近21年東北雨季變化特征

王明亮，胡犁月，金 磊，邵長亮，白宏禹

(1.丹東市氣象局，遼寧丹東 118000；2.江西省新干縣氣象局，江西吉安 331300；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂溫克族自治旗氣象局，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021100；4.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

降水具有不同時間和空間尺度的變化特征，是大氣系統(tǒng)非線性耦合作用的結(jié)果。降水對某個區(qū)域的水資源時空分布以及生態(tài)環(huán)境的形成與演變等具有決定性的影響[1-3]。目前在全球變暖的背景下，水循環(huán)加快，北半球地區(qū)極端天氣發(fā)生的次數(shù)和程度都出現(xiàn)增加的形式[4-6]。我國地處東亞季風(fēng)區(qū)，會受到東亞季風(fēng)的影響，全國不同地區(qū)大范圍集中降水的開始和結(jié)束時間差別較大，在我國不同區(qū)域如江南、華南、華北等天氣氣候現(xiàn)象均有獨特性。其中華南前汛期被定義在每年的4—6月經(jīng)歷的第一個多雨時期[7-8]，西南包括四川、貴州、云南、重慶4省(市)雨季在每年的春末夏初至中秋季節(jié)即為5—10月[9-10]。我國南方的梅雨季節(jié)一般定義在每年的6—7月，并且梅雨對我國長江中下游地區(qū)夏季旱澇有重要的影響[11-13]。華北雨季主要受東亞夏季風(fēng)向北推進(jìn)出現(xiàn)集中降雨，時間一般在每年的7月下旬—8月上旬[14-16]。2014 年以來，中國氣象局與各地氣象部門聯(lián)合制定了雨季的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并對雨季開始的早晚及影響環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行了分析。

東北雨季既受到東北冷渦影響，又受到盛夏副高(夏季風(fēng))影響，但目前東北雨季的起止日期尚且沒有一個統(tǒng)一的、定量的劃分標(biāo)準(zhǔn)，而東北雨季的監(jiān)測指標(biāo)在各省也不盡相同，通常只是按一年中雨帶的大致變化粗略地劃分雨季的大致時間。然而精確的雨季開始和結(jié)束的監(jiān)測是氣象服務(wù)的重要內(nèi)容，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和政府決策等均有十分重要的作用。該研究僅統(tǒng)計1997—2017年東北雨季開始/結(jié)束時間點、雨季持續(xù)時間及雨季平均降雨量的變化趨勢，研究東北雨季變化特征。

1 資料與方法

1.1 資料來源取東北地區(qū)(包括黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古東部)208個觀測站1997—2017年雨季降水量資料，對這些站中資料不連續(xù)的臺站進(jìn)行插補(bǔ)。插補(bǔ)方法為選用該站周圍半徑為200 km范圍內(nèi)的臺站，按線性內(nèi)插法得到該站缺測值。插補(bǔ)之后有208個臺站1997—2017年資料連續(xù)，208個臺站的位置分布及平均降雨量見圖1(來自國家氣象信息中心)，可見東北西部臺站較少、東北東部臺站較密，且平均降雨量也呈現(xiàn)東北西部較少、東北東部較多。

圖1 東北地區(qū)208個觀測站分布及平均降雨量

1.2 分析方法雨季開始與結(jié)束日期之間的天數(shù)定義為雨季長度；雨季各天降水量累積值稱為雨季降水總量；雨季降水總量除以雨季天數(shù)得到的值為雨季平均降水強(qiáng)度。

1.2.1雨季降水量等級。其計算公式如下：

(1)

式中，Z為雨季降水量標(biāo)準(zhǔn)化值；P為某年雨季降水量；P0為雨季降水量的氣候平均值；S為雨季降水量的氣候標(biāo)準(zhǔn)差。氣候標(biāo)準(zhǔn)差為近3個整年代的標(biāo)準(zhǔn)，計算參見GB/T 34412—2017的7.4.2[17]。

1.2.2雨季綜合強(qiáng)度。僅用開始和結(jié)束早晚、雨季長度、累計降水量、平均降水強(qiáng)度很難科學(xué)衡量東北雨季強(qiáng)度，應(yīng)采用綜合指數(shù)方法。參考中國氣象局《華北雨季監(jiān)測業(yè)務(wù)規(guī)定》，雨季綜合強(qiáng)度(M)計算公式如下：

(2)

式中，L為某年雨季長度；L0為雨季長度的氣候平均值；P為某年雨季降水量；P0為雨季降水量的氣候平均值；P/L為某年雨季內(nèi)平均日數(shù)降水強(qiáng)度；P0/L0為雨季內(nèi)平均日降水強(qiáng)度的氣候平均值。

1.2.3線性趨勢分析。采用公式(3)進(jìn)行線性趨勢分析。

yi=a+bti(i=1，2，…，n)

(3)

式中，a是回歸常數(shù)；b是回歸系數(shù)，代表氣候變化傾向率，b>0表示呈現(xiàn)上升趨勢，b<0表示呈下降趨勢；a和b可用最小二乘法求出。

對觀測數(shù)據(jù)xi及相應(yīng)的時間ti，回歸系數(shù)b和常數(shù)a的最小二乘估計為：

(4)

(5)

(6)

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 東北雨季開始/結(jié)束日逐年序列變化從統(tǒng)計得出的1997—2017年各年份雨季開始/結(jié)束日期(圖2)可以看出，1997—2017年東北雨季開始時間在6月開始的總共17次，占整體的80.95%，在7月共出現(xiàn)4次，占整體的19.05%；其中雨季開始時間在6月上旬共7次，占整體的33.33%，6月中旬共6次，占整體的28.57%，6月下旬共4次，占整體的19.05%，7月上旬共3次，占整體的14.29%，7月中旬共1次，占整體的4.76%；1997—2017年雨季結(jié)束時間在8月共5次，占整體的23.81%，在9月共出現(xiàn)15次，占整體的71.43%，在10月共出現(xiàn)1次，占整體的4.76%；其中雨季結(jié)束時間在8月中旬共1次，占整體的4.76%，在8月下旬共4次，占整體的19.05%，在9月上旬共5次，占整體的23.81%，在9月中旬共8次，占整體的38.10%，在9月下旬共2次，占整體的9.52%，在10月上旬共1次，占整體的4.76%。

圖2 1997—2017年東北雨季開始/結(jié)束日逐年變化

房一禾等[18]針對1981—2010年東北區(qū)域盛夏雨季前、中、后期的環(huán)流場，對比分析了6月1—25日500 hPa位勢高度場的多年平均情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高緯地區(qū)主要受偏西風(fēng)的控制，西太平洋副熱帶高壓位脊線位于20°N附近，西伸脊點位于125°E附近。由于副高位置偏南，暖濕氣主要影響日本，而東北區(qū)域缺少水汽運(yùn)輸條件。在9月1—30日，副高脊線達(dá)到26°N附近，但并沒有太多的東退，西伸脊點在 135°E 附近。所以在盛夏雨季期間正好是2次副高北進(jìn)，而副高脊線一開始略微偏南，當(dāng)東北雨季結(jié)束后開始向南。當(dāng)東北地區(qū)的上空西南氣流不在，重新被內(nèi)陸中高緯的干冷偏西風(fēng)氣流控制，說明東北雨季徹底結(jié)束，前人計算得出1981—2010年東北區(qū)域氣候態(tài)平均的盛夏雨季的起止日期分別為每年的6月26日和8月30日[18]。而該研究計算東北區(qū)域1997—2017年東北雨季平均起止日期分別為每年的6月27日和9月9日。

2.2 東北雨季平均雨量及天數(shù)變化從圖3可以看出，1997—2017年東北雨季平均降雨量變化存在較大年際差異，1998年最多(461.7 mm)，2007年最少(141.4 mm)。1997—2017年東北雨季平均雨量超過400 mm的分別為1998年(461.7 mm)、2003年(448.4 mm)、2012年(437.5 mm)、2013年(457.0 mm)、2016年(430.2 mm)，平均降雨量低于200 mm的分別為2007年(141.4 mm)和2008年(174.9 mm)。2007年開始東北雨季平均降雨量較2007年以前平均降雨量有變大趨勢，且1997—2017年東北雨季平均降雨量為313.2 mm。

圖3顯示，1997—2017年東北雨季天數(shù)變化存在較大年際差異，2014年最長，為109 d，2000年最短，為58 d。1997—2017年東北雨季持續(xù)天數(shù)超過100 d的總共出現(xiàn)5次，分別為1998年(102 d)、2005年(102 d)、2012年(105 d)、2014年(109 d)和2016年(106 d)。其中1997—2017年東北雨季持續(xù)天數(shù)在60 d以下總共出現(xiàn)1次，持續(xù)天數(shù)在60～100 d(包括100 d)總共出現(xiàn)15次，持續(xù)天數(shù)在100 d以上總共出現(xiàn)5次；且近21年東北雨季持續(xù)天數(shù)平均為84 d。

圖3 1997—2017年東北雨季平均降雨量及天數(shù)變化

2.3 東北雨季平均降雨量與持續(xù)天數(shù)的相關(guān)性東北雨季平均降雨量受到多個因素的綜合影響，其中雨季持續(xù)天數(shù)直接影響雨季平均降雨量。因此為了了解2個因素之間的關(guān)系，對其進(jìn)行相關(guān)性分析。從表1可以看出，東北雨季平均降雨量和雨季持續(xù)天數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.815。由圖4可以得到，1997—2017年東北雨季平均降雨量與持續(xù)天數(shù)有很好的線性關(guān)系。王學(xué)忠等[19]針對1951—2001年東北雨季降雨量，采用NCEP/NCAR再分析850 hPa逐日風(fēng)場資料求旬平均，并得出雨季開始早則持續(xù)期長，降水量大，反之亦然。這一結(jié)果與該研究的結(jié)果完全一致。

圖4 1997—2017年東北雨季平均降雨量與持續(xù)天數(shù)的線性關(guān)系

表1 1997—2017年東北雨季平均降雨量與持續(xù)天數(shù)的相關(guān)性

2.4 東北雨季等級及綜合強(qiáng)度變化從1997—2017年東北雨季等級變化(圖5)可以看出，1997—2017年東北雨季降水量最多的一次發(fā)生在2013年的顯著偏多，東北雨季降水量最少的一次發(fā)生在2007年的顯著偏少。近21年東北雨季降水量等級顯著偏少共出現(xiàn)2次，占整體的9.52%；偏少共出現(xiàn)6次，占整體的28.57%；正常共出現(xiàn)7次，占整體的33.33%；偏多共出現(xiàn)4次，占整體的19.05%；顯著偏多共出現(xiàn)2次，占整體的9.52%。

從1997—2017年東北雨季綜合強(qiáng)度變化(圖5)可以看出，1997—2017年東北雨季綜合強(qiáng)度最強(qiáng)達(dá)到1級發(fā)生在2013和1998年，東北雨季綜合強(qiáng)度最弱到5級發(fā)生在2007和2008年。近21年東北雨季綜合強(qiáng)度弱共出現(xiàn)2次，占整體的9.52%；偏弱共出現(xiàn)6次，占整體的28.57%；正常共出現(xiàn)7次，占整體的33.33%；偏強(qiáng)共出現(xiàn)4次，占整體的19.05%；強(qiáng)共出現(xiàn)2次，占整體的9.52%。

圖5 1997—2017年東北雨季等級與綜合強(qiáng)度變化

3 結(jié)論

該研究通過統(tǒng)計方法、相關(guān)性分析和線性趨勢分析等方法對1997—2017年東北雨季變化進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)1997—2017年東北雨季開始時間在6月的占整體的80.95%，在7月的占整體的19.05%；結(jié)束時間在8月的占整體的23.81%，在9月的占整體的71.43%，在10月的占整體的4.76%；近21年東北雨季平均起止日期分別為6月27日和9月9日。

(2)1997—2017年東北雨季平均降雨量變化存在較大年際差異，1998年最多(461.7 mm)，2007年最少(141.4 mm)。近21年東北雨季天數(shù)變化也存在較大年際差異，2014年最長(109 d)，2000年最短(58 d)，年平均降雨量為313.2 mm，年平均持續(xù)天數(shù)為84 d。

(3)1997—2017年東北雨季降水量最多的一次發(fā)生在2013年的顯著偏多，最少的一次發(fā)生在2007年的顯著偏少；綜合強(qiáng)度最強(qiáng)達(dá)到1級發(fā)生在2013和1998年，最弱5級發(fā)生在2007和2008年。

(4)東北雨季平均降雨量受到多個因素的綜合影響，其中東北雨季平均降雨量和雨季持續(xù)天數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.815。