辽宁省降水资源的时空变化及分布特征

郭宗凯，郭 飞，王 一，李 琳，朱明宇，孔 瑜

(1.辽宁省气象装备保障中心，辽宁 沈阳 110166； 2.沈阳师范大学 外语部，辽宁 沈阳 110166)

气候变化对全球水资源的影响随着流域及地理分布的不同呈不同的变化特征，气候变化直接影响水资源及生态环境安全，关系到国家及地区经济社会的发展[1-3]。全球气候变暖[4]使降水在区域时空分布上出现新的格局与波动[5-7]。大气降水是水资源的重要组成部分，是人类用水的主要来源，因此研究降水资源时空变化对社会经济发展，保障粮食生产安全，水资源利用等具有重要意义。降水随着时间变化的规律性日益受到关注[8]。唐红玉等[9]研究表明，三江源地区1956-2004年降水量呈减少趋势。刁军等[10]报道，沈阳地区1951-2010年降水量呈弱减少趋势。曾丽红等[11]研究表明，吉林省1960-2008年降水减少的区域大于降水增加的区域。任利利等[12]报道，1960-2011年汉江上游降水量差异呈明显的区域分布特征。黄秋霞等[13-17]研究认为，随着时间推移降水量存在非线性突变现象，线性与周期性变化相对稳定，不同地区存在较大差异。可见，降水量受地形地势经纬度及流域的影响存在明显的空间差异。为此，选择1960-2019年辽宁省大气降水资料，研究其降水资源的时空分布及变化特征，以期为辽宁省大气降水资源的合理规划与利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

辽宁省位于东北地区的南部(E118°53'～125°46'，N38°43'～43°26')，全省陆地总面积14.8万km2，占全国陆地总面积的1.5%。辽宁呈马蹄形，东部山地，西部为丘陵，中部辽河平原及南部沿海平原。境内主要水系有辽河、浑河、大凌河、太子河、绕阳河及中朝两国界河鸭绿江等，中型河流有45条。辽宁属温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同季，日照丰富。年均日照时数2 000～3 000 h，年均气温5.1～12.4℃，年降水量440～1 085 mm，东、西差异较大，无霜期平均150 d左右。

1.2 材料

辽宁省62个国家级自动气象基准站大气日降水量资料来源于辽宁气象信息服务中心，分别统计了1960-2019年历年各月、季和年降水量。

1.3 方法

1.3.1 四季划分 采用常规方法进行划分，春季为3-5月，夏季为6-8月，秋季为9-11月，冬季为12月至翌年2月。

1.3.2 指标分析 1960-2019年辽宁省年、季降水量区域分布情况及特征参照文献[18]的方法，采用Surfer制图分析；年、季降水量随时间序列相对稳定线性变化趋势，参照文献[19]的方法，采用倾向率方法分析；降水量的非线性变化现象与特征，参照文献[20]的方法，利用Mann-Kendall突变检验方法进行分析。

2 结果与分析

2.1 降水量及倾向率的空间分布

2.1.1 年降水量与倾向率 从图1看出，1960-2019年辽宁省年降水量和倾向率空间分布的变化。

1) 年降水量。各地年降水量平均为440.9～1 084.9 mm，由西向东呈逐渐增大趋势。高值中心位于辽宁东部山区的凤城、宽甸、丹东和东港一带，历年平均降水量在900.0 mm以上，最大值出现在1985年的宽甸县，为1 692.3 mm。低值中心位于辽宁西北部丘陵区的阜新、彰武、建平、北票、朝阳、叶柏寿和凌源一带，历年平均降水量在500.0 mm以下；最小值出现在1980年的北票市，为173.8 mm。辽宁中部平原及南部沿海包括铁岭东南部、沈阳、鞍山、抚顺、辽阳、营口及大连地区降水量居中，为500～900 mm。原因：辽宁东部与吉林交界，位于长白山余脉、千山至龙岗山区的特殊地理环境盛行偏南风，因此降水较多[21]；辽宁西部与内蒙古接壤，位于蒙古高原南缘呈三阶坡降地带，地势呈U字形，常有西北的冷空气与南部的暖湿空气在空中交汇，空中云雨在坡降的作用下加速飘过辽西地区，是造成辽西降水量少的主要原因之一[22]。

2) 倾向率。各地年降水倾向率平均为-36.88～-0.65 mm/10a，从西北至东南逐渐减小(即负值增大)，由于地理位置不同，各地降水倾向率差异很大。东部山区的凤城、宽甸、丹东和东港一带为降水倾向率负值中心，倾向率≤-20.00 mm/10a，降水量线性减少120 mm以上，凤城倾向率为-36.88 mm/10a，降水量线性减少达221.3 mm。

辽宁西北部的铁岭、阜新、朝阳、锦州、葫芦岛北部和沈阳西部，降水倾向率≥-10.00 mm/10a，降水量线性减少60.0 mm以下，彰武降水倾向率仅为-0.65 mm/10a。辽河平原的东部及沿海地带降水倾向率为-20.00～-10.00 mm/10a，降水量线性减少60～120.0 mm。可见，辽宁东部山区降水量丰厚地区其减少速率最高，西北部降水量匮乏区其减少速率较低。

2.1.2 四季降水量及倾向率 从图2可看出1960-2019年辽宁省春、夏、秋、冬四季降水量空间分布的变化。

1) 春季。各地(彰武-丹东)降水量平均为67.3～148.6 mm，从东至西呈逐渐递减趋势。高值中心位于东部摩离红山及本溪的摩天岭以东，包括本溪和丹东等地，平均降水量达142.6 mm，最大值出现在2007年的丹东市，为310.0 mm。低值中心位于西北部丘陵区的朝阳、葫芦岛及阜新一带，平均降水量为67.4 mm；最小值出现在1980年的彰武县，为12.0 mm。中部平原区包括铁岭、沈阳、辽阳、鞍山及南部沿海的营口、盘锦和大连，其降水量为70.0～100.0 mm，各地降水均呈增加趋势，倾向率(海城-丹东)为0.58～9.06 mm/10a；以东部怀仁、新宾、抚顺和中南部海城、盘锦降水量变化倾向率最小。东南部沿海降水倾向率平均为6.93 mm/10a，降水量线性增加41.6 mm。中南部平原区以海城为中心以及东部山区新宾、桓仁降水倾向率平均为1.66 mm/10a，降水量线性增加10.0 mm左右。辽西及辽河上游降水倾向率为3.00～6.00 mm/10a，降水量线性增加18～36 mm。

2) 夏季。各地(北票-宽甸)降水量平均为296.1～709.7 mm，东南至西北呈逐渐递减趋势。高值中心位于辽东山区本溪摩天岭以东地区，包括桓仁、宽甸和丹东一带，平均降水量在670.8 mm以上，最大值出现在1985年的宽甸县，为1 378.5 mm。低值中心位于西部北票、朝阳和建平一带，平均降水量为323.0 mm；最小值出现在1981年辽西地区的北票市，为94.6 mm。辽宁东北部、辽河平原和南部沿海地区降水量为400.0～600.0 mm，降水均呈减少趋势，降水倾向率(凤城-黑山)为-35.28～-0.50 mm/10a。其中，辽宁东部山区的凤城、宽甸和岫岩降水量减少最为明显，降水倾向率平均为-28.98 mm/10a，降水量线性减少173.9 mm。辽宁中部向北延伸，即黑山、辽中、彰武、法库和康平一带夏季降水量减少相对缓慢，降水倾向率平均为-2.65mm/10a，降水量线性减少15.9 mm。辽河下游以及辽西地区降水倾向率为-20.00～-10.00 mm/10a，降水量线性减少60～120 mm。

3) 秋季。各地(朝阳-凤城)降水量平均为68.1～184.5 mm，东南至西北呈逐渐递减趋势。高值中心位于摩天岭以东地区的凤城、宽甸和丹东一带，最大值出现在1959年的凤城市，为422.8 mm。低值中心位于辽宁西北部的朝阳、阜新和铁岭一带，最小值出现在1962年的康平县，为12.3 mm。辽河平原中部以及南部沿海为100.0～130.0 mm。秋季降水除辽西朝阳地区呈弱增加趋势外，其余地区均呈减少趋势。降水倾向率(凤城-喀左)平均为-9.14～2.22 mm/10a。东部的凤城和宽甸降水量减少最明显。辽河流域以及南部沿海地区秋季降水倾向率为-2.00～-7.00 mm/10a。

4) 冬季。各地(北票-凤城)降水量平均为5.4～42.1 mm，从东南至西北呈逐渐递减趋势。高值中心位于摩天岭以东的凤城、宽甸和丹东一带，降水量平均为38.2 mm，最大值出现在1959年的凤城市，为139.7 mm。低值中心位于朝阳和阜新一带，降水量平均为5.7 mm，最小值分别于1960年、1974年、1999年、2008年和2011年出现在凌海、义县和绥中等多地，降水量均为0。东北部的铁岭、辽河平原及南部沿海地区降水量为10.0～30.0 mm。冬季降水量除大连地区降水量呈减少趋势外，其余地区均呈增加趋势。降水倾向率(旅顺-西丰)为-2.30～4.45 mm/10a。大连地区冬季降水倾向率平均为-0.89 mm/10a，降水量线性减少5.3 mm；铁岭地区的西丰、昌图和开原为辽宁省冬季降水量增加最多的区域，降水倾向率平均为3.31 mm/10a，降水量线性增加19.9 mm。

2.2 降水量的变化与突变年

2.2.1 年降水量的变化与突变 从图3a看出，1960-2019年辽宁省年平均降水量为660.0 mm，具有阶段性变化特点，1958-1965年、1985-1999年和2010-2019年年际间波动性较大。峰值和谷值均出现在2010年以后，2010年出现最大值，为977.6 mm；2014年出现最小值，为447.1 mm；年降水量平均极差为530.5 mm。序列总体变化呈下降趋势，趋势线方程为y=-0.964 4x+2 583，序列相关系数为-0.141，全省平均降水量减少趋势不显著(P>0.10)，气候倾向率为-9.64 mm/10a，降水量线性减少57.9 mm。经Mann-Kendall突变检验(图3b)，1965-1975年UF和UB曲线多次相交，1975年相交后UF曲线在1983年超出临界值(u0.05=-1.96)下限，因此1975年为由多变少的突变点。1984年UF曲线位于回归临界值范围内，2010-2012年UF和UB曲线再次多处相交，但UF曲线始终位于临界值范围内。年降水量突变后(1976-2019年)较突变前(1958-1975年)平均减少43.8 mm。

2.2.2 四季降水量的变化与突变 从表1可知1960-2019年辽宁省春、夏、秋、冬四季降水量的变化与突变年。

1) 春季。春季降水量平均为101.3 mm，占年降水量的15.0%。最大值为178.3 mm，出现在2010年；最小值为47.0 mm，出现在2001年；降水量变化幅度较大，降水倾向率为3.616 mm/10a，线性增加21.7 mm。春季降水量呈弱增加趋势，序列相关系数为0.181，序列相关不显著。经Mann-Kendall突变检验，UF和UB曲线在1959-1966年、1977-1991年、1998年以及2004年多处相交于临界值(u0.05=±1.96)，每次相交之后UF值始终在临界值内变化，所以春季降水量不存在突变点。当2004年UF和UB两条曲线相交之后，降水量呈由少变多的变化过程。2005-2017年较1960-2004年降水量平均增加24.8 mm。

2) 夏季。夏季平均降水量为423.0mm，占年降水量的64.5%。最大值出现在1985年，为653.9 mm；最小值出现在2014年，为260.8 mm；降水量变化幅度小于春季，降水倾向率为-11.369 mm/10a，线性减少68.2 mm。夏季降水量总体呈减少趋势，序列相关系数为-0.182，序列相关不显著。经Mann-Kendall突变检验，UF和UB曲线相交于1968年，UF曲线从1960-1983年持续走低，并在1980-1984年超越临界值(u0.05=-1.96)下限，因此，在1968年出现显著的气候突变点，突变后(1969-2019年)较突变前(1958-1968年)夏季降水量平均减少52.7 mm。

3) 秋季。秋季平均降水量为118.3 mm，占年降水量的17.5%。最大值出现在1972年，为194.8 mm；最小值出现在2018年，为61.0 mm；降水量变化幅度与春季相近，降水倾向率为-4.079 mm/10a，线性减少24.5 mm。秋季降水量总体呈减少趋势，序列相关系数为-0.210，序列相关不显著。经Mann-Kendall突变检验，UF和UB曲线相交于1994年并发生突变。突变后(1995-2019年)较突变前(1958-1994年)秋季降水量平均减少20.6 mm。

表1 1960-2019年省春、夏、秋、冬四季降水量与突变年

4) 冬季。冬季平均降水量为18.8 mm，占年降水量的2.8%。最大值出现在1990年，为43.3 mm；最小值出现在2011年，为4.6 mm；降水量离散度大于其余各季，降水倾向率为0.785 mm/10a，线性增加4.7 mm。冬季降水呈弱增加趋势，序列相关系数为0.139，序列相关不显著。经Mann-Kendall检验，UF和UB曲线于1964年和2009-2014年多次相交，但UF曲线始终在临界值(u0.05=±1.96)范围内波动，冬季降水量突变点不显著。

3 结论与讨论

中国是典型的季风气候，受西太平洋副热带高压作用下形成了夏季的东南季风，副热带高压对欧亚天气形势影响非常巨大，夏季副热带高压和赤道低压随着太阳直射点的北移而向北移动，随着海洋季风给大陆带来大量的水汽。从大气环流形式看，副热带高压3-4月开始影响珠江流域一带，5-7月影响长江流域，8-10月影响东北和华北[23-27]。西太平洋副热带高压的变化是中国大陆夏季高温多雨的主要原因，正常环流形式风调雨顺，副热带高压若偏南、偏西会造成江南雨多，东北地区雨少；副热带高压如果进入高纬度继续偏北，辽宁地区降水偏少而发生干旱[28-29]。2016年6月西太平洋副热带高压强度较常年同期面积偏大、强度偏强；全国降水量偏多[24]。2017年西太平洋副热带高压强度较常年偏弱，中国南方地区降水偏多，部分地区暴雨较多，东北和华北等地降水偏少，干旱持续时间较长[30]。2018年6月西太平洋副热带高压位置偏东于日本海，强度略偏强，中国降水量偏少状态，而辽宁、内蒙古和河北北部发生持续干旱[31]。2019年，春季西太平洋副热带高压在低纬度异常偏强、偏西及偏南，造成气温偏高和降水空间分布不均导致旱涝灾害并存[32]；夏季前期西太平洋副热带高压位置明显偏南，使江南多雨，东北地区雨少，但在夏季后期，副热带高压迅速向北移动，雨带从江南快速转移到北方地区[33]；6月西太平洋副热带高压偏南略偏强，全国降水量与常年同期持平，南方暴雨增多，东北、华北、黄淮和云南等地高温少雨[34]。

高值中心位于辽宁东部山区的凤城、宽甸、丹东和东港一带，历年平均降水量在900.0 mm以上，最大值出现在1985年的宽甸县，为1 692.3 mm。低值中心位于辽宁西北部丘陵区的阜新、彰武、建平、北票、朝阳、叶柏寿和凌源一带，历年平均降水量在500.0 mm以下；最小值出现在1980年的北票市，为173.8 mm。

辽宁省年降水资源呈东南多和西北少的分布特点，与孙凤华等[6]对辽宁降水资源分析的结果相一致。年降水量空间差异较大，降水高值中心位于辽宁东部山区的凤城、宽甸、丹东和东港一带，低值中心位于辽宁西北部丘陵区的阜新、彰武、建平、北票、朝阳、叶柏寿和凌源一带，相差2.05倍。从不同季节看，春夏秋冬四季降水的空间分布特点与年降水分布特点呈一致性。春季本溪和丹东降水最多，朝阳和北票最少，相差2.12倍；夏季桓仁、宽甸和丹东降水最多，北票、朝阳和凌源降水最少，相差2.08倍；秋季凤城、宽甸和丹东降水最多，朝阳和阜新最少，相差2.53倍；冬季凤城、宽甸和丹东降水最多，朝阳和阜新较少，相差6.70倍。

辽宁省年降水资源总量呈减少趋势，降水倾向率为-36.88～-0.65 mm/10a。东部丹东地区降水量减少最明显，降水倾向率≤-20.00 mm/10a；西北部阜新和朝阳降水量减少不明显，降水倾向率≥-5.00 mm/10a。在不同季节，春季降水呈增加趋势，中部平原倾向率大于南、北两侧，变化在0.58～9.06 mm/10a；夏季降水量呈减少趋势，降水倾向率为-35.28～-0.50 mm/10a，与年降水量变化一致；秋季除辽西朝阳地区降水量增加外，其余各地降水量呈减少趋势，降水倾向率为-9.14～2.22 mm/10a；冬季除辽南大连地区降水量呈减少趋势外，其余各地降水量呈增加趋势，降水倾向率为-2.30～4.45 mm/10a。

辽宁年平均降水量线性变化呈不显著减少趋势，与孙凤华等[6,10,22]对辽宁中部、西部降水年际变化研究结果一致，辽宁东部的岫岩、凤城和皮口年降水量呈显著减少趋势(P<0.05)。从四季变化看，全省春季降水呈不显著的弱增加趋势，其中西部的朝阳、东部的丹东降水量呈显著增加趋势(P<0.05)；夏季降水呈减少趋势(P<0.05)，其中熊岳、岫岩、凤城、皮口和庄河降水量呈显著减少趋势(P<0.05)；秋季降水量减少趋势不显著，其中辽北的昌图、法库和西丰降水量呈显著减少趋势(P<0.05)；冬季降水呈不显著弱增加趋势，其中大连地区冬季降水量呈减少趋势，且皮口和旅顺冬季降水量呈显著减少(P<0.05)。

辽宁省年降水量突变显著，突变点出现在1975年，突变点前后年降水量平均减少43.8 mm。从四季看，春季降水突变在2004年，由少变多，突变后平均增加24.8 mm；夏季降水量突变在1975年，由多变少，突变之后平均减少52.7 mm。秋季降水量突变在2004年，由多变少，突变后平均减少20.6 mm；冬季降水量无突变点，变化趋于平稳。

辽宁大气降水资源在空间分布上，从大田农作物耗水量(522～622 mm)[22]看，东部山区降水资源丰富，易发生涝灾；而西部丘陵区降水资源匮乏，易发生干旱灾害；辽河平原降水资源基本符合农作物耗水的要求。由于降水资源在年际变化上存在较大的波动性，所以辽宁中部和西部地区发生干旱的概率相对较高[35-36]。从研究结果看，辽宁大气降水资源总体呈减少趋势，在时间尺度上夏季降水资源减少最为明显，在空间分布上，辽东和辽南地区降水资源减少最明显。随着降水量的减少，未来水资源供需矛盾愈加突出，辽宁西、北地区干旱强度与频率增大，东、南地区干旱频率增大，降水资源的减少使地方工农业经济的发展受到一定限制。