1970~2015年呼和浩特市降水趨勢變化特征分析

段曉梅

摘要：利用呼和浩特市氣象站1970～2015年降水觀測資料，采用線性回歸、距平分析、小波變換方法分析了呼和浩特市年降水量變化特征，并對呼和浩特市降水趨勢進行了分析。結果表明：1970～2015年呼和浩特市年降水量變化趨勢相對平穩(wěn)，線性增長率為0.16 mm/10a;四季降水具有一定的階段性特征，春、冬季降水無明顯線性變化趨勢，夏季降水以-2.7 mm/10a的速率減少，秋季以2.2 mm/10a的速度在增加;月降水量主要集中在6～9月，占全年降水量的76.6%。小波分析表明，呼和浩特市1970～2015年降水量在不同時間尺度上存在不同的周期變化，即8 a為年降水量變化的第一主要周期，振蕩最強，14 a和4 a分別為年降水量變化的第二和第三個主要周期。

關鍵詞：降水量;線性趨勢;小波分析

中圖分類號：P468

文獻標識碼：A?文章編號：1674-9944（2020）14-0021-04

1?引言

降水不僅是大氣水循環(huán)過程中最基本的環(huán)節(jié)，也是水平衡方程中的基本參數(shù)。降水在空間分布上的不均勻與時間變化上的不穩(wěn)定是引發(fā)洪、澇、旱災的直接原因。因此，研究某一區(qū)域的降水趨勢變化特征，對該地區(qū)水資源的合理利用、氣象災害損失以及當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展顯得尤為重要。關于區(qū)域降水變化的研究很多，如鄧子旺等采用月平均氣溫和月降水量的距平值分析了西安市的氣候變化特征[1]。左洪超等研究了1951～2000年中國區(qū)域的降水趨勢，旨在揭示全國氣候變化規(guī)律[2]。徐宗學等采用非參數(shù)檢驗方法和線性回歸方法對黃河流域內(nèi)1951～2001年的降水資料進行了趨勢檢驗[3]。寧亮等分析了全國年、季總降水量的線性趨勢[4]。遲竹萍研究了山東省夏季降水量的變化特征，指出了暴雨強度與夏季降水的變化關系[5]。李春強等采用小波變換方法，揭示了河北省降水時空多尺度變化規(guī)律[6]。劉艷輝等采用線性擬合和MK突變檢驗方法分析了臺山市多年來降水的變化特征[7]。賀偉等年利用累積距平法、MK突變檢驗以及小波分析等方法，詳細分析了東北地區(qū)降水、氣溫的年際變化，確定該地區(qū)45a范圍內(nèi)氣候一般呈暖干趨勢[8]。武文博等對降水資料進行了均一化處理，指出我國極端降水事件在2000年后開始增多[9]。在眾多學者研究中，大多采用統(tǒng)計分析方法。本文利用線性趨勢和距平分析方法，結合小波分析，對呼和浩特市1970～2015年年降水量變化特征進行詳細分析，從而為了解和掌握呼和浩特市氣候變化特征和周期性提供一定的參考。

2?研究區(qū)域概況

呼和浩特位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，處于東經(jīng)110°46′～112°10′，北緯40°51′～41°8′，屬中緯度溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，由于背靠大青山，在地理上是半干旱和干旱氣候的結合部，季風氣候區(qū)與非季風氣候區(qū)的結合部，山前是以旱地為主的耕地和草地，山后是草原和草地，是農(nóng)業(yè)和牧業(yè)、耕地和草原之間的過渡帶。氣候特點是四季分明。冬天漫長寒冷，春天干燥多風，夏天溫暖短促，陽光充足，蒸發(fā)量大。年平均降水量在335.2～534.6 mm之間，其地域分布以西南地區(qū)最少，年平均降水量僅為350 mm;平原地區(qū)降水量在400 mm左右，大青山區(qū)降水量在430～500 mm;年平均降水量最多出現(xiàn)在大青山鄉(xiāng)前響村，為534.6 mm;其次是井鄉(xiāng)，年平均降水量為489.3 mm;年平均降水量最少出現(xiàn)在南坪鄉(xiāng)、黑城鄉(xiāng)、新營鎮(zhèn)地區(qū)，為335.2～362.8 mm。

3?數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1?數(shù)據(jù)來源

選用的數(shù)據(jù)為內(nèi)蒙古氣象局提供的1970～2015年呼和浩特氣象站年、月降水量資料，對于缺測數(shù)據(jù)進行插值訂正，季節(jié)劃分為：春季（3～5月份）、夏季（6～8月份）、秋季（9～11月份）、冬季（12月份至次年2月份）。

3.2?分析方法

距平分析方法主要用于確定氣象學中某一時期或某一時次的數(shù)據(jù)，降水量距平至為正，表示該時期降水偏多，降水量距平值為負，表示該時期降水偏少。

小波分析是針對大氣變量的時域和頻域組合分析方法[11]。小波變換分為連續(xù)小波變換（CWT）和離散小波變換（DWT）。離散小波變換常用于降噪與數(shù)據(jù)壓縮，而連續(xù)小波變換更適合用于信號特征提取，具體定義為：

式（1）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);（ax-b）為ψ（ax-b）的復共軛函數(shù)。

在實際研究中，最重要的是從小波變換方程中得到小波系數(shù)，然后通過小波數(shù)分析時間序列的時頻變化特征。對域上的小波系數(shù)平方值進行積分，就可得到小波方差[12]，即：

小波方差隨尺度a的變化過程稱為小波方差圖，可以用尺度a反映信號波動的能量。因此，利用小波方差圖可以確定信號中不同種尺度擾動的相對強度和存在的主要時間尺度[12]，即主要周期。

4?結果分析

4.1?年降水量變化趨勢分析

呼和浩特市氣象站年降水量變化如圖1所示，從整體來看，1970～2015年呼和浩特市年降水量變化趨勢較為平穩(wěn)，其線性增率為0.16 mm/10a，多年平均降水量為399.35 mm，年降水量歷史極大值出現(xiàn)在2003年，為654.1 mm，極小值出現(xiàn)在2011年，為177.1 mm，極差達477 mm。46年中1992、1998、2003、2008、2011、2012、2013年為多雨年;1974、1986、1987、1999、2005、2007、2009、2011年為少雨年。通過繪制呼和浩特市年降水距平圖（圖2）發(fā)現(xiàn)，1970～2015年期間，正距平有23 a，負距平有23 a，正負距平交替出現(xiàn)，變化幅度較大，為震蕩期。

4.2?季降水量變化趨勢分析

1970～2015年呼和浩特市季節(jié)降水量變化趨勢如圖2所示。由圖可知，四季降水量分配不均勻，夏季降水最多，平均降水量為84.3 mm，春秋季次之，平均降水量分別為17.9 mm、27.4 mm，冬季最少，平均降水量為3.5 mm。從降水變化趨勢上看，春季和冬季降水量沒有明顯的線性變化趨勢，而夏季以-2.7 mm/10 a的速率在減少，秋季以2.2 mm/10 a的速率在增加。由圖2可知，四季降水量都有一定的階段性特點，春季降水量變化可分為2個階段，1984年以前為負距平階段，1984年以后正負距平交替出現(xiàn)，為震蕩期。夏季降水量變化可分為3個階段，1970～1975年為負距平階段，1976～1998年為正距平階段，1995～2015年為負距平階段，其變化表現(xiàn)為由多到少的趨勢。秋季降水量變化分為可分為4階段，1972～1983年、2010～2015年為正距平階段，1984～1994年、1997～2009年為負距平階段，其變化表現(xiàn)為由少到多的趨勢。冬季降水量變化可分為4個階段，1970～1980年為正距平階段，1981～1999年為負距平階段，2001～2007年為正距平階段，2008～2014年為負距平階段。

4.3?月降水量變化趨勢分析

由表1可知，呼和浩特市月降水量主要集中在6～9月，占全年降水量的76.6%，最大值出現(xiàn)在7月份，平均為102.96 mm，最小值出現(xiàn)在1月分，平均只有2.5 mm，二者相差100.46 mm。由表1可知5～7月、9～12月降水量在增加，1～3月、8月降水量在減少，其中8月降水量氣候傾向率為-14.5 mm/10a，減少趨勢顯著。

4.4?小波分析

圖3顯示了呼和浩特市1970～2015年降水量小波變換系數(shù)的實部時頻分布圖，圖中實線表示實部系數(shù)大于等于0[13]，屬于降水偏多的時期，虛線表示實部系數(shù)小于0[13]，屬于降水偏少的時期。從圖3可以看出，在不同時段內(nèi)各時間尺度的強弱分布有所不同。其中，2～5a的時間尺度震蕩中心主要有2個階段，分別在1970～1982年和1998～2012年。6～10 a時間尺度幾乎影響了整個計算區(qū)域，正負循環(huán)交替出現(xiàn)，其中心尺度在8a左右，在1998～2012間年表現(xiàn)明顯。16～36 a時間尺度在1974～2005年間表現(xiàn)明顯，其中心尺度在27 a左右，年降水量經(jīng)歷了少-多-少-多4個循環(huán)交替。

某地區(qū)降水時間序列的主要周期通常通過小波方差圖確定[13]。圖4給出了呼和浩特市年降水量不同頻率下的小波方差折線圖，由圖4可以看出，呼和浩特市主要存在4個明顯的峰值，分別位于4 a、8 a、14 a、27 a處，其中時間尺度為8 a時小波方差的峰值最大，說明8 a為呼和浩特市年降水變化的第一主周期，震蕩最強，第二主周期出現(xiàn)在時間尺度為14 a處，4 a和27 a的時間尺度分別為年降水變化的第三、第四主周期。

5?結論

利用內(nèi)蒙古氣象局呼和浩特市氣象站1970～2015年降水的觀測資料，采用線性回歸、距平分析、小波變換方法分析了呼和浩特市年降水量變化特征，并對呼和浩特市降水趨勢進行了分析，得出以下結論。

（1）1970～2015年呼和浩特市年降水量變化趨勢較為平穩(wěn)，其線性增率為0.16 mm/10a，正負距平交替出現(xiàn)，變化幅度較大，為震蕩期。

（2）1970～2015年呼和浩特市四季降水量都有一定的階段性特點，春季和冬季降水量沒有明顯的線性變化趨勢，而夏季以-2.7 mm/10a的速率在減少，秋季以2.2 mm/10a的速率在增加，月降水量主要集中在6～9月份，占全年降水量的76.6%。

（3）小波分析表明，1970～2015年呼和浩特市年降水量在不同時間尺度上具有不同的周期變化，即8 a為年降水變化的第一主要周期，振蕩最強，14 a和4 a分別為年降水量變化的第二和第三個主周期。

參考文獻：

[1]鄧子旺，林振山，周曉蘭.西安市近50年來氣候變化多時間尺度分析[J].高原氣象，1997，16（1）：81，93.

[2]左洪超，呂世華，胡隱樵. 中國近50年氣溫及降水量的變化趨勢分析[J].高原氣象，2004，23（2）：238～244.

[3]徐宗學，張?楠. 黃河流域近50年降水變化趨勢分析[J].地理研究，2006，25（1）：27～34.

[4]寧?亮，錢永甫.中國年和季各等級日降水量的變化趨勢分析[J].高原氣象，2008，27（5）：1010～1020.

[5]遲竹萍.近45年山東省夏季降水時空分布及變化趨勢分析[J].高原氣象，2009，28（1）：220～226.

[6]李春強，杜毅光，李保國. 1965～2005年河北省降水量變化的小波分析[J].地理科學進展，2010，29（11）：1340～1344.

[7]劉艷輝，王?芳，朱文超，等.1961～2010年臺山市降水變化趨勢分析[J].氣象研究與應用，2012，33（2）：23～26.

[8]賀?偉，布仁倉，熊在平，等. 1961～2005年東北地區(qū)氣溫和降水變化趨勢[J].生態(tài)學報，2013，33（2）：519～531.

[9]武文博，游慶龍，王?岱. 基于均一化降水資料的中國極端降水特征分析[J].自然資源學報，2016，31（6）：1015～1024.

[10]石衛(wèi)敏.55年呼和浩特氣候變化及成因分析[J].氣象，2006，32（51）：90～92.

[11]王?勇，劉?備，劉嚴萍，等.基于小波變換的GPS水汽與氣象要素相關性分析[J]. 大地測量與地球動力學. 2017，37（7）：721～725.

[12]邵曉梅，許月卿，顏昌榮.黃河流域降水序列變化的小波分析[J].北京大學學報（自然科學版），2006，1（1）：1～7.

[13]郭高軒，辛寶冬，朱琳等.基于小波變換的北京地區(qū)1724～2009年降水量多尺度分析[J].水文，2012，32（3）：29～33.