1965-2017年渾河沈陽站降水量變化規(guī)律研究

葛 秋

(遼寧省河庫管理服務中心(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。流域是人居與自然因素綜合交匯地帶，流域內降水平衡影響著人居生活、生態(tài)安全。研究流域內降水量變化規(guī)律對陸面過程模擬、氣象災害預警、水資源規(guī)劃至關重要。

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，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1.15×104km2。流域內屬溫帶大陸性季風氣候，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月份夏汛是由季風性降水導致。影響流域降水量的主要氣候系統(tǒng)有東亞季風、臺風、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在不同尺度對應的能量密度，其值越大，表明該尺度信號越強烈。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。小波變換被廣泛應用于氣候要素變化規(guī)律分析。

2 結果與分析

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，標準差為155.93 mm，變異性達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，運用Maan-kendall趨勢分析顯示，其趨勢值Z為-0.098，并未達到±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，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結果一致。由于雙曲線交叉點位于±1.96閾值線內，因此可判定其對應年份為突變開始時間。再結合Pettitt檢驗方法(圖4)，k(t)=max|Ut,N|=288，其對應年份為1974年，另計算P值為0.63>0.5，表明該突變點不具有統(tǒng)計學意義。綜合兩種檢驗結果，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，這與張福運等[2]研究結論一致，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，表明本研究結論具有可靠性。此外，本研究所考慮的時域更接近當下，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環(huán)流有關，李熠等[4]研究顯示近30年來赤道太平洋地區(qū)海溫異常，進而造成西北太平洋地區(qū)的夏季風減弱，致使東亞季風帶來的水汽無法有效向北部推進和輻合，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]應用集合經(jīng)驗模態(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)域降水預報和氣象災害預測具有重要參考價值。

3 結 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減弱與高緯度海陸熱力效應變化引起降雨場相位異常，而具體變化機制有待深入研究；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。