基于小波分析的华北地区近61年降水变化特征

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　　摘要 采用中国气象局整编的1951—2011年华北地区26个气象站点（113.5°～120.0°E、36.0°～42.5°N）降水系列资料，采用墨西哥帽小波函数，对华北地区61年年度降水和各个季节降水进行小波分析，揭示华北地区历年降水量在各个时间尺度上的变化结构，并分析各个降水周期以及周期之间的降水突变点。结果表明，华北地区年降水量在16～18年尺度上存在明显的正负变化波动，为主要周期;其次在6～8年时间尺度上也出现了较为明显的时间变化现象，为次要周期。对比夏季降水和年降水小波变化发现，在不同时间尺度的周期特征有很高的相似性，说明夏季降水很大程度决定年降水周期变化特征。小波分析的时间频率变化特征可展示降水时间序列变化的细节，为分析气候变化规律、中长期气候预测以及水利发展规划提供科学依据。
　　关键词 降水;变化特征;小波分析;华北地区
　　中图分类号 S161.6文献标识码 A
　　文章编号 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
　　在全球气候不稳定背景下，极端气象灾害发生频繁。我国华北的大部分地区位于干旱和半干旱地带，近60年来该地区干旱日趋严重，干旱出现的频率加大[1-4]，加之全球气候呈增暖趋势，导致我国北方湖泊水位下降，河川径流减少，沙漠化面积扩展，地下水位迅速下降，使我国华北成为中国也是世界上最严重的干旱地区之一。故华北地区降水变化趋势一直具有更高的關注度。
　　应用观测资料对华北地区降水的研究一直是热点[5-9]，如匡正等[5]对华北8个站的1880—1996年降水资料进行小波分析，从中可以清楚地看到华北降水变化的时间结构，大致预测未来10～20年乃至更长一段时间的旱涝变化趋势。范广洲等[7]用统计评估模型研究了降水量对华北地区夏季水资源的影响，说明水资源变化量基本上是降水量变化的2倍，平均降水量每减少10%，水资源总量相应减少19.4%，平均降水量每减少20%，水资源总量相应减少39.2%。周连童等[8]进一步从中国西北干旱、半干旱区春季感热的年代际变化来说明华北地区夏季降水年代际变化的成因。
　　但随着我国和国民经济的快速发展，新农业、生态保护、建设布局激增的需求，正对华北地区长时间序列多站点的降水资料整个研究依旧不足。
　　笔者基于华北地区26个地面站点1951—2011年的逐月降水资料，使用小波分析理论，对近 61年来华北地区各降水时间序列变化特征进行分析，寻找降水变化的周期特征和突变点，总结华北地区在不同时间尺度上的降水结构和异常变化规律，为农业规划及短期气候预测等社会发展问题提供理论依据。 　　1 资料与方法
　　1.1 小波分析方法[10] 小波分析是在傅立叶（Fourier）变换的基础上引入了窗口函数，小波变换通过伸缩平移运算，将一个时间序列分解为时间和频率，突出各时间点上的降水数值对降水趋势变化的贡献率。该分析法对于获取降水要素在一个复杂时间序列的变化规律、时间层次的降水变化周期结构演变特征等是非常有效的。
　　1.2 资料来源与处理
　　2 结果与分析
　　2.1 春季降水量的时间分布特征
　　从图1可以看出，近61年我国华北春季降水呈明显的周期性变化，春季降水正负距平以5～6年为周期交替出现。1953—1959年为第1个周期，在此周期内有弱的负距平转为正距平;1960—1965年是第2个周期，在这个周期内闭合线密集，说明降水波动比前后期都明显;1966—1971年，该周期内正负距平均比较明显;1972—1979年，周期变化不明显，大体是由负距平转为正距平的趋势;而后续波动周期分别是1980—1985、1986—1992、1993—1998、1999—2006年。而在2011年后一个新的负距平周期将形成。
　　2.2 夏季降水量的时间分布特征
　　从图2可看出，华北夏季降水周期超过10年以上，且周期发展趋势越来越短。1953年以前降水处于负距平区域，1953—1964年是一个降水量充沛的正距平区域;在图中显示，在大闭合区下方，有2个不明显的负闭合区和1个正闭合区，说明在这降水总体充沛的10年内，存在着2个降水相对偏少的周期（1955—1957、1960—1962年）和1个降水偏高的区域（1958—1959年），显示了在大时间尺度主要降水周期内也存在小时间尺度次要降水波动周期。而第2次降水波动中夏季降水变少的负距平时期是1965—1972年，降水量是正距平的时期是1973—1979年，2个闭合区的中心纵坐标14年。
　　第3次降水周期波动与第1周期相似。在1980—1991年负距平阶段中，大部分年份的夏季降水量在常年平均值左右，但是被相对较小部分夏季降水量低值的年份拉低了，从1993年开始华北夏季降水骤然升高并一直持续到1996年，这是一个明显的距平正值区。1997—2011年为一个明显的负值区，近15年来大部分年份的夏季降水量低于常年降水量的平均值，仅2008—2011年的夏季降水量趋于平均值。
　　2.3 秋季降水量的时间分布特征 从图3可看出，近61年华北秋季降水量正负距平发展每隔8年左右一周期。1951—1972年秋季降水波动周期虽然可见但是比较混乱。1956—1966年降水量有2个明显的负距平和1个明显的正距平，不过这个正距平的持续时间很短;1967—1968年出现一个不明显的正距平。总体来看，20世纪50年代和60年代降水波动剧烈。1976—2000年秋季降水正负距平变化比较平稳，2001—2011年降水波动又开始剧烈。秋季降水总体来看有所增加。未来2年华北秋季降水将向正距平发展。
　　2.4 冬季降水量的时间分布特征
　　从图4可以看出，華北冬季降水量正负距平变化主周期在61年内不断变短，从20年周期逐渐变为10年周期。1951—1970年是第1个主周期，交错分布着4个特征明显的次周期，其中1951—1959年是此周期内降水充沛的正距平时期，可以清晰看到负—正—负—正的2个次周期分布;1960—1970年是此周期内降水变少的负距平时期，同样可以看到2个次周期的降水波动分布。1971—1988年是第2个主周期，其中1971—1980年为降水充沛的正波动区，而1981—1988年为降水减少的负距平区，并且在此主周期内同样分布着3个特征明显的次周期。1971—1973年是一个很短的正值区;1974—1977年是降水相对较小的区域，而1978—1979年降水骤增为一个明显的正距平时期;1981—1988年总体来说是负距平区域，但是在1983—1986年有一个正值区，将此年份的降水量分成少—多—少3个时期。1989—2000年为第3个主周期，在此周期中出现了非常规律的次周期，每个次周期时间在4年左右。1989—1991年降水激增再次变成明显的正距平区域。1992—2002年总体为负距平时期，但是出现了每隔2年降水量多寡交替起伏的次周期现象。2003年开始为第4个主周期，其中2003—2010年是负值区。2011年之后将向正值区发展。
　　2.5 全年降水量分布
　　坐标在10年以上，可以划分4个主要的主周期，分别是1951—1965、1966—1980、1981—1997、1998—2011年。按照闭合区中心在纵坐标10年以内6年以下也可以看到多个明显的次要周期。
　　3 结论
　　（1）从小波分析的时频图可以明显看出，1951—2011年华北地区降水量存在着不同时间尺度的周期变化特征，降水变化规律是在16～18年尺度大变化周期内嵌套着6～8年的小尺度变化周期。
　　（2）各个季节每年降水波动中的多寡变化并不完全吻合，61年各个季度的降水变化有着独立的周期波动规律。
　　（3）年降水变化趋势与夏季降水变化趋势高度吻合，夏季降水量偏少势必引起全年降水量不足。
　　参考文献
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