陈寒冰，陈 末，王冠华，刘睿姝

(1.黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080； 2.寒区地下水研究所，哈尔滨 150080)

0 引 言

根据联合国政府间气候变化专门委员会第六次气候变化评估报告中的第一工作组报告指出，1970年以来的50年是过去2000年以来最暖的50年，1901-2018年全球平均海平面上升了0.20m，上升速度比过去3000年中任何一个世纪都快。2011-2020年全球地表温度比工业革命时期上升了1.09℃，其中约1.07℃的增温是人类活动造成的[1]。二氧化碳含量增多和温度上升导致的气候变化改变全球水文循环的现状，并影响水资源的时空分布规律，进而影响降水、蒸发等水循环要素的变化过程[2-3]。其中，气温、降水、蒸发作为关键的气候资源，其变化规律将直接影响农业生产过程，并最终影响地区农业产业[4]。

在全球气候变化日益恶化情况下，国内学者对于不同地区和流域的气候变化展开了相关研究。胡建桥等[5]通过研究兰州市近68年的年降水量和各季降水量的变化特征发现，兰州市年降水量呈下降趋势，春、夏、秋三季的降水量均有不同幅度的下降趋势。杨晓柳等[6]根据乌蒙山1971-2015年的气象数据，采用线性倾向估计、Mann-Kendall突变检验等方法，发现乌蒙山的降水量、蒸发量和气温呈上升趋势，3个气象要素均存在突变现象。郝路等[7]利用Mann-Kendall分析、累计距平等方法，对银川市近51年的年降水量和四季降水量的趋势性、突变性进行了研究。宋培兵等[8]选取通辽地区1957-2017年的气候资料，研究多时间尺度下的年降水量、年潜在蒸发量和年平均气温的变化规律。李娇等[9]研究发现辽宁省蒸发量自西北向东南呈递减趋势，风速和平均最低气温对于蒸发量的变化具有影响。齐燕[10]分析大柴旦地区1956-2017年降雨、温度及蒸发的变化特征，结果表明该地区的降雨呈上升趋势，蒸发呈下降趋势，降水序列和蒸发序列存在突变现象。刘蕾等[11]对140年芜湖市年降水量和各季降水量的变化特征进行相关分析。郭嘉兵等[12]选取甘肃省59个气象站降水量资料数据，结果表明甘肃省东部、南部和中部地区降水量呈下降趋势，西部降水量呈上升趋势，降水量发生突变的时间点为20世纪60年代中期、70年代初期、80年代中期以及90年代初期。

本文以四平市为例，根据1992-2019年气象站的气候资料日值数据，运用线性趋势和滑动平均等方法分析气候要素的趋势变化特征，运用 Mann-Kendall 检验法分析气候要素的突变特征。研究结果可以展示四平市降水变化特征，对于该地区生态环境保护、农业发展和预防旱涝灾害具有重要意义。

1 研究区概况

四平市位于中国东北地区中部、吉林省南部，地理坐标为E123°17′-E125°49′，N42°31′-N44°09′。四平市是东北亚区域中心点，也是吉林省中部创新转型核心区主要支点城市。四平市总面积为14 323 km2，其中东部属长白山余脉的丘陵地区；西部为松辽平原的一部分，接壤科尔沁草原；中部为平原地区。研究区地势东南高、西北低，海拔高度在100-500 m之间，属于中温带湿润季风气候区，呈现明显的大陆性气候，四季分明，夏季多雨，全年降水总量平均578.5 mm。研究区主要河流为东辽河及其支流，边缘地区还有西辽河、伊通河、辉发河等。土地资源比较丰富，地貌类型多样，山地约占总面积的6%，丘陵占总面积的15%，平原约占总面积的79%。草地总面积14.4×104hm2，其中放牧场8.92×104hm2，采草场3.7×104hm2。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文采用中国气象数据网提供的四平市1992-2019年的逐日降水序列资料，并由降水资料可统计计算年降水量序列，对于缺测或异常情况的降水日值数据均采用0进行代替。在统计季度数据时，季节的划分方法为: 3-5月份为春季、6-8月份为夏季、9-11月份为秋季、12月份至翌年2月份为冬季。数据分析及绘图采用Matlab及Excel完成。

2.2 研究方法

本文主要从趋势性、突变性和周期性3个方面分别对年降水量进行分析。其中，趋势性检验采用线性趋势法[13-17]、距平及累计距平法、滑动检验法；突变性检验采用Mann-Kendall检验法[18-22]，来判断长时间序列中降水发生突变的时间点。

2.2.1 线性趋势法

线性趋势法是利用数理统计原理来确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种方法,其用一元线性回归方程表示。

2.2.2 Mann-Kendall突变检验法

Mann-Kendall法是由Mann和Kendall提出的，是时间序列数据趋势检验和突变检验中被世界气象组织推荐并广泛应用的非参数检验方法。其特点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，对于非正态分布的水文、气象等数据具有更加突出的适用性[23-24]。

3 结果与分析

3.1 降水量趋势分析

由图1可知，1992-2019年四平市的年降水量波动较大，四平市近28年的年降水量变化范围为369.2～986 mm，年平均降雨量为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，最大值与最小值相差616.8 mm。降水量在2007、2009、2011年出现较小降水，在2005、2010、2016年出现较大降水，降水极值更替出现，说明四平市极端天气频繁。降水量在1998-2002、2005-2007、2010-2011、2016-2017年时间段内急剧下降，在1995-1996、2003-2004年时间段内相对稳定，在2009-2010、2015-2016、2017-2019年时间段内急剧上升，说明四平市年际降水量变化呈现一定的规律性。

从线性趋势线可知，近28年来四平市年降水量气候倾向率为42.948 mm/10 a，其线性拟合方程为y=4.294 8x+543.84，其相关系数为R2=0.050 5。对线性回归方程进行F显著性检验，选取显著性水平α=0.05，此时分子的自由度为1，分母的自由度为n-2=26，查F分布表得F0.05(1,26)=4.23，则拒绝域为[4.23,+∞)。根据相关系数R2计算显著性水平F可知，降水显著性检验的统计量为1.38，其值不在拒绝域内，因此近28年来四平市年降水量总体呈上升趋势，变化趋势不显著。

根据Mann-Kendall趋势检验法，得到年降水量的统计量Z=0.770 5，其统计量大于0但小于1.96，表明四平市1992-2019年降水量呈不显著的增加趋势，这与线性分析的结果相同。通过5年滑动平均曲线可知，年降水量变化趋势总体经过增多(1992-1998年)-减少(1998-2004年)-增多(2004-2019年)3个阶段。

根据四平市降雨量距平与累计距平图可以看出，四平市28年年降水距平基本呈现正负距平交替出现，其中负距平年有15 a，正距平有13 a。2011年之前以负距平为主，2000-2004年连续5 a出现负距平现象，负距平变化相对不大，降水量相对较少。1999-2004年累计距平曲线呈下降趋势，表明累计距平值减少，年降水量偏少，为偏枯年份；1996-1999、2017-2019年累计距平曲线呈上升趋势，表明累计距平值增加，年降水量偏多，为偏丰年份。

图1 四平市年降水量变化趋势分析

四平市降水量季节变化趋势见图2。四平市春季降水量总体呈明显增加的趋势，递增率为2.157 5 mm/a。春季降水量的M-K检验统计量Z为1.916 4，其大于0小于1.96，表明四平市春季降水量呈不显著的增加趋势，这也与线性分析结果相同。春季降水量最多的年份为2016年，其值为267.799 9 mm，最低的年份春季降水量仅为45.1 mm(2001年)，年平均降水量为97.14 mm，占全年降水量的16.13%。根据5年滑动平均曲线整体变化可知，春季降水量经历了4个变化阶段，分别为：增多(1992-1999年)-减少(1999-2004年)-增多(2004-2016年)-减少(2016-2019年)。

夏季降水量呈增加趋势，递增率为1.368 1 mm/a，夏季降水量最大值为767.7 mm，出现在2019年，最小值出现在2009年(207.6 mm),年平均降水量为394.9 mm，占全年降水量的65.56%。根据Mann-Kendall趋势检验法，得到夏季降水量的统计量Z=-0.217 32，其统计量小于0但小于1.96，表明四平市1992-2019年夏季降水量呈不显著的减少趋势，这与线性分析的结果不同，需要进一步的分析。通过5年滑动平均曲线可知，夏季降水量变化幅度较多，其中1999-2017年降水量经历了多次增减，总体变化趋势分为增加(1992-1999年)-减少(1999-2017年)-增加(2017-2019年)3个阶段。

秋季降水量总体呈微弱的上升趋势，递增率为0.407 8 mm/a。秋季降水量最多的年份为2016年，其值为204 mm，最低的秋季降水量仅为37 mm(2007年),年平均降水量为90.31 mm，占全年降水量的14.99%。秋季降水量的M-K检验统计量依然小于0，表明秋季降水量呈不显著的减少，这与线性分析的结果相反，需要进一步分析。根据5年滑动平均曲线发现，秋季降水量总体变化趋势为：减少(1992-2002年)-增多(2002-2016年)-减少(2016-2019年)。

冬季降水量呈增加趋势，递增率为0.466 3 mm/a，冬季季降水量最大值为49.2 mm，出现在2012年，最小值出现在1995和1997年，其值均为6.4 mm,年平均降水量为19.98 mm，占全年降水量的3.32%。冬季降水量的M-K检验统计量Z为1.817 6，其大于0小于1.96，表明四平市冬季降水量呈不显著的增加趋势，这也与线性分析结果相同。

综上可知，28年降水量存在着显著的季节差异，以夏季降水量最为充沛，春季和秋季次之，冬季降水量最少。通过5年滑动平均曲线可知，冬季降水量变化趋势总体经过减少(1992-1998年)-增多(1998-2017年)-减少(2017-2019年)3个阶段。

图2 四平市四季降水量变化趋势分析

由图3可知，四平市年度各月降水量变化差异显著。1-8月份降水量呈现上升趋势，9-12月份降水量呈现下降趋势；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。月降水量范围为140.9～4 638.6 mm，月平均降水量为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，其从降水时间分布表现为春冬枯、夏秋丰。

图3 四平市各月降水量变化趋势分析

3.2 降水量突变性分析

通过采用Mann-kendall法对四平市1992-2019年的春、夏、秋、冬四季和年降水量序列进行突变性检验，并采用α=0.05显著性检验。从1992-2019年四平市年降水量的M-K突变曲线可以看出，UF统计量在1992-2000和2015-2019年大于0但小于1.96(图4)，说明在这些时间段年降水量呈上升趋势，在其他时间段年降水量都呈下降趋势，表明四平市年降水量整体呈上升趋势，但是由于UF和UB统计量曲线都没有超过α=0.05显著性水平线，说明这种变化趋势均是不显著，这与线性趋势分析得到的结果一致。从图4中可以看出，UF曲线和UB曲线在28年间存在5个交点，并且5个交点都在临界线之间，表明这些时间点为四平市年降水量发生突变的时刻。

图4 四平市年降水量突变分析

春季降水量M-K突变图中统计量UF在2015-2017年超过了α=0.05显著性水平线，见图5(a)，并且UF大于0表明该时间段内春季降水量呈显著上升趋势。在1995-2003和2007-2018年统计量UF均大于0，表明该段时间内春季降水量增加，其余时间段内降水量减少，春季降雨量整体呈现上升趋势。UF曲线和UB曲线1998-2000和2006-2007年两个时间段内存在3个交点，这些交点为春季降水量可能发生突变的时间点。夏季降水量M-K突变图的统计量UF和UB两条曲线均在α=0.05显著性水平线之间，见图5(b)，表明其降水量变化不显著，夏季降水相对稳定。在2001年之前，统计量UF均大于0，表明该段时间内夏季降水量增加，而2001年之后UF均小于0，降水量呈现减少的趋势，并且UF曲线和UB曲线在置信区间出现1个交点，该突变时间为1999-2000年之间。

图5 四平市四季降水量突变分析

秋季降水量M-K突变图中统计量UF在2001-2003年超过了α=0.05显著性水平线，见图5(c)，并且UF小于0表明该时间段内秋季降水量呈显著下降趋势。在1997-2015和2018-2019年统计量UF均小于0，表明该段时间内秋季降水量减少，其余时间段内降水量增加。UF曲线和UB曲线在置信区间内存在5个交点，其时间段分别为1994-1995、2011-2012、2016-2019年，这些交点均在置信区间内未通过显著性检验，表明这些时间点均有可能发生突变。冬季降水量M-K突变图中在1992-1994和1999-2019年的统计量UF均大于0，见 图5(d)。该段时间内冬季降水量呈上升趋势，其中2015-2017年的统计量UF超过了临界线，该时间段内降水量呈显著增加趋势，其余时间段统计量UF和UB均在置信区间内，表明降水量的上升或下降趋势均不显著。冬季降水量发生突变的时间点有4个，其中最早出现的时间点在1999-2000年，这4个交点均在置信区间内，所以可能发生突变。

4 结 论

1) 1992-2019年四平市年降水量整体呈不显著上升趋势，气候倾向率为42.948 mm/10年。四平市四季降水量均呈不显著上升趋势，其中春季降水量线性变化最明显。各季降水量变化差异显著，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月份降水量相应最少，四平市降水量呈现春冬枯、夏秋丰的现象。

2) 通过Mann-Kendall突变分析发现，四平市年降水量和四季降水量发生突变的时间均在置信区间内，所以这些突变时间可能会发生。四平市年降水量在28年间发生了5次突变；春季降水量发生突变的时间段为1998-2000、2006-2007年，其中1998-2000年发生2次突变点；夏季降水量发生突变时刻只有1次，在1999-2000年之间；秋季降水量在28年也发生了5次突变，其最早发生在1994-1995年；冬季降水量在1992-2019年发生了4次突变，其发生时间要晚于秋季降水最早发生突变时间。