朝阳市降水量变化特征分析

陈媛媛，王秀颖

（1.辽宁省节约用水发展中心，辽宁沈阳110003；2.辽宁省水文局，辽宁 沈阳 110003）

1 概况

朝阳市位于辽宁省西部，其北与内蒙古自治区接壤，西与河北省交界。辖龙城、双塔2市辖区，凌源、北票2县级市，建平、朝阳2县和喀喇沁左翼蒙古族自治县。全市总面积19 736 km2。朝阳市地处辽西山地丘陵地带，山地丘陵区占全市总面积的70%，其地势西北向东南呈阶梯状降低。怒鲁尔虎山横亘中部，大青山朱峰海拔1 153 m，是境内最高峰。朝阳市属于北温带亚干旱气候区，大陆性季风气候，温差大，日照长，积温高，降水少，四季分明。1月平均气温-10～-16℃，7月平均气温25～27℃，年平均气温8～8.5℃。无霜期125～160 d。年平均降水量450～550 mm。

朝阳市是辽宁省传统易旱区，本文选择代表性雨量站，分析各站年降水量的演变特性，为该区防汛抗旱工作提供科学依据。

2 研究方法

2.1 资料来源

在朝阳市选择空间分布均匀、时间系列较长且连续的10个雨量站，收集各站年降水量资料，作为本文分析的基础。所需数据来自辽宁水文局整编资料，资料年限均为1962—2015年，共54年。

2.2 趋势性

首先采用滑动平均法来突出变化趋势[1]。滑动平均是趋势拟合技术最基础的方法。对样本量为n的序列x，其滑动平均序列为：

式中：j——滑动后新序列的序号；k——滑动长度，作为一种规则，k最好取奇数，以使平均均值可以赋给求平均序列的中间项的时间坐标上。

其次，采用线性倾向法分析代表站点年降水量的变化趋势[1]。用xi表示样本量为n的某一气候变量，ti表示xi所对应的时间，建立两者之间的一元线性归回：

式中：b——斜率，即线性倾向值，其含义为气候变量xi的年变化量，b值为正，表示xi有增加的趋势；其值为负，表示xi有减小的趋势；其绝对值的大小表示相应变化趋势的的大小。

2.3 突变性

降水量序列的突变性采用滑动T检验来监测[1]。该方法通过考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变。如果某一时间序列的两段子序列的均值差异超过了一定的显著性水平，可以认为均值发生突变。设变异点τ前后两序列总体的分布函数各为F1（x）与F2（x），从总体F1（x）和F2（x）中分别抽取容量为n1，n2的两个样本，构造T统计量为：

2.4 周期性

采用小波分析来研究各降水量序列的周期特征[2]。设ψ（t）∈L2（R）∩L1（R）且ψ（0）=0，则按如下方式生成的函数族ψa,b：

式中：ψa,b分析小波（analyzing wavelet）；ψ（t）基本小波或母小波（mother wavelet）。对一时间序列f（t）∈L2（R）的连续小波变换定义为f（t）与ψa,b(t)的内积：

式中：W（fa，b）小波变换系数；a尺度伸缩因子；b时间平移因子。ψa,b(t)为ψ（t）做伸缩和平移后形成的一族函数。采用Morlet小波作为母小波，其函数形式为：

式中：ω——常数，ω≥5时Morlet小波能近似满足容许性条件。通过小波方差var()a来判断对降水序列其主要作用的周期，采用下式计算：

3 研究结果

3.1 空间分布特征

朝阳市代表站1962—2015年平均的降水量绘制成图，可见，朝阳市10个代表站年降水量呈现由南向北逐渐增加的趋势。年降水量最大的为朝阳县的六家子站，为546.4 mm，年降水量最小的为建平县的房身站，为357.1 mm。最大与最小相差达到189 mm，可见南北降水量相差悬殊。各站平均为464.8 mm，九连洞、朝阳、公营子等站年降水量基本达到全市平均水平，若以此3站连成一线，则该线以南年降水量大于全市平均水平，该线以北则小于全市平均。

3.2 趋势性特征

3.2.1 年代际特征

表1为10各代表站及各站平均的各年代年降水量距平百分比。由表可见，1962—1969年朝阳县降水量总体偏丰，10个代表站中，除建平县的房身和章景营子两站距平分别为-11.2%和-6.4%以外，其余各站降水距平均为正，最大为六家子站，达到20.6%，各站平均降水距平达到8.7%。1970—1979年基本与多年平均持平，房身站为负距平-8.5%，宋杖子负距平的程度很小，为-0.6%，其余各站均为正距平，除章景营子达到16.8%外，余下各站在0～7.6%，10各站平均的降水距平仅4.2%。1980—1989年较多年平均偏枯，10个代表站降水距平均为负，偏枯程度最小的为房身站，距平为-2.0%，负距平最大的为六家子站，为-14.9%，10站平均为-9.8%，较多年平均偏少1成。1990—1999年整体偏丰，各代表站降水距平均为正，最小为九连洞站，为7.0%，最大为房身站，为19.6%，各站平均为11.4%，较多年偏多超1成。接下来的2000—2009年又显著偏枯超1成，偏枯程度超过1980—1989年，各站平均降水距平达-11.7%，各站中偏枯程度最大的为公营子站，降水距平-15.4%。2010—2015年基本与多年平均持平，3站降水距平为正，7站为负，偏正或偏负的绝对值多在6%以内，各站平均降水距平为-1.6%。由以上分析可见，朝阳市降水量1962—1969年、1970—1979年、1990—1999年降水量偏丰，1980—1989年、2000—2009年、2010—2015年降水量偏枯。

表1 各站各年代年降水量距平百分比 （%）

3.2.2 趋势变化

分析了各代表站年降水量序列的变化过程线，并进行9年滑动平均和线性回归分析，图1为部分代表站的结果。表2给出了各站年降水量序列相应的回归直线的方程。由各站的9年滑动平均曲线看出，其变化趋势与表1显示的年代际变化过程一致，即各站在20世纪60、70年代降水量基本均为偏丰期；70年代后期急剧减小，到1980年跌入谷底，为偏枯期；然后逐渐增加，80年代中后期至90年代中期为偏丰期；此后又迅速减小并持续偏低，直至2010—2012年出现降水量峰值，此后又为减小趋势。总之，各站年降水量过程线及9年滑动平均曲线表明，各站降水量年际及年代际变化剧烈。

图1 部分代表站年降水量变化过程线

从线性拟合直线看，仅房身站呈现增加趋势，其余各站和各站平均的降水量序列均为减小趋势。表2表明，各站中，仅九连洞站的回归方程的显著水平达到0.056，接近0.05，其余各站以及各站的算术平均序列均未达到0.05的显著水平，可见，朝阳市降水量并无显著增加或减少的变化趋势，而以阶段性的丰、枯周期交替变化为主要特征。

表2 代表站年降水量序列线性回归结果

3.3 突变性特征

对各站降水量序列进行了滑动t检验的突变性分析，结果表明，在0.01显著水平上，仅房身、章景营子站存在突变点，其余站均无突变发生。房身、章景营子两站以及其余无突变性的代表站凉水河子站的分析结果见图2。由图2可见，房身站在1984，1995年出现突变，房身站在1984年降水量迅速变大，1995年急剧变小，因而形成了在这两个时间点的突变。章景营子站在1979，1999年出现突变，该站在1979年和1999年均是由于降水量急剧降低而形成突变特征。

3.4 周期性特征

对10个代表站和各站平均的降水量序列进行了小波分析，以各站平均降水量序列的结果作为典型，结果见图4。由图中小波方差可见，朝阳市降水量存在5年、9年、15年、38年等4个周期成分，5年代表高频振荡，可能是由于ENSO引起的。9年、15年为年代际振荡，可能分别是由于太阳活动和月球赤纬角的周期变化引起的。38年的周期尺度与资料年限54年相当，其显著性有待于进一步研究。

由时间系数图可以看出，9年周期在整个年限上均存在，具有全域性，因而其方差最大；15年周期和5年周期不具有全域性，其中15年周期在1980年非常明显，5年周期在1980年以前、1990—2000年较为明显。

图2 部分代表站突变性分析结果

4 结论

选择朝阳市10个代表雨量站，分析了朝阳市年降水量变化特征，得到以下结论。

1）朝阳市年降水量呈现由南向北逐渐增加的趋势，年降水量最大的为朝阳县的六家子站546.4 mm，最小的为建平县房身站357.1 mm。

2）朝阳市降水量1962—1969年、1970—1979年、1990—1999年降水量偏丰，1980—1989年、2000—2009年、2010—2015年降水量偏枯，各站降水量年际及年代际变化剧烈，各站降水量并无显著增加或减少的变化趋势。

图3 各代表站平均降水量序列小波分析

3）朝阳市降水量突变特征不显著，仅房身、章景营子站存在在0.01显著水平上突变点，其余站均无突变发生。房身站在1984、1995年出现突变，章景营子站在1979、1999年出现突变。

4）朝阳市降水量存在5年、9年、15年等周期，9年周期在整个年限上均存在，具有全域性，15年周期和5年周期不具有全域性。