本溪地区降水量变化分析

杨金宝

(辽宁省观音阁水库管理局，辽宁 本溪 117100)

本溪地区降水量变化分析

杨金宝

(辽宁省观音阁水库管理局，辽宁 本溪 117100)

文章通过使用气候倾向率分析和Mann—Kendall检验法两种方法对本溪地区49a的降水资料进行统计分析，总结出对工农业生产，合理、有效开发水资源、预防旱涝灾害等方面有重要指导意义的规律。

降水量；年际变化；月际变化；Mann—kendall检验法

1 用气候倾向率分析降水量变化趋势

1.1 显著性检验

显著性检验的一般方法有t检验、F检验和U检验等，本文均使用t检验。显著性水平α表示在原假设成立时，检验统计量T落在拒绝域内的概率，α越小，T落在拒绝域内的概率越小，原假设同测试结果之间的矛盾越显著[1]。在进行假设检验时，选取多大的显著性水平作为检验标准，要视具体情况而定。

1.2 降水量年际变化

根据计算，本溪地区平均降水量气候倾向率为0.225mm/10a，随时间呈上升趋势变化,见表1。经显著性检验，结果表明：本溪站和桓仁站降水量呈显著上升趋势，其它各站也均呈上升趋势，但不明显。以10a为一时间段分析发现，各站点年代间的变化趋势无明显规律性，但总体来看，70年代本溪地区基本上呈下降趋势，草河口站下降尤其明显达到-16.5mm/10a；80年代本溪站本溪县站草河口站和桓仁站降水量呈显著上升趋势，并且通过显著性水平为0.02和0.1的显著性检验；而90年代以后降水量基本呈上升趋势，显著性不明显。

降水量的值由低到高的顺序排序为：本溪县，本溪，桓仁，草河口。图1为各地区逐年降水量值的变化情况，可以看到各地区降水量年际间变化在走势上具有相似性。

表1 代表站降水量气候倾向率 m/10a

备注：*和**分别表示通过了显著性水平为0.1和0.02的t检验

图1本溪地区降水量逐年变化情况

1.3 降水量的月际变化

四季分明，以季节为时间段分析降水量月际变化特征。根据研究区的气候特点进行四季划分：11—2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—10月为秋季。

春季和冬季的降水量气候倾向率均为正，且上升趋势显著，有3个站点通过了显著性水平。即本溪地区各站在春季和冬季降水量都是呈上升趋势，而夏季和秋季则是呈下降趋势的，只有草河口的夏季降水量下降趋势显著。

草河口站无论春季上升还是夏季下降的趋势都是非常显著的，分别达到了14.6mm/10a和-18.4mm/10a。季节降水量气候倾向率变化见表2。

表2 代表站各季节降水量气候倾向率 mm/10a

*和**分别表示通过了显著性水平为0.1和0.02的t检验

各气象站降水量逐月变化具有一定规律性，变化曲线呈单峰形，左侧斜率比右侧大，可以看出降水量春季的攀升速度较快，见图2。降水量最低值一般发生在1月份，而本溪，本溪县，草河口和桓仁4个站最高值均发生在7月份，降水量峰值由高到低排列为草河口，桓仁，本溪及本溪县。

图2 代表站降水量逐月变化情况

2 用Mann—Kendall检验法分析降水量变化趋势

2.1 Mann—Kendall检验法

在 Mann—Kendall检验中，原假设H0:时间序列数据(x1,…,xn)是n个独立的、随机变量同分布的样本[2]；备择假设H1是双边检验：对于所有的k,j≤n且k≠j，xk和xj的分布是不相同的，检验的统计变量S计算如下式：

(1)

(2)

S为正态分布，其均值为 0，方差Var(s)=n(n-1)(2n+5)/18。当n>10时，标准的正态统计变量，通过下式计算：

(3)

这样，在双边的趋势检验中，在给定的α置信水平上 ，如果︱Z︱≥Z1-α/2，则原假设是不可接受的，即在α置信水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势[3]。对于统计变量Z>0时，是上升趋势，小于0时，则是下降趋势。Z的绝对值在≥1.28，1.64，2.32时表示分别通过了信度90%，95%，99%的显著性检验。

当Mann—Kendall检验进一步用于检验序列突变时，检验统计量同上述Z有所不同，通过构造一秩序列：

(4)

(5)

定义统计变量 ：

(6)

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

Ufk为标准正态分布，给定显著性水平α，若︱Ufk︱>Uα/2，则表明序列存在明显的趋势变化。将时间序列x按逆序排列，再按上式计算，同时使

(8)

通过分析统计序列UFk和UBk可以进一步分析序列x的趋势变化，而且可以明确突变的时间，指出突变的区域。若UFk值>0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势，当它们超过临界直线时 ，表明上升或下降趋势显著。如果UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点在临界直线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时刻。Ufk的绝对值在≥1.96时表示分别通过了信度95%的显著性检验。

2.2 降水量年季变化特征分析

根据计算，本溪地区平均降水量Z值为0.08835，随时间呈上升趋势变化，见表3。从季节变化趋势来看，春季本溪地区四个站降水量均呈上升趋势变化，只有本溪县通过了95%的显著性检验，说明本溪县春季降水量上升速度比较快。

夏季是全年降水量最大的季节，然而4个站却均呈略微下降趋势变化。秋季只有桓仁站呈上升趋势，而本溪县站下降趋势显著。冬季本溪站降水量呈上升趋势，其余各站均呈下降趋势，本溪县站和草河口站Z值下降，分别达到了-1.543和-1.7929。

表4 代表站季节降水量Mann-kendall检验值

*和**分别表示通过了信度90%和95%的显著性检验

2.3 降水量月际变化特征分析

图3为用Mann—Kendall方法得到的本溪地区4个站降水量趋势的检验结果，可以看出均呈上升的月份有3月，6月，11月。而均呈下降趋势的有1月，2月和12月。连续最大3个月降水量值出现在6—8月，然而本溪站这3个月的降水量却呈下降趋势，特别是7月份，Z值为-1.51，下降趋势显著。本溪县和草河口站7月份Z值虽为正数，但与6月份相比也有大幅下滑。

图3代表站月际降水量Mann—kendall检验值

2.4 突变性检验

利用M-K检验突变分析本溪地区降水量的变化趋势如图4。由图可见，本溪县和桓仁站降水量变化趋势不明显，没有什么突变发生，而本溪和草河口降水量存在突变。本溪站降水量发生两次突变，分别是1978年和1986年，第1次在信度之外，第2次在信度之间，说明第一次突变比较显著。从UFk 值就可看出，1958—1977年20a的时段UFk值为0.175，1978—1985年8a为-0.737，1986—2006年21a间为0.175。可见， 1978年的突变是由高值向低值跳跃，而1986年是由低值向高值跳跃。草河口站1958—1976年降水量变化比较平缓，突变点发生在1976年，之后出现明显下降趋势。从1982—2006年草河口降水量一直保持上升趋势。

3 结 论

利用本溪地区4个气象站1958—2006年间的气象资料，运用气候倾向率和Mann-kendall检验法，分析了本溪地区年际和月际降水量的气候变化趋势，主要结论为：

1)气候倾向率与Mann-kendall检验法得出相同结论，即1958—2006年间本溪地区降水量随时间呈上升趋势变化,主要和全球气温普遍上升有关。

2)月际分析表明，降水量最小值发生在1月份，最大值发生在7月份，各站点变化情况具有一致性。伏天高温多雨，对多数地区农作物的生长整体有利。但草河口和桓仁7月份降水量>200mm可能会影响作物的正常开花授粉，容易造成秃顶和空粒。

3)从季节上看，气候倾向率和Mann-Kendall方法均得出春季本溪地区4个站降水量均呈上升趋势变化，夏季虽然降水量最大，但降水量却均呈下降趋势，主要原因是季风气候所带来的影响。

4)本溪站降水量发生2次突变，分别是1978年和1986年，草河口站1958年到1976年降水量变化比较平缓，突变点发生在1976年，之后出现明显下降趋势，这与太阳黑子的活动规律每11a左右为1个周期的现象相关。

5)两种方法都适用于本溪地区的降水量变化分析，客观地反映本溪地区降水的实际情况，气候倾向率分析能够反映较长周期的降水变化规律，所需样本要遵从一定的分布。

Mann-Kendall检验法分析是非参数检验方法，不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用非正态分布的数据，计算简便，能够对降雨的突变性进行检验。

图4代表站M—K突变检验计算图

[1]张翀，李晶，任志远.西北地区1962年至2000年降水量变化的时空特征分析[J].资源科学,2010,32(12):2298-2304.

[2]康淑媛，张勃，柳景峰，等.基于Mann-Kendall法的张掖市降水量时空分布规律分析[J].资源科学，2009,31(03):501-508.

[3]沈伟，艾成，汤英.新疆阿勒泰地区近55年降水量变化特征分析[J].人民黄河,2011,33(08):31-33,36.

1007-7596(2014)03-0014-04

2013-09-27

杨金宝(1968-)，男，辽宁丹东人，教授级高级工程师。

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