遵義市近 56 a來夏季氣溫及降水變化的特征分析

王君軍,王紅麗

(1.貴州省遵義市氣象局,貴州 遵義 563000;2.貴州省氣象局,貴州 貴陽 550002)

遵義市近 56 a來夏季氣溫及降水變化的特征分析

王君軍1,王紅麗2

(1.貴州省遵義市氣象局,貴州 遵義 563000;2.貴州省氣象局,貴州 貴陽 550002)

選取 1954—2009年歷年逐月平均氣溫及累積降水資料,采用墨西哥帽函數 (MHF),對遵義市近 56 a來夏季氣溫及降水的時間序列進行分析,揭示了遵義市氣溫及降水變化在多時間尺度上的復雜結構,找出了不同時間尺度下夏季氣溫和降水序列變化的周期和突變點。結果表明:遵義市夏季氣溫及降水存在多時間尺度特征,在年代際變化上存在顯著性周期,大尺度周期變化嵌套著小尺度的周期變化,其中主周期約為 21 a。遵義氣溫與降水變化有比較好的對應關系,即偏暖期對應降水的偏少期,而偏冷期則對應降水的偏多期。

墨西哥帽小波 (MHF);周期震蕩;小波方差

1 引言

氣候資料的時空分布特征和規律分析研究,是氣候分析預測的基礎,在諸多氣候要素中,氣溫及降水量是對社會經濟影響最大的氣候變量,也是每年短期氣候預測中重點關注的預報對象。因此,弄清氣溫及降水的氣候變量在時空分布上的變化特點和規律,對認識氣候變化,做好氣候預測及社會發展規劃和生產布局都具有特別重要的意義。

小波分析 (WaveletAnalysis)又稱多分辨率分析(Multiresolution Analysis),是近些年來新發展起來的一種數學分析方法,20世紀 90年代以來,它在大氣科學領域的應用日益增多,并取得了許多研究成果[1-5]。小波分析具有時頻局部化的功能,通過伸縮和平移對函數和信號進行多尺度分析,能有效的從中提取信息,特別適用于對非平穩時間序列的分析。他是在傅里葉分析的基礎上發展起來的,與傳統的傅里葉分析相比,主要具有以下兩個特點:①給出要素序列的瞬時振動頻率隨時間的變化情況;②可以看出不同頻率之間的相互關系,反映出序列中不同時間尺度的振蕩此消彼長的變化[6]。

遵義市位于貴州北部,海拔高度為 843.9 m,屬亞熱帶濕潤季風氣候,四季分明,夏季平均氣溫在24.1℃,總降水量在 485.1 mm左右。隨著經濟的發展,城市的建設,城市氣候越來越凸顯。由此選取遵義市城區匯川站 (站號:57713)1954—2009年期間歷年逐月平均氣溫和累計降水量資料,采用墨西哥帽小波 (Mexican Hat)函數分析遵義市夏季氣溫及降水在多時間尺度變化上的周期特征及其突變點,為短期氣候預測提供一定參考。

2 墨西哥帽小波分析簡介

設有時間序列 f(t)及一組由參數 a,b構成的母小波 g(a,b,t),其形式為:

式中 (a>0),b為實數,分別稱為尺度參數、平移因子。由 f(t)與 g(a,b,t)的卷積構成的小波變換,又稱子波變換:

上式的意義在于,將一維時間函數展開為一個二維參數空間 (a,b),從而形成一種能在時間 (或空間)坐標位置 b和尺度 (時間范圍和空間范圍)a上具有變化的小波系數 Tg(a,b)的一種度量,上式的離散形式為:

其中△t為取樣間隔;a為樣本量。

小波方差為:

聯合 (3)式和 (7)式,從而得到小波變換結果。小波變換實際上是將一個一維信號在時間和頻率兩個方向上展開,這樣就可以對氣候系統的時間—頻率結構做細致的分析,提取有價值的信息。

為了減小邊界效應,目前在小波分析中最常用的處理方法是將資料向前和向后各沿拓一個樣本長度,變換后再將沿拓的部分舍去。具體的資料處理方法如下:

3 夏季氣溫及降水變化分析

3.1 夏季氣溫變化分析

圖 1為遵義市 1954—2009年夏季平均氣溫距平變化序列圖 (a)及小波變換圖 (b)。由圖 1a所示:遵義市近 56 a來夏季氣溫變率較大,平均氣溫的標準差為 0.589℃。1980年以前,負距平多于正距平,共有 3 a超過標準差的顯著正距平,6 a超過標準差的顯著負距平。1980—2009年期間的夏季氣溫的正異常明顯,共有 7 a超過標準差的顯著正距平,沒有年份負距平超過標準差。特別是 2004—2009年尤為突出,其中 2006年夏季平均氣溫偏高1.5℃。

利用MHF小波變換對 1954—2009年遵義市城區夏季平均氣溫序列進一步作多時間尺度分析。圖 1b所示:圖上半部分等值線相對稀疏,對應較長尺度周期的振蕩(低頻震蕩),而下半部分等值線相對密集,對應較短尺度周期振蕩 (高頻震蕩)。夏季平均氣溫的各種時間尺度周期變化在時間域中的分布有差異,強振動中心分別位于 60年代初期、21世紀 10年代中及后期,即圖中的幾個正等值線中心,其周期大致為 8～16 a、4～8 a和 16～32 a左右。周期在 8～16 a的振動,在 60年代初期最為顯著;周期在 4～8a的振動,在 21世紀 10年代中期最顯著;而周期在 16～32 a的振動在 21世紀 10年代后期最為顯著。

圖 1 遵義市城區夏季平均氣溫距平序列圖(a)及小波變換圖(b)

遵義市夏季平均氣溫表現出不同的年際及年代際尺度變化。由于小波變換系數的零點位置對應于遵義市夏季氣溫變化突變點位置,由此可以診斷出不同時間尺度上變化的突變點位置,從而得出多時間尺度特征和規律。在 64 a左右的時間尺度上,遵義夏季平均氣溫氣溫經歷了由偏冷期到偏暖期的變化,突變點的位置大約在 20世紀 80年代后期。在 16～32 a的時間尺度上,主要突變點分別位于 50年代后期、60年代中期、80年代初期、90年代初期和 21世紀 10年代中期。這個時期經歷了偏冷→偏暖→……3個循環變化。遵義夏季最暖期在 60年代初期和 21世紀 10年代中后期,其低頻和高頻震蕩都一致反映出偏暖特征。而最冷的在 70年代中后期,其低頻和高頻震蕩都一致反映出偏冷特征。從近幾年氣溫變化來看,較大尺度處于強的偏暖期,而小尺度的變化則為弱的偏冷期。

3.2 夏季降水變化分析

圖 2a所示:自 1954—2009年近 56 a來,遵義市城區降水變率較大。1970年以前,共有 3 a超過標準差的顯著負距平,2 a超過標準差的顯著正距平。負距平多于正距平,其中 1964年為降水異常年,偏多 258.9 mm。20世紀 70—80年代降水趨于正常。90年代以后,降水變率明顯增大,特別是 1991—2004年降水正異常明顯,共有 5 a是超過標準差的顯著正距平,沒有年份負距平超過標準差。2005—2009年全為負距平,降水異常偏少,共有 3 a是超過標準差的負距平。其中 1990年和 2006年為降水異常年,分別偏少 321.5 mm和 303.9 mm。

圖 2 遵義市城區夏季累積降水距平序列圖 (a)及小波變換圖(b)

圖 2b所示:在大尺度周期振蕩不明顯,中小尺度周期振蕩明顯。各個時期的主要振動周期是變化的,20世紀 80年代以前在 4～8 a左右的周期振蕩明顯,20世紀 80年代以后在 16 a左右的周期振蕩明顯。整個時間段上對應幾個降水最強的振動中心,分別位于 20世紀 80年代前期、90年代后期到 21世紀 10年代前期,其周期大致為 8 a和 16～32 a左右。周期在 8 a左右的振動,在 20世紀 80年代前期最為顯著,而周期在 16～32 a的振動,在20世紀 90年代后期到 21世紀 10年代前期最為顯著。周期在 16 a時間尺度上,降水經歷了偏多→偏少→……4個循環變化。從 20世紀 70年代末期至今變化較為明顯,分別在 1985年、2003年左右經歷了多雨期到少雨期的突變,在 1993年左右經歷了有少雨期到多雨期的突變。在 20世紀 90年代后期到21世紀 10年代前期為降水異常偏多期,而在2004—2009年為降水異常偏少期。從近幾年降水變化來看較大尺度上處于強的降水偏少期,而小尺度變化則為弱的偏多期。

4 氣溫及降水周期和變化趨勢

4.1 小波方差分析

小波方差圖反映了能量隨時間尺度的變化,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序列的主要時間尺度。圖 3顯示遵義城區夏季平均氣溫及累積降水方差均存在約為 21a明顯周期振蕩。

圖 3 遵義城區夏季平均氣溫 (a)及累計降水 (b)小波方差

4.2 氣溫與降水的尺度變化關系

通過分別分析不同時間尺度變化關系得知 (圖略):整個時間域上,氣溫與降水變化的小波系數分布大體上是反相的,有比較好的反對應關系。即偏暖期對應降水相對偏少期,而偏冷期對應降水的偏多期。

由于遵義城區平均氣溫及累積降水的主周期為 21 a,因此選取 21 a時間尺度作變化趨勢分析(圖 4):除 70年代中期,降水與溫度變化位相一致,表現為干冷結構,而 80年代初期表現為暖濕結構外,其余時期溫度與降水變化總體表現為反位相,呈暖干、冷濕結構。降水量在 20世紀 60—80年代波動變化并不明顯,而 80年代以后變化尤為顯著。氣溫在整個時間域上波動明顯。自 90年代后期—2009年,降水位相變化與溫度位相差基本為 180°,呈冷濕→干暖結構變化。而在更小尺度上,不同階段的位相差異比大時間尺度更為復雜。

5 小結

圖 4 遵義城區夏季平均氣溫與累積降水在 21 a時間尺度的變化趨勢

時間變化的周期振蕩表現出來,大尺度的周期變化嵌套著小尺度的周期變化。遵義城區夏季氣溫在年代際上具有顯著周期特征,而降水在年際上有顯著周期特征。遵義城區在 1954—2009年時期內溫度和降水存在約為 21 a的主周期。

②從遵義近幾年的夏季氣溫變化來看,大尺度變化處于較強的偏暖期,而小尺度的變化則處于弱的相對偏冷期。從降水變化來看,較大尺度變化處于強的少雨期,而小尺度變化則處于弱的相對多雨期。

③在整個時間域上,遵義氣溫與降水變化有比較好的對應關系,即偏暖期對應降水的偏少期,而偏冷期則對應降水的偏多期。

[1] 鄧自旺,林振山,尤衛紅 .子波分析及其在大氣科學中的應用方法[J].大氣科學,1996,20(1):58-71.

[2] 胡增臻,石偉 .子波變換在大氣科學中的應用研究[J].大氣科學,1997,21(1):58-72.

[3] 邵曉梅,許月卿,嚴昌榮 .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),2006,42(4):503-509.

[4] 許月卿,李雙成,蔡運龍 .基于小波分析的河北平原降水變化規律研究[J].中國科學D輯地球科學,2004,34(12):1176-1183.

[5] 劉德,李永華,何卷雄 .重慶市夏季氣溫及降水變化的小波分析[J].高原氣象,2003,22(2):173-178.

[6] 嚴小冬,金建德,雷云.貴州冬、夏季氣溫和降水對比分析[J].貴州氣象,2005,29(增刊):3-7.

[7] 彭芳,王君軍.貴州夏季最高氣溫變率的時間分布特征[J].貴州氣象,2010,34(6):6-9.

[8] 吉廷艷,李玉柱,楊利群.貴州氣溫、降水及濕度等氣象要素的空間分布特征[J].貴州氣象,2000,24(1).

[9] 王備,嚴小冬,古書鴻.貴州夏季氣溫和降水變化特征分析[J].貴州氣象,2008,32(2):23-25.

Analysis about Characteristics of the Summer Temperature and Precipitation Variations of in recent 56 years in Zunyi

WANG Junjun1,WANG Hongli2

(1.ZunyiBureau ofMeteorology,Zunyi 563000;2.Guizhou Bureau ofMeteorology,Guiyang 550002)

Based on the monthlymean temperature and cumulative precipitation data during 1954-2009,this paper usesMexican hat function(MHF)for analysising the temperature and precipitation dataset during summer in recent 56 years,then revealing the complex structure,period and mutation of the summer temperature and precipitation on multi-time scales.The results show that:the summer temperature and precipitation have the multi-time periods,especially the significant interdecadal period,ofwhich the leading period is 21 years.There is a relatively good correspondence between the summer temperature and precipitation.In other words,the warmer period is in the corresponding of the less rainfall period and the cooler period is in the corresponding of the more rainfall period.

Mexican hat function(MHF);period oscillations;wavelet variance

P423;P426.6

A

1003-6598(2011)01-0006-04

2010-10-16

王君軍 (1982-),女,助工,主要從事中短期天氣預報工作。