遵義市近 56 a來夏季氣溫及降水變化的特征分析

王君軍,王紅麗

(1.貴州省遵義市氣象局,貴州 遵義 563000;2.貴州省氣象局,貴州 貴陽 550002)

遵義市近 56 a來夏季氣溫及降水變化的特征分析

王君軍1,王紅麗2

(1.貴州省遵義市氣象局,貴州 遵義 563000;2.貴州省氣象局,貴州 貴陽 550002)

選取 1954—2009年歷年逐月平均氣溫及累積降水資料,采用墨西哥帽函數(shù) (MHF),對(duì)遵義市近 56 a來夏季氣溫及降水的時(shí)間序列進(jìn)行分析,揭示了遵義市氣溫及降水變化在多時(shí)間尺度上的復(fù)雜結(jié)構(gòu),找出了不同時(shí)間尺度下夏季氣溫和降水序列變化的周期和突變點(diǎn)。結(jié)果表明:遵義市夏季氣溫及降水存在多時(shí)間尺度特征,在年代際變化上存在顯著性周期,大尺度周期變化嵌套著小尺度的周期變化,其中主周期約為 21 a。遵義氣溫與降水變化有比較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即偏暖期對(duì)應(yīng)降水的偏少期,而偏冷期則對(duì)應(yīng)降水的偏多期。

墨西哥帽小波 (MHF);周期震蕩;小波方差

1 引言

氣候資料的時(shí)空分布特征和規(guī)律分析研究,是氣候分析預(yù)測的基礎(chǔ),在諸多氣候要素中,氣溫及降水量是對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響最大的氣候變量,也是每年短期氣候預(yù)測中重點(diǎn)關(guān)注的預(yù)報(bào)對(duì)象。因此,弄清氣溫及降水的氣候變量在時(shí)空分布上的變化特點(diǎn)和規(guī)律,對(duì)認(rèn)識(shí)氣候變化,做好氣候預(yù)測及社會(huì)發(fā)展規(guī)劃和生產(chǎn)布局都具有特別重要的意義。

小波分析 (WaveletAnalysis)又稱多分辨率分析(Multiresolution Analysis),是近些年來新發(fā)展起來的一種數(shù)學(xué)分析方法,20世紀(jì) 90年代以來,它在大氣科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多,并取得了許多研究成果[1-5]。小波分析具有時(shí)頻局部化的功能,通過伸縮和平移對(duì)函數(shù)和信號(hào)進(jìn)行多尺度分析,能有效的從中提取信息,特別適用于對(duì)非平穩(wěn)時(shí)間序列的分析。他是在傅里葉分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,與傳統(tǒng)的傅里葉分析相比,主要具有以下兩個(gè)特點(diǎn):①給出要素序列的瞬時(shí)振動(dòng)頻率隨時(shí)間的變化情況;②可以看出不同頻率之間的相互關(guān)系,反映出序列中不同時(shí)間尺度的振蕩此消彼長的變化[6]。

遵義市位于貴州北部,海拔高度為 843.9 m,屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,四季分明,夏季平均氣溫在24.1℃,總降水量在 485.1 mm左右。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市的建設(shè),城市氣候越來越凸顯。由此選取遵義市城區(qū)匯川站 (站號(hào):57713)1954—2009年期間歷年逐月平均氣溫和累計(jì)降水量資料,采用墨西哥帽小波 (Mexican Hat)函數(shù)分析遵義市夏季氣溫及降水在多時(shí)間尺度變化上的周期特征及其突變點(diǎn),為短期氣候預(yù)測提供一定參考。

2 墨西哥帽小波分析簡介

設(shè)有時(shí)間序列 f(t)及一組由參數(shù) a,b構(gòu)成的母小波 g(a,b,t),其形式為:

式中 (a>0),b為實(shí)數(shù),分別稱為尺度參數(shù)、平移因子。由 f(t)與 g(a,b,t)的卷積構(gòu)成的小波變換,又稱子波變換:

上式的意義在于,將一維時(shí)間函數(shù)展開為一個(gè)二維參數(shù)空間 (a,b),從而形成一種能在時(shí)間 (或空間)坐標(biāo)位置 b和尺度 (時(shí)間范圍和空間范圍)a上具有變化的小波系數(shù) Tg(a,b)的一種度量,上式的離散形式為:

其中△t為取樣間隔;a為樣本量。

小波方差為:

聯(lián)合 (3)式和 (7)式,從而得到小波變換結(jié)果。小波變換實(shí)際上是將一個(gè)一維信號(hào)在時(shí)間和頻率兩個(gè)方向上展開,這樣就可以對(duì)氣候系統(tǒng)的時(shí)間—頻率結(jié)構(gòu)做細(xì)致的分析,提取有價(jià)值的信息。

為了減小邊界效應(yīng),目前在小波分析中最常用的處理方法是將資料向前和向后各沿拓一個(gè)樣本長度,變換后再將沿拓的部分舍去。具體的資料處理方法如下:

3 夏季氣溫及降水變化分析

3.1 夏季氣溫變化分析

圖 1為遵義市 1954—2009年夏季平均氣溫距平變化序列圖 (a)及小波變換圖 (b)。由圖 1a所示:遵義市近 56 a來夏季氣溫變率較大,平均氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差為 0.589℃。1980年以前,負(fù)距平多于正距平,共有 3 a超過標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平,6 a超過標(biāo)準(zhǔn)差的顯著負(fù)距平。1980—2009年期間的夏季氣溫的正異常明顯,共有 7 a超過標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平,沒有年份負(fù)距平超過標(biāo)準(zhǔn)差。特別是 2004—2009年尤為突出,其中 2006年夏季平均氣溫偏高1.5℃。

利用MHF小波變換對(duì) 1954—2009年遵義市城區(qū)夏季平均氣溫序列進(jìn)一步作多時(shí)間尺度分析。圖 1b所示:圖上半部分等值線相對(duì)稀疏,對(duì)應(yīng)較長尺度周期的振蕩(低頻震蕩),而下半部分等值線相對(duì)密集,對(duì)應(yīng)較短尺度周期振蕩 (高頻震蕩)。夏季平均氣溫的各種時(shí)間尺度周期變化在時(shí)間域中的分布有差異,強(qiáng)振動(dòng)中心分別位于 60年代初期、21世紀(jì) 10年代中及后期,即圖中的幾個(gè)正等值線中心,其周期大致為 8～16 a、4～8 a和 16～32 a左右。周期在 8～16 a的振動(dòng),在 60年代初期最為顯著;周期在 4～8a的振動(dòng),在 21世紀(jì) 10年代中期最顯著;而周期在 16～32 a的振動(dòng)在 21世紀(jì) 10年代后期最為顯著。

圖 1 遵義市城區(qū)夏季平均氣溫距平序列圖(a)及小波變換圖(b)

遵義市夏季平均氣溫表現(xiàn)出不同的年際及年代際尺度變化。由于小波變換系數(shù)的零點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)于遵義市夏季氣溫變化突變點(diǎn)位置,由此可以診斷出不同時(shí)間尺度上變化的突變點(diǎn)位置,從而得出多時(shí)間尺度特征和規(guī)律。在 64 a左右的時(shí)間尺度上,遵義夏季平均氣溫氣溫經(jīng)歷了由偏冷期到偏暖期的變化,突變點(diǎn)的位置大約在 20世紀(jì) 80年代后期。在 16～32 a的時(shí)間尺度上,主要突變點(diǎn)分別位于 50年代后期、60年代中期、80年代初期、90年代初期和 21世紀(jì) 10年代中期。這個(gè)時(shí)期經(jīng)歷了偏冷→偏暖→……3個(gè)循環(huán)變化。遵義夏季最暖期在 60年代初期和 21世紀(jì) 10年代中后期,其低頻和高頻震蕩都一致反映出偏暖特征。而最冷的在 70年代中后期,其低頻和高頻震蕩都一致反映出偏冷特征。從近幾年氣溫變化來看,較大尺度處于強(qiáng)的偏暖期,而小尺度的變化則為弱的偏冷期。

3.2 夏季降水變化分析

圖 2a所示:自 1954—2009年近 56 a來,遵義市城區(qū)降水變率較大。1970年以前,共有 3 a超過標(biāo)準(zhǔn)差的顯著負(fù)距平,2 a超過標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平。負(fù)距平多于正距平,其中 1964年為降水異常年,偏多 258.9 mm。20世紀(jì) 70—80年代降水趨于正常。90年代以后,降水變率明顯增大,特別是 1991—2004年降水正異常明顯,共有 5 a是超過標(biāo)準(zhǔn)差的顯著正距平,沒有年份負(fù)距平超過標(biāo)準(zhǔn)差。2005—2009年全為負(fù)距平,降水異常偏少,共有 3 a是超過標(biāo)準(zhǔn)差的負(fù)距平。其中 1990年和 2006年為降水異常年,分別偏少 321.5 mm和 303.9 mm。

圖 2 遵義市城區(qū)夏季累積降水距平序列圖 (a)及小波變換圖(b)

圖 2b所示:在大尺度周期振蕩不明顯,中小尺度周期振蕩明顯。各個(gè)時(shí)期的主要振動(dòng)周期是變化的,20世紀(jì) 80年代以前在 4～8 a左右的周期振蕩明顯,20世紀(jì) 80年代以后在 16 a左右的周期振蕩明顯。整個(gè)時(shí)間段上對(duì)應(yīng)幾個(gè)降水最強(qiáng)的振動(dòng)中心,分別位于 20世紀(jì) 80年代前期、90年代后期到 21世紀(jì) 10年代前期,其周期大致為 8 a和 16～32 a左右。周期在 8 a左右的振動(dòng),在 20世紀(jì) 80年代前期最為顯著,而周期在 16～32 a的振動(dòng),在20世紀(jì) 90年代后期到 21世紀(jì) 10年代前期最為顯著。周期在 16 a時(shí)間尺度上,降水經(jīng)歷了偏多→偏少→……4個(gè)循環(huán)變化。從 20世紀(jì) 70年代末期至今變化較為明顯,分別在 1985年、2003年左右經(jīng)歷了多雨期到少雨期的突變,在 1993年左右經(jīng)歷了有少雨期到多雨期的突變。在 20世紀(jì) 90年代后期到21世紀(jì) 10年代前期為降水異常偏多期,而在2004—2009年為降水異常偏少期。從近幾年降水變化來看較大尺度上處于強(qiáng)的降水偏少期,而小尺度變化則為弱的偏多期。

4 氣溫及降水周期和變化趨勢(shì)

4.1 小波方差分析

小波方差圖反映了能量隨時(shí)間尺度的變化,可以確定一個(gè)時(shí)間序列中各種尺度擾動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度,對(duì)應(yīng)峰值處的尺度稱為該序列的主要時(shí)間尺度。圖 3顯示遵義城區(qū)夏季平均氣溫及累積降水方差均存在約為 21a明顯周期振蕩。

圖 3 遵義城區(qū)夏季平均氣溫 (a)及累計(jì)降水 (b)小波方差

4.2 氣溫與降水的尺度變化關(guān)系

通過分別分析不同時(shí)間尺度變化關(guān)系得知 (圖略):整個(gè)時(shí)間域上,氣溫與降水變化的小波系數(shù)分布大體上是反相的,有比較好的反對(duì)應(yīng)關(guān)系。即偏暖期對(duì)應(yīng)降水相對(duì)偏少期,而偏冷期對(duì)應(yīng)降水的偏多期。

由于遵義城區(qū)平均氣溫及累積降水的主周期為 21 a,因此選取 21 a時(shí)間尺度作變化趨勢(shì)分析(圖 4):除 70年代中期,降水與溫度變化位相一致,表現(xiàn)為干冷結(jié)構(gòu),而 80年代初期表現(xiàn)為暖濕結(jié)構(gòu)外,其余時(shí)期溫度與降水變化總體表現(xiàn)為反位相,呈暖干、冷濕結(jié)構(gòu)。降水量在 20世紀(jì) 60—80年代波動(dòng)變化并不明顯,而 80年代以后變化尤為顯著。氣溫在整個(gè)時(shí)間域上波動(dòng)明顯。自 90年代后期—2009年,降水位相變化與溫度位相差基本為 180°,呈冷濕→干暖結(jié)構(gòu)變化。而在更小尺度上,不同階段的位相差異比大時(shí)間尺度更為復(fù)雜。

5 小結(jié)

圖 4 遵義城區(qū)夏季平均氣溫與累積降水在 21 a時(shí)間尺度的變化趨勢(shì)

時(shí)間變化的周期振蕩表現(xiàn)出來,大尺度的周期變化嵌套著小尺度的周期變化。遵義城區(qū)夏季氣溫在年代際上具有顯著周期特征,而降水在年際上有顯著周期特征。遵義城區(qū)在 1954—2009年時(shí)期內(nèi)溫度和降水存在約為 21 a的主周期。

②從遵義近幾年的夏季氣溫變化來看,大尺度變化處于較強(qiáng)的偏暖期,而小尺度的變化則處于弱的相對(duì)偏冷期。從降水變化來看,較大尺度變化處于強(qiáng)的少雨期,而小尺度變化則處于弱的相對(duì)多雨期。

③在整個(gè)時(shí)間域上,遵義氣溫與降水變化有比較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即偏暖期對(duì)應(yīng)降水的偏少期,而偏冷期則對(duì)應(yīng)降水的偏多期。

[1] 鄧自旺,林振山,尤衛(wèi)紅 .子波分析及其在大氣科學(xué)中的應(yīng)用方法[J].大氣科學(xué),1996,20(1):58-71.

[2] 胡增臻,石偉 .子波變換在大氣科學(xué)中的應(yīng)用研究[J].大氣科學(xué),1997,21(1):58-72.

[3] 邵曉梅,許月卿,嚴(yán)昌榮 .黃河流域降水序列變化的小波分析[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2006,42(4):503-509.

[4] 許月卿,李雙成,蔡運(yùn)龍 .基于小波分析的河北平原降水變化規(guī)律研究[J].中國科學(xué)D輯地球科學(xué),2004,34(12):1176-1183.

[5] 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):173-178.

[6] 嚴(yán)小冬,金建德,雷云.貴州冬、夏季氣溫和降水對(duì)比分析[J].貴州氣象,2005,29(增刊):3-7.

[7] 彭芳,王君軍.貴州夏季最高氣溫變率的時(shí)間分布特征[J].貴州氣象,2010,34(6):6-9.

[8] 吉廷艷,李玉柱,楊利群.貴州氣溫、降水及濕度等氣象要素的空間分布特征[J].貴州氣象,2000,24(1).

[9] 王備,嚴(yán)小冬,古書鴻.貴州夏季氣溫和降水變化特征分析[J].貴州氣象,2008,32(2):23-25.

Analysis about Characteristics of the Summer Temperature and Precipitation Variations of in recent 56 years in Zunyi

WANG Junjun1,WANG Hongli2

(1.ZunyiBureau ofMeteorology,Zunyi 563000;2.Guizhou Bureau ofMeteorology,Guiyang 550002)

Based on the monthlymean temperature and cumulative precipitation data during 1954-2009,this paper usesMexican hat function(MHF)for analysising the temperature and precipitation dataset during summer in recent 56 years,then revealing the complex structure,period and mutation of the summer temperature and precipitation on multi-time scales.The results show that:the summer temperature and precipitation have the multi-time periods,especially the significant interdecadal period,ofwhich the leading period is 21 years.There is a relatively good correspondence between the summer temperature and precipitation.In other words,the warmer period is in the corresponding of the less rainfall period and the cooler period is in the corresponding of the more rainfall period.

Mexican hat function(MHF);period oscillations;wavelet variance

P423;P426.6

A

1003-6598(2011)01-0006-04

2010-10-16

王君軍 (1982-),女,助工,主要從事中短期天氣預(yù)報(bào)工作。