1970~2015年呼和浩特市降水趨勢(shì)變化特征分析

段曉梅

摘要：利用呼和浩特市氣象站1970～2015年降水觀測(cè)資料，采用線性回歸、距平分析、小波變換方法分析了呼和浩特市年降水量變化特征，并對(duì)呼和浩特市降水趨勢(shì)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：1970～2015年呼和浩特市年降水量變化趨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)，線性增長(zhǎng)率為0.16 mm/10a;四季降水具有一定的階段性特征，春、冬季降水無(wú)明顯線性變化趨勢(shì)，夏季降水以-2.7 mm/10a的速率減少，秋季以2.2 mm/10a的速度在增加;月降水量主要集中在6～9月，占全年降水量的76.6%。小波分析表明，呼和浩特市1970～2015年降水量在不同時(shí)間尺度上存在不同的周期變化，即8 a為年降水量變化的第一主要周期，振蕩最強(qiáng)，14 a和4 a分別為年降水量變化的第二和第三個(gè)主要周期。

關(guān)鍵詞：降水量;線性趨勢(shì);小波分析

中圖分類號(hào)：P468

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1674-9944（2020）14-0021-04

1?引言

降水不僅是大氣水循環(huán)過(guò)程中最基本的環(huán)節(jié)，也是水平衡方程中的基本參數(shù)。降水在空間分布上的不均勻與時(shí)間變化上的不穩(wěn)定是引發(fā)洪、澇、旱災(zāi)的直接原因。因此，研究某一區(qū)域的降水趨勢(shì)變化特征，對(duì)該地區(qū)水資源的合理利用、氣象災(zāi)害損失以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展顯得尤為重要。關(guān)于區(qū)域降水變化的研究很多，如鄧子旺等采用月平均氣溫和月降水量的距平值分析了西安市的氣候變化特征[1]。左洪超等研究了1951～2000年中國(guó)區(qū)域的降水趨勢(shì)，旨在揭示全國(guó)氣候變化規(guī)律[2]。徐宗學(xué)等采用非參數(shù)檢驗(yàn)方法和線性回歸方法對(duì)黃河流域內(nèi)1951～2001年的降水資料進(jìn)行了趨勢(shì)檢驗(yàn)[3]。寧亮等分析了全國(guó)年、季總降水量的線性趨勢(shì)[4]。遲竹萍研究了山東省夏季降水量的變化特征，指出了暴雨強(qiáng)度與夏季降水的變化關(guān)系[5]。李春強(qiáng)等采用小波變換方法，揭示了河北省降水時(shí)空多尺度變化規(guī)律[6]。劉艷輝等采用線性擬合和MK突變檢驗(yàn)方法分析了臺(tái)山市多年來(lái)降水的變化特征[7]。賀偉等年利用累積距平法、MK突變檢驗(yàn)以及小波分析等方法，詳細(xì)分析了東北地區(qū)降水、氣溫的年際變化，確定該地區(qū)45a范圍內(nèi)氣候一般呈暖干趨勢(shì)[8]。武文博等對(duì)降水資料進(jìn)行了均一化處理，指出我國(guó)極端降水事件在2000年后開(kāi)始增多[9]。在眾多學(xué)者研究中，大多采用統(tǒng)計(jì)分析方法。本文利用線性趨勢(shì)和距平分析方法，結(jié)合小波分析，對(duì)呼和浩特市1970～2015年年降水量變化特征進(jìn)行詳細(xì)分析，從而為了解和掌握呼和浩特市氣候變化特征和周期性提供一定的參考。

2?研究區(qū)域概況

呼和浩特位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，處于東經(jīng)110°46′～112°10′，北緯40°51′～41°8′，屬中緯度溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，由于背靠大青山，在地理上是半干旱和干旱氣候的結(jié)合部，季風(fēng)氣候區(qū)與非季風(fēng)氣候區(qū)的結(jié)合部，山前是以旱地為主的耕地和草地，山后是草原和草地，是農(nóng)業(yè)和牧業(yè)、耕地和草原之間的過(guò)渡帶。氣候特點(diǎn)是四季分明。冬天漫長(zhǎng)寒冷，春天干燥多風(fēng)，夏天溫暖短促，陽(yáng)光充足，蒸發(fā)量大。年平均降水量在335.2～534.6 mm之間，其地域分布以西南地區(qū)最少，年平均降水量?jī)H為350 mm;平原地區(qū)降水量在400 mm左右，大青山區(qū)降水量在430～500 mm;年平均降水量最多出現(xiàn)在大青山鄉(xiāng)前響村，為534.6 mm;其次是井鄉(xiāng)，年平均降水量為489.3 mm;年平均降水量最少出現(xiàn)在南坪鄉(xiāng)、黑城鄉(xiāng)、新?tīng)I(yíng)鎮(zhèn)地區(qū)，為335.2～362.8 mm。

3?數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

3.1?數(shù)據(jù)來(lái)源

選用的數(shù)據(jù)為內(nèi)蒙古氣象局提供的1970～2015年呼和浩特氣象站年、月降水量資料，對(duì)于缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值訂正，季節(jié)劃分為：春季（3～5月份）、夏季（6～8月份）、秋季（9～11月份）、冬季（12月份至次年2月份）。

3.2?分析方法

距平分析方法主要用于確定氣象學(xué)中某一時(shí)期或某一時(shí)次的數(shù)據(jù)，降水量距平至為正，表示該時(shí)期降水偏多，降水量距平值為負(fù)，表示該時(shí)期降水偏少。

小波分析是針對(duì)大氣變量的時(shí)域和頻域組合分析方法[11]。小波變換分為連續(xù)小波變換（CWT）和離散小波變換（DWT）。離散小波變換常用于降噪與數(shù)據(jù)壓縮，而連續(xù)小波變換更適合用于信號(hào)特征提取，具體定義為：

式（1）中，Wf（a，b）為小波變換系數(shù);f（t）為一個(gè)信號(hào)或平方可積函數(shù);a為伸縮尺度;b平移參數(shù);（ax-b）為ψ（ax-b）的復(fù)共軛函數(shù)。

在實(shí)際研究中，最重要的是從小波變換方程中得到小波系數(shù)，然后通過(guò)小波數(shù)分析時(shí)間序列的時(shí)頻變化特征。對(duì)域上的小波系數(shù)平方值進(jìn)行積分，就可得到小波方差[12]，即：

小波方差隨尺度a的變化過(guò)程稱為小波方差圖，可以用尺度a反映信號(hào)波動(dòng)的能量。因此，利用小波方差圖可以確定信號(hào)中不同種尺度擾動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度和存在的主要時(shí)間尺度[12]，即主要周期。

4?結(jié)果分析

4.1?年降水量變化趨勢(shì)分析

呼和浩特市氣象站年降水量變化如圖1所示，從整體來(lái)看，1970～2015年呼和浩特市年降水量變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)，其線性增率為0.16 mm/10a，多年平均降水量為399.35 mm，年降水量歷史極大值出現(xiàn)在2003年，為654.1 mm，極小值出現(xiàn)在2011年，為177.1 mm，極差達(dá)477 mm。46年中1992、1998、2003、2008、2011、2012、2013年為多雨年;1974、1986、1987、1999、2005、2007、2009、2011年為少雨年。通過(guò)繪制呼和浩特市年降水距平圖（圖2）發(fā)現(xiàn)，1970～2015年期間，正距平有23 a，負(fù)距平有23 a，正負(fù)距平交替出現(xiàn)，變化幅度較大，為震蕩期。

4.2?季降水量變化趨勢(shì)分析

1970～2015年呼和浩特市季節(jié)降水量變化趨勢(shì)如圖2所示。由圖可知，四季降水量分配不均勻，夏季降水最多，平均降水量為84.3 mm，春秋季次之，平均降水量分別為17.9 mm、27.4 mm，冬季最少，平均降水量為3.5 mm。從降水變化趨勢(shì)上看，春季和冬季降水量沒(méi)有明顯的線性變化趨勢(shì)，而夏季以-2.7 mm/10 a的速率在減少，秋季以2.2 mm/10 a的速率在增加。由圖2可知，四季降水量都有一定的階段性特點(diǎn)，春季降水量變化可分為2個(gè)階段，1984年以前為負(fù)距平階段，1984年以后正負(fù)距平交替出現(xiàn)，為震蕩期。夏季降水量變化可分為3個(gè)階段，1970～1975年為負(fù)距平階段，1976～1998年為正距平階段，1995～2015年為負(fù)距平階段，其變化表現(xiàn)為由多到少的趨勢(shì)。秋季降水量變化分為可分為4階段，1972～1983年、2010～2015年為正距平階段，1984～1994年、1997～2009年為負(fù)距平階段，其變化表現(xiàn)為由少到多的趨勢(shì)。冬季降水量變化可分為4個(gè)階段，1970～1980年為正距平階段，1981～1999年為負(fù)距平階段，2001～2007年為正距平階段，2008～2014年為負(fù)距平階段。

4.3?月降水量變化趨勢(shì)分析

由表1可知，呼和浩特市月降水量主要集中在6～9月，占全年降水量的76.6%，最大值出現(xiàn)在7月份，平均為102.96 mm，最小值出現(xiàn)在1月分，平均只有2.5 mm，二者相差100.46 mm。由表1可知5～7月、9～12月降水量在增加，1～3月、8月降水量在減少，其中8月降水量氣候傾向率為-14.5 mm/10a，減少趨勢(shì)顯著。

4.4?小波分析

圖3顯示了呼和浩特市1970～2015年降水量小波變換系數(shù)的實(shí)部時(shí)頻分布圖，圖中實(shí)線表示實(shí)部系數(shù)大于等于0[13]，屬于降水偏多的時(shí)期，虛線表示實(shí)部系數(shù)小于0[13]，屬于降水偏少的時(shí)期。從圖3可以看出，在不同時(shí)段內(nèi)各時(shí)間尺度的強(qiáng)弱分布有所不同。其中，2～5a的時(shí)間尺度震蕩中心主要有2個(gè)階段，分別在1970～1982年和1998～2012年。6～10 a時(shí)間尺度幾乎影響了整個(gè)計(jì)算區(qū)域，正負(fù)循環(huán)交替出現(xiàn)，其中心尺度在8a左右，在1998～2012間年表現(xiàn)明顯。16～36 a時(shí)間尺度在1974～2005年間表現(xiàn)明顯，其中心尺度在27 a左右，年降水量經(jīng)歷了少-多-少-多4個(gè)循環(huán)交替。

某地區(qū)降水時(shí)間序列的主要周期通常通過(guò)小波方差圖確定[13]。圖4給出了呼和浩特市年降水量不同頻率下的小波方差折線圖，由圖4可以看出，呼和浩特市主要存在4個(gè)明顯的峰值，分別位于4 a、8 a、14 a、27 a處，其中時(shí)間尺度為8 a時(shí)小波方差的峰值最大，說(shuō)明8 a為呼和浩特市年降水變化的第一主周期，震蕩最強(qiáng)，第二主周期出現(xiàn)在時(shí)間尺度為14 a處，4 a和27 a的時(shí)間尺度分別為年降水變化的第三、第四主周期。

5?結(jié)論

利用內(nèi)蒙古氣象局呼和浩特市氣象站1970～2015年降水的觀測(cè)資料，采用線性回歸、距平分析、小波變換方法分析了呼和浩特市年降水量變化特征，并對(duì)呼和浩特市降水趨勢(shì)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

（1）1970～2015年呼和浩特市年降水量變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)，其線性增率為0.16 mm/10a，正負(fù)距平交替出現(xiàn)，變化幅度較大，為震蕩期。

（2）1970～2015年呼和浩特市四季降水量都有一定的階段性特點(diǎn)，春季和冬季降水量沒(méi)有明顯的線性變化趨勢(shì)，而夏季以-2.7 mm/10a的速率在減少，秋季以2.2 mm/10a的速率在增加，月降水量主要集中在6～9月份，占全年降水量的76.6%。

（3）小波分析表明，1970～2015年呼和浩特市年降水量在不同時(shí)間尺度上具有不同的周期變化，即8 a為年降水變化的第一主要周期，振蕩最強(qiáng)，14 a和4 a分別為年降水量變化的第二和第三個(gè)主周期。

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