氣候突變點前后無錫站年際降水序列歷史演化特征

秦 建 國，吳 朝 明，姚 華，任 小 龍，尤 征 懿，朱 驪，朱 前 維，嚴 維 寧

(江蘇省水文水資源勘測局 無錫分局，江蘇 無錫 214031)

1 研究背景

氣候突變是一個與混沌理論幾乎同時誕生的新概念，至今沒有明確的定義[5]。由于氣候突變是在研究古氣候時首先提出的，所以人們曾經以為：① 它們都是古老的事件，在近現代氣候中不會出現；② 其具有隨機性，屬于混沌學的一部分[6]。有一些學者根據突變理論給出了一個簡單的定義：氣候突變是指氣候由一種穩定狀態躍升另一種穩定狀態的急劇變化[7]。雖然人們早就意識到近現代氣候也存在突變性，但是遲至1990 s才找到一些不完整的證據[8]。2013年出版的文獻[9]中，國家氣候中心認為：根據對近現代氣候年代際變化的研究，1970 s我國發生了一次氣候突變(圖1由江蘇省氣候中心提供)。

圖1 江蘇省冬季平均氣溫距平Fig.1 Winter mean temperature anomaly in Jiangsu Province

筆者對單要素時間序列做了較系統的研究，在近現代氣候中首次發現了氣候突變點，并且開展了驗證工作。2009年夏季，在分析無錫站年際降水過程線時發現1978年前后旱澇特征的差異很大，有特征突變現象[10]；2012年提出了“氣候成因不同特征不同”的猜想，然后采取分段法研究，發現了無錫站年際降水序列(1977～2011年)高中低的分布規律[11-12]；2014年萌生了細部特征法和非典型周期的概念，在突變臨界點前后找到了無錫站年際旱澇周期性特征差異顯著的關鍵證據[3]；2018年又提出了一個理念“分段特征一致性”，對無錫站的觀測歷史進行了全面探討，發現3個氣候突變點，實現了近現代氣候分類研究[4]。

由于氣候突變發現的時間較短，學術界還沒有做過對時間序列的影響分析，更談不上應用研究。而且如能使用統計手段揭示時間序列的變化規律，不但有助于理解水文氣象的長期演化過程，并且可加深對地球系統的了解，為中長期預報模型、氣候預報模型的建立提供必不可少的依據。因此，有必要對無錫站年際降水序列的歷史演化特征進行全面探討，尋找氣候突變點存在的更多證據，為開展應用研究和促進地方臺站中長期預報分析服務。

2 研究方法及資料

2.1 歷史演變法及其機理

歷史演變法可分為廣義和狹義兩種。廣義的歷史演變法是指所有根據歷史演變過程總結的經驗教訓，狹義的歷史演變法則是對水文氣象要素歷史演變過程的特征進行統計分析的方法。本文研究的是后者，是由氣象學家楊鑒初首先提出的[13]。

所謂“歷史演變法”，就是利用某站某一水文要素的歷史演變曲線，即水文過程線的外形特征，分析它的統計規律來做預報的工作方法。這種方法的基本依據是：任何一個水文要素的長期記錄，都是這個要素全部歷史變化的反映。盡管影響這個要素的一切外界和內部因素目前還不能一一識別，并且不能判定各個因素的影響程度，但是所有這些因素的綜合影響，卻都已經反映在這個要素的歷史演變曲線當中[14]。因而只要能夠找出這個要素不同時間段的歷史演變統計規律，就可以利用這些規律來進行預報。

1951年，楊鑒初首次利用歷史上某月的氣象特征推測來年這個月的氣候變化情況。1958年經過內蒙古自治區水文部門的推廣，也將該方法用于水文要素的年際時間序列預測分析。該方法曾經在全國得到大力推廣，對我國地方臺站的長期預報起到了推動作用，但是在1980 s前后，隨著計算機和信息技術的普及，該方法逐漸被淘汰。然而歷史演變法提出的5種預報規律，還是考慮得比較細致，方法也簡單易行，至今還有著非常重要的現實意義[14]。因此，筆者再次使用該方法進行時間序列特征的對比分析，并根據實際情況做了一定的修正和整理。

我個人感覺，國內的父母重視孩子的課外閱讀，國內火爆的嬰幼兒繪本，是近十年內的新興事物，是中國經濟上發展累積二十多年，國民物質水平提高、精神層面的需求折射在孩子身上的反應。今天的中國，尤其是在城市里，普通家庭基本能滿足孩子物質上的需求，學校里的老師也能保證完成對孩子的基礎教育；家長們才有心有力來考慮用圖畫書來幫助孩子的心智發展、習慣培養、心靈塑造。

2.2 資料概況

無錫站位于太湖地區中部，是流域內代表性最好的雨量站[15]，多年均值略大于1 100 mm[16]。該站創建于1922年初，但是在1922～1950年，由于各種原因，降水時間序列缺失嚴重，完成全年觀測的僅有11 a。因此，本文選擇的時間序列是無錫站的1951～2014年(見圖2)。所用原始數據都經過江蘇省水文部門審核，資料真實可靠。

圖2 無錫站年際降水過程線(1951～2014年)Fig.2 Interannual rainfall process line at Wuxi Station(1951～2014)

3 氣候突變點前后歷史演化特征

在實際工作中，楊鑒初先生從歷史演變過程線的變化情況，總結出了以下5個方面的規律，即：持續性、相似性、周期性、最小可能性與最大可能性、突變點[13](此前稱為轉折點)。

3.1 持續性

持續性就是指水文要素在歷史演變時，趨勢升、降變化的持久程度?？煞譃?個方面：① 若1個水文要素的數值高出某個特定數值時，那么次年的趨勢變化必然下降，筆者將這個特定數值稱為數值臨界點；② 若第1年下降，第2年連續下降，那么下一年的趨勢變化必然上升[14]，筆者將這個持續的特定時間長度稱為時長臨界點。

3.1.1數值臨界點

由圖2可知，根據無錫站年際降水序列(1951～2014年)的實際情況可修正為：若某個水文要素的數值高出或少于某個特定數值時，那么次年的趨勢變化必然反彈。

(1) 氣候突變點前。無錫站1951～1978年期間：① 當年降水量大于1 400 mm時，第2年降水量必然小于1 300 mm；② 當年降水量小于1 000 mm時，次年降水量都是增加的，且其趨勢維持的時間是1～3 a。在圖3中第1種情況出現了2次，第2種情況出現了9次，無一例外。

圖3 無錫站年際降水過程線(1951～1978年)Fig.3 Interannual rainfall process line at Wuxi Station(1951～1978年)

(2) 氣候突變點后。無錫站1978～2014年期間：① 當年降水量大于1 300 mm時，次年降水量必然小于1 200 mm；② 當年降水量小于1 000 mm時，次年降水量都是增加的，且其趨勢維持的時間是1～2 a。在圖4中第1類特征出現了8次，第2類特征出現了11次，無一例外。

圖4 無錫站年際降水過程線(1978～2014年)Fig.4 Interannual rainfall process line at Wuxi Station(1978～2014年)

3.1.2時長臨界點

由圖2可知，根據無錫站該時段的實際情況可修正為：在1951～2014年期間，當某一水文氣象要素的趨勢連續3 a上升或下降時，則次年必然反轉。

(1) 氣候突變點前。在無錫站1951～1978年期間，其特征與1951～2014年期間相同。在圖3中連續3 a上升再下降的情況發生過1次(1967～1971年)，連續3 a下降再上升的情況也發生過1次(1962～1966年)，無一例外。

(2) 氣候突變點后。在無錫站1978～2014年期間，則須改為：當某一水文氣象要素的趨勢連續2 a上升或下降，那么次年必然反彈。在圖4中連續2 a上升再下降的情況出現過6次，連續2 a下降再上升的情況只出現過1次，無一例外。

3.2 相似性

“相似性”就是指在某個時期水文過程線的變化趨勢在外形上與另一個時期有很相似的地方。

(1) 氣候突變點前。在1951～1978年期間：① 1951～1955年與1974～1978年的變化趨勢非常相似，它們的表現都是降-降-升-降的形態(其特征類似于不連續的平移對稱)；② 1953～1958年(升-降-升-升-降的形態)與1973～1978年(升-降-降-升-降的形態)的變化趨勢正好是相反(其特征類似于不連續的鏡像對稱)的形態，而且相似度較高；③ 1961～1966年(升-降-降-降-升的形態)與1966～1971年(降-升-升-升-降的形態)的變化趨勢正好相反，即特征類似于鏡像對稱或者中心對稱的形態(見圖3)。

(2) 氣候突變點后。在1978～2014年期間：① 1982～1988年的變化趨勢與1988～1994年期間很相似(其特征類似于平移對稱)，它們都表現為升-降-升-降-升-降的形態，而且都是第一個波峰矮、波谷小，后面兩個波峰高、波谷大；② 1999～2004年的變化趨勢與2009～2014年期間很相似(其特征類似于不連續的平移對稱)，它們都表現為降-升-升-降-升的形態(見圖4)。

3.3 周期性

“周期性”是指某一水文要素的歷史演變經過一定時間后再次出現的現象。需要注意的是：本文中所說的周期并非科學意義上的嚴格周期，而是說水文要素在某些時段的變化情況，經過一些時間間隔之后，又再次出現類似的變化趨勢。周期性本身在歷史變化中不是永遠不變的，必須靈活應用，配合其他規律來考慮，才不至于發生偏差[17-19]。

(1) 氣候突變點前。根據傳統的方法，1951～1978年期間的特征是：① 1951～1960年，期間每隔3 a就出現一次峰谷，在這里下凹式3 a周期是比較明顯的；② 1962～1970年，期間每隔4 a就出現一次峰谷，在這里下凹式4 a周期也是特征明顯的；③ 1970～1974年，期間每隔2 a就出現一次峰谷，下凹式的2 a周期特征明顯[14](見圖3)。

根據分段法和細部特征法，1951～1978年期間的特征是：① 如果將序列中從上升-下降的一次完整過程，視為1個年際旱澇周期性演化的基本單元，則無錫站年際降水過程線是由3種(2，3，4 a)周期組成的，筆者稱其為非典型周期；② 按照時間趨勢特性的不同，又可以分成正2 a(兩側歷時相同)、順3 a(左側歷時長、右側短)、逆3 a(與順的特征相反)、順4 a、逆4 a等5種類型；③ 相臨的2個基本單元，還可以合并成順、逆相間的復合周期[3-4]。表1中1950年的旱澇趨勢是根據歷史文獻插補的。

表1 無錫站各基本單元的組合Tab.1 Combination of basic units of Wuxi Station

(2) 氣候突變點后。根據分段法和細部特征法，1978～2014年期間的特征是：① 由3種基本單元組成，其中正4 a周期僅在氣候突變時出現，順3 a、正2 a周期從不單獨出現；② 1978～1994年和2003～2007年，期間的趨勢變化基本一致，都是軸對稱圖像，其表現為升-升-降-降或者升-降-升-降的形態；③ 1994～2003年和2007～2013年，期間每隔3 a就會出現一次峰谷，而且它們都是升-升-降的形態[3-4](見圖4)。

3.4 最小可能性與最大可能性

最小可能性與最大可能性是指任何一個水文要素的數值在一定時期內均有一定的波動區間。注意波動區間對預報分析具有很多的幫助。要素在數值未來超出它歷史變化的區間不是不可能的，但是可能性較小。資料序列的年代越長，越過其區間的可能性也越小，預報數值超出歷史變動區間的可能性為最小可能性；歷史變化中經常出現的數值區間稱為最大可能性。

(1) 氣候突變點前。無錫站1951～1978年期間的年降水量數值中，對大于1 521.3 mm(1954年)和小于552.9 mm(1978年)的出現，可以認為是最小可能性；在800.0～1 400.0 mm之間是最大可能性(見圖3)。

(2) 氣候突變點后。無錫站1978～2014年期間的年降水量數值中，對大于1 630.7 mm(1991年)和小于552.9 mm(1978年)的出現，可以認為是最小可能性；在800.0～1 500.0 mm之間是最大可能性(見圖4)。

3.5 突變點

突變點是指水文氣象要素的歷史演變過程中，在一個時段里有很明顯的特征，但是在此后的時段里發生了改變，并且出現了新的特征，那么兩個時段之間的轉折期稱為突變點。因此，突變點既是不同時段的接觸線，也是2種演變特征的分界線[20-22]。

本文對突變點進行了明確的定義，突變點就是一種特殊的非典型周期(即獨立周期與復合周期)分界點，可分成2種情況：① 低級的突變點，主要用于判斷不同非典型周期旱澇特征升降的細微變化，稱為周期性突變點；另一種是高級的突變點，用于判斷旱澇特征的宏觀變化，這種轉折點往往40 a(預估值)左右才出現一次，稱為氣候突變點。需要注意的是，年際序列中的個別突變點會同時具備兩種特征。

(1) 氣候突變點前。根據分段法和細部特征法總結的經驗，該時段的周期性突變點特征有2種劃分方法：若按照獨立周期劃分，則不同獨立周期的兩側都是周期性突變點[2]，圖3中的1953，1955，1961，1965，1967，1971，1973，1976，1978年都是周期性突變點；若按照復合周期劃分，則不同復合周期的兩側都是周期性突變點，只有1955，1961，1967，1973，1978年等5個點。對預報工作來說，這兩種特征都是非常重要的，但是后一種特征的重要性更大一些。因此，本時段應該首先考慮復合周期的突變點。

(2) 氣候突變點后。由于氣候突變點后的復合周期特征不明顯，所以本時段采用的是獨立周期突變點的劃分方法。由圖4可知，1978～2014年期間的1978，1982，1994，2003，2007和2013年都是歷史演變曲線中的周期性突變點，其中1978，2013年還是更高一級的氣候突變點[3-4]。

4 結 論

(1) 研究表明，在水文氣象時間序列領域，由于存在一些認知上的缺陷，目前已知的任何方法都無法真正完成單要素分析，歷史演變法也不例外，必須與氣候突變理論以及筆者提出的分段法、細部特征法等輔助方法配合使用，才能彌補其分辨率較低的弱點。

(2) 根據歷史演變法5種特征的對比分析可知，1978年前后無錫站年際降水過程線的歷史演化特征差異顯著，即可以證實“氣候成因不同特征不同” 的猜想和“分段特征一致性”的理念，也是氣候突變點存在的有力證據。

(3) 經過改進后，無錫站年際降水序列的歷史演化特征具有分段特征一致性清晰、歷史演變規律明顯、代表性良好的特點，可以滿足該站開展單要素中長期水文氣象預報和氣候預測的需求。