朝阳地区主汛期降水变化分析

王 优 孙 奇 张富荣 李书君 马成芝 谷惠刚

(1.朝阳市气象局,辽宁 朝阳 122000;2.喀左县气象局,辽宁 朝阳 122300)

在全球变暖的大背景下,气候异常,各类极端天气事件频发,翟盘茂等总结了极端降水事件在气候变暖背景下的变化趋势及影响,并指出了降水相对阈值的定义[1]。近几年来,国内大部分地区都展开了关于极端降水的研究,探讨了各地极端降水事件在时空上的分布情况和变化特征[2～7]。

辽宁省朝阳市属于亚干旱气候区,属温带大陆性季风气候,具有春秋季短、四季分明、日照丰富、雨热同季且夏季降水高度集中的特点[8]。因此,了解和掌握朝阳地区主汛期的降水变化情况,对指导农业生产和防灾减灾意义十分重大。关于朝阳地区降水特征及气候分析,由于主汛期的降水对当地大宗作物影响至关重要,因此有很多学者对此展开了研究,尤其是近几年来已有不少成功的研究成果。刘丹丹等对朝阳站(54324)1961～2017年逐日降水资料,通过线性回归、气候倾向率的方法从连续干旱日数和连续湿润日数的角度探讨朝阳夏季极端降水事件的变化规律,结果表明,朝阳站的强降水量和极端降水量都呈减少趋势,连续干旱日数呈增加趋势[9]。郑海伟应用了趋势检验统计方法和气候倾向率的方法对朝阳市1966～2013 年的(最大10 min、最大30 min、最大1 h、最大3 h)的强降水数据进行变化特征分析,通过Mann-kendall 检验发现在2000 年后出现较为明显的下降的趋势[10]。隋景跃等利用1957～2012 年大凌河流域下游北票、中游朝阳和上游喀左3 个气候监测站降水资料,运用气候倾向率的方法分析了不同量级降水日数的时空变化特征,结果表明,年变化呈单峰型,在四季分布中夏季所占比例最大,峰值出现在7 月[11]。

通过对上述文献的分析,笔者采用(朝阳、羊山、建平、老建平、凌源、喀左和北票)7 个有代表性的气象观测站的数据探讨朝阳主汛期的降水空间分布情况。通过百分位法来对朝阳地区主汛期极端降水事件阙值进行定义,以期从极端降水事件阙值的角度来分析朝阳地区主汛期降水情况,为掌握极端降水变化特征和变化规律提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

选用朝阳地区1990～2020 年7 个有代表性的国家级气象观测站的逐日降水数据资料,分析所指的主汛期选取每年的7 月下旬到8 月上旬。

1.2 研究方法

采用百分位法、累积距平法、Mann-kendall 检验。由于朝阳地区气候南北差异较大,采用比较普遍的百分位法定义朝阳市7 个站的极端降水事件阙值。本文中将1990～2020 年逐年主汛期(7 月下旬到8 月上旬)各站的逐日降水资料按照升序排列,将第90 百分位上的值为排序后的×29 和×30 的线性插值,取该值的30 年平均值定义为该站极端降水事件的阙值。在主汛期内(即7 月下旬到8 月上旬),若某站某日降水量超过了该站极端降水事件阙值时,就称该站该日出现了极端降水事件[12]。后文则先后应用Mann-kendall 的方法来监测1990～2020 年朝阳地区主汛期降水量时间序列的突变状况[13]。

2 结果与分析

2.1 朝阳地区主汛期极端降水的空间分布

2.1.1 朝阳地区主汛期降水量

关于主汛期降雨量的分析,笔者采用的数据是朝阳地区1990～2020 年7 个国家级气象观测站30 年平均值。数据分析得出,朝阳地区各站点的主汛期总降水量分布存在着明显的空间差异,呈南多北少的分布模式。降水量的大值区主要位于南部的羊山、朝阳县和喀左,降水量在116.5～251.3 mm,低值区则在北部的建平县,最低值出现在建平县老建平站为83 mm。

2.1.2 朝阳地区主汛期极端降水阙值

所选取的朝阳地区7 个国家级气象观测站分布和极端降水事件阙值分析可以看出,朝阳地区主汛期降水事件阙值的空间分布存在明显的地域差异,其中朝阳东南部地区为阙值的高值区,朝阳西北部地区为阙值的低值区。由表1 的数据可以看出,朝阳地区主汛期降水事件阙值的空间分布特征和总降水量的气候态分布基本一致,表明朝阳地区主汛期极端降水事件和主汛期总降水量的关系十分密切。

表1 主汛期总降水量和降水事件阙值对比

2.1.3 朝阳地区主汛期极端降水量与极端雨日的分析

由图1 和图2 中可以看出,朝阳主汛期极端降水量在空间分布上特点明显,与降水事件阙值分布情况相似,低值区出现在朝阳地区的西北部,其中老建平极端降水量最少为31.9 mm,高值区出现在朝阳的东南部,其中羊山镇极端降水量最大为72.9 mm。从极端雨日角度来看,朝阳地区并没有明显空间上分布的差异,最大值出现在喀左县为1.2 d。

2.2 朝阳地区主汛期极端降水事件变化特征

2.2.1 朝阳地区主汛期时间变化及异常年份分析

图3 为朝阳地区主汛期降水量的逐年变化及线性趋势图,朝阳地区汛期降水量与时间序列线性拟合相关系数R2为0.067,通过α=0.5 显著性检验,说明降水降水量减少的趋势还是很明显的。

图4 是朝阳地区主汛期降水量累积距平的时间序列。1990～2020 年主汛期降水量一直处于波动状态,20世纪90 年代到21 世纪初、21 世纪10 年代后期处于增加趋势,其他时段为低谷时期。本文采用距平大于标准差2倍以上的方法来分析朝阳地区主汛期近30 年主汛期降水量的异常特征。

朝阳地区近30 年年汛期降水量异常年份出现在降水偏多主要出现在20 世纪90 年代和21 世纪10 年代,这与近30 年年际变化是吻合的,20 世纪90 年代的降水均值为149.4 mm,21 世纪初为89.3 mm,21 世纪10 年代为135.6 mm,可以看出是它的分布状态是多—少—多,但总体降水趋势是呈现一个减少的状态。异常偏多的年份则分别是1995 年、1996 年、2016 年和2017 年。其中2016年降水量异常情况最为显著,比历年同期偏多82.99 mm,2017 年显著性较差,仅比历年同期偏多39.16 mm。

图1 极端降水量空间分布

图2 极端雨日空间分布

图3 朝阳地区主汛期降水量的逐年变化及线性趋势

图4 朝阳地区主汛期降水量累积距平的时间序列

2.2.2 朝阳地区主汛期极端降水事件变化趋势

朝阳地区区域平均极端降水事件的变化趋势见图5、图6。由此可见,朝阳地区主汛期极端雨日线性增长率分布各有不同,其中北票、老建平为负值,除此之外其他地区均为正值。线性增长率最大值出现在朝阳县为0.016 d/10 年,说明朝阳县的极端雨日增长趋势最为显著。线性增长率最小值出现在北票,为-0.024 d/10 年,说明北票站出现极端雨日减少趋势十分明显。

极端降水量线性变化趋势的空间分布与极端雨日线性变化趋势的空间分布略有不同,朝阳北部区域的极端降水量线性变化为负值,中南部地区变化为正值。

图5 朝阳地区主汛期极端雨日线性增长率空间分布

图6 朝阳地区主汛期极端降水量线性增长率空间分布

线性增长率最大值也位于朝阳县站,为2.29 d/10年,其他正值地区线性增长率均十分明显都超过了0.7 d/10 年。线性增长率的低值区位于老建平,为-0.327 d/10 年。

2.2.3 朝阳地区主汛期极端降水事件的年代际特征和突变性

运用Mann-Kendall 方法检测 1990～2020 年主汛期极端降水量和极端雨日时间序列的突变状况。主汛期极端降水量和极端雨日的UF 和UB 曲线均呈现波动状态,且都拥有多个交点,但均未通过U0.05=±1.96 临界线。故判断主汛期极端降水量和极端雨日均未发生突变。

图7 朝阳地区主汛期极端降水量m-k 检验曲线

3 小结与讨论

朝阳地区极端降水事件阙值平均为35.6 mm,主汛期降水事件阙值、极端降水量空间分布特征和总降水量气候态分布基本相似,呈南多北少的趋势。

朝阳地区主汛期降水量处于波动状态,分布状态呈多—少—多,整体线性变化趋势是减少的,出现的异常降水的年份均为偏多年份。其中极端降水量和极端雨日朝阳东南地区的极端趋势增强,这对预报极端降水和暴雨有一定指导意义。应用Mann-Kendall 检验发现主汛期极端降水量和极端雨日未出现突变。

朝阳地区主汛期降水变化的情况十分复杂,本文也只是通过极端降水事件阙值的角度来探讨气候的变化,在后续工作中会在从其他角度来分析探讨,以期得到一个定量定性的结论。