遼寧省降水資源的時空變化及分布特征

郭宗凱，郭 飛，王 一，李 琳，朱明宇，孔 瑜

(1.遼寧省氣象裝備保障中心，遼寧 沈陽 110166； 2.沈陽師范大學 外語部，遼寧 沈陽 110166)

氣候變化對全球水資源的影響隨著流域及地理分布的不同呈不同的變化特征，氣候變化直接影響水資源及生態環境安全，關系到國家及地區經濟社會的發展[1-3]。全球氣候變暖[4]使降水在區域時空分布上出現新的格局與波動[5-7]。大氣降水是水資源的重要組成部分，是人類用水的主要來源，因此研究降水資源時空變化對社會經濟發展，保障糧食生產安全，水資源利用等具有重要意義。降水隨著時間變化的規律性日益受到關注[8]。唐紅玉等[9]研究表明，三江源地區1956-2004年降水量呈減少趨勢。刁軍等[10]報道，沈陽地區1951-2010年降水量呈弱減少趨勢。曾麗紅等[11]研究表明，吉林省1960-2008年降水減少的區域大于降水增加的區域。任利利等[12]報道，1960-2011年漢江上游降水量差異呈明顯的區域分布特征。黃秋霞等[13-17]研究認為，隨著時間推移降水量存在非線性突變現象，線性與周期性變化相對穩定，不同地區存在較大差異。可見，降水量受地形地勢經緯度及流域的影響存在明顯的空間差異。為此，選擇1960-2019年遼寧省大氣降水資料，研究其降水資源的時空分布及變化特征，以期為遼寧省大氣降水資源的合理規劃與利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

遼寧省位于東北地區的南部(E118°53'～125°46'，N38°43'～43°26')，全省陸地總面積14.8萬km2，占全國陸地總面積的1.5%。遼寧呈馬蹄形，東部山地，西部為丘陵，中部遼河平原及南部沿海平原。境內主要水系有遼河、渾河、大凌河、太子河、繞陽河及中朝兩國界河鴨綠江等，中型河流有45條。遼寧屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同季，日照豐富。年均日照時數2 000～3 000 h，年均氣溫5.1～12.4℃，年降水量440～1 085 mm，東、西差異較大，無霜期平均150 d左右。

1.2 材料

遼寧省62個國家級自動氣象基準站大氣日降水量資料來源于遼寧氣象信息服務中心，分別統計了1960-2019年歷年各月、季和年降水量。

1.3 方法

1.3.1 四季劃分 采用常規方法進行劃分，春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12月至翌年2月。

1.3.2 指標分析 1960-2019年遼寧省年、季降水量區域分布情況及特征參照文獻[18]的方法，采用Surfer制圖分析；年、季降水量隨時間序列相對穩定線性變化趨勢，參照文獻[19]的方法，采用傾向率方法分析；降水量的非線性變化現象與特征，參照文獻[20]的方法，利用Mann-Kendall突變檢驗方法進行分析。

2 結果與分析

2.1 降水量及傾向率的空間分布

2.1.1 年降水量與傾向率 從圖1看出，1960-2019年遼寧省年降水量和傾向率空間分布的變化。

1) 年降水量。各地年降水量平均為440.9～1 084.9 mm，由西向東呈逐漸增大趨勢。高值中心位于遼寧東部山區的鳳城、寬甸、丹東和東港一帶，歷年平均降水量在900.0 mm以上，最大值出現在1985年的寬甸縣，為1 692.3 mm。低值中心位于遼寧西北部丘陵區的阜新、彰武、建平、北票、朝陽、葉柏壽和凌源一帶，歷年平均降水量在500.0 mm以下；最小值出現在1980年的北票市，為173.8 mm。遼寧中部平原及南部沿海包括鐵嶺東南部、沈陽、鞍山、撫順、遼陽、營口及大連地區降水量居中，為500～900 mm。原因：遼寧東部與吉林交界，位于長白山余脈、千山至龍崗山區的特殊地理環境盛行偏南風，因此降水較多[21]；遼寧西部與內蒙古接壤，位于蒙古高原南緣呈三階坡降地帶，地勢呈U字形，常有西北的冷空氣與南部的暖濕空氣在空中交匯，空中云雨在坡降的作用下加速飄過遼西地區，是造成遼西降水量少的主要原因之一[22]。

2) 傾向率。各地年降水傾向率平均為-36.88～-0.65 mm/10a，從西北至東南逐漸減小(即負值增大)，由于地理位置不同，各地降水傾向率差異很大。東部山區的鳳城、寬甸、丹東和東港一帶為降水傾向率負值中心，傾向率≤-20.00 mm/10a，降水量線性減少120 mm以上，鳳城傾向率為-36.88 mm/10a，降水量線性減少達221.3 mm。

遼寧西北部的鐵嶺、阜新、朝陽、錦州、葫蘆島北部和沈陽西部，降水傾向率≥-10.00 mm/10a，降水量線性減少60.0 mm以下，彰武降水傾向率僅為-0.65 mm/10a。遼河平原的東部及沿海地帶降水傾向率為-20.00～-10.00 mm/10a，降水量線性減少60～120.0 mm。可見，遼寧東部山區降水量豐厚地區其減少速率最高，西北部降水量匱乏區其減少速率較低。

2.1.2 四季降水量及傾向率 從圖2可看出1960-2019年遼寧省春、夏、秋、冬四季降水量空間分布的變化。

1) 春季。各地(彰武-丹東)降水量平均為67.3～148.6 mm，從東至西呈逐漸遞減趨勢。高值中心位于東部摩離紅山及本溪的摩天嶺以東，包括本溪和丹東等地，平均降水量達142.6 mm，最大值出現在2007年的丹東市，為310.0 mm。低值中心位于西北部丘陵區的朝陽、葫蘆島及阜新一帶，平均降水量為67.4 mm；最小值出現在1980年的彰武縣，為12.0 mm。中部平原區包括鐵嶺、沈陽、遼陽、鞍山及南部沿海的營口、盤錦和大連，其降水量為70.0～100.0 mm，各地降水均呈增加趨勢，傾向率(海城-丹東)為0.58～9.06 mm/10a；以東部懷仁、新賓、撫順和中南部海城、盤錦降水量變化傾向率最小。東南部沿海降水傾向率平均為6.93 mm/10a，降水量線性增加41.6 mm。中南部平原區以海城為中心以及東部山區新賓、桓仁降水傾向率平均為1.66 mm/10a，降水量線性增加10.0 mm左右。遼西及遼河上游降水傾向率為3.00～6.00 mm/10a，降水量線性增加18～36 mm。

2) 夏季。各地(北票-寬甸)降水量平均為296.1～709.7 mm，東南至西北呈逐漸遞減趨勢。高值中心位于遼東山區本溪摩天嶺以東地區，包括桓仁、寬甸和丹東一帶，平均降水量在670.8 mm以上，最大值出現在1985年的寬甸縣，為1 378.5 mm。低值中心位于西部北票、朝陽和建平一帶，平均降水量為323.0 mm；最小值出現在1981年遼西地區的北票市，為94.6 mm。遼寧東北部、遼河平原和南部沿海地區降水量為400.0～600.0 mm，降水均呈減少趨勢，降水傾向率(鳳城-黑山)為-35.28～-0.50 mm/10a。其中，遼寧東部山區的鳳城、寬甸和岫巖降水量減少最為明顯，降水傾向率平均為-28.98 mm/10a，降水量線性減少173.9 mm。遼寧中部向北延伸，即黑山、遼中、彰武、法庫和康平一帶夏季降水量減少相對緩慢，降水傾向率平均為-2.65mm/10a，降水量線性減少15.9 mm。遼河下游以及遼西地區降水傾向率為-20.00～-10.00 mm/10a，降水量線性減少60～120 mm。

3) 秋季。各地(朝陽-鳳城)降水量平均為68.1～184.5 mm，東南至西北呈逐漸遞減趨勢。高值中心位于摩天嶺以東地區的鳳城、寬甸和丹東一帶，最大值出現在1959年的鳳城市，為422.8 mm。低值中心位于遼寧西北部的朝陽、阜新和鐵嶺一帶，最小值出現在1962年的康平縣，為12.3 mm。遼河平原中部以及南部沿海為100.0～130.0 mm。秋季降水除遼西朝陽地區呈弱增加趨勢外，其余地區均呈減少趨勢。降水傾向率(鳳城-喀左)平均為-9.14～2.22 mm/10a。東部的鳳城和寬甸降水量減少最明顯。遼河流域以及南部沿海地區秋季降水傾向率為-2.00～-7.00 mm/10a。

4) 冬季。各地(北票-鳳城)降水量平均為5.4～42.1 mm，從東南至西北呈逐漸遞減趨勢。高值中心位于摩天嶺以東的鳳城、寬甸和丹東一帶，降水量平均為38.2 mm，最大值出現在1959年的鳳城市，為139.7 mm。低值中心位于朝陽和阜新一帶，降水量平均為5.7 mm，最小值分別于1960年、1974年、1999年、2008年和2011年出現在凌海、義縣和綏中等多地，降水量均為0。東北部的鐵嶺、遼河平原及南部沿海地區降水量為10.0～30.0 mm。冬季降水量除大連地區降水量呈減少趨勢外，其余地區均呈增加趨勢。降水傾向率(旅順-西豐)為-2.30～4.45 mm/10a。大連地區冬季降水傾向率平均為-0.89 mm/10a，降水量線性減少5.3 mm；鐵嶺地區的西豐、昌圖和開原為遼寧省冬季降水量增加最多的區域，降水傾向率平均為3.31 mm/10a，降水量線性增加19.9 mm。

2.2 降水量的變化與突變年

2.2.1 年降水量的變化與突變 從圖3a看出，1960-2019年遼寧省年平均降水量為660.0 mm，具有階段性變化特點，1958-1965年、1985-1999年和2010-2019年年際間波動性較大。峰值和谷值均出現在2010年以后，2010年出現最大值，為977.6 mm；2014年出現最小值，為447.1 mm；年降水量平均極差為530.5 mm。序列總體變化呈下降趨勢，趨勢線方程為y=-0.964 4x+2 583，序列相關系數為-0.141，全省平均降水量減少趨勢不顯著(P>0.10)，氣候傾向率為-9.64 mm/10a，降水量線性減少57.9 mm。經Mann-Kendall突變檢驗(圖3b)，1965-1975年UF和UB曲線多次相交，1975年相交后UF曲線在1983年超出臨界值(u0.05=-1.96)下限，因此1975年為由多變少的突變點。1984年UF曲線位于回歸臨界值范圍內，2010-2012年UF和UB曲線再次多處相交，但UF曲線始終位于臨界值范圍內。年降水量突變后(1976-2019年)較突變前(1958-1975年)平均減少43.8 mm。

2.2.2 四季降水量的變化與突變 從表1可知1960-2019年遼寧省春、夏、秋、冬四季降水量的變化與突變年。

1) 春季。春季降水量平均為101.3 mm，占年降水量的15.0%。最大值為178.3 mm，出現在2010年；最小值為47.0 mm，出現在2001年；降水量變化幅度較大，降水傾向率為3.616 mm/10a，線性增加21.7 mm。春季降水量呈弱增加趨勢，序列相關系數為0.181，序列相關不顯著。經Mann-Kendall突變檢驗，UF和UB曲線在1959-1966年、1977-1991年、1998年以及2004年多處相交于臨界值(u0.05=±1.96)，每次相交之后UF值始終在臨界值內變化，所以春季降水量不存在突變點。當2004年UF和UB兩條曲線相交之后，降水量呈由少變多的變化過程。2005-2017年較1960-2004年降水量平均增加24.8 mm。

2) 夏季。夏季平均降水量為423.0mm，占年降水量的64.5%。最大值出現在1985年，為653.9 mm；最小值出現在2014年，為260.8 mm；降水量變化幅度小于春季，降水傾向率為-11.369 mm/10a，線性減少68.2 mm。夏季降水量總體呈減少趨勢，序列相關系數為-0.182，序列相關不顯著。經Mann-Kendall突變檢驗，UF和UB曲線相交于1968年，UF曲線從1960-1983年持續走低，并在1980-1984年超越臨界值(u0.05=-1.96)下限，因此，在1968年出現顯著的氣候突變點，突變后(1969-2019年)較突變前(1958-1968年)夏季降水量平均減少52.7 mm。

3) 秋季。秋季平均降水量為118.3 mm，占年降水量的17.5%。最大值出現在1972年，為194.8 mm；最小值出現在2018年，為61.0 mm；降水量變化幅度與春季相近，降水傾向率為-4.079 mm/10a，線性減少24.5 mm。秋季降水量總體呈減少趨勢，序列相關系數為-0.210，序列相關不顯著。經Mann-Kendall突變檢驗，UF和UB曲線相交于1994年并發生突變。突變后(1995-2019年)較突變前(1958-1994年)秋季降水量平均減少20.6 mm。

表1 1960-2019年省春、夏、秋、冬四季降水量與突變年

4) 冬季。冬季平均降水量為18.8 mm，占年降水量的2.8%。最大值出現在1990年，為43.3 mm；最小值出現在2011年，為4.6 mm；降水量離散度大于其余各季，降水傾向率為0.785 mm/10a，線性增加4.7 mm。冬季降水呈弱增加趨勢，序列相關系數為0.139，序列相關不顯著。經Mann-Kendall檢驗，UF和UB曲線于1964年和2009-2014年多次相交，但UF曲線始終在臨界值(u0.05=±1.96)范圍內波動，冬季降水量突變點不顯著。

3 結論與討論

中國是典型的季風氣候，受西太平洋副熱帶高壓作用下形成了夏季的東南季風，副熱帶高壓對歐亞天氣形勢影響非常巨大，夏季副熱帶高壓和赤道低壓隨著太陽直射點的北移而向北移動，隨著海洋季風給大陸帶來大量的水汽。從大氣環流形式看，副熱帶高壓3-4月開始影響珠江流域一帶，5-7月影響長江流域，8-10月影響東北和華北[23-27]。西太平洋副熱帶高壓的變化是中國大陸夏季高溫多雨的主要原因，正常環流形式風調雨順，副熱帶高壓若偏南、偏西會造成江南雨多，東北地區雨少；副熱帶高壓如果進入高緯度繼續偏北，遼寧地區降水偏少而發生干旱[28-29]。2016年6月西太平洋副熱帶高壓強度較常年同期面積偏大、強度偏強；全國降水量偏多[24]。2017年西太平洋副熱帶高壓強度較常年偏弱，中國南方地區降水偏多，部分地區暴雨較多，東北和華北等地降水偏少，干旱持續時間較長[30]。2018年6月西太平洋副熱帶高壓位置偏東于日本海，強度略偏強，中國降水量偏少狀態，而遼寧、內蒙古和河北北部發生持續干旱[31]。2019年，春季西太平洋副熱帶高壓在低緯度異常偏強、偏西及偏南，造成氣溫偏高和降水空間分布不均導致旱澇災害并存[32]；夏季前期西太平洋副熱帶高壓位置明顯偏南，使江南多雨，東北地區雨少，但在夏季后期，副熱帶高壓迅速向北移動，雨帶從江南快速轉移到北方地區[33]；6月西太平洋副熱帶高壓偏南略偏強，全國降水量與常年同期持平，南方暴雨增多，東北、華北、黃淮和云南等地高溫少雨[34]。

高值中心位于遼寧東部山區的鳳城、寬甸、丹東和東港一帶，歷年平均降水量在900.0 mm以上，最大值出現在1985年的寬甸縣，為1 692.3 mm。低值中心位于遼寧西北部丘陵區的阜新、彰武、建平、北票、朝陽、葉柏壽和凌源一帶，歷年平均降水量在500.0 mm以下；最小值出現在1980年的北票市，為173.8 mm。

遼寧省年降水資源呈東南多和西北少的分布特點，與孫鳳華等[6]對遼寧降水資源分析的結果相一致。年降水量空間差異較大，降水高值中心位于遼寧東部山區的鳳城、寬甸、丹東和東港一帶，低值中心位于遼寧西北部丘陵區的阜新、彰武、建平、北票、朝陽、葉柏壽和凌源一帶，相差2.05倍。從不同季節看，春夏秋冬四季降水的空間分布特點與年降水分布特點呈一致性。春季本溪和丹東降水最多，朝陽和北票最少，相差2.12倍；夏季桓仁、寬甸和丹東降水最多，北票、朝陽和凌源降水最少，相差2.08倍；秋季鳳城、寬甸和丹東降水最多，朝陽和阜新最少，相差2.53倍；冬季鳳城、寬甸和丹東降水最多，朝陽和阜新較少，相差6.70倍。

遼寧省年降水資源總量呈減少趨勢，降水傾向率為-36.88～-0.65 mm/10a。東部丹東地區降水量減少最明顯，降水傾向率≤-20.00 mm/10a；西北部阜新和朝陽降水量減少不明顯，降水傾向率≥-5.00 mm/10a。在不同季節，春季降水呈增加趨勢，中部平原傾向率大于南、北兩側，變化在0.58～9.06 mm/10a；夏季降水量呈減少趨勢，降水傾向率為-35.28～-0.50 mm/10a，與年降水量變化一致；秋季除遼西朝陽地區降水量增加外，其余各地降水量呈減少趨勢，降水傾向率為-9.14～2.22 mm/10a；冬季除遼南大連地區降水量呈減少趨勢外，其余各地降水量呈增加趨勢，降水傾向率為-2.30～4.45 mm/10a。

遼寧年平均降水量線性變化呈不顯著減少趨勢，與孫鳳華等[6,10,22]對遼寧中部、西部降水年際變化研究結果一致，遼寧東部的岫巖、鳳城和皮口年降水量呈顯著減少趨勢(P<0.05)。從四季變化看，全省春季降水呈不顯著的弱增加趨勢，其中西部的朝陽、東部的丹東降水量呈顯著增加趨勢(P<0.05)；夏季降水呈減少趨勢(P<0.05)，其中熊岳、岫巖、鳳城、皮口和莊河降水量呈顯著減少趨勢(P<0.05)；秋季降水量減少趨勢不顯著，其中遼北的昌圖、法庫和西豐降水量呈顯著減少趨勢(P<0.05)；冬季降水呈不顯著弱增加趨勢，其中大連地區冬季降水量呈減少趨勢，且皮口和旅順冬季降水量呈顯著減少(P<0.05)。

遼寧省年降水量突變顯著，突變點出現在1975年，突變點前后年降水量平均減少43.8 mm。從四季看，春季降水突變在2004年，由少變多，突變后平均增加24.8 mm；夏季降水量突變在1975年，由多變少，突變之后平均減少52.7 mm。秋季降水量突變在2004年，由多變少，突變后平均減少20.6 mm；冬季降水量無突變點，變化趨于平穩。

遼寧大氣降水資源在空間分布上，從大田農作物耗水量(522～622 mm)[22]看，東部山區降水資源豐富，易發生澇災；而西部丘陵區降水資源匱乏，易發生干旱災害；遼河平原降水資源基本符合農作物耗水的要求。由于降水資源在年際變化上存在較大的波動性，所以遼寧中部和西部地區發生干旱的概率相對較高[35-36]。從研究結果看，遼寧大氣降水資源總體呈減少趨勢，在時間尺度上夏季降水資源減少最為明顯，在空間分布上，遼東和遼南地區降水資源減少最明顯。隨著降水量的減少，未來水資源供需矛盾愈加突出，遼寧西、北地區干旱強度與頻率增大，東、南地區干旱頻率增大，降水資源的減少使地方工農業經濟的發展受到一定限制。