1981-2024 年沈北地区降水的时间变化特征分析

关键词：降水量；降水天数；周期特征；MK 检验；沈北地区

我国受东亚季风影响明显，降水分布极不均匀。降水活动具有明显的年代际变化、年际变化、季节性变化和委节内振荡。而气候资料时空分布变化特征规律分析研究，是气候分析预测的基础。因此分析降水气候变量的时间分布特点和规律，对做好气候预测及社会发展规划具有重要章义，也为今后的短期气候预测工作提供了理论依据。

降水不仅是一个重要的气候要素，也是一个关键的水文要素，一直是气象研究的重要课题 ， 而与降水平均变化规律相比，降水异常的时空变化对社会、经济和生态环境影响更为显著。因此，分析降水气候变量的时间分布特点和规律，对做好气候预测及社会发展规划具有重要意义，也为今后的短期气候预测工作提供了理论依据。

1 数据来源及方法

1.1 数据来源

选取沈阳市沈北新区气象站 1981 年至 2024 年的逐日降水资料，按照气象观测标准对日降水量达到 ⩾0.1mm 进行统计。将春季定义为3＼～5 月，夏季定义为 6＼～8 月，秋季定义为 9＼～11 月，冬季定义为 12 月 ＼～次年2 月。

1.2 研究方法

本研究主要采用的统计学方法分别为：小波分析，MK 检验和贝叶斯突变检测。

小波分析（Wavelet Analysis）亦称多分辨率分析，本文采用的是墨西哥帽小波函数，其核心是通过具有特定形状的小波函数（形似墨西哥帽）对信号进行多尺度分解，从而提取信号的局部特征。

Mann-Kendall 检验，是一种非参数统计检验方法，该方法既可以检测序列的变化趋势，也可以进行突变点检验。该方法计算简便，可以明确突变开始的时间，并指出突变区域。

贝叶斯突变检验是一种基于贝叶斯统计的时序分析方法，用于检测时间序列中的结构突变点，即数据生成过程（如均值、方差、趋势等）发生显著变化的时刻。该方法通过概率建模推断突变点的位置和数量，适用于非平稳信号、气候数据等领域。

2 结果与分析

2.1 趋势变化规律

图 1（a）和（b）是沈北年降水量和降水天数的变化。可以发现1981-2024 年间，沈北地区的年降水量和年降水天数呈现出增加的趋势，年降水量的气候倾向率为 12.03mm/10a ，年降水天数的气候倾向率为 1.28d/10a，方程的显著性均不明显，说明沈北的降水变化趋势不显著。分析四个季节的降水量和降水天数变化趋势可以发现四个季节的降水量的气候倾向率分别为： 4.3mm/10a 、6.77mm/10a、 -2.11mm/10a 、3.09mm/10a ，四个季节的降水天数的气候倾向率分别为：-0.31d/10a、0.08d/10a、0.46d/10a、0.43d/10a，方程的显著性均不明显，说明变化趋势不显著。春季、夏季和冬季的降水量呈增长趋势，秋季降水量呈下降趋势；夏季、秋季和冬季降水天数呈增长趋势，春季降水天数呈下降趋势。说明春季的降水强度在逐年增强，秋季的降水强度在逐年减弱。

2.2 周期分析

图中 3（a）（b）（c）（d）（e）表示年和各个季节降水量的小波系数和小波方差柱状图。图中信号的强弱通过小波系数的大小来表示，等值线为正的用红色表示，代表降水偏多；等值线为负的用蓝色表示，代表降水偏少。对于年降水量存在两个显著周期，第一显著周期为3 年，第二周期为 8＼～10 年，到 2024 年红色等值线还未出现闭合，说明未来一段时间内年总降水量将会偏多。对于春季总降水量而言，存在2 年和 8年的显著周期；夏季总降水量存在 3 年和 8＼～10 年的显著周期；秋季总降水量存在 3 年和 10 年的显著周期；冬季总降水量存在 1 年和 12＼～14年的显著周期。其中夏季和冬季的红色等值线未出现闭合，意味着未来一段时间内夏季和冬季的降水量将会偏多，春季和秋季的蓝色等值线未出现闭合，意味着春季和秋季的降水量在未来一段时间内降水量将会偏小。

对于年总降水天数，存在 1 年和 4 年的显著周期；对于春季降水天数，存在 1 年和 4＼～6 年的显著周期；对于夏季降水天数，存在 2＼～3 年的显著周期；对于秋季降水天数，存在 3 年和 8＼～10 年的显著周期；对于冬季降水天数，存在 3 年和 8 年的显著周期。根据 2024 年附近的等值线颜色判断，在未来一段时间内，总降水天数将增多；春季和冬季的降水天数将减少；夏季和秋季的降水天数将增多。

2.3 突变分析

结合 MK 检验合贝叶斯突变检验，以及趋势分析，确定了年总降水量在 2024 年发生突变，春季降水量在 2017 年发生突变，夏季降水量在 2024 年发生突变，冬季降水量在 2008 年发生突变。夏季降水天数在1985 年和1987 年发生突变，冬季降水天数在2012 年发生突变。

3 结论

（1）1981-2024 沈北年降水量和降水天数均呈现增加的趋势，春季、夏季和冬季的降水量呈增长趋势，秋季降水量呈下降趋势；夏季、秋季和冬季降水天数呈增长趋势，春季降水天数呈下降趋势。说明春季每次的降水强度在增强，秋季每次降水强度在减弱。

分析沈北地区的小波变化表明，对于沈北年和各个季节的降水量和降水天数都存在一 1＼～3 年左右时间尺度表现出明显的周期特征，对于年和季的降水量还存在 8＼～12 年左右时间尺度的周期特征。夏季降水量和年降水量变化趋势具有较大相似性，说明夏季降水较大程度地控制着年降水。对于降水天数而言主要以短周期为主，仅秋季和冬季在除了短周期外还存在8 年左右的周期特征。

通过突变检验分析，年降水量和夏季降水量在 2024 年发生突变，春季降水量在 2017 年发生突变，冬季降水量在 2008 年发生突变。对于降水天数夏季在1985 年和1987 年发生突变，冬季在2012 年发生突变。

参考文献：

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