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，國內外學術研究的前沿和熱點問題主要集中在因氣溫變暖引起的水文循環及其時空特征的變化研究[1]。氣候的變暖使得區域降水特征出現了較為明顯的改變，從而明顯影響著區域水資源的時空分布，而水文氣象災害的發生頻率及其對人類健康、環境、生態的影響強度呈明顯的增加趨勢，并逐漸引起國內外學者的高度重視。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七大河流之一。近年來，流域水資源的利用效率和時空分布狀況受降水時空分布的不不均衡影響已發生明顯改變。據統計，遼河流域年降水量的80%主要集中在4—9月份，而在其他時期的降水量極少，這也是導致該區域旱澇災害頻發的關鍵。肖名忠等[2]研究認為不同分區的汛期降水模式具有一定的區域性特征，降水量存在較大差異，同時大干旱災害的發生具有全流域性的特點。

大量研究發現，海溫場波動和降水時空變化之間存在密切關聯，印度洋、熱帶大西洋和熱帶太平洋均呈現出海氣耦合的關系。國內外學者逐漸轉向對大尺度氣候因子和降水過程的相關性方面，如Zhou等[3]探討了中國冬季降水受ENSO、東亞東季風的單獨影響作用，認為中國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]研究認為降水天氣和降水強度的ENSO因素為引起長江流域季節降水變異的關鍵因素；Chan等[4]研究認為PDO和ENSO對年際夏季風早期降水的影響較為顯著，且二者具有聯合影響作用。然而，綜合考慮PDO、IOD、NAO以及ENSO等氣象因子和流域降水時空變化的影響及各因素穩定性的研究較少。另外，考慮降水變化趨勢的大尺度氣象指標與降水間的遙相關關系的研究較多，而對區域旱澇災害與大尺度氣候指標的影響關系的分析較少。同時，降水過程與各影響因子的穩定性、差異性的研究很少涉及，而該研究對于科學理解流域水資源管理與降水時空變化的影響，掌握氣候因子發生變化對水文循環的穩定性、區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為例，根據流域降水過程區域化特征分析了各區域降水受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降水過程的穩定性，進而對不同分區干濕狀況受不同相位下氣候因子的影響，以期為遼河流域區域性水資源管理規劃及優化配置提供一定的理論依據。

1 數據來源

1.1 流域概況

遼河流域流經河北、內蒙古、吉林和遼寧四省，總面積21.9萬km2，全長為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、蜿蜒曲折。流域屬于大陸性季風氣候，冬冷干燥漫長、夏季多雨炎熱，年均降水量在400～1100mm范圍。由于獨特的地理特征和環境氣候，降水具有顯著的區域性與季節性特征，不同時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降雨的形式出現。在空間分布上，平原地區相對于高山地較低，東南部與渤海相鄰水源面積較大且降水量較為充足，西北區域降水較少并且風沙干旱現象較為頻繁。近年來，隨著我國城鎮化與經濟社會的快速發展，區域人口規模與密集度迅速增大，生態、農業、工業等行業需水量急劇增加，遼河流域水資源供需矛盾持續緊張，水生態環境惡化與水污染問題日趨突出[5- 9]。

1.2 數據資料

以遼河流域1980—2016年58個代表性氣象站的日降水觀測數據作為本研究的數據來源，根據遼河流域80%年降水量集中在4—9月的實際情況，選擇此期間作為濕季，其他時段為干季。為避免在兩年內發生同一干旱事件的出現，研究時段確定為每年的4月～次年3月，即流域濕季開始至干季結束作為一個水文年。

本文所采用的PDO因子是指洋表面月溫度距平主成分，數據來源于NOAA；IOD指標是指印度洋東部和西部區域的表層海溫距平之差，數據來源于JAMSTEC平臺；NAO氣候指標是指冰島和亞速爾群島的標準化海平面氣壓差，數據由NOAA網絡提供；ENSO指標是指厄爾尼諾區域的海水表面溫度距平，數據來源于NOAA網絡，各指標數據均由權威機構提供。遼河流域1980年4月～2016年3月的逐月氣象數據為各參數值的初始來源，選擇月氣候指標均值作為每年的氣候指標。為了對遼河流域干濕狀況受不同相位下各氣候指標影響的差異性分析，對IOD、NAO和ENSO的相位以冷、暖時期來劃分，即各氣候指標的冷、暖位相分別與各氣候指標冷暖時期或時間的年份項對應。結合現有研究成果，將處于冷暖時期或事件的各年份氣候指標進行提取，結果如圖1所示。

2 研究方法

2.1 降水一致性分區

考慮到西南季風和東南季風對遼河流域降水的影響作用，不同區域降水影響因素存在一定差異，因此有必要區域化分析遼河流域降水一致性。在探討不確定性類別時模糊聚類法可以構造相應的樣本，更加客觀、真實的反映待評價對象的實際狀況。目前，應用較為廣泛的FCM模糊均值聚類算法，具有能夠處理大數據集、收斂速度快且計算簡單等優點。因此，本文對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介紹其計算過程，具體算法詳見文獻[10]。

2.2 氣候指標與降水的遙相關關系

根據不同時間尺度降水與各氣候指標之間的皮爾遜相關系數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，進而檢驗各指標的顯著性特征。根據臨界值檢驗標準，相關系數絕對值在自由度為51時不小于0.23，其顯著性水平達到90%。考慮到遼河流域下一年和當年降水受每年氣候指標影響的情況，需要對流域干濕季降水和年降水受當年及其前一年氣候指標的影響進行分析。本文中當前及前一年降水的氣候指標分別采用后綴為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數據的趨勢影響，從而去除線性平均的變化趨勢。設定1981年作為起始年，間隔為20a，計算步長為5a，計算分析了滑動相關系數和顯著性水平，探討了遼河流域降水受各氣候指標的影響平穩性特征。

2.3 遼河流域干濕狀況變化特征

通常情況下，可設定3、6、9、12個月為SPI的時間尺度，根據遼河流域年內具有的顯著性干、濕季變化特征，且持續時間約為6個月，為更加客觀、準確的反映流域干濕狀況設定SPI時間尺度為6個月。根據McKee等[11]提出的旱澇等級標準將流域干濕狀況劃分為8個等級，各等級下SPI取值范圍見表1。選擇SPI值小于-0.5或大于0.5時，作為流域處于干旱與濕潤狀態的判別標準，進而對遼河流域各區干濕狀況受不同相位下各氣候指標的影響差異性進行研究分析。

表1 不同旱澇程度下SPI取值范圍

3 結果分析

3.1 遼河流域降水分區

遼河流域降水分布模式在不同區域內存在一定差異，為反映各站點的降水屬性采用流域內58個站點的降水量變差系數表征。對1981—2016年期間各氣象站點的月降水總量分別進行計算，然后將相同月份的降水量組成時間序列并計算確定相應的變差系數。根據遼河流域的地形特點、各站點的地理位置及模糊聚類分析法，將流域劃分為5個區域，分別標記為Ⅰ～Ⅴ個降水分區，分別代表遼河流域西南區、西北區、中部、東南區、東北區。

3.2 各季降雨與干濕變化的關系

(1)氣候指標與年降水之間的皮爾遜相關關系。通過研究表明，遼河流域年降水量受IOD指標的影響最為顯著，特別是當年IOD氣象因子的影響更加突出，而PDO、ENSO因子的影響程度最小，該評價結果與Niu等[12]相關結論保持一致。有研究認為，對遼河流域出現極端降水事件產生顯著影響的關鍵因素主要有南方濤動指數SOI和PDI因子[13]?？梢?，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。從時間特征的角度分析，當年的PDO、IOD、ENSO和前一年的PDO、NAO與遼河流域各區年降水存在正相關性，而當年的NAO和前一年的IOD、ENSO存在負相關性。因此，除了PDO氣候指標外其他3類因子對遼河流域下一年及當年降水的影響作用相反。從空間特征的角度分析，流域各分區降水受當年及前一年的ENSO事件的影響較為均勻；除分區Ⅲ外其他各分區受前一年NAO事件的影響較為顯著，然而遼河流域年降水量受當年NAO事件的影響較小，由此表明遼河流域區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。遼河流域各區年降水受當年及前一年IOD事件的影響都比較明顯，其中Ⅲ分區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，當年IOD時間的影響明顯。各區年降水受前一年PDO事件的影響較小，除分區Ⅱ西部外當年的PDO事件對其他地區的影響較低。

(2)氣候指標與濕季降水之間的皮爾遜相關關系。NAO對遼河流域濕季降水的影響較為明顯，且前一年和當年NAO與流域濕季降水之間分別存在正相關、負相關特征。本文對年平均NAO指標值的研究與冬季NAO指標存在較大差異，實踐表明我國北方地區的濕季降水受前期冬季NAO指標和前一年的年平均NAO指標的影響基本相同。從時間特征的角度分析，當年的IOD、PDO以及前一年的PDO、NAO、ENSO與遼河流域各區濕季降水之間存在正相關性，而當年的NAO、ENSO以及前一年的IOD與濕季降水存在負相關性。研究表明，除PDO氣候指標外其他3類因子對遼河流域各區下一年及當年濕季降水的影響作用相反，該計算結果與前文確定的年降水變化規律保持較好的一致性。從空間特征的角度分析，各區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分區和Ⅲ分區東北部則主要受當年ENSO時間的影響。遼河流域各區濕季降水受當年和前一年的NAO事件的影響較為明顯，其中Ⅲ分區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，而各區濕季降水受當年NAO事件的影響較為明顯。遼河流域各區濕季降水受當年及前一年IOD事件的影響較小，對于PDO流域年降水和濕季降水的影響總體類似。綜上分析，各分區受當年及前一年PDO事件的影響較低，且在空間尺度上的差異性不顯著，但是Ⅱ分區西部受當年PDO的影響較為明顯。

(3)氣候指標與干季降水之間的皮爾遜相關關系。IOD和ENSO對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，最大和最小影響區域降水差異性的事件為IOD、PDO。從時間特征的角度分析，下一年和當年的遼河流域各區干季降水受除NAO以外的其他三項指標的影響作用相反，且各因子對當年、下一年降水的影響分別呈正相關、負相關特征，這與濕季降水和年降水的變化特征存在差異。研究認為，前一年和當年ENSO事件分別與遼河流域干季降水呈正相關、負相關性，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年及前一年ENSO事件影響的顯著，且不同區域的差異性較低。流域干季降水受當年的NAO事件影響相同，而前一年的NAO影響較低。研究認為，當年及前一年NAO事件對遼河流域的干季降水呈正相關特征，該計算結果與吳炳義等研究成果保持一致。遼河流域Ⅰ、Ⅱ分區干季降水受前一年IOD事件的影響較為明顯，而Ⅱ、Ⅴ分區主要受當年IOD的影響。對于PDO事件，遼河流域各區干季降水受當年及前一年PDO的影響均較低。綜上所述，相對于年降水和濕季降水遼河流域干季降水受各氣候指標的影響更加明顯。

3.3 各季干旱變化影響的穩定性

本次研究選擇1981年作為起始年，時間步長設定為5a，年際間隔為20a，對不同時期氣候指標和遼河流域降水的相關系數進行計算分析。遼河流域各區干季降水和年降水的時間受各氣候指標影響的穩定性可通過滑動相關系數反映，這對于考慮各氣候指標與流域降水關系的中長期預測流域降水十分重要[14- 17]。

(1)前一年氣候指標與年降水的滑動相關分析。研究發現，遼河流域各區年降水與前一年ENSO事件呈負相關性，且隨著時間的推移分區Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ的影響呈不斷增強趨勢。各區年降水受前一年NAO的影響呈現出顯著的非平穩性特征，總體表現出正-負-正相關轉化的特征。遼河流域各區年降水與前一年IOD時間存在負相關影響作用，且影響不穩定。在1986年以后，除Ⅴ分區外其他3分區呈穩定的負相關性。分區Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的年降水量受前一年PDO事件的影響總體呈穩定的正相關性，而對于Ⅰ、Ⅱ分區的影響不穩定。

(2)當年氣候指標與年降水的滑動相關分析。研究認為，遼河流域各區年降水平均值與當年IOD、ENSO影響事件呈正相關關系，且年降水相對于前一年各指標的影響作用更加明顯，且相對于當年ENSO事件IOD的影響作用更加顯著和穩定，區域差異性更低。當年NAO事件主要以負相關性影響流域內Ⅱ、Ⅲ分區的年降水，而對其他區域的影響存在較大的非平穩性且影響程度較弱。當年PDO事件與分區Ⅱ、Ⅰ的年降水影響分別呈正相關與負相關性，且總體表現出減弱的變化趨勢，PDO事件對其他分區的影響不穩定且影響程度較小。

3.4 各區干濕狀況的差異性

通過對比分析不同相位條件下遼河流域各區干旱期次數的差異性發現，對于ENSO來說，相對于冷期出現的次數遼河流域各區干旱期次數呈明顯的增加趨勢，且在分區Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ內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生概率，且在不同區域存在一定差異；在NAO冷期情況下，發生較大干旱概率的區域為Ⅴ分區和Ⅰ分區的細部，分區Ⅱ、Ⅲ發生干旱的概率在處于NAO暖期時較大。在IOD冷期時遼河流域發生干旱的概率較IOD暖期時更大，且干旱易發區比較集中。研究認為，遼河流域1981—2016年IOD冷期中，分區Ⅰ、Ⅱ的大部分范圍發生干旱的概率普遍大于35%，局部地區大于50%。遼河流域各區干旱狀況受PDO不同相位的影響存在非常大的差異性。遼河流域各分區出現干旱期的概率在PDO冷期時普遍比較大，而在PDO暖期時比較容易出現干旱期的只有Ⅲ分區。綜上所述，相對于各氣候指標相位，遼河流域出現干旱期的概率在PDO或IOD冷期、NAO和ENSO暖期時的概率更大。

根據不同相位條件下遼河流域各區濕潤期次數的差異性計算結果可知，相對于冷期而言遼河流域各區暖期出現濕潤器的次數表現出逐漸增大的趨勢，對于各區濕潤狀態IOD相位條件的影響差異性顯著。通過對比發現，遼河流域暖期發生的概率在IOD、ENSO相位條件下普遍較大，大部分地區超過35%，其中分區Ⅰ、Ⅱ的發生概率大于40%。在空間分布上NAO暖期內遼河流域濕潤期的發生概率更加均勻，而在冷期內各氣候指標出現濕潤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。綜合對比各氣候指標可知，相對于其他三種氣候指標PDO暖期出現濕潤期的概率空間差異性比較顯著。

4 結論

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

(2)對遼河流域干季、濕季和年降水未來變化標識性指標可根據與降水具有較好平穩性與相關的原則篩選，其中ENSO、NAO和IOD指標為最優指標，且相對于下一年降水各氣候指標的對當年降水的影響更加穩定。

(3)通過研究大尺度氣候指標PDO、IOD、NAO和NESO與流域降水之間的影響關系，可為提高遼河流域旱澇災害預測和中長期降水預測提供一定參考，進而為增強人類適應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。