1961-2013年东北地区夏季极端降水事件变化特征

第39卷第3期2016年5月ARIDLANDGEOGRAPHYVol.39No.3May20161961-2013年东北地区夏季极端降水事件变化特征⓪梁丰1，刘丹丹1，王婉昭2，张富荣1，于芳健1（1辽宁省朝阳市气象局，辽宁朝阳122000；2辽宁省气象科学研究所，辽宁沈阳110166）摘要：利用东北地区84个气象站1961-2013年逐日降水资料，通过线性回归、气候倾向率、Mann-Kendall非参数检验、相关分析和经验模态分解（EMD）等方法，分析了东北地区夏季6个极端降水指数（连续干旱日数（CDD）、连续湿润日数（CWD）、强降水量（R95）、极端降水量（R99）、最大1d降水量（RX1day）和最大5d降水量（RX5day））的变化规律。结果表明：近53a夏季CDD在东北大部都呈增加趋势，气候倾向率达到0.45d·（10a）-1，而CWD在东北南部地区表现出一定的减少趋势。进一步研究发现，CDD对东北地区夏季旱年异常敏感，而R95、R99和RX5day与东北地区旱涝年都有很好的对应关系。除CDD和CWD外，其它4种极端降水指数与夏季总降水的变化存在很好的一致性，即各极端降水指数的增加（减少）能够反映出降水量的增加（减少）。在近53a的时间尺度上，除R95和R99外，各极端降水指数都存在显著的准3a振荡周期。此外，RX1day和RX5day的17a周期也较为明显，CDD、R95、R99、RX5day还存在30～32a的长周期变化。关键词：极端降水事件；时空变化；东北地区中图分类号：P458.1文献标识码∶A文章编号∶1000-6060（2016）03-0565-08（565～572）极端天气气候事件作为气候变化研究领域的一个重要方面，受到广泛关注。近几十年，由于环境变迁、气候变化及人类活动的共同影响，全球范围的极端天气气候事件均呈现不同程度的高发态势，且强度有所加强［1-8］。极端降水是极端天气气候事件最典型的表现之一，具有突发性强、破坏性大的特点［9-12］。很多学者针对近几十年中国极端降水事件的变化进行了研究，认为中国的极端降水变化趋势与全球的变化基本一致，但考虑到地理、地形和环境等诸多因素影响，区域间极端降水变化仍存在明显差异［13-20］。陈海山等［21］应用极端降水阈值讨论了中国近50a极端降水事件的变化特征，指出极端降水事件在东北、华北、西南地区为减少趋势，其他地区为增加趋势，且存在明显的季节性差异；闵屾等［22］针对中国极端降水事件的区域性及持续性变化进行了探讨，发现滇西藏东一带、长江以南地区、黄河中下游极端降水的持续性均较好，而东北、华北以及西北等大部分北方地区极端降水的持续性以及区域性均较差；任正果等［23］分析了我国南方地区不同极端降水指数的时空变化，发现各极端降水指数存在明显的空间分异，且表现出南湿北干的分布特征；董蕾等［24］基于格点数据，对西北干旱区极端降水事件进行了分析，指出在时间尺度上，降水量指数和降水强度指数都呈现不明显的上升趋势，而在空间上，降水量指数和降水强度指数总体上呈现西部明显增加、东部微弱减小的趋势；杜军［25］等还分析了1961-2012年西藏极端降水事件的变化，指出近52a西藏极端降水指数变化或与海拔高度有关。东北地区是我国纬度最高的地区，其降水变化既受到全球气候变化的影响，又具有本地区的特征。近年来，已有许多气象工作者对东北极端降水进行了研究，如：孙凤华等［26］研究了东北地区强降水和严重干燥事件的时空变化特征，指出东北地区严重湿润事件显著下降而严重干燥事件显著增加；杨素英等［27］利用极端降水阈值研究了东北地区极收稿日期：2015-11-09；修订日期：2016-01-27基金项目：公益性行业（气象）科研专项（GYHY201106016）；辽宁省气象局项目（2015SXI01）作者简介：梁丰（1987-），男，辽宁人，助理工程师，硕士，研究方向为气候变化与气候统计.Email：[e-mail]干旱区地理39卷端降水事件的时空演变特征，发现东北地区极端降水阈值由东南沿海向西北内陆逐渐减小，极端降水事件主要集中在6～9月。在已有诸多研究的基础上，利用多种降水指数对东北地区极端降水事件做进一步探讨，不仅是从另一个角度剖析东北地区夏季降水变化特征，更能加深对东北地区极端降水变化规律的认识，对于评估和预测东北地区旱涝灾害也有一定的现实意义。1数据与方法1.1研究区概况本文所指东北地区包括辽宁、吉林、黑龙江省和内蒙古东部的赤峰市、通辽市、兴安盟和呼伦贝尔市，总面积124.3×104km2。东北地区自南向北跨中温带与寒温带，四季分明，夏季温热多雨，冬季寒冷干燥。东北地区东南部年均降水量超过800mm，属湿润区；而西北部地区年均降水不足400mm，属半干旱区。1.2数据来源及研究方法选取国际上常用的6个极端降水指数（表1），选用国家气象信息中心提供的东北地区84个气象站（图1）1961-2013年逐日降水资料探讨极端降水事件的时空演变。东北地区极端降水指数为84个站的算术平均值；多年平均值采用1961-2013夏季的平均值。夏季定义为每年的6～8月。采用世界气象组织推荐的Mann-Kendall非参数统计检验方法对各图1站点分布Fig.1Distributionofprecipitationstation表1极端降水指数定义Tab.1Definitionofextremeprecipitationindices指数连续干旱日数连续湿润日数强降水量极端降水量最大1d降水量最大5d降水量缩写CDDCWDR95R99RX1dayRX5day定义日降水量＜1.0mm的最大连续日数日降水量≥1.0mm的最大连续日数日降水量大于降水序列第95个百分位53a平均值的总降水量日降水量大于降水序列第99个百分位53a平均值的总降水量夏季最大1日降水量夏季最大的连续5日降水总量单位ddmmmmmmmm统计量进行显著性检验，该方法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，因此更适合水文气象等非正态分布数据的趋势分析［28］。利用主成分分析研究极端降水指数变化的一致性，采用经验模态分解（EMD）方法对各极端降水指数进行周期分析［29］。2结果分析2.1多年平均的夏季极端降水指数空间分布图2给出了1961-2013年东北地区夏季不同极端降水指数多年均值的空间分布，可以看出除CDD和CWD外，其他指数均表现出明显的南高北低分布特征，特别是高值区大多集中在辽宁一省。多年平均的夏季CDD在东北地区大部都要超过12d，低值区主要位于长白山及其以南地区，平均为8～12d；CWD的分布与CDD刚好相反，高值区在长白山一带，平均值为5～8d，而其他地区的均值为3～5d；辽宁中南部为R95的高值区，均值在200～300mm之间，个别站点超过300mm；R99、RX1day和RX5day的高值区也主要集中在辽宁中南部。从绝对值来看，R95普遍要高于RX5day，而R99普遍高于RX1day；除辽宁和吉林的个别测站，东北地区大部RX5day的均值在50～100mm之间，R99、RX1day的均值分别为45～90mm和30～60mm。2.2极端降水指数的年际、年代际变化特征1961-2013年东北地区极端降水指数年际变化如图3所示，可以看出除CDD外其他指数均为减少趋势，CWD、R95、R99、RX1day和RX5day的气候倾向率分别为：-0.68d·（10a）-1、-1.78mm·（10a）-1、-0.17mm·（10a）-1、-0.3mm·（10a）-1和-1.23mm·（10a）-1；其中CWD的减少趋势较为显著，通过了5663期梁丰等：1961-2013年东北地区夏季极端降水事件变化特征图21961-2013年东北地区夏季极端降水指数均值的空间分布Fig.2SpatialdistributionofextremeprecipitationindicesinNortheastChinaduring1961-20130.1的信度水平，而其他指数的减少趋势均不显著，CDD则表现出显著的增加趋势，通过了0.05的信度检验。从各指数的年代际变化可以看出，20世纪60年代CDD的均值为11.4d，70年代有所升高，达到12.1d，80年代又略有下降，此后CDD一直呈增加趋势，2001-2013年的均值达到13.3d；CWD的年代际变化表现出与CDD相反的特征，60年代和80年代CWD的均值最高，同为4.8d，70年代、80年代和21世纪的前13年CWD的均值也大致相等，都在4.4d左右；R95、R99、RX1day和RX5day的年代际变化趋势非常相似，4个指数的峰值均出现在60年代和90年代，且以90年代为最大，各指数均值分别达到202.7mm、93.1mm、62.8mm和100.3mm。为检验各极端降水指数是否能够很好的反映东北地区夏季旱涝的变化，根据汪秀清等［30］对东北地区夏季旱涝年的统计（1955-2000年），确定1968、1970、1972、1976、1980、1982、1992、1999和2000年为东北地区夏季旱年，而1964、1966、1985、1994和1998年为东北地区夏季涝年。对比图3可以发现，在东北地区夏季旱年，CDD都表现为相对高值，如1968年，CDD为13.08d，是60年代最高的一年，1980、1982和2000年CDD均超过15d，分别达到15.25、15.05和15.63d，而20世纪70、80和90年代CDD均值仅为12.13d，这说明CDD对东北地区夏季干旱具有很好的指示作用。不同于CDD仅对干旱年表现出的敏感性，R95、R99和RX5day对旱涝年都异常敏感。1964和1966年R95分别为262.13mm和233.53mm，而20世纪60年代R95均值为201.21mm，说明R95在涝年表现的异常偏高，而R95在1968年仅为134.20mm，比平均值少67.01mm，在旱年又异常偏低；R99对旱涝年同样具有很好的指示作用，R99在1994和1998年分别为155.90mm和130.71mm，90年代均值为93.12mm，表明R99对涝年是十分敏感的，而在1992和1999年R99仅为54.25mm和54.11mm，说明R99对旱年也有很好的表征。RX5day与旱涝年也有很好的对应关系，这里不再赘述。2.3极端降水指数的空间变化分析图4和表2，1961-2013年东北地区夏季CDD以上升趋势为主，上升趋势站点数占到总测站数的95.2%，其中显著上升测站数占总上升测站数的10%；CWD表现出一定的空间分异，但以下降趋势为主，下降趋势测站数占到总测站数的67.9%，且东北中南部居多，而在黑龙江大部和内蒙东北部分地区表现出一定的上升趋势，R95、R99及RX1day的567干旱区地理39卷图31961-2013年东北地区夏季极端降水指数的年际、年代际变化特征Fig.3InterannualchangetrendofextremeprecipitationindicesinNortheastChinaduring1961-2013图41961-2013年东北地区夏季极端降水指数的空间分布（实心三角表示通过0.05的显著性检验）Fig.4SpatialvariationofsummerextremeprecipitationindicesinNortheastChinaduring1961-2013（theclosedmarksrepresentstationspassedthesignificanttestofα＝0.05）5683期梁丰等：1961-2013年东北地区夏季极端降水事件变化特征表2东北地区夏季极端降水指数趋势统计Tab.2StatisticsofsummerextremeprecipitationindicesvariationtrendsinNortheastChina各指数CDDCWDR95R99RX1dayRX5day上升趋势站数