1991-2020年沈阳市降水趋势变化及突变分析

刘睿姝，陈 末，王冠华，陈寒冰

(黑龙江大学 a.水利电力学院；b.寒区地下水研究所，哈尔滨 150080)

0 引 言

随着全球气候变暖，水循环发生了一定的改变。降水是水循环最基本的环节，降水在空间分布上的不均匀和时间变化上的不稳定又是引起洪涝灾害的直接原因。人类在阻止降水事件频繁发生的情况下，分析降水变化特征具有重要的实际意义，又可以为区域发展以及农业项目决策提供科学依据[1-2]。近年来，部分学者对不同区域的降水进行特征分析。张巍等[3]研究了沈阳市近64a降水变化特征；陈小燕[4]搜集了北流市1961-2010年的降水日数和年降水量进行降水变化趋势初步研究；周小英等[5]研究了重庆万州区降水的年际和年代际变化、多时间尺度变化和降水趋势变化特征；李佳佳[6]利用线性回归法研究阳信县的降水变化特征；左洪超等[7]研究了中国近50a气温及降水量的变化趋势。

目前，众多学者多集中研究沈阳市短历时降水特征分析以及汛期降水变化特征，关于沈阳市月降水量变化特征研究还较少，且研究年限较久远。本文以沈阳市1991-2020年逐日降水数据为基础，应用线性回归法、距平百分率法，分析沈阳市年、四季、月降水趋势变化特征；并采用Mann-Kendall法，对年、四季降水量进行突变分析，对进一步开展沈阳市降水评估以及防洪工作有一定的参考价值。

1 研究区概况

沈阳，辽宁省省会，位于中国东北地区南部，所处地理位置为41.8N°123.4°E(图1)，以平原为主。属温带半湿润大陆性气候，全年气温在-35℃～36℃之间，平均气温8.3℃，全年降水量600～800 mm，全年无霜期155～183 d。受季风影响，降水集中在夏季，温差较大，四季分明。冬寒时间较长，近6个月，降雪较少。夏季时间较短，多雨。春秋两季气温变化迅速，持续时间短。

图1 研究区概况图Fig.1 Overview of the study area

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

本文所采用的降水量数据来源于国家气象数据共享网(http：//cdc.gov.cn/index.jsp.)，选取沈阳市1991-2020年长达30年的实测逐日降水资料，运用Excel软件进行年、季均、月均降水量的整理。部分数据见表1。

表1 沈阳市1991-2020年降水量Tab.1 Precipitation in Shenyang from 1991-2020

2.2 研究方法

利用线性回归分析法、距平百分率法描述降水量的变化趋势，利用spss25.0软件进行显著性检验，利用Mann-Kendall突变分析法对降水量进行突变分析。

2.2.1 线性回归分析

线性回归[8-9]是利用数理统计中回归分析，来确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法。本文运用的是一元线性回归分析，把时间(年份)作为自变量x，降水量作为因变量y，建立通过最小二乘法的一元线性回归方程为：

y=βx+α

式中：y为与自变量取值x相对应的因变量均值的估计；α和β分别为总体回归方程参数，当β<0时，表示y随时间呈下降趋势；反之，β>0表示上升趋势。

2.2.2 距平百分率

降水距平百分率[10]反映了某一时段降水与同期平均状态的偏离程度。利用距平百分率来描述降水量的变化趋势，用公式可以表示为：

距平百分率=(实测值-同期历史均值)/同期历史均值

2.2.3Mann-Kendall突变分析法

Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法，因其计算方便、检验范围广而被广泛使用，是世界气象组织推荐的一种用来分析降水随时间变化趋势的方法。

根据此方法得出UFk和UBk曲线图。若UFk值>0，表明序列为上升趋势；UFk<0，则表明为下降趋势；当曲线越过临界直线时，则表示上升或下降趋势显著。如果上述2条曲线出现相交点，且相交在临界直线之内，那么此点对应的就是突变发生的时间。

3 结果与分析

3.1 沈阳市降水量月变化特征

根据沈阳市1991-2020年逐日降水数据，运用Excel软件对月降水量进行整理，见表2。从表2可以得出，这30年各月的平均降水量在5.5～172 mm之间。8月份是多年平均月降水量最多的月份，可达171.94 mm。1月份多年平均月降水量最少，仅为5.95 mm。6-8月份这3个月的降水量维持在较高的水平。从4月份降水量开始显著增加，从9月份降水量开始明显减少。利用spss25.0对月降水量进行方差分析，只有2月份降水量变化趋势最明显(通过了0.05显著性检验)，其他11个月降水量变化趋势不显著(均未通过0.05显著性检验)。1、2、12月份的降水量无显著变化。

表2 沈阳市1991-2020年月降水量变化趋势Tab.2 Trends of monthly precipitation in Shenyang from 1991-2020

3.2 沈阳降水量季节变化特征

根据沈阳市1991-2020年逐日降水数据，运用Excel软件进行四季降水量整理并作图，四季降水量变化曲线见图2。沈阳市1991-2020年各季节降水量中，夏季平均降水量最多，为418.43 mm；秋季平均降水量次之，为117.61 mm；春季平均降水量第三，为115.73 mm，冬季平均降水量最少，为35.32 mm。4个季节的平均降水量变化趋势均不显著。

春季降水量表现出缓慢上升的趋势，见图2(a)，且波动较大。分析其波动曲线可知，1992-1994年出现明显的上升趋势，在1998-2001年出现阶段性下降趋势，在2001年出现了30年来最小值(33.7 mm)。在2006-2011年表现为上升趋势，且2010年出现30年来最大值(238.1 mm)。在2017-2019年春季降水量均为通过平均值。

夏季降水量表现出缓慢下降的趋势，见图2(b)，且波动明显。分析其波动曲线可知，1992-1994年出现直线式上升趋势，涨幅跨度为360.2 mm。在1999-2001和2012-2014年出现下降趋势，且在2014年出现了30年来最小值(170.6 mm)。在2019年出现30年来最大值(663.3 mm)。在2001-2008年之间降水量变化比较平稳。

秋季降水趋势变化不明显，见图2(c)，但波动明显。由波动曲线可以看出，在2013年出现了30年来的最大值(219.7 mm)，在2014年出现30年来的最小值(64.9 mm)，2013-2014年出现了急剧下降趋势，降幅跨度为154.8 mm。在2015-2019年的降水量均低于平均值。

冬季降水呈现上升趋势，见图2(d)。由波动曲线可以看出，在2015年之前降水量升降交替出现，波动较平稳。在2016年突然上升达到225.7 mm，在2011年出现了30年来最小值为3.5 mm，与最大值相差222.2 mm。在1992-1999年降水量均小于30年平均值，其均值为16.5 mm。

图2 沈阳市1991-2020年季降水量变化趋势Fig.2 Trends of seasonal precipitation in Shenyang ,1991-2020

3.3 沈阳市降水量年变化特征

根据沈阳市1991-2020年逐日降水数据，运用Excel软件进行年降水量整理并作图，年降水量变化曲线和距平百分率见图3。

图3 沈阳市1991-2020年降水量变化及距平百分率Fig.3 Trends of precipitation and percentage of distance between 1991 and 2020 in Shenyang

从图3(a)可以看出，沈阳市从1991-2020年的降水序列气候倾向率为-0.542 5 mm/年，说明降水量总体上呈线性下降趋势，且波动较大。沈阳市1991-2020年平均降水量为663.12 mm，这30年来降水量的变化范围为360～1 040 mm之间，在2010年出现了30年来最大值1 036.6 mm，年降水量最小值为2014年的362.9 mm，最大值和最小值二者相差673.7 mm。整体来看，降水量的年变化特征不明显。

图3(b)是沈阳市1991-2020年降水量距平百分率图。根据这30年来的年降水变化可知，沈阳市年降水量整体上呈现不明显的下降趋势。在2010年之前，距平百分率呈逐年先增加后减少再增加的趋势，说明年降水量也呈先增加后减少再增加的趋势。在2010年之后，距平百分率整体呈下降趋势，说明年降水量也呈下降趋势。

3.4 沈阳市年、季节降水量突变分析

应用Mann-Kendall法，设定显著性水平α=0.05，临界值U0.05=±1.96(图4中的data2=+1.96、data3=-1.96)，对沈阳市年、四季降水量进行突变检验，检验结果见图4。

由图4(a)可知，在2007年之前UF值均低于0，表明其为减少趋势；随后UF值均高于0，表明其为增加趋势，但变化趋势均不明显(未通过0.05显著性检验)。根据UFk和UBk两条曲线交点的位置，春季降水量在2004年存在突变。夏季降水量的突变点为1996和1998年，这与年降水量的突变位置一致，说明夏季降水主导年降水量变化。秋季无明显突变点。冬季降水量有几个交点，在有交点的年份有波动，但不显著，不存在突变现象。在1999年之前呈下降趋势，在1999年之后呈上升趋势，但趋势不是很明显。

对于年降水量图4(e)存在突变点在1992、1998和2002年，由于1992年距离研究起点1991年较近，判断该点为虚变点。除了在1994年的UFk>临界值1.96，呈现出非常明显的上升趋势，其他年份均未超过临界值，表明上升趋势并不明显。

4 结 论

本文采用线性回归方法、距平百分率法以及Mann-Kendall法对沈阳市30年降水量进行趋势变化分析，利用spss25.0软件进行显著检验，得出以下结论：

1) 沈阳市月降水量中，每年8月份为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较大，7月份降水量减少幅度最大，其他月份变化幅度不大。

2) 沈阳市四季降水量中，夏季降水量对全年贡献最大，冬季贡献最小，4个季节降水量变化趋势均不显著，未通过0.05显著性检验。Mann-Kendall突变检验中，春季的突变点是2004年，夏季的突变点是1996和1998年，秋冬突变均不显著，不存在突变现象。

3) 沈阳市30年平均降水量为663.12 mm，降水量呈不明显的下降趋势。通过Mann-Kendall突变检验发现，年降水量在1998和2002年发生突变。