基于小波分析的江陰氣溫變化規律研究

李珠　耿丹　馬恒俊

摘要利用1957～2014年江陰市年和季節氣溫時間序列資料，采用距平和Morlet小波分析方法，研究了江陰地區氣溫變化多時間尺度的周期性變化規律，并對江陰未來氣溫進行了預測。結果表明，近58年來江陰市氣溫呈總體上升趨勢，夏季和秋季氣溫的上升對年氣溫的上升貢獻最大；年平均氣溫主要存在6、13、20年左右的變化周期；20年尺度上振蕩能量最強，為氣溫變化的第一主周期；可以推斷未來2～3年江陰氣溫將降低，其后冷期結束，平均氣溫將上升。

關鍵詞江陰；氣溫；變化規律；小波分析

中圖分類號S161.2文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）28-157-02

隨著各種氣候極端事件頻發，對氣候變化的研究已經成為大氣科學的一個熱點。近年來小波分析廣泛應用于氣候變化的多時間尺度結構和突變特征等方面的研究，并取得了一些成就[1-6]。筆者在此利用1957～2014年江陰市年和季節氣溫時間序列資料，采用Morlet小波分析了1957～2014年江陰市氣溫變化的特點，Morlet小波的優點在于濾除了變化信號中虛假的部分，進而使結果更加直接和真實可信。

1資料與方法

利用江陰市1957～2014年氣溫資料，分析江陰市氣溫的冷暖特征，了解其在不同氣候層次上的詳細結構，并通過Morlet小波變換方法尋找存在的主要周期振蕩。在進行小波變換之前，通過求距平的方法將資料中一年的自然周期濾去，因此，實際上用來變換的資料序列為距平序列。為了消除邊界效應，采用周期延伸的方法對原資料進行延拓。在原始數據的前后各延長一個周期，進行小波變換后再截取對應原始資料的小波系數來分析。

小波變換圖能夠反映氣溫在不同時間尺度上的周期震蕩，信號的強弱通過小波系數的大小來表示。等值線為正的用實線表示，代表氣溫偏高；等值線為負的用虛線表示，代表氣溫偏低；小波系數為零則對應著突變點。小波方差圖反映了能量隨尺度年的分布，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，用以反映時間序列的主要周期[7]。

2結果與分析

2.1氣溫年變化特征從1957～2014年江陰市氣溫距平值變化（圖1）可看出，近58年來平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均呈明顯上升趨勢。分析平均氣溫距平值可見，1960～2010年各年代際距平累積值分別為-5.8、-7.2、-5.1、4.2、11.4 ℃，從曲線上升表現來看，1957～1980年為低值期，距平值基本為負數，變化較為平緩；1981～1988年緩慢上升；直到1990年距平值為正數，開始快速上升；1995年開始，距平值均為正數。由此可見，江陰市1965～1980年溫度較低，進入20世紀80年代后開始增溫，尤其進入90年代以后，升溫更加顯著，這與近50年城市化發展對區域氣候的影響[6]有關。

2.2氣溫季變化特征由圖2可見，1957～2014年江陰四季氣溫總體均呈上升趨勢，春、夏、秋、冬季氣溫距平線性傾向率分別為0.249、0.526、0.420、0.389 ℃/10a，均達到顯著水平（r>r0.05，P>0.05），其中夏季和秋季的線性傾向率最大，可見這2個季節氣溫的上升對年氣溫的上升貢獻最大。

2.3氣溫的小波分析由圖3a可見，1957～2014年江陰市年平均氣溫主要存在6、13、20年左右的變化周期；在20年尺度上，1957～2014年存在暖、冷、暖、冷、暖、冷、暖、冷幾個已經閉合的階段，1970和1985年形成2個低值中心，1962和1977年形成2個高值中心，圖最右側暖區已經開始，預計未來幾年江陰氣溫將上升；在13年尺度上，1993～2014年存在冷、暖、冷、暖、冷幾個已經閉合的階段，截止到2014年低值區已經閉合，越過突變線；在6年尺度上，冷暖交替現象更加頻繁，平均5年大約出現冷暖交替的3個階段，2014年冷區才出現，預計未來2～3年江陰平均氣溫將降低。從圖3b可以看出，在20年左右尺度，周期在大時間尺度上表現明顯，振蕩能量最強，為氣溫變化的第一主周期；其次是6年尺度上周期規律，再次是13年尺度的周期規律。驗證6年尺度周期規律最有說服力的是2013年的氣溫，2013年氣溫較常年平均值偏高1.6 ℃，并出現高溫50 d，突破了歷史記錄。綜上所述，可以推斷未來2～3年江陰氣溫將降低，其后冷期結束，平均氣溫將上升。

3結論與討論

（1）江陰市1965～1980年溫度較低，進入20世紀80年代后開始增溫，尤其進入90年代以后，升溫更加顯著，這與近50年城市化發展對區域氣候的影響[6]有關。

（2）1957～2014年江陰四季氣溫均呈上升趨勢，且達到顯著水平。其中夏季和秋季的線性傾向率最大，可見這2個季節氣溫的上升對年氣溫的上升貢獻最大。

（3）小波變換發現，近58年江陰市年平均氣溫主要存在6、13、20年左右的變化周期；在20年左右尺度，周期在大時間尺度上表現明顯，振蕩能量最強，為氣溫變化的第一主周期；其次是6年尺度上周期規律，再次是13年尺度的周期規律；可以推斷未來2～3年江陰氣溫將降低，其后冷期結束，平均氣溫將上升。

參考文獻

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[7] 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.