東北近60年盛夏降水特征及其與不同類型厄爾尼諾的聯系

孟 鑫, 張 瑜, 高松影, 徐璐璐, 單璐璐, 樊希彬

(1.遼寧省丹東市氣象局, 遼寧 丹東 118000; 2.地理信息工程國家重點實驗室, 西安 710054)

東北地區地處中高緯，既是我國重要的商品糧和農牧業基地，也是全球氣候變化的敏感區。由于地形復雜多樣，降水變化特征不盡相同。夏季是東北地區主要的降水季節[1-2]，也是作物主要的生長季節，夏季降水的多少和分布是影響糧食產量的最重要因素之一。圍繞東北地區夏季降水及其機理的有關研究已有很多，并取得有益的成果[3-4]。例如丁婷等[5]指出東北夏季降水，尤其是盛夏，自20世紀90年代末發生了顯著的年代際減少。王學忠等[6]指出東北地區雨季降水主要受東亞季風影響。沈柏竹等[2]分析了東北地區初夏和盛夏降水年際變化的影響因子，指出初夏降水異常主要受冷渦影響，盛夏則以東亞季風影響為主。

鑒于目前針對東北地區降水特征研究較少，且專門研究不同類型厄爾尼諾對次年夏季東北地區降水的影響研究甚少，因此亟待利用最新的資料探討東北地區降水特征及兩類厄爾尼諾事件對次年夏季東北地區降水的影響。

1 研究區概況

東北地區(38°—55°N，117°—135°E)包括遼寧、吉林、黑龍江省和內蒙古自治區東北部。東北地區自北向南跨越寒溫帶和溫帶，南北溫度差異大。季風氣候明顯，四季分明，降水主要集中在夏季，冬季寒冷干燥，春、秋兩季以大風天氣為主，并伴有少量降水。自東南向西北，從濕潤區、半濕潤區過渡到半干旱區。

2 數據與方法

2.1 數據來源

數據來源于國家氣象信息中心整編的2 400多個中國國家級地面氣象站日降水量數據集，數據時間跨度是1961—2019年，共計59 a，國家氣象信息中心對該數據集進行了較為嚴格的質量控制，在此基礎上，本文對現有數據再進行篩選，篩選原則包括:(1) 1961—2019年都存在的站點；(2) 排除資料不全或缺測日數大于1%的站點。根據上面提到的標準進行臺站篩選，最后挑出符合條件的204個站(圖1)。

美國環境預報中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)逐月再分析資料，水平分辨率是2.5°×2.5°，垂直方向17個氣壓層。ENSO兩種類型事件資料來源于國家氣候中心ENSO檢測、分析和預測系統結果(http:∥cmdp.ncc-cma.net/pred/cn_enso_index.php)，所選厄爾尼諾兩種類型事件次年的年份(表1)。

圖1 東北地區204個站點空間分布

表1 1961年以來厄爾尼諾事件次年統計

2.2 研究方法

本文夏季的季節內劃分，6月為初夏，7月和8月為盛夏。氣候態采用新一輪的1981—2010年的平均值為氣候值。逐日降水為20時—次日20時。根據國家氣象局業務標準(GB/T28592—2012)，將降雨分為小雨、中雨、大雨和暴雨。降水量級分類如下：小雨(24 h內降水量達0.1～9.9 mm)、中雨(24 h內降水量達10～24.9 mm)、大雨(24 h內降水量達25～49.9 mm)、暴雨(24 h內降水量超過50 mm)。

本文采用線性傾向估計的方法研究降水在時間變化中升降程度，并用T檢驗進行統計檢驗(單樣本檢驗)；標準差被應用于研究降水的變化波動情況；利用合成分析方法和差值分析方法研究降水距平和大氣環流特征，顯著性檢驗采用T檢驗，其中風場采用F檢驗。

3 結果與分析

3.1 東北地區盛夏降水特征

東北地區降水主要集中在夏季[2]，除了存在顯著的季節演變特征，還具有明顯的次季節變化特征。研究指出[4,21]，東北地區初夏和盛夏的降水相關性較小，即可能對應截然不同的形成機制，沈柏竹等[2]通過對初夏和盛夏東北地區環流特征的研究已經很好的佐證了這一觀點。因此對東北地區夏季降水的研究應該分為初夏和盛夏具有科學意義。據統計，東北地區7月和8月區域平均降水量分別為148.11，123.42 mm，均大于6月(85.46 mm)，盛夏降水占夏季總降水的76%以上，考慮到東北夏季降水主要集中在盛夏，因此深入研究盛夏降水的特征，對應對氣候變化、防災減損具有重要意義。綜上所述，本文接下來將對東北地區盛夏降水特征進行研究討論。

東北地區盛夏多年平均降水量空間分布(圖2A)不均勻，呈階梯狀，由東南沿海向西北內陸逐漸減少，極大值中心位于遼寧東南部鴨綠江口附近，總降水量超過578 mm，水資源豐富，該多雨區的形成有兩個原因：一是遼寧的地理位置，南鄰渤海和黃海北部，以至于遼寧南部有豐富的水汽；二是盛夏副熱帶高壓北抬，西南暖濕水汽沿副熱帶高壓邊緣到達遼寧南部，易形成降水。低值中心在內蒙古，降水量不足200 mm。東南部的降水量約為西北部的3倍，這與廉毅等[3]研究的結果一致。在不考慮氣候變化情況下，降水的分布與東北地區的地理分布有關，長白山山脈的東北—西南走向是引起東南部降水較多原因之一。可見，東北地區盛夏降水分布受到地形和大氣環流的共同影響。

由圖2B可以看出，盛夏降水具有顯著的年際波動和年代際振蕩，其中降水量最多的年份是1985年，達到405.58 mm，2014年最少，為187.81 mm。東北地區盛夏降水受季風影響[5]，夏季季風不穩定，年際差異較大，這可能是盛夏降水年際波動大的原因之一。觀察不同年代區域平均降水變化情況(表2)，近59 a降水量出現了兩個峰值，分別出現在20世紀60年代和80年代，相比較而言，70年代和21世紀初較少，而近10 a降水又略有增多。說明東北地區20世紀90年代開始到21世紀00年代初進入枯水期，21世紀10年代降水又表現略微的增加。已有研究指出70年代末東亞季風發生躍變而減弱，并一直維持到21世紀00年代初，此外，西太平洋副熱帶高壓的減弱，及其在北方地區停留時間過短，這可能是引起東北地區盛夏降水在90年代之后減少的原因之一。近59 a東北地區盛夏降水量呈遞減趨勢，以5.386 mm/10 a的速率減少，通過置信度95%的顯著性檢驗。1961—2010年的變化速率為-8.81 mm/10 a，通過置信度90%的顯著性檢驗，相比較而言，盛夏降水減少速率變緩。為了更深入探討東北地區盛夏降水量變化情況，對盛夏降水量級分類討論。由表3可見，中雨量最多，小雨量最少，說明中雨對盛夏降水的貢獻最大，小雨貢獻最少。暴雨的年際變化波動最大，小雨的年際變化波動最小。說明小雨隨時間變化更穩定，暴雨則波動劇烈。各等級降水的時間變化(圖3)可見，近59 a除暴雨外，其他等級降水均呈減少趨勢，小雨、中雨和大雨減少速率分別為1.88，2.45，1.88 mm/10 a。其中小雨減少趨勢通過置信度99%顯著性檢驗，中雨通過置信度95%顯著性檢驗。暴雨則呈弱增加趨勢，增加速率為0.76 mm/10 a，沒有通過顯著性檢驗。相比較于1961—2010年各等級雨量的變化趨勢(小雨-3.93 mm/10 a、中雨-2.69 mm/10 a、大雨-1.68 mm/10 a和暴雨-0.33 mm/10 a)，中雨和大雨變化均不大，但中雨減少速率略降低，大雨則減少速率略加快，暴雨則由下降趨勢變成增加趨勢，小雨則呈減少速率降低。可見，東北地區盛夏降水減少主要由小雨和中雨顯著減少引起，研究指出[22-24]強度較小的降水更多地與云的微物理過程有關，主要受氣溶膠、大氣中水汽含量等影響，改變云的物理特征，可以影響降水。陳東輝等[25]的研究發現東北地區夏季小雨減少主要是由于東北地區氣溫增加和氣溶膠濃度增加引起，對氣溶膠抑制小雨的觀點進行了有力的論證。暴雨呈增加趨勢，意味著極端降水過程可能強化，對城市防洪排澇設施的考驗和挑戰加大。降水變緩的主要原因是小雨和中雨降水減少趨勢減弱造成。

圖2 1961-2019年東北地區盛夏降水量的空間分布和降水量的時間序列

表2 東北地區盛夏降水年代際平均值

表3 1961-2019年東北地區盛夏各等級雨量標準差和平均值

從空間尺度可見，1961—2019年盛夏降水整體呈減少趨勢(圖4A)，78.43%的站處于下降趨勢，其中32個站通過置信度90%及以上顯著性檢驗，降水減少速率大的站集中在內蒙古西部和遼寧，其中，內蒙古西部地區降水減少顯著。內蒙古北部、黑龍江北部和東南部部分地區降水有微弱的增加趨勢，均不顯著。各等級降水變化趨勢空間上具有區域差異。觀察小雨趨勢空間分布(圖4B)發現，204個站有191個站降水呈下降趨勢，占比高達93.63%，其中通過置信度90%及以上顯著性檢驗的站有88個，占下降趨勢站總數的比例近50.00%，即東北地區整體呈顯著減少趨勢。下降大值中心位于遼寧南部和內蒙古中部，其中遼寧降水減少最顯著，50個站均呈下降趨勢，其中37個站通過顯著性檢驗，占比達74.00%。內蒙古緊隨其后，46個站中有18個站通過顯著性檢驗，減少亦顯著。中雨則趨勢上升的站數略有增多(圖4C)，但遠少于趨勢下降的站數，上升趨勢的站主要集中在黑龍江，通過顯著性檢驗的下降趨勢站主要分布在遼寧和吉林，但數量略有減少，表明吉林和遼寧降水顯著減少。大雨下降趨勢的站數和上升趨勢的站數差距進一步縮小，上升趨勢的站數達64個，其中29個在黑龍江。黑龍江分別有47.54%，52.46%的站呈上升趨勢和下降趨勢。上升趨勢顯著的站主要集中在黑龍江和內蒙古北部的交界處。下降趨勢顯著的站主要分布在黑龍江中部和內蒙古中部。遼寧、吉林和內蒙古下降的站仍比上升趨勢的站多，但通過置信度90%及以上顯著性檢驗的站分別為6，4，11個，占下降趨勢站總數的比例進一步降低，因此降水減少趨勢不顯著。暴雨下降趨勢的站和下降趨勢顯著的站數在減少，只有不到40%的站是下降趨勢，且下降的站通過90%及以上顯著性檢驗的僅8個。說明下降趨勢不顯著。暴雨有超過60%的站是上升趨勢，但通過顯著性的站僅11個，說明東北大部分地區降水呈增加趨勢，但不顯著。其中黑龍江上升的站比下降的站多一倍，說明黑龍江以上升趨勢為主。

圖3 1961-2019年東北地區盛夏各等級降水的時間序列

注：實心點代表通過90%置信度檢驗，下圖同。

綜上所述，東北地區盛夏降水整體呈減少趨勢，其中減少最大的區域位于遼寧南部。各等級降水變化趨勢空間上具有區域差異。小雨204個站有191個站降水呈下降趨勢，其中通過顯著性檢驗的站有88個，即東北地區整體呈顯著減少趨勢。遼寧降水減少最顯著，50個站均呈下降趨勢，其中37個站通過90%及以上顯著性檢驗。內蒙古緊隨其后，46個站中有18個站通過90%及以上顯著性檢驗，減少亦顯著。中雨則吉林和遼寧降水顯著減少。大雨上升趨勢的站數達64個，其中29個在黑龍江。遼寧、吉林和內蒙古降水減少趨勢不顯著。暴雨則有超過60%的站是上升趨勢，但不顯著。其中黑龍江上升的站比下降的站多一倍，說明黑龍江以上升趨勢為主。

3.2 不同類型ENSO事件對次年盛夏東北地區降水的影響

3.2.1 降水量 根據表1中的年份，對兩種類型厄爾尼諾事件次年盛夏東北地區降水距平場(平均值為氣候態平均值)進行合成(圖5)。據統計兩類厄爾尼諾次年盛夏東北區域平均降水(270.72 mm)均增加，CP型區域平均降水量為287.48 mm，略大于EP型(275.61 mm)。EP型降水距平場呈東西反位相分布(圖5A)，從北面大興安嶺一直向南到長白山區域為負距平區，包括黑龍江絕大多數地區，吉林東南部以及內蒙古東北部局部地區。負距平區降水減少呈向東逐漸遞增，負距平中心最大值超過-60 mm，通過置信度90%及以上顯著性檢驗的站主要集中在黑龍江。正距平主要分布在東北地區的西部，大值中心有兩個，兩個中心最大值均超過40 mm，但通過顯著性檢驗的站比較少。據統計，黑龍江61個站有57個為負距平，占比超過93%，其中15個站通過置信度90%及以上顯著性檢驗，說明黑龍江地區整體降水較氣候態偏少，局部地區顯著偏少。內蒙古和遼寧降水為負距平的站分別是9，8個，占內蒙古和遼寧站數的比例均不超過20%，表明內蒙古和遼寧降水整體偏多。吉林正距平和負距平站數分別為26，21個，比較接近。空間尺度上，吉林地區呈西北—東南反相分布，西北部為正距平，東南部為負距平。

CP型降水距平場大部分地區呈現與EP型截然相反的情況(圖5B)。黑龍江大部分地區變為正距平，距平正值中心位于遼寧東南部鴨綠江口附近，中心超過60 mm，較EP型多近一倍。內蒙古變為負距平區，其中內蒙古西部部分地區通過置信度90%及以上顯著性檢驗。據統計，遼寧僅6個站為負距平，占遼寧站總數的比例較低，說明遼寧降水增多，但不顯著，偏多值大于EP型。吉林則從西北—東南反位相變為南北反位相分布，南部為正距平，北部為負距平，正距平站數多于負距平站數。黑龍江正距平站數為負距平站數的2倍還多，說明整體黑龍江降水偏多。內蒙古負距平站數為33個，占內蒙古總站數的比為71.34%，其中通過置信度90%及以上顯著性檢驗的站數為11個，占負距平站比為33%，說明內蒙古整體降水偏少，且局部地區降水顯著偏少。

可見EP型厄爾尼諾次年盛夏，遼寧降水偏多，吉林呈西北—東南降水反相分布，西北偏多，東南偏少，內蒙古降水整體偏多，黑龍江整體偏少，且局部地區顯著偏少。CP型則遼寧降水亦偏多，且多于EP型，吉林則變為南北反相分布型，南部偏多，北部偏少。黑龍江整體偏多，內蒙古整體偏少，且局部顯著偏少。

注：實心點代表通過90%置信度檢驗。

3.2.2 大氣環流特征 降水變化與大氣環流息息相關，大氣環流異常為降水事件提供了一個大尺度背景。為了了解不同類型厄爾尼諾事件次年盛夏大氣環流特征，采用NECP/NECR數據對兩類厄爾尼諾事件次年盛夏大氣環流做距平(平均值為氣候態平均值)合成分析。

由圖6A可見，EP型500 hPa位勢高度場以高緯度鄂霍次克海，中緯度日本島附近，低緯度臺灣和菲律賓附近形成了一個經向“-+-”分布的環流特征，這是負的“P-J”波列，然而正負數值都較小，均不超過5 gpm，僅日本海附近的負距平區通過置信度90%及以上顯著性檢驗，說明P-J遙相關較弱。此外，我國除東北地區以外，整體為負距平，表明副熱帶高壓偏西，不利于黃海和東海的暖濕氣流沿副熱帶高壓邊緣到達東北地區產生降水(圖略)，日本海到日本島有一個弱的氣旋，而在西北太平洋菲律賓附近有一個反氣旋，反氣旋在北緯20°以南，這與上面分析的菲律賓附近有一個異常反氣旋一致(圖略)。那么ENSO是如何與P-J關聯且影響副熱帶高壓的位置呢？目前已有研究認為，ENSO與P-J遙相關有密切關系，ENSO通過電容器充電效應將ENSO信號存儲，衰減階段產生“放電”效應，使次年夏天印度洋海溫異常增暖，增暖的印度洋能激發出Kelvin波傳播到西太平洋地區，在菲律賓附近形成異常反氣旋，并沿東亞沿岸激發產生P-J遙相關，導致副熱帶高壓偏西[22-24]。對于CP型500 hPa位勢高度場(圖6B)從日本海、朝鮮半島和東北南部地區以及我國西部地區均為正距平區，日本島東部海面正距平局部超過10 gpm，這樣的配置說明副熱帶高壓位置偏北偏東。東北北部是一個負距平，有利于東北地區槽加深，促使極地冷空氣南下進入東北地區。副熱帶高壓的東退北抬有利于黃海海域和東海海域暖濕氣流輸送到東北南部地區。此外，東北北部地區有一支偏北氣流(圖略)，到達東北地區的偏北氣流和偏南的暖濕水汽在東北南部地區匯合，產生降水。

圖6 ENSO事件次年500 hPa高度場距平合成分布

高低層環流輻合輻散對降水產生影響。EP型厄爾尼諾事件次年盛夏(圖7A)東北地區上空低層西部為負距平，為輻合區，東部為正距平，且大部分地區通過置信度90%及以上顯著性檢驗，表現為強烈的輻散。高層(圖7C)則表現正好相反，西部為正距平，且部分地區通過顯著性檢驗，說明有強烈的輻散，西部為負距平，說明有輻合。在這樣的高低層配置下，東北西部地區為強烈的上升運動，東部地區則為下沉運動(圖7B)。這與圖5A降水距平分布相對應。很好地解釋了為什么西太平洋副熱帶高壓偏西，但東北地區降水增多的區域大，且區域平均降水大于氣候態。CP型低層輻合和輻散(圖7D)與圖5B的降水距平分布略有不同，但是高層(圖7F)則呈現除內蒙古西部外，其余地區均為正距平，為輻散區，內蒙古西部為輻合區，這與圖5B的降水距平分布一致，但是輻合和輻散的程度較EP型均弱。另外，除內蒙古局部地區，東北其余地區均為上升運動，內蒙古西部的局部地區為下沉運動(圖7E)，且上升和下沉運動強度也均比EP型弱。這很好地說明了為什么CP型厄爾尼諾次年盛夏雖然副熱帶高壓位置偏北偏東，但是區域平均降水僅比EP型略多。

4 結 論

(1) 東北地區盛夏降水具有明顯的階段性特征，20世紀90年代到21世紀00年代初進入枯水期，21世紀10年代降水又有所增加。1961—2019年東北地區盛夏降水以5.386 mm/10 a的速率減少，小雨、中雨和大雨均呈減少趨勢，其中小雨和中雨均通過顯著性檢驗，減少顯著，暴雨則呈略微增加趨勢。相比于1961—2010年東北地區降水趨勢變化，盛夏平均降水量、小雨、中雨和暴雨的氣候傾向率值均增大，大雨則呈略微下降。暴雨年際波動劇烈，小雨隨時間變化最穩定。中雨對盛夏降水的貢獻最大，小雨的貢獻最少。

注：實心點代表通過90%置信度檢驗。

(2) 空間上，東北地區降水整體呈減少趨勢，78.43%的站處于下降趨勢，其中減少最大的區域位于遼寧南部，內蒙古西部降水減少顯著。各等級降水的變化趨勢在空間上具有區域差異：小雨東北地區204個站有191個站降水呈下降趨勢，其中通過置信度90%及以上顯著性檢驗的站有88個，即東北地區整體呈顯著減少趨勢。遼寧降水減少最顯著，50個站均呈下降趨勢，其中37個站通過置信度90%及以上顯著性檢驗。內蒙古緊隨其后，減少亦顯著。中雨則吉林和遼寧降水顯著減少。大雨上升趨勢的站點數達64個，其中29個在黑龍江地區。遼寧、吉林和內蒙古降水減少趨勢均不顯著。暴雨則有超過60%的站是上升趨勢，但不顯著，其中黑龍江上升的站比下降的站多一倍，黑龍江以上升趨勢為主。

(3) 兩類厄爾尼諾事件次年盛夏東北地區降水距平分布大部分地區截然相反。EP型厄爾尼諾次年盛夏，降水距平呈東西反相分布。遼寧降水偏多，吉林呈西北—東南降水反相分布，西北偏多，東南偏少，內蒙古降水整體偏多，黑龍江整體偏少，且局部地區顯著偏少。CP型則為南北反相分布，遼寧降水亦偏多，且多于EP型，吉林則變為南北反相分布，南部偏多，北部偏少。黑龍江整體偏多，內蒙古整體偏少，且局部顯著偏少。考慮到兩類厄爾尼諾次年盛夏東北地區降水距平分布大部分截然相反的情況，因此可以利用ENSO作為一種預測因子，提前預測東北地區次年盛夏降水情況。EP型厄爾尼諾事件次年盛夏出現了弱的負P-J遙相關，導致西太平洋副高位置偏西，來自西太平洋的暖濕氣流輸送到東北地區的途徑偏西，但強度較強，東北地區西部有強烈的上升運動，高低空有與之相應的強烈的抽吸作，有利于水汽垂直向上輸送產生降水，東部則正相反，有強烈的下沉運動，且高低空配置不利于水汽垂直輸送，降水減少。因此形成降水距平東西反相分布。盡管CP型厄爾尼諾次年盛夏副熱帶高壓位置偏北偏東，有利于黃海海域暖濕氣流沿副熱帶高壓邊緣進入東北地區南部，但東北地區局地上升或下沉運動均不強烈。