东北近60年盛夏降水特征及其与不同类型厄尔尼诺的联系

孟 鑫, 张 瑜, 高松影, 徐璐璐, 单璐璐, 樊希彬

(1.辽宁省丹东市气象局, 辽宁 丹东 118000; 2.地理信息工程国家重点实验室, 西安 710054)

东北地区地处中高纬，既是我国重要的商品粮和农牧业基地，也是全球气候变化的敏感区。由于地形复杂多样，降水变化特征不尽相同。夏季是东北地区主要的降水季节[1-2]，也是作物主要的生长季节，夏季降水的多少和分布是影响粮食产量的最重要因素之一。围绕东北地区夏季降水及其机理的有关研究已有很多，并取得有益的成果[3-4]。例如丁婷等[5]指出东北夏季降水，尤其是盛夏，自20世纪90年代末发生了显著的年代际减少。王学忠等[6]指出东北地区雨季降水主要受东亚季风影响。沈柏竹等[2]分析了东北地区初夏和盛夏降水年际变化的影响因子，指出初夏降水异常主要受冷涡影响，盛夏则以东亚季风影响为主。

鉴于目前针对东北地区降水特征研究较少，且专门研究不同类型厄尔尼诺对次年夏季东北地区降水的影响研究甚少，因此亟待利用最新的资料探讨东北地区降水特征及两类厄尔尼诺事件对次年夏季东北地区降水的影响。

1 研究区概况

东北地区(38°—55°N，117°—135°E)包括辽宁、吉林、黑龙江省和内蒙古自治区东北部。东北地区自北向南跨越寒温带和温带，南北温度差异大。季风气候明显，四季分明，降水主要集中在夏季，冬季寒冷干燥，春、秋两季以大风天气为主，并伴有少量降水。自东南向西北，从湿润区、半湿润区过渡到半干旱区。

2 数据与方法

2.1 数据来源

数据来源于国家气象信息中心整编的2 400多个中国国家级地面气象站日降水量数据集，数据时间跨度是1961—2019年，共计59 a，国家气象信息中心对该数据集进行了较为严格的质量控制，在此基础上，本文对现有数据再进行筛选，筛选原则包括:(1) 1961—2019年都存在的站点；(2) 排除资料不全或缺测日数大于1%的站点。根据上面提到的标准进行台站筛选，最后挑出符合条件的204个站(图1)。

美国环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)逐月再分析资料，水平分辨率是2.5°×2.5°，垂直方向17个气压层。ENSO两种类型事件资料来源于国家气候中心ENSO检测、分析和预测系统结果(http:∥cmdp.ncc-cma.net/pred/cn_enso_index.php)，所选厄尔尼诺两种类型事件次年的年份(表1)。

图1 东北地区204个站点空间分布

表1 1961年以来厄尔尼诺事件次年统计

2.2 研究方法

本文夏季的季节内划分，6月为初夏，7月和8月为盛夏。气候态采用新一轮的1981—2010年的平均值为气候值。逐日降水为20时—次日20时。根据国家气象局业务标准(GB/T28592—2012)，将降雨分为小雨、中雨、大雨和暴雨。降水量级分类如下：小雨(24 h内降水量达0.1～9.9 mm)、中雨(24 h内降水量达10～24.9 mm)、大雨(24 h内降水量达25～49.9 mm)、暴雨(24 h内降水量超过50 mm)。

本文采用线性倾向估计的方法研究降水在时间变化中升降程度，并用T检验进行统计检验(单样本检验)；标准差被应用于研究降水的变化波动情况；利用合成分析方法和差值分析方法研究降水距平和大气环流特征，显著性检验采用T检验，其中风场采用F检验。

3 结果与分析

3.1 东北地区盛夏降水特征

东北地区降水主要集中在夏季[2]，除了存在显著的季节演变特征，还具有明显的次季节变化特征。研究指出[4,21]，东北地区初夏和盛夏的降水相关性较小，即可能对应截然不同的形成机制，沈柏竹等[2]通过对初夏和盛夏东北地区环流特征的研究已经很好的佐证了这一观点。因此对东北地区夏季降水的研究应该分为初夏和盛夏具有科学意义。据统计，东北地区7月和8月区域平均降水量分别为148.11，123.42 mm，均大于6月(85.46 mm)，盛夏降水占夏季总降水的76%以上，考虑到东北夏季降水主要集中在盛夏，因此深入研究盛夏降水的特征，对应对气候变化、防灾减损具有重要意义。综上所述，本文接下来将对东北地区盛夏降水特征进行研究讨论。

东北地区盛夏多年平均降水量空间分布(图2A)不均匀，呈阶梯状，由东南沿海向西北内陆逐渐减少，极大值中心位于辽宁东南部鸭绿江口附近，总降水量超过578 mm，水资源丰富，该多雨区的形成有两个原因：一是辽宁的地理位置，南邻渤海和黄海北部，以至于辽宁南部有丰富的水汽；二是盛夏副热带高压北抬，西南暖湿水汽沿副热带高压边缘到达辽宁南部，易形成降水。低值中心在内蒙古，降水量不足200 mm。东南部的降水量约为西北部的3倍，这与廉毅等[3]研究的结果一致。在不考虑气候变化情况下，降水的分布与东北地区的地理分布有关，长白山山脉的东北—西南走向是引起东南部降水较多原因之一。可见，东北地区盛夏降水分布受到地形和大气环流的共同影响。

由图2B可以看出，盛夏降水具有显著的年际波动和年代际振荡，其中降水量最多的年份是1985年，达到405.58 mm，2014年最少，为187.81 mm。东北地区盛夏降水受季风影响[5]，夏季季风不稳定，年际差异较大，这可能是盛夏降水年际波动大的原因之一。观察不同年代区域平均降水变化情况(表2)，近59 a降水量出现了两个峰值，分别出现在20世纪60年代和80年代，相比较而言，70年代和21世纪初较少，而近10 a降水又略有增多。说明东北地区20世纪90年代开始到21世纪00年代初进入枯水期，21世纪10年代降水又表现略微的增加。已有研究指出70年代末东亚季风发生跃变而减弱，并一直维持到21世纪00年代初，此外，西太平洋副热带高压的减弱，及其在北方地区停留时间过短，这可能是引起东北地区盛夏降水在90年代之后减少的原因之一。近59 a东北地区盛夏降水量呈递减趋势，以5.386 mm/10 a的速率减少，通过置信度95%的显著性检验。1961—2010年的变化速率为-8.81 mm/10 a，通过置信度90%的显著性检验，相比较而言，盛夏降水减少速率变缓。为了更深入探讨东北地区盛夏降水量变化情况，对盛夏降水量级分类讨论。由表3可见，中雨量最多，小雨量最少，说明中雨对盛夏降水的贡献最大，小雨贡献最少。暴雨的年际变化波动最大，小雨的年际变化波动最小。说明小雨随时间变化更稳定，暴雨则波动剧烈。各等级降水的时间变化(图3)可见，近59 a除暴雨外，其他等级降水均呈减少趋势，小雨、中雨和大雨减少速率分别为1.88，2.45，1.88 mm/10 a。其中小雨减少趋势通过置信度99%显著性检验，中雨通过置信度95%显著性检验。暴雨则呈弱增加趋势，增加速率为0.76 mm/10 a，没有通过显著性检验。相比较于1961—2010年各等级雨量的变化趋势(小雨-3.93 mm/10 a、中雨-2.69 mm/10 a、大雨-1.68 mm/10 a和暴雨-0.33 mm/10 a)，中雨和大雨变化均不大，但中雨减少速率略降低，大雨则减少速率略加快，暴雨则由下降趋势变成增加趋势，小雨则呈减少速率降低。可见，东北地区盛夏降水减少主要由小雨和中雨显著减少引起，研究指出[22-24]强度较小的降水更多地与云的微物理过程有关，主要受气溶胶、大气中水汽含量等影响，改变云的物理特征，可以影响降水。陈东辉等[25]的研究发现东北地区夏季小雨减少主要是由于东北地区气温增加和气溶胶浓度增加引起，对气溶胶抑制小雨的观点进行了有力的论证。暴雨呈增加趋势，意味着极端降水过程可能强化，对城市防洪排涝设施的考验和挑战加大。降水变缓的主要原因是小雨和中雨降水减少趋势减弱造成。

图2 1961-2019年东北地区盛夏降水量的空间分布和降水量的时间序列

表2 东北地区盛夏降水年代际平均值

表3 1961-2019年东北地区盛夏各等级雨量标准差和平均值

从空间尺度可见，1961—2019年盛夏降水整体呈减少趋势(图4A)，78.43%的站处于下降趋势，其中32个站通过置信度90%及以上显著性检验，降水减少速率大的站集中在内蒙古西部和辽宁，其中，内蒙古西部地区降水减少显著。内蒙古北部、黑龙江北部和东南部部分地区降水有微弱的增加趋势，均不显著。各等级降水变化趋势空间上具有区域差异。观察小雨趋势空间分布(图4B)发现，204个站有191个站降水呈下降趋势，占比高达93.63%，其中通过置信度90%及以上显著性检验的站有88个，占下降趋势站总数的比例近50.00%，即东北地区整体呈显著减少趋势。下降大值中心位于辽宁南部和内蒙古中部，其中辽宁降水减少最显著，50个站均呈下降趋势，其中37个站通过显著性检验，占比达74.00%。内蒙古紧随其后，46个站中有18个站通过显著性检验，减少亦显著。中雨则趋势上升的站数略有增多(图4C)，但远少于趋势下降的站数，上升趋势的站主要集中在黑龙江，通过显著性检验的下降趋势站主要分布在辽宁和吉林，但数量略有减少，表明吉林和辽宁降水显著减少。大雨下降趋势的站数和上升趋势的站数差距进一步缩小，上升趋势的站数达64个，其中29个在黑龙江。黑龙江分别有47.54%，52.46%的站呈上升趋势和下降趋势。上升趋势显著的站主要集中在黑龙江和内蒙古北部的交界处。下降趋势显著的站主要分布在黑龙江中部和内蒙古中部。辽宁、吉林和内蒙古下降的站仍比上升趋势的站多，但通过置信度90%及以上显著性检验的站分别为6，4，11个，占下降趋势站总数的比例进一步降低，因此降水减少趋势不显著。暴雨下降趋势的站和下降趋势显著的站数在减少，只有不到40%的站是下降趋势，且下降的站通过90%及以上显著性检验的仅8个。说明下降趋势不显著。暴雨有超过60%的站是上升趋势，但通过显著性的站仅11个，说明东北大部分地区降水呈增加趋势，但不显著。其中黑龙江上升的站比下降的站多一倍，说明黑龙江以上升趋势为主。

图3 1961-2019年东北地区盛夏各等级降水的时间序列

注：实心点代表通过90%置信度检验，下图同。

综上所述，东北地区盛夏降水整体呈减少趋势，其中减少最大的区域位于辽宁南部。各等级降水变化趋势空间上具有区域差异。小雨204个站有191个站降水呈下降趋势，其中通过显著性检验的站有88个，即东北地区整体呈显著减少趋势。辽宁降水减少最显著，50个站均呈下降趋势，其中37个站通过90%及以上显著性检验。内蒙古紧随其后，46个站中有18个站通过90%及以上显著性检验，减少亦显著。中雨则吉林和辽宁降水显著减少。大雨上升趋势的站数达64个，其中29个在黑龙江。辽宁、吉林和内蒙古降水减少趋势不显著。暴雨则有超过60%的站是上升趋势，但不显著。其中黑龙江上升的站比下降的站多一倍，说明黑龙江以上升趋势为主。

3.2 不同类型ENSO事件对次年盛夏东北地区降水的影响

3.2.1 降水量 根据表1中的年份，对两种类型厄尔尼诺事件次年盛夏东北地区降水距平场(平均值为气候态平均值)进行合成(图5)。据统计两类厄尔尼诺次年盛夏东北区域平均降水(270.72 mm)均增加，CP型区域平均降水量为287.48 mm，略大于EP型(275.61 mm)。EP型降水距平场呈东西反位相分布(图5A)，从北面大兴安岭一直向南到长白山区域为负距平区，包括黑龙江绝大多数地区，吉林东南部以及内蒙古东北部局部地区。负距平区降水减少呈向东逐渐递增，负距平中心最大值超过-60 mm，通过置信度90%及以上显著性检验的站主要集中在黑龙江。正距平主要分布在东北地区的西部，大值中心有两个，两个中心最大值均超过40 mm，但通过显著性检验的站比较少。据统计，黑龙江61个站有57个为负距平，占比超过93%，其中15个站通过置信度90%及以上显著性检验，说明黑龙江地区整体降水较气候态偏少，局部地区显著偏少。内蒙古和辽宁降水为负距平的站分别是9，8个，占内蒙古和辽宁站数的比例均不超过20%，表明内蒙古和辽宁降水整体偏多。吉林正距平和负距平站数分别为26，21个，比较接近。空间尺度上，吉林地区呈西北—东南反相分布，西北部为正距平，东南部为负距平。

CP型降水距平场大部分地区呈现与EP型截然相反的情况(图5B)。黑龙江大部分地区变为正距平，距平正值中心位于辽宁东南部鸭绿江口附近，中心超过60 mm，较EP型多近一倍。内蒙古变为负距平区，其中内蒙古西部部分地区通过置信度90%及以上显著性检验。据统计，辽宁仅6个站为负距平，占辽宁站总数的比例较低，说明辽宁降水增多，但不显著，偏多值大于EP型。吉林则从西北—东南反位相变为南北反位相分布，南部为正距平，北部为负距平，正距平站数多于负距平站数。黑龙江正距平站数为负距平站数的2倍还多，说明整体黑龙江降水偏多。内蒙古负距平站数为33个，占内蒙古总站数的比为71.34%，其中通过置信度90%及以上显著性检验的站数为11个，占负距平站比为33%，说明内蒙古整体降水偏少，且局部地区降水显著偏少。

可见EP型厄尔尼诺次年盛夏，辽宁降水偏多，吉林呈西北—东南降水反相分布，西北偏多，东南偏少，内蒙古降水整体偏多，黑龙江整体偏少，且局部地区显著偏少。CP型则辽宁降水亦偏多，且多于EP型，吉林则变为南北反相分布型，南部偏多，北部偏少。黑龙江整体偏多，内蒙古整体偏少，且局部显著偏少。

注：实心点代表通过90%置信度检验。

3.2.2 大气环流特征 降水变化与大气环流息息相关，大气环流异常为降水事件提供了一个大尺度背景。为了了解不同类型厄尔尼诺事件次年盛夏大气环流特征，采用NECP/NECR数据对两类厄尔尼诺事件次年盛夏大气环流做距平(平均值为气候态平均值)合成分析。

由图6A可见，EP型500 hPa位势高度场以高纬度鄂霍次克海，中纬度日本岛附近，低纬度台湾和菲律宾附近形成了一个经向“-+-”分布的环流特征，这是负的“P-J”波列，然而正负数值都较小，均不超过5 gpm，仅日本海附近的负距平区通过置信度90%及以上显著性检验，说明P-J遥相关较弱。此外，我国除东北地区以外，整体为负距平，表明副热带高压偏西，不利于黄海和东海的暖湿气流沿副热带高压边缘到达东北地区产生降水(图略)，日本海到日本岛有一个弱的气旋，而在西北太平洋菲律宾附近有一个反气旋，反气旋在北纬20°以南，这与上面分析的菲律宾附近有一个异常反气旋一致(图略)。那么ENSO是如何与P-J关联且影响副热带高压的位置呢？目前已有研究认为，ENSO与P-J遥相关有密切关系，ENSO通过电容器充电效应将ENSO信号存储，衰减阶段产生“放电”效应，使次年夏天印度洋海温异常增暖，增暖的印度洋能激发出Kelvin波传播到西太平洋地区，在菲律宾附近形成异常反气旋，并沿东亚沿岸激发产生P-J遥相关，导致副热带高压偏西[22-24]。对于CP型500 hPa位势高度场(图6B)从日本海、朝鲜半岛和东北南部地区以及我国西部地区均为正距平区，日本岛东部海面正距平局部超过10 gpm，这样的配置说明副热带高压位置偏北偏东。东北北部是一个负距平，有利于东北地区槽加深，促使极地冷空气南下进入东北地区。副热带高压的东退北抬有利于黄海海域和东海海域暖湿气流输送到东北南部地区。此外，东北北部地区有一支偏北气流(图略)，到达东北地区的偏北气流和偏南的暖湿水汽在东北南部地区汇合，产生降水。

图6 ENSO事件次年500 hPa高度场距平合成分布

高低层环流辐合辐散对降水产生影响。EP型厄尔尼诺事件次年盛夏(图7A)东北地区上空低层西部为负距平，为辐合区，东部为正距平，且大部分地区通过置信度90%及以上显著性检验，表现为强烈的辐散。高层(图7C)则表现正好相反，西部为正距平，且部分地区通过显著性检验，说明有强烈的辐散，西部为负距平，说明有辐合。在这样的高低层配置下，东北西部地区为强烈的上升运动，东部地区则为下沉运动(图7B)。这与图5A降水距平分布相对应。很好地解释了为什么西太平洋副热带高压偏西，但东北地区降水增多的区域大，且区域平均降水大于气候态。CP型低层辐合和辐散(图7D)与图5B的降水距平分布略有不同，但是高层(图7F)则呈现除内蒙古西部外，其余地区均为正距平，为辐散区，内蒙古西部为辐合区，这与图5B的降水距平分布一致，但是辐合和辐散的程度较EP型均弱。另外，除内蒙古局部地区，东北其余地区均为上升运动，内蒙古西部的局部地区为下沉运动(图7E)，且上升和下沉运动强度也均比EP型弱。这很好地说明了为什么CP型厄尔尼诺次年盛夏虽然副热带高压位置偏北偏东，但是区域平均降水仅比EP型略多。

4 结 论

(1) 东北地区盛夏降水具有明显的阶段性特征，20世纪90年代到21世纪00年代初进入枯水期，21世纪10年代降水又有所增加。1961—2019年东北地区盛夏降水以5.386 mm/10 a的速率减少，小雨、中雨和大雨均呈减少趋势，其中小雨和中雨均通过显著性检验，减少显著，暴雨则呈略微增加趋势。相比于1961—2010年东北地区降水趋势变化，盛夏平均降水量、小雨、中雨和暴雨的气候倾向率值均增大，大雨则呈略微下降。暴雨年际波动剧烈，小雨随时间变化最稳定。中雨对盛夏降水的贡献最大，小雨的贡献最少。

注：实心点代表通过90%置信度检验。

(2) 空间上，东北地区降水整体呈减少趋势，78.43%的站处于下降趋势，其中减少最大的区域位于辽宁南部，内蒙古西部降水减少显著。各等级降水的变化趋势在空间上具有区域差异：小雨东北地区204个站有191个站降水呈下降趋势，其中通过置信度90%及以上显著性检验的站有88个，即东北地区整体呈显著减少趋势。辽宁降水减少最显著，50个站均呈下降趋势，其中37个站通过置信度90%及以上显著性检验。内蒙古紧随其后，减少亦显著。中雨则吉林和辽宁降水显著减少。大雨上升趋势的站点数达64个，其中29个在黑龙江地区。辽宁、吉林和内蒙古降水减少趋势均不显著。暴雨则有超过60%的站是上升趋势，但不显著，其中黑龙江上升的站比下降的站多一倍，黑龙江以上升趋势为主。

(3) 两类厄尔尼诺事件次年盛夏东北地区降水距平分布大部分地区截然相反。EP型厄尔尼诺次年盛夏，降水距平呈东西反相分布。辽宁降水偏多，吉林呈西北—东南降水反相分布，西北偏多，东南偏少，内蒙古降水整体偏多，黑龙江整体偏少，且局部地区显著偏少。CP型则为南北反相分布，辽宁降水亦偏多，且多于EP型，吉林则变为南北反相分布，南部偏多，北部偏少。黑龙江整体偏多，内蒙古整体偏少，且局部显著偏少。考虑到两类厄尔尼诺次年盛夏东北地区降水距平分布大部分截然相反的情况，因此可以利用ENSO作为一种预测因子，提前预测东北地区次年盛夏降水情况。EP型厄尔尼诺事件次年盛夏出现了弱的负P-J遥相关，导致西太平洋副高位置偏西，来自西太平洋的暖湿气流输送到东北地区的途径偏西，但强度较强，东北地区西部有强烈的上升运动，高低空有与之相应的强烈的抽吸作，有利于水汽垂直向上输送产生降水，东部则正相反，有强烈的下沉运动，且高低空配置不利于水汽垂直输送，降水减少。因此形成降水距平东西反相分布。尽管CP型厄尔尼诺次年盛夏副热带高压位置偏北偏东，有利于黄海海域暖湿气流沿副热带高压边缘进入东北地区南部，但东北地区局地上升或下沉运动均不强烈。