基于KZ濾波法隰縣氣象要素趨勢(shì)分析

王荔 張亞飛 王振

摘要 通過對(duì)1960—2017年隰縣氣象五參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，隰縣四季分明，氣溫冬季較低、夏季較高;氣壓冬季較高、夏季較低;降水季節(jié)分明，夏季降水較多、冬季較少;而日照時(shí)數(shù)夏季較長(zhǎng)、秋冬季較短。隰縣氣溫年均值逐年上升，降水和日照時(shí)數(shù)年均值逐年下降;氣壓存在一個(gè)“階梯”式上升過程，而相對(duì)濕度年際變化不明顯。運(yùn)用KZ濾波方法，得出隰縣氣溫逐年上升，上升速率為0.027 2 ℃/a;降水量逐年減少，速率為-0.003 42 mm/a;日照時(shí)數(shù)逐年減少，速率為-0.020 1 h/a。

關(guān)鍵詞 氣象要素;統(tǒng)計(jì)分析;變化趨勢(shì);KZ濾波法;隰縣

中圖分類號(hào) S161.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2020）03-0215-04

Abstract Through the statistical analysis of the five meteorological parameters of Xixian County from 1960 to 2017， the results showed that： Xixian is a county with four distinctive seasons，and the temperature is lower in winter while higher in summer; the air pressure is higher in winter and lower in summer;the precipitation season is distinct with more precipitation in summer and less in winter;the daily sunshine duration is longer in summer and shorter in winter or autumn. The average temperatures of Xixian County showed ascending trend year by year，the annual precipitation and daily sunshine duration showed descending trend; the air pressure increasing with a stairlike process characteristics， while the interannual variation of relative humidity was not obvious. Using KZFiltering method， the temperature in Xixian County increased year by year， the rate of increase was 0.027 2 ℃/a; the precipitation decreased year by year， the rate was -0.003 42 mm/a; the sunshine duration decreased year by year， and the rate was -0.020 1 h/a.

Key words Meteorological elements;Statistical analysis;Change trend;KZFiltering method;Xixian County

隰縣位于山西省西南部（110°57′E、36°42′N），屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，海拔1 053 m，因海拔高度差懸殊，氣候垂直分帶較為明顯。隰縣屬典型的黃土高原殘?jiān)珳羡謪^(qū)，以山地、丘陵為主，地表水十分缺乏，是以旱作農(nóng)業(yè)為主的山區(qū)農(nóng)業(yè)縣，溝壩地聞名全國(guó)。

多年以來(lái)，我國(guó)許多學(xué)者對(duì)全國(guó)各地的氣象要素特征進(jìn)行了分析，我國(guó)近百年來(lái)的氣溫變化呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，根據(jù)IPCC第四次評(píng)估報(bào)告指出，全球地面氣溫近百年來(lái)上升了0.74 ℃[1]。全球變暖已引起世界各國(guó)專家學(xué)者和政府的高度重視。我國(guó)降水量總體呈下降變化趨勢(shì)[2-3]，近50年全國(guó)日照時(shí)數(shù)有明顯下降趨勢(shì)[4]。針對(duì)山西臨汾地區(qū)的氣溫和降水量變化趨勢(shì)，王文義等[5]分析了近54年臨汾市氣溫變化特征，結(jié)果表明，近年來(lái)臨汾平均氣溫明顯上升，尤其春、冬季升溫顯著;王巧霞等[6]根據(jù)臨汾氣候觀測(cè)資料分析了其氣溫和降水的變化特征;郝智文等[7]分析近50年山西省日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)得出其日照時(shí)數(shù)呈減少趨勢(shì)。自然環(huán)境與人類的生活息息相關(guān)，氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、日照時(shí)數(shù)、降水量等氣象因素與大氣環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著較強(qiáng)的相關(guān)性。隰縣是農(nóng)業(yè)大縣，也是國(guó)家級(jí)重點(diǎn)扶貧開發(fā)縣，土特產(chǎn)“玉露香”梨聞名全省，是全縣脫貧攻堅(jiān)的主要農(nóng)作物，因此研究其氣象因素變化序列趨勢(shì)有著重要的指導(dǎo)作用。筆者利用KZ-filter過濾器[8-9]對(duì)隰縣近58年的氣壓、氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度進(jìn)行了分析，以期為縣級(jí)預(yù)報(bào)服務(wù)提供基礎(chǔ)依據(jù)，同時(shí)為隰縣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)和植被結(jié)構(gòu)的調(diào)整起到關(guān)鍵性的作用。

1 資料與方法

1.1 氣象資料的來(lái)源

所用數(shù)據(jù)為1960—2017年的氣象因素，其日平均溫度、日降雨量、日平均相對(duì)濕度、日平均氣壓和日照時(shí)數(shù)由隰縣氣象局提供，其年、季氣象資料均由日、月氣象資料計(jì)算所得。季節(jié)的劃分：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月。

1.2 分析方法

周期性是天氣過程變化的重要特征之一[10]。基本氣象參數(shù)的時(shí)間變化序列是由許多高頻部分和低頻部分所組成，這些部分所對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度和物理過程各不相同。為了研究隰縣氣象基本參數(shù)的趨勢(shì)，而分離不同頻率（周期）獲得低頻率（大周期）時(shí)間序列以研究其變化趨勢(shì)。KZ（m，p）過濾器[8-9]由于其強(qiáng)大的分離、處理不連續(xù)數(shù)據(jù)的能力以及簡(jiǎn)便的數(shù)學(xué)處理方法被許多學(xué)者所采用和認(rèn)可。

KZ（m，p）過濾器基本定義是對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行特定長(zhǎng)度的滑動(dòng)平均，并且將這個(gè)過程計(jì)算的yi作為下次輸入，然后重復(fù)p次數(shù)為止，直到需要的頻率均被分離出來(lái)。其計(jì)算公式如下：

yi=1mkj=-kxi+j（1）

其中，m為過濾窗長(zhǎng)度，m=2k+1，即為此次平均所需的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);p為所需要重復(fù)這類滑動(dòng)平均的次數(shù)。m和p可以確定出要過濾出小于N天的周期段，然后將小于N天的周期因素除去，便可以得到氣象參數(shù)時(shí)間序列大于N天的主要趨勢(shì)，即變化趨勢(shì)：

N≥m×p（2）

2 結(jié)果與分析

2.1 隰縣基本氣象變化

從表1可看出，1960—2017年隰縣平均氣溫為9.4 ℃，春季、夏季、秋季、冬季日平均氣溫分別為10.7、21.6、9.3、-4.4 ℃。氣溫最高月份發(fā)生在7月，為22.6 ℃，最低月份發(fā)生在1月，為-6.1 ℃。近58年來(lái)隰縣月平均氣溫呈現(xiàn)倒“U”型，冬季年平均氣溫均在0 ℃以下，夏季氣溫最高，具有四季分明的特征。近58年來(lái)氣溫年均值隨年份增長(zhǎng)而增加（圖1a），增長(zhǎng)速率為0.025 9 ℃/a。

1960—2017年隰縣日平均降雨量為1.4 mm，春季、夏季、秋季、冬季日平均降雨量分別為0.9、3.1、1.5、0.2 mm。最多日平均降雨量發(fā)生在7月，最少月份發(fā)生在1和12月，表明隰縣具有降水分明的季節(jié)。近58年來(lái)隰縣月平均降雨量呈現(xiàn)倒“U”型。近58年來(lái)降水年均值隨年份增長(zhǎng)而減少，速率為-0.003 6 mm/a（圖1b）。

1960—2017年隰縣平均日日照時(shí)數(shù)為7.0 h，春季、夏季、秋季、冬季日日照時(shí)數(shù)分別為7.6、7.8、6.4、6.4 h。隰縣月平均日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)倒“U”型。日照時(shí)數(shù)年均值隨年份增長(zhǎng)而減少，速率為-0.020 2 h/a（圖2）。而年日照總時(shí)數(shù)也隨著年份的增加而減少，速率約為-7.37 h/a。對(duì)隰縣1960—2017年每日日照時(shí)數(shù)大于6 h天數(shù)所占全年天數(shù)百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，占比基本上大于60%（圖2b），表明隰縣地區(qū)太陽(yáng)能穩(wěn)定[11-12]，有利于農(nóng)作的生長(zhǎng)以及太陽(yáng)能的開發(fā)。

1960—2017年隰縣日平均氣壓為891.4 hPa，春季、夏季、秋季、冬季日平均氣壓分別為889.7、885.0、894.8、896.0 hPa。氣壓最高月份發(fā)生在12月，為897.3 hPa，最低月份發(fā)生在7月，為883.6 hPa。隰縣氣壓與氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即氣溫越高，氣壓就相對(duì)低。近58年月平均氣壓呈現(xiàn)“U”型。

1960—2017年隰縣平均相對(duì)濕度為56.7%，春季、夏季、秋季、冬季平均相對(duì)濕度分別為54.2%、64.9%、56.6%、511%。最高平均相對(duì)濕度發(fā)生在8月，最低月份發(fā)生在4月。月平均濕度規(guī)律性不明顯，但夏季濕度稍高，冬季稍低。

2.2 隰縣氣象要素序列分析

為了分析隰縣各氣象要素日均值的變化趨勢(shì)，采用KZ（m，p）濾波以除去高頻分量。大氣周期主要是由于大氣內(nèi)部的動(dòng)力機(jī)制產(chǎn)生的。為了獲得各氣象要素年際變化趨勢(shì)必須去除低于海氣相互作用的周期振蕩[13]，因此選用KZ（365，3）作為濾波函數(shù)。

從氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量長(zhǎng)程濾波（圖3）可以看出，氣溫隨日期逐漸上升，而日照時(shí)數(shù)逐漸減少，降水量也呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。其中氣溫年增長(zhǎng)率約為0.027 2 ℃/a，與氣溫年均值增長(zhǎng)速率近似相等。日照時(shí)數(shù)年增長(zhǎng)率約為-0.020 1 h/a，與日照時(shí)數(shù)年均值增長(zhǎng)速率近似相等。降水量的年增長(zhǎng)率約為-0.003 42 mm/a，在全球氣候變化的大背景下，近58年來(lái)隰縣氣溫也逐漸發(fā)生了變化，氣溫表現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，這與其他的研究結(jié)果相一致[14]。冬季氣溫年增長(zhǎng)率為0026 6 ℃/a，而非冬季氣溫年增長(zhǎng)率為0.027 4 ℃/a，表明隰縣非冬季氣溫增長(zhǎng)率大于冬季，而通過更為具體的季節(jié)劃分，夏季氣溫年增長(zhǎng)率最大。對(duì)于日照時(shí)數(shù)增長(zhǎng)率，冬季年增長(zhǎng)率約為-0.020 0 h/a，非冬季年增長(zhǎng)率約為-0.020 2 h/a，日照時(shí)數(shù)減小速率非冬季大于冬季。對(duì)于降雨量增長(zhǎng)率，冬季年增長(zhǎng)率約為-0.003 51 mm/a，非冬季年增長(zhǎng)率約為-0.003 40 mm/a，具體表現(xiàn)為冬季降水量減少更多，這也與其他的研究結(jié)果相一致[15]。

從氣壓和相對(duì)濕度長(zhǎng)程濾波（圖4）可以看出，隰縣氣壓時(shí)間序列在1980—1982年有一個(gè)“階梯”式增長(zhǎng)，而氣壓未濾波的原始時(shí)間序列1980—1982年也出現(xiàn)“階梯”式增長(zhǎng)，具體原因不明。但“階梯”式增長(zhǎng)的左右區(qū)間的濾波趨勢(shì)結(jié)果并沒有顯著的變化。而相對(duì)濕度也是如此，1960—2017年沒有顯著變化。

通過上面分析可以發(fā)現(xiàn)，氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量的KZ（365，3）速率增長(zhǎng)結(jié)果分別與其年均值速率增長(zhǎng)結(jié)果近似相等，而氣壓和相對(duì)濕度無(wú)顯著變化趨勢(shì)。這也說(shuō)明了通過KZ 濾波消除了高頻等因素，只保留了能夠反映主趨勢(shì)的因素。

3 結(jié)論

（1）隰縣氣溫冬季較低、夏季較高;氣壓冬季較高、夏季較低;隰縣降水季節(jié)分明，夏季降水較多、冬季較少;而日日照時(shí)數(shù)夏季較長(zhǎng)，秋冬季較短;而相對(duì)濕度季節(jié)變化不明顯。

（2）近58年隰縣氣溫年均值逐年上升，降水和日日照時(shí)間年均值逐年減少。

（3）KZ濾波方法得出，近58年來(lái)隰縣氣溫逐年上升，上升速率為0.027 2 ℃/a;降水量逐年減少，速率為-0.003 42 mm/a;日日照時(shí)數(shù)逐年減少，速率為-0.020 1 h/a。

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