陳寒冰，陳 末，王冠華，劉睿姝

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080； 2.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080)

0 引 言

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會第六次氣候變化評估報告中的第一工作組報告指出，1970年以來的50年是過去2000年以來最暖的50年，1901-2018年全球平均海平面上升了0.20m，上升速度比過去3000年中任何一個世紀(jì)都快。2011-2020年全球地表溫度比工業(yè)革命時期上升了1.09℃，其中約1.07℃的增溫是人類活動造成的[1]。二氧化碳含量增多和溫度上升導(dǎo)致的氣候變化改變?nèi)蛩难h(huán)的現(xiàn)狀，并影響水資源的時空分布規(guī)律，進(jìn)而影響降水、蒸發(fā)等水循環(huán)要素的變化過程[2-3]。其中，氣溫、降水、蒸發(fā)作為關(guān)鍵的氣候資源，其變化規(guī)律將直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，并最終影響地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)[4]。

在全球氣候變化日益惡化情況下，國內(nèi)學(xué)者對于不同地區(qū)和流域的氣候變化展開了相關(guān)研究。胡建橋等[5]通過研究蘭州市近68年的年降水量和各季降水量的變化特征發(fā)現(xiàn)，蘭州市年降水量呈下降趨勢，春、夏、秋三季的降水量均有不同幅度的下降趨勢。楊曉柳等[6]根據(jù)烏蒙山1971-2015年的氣象數(shù)據(jù)，采用線性傾向估計、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)等方法，發(fā)現(xiàn)烏蒙山的降水量、蒸發(fā)量和氣溫呈上升趨勢，3個氣象要素均存在突變現(xiàn)象。郝路等[7]利用Mann-Kendall分析、累計距平等方法，對銀川市近51年的年降水量和四季降水量的趨勢性、突變性進(jìn)行了研究。宋培兵等[8]選取通遼地區(qū)1957-2017年的氣候資料，研究多時間尺度下的年降水量、年潛在蒸發(fā)量和年平均氣溫的變化規(guī)律。李嬌等[9]研究發(fā)現(xiàn)遼寧省蒸發(fā)量自西北向東南呈遞減趨勢，風(fēng)速和平均最低氣溫對于蒸發(fā)量的變化具有影響。齊燕[10]分析大柴旦地區(qū)1956-2017年降雨、溫度及蒸發(fā)的變化特征，結(jié)果表明該地區(qū)的降雨呈上升趨勢，蒸發(fā)呈下降趨勢，降水序列和蒸發(fā)序列存在突變現(xiàn)象。劉蕾等[11]對140年蕪湖市年降水量和各季降水量的變化特征進(jìn)行相關(guān)分析。郭嘉兵等[12]選取甘肅省59個氣象站降水量資料數(shù)據(jù)，結(jié)果表明甘肅省東部、南部和中部地區(qū)降水量呈下降趨勢，西部降水量呈上升趨勢，降水量發(fā)生突變的時間點(diǎn)為20世紀(jì)60年代中期、70年代初期、80年代中期以及90年代初期。

本文以四平市為例，根據(jù)1992-2019年氣象站的氣候資料日值數(shù)據(jù)，運(yùn)用線性趨勢和滑動平均等方法分析氣候要素的趨勢變化特征，運(yùn)用 Mann-Kendall 檢驗(yàn)法分析氣候要素的突變特征。研究結(jié)果可以展示四平市降水變化特征，對于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)發(fā)展和預(yù)防旱澇災(zāi)害具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

四平市位于中國東北地區(qū)中部、吉林省南部，地理坐標(biāo)為E123°17′-E125°49′，N42°31′-N44°09′。四平市是東北亞區(qū)域中心點(diǎn)，也是吉林省中部創(chuàng)新轉(zhuǎn)型核心區(qū)主要支點(diǎn)城市。四平市總面積為14 323 km2，其中東部屬長白山余脈的丘陵地區(qū)；西部為松遼平原的一部分，接壤科爾沁草原；中部為平原地區(qū)。研究區(qū)地勢東南高、西北低，海拔高度在100-500 m之間，屬于中溫帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，呈現(xiàn)明顯的大陸性氣候，四季分明，夏季多雨，全年降水總量平均578.5 mm。研究區(qū)主要河流為東遼河及其支流，邊緣地區(qū)還有西遼河、伊通河、輝發(fā)河等。土地資源比較豐富，地貌類型多樣，山地約占總面積的6%，丘陵占總面積的15%，平原約占總面積的79%。草地總面積14.4×104hm2，其中放牧場8.92×104hm2，采草場3.7×104hm2。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的四平市1992-2019年的逐日降水序列資料，并由降水資料可統(tǒng)計計算年降水量序列，對于缺測或異常情況的降水日值數(shù)據(jù)均采用0進(jìn)行代替。在統(tǒng)計季度數(shù)據(jù)時，季節(jié)的劃分方法為: 3-5月份為春季、6-8月份為夏季、9-11月份為秋季、12月份至翌年2月份為冬季。數(shù)據(jù)分析及繪圖采用Matlab及Excel完成。

2.2 研究方法

本文主要從趨勢性、突變性和周期性3個方面分別對年降水量進(jìn)行分析。其中，趨勢性檢驗(yàn)采用線性趨勢法[13-17]、距平及累計距平法、滑動檢驗(yàn)法；突變性檢驗(yàn)采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法[18-22]，來判斷長時間序列中降水發(fā)生突變的時間點(diǎn)。

2.2.1 線性趨勢法

線性趨勢法是利用數(shù)理統(tǒng)計原理來確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種方法,其用一元線性回歸方程表示。

2.2.2 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法

Mann-Kendall法是由Mann和Kendall提出的，是時間序列數(shù)據(jù)趨勢檢驗(yàn)和突變檢驗(yàn)中被世界氣象組織推薦并廣泛應(yīng)用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法。其特點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，對于非正態(tài)分布的水文、氣象等數(shù)據(jù)具有更加突出的適用性[23-24]。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量趨勢分析

由圖1可知，1992-2019年四平市的年降水量波動較大，四平市近28年的年降水量變化范圍為369.2～986 mm，年平均降雨量為605.1 mm，2019年年降水量最高，比年平均降雨量多380.9 mm；2002年年降水量最低，最大值與最小值相差616.8 mm。降水量在2007、2009、2011年出現(xiàn)較小降水，在2005、2010、2016年出現(xiàn)較大降水，降水極值更替出現(xiàn)，說明四平市極端天氣頻繁。降水量在1998-2002、2005-2007、2010-2011、2016-2017年時間段內(nèi)急劇下降，在1995-1996、2003-2004年時間段內(nèi)相對穩(wěn)定，在2009-2010、2015-2016、2017-2019年時間段內(nèi)急劇上升，說明四平市年際降水量變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

從線性趨勢線可知，近28年來四平市年降水量氣候傾向率為42.948 mm/10 a，其線性擬合方程為y=4.294 8x+543.84，其相關(guān)系數(shù)為R2=0.050 5。對線性回歸方程進(jìn)行F顯著性檢驗(yàn)，選取顯著性水平α=0.05，此時分子的自由度為1，分母的自由度為n-2=26，查F分布表得F0.05(1,26)=4.23，則拒絕域?yàn)閇4.23,+∞)。根據(jù)相關(guān)系數(shù)R2計算顯著性水平F可知，降水顯著性檢驗(yàn)的統(tǒng)計量為1.38，其值不在拒絕域內(nèi)，因此近28年來四平市年降水量總體呈上升趨勢，變化趨勢不顯著。

根據(jù)Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法，得到年降水量的統(tǒng)計量Z=0.770 5，其統(tǒng)計量大于0但小于1.96，表明四平市1992-2019年降水量呈不顯著的增加趨勢，這與線性分析的結(jié)果相同。通過5年滑動平均曲線可知，年降水量變化趨勢總體經(jīng)過增多(1992-1998年)-減少(1998-2004年)-增多(2004-2019年)3個階段。

根據(jù)四平市降雨量距平與累計距平圖可以看出，四平市28年年降水距平基本呈現(xiàn)正負(fù)距平交替出現(xiàn)，其中負(fù)距平年有15 a，正距平有13 a。2011年之前以負(fù)距平為主，2000-2004年連續(xù)5 a出現(xiàn)負(fù)距平現(xiàn)象，負(fù)距平變化相對不大，降水量相對較少。1999-2004年累計距平曲線呈下降趨勢，表明累計距平值減少，年降水量偏少，為偏枯年份；1996-1999、2017-2019年累計距平曲線呈上升趨勢，表明累計距平值增加，年降水量偏多，為偏豐年份。

圖1 四平市年降水量變化趨勢分析

四平市降水量季節(jié)變化趨勢見圖2。四平市春季降水量總體呈明顯增加的趨勢，遞增率為2.157 5 mm/a。春季降水量的M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計量Z為1.916 4，其大于0小于1.96，表明四平市春季降水量呈不顯著的增加趨勢，這也與線性分析結(jié)果相同。春季降水量最多的年份為2016年，其值為267.799 9 mm，最低的年份春季降水量僅為45.1 mm(2001年)，年平均降水量為97.14 mm，占全年降水量的16.13%。根據(jù)5年滑動平均曲線整體變化可知，春季降水量經(jīng)歷了4個變化階段，分別為：增多(1992-1999年)-減少(1999-2004年)-增多(2004-2016年)-減少(2016-2019年)。

夏季降水量呈增加趨勢，遞增率為1.368 1 mm/a，夏季降水量最大值為767.7 mm，出現(xiàn)在2019年，最小值出現(xiàn)在2009年(207.6 mm),年平均降水量為394.9 mm，占全年降水量的65.56%。根據(jù)Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法，得到夏季降水量的統(tǒng)計量Z=-0.217 32，其統(tǒng)計量小于0但小于1.96，表明四平市1992-2019年夏季降水量呈不顯著的減少趨勢，這與線性分析的結(jié)果不同，需要進(jìn)一步的分析。通過5年滑動平均曲線可知，夏季降水量變化幅度較多，其中1999-2017年降水量經(jīng)歷了多次增減，總體變化趨勢分為增加(1992-1999年)-減少(1999-2017年)-增加(2017-2019年)3個階段。

秋季降水量總體呈微弱的上升趨勢，遞增率為0.407 8 mm/a。秋季降水量最多的年份為2016年，其值為204 mm，最低的秋季降水量僅為37 mm(2007年),年平均降水量為90.31 mm，占全年降水量的14.99%。秋季降水量的M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計量依然小于0，表明秋季降水量呈不顯著的減少，這與線性分析的結(jié)果相反，需要進(jìn)一步分析。根據(jù)5年滑動平均曲線發(fā)現(xiàn)，秋季降水量總體變化趨勢為：減少(1992-2002年)-增多(2002-2016年)-減少(2016-2019年)。

冬季降水量呈增加趨勢，遞增率為0.466 3 mm/a，冬季季降水量最大值為49.2 mm，出現(xiàn)在2012年，最小值出現(xiàn)在1995和1997年，其值均為6.4 mm,年平均降水量為19.98 mm，占全年降水量的3.32%。冬季降水量的M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計量Z為1.817 6，其大于0小于1.96，表明四平市冬季降水量呈不顯著的增加趨勢，這也與線性分析結(jié)果相同。

綜上可知，28年降水量存在著顯著的季節(jié)差異，以夏季降水量最為充沛，春季和秋季次之，冬季降水量最少。通過5年滑動平均曲線可知，冬季降水量變化趨勢總體經(jīng)過減少(1992-1998年)-增多(1998-2017年)-減少(2017-2019年)3個階段。

圖2 四平市四季降水量變化趨勢分析

由圖3可知，四平市年度各月降水量變化差異顯著。1-8月份降水量呈現(xiàn)上升趨勢，9-12月份降水量呈現(xiàn)下降趨勢；8月份降水量最大，7月份降水量次之；1月份降水量最小，12月份降水量次之。月降水量范圍為140.9～4 638.6 mm，月平均降水量為1 405.17 mm，5-8月份降水量均高于月平均降水量，占年均降水量的75.37%，基本占全年一半以上，1-4、9-12月份降水量均低于月平均降水量，其從降水時間分布表現(xiàn)為春冬枯、夏秋豐。

圖3 四平市各月降水量變化趨勢分析

3.2 降水量突變性分析

通過采用Mann-kendall法對四平市1992-2019年的春、夏、秋、冬四季和年降水量序列進(jìn)行突變性檢驗(yàn)，并采用α=0.05顯著性檢驗(yàn)。從1992-2019年四平市年降水量的M-K突變曲線可以看出，UF統(tǒng)計量在1992-2000和2015-2019年大于0但小于1.96(圖4)，說明在這些時間段年降水量呈上升趨勢，在其他時間段年降水量都呈下降趨勢，表明四平市年降水量整體呈上升趨勢，但是由于UF和UB統(tǒng)計量曲線都沒有超過α=0.05顯著性水平線，說明這種變化趨勢均是不顯著，這與線性趨勢分析得到的結(jié)果一致。從圖4中可以看出，UF曲線和UB曲線在28年間存在5個交點(diǎn)，并且5個交點(diǎn)都在臨界線之間，表明這些時間點(diǎn)為四平市年降水量發(fā)生突變的時刻。

圖4 四平市年降水量突變分析

春季降水量M-K突變圖中統(tǒng)計量UF在2015-2017年超過了α=0.05顯著性水平線，見圖5(a)，并且UF大于0表明該時間段內(nèi)春季降水量呈顯著上升趨勢。在1995-2003和2007-2018年統(tǒng)計量UF均大于0，表明該段時間內(nèi)春季降水量增加，其余時間段內(nèi)降水量減少，春季降雨量整體呈現(xiàn)上升趨勢。UF曲線和UB曲線1998-2000和2006-2007年兩個時間段內(nèi)存在3個交點(diǎn)，這些交點(diǎn)為春季降水量可能發(fā)生突變的時間點(diǎn)。夏季降水量M-K突變圖的統(tǒng)計量UF和UB兩條曲線均在α=0.05顯著性水平線之間，見圖5(b)，表明其降水量變化不顯著，夏季降水相對穩(wěn)定。在2001年之前，統(tǒng)計量UF均大于0，表明該段時間內(nèi)夏季降水量增加，而2001年之后UF均小于0，降水量呈現(xiàn)減少的趨勢，并且UF曲線和UB曲線在置信區(qū)間出現(xiàn)1個交點(diǎn)，該突變時間為1999-2000年之間。

圖5 四平市四季降水量突變分析

秋季降水量M-K突變圖中統(tǒng)計量UF在2001-2003年超過了α=0.05顯著性水平線，見圖5(c)，并且UF小于0表明該時間段內(nèi)秋季降水量呈顯著下降趨勢。在1997-2015和2018-2019年統(tǒng)計量UF均小于0，表明該段時間內(nèi)秋季降水量減少，其余時間段內(nèi)降水量增加。UF曲線和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)存在5個交點(diǎn)，其時間段分別為1994-1995、2011-2012、2016-2019年，這些交點(diǎn)均在置信區(qū)間內(nèi)未通過顯著性檢驗(yàn)，表明這些時間點(diǎn)均有可能發(fā)生突變。冬季降水量M-K突變圖中在1992-1994和1999-2019年的統(tǒng)計量UF均大于0，見 圖5(d)。該段時間內(nèi)冬季降水量呈上升趨勢，其中2015-2017年的統(tǒng)計量UF超過了臨界線，該時間段內(nèi)降水量呈顯著增加趨勢，其余時間段統(tǒng)計量UF和UB均在置信區(qū)間內(nèi)，表明降水量的上升或下降趨勢均不顯著。冬季降水量發(fā)生突變的時間點(diǎn)有4個，其中最早出現(xiàn)的時間點(diǎn)在1999-2000年，這4個交點(diǎn)均在置信區(qū)間內(nèi)，所以可能發(fā)生突變。

4 結(jié) 論

1) 1992-2019年四平市年降水量整體呈不顯著上升趨勢，氣候傾向率為42.948 mm/10年。四平市四季降水量均呈不顯著上升趨勢，其中春季降水量線性變化最明顯。各季降水量變化差異顯著，其中夏季降水量最多，冬季和秋季降水量次之。四平市各月降水量分布不均衡，其中8月份降水量最多，1和12月份降水量相應(yīng)最少，四平市降水量呈現(xiàn)春冬枯、夏秋豐的現(xiàn)象。

2) 通過Mann-Kendall突變分析發(fā)現(xiàn)，四平市年降水量和四季降水量發(fā)生突變的時間均在置信區(qū)間內(nèi)，所以這些突變時間可能會發(fā)生。四平市年降水量在28年間發(fā)生了5次突變；春季降水量發(fā)生突變的時間段為1998-2000、2006-2007年，其中1998-2000年發(fā)生2次突變點(diǎn)；夏季降水量發(fā)生突變時刻只有1次，在1999-2000年之間；秋季降水量在28年也發(fā)生了5次突變，其最早發(fā)生在1994-1995年；冬季降水量在1992-2019年發(fā)生了4次突變，其發(fā)生時間要晚于秋季降水最早發(fā)生突變時間。