1961—2010年东北地区汛期极端降水的非均匀性特征

杨素英，陆其峰，鞠晓慧，赵秀勇，许潇锋

(1.南京信息工程大学中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室，江苏南京210044;2.国家卫星气象中心，北京100081;3.国家气象信息中心，北京100081;4.国电环境保护研究院，江苏南京210031)

1961—2010年东北地区汛期极端降水的非均匀性特征

杨素英1，陆其峰2，鞠晓慧3，赵秀勇4，许潇锋1

(1.南京信息工程大学中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室，江苏南京210044;2.国家卫星气象中心，北京100081;3.国家气象信息中心，北京100081;4.国电环境保护研究院，江苏南京210031)

利用东北地区91站1961—2010年逐日降水资料，讨论东北地区汛期极端降水量的非均匀性分布特征。结果表明，东北地区极端降水量呈现由南向北逐渐减少的分布特征;极端降水主要集中出现在7月，东北地区中部极端降水出现相对比较分散，东北东部、北部、西部和南部出现比较集中;东北地区汛期纬度偏低地区极端降水量偏多，极端降水发生较晚，且较为集中，纬度偏高地区则反之。汛期极端降水量与集中度存在显著的负相关关系，即汛期极端降水量越多，极端降水越集中，特别是嫩江、松花江流域。

东北地区;极端降水;集中期;集中度

0 引言

极端气候事件是小概率事件，具有突发性强、损害性大的特点，是造成自然灾害的重要原因之一，目前对于其气候变化规律的认识还不足，所以极端气候事件的变化越来越引起了广泛关注(杨金虎等，2007)。作为极端气候事件之一的极端降水事件，常常与洪涝灾害联系在一起，同样会对自然环境和人们生活造成严重影响。近50 a该领域科学家对降水有关的极端事件的变化研究结果表明，在过去几十年中，北半球中、高纬度地区极端降水事件的频率平均上升了2%～4%。在全球变暖背景下，总降水量增大的区域、强降水和强降水事件都极有可能以更大比例增加。平均总降水减少区域、强降水量及其降水频数也在增加(Karl and Knight，1998;Buffoni et al.，1999;Stone et al.，1999;Yamamoto and Sakurai，1999;IPCC，2001;Manton et al.，2001)。中国总降水量变化趋势不明显，但降水强度在增强(翟盘茂和潘晓华，2003)，极端降水事件发生的频率也在增加，并具有明显的区域性(刘小宁等，2002;秦大河等，2006)。因此从极端降水有关的研究结果反映出极端降水事件具有显著的局地性。

近年的资料表明，由于降水的时空分布不均，东北区持续性暴雨、洪涝等气候灾害频繁发生，严重洪涝灾害的发生频次在全国位于前列，给当地国民经济特别是农业生产以及生态环境等带来较大损失，1995年松辽流域和1998年松嫩流域发生的特大洪涝灾害所造成的直接经济损失就高达千亿元人民币(杨素英等，2008)。虽然东北地区平均降水量对洪涝具有一定的影响，但对于区域性洪涝来说，一般都是由极端降水所引起的。

尽管关于东北地区极端降水事件的研究已做了不少工作，但以往的研究主要集中于强度和频率的变化趋势上(孙凤华等，2006;杨素英等，2008)，而对于年内非均匀分布特征的分析未曾涉猎。Zhang and Qian(2003)提出了集中度和集中期指标，该指标是度量降水年内非均匀分配的方法，很好地反映了年总降水量年内非均匀分配特性。本文对近50 a来汛期极端降水量及其集中期和集中度时空特征进行深入分析，给出极端降水量年内非均匀性分配特征，为进一步研究东北洪涝灾害的成因奠定基础，研究结果对东北地区短期气候预测和防灾减灾有一定意义。

1 资料和方法

1.1 资料

所选资料为中国国家气象中心提供的东北地区91个国家常规气象观测站1961年1月至2010年12月逐日降水资料，其中东北地区包括辽宁、吉林、黑龙江三省的全部，内蒙古自治区东部的呼伦贝尔盟、兴安盟、哲里木盟(通辽市)和赤峰市;东北地区主要水系包括黑龙江、松花江、乌苏里江、嫩江、辽河以及额尔古纳河。

1.2 极端降水事件阈值的确定方法

根据每一个测站的日降水量定义东北地区极端降水事件的阈值。其具体方法是把1961—1990年逐年的日降水量序列的第99个百分位值的30 a平均值定义为极端降水事件的阈值，当某站某日降水量超过极端降水事件的阈值时，就称之为一个极端降水事件(翟盘茂和潘晓华，2003)。东北地区极端降水的阈值的空间分布如图1所示。

图1 东北地区降水极值阈值的空间分布Fig.1 Spatial distribution of precipitation extreme threshold in Northeast China

1.3 极端降水量集中度与集中期的定义

通过引进Zhang and Qian(2003)定义的表征单站降水量季节内分配特征的新参数——降水集中度和集中期来分析汛期极端降水量的季节内分配特征(杨金虎等，2007;张天宇等，2007;张文等，2008)。

式中:Ci和Di分别为研究时段内的极端降水量的集中度和集中期;cosθj;Ri为某测站研究时段内总极端降水量;rij为研究时段内某候极端降水量;θj为研究时段内各候对应的方位角(整个研究时段的方位角设为360°)，i为年份(i=1961，1962，…，2010)，j为研究时段内的候序(j=1，2，…，N);x，y指矢量分解后相互垂直的两个方向。由式(1)和(2)可知，Ci能够反映汛期极端降水在各候的集中程度，如果汛期极端降水集中在某一个候，则它们合成向量的模与总极端降水量之比为1，即Ci为极大值;如果每个候的极端降水量都相等，则它们各个分量累加后为0，Ci即为极小值。就是合成向量的方位角，它指示出每个候极端降水量合成后的总体效应，也就是向量合成后重心所指示的角度，反映了汛期候极端降水量最大出现在哪一个时段内，表1给出了集中期与候的具体对应关系。从以上的原理可以看出，极端降水量集中度与集中期(以下简称为集中度和集中期)包含了汛期极端降水的非均匀分配信息。东北地区6—9月发生的极端降水事件占总极端降水总数的88%，是极端降水事件集中出现的时段(杨素英等，2008)，因此本文定义东北地区的6—9月为汛期。

表1 集中期与候的对应关系Table 1 Corresponding relation between concentration period and pentad(°)

2 极端降水量及其集中度、集中期的时空特征

2.1 空间平均特征

东北地区极端降水量呈现出由南向北逐渐减少的特征。极端降水总量最大值出现在丹东地区，最大值可达240 mm，最小值出现在内蒙的东北部和黑龙江北部，数值最小在100 mm以下(图2a)。从集中期空间分布(图2b)来看，东北各站集中期为97°～165°，转化成候即为7月第2候—7月第6候，即几乎整个7月，同时东北地区全区的集中期的分布比较均匀，说明东北地区极端降水事件主要集中出现在7月。从东北地区极端降水量的集中度(图2c)可以看出，各站集中度的数值在0.5～0.7之间变化，其中东北中部数值最小，说明该区域极端降水出现相对比较分散，极端降水出现较为集中的地区主要分布在东北东部、北部、西部和南部，最大值中心出现在新巴尔虎左旗附近、巴林附近。

图2 东北地区1961—2010年平均汛期极端降水量(a;mm)及其集中期(b;(°))和集中度(c)的空间分布Fig.2 Spatial distribution of(a)extreme precipitation(mm)，(b)concentration period(°)and(c)concentration degree in flood period during 1961 and 2010 in Northeast China

2.2 时间演变特征

图3给出了东北地区汛期极端降水量及其集中期和集中度区域平均的逐年变化，其中极端降水量(图3a)近50 a总体上线性趋势不显著，其中20世纪60、70年代极端降水量处于偏少阶段，以1976年为代表，仅为80 mm，80、90年代则处于偏多阶段，以1994年最为显著，可达240 mm，但是到了21世纪初的10 a里极端降水量又处于偏少阶段，但是逐年的变化不是很剧烈，比较稳定。而极端降水量的集中期(图3b)近50 a来线性变化趋势不明显，其中1974、1996年为历年最晚，集中期为185°，即8月第1候;2000年为历年最早，集中期为65°，即6月第6候。最大值和最小值相差达1个月，变幅较大。图3c给出的是东北地区极端降水量的集中度的50 a的逐年变化曲线，集中度50 a来总体变化趋势不显著，呈现出阶段性的变化特征，其中20世纪60年代至80年代中期之前集中度处于偏高阶段，80年代中期之后至90年代处于偏小阶段，21世纪初10 a又处于偏高阶段。2001年汛期极端降水最为集中，集中度为0.78;1964、1996年最为分散，集中度为0.5左右。

图3 1961—2010年东北地区汛期极端降水量(a;mm)及其集中期(b;(°))和集中度(c)的逐年变化Fig.3 Annual variability of(a)extreme precipitation(mm)，(b)concentration period(°)and(c)concentration degree in flood period during 1961 and 2010 in Northeast China

2.3 极端降水量的集中度、集中期的经纬向分布

由前面的空间分布可以看出，东北地区汛期极端降水量及其集中期和集中度存在一定的区域差异。下面统计不同经度带和不同纬度带内，极端降水及其集中期和集中度的特征。在间隔取为2°的不同带状区域内的站点，统计发生极端降水的总站次、极端降水量及其集中期和集中度。东北地区极端降水经向主要集中在120～126°E之间(图4a)，纬向则主要分布在40～46°N之间(图4b)。因此极端降水事件发生在这些范围内也往往相对偏多。从极端降水量及其集中期、集中度的经纬向分布(图4c、d)可以看出，东北地区极端降水量的大值区位于120～124°E、38～40°N之间，即辽东半岛附近。集中期的经纬向分布特征表现为随经度的增加集中期呈现由小变大再变小的波动变化特征，东北偏西地区极端降水发生较早，最小值为120°，即7月第2候，发生较晚的经度在120°E和128°E以东地区，这些地区极端降水发生在7月第5候。东北西部地区极端降水出现相对其他地区来说，最为集中，中部相对分散，东部又趋于集中。它们的纬向分布均基本呈现出随纬度增加而减少的特征，即纬度偏低地区极端降水量大，纬度偏高地区极端降水量偏低，纬度偏低地区极端降水发生较晚，出现较为集中，中部和北部极端降水出现较早(7月第2候)，出现较分散(集中度数值偏低)。综合图4c和d可以看出，东北地区的中南部地区极端降水量大，出现比较集中，该地区水系发达，有辽河水域，因此易引发洪涝灾害，需要予以关注。

2.4 极端降水量与集中度、集中期的关系

图4 站点数(a，b)、极端降水量及其集中期、集中度(c，d)的经向(a，c)和纬向(b，d)分布Fig.4 (a，c)Meridional and(b，d)zonal distribution of(a，b)the number of stations and(c，d)extreme precipitation amount，concentration period and concentration degree

为了探讨东北地区汛期极端降水量与其集中度、集中期的相关关系，首先计算了该区区域平均集中度、集中期和极端降水量的相关系数，集中度与极端降水量相关系数为－0.81，通过0.001信度的显著性检验;而集中期与极端降水量相关性较差，没有通过显著性检验。图5给出了各测站汛期极端降水量与集中度、集中期的相关系数，可以清楚地看出所有测站的集中度同极端降水量均呈负相关(图5b)，并且相关关系非常显著，绝大多数测站通过了0.01信度的显著性检验，嫩江、松花江流域的测站甚至可以通过0.001信度的显著性检验;而极端降水量与集中期的呈正相关关系(图5a)，但是只有内蒙东北部的海拉尔、满洲里一带相关较显著，通过了0.1信度的显著性检验，其他地区相关关系不好。由此可见，东北地区汛期极端降水量主要受集中度影响，特别是嫩江、松花江流域。

图5 1961—2010年东北地区汛期极端降水量与集中度(a)和集中期(b)的相关系数(阴影区表示通过0.1(a)和0.01(b)信度的显著性检验)Fig.5 Correlation coefficient between extreme precipitation and(a)concentration period，and(b)concentration degree(The shaded areas denote the significance at(a)90%and(b)99%confidence level)

利用合成方法分析东北地区汛期集中度、集中期异常年的极端降水量，进一步探讨其与极端降水量的关系。选取了集中度和集中期大于和小于1个标准差的年份作为异常年，由图6给出了高值年与低值年的差值场。图6a可以看出，东北全区基本上为一致的负差值，负值区中心主要集中在辽东半岛地区，极端降水量的差值超过了160 mm;内蒙东部和黑龙江东部宝清地区为负的小值区。说明东北地区极端降水集中期越大，即极端降水发生越晚，极端降水量越少，尤其是在辽东半岛地区。从集中度异常年差值场(图6b)来看，东北地区大部分地区为正差值，中心在内蒙的海拉尔、满洲里附近，最大正差值为70 mm，辽宁和吉林南部为负差值区，中心在辽宁中部。同理说明东北大部分地区汛期极端降水集中度越大，极端降水越集中，极端降水量越大，尤其是在内蒙的海拉尔等东部地区;反之亦然。以上分析表明，反映东北地区汛期极端降水量的分配状况的集中度与同期极端降水量存在较好的关系。极端降水量越多，则极端降水量越集中;反之极端降水越量越少，则极端降水量越分散;尤其是在嫩江、松花江流域最为显著。

图6 东北地区汛期极端降水集中期(a)、集中度(b)异常年极端降水量的差值场(单位:mm;高值年减低值年;阴影区表示为正差值区)Fig.6 Composited extreme precipitation anomaly field of(a)extreme precipitation concentration period and(b)extreme precipitation concentration degree in the flood period in Northeast China(difference between the years of higher and lower concentration degree and concentration period;the shaded areas denote the difference value is positive)

3 结论

1)东北地区极端降水量呈现由南向北逐渐减少的分布特征。极端降水总量最大值出现在丹东。极端降水主要集中出现在7月，东北地区中部极端降水出现相对比较分散，东北东部、北部、西部和南部出现比较集中。

2)东北地区汛期极端降水量及其集中期和集中度50 a来总体变化趋势均不显著，其中集中度20世纪60年代至80年代中期之前处于偏高阶段，80年代中期之后至90年代处于偏低阶段，21世纪初10 a又处于偏高阶段，呈现阶段性变化特征。

3)东北地区汛期纬度偏低(高)地区极端降水量偏多(少)，极端降水发生较晚(早)，且较为集中(分散)，由于该地区水系发达，有辽河水域，因此易引发洪涝灾害，需要予以关注。

4)反映东北地区汛期极端降水的极端降水量与集中度存在显著的负相关关系。东北大部分地区汛期极端降水量越多，极端降水越集中，反之极端降水量越少，则极端降水量越分散，特别是嫩江、松花江流域。

刘小宁，潘晓华，翟盘茂.2002.气候极端值的选取与分析［J］.气象，28(18):28-31.

秦大河，丁一汇，苏纪兰，等.2006.中国气候与环境演变评估(I):中国气候与环境变化及未来趋势［J］.气候变化研究进展，1(1):4-9.

孙凤华，吴志坚，杨素英.2006.东北地区近50年来极端降水和干燥事件时空演变特征［J］.生态学杂志，25(7):779-784.

杨金虎，李耀辉，王鹏祥，等.2007.中国极端强降水事件年内非均匀性特征分析［J］.自然资源学报，22(4):623-633.

杨素英，孙凤华，马建中.2008.增暖背景下中国东北地区极端降水事件的演变特征［J］.地理科学，28(2):224-228.

翟盘茂，潘晓华.2003.中国北方近50年温度和降水极端事件变化［J］.地理学报，58(增刊):1-10.

张天宇，程炳岩，王记芳，等.2007.华北雨季降水集中度和集中期的时空变化特征［J］.高原气象，26(4):843-853.

张文，张天宇，刘剑.2008.东北降水过程年集中度和集中期的时空变化特征［J］.南京气象学院学报，31(3):403-410.

Buffoni L，Maugeri M，Nanni T.1999.Precipitation in Italy from 1833 to 1996［J］.Theor Appl Climatol，63:33-40;417-425.

IPCC.2001.Climate change 2001:The science of climate change［R］.Cambridge:Cambridge UniversityPress:156-159.

Karl T R，Knight R W.1998.Secular trends of precipitation amount，frequency，and intensity in the USA［J］.Bull Amer Meteor Soc，79:231-241.

Manton M J，Della-Marta P M，Haylock M R，et al.2001.Trends in extreme daily rainfall and temperature in Southeast Asia and the South Pacific:1961—1998［J］.Int J Climatology，21:269-284.

Stone D A，Weaver A J，Zwiers F W.1999.Trends in Canadian precipitation intensity［J］.Atmos Ocean，2:321-347.

Yamamoto R，Sakurai Y.1999.Long-term intensification of extremely heavy rainfall intensity in recent 100 years［J］.Water Resource Res，11:271-281.

Zhang Lujun，Qian Yongfu.2003.Annual distribution features of precipitation in China and their interannual variations［J］.Acta Meteor Sinica，2003，17(2):146-163.

The non-uniformity characteristic of extreme precipitation in Northeast China during the flood period during 1961—2010

YANG Su-ying1，LU Qi-feng2，JU Xiao-hui3，ZHAO Xiu-yong4，XU Xiao-feng1

(1.Key Laboratory for Atmospheric Physics and Environment of China Meteorological Administration，NUIST，Nanjing 210044，China;2.National Satellite Meteorological Center，Beijing 100081，China;3.National Meteorological Information Center，Beijing 100081，China;4.State Power Environmental Protection Research Institute，Nanjing 210031，China)

Based on daily precipitation data from 91 stations in Northeast China during the flood period from 1961 to 2010，the non-uniformity characteristic of extreme precipitation is analyzed.The main results are summarized as follows:the extreme precipitation amount gradually decreases from south to north and extreme precipitation mainly occurs in July;the extreme precipitation in central northeast is relatively dispersed whereas that in other areas is more concentrated;extreme precipitation amount of the lower-latitude regions is above the normal value and extreme precipitation occurs later and more intensively while it is the opposite situation in higher-latitude regions;there is a significant negative correlation between the amount and the concentration degree of extreme precipitation，which means the larger the extreme precipitation amount is，the more concentrated the extreme precipitation is，especially in the valley of Nen River and Songhua River.

Northeast China;extreme precipitation;concentration period;concentration degree

P426

A

1674-7097(2011)06-0756-07

2011-03-16;改回日期:2011-07-17

公益性行业(气象)科研专项(GYHY(QX)201006036);国家自然科学基金资助项目(41105096);南京信息工程大学校科研基金(20090218)

杨素英(1975—)，女，辽宁葫芦岛人，博士，讲师，研究方向为气溶胶间接气候效应，yangsuying75@gmail.com;陆其峰(通信作者)，男，江苏淮阴人，副研究员，研究方向为气象卫星资料同化，luqf@cma.gov.cn.

杨素英，陆其峰，鞠晓慧，等.2011.1961—2010年东北地区汛期极端降水的非均匀性特征［J］.大气科学学报，34(6):756-762.

Yang Su-ying，Lu Qi-feng，Ju Xiao-hui，et al.2011.The non-uniformity characteristic of extreme precipitation in Northeast China during the flood period during 1961—2010［J］.Trans Atmos Sci，34(6):756-762.

(责任编辑:张福颖)