基于小波分析的華北地區(qū)近61年降水變化特征

金釗 范偉

摘要 采用中國氣象局整編的1951—2011年華北地區(qū)26個(gè)氣象站點(diǎn)（113.5°～120.0°E、36.0°～42.5°N）降水系列資料，采用墨西哥帽小波函數(shù)，對(duì)華北地區(qū)61年年度降水和各個(gè)季節(jié)降水進(jìn)行小波分析，揭示華北地區(qū)歷年降水量在各個(gè)時(shí)間尺度上的變化結(jié)構(gòu)，并分析各個(gè)降水周期以及周期之間的降水突變點(diǎn)。結(jié)果表明，華北地區(qū)年降水量在16～18年尺度上存在明顯的正負(fù)變化波動(dòng)，為主要周期;其次在6～8年時(shí)間尺度上也出現(xiàn)了較為明顯的時(shí)間變化現(xiàn)象，為次要周期。對(duì)比夏季降水和年降水小波變化發(fā)現(xiàn)，在不同時(shí)間尺度的周期特征有很高的相似性，說明夏季降水很大程度決定年降水周期變化特征。小波分析的時(shí)間頻率變化特征可展示降水時(shí)間序列變化的細(xì)節(jié)，為分析氣候變化規(guī)律、中長期氣候預(yù)測以及水利發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 降水;變化特征;小波分析;華北地區(qū)

中圖分類號(hào) S161.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）10-0197-03

Abstract Using the data series of 26 meteorological stations （113.5°～120.0°E， 36.6°～42.5°N） compiled by the China Meteorological Administration from 1951 to 2011， wavelet analysis of annual precipitation and seasonal precipitation in 61 years in North China was carried out by the Mexican hat wavelet function，the structure of precipitation over the years in North China had been revealed at various time scales， and the precipitation peaks in the various precipitation cycles and between the cycles were analyzed.The results showed that the annual precipitation in North China had obvious positive and negative fluctuations on the 16～18-year scale， which was the main cycle.Secondly， there was a significant time change phenomenon on the 6-8 year time scale， which was a secondary cycle.Comparing the summer precipitation and annual precipitation wavelet changes， the periodic characteristics of different time scales had high similarity， indicating that summer precipitation largely determined the characteristics of annual precipitation period.The timefrequency variation characteristics of wavelet analysis can show the details of precipitation time series changes， and provide scientific basis for analyzing climate change law， medium and longterm climate prediction and water development planning.

Key words Precipitation;Variation characteristics;Wavelet analysis;North China

在全球氣候不穩(wěn)定背景下，極端氣象災(zāi)害發(fā)生頻繁。我國華北的大部分地區(qū)位于干旱和半干旱地帶，近60年來該地區(qū)干旱日趨嚴(yán)重，干旱出現(xiàn)的頻率加大[1-4]，加之全球氣候呈增暖趨勢，導(dǎo)致我國北方湖泊水位下降，河川徑流減少，沙漠化面積擴(kuò)展，地下水位迅速下降，使我國華北成為中國也是世界上最嚴(yán)重的干旱地區(qū)之一。故華北地區(qū)降水變化趨勢一直具有更高的關(guān)注度。

應(yīng)用觀測資料對(duì)華北地區(qū)降水的研究一直是熱點(diǎn)[5-9]，如匡正等[5]對(duì)華北8個(gè)站的1880—1996年降水資料進(jìn)行小波分析，從中可以清楚地看到華北降水變化的時(shí)間結(jié)構(gòu)，大致預(yù)測未來10～20年乃至更長一段時(shí)間的旱澇變化趨勢。范廣洲等[7]用統(tǒng)計(jì)評(píng)估模型研究了降水量對(duì)華北地區(qū)夏季水資源的影響，說明水資源變化量基本上是降水量變化的2倍，平均降水量每減少10%，水資源總量相應(yīng)減少19.4%，平均降水量每減少20%，水資源總量相應(yīng)減少39.2%。周連童等[8]進(jìn)一步從中國西北干旱、半干旱區(qū)春季感熱的年代際變化來說明華北地區(qū)夏季降水年代際變化的成因。

但隨著我國和國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新農(nóng)業(yè)、生態(tài)保護(hù)、建設(shè)布局激增的需求，正對(duì)華北地區(qū)長時(shí)間序列多站點(diǎn)的降水資料整個(gè)研究依舊不足。

筆者基于華北地區(qū)26個(gè)地面站點(diǎn)1951—2011年的逐月降水資料，使用小波分析理論，對(duì)近 61年來華北地區(qū)各降水時(shí)間序列變化特征進(jìn)行分析，尋找降水變化的周期特征和突變點(diǎn)，總結(jié)華北地區(qū)在不同時(shí)間尺度上的降水結(jié)構(gòu)和異常變化規(guī)律，為農(nóng)業(yè)規(guī)劃及短期氣候預(yù)測等社會(huì)發(fā)展問題提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 小波分析方法[10] 小波分析是在傅立葉（Fourier）變換的基礎(chǔ)上引入了窗口函數(shù)，小波變換通過伸縮平移運(yùn)算，將一個(gè)時(shí)間序列分解為時(shí)間和頻率，突出各時(shí)間點(diǎn)上的降水?dāng)?shù)值對(duì)降水趨勢變化的貢獻(xiàn)率。該分析法對(duì)于獲取降水要素在一個(gè)復(fù)雜時(shí)間序列的變化規(guī)律、時(shí)間層次的降水變化周期結(jié)構(gòu)演變特征等是非常有效的。

1.2 資料來源與處理

2 結(jié)果與分析

2.1 春季降水量的時(shí)間分布特征

從圖1可以看出，近61年我國華北春季降水呈明顯的周期性變化，春季降水正負(fù)距平以5～6年為周期交替出現(xiàn)。1953—1959年為第1個(gè)周期，在此周期內(nèi)有弱的負(fù)距平轉(zhuǎn)為正距平;1960—1965年是第2個(gè)周期，在這個(gè)周期內(nèi)閉合線密集，說明降水波動(dòng)比前后期都明顯;1966—1971年，該周期內(nèi)正負(fù)距平均比較明顯;1972—1979年，周期變化不明顯，大體是由負(fù)距平轉(zhuǎn)為正距平的趨勢;而后續(xù)波動(dòng)周期分別是1980—1985、1986—1992、1993—1998、1999—2006年。而在2011年后一個(gè)新的負(fù)距平周期將形成。

2.2 夏季降水量的時(shí)間分布特征

從圖2可看出，華北夏季降水周期超過10年以上，且周期發(fā)展趨勢越來越短。1953年以前降水處于負(fù)距平區(qū)域，1953—1964年是一個(gè)降水量充沛的正距平區(qū)域;在圖中顯示，在大閉合區(qū)下方，有2個(gè)不明顯的負(fù)閉合區(qū)和1個(gè)正閉合區(qū)，說明在這降水總體充沛的10年內(nèi)，存在著2個(gè)降水相對(duì)偏少的周期（1955—1957、1960—1962年）和1個(gè)降水偏高的區(qū)域（1958—1959年），顯示了在大時(shí)間尺度主要降水周期內(nèi)也存在小時(shí)間尺度次要降水波動(dòng)周期。而第2次降水波動(dòng)中夏季降水變少的負(fù)距平時(shí)期是1965—1972年，降水量是正距平的時(shí)期是1973—1979年，2個(gè)閉合區(qū)的中心縱坐標(biāo)14年。

第3次降水周期波動(dòng)與第1周期相似。在1980—1991年負(fù)距平階段中，大部分年份的夏季降水量在常年平均值左右，但是被相對(duì)較小部分夏季降水量低值的年份拉低了，從1993年開始華北夏季降水驟然升高并一直持續(xù)到1996年，這是一個(gè)明顯的距平正值區(qū)。1997—2011年為一個(gè)明顯的負(fù)值區(qū)，近15年來大部分年份的夏季降水量低于常年降水量的平均值，僅2008—2011年的夏季降水量趨于平均值。

2.3 秋季降水量的時(shí)間分布特征 從圖3可看出，近61年華北秋季降水量正負(fù)距平發(fā)展每隔8年左右一周期。1951—1972年秋季降水波動(dòng)周期雖然可見但是比較混亂。1956—1966年降水量有2個(gè)明顯的負(fù)距平和1個(gè)明顯的正距平，不過這個(gè)正距平的持續(xù)時(shí)間很短;1967—1968年出現(xiàn)一個(gè)不明顯的正距平。總體來看，20世紀(jì)50年代和60年代降水波動(dòng)劇烈。1976—2000年秋季降水正負(fù)距平變化比較平穩(wěn)，2001—2011年降水波動(dòng)又開始劇烈。秋季降水總體來看有所增加。未來2年華北秋季降水將向正距平發(fā)展。

2.4 冬季降水量的時(shí)間分布特征

從圖4可以看出，華北冬季降水量正負(fù)距平變化主周期在61年內(nèi)不斷變短，從20年周期逐漸變?yōu)?0年周期。1951—1970年是第1個(gè)主周期，交錯(cuò)分布著4個(gè)特征明顯的次周期，其中1951—1959年是此周期內(nèi)降水充沛的正距平時(shí)期，可以清晰看到負(fù)—正—負(fù)—正的2個(gè)次周期分布;1960—1970年是此周期內(nèi)降水變少的負(fù)距平時(shí)期，同樣可以看到2個(gè)次周期的降水波動(dòng)分布。1971—1988年是第2個(gè)主周期，其中1971—1980年為降水充沛的正波動(dòng)區(qū)，而1981—1988年為降水減少的負(fù)距平區(qū)，并且在此主周期內(nèi)同樣分布著3個(gè)特征明顯的次周期。1971—1973年是一個(gè)很短的正值區(qū);1974—1977年是降水相對(duì)較小的區(qū)域，而1978—1979年降水驟增為一個(gè)明顯的正距平時(shí)期;1981—1988年總體來說是負(fù)距平區(qū)域，但是在1983—1986年有一個(gè)正值區(qū)，將此年份的降水量分成少—多—少3個(gè)時(shí)期。1989—2000年為第3個(gè)主周期，在此周期中出現(xiàn)了非常規(guī)律的次周期，每個(gè)次周期時(shí)間在4年左右。1989—1991年降水激增再次變成明顯的正距平區(qū)域。1992—2002年總體為負(fù)距平時(shí)期，但是出現(xiàn)了每隔2年降水量多寡交替起伏的次周期現(xiàn)象。2003年開始為第4個(gè)主周期，其中2003—2010年是負(fù)值區(qū)。2011年之后將向正值區(qū)發(fā)展。

2.5 全年降水量分布

坐標(biāo)在10年以上，可以劃分4個(gè)主要的主周期，分別是1951—1965、1966—1980、1981—1997、1998—2011年。按照閉合區(qū)中心在縱坐標(biāo)10年以內(nèi)6年以下也可以看到多個(gè)明顯的次要周期。

3 結(jié)論

（1）從小波分析的時(shí)頻圖可以明顯看出，1951—2011年華北地區(qū)降水量存在著不同時(shí)間尺度的周期變化特征，降水變化規(guī)律是在16～18年尺度大變化周期內(nèi)嵌套著6～8年的小尺度變化周期。

（2）各個(gè)季節(jié)每年降水波動(dòng)中的多寡變化并不完全吻合，61年各個(gè)季度的降水變化有著獨(dú)立的周期波動(dòng)規(guī)律。

（3）年降水變化趨勢與夏季降水變化趨勢高度吻合，夏季降水量偏少勢必引起全年降水量不足。

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