近58年陜西省水熱資源變化及其與亞洲環(huán)流的相關(guān)分析

高雪嬌，李曉利

(榆林市氣象局，陜西榆林 719000)

近58年陜西省水熱資源變化及其與亞洲環(huán)流的相關(guān)分析

高雪嬌，李曉利

(榆林市氣象局，陜西榆林 719000)

摘 要：采用常規(guī)統(tǒng)計(jì)、功率譜和交叉小波變換方法，分析了陜西省1951—2008年的平均氣溫、降水量以及亞洲環(huán)流指數(shù)的時(shí)頻域統(tǒng)計(jì)特征，討論了陜西省近58年水熱資源變化與亞洲環(huán)流指數(shù)之間的多時(shí)間尺度相關(guān)。結(jié)果表明，陜西省水熱資源和亞洲環(huán)流指數(shù)的變化具有多時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)，兩者都存在準(zhǔn)2 a、4 a、6～8 a和12～16 a尺度的顯著變化周期，不同尺度周期振蕩能量的強(qiáng)弱和時(shí)域分布位相存在明顯差異。氣溫變化與緯向環(huán)流指數(shù)之間表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)振蕩，而降水變化與經(jīng)向環(huán)流指數(shù)為負(fù)相關(guān)振蕩。東亞及南亞夏季風(fēng)、極渦和北大西洋濤動(dòng)對(duì)陜西省水熱資源變化也存在不同程度的影響。

關(guān)鍵詞：環(huán)流指數(shù)；水熱資源；氣候變化；小波分析

氣候變化的影響是多方面的，未來(lái)的氣候變暖將會(huì)對(duì)中國(guó)的生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)以及水資源等部門(mén)和沿海地區(qū)產(chǎn)生重大的不利影響[1]。第四次IPCC報(bào)告指出，最近100 a(1906—2005年)全球平均地表溫度上升了0.56～0.92 ℃，比2001年第三次評(píng)估報(bào)告給出的100 a(1901—2000年)上升0.4～0.8 ℃有所提高[2]。陜西省處于中國(guó)內(nèi)陸腹地，黃河和長(zhǎng)江流域中部，地處東經(jīng)105°29′～111°15′和北緯31°42′～39°35′之間，南北氣候差異明顯，由北向南分為三大自然區(qū)域：北部陜北黃土高原、中部關(guān)中平原，南部秦巴山地。水熱資源的變化對(duì)該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境有著重要的影響，特別是對(duì)陜西中北部的干旱、半干旱地區(qū)。高蓓、肖軍等人利用Jones網(wǎng)格面積加權(quán)平均、氣候躍變的統(tǒng)計(jì)檢測(cè)等方法對(duì)陜西近50 a的氣候變化特征進(jìn)行了分析[3-4]；卜紅梅等人利用統(tǒng)計(jì)分析及Autoregression 模型等方法，研究了近50 a (1957—2004) 漢江上游金水河流域年和季節(jié)的氣溫、降水變化特征[5]；白愛(ài)娟等人指出近50 a 來(lái)冬季降水減少和氣溫升高是陜西省近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)氣候變化的主要特征，與北半球大氣環(huán)流的變化有密切關(guān)系[6]。

大氣環(huán)流異常是區(qū)域氣候異常的直接原因。許多學(xué)者對(duì)我國(guó)氣候異常與大氣環(huán)流的關(guān)系作了大量研究，但主要針對(duì)華北、長(zhǎng)江流域等東亞季風(fēng)區(qū)[7-9]，加深了對(duì)東亞氣候異常機(jī)理的認(rèn)識(shí)。施能、朱乾根等人在研究北半球冬季大氣環(huán)流遙相關(guān)型的長(zhǎng)期變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，WA、PNA型有明顯的趨勢(shì)變化以及年代際變化[10-11]。然而，目前有關(guān)亞洲環(huán)流系統(tǒng)對(duì)陜西省氣候變化以及由此而引起的對(duì)水熱資源變化的影響研究較少。以往關(guān)于陜西水熱氣候資源變化的研究工作，大多采用常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法討論以年為單位的水熱資源總量的變化，很少涉及水熱資源變化的原因分析，尤其是大氣環(huán)流對(duì)水熱資源的影響，兩者在時(shí)間域和頻率域中相關(guān)關(guān)系的研究更不多見(jiàn)。為此，本文采用將交叉譜和小波變換相結(jié)合的交叉小波變換方法，分析陜西地區(qū)水熱資源變化與亞洲環(huán)流指數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)特征，討論兩者在時(shí)頻域中的多時(shí) 間尺度相關(guān)關(guān)系，旨在于進(jìn)一步了解大氣環(huán)流的年代變化對(duì)陜西水熱資源的影響在不同時(shí)期和不同頻率上的特征，為區(qū)域氣候環(huán)境、水熱資源的客觀評(píng)估和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

采用1951—2008年陜西省19站點(diǎn)逐日氣溫和降水資料，其中陜北6站(榆林、橫山、綏德、吳起、延安、洛川)，關(guān)中6站(銅川、長(zhǎng)武、寶雞、武功、西安、華山)，陜南7站(略陽(yáng)、佛坪、漢中、石泉、安康、鎮(zhèn)安、商洛)，對(duì)個(gè)別站點(diǎn)資料的缺測(cè)記錄進(jìn)行了插補(bǔ)訂正[12]。資料來(lái)源于中國(guó)氣象局。環(huán)流特征量資料由國(guó)家氣候中心氣候整編計(jì)算，包括歐亞、亞洲環(huán)流指數(shù)，西太平洋副高指數(shù)，東亞季風(fēng)，南海季風(fēng)等11項(xiàng)資料。

1.2 方法

(1)常規(guī)統(tǒng)計(jì)

采用相關(guān)分析來(lái)判定水熱資源與大氣環(huán)流因子之間關(guān)系的密切程度，置信度檢驗(yàn)采用T檢驗(yàn)方法。采用功率譜分析[13-14]水熱資源變化的頻率特征。

(2)小波分析

在氣候變化方面，有諸多學(xué)者應(yīng)用小波變換方法對(duì)氣象要素的時(shí)頻變化特征進(jìn)行了研究，以及區(qū)域氣候變化與大氣環(huán)流、海氣相互作用等的相關(guān)分析[15-17]，都取得較好的應(yīng)用結(jié)果。本文采用連續(xù)小波變換和交叉小波變換方法分析陜西近58 a水熱資源的時(shí)頻變化及其與各環(huán)流指數(shù)的相關(guān)關(guān)系。

2 水熱資源變化特征

2.1 時(shí)空分布

如圖1所示，近58 a陜西省平均氣溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。1980年代前近40 a的年平均氣溫較為穩(wěn)定。但從1980年代末起，氣溫增幅顯著，1990年代的平均氣溫比1980年代升高0.6℃。進(jìn)入21世紀(jì)，增幅減緩，2000—2008年平均氣溫比1990年代升高0.4 ℃，較1980年代前升高1.0 ℃。

圖1 陜西省1951—2008年年平均氣溫和年降水量變化

近58 a陜西年降水量呈下降趨勢(shì)，1960年代出現(xiàn)最大值， 1950和1980年代出現(xiàn)極大值，最小值出現(xiàn)在1990年代，相差500 mm左右。降水量偏少年遠(yuǎn)多于偏多年，年降水量負(fù)距平年是正距平年的2倍多，負(fù)距平百分率均在20%以下，而正距平百分率有5 a超過(guò)了30%，最大在1964年為46%，年平均降水量達(dá)950 mm。另外，1985年之后，年平均降水量和氣溫表現(xiàn)為反相距平，降水以負(fù)距平為主，氣溫以正距平為主。

陜西省南北區(qū)域狹長(zhǎng)，氣候差異明顯。由圖2可見(jiàn)，年平均氣溫和降水分布近似平行于地理緯線。南北兩端年平均氣溫相差達(dá)7 ℃，平均值出現(xiàn)在34°N附近，最大值出現(xiàn)在陜南的安康地區(qū)，而在關(guān)中東部存在一個(gè)低值中心，是由于受到高山站華山站(海拔2 057.9 m)的影響，導(dǎo)致氣溫較周邊地區(qū)偏低；年平均降水量最大值位于陜南的漢中市東南部，最小值在陜北的橫山縣一帶，相差了500 mm，在華山一帶出現(xiàn)次高值832 mm，可能是由于秦嶺大地形的作用，平均值出現(xiàn)在34°N略偏北地區(qū)。

2.2 區(qū)域差異

陜西省長(zhǎng)城沿線以北為溫帶干旱半干旱氣候，陜北南部和關(guān)中平原為暖溫帶半干旱或半濕潤(rùn)氣候，陜南盆地為北亞熱帶濕潤(rùn)氣候，山地大部為暖溫帶濕潤(rùn)氣候。因此，各區(qū)域氣象要素具有明顯的差異。年平均氣溫由北向南依次遞增，關(guān)中較陜北高1.5～2.2 ℃，而陜南比關(guān)中高2.4～3.1 ℃。

由圖3a可見(jiàn)，各區(qū)域年平均氣溫變化趨勢(shì)差異明顯，陜北年平均氣溫升高趨勢(shì)最明顯，關(guān)中次之、陜南最小，陜北、關(guān)中、陜南近58 a年平均氣溫分別以0.24 ℃/10 a、0.12 ℃/10 a、0.08 ℃/10 a的速率升高。

圖2 陜西省1951—2008年年平均氣溫(a,單位為 ℃)和年降水量(b，單位為mm)的分布圖

圖3 陜西省1951—2008年各區(qū)域年平均氣溫(a)年降水量(b)變化趨勢(shì)

降水是水資源的主要補(bǔ)給來(lái)源，由于氣候變暖的原因，近幾十年來(lái)我國(guó)年降水量平均以12.7 mm/10 a的速度減少[15]。近58 a陜西的陜北、關(guān)中、陜南各區(qū)的年降水量也呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢(shì)，如圖3b。陜北、關(guān)中和陜南分別以5.8 mm/10 a、22.8 mm/10 a、19.1 mm/10 a的速率減少。

綜合陜西各區(qū)域的氣溫、降水變化情況，表明關(guān)中地區(qū)的氣候生態(tài)可能向陜北地區(qū)的干旱性氣候轉(zhuǎn)變，陜西省的干旱程度加重，干旱區(qū)域面積也在增加。

2.3 年代際變化

陜西省近58 a的年平均氣溫和降水量除了具有明顯的年際變化和地域差異外，季節(jié)差異也存在年代際變化。如表1所示，1980年代前，氣溫負(fù)距平居多，1990年代后均為正距平。春季和冬季均在2000年代達(dá)到最大正距平。秋、冬季在1990年代升溫最快。春季在2000年代升溫快。而夏季卻在1980年代出現(xiàn)明顯降溫，1990年代又迅速升溫。

陜西屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，降水量也存在季節(jié)的年際變化。夏、秋季為降水集中期，降水量分別為957.1 mm、535.6 mm，占全年的76.9%。冬季僅占全年的3.3%，是全年的干旱期。不同年代的季節(jié)降水量相對(duì)于整個(gè)季節(jié)的降水量距平表明，2000年代春季降水量明顯下降，造成春旱，容易對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響；冬季差異不明顯。夏、秋季降水量年代際波動(dòng)明顯，1950—1960年代降水充足，1990年代降水量呈明顯下降趨勢(shì)，出現(xiàn)最大負(fù)距平，較10 a前減少近170 mm，旱象嚴(yán)重，極大地影響了作物產(chǎn)量、品質(zhì)。

表1 1951—2008年各年代各季節(jié)平均氣溫和降水量距平

3 水熱資源的變化周期

3.1 功率譜分析

功率譜是識(shí)別頻率域中時(shí)間序列周期信號(hào)的有力工具。由圖4a可見(jiàn)，陜西氣溫變化具有準(zhǔn)2 a、3～6 a和12～16 a時(shí)間尺度的周期振蕩，周期顯著性都通過(guò)了置信水平α=0.05的F檢驗(yàn)；由圖4b可見(jiàn)，陜西降水量變化具有準(zhǔn)2 a、4～6 a和12～16 a時(shí)間尺度的周期振蕩，而12～16 a周期顯著性沒(méi)有通過(guò)檢驗(yàn)，說(shuō)明陜西年平均降水量的年代際變化不明顯。

圖4 陜西省氣溫(a)、降水量(b)距平的功率譜圖

3.2 連續(xù)小波分析

陜西省月平均氣溫和降水量在年際和年代際的時(shí)域分布都不均勻，局部化特征明顯。

圖5a中，月平均氣溫的年際尺度變化主要表現(xiàn)為4 a和8 a的周期振蕩，4 a尺度的小波系數(shù)等值線較密集，冷暖交替的突變點(diǎn)位置清楚，閉合中心數(shù)值較大，表明該周期信號(hào)明顯。年代際變化表現(xiàn)在12～16 a和24 a左右的時(shí)間尺度。在16 a時(shí)間尺度上，主要經(jīng)歷5個(gè)冷暖交替，分別出現(xiàn)在1960、1968、1978、1988和1999年前后。32 a大尺度上出現(xiàn)三個(gè)突變點(diǎn)，分別是1960、1978和1999年。

圖6a中，月平均降水量在年際尺度上有2 a和4～8 a的周期振蕩；2 a尺度的小波系數(shù)等值線較密集。年代際變化表現(xiàn)在12～16 a和24 a左右的時(shí)間尺度上。在16 a時(shí)間尺度上，主要經(jīng)歷4個(gè)干濕交替，突變點(diǎn)位置分別出現(xiàn)在1958、1965、1990和2004年前后。32 a大尺度上在1958、1972和1985年出現(xiàn)三個(gè)突變點(diǎn)。

圖5b 和 圖6b分別為陜西省月平均氣溫、降水量的Morlet小波變換系數(shù)模的對(duì)數(shù)值在時(shí)頻域中的分布，圖中虛線表示值小于0，實(shí)線表示值大于等于0。小波系數(shù)模的大小，只表明其所對(duì)應(yīng)時(shí)段和時(shí)間尺度的周期性是否明顯，并不代表各種周期變化成分能量的大小，與Fourier分析完全不同。年際尺度變化中，氣溫和降水的準(zhǔn)2 a和4 a的周期性變化明顯，高值閉合中心都分別位于1968年和1995年前后；氣溫年代際尺度變化表現(xiàn)為12～16 a和28 a左右的周期信號(hào)，降水年代際尺度變化表現(xiàn)為8～16 a和28 a左右的周期信號(hào)，且都以全時(shí)域的8～16 a周期振蕩最為顯著，28 a周期較為顯著。

圖5 陜西省月平均氣溫距平的小波變換實(shí)部(a)和模(b)

圖6 陜西省月平均降水距平的小波變換實(shí)部(a)和模(b)

4 水熱資源與環(huán)流指數(shù)的相關(guān)

4.1 統(tǒng)計(jì)相關(guān)

大氣環(huán)流系統(tǒng)具有年際和年代際變化，對(duì)不同地區(qū)氣候的影響作用也不相同。為了了解陜西省水熱資源變化與大氣環(huán)流系統(tǒng)之間的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)了陜西省月平均氣溫、降水量與環(huán)流特征指數(shù)的同期相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，陜西省月平均氣溫、降水量與東亞夏季風(fēng)指數(shù)、南亞和南海夏季風(fēng)指數(shù)的相關(guān)顯著。氣溫與東亞夏季風(fēng)、南亞夏季風(fēng)指數(shù)之間呈顯著的正相關(guān)，而降水則與東亞夏季風(fēng)、南海夏季風(fēng)指數(shù)之間表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)，都通過(guò)了置信水平0.05的T檢驗(yàn)。東亞、南亞以及南海夏季風(fēng)都是亞洲環(huán)流系統(tǒng)的主要因子，因此亞洲環(huán)流對(duì)陜西省氣候變化具有顯著作用。

表3 1951—2008年陜西省月平均氣溫、月平均降水量與環(huán)流特征指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

4.2 交叉小波分析

采用交叉小波變換方法，分析陜西水熱資源變化與亞洲環(huán)流指數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)特征，討論兩者在時(shí)頻域中的多時(shí)間尺度相關(guān)關(guān)系。

圖7a中，陜西省氣溫與緯向環(huán)流指數(shù)在各個(gè)時(shí)間尺度上都是正相關(guān)。其中20 a周期相關(guān)最強(qiáng)；圖7b中，對(duì)應(yīng)4 a尺度的周期振蕩，1965—1970年、 1978—1982年、 1997—2004年，兩列信號(hào)表現(xiàn)為比較強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系；1956、1965、1969、1980、1990、2000年在1 a左右時(shí)間尺度上也呈較明顯的正相關(guān)。在1960、1970、1982—1990、2006年在準(zhǔn)2 a時(shí)間尺度上表現(xiàn)為弱的正相關(guān)，而在12～16 a周期上幾乎整個(gè)時(shí)域中兩者均表現(xiàn)為較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。這種復(fù)雜的不同程度正相關(guān)關(guān)系表明，在各異的時(shí)頻上陜西省氣溫變化與亞洲緯向環(huán)流指數(shù)的相關(guān)具有多時(shí)間尺度和多層次的特征。

圖8a給出了陜西省降水量變化與亞洲緯向環(huán)流指數(shù)變化的交叉小波功率譜。在4 a、8 a和16 a尺度上相關(guān)為負(fù)，在16 a尺度上負(fù)相關(guān)最強(qiáng)；在2 a、5 a和12 a相關(guān)為正，在12 a尺度上正相關(guān)最強(qiáng)。圖8b中，對(duì)應(yīng)4 a尺度的周期振蕩，1960—1965年、1980—1985年，兩者表現(xiàn)為強(qiáng)的負(fù)相關(guān)；1955、1975和1995年在1 a左右時(shí)間尺度上也呈較明顯正相關(guān)，1958、1980和1999年在1 a左右時(shí)間尺度上也呈較明顯負(fù)相關(guān)；在12～16 a周期上1972—1992年表現(xiàn)為較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。陜西降水量變化與亞洲緯向環(huán)流指數(shù)變化的相關(guān)不僅具有多尺度和多層次特征，而且在不同時(shí)域中不同頻率尺度的相關(guān)關(guān)系也不相同。

圖7 陜西省氣溫變化與緯向環(huán)流指數(shù)的交叉小波功率譜(a)和交叉小波變換(b)

圖8 陜西省降水變化與緯向環(huán)流指數(shù)的交叉小波功率譜(a)和交叉小波變換(b)

經(jīng)向環(huán)流的影響也不容忽視。圖9a是陜西省氣溫變化與亞洲經(jīng)向環(huán)流指數(shù)變化的交叉小波功率譜。在準(zhǔn)1 a、準(zhǔn)2 a和13 a尺度上兩者為負(fù)相關(guān)，13 a尺度上負(fù)相關(guān)最強(qiáng)；在7 a和20 a尺度上兩者為正相關(guān)，其中20 a尺度上正相關(guān)達(dá)到最強(qiáng)。圖9b中，對(duì)應(yīng)4 a尺度的周期振蕩，各個(gè)年代尺度的相關(guān)性都不是很明顯；1955、1962、1980、1988、1994年和2002年在1 a左右時(shí)間尺度上也呈較明顯的正相關(guān)。1958、1970、1978和1999年在準(zhǔn)2 a時(shí)間尺度上表現(xiàn)為較弱正相關(guān)，而1980—2005年在12～16 a周期上幾乎整個(gè)時(shí)域中兩者均表現(xiàn)為較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。亞洲經(jīng)向環(huán)流對(duì)陜西省氣溫變化的影響主要表現(xiàn)在年代際尺度上。

圖9 陜西省氣溫變化與經(jīng)向環(huán)流指數(shù)變化的交叉小波功率譜(a)和交叉小波變換(b)

圖10a顯示陜西降水變化與徑向環(huán)流指數(shù)之間在年際和年代際尺度上都是負(fù)相關(guān)，其中15 a尺度負(fù)相關(guān)程度最強(qiáng)。圖10b中，對(duì)應(yīng)4 a尺度的周期振蕩在年際尺度上的相關(guān)性都不是很明顯；1955、1962、1976、1985、1990和2000年在1 a左右時(shí)間尺度上表現(xiàn)為正相關(guān)；1960、1970、2006年在準(zhǔn)2 a時(shí)間尺度上表現(xiàn)為弱正相關(guān)；而1975—2005年在12～16 a周期上幾乎整個(gè)時(shí)域中兩者均表現(xiàn)為較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。就長(zhǎng)期變化而言，亞洲經(jīng)向環(huán)流增強(qiáng)時(shí)，陜西降水量偏少。

圖10 陜西省降水變化與經(jīng)向環(huán)流指數(shù)變化的交叉小波功率譜(a)和交叉小波變換(b)

5 結(jié)論與討論

5.1 近58 a陜西省各區(qū)的氣溫有明顯的增加趨勢(shì)，增溫幅度由北向南遞減；降水量呈下降趨勢(shì)，關(guān)中地區(qū)最為明顯。

5.2 陜西的氣溫變化具有4 a、8 a、12～16 a和28 a左右的周期振蕩，尤其是4 a尺度最為明顯；降水量變化具有2 a、4～8 a、16 a和28 a左右的周期振蕩，2 a尺度最為明顯。

5.3 陜西氣溫變化與亞洲緯向環(huán)流指數(shù)之間在各年代尺度周期上表現(xiàn)為正相關(guān)，在20 a尺度周期上最強(qiáng)；與經(jīng)向環(huán)流在13 a尺度周期上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，20 a尺度為正相關(guān)。陜西降水量變化與緯向環(huán)流在2 a、12 a尺度周期上表現(xiàn)為正相關(guān)，4 a、16 a尺度周期上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)；與經(jīng)向環(huán)流指數(shù)之間在各年代尺度周期上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，在15 a尺度周期上負(fù)相關(guān)最強(qiáng)。

5.4 引起陜西水熱資源變化的原因很多，除了亞洲環(huán)流系統(tǒng)外，極地渦旋、洋面濤動(dòng)等海氣相互作用也是影響陜西地區(qū)氣溫和降水變化的重要因素，其影響及機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

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中圖分類號(hào)：P467.1

A

文章編號(hào)：1006-4354(2013)05-0001-08

收稿日期：2013-04-07

作者簡(jiǎn)介：高雪嬌(1988—)，女，陜西米脂人，漢族，學(xué)士，助理工程師，從事天氣預(yù)報(bào)與研究。