1965-2017年浑河沈阳站降水量变化规律研究

葛 秋

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，沈阳 110003)

降水是维系生态系统各圈层能量迁移的重要纽带，也是区域生态环境健康不可或缺的支持要素。作为气候系统耗散过程矢量之一，降水变化与气候过程、地形、下垫面等多因素有关。流域是人居与自然因素综合交汇地带，流域内降水平衡影响着人居生活、生态安全。研究流域内降水量变化规律对陆面过程模拟、气象灾害预警、水资源规划至关重要。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

浑河属辽河一级支流，发源于辽东长白山地西侧，流经辽河平原，注入渤海，流域范围介于E122.13°-E125.21°，N40.71°-N42.17°，干流全长415 km，面积达1.15×104km2。流域内属温带大陆性季风气候，具有雨热同季、冬夏分明特点，多年平均气温9.6℃，降水量718.3 mm，径流量30.52×108m3。该地有春汛和夏汛，春汛由4-5月份气温升高引起冰雪融化而来；7-8月份夏汛是由季风性降水导致。影响流域降水量的主要气候系统有东亚季风、台风、华北气旋和高纬度高压等。

1.2 数据来源

研究数据来自国家气象科学数据中心(https://data.cma.cn/data)，时域为1965-20197年，时间分辨率为年。以浑河流域沈阳站的气象降水资料为基础数据。

1.3 小波功率谱

小波分析利用一簇具有震荡性且迅速衰减的小波函数系逼近某一时空或频率域变量，小波函数描述为[1]：

(1)

式中：f(x)为进行分析的降雨实际序列；ψ(x)为小波基函数；a为ψ(x)的收缩或扩张因子即尺度参数；b为小波中心位置。

小波方差S2为小波系数在尺度域上的积分：

(2)

式中：Wf(x)(a,b)为降雨实际序列f(x)在尺度为a、位置(时间)为b处的小波变换系数；N为降雨量时间序列长度。

小波功率谱P表征S2在不同尺度对应的能量密度，其值越大，表明该尺度信号越强烈。P计算如下[6]：

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

(3)

1.4 趋势分析

采用斜率回归法表征降水变化趋势，利用P检验、Maan-kendall(MK)秩检验衡量趋势度显著性水平；MK检验值|Z|≥1.28、1.96、2.32时，表明分别通过90%、95%、99%的信度检验；用MK检验得到的UF-UB值与Pettitt方法判定突变点及其显著性水平。小波变换被广泛应用于气候要素变化规律分析。

2 结果与分析

2.1 浑河流域沈阳站降水量年际变化

图1为1966-2018年间浑河流域沈阳站观测的降水量年际变化。由图1可知，观测期内该地降水量变化范围介于409.88 mm(1999年)～950.97(1969年)，最多相差541.09 mm，其多年统计平均值659.40 mm，标准差为155.93 mm，变异性达23.65%，表现出中等变异度。线性回归分析表明，近53年间区域降水量变化总体趋势y=-1.340 2x+3 340.3，但并未通过5%水平的信度检验。此外，运用Maan-kendall趋势分析显示，其趋势值Z为-0.098，并未达到±1.96阈值水平，这均表明该地降水量变化趋势不显著。通过5年滑动平均分析提取得到近53年来该站降水量存在4个降水量峰值区间，分别为1966-1974、1982-1983、1992-1995、2005-2007年，同时存在4个明显的谷值区间，依次为1975-1981、1987-1991、1999-2003、2011-2013年，降水量峰谷趋势呈交替变化。此外，还估计了降水量正态分布特性(图2)，可知该地降水量主要集中于560～640 mm区间内，400和960 mm左右的区间分布最少。

图1 浑河流域沈阳站1965-2017年降水量

图2 浑河流域沈阳站年降水量正态分布直方图

2.2 浑河流域沈阳站降水量突变检验

Mann-Kendall突变检验程序存在两个表征值，其中UF为信度水平，UB表征变化度，图3为区域降水量突变程度。图3中显示，沈阳站降水量的UF、UB双曲线在1970、1993年相交，说明这些年份年降水量发生较大变化，这与图1结果一致。由于双曲线交叉点位于±1.96阈值线内，因此可判定其对应年份为突变开始时间。再结合Pettitt检验方法(图4)，k(t)=max|Ut,N|=288，其对应年份为1974年，另计算P值为0.63>0.5，表明该突变点不具有统计学意义。综合两种检验结果，沈阳站近53年来降水量未发生显著突变。

图3 浑河流域沈阳站年降水量Maan-Kendall突变检验

图4 浑河流域沈阳站年降水量Pettitt检验

2.3 浑河流域沈阳站降水量周期性

小波功率谱的信号强度能直观描述年季降水量变化周期。图5中闭合实线为通过5%信度水平检验区域，可知在1966-1986年间，该地年降水量变化周期主要为3～7 a，在1995-2006年间以3 a的周期最显著，在2000-2016年间以3～4 a的周期达到统计显著水平。由此看来，3 a的周期为区域降水量变化的主要短周期。此外，还显示1985-2017年间区域降水量变化存在14～16 a的中长周期变化，其核心周期为15 a。通过小波能量强度曲线(图5)可知，15 a周期的能量高于3 a周期的能量，这表明15 a是其主周期，3 a为次周期。

图5 浑河流域沈阳站年降水量变化小波功率谱

2.4 浑河流域沈阳站降水量时间变化分析与讨论

研究结果显示，1695-2017年来该地降水量变化趋势以弱的减少趋势为主，这与张福运等[2]研究结论一致，表明该地区除了汛期降水量略有增加外，其年降水量总体为减少趋势。刘伟等[3]研究指出该地1956-2011年降水量亦呈现一定程度减少，表明本研究结论具有可靠性。此外，本研究所考虑的时域更接近当下，能更直观反映近些年区域降水变化。该地降水减少趋势可能跟季风环流有关，李熠等[4]研究显示近30年来赤道太平洋地区海温异常，进而造成西北太平洋地区的夏季风减弱，致使东亚季风带来的水汽无法有效向北部推进和辐合，减少了该地区降水来源。另外，受北半球高纬地区气温升高影响，地面西伯利亚高压、东亚大槽、乌拉尔高压脊偏弱，导致地区秋冬季部分时段锋面交汇概率降低，使得降水减少[4]。

徐迪等[5]应用集合经验模态分解法解析了区域1651-2016年降水量变化震荡周期，指出该地存在14 a的主周期和64 a的长周期。显然就研究时域来看，64 a的周期并不能完整反映该地降水量变化特征，因而可能是伪周期，而14 a的主周期与本研究的15 a主周期近似。此外，本研究还表明区域存在3 a的短周期，这对区域降水预报和气象灾害预测具有重要参考价值。

3 结 论

本研究基于线性回归、Maan-kendall检验和小波功率谱法研究了沈阳站降水量变化特性，得出结论如下：①全球气候变化背景下沈阳站降水量呈现弱减少趋势，倾向斜率为-1.34 mm/a，出现这种情况的可能原因是东亚季风减弱与高纬度海陆热力效应变化引起降雨场相位异常，而具体变化机制有待深入研究；②该地年际降水量呈现峰谷交替变化，因而未呈现显著突变趋势；③区域降水震荡周期呈现中周期和短周期嵌套叠加，其中以14 a的中周期为主周期。