全球变暖趋缓背景下辽宁夏季降水变化及水汽输送特征

2021-07-14常姝婷白雪曲梓祎温舟徐玉秀高铭张翠艳

气象与环境学报 2021年3期

常姝婷白雪曲梓祎温舟徐玉秀高铭张翠艳

(锦州市气象局，辽宁锦州 121000)

引言

20世纪全球气温显著上升，在过去的100多年，由于工业化进程，温室气体的过度排放导致气温大幅度升高，气温升高会对人类健康、食物和淡水的获取以及人类的生存产生影响，也会给经济生产力、粮食安全带来负面影响，全球气温上升导致的冰川融化威胁着众多低洼城市的未来，目前气候变暖造成的全球极端气候事件发生频率显著上升，为人类敲醒了警钟[1-3]。但有研究表明[4-5]，1998年后全球变暖增温减缓，出现增温停滞的现象。

辽宁省上空能够导致降水的水汽主要来源于太平洋和印度洋。由于特殊的地理位置，而且降水时段比较集中，使辽宁成为中国北方暴雨多发区之一。在所有的区域性暴雨中，60%为全省性暴雨，25%为辽宁东部、东南部暴雨。目前，国内已经针对辽宁降水做了一系列的研究。研究表明[6-8]，辽宁区域性暴雨基本发生在7—8月。郭国洋和任学慧[9]研究表明，辽宁省暴雨空间分布总趋势是由东南向西北减少。杨旭等[10]根据辽宁气象观测站的降水和气温资料，研究了辽宁年降雨量变化。张海娜等[11]利用东北地区162个气象观测站逐月气温和降水资料以及CCSM4模式预估了2021—2050年东北地区的气候变化情景。

水汽是形成降水的必要条件，水汽输送通道带来的水汽会造成区域性降水天气[12-13]。林厚博等[14]研究表明，我国青藏高原上空的水汽输送会影响其上空降水。张人禾[15]指出亚洲季风区水汽输送与中国夏季降水特征存在密切联系。王庆和刘诗军[16]分析了山东旱涝年季风区水汽输送对山东夏季降水异常的贡献。黄荣辉等[17]通过研究东亚季风区的水汽输送特征，发现东亚季风区夏季水汽经向输送大于纬向输送，并针对东亚季风区水汽输送对降水的影响进行分析。综上所述，目前国内外对水汽输送及其对降水的研究有诸多成果，但是基于辽宁的特殊地理位置，目前对辽宁省水汽输送特征及其对夏季降水的影响研究成果较少，尤其是全球变暖减缓之后，对辽宁省夏季降水的变化特征的研究较少。因此，本文就全球变暖趋缓背景下(即1998年后)辽宁夏季降水变化特征及水汽输送对其的影响进行研究。

1 资料与方法

1.1 资料介绍

1999—2018年6—8月的夏季降水数据由中国气象数据网提供(水平分辨率为0.5°×0.5°)、西太平洋副热带高压(面积、强度、脊线、西伸脊点)数据由中国国家气候中心提供。本文所涉及的水汽输送、比湿、位势高度、及经纬向风数据均使用ERA-Interim逐月再分析资料，选取6—8月数据。本文所使用的变量包括经向水汽输送、纬向水汽输送、大气可降水量、500 hPa位势高度以及1000—150 hPa等压面的比湿和经纬向风向风速。

1.2 研究方法

1.2.1 辽宁省区域划分

结合前人研究结果[18-20]将辽宁省划分为四个区域，分别为辽宁北部S1，辽宁西部S2，辽宁东部S3，辽宁南部S4(图1)。

图1 辽宁省分区情况Fig.1 Partition map of Liaoning province

1.2.2 线性倾向估计

用xi表示样本量为n的某一气候变量，用ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归：

xi=a+btii=1,2,…,n

(1)

回归系数b和常数a的最小二乘方法如下：

(2)

回归系数b的符号表示气候变量x的趋势倾向，当b>0时，表示随着时间t的增加，x呈上升趋势；反之，当b<0时，表示随着时间t的增加，x呈下降趋势。b值的大小反应上升或下降的速率。

1.2.3 标准化

为了使不同的气象要素在同一水平上能够进行比较，常使用标准化的方法，使它们变成同一水平的无单位的变量，即对它们进行标准化。

标准化变量的时间序列为：

(3)

1.2.4 区域西风指数

传统意义上的西风指数I：

(4)

(5)

2 结果分析

2.1 辽宁省夏季降水变化特征

由图2a可知，辽宁省1999—2018年夏季降水趋势存在一定的增加，但增加趋势较弱。与其他地区相比，辽南地区的降水量上升趋势较强，其高值区达到2 mm·a-1，其中辽宁南边界降水量变化相对明显，而在辽宁西部和中部的部分地区降水量存在较弱的降低趋势。由辽宁区域平均降水量时间变化特征可以看出(图2b)，20 a间辽宁降水量存在一定的增加趋势，但变化趋势不显著，降水量的最高值出现在2010年，达到190 mm，最小值出现在2000年。

图中+表示置信水平通过90%的检验；降水量年际变化单位为mm·a-1图2 1999—2018年辽宁区域夏季降水量年际变化趋势空间分布(a)和平均降水量时间变化序列(b)Fig.2 Spatial distribution of interannual variation trend (a) and variation of time series (b) of precipitation in summer from 1999-2018 in Liaoning province

由图3可知，辽宁不同地区的降水量均呈现较弱的增加趋势，但增加趋势较弱，说明降水变化特征并不显著。但从结果仍然可以看出，全球变暖趋缓背景下，辽宁降水量存在一定的增加趋势，对其增加的原因进行分析的工作仍然存在价值，也能对未来辽宁降水变化趋势的预测起到帮助。

a1，a2，a3，a4分别为S1，S2，S3，S4地区夏季标准化降水线性趋势的斜率图3 1999—2018年辽宁省不同地区(S1，S2，S3，S4)夏季标准化降水时间变化Fig.3 Time series of standardized precipitation in different areas (S1,S2,S3,and S4) of in summer from 1999-2018 in Liaoning province

与其他地区相比，辽宁南部地区(S4)增加趋势最为明显，从各地区降水增加趋势分析可知，辽宁南部降水的变化趋势对辽宁整体降水变化的贡献程度最高，其次为辽宁北部S1，西部S2以及东部地区S3。总体来看，辽宁不同地区的降水量均与辽宁降水量的变化存在较高的相关性，且在全球增暖减缓背景下，辽宁南部降水的增加趋势最明显，对辽宁整体降水变化的贡献程度较高。

2.2 水汽输送分布及变化特征

由图4可看出，我国主要存在南北两条水汽输送带，南支水汽来自孟加拉湾向西北地区输送的水汽以及来自西太平洋副热带高压西侧经过中国南海向北输送的水汽。北支是来自欧洲中高纬经贝加尔湖伴随冷空气带来的向东输送的水汽。分析可知，来自南支输送带的水汽主要影响辽宁东部和南部，而北支输送带的水汽主要影响辽宁西部。辽宁上空水汽通量以及水汽含量由南向北呈递减趋势，最大水汽通量值达到110 kg·(m·s)-1，水汽通量高值区位于辽宁东部，最大水汽值达到38 kg·m-2。同时，由图4可知，水汽通过南边界进入辽宁，之后由北边界输出，从西边界进入辽宁，之后，水汽由东边界输出。

黑色等值线为整层水汽通量, 单位为 kg·(m·s)-1；填色区域为水汽含量，单位为 kg·m-2图4 1999—2018年夏季整层水汽通量与水汽含量空间分布Fig.4 Spatial distribution of water vapor flux and water vapor content in summer from 1999-2018

由辽宁各边界水汽通量标准化时间序列(图略)可知，辽宁省东南西北4个边界上整层水汽通量均存在增加的趋势，但其增加趋势较弱，其中南边界随时间变化的增加趋势较其他边界明显。表1分析了辽宁不同边界水汽通量及经纬向水汽净通量与降水量的相关性，可以看出，辽宁南北边界的水汽通量与降水量呈高度的正相关性，其中，南边界的相关性程度最显著，经向水汽净输送与辽宁降水量存在显著的相关性，而纬向水汽净输入量与降水量相关性程度不明显。综上所述，辽宁上空纬向水汽对降水的贡献较小，经向水汽对于降水的贡献较纬向高，且南北边界的水汽通量与降水量呈高度的正相关性，故而本文主要研究经向水汽输送对辽宁降水的影响。

表1 1999—2018年夏季辽宁不同边界水汽通量及经纬向水汽净通量与辽宁降水区域平均的相关性Table 1 Correlation of water vapor flux at different borders and net water vapor flux in zonal and meridional directions with the precipitation in Liaoning province in summer from 1999-2018

2.3 水汽通量对辽宁省夏季降水的影响

2.3.1 大气环流背景场的变化对辽宁经向水汽输送的影响

从1999—2018年夏季500 hPa平均位势高度分布特征分析可知(图5)，1999—2018年夏季我国北方地区受到西风带的控制。有研究表明[22-23]，冷空气与西风指数存在密切的关联，所以西风带是影响我国北方地区降水的主要因素。同时，西太平洋副热带高压西北侧的西南气流是向降水地区输送水汽的重要通道。辽宁省处于中纬地区，夏季西太平洋副热带高压北上，其高压脊西北侧的西南气流向辽宁省输送暖湿空气，与冷空气交汇形成降水，所以，本文主要研究西风带以及西太平洋副热带高压对辽宁经向水汽输送的影响。

黑色等值线为位势高度, 单位为dagpm图5 1999—2018年夏季500 hPa平均位势高度分布Fig.5 Average potential height at 500 hPa in summer from 1999-2018

2.3.1.1 西风带对辽宁经向水汽输送的影响

从1999—2018年平均夏季纬向风垂直切变场分布特征(图6a)可以看出，30°—110°E、35°—45°N存在垂直风切变中心，中心值达到15 m·s-1(图6a中黑框所示)，与李万莉等[21]得出的结论相一致，此区域内气象要素变化剧烈。李崇银等[22]指出西风垂直切变的存在有利于大气行星波的垂直传播。故而，依据李万莉等[21]得出的关于区域西风指数的结论，本文选择30°—110°E、35°—45°N范围研究区域西风指数的变化对辽宁经向水汽输送的影响。图6b为1999—2018夏季各经度西风指数与辽宁经向水汽通量相关性分布特征，表2为30°—110°E、35°—45°N范围内不同经度西风指数变化趋势，结合图6b和表2可以看出，各经度西风指数与辽宁经向水汽通量相关性较弱，未通过显著性检验，但是仍可以看出，在30°—110°E、35°—45°N范围内，随着经度的增加，相关系数逐渐由负变正，在30°—80°E、35°—45°N范围内，各经度西风指数与经向水汽通量呈弱的负相关性，且此区域内1999—2018年西风指数的变化趋势为负值；在80°—110°E、35°—45°N范围内，各经度西风指数与辽宁经向水汽通量呈弱的正相关性，且此区域内西风指数的变化趋势均为正值。综合上述结论可以得出，1999—2018年平均夏季30°—110°E、35°—45°N范围内各经度西风指数与辽宁经向水汽通量相关性较弱，西风带对经向水汽通量的影响程度较差，但结合西风指数的变化趋势分析可知，西风带指数的弱变化仍可能会引起辽宁省经向水汽通量的升高，从而导致辽宁南部降水的增加，但总体看来，西风带对辽宁经向水汽通量影响程度弱。

黑色等值线为纬向风垂直切变, 单位为 m·s-1图6 1999—2018年夏季纬向风垂直切变场(a) 和不同经度西风指数与辽宁经向输送通量相关性(b)Fig.6 Vertical shear field of zonal wind (a) and the correlation between the westerly index and meridional water vapor flux at different longitudes (b) in summer during 1999-2018 in Liaoning province

表2 1999—2018年夏季不同经度西风指数变化趋势Table 2 Trends of the westerly index at different longitudes in summer from 1999-2018

2.3.1.2 西太平洋副热带高压对辽宁经向水汽输送的影响

表3分析了西太平洋副热带高压面积、强度、脊线、西伸脊点与辽宁经向水汽通量的相关性，可以看出，西太平洋副热带高压脊线与辽宁经向水汽通量的相关性程度最高，且相关性通过置信水平90%的显著性检验，相关系数达0.440，说明1999—2018年西太平洋副热带高压脊线位置与辽宁经向水汽通量呈高度正相关性，即西太平洋副热带高压脊线位置的变化会直接导致辽宁经向水汽通量的变化，从而造成辽宁南部地区降水的变化；而其他指数，如西太平洋副热带高压面积、强度、西伸脊点与辽宁经向水汽通量的相关性程度较弱，故而，本文选择西太平洋副热带高压脊线指数研究其对辽宁经向水汽通量的影响。

表3 1999—2018年夏季西太平洋副热带高压面积、强度、脊线、西伸脊点与辽宁经向水汽通量相关性Table 3 Correlation of the area,intensity,ridge,line,and extension point of the western Pacific subtropical high with the meridional water vapor flux in Liaoning province in summer from 1999-2018

从西太平洋副热带高压脊线位置与经向水汽通量的相关性分布特征(图7a)可以看出，西太平洋副热带高压脊线与经向水汽通量在辽宁南部相关性程度最高，且大部分通过置信水平为90%的显著性检验，说明西太平洋副热带高压脊线位置的变化对辽宁南部的经向水汽通量影响程度最明显，从而直接决定了辽宁南部降水的变化趋势。从西太平洋副热带高压脊线位置时间变化序列(图7b)可知，2018年的西太平洋副热带高压位置偏北程度最高，达到29°N；而2008年的西太平洋副热带高压位置最偏南，接近23°N，1999—2018年，西太平洋副热带高压脊线位置存在一定的北移趋势，其所在纬度值增加，由于高压脊线位置与经向水汽通量在辽宁南部的高相关性可知，1999—2018年西太平洋副热带高压脊线的逐渐北移是造成辽宁经向水汽通量增加的重要因素，从而导致辽宁南部降水量的增加。本部分主要讨论了西太平洋副热带高压脊线对辽宁南部降水的影响，但不能忽视的是高空槽后部的冷空气也是影响降水强度的重要因素[24-25]，如2008年，从图7 b可以看出，2008年西太平洋副热带高压脊线位置最偏南但该年的辽宁南部乃至全区降水并没有缩减的趋势，反而较2007年有所增加。孙欣等[26]研究表明，2008年存在三次影响辽宁的主要降水过程，其中两次西太平洋副热带高压位置均偏南，但高空槽后部冷空气较强，形成较深的高空槽，使得冷暖空气在辽宁上空交汇，形成强度较大的降水；而2000年虽然西太平洋副热带高压位置相对偏北，但该年辽宁上空冷暖空气交汇发生频率较低，降水的触发机制相对不明显，造成该年辽宁南部乃至辽宁全区降水量均较少。2018年受西太平洋副热带高压外围冷暖空气以及台风外围云系的影响，辽宁出现了5次较强的降水过程，但主要集中在辽宁的南部和东部地区，所以虽然2018年的西太平洋副热带高压位置偏北程度最高，辽宁南部降水存在一定的增加，但同时期辽宁其他地区降水减少，故而辽宁全区的降水存在下降的趋势。

图a+表示置信水平通过90%的检验；图a黑色线表示线内区域置信水平通过95%的检验图7 1999—2018年夏季西太平洋副热带高压脊线位置与经向水汽通量的相关性分布(a)和西太平洋副热带高压脊线位置时间变化序列(b)Fig.7 Spatial distribution of the correlation between ridge position of western Pacific subtropical high and meridional water vapor flux (a) and the variation of time series of ridge position of western Pacific subtropical high (b) in summer from 1999-2018

2.3.2 经向水汽输送对辽宁夏季降水的影响

由图8a分析可知，辽宁南部、东部及北部部分地区经向水汽输送与降水量呈显著的正相关，相关性均通过了置信水平90%的显著性检验，其中，两者正相关性程度高值区位于辽宁南部。由图8b可以看出，经向水汽通量在辽宁的变化趋势均呈较弱的增加趋势，总体来看，经向水汽通量增加趋势的相对高值区位于辽宁北部。综合图8分析可知，辽宁南部为经向水汽输送与降水量正相关性程度高值区，且在此区域内，经向水汽通量的增加趋势相对较高，故而全球增温减缓期间，辽宁南部降水量的增加趋势相对较高。虽然辽宁东部经向水汽输送与降水量相关性程度较高，但东部经向水汽输送的增加趋势较弱，故而东部降水量的增加趋势较辽宁南部弱。

图a+表示置信水平通过90%的检验；经向水汽输送变化趋势单位为 kg·(m·s)-1·a-1图8 1999—2018年夏季经向水汽通量与降水量相关性(a)和经向水汽通量变化趋势(b)空间分布Fig.8 Spatial distribution of the correlation between meridional water vapor flux and precipitation (a) and interannual variation trend of meridional water vapor flux (b) in summer from 1999-2018

图9a为1999—2018年夏季辽宁经向水汽通量在39°—42.5°N、119°—126°E范围内进行经向平均后的垂直分布特征。由图9可知，经向平均经向水汽通量正值高值区位于辽宁123°E、1000—900 hPa，辽宁对流层低层的经向水汽通量均为正值区，东部整层经向水汽通量同样为正值区，且其值随着高度的升高而降低，说明在辽宁东部，随着高度上升，水汽的经向通量减小。而辽宁西部(119°—121°E)对流层中层(750—300 hPa)经向水汽通量为负值区，说明此区域内水汽的经向输送以向南输送为主，而其他区域以向北输送为主。分析经向平均经向水汽通量变化趋势可以看出，对流层低层经向水汽通量增加趋势相对显著，其增加趋势随高度的升高而减小，增加趋势的相对高值区位于121°—122°E、1000—900 hPa。总体分析，辽宁西部对流层低层的经向水汽通量较东部的增加趋势相对显著，但西部经向水汽通量较东部显著偏低。

经向平均经向水汽通量单位为 kg·(m·s)-1，其变化趋势单位为 kg·(m·s)-1·a-1图9 1999—2018年夏季辽宁经向平均经向水汽通量(a)及其变化趋势(b)垂直分布Fig.9 Vertical distribution of meridional-mean meridional water vapor flux (a) and interannual variation trend ofmeridional water vapor flux(b) in Liaoning province in summer from 1999-2018

图10a为1999—2018年夏季辽宁经向水汽通量在39°—42.5°N、119°—126°E范围内进行纬向平均后的垂直分布特征。由图10分析可知，纬向平均经向水汽通量正值高值区位于辽宁39°—40°N、1000—950 hPa，辽宁对流层低层的经向水汽通量均为正值区，辽宁南部整层经向水汽通量为正值区，且其值随着高度的升高而降低，说明辽宁南部随着高度上升，水汽的经向通量逐渐减小。辽宁北部(41°—43°E)对流层中层(600—300 hPa)经向水汽通量为负值区，说明此区域内水汽的经向输送以向南输送为主，而其他区域以向北输送为主。分析纬向平均经向水汽通量变化趋势可以看出，对流层低层经向水汽通量增加趋势相对显著，其增加程度随高度的升高而减小，增加趋势的相对高值区位于42°—43°E、1000—900 hPa。总体看来，辽宁北部整层经向水汽通量的增加趋势较南部显著，但北部经向水汽通量较南部显著偏低。综合图9和图10分析可知，辽宁上空经向水汽通量高值区主要位于辽宁南部地区的对流层低层，但其增加趋势的中心区位于辽宁北部121°—122°E的对流层低层，对当地降水存在显著影响。

纬向平均经向水汽通量垂直单位为kg·(m·s)-1,其变化趋势单位为kg·(m·s)-1·a-1图10 1999—2018年夏季辽宁纬向平均经向水汽通量(a)及其变化趋势(b)垂直分布Fig.10 Vertical distribution of zonal-mean meridional water vapor flux (a) and interannual variation trend of zonal-mean meridional water vapor flux (b) in Liaoning province in summer from 1999-2018

由图11a分析可知，辽宁整层经向水汽通量与降水量均呈高度显著的正相关，其中，辽宁东部对流层中低层800—500 hPa相关性程度最显著，其置信水平通过95%的检验。由西至东，正相关性逐渐增强，说明辽宁东部经向水汽通量会直接影响辽宁降水量的变化特征，且东部对流层中低层的经向水汽通量对辽宁降水量的变化影响显著。图11b给出了辽宁经向平均经向水汽通量与降水量相关性的垂直分布特征。分析表明，辽宁整层经向水汽通量与降水量均呈显著的正相关，其中，辽宁南部对流层中低层800—500 hPa相关性程度最显著，其置信水平通过95%的检验。由北至南，正相关性逐渐增强，辽宁南部的经向水汽通量会直接影响辽宁降水量的变化特征，且南部对流层中低层的经向水汽通量对辽宁降水量的变化影响显著。综合图11分析可知，辽宁南部(即S4区)对流层中低层经向水汽通量与辽宁降水量存在显著正相关，会直接影响辽宁降水量的变化趋势，导致辽宁降水在全球变暖减缓背景下存在一定的增加趋势。

图中+表示置信水平通过95%的检验图11 1999—2018年夏季辽宁经向平均(a)、纬向平均(b)水汽通量与降水量相关性垂直分布Fig.11 Vertical distribution of the correlation between meridional-mean (a)，zonal-mean (b) water vapor flux and precipitation in Liaoning province in summer from 1999-2018