1957—2015年唐山市相對濕度變化特征分析

陳震　王丹　江聰杰

摘要 利用Morlet小波變換方法及趨勢分析法對唐山市1957—2015年空氣相對濕度資料進行分析。結果表明，近59年唐山市相對濕度波動明顯，偏干與偏濕交替出現。1964年與2006年是振蕩最明顯的2年，小波系數實部分布圖表明，唐山市空氣濕度存在10～14年和準30年的周期變化。小波功率譜分析表明，波動能量基本集中在30年附近且通過顯著性檢驗。整體小波功率譜存在2個峰值，分別是11.7年和30年，但只有30年通過α=0.05的顯著性檢驗。

關鍵詞 相對濕度；變化特征；小波分析；河北唐山；1957—2015年

中圖分類號 P426.1+3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）13-0219-02

Abstract Relative humidity data in Tangshan City from 1957 to 2015 was analyzed by wavelet method and trend method. The results showed that in recent 59 years，the volatility of relative humidity was obvious，dry years and wet years were alternate，the most obvious was in 1964 and 2006. The real part of wavelet coefficients chart showed that there were 2 periodic changes of relative humidity，respectively 10 to 14 years and 30 years. The wave energy concentrated around 30-year period，passing the significance test in wavelet spectrum. In global wavelet spectrum，there were two spectrum peaks respectively 11.7-year period and 30-year period.However，only the 30-year period passed the significance test in α=0.05.

Key words relative humidity；change characteristics；wavelet method；Tangshan Hebei；1957-2015

氣溫與降水是影響氣候最主要的2個因子，氣候變化領域基本以研究氣溫和降水為出發點討論氣候變化。運用小波分析方法，黃 鶴等[1]研究了近55年河北省汛期暴雨變化特征，研究指出河北省暴雨呈西北—東南分布，進入21世紀暴雨量與暴雨頻次下降明顯。薛宇峰[2]利用小波分析研究了近50年湛江的氣候變化，指出湛江氣溫變化存在16、4、2年的振蕩周期，降水具有11年和4年的周期變化。萬明波等[3]研究了青藏鐵路沿線氣溫和降水變化特征，指出月降水有2個降水偏多中心和3個降水偏少中心，氣溫與降水的變化成正相關。劉 德等[4]結合小波分析探討了重慶夏季氣溫及降水的變化，氣溫與降水均有明顯的階段性，氣溫振蕩周期3年最強，降水變化的振蕩周期以10年為最強。

相對濕度作為影響植物生長和農業產量的重要因素，其變化特征對農林經濟有重要的參考意義。王 平等[5]利用Mann-Kendall檢驗法及R/S分析法討論了云南盤龍河流域53年來相對濕度變化特征，指出盤河流域相對濕度逐年減少，以春季減少最快，春季和秋季存在明顯突變特征。楊 雪等[6]研究了長江中游相對濕度的氣候變化特征，發現夏季（6—8月）相對濕度比其他月份高，且差值逐年上升。相對濕度與降雨量成正相關，與蒸發量和日照時間成負相關。王 滿等[7]利用小波分析法研究了河南煙區相對濕度變化特征，研究發現相對濕度存在3年和6年的周期振蕩，但以3年短周期振蕩為主，各周期均表現出局部化特征。王福淳[8]分析了近55年本溪縣相對濕度變化特征，指出年、季平均相對濕度呈現顯著減小趨勢，冬季減小趨勢最顯著，秋季較強，春、夏季最弱。洪 雯等[9]研究了相對濕度日變化特征，研究表明相對濕度分為日間型和夜間型，日間存在強逆濕。李彩俠等[10]分析了黑龍江相對濕度變化，指出近51年相對濕度發生3次突變，且各有特點。季變化中春季略有升高，其余各季均逐年下降。本文利用小波分析法，對唐山市1957—2015年相對濕度進行分析，以期為唐山農業發展提供參考依據。

1 研究資料與方法

1.1 研究資料

本文所用資料為唐山站空氣相對濕度年均值，時間尺度為1957—2015年。資料來源于中國氣象數據網，數據經過嚴格的質量控制。

1.2 研究方法

本文采用趨勢法與Morlet小波分析方法。小波分析將一維時間信號分解為時間-頻率（對應于周期）二維場，具有多分辨率的分析特點。時間序列f（t）的小波變換為：

2 結果與分析

2.1 趨勢分析

由圖1可以看出，相對濕度距平波動十分明顯，20世紀50年代至80年代末每8～10年偏干年與偏濕年交替出現，但20世紀90年代初至21世紀初的10余年基本處于偏干年。其中，1964年、1985年、1990年是明顯的濕潤年，而1965年、1972年、1996年、2002年、2005年是明顯干燥年，干燥年數明顯多于濕潤年數。值得注意的是，1964—1965年距平值由0.06驟降至-0.04，2005—2008年距平值由-0.1突增至0.01，而后波動上升。

2.2 小波分析

由圖2可以看出，濕度存在明顯的多時間尺度變化，表現為存在10～14年和30年2個變化周期。具體體現在：干燥期與濕潤期交替出現。在10～14年周期尺度上，19世紀60年代中期、19世紀70年代中后期及20世紀10年代為濕潤期；1970年、19世紀80年代初期至中期、90年代中期、21世紀中期為干燥期。在30年時間尺度上，19世紀60年代初、80年代至90年代初期、2008—2015年為濕潤期；19世紀60年代中期至70年代后期、19世紀90年代中后期至2008年為干燥期。值得注意的是，在21世紀初期小波實部系數的負值區貫穿了低頻-高頻整個頻域，0等值線在2006年左右，2006年之前為小波系數負值，之后變為正值，可見2006年為突變年。

本文以小波功率譜為基礎，研究不同尺度與時間下的小波變化，以更精確地確定變化周期。能量高值區主要集中在30年左右，同時30年周期通過了顯著性檢驗，10～14年的周期能量很小而且未通過顯著性檢驗。通過以上分析，可以確定相對濕度的變化周期有2個，即10～14年和30年，但30年周期更加顯著。

圖3是整體小波功率譜圖，反映了小波變化的主要周期和主周期，粗實線是95%顯著水平。可見，整體功率譜有2個峰值，分別是位于11.7年和30年，二者能量相差甚大，而且11.7年的譜峰未通過95%顯著水平。

3 結論

（1）唐山市相對濕度變化波動非常明顯。偏干年數大于偏濕年數，1957—1990年的近30年內，每8～10年干燥年與濕潤年交替出現。1993—2007年低相對濕度距平值在-0.1～0之間，這段時期唐山地區處于干燥狀態。

（2）小波實部系數圖表明唐山相對濕度存在10～14年和準30年的周期變化。2004—2006年小波系數均為負值，而且從低頻一直延伸到高頻，0等值線在2006年左右。2006年后小波系數轉為正值，同樣覆蓋了低頻至高頻的整個頻域。認為相對濕度發生1次突變，突變大致發生在2006年左右。

（3）小波功率譜的能量基本集中在30年周期附近。能量譜值為1～13，高能區通過顯著性檢驗，對應的周期為30年。

（4）整體小波功率譜存在11.7年和30年2個峰值，但只有30年的峰值通過了顯著性檢驗。

4 參考文獻

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[2] 薛宇峰.近50年來湛江、韶關氣候變化的小波分析[J].廣東氣象，2006（1）：29-32.

[3] 萬明波，程智，王文.青藏鐵路沿線氣溫和降水的小波分析[J].干旱氣象，2006，24（4）：35-39.

[4] 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）：174-178.

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