近50年来辽宁省气温和降水突变特征分析

韩 璐，曹 阳，常 静，曹永强

（辽宁师范大学 城市与环境学院，辽宁 大连 116029）

近50年来辽宁省气温和降水突变特征分析

韩 璐，曹 阳，常 静，曹永强

（辽宁师范大学 城市与环境学院，辽宁 大连 116029）

本文首先运用气候趋势系数对辽宁省22个气象站点1959—2008年年均气温和降水量资料进行趋势分析，并采用Mann-Whitney-Pettit方法（MWP）对气温和降水量进行突变分析，最后利用Morlet小波分析进行周期性分析。结果表明：（1）气温总体明显呈上升趋势；突变年份为1988年，突变后多年平均气温比突变前增加12.7%；且存在7年左右的主周期。（2）近50年来，降水量总体呈下降趋势，但并未检测出显著的突变年份；存在9年左右的主周期。

气温；降水量；突变分析；Pettit；Morlet小波

1 研究背景

气候变化是指气候平均状态随时间的变化，往往是一种线性与非线性变化的结合，具有明显的阶段性和突变性。气候突变是气候的不连续变化，是普遍存在于气候系统中的一个重要现象，也是长期天气过程变化研究的重要课题。近年来，气候突变现象成为国内外学者研究的热点。Busuioc［1］通过对罗马尼亚14个雨量站88年的数据进行突变分析，认为在1969年降水量出现下降的突变。刘太中等［2］利用子波变换法对北半球平均气温进行分析，认为1920年是北半球气候变化的一个突变点。龚强等［3］通过计算辽宁省53个气象站近50年气温、降水极值资料的趋势系数，发现辽宁省多年极端最高、最低气温具有区域性，多年极端降水局域性较强。周晓宇等［4］采用M-K非参数检验法对辽宁省28个气象站近49年气温及降水量资料进行分析，认为辽宁省总体呈现气温增高、降水减少的趋势。武晓航等［5］采用pettitt方法对辽宁省21个气象站近51年降水量进行突变分析，结果显示除54476和54486两站点分别存在1996和1998年两个突变年份外，其余站点均未检测出显著的突变年份。李广霞等［6］利用经验正交函数（EOF）方法对辽宁省53个气象站近49年的气温、降水资料进行分析，认为该地区温度和降水空间分布上存在东西、南北间的差异。

目前，关于辽宁省气温及降水突变特征的相关研究虽然较多，但大部分仅分析了各区域的时间序列突变特征，而针对辽宁省整体的相关研究较少。因此本文应用Pettit方法对辽宁省气温和降水量两个气象要素的时间序列突变特征进行探讨，为进一步了解整个辽宁省气候变化特征，合理开发利用气候资源、保护和改善环境提供理论依据，对未来严峻气候形势进行正确预估，此外，对正确应对各种灾害性天气也具有重要的指导意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 资料来源选用辽宁省气象站点逐日气温和降水量资料，经过较严格质量检验，剔除缺测的站点，最终选取22个站点1959—2008年气温和降水量年平均值资料进行分析，站点分布如图1。

图1 辽宁省气象站点分布

2.2 研究方法

2.2.1 气候趋势系数 定义n年的要素序列与自然数列1，2，3，…，n的相关系数rxt公式为：

式中：n为年数；xi为第i年的要素值；xˉ为多年要素均值；当rxt为正时，表示要素随自然数列呈线性增加趋势；反之，表示下降趋势［7-8］。

2.2.2 Mann-Whitney-Pettit方法 Pettit突变检验方法由Pettit［9］提出，基于非参数检测一个序列的突变点［10］，明确变化的时间，能够较好地识别序列分布的突变点，在突变点检测方法中应用较多且物理意义明确［11］。该方法能够判断出突变点的数量、位置以及在统计意义上的显著性。

对于连续序列，统计量Ut，N可由下式计算：

具体参见文献［3，11］。相关概率P的显著性检验公式为：

给定显著性水平α=0.5时，当P小于或等于该显著水平对应的数值时，则认为检测出的突变点在统计意义上是显著的。

3 结果与分析

3.1 气温和降水量变化趋势分析1959—1968年、1969—1978年、1979—1988年、1989—1998年、1999—2008年和1959—2008年6个时段的年均气温和降水量进行变化趋势分析。经信度为0.05的t检验，当 ||rxt≥0.272时相关显著，可认为此变化不是随机波动而是明显的气候趋势，结果如表1。

由表1可知，1959—1968年、1969—1978年、1999—2008年和1959—2008年4个时段气温达到显著相关水平；1959—1968年和1979—1988年两个时段的气候变化趋势为负，其余时段均为正值，说明1959—1968年和1979—1988年两个时段气温呈线性下降趋势，其余时段气温呈上升趋势，1969—1978年上升的最明显。辽宁省近50年平均气温总体呈上升趋势，主要由大气中CO2含量的逐年增加导致。

表1 辽宁省1959—2008年年均气温和降水量变化趋势系数

6个时段的降水量均达到显著相关水平，且1959—1968年、1969—1978年和1959—2008年呈下降趋势，其余时段呈直线上升趋势，50年平均降水量总体呈下降趋势。

3.2 气温和降水量突变分析利用辽宁省近50年22个站点年均气温和降水量资料，运用Pettit突变点检验方法，利用式（2）和式（3），计算出突变检验统计量Ut，N，见图2和图3，两条虚线为置信度水平为95%所对应的统计量Ut，N的取值，为±279.98。

图2 辽宁省年均气温时间序列的突变检验

（1）气温突变分析。如图2，50年中26年呈显著突变趋势（在显著水平为95%下）；Ut，N在1988年出现最低点，且即1988年统计量Ut，N超出临界水平线，说明在显著性水平为0.05的情况下，辽宁省气温在1988年发生突变。突变前多年平均气温为7.89℃，突变后多年平均气温达到8.90℃，较突变前增加了12.7%。

在此基础上，应用Pettit方法分别对1988年前、后进行二级突变分析，（图略）。突变前，63＜130.97，没有超出95%置信度水平下的临界水平线，也就是说在0.05显著性水平下，这个突变点不显著。突变后，突变点也不显著。

（2）降水量突变分析。如图3，降水量统计量Ut，N在1977年出现最高点，此时，189＜279.98，没有超出95%置信度水平下临界水平线，也就是在0.05显著性水平下，这个突变点不显著，即近50年辽宁省年降水量没有检测出显著突变年份。

图3 辽宁省年降水量时间序列的突变检验

由于受到全球气候变暖和人类活动的影响，气温及降水都或多或少地发生了改变。气候自然变率、对流层中、低层气压场的年代际突变、城市化的发展等均会导致气温的突变。而降水则受众多因素共同影响，如不同的天气系统、下垫面和环流型等综合作用会间接引起降水量的突变［12］。

气温突变时间点与刘雪峰等［13］的研究结果略有不同，但均发生在1980—1990年之间。突变时间主要与研究区域的选取及所采用的数据资料有关，此外，选取不同的研究方法也会导致突变时间的不同。

4 周期变化特征分析

为了进一步分析气温和降水量变化特征，通过Morlet小波变换等值线及方差图来反映气温和降水时间分布特征及时间序列变化的主周期。详细的理论及模型参见文献［14-16］。

4.1 气温周期变化特征分析图4（a）显示了辽宁省1959—2008年年均气温在不同时间尺度下随时间正负交替变化的周期特性。从图4（a）可以看出，上部等值线相对稀疏，对应较长时间尺度周期的振荡，而下部等值线相对密集，对应较短时间尺度周期的振荡。不同时间尺度对应的周期结构不同，小尺度的多少和变化表现为嵌套在较大尺度下较为复杂的结构中［14］。

如图4（a），在大尺度12～25年上，年平均气温经历了高—低3个循环：1960—1964年处于暖期；1965—1973年处于冷期；1974—1982年处于暖期；1983—1991年处于冷期；1992—1996年处于暖期；1997—2003年处于冷期；2004年之后又为暖期。8年以下小尺度周期振荡十分频繁，有更多的冷暖期的循环交替。

如图4（b），辽宁省年均气温在7年左右尺度下的小波方差极值表现最为显著，为第1峰值，说明辽宁省年均气温在7年左右的周期振荡最强，为主周期；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。

图4 辽宁省年平均气温变化特征分析

4.2 降水量周期变化特征分析如图5（a），辽宁省降水周期变化较明显。在大尺度20～35年尺度上的周期振荡明显，期间降水经历了4个阶段：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，并且后面的等值线没有出现闭合，说明偏旱天气将在2008年之后持续一段时间。8～15年尺度上降水经历了多-少5个循环。5年以下小尺度周期振荡更频繁，有更多的降水偏多期和偏少期的循环交替［16］。

如图5（b），辽宁省年降水的小波方差在9年左右的时间尺度上表现最为显著，为第一峰值，说明年降水在9年左右的周期振荡最强，为主周期，而太阳黑子的活动周期恰为9年，且在周期变化的最低点年份降水量偏多；其次存在26年和4年左右的周期［14］。

图5 辽宁省年降水变化特征分析

5 结论

（1）近50年来，除1959—1968年和1979—1988年两个时段外，辽宁省气温总体呈上升趋势，其中1969—1978年上升趋势最明显；1959—1968年、1969—1978年和1959—2008年3个时段降雨量呈下降趋势，其余时段呈上升趋势，年均降水量总体呈不显著下降趋势。

（2）辽宁省年均气温在1988年发生突变，突变后年均气温较突变前升高12.7%；近50年来降水量未发生显著突变，1977年降水量最多。

（3）辽宁年均气温存在7年左右的主周期和4年左右的次周期；年降水量主周期为9年，其次存在较弱的26年和4年左右的周期。

［1］ Busuioc Aristita.Changes in the winter precipitation in Romania and its relation to the large-scale circulation［J］.Tellus，1996，48（4）：538-552.

［2］ 刘太中，荣平平，刘式达，等.气候突变的子波分析［J］.地球物理学报，1995，38（2）：158-162.

［3］ 龚强，汪宏宇，李辑，等 .近半个世纪辽宁省气温，降水极值特征分析［J］.高原气象，2008，27（4）：830-837.

［4］ 周晓宇，赵春雨，张新宜，等.1961—2009年辽宁省气温，降水变化特征及突变分析［J］.干旱区资源与环境，2013，27（10）：87-93.

［5］ 武晓航，郑德凤.辽宁省近50年降水量的突变特征及变化趋势分析［J］.环境科学与管理，2013，38（1）：50-54.

［6］ 李广霞，刘雪锋，李军林，等 .辽宁省气温与降水时空变化特征分析［J］.安徽农业科学，2010（32）：18337-18342.

［7］ 栾兆擎，章光新，邓伟，等 .松嫩平原50年来气温及降水变化分析［J］.中国农业气象，2007，28（4）：355-358.

［8］ 栾兆擎，章光新，邓伟，等.三江平原50a来气温及降水变化研究［J］.干旱区资源与环境，2007，21（11）：40-43.

［9］ Pettit A N.A non-parametric approach to the change-point problem［J］.Applied Statistics，1979，28（2）：126-135.

［10］ 刘茂峰，高彦春，甘国靖.白洋淀流域年径流变化趋势及气象影响因子分析［J］.资源科学，2011，33（8）：1438-1445.

［11］ 左德鹏，徐宗学，等.渭河流域潜在蒸散量时空变化及其突变特征［J］.资源科学，2011，33（5）：975-982.

［12］ 汪宏宇，龚强，等 .东北和华北东部气温异常特征及其成因的初步分析［J］.高原气象，2005，24（6）：1024-1033.

［13］ 刘雪锋，李军林 .辽宁省近 50年气温变化特征及突变分析［J］.沈阳农业大学学报，2009，40（5）：522-527.

［14］ 葛哲学，沙威.小波分析理论与MATLAB R2007实现［M］.北京：电子工业出版社，2007，10：121-135.

［15］ 曹永强，张兰霞，郝晓博 .基于小波分析的大伙房水库流域降水周期分析［J］.水利发电，2011，37（4）：24-27.

［16］ 孙善磊，周锁铨，金博，等.淮海地区降水周期及突变特征分析［J］.气象科学，2010，30（2）：221-227.

（责任编辑：王成丽）

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《中国水科院学报》编辑部

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

水沙科学与水利水电工程国家重点实验室2012年对外开放研究基金项目（sklhse-2012-A-02）；辽宁省高等学校杰出青年学者成长支持计划支持项目（LJQ2012092）；国家自然科学基金资助项目（51279072）

韩璐（1989-），辽宁本溪人，硕士生，主要从事资源环境方面研究。E-mial：Lu580531Lu@sina.com