辽宁省主汛期降水趋势的区域特征分析

邹晓光

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118001)

0 引 言

降水特点和过程受人类活动、气候变化等因素作用已发生显著的改变，在全球气候变化背景下开展汛期降水变化趋势的研究，对于水生态文明建设、水资源管理规划和反映水文特征规律等具有重要意义[1]。辽宁省地处中国东北地区南部，介于E118°53′-125°46′，N38°43′-43°26′之间，总面积14.8万km2、地势特征为中部低、东西两侧高的变化特征，东、西两侧为海拔约800-500m的低山丘陵，中部为辽河平原海拔约200m，地形地貌有“六三一水三分田”之称。该区域为大陆性季风气候，气候特点为春秋季短、冬长夏暖、平原风大、寒冷期长、雨量集中、雨热同期、四季分明、光照丰富，年降水量600-1100mm之间。辽宁境内各支流纵横交错，其中面积为1000-5000km2、>5000km2、的河流有31和17条，有中朝共用的界河鸭绿江、太子河、大凌河、辽河和太子河等。研究区海域辽阔，东、西两侧与黄海和渤海相邻，近海水域面积6.4万km2，海洋岛屿有长兴岛、石城列岛、大鹿岛及里长山列岛等266个，全省岛岸线长627km。复杂的水文条件和特殊的地理环境，使得境内降水存在显著的区域性和季节性特征，该地区主汛期为6-8月，主汛期降水集中且多暴雨或强降雨，对辽宁主汛期降水特征的分析可为实现人水和谐发展、洪水科学管理和指导防汛抗旱工作提供科学依据[2-6]。

气候的变暖使得区域降水特征出现了较为明显的改变，从而明显影响着区域水资源的时空分布，而水文气象灾害的发生频率及其对人类健康、环境、生态的影响强度呈明显的增加趋势，中国学者对汛期降水影响因素及其变化特征进行了一系列研究。例如，尹洁[7]通过比较少雨和多雨环流合成图、典型ITCZ特征、阻高、副高等要素，从高中低维环流的角度揭示了汛期异常降水变化规律；肖名忠等研究认为不同分区的汛期降水模式具有一定的区域性特征，降水量存在较大差异，同时大干旱灾害的发生具有全流域性的特点；舒长根等[8]为获取江西6-7月降水异常原因分析了青藏高原热力、副热带高压情况；张超美等[9]依据逐日降水和NCEP再分析数据，对汛期降水因子采用偏相关法进行分析，通过归因分析构建汛期降水GCM模式预测模型。如上分析，当前主要侧重于汛期降水影响因子及其变化特征的研究，而考虑分区特征和主汛期降水的研究还鲜有报道。据此，文章以辽宁省6-8月降水为例，利用统计学法揭示了汛期降水特征及其变化规律。

1 数据来源

1961-2014年汛期雨量系列数据来源于气象基本站、辽宁省水文局等，辽宁地区主汛期降水分区及各分区主汛期降水趋势利用REOF方法、M-K检验、线性趋势法，主汛期降水周期特征利用Morlet法分析。受文章篇幅限制，不再详细介绍以上方法的运算流程，具体参考文献资料[10-13]。

2 辽宁省主汛期降水分析

2.1 降水距平

根据辽宁省降水距平过程及其空间分布情况，其中6-10月为汛期、6-8月为主汛期、9-10月为后汛期，汛期降水整体呈“西北少、东南多”的特征，主汛期降水分布与该变化趋势基本一致，而降水量后汛期呈“中间少、南北多”的特点。汛期和主汛期降水距平变化基本吻合，辽宁省汛期降水时间距平，见图1。其相关系数为0.88，二者均未呈现出显著的趋势性，由此表明后汛期和前汛期降水存在较大显著，主汛期为主导整个降水分布的关键。所以，文章选取6-8月主汛期进一步分析辽宁地区降水特征。

图1 辽宁省汛期降水时间距平

2.2 客观分区

根据1981-2014年6-8月辽宁省降水资料，采用REOF法进行客观分区，从而获取2个模态的辽宁省主汛期降水时间序列，REOF第1、2模态6-8月降水的时间序列，REOF第1、2模态6-8月降水的时间序列，见图2。其中，第1、2模态的方差贡献度为65.2%、21.4%。从方差贡献的角度认为，降水客观分区的主导模态为第1模态，其它模态的权重贡献快速瘦脸。“东、西偶极”型为第1模态空间分布特征，东部临海地区的降水量级显著高于西部地区，东部降水偏多(少)的年份西部片少(多)。6-8月降水距平与时间序列保持较好的一致性，通常情况下西部降水偏少而东部降水偏多。其它地区的空间分布与最西部地区相反，最西部地区的年水量偏多(少)而中部偏少(多)，中部地区的异常降水为决定全省降水变化的关键要素。

图2 REOF第1、2模态6-8月降水的时间序列

根据REOF分析结果，占比较大的为第1模态，由此进一步说明辽宁东、西地区存在较为显著的主汛期降水差异，6-8月降水距平与时间序列保持较好的一致性。因此，将辽宁地区6-8月降水研究按照第1模态的“东、西偶极”划分为2个部分，由此统计分析东西两部分降水情况。

3 主汛期降水趋势特征

3.1 线性趋势

辽宁地区主汛期降水线性趋势，见图3。根据图3中变化特征可知，主汛期降水呈现出一定的减弱趋势，辽西主汛期降水呈现出倾向率为-5.6mm/10a的微弱减少趋势，辽东主汛期降水呈现出倾向率为-16mm/10a的显著降低趋势。

图3 辽宁地区主汛期降水线性趋势

3.2 M-K分析

对于长序列气象数据的参数估计较为常用的方法为线性回归法，其中M-K法不需要满足一定的分布即可完成统计检验，且结构体系受异常值干扰的程度较低，较其它方法更具有正态分布检验的适用性和可行性。显著性为0.05的情况下利用M-K法分析辽西主汛期降水，从而绘制出UB、UF曲线图，辽西主汛期降水M-K分析，见图4。根据图4可知，20世纪80年代辽西6-8月降水量呈上升趋势，20世纪90年代以后的总体呈下降趋势，长时间序列不存在明显的上升或下降趋势，其中1993年和2012年为降水突变时间。

图4 辽西主汛期降水M-K分析

显著性为0.05的情况下利用M-K法分析辽东主汛期降水，从而绘制出UB、UF曲线图，辽东主汛期降水M-K分析，见图5。根据图5可知，2000年中期以前辽东主汛期降水量呈现出波动性下降趋势，且变化幅度不明显；90年代中期以后至今的主汛期降水总体呈下降趋势，近期突变时间发生于2006年前后。

4 主汛期降水周期特征

4.1 辽西主汛期降水周期特征

采用Morlet小波系数法分析辽西6-8月降水规律，辽西主汛期降水趋势，见图6。整个时间域上辽西主汛期降水的丰枯变化主要由5a以下、5-20a、20-40a、40-60a尺度控制，大时间尺度20-40a上存在明显的变化周期，辽西6-8月降水经历了3次丰-枯循环变化，当前等值线未闭合且处于丰水期，可见未来几年将仍处于丰水期。整个时域的小尺度周期末存在连续性变化，且存在较快的振动频率；在5-20a时间尺度上，2000年以后的周期性变化不显著，而之前存在明显周期性。

图5 辽东主汛期降水M-K分析

图6 辽西主汛期降水趋势

根据6-8月辽西降水小波方差图变化趋势可知，辽西主汛期降水存在5个峰值，相应的时间尺度依次为32、55、10、5、2a。其中，32a时间尺度的峰值达到最大，可见该时间尺度上辽西6-8月降水存在最强的振动周期，该时段为第1主周期，10、5、2a周期与中小尺度相对应。

4.2 辽东主汛期降水周期特征

采用Morlet小波系数法分析辽东6-8月降水规律，辽西主汛期降水趋势，见图7。整个时间域上辽东主汛期降水的丰枯变化主要可分为6a以下、6-18a、18-25a、25-35a、35-50a、>50a尺度控制，辽东6-8月降水在50a以上时间尺度上先后经历了枯-丰-枯-丰-枯变化特征，等值线2013年处于未闭合状态，由此可见未来存在较大的枯水可能性。辽东6-8月降水在25-35a尺度上经历了9个丰枯循环，辽东主汛期降水在18a尺度下具有较快的变动频率，尺度周期性在6-18a尺度上较为明显，2000年以后的6a以下尺度的分散较为凌乱，各时段的强弱程度存在较大差异。

根据6-8月辽东降水小波方差图变化趋势可知，辽东主汛期降水存在7个峰值，相应的时间尺度依次为42、56、18、24、6、4、10a。其中，42a时间尺度的峰值达到最大，可见该时间尺度上辽东6-8月降水存在最强的振动周期，该时段为第1主周期，18、24、6、4、10a周期与中小尺度相对应，在整个时间域内辽东6-8月降水变化特征主要由以上7个时间尺度周期控制。

5 结 论

辽宁省降水存在着显著的空间分布性，在空间尺度上降水呈“西北少东南高”型，主汛期为影响汛期降水的关键要素。通过对辽宁地区主汛期降水分区的研究，揭示了各分区降水周期及变化规律，主要结论如下：

1) 将主汛期降水利用REOF法划分为辽东、辽西两个分区，对辽宁主汛期降水利用线性趋势法分析，结果显示其降水存在减弱趋势。其中，辽西主汛期降水呈现出倾向率为-5.6mm/10a的微弱减少趋势，辽东主汛期降水呈现出倾向率为-16mm/10a的显著降低趋势；20世纪80年代辽西6-8月降水量呈上升特征，90年代以后的总体呈不断下降特征，长时间序列上升或下降不显著。

2) 2000年中期以前辽东主汛期降水量呈现出波动性下降趋势，且变化幅度不明显；90年代中期以后至今的主汛期降水总体呈下降趋势，近期突变时间发生于2006年前后。

3) 32a时间尺度的峰值达到最大，该时间尺度上辽西6-8月降水存在最强的振动周期，该时段为第1主周期，10、5、2a周期与中小尺度相对应；辽东地区主汛期降水第1主周期为42a，18、24、6、4、10a周期与中小尺度相对应，在整个时间域内辽东6-8月降水变化特征主要由以上7个时间尺度周期控制。