劉 斌

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

目前，國內(nèi)外學(xué)術(shù)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(huán)及其時空特征的變化研究[1]。氣候的變暖使得區(qū)域降水特征出現(xiàn)了較為明顯的改變，從而明顯影響著區(qū)域水資源的時空分布，而水文氣象災(zāi)害的發(fā)生頻率及其對人類健康、環(huán)境、生態(tài)的影響強度呈明顯的增加趨勢，并逐漸引起國內(nèi)外學(xué)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(fā)生明顯改變。據(jù)統(tǒng)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(dǎo)致該區(qū)域旱澇災(zāi)害頻發(fā)的關(guān)鍵。肖名忠等[2]研究認為不同分區(qū)的汛期降水模式具有一定的區(qū)域性特征，降水量存在較大差異，同時大干旱災(zāi)害的發(fā)生具有全流域性的特點。

大量研究發(fā)現(xiàn)，海溫場波動和降水時空變化之間存在密切關(guān)聯(lián)，印度洋、熱帶大西洋和熱帶太平洋均呈現(xiàn)出海氣耦合的關(guān)系。國內(nèi)外學(xué)者逐漸轉(zhuǎn)向?qū)Υ蟪叨葰夂蛞蜃雍徒邓^程的相關(guān)性方面，如Zhou等[3]探討了中國冬季降水受ENSO、東亞東季風(fēng)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(jié)降水變異的關(guān)鍵因素；Chan等[4]研究認為PDO和ENSO對年際夏季風(fēng)早期降水的影響較為顯著，且二者具有聯(lián)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(wěn)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(biāo)與降水間的遙相關(guān)關(guān)系的研究較多，而對區(qū)域旱澇災(zāi)害與大尺度氣候指標(biāo)的影響關(guān)系的分析較少。同時，降水過程與各影響因子的穩(wěn)定性、差異性的研究很少涉及，而該研究對于科學(xué)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(fā)生變化對水文循環(huán)的穩(wěn)定性、區(qū)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(jù)流域降水過程區(qū)域化特征分析了各區(qū)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(wěn)定性，進而對不同分區(qū)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(qū)域性水資源管理規(guī)劃及優(yōu)化配置提供一定的理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 流域概況

遼河流域流經(jīng)河北、內(nèi)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?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)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(huán)境氣候，降水具有顯著的區(qū)域性與季節(jié)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(xiàn)。在空間分布上，平原地區(qū)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(qū)域降水較少并且風(fēng)沙干旱現(xiàn)象較為頻繁。近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，區(qū)域人口規(guī)模與密集度迅速增大，生態(tài)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等行業(yè)需水量急劇增加，遼河流域水資源供需矛盾持續(xù)緊張，水生態(tài)環(huán)境惡化與水污染問題日趨突出[5- 9]。

1.2 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)作為本研究的數(shù)據(jù)來源，根據(jù)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(nèi)發(fā)生同一干旱事件的出現(xiàn)，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(jié)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(shù)據(jù)來源于NOAA；IOD指標(biāo)是指印度洋東部和西部區(qū)域的表層海溫距平之差，數(shù)據(jù)來源于JAMSTEC平臺；NAO氣候指標(biāo)是指冰島和亞速爾群島的標(biāo)準(zhǔn)化海平面氣壓差，數(shù)據(jù)由NOAA網(wǎng)絡(luò)提供；ENSO指標(biāo)是指厄爾尼諾區(qū)域的海水表面溫度距平，數(shù)據(jù)來源于NOAA網(wǎng)絡(luò)，各指標(biāo)數(shù)據(jù)均由權(quán)威機構(gòu)提供。遼河流域1980年4月～2016年3月的逐月氣象數(shù)據(jù)為各參數(shù)值的初始來源，選擇月氣候指標(biāo)均值作為每年的氣候指標(biāo)。為了對遼河流域干濕狀況受不同相位下各氣候指標(biāo)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(biāo)的冷、暖位相分別與各氣候指標(biāo)冷暖時期或時間的年份項對應(yīng)。結(jié)合現(xiàn)有研究成果，將處于冷暖時期或事件的各年份氣候指標(biāo)進行提取，結(jié)果如圖1所示。

2 研究方法

2.1 降水一致性分區(qū)

考慮到西南季風(fēng)和東南季風(fēng)對遼河流域降水的影響作用，不同區(qū)域降水影響因素存在一定差異，因此有必要區(qū)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(gòu)造相應(yīng)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(yīng)用較為廣泛的FCM模糊均值聚類算法，具有能夠處理大數(shù)據(jù)集、收斂速度快且計算簡單等優(yōu)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(biāo)與降水的遙相關(guān)關(guān)系

根據(jù)不同時間尺度降水與各氣候指標(biāo)之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)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(biāo)的顯著性特征。根據(jù)臨界值檢驗標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)系數(shù)絕對值在自由度為51時不小于0.23，其顯著性水平達到90%?？紤]到遼河流域下一年和當(dāng)年降水受每年氣候指標(biāo)影響的情況，需要對流域干濕季降水和年降水受當(dāng)年及其前一年氣候指標(biāo)的影響進行分析。本文中當(dāng)前及前一年降水的氣候指標(biāo)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?dāng)?shù)據(jù)的趨勢影響，從而去除線性平均的變化趨勢。設(shè)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(guān)系數(shù)和顯著性水平，探討了遼河流域降水受各氣候指標(biāo)的影響平穩(wěn)性特征。

2.3 遼河流域干濕狀況變化特征

通常情況下，可設(shè)定3、6、9、12個月為SPI的時間尺度，根據(jù)遼河流域年內(nèi)具有的顯著性干、濕季變化特征，且持續(xù)時間約為6個月，為更加客觀、準(zhǔn)確的反映流域干濕狀況設(shè)定SPI時間尺度為6個月。根據(jù)McKee等[11]提出的旱澇等級標(biāo)準(zhǔn)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(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)，進而對遼河流域各區(qū)干濕狀況受不同相位下各氣候指標(biāo)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(jié)果分析

3.1 遼河流域降水分區(qū)

遼河流域降水分布模式在不同區(qū)域內(nèi)存在一定差異，為反映各站點的降水屬性采用流域內(nèi)58個站點的降水量變差系數(shù)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(yīng)的變差系數(shù)。根據(jù)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(qū)域，分別標(biāo)記為Ⅰ～Ⅴ個降水分區(qū)，分別代表遼河流域西南區(qū)、西北區(qū)、中部、東南區(qū)、東北區(qū)。

3.2 各季降雨與干濕變化的關(guān)系

(1)氣候指標(biāo)與年降水之間的皮爾遜相關(guān)關(guān)系。通過研究表明，遼河流域年降水量受IOD指標(biāo)的影響最為顯著，特別是當(dāng)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(jié)果與Niu等[12]相關(guān)結(jié)論保持一致。有研究認為，對遼河流域出現(xiàn)極端降水事件產(chǎn)生顯著影響的關(guān)鍵因素主要有南方濤動指數(shù)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(dāng)年的PDO、IOD、ENSO和前一年的PDO、NAO與遼河流域各區(qū)年降水存在正相關(guān)性，而當(dāng)年的NAO和前一年的IOD、ENSO存在負相關(guān)性。因此，除了PDO氣候指標(biāo)外其他3類因子對遼河流域下一年及當(dāng)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(qū)降水受當(dāng)年及前一年的ENSO事件的影響較為均勻；除分區(qū)Ⅲ外其他各分區(qū)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(dāng)年NAO事件的影響較小，由此表明遼河流域區(qū)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(qū)年降水受當(dāng)年及前一年IOD事件的影響都比較明顯，其中Ⅲ分區(qū)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(dāng)年IOD時間的影響明顯。各區(qū)年降水受前一年P(guān)DO事件的影響較小，除分區(qū)Ⅱ西部外當(dāng)年的PDO事件對其他地區(qū)的影響較低。

(2)氣候指標(biāo)與濕季降水之間的皮爾遜相關(guān)關(guān)系。NAO對遼河流域濕季降水的影響較為明顯，且前一年和當(dāng)年NAO與流域濕季降水之間分別存在正相關(guān)、負相關(guān)特征。本文對年平均NAO指標(biāo)值的研究與冬季NAO指標(biāo)存在較大差異，實踐表明我國北方地區(qū)的濕季降水受前期冬季NAO指標(biāo)和前一年的年平均NAO指標(biāo)的影響基本相同。從時間特征的角度分析，當(dāng)年的IOD、PDO以及前一年的PDO、NAO、ENSO與遼河流域各區(qū)濕季降水之間存在正相關(guān)性，而當(dāng)年的NAO、ENSO以及前一年的IOD與濕季降水存在負相關(guān)性。研究表明，除PDO氣候指標(biāo)外其他3類因子對遼河流域各區(qū)下一年及當(dāng)年濕季降水的影響作用相反，該計算結(jié)果與前文確定的年降水變化規(guī)律保持較好的一致性。從空間特征的角度分析，各區(qū)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(qū)和Ⅲ分區(qū)東北部則主要受當(dāng)年ENSO時間的影響。遼河流域各區(qū)濕季降水受當(dāng)年和前一年的NAO事件的影響較為明顯，其中Ⅲ分區(qū)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(qū)濕季降水受當(dāng)年NAO事件的影響較為明顯。遼河流域各區(qū)濕季降水受當(dāng)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(qū)受當(dāng)年及前一年P(guān)DO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(qū)西部受當(dāng)年P(guān)DO的影響較為明顯。

(3)氣候指標(biāo)與干季降水之間的皮爾遜相關(guān)關(guān)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(qū)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(dāng)年的遼河流域各區(qū)干季降水受除NAO以外的其他三項指標(biāo)的影響作用相反，且各因子對當(dāng)年、下一年降水的影響分別呈正相關(guān)、負相關(guān)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(dāng)年ENSO事件分別與遼河流域干季降水呈正相關(guān)、負相關(guān)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(dāng)年及前一年ENSO事件影響的顯著，且不同區(qū)域的差異性較低。流域干季降水受當(dāng)年的NAO事件影響相同，而前一年的NAO影響較低。研究認為，當(dāng)年及前一年NAO事件對遼河流域的干季降水呈正相關(guān)特征，該計算結(jié)果與吳炳義等研究成果保持一致。遼河流域Ⅰ、Ⅱ分區(qū)干季降水受前一年IOD事件的影響較為明顯，而Ⅱ、Ⅴ分區(qū)主要受當(dāng)年IOD的影響。對于PDO事件，遼河流域各區(qū)干季降水受當(dāng)年及前一年P(guān)DO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(biāo)的影響更加明顯。

3.3 各季干旱變化影響的穩(wěn)定性

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

(1)前一年氣候指標(biāo)與年降水的滑動相關(guān)分析。研究發(fā)現(xiàn)，遼河流域各區(qū)年降水與前一年ENSO事件呈負相關(guān)性，且隨著時間的推移分區(qū)Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ的影響呈不斷增強趨勢。各區(qū)年降水受前一年NAO的影響呈現(xiàn)出顯著的非平穩(wěn)性特征，總體表現(xiàn)出正-負-正相關(guān)轉(zhuǎn)化的特征。遼河流域各區(qū)年降水與前一年IOD時間存在負相關(guān)影響作用，且影響不穩(wěn)定。在1986年以后，除Ⅴ分區(qū)外其他3分區(qū)呈穩(wěn)定的負相關(guān)性。分區(qū)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的年降水量受前一年P(guān)DO事件的影響總體呈穩(wěn)定的正相關(guān)性，而對于Ⅰ、Ⅱ分區(qū)的影響不穩(wěn)定。

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

3.4 各區(qū)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(qū)干旱期次數(shù)的差異性發(fā)現(xiàn)，對于ENSO來說，相對于冷期出現(xiàn)的次數(shù)遼河流域各區(qū)干旱期次數(shù)呈明顯的增加趨勢，且在分區(qū)Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ內(nèi)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(fā)生概率，且在不同區(qū)域存在一定差異；在NAO冷期情況下，發(fā)生較大干旱概率的區(qū)域為Ⅴ分區(qū)和Ⅰ分區(qū)的細部，分區(qū)Ⅱ、Ⅲ發(fā)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(fā)生干旱的概率較IOD暖期時更大，且干旱易發(fā)區(qū)比較集中。研究認為，遼河流域1981—2016年IOD冷期中，分區(qū)Ⅰ、Ⅱ的大部分范圍發(fā)生干旱的概率普遍大于35%，局部地區(qū)大于50%。遼河流域各區(qū)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(qū)出現(xiàn)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(xiàn)干旱期的只有Ⅲ分區(qū)。綜上所述，相對于各氣候指標(biāo)相位，遼河流域出現(xiàn)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(jù)不同相位條件下遼河流域各區(qū)濕潤期次數(shù)的差異性計算結(jié)果可知，相對于冷期而言遼河流域各區(qū)暖期出現(xiàn)濕潤器的次數(shù)表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，對于各區(qū)濕潤狀態(tài)IOD相位條件的影響差異性顯著。通過對比發(fā)現(xiàn)，遼河流域暖期發(fā)生的概率在IOD、ENSO相位條件下普遍較大，大部分地區(qū)超過35%，其中分區(qū)Ⅰ、Ⅱ的發(fā)生概率大于40%。在空間分布上NAO暖期內(nèi)遼河流域濕潤期的發(fā)生概率更加均勻，而在冷期內(nèi)各氣候指標(biāo)出現(xiàn)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(biāo)可知，相對于其他三種氣候指標(biāo)PDO暖期出現(xiàn)濕潤期的概率空間差異性比較顯著。

4 結(jié)論

(1)不同時間尺度的遼河流域降水，大尺度氣候指標(biāo)的影響作用存在一定差異，其中ENSO、NAO和IOD指標(biāo)與干季降水、濕季降水與年降水最相關(guān)，PDO指標(biāo)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(biāo)識性指標(biāo)可根據(jù)與降水具有較好平穩(wěn)性與相關(guān)的原則篩選，其中ENSO、NAO和IOD指標(biāo)為最優(yōu)指標(biāo)，且相對于下一年降水各氣候指標(biāo)的對當(dāng)年降水的影響更加穩(wěn)定。

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