近30 a 遼寧省夏季降水的時(shí)空變化特征分析

李裕赫 王天竺

（1.中國(guó)民航東北地區(qū)空中交通管理局氣象中心，遼寧 沈陽(yáng) 110161；2.中國(guó)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(guó)內(nèi)外大量專家學(xué)者也對(duì)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(gòu)成部分。遼寧省在7，8 月副熱帶高壓偏北的形勢(shì)下，當(dāng)副熱帶高壓略有擺動(dòng)，或西伸加強(qiáng)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(qiáng)降水。當(dāng)高壓西北部有鋒面、低壓、高空槽和切變線活動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)范圍較廣的區(qū)域性強(qiáng)降水，對(duì)環(huán)境、農(nóng)業(yè)［1-2］、交通運(yùn)輸業(yè)以及市民出行都會(huì)造成一定程度的影響。

賈小龍等［3-4］曾對(duì)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(jìn)行過分析，結(jié)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(duì)遼寧省旱澇成因以及前期海溫外強(qiáng)迫特征進(jìn)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(shì)，但趨勢(shì)較弱，其中遼寧省南部降水的增加趨勢(shì)較其他地區(qū)顯著，對(duì)遼寧省整體降水變化的貢獻(xiàn)程度相對(duì)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(guān)性。

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

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于遼寧省夏季降水的特征分析有諸多成果，但是對(duì)于近30 a 遼寧省夏季降水的時(shí)空變化的特征分析較少，往往分析的年代較早，缺乏對(duì)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(shì)分析、EOF等方法，研究了近30 a 遼寧省夏季降水的時(shí)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(xiàng)特征，有利于從空間尺度等方面為降水預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)再分析資料ERA5 中的1992—2021 年共30 a 降水量場(chǎng)，分辨率為0.25°×0.25°。ERA5 降水量資料是基于先進(jìn)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(duì)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(shì)分析、EOF 等方法進(jìn)行研究。

EOF 分解法：設(shè)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(diǎn)數(shù)，則EOF 展開可表示成下列矩陣運(yùn)算形式：

空間載荷向量矩陣：

式中，λj 為X 的相關(guān)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(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)Tij與年降水量的相關(guān)系數(shù)，能更直觀地反映EOF 分解的時(shí)間系數(shù)（T）對(duì)年降水量序列的代表性。

3 結(jié)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(dǎo)西南和東南季風(fēng)北上的影響，其具有明顯的季風(fēng)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(dá)到最大值，年平均降水量可達(dá)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(yuǎn)高于其他季節(jié)，表現(xiàn)出明顯的雨熱同期特征。也有學(xué)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(duì)遼寧省夏季降水量的時(shí)空變化特征進(jìn)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(shí)空變化特征

為了更直觀地揭示遼寧省夏季降水量的時(shí)空分布特征，計(jì)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(dá)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(shì)，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?jī)H為246.2 mm。有學(xué)者研究表明，東北南部地區(qū)在20 世紀(jì)90 年代中后期有轉(zhuǎn)入干旱的趨勢(shì)，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(shì)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(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致遼河流域嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，這種現(xiàn)象值得關(guān)注。

圖2 1992—2021 年遼寧省夏季降水量年際變化

經(jīng)過計(jì)算遼寧省夏季年均降水的空間趨勢(shì)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(shì)，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(shì)，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(shì)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(rèn)為遼寧省中東部地區(qū)可能為當(dāng)前氣候背景下的敏感區(qū)，對(duì)氣候變化的響應(yīng)性較強(qiáng)，夏季降水量的減少趨勢(shì)最為明顯。

為了更好地揭示近30 a 遼寧省夏季降水量的時(shí)空變化特征，采用EOF 分析方法將其夏季降水量進(jìn)行時(shí)空分解，并將其對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。對(duì)其距平場(chǎng)進(jìn)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(xiàn)率分布為35.5%與16.5%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)達(dá)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(dāng)全省降水量處于偏多時(shí)段時(shí)，個(gè)體區(qū)域降水量同時(shí)也呈現(xiàn)偏多的特征；當(dāng)全省降水量處于偏少時(shí)段時(shí)，個(gè)體區(qū)域降水量同時(shí)也呈現(xiàn)偏少的特性，整體降水趨勢(shì)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(shì)，東部降水量較多時(shí)，西部偏少；東部降水量偏少時(shí)，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(duì)應(yīng)的時(shí)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(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)有明顯的年代際變化特征。21 世紀(jì)前為正，表明該時(shí)段遼寧夏季降水量整體偏多，21 世紀(jì)后負(fù)值明顯增多，說明該時(shí)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(duì)應(yīng)。

圖3 1992—2021 年遼寧省夏季降水量EOF 分析第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)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(duì)應(yīng)的時(shí)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(duì)比加大，大值區(qū)位于遼寧省東南側(cè)，小值區(qū)位于西北側(cè)，其時(shí)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(fù)值相反，表現(xiàn)出遼寧省東西部地區(qū)對(duì)氣候變化相反的響應(yīng)性。同時(shí)東北冷渦對(duì)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(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)，引起大量強(qiáng)對(duì)流天氣。當(dāng)有充足的水汽輸送時(shí)，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(huì)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(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)

4 結(jié)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(shì)分析、EOF 分析等方法，對(duì)遼寧省夏季降水量的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，得出了以下主要結(jié)論：

（1）遼寧省的年降水量具有雨熱同期、分布不均的特點(diǎn)。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(dá)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(yuǎn)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(dá)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(jì)90 年代后期以來，東北地區(qū)的干旱趨勢(shì)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(shì)，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(shì)，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(dāng)前氣候背景下的敏感區(qū)，對(duì)氣候變化的響應(yīng)性較強(qiáng)，夏季降水量的減少趨勢(shì)最為明顯。

（3）EOF 分解表明，遼寧省夏季降水距平場(chǎng)的第一模態(tài)表現(xiàn)為全域的一致性特征，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)有明顯的年代際變化特征，21 世紀(jì)前為正，表明該時(shí)段遼寧省夏季降水量整體偏多；21 世紀(jì)后負(fù)值明顯增多，說明該時(shí)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(duì)比加大，表現(xiàn)出遼寧省東西部地區(qū)對(duì)氣候變化相反的響應(yīng)性。