Mann-Kendall 檢驗發(fā)現(xiàn)主汛期極端降水量和極端雨日未出現(xiàn)突變。

朝陽地區(qū)主汛期降水變化的情況十分復雜,本文也只是通過極端降水事件闕值的角度來探討氣候的變化,在后續(xù)工作中會在從其他角度來分析探討,以期得到一個定量定性的結(jié)論。