遼寧夏季干旱特征及其與太陽黑子的關(guān)系

胡春麗，焦 敏，林 蓉，李 輯，王 婷

（1.遼寧省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，遼寧 沈陽110166；2.沈陽區(qū)域氣候中心，遼寧 沈陽110166）

遼寧省是我國重要的商品糧基地之一，對(duì)全國糧食總產(chǎn)量的貢獻(xiàn)不容忽視。在全球氣候變暖背景下，遼寧省低溫、旱澇、臺(tái)風(fēng)暴雨等氣象災(zāi)害頻發(fā)，干旱是眾多氣象災(zāi)害中影響范圍最大、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成損失最嚴(yán)重的災(zāi)害。 遼寧省在1997、1999、2000、2009、2014、2015 年夏季均遭遇全省性干旱，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成較大影響。其中，2014年干旱事件具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、災(zāi)害程度重的特點(diǎn)，是遼寧省有氣象記錄最嚴(yán)重的氣象干旱事件，糧食減產(chǎn)4×109kg，促使人們關(guān)注如何更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)干旱，盡可能采取有效措施來減輕和緩解干旱帶來的損失。但干旱是一種復(fù)雜的綜合現(xiàn)象，本身包含了眾多復(fù)雜的影響因子,它不僅與降水量有關(guān)，還與地形、土壤性質(zhì)和水利設(shè)施等有關(guān)，干旱發(fā)生的起止時(shí)間一直是科學(xué)難題[1-3]。氣象條件尤其是降水量多少是干旱形成的主要原因。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)遼寧夏季降水變化特征及成因分析研究較多，盧娟等[4]給出2004 年遼寧夏季降水特點(diǎn)和環(huán)流形勢(shì)特征，王艷等[5]研究表明近45 a 遼寧夏季降水有減少趨勢(shì),降水的空間分布具有整體的一致性,也存在東南部和西北部反相變化的差異。夏梅艷等[6]從氣候背景、大氣環(huán)流、海溫、太陽黑子等方面對(duì)2005 年夏季遼寧降水偏多可能成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為大氣內(nèi)部的動(dòng)力過程和太陽黑子起主導(dǎo)作用。楊文艷和王謙謙[7]等，李輯等[8-9]分別對(duì)遼寧汛期降水異常、初夏和盛夏降水異常進(jìn)行環(huán)流成因分析，并得到了有意義的結(jié)論。

以上研究大多是對(duì)降水偏多情況進(jìn)行分析，對(duì)降水偏少情況，尤其是夏季干旱分布特征和成因分析較少。近些年來，學(xué)者對(duì)太陽黑子數(shù)量變化與天氣氣候變化的關(guān)系進(jìn)行了廣泛研究，因研究方法和研究區(qū)域不同，研究結(jié)果也大不相同[10-14]。國內(nèi)外廣泛應(yīng)用多類干旱指標(biāo)對(duì)干旱特征進(jìn)行研究[15-18]，本文以降水距平百分率和太陽黑子數(shù)為基礎(chǔ)，通過分析遼寧省夏季干旱氣候特征，給出了干旱演變規(guī)律，并研究了太陽峰（谷）值與干旱之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，研究結(jié)果為遼寧干旱預(yù)測(cè)提供理論支持，也為遼寧省防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

選取遼寧省53 個(gè)氣象臺(tái)站1961—2015 年6—8 月逐日降水資料，提取夏季降水序列；美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）國家地球物理數(shù)據(jù)中心（NGDC）獲取1961—2015 年的太陽黑子相對(duì)數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 干旱指數(shù)

計(jì)算各站夏季降水的距平百分率（Pa）：

式中，P 為站點(diǎn)的夏季降水量，Pˉ為1981—2010 年夏季平均降水量。根據(jù)《氣象干旱等級(jí)》國家標(biāo)準(zhǔn)[19]（表1），將遼寧省的降水距平百分率與干旱劃分等級(jí)，建立遼寧省單站干旱分級(jí)指數(shù)序列。

表1 干旱分級(jí)指數(shù)劃分

1.2.2 干旱評(píng)估指數(shù)

選取干旱頻率、干旱站次比和干旱強(qiáng)度評(píng)價(jià)遼寧省夏季近55 a 干旱時(shí)空變化特征[20]。

（1）干旱頻率（Pi）指某個(gè)站點(diǎn)在研究時(shí)段內(nèi)干旱發(fā)生的頻率：

式中，n 為某站點(diǎn)發(fā)生干旱的年數(shù)，N 為該站有氣象資料的總年數(shù)。

（2）干旱站次比（Pj）指研究區(qū)域某年發(fā)生干旱站點(diǎn)數(shù)和總站點(diǎn)數(shù)的比值，表示干旱的發(fā)生范圍：

式中，m 為發(fā)生干旱站點(diǎn)數(shù)，M 為研究區(qū)域總站點(diǎn)數(shù)，j 為評(píng)價(jià)年份。

（3）干旱強(qiáng)度（I）指研究區(qū)域內(nèi)某年干旱的發(fā)生程度：

2 降水特征分析

2.1 空間分布特征

遼寧省夏季雨量充沛，高溫潮濕。西太平洋副熱帶高壓勢(shì)力的增強(qiáng)并逐漸北移，東南季風(fēng)盛行，暖濕空氣沿高壓西側(cè)向北運(yùn)行，受其影響常常出現(xiàn)大片雨區(qū)，且雨量集中（圖1）。全省夏季平均降水量占全年降水量的64.5%，雨量最多的丹東寬甸地區(qū)約700 mm?？傮w而言，全省各區(qū)域的降水量呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，即東南部降水量通常高于西北部，具體分布為：東部＞中部＞西部。這是由遼寧省地理位置所導(dǎo)致的，東南部臨海，水汽較充足，而西北部地區(qū)常年高溫少雨。由于降水的年際差異和異常天氣變化的原因，某些年份在此期間降水明顯偏少和出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的無雨，導(dǎo)致夏季干旱的發(fā)生。

圖1 遼寧省夏季降水量多年平均分布（單位：mm）

2.2 時(shí)間變化特征

1961—2015 年遼寧省夏季降水在近55 a 呈減少趨勢(shì)（圖2），趨勢(shì)系數(shù)為-0.44，通過了α=0.001（0.42）的顯著性檢驗(yàn)。年際變化上看，1961—2015 年夏季降水年際變化較大，降水距平百分率為-37%～54%，降水偏少的有30 a，占總年份的55%，降水偏多的有25 a，占總年份的45%。歷史上全省降水小的5 a 分別為2014（-38%）、2000（-37%）、1972（-35%）、1992（-35%）、2009（-32%）年，降水最大的5 a 分別為1985（54%）、1964（52%）、1994（42%）、2010（41%）、1995（35%）年。

從以上分析可以看出，遼寧省夏季降水呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，干旱較嚴(yán)重的5 a 中有3 a 發(fā)生在2000 年以后，表明在氣候變暖的大背景下，遼寧夏季干旱呈加重趨勢(shì)，尤其是近15 a 發(fā)生降水量顯著偏少的異常年份明顯增多，易發(fā)生嚴(yán)重干旱極端事件。

圖2 1961—2015 年遼寧省夏季降水距平百分率年際變化

3 干旱特征分析

3.1 空間分布特征

圖3 給出遼寧省干旱頻率空間分布，夏季遼寧干旱發(fā)生頻率為13%~31%，頻率由中部到東部和西部逐漸遞減。近55 a 各站點(diǎn)未發(fā)生特大干旱，重大干旱發(fā)生頻率較低，53 個(gè)站點(diǎn)發(fā)生重旱的有6 個(gè)，且只有一年發(fā)生，發(fā)生區(qū)域呈現(xiàn)不規(guī)則特征，站點(diǎn)呈點(diǎn)式分布的特征。中旱的發(fā)生頻率為0%~16%，高發(fā)區(qū)域集中在遼寧的中部地區(qū)，西部和東部地區(qū)未有中旱發(fā)生。輕旱的發(fā)生頻率為5%~25%，高發(fā)地點(diǎn)主要集中在東北部地區(qū)。

綜上可見，遼寧省干旱頻率：輕旱＞中旱＞重旱，其中輕旱頻率遠(yuǎn)高于其他等級(jí)干旱。降水量偏少的遼寧西部地區(qū)，不易出現(xiàn)降水異常偏少的情況，降水量偏多的遼寧東部地區(qū)，輕旱頻率相對(duì)較多。

3.2 時(shí)間變化特征

從干旱站次比來看，有6 a 未發(fā)生干旱，區(qū)域性干旱（50%以上站點(diǎn)發(fā)生干旱）7 a，分別是1968、1972、1989、1992、2000、2009 年和2014 年（圖4）。根據(jù)遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒記載，1989 年全省糧豆總面積3.09×106hm2，受旱災(zāi)達(dá)2.53×106hm2，絕收2.96×105hm2；1992 年全省干旱面積達(dá)9.56×105hm2，旱死各種作物7.67×104hm2；2000 年農(nóng)作物受災(zāi)2.79×106hm2，占耕地面積76%，成災(zāi)面積2.32×106hm2，絕收1.19×106hm2，占耕地面積33%；2009 年全省農(nóng)作物受災(zāi)面積2.12×106hm2，經(jīng)濟(jì)損失約63 億元；2014年干旱事件是遼寧省有氣象記錄最嚴(yán)重的氣象干旱事件，糧食減產(chǎn)4×109kg。

從干旱強(qiáng)度來看，干旱強(qiáng)度曲線特征與站次比基本一致，峰值年基本對(duì)應(yīng)（圖4）。其中，2014 年遼寧夏季干旱強(qiáng)度最強(qiáng)，76%站點(diǎn)出現(xiàn)干旱，2 站發(fā)生重度干旱，19 站發(fā)生中度干旱，21 站發(fā)生輕度干旱。

遼寧省夏季干旱站次比呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，表明干旱范圍逐年增加，干旱強(qiáng)度整體呈略減少趨勢(shì)，但近20 a 呈增加趨勢(shì)，表明夏旱的強(qiáng)度近些年增加較顯著。

圖4 遼寧省1961—2015 年夏季干旱站次比和干旱強(qiáng)度的年際變化

圖3 1961—2015 年遼寧省夏季干旱（a）、重旱（b）、中旱（c）、輕旱（d）頻率

3.3 年代際變化特征

表2 為各等級(jí)干旱出現(xiàn)站次的年代際分布，總體特征表現(xiàn)為輕旱＞中旱＞重旱。1961—1970 年各等級(jí)干旱發(fā)生站次最少，2010—2015 年各等級(jí)干旱發(fā)生站次相對(duì)較多。2010—2015 年重旱、中旱、輕旱發(fā)生站次比例最多。

表2 1961—2015 年遼寧省夏季不同等級(jí)干旱出現(xiàn)站次年代際統(tǒng)計(jì)

3.4 干旱與太陽黑子的關(guān)系

太陽黑子在數(shù)量上具有準(zhǔn)11 a 的振蕩周期。根據(jù)國際規(guī)定，1755 年為第1 個(gè)太陽周期的開始，依次類推，1961—2015 年55 a 經(jīng)歷了1960 年開始第19~24 個(gè)太陽黑子活動(dòng)周，并正在經(jīng)歷第24 個(gè)周期，按照瓦爾德邁爾對(duì)太陽黑子周期的描述，M 代表太陽黑子數(shù)的極大值，m 代表極小值，近55 a 有5個(gè)M 年，分別為1970、1980、1989、2000、2014 年，5個(gè)m 年，分別為1964、1976、1986、1996 和2008 年。

根據(jù)遼寧干旱站次比與太陽黑子數(shù)的對(duì)比（圖6），可以看出太陽黑子數(shù)呈顯著的周期性變化，當(dāng)太陽黑子處于下降階段，夏季干旱處于偏少階段，干旱出現(xiàn)在M 年及M 年前后2 a 左右。遼寧省干旱隨著太陽黑子的變化而變化，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.37，通過了α=0.01 的顯著性檢驗(yàn)。

圖6 1961—2015 年遼寧省夏季干旱站次比與太陽黑子的關(guān)系

為了分析太陽黑子周期與遼寧干旱具體關(guān)系，將1961—2015 年太陽黑子5 個(gè)極大值年和5 個(gè)極小值年及其前后2 a 干旱站次及強(qiáng)度特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。遼寧省近55 a 中，25%以上區(qū)域發(fā)生干旱共17 a，在太陽黑子活動(dòng)的峰值年附近的共13 a，占區(qū)域干旱總年份的76%，干旱強(qiáng)度最強(qiáng)的10 a 有8 a 發(fā)生在太陽黑子活動(dòng)的峰值年附近，占80%。在5 個(gè)M年中有4 a 發(fā)生了不同程度的區(qū)域干旱，其中干旱發(fā)生區(qū)域最大的2 a 全部在M 年；在5 個(gè)m 年中4 a 干旱發(fā)生區(qū)域＜10%。

表3 給出太陽黑子極值年附近干旱站次統(tǒng)計(jì)，發(fā)生太陽黑子極小值年附近干旱133 站次，重旱1站次，中旱22 站次，輕旱111 站次；太陽黑子極大值年附近干旱439 站次，重旱7 站次，中旱107 站次，輕旱135 站次。太陽黑子極小值年中旱3 站次，輕旱13 站次，太陽黑子極大值年重旱4 站次，中旱42 站次，輕旱134 站次。

表3 遼寧太陽黑子極值年附近的干旱特征/站次

綜上所述，遼寧省在太陽黑子極大值年附近出現(xiàn)干旱的頻率明顯高于在極小值年附近，在太陽黑子的極大值年及其附近應(yīng)該注意干旱的防災(zāi)減災(zāi)工作，尤其是極大值年發(fā)生極端干旱可能對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

（1）全省各區(qū)域的降水量呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，即東南部降水量通常高于西北部，具體分布為：東部＞中部＞西部。1961—2015 年遼寧省夏季降水呈減少趨勢(shì)，趨勢(shì)系數(shù)通過了α=0.001 的顯著性檢驗(yàn)，近15 a 降水量顯著偏少的異常年份明顯增多，易發(fā)生極端干旱事件。

（2）遼寧省不同等級(jí)的干旱空間分布區(qū)域性較強(qiáng)，總體特征為輕旱＞中旱＞重旱，其中輕旱頻率遠(yuǎn)高于其他等級(jí)干旱。降水量偏少的遼寧西部地區(qū)，不易出現(xiàn)降水異常偏少的情況，降水量偏多的遼寧東部地區(qū)，輕旱頻率相對(duì)較多。

（3）遼寧省夏季干旱站次比呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，干旱范圍逐年增加，干旱強(qiáng)度整體呈略減少趨勢(shì)，近20 a 呈增加趨勢(shì)。各等級(jí)干旱均在1961—1970 年發(fā)生站次最少，重旱、中旱、輕旱在2010—2015 年發(fā)生站次比例最多。

（4）遼寧省在太陽黑子極大值年附近出現(xiàn)干旱的頻率明顯高于極小值年附近，發(fā)生在太陽黑子活動(dòng)的峰值年的區(qū)域干旱占干旱總年份的76%，干旱強(qiáng)度最強(qiáng)的10 a 間有8 a 發(fā)生在太陽黑子活動(dòng)的峰值年附近。在太陽黑子的極大值年及其附近應(yīng)該注意干旱的防災(zāi)減災(zāi)工作，尤其是極大值年可能發(fā)生極端干旱，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響。