1986—2016年辽宁省强降水气候特征

2019-07-20白志娜肖天贵黄荟羽张云霞高凌峰

沙漠与绿洲气象 2019年3期

白志娜，肖天贵，安娟，黄荟羽，张云霞，高凌峰

（1.辽阳市气象局，辽宁辽阳111300；2.成都信息工程大学，四川成都610225；

3.辽阳县气象局，辽宁辽阳111299；4.张家口市气象局，河北张家口075000）

辽宁地处高纬地区，位于东亚夏季风北端的海陆交界处，受东亚季风影响，辽宁地区暴雨主要集中在夏季，具有强度大、时间集中、极端值大等显著特征；短时强降水具有局地性和突发性强，小时雨强大等特点。强降水可能引发内涝、地质灾害等次生灾害，是辽宁省主要的气象灾害[1-2]。

IPCC 第4 次评估报告指出，在全球变暖的大背景下，全球陆地大部分地区降水正发生显著变化，降水量在高纬度地区增加、在中低纬度地区减少，强降水比例普遍增加，我国也不例外，根据模式估计，这种趋势可能延续[3-5]。近年来，有不少学者对我国暴雨做了深入研究，陈秋萍等[6]分析了福建北部前汛期短时强降水的时空分布及雷达回波特征，指出了喇叭口、峡谷等地形对前汛期暴雨的降水量有增幅作用。沈澄[7]等分析揭示了南京地区短时强降水的年变化、月变化、日变化等规律，指出降雨强度超过50 mm/h 的致灾性短时强降水呈逐年增长趋势，短时强降水的空间分布具有城郊差异。孙凤华等[8-9]研究发现东北地区暴雨量及强度均呈增强的趋势，暴雨量的降水极值增加更显著。邹立尧[3]等研究表明，东北地区暴雨主要出现在辽宁省东部，而且暴雨初日整体提前。杨青[10]等指出辽宁南部到西南沿海是大暴雨多发区。赵春雨等[11]、李广霞等[12]、孙凤华等[13]研究指出，近几十年来辽宁省降水呈减少趋势，且空间分布极不均匀。

尽管如此，关于辽宁短时强降水及日强降水气候特征的研究工作还较少，本文利用1986—2016 年国家站5—10 月的逐日和逐小时降水观测资料，着重分析辽宁省短时强降水和日强降水的发生范围、时间分布特征、空间分布等特征，为当地气象防灾减灾能力提升提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本研究采用的资料取自1986—2016 年辽宁省62个国家站5—10 月的逐小时和逐日降水观测数据。

1.2 研究方法

本文把强降水分为短时强降水和日强降水两类进行研究，并将降雨强度（以下简称“雨强”）达到或超过20 mm/h 的降水定义为短时强降水，雨强达到或超过50 mm/24 h 的降水定义为日强降水。

按强降水出现的台站比例定义强降水发生的范围：局地强降水（出现强降水的站数占总站数＜10%）、小范围强降水（10%≤出现强降水的站数占总站数＜30%）、区域性强降水（30%≤出现强降水的站数占总站数＜50%）及大范围强降水（出现强降水的站数占总站数≥50%）[6]。

辽宁省只要有一个国家站出现强降水，记为1次强降水事件。若某国家站一天中多次出现短时强降水，则站次累加统计；日降水数据以20 时（以下均为北京时间）为日界进行统计。基于以上定义，分析1986—2016 年辽宁省5—10 月强降水区域范围分布特征、时空分布特征。

2 辽宁省强降水的气候特征分析

2.1 辽宁省强降水的区域范围分析

图1a 为逐次短时强降水（20 mm/h）对应的区域范围分布，结合表1 可知，雨强超过20 mm/h 的强降水共出现1160 次，大范围的7 次，占0.6%，仅1994 年就出现3 次大范围强降水，为短时强降水异常偏多年份;图1b 为逐次日强降水（50 mm/24 h）对应的区域范围分布，结合表1 可知，雨强超过50 mm/24 h 的强降水共出现718 次，大范围强降水共

出现9 次，占1.2%，其中1994 年、1997 年、2016 年均出现2 次，为典型日强降水偏多年份。

表1 两类强降水在各区域范围出现次数及比例

2.2 辽宁省强降水的时间分布特征

图2a 采用线性倾向估计对辽宁省强降水次数进行趋势分析。从时间变化上看，短时强降水和日强降水次数整体呈下降趋势，气候倾向率分别为8.1次/10 a、0.4 次/10 a，下降趋势不显著，均未通过α=0.05 的显著性检验；短时强降水和日强降水表现出较好的一致性，1991、1994、2010、2016 年强降水频发，1989、1993、2000、2009 年强降水少发；1994 年短时强降水和日强降水的次数（分别为348 次、252次）和最大雨强值（分别为112 mm/h，318 mm/24 h）异常偏大。2010 年短时强降水和日强降水次数（分别为245 次、197 次）偏大，日强降水的最大雨强（274.2 mm/24 h）偏大，但短时强降水的最大雨强（64 mm/h）偏小；2009 年短时强降水和日强降水次数（分别为26 次、52 次）和最大雨强值（63 mm/h，154 mm/24 h）异常偏小，2000 年短时强降水和日强降水的次数（分别为82 次、49 次）异常偏小，短时强降水的最大雨强（64.9 mm/h）偏小，日强降水最大雨强（188.7 mm/24 h）接近平均值（196.9 mm/24 h）。厄尔尼诺现象很可能是1994 年强降水异常偏多且强降水范围异常偏大的主要原因。

图1 辽宁省短时强降水（a）和日强降水（b）空间分布的逐次变化

图2 辽宁省国家站强降水次数（a）、最大雨强（b）的逐年变化

由图3 可知，辽宁省5—10 月的强降水次数和最大雨强均呈单峰型分布。7 月是强降水发生最频繁的月份，8 月次之；7、8 月强降水次数合计为6504次，占总发生次数的79%；6 月出现次数比9 月略多，5 月出现次数比10 月略多（图3a）；7 月易发生大雨强的短时强降水，8 月次之，10 月不易发生大雨强的短时强降水；8 月易发生大雨强的日强降水，9月次之，5 月不易发生大雨强的日强降水（图3b）。

辽宁省5—10 月逐旬强降水次数呈明显的单峰型分布（图4）。7 月下旬短时强降水发生最频繁，8月上旬次之；7 月下旬、8 月上旬日强降水出现次数几乎相等，7 月下旬—8 月上旬共发生强降水3147次，占总发生次数的38.3%（图4a）；短时强降水的最大雨强呈缓慢波动，6 月下旬、8 月下旬、9 月下旬出现较大值，5 月中旬—6 月上旬，8 月中旬、9 月中旬、10 月出现较低值；日强降水的最大雨强呈一峰二谷型特征，7—8 月出现最大值，5 月下旬—6 月上旬、9 月中旬—10 月中旬出现最小值（图4b）。

强降水是在一定大尺度环流背景下由中小尺度系统直接影响产生的，大尺度系统为强降水提供能量和水汽条件，中小尺度系统为强降水提供动力触发条件。上述分析可知，辽宁地区的强降水具有明显的季节性（7 月下旬—8 月上旬），这与西太平洋副热带高压（副高）和季风急流、热带气旋等系统的季节性北上有关。季风急流输送的孟加拉湾水汽、副高后部偏南急流输送的热带气旋和南部海上的水汽、东北地区特有的鄂霍茨克海水汽为辽宁地区夏季强降水提供充足的水汽；高空冷空气侵入使冷暖空气在辽宁上空交汇，为辽宁地区夏季强降水提供动力抬升；水汽和动力的共同作用使辽宁地区产生强降水。此外，高空辐散的抽吸作用使低层辐合、上升运动增强，有利于辽宁地区产生强降水。孙欣等[14]研究表明，辽宁地区强降水与低空急流和冷暖空气的路径、强度有关；降水强度与急流强度和锋区强度成正比，与急流和影响槽之间的距离成反比。

图3 辽宁省国家站强降水次数（a）、最大雨强（b）的逐月变化

图4 辽宁省国家站强降水次数（a）、最大雨强（b）的逐旬变化

辽宁省短时强降水次数的日分布呈双峰型分布（图5a），早晨（05—08 时）、午后到傍晚（14—18 时）是短时强降水的高发时段，上午（09—13 时）及夜间（22—03 时）是短时强降水的低发时段。短时强降水的高发时段，雨强通常较强，低发时段，雨强较弱（图5b）。

以往研究表明[15]，低空急流在凌晨达最大值，且急流结构最清晰。因此，短时强降水在凌晨多发很可能和低空急流的加强关系密切。此外，地面气压具有日变化特征，在03—04 时出现一天中的次低值，此时段恰好在短时强降水的高发时段（05—08 时）前，地面气压的降低使辐合增强，加速上升运动，有利于短时强降水的发生发展。午后到傍晚，地面接收太阳辐射最强，近地层形成绝对不稳定层结，如果当天水汽丰富，则极易发生对流性短时强降水天气。

2.3 辽宁省强降水的空间分布特征

各台站次数统计均由日强降水和短时强降水累加而成（图6）。辽宁省强降水次数空间分布呈东多西少、南多北少，存在3 个高值区。第一个在丹东至大连地区，大值中心位于丹东站（267 次）。该地区位于黄海北岸、鸭绿江西岸和长白山东南麓，在充足的水汽供应和喇叭口地形辐合、山地抬升和海陆受热不均的共同影响下产生强降水；第二个为辽宁西南部的葫芦岛沿海地区，该地区位于渤海北岸，在充足的水汽供应和海陆热力不均的影响下产生强降水；第三个位于盘锦—沈阳沿线，该地区地处辽河平原和长白山余脉东南麓的迎风坡，有利于地形辐合抬升，在山脉和辽河的影响下产生强降水。朝阳地区和沈阳北部地区存在2 个低值区，建平县强降水次数最少（56 次）。这2 个地区均位于内陆，水汽匮乏，同时朝阳地区位于大兴安岭南部的背风坡，地形的下沉气流作用和水汽不足导致强降水低发（图6a）。在丹东地区和葫芦岛地为2 个最大雨强大值区，兴城为大值中心（6 次）。最大雨强很难出现在朝阳、抚顺等地区（图6b）。

综上所述，丹东至大连地区和葫芦岛地区强降水具有次数高发、雨强大等特点。朝阳地区强降水具有次数低发、雨强小等特点。

由表2、表3 知，辽宁省强降水次数随雨强增大逐渐递减。短时强降水过程以20～40 mm/h 为主，占总发生次数的87%，其中20～30 mm/h 级别出现3258 次，占67%；雨强达到或超过40 mm/h 的短时强降水仅占12%。日强降水以50～100 mm/24 h 为主，出现2855 次，占总发生次数的84%；100～150 mm/24 h 级别的日强降水占总发生次数的12%；雨强达到或超过150 mm/24 h 的日强降水仅占4%。

图5 辽宁省国家站短时强降水出现次数（a）、最大雨强（b）的逐时变化

图6 辽宁省国家站强降水次数（a）、最大雨强次数（b）的空间分布

太阳辐射和下垫面的空间分布不均是各地出现温度差、气压差，进而产生辐合辐散和上升运动的主要原因。太阳辐射的多少还影响着蒸发过程和大气中的热量和水汽分布。辽宁地处东北地区，纬度偏北，接收的太阳辐射较少，因此热力和水汽条件稍显不足。加之副高、季风、江淮气旋等大尺度系统北移并影响辽宁的时间较少，所以雨强达到或超过40 mm/h 的小时强降水在辽宁省不多见，雨强达到或超过150 mm/24 h 的日强降水更少出现。