1969—2016年江蘇省降水時空變化特征分析

陳昕 葉小嶺 熊雄 潘霄 王佐鵬

摘要? ? 利用了1969—2016年江蘇省13個氣象基站逐日降水資料對江蘇省近48年的年降水量進行時空分布特征分析。采用線性回歸、經驗正交分解（EOF）和小波變換等方法研究了1969—2016年江蘇省年降水量的年際變化趨勢、時空分布特征及其周期性。結果表明，近48年來，江蘇省的年降水量呈不顯著上升趨勢;EOF將江蘇省劃分為3種降水類型，即全年的空間分布整體一致性、南北反位相和蘇中與蘇南蘇北的反位相;時間上，有24年表現為第一類降水類型，有14年表現為第二類降水類型，有4年表現為第三類降水類型;從周期上來看，近48年江蘇省的年降水周期存在28年、15年、9年、4年的周期尺度。

關鍵詞? ? 降水;時空變化;經驗正交分解（EOF）;小波分析;江蘇省;1969—2016年

中圖分類號? ? P468.2? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）17-0187-04? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Abstract? ? Based on the daily precipitation data of 13 meteorological base stations in Jiangsu Province from 1969 to 2016，the spatial and temporal distribution characteristics of the annual precipitation in Jiangsu Province in the past 48 years were analyzed. Linear regression，empirical orthogonal decomposition（EOF） and wavelet transform were used to study the interannual change，spatial and temporal distribution characteristics and periodicity of annual precipitation in Jiangsu Province from 1969 to 2016.The results showed that the annual precipitation in Jiangsu Province increased（not significantly） in the past 48 years.The EOF divided Jiangsu Province into three types of precipitation，such as the overall spatial distribution of the whole year，the north-south anti-phase and the anti-phase between central Jiangsu and southern Jiangsu，northern Jiangsu. From the view of time，there were 24 years of performance as the first type of precipitation，14 years as the second type of precipitation，and 4 years as the third type of precipitation. From the periodic view，the annual precipitation cycle of Jiangsu Province in the past 48 years had a periodic scale of 28 years，15 years，9 years and 4 years.

Key words? ? precipitation;temporal and spatial change;empirical orthogonal decomposition（EOF）;wavelet analysis;Jiangsu Province;1969-2016

近100年來，全球氣候逐漸變暖，伴隨著極端天氣發(fā)生頻率不斷上升。我國年平均地表氣溫在近50年來上升1.1 ℃[1-3]。由于我國的地形復雜，海拔高度變化大，受多種氣候因素影響，導致區(qū)域氣候差異較大，使得境內氣候變化區(qū)域差異顯著。氣候變化導致一系列嚴重的后果，如冰川融化、海平面上升、天氣變化異常、暴雨干旱等災害事件增加以及生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞等，給人類的生存環(huán)境帶來了巨大壓力，由此引起了各個國家的關注。江蘇省位于我國的南北交界處，是中國政治、經濟和文化最發(fā)達的省區(qū)之一。受全球變暖的影響，江蘇省受旱澇災害的影響越發(fā)嚴重，降水在時間和空間上分布不均勻，導致了江蘇省干旱和洪澇災害時有發(fā)生，給農作物的生長和人類的生產活動造成了較大影響[4-5]。邱新法等[6]利用江蘇省近45年降水資料分析了江蘇省降水變化趨勢，結果表明，該省年降水無明顯變化趨勢，秋季降水呈現顯著下降趨勢，冬季降水呈現顯著上升趨勢;傅? 帥等[7]利用江蘇省近55年逐日降水資料，研究了該省降水及極端降水呈現的狀況和趨勢，提出了該省降水和極端降水具有年際波動大且變化趨勢不明顯的特點;肖艷兵等[8]研究了江蘇省年降水的一般規(guī)律;曹乃和等[9]、揚宏青等[10]對長江流域的降水變化進行研究，指出江蘇省處于二類和三類雨型的邊緣，無法用此分類方法準確判斷江蘇省降水類型。由此說明，江蘇地區(qū)降水類型比較復雜。本文旨在全面而深入地研究江蘇省近48年年降水的時空變化特征，對了解該地區(qū)的氣候變化背景、預測未來降水變化趨勢、尋找其時空分布規(guī)律、合理有效保護利用水資源和有效保障該地經濟、社會的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展等具有重要意義。

1? ? 資料與方法

1.1? ? 資料來源

原始數據采用國家氣象信息中心提供的江蘇省13個國家級氣象觀測站（徐州、連云港、宿豫、淮安、鹽城、南京、揚州、鎮(zhèn)江、靖江、南通、常州、吳中、無錫）（圖1）提供的1969—2016年日降水資料（降水量≥0.1 mm），觀測資料經過初步質量控制。從江蘇省的每個市選取1個代表性的站點，除了個別站點有個別日期的數據缺失以外，具有完整的觀測資料時間序列。對于數據缺失的情況，通過查找周圍最近的4個區(qū)域站數據，計算平均值作填補處理。

1.2? ? 研究方法

本文首先對江蘇省13個氣象基站近50年平均年降水量進行一元一次線性回歸分析;然后對13個站點的年降水量作標準化處理，采用EOF方法，對江蘇省降水場的時空分布進行劃分，提取特征向量;最后運用氣候傾向率、Mann-Kendall檢驗、小波變換等方法，系統(tǒng)分析江蘇省近48年降水量的時空變化特征。

其中，研究降水的周期性采用小波分析方法。該方法是具有多分辨功能的周期分析方法，可以用小波函數來表示或逼近某一信號或函數[11-12]。

對于給定小波函數φ（t），降水時間序列f（t）∈L2（R）的連續(xù)小波變換為：

公式（1）中，a為尺度因子，反映小波的周期長度;b為時間因子，反映時間上的平移;Wf（a，b）為小波變換系數，φ（■）為小波函數。

小波方差Var（a）的變化過程反映了波動的能量隨時間尺度的分布，其峰值對應的時間尺度為降水序列的主周期，計算公式為：

2? ? 結果與分析

2.1? ? 降水量及其趨勢

江蘇省1969—2016年年降水量及變化趨勢見圖2。48年中，江蘇省降水量在1 000 mm/a上下波動，屬于亞熱帶降水充沛地區(qū)，存在明顯的洪澇情況。在1978年出現一個最低的降水量（550.62 mm），在1991年出現一個最高的降水量（1 465.9 mm）。對年降水量進行Mann-Kendall趨勢檢驗，計算出Z值為0.062（未通過顯著性檢驗）。從圖2中接近水平的趨勢線可以看出，江蘇省降水整體呈微弱增長趨勢，增長幅度為6.99 mm/10 a。

2.2? ? 降水空間分布特征

本文運用EOF分解法對江蘇省1969—2016年降水場進行時空分解，前3個特征向量均通過North顯著性檢驗，各自方差貢獻率均超過了6%，累積方差達到了83.55%（表1）?？梢哉J為，江蘇省降水變化具有顯著的空間差異，在研究江蘇降水時，需要考慮到省內地區(qū)的差異。

圖3（a）中，模態(tài)1特征向量的方差貢獻率為55.99%，遠高于其他模態(tài)，是江蘇省降水場的主要分布形式。模態(tài)1特征向量表現出江蘇省1969—2016年期間降水量變化的一致性，即全省均全年多雨或均為全年少雨，是一個全值均為正的典型降水分布場，說明江蘇省降水主要受大尺度氣候變化的影響[13-14]，這與江蘇省的地理位置有關。最大的特征值位于南京市和揚州市附近，反映該區(qū)域的降水變化最明顯;最低特征值位于徐州市北部，表明該區(qū)域降水變化最不明顯;蘇中的降水變化程度高于蘇南和蘇北。

圖3（b）中，模態(tài)2特征向量的方差貢獻率為20.83%，僅次于模態(tài)1，也屬于典型的降水分布形式?？梢钥闯?，模態(tài)2正值部分位于江蘇南部，負值部分位于江蘇北部，南北呈反向分布模式，即江蘇北部地區(qū)降水增多時，江蘇南部地區(qū)降水減少;江蘇北部地區(qū)降水減少時，江蘇南部地區(qū)降水增多。特征向量自南向北遞減，反映江蘇省降水量變化也是由南向北遞減。這種現象主要是由反氣旋環(huán)流導致[11]，北多南少時，長江口以東為反氣旋，水汽從東部沿海輸送到江蘇北部，造成北部澇、南部旱;反之，氣旋位于長江口，降水則為南多北少。

圖3（c）中，模態(tài)3特征向量的方差貢獻率為6.73%，高于5%，也能體現出降水場的部分特征——中部與南北部的差異性。蘇中的南京、揚州、泰州及鹽城等地區(qū)特征向量值為負，其余部分為正，即蘇中地區(qū)與蘇南、蘇北呈現一種反向分布模式。這就表明，江蘇省年平均降水不僅存在南北差異，還存在一個中部與南北的反向差異，全區(qū)的這種差異不如前2種降水型明顯。由此表明，蘇中地區(qū)易出現降水異?，F象，由于江蘇省的降水量主要集中在夏季，造成中部“多—少—多”（少—多—少）降水類型，這可能與夏季的西太平洋副熱帶高壓位置的南北異常有密切聯(lián)系[12]。

根據3個模態(tài)可以得出，江蘇省年平均降水的6種降水型：模態(tài)1決定全省的降水分布類型，即全省多雨和全省少雨;模態(tài)2決定了江蘇省南北反向分布類型，即南部降水多、北部降水少和北部降水多、南部降水少;模態(tài)3決定了蘇中與蘇南蘇北的降水反向分布型，即蘇中降水多、蘇南蘇北少和蘇南蘇北多、蘇中少。

2.3? ? 降水時間分布特征

時間系數與空間分布特征對應，表示空間分布型隨時間的變化特征，當時間系數為正時，表示與空間型同方向，負值則相反;系數值越大，表明這種空間型越典型。前3個模態(tài)的時間系數（圖4）變化幅度最大的是EOF1時間系數，最小的是EOF3時間系數。對模態(tài)劃分出的6種降水分布型作每年的時間系數絕對值最大值比較，統(tǒng)計出江蘇省48年內每年的降水分布類型（表2）。其中，48年中有12年全年全省多雨，占總年數的25%;12年全年全省少雨，占總年數的25%;江蘇省南部地區(qū)多雨、北部地區(qū)少雨的情況為6年，占總年數的12.5%;北部地區(qū)多雨、南部地區(qū)少雨的情況為8年，占總年數的16.67%;江蘇蘇中多雨、蘇南和蘇北少雨的情況為2年，占總年數的4.17%;蘇中少雨、蘇南和蘇北多雨的情況為2年，占總年數的4.17%。模態(tài)1的降水型占48%，可以說明江蘇省多年以來呈現一種整體降水多或者降水少的分布模式。模態(tài)1時間系數趨勢傾斜率>0，說明整個江蘇省降水呈現增加的趨勢，這與江蘇省年平均降水量的變化趨勢相吻合。模態(tài)2的降水型占29.17%，說明江蘇省南部和北部的降水量存在一定的差異，即南多北少或南少北多。模態(tài)2的時間系數趨勢傾斜率>0，表明了這種差異性將越來越明顯。模態(tài)3的降水型占8.54%，說明蘇中與蘇南、蘇北的降水差異存在一定相反的異常情況。剩余模態(tài)的降水型占14.29%，為不典型場。各時間系數基本與空間特征向量反映的降水場相一致。

2.4? ? 周期性檢驗

對選取的江蘇省13個站點的48年年降水量數據作平均化處理。利用Matlab軟件逐次得到小波系數、小波系數實部、小波系數模和小波系數模方。小波系數實部的正、負分別表示降水量的高、低;中心值越大表示降水量振蕩幅度越大，反之越小。通過小波系數實部和虛部可以計算出小波系數模值，模值越大表示降水量的周期性越強且周期越明顯，反之越弱且不明顯。

根據對江蘇省48年的年平均降水量進行Morlet小波分析，繪制小波系數實部等值線圖和小波模方等值線圖。圖5（a）反映了年均降水量的年際及年代變化，由上往下，周期尺度逐漸減小，周期頻率逐漸增高，存在著28年、15年、9年、4年等4類周期尺度。從第一主周期尺度的28年來看，江蘇經歷了低→高→低→高的交替。由于分析的原始數據只有48年，故28年的周期只出現了2次，這種周期可能是偽周期，需要更長的資料序列來驗證。第二主周期尺度15年在48年里出現了5次，可以肯定江蘇地區(qū)年雨量存在15年為周期的豐枯變化。9年和4年分別對應第三和第四主周期。

Morlet小波系數的模方等值線圖反映了江蘇省年降水量在不同時間尺度上的周期振蕩，即強弱分布情況，見圖5（b）。在28年的尺度上周期振蕩能量最強，但也有局部特征（1969—1978年間）;在28年的尺度上周期振蕩能量有所減弱，同樣存在一定的局部限性（2001—2016年間）。

小波方差反映了能量隨時間尺度的分布，可以確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強度，對應峰值處的尺度稱為該系列的主要時間尺度，用以反映時間序列的主要周期。圖5（c）的小波方差圖中存在4個明顯的峰值，對應著4年、9年、15年、28年的時間尺度。最大峰值對應著28年，說明28年左右的周期振蕩最強，為年降雨量變化的第一主周期;15年時間尺度對應著第二主周期;9年和4年依次對應著第三和第四主周期。4個周期波動控制著江蘇省年降水量整個時間域內的變化特性。

3? ? 結論

本文基于江蘇省13個站點1969—2016年日降水資料，運用了線性回歸、經驗正交分解和小波變換等方法，分析了江蘇省降水的時空分布特征，得出以下結論：

（1）隨著全球氣候變暖，江蘇省48年年降水量呈微弱上升趨勢，年際間差異性比較大，最大降水量（1 465.90 mm）和最小降水量（550.62 mm）相差915.58 mm，存在旱澇交替的現象。

（2）EOF分析結果表明，江蘇省的降水量受大尺度氣候的影響，全區(qū)域一致性多雨或者少雨，存在南、北的差異及中部與南、北之間較小的差異。

（3）根據經驗模態(tài)分解劃分的3種空間場，將每種空間場對應的時間年份提取出來，得到了各個模態(tài)對應發(fā)生的時間點。降水型與對應時間系數吻合，1991年江蘇省降水充沛，同時模態(tài)1的時間系數最高，達到1.83×103。

（4）小波分析表明，江蘇省1969—2016年存在28年的第一主控長周期，在很多年份里存在4年左右的短周期。同時，還存在15年和9年的中周期性時間尺度。

（5）研究表明，江蘇省降水主要受到地理位置、大氣環(huán)流和地形條件的影響。江蘇省地處中國東部中緯地區(qū)、南北交界處，其地理位置和大氣環(huán)流使得江蘇省全年降水呈現一致性;蘇中地區(qū)容易出現降水異常情況，這主要與反氣旋環(huán)流有關。

4? ? 參考文獻

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