辽宁夏季干旱特征及其与太阳黑子的关系

胡春丽，焦 敏，林 蓉，李 辑，王 婷

（1.辽宁省生态气象和卫星遥感中心，辽宁 沈阳110166；2.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳110166）

辽宁省是我国重要的商品粮基地之一，对全国粮食总产量的贡献不容忽视。在全球气候变暖背景下，辽宁省低温、旱涝、台风暴雨等气象灾害频发，干旱是众多气象灾害中影响范围最大、农业生产造成损失最严重的灾害。 辽宁省在1997、1999、2000、2009、2014、2015 年夏季均遭遇全省性干旱，对工农业生产及国民经济发展造成较大影响。其中，2014年干旱事件具有持续时间长、影响范围广、灾害程度重的特点，是辽宁省有气象记录最严重的气象干旱事件，粮食减产4×109kg，促使人们关注如何更加准确地预测干旱，尽可能采取有效措施来减轻和缓解干旱带来的损失。但干旱是一种复杂的综合现象，本身包含了众多复杂的影响因子,它不仅与降水量有关，还与地形、土壤性质和水利设施等有关，干旱发生的起止时间一直是科学难题[1-3]。气象条件尤其是降水量多少是干旱形成的主要原因。

国内学者对辽宁夏季降水变化特征及成因分析研究较多，卢娟等[4]给出2004 年辽宁夏季降水特点和环流形势特征，王艳等[5]研究表明近45 a 辽宁夏季降水有减少趋势,降水的空间分布具有整体的一致性,也存在东南部和西北部反相变化的差异。夏梅艳等[6]从气候背景、大气环流、海温、太阳黑子等方面对2005 年夏季辽宁降水偏多可能成因进行了分析，认为大气内部的动力过程和太阳黑子起主导作用。杨文艳和王谦谦[7]等，李辑等[8-9]分别对辽宁汛期降水异常、初夏和盛夏降水异常进行环流成因分析，并得到了有意义的结论。

以上研究大多是对降水偏多情况进行分析，对降水偏少情况，尤其是夏季干旱分布特征和成因分析较少。近些年来，学者对太阳黑子数量变化与天气气候变化的关系进行了广泛研究，因研究方法和研究区域不同，研究结果也大不相同[10-14]。国内外广泛应用多类干旱指标对干旱特征进行研究[15-18]，本文以降水距平百分率和太阳黑子数为基础，通过分析辽宁省夏季干旱气候特征，给出了干旱演变规律，并研究了太阳峰（谷）值与干旱之间的对应关系，研究结果为辽宁干旱预测提供理论支持，也为辽宁省防灾减灾工作提供参考依据。

1 资料和方法

1.1 资料

选取辽宁省53 个气象台站1961—2015 年6—8 月逐日降水资料，提取夏季降水序列；美国国家海洋和大气管理局（NOAA）国家地球物理数据中心（NGDC）获取1961—2015 年的太阳黑子相对数据。

1.2 研究方法

1.2.1 干旱指数

计算各站夏季降水的距平百分率（Pa）：

式中，P 为站点的夏季降水量，P¯为1981—2010 年夏季平均降水量。根据《气象干旱等级》国家标准[19]（表1），将辽宁省的降水距平百分率与干旱划分等级，建立辽宁省单站干旱分级指数序列。

表1 干旱分级指数划分

1.2.2 干旱评估指数

选取干旱频率、干旱站次比和干旱强度评价辽宁省夏季近55 a 干旱时空变化特征[20]。

（1）干旱频率（Pi）指某个站点在研究时段内干旱发生的频率：

式中，n 为某站点发生干旱的年数，N 为该站有气象资料的总年数。

（2）干旱站次比（Pj）指研究区域某年发生干旱站点数和总站点数的比值，表示干旱的发生范围：

式中，m 为发生干旱站点数，M 为研究区域总站点数，j 为评价年份。

（3）干旱强度（I）指研究区域内某年干旱的发生程度：

2 降水特征分析

2.1 空间分布特征

辽宁省夏季雨量充沛，高温潮湿。西太平洋副热带高压势力的增强并逐渐北移，东南季风盛行，暖湿空气沿高压西侧向北运行，受其影响常常出现大片雨区，且雨量集中（图1）。全省夏季平均降水量占全年降水量的64.5%，雨量最多的丹东宽甸地区约700 mm。总体而言，全省各区域的降水量呈现出一定的规律，即东南部降水量通常高于西北部，具体分布为：东部＞中部＞西部。这是由辽宁省地理位置所导致的，东南部临海，水汽较充足，而西北部地区常年高温少雨。由于降水的年际差异和异常天气变化的原因，某些年份在此期间降水明显偏少和出现较长时间的无雨，导致夏季干旱的发生。

图1 辽宁省夏季降水量多年平均分布（单位：mm）

2.2 时间变化特征

1961—2015 年辽宁省夏季降水在近55 a 呈减少趋势（图2），趋势系数为-0.44，通过了α=0.001（0.42）的显著性检验。年际变化上看，1961—2015 年夏季降水年际变化较大，降水距平百分率为-37%～54%，降水偏少的有30 a，占总年份的55%，降水偏多的有25 a，占总年份的45%。历史上全省降水小的5 a 分别为2014（-38%）、2000（-37%）、1972（-35%）、1992（-35%）、2009（-32%）年，降水最大的5 a 分别为1985（54%）、1964（52%）、1994（42%）、2010（41%）、1995（35%）年。

从以上分析可以看出，辽宁省夏季降水呈现减少的趋势，干旱较严重的5 a 中有3 a 发生在2000 年以后，表明在气候变暖的大背景下，辽宁夏季干旱呈加重趋势，尤其是近15 a 发生降水量显著偏少的异常年份明显增多，易发生严重干旱极端事件。

图2 1961—2015 年辽宁省夏季降水距平百分率年际变化

3 干旱特征分析

3.1 空间分布特征

图3 给出辽宁省干旱频率空间分布，夏季辽宁干旱发生频率为13%~31%，频率由中部到东部和西部逐渐递减。近55 a 各站点未发生特大干旱，重大干旱发生频率较低，53 个站点发生重旱的有6 个，且只有一年发生，发生区域呈现不规则特征，站点呈点式分布的特征。中旱的发生频率为0%~16%，高发区域集中在辽宁的中部地区，西部和东部地区未有中旱发生。轻旱的发生频率为5%~25%，高发地点主要集中在东北部地区。

综上可见，辽宁省干旱频率：轻旱＞中旱＞重旱，其中轻旱频率远高于其他等级干旱。降水量偏少的辽宁西部地区，不易出现降水异常偏少的情况，降水量偏多的辽宁东部地区，轻旱频率相对较多。

3.2 时间变化特征

从干旱站次比来看，有6 a 未发生干旱，区域性干旱（50%以上站点发生干旱）7 a，分别是1968、1972、1989、1992、2000、2009 年和2014 年（图4）。根据辽宁省统计年鉴记载，1989 年全省粮豆总面积3.09×106hm2，受旱灾达2.53×106hm2，绝收2.96×105hm2；1992 年全省干旱面积达9.56×105hm2，旱死各种作物7.67×104hm2；2000 年农作物受灾2.79×106hm2，占耕地面积76%，成灾面积2.32×106hm2，绝收1.19×106hm2，占耕地面积33%；2009 年全省农作物受灾面积2.12×106hm2，经济损失约63 亿元；2014年干旱事件是辽宁省有气象记录最严重的气象干旱事件，粮食减产4×109kg。

从干旱强度来看，干旱强度曲线特征与站次比基本一致，峰值年基本对应（图4）。其中，2014 年辽宁夏季干旱强度最强，76%站点出现干旱，2 站发生重度干旱，19 站发生中度干旱，21 站发生轻度干旱。

辽宁省夏季干旱站次比呈波动上升趋势，表明干旱范围逐年增加，干旱强度整体呈略减少趋势，但近20 a 呈增加趋势，表明夏旱的强度近些年增加较显著。

图4 辽宁省1961—2015 年夏季干旱站次比和干旱强度的年际变化

图3 1961—2015 年辽宁省夏季干旱（a）、重旱（b）、中旱（c）、轻旱（d）频率

3.3 年代际变化特征

表2 为各等级干旱出现站次的年代际分布，总体特征表现为轻旱＞中旱＞重旱。1961—1970 年各等级干旱发生站次最少，2010—2015 年各等级干旱发生站次相对较多。2010—2015 年重旱、中旱、轻旱发生站次比例最多。

表2 1961—2015 年辽宁省夏季不同等级干旱出现站次年代际统计

3.4 干旱与太阳黑子的关系

太阳黑子在数量上具有准11 a 的振荡周期。根据国际规定，1755 年为第1 个太阳周期的开始，依次类推，1961—2015 年55 a 经历了1960 年开始第19~24 个太阳黑子活动周，并正在经历第24 个周期，按照瓦尔德迈尔对太阳黑子周期的描述，M 代表太阳黑子数的极大值，m 代表极小值，近55 a 有5个M 年，分别为1970、1980、1989、2000、2014 年，5个m 年，分别为1964、1976、1986、1996 和2008 年。

根据辽宁干旱站次比与太阳黑子数的对比（图6），可以看出太阳黑子数呈显著的周期性变化，当太阳黑子处于下降阶段，夏季干旱处于偏少阶段，干旱出现在M 年及M 年前后2 a 左右。辽宁省干旱随着太阳黑子的变化而变化，两者呈现正相关关系，相关系数为0.37，通过了α=0.01 的显著性检验。

图6 1961—2015 年辽宁省夏季干旱站次比与太阳黑子的关系

为了分析太阳黑子周期与辽宁干旱具体关系，将1961—2015 年太阳黑子5 个极大值年和5 个极小值年及其前后2 a 干旱站次及强度特征进行统计。辽宁省近55 a 中，25%以上区域发生干旱共17 a，在太阳黑子活动的峰值年附近的共13 a，占区域干旱总年份的76%，干旱强度最强的10 a 有8 a 发生在太阳黑子活动的峰值年附近，占80%。在5 个M年中有4 a 发生了不同程度的区域干旱，其中干旱发生区域最大的2 a 全部在M 年；在5 个m 年中4 a 干旱发生区域＜10%。

表3 给出太阳黑子极值年附近干旱站次统计，发生太阳黑子极小值年附近干旱133 站次，重旱1站次，中旱22 站次，轻旱111 站次；太阳黑子极大值年附近干旱439 站次，重旱7 站次，中旱107 站次，轻旱135 站次。太阳黑子极小值年中旱3 站次，轻旱13 站次，太阳黑子极大值年重旱4 站次，中旱42 站次，轻旱134 站次。

表3 辽宁太阳黑子极值年附近的干旱特征/站次

综上所述，辽宁省在太阳黑子极大值年附近出现干旱的频率明显高于在极小值年附近，在太阳黑子的极大值年及其附近应该注意干旱的防灾减灾工作，尤其是极大值年发生极端干旱可能对农业生产产生影响。

4 结论

（1）全省各区域的降水量呈现出一定的规律，即东南部降水量通常高于西北部，具体分布为：东部＞中部＞西部。1961—2015 年辽宁省夏季降水呈减少趋势，趋势系数通过了α=0.001 的显著性检验，近15 a 降水量显著偏少的异常年份明显增多，易发生极端干旱事件。

（2）辽宁省不同等级的干旱空间分布区域性较强，总体特征为轻旱＞中旱＞重旱，其中轻旱频率远高于其他等级干旱。降水量偏少的辽宁西部地区，不易出现降水异常偏少的情况，降水量偏多的辽宁东部地区，轻旱频率相对较多。

（3）辽宁省夏季干旱站次比呈波动上升趋势，干旱范围逐年增加，干旱强度整体呈略减少趋势，近20 a 呈增加趋势。各等级干旱均在1961—1970 年发生站次最少，重旱、中旱、轻旱在2010—2015 年发生站次比例最多。

（4）辽宁省在太阳黑子极大值年附近出现干旱的频率明显高于极小值年附近，发生在太阳黑子活动的峰值年的区域干旱占干旱总年份的76%，干旱强度最强的10 a 间有8 a 发生在太阳黑子活动的峰值年附近。在太阳黑子的极大值年及其附近应该注意干旱的防灾减灾工作，尤其是极大值年可能发生极端干旱，对农业生产造成影响。