劉睿姝，陳 末，王冠華，陳寒冰

(黑龍江大學(xué) a.水利電力學(xué)院；b.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080)

0 引 言

隨著全球氣候變暖，水循環(huán)發(fā)生了一定的改變。降水是水循環(huán)最基本的環(huán)節(jié)，降水在空間分布上的不均勻和時(shí)間變化上的不穩(wěn)定又是引起洪澇災(zāi)害的直接原因。人類在阻止降水事件頻繁發(fā)生的情況下，分析降水變化特征具有重要的實(shí)際意義，又可以為區(qū)域發(fā)展以及農(nóng)業(yè)項(xiàng)目決策提供科學(xué)依據(jù)[1-2]。近年來，部分學(xué)者對不同區(qū)域的降水進(jìn)行特征分析。張巍等[3]研究了沈陽市近64a降水變化特征；陳小燕[4]搜集了北流市1961-2010年的降水日數(shù)和年降水量進(jìn)行降水變化趨勢初步研究；周小英等[5]研究了重慶萬州區(qū)降水的年際和年代際變化、多時(shí)間尺度變化和降水趨勢變化特征；李佳佳[6]利用線性回歸法研究陽信縣的降水變化特征；左洪超等[7]研究了中國近50a氣溫及降水量的變化趨勢。

目前，眾多學(xué)者多集中研究沈陽市短歷時(shí)降水特征分析以及汛期降水變化特征，關(guān)于沈陽市月降水量變化特征研究還較少，且研究年限較久遠(yuǎn)。本文以沈陽市1991-2020年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用線性回歸法、距平百分率法，分析沈陽市年、四季、月降水趨勢變化特征；并采用Mann-Kendall法，對年、四季降水量進(jìn)行突變分析，對進(jìn)一步開展沈陽市降水評估以及防洪工作有一定的參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

沈陽，遼寧省省會(huì)，位于中國東北地區(qū)南部，所處地理位置為41.8N°123.4°E(圖1)，以平原為主。屬溫帶半濕潤大陸性氣候，全年氣溫在-35℃～36℃之間，平均氣溫8.3℃，全年降水量600～800 mm，全年無霜期155～183 d。受季風(fēng)影響，降水集中在夏季，溫差較大，四季分明。冬寒時(shí)間較長，近6個(gè)月，降雪較少。夏季時(shí)間較短，多雨。春秋兩季氣溫變化迅速，持續(xù)時(shí)間短。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Overview of the study area

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的降水量數(shù)據(jù)來源于國家氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http：//cdc.gov.cn/index.jsp.)，選取沈陽市1991-2020年長達(dá)30年的實(shí)測逐日降水資料，運(yùn)用Excel軟件進(jìn)行年、季均、月均降水量的整理。部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 沈陽市1991-2020年降水量Tab.1 Precipitation in Shenyang from 1991-2020

2.2 研究方法

利用線性回歸分析法、距平百分率法描述降水量的變化趨勢，利用spss25.0軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，利用Mann-Kendall突變分析法對降水量進(jìn)行突變分析。

2.2.1 線性回歸分析

線性回歸[8-9]是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中回歸分析，來確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。本文運(yùn)用的是一元線性回歸分析，把時(shí)間(年份)作為自變量x，降水量作為因變量y，建立通過最小二乘法的一元線性回歸方程為：

y=βx+α

式中：y為與自變量取值x相對應(yīng)的因變量均值的估計(jì)；α和β分別為總體回歸方程參數(shù)，當(dāng)β<0時(shí)，表示y隨時(shí)間呈下降趨勢；反之，β>0表示上升趨勢。

2.2.2 距平百分率

降水距平百分率[10]反映了某一時(shí)段降水與同期平均狀態(tài)的偏離程度。利用距平百分率來描述降水量的變化趨勢，用公式可以表示為：

距平百分率=(實(shí)測值-同期歷史均值)/同期歷史均值

2.2.3Mann-Kendall突變分析法

Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，因其計(jì)算方便、檢驗(yàn)范圍廣而被廣泛使用，是世界氣象組織推薦的一種用來分析降水隨時(shí)間變化趨勢的方法。

根據(jù)此方法得出UFk和UBk曲線圖。若UFk值>0，表明序列為上升趨勢；UFk<0，則表明為下降趨勢；當(dāng)曲線越過臨界直線時(shí)，則表示上升或下降趨勢顯著。如果上述2條曲線出現(xiàn)相交點(diǎn)，且相交在臨界直線之內(nèi)，那么此點(diǎn)對應(yīng)的就是突變發(fā)生的時(shí)間。

3 結(jié)果與分析

3.1 沈陽市降水量月變化特征

根據(jù)沈陽市1991-2020年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，運(yùn)用Excel軟件對月降水量進(jìn)行整理，見表2。從表2可以得出，這30年各月的平均降水量在5.5～172 mm之間。8月份是多年平均月降水量最多的月份，可達(dá)171.94 mm。1月份多年平均月降水量最少，僅為5.95 mm。6-8月份這3個(gè)月的降水量維持在較高的水平。從4月份降水量開始顯著增加，從9月份降水量開始明顯減少。利用spss25.0對月降水量進(jìn)行方差分析，只有2月份降水量變化趨勢最明顯(通過了0.05顯著性檢驗(yàn))，其他11個(gè)月降水量變化趨勢不顯著(均未通過0.05顯著性檢驗(yàn))。1、2、12月份的降水量無顯著變化。

表2 沈陽市1991-2020年月降水量變化趨勢Tab.2 Trends of monthly precipitation in Shenyang from 1991-2020

3.2 沈陽降水量季節(jié)變化特征

根據(jù)沈陽市1991-2020年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，運(yùn)用Excel軟件進(jìn)行四季降水量整理并作圖，四季降水量變化曲線見圖2。沈陽市1991-2020年各季節(jié)降水量中，夏季平均降水量最多，為418.43 mm；秋季平均降水量次之，為117.61 mm；春季平均降水量第三，為115.73 mm，冬季平均降水量最少，為35.32 mm。4個(gè)季節(jié)的平均降水量變化趨勢均不顯著。

春季降水量表現(xiàn)出緩慢上升的趨勢，見圖2(a)，且波動(dòng)較大。分析其波動(dòng)曲線可知，1992-1994年出現(xiàn)明顯的上升趨勢，在1998-2001年出現(xiàn)階段性下降趨勢，在2001年出現(xiàn)了30年來最小值(33.7 mm)。在2006-2011年表現(xiàn)為上升趨勢，且2010年出現(xiàn)30年來最大值(238.1 mm)。在2017-2019年春季降水量均為通過平均值。

夏季降水量表現(xiàn)出緩慢下降的趨勢，見圖2(b)，且波動(dòng)明顯。分析其波動(dòng)曲線可知，1992-1994年出現(xiàn)直線式上升趨勢，漲幅跨度為360.2 mm。在1999-2001和2012-2014年出現(xiàn)下降趨勢，且在2014年出現(xiàn)了30年來最小值(170.6 mm)。在2019年出現(xiàn)30年來最大值(663.3 mm)。在2001-2008年之間降水量變化比較平穩(wěn)。

秋季降水趨勢變化不明顯，見圖2(c)，但波動(dòng)明顯。由波動(dòng)曲線可以看出，在2013年出現(xiàn)了30年來的最大值(219.7 mm)，在2014年出現(xiàn)30年來的最小值(64.9 mm)，2013-2014年出現(xiàn)了急劇下降趨勢，降幅跨度為154.8 mm。在2015-2019年的降水量均低于平均值。

冬季降水呈現(xiàn)上升趨勢，見圖2(d)。由波動(dòng)曲線可以看出，在2015年之前降水量升降交替出現(xiàn)，波動(dòng)較平穩(wěn)。在2016年突然上升達(dá)到225.7 mm，在2011年出現(xiàn)了30年來最小值為3.5 mm，與最大值相差222.2 mm。在1992-1999年降水量均小于30年平均值，其均值為16.5 mm。

圖2 沈陽市1991-2020年季降水量變化趨勢Fig.2 Trends of seasonal precipitation in Shenyang ,1991-2020

3.3 沈陽市降水量年變化特征

根據(jù)沈陽市1991-2020年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，運(yùn)用Excel軟件進(jìn)行年降水量整理并作圖，年降水量變化曲線和距平百分率見圖3。

圖3 沈陽市1991-2020年降水量變化及距平百分率Fig.3 Trends of precipitation and percentage of distance between 1991 and 2020 in Shenyang

從圖3(a)可以看出，沈陽市從1991-2020年的降水序列氣候傾向率為-0.542 5 mm/年，說明降水量總體上呈線性下降趨勢，且波動(dòng)較大。沈陽市1991-2020年平均降水量為663.12 mm，這30年來降水量的變化范圍為360～1 040 mm之間，在2010年出現(xiàn)了30年來最大值1 036.6 mm，年降水量最小值為2014年的362.9 mm，最大值和最小值二者相差673.7 mm。整體來看，降水量的年變化特征不明顯。

圖3(b)是沈陽市1991-2020年降水量距平百分率圖。根據(jù)這30年來的年降水變化可知，沈陽市年降水量整體上呈現(xiàn)不明顯的下降趨勢。在2010年之前，距平百分率呈逐年先增加后減少再增加的趨勢，說明年降水量也呈先增加后減少再增加的趨勢。在2010年之后，距平百分率整體呈下降趨勢，說明年降水量也呈下降趨勢。

3.4 沈陽市年、季節(jié)降水量突變分析

應(yīng)用Mann-Kendall法，設(shè)定顯著性水平α=0.05，臨界值U0.05=±1.96(圖4中的data2=+1.96、data3=-1.96)，對沈陽市年、四季降水量進(jìn)行突變檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4(a)可知，在2007年之前UF值均低于0，表明其為減少趨勢；隨后UF值均高于0，表明其為增加趨勢，但變化趨勢均不明顯(未通過0.05顯著性檢驗(yàn))。根據(jù)UFk和UBk兩條曲線交點(diǎn)的位置，春季降水量在2004年存在突變。夏季降水量的突變點(diǎn)為1996和1998年，這與年降水量的突變位置一致，說明夏季降水主導(dǎo)年降水量變化。秋季無明顯突變點(diǎn)。冬季降水量有幾個(gè)交點(diǎn)，在有交點(diǎn)的年份有波動(dòng)，但不顯著，不存在突變現(xiàn)象。在1999年之前呈下降趨勢，在1999年之后呈上升趨勢，但趨勢不是很明顯。

對于年降水量圖4(e)存在突變點(diǎn)在1992、1998和2002年，由于1992年距離研究起點(diǎn)1991年較近，判斷該點(diǎn)為虛變點(diǎn)。除了在1994年的UFk>臨界值1.96，呈現(xiàn)出非常明顯的上升趨勢，其他年份均未超過臨界值，表明上升趨勢并不明顯。

4 結(jié) 論

本文采用線性回歸方法、距平百分率法以及Mann-Kendall法對沈陽市30年降水量進(jìn)行趨勢變化分析，利用spss25.0軟件進(jìn)行顯著檢驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1) 沈陽市月降水量中，每年8月份為多年平均月降水量最多的月份，1月份是最少的，5和8月份降水量增加幅度較大，7月份降水量減少幅度最大，其他月份變化幅度不大。

2) 沈陽市四季降水量中，夏季降水量對全年貢獻(xiàn)最大，冬季貢獻(xiàn)最小，4個(gè)季節(jié)降水量變化趨勢均不顯著，未通過0.05顯著性檢驗(yàn)。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)中，春季的突變點(diǎn)是2004年，夏季的突變點(diǎn)是1996和1998年，秋冬突變均不顯著，不存在突變現(xiàn)象。

3) 沈陽市30年平均降水量為663.12 mm，降水量呈不明顯的下降趨勢。通過Mann-Kendall突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，年降水量在1998和2002年發(fā)生突變。