1967—2018年鄂托克前旗降水變化特征分析

張瑞華 崔彩

摘要? ? 本文利用1967—2018年鄂托克前旗氣象觀測站近50年的氣象資料，對鄂托克前旗降水特征進行分析。結(jié)果表明，整體來說，鄂托克前旗的年降水量變化呈微弱降低趨勢，每10年大約減少1.2 mm;28年時間尺度決定的主周期控制著該地區(qū)的年降水變化特征，通過周期和突變分析，預(yù)計未來3年左右降水高于多年平均值，隨后的14年左右時間內(nèi)降水量呈現(xiàn)減少趨勢，逐漸低于多年平均降水量。

關(guān)鍵詞? ? 降水;突變檢驗;周期變化;小波分析;內(nèi)蒙古鄂托克前旗;1967—2018年

中圖分類號? ? P426.614? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）06-0166-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

Analysis? of? Precipitation? Variation? Characteristics? of? Otog? Front? Banner? from? 1967? to? 2018

ZHANG Rui-hua? ? CUI Cai

（Otog Front Banner Meteorological Bureau，Ordos Inner Mongolia 016200）

Abstract? ? In this paper，the precipitation characteristics of Otog Front Banner were analyzed by using the meteorological data of the meteorological observation station in recent 50 years from 1967 to 2018.The results showed that on the whole，the annual precipitation of Otog Front Banner showed a weak decreasing trend，about 1.2 mm per 10 years.The main period determined by the 28a time scale controlled the annual precipitation variation characteristics of the region.Through the analysis of period and mutation，it was predicted that the precipitation in the next three years would be higher than the multi-year average value，and then the precipitation would decrease in the next 14 years or so，gradually lower than the multi-year average precipitation.

Key words? ? precipitation;mutation test;periodic change;wavelet analysis;Otog Front Banner Inner Mongolia;1967-2018

全球氣候變暖加劇陸地和海洋的水循環(huán)，已經(jīng)影響到空間和時間降水量格局，從而導(dǎo)致干旱、洪澇等極端自然災(zāi)害的增加，影響該地區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境等[1]。鄂托克前旗位于鄂爾多斯市西南地區(qū)，屬于溫帶大陸性氣候，天然牧草面積93萬hm2，農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)是鄂托克前旗的第一產(chǎn)業(yè)，是鄂爾多斯高原重要的畜產(chǎn)品基地，對自然降水的依賴很大。本文通過對鄂托克前旗近50年降水量變化特征進行分析，對了解當?shù)啬杲邓兓攸c、合理安排農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)有一定的參考價值。

1? ? 資料與方法

1.1? ? 資料來源

本文使用的氣象資料來自鄂托克前旗國家自動站1967—2018年月降水量資料。

1.2? ? 研究方法

1.2.1? ? 線性傾向估計。以一元線性回歸方程表示氣象要素x和時間t（t=1，2，…，n）之間的線性關(guān)系，該一元線性回歸方程可表示為：

xi=a+bt（1）

其中，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，b值表示要素的變化趨勢b>0，要素呈上升趨勢b<0，要素呈下降趨勢。

1.2.2? ? Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法。使用Mann-Kendall檢驗方法（簡稱為M-K檢驗法）檢驗氣象要素隨時間的長期變化趨勢以及確定何時發(fā)生突變。定義統(tǒng)計變量UFk，其計算公式為：

UFk=（2）

UFk為標準正態(tài)分布（k=1，2，…，n），給定顯著水平？墜（一般??？墜=0.05，U？墜=±1.96），如果|UFk|>U？墜，表示該氣象要素存在顯著的變化趨勢。將時間序列x按逆序排列，進行相同的計算，且UBk=-UFkK=n+1-k，可以得到UBk曲線，結(jié)合UFk曲線可以進一步對要素的變化趨勢進行分析，即UFk>0，呈上升趨勢UFk<0，呈下降趨勢，當UFk曲線超過直線y=±U？墜時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk曲線和UBk曲線相交且相交于臨界值線內(nèi)，則交點對應(yīng)的時間就是突變時間點。

1.2.3? ? 小波分析法。

（1）計算小波系數(shù)，繪制小波系數(shù)實部等值線圖。本文中使用Morlet連續(xù)復(fù)小波變換函數(shù)研究不時間尺度下不同氣象要素的變化周期[2-3]。小波函數(shù)公式為：

（t）dt=0（3）

，b（t）=|a|-1/2？（4）

其中，a，b∈R，a≠0，？鬃a，b（t）為子小波;a為尺度因子，指小波的周期長度;b為平移因子，指時間上的平移。對于給定的能量有限信號f（t）∈L2（R），其連續(xù)小波變換（CWT）為：

Wf（a，b）=|a|-1/2）dt（5）

式中，Wf（a，b）為小波變換系數(shù);f（t）為一個信號或平方可積函數(shù);a為伸縮尺度;b平移參數(shù);的復(fù)共軛函數(shù)。設(shè)函數(shù)f（kΔt），（k=1，2，···N），Δt為取樣間隔，則式（5）的離散小波變換形式為：

Wf（a，b）=|a|-1/2Δ）（6）

這樣就得到小波系數(shù)，然后繪制出小波系數(shù)實部等值線圖，可以得到不同時間尺度下氣象要素的周期變化及其所在時間序列中的分布，以預(yù)測該氣象要素未來的發(fā)展趨勢。

（2）繪制小波方差隨時間尺度a的變化圖。小波方差圖可以確定主要時間尺度，即主周期。其計算公式為：

Var（a）=a，b）|2db（7）

（3）繪制主周期變化趨勢圖。提取主周期所對應(yīng)的小波系數(shù)實部矩陣，并繪制主周期變化趨勢圖，即主周期特征時間尺度下小波系數(shù)實部隨時間序列的變化，可以進一步得到氣象要素的變化周期。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? 趨勢性分析

從圖1可以看出，降水量最多的年份為2011年，達到454 mm;降水最少的年份是2005年，為118.8 mm。在研究時段內(nèi)，降水變化的波動性較大，但從近50年整體變化來看，鄂托克前旗的降水呈現(xiàn)逐年微弱降低的變化趨勢，每10年大約減少1.2 mm。

2.2? ? 周期性分析

圖2（a）中紅色部分反映降水較多時期，藍色部分表示降水較少時期。從圖2（a）可以看出，鄂托克前旗年降水的小波變換系數(shù)實部等直線在25～35年和15～20年尺度上有明顯的正負位波動。中心尺度分別為28年和18年，而且2個尺度的周期變化在整個分析時段表現(xiàn)的非常穩(wěn)定，具有全域性，且2種周期尺度相互嵌套，在28年尺度下，鄂托克前旗經(jīng)歷豐-枯-豐的循環(huán)交替，在18年尺度下，鄂托克前旗經(jīng)歷豐-枯-豐-枯-豐的循環(huán)交替，在2018年后2種周期尺度的等值線都尚未完全閉合，說明在2018年之后的2年時間左右降水仍處于豐水期。

小波方差圖可以反映降水量時間序列的波動能量隨時間尺度的分布特征，可用來確定降水量演化過程中存在的主周期[4-6]。圖2（b）是運用Morlet復(fù)小波技術(shù)對鄂托克前旗1967—2018年降水量序列進行一維連續(xù)小波變換得到的小波方差。從圖2（b）可以看出，存在一個較為明顯的峰值，對應(yīng)28年時間尺度，表明28年時間尺度的周期震蕩最強，決定著鄂托克前旗年降水量變化的第一主周期，所以鄂托克前旗近50年降水量變化不但具有顯著的周期性，而且28年時間尺度決定的主周期控制著該地區(qū)的年降水變化特征。

圖2（c）為控制鄂托克前旗年降水量演變的第一主周期為28年的小波變化系數(shù)過程變化曲線圖，可以看出，年降水量存在平均周期和豐-枯轉(zhuǎn)換特征，平均周期為36年左右，大約經(jīng)歷1.5個豐枯轉(zhuǎn)換期。由呈現(xiàn)的規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)鄂托克前旗目前降水量處于豐水期，降水量高于多年平均水平，預(yù)計2021年之后的14年左右鄂托克前旗將逐漸進入一個枯水期。

2.3? ? 突變性分析

從圖3中的UF變化曲線可知，UF<0表明可以看出降水量序列呈下降趨勢，和線性分析結(jié)論一致;從UF和UB線的交叉點情況來看，圖中有3個交點，分別出現(xiàn)在2010年、2012年和2015年左右，所有交點都在置信區(qū)間內(nèi)，表明降水存在多個突變點，震蕩劇烈。交點開始交于2010年左右，說明在2010年突變后，降水由原來波動式變化轉(zhuǎn)變?yōu)橼呌诜€(wěn)定的變化，和小波分析結(jié)論一致，接下來的一段時間降水量將小于多年平均值并且持穩(wěn)定變化趨勢。

3? ? 結(jié)論

（1）從整體變化來看，鄂托克前旗的降水趨勢平緩，呈現(xiàn)微弱的逐年降低趨勢，每10年大約減少1.2 mm。

（2）鄂托克前旗降水存在明顯的周期性，存在28年和18年時間尺度，且2種時間尺度相互嵌套，28年時間尺度決定的主周期控制著該地區(qū)的年降水變化特征，通過周期和突變分析，預(yù)計未來3年左右降水高于多年平均值，隨后的14年左右時間內(nèi)降水量小于多年平均值。

（3）通過對鄂托克前旗年降水量的趨勢性、周期性以及突變性的分析，發(fā)現(xiàn)小波分析、MK檢驗和線性分析這幾種方法可以互相印證，是分析降水量變化特征的可信賴分析手段[7]。

4? ? 參考文獻

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