1901-2016年天津地區(qū)降水的多尺度特征

王 敏,任建玲,易笑園,徐 梅,年飛翔,勾志竟,李文博

(1.天津市氣象信息中心,天津 300074;2.天津市氣象臺(tái),天津 300074;3.天津市氣象探測(cè)中心,天津 300074)

降水作為氣候變化及干旱化程度的重要影響因素，一直深受學(xué)者關(guān)注。而長(zhǎng)時(shí)間降水資料作為研究降水氣候特征的基礎(chǔ)，尤為重要[1-2]。但由于降水觀測(cè)資料的限制，較多研究都是全球或全國(guó)的大尺度范圍[3]，對(duì)省市百年降水的研究則多是基于某個(gè)單站資料進(jìn)行[4-5]。對(duì)百年尺度降水的空間研究大多基于再分析數(shù)據(jù)，目前較為常用的資料分別是英國(guó)東英吉利(East Anglia)大學(xué)的氣候研究中心(Climate Rearsch Unit，CRU)[6]、美國(guó)全球降水氣候中心(Global Precipitation Climatology Centre，GPCC)[1,7]。張宏芳等[8]利用CRU數(shù)據(jù)對(duì)陜西省的百年尺度降水進(jìn)行了時(shí)空特征分析；肖晶晶等[1]利用GPCC數(shù)據(jù)對(duì)浙江省百年尺度降水進(jìn)行序列重建及分析。但目前多數(shù)研究都只應(yīng)用一種再分析資料進(jìn)行分析。利用長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)資料與不同的再分析資料進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估，并對(duì)效果較好的長(zhǎng)時(shí)間再分析資料進(jìn)行降水等要素時(shí)空多尺度特征的研究較少。

華北地區(qū)的干旱化問(wèn)題日益嚴(yán)峻。降水作為干旱程度的重要指標(biāo)，對(duì)其長(zhǎng)時(shí)間序列進(jìn)行多尺度分析有助于研究其周期演變及空間差異性。而天津作為華北地區(qū)為數(shù)不多具有較早氣象觀測(cè)資料的站點(diǎn)之一，其自1890年以來(lái)單站有連續(xù)的觀測(cè)資料[4]，有助于利用站點(diǎn)數(shù)據(jù)與不同觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。因此本文首先利用兩套再分析數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，選擇在天津地區(qū)適用性更佳的降水資料，分析天津地區(qū)1901—2016年降水的長(zhǎng)時(shí)間時(shí)空分布特征，并利用降水距平百分率作為干旱指數(shù)，分析百年來(lái)天津不同地區(qū)降水距平百分率的變化趨勢(shì)及差異性特征，以期為天津地區(qū)的氣候分析及降水預(yù)測(cè)提供依據(jù)，對(duì)天津地區(qū)的防洪抗旱提供參考。

1 資料和方法

1.1 臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)

本文使用的逐日降水觀測(cè)資料來(lái)源于天津地區(qū)氣象信息中心，天津站測(cè)站位置變動(dòng)較少，對(duì)降水的觀測(cè)結(jié)果影響較少[4]。本文的相關(guān)分析時(shí)段為1901—2016年天津氣候觀測(cè)站的降水，同時(shí)應(yīng)用1979—2016年天津地區(qū)范圍的13個(gè)國(guó)家站的降水進(jìn)行分析，站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)已進(jìn)行一致性檢查[9-10]。本文降水的氣候平均選為1981—2010年。

1.2 CRU數(shù)據(jù)和GPCC再分析數(shù)據(jù)

對(duì)比選用的CRU再分析數(shù)據(jù)采用CRU TS 4.1，為月降水?dāng)?shù)據(jù)，空間分辨率為0.5°×0.5°，網(wǎng)址為(http:∥www.esrl.noaa.gov)，資料長(zhǎng)度為1901年1月—2016年12月。

GPCC數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)全球降水氣候中心，為月降水?dāng)?shù)據(jù)，空間分辨率為0.5°×0.5°，網(wǎng)址為(http:∥www.cru.uea.ac.uk)，資料長(zhǎng)度為1901年1月—2016年12月。

為方便敘述，本文將觀測(cè)資料、CRU和GPCC降水?dāng)?shù)據(jù)分別簡(jiǎn)稱(chēng)OBR，CRU，GPCC。本文在考慮將格點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值分析時(shí)，試驗(yàn)反距離加權(quán)插值法及雙線性插值法，其中反距離加權(quán)插值法選擇對(duì)離插值點(diǎn)近的2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行插值，雙線性插值法則先分別對(duì)距離插值點(diǎn)最近的4個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行線性插值(同方向進(jìn)行)，發(fā)現(xiàn)雙線性插值法得到的插值數(shù)據(jù)與臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)更為吻合，因此本文在進(jìn)行分析時(shí)，選用雙線性插值法。

1.3 方 法

EEMD分解集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法是由Wu和Huang[11]提出，將復(fù)雜的原始時(shí)間序列信號(hào)分解為有限個(gè)不同時(shí)間尺度的振蕩分量得到不同尺度特征的有限本征模態(tài)函數(shù)IMF(Intrinisic Mode Function)，IMF代表了原始信號(hào)序列的不同時(shí)間尺度的局部特征，非常適合非線性，非平穩(wěn)信號(hào)序列分析[12-13]。EEMD的計(jì)算如下：

首先對(duì)于原始信號(hào)，加入高斯白噪音信號(hào)，然后對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行EEMD分解，同時(shí)加入高斯白噪音信號(hào)，取其平均值抵消白噪聲。具體計(jì)算步驟參考文獻(xiàn)[12-14],本文中的信噪比選為0.2，迭代次數(shù)為200次。

此外，還應(yīng)用到了相對(duì)誤差bias(公式1)、相關(guān)系數(shù)R(公式2)、標(biāo)準(zhǔn)差比率SDR(公式3)計(jì)算，其中bias值越趨近于0，說(shuō)明誤差越小，數(shù)據(jù)越接近；R的取值范圍為0～1，R越大，說(shuō)明數(shù)據(jù)之間相關(guān)性越好，數(shù)據(jù)越接近；SDR越小，說(shuō)明誤差越小：

(1)

(2)

(3)

時(shí)間變率VAR的計(jì)算公式[15]為：

(5)

降水距平百分率(Pa)是某期降水量與同期多年平均降水量之間的偏離程度[16-18]，其值大小可以用于表征干旱程度，計(jì)算公式為：

Pa=(P-Pave)/Pave×100%

(6)

式中：P為某時(shí)段降水量；Pave為1981—2010年多年平均降水量[15-17]，降水距平百分率的干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[13-15]，見(jiàn)表1。

表1 年尺度降水百分率的干旱等級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 CRU和GPCC降水對(duì)比分析

為了檢驗(yàn)GPCC和CRU數(shù)據(jù)在天津地區(qū)的適用性，對(duì)1901—2016年的OBR和GPCC，CRU資料年降水量使用泰勒?qǐng)D(Taylor diagram)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。可知OBR與GPCC，CRU的相關(guān)系數(shù)較高(通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn))，其中OBR與GPCC的相對(duì)誤差比率均小于5%，標(biāo)準(zhǔn)差比較小。鑒于天津地區(qū)降水主要發(fā)生在5—9月，對(duì)1901—2016年5—9月的降水進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同樣發(fā)現(xiàn)在天津地區(qū)GPCC數(shù)據(jù)更優(yōu)。

考慮天津地區(qū)降水空間上的分布，同時(shí)由于站點(diǎn)年限的原因，對(duì)天津1979—2016年13個(gè)國(guó)家站的OBR和CRU，GPCC降水?dāng)?shù)據(jù)求相關(guān)性和偏差計(jì)算(圖1)，可見(jiàn)1979—2016年OBR和GPCC數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差都在3%以?xún)?nèi)，相關(guān)系數(shù)均在0.8以上，最高達(dá)0.98，均通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)；而CRU數(shù)據(jù)與天津北部臺(tái)站(54428，54525)相對(duì)偏差較大，最大的54528站達(dá)到28.53%。相比于CRU，GPCC數(shù)據(jù)與站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的偏差更小，相關(guān)性系數(shù)更高，均通過(guò)了0.01顯著性檢驗(yàn)。

圖1 1979-2016年天津地區(qū)13個(gè)站點(diǎn)OBR數(shù)據(jù)與GPCC和CRU數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)及相對(duì)誤差分布

綜合比較CRU，GPCC與站點(diǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在天津地區(qū)GPCC的降水?dāng)?shù)據(jù)更具代表性。因此，本文對(duì)天津地區(qū)百年降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)選用GPCC數(shù)據(jù)進(jìn)行天津地區(qū)降水的空間分析。

2.2 天津地區(qū)降水量空間分布特征

圖2為1901—2016年GPCC數(shù)據(jù)得到天津降水的年值分布圖，可見(jiàn)1901—2016年的年降水總體而言呈“北多南少、東多西少”的趨勢(shì)，年降水量最大的位于天津北部54428站，年均降水可達(dá)649.9 mm，年均降水量最小值發(fā)生在天津西南側(cè)的54619站，為534.5 mm。降水的分布趨勢(shì)可能與天津的地形有關(guān)。天津東側(cè)為沿海地區(qū)，而西側(cè)為內(nèi)陸地區(qū)。

圖2B為根據(jù)公式(4)所求的GPCC年平均降水時(shí)間變率的空間分布情況，可見(jiàn)整體而言天津地區(qū)年降水量的時(shí)間變率呈現(xiàn)出“南正北負(fù)”的分布趨勢(shì)，其中54428站的時(shí)間變率減弱趨勢(shì)為0.28/a，而天津南部的降水增大區(qū)也表現(xiàn)為東邊大、西邊小。天津地區(qū)沒(méi)有明顯的線性變化趨勢(shì)。

圖2 1901-2016年天津地區(qū)北部和南部的年平均降水距平百分率分布

2.3 天津地區(qū)的干旱變化特征

前面可知天津北部和南部降水分布較為不同，因此將54428，54525站作為天津北部站點(diǎn)，其余11站作為天津南部站點(diǎn)分析。天津北部和南部1901—2016年的降水距平百分率Pa如圖3所示，并根據(jù)表1計(jì)算對(duì)應(yīng)干旱等級(jí)，可見(jiàn)天津在1920年均出現(xiàn)了重度干旱，此外，天津南部在1941年也為重度干旱；天津整個(gè)地區(qū)在2002年干旱程度為中度，這與文獻(xiàn)中所得結(jié)果對(duì)應(yīng)，而在1902年、1932年、1936年、1939年、1968年、1989年、1997年、1999年天津南部為中度干旱等級(jí)，天津北部出現(xiàn)中度干旱的年份則為1921年、1941年、1999年。干旱頻率為發(fā)生各等級(jí)的干旱頻數(shù)與時(shí)間序列長(zhǎng)度之比，用以表示干旱發(fā)生的可能性，求得南部地區(qū)出現(xiàn)干旱的頻率29.3%，北部地區(qū)出現(xiàn)干旱的頻率為20.7%。

圖3 天津地區(qū)1901-2016年平均降水量的空間分布及時(shí)間變率的空間分布

對(duì)比天津北部和天津南部地區(qū)干旱化程度可見(jiàn)，在1920年、2002年天津地區(qū)整體出現(xiàn)了干旱情況。1901—2016年天津南部的干旱頻率高于北部地區(qū)，天津地區(qū)的干旱主要發(fā)生在天津南部。

2.4 降水距平百分率的多時(shí)間尺度特征

由于1901—2016年天津地區(qū)年降水量的時(shí)間變率較小，線性趨勢(shì)較弱，因此對(duì)年降水距平進(jìn)行EEMD分析，求出天津地區(qū)1901—2016年的多時(shí)間尺度變化規(guī)律[15]。考慮到天津北側(cè)的降水呈現(xiàn)出減弱趨勢(shì)，天津南側(cè)降水則呈現(xiàn)出增強(qiáng)趨勢(shì)，因此將天津地區(qū)分為南北兩個(gè)區(qū)域求EEMD分析降水距平百分率的多時(shí)間尺度特征(圖4)，分析其南北兩區(qū)的多時(shí)間尺度特征。

結(jié)合各IMF分量的方差貢獻(xiàn)可知：天津北部和南部地區(qū)降水距平百分率的IMF1和IMF2分量較為相似，為3 a，6 a的年際周期，而年代際周期則不同，北部地區(qū)表現(xiàn)為準(zhǔn)14 a，21 a，58 a的周期振蕩，南部地區(qū)周期為準(zhǔn)15 a，29 a、準(zhǔn)77 a。就方差貢獻(xiàn)率而言，IMF1分量的方差貢獻(xiàn)率最大。

基于EEMD的RES趨勢(shì)項(xiàng)表明，天津地區(qū)距平百分率均呈先增加后減弱的趨勢(shì)，增幅均小于降幅；北部地區(qū)在20世紀(jì)60年代降水距平百分率達(dá)到峰值，南部地區(qū)在70年代達(dá)到最大，天津北部的增幅明顯小于其南部增幅。

計(jì)算各IMF分量與原始降水距平百分率的相關(guān)系數(shù)，可見(jiàn)各IMF分量均能通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)，天津北部IMF1～3，IMF5分量均通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)，天津南部的IMF1～3分量通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)。

表2 IMF分量方差貢獻(xiàn)率與原始降水距平百分率的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 1901—2016年天津單站與GPCC，CRU年降水量的比較可知，GPCC數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更為接近，1979—2016年天津地區(qū)13個(gè)觀測(cè)站與GPCC的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.8以上，且相對(duì)誤差則在3%以?xún)?nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差也較小；而CRU的相關(guān)性弱于GPCC，且與北部山區(qū)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差較大，因此，GPCC相比于CRU能夠更好地描述天津地區(qū)的降水變化特征。

(2) 利用效果較好的GPCC降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)1901—2016年天津地區(qū)年降水量進(jìn)行分析，可見(jiàn)天津年平均降水量表現(xiàn)為“南強(qiáng)北弱，東強(qiáng)西弱”的趨勢(shì)；其時(shí)間變率表現(xiàn)為“南正北負(fù)”的趨勢(shì)，天津北部的時(shí)間變率表現(xiàn)為減弱的趨勢(shì)，而南部年降水的時(shí)間變率則表現(xiàn)為增強(qiáng)的趨勢(shì)，但是線性變化趨勢(shì)均較弱。

(3) 利用年降水距平百分率表示干旱頻率，分析可知天津北部的干旱頻率低于天津南部，其中天津地區(qū)全部出現(xiàn)中度干旱級(jí)別及之上的共計(jì)2 a，而北部出現(xiàn)中度干旱級(jí)別為5 a，南部為11 a，天津南部的干旱頻率高于北部。

(4) 對(duì)降水距平百分率進(jìn)行EEMD分析，得到天津地區(qū)主要表現(xiàn)為準(zhǔn)3 a、準(zhǔn)6 a的年際變化周期，其北部和南部的年代際變化存在較大差異。從趨勢(shì)項(xiàng)可見(jiàn)天津地區(qū)降水主要呈現(xiàn)先增加后減弱的趨勢(shì)，北部在20世紀(jì)60年代達(dá)到峰值，南部則在70年代最大，北部的增幅趨勢(shì)明顯弱于南部。

注：Origin為原始降水序列，IMF1-IMF5項(xiàng)為降水的IMF分量，最后RES為趨勢(shì)項(xiàng)。