基于小波分析的華北地區近61年降水變化特征

金釗 范偉

摘要 采用中國氣象局整編的1951—2011年華北地區26個氣象站點（113.5°～120.0°E、36.0°～42.5°N）降水系列資料，采用墨西哥帽小波函數，對華北地區61年年度降水和各個季節降水進行小波分析，揭示華北地區歷年降水量在各個時間尺度上的變化結構，并分析各個降水周期以及周期之間的降水突變點。結果表明，華北地區年降水量在16～18年尺度上存在明顯的正負變化波動，為主要周期;其次在6～8年時間尺度上也出現了較為明顯的時間變化現象，為次要周期。對比夏季降水和年降水小波變化發現，在不同時間尺度的周期特征有很高的相似性，說明夏季降水很大程度決定年降水周期變化特征。小波分析的時間頻率變化特征可展示降水時間序列變化的細節，為分析氣候變化規律、中長期氣候預測以及水利發展規劃提供科學依據。

關鍵詞 降水;變化特征;小波分析;華北地區

中圖分類號 S161.6文獻標識碼 A

文章編號 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

在全球氣候不穩定背景下，極端氣象災害發生頻繁。我國華北的大部分地區位于干旱和半干旱地帶，近60年來該地區干旱日趨嚴重，干旱出現的頻率加大[1-4]，加之全球氣候呈增暖趨勢，導致我國北方湖泊水位下降，河川徑流減少，沙漠化面積擴展，地下水位迅速下降，使我國華北成為中國也是世界上最嚴重的干旱地區之一。故華北地區降水變化趨勢一直具有更高的關注度。

應用觀測資料對華北地區降水的研究一直是熱點[5-9]，如匡正等[5]對華北8個站的1880—1996年降水資料進行小波分析，從中可以清楚地看到華北降水變化的時間結構，大致預測未來10～20年乃至更長一段時間的旱澇變化趨勢。范廣洲等[7]用統計評估模型研究了降水量對華北地區夏季水資源的影響，說明水資源變化量基本上是降水量變化的2倍，平均降水量每減少10%，水資源總量相應減少19.4%，平均降水量每減少20%，水資源總量相應減少39.2%。周連童等[8]進一步從中國西北干旱、半干旱區春季感熱的年代際變化來說明華北地區夏季降水年代際變化的成因。

但隨著我國和國民經濟的快速發展，新農業、生態保護、建設布局激增的需求，正對華北地區長時間序列多站點的降水資料整個研究依舊不足。

筆者基于華北地區26個地面站點1951—2011年的逐月降水資料，使用小波分析理論，對近 61年來華北地區各降水時間序列變化特征進行分析，尋找降水變化的周期特征和突變點，總結華北地區在不同時間尺度上的降水結構和異常變化規律，為農業規劃及短期氣候預測等社會發展問題提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 小波分析方法[10] 小波分析是在傅立葉（Fourier）變換的基礎上引入了窗口函數，小波變換通過伸縮平移運算，將一個時間序列分解為時間和頻率，突出各時間點上的降水數值對降水趨勢變化的貢獻率。該分析法對于獲取降水要素在一個復雜時間序列的變化規律、時間層次的降水變化周期結構演變特征等是非常有效的。

1.2 資料來源與處理

2 結果與分析

2.1 春季降水量的時間分布特征

從圖1可以看出，近61年我國華北春季降水呈明顯的周期性變化，春季降水正負距平以5～6年為周期交替出現。1953—1959年為第1個周期，在此周期內有弱的負距平轉為正距平;1960—1965年是第2個周期，在這個周期內閉合線密集，說明降水波動比前后期都明顯;1966—1971年，該周期內正負距平均比較明顯;1972—1979年，周期變化不明顯，大體是由負距平轉為正距平的趨勢;而后續波動周期分別是1980—1985、1986—1992、1993—1998、1999—2006年。而在2011年后一個新的負距平周期將形成。

2.2 夏季降水量的時間分布特征

從圖2可看出，華北夏季降水周期超過10年以上，且周期發展趨勢越來越短。1953年以前降水處于負距平區域，1953—1964年是一個降水量充沛的正距平區域;在圖中顯示，在大閉合區下方，有2個不明顯的負閉合區和1個正閉合區，說明在這降水總體充沛的10年內，存在著2個降水相對偏少的周期（1955—1957、1960—1962年）和1個降水偏高的區域（1958—1959年），顯示了在大時間尺度主要降水周期內也存在小時間尺度次要降水波動周期。而第2次降水波動中夏季降水變少的負距平時期是1965—1972年，降水量是正距平的時期是1973—1979年，2個閉合區的中心縱坐標14年。

第3次降水周期波動與第1周期相似。在1980—1991年負距平階段中，大部分年份的夏季降水量在常年平均值左右，但是被相對較小部分夏季降水量低值的年份拉低了，從1993年開始華北夏季降水驟然升高并一直持續到1996年，這是一個明顯的距平正值區。1997—2011年為一個明顯的負值區，近15年來大部分年份的夏季降水量低于常年降水量的平均值，僅2008—2011年的夏季降水量趨于平均值。

2.3 秋季降水量的時間分布特征 從圖3可看出，近61年華北秋季降水量正負距平發展每隔8年左右一周期。1951—1972年秋季降水波動周期雖然可見但是比較混亂。1956—1966年降水量有2個明顯的負距平和1個明顯的正距平，不過這個正距平的持續時間很短;1967—1968年出現一個不明顯的正距平。總體來看，20世紀50年代和60年代降水波動劇烈。1976—2000年秋季降水正負距平變化比較平穩，2001—2011年降水波動又開始劇烈。秋季降水總體來看有所增加。未來2年華北秋季降水將向正距平發展。

2.4 冬季降水量的時間分布特征

從圖4可以看出，華北冬季降水量正負距平變化主周期在61年內不斷變短，從20年周期逐漸變為10年周期。1951—1970年是第1個主周期，交錯分布著4個特征明顯的次周期，其中1951—1959年是此周期內降水充沛的正距平時期，可以清晰看到負—正—負—正的2個次周期分布;1960—1970年是此周期內降水變少的負距平時期，同樣可以看到2個次周期的降水波動分布。1971—1988年是第2個主周期，其中1971—1980年為降水充沛的正波動區，而1981—1988年為降水減少的負距平區，并且在此主周期內同樣分布著3個特征明顯的次周期。1971—1973年是一個很短的正值區;1974—1977年是降水相對較小的區域，而1978—1979年降水驟增為一個明顯的正距平時期;1981—1988年總體來說是負距平區域，但是在1983—1986年有一個正值區，將此年份的降水量分成少—多—少3個時期。1989—2000年為第3個主周期，在此周期中出現了非常規律的次周期，每個次周期時間在4年左右。1989—1991年降水激增再次變成明顯的正距平區域。1992—2002年總體為負距平時期，但是出現了每隔2年降水量多寡交替起伏的次周期現象。2003年開始為第4個主周期，其中2003—2010年是負值區。2011年之后將向正值區發展。

2.5 全年降水量分布

坐標在10年以上，可以劃分4個主要的主周期，分別是1951—1965、1966—1980、1981—1997、1998—2011年。按照閉合區中心在縱坐標10年以內6年以下也可以看到多個明顯的次要周期。

3 結論

（1）從小波分析的時頻圖可以明顯看出，1951—2011年華北地區降水量存在著不同時間尺度的周期變化特征，降水變化規律是在16～18年尺度大變化周期內嵌套著6～8年的小尺度變化周期。

（2）各個季節每年降水波動中的多寡變化并不完全吻合，61年各個季度的降水變化有著獨立的周期波動規律。

（3）年降水變化趨勢與夏季降水變化趨勢高度吻合，夏季降水量偏少勢必引起全年降水量不足。

參考文獻

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