近30 a 辽宁省夏季降水的时空变化特征分析

李裕赫 王天竺

（1.中国民航东北地区空中交通管理局气象中心，辽宁 沈阳 110161；2.中国民航东北地区空中交通管理局黑龙江分局，黑龙江 哈尔滨 150078）

1 引言

在全球变暖的气候背景下，辽宁省极端天气频发，尤其是夏季极端降水发生频繁，研究辽宁省夏季降水的特征是十分有必要的，国内外大量专家学者也对夏季降水展开了研究。夏季降水是辽宁省全年降水的重要构成部分。辽宁省在7，8 月副热带高压偏北的形势下，当副热带高压略有摆动，或西伸加强或东撤南落，都可能引起不稳定能量释放而造成局地性强降水。当高压西北部有锋面、低压、高空槽和切变线活动时，会出现范围较广的区域性强降水，对环境、农业［1-2］、交通运输业以及市民出行都会造成一定程度的影响。

贾小龙等［3-4］曾对近50 a 东北地区降水异常的气候特征以及东北夏季降水的气候和异常特征进行过分析，结果表明，东北地区降水异常的季节变化明显，异常在6—8 月最大，尤其是7—8 月，异常峰值所在月有较明显的年际变化。有研究表明［5-6］，辽宁省区域性暴雨基本发生在7—8 月。林兰兰［1］对辽宁省旱涝成因以及前期海温外强迫特征进行了剖析，研究了辽宁夏季降水的季节内特征。常姝婷、白雪、曲梓祎等［5］在全球增暖减缓背景下，研究发现辽宁省夏季降水量存在一定的增加趋势，但趋势较弱，其中辽宁省南部降水的增加趋势较其他地区显著，对辽宁省整体降水变化的贡献程度相对较高。辽宁省南北边界的夏季水汽通量与降水量呈现高度的正相关性。

在空间分布特征方面，王艳等［7］对辽宁省夏季降水量的空间分布特征和时间演变规律进行了诊断分析研究。龚强、汪宏宇、王盘兴等［3］采用统计分析的方法对近50 a 东北夏季降水的气候及异常特征进行了分析。公颖、周小珊、董博等［6］对辽宁省夏季降水时空分布特征及其成因进行了较为深入的统计、分析。

综上所述，目前国内对于辽宁省夏季降水的特征分析有诸多成果，但是对于近30 a 辽宁省夏季降水的时空变化的特征分析较少，往往分析的年代较早，缺乏对近期降水变化的分析。本文基于ECMWF提供的ERA5 再分析资料，通过线性趋势分析、EOF等方法，研究了近30 a 辽宁省夏季降水的时空变化特征，通过再分析资料更加了解辽宁省夏季降水的各项特征，有利于从空间尺度等方面为降水预报提供理论参考依据。

2 资料与方法

本文所使用的数据为ECMWF 提供的最新一代全球大气数值预报再分析资料ERA5 中的1992—2021 年共30 a 降水量场，分辨率为0.25°×0.25°。ERA5 降水量资料是基于先进的数据同化和模式系统所得到的再分析数据，为大范围降水和对流降水的总和，包括落在地表的液态和固态降水，不包括雾、露或降落在地表之前在大气中蒸发的降水。

本文主要采用线性趋势分析、EOF 等方法进行研究。

EOF 分解法：设年降水量资料矩阵为Xij，其中i（i＝1，2，…，n）为样本数，j（j＝1，2，…，n）为空间点数，则EOF 展开可表示成下列矩阵运算形式：

空间载荷向量矩阵：

式中，λj 为X 的相关矩阵R（m×n）的特征值。

可以看出，L 在空间分布上与V 完全一致，它表示年降水量所对应的时间系数Tij与年降水量的相关系数，能更直观地反映EOF 分解的时间系数（T）对年降水量序列的代表性。

3 结果分析

3.1 近30 a 辽宁省降水量概况

辽宁省地处欧亚大陆东岸，东北地区南部，由于其冬季受西伯利亚冷高压的影响，夏季受亚洲沿岸的东亚大槽引导西南和东南季风北上的影响，其具有明显的季风气候特征，省内雨热同期、雨量不均。由图1 可以看出，辽宁省1992—2021 年1 月平均年降水量最少，仅为7.4 mm，随后逐月增多。其中月均降水量集中于7，8 月，表现出夏季前期偏少、后期偏多的特征。7 月达到最大值，年平均降水量可达164.1 mm；9 月迅速减少，随后逐月减少。分季节来看，辽宁省春季年降水量占全年总降水量的17.1%，夏季为60.0%，秋季为18.6%，冬季最少。夏季降水量远高于其他季节，表现出明显的雨热同期特征。也有学者研究表明，东北地区降水异常的季节变化明显，异常在6—8 月最大［2］。因此本文主要对辽宁省夏季降水量的时空变化特征进行探讨。

图1 1992—2021 年辽宁省月均降水量分布及各季节降水量占年均总降水量的百分比分布

3.2 近30 a 辽宁省夏季降水量时空变化特征

为了更直观地揭示辽宁省夏季降水量的时空分布特征，计算出1992—2021 年辽宁省夏季年均降水气候态的空间分布，可以得知，辽宁省夏季降水量表现出显著的东多西少的特征。大值区位于辽宁省东部山地丘陵区，年降水量可达600 mm 以上；小值区位于西部与内蒙古高原相连的山地丘陵区，部分区域年降水量不足300 mm；中部平原区降水量居中，年降水量在450 mm 左右。此外，辽宁省近30 a区域平均夏季降水量表现为减少的趋势，见图2，变化率为-31 mm/10 a。最大值出现在1994 年夏季，降水量为623.3 mm；最小值出现在2014 年夏季，降水量仅为246.2 mm。有学者研究表明，东北南部地区在20 世纪90 年代中后期有转入干旱的趋势，降水量较80 年代中期至90 年代中期显著偏少［8］。研究发现，这种干旱的趋势仍然存在，2012—2021 年辽宁省夏季年降水量相较1992—2001 年夏季年降水量减少了13.6%。但在此背景下，辽宁省夏季极端降水事件却时有发生，导致辽河流域严重的洪涝灾害，这种现象值得关注。

图2 1992—2021 年辽宁省夏季降水量年际变化

经过计算辽宁省夏季年均降水的空间趋势变化及均方差空间分布，可以得知，虽然近30 a 辽宁省区域平均夏季降水量表现出减少的趋势，分区域来看，仍有降水增多的地区。在东部地区夏季降水量表现为显著减少的趋势，变化率超过-5 mm/10 a；西部地区次之。降水量增多的地区主要位于辽宁省中部，以中南部区域增多趋势更为显著，变化率为2 mm/10 a 以上。均方差表现出东高西低的空间分布特征，说明辽宁省中东部地区近30 a 夏季降水量的变化特征较为显著，西部地区变化特征较弱。因此认为辽宁省中东部地区可能为当前气候背景下的敏感区，对气候变化的响应性较强，夏季降水量的减少趋势最为明显。

为了更好地揭示近30 a 辽宁省夏季降水量的时空变化特征，采用EOF 分析方法将其夏季降水量进行时空分解，并将其对应的时间系数进行标准化处理。对其距平场进行EOF 分解发现，其降水距平的第一和第二特征向量的方差贡献率分布为35.5%与16.5%，累计方差贡献达到51%，因此前两模态可以描述辽宁省夏季降水的主要特征。第一模态即降水量呈一致性的变化特征，当全省降水量处于偏多时段时，个体区域降水量同时也呈现偏多的特征；当全省降水量处于偏少时段时，个体区域降水量同时也呈现偏少的特性，整体降水趋势有一致性。第二模态即东西反向型，降水量分布处于东西部完全相反的态势，东部降水量较多时，西部偏少；东部降水量偏少时，西部反而呈现较多的情形。

图3 给出了近30 a 辽宁省夏季降水量EOF 分析的第一模态对应的时间系数（PC1），可以得知，辽宁省夏季降水第一模态表现为全域的一致性特征，最大值位于辽宁省中南部、东北部，其对应的时间系数有明显的年代际变化特征。21 世纪前为正，表明该时段辽宁夏季降水量整体偏多，21 世纪后负值明显增多，说明该时段辽宁省夏季降水量整体偏少，与其区域平均夏季降水量的年际变化曲线对应。

图3 1992—2021 年辽宁省夏季降水量EOF 分析第一模态对应的时间系数

图4 给出了近30 a 辽宁省夏季降水量EOF 分析第二模态对应的时间系数（PC2）。降水距平的第二模态表现为东西向的经向变化差异，表明降水量在经向的对比加大，大值区位于辽宁省东南侧，小值区位于西北侧，其时间系数的正值表示辽宁省夏季降水量表现为西低东高的差异特征［9］；负值相反，表现出辽宁省东西部地区对气候变化相反的响应性。同时东北冷涡对于辽宁省降水量的影响很大［10］，由于东北冷涡是高空冷性涡旋系统，叠加白天晴空辐射造成的地面升温作用，很容易形成低暖高冷的对流不稳定层结，引起大量强对流天气。当有充足的水汽输送时，东北冷涡还能诱发区域性大暴雨，一些影响较大的降水往往会受东北冷涡的影响。

图4 1992—2021 年辽宁省夏季降水量EOF 分析第二模态对应的时间系数

4 结论

本文基于ECMWF 提供的ERA5 高分辨率降水量资料，通过线性趋势分析、EOF 分析等方法，对辽宁省夏季降水量的时空变化特征进行了分析，得出了以下主要结论：

（1）辽宁省的年降水量具有雨热同期、分布不均的特点。1992—2021 年1 月平均年降水量最少，7 月最多，7 月年降水量可达164.1 mm，表现出夏季前期偏少、后期偏多的特征。分季节来看，夏季降水量占全年总降水量的60%，远高于其他季节。

（2）辽宁省夏季降水量表现出显著的东多西少的特征，大值区位于东部山地丘陵，年降水量可达600 mm 以上；小值区位于西部与内蒙古高原相连的山地丘陵，部分区域年降水量不足300 mm。20 世纪90 年代后期以来，东北地区的干旱趋势仍然存在，辽宁省近30 a 区域平均夏季降水量表现为减少的趋势，变化率为-31 mm/10 a，2012—2021 年辽宁省夏季年降水量相较1992—2001 年夏季年降水量减少了13.6%。分区域来看，辽宁省东部夏季降水量表现为显著减少的趋势，西部次之，但仍有降水量增多的地区，主要集中在中南部。中东部可能为当前气候背景下的敏感区，对气候变化的响应性较强，夏季降水量的减少趋势最为明显。

（3）EOF 分解表明，辽宁省夏季降水距平场的第一模态表现为全域的一致性特征，其对应的时间系数有明显的年代际变化特征，21 世纪前为正，表明该时段辽宁省夏季降水量整体偏多；21 世纪后负值明显增多，说明该时段辽宁省夏季降水量整体偏少。第二模态表现为东西向的经向变化差异，表明降水量在经向的对比加大，表现出辽宁省东西部地区对气候变化相反的响应性。