韓 璐，曹 陽，常 靜，曹永強(qiáng)

（遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116029）

近50年來遼寧省氣溫和降水突變特征分析

韓 璐，曹 陽，常 靜，曹永強(qiáng)

（遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116029）

本文首先運(yùn)用氣候趨勢系數(shù)對遼寧省22個氣象站點(diǎn)1959—2008年年均氣溫和降水量資料進(jìn)行趨勢分析，并采用Mann-Whitney-Pettit方法（MWP）對氣溫和降水量進(jìn)行突變分析，最后利用Morlet小波分析進(jìn)行周期性分析。結(jié)果表明：（1）氣溫總體明顯呈上升趨勢；突變年份為1988年，突變后多年平均氣溫比突變前增加12.7%；且存在7年左右的主周期。（2）近50年來，降水量總體呈下降趨勢，但并未檢測出顯著的突變年份；存在9年左右的主周期。

氣溫；降水量；突變分析；Pettit；Morlet小波

1 研究背景

氣候變化是指氣候平均狀態(tài)隨時間的變化，往往是一種線性與非線性變化的結(jié)合，具有明顯的階段性和突變性。氣候突變是氣候的不連續(xù)變化，是普遍存在于氣候系統(tǒng)中的一個重要現(xiàn)象，也是長期天氣過程變化研究的重要課題。近年來，氣候突變現(xiàn)象成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。Busuioc［1］通過對羅馬尼亞14個雨量站88年的數(shù)據(jù)進(jìn)行突變分析，認(rèn)為在1969年降水量出現(xiàn)下降的突變。劉太中等［2］利用子波變換法對北半球平均氣溫進(jìn)行分析，認(rèn)為1920年是北半球氣候變化的一個突變點(diǎn)。龔強(qiáng)等［3］通過計算遼寧省53個氣象站近50年氣溫、降水極值資料的趨勢系數(shù)，發(fā)現(xiàn)遼寧省多年極端最高、最低氣溫具有區(qū)域性，多年極端降水局域性較強(qiáng)。周曉宇等［4］采用M-K非參數(shù)檢驗(yàn)法對遼寧省28個氣象站近49年氣溫及降水量資料進(jìn)行分析，認(rèn)為遼寧省總體呈現(xiàn)氣溫增高、降水減少的趨勢。武曉航等［5］采用pettitt方法對遼寧省21個氣象站近51年降水量進(jìn)行突變分析，結(jié)果顯示除54476和54486兩站點(diǎn)分別存在1996和1998年兩個突變年份外，其余站點(diǎn)均未檢測出顯著的突變年份。李廣霞等［6］利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）方法對遼寧省53個氣象站近49年的氣溫、降水資料進(jìn)行分析，認(rèn)為該地區(qū)溫度和降水空間分布上存在東西、南北間的差異。

目前，關(guān)于遼寧省氣溫及降水突變特征的相關(guān)研究雖然較多，但大部分僅分析了各區(qū)域的時間序列突變特征，而針對遼寧省整體的相關(guān)研究較少。因此本文應(yīng)用Pettit方法對遼寧省氣溫和降水量兩個氣象要素的時間序列突變特征進(jìn)行探討，為進(jìn)一步了解整個遼寧省氣候變化特征，合理開發(fā)利用氣候資源、保護(hù)和改善環(huán)境提供理論依據(jù)，對未來嚴(yán)峻氣候形勢進(jìn)行正確預(yù)估，此外，對正確應(yīng)對各種災(zāi)害性天氣也具有重要的指導(dǎo)意義。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 資料來源選用遼寧省氣象站點(diǎn)逐日氣溫和降水量資料，經(jīng)過較嚴(yán)格質(zhì)量檢驗(yàn)，剔除缺測的站點(diǎn)，最終選取22個站點(diǎn)1959—2008年氣溫和降水量年平均值資料進(jìn)行分析，站點(diǎn)分布如圖1。

圖1 遼寧省氣象站點(diǎn)分布

2.2 研究方法

2.2.1 氣候趨勢系數(shù) 定義n年的要素序列與自然數(shù)列1，2，3，…，n的相關(guān)系數(shù)rxt公式為：

式中：n為年數(shù)；xi為第i年的要素值；xˉ為多年要素均值；當(dāng)rxt為正時，表示要素隨自然數(shù)列呈線性增加趨勢；反之，表示下降趨勢［7-8］。

2.2.2 Mann-Whitney-Pettit方法 Pettit突變檢驗(yàn)方法由Pettit［9］提出，基于非參數(shù)檢測一個序列的突變點(diǎn)［10］，明確變化的時間，能夠較好地識別序列分布的突變點(diǎn)，在突變點(diǎn)檢測方法中應(yīng)用較多且物理意義明確［11］。該方法能夠判斷出突變點(diǎn)的數(shù)量、位置以及在統(tǒng)計意義上的顯著性。

對于連續(xù)序列，統(tǒng)計量Ut，N可由下式計算：

具體參見文獻(xiàn)［3，11］。相關(guān)概率P的顯著性檢驗(yàn)公式為：

給定顯著性水平α=0.5時，當(dāng)P小于或等于該顯著水平對應(yīng)的數(shù)值時，則認(rèn)為檢測出的突變點(diǎn)在統(tǒng)計意義上是顯著的。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫和降水量變化趨勢分析1959—1968年、1969—1978年、1979—1988年、1989—1998年、1999—2008年和1959—2008年6個時段的年均氣溫和降水量進(jìn)行變化趨勢分析。經(jīng)信度為0.05的t檢驗(yàn)，當(dāng) ||rxt≥0.272時相關(guān)顯著，可認(rèn)為此變化不是隨機(jī)波動而是明顯的氣候趨勢，結(jié)果如表1。

由表1可知，1959—1968年、1969—1978年、1999—2008年和1959—2008年4個時段氣溫達(dá)到顯著相關(guān)水平；1959—1968年和1979—1988年兩個時段的氣候變化趨勢為負(fù)，其余時段均為正值，說明1959—1968年和1979—1988年兩個時段氣溫呈線性下降趨勢，其余時段氣溫呈上升趨勢，1969—1978年上升的最明顯。遼寧省近50年平均氣溫總體呈上升趨勢，主要由大氣中CO2含量的逐年增加導(dǎo)致。

表1 遼寧省1959—2008年年均氣溫和降水量變化趨勢系數(shù)

6個時段的降水量均達(dá)到顯著相關(guān)水平，且1959—1968年、1969—1978年和1959—2008年呈下降趨勢，其余時段呈直線上升趨勢，50年平均降水量總體呈下降趨勢。

3.2 氣溫和降水量突變分析利用遼寧省近50年22個站點(diǎn)年均氣溫和降水量資料，運(yùn)用Pettit突變點(diǎn)檢驗(yàn)方法，利用式（2）和式（3），計算出突變檢驗(yàn)統(tǒng)計量Ut，N，見圖2和圖3，兩條虛線為置信度水平為95%所對應(yīng)的統(tǒng)計量Ut，N的取值，為±279.98。

圖2 遼寧省年均氣溫時間序列的突變檢驗(yàn)

（1）氣溫突變分析。如圖2，50年中26年呈顯著突變趨勢（在顯著水平為95%下）；Ut，N在1988年出現(xiàn)最低點(diǎn)，且即1988年統(tǒng)計量Ut，N超出臨界水平線，說明在顯著性水平為0.05的情況下，遼寧省氣溫在1988年發(fā)生突變。突變前多年平均氣溫為7.89℃，突變后多年平均氣溫達(dá)到8.90℃，較突變前增加了12.7%。

在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用Pettit方法分別對1988年前、后進(jìn)行二級突變分析，（圖略）。突變前，63＜130.97，沒有超出95%置信度水平下的臨界水平線，也就是說在0.05顯著性水平下，這個突變點(diǎn)不顯著。突變后，突變點(diǎn)也不顯著。

（2）降水量突變分析。如圖3，降水量統(tǒng)計量Ut，N在1977年出現(xiàn)最高點(diǎn)，此時，189＜279.98，沒有超出95%置信度水平下臨界水平線，也就是在0.05顯著性水平下，這個突變點(diǎn)不顯著，即近50年遼寧省年降水量沒有檢測出顯著突變年份。

圖3 遼寧省年降水量時間序列的突變檢驗(yàn)

由于受到全球氣候變暖和人類活動的影響，氣溫及降水都或多或少地發(fā)生了改變。氣候自然變率、對流層中、低層氣壓場的年代際突變、城市化的發(fā)展等均會導(dǎo)致氣溫的突變。而降水則受眾多因素共同影響，如不同的天氣系統(tǒng)、下墊面和環(huán)流型等綜合作用會間接引起降水量的突變［12］。

氣溫突變時間點(diǎn)與劉雪峰等［13］的研究結(jié)果略有不同，但均發(fā)生在1980—1990年之間。突變時間主要與研究區(qū)域的選取及所采用的數(shù)據(jù)資料有關(guān)，此外，選取不同的研究方法也會導(dǎo)致突變時間的不同。

4 周期變化特征分析

為了進(jìn)一步分析氣溫和降水量變化特征，通過Morlet小波變換等值線及方差圖來反映氣溫和降水時間分布特征及時間序列變化的主周期。詳細(xì)的理論及模型參見文獻(xiàn)［14-16］。

4.1 氣溫周期變化特征分析圖4（a）顯示了遼寧省1959—2008年年均氣溫在不同時間尺度下隨時間正負(fù)交替變化的周期特性。從圖4（a）可以看出，上部等值線相對稀疏，對應(yīng)較長時間尺度周期的振蕩，而下部等值線相對密集，對應(yīng)較短時間尺度周期的振蕩。不同時間尺度對應(yīng)的周期結(jié)構(gòu)不同，小尺度的多少和變化表現(xiàn)為嵌套在較大尺度下較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中［14］。

如圖4（a），在大尺度12～25年上，年平均氣溫經(jīng)歷了高—低3個循環(huán)：1960—1964年處于暖期；1965—1973年處于冷期；1974—1982年處于暖期；1983—1991年處于冷期；1992—1996年處于暖期；1997—2003年處于冷期；2004年之后又為暖期。8年以下小尺度周期振蕩十分頻繁，有更多的冷暖期的循環(huán)交替。

如圖4（b），遼寧省年均氣溫在7年左右尺度下的小波方差極值表現(xiàn)最為顯著，為第1峰值，說明遼寧省年均氣溫在7年左右的周期振蕩最強(qiáng)，為主周期；其次存在4年左右的次周期；稍弱一些是15年和22年左右的周期。

圖4 遼寧省年平均氣溫變化特征分析

4.2 降水量周期變化特征分析如圖5（a），遼寧省降水周期變化較明顯。在大尺度20～35年尺度上的周期振蕩明顯，期間降水經(jīng)歷了4個階段：1968年以前降水量偏多；1969—1983年降水量偏少；1984—1996年降水量偏多；1997—2008年降水量偏少，并且后面的等值線沒有出現(xiàn)閉合，說明偏旱天氣將在2008年之后持續(xù)一段時間。8～15年尺度上降水經(jīng)歷了多-少5個循環(huán)。5年以下小尺度周期振蕩更頻繁，有更多的降水偏多期和偏少期的循環(huán)交替［16］。

如圖5（b），遼寧省年降水的小波方差在9年左右的時間尺度上表現(xiàn)最為顯著，為第一峰值，說明年降水在9年左右的周期振蕩最強(qiáng)，為主周期，而太陽黑子的活動周期恰為9年，且在周期變化的最低點(diǎn)年份降水量偏多；其次存在26年和4年左右的周期［14］。

圖5 遼寧省年降水變化特征分析

5 結(jié)論

（1）近50年來，除1959—1968年和1979—1988年兩個時段外，遼寧省氣溫總體呈上升趨勢，其中1969—1978年上升趨勢最明顯；1959—1968年、1969—1978年和1959—2008年3個時段降雨量呈下降趨勢，其余時段呈上升趨勢，年均降水量總體呈不顯著下降趨勢。

（2）遼寧省年均氣溫在1988年發(fā)生突變，突變后年均氣溫較突變前升高12.7%；近50年來降水量未發(fā)生顯著突變，1977年降水量最多。

（3）遼寧年均氣溫存在7年左右的主周期和4年左右的次周期；年降水量主周期為9年，其次存在較弱的26年和4年左右的周期。

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（責(zé)任編輯：王成麗）

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《中國水科院學(xué)報》編輯部

The study on change points in temperature and precipitation in Liaoning over the past 50 years

HAN Lu，CAO Yang，CHANG Jin，CAO Yong-qiang
（School of urban planning and Environmental science，Liaoning Normal University，DaLian 116029，China）

Based on the average annual temperature and precipitation during the period 1959—2008 at 22 meteorological stations，the climate variations and tendencies in Liaoning Province were analyzed by Cli?mate tendency ratio in this study.Then，Mann-Whitney-Pettit method（MWP）and Morlet Wavelet analysis were applied to analyze change points and cyclical in temperature and precipitation.The results show that average annual temperature presents an increasing trend，and has an identified change point in 1988.Addi?tionally，the average temperature after the change point is 12.7% higher than that before，and exists the primary cycle of 7 years.Furthermore，over the past 50 years，the average annual precipitation presents the overall downward trend，but there is no change point found，and its primary cycle is 9 years.

temperature；precipitation；change point；pettit；morlet wavelet analysis

P333

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.03.016

1672-3031（2014）03-0310-06

2014-01-16

水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2012年對外開放研究基金項(xiàng)目（sklhse-2012-A-02）；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長支持計劃支持項(xiàng)目（LJQ2012092）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51279072）

韓璐（1989-），遼寧本溪人，碩士生，主要從事資源環(huán)境方面研究。E-mial：Lu580531Lu@sina.com