本溪地區(qū)降水量變化分析

楊金寶

(遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪 117100)

本溪地區(qū)降水量變化分析

楊金寶

(遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪 117100)

文章通過使用氣候傾向率分析和Mann—Kendall檢驗(yàn)法兩種方法對(duì)本溪地區(qū)49a的降水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，合理、有效開發(fā)水資源、預(yù)防旱澇災(zāi)害等方面有重要指導(dǎo)意義的規(guī)律。

降水量；年際變化；月際變化；Mann—kendall檢驗(yàn)法

1 用氣候傾向率分析降水量變化趨勢

1.1 顯著性檢驗(yàn)

顯著性檢驗(yàn)的一般方法有t檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)和U檢驗(yàn)等，本文均使用t檢驗(yàn)。顯著性水平α表示在原假設(shè)成立時(shí)，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量T落在拒絕域內(nèi)的概率，α越小，T落在拒絕域內(nèi)的概率越小，原假設(shè)同測試結(jié)果之間的矛盾越顯著[1]。在進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)時(shí)，選取多大的顯著性水平作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，要視具體情況而定。

1.2 降水量年際變化

根據(jù)計(jì)算，本溪地區(qū)平均降水量氣候傾向率為0.225mm/10a，隨時(shí)間呈上升趨勢變化,見表1。經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明：本溪站和桓仁站降水量呈顯著上升趨勢，其它各站也均呈上升趨勢，但不明顯。以10a為一時(shí)間段分析發(fā)現(xiàn)，各站點(diǎn)年代間的變化趨勢無明顯規(guī)律性，但總體來看，70年代本溪地區(qū)基本上呈下降趨勢，草河口站下降尤其明顯達(dá)到-16.5mm/10a；80年代本溪站本溪縣站草河口站和桓仁站降水量呈顯著上升趨勢，并且通過顯著性水平為0.02和0.1的顯著性檢驗(yàn)；而90年代以后降水量基本呈上升趨勢，顯著性不明顯。

降水量的值由低到高的順序排序?yàn)椋罕鞠h，本溪，桓仁，草河口。圖1為各地區(qū)逐年降水量值的變化情況，可以看到各地區(qū)降水量年際間變化在走勢上具有相似性。

表1 代表站降水量氣候傾向率 m/10a

備注：*和**分別表示通過了顯著性水平為0.1和0.02的t檢驗(yàn)

圖1本溪地區(qū)降水量逐年變化情況

1.3 降水量的月際變化

四季分明，以季節(jié)為時(shí)間段分析降水量月際變化特征。根據(jù)研究區(qū)的氣候特點(diǎn)進(jìn)行四季劃分：11—2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—10月為秋季。

春季和冬季的降水量氣候傾向率均為正，且上升趨勢顯著，有3個(gè)站點(diǎn)通過了顯著性水平。即本溪地區(qū)各站在春季和冬季降水量都是呈上升趨勢，而夏季和秋季則是呈下降趨勢的，只有草河口的夏季降水量下降趨勢顯著。

草河口站無論春季上升還是夏季下降的趨勢都是非常顯著的，分別達(dá)到了14.6mm/10a和-18.4mm/10a。季節(jié)降水量氣候傾向率變化見表2。

表2 代表站各季節(jié)降水量氣候傾向率 mm/10a

*和**分別表示通過了顯著性水平為0.1和0.02的t檢驗(yàn)

各氣象站降水量逐月變化具有一定規(guī)律性，變化曲線呈單峰形，左側(cè)斜率比右側(cè)大，可以看出降水量春季的攀升速度較快，見圖2。降水量最低值一般發(fā)生在1月份，而本溪，本溪縣，草河口和桓仁4個(gè)站最高值均發(fā)生在7月份，降水量峰值由高到低排列為草河口，桓仁，本溪及本溪縣。

圖2 代表站降水量逐月變化情況

2 用Mann—Kendall檢驗(yàn)法分析降水量變化趨勢

2.1 Mann—Kendall檢驗(yàn)法

在 Mann—Kendall檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0:時(shí)間序列數(shù)據(jù)(x1,…,xn)是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本[2]；備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)：對(duì)于所有的k,j≤n且k≠j，xk和xj的分布是不相同的，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量S計(jì)算如下式：

(1)

(2)

S為正態(tài)分布，其均值為 0，方差Var(s)=n(n-1)(2n+5)/18。當(dāng)n>10時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量，通過下式計(jì)算：

(3)

這樣，在雙邊的趨勢檢驗(yàn)中，在給定的α置信水平上 ，如果︱Z︱≥Z1-α/2，則原假設(shè)是不可接受的，即在α置信水平上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢[3]。對(duì)于統(tǒng)計(jì)變量Z>0時(shí)，是上升趨勢，小于0時(shí)，則是下降趨勢。Z的絕對(duì)值在≥1.28，1.64，2.32時(shí)表示分別通過了信度90%，95%，99%的顯著性檢驗(yàn)。

當(dāng)Mann—Kendall檢驗(yàn)進(jìn)一步用于檢驗(yàn)序列突變時(shí)，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量同上述Z有所不同，通過構(gòu)造一秩序列：

(4)

(5)

定義統(tǒng)計(jì)變量 ：

(6)

式中：E(Sk)=k(K+1)/4，Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72

Ufk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著性水平α，若︱Ufk︱>Uα/2，則表明序列存在明顯的趨勢變化。將時(shí)間序列x按逆序排列，再按上式計(jì)算，同時(shí)使

(8)

通過分析統(tǒng)計(jì)序列UFk和UBk可以進(jìn)一步分析序列x的趨勢變化，而且可以明確突變的時(shí)間，指出突變的區(qū)域。若UFk值>0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢，當(dāng)它們超過臨界直線時(shí) ，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界直線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)刻。Ufk的絕對(duì)值在≥1.96時(shí)表示分別通過了信度95%的顯著性檢驗(yàn)。

2.2 降水量年季變化特征分析

根據(jù)計(jì)算，本溪地區(qū)平均降水量Z值為0.08835，隨時(shí)間呈上升趨勢變化，見表3。從季節(jié)變化趨勢來看，春季本溪地區(qū)四個(gè)站降水量均呈上升趨勢變化，只有本溪縣通過了95%的顯著性檢驗(yàn)，說明本溪縣春季降水量上升速度比較快。

夏季是全年降水量最大的季節(jié)，然而4個(gè)站卻均呈略微下降趨勢變化。秋季只有桓仁站呈上升趨勢，而本溪縣站下降趨勢顯著。冬季本溪站降水量呈上升趨勢，其余各站均呈下降趨勢，本溪縣站和草河口站Z值下降，分別達(dá)到了-1.543和-1.7929。

表4 代表站季節(jié)降水量Mann-kendall檢驗(yàn)值

*和**分別表示通過了信度90%和95%的顯著性檢驗(yàn)

2.3 降水量月際變化特征分析

圖3為用Mann—Kendall方法得到的本溪地區(qū)4個(gè)站降水量趨勢的檢驗(yàn)結(jié)果，可以看出均呈上升的月份有3月，6月，11月。而均呈下降趨勢的有1月，2月和12月。連續(xù)最大3個(gè)月降水量值出現(xiàn)在6—8月，然而本溪站這3個(gè)月的降水量卻呈下降趨勢，特別是7月份，Z值為-1.51，下降趨勢顯著。本溪縣和草河口站7月份Z值雖為正數(shù)，但與6月份相比也有大幅下滑。

圖3代表站月際降水量Mann—kendall檢驗(yàn)值

2.4 突變性檢驗(yàn)

利用M-K檢驗(yàn)突變分析本溪地區(qū)降水量的變化趨勢如圖4。由圖可見，本溪縣和桓仁站降水量變化趨勢不明顯，沒有什么突變發(fā)生，而本溪和草河口降水量存在突變。本溪站降水量發(fā)生兩次突變，分別是1978年和1986年，第1次在信度之外，第2次在信度之間，說明第一次突變比較顯著。從UFk 值就可看出，1958—1977年20a的時(shí)段UFk值為0.175，1978—1985年8a為-0.737，1986—2006年21a間為0.175?？梢?， 1978年的突變是由高值向低值跳躍，而1986年是由低值向高值跳躍。草河口站1958—1976年降水量變化比較平緩，突變點(diǎn)發(fā)生在1976年，之后出現(xiàn)明顯下降趨勢。從1982—2006年草河口降水量一直保持上升趨勢。

3 結(jié) 論

利用本溪地區(qū)4個(gè)氣象站1958—2006年間的氣象資料，運(yùn)用氣候傾向率和Mann-kendall檢驗(yàn)法，分析了本溪地區(qū)年際和月際降水量的氣候變化趨勢，主要結(jié)論為：

1)氣候傾向率與Mann-kendall檢驗(yàn)法得出相同結(jié)論，即1958—2006年間本溪地區(qū)降水量隨時(shí)間呈上升趨勢變化,主要和全球氣溫普遍上升有關(guān)。

2)月際分析表明，降水量最小值發(fā)生在1月份，最大值發(fā)生在7月份，各站點(diǎn)變化情況具有一致性。伏天高溫多雨，對(duì)多數(shù)地區(qū)農(nóng)作物的生長整體有利。但草河口和桓仁7月份降水量>200mm可能會(huì)影響作物的正常開花授粉，容易造成禿頂和空粒。

3)從季節(jié)上看，氣候傾向率和Mann-Kendall方法均得出春季本溪地區(qū)4個(gè)站降水量均呈上升趨勢變化，夏季雖然降水量最大，但降水量卻均呈下降趨勢，主要原因是季風(fēng)氣候所帶來的影響。

4)本溪站降水量發(fā)生2次突變，分別是1978年和1986年，草河口站1958年到1976年降水量變化比較平緩，突變點(diǎn)發(fā)生在1976年，之后出現(xiàn)明顯下降趨勢，這與太陽黑子的活動(dòng)規(guī)律每11a左右為1個(gè)周期的現(xiàn)象相關(guān)。

5)兩種方法都適用于本溪地區(qū)的降水量變化分析，客觀地反映本溪地區(qū)降水的實(shí)際情況，氣候傾向率分析能夠反映較長周期的降水變化規(guī)律，所需樣本要遵從一定的分布。

Mann-Kendall檢驗(yàn)法分析是非參數(shù)檢驗(yàn)方法，不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計(jì)算簡便，能夠?qū)涤甑耐蛔冃赃M(jìn)行檢驗(yàn)。

圖4代表站M—K突變檢驗(yàn)計(jì)算圖

[1]張翀，李晶，任志遠(yuǎn).西北地區(qū)1962年至2000年降水量變化的時(shí)空特征分析[J].資源科學(xué),2010,32(12):2298-2304.

[2]康淑媛，張勃，柳景峰，等.基于Mann-Kendall法的張掖市降水量時(shí)空分布規(guī)律分析[J].資源科學(xué)，2009,31(03):501-508.

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1007-7596(2014)03-0014-04

2013-09-27

楊金寶(1968-)，男，遼寧丹東人，教授級(jí)高級(jí)工程師。

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