遼河流域降水特征與氣候因子影響研究

劉 斌

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)問(wèn)題主要集中在因氣溫變暖引起的水文循環(huán)及其時(shí)空特征的變化研究[1]。氣候的變暖使得區(qū)域降水特征出現(xiàn)了較為明顯的改變，從而明顯影響著區(qū)域水資源的時(shí)空分布，而水文氣象災(zāi)害的發(fā)生頻率及其對(duì)人類健康、環(huán)境、生態(tài)的影響強(qiáng)度呈明顯的增加趨勢(shì)，并逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。遼河流域臨黃海、渤海，東與朝鮮相接，主要由東遼河、西遼河兩大水系組成屬于為我國(guó)七大河流之一。近年來(lái)，流域水資源的利用效率和時(shí)空分布狀況受降水時(shí)空分布的不不均衡影響已發(fā)生明顯改變。據(jù)統(tǒng)計(jì)，遼河流域年降水量的80%主要集中在4—9月份，而在其他時(shí)期的降水量極少，這也是導(dǎo)致該區(qū)域旱澇災(zāi)害頻發(fā)的關(guān)鍵。肖名忠等[2]研究認(rèn)為不同分區(qū)的汛期降水模式具有一定的區(qū)域性特征，降水量存在較大差異，同時(shí)大干旱災(zāi)害的發(fā)生具有全流域性的特點(diǎn)。

大量研究發(fā)現(xiàn)，海溫場(chǎng)波動(dòng)和降水時(shí)空變化之間存在密切關(guān)聯(lián)，印度洋、熱帶大西洋和熱帶太平洋均呈現(xiàn)出海氣耦合的關(guān)系。國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸轉(zhuǎn)向?qū)Υ蟪叨葰夂蛞蜃雍徒邓^(guò)程的相關(guān)性方面，如Zhou等[3]探討了中國(guó)冬季降水受ENSO、東亞?wèn)|季風(fēng)的單獨(dú)影響作用，認(rèn)為中國(guó)南方的冬季降水主要受ENSO因素的影響，而東部的冬季降水主要受東亞冬季降水的影響；肖名忠等[2]研究認(rèn)為降水天氣和降水強(qiáng)度的ENSO因素為引起長(zhǎng)江流域季節(jié)降水變異的關(guān)鍵因素；Chan等[4]研究認(rèn)為PDO和ENSO對(duì)年際夏季風(fēng)早期降水的影響較為顯著，且二者具有聯(lián)合影響作用。然而，綜合考慮PDO、IOD、NAO以及ENSO等氣象因子和流域降水時(shí)空變化的影響及各因素穩(wěn)定性的研究較少。另外，考慮降水變化趨勢(shì)的大尺度氣象指標(biāo)與降水間的遙相關(guān)關(guān)系的研究較多，而對(duì)區(qū)域旱澇災(zāi)害與大尺度氣候指標(biāo)的影響關(guān)系的分析較少。同時(shí)，降水過(guò)程與各影響因子的穩(wěn)定性、差異性的研究很少涉及，而該研究對(duì)于科學(xué)理解流域水資源管理與降水時(shí)空變化的影響，掌握氣候因子發(fā)生變化對(duì)水文循環(huán)的穩(wěn)定性、區(qū)域性及差異性等方面的研究十分必要。鑒于此，本文選擇大尺度遼河流域?yàn)槔?，根?jù)流域降水過(guò)程區(qū)域化特征分析了各區(qū)域降水受PDO、IOD、NAO及ENSO等氣候因子影響的差異性特征，探討了各氣候因子對(duì)降水過(guò)程的穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)不同分區(qū)干濕狀況受不同相位下氣候因子的影響，以期為遼河流域區(qū)域性水資源管理規(guī)劃及優(yōu)化配置提供一定的理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 流域概況

遼河流域流經(jīng)河北、內(nèi)蒙古、吉林和遼寧四省，總面積21.9萬(wàn)km2，全長(zhǎng)為1345km，主要支流有老何哈、西拉木倫河、渾河、太子河、柴河等，各支流縱橫交錯(cuò)、蜿蜒曲折。流域?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候，冬冷干燥漫長(zhǎng)、夏季多雨炎熱，年均降水量在400～1100mm范圍。由于獨(dú)特的地理特征和環(huán)境氣候，降水具有顯著的區(qū)域性與季節(jié)性特征，不同時(shí)間降水量存在顯著差異，每年的7—9月為降雨集中期且多以暴雨或強(qiáng)降雨的形式出現(xiàn)。在空間分布上，平原地區(qū)相對(duì)于高山地較低，東南部與渤海相鄰水源面積較大且降水量較為充足，西北區(qū)域降水較少并且風(fēng)沙干旱現(xiàn)象較為頻繁。近年來(lái)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，區(qū)域人口規(guī)模與密集度迅速增大，生態(tài)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等行業(yè)需水量急劇增加，遼河流域水資源供需矛盾持續(xù)緊張，水生態(tài)環(huán)境惡化與水污染問(wèn)題日趨突出[5- 9]。

1.2 數(shù)據(jù)資料

以遼河流域1980—2016年58個(gè)代表性氣象站的日降水觀測(cè)數(shù)據(jù)作為本研究的數(shù)據(jù)來(lái)源，根據(jù)遼河流域80%年降水量集中在4—9月的實(shí)際情況，選擇此期間作為濕季，其他時(shí)段為干季。為避免在兩年內(nèi)發(fā)生同一干旱事件的出現(xiàn)，研究時(shí)段確定為每年的4月～次年3月，即流域濕季開始至干季結(jié)束作為一個(gè)水文年。

本文所采用的PDO因子是指洋表面月溫度距平主成分，數(shù)據(jù)來(lái)源于NOAA；IOD指標(biāo)是指印度洋東部和西部區(qū)域的表層海溫距平之差，數(shù)據(jù)來(lái)源于JAMSTEC平臺(tái)；NAO氣候指標(biāo)是指冰島和亞速爾群島的標(biāo)準(zhǔn)化海平面氣壓差，數(shù)據(jù)由NOAA網(wǎng)絡(luò)提供；ENSO指標(biāo)是指厄爾尼諾區(qū)域的海水表面溫度距平，數(shù)據(jù)來(lái)源于NOAA網(wǎng)絡(luò)，各指標(biāo)數(shù)據(jù)均由權(quán)威機(jī)構(gòu)提供。遼河流域1980年4月～2016年3月的逐月氣象數(shù)據(jù)為各參數(shù)值的初始來(lái)源，選擇月氣候指標(biāo)均值作為每年的氣候指標(biāo)。為了對(duì)遼河流域干濕狀況受不同相位下各氣候指標(biāo)影響的差異性分析，對(duì)IOD、NAO和ENSO的相位以冷、暖時(shí)期來(lái)劃分，即各氣候指標(biāo)的冷、暖位相分別與各氣候指標(biāo)冷暖時(shí)期或時(shí)間的年份項(xiàng)對(duì)應(yīng)。結(jié)合現(xiàn)有研究成果，將處于冷暖時(shí)期或事件的各年份氣候指標(biāo)進(jìn)行提取，結(jié)果如圖1所示。

2 研究方法

2.1 降水一致性分區(qū)

考慮到西南季風(fēng)和東南季風(fēng)對(duì)遼河流域降水的影響作用，不同區(qū)域降水影響因素存在一定差異，因此有必要區(qū)域化分析遼河流域降水一致性。在探討不確定性類別時(shí)模糊聚類法可以構(gòu)造相應(yīng)的樣本，更加客觀、真實(shí)的反映待評(píng)價(jià)對(duì)象的實(shí)際狀況。目前，應(yīng)用較為廣泛的FCM模糊均值聚類算法，具有能夠處理大數(shù)據(jù)集、收斂速度快且計(jì)算簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文對(duì)遼河流域降水一致性分析考慮采用該算法，因受文章篇幅限制不再詳細(xì)介紹其計(jì)算過(guò)程，具體算法詳見文獻(xiàn)[10]。

2.2 氣候指標(biāo)與降水的遙相關(guān)關(guān)系

根據(jù)不同時(shí)間尺度降水與各氣候指標(biāo)之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析遼河流域干濕季降水和年降水量受PDO、IOD、NAO、NSO的影響差異性，進(jìn)而檢驗(yàn)各指標(biāo)的顯著性特征。根據(jù)臨界值檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值在自由度為51時(shí)不小于0.23，其顯著性水平達(dá)到90%?？紤]到遼河流域下一年和當(dāng)年降水受每年氣候指標(biāo)影響的情況，需要對(duì)流域干濕季降水和年降水受當(dāng)年及其前一年氣候指標(biāo)的影響進(jìn)行分析。本文中當(dāng)前及前一年降水的氣候指標(biāo)分別采用后綴為0、后綴為1的因子表示。另外，采用最小二乘擬合直線消除降水?dāng)?shù)據(jù)的趨勢(shì)影響，從而去除線性平均的變化趨勢(shì)。設(shè)定1981年作為起始年，間隔為20a，計(jì)算步長(zhǎng)為5a，計(jì)算分析了滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)和顯著性水平，探討了遼河流域降水受各氣候指標(biāo)的影響平穩(wěn)性特征。

2.3 遼河流域干濕狀況變化特征

通常情況下，可設(shè)定3、6、9、12個(gè)月為SPI的時(shí)間尺度，根據(jù)遼河流域年內(nèi)具有的顯著性干、濕季變化特征，且持續(xù)時(shí)間約為6個(gè)月，為更加客觀、準(zhǔn)確的反映流域干濕狀況設(shè)定SPI時(shí)間尺度為6個(gè)月。根據(jù)McKee等[11]提出的旱澇等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將流域干濕狀況劃分為8個(gè)等級(jí)，各等級(jí)下SPI取值范圍見表1。選擇SPI值小于-0.5或大于0.5時(shí)，作為流域處于干旱與濕潤(rùn)狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)遼河流域各區(qū)干濕狀況受不同相位下各氣候指標(biāo)的影響差異性進(jìn)行研究分析。

表1 不同旱澇程度下SPI取值范圍

3 結(jié)果分析

3.1 遼河流域降水分區(qū)

遼河流域降水分布模式在不同區(qū)域內(nèi)存在一定差異，為反映各站點(diǎn)的降水屬性采用流域內(nèi)58個(gè)站點(diǎn)的降水量變差系數(shù)表征。對(duì)1981—2016年期間各氣象站點(diǎn)的月降水總量分別進(jìn)行計(jì)算，然后將相同月份的降水量組成時(shí)間序列并計(jì)算確定相應(yīng)的變差系數(shù)。根據(jù)遼河流域的地形特點(diǎn)、各站點(diǎn)的地理位置及模糊聚類分析法，將流域劃分為5個(gè)區(qū)域，分別標(biāo)記為Ⅰ～Ⅴ個(gè)降水分區(qū)，分別代表遼河流域西南區(qū)、西北區(qū)、中部、東南區(qū)、東北區(qū)。

3.2 各季降雨與干濕變化的關(guān)系

(1)氣候指標(biāo)與年降水之間的皮爾遜相關(guān)關(guān)系。通過(guò)研究表明，遼河流域年降水量受IOD指標(biāo)的影響最為顯著，特別是當(dāng)年IOD氣象因子的影響更加突出，而PDO、ENSO因子的影響程度最小，該評(píng)價(jià)結(jié)果與Niu等[12]相關(guān)結(jié)論保持一致。有研究認(rèn)為，對(duì)遼河流域出現(xiàn)極端降水事件產(chǎn)生顯著影響的關(guān)鍵因素主要有南方濤動(dòng)指數(shù)SOI和PDI因子[13]。可見，遼河流域極端降水和年降水受PDO的影響作用存在一定差異。從時(shí)間特征的角度分析，當(dāng)年的PDO、IOD、ENSO和前一年的PDO、NAO與遼河流域各區(qū)年降水存在正相關(guān)性，而當(dāng)年的NAO和前一年的IOD、ENSO存在負(fù)相關(guān)性。因此，除了PDO氣候指標(biāo)外其他3類因子對(duì)遼河流域下一年及當(dāng)年降水的影響作用相反。從空間特征的角度分析，流域各分區(qū)降水受當(dāng)年及前一年的ENSO事件的影響較為均勻；除分區(qū)Ⅲ外其他各分區(qū)受前一年NAO事件的影響較為顯著，然而遼河流域年降水量受當(dāng)年NAO事件的影響較小，由此表明遼河流域區(qū)域性年降水量差異性特征受前一年NAO事件的影響作用更大。遼河流域各區(qū)年降水受當(dāng)年及前一年IOD事件的影響都比較明顯，其中Ⅲ分區(qū)的差異性影響更加突出，且受前一年的IOD事件的影響幾乎可忽略不計(jì)，當(dāng)年IOD時(shí)間的影響明顯。各區(qū)年降水受前一年P(guān)DO事件的影響較小，除分區(qū)Ⅱ西部外當(dāng)年的PDO事件對(duì)其他地區(qū)的影響較低。

(2)氣候指標(biāo)與濕季降水之間的皮爾遜相關(guān)關(guān)系。NAO對(duì)遼河流域濕季降水的影響較為明顯，且前一年和當(dāng)年NAO與流域濕季降水之間分別存在正相關(guān)、負(fù)相關(guān)特征。本文對(duì)年平均NAO指標(biāo)值的研究與冬季NAO指標(biāo)存在較大差異，實(shí)踐表明我國(guó)北方地區(qū)的濕季降水受前期冬季NAO指標(biāo)和前一年的年平均NAO指標(biāo)的影響基本相同。從時(shí)間特征的角度分析，當(dāng)年的IOD、PDO以及前一年的PDO、NAO、ENSO與遼河流域各區(qū)濕季降水之間存在正相關(guān)性，而當(dāng)年的NAO、ENSO以及前一年的IOD與濕季降水存在負(fù)相關(guān)性。研究表明，除PDO氣候指標(biāo)外其他3類因子對(duì)遼河流域各區(qū)下一年及當(dāng)年濕季降水的影響作用相反，該計(jì)算結(jié)果與前文確定的年降水變化規(guī)律保持較好的一致性。從空間特征的角度分析，各區(qū)濕季降水受前一年的ENSO事件的影響較低，而遼河流域東部的Ⅳ、Ⅴ分區(qū)和Ⅲ分區(qū)東北部則主要受當(dāng)年ENSO時(shí)間的影響。遼河流域各區(qū)濕季降水受當(dāng)年和前一年的NAO事件的影響較為明顯，其中Ⅲ分區(qū)的影響差異性更加突出，且受前一年的NAO事件的影響幾乎可忽略不計(jì)，而各區(qū)濕季降水受當(dāng)年NAO事件的影響較為明顯。遼河流域各區(qū)濕季降水受當(dāng)年及前一年IOD事件的影響較小，對(duì)于PDO流域年降水和濕季降水的影響總體類似。綜上分析，各分區(qū)受當(dāng)年及前一年P(guān)DO事件的影響較低，且在空間尺度上的差異性不顯著，但是Ⅱ分區(qū)西部受當(dāng)年P(guān)DO的影響較為明顯。

(3)氣候指標(biāo)與干季降水之間的皮爾遜相關(guān)關(guān)系。IOD和ENSO對(duì)遼河流域干季降水的影響較為突出，特別是ENSO事件的影響更加顯著，最大和最小影響區(qū)域降水差異性的事件為IOD、PDO。從時(shí)間特征的角度分析，下一年和當(dāng)年的遼河流域各區(qū)干季降水受除NAO以外的其他三項(xiàng)指標(biāo)的影響作用相反，且各因子對(duì)當(dāng)年、下一年降水的影響分別呈正相關(guān)、負(fù)相關(guān)特征，這與濕季降水和年降水的變化特征存在差異。研究認(rèn)為，前一年和當(dāng)年ENSO事件分別與遼河流域干季降水呈正相關(guān)、負(fù)相關(guān)性，且在空間尺度上的差異性較小。從空間特征的角度分析，遼河流域干季降水受當(dāng)年及前一年ENSO事件影響的顯著，且不同區(qū)域的差異性較低。流域干季降水受當(dāng)年的NAO事件影響相同，而前一年的NAO影響較低。研究認(rèn)為，當(dāng)年及前一年NAO事件對(duì)遼河流域的干季降水呈正相關(guān)特征，該計(jì)算結(jié)果與吳炳義等研究成果保持一致。遼河流域Ⅰ、Ⅱ分區(qū)干季降水受前一年IOD事件的影響較為明顯，而Ⅱ、Ⅴ分區(qū)主要受當(dāng)年IOD的影響。對(duì)于PDO事件，遼河流域各區(qū)干季降水受當(dāng)年及前一年P(guān)DO的影響均較低。綜上所述，相對(duì)于年降水和濕季降水遼河流域干季降水受各氣候指標(biāo)的影響更加明顯。

3.3 各季干旱變化影響的穩(wěn)定性

本次研究選擇1981年作為起始年，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為5a，年際間隔為20a，對(duì)不同時(shí)期氣候指標(biāo)和遼河流域降水的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。遼河流域各區(qū)干季降水和年降水的時(shí)間受各氣候指標(biāo)影響的穩(wěn)定性可通過(guò)滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)反映，這對(duì)于考慮各氣候指標(biāo)與流域降水關(guān)系的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)流域降水十分重要[14- 17]。

(1)前一年氣候指標(biāo)與年降水的滑動(dòng)相關(guān)分析。研究發(fā)現(xiàn)，遼河流域各區(qū)年降水與前一年ENSO事件呈負(fù)相關(guān)性，且隨著時(shí)間的推移分區(qū)Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ的影響呈不斷增強(qiáng)趨勢(shì)。各區(qū)年降水受前一年NAO的影響呈現(xiàn)出顯著的非平穩(wěn)性特征，總體表現(xiàn)出正-負(fù)-正相關(guān)轉(zhuǎn)化的特征。遼河流域各區(qū)年降水與前一年IOD時(shí)間存在負(fù)相關(guān)影響作用，且影響不穩(wěn)定。在1986年以后，除Ⅴ分區(qū)外其他3分區(qū)呈穩(wěn)定的負(fù)相關(guān)性。分區(qū)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的年降水量受前一年P(guān)DO事件的影響總體呈穩(wěn)定的正相關(guān)性，而對(duì)于Ⅰ、Ⅱ分區(qū)的影響不穩(wěn)定。

(2)當(dāng)年氣候指標(biāo)與年降水的滑動(dòng)相關(guān)分析。研究認(rèn)為，遼河流域各區(qū)年降水平均值與當(dāng)年IOD、ENSO影響事件呈正相關(guān)關(guān)系，且年降水相對(duì)于前一年各指標(biāo)的影響作用更加明顯，且相對(duì)于當(dāng)年ENSO事件IOD的影響作用更加顯著和穩(wěn)定，區(qū)域差異性更低。當(dāng)年NAO事件主要以負(fù)相關(guān)性影響流域內(nèi)Ⅱ、Ⅲ分區(qū)的年降水，而對(duì)其他區(qū)域的影響存在較大的非平穩(wěn)性且影響程度較弱。當(dāng)年P(guān)DO事件與分區(qū)Ⅱ、Ⅰ的年降水影響分別呈正相關(guān)與負(fù)相關(guān)性，且總體表現(xiàn)出減弱的變化趨勢(shì)，PDO事件對(duì)其他分區(qū)的影響不穩(wěn)定且影響程度較小。

3.4 各區(qū)干濕狀況的差異性

通過(guò)對(duì)比分析不同相位條件下遼河流域各區(qū)干旱期次數(shù)的差異性發(fā)現(xiàn)，對(duì)于ENSO來(lái)說(shuō)，相對(duì)于冷期出現(xiàn)的次數(shù)遼河流域各區(qū)干旱期次數(shù)呈明顯的增加趨勢(shì)，且在分區(qū)Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ內(nèi)干旱期的增大幅度較大。在各種相位的NAO條件下，遼河流域均存在一定的干旱發(fā)生概率，且在不同區(qū)域存在一定差異；在NAO冷期情況下，發(fā)生較大干旱概率的區(qū)域?yàn)棰醴謪^(qū)和Ⅰ分區(qū)的細(xì)部，分區(qū)Ⅱ、Ⅲ發(fā)生干旱的概率在處于NAO暖期時(shí)較大。在IOD冷期時(shí)遼河流域發(fā)生干旱的概率較IOD暖期時(shí)更大，且干旱易發(fā)區(qū)比較集中。研究認(rèn)為，遼河流域1981—2016年IOD冷期中，分區(qū)Ⅰ、Ⅱ的大部分范圍發(fā)生干旱的概率普遍大于35%，局部地區(qū)大于50%。遼河流域各區(qū)干旱狀況受PDO不同相位的影響存在非常大的差異性。遼河流域各分區(qū)出現(xiàn)干旱期的概率在PDO冷期時(shí)普遍比較大，而在PDO暖期時(shí)比較容易出現(xiàn)干旱期的只有Ⅲ分區(qū)。綜上所述，相對(duì)于各氣候指標(biāo)相位，遼河流域出現(xiàn)干旱期的概率在PDO或IOD冷期、NAO和ENSO暖期時(shí)的概率更大。

根據(jù)不同相位條件下遼河流域各區(qū)濕潤(rùn)期次數(shù)的差異性計(jì)算結(jié)果可知，相對(duì)于冷期而言遼河流域各區(qū)暖期出現(xiàn)濕潤(rùn)器的次數(shù)表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，對(duì)于各區(qū)濕潤(rùn)狀態(tài)IOD相位條件的影響差異性顯著。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，遼河流域暖期發(fā)生的概率在IOD、ENSO相位條件下普遍較大，大部分地區(qū)超過(guò)35%，其中分區(qū)Ⅰ、Ⅱ的發(fā)生概率大于40%。在空間分布上NAO暖期內(nèi)遼河流域濕潤(rùn)期的發(fā)生概率更加均勻，而在冷期內(nèi)各氣候指標(biāo)出現(xiàn)濕潤(rùn)期的概率的孔家差異性十分顯著，并以IOD冷期的差異性最為突出。綜合對(duì)比各氣候指標(biāo)可知，相對(duì)于其他三種氣候指標(biāo)PDO暖期出現(xiàn)濕潤(rùn)期的概率空間差異性比較顯著。

4 結(jié)論

(1)不同時(shí)間尺度的遼河流域降水，大尺度氣候指標(biāo)的影響作用存在一定差異，其中ENSO、NAO和IOD指標(biāo)與干季降水、濕季降水與年降水最相關(guān)，PDO指標(biāo)的影響程度最小。

(2)對(duì)遼河流域干季、濕季和年降水未來(lái)變化標(biāo)識(shí)性指標(biāo)可根據(jù)與降水具有較好平穩(wěn)性與相關(guān)的原則篩選，其中ENSO、NAO和IOD指標(biāo)為最優(yōu)指標(biāo)，且相對(duì)于下一年降水各氣候指標(biāo)的對(duì)當(dāng)年降水的影響更加穩(wěn)定。

(3)通過(guò)研究大尺度氣候指標(biāo)PDO、IOD、NAO和NESO與流域降水之間的影響關(guān)系，可為提高遼河流域旱澇災(zāi)害預(yù)測(cè)和中長(zhǎng)期降水預(yù)測(cè)提供一定參考，進(jìn)而為增強(qiáng)人類適應(yīng)氣候變化的能力和降低因極端氣候事件的不利影響提供理論依據(jù)。