遼寧東南部山區(qū)極端降水指數時空變化特征及其與大氣環(huán)流的相關性分析

張 群

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

受氣候變化影響，區(qū)域極端降雨頻發(fā)，造成的損失也越來越大[1]，極端降水引發(fā)的山區(qū)洪澇災害已經成為社會公眾關注的熱點和焦點[2]。為此，國際氣象組織針對氣候變化引起的極端氣候構建27個指數進行分析[3]，其中10個為極端降水指數。近些年來，區(qū)域極端降水指數研究逐步得到國內學者的廣泛關注[4- 9]，各成果通過對極端降水指數時空變化分析來指導區(qū)域防洪減災規(guī)劃[10]。當前，極端降水事件頻發(fā)的原因逐步得到國內外氣象水文學者的關注，通過建立大氣環(huán)流指數和極端降水指數之間的相關性，從而分析影響極端降水指數的大氣環(huán)流影響因子[11- 14]。遼寧東南部山區(qū)屬于極端降水易發(fā)區(qū)域，受氣候變化影響，其極端降水引發(fā)的洪澇災害損失已經成為其主要的災害之一[15]，為科學指導遼寧東南部山區(qū)防洪減災規(guī)劃，需要對區(qū)域極端降水指數時空變化進行重點分析，并對其主要影響的大氣環(huán)流因子進行研究。為此本文結合10項極端降水指數，分別應用趨勢檢驗以及Pearson相關系數對遼寧東南部山區(qū)極端降水指數及其余大氣環(huán)流的相關性進行重點分析，成果可用于防洪減災規(guī)劃。

1 研究方法

1.1 極端降水指數選取

在國際氣象組織推薦的27個極端氣候指數中選取10個極端降水指數，選取結果見表1。結合泰森多邊形法對其面降水極端指數進行計算。

表1 10項選取的極端降水指數

1.2 趨勢檢驗的方法

該方法通過設定檢驗的數據變量序列(x1，x2，…，xn)為獨立且來自同一個樣本總體的數據，應用變量統(tǒng)計方法進行檢驗，其變量統(tǒng)計方程為：

(1)

xi>xj(1≤j≤i)

(2)

(3)

(4)

式(1)—(4)中，S—檢驗的統(tǒng)計變量；xi、xj—分別為來自同一個樣本總體的不同樣本數據系列；σs—樣本檢驗的方差值；sign—計算符號；n—總體樣本的個數；Z—樣本檢驗的水平，Z>0，表示為檢驗樣本數據系列呈現遞增變化，Z<0，則表示為檢驗樣本數據系列呈現遞減變化，但檢驗水平的絕對值分別大于或者等于2.32、1.64、1.28，表示其檢驗水平分別達到99%、95%、90%。

2 研究結果

2.1 區(qū)域概況

本文以本溪地區(qū)為研究區(qū)域，區(qū)域屬于典型的溫帶大陸季風性氣候，多年平均降水量主要為800～1000mm，50%以上的降水主要集中6—8月，降水年際變化差異性較大，年降水呈現遞減變化趨勢，但趨勢顯著性較弱。區(qū)域內降水站點分布較為廣泛，布設降水站點35個，各降水站點分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域降水站點分布

2.2 極端降水指數時間變化特征

結合遼寧東南部山區(qū)35個站點1955—2016年降水數據，統(tǒng)計分析了區(qū)域近64年各極端降水指數的時間變化特征，結果如圖2所示。結合非線性趨勢檢驗方法對各指數的趨勢變化進行分析，分析結果見表2。

表2 各極端降水指數非線性顯著性檢驗結果

從表2中可看出，最大1日、5日、雨強及極強降水4項指數呈現顯著上升趨勢，其余各指數呈現遞減變化。各指數變化具有相似性，其中最大1日以及極強降水指數的趨勢顯著性達到90%。從圖2中可看出，近64年，遼寧東南部山區(qū)中雨和大雨日數有所下降，下降傾斜率均值分別為-1.45d/10a和-0.41d/10a。強降水和極強降水呈現遞增變化，其中極強降水的變化最為顯著，其非線性顯著性水平達到90%。而從其持續(xù)干旱變化可看出，持續(xù)干期遞減明顯，主要遼東南部區(qū)域屬于降水量較為充沛的地區(qū)，而持續(xù)濕期變化顯著性較低，主要是其降水持續(xù)天數較短。最大1日和極強降水變化較為相似，均通過90%的顯著性檢驗，遞增變化趨勢十分明顯。受到持續(xù)干期和濕期影響，區(qū)域年降水總量呈現一定的遞減變化，但遞減顯著性較弱。從降水強度變化特征可看出，受氣候變化影響，區(qū)域降水強度呈現較為明顯的上升變化，其強度有所加劇。

2.3 極端降水指數空間變化特征

對各區(qū)域極端降水指數傾斜率空間變化進行了分析，分析結果如圖3所示。

從圖3可看出，空間上，除干濕變化特征外，其余8項極端降水指數在空間上呈現由南到北逐步遞減變化規(guī)律，從其各極端降水指數空間分布可看出，其空間變化存在一定的差異性。R10mm呈現遞減變化的降水站點的數目比重為60%，主要分布在區(qū)域南部和中部，而80%的R20mm呈現較為明顯的遞減變化，主要分布在中部區(qū)域，和R20mm空間變化較為相似，45%的R95p站點數遞減顯著性變化可達到90%的檢驗水平。43%的R99p站點數呈現上升變化趨勢，但空間變化趨勢性較低。CDD遞減變化顯著的站點比例達到65%，且遞減顯著性明顯高于其他指標。CWD指數中有35%的站點呈現上升趨勢，但總體趨勢顯著性變化不強。RX1day和RX5day變化具有相似性，分別有75%和73%的站點呈現顯著上升的變化，52%的PRCPTOT站點呈現一定的下降變化，而62%的SDII站點通過顯著性為90%的遞增變化檢驗。

圖2 遼寧東南部山區(qū)1955—2018年各極端降水指數時間變化特征

圖3 1955—2018年遼寧東南部山區(qū)極端降水指數傾斜率空間分布特征

2.4 極端降水指數與大氣環(huán)流的相關性分析

在各極端降水指數時空分布特征分析的基礎上，結合5種模式下的大氣環(huán)境因子，分析極端降水指數與大氣環(huán)流的相關性，分析結果見表3—7。

表3 極端降水指數與大氣環(huán)流因子MEI的相關性分析結果

注：*和**分別表示顯著水平達0.05和0.01。

表4 極端降水指數與大氣環(huán)流因子AO的相關性分析結果

注：*表示顯著水平達0.01。

表5 極端降水指數與大氣環(huán)流因子NAO的相關性分析結果

注：*表示顯著水平達0.05。

表6 極端降水指數與大氣環(huán)流因子PDO的相關性分析結果

注：*表示顯著水平達0.05。

表7 極端降水指數與大氣環(huán)流因子SOI的相關性分析結果

注：*和**分別表示顯著水平達0.05和0.01。

從各降水指數和大氣環(huán)流的相關性分析結果可看出，各極端降水指數均與北極濤動(AO)相關程度最高，其相關系數大都可達到0.05的顯著性變化水平。而RX1day和RX5day與北極濤動(AO)也具有較好的相關性，可見北極濤動(AO)是影響遼寧東南部山區(qū)極端降水指數變化的最為明顯的因素。CWD與AO、NAO的相關性可達到0.05的顯著性變化水平，說明這兩項指標也是區(qū)域持續(xù)濕期變化的主要影響因素。PDO指數與R99p、RX1day以及SDII的相關性水平也可達到0.01的檢驗水平，也可表明太平洋年代際振蕩對遼寧東部山區(qū)的降水極端指數也呈現一定程度的影響。

3 主要結論

(1)從2000年以后，遼寧東南部山區(qū)極端降水指數上升趨勢均較為明顯，尤其是應重點結合RX1day和RX5day變化趨勢進行防洪規(guī)劃標準的提升。

(2)遼寧東南部各極端降水指數50%～70%的上升趨勢明顯的站點均分布在其南部和北部山區(qū)，應盡量向這一區(qū)域的山洪及中小河流治理規(guī)劃進行相應的傾斜。

(3)本文只探討了極端降水指數與大氣環(huán)流因子之間的相關性，未來還需針對其影響內在機理進行深入研究。