葛 秋

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，沈陽 110003)

降水是維系生態(tài)系統(tǒng)各圈層能量遷移的重要紐帶，也是區(qū)域生態(tài)環(huán)境健康不可或缺的支持要素。作為氣候系統(tǒng)耗散過程矢量之一，降水變化與氣候過程、地形、下墊面等多因素有關(guān)。流域是人居與自然因素綜合交匯地帶，流域內(nèi)降水平衡影響著人居生活、生態(tài)安全。研究流域內(nèi)降水量變化規(guī)律對陸面過程模擬、氣象災(zāi)害預(yù)警、水資源規(guī)劃至關(guān)重要。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

渾河屬遼河一級支流，發(fā)源于遼東長白山地西側(cè)，流經(jīng)遼河平原，注入渤海，流域范圍介于E122.13°-E125.21°，N40.71°-N42.17°，干流全長415 km，面積達(dá)1.15×104km2。流域內(nèi)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有雨熱同季、冬夏分明特點，多年平均氣溫9.6℃，降水量718.3 mm，徑流量30.52×108m3。該地有春汛和夏汛，春汛由4-5月份氣溫升高引起冰雪融化而來；7-8月份夏汛是由季風(fēng)性降水導(dǎo)致。影響流域降水量的主要氣候系統(tǒng)有東亞季風(fēng)、臺風(fēng)、華北氣旋和高緯度高壓等。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.cma.cn/data)，時域為1965-20197年，時間分辨率為年。以渾河流域沈陽站的氣象降水資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3 小波功率譜

小波分析利用一簇具有震蕩性且迅速衰減的小波函數(shù)系逼近某一時空或頻率域變量，小波函數(shù)描述為[1]：

(1)

式中：f(x)為進(jìn)行分析的降雨實際序列；ψ(x)為小波基函數(shù)；a為ψ(x)的收縮或擴(kuò)張因子即尺度參數(shù)；b為小波中心位置。

小波方差S2為小波系數(shù)在尺度域上的積分：

(2)

式中：Wf(x)(a,b)為降雨實際序列f(x)在尺度為a、位置(時間)為b處的小波變換系數(shù)；N為降雨量時間序列長度。

小波功率譜P表征S2在不同尺度對應(yīng)的能量密度，其值越大，表明該尺度信號越強(qiáng)烈。P計算如下[6]：

P=|Wf(x)(a,b)|2

(3)

1.4 趨勢分析

采用斜率回歸法表征降水變化趨勢，利用P檢驗、Maan-kendall(MK)秩檢驗衡量趨勢度顯著性水平；MK檢驗值|Z|≥1.28、1.96、2.32時，表明分別通過90%、95%、99%的信度檢驗；用MK檢驗得到的UF-UB值與Pettitt方法判定突變點及其顯著性水平。小波變換被廣泛應(yīng)用于氣候要素變化規(guī)律分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 渾河流域沈陽站降水量年際變化

圖1為1966-2018年間渾河流域沈陽站觀測的降水量年際變化。由圖1可知，觀測期內(nèi)該地降水量變化范圍介于409.88 mm(1999年)～950.97(1969年)，最多相差541.09 mm，其多年統(tǒng)計平均值659.40 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為155.93 mm，變異性達(dá)23.65%，表現(xiàn)出中等變異度。線性回歸分析表明，近53年間區(qū)域降水量變化總體趨勢y=-1.340 2x+3 340.3，但并未通過5%水平的信度檢驗。此外，運(yùn)用Maan-kendall趨勢分析顯示，其趨勢值Z為-0.098，并未達(dá)到±1.96閾值水平，這均表明該地降水量變化趨勢不顯著。通過5年滑動平均分析提取得到近53年來該站降水量存在4個降水量峰值區(qū)間，分別為1966-1974、1982-1983、1992-1995、2005-2007年，同時存在4個明顯的谷值區(qū)間，依次為1975-1981、1987-1991、1999-2003、2011-2013年，降水量峰谷趨勢呈交替變化。此外，還估計了降水量正態(tài)分布特性(圖2)，可知該地降水量主要集中于560～640 mm區(qū)間內(nèi)，400和960 mm左右的區(qū)間分布最少。

圖1 渾河流域沈陽站1965-2017年降水量

圖2 渾河流域沈陽站年降水量正態(tài)分布直方圖

2.2 渾河流域沈陽站降水量突變檢驗

Mann-Kendall突變檢驗程序存在兩個表征值，其中UF為信度水平，UB表征變化度，圖3為區(qū)域降水量突變程度。圖3中顯示，沈陽站降水量的UF、UB雙曲線在1970、1993年相交，說明這些年份年降水量發(fā)生較大變化，這與圖1結(jié)果一致。由于雙曲線交叉點位于±1.96閾值線內(nèi)，因此可判定其對應(yīng)年份為突變開始時間。再結(jié)合Pettitt檢驗方法(圖4)，k(t)=max|Ut,N|=288，其對應(yīng)年份為1974年，另計算P值為0.63>0.5，表明該突變點不具有統(tǒng)計學(xué)意義。綜合兩種檢驗結(jié)果，沈陽站近53年來降水量未發(fā)生顯著突變。

圖3 渾河流域沈陽站年降水量Maan-Kendall突變檢驗

圖4 渾河流域沈陽站年降水量Pettitt檢驗

2.3 渾河流域沈陽站降水量周期性

小波功率譜的信號強(qiáng)度能直觀描述年季降水量變化周期。圖5中閉合實線為通過5%信度水平檢驗區(qū)域，可知在1966-1986年間，該地年降水量變化周期主要為3～7 a，在1995-2006年間以3 a的周期最顯著，在2000-2016年間以3～4 a的周期達(dá)到統(tǒng)計顯著水平。由此看來，3 a的周期為區(qū)域降水量變化的主要短周期。此外，還顯示1985-2017年間區(qū)域降水量變化存在14～16 a的中長周期變化，其核心周期為15 a。通過小波能量強(qiáng)度曲線(圖5)可知，15 a周期的能量高于3 a周期的能量，這表明15 a是其主周期，3 a為次周期。

圖5 渾河流域沈陽站年降水量變化小波功率譜

2.4 渾河流域沈陽站降水量時間變化分析與討論

研究結(jié)果顯示，1695-2017年來該地降水量變化趨勢以弱的減少趨勢為主，這與張福運(yùn)等[2]研究結(jié)論一致，表明該地區(qū)除了汛期降水量略有增加外，其年降水量總體為減少趨勢。劉偉等[3]研究指出該地1956-2011年降水量亦呈現(xiàn)一定程度減少，表明本研究結(jié)論具有可靠性。此外，本研究所考慮的時域更接近當(dāng)下，能更直觀反映近些年區(qū)域降水變化。該地降水減少趨勢可能跟季風(fēng)環(huán)流有關(guān)，李熠等[4]研究顯示近30年來赤道太平洋地區(qū)海溫異常，進(jìn)而造成西北太平洋地區(qū)的夏季風(fēng)減弱，致使東亞季風(fēng)帶來的水汽無法有效向北部推進(jìn)和輻合，減少了該地區(qū)降水來源。另外，受北半球高緯地區(qū)氣溫升高影響，地面西伯利亞高壓、東亞大槽、烏拉爾高壓脊偏弱，導(dǎo)致地區(qū)秋冬季部分時段鋒面交匯概率降低，使得降水減少[4]。

徐迪等[5]應(yīng)用集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法解析了區(qū)域1651-2016年降水量變化震蕩周期，指出該地存在14 a的主周期和64 a的長周期。顯然就研究時域來看，64 a的周期并不能完整反映該地降水量變化特征，因而可能是偽周期，而14 a的主周期與本研究的15 a主周期近似。此外，本研究還表明區(qū)域存在3 a的短周期，這對區(qū)域降水預(yù)報和氣象災(zāi)害預(yù)測具有重要參考價值。

3 結(jié) 論

本研究基于線性回歸、Maan-kendall檢驗和小波功率譜法研究了沈陽站降水量變化特性，得出結(jié)論如下：①全球氣候變化背景下沈陽站降水量呈現(xiàn)弱減少趨勢，傾向斜率為-1.34 mm/a，出現(xiàn)這種情況的可能原因是東亞季風(fēng)減弱與高緯度海陸熱力效應(yīng)變化引起降雨場相位異常，而具體變化機(jī)制有待深入研究；②該地年際降水量呈現(xiàn)峰谷交替變化，因而未呈現(xiàn)顯著突變趨勢；③區(qū)域降水震蕩周期呈現(xiàn)中周期和短周期嵌套疊加，其中以14 a的中周期為主周期。