曹彦超， 焦美玲， 秦 拓， 郭 桐

（庆阳市气象局，甘肃 庆阳 745000）

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出，在全球气候变暖情况下，极端湿润和极端干旱事件的严重程度会增加，但大气环流模态的变化会影响极端事件发生的地点和频率［1］。甘肃河东地区位于东亚季风影响区域末端，对季风的变化非常敏感［2］。受大尺度环流调整和气温升高双重影响，其夏半年降水量时空分布特征将出现怎样的变化，这是一个值得讨论的问题。于淑秋等［3］指出，我国西北地区气候在1986 年前后发生了一次明显的跃变，跃变后年降水量增加了5.2%，夏季降水量增加了6.8%。王澄海等［4］认为1961—2018年西北地区92%的站点年降水量呈现增加趋势，少数呈下降趋势的站点集中在受季风影响较多的西北地区东南部。但也有研究表明，近50 a来我国西北地区东部不同量级的降水都在减少，降水日数变化是降水量减少的主要原因［5］，其中甘肃中部、南部、东部地区的下降率分别为-0.82 mm·a-1、-0.81 mm·a-1、-0.93 mm·a-1［6］，除冬季轻微增加外，其他各季降水量均呈减少趋势［7］。李栋梁等［8-9］指出西北地区东部尽管气温在升高，但降水量却没有增加，甚至在东部季风边缘区降水量呈减少趋势。

姜大膀等［1］认为自20世纪70年代末以来，全球陆地可利用降水的变化可能是由自然变率主导，与厄尔尼诺-南方涛动现象（ENSO）遥相关紧密联系的。陈冬冬等［10］研究指出西北地区东部受海温影响较大，北大西洋涛动、极涡面积的年际波动均能够反映出西北地区降水西增东减的变化。黄玉霞等［11］研究表明，当西南季风盛行时，甘肃河东东部及河西张掖等地暴雨日数偏多，当东南季风盛行时，甘南高原、甘肃中部等地暴雨日数偏多。许多学者通过对大尺度环流系统的分析也得出了类似结论［12-15］。这些研究多集中分析大尺度环流系统对西北地区降水的影响，但综合气温变化对不同地形、不同量级降水的影响比重所进行的研究分析却极少。本文运用经验正交函数分解（Empirical orthogonal function，EOF）、相似分析等方法分析了河东地区夏半年降水的分布及变化特征，并结合环流指数、气温变化及地形特征等对降水影响进行讨论，以期丰富季风区末端降水预测依据。

1 研究区概况

河东指甘肃省中东部地区，是青藏高原与黄土高原的汇集地带（图1）。区域内海拔高度在623～4584 m之间，地形西高东低。西南部的甘南高原位于青藏高原东北边缘，海拔最高4584 m，东侧与岷山甘肃段相邻（甘岷山区），经秦巴山区过渡后海拔迅速下降，至东南部的白龙江流域海拔高度最低达到623 m。气候具有典型的温带大陆性季风特点，降水主要出现在每年的4—9月（夏半年），地势的巨大落差使降水空间差异更加明显，自东南向西北跨越了湿润、半湿润、半干旱以及干旱气候区。为了较细致地分析气候差异，根据西北地区水汽输送特点［16］，以甘岷山区东麓105°E为界，将河东划分为东部地区及西部地区进行分析。

图1 河东地形及气象观测站点分布Fig.1 Distribution of topographic and meteorological observation stations in Hedong region

2 数据与方法

采用甘肃省气象信息中心整编筛选的1973—2020 年4—9 月河东60 个国家级地面气象站（图1）的逐日降水及平均气温数据，其中2014年降水资料缺失，不纳入统计。环流指数中海洋尼诺指数（ONI）下载于美国国家海洋和大气管理局网站（https://www.noaa.gov/），北极涛动（AO）及太平洋年代际振荡（PDO）下载于美国国家环境信息中心网站（https://www.ncei.noaa.gov/）。东亚夏季风指数选择Zhao等［17］定义并计算的结果，指数为负表示季风向北发展的强度越强，资料下载于国家青藏高原科学数据中心网站（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/data）。

本文使用EOF 分析了河东地区降水时空变化特征，定义第一特征向量场为LV1，第二特征向量场为LV2，第一特征向量场时间系数为PC1，第二特征向量时间系数为PC2。取每年时间系数绝对值较大的特征向量作为当年降水模态，得出两种模态的典型年份；使用相关系数法确定气温及大尺度环流指数与降水量的关联性。定义日降水量0.1～9.9 mm为小雨，10.0～24.9 mm 为中雨，25.0～49.9 mm 为大雨，≥50.0 mm为暴雨，各量级降水之和为总降水。

3 结果与分析

3.1 降水分布特征

图2 为甘肃河东夏半年降水量、降水量占比及降水频率的空间分布。可见河东地区夏半年总降水量自东南向西北减少，西北部景泰站年均降水量169.4 mm，东南部康县达年均降水量642.5 mm，相差3.8 倍。其中小雨及中雨自南向北递减，大雨及暴雨自东向西递减。以岷山东麓为界，西部地区小雨及中雨占总降水量的75%以上，尤其是甘南高原及乌鞘岭以北地区占比超过90%。不同的是甘南高原小雨和中雨频率高，降水量也是河东大值中心，中雨以上降水急剧减少，但乌鞘岭以北地区小雨和中雨频率低、降水总量小，中雨以上降水量更少。东部地区小雨及中雨占比在60%～75%之间，其中嘉陵江流域大雨和暴雨发生频率高，中雨及以上量级降水量均为河东大值中心。

图2 1973—2020年河东夏半年年均降水量空间分布Fig.2 Spatial distributions of summer half year precipitation in Hedong region from 1973 to 2020

3.2 降水量变化趋势

图3 为1973—2020 年河东各站夏半年降水量的年际变化线性趋势。可见总降水量在东部地区及西部的高原和山区以增长趋势为主，西部其余地区以减少趋势为主。降水量增长趋势的站点共37个，占比61.7%，麦积、玛曲2 站增加最显著，为1.5 mm·a-1。减少趋势的站点有23个，占比38.3%，临洮站降速最快为-1.5 mm·a-1。另外，小雨除甘南高原及附近的11个站点（占比11.7%）外，降水量均为减少趋势；中雨有27站（45.0%）为增长趋势，主要位于六盘山以东及乌鞘岭以东地区，甘南高原也有部分站点呈弱增长趋势；大雨及暴雨降水量增长趋势的站点较多，分别为46站（76.7%）和39站（65.0%），东部地区增长最明显，减少趋势的站点主要位于甘南高原至甘岷山区北侧的狭长地带。整体来看，除甘南高原外，河东大部分地区中雨及以下降水以下降趋势为主，大雨及以上降水以上升趋势为主，降水量级总体趋于增大。

图3 1973—2020年河东夏半年降水量年际变化趋势Fig.3 Interannual variation trends of summer half year precipitation in Hedong region from 1973 to 2020

3.3 降水变化特征

为了进一步分析降水的变化特征，对近47 a 内河东夏半年降水量进行EOF。为便于分析，特征向量场均选择时间系数为上升趋势的模态（图4）。河东暖季总降水及小雨、中雨、大雨、暴雨的第一特征向量方差贡献率分别为52.2%、31.1%、31.5%、25.8%、24.3%，第二特征向量方差贡献率分别为11.8%、9.9%、9.7%、9.2%、15.0%，前2个模态的贡献率均远高于其他模态，因此用前2 个模态特征来代表河东降水场的变化。

图4 河东夏半年降水量经验正交函数分解的第一模态及第二模态空间分布Fig.4 Spatial distributions of the first and second modes of empirical orthogonal function decomposition for summer half year precipitation in Hedong region

综合观察总降水量及不同量级降水前2个模态的空间分布，可见LV1大部分区域具有一致的正值或负值，即河东夏半年降水量年际变化的主要特征是整个区域一致增多或减少；LV2 均呈东西部反相变化的分布特征。其中总降水量的LV1 为一致正值，空间分布自东向西递减，大值中心位于东部的嘉陵江流域及渭河流域，降水增长最明显。但LV2则表现为自西北部负值向东南部正值逐渐转变，其中乌鞘岭南部至马街山以北出现了小于-0.15 的负中心，反映出西部地区部分站点具有降水减少的局部变化趋势。另外，根据不同量级降水量LV1的空间分布，小雨及中雨整体以减少趋势为主，大雨及暴雨以增长趋势为主。而LV2 则表现为小雨西部增加东部减少，中雨及大雨西部减少东部增加，暴雨除六盘山以东外均为增长趋势的变化特征，这种变化的正、负值转变地带多位于甘岷山区东麓或北麓附近，可见地形对河东降水造成了显著影响。

图5、图6分别给出了近47 a河东地区夏半年降水量第一模态及第二模态的时间系数。可见夏半年总降水量PC1 的变化大致可以分为3 个阶段：1973—1992年以正相位为主，是河东地区的多雨时段；1984 年开始PC1 移动平均值趋于下降，降水量转为减少趋势，至1993 年转为负相位，转为少雨时段，并在1991、1995 年和1997 年等多个年份超过一个负标准差，干旱尤为明显；2003 年开始PC1 移动平均值再次转为上升趋势，降水量趋于增多，至2013年河东降水再次转为偏多。48 a中PC1斜率大于零，河东降水量仍然以增长为主要趋势。对比不同量级降水PC1 的变化，相位变化第1 个转折点均出现在1993年左右，第2个转折点均出现在2013年左右，虽然小雨和中雨的相位变化与大雨和暴雨相反，但小雨和中雨的LV1 以负值为主，可见不同量级降水具有相似的变化周期及相位转变，降水量趋于同时增加或减少。

图5 河东夏半年降水量EOF分解的第一特征向量场时间系数Fig.5 The first eigenvector field time coefficient of EOF decomposition of summer half year precipitation in Hedong region

图6 河东夏半年降水量EOF分解的第二特征向量场时间系数Fig.6 The second eigenvector field time coefficient of EOF decomposition of summer half year precipitation in Hedong region

夏半年总降水量时间系数PC2的年际变化也主要分为3 个阶段，1989 年移动平均值开始下降，至1994年转为负相位，又于1999年移动平均值开始上升，至2009年转为正相位，正负相位转变的1994年和2009 年与第一模态的2 个时间转折点较为近似。当LV1处于正相位，全市为多雨年份时，LV2以正相位为主，即在多雨年份，东部地区降水量增加尤为明显，西部地区降水增量较少，甚至部分站点降水量有所减少。相反，当LV1为负相位，LV2也多为负相位，在少雨年份，东部地区降水量减少尤为明显，西部地区降水减少量较小，局地降水量有增加趋势。对比不同量级降水时间系数的年际变化，可见中雨及大雨分别在1990 年及2010 年出现转折，变化周期基本与夏半年总降水量吻合，降水变化方向也相同，说明中雨及大雨对夏半年总降水量的局地变化影响最大。小雨为波动上升趋势，2011年后PC2 上升尤为明显。暴雨的时间分布相对独立，2000年以来多数年份PC2正负值超过一个标准差，年际变化非常明显。

3.4 影响因素分析

根据（IPCC）第六次评估报告结果，对降水变化产生影响的气候因素主要包括气候变暖造成的极端湿润和极端干旱事件的加剧，以及大气环流模态的变化对极端事件发生影响。本文主要针对这两方面内容进行分析。

3.4.1 气温图7是河东夏半年总降水及各量级降水的降水量分别与夏半年平均气温相关系数的空间分布。可见除甘南高原外，夏半年总降水及暴雨以下降水降水量普遍与平均气温负相关，其中小雨与气温的相关性最好，41.7%的站点相关系数超过-0.3，这些站点多位于河东北部。总降水及中雨、大雨与气温的相关性较弱，多在-0.2～-0.3 之间，相关性较好的站点多位于东部的秦巴山区、渭河流域及子午岭林区，甘南高原及其以北山区与气温正相关，可见不同区域气温与降水的关系明显不同。气温上升虽然增加了地表水蒸发，提升了大气中水汽含量，有利于上升气流的发展，促进降水增多［18-19］，但相反的，系统性降水多伴随冷空气南下，云层也会遮挡地面辐射，使气温下降。河东地区以半湿润、半干旱及干旱气候特征为主，地表水系少，多数地区升温促进当地水循环对降水的影响极为有限，水汽主要来源仍为偏南暖湿气流输送，冷空气活动对降水频率影响的比重明显较大，因此多数区域降水量与气温负相关。其中河东地区小雨整体与气温负相关，但随着降水量级的增大，相关性整体向正值方向平移，原因是伴随降水强度的增大，对与气温紧密关联的大气不稳定度要求就越高。河东西部地区处于东亚季风区最末端，受甘南高原及甘岷山区阻挡，输入性水汽明显弱于东部地区，气温变化对降水影响的比重更大。其中甘南高原及其以北山区海拔高度高，近40 a来气温上升速度明显快于周边其他地区［20］，且境内有尕海湖、白龙江、黄河、洮河、大夏河等水系，水资源丰富，气候变暖对当地水体循环的促进作用比重增加，中雨及以上降水均与气温正相关，总降水量趋于增加。西部其他地区地表水系较少，对输入性水汽的依赖较大，并且降水以小雨及中雨为主，气温上升影响小量级降水量减少，进一步影响总降水量的减少和干旱的加剧。

图7 1973—2020年河东夏半年降水量与平均气温的相关系数空间分布Fig.7 Spatial distributions of correlation coefficient between precipitation and average temperature in summer half year in Hedong region from 1973 to 2020

3.4.2 大气环流对比两种模态的时间系数，获得第一模态典型年份29 a，第二模态典型年份18 a。为了讨论ENSO 事件及AO 等大尺度环流系统对河东降水的影响，分别对两种模态典型年份的时间系数及夏半年总降水、各量级降水的降水量与ONI、PDO、季风指数及AO做相关性分析（表1）。第一模态典型年份，ONI与PC1及各降水要素均负相关，其中与PC1、总降水及中雨降水量显著负相关。可见Niño 3.4 区（5°N～5°S、120°～170°W）海温偏低时，河东降水偏多，对中雨及以上量级降水影响尤为明显。第二模态典型年份，ONI 除大雨外与其他量级降水的降水量相关性均较差，但ONI 平均值为-0.34，明显低于第一模态下的0.14，拉尼娜事件影响年占比也比第一模态偏多20.6%。ENSO 事件主要通过影响副高位置及夏季风强度来影响我国降水［21-22］，1998年ONI发生突变，西太平洋海温由正相位转为负相位（图8），1973—1998 年拉尼娜事件影响年占比为44%，1998—2020年上升为73.9%，我国雨带北抬，河东降水增多，这与EOF 夏半年总降水量LV2 的移动平均值在1999 年转为上升趋势相吻合。东亚夏季风指数的相关性与ONI 相似，但相关性弱于ONI。夏季风在向北延伸过程中受到甘南高原及甘岷山区阻挡，更倾向于沿着甘岷山区以东地形相对平缓的区域前进，因此对东部地区影响最明显，降水量增长也最快。而西部地区位于季风区末端，且受到多处山脉阻挡，季风影响较弱，除乌鞘岭及甘岷山区东侧迎风坡降水量有所增加外，多数站点为减少趋势。

图8 1973—2020年海洋尼诺指数年际变化Fig.8 Interannual variation of ONI from 1973 to 2020

表1 1973—2020年河东前2类降水模态的时间系数及降水量与环流指数的相关性Tab.1 Time coefficients of the first two precipitation modes in Hedong region from 1973 to 2020 and the correlation between precipitation and circulation index

PDO 的年代际震荡与副高的西进和东退明显相关，当处于正相位时更有利于副高东退［23］。第一模态PDO与各项要素的相关性并不显著，第二模态时间系数与PDO正相关。当PDO为负相位时，副高西进，有利夏季风向西北内陆地区深入，西部地区降水增多；PDO为正相位时，副高东退，夏季风沿着甘岷山区以东向北伸展，东部地区降水增多，西部降水减少。大雨降水量与PDO显著负相关，暴雨降水量与PDO显著正相关，小雨受PDO影响较小。

第一模态典型年份，AO 与时间系数及总降水、中雨降水量显著负相关，当其处于负相位时，北极冷气团更容易向南渗透，影响河东降水偏多，对中雨影响尤为明显。第二模态典型年份，AO 与时间系数负相关，可见当南下冷空气强盛时，冷空气前沿可以影响到河东东南部，使东南地区降水增多。其中AO 与中雨降水量显著正相关，与大雨和暴雨降水量显著负相关，原因是西部地区处于季风区末端，中雨降水量与气温负相关，冷空气较弱时更有利于暖湿气流向内陆深入，使河东西部地区更加湿润，增加了中雨的发生频率及面积。但西部地区大雨及暴雨出现频率低，只有冷空气相对强盛，影响到东南部水汽、能量更充足的地区时，暴雨及大雨范围才会增加。

4 结论

（1）甘肃河东小雨降水量与气温负相关，随着降水量级增大相关性整体向正值方向平移。河东西部位于季风区最末端，夏半年小雨及中雨降水量占比在75%以上，气温变化对降水影响被凸显。其中甘南高原及以北山区由于海拔高度高，地形阻滞使输入性水汽减少，但当地水资源丰富，气候变暖速度明显快于其他区域，气候变暖对当地水循环的促进作用使降水区域增多。西部其他区域偏南气流伴随的输入性水汽仍占主导地位，气候变暖及冷空气活动减弱使范围内降水趋于减少。

（2）河东东部地形过渡平缓，降水受东亚季风影响显著。1998年Niño 3.4区西太平洋海温由正相位为主转为负相位为主，随着季风增强及雨带北抬，偏南气流更倾向于沿着甘南高原及甘岷山区地以东向北延伸，影响东部地区降水趋于增多，且有向大量级发展的趋势。

（3）河东夏半年降水量年际变化的主要特征是总降水及各量级降水在整个区域内一致增多或减少；拉尼娜年河东地区更容易出现东、西部降水偏差相反的局地变化特征。由于河东同属东亚季风影响区，降水整体变化规律基本一致；但由于拉尼娜年西太平洋副热带高压位置偏北，季风强度的改变使岷山东西两侧降水变化的差异被凸显。当PDO 处于负相位时，副高位置偏西，西部地区降水增多，中雨及以上量级降水增长最明显，东部部分站点降水减少。AO 为负相位时，冷空气活动活跃，东南部降水量增多最明显，西部部分站点降水减少。

地理地形的显著差异使河东不同地区温度变化与环流系统调整对降水影响的比重明显不同，出现了夏半年降水量整体以增长趋势为主，部分区域呈减少趋势的特点。本文对上述问题做了简单的定性分析，但定量分析仍有待进一步研究。