基于EMD方法對(duì)冬季極端氣溫的初步分析

張保龍++于亮亮++黃媛元++張玉榮++何步江

摘 要：采用每日最高（低）氣溫的歷史同期序列的分位數(shù)作為該日的極端高（低）溫閾值，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法（EMD）對(duì)內(nèi)蒙古巴彥淖爾市杭錦后旗1971—2010年冬季極端高（低）溫頻數(shù)進(jìn)行了初步分析。結(jié)果表明，杭錦后旗冬季極端高溫、低溫頻數(shù)序列都與平均氣溫的相關(guān)性顯著，極端高溫頻數(shù)主要存在準(zhǔn)3年周期振蕩，極端低溫頻數(shù)主要存在準(zhǔn)6年的周期振蕩。

關(guān)鍵詞：EMD方法 冬季極端氣溫 分析

中圖分類號(hào)：P468 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（b）-0237-01

近年來(lái)，極端天氣的變化已經(jīng)引起了全世界的普遍關(guān)注。極端天氣事件是指某一地點(diǎn)或地區(qū)從統(tǒng)計(jì)分布的觀點(diǎn)看不常或極少發(fā)生的天氣事件。

目前，國(guó)際上分析研究極端氣候事件的變化特征常用的方法是定義與極端事件相關(guān)的代用氣候指數(shù)，在定義與極端氣溫有關(guān)的代用氣候指數(shù)時(shí)，不同研究人員針對(duì)不同地區(qū)的研究，可能采取不同的定義方式。例如對(duì)“極端高溫”的閾值，鄧自旺等[2]定義閾值為35 ℃；張寧[3]等定義閾值為逐年（季）日最高氣溫序列的95%分位數(shù)值。

本文所講的發(fā)生極端高溫（低）事件是指某日最高（低）氣溫超過(guò)了某個(gè)閾值。閾值的確定是基于每日最高（低）氣溫的歷史同期序列。

本文主要的研究目的是分析極端高（低）溫發(fā)生頻數(shù)的主要周期變化，以期尋求其內(nèi)在變化規(guī)律。1998年Huang等[4]提出一種新的分析非平穩(wěn)、非線性數(shù)據(jù)的信號(hào)處理方法-經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition，EMD）方法。它將非平穩(wěn)信號(hào)按不同尺度的波動(dòng)或趨勢(shì)分解成若干個(gè)本征模態(tài)函數(shù)（IMF）分量及一個(gè)趨勢(shì)分量的線性和。不同的IMF分量是平穩(wěn)信號(hào)，具有非線性特征，也具有時(shí)間上的局域化特征。自EMD方法被提出以來(lái)，其在研究和應(yīng)用領(lǐng)域都獲得了廣泛的關(guān)注。

本文選取內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市杭錦后旗氣象站近30年氣溫資料，試圖用EMD方法分析該地區(qū)在1971—2010年冬季發(fā)生的極端氣溫事件頻數(shù)的主要變化周期。

1 定義、數(shù)據(jù)來(lái)源和方法

1.1 定義

日高（低）閾值：每日最高（低）氣溫的歷史同期序列的第95（5）個(gè)百分位數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取巴彥淖爾市杭錦后旗站進(jìn)行研究。該站點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市中部，采用1971—2010年共40年冬季每日最高氣溫、最低氣溫和平均溫度，冬季定義為當(dāng)年的12月至翌年2月。

1.3 數(shù)據(jù)處理

先求出每日的日高閾值，日低閾值。再求出每年冬季極端高溫事件、極端低溫事件發(fā)生的頻數(shù)。最后通過(guò)EMD方法進(jìn)行分解。

2 結(jié)果與分析

本節(jié)將主要通過(guò)EMD方法對(duì)杭錦后旗氣象站出現(xiàn)的極端氣溫頻數(shù)序列進(jìn)行分解，進(jìn)而得到一系列的IMF分解元。然后通過(guò)對(duì)每個(gè)IMF分解元進(jìn)行周期分析。此外，本文還通過(guò)t檢驗(yàn)，簡(jiǎn)要分析極端氣溫頻數(shù)的線性趨勢(shì)，以及與年平均氣溫序列的相關(guān)關(guān)系。

2.1 極端高溫頻數(shù)

杭錦后旗站的冬季極端高溫事件頻數(shù)和冬季平均氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.63，超過(guò)0.49，通過(guò)0.001顯著性水平檢驗(yàn)，說(shuō)明杭錦后旗站冬季的極端高溫頻數(shù)受冬季平均氣溫的影響較大。此外，杭錦后旗站極端高溫頻數(shù)呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，平均每100年增加9次。這與全球氣候變化是一致的。

通過(guò)EMD方法對(duì)杭錦后旗的極端高溫頻數(shù)序列進(jìn)行分解，分解結(jié)果見(jiàn)圖（圖略），橫坐標(biāo)代表年際變化，縱坐標(biāo)代表頻次距平變化的數(shù)值。一共出現(xiàn)了5個(gè)IMF分量。且5個(gè)IMF分量C1～C5時(shí)間尺度逐漸增大，它們?cè)谕粫r(shí)間段內(nèi)沒(méi)有相同的頻率。對(duì)IMF5個(gè)分量進(jìn)行分析。

C1分量周期約為3～4年。C2一共經(jīng)歷了3個(gè)左右的周期性振蕩，分別具有3年、5年、2年的周期。C3一共經(jīng)歷了2個(gè)左右的周期性振蕩，分別具有15年、3年的周期。C4表示的周期約為19年，C5表示的周期約為32年。

從分解結(jié)果發(fā)現(xiàn)，杭錦后旗每年的極端高溫頻數(shù)序列存在準(zhǔn)3年的周期，同時(shí)伴有一個(gè)較弱上升趨勢(shì)。

2.2 極端低溫頻數(shù)

杭錦后旗站冬季極端低溫事件的頻數(shù)和冬季平均氣溫有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，通過(guò)了0.001顯著性檢驗(yàn)。說(shuō)明杭錦后旗站冬季極端低溫頻數(shù)受冬季平均氣溫的影響較大。

C1分量有3個(gè)周期振蕩，存在著3年、8年、2年尺度的波動(dòng)。C2分量存在2年的周期。C3分量存在6年左右的周期。C4分量存在準(zhǔn)10年的周期。C5分量存在準(zhǔn)32年的周期。

從分解結(jié)果發(fā)現(xiàn)，杭錦后旗每年的極端低溫頻數(shù)序列存在準(zhǔn)6年的周期，同時(shí)在2000年后，振幅存在加強(qiáng)的趨勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

本文對(duì)杭錦后旗1971—2010年冬季極端溫度事件頻數(shù)進(jìn)行了初步分析，得到極端高（低）溫閾值序列，進(jìn)而得到每年冬季的極端高（低）溫頻數(shù)序列。針對(duì)這兩個(gè)頻數(shù)序列以EMD方法，分析不同變化周期，得到如下結(jié)論。

（1）杭錦后旗冬季平均氣溫和極端高溫頻數(shù)序列有較好的正相關(guān)關(guān)系，與極端低溫頻數(shù)序列有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）杭錦后旗冬季平均氣溫每百年增加3.6 ℃，極端高溫頻數(shù)序列每百年增加9.8次，極端低溫頻數(shù)每百年增加0.5次。

（3）杭錦后旗的極端高溫頻數(shù)序列存在準(zhǔn)3年周期振蕩，極端低溫頻數(shù)序列存在準(zhǔn)6年的周期。

本文主要選取的是杭錦后旗站點(diǎn)，以后的工作中還將選取其他站點(diǎn)來(lái)分析比較不同地區(qū)不同季節(jié)的極端氣溫變化情況。

參考文獻(xiàn)

[2] 鄧自旺，丁裕國(guó)，陳業(yè)國(guó).全球氣候變暖對(duì)長(zhǎng)江三角洲極端高溫時(shí)間概率的影響[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，23（1）：42-47.

[3] 張寧，孫照渤，曾剛.1955-2005年中國(guó)極端氣溫的變化[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，31（1）：123-128.

[4] Huang N E， Shen Z Long S R， et al. The Empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for non-linear and non-stationary time series analysis[J].Proc R Soc Land A，1998（454）： 899-955.endprint