1961-2010年錫林浩特地區(qū)夏季降水量特征的小波分析

王英舜,賀俊杰

(內(nèi)蒙古錫林浩特國家氣候觀象臺，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

1961-2010年錫林浩特地區(qū)夏季降水量特征的小波分析

王英舜,賀俊杰

(內(nèi)蒙古錫林浩特國家氣候觀象臺，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

運(yùn)用墨西哥帽函數(shù)(Mexican Hat Function)小波分析方法對錫林浩特地區(qū)50年來夏季降水量進(jìn)行了小波分析。結(jié)果表明，夏季降水量在不同時間尺度上的周期變化不同，在較大時間尺度上振蕩平緩，在較小時間尺度上振蕩劇烈。夏季降水量周期振蕩的第1～4主周期分別為30年、27年、24年和21年，夏季降水量多少和周期變化對年降水量產(chǎn)生一定影響。該區(qū)夏季降水量在30年以上較大時間尺度上存在7～15年的周期變化；在15年時間尺度上存在明顯的10年左右的周期變化；在9年時間尺度上存在2～9年的周期變化；在3年以下較小時間尺度上周期振蕩明顯加強(qiáng)，無穩(wěn)定周期，降水存在明顯的不確定性。降水量的多少是決定草地植被生長狀況和營養(yǎng)成分積累及含量的主要原因之一。

典型草原；牧草；降水量；氣候變化；小波分析

研究區(qū)位于錫林郭勒草原中部的錫林浩特(115°13′-117°06′ E，43°02′-44°52′ N)，屬中溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，風(fēng)大、雨少、寒冷，年均氣溫2.6 ℃，年均風(fēng)速3.4 m·s-1，年均降水量271.4 mm，光、熱、水同季?？衫貌莸孛娣e達(dá)177.9萬hm2，占總土地面積的87.5%，草地類型以典型草原為主體。以往對錫林浩特氣候變化特征在降水量方面的研究較少，而在氣溫方面居多[1,8-10]。由于氣候特征所限，研究區(qū)水資源的主要來源是大氣降水，且全年降水集中于夏季。因此，研究夏季降水的氣候特征，對于草原生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展和農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整都有重要的指導(dǎo)意義。

本研究利用錫林浩特1961-2010年夏季降水量資料，分析該區(qū)1961-2010年降水量氣候變化特征，旨在為預(yù)測未來該地區(qū)降水量的趨勢提供參考。

1 材料與方法

1.1資料來源、試驗地點、時間

數(shù)據(jù)來源于錫林浩特國家基本氣象站1961-2010年夏季降水量資料。該站位于錫林浩特地區(qū)典型草原中部(116°07′ E，43°57′ N)，占地面積10 hm2，地勢開闊平坦，天然牧草覆蓋地表。

1.2分析方法

采用變差系數(shù)[11]和墨西哥小波[12]描述降水量在不同年代的相對變化和在不同時段上的振蕩周期主要變化。

1.3小波分析方法概述

小波分析是一種時、頻多分辨率的分析方法。小波變換的離散形式和墨西哥帽狀母小波函數(shù)見公式(1)、(2)。

礦權(quán)范圍內(nèi)圈定70個金礦體，全部為盲礦體，根據(jù)礦石氧化程度分類，礦石類型全部為原生礦。巖性為黃鐵絹英巖化碎裂巖和黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖，礦石結(jié)構(gòu)以自形—半自形晶粒狀結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)為主，其次為包含結(jié)構(gòu)，填隙結(jié)構(gòu)等。礦石構(gòu)造主要有浸染狀構(gòu)造、細(xì)脈狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造和斑狀構(gòu)造等。礦石礦物成分由金屬礦物、非金屬礦物組成，其中金屬礦物主要有黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、自然金、銀金礦等，非金屬礦物主要有石英、絹云母、長石、方解石等[8-10]，其中金礦物呈亮黃色，粒狀—不規(guī)則狀，粒徑一般在0.01～0.03mm，主要包含黃鐵礦或分布在黃鐵礦晶隙、裂隙脈石礦物粒間或脈石礦物中(圖5)。

(1)

(2)

本研究采用墨西哥小波(母小波Mexican Hat函數(shù))[12]分析方法，其計算過程為：根據(jù)研究問題的時間尺度確定出頻率參數(shù)a的初值和a增長的時間間隔；選定并計算母小波函數(shù)；將確定的頻率a，研究對象序列f(t)及母小波函數(shù)ψ(t)代入式(1)，算出小波變換ωf(a,b)；將小波變換結(jié)果繪制為二維圖像，橫坐標(biāo)為時間參數(shù)b，縱坐標(biāo)為頻率參數(shù)a，圖中數(shù)值為小波系數(shù)。這樣就可以對氣候系統(tǒng)的時頻結(jié)構(gòu)作細(xì)致的分析，提取有價值的信息。

2 結(jié)果與分析

2.1夏季降水變化趨勢

錫林浩特地區(qū)1961-2010年夏季降水量呈現(xiàn)減少趨勢(氣候傾向率為-9.90 mm·10 a-1)；夏季降水量在1969-1981年和1987-1998年為偏多期，其余年份為偏少期(圖1)。夏季降水量最大值出現(xiàn)在1974年，為443.6 mm，最小值出現(xiàn)在2005年，為74.2 mm，極差為369.4 mm。夏季降水量從1985年開始至21世紀(jì)初期下降最為明顯。

圖1 錫林浩特地區(qū)夏季降水量歷年值、歷年平均值變化Fig.1 Summer precipitation and mean value of the periods of 1961 to 2010 in Xilinhot

2.2夏季降水特征的小波分析

研究表明，50年夏季平均降水量占年平均降水量的69.0%(1961-2010年夏季降水量均值為187.4 mm，年降水量均值為271.4 mm)。說明該地區(qū)降水存在明顯的季節(jié)差異，全年降水主要集中在夏季。因此，對夏季降水量的周期變化進(jìn)行分析，揭示其對年降水量周期變化的影響十分必要。

對夏季降水量進(jìn)行小波分析發(fā)現(xiàn)(圖2a)，夏季降水量變化周期在大尺度上振蕩頻率較低，而在小尺度上較高。夏季降水量振蕩的第1、第2、第3和第4主周期分別為30年、27年、24年和21年(圖2b)。夏季降水量距平和第1～4主周期的小波變換系數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.41、0.42、0.43和0.44(通過了0.01水平顯著性檢驗)，說明夏季降水變化在以上4個主周期振蕩顯著。

圖2 1961-2010年夏季降水量小波分析與小波均方差Fig.2 Wavelet analysis and wavelet mean square error for summer precipitation of the periods of 1961 to 2010

夏季降水量在3年以下的較小時間尺度上變化的幅度較小(圖3)。夏季降水量變化在1961-1966年、1981-1987年和1998-2006年相對穩(wěn)定，其余年份大部分發(fā)生1～2年的振動；夏季降水量變化在9年時間尺度上存在2～9年的周期變化，1961-1970年、1978-2000年和2003-2010年降水量變化較穩(wěn)定，其余年份大部分發(fā)生3～4年的振動，最強(qiáng)的振動發(fā)生于1974年(圖3)。

夏季降水量變化在15年時間尺度上存在著十分明顯的10年前后的周期變化(圖3)，即1972-1979年和1989-1998年的偏多期，1961-1971年、1980-1988年和1999-2010年的偏少期；夏季降水量變化在30年以上的較大時間尺度上存在著明顯7～15年左右的周期變化(圖3)，即1969-1979年和1987-2001年的偏多期，1961-1968年、1980-1986年和2002-2010年的偏少期。由圖2可知，12年以上尺度的正位相等值線未封閉，說明在較大時間尺度上錫林浩特地區(qū)夏季降水量呈現(xiàn)偏多趨勢。

2.3夏季降水量與典型草原牧草生長狀況及營養(yǎng)成分的關(guān)系

天然草地牧草是草食家畜賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ), 草地牧草的生長狀況和營養(yǎng)含量直接影響著草食家畜的體質(zhì)和生產(chǎn)性能。目前普遍認(rèn)為，草原的初級生產(chǎn)量主要受水分的影響[13-14], 而土壤水分的來源主要依靠大氣降水，絕大部分降水轉(zhuǎn)化成土壤水分被植物根系吸收來維持其正常的生長發(fā)育。本研究利用1986-2013年錫林浩特國家氣候觀象臺牧草生長狀況以及2004-2013年錫林浩特地區(qū)天然草地牧草營養(yǎng)成分化驗資料(資料來源于錫林浩特國家氣候觀象臺)分別與同期夏季降水量進(jìn)行相關(guān)分析(表1)。

典型草原牧草蓋度與降水量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，牧草高度、產(chǎn)量與降水量呈顯著的正相關(guān)(P<0.05)。而牧草的主要營養(yǎng)成分粗蛋白含量和粗灰分含量與降水量相關(guān)性不顯著(P>0.05)；粗脂肪含量、無氮浸出物含量和粗纖維含量與降水量不相關(guān)。說明降水偏多時，牧草生長狀況良好，牧草幼嫩枝葉生長加快，植株生長茂盛；而當(dāng)降水偏少時，結(jié)果則相反。

圖3 1961—2010年夏季降水量不同時間尺度周期演變特征Fig.3 Periodic characteristics of summer precipitation in different temporal scale of the periods of 1961 to 2010

表1 夏季降水量與典型草原牧草生長狀況及主要營養(yǎng)成分的關(guān)系Table 1 The relationship of summer precipitation and grass growth conditions and grassnutrients in the typical steppe

3 討論與結(jié)論

降水變化是一個地區(qū)氣候變化的重要因素之一，錫林浩特地區(qū)1961-2010年夏季降水量呈現(xiàn)減少趨勢。冬季東亞槽的減弱以及春季蒙古高原地區(qū)的高度值偏高，是近年來華北夏季降水減少的原因之一[15]；從年代際和年際變化來看，河北平原夏季降水和年降水具有相同的變化趨勢和位相，即夏季降水較多時，年降水也較多，反之亦反[16]。因此，錫林浩特地區(qū)夏季降水量減少是導(dǎo)致年降水量減少的主要原因。

降水時間尺度的大小決定了周期變化不同，降水量周期小尺度較大尺度明顯縮短，振幅也較大尺度明顯。夏季降水量變化周期在大尺度上振蕩頻率較低，而在小尺度上較高。夏季降水量振蕩的第1、第2、第3和第4主周期分別為30年、27年、24年和21年。夏季降水量在30年以上較大時間尺度上存在7～15年的周期變化；在15年時間尺度上存在明顯10年左右的周期變化；在9年時間尺度上存在2～9年的周期變化；在3年以下較小時間尺度上周期振蕩明顯加強(qiáng)，周期較短、無穩(wěn)定周期，說明降水存在明顯的不確定性。夏季降水量存在準(zhǔn)3年和準(zhǔn)8年的變化周期，8年左右的變化周期在30年中始終存在[17]；張利平等[18]對我國華北地區(qū)降水量115年(1886-2000年)的變化分析表明，降水量主要存在著準(zhǔn)60年、10～20年、2～5年左右的周期。

牧草的生長發(fā)育主要受降水和溫度的影響。其中，溫度主要控制牧草生育期的長短，降水直接影響牧草的生長發(fā)育狀況，即充足的水分條件是滿足牧草生長發(fā)育的基礎(chǔ)。夏季(6-8 月)是牧草生長發(fā)育的關(guān)鍵期，也是需水的關(guān)鍵期。分析發(fā)現(xiàn)，牧草生長狀況的好壞隨降水量的周期變化而變化，在較小的時間尺度上表現(xiàn)尤為明顯。有關(guān)研究表明，夏季降水量≥10 mm過程降水對牧草的生長起關(guān)鍵作用[19]。大氣降水的時間分布對天然牧草產(chǎn)量影響不同，以6月下旬最大，降水量每增減1 mm，牧草產(chǎn)量增減18.4 g·m-2[20]。降水量的多少不但影響牧草生長發(fā)育狀況，而且還影響牧草營養(yǎng)成分的積累和含量，但不同群落時空變化導(dǎo)致了水分利用效率的差異[21]，降水量對不同草原類型牧草營養(yǎng)成分的影響遠(yuǎn)大于固定區(qū)域(當(dāng)?shù)?。研究發(fā)現(xiàn)，典型草原牧草營養(yǎng)成分在荒漠化草原、典型草原和草甸草原3個草原類型中居中等水平，高于草甸草原、低于荒漠化草原[22]，與降水量的空間分布呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。說明3種草原類型區(qū)的降水量是導(dǎo)致上述結(jié)果的主要原因之一。因此，降水量的多少決定了草地植被的生長狀況和牧草營養(yǎng)成分。

降水減少的原因涉及氣候變化等多方面因素[23]。本研究利用小波分析方法，分析研究區(qū)半個世紀(jì)來夏季降水的變化趨勢和多時間尺度變化特征僅是一次初步的嘗試，尚需進(jìn)一步深入研究。

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(責(zé)任編輯 武艷培)

ThewaveletanalysisofsummerprecipitationcharacteristicsinXilinhotfrom1961to2010

WANG Ying-shun, HE Jun-jie

(Xilinhot National Climate Observatory, Xilinhot 026000, China)

Using the wavelet analysis method with Mexican Hat Function, the characteristics of summer precipitation in Xilinhot from 1961 to 2010 was analyzed.The results showed that the cycle of summer precipitation varied with timescales which supported by weak oscillation with larger timescale and volatile oscillation with smaller timescale.The first, second, third and fourth main period of summer precipitation periodic oscillation was 30, 27, 24 and 21 years, respectively.The summer precipitation and periodic changes had an impact on annual precipitation.For the summer precipitation, the cycle was 7 to 15 year for the timescale with more than 30 years, the cycle was 10 years for a 15 year timescale and the cycle was 2 to 9 years for a 9 year timescale.For the timescale with less than 3 years, the periodic oscillation significantly strengthened, the cycle was shorter and unstable, and the precipitation was obviously uncertain.The precipitation was the key factor to determine the grassland vegetation growth status and nutrient accumulation and content.

typical grassland; grass; precipitation; climate change; wavelet analysis

HE Jun-jie E-mail：qxhjj@126.com

2014-01-29 接受日期：2014-05-28

錫林郭勒盟科技局科技項目(201320)

王英舜(1965-)，男，內(nèi)蒙古錫林浩特人，高級工程師，碩士，研究方向為生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象。E-mail:wys5959@163.com

賀俊杰(1964-)，男，內(nèi)蒙古錫林浩特人，高級工程師，本科，研究方向為生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象。E-mail:qxhjj@126.com

S812.1

：A

：1001-0629(2014)11-2021-05

10.11829j.issn.1001-0629.2014-0056