近60年來(lái)太原市氣溫變化周期性分析

王電龍

（山西省水利建設(shè)開發(fā)中心）

近60年來(lái)，太原地區(qū)的氣溫顯著升高，從20世紀(jì)50年代的年均氣溫9℃升高到2010-2011年的11.4℃。氣溫升高，對(duì)水循環(huán)系統(tǒng)影響明顯：一方面導(dǎo)致地面蒸發(fā)量升高，灌溉需水量增大；另一方面與降水量增減聯(lián)系密切。因此，研究近60年來(lái)太原地區(qū)的氣溫變化規(guī)律，可為進(jìn)一步了解該區(qū)的水循環(huán)演變規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

本項(xiàng)研究采用小波變換法，分析了近60年來(lái)太原地區(qū)的氣溫變化規(guī)律，著重研究氣溫總體變化趨勢(shì)與周期變化特點(diǎn)，旨在為我省目前正在開展的汾河流域生態(tài)修復(fù)規(guī)劃及水循環(huán)演變規(guī)律提供一定的理論支持。

1 研究區(qū)概況

太原地區(qū)位于汾河河谷平原上，總面積1 460.2 km2，境內(nèi)主要河流為汾河。氣候區(qū)劃屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年日照時(shí)數(shù)2 360-2 796 h；多年平均降水量436.9 mm，多集中在6-9月，占全年總量的60%以上；多年平均氣溫9.9℃，其中，1-3月份-1.23℃，4-6月份 17.31℃，7-9月份20.75℃，10-12月份2.77℃。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用的1951-2010年太原市逐月氣溫?cái)?shù)據(jù)，來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。采用小波變換法對(duì)研究區(qū)1-3月、4-6月、7-9月、10-12月及全年的平均氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先，采用Morlet小波函數(shù)對(duì)氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行1-60年尺度連續(xù)小波變換，得到小波變換系數(shù)圖及小波方差圖，研判氣溫演變周期；然后，根據(jù)主周期尺度上小波系數(shù)變化趨勢(shì)，劃分氣溫變化高溫及低溫周期。

3 研究結(jié)果

3.1 1-3月氣溫演變規(guī)律

由圖1（a）可以看出，近60年來(lái)，研究區(qū)1-3月份平均氣溫序列在4年、12年和27年左右尺度震蕩強(qiáng)烈，經(jīng)歷了高溫周期（實(shí)線）到低溫周期（虛線）的往復(fù)變化過程。結(jié)合小波方差圖1（b）可以看出，小波方差在27年尺度上，能量最高，峰值最大，說明在27年尺度上為主周期，12年和4年為次周期。從主周期尺度上的小波系數(shù)圖1（c）可以看出，1951-1962年為一個(gè)不完整的低溫周期（負(fù)值），1963-1978年為一個(gè)完整高溫周期（正值），1979-1994年為一個(gè)完整低溫周期，1995-2010年為一個(gè)不完整高溫周期。

3.2 4-6月氣溫演變規(guī)律

由圖2（a）可以看出，近60年來(lái)，研究區(qū)4-6月份平均氣溫序列在5年、10年和27年左右尺度震蕩強(qiáng)烈。結(jié)合小波方差圖2（b）可以看出，小波方差在27年尺度上，能量最高，峰值最大，說明在27年尺度上為主周期，10年和5年為次周期。與1-3月份氣溫序列變化周期基本一致。從主周期尺度上的小波系數(shù)圖2（c）可以看出，1951-1962年為一個(gè)不完整低溫周期（負(fù)值），1963-1979年為一個(gè)完整高溫周期（正值），1980-1996年為一個(gè)完整低溫周期，1997-2010年為一個(gè)不完整高溫周期。

圖1 1-3月平均氣溫小波變換圖

圖2 4-6月平均氣溫小波變換圖

3.3 7-9月氣溫演變規(guī)律

結(jié)合圖3（a，b）可以看出，近60年來(lái)，研究區(qū)7-9月份平均氣溫序列在7年尺度上震蕩強(qiáng)烈，且小波方差形成峰值，說明氣溫序列存在7年左右的周期變化。同時(shí)，可以看出小波系數(shù)在50年以上大尺度上沒有閉合，小波方差也沒有達(dá)到峰值，說明氣溫序列存在50年以上的大尺度周期。圖3（c）為小波系數(shù)在7年尺度上的變化規(guī)律，可以判斷，1951-1954年為一個(gè)不完整低溫周期（負(fù)值），1955-1958年為一個(gè)完整高溫周期（正值），1959-1961年為一個(gè)完整低溫周期，1962-1966年為一個(gè)完整高溫周期，1967-1971年為一個(gè)完整低溫周期，1972-1976為一個(gè)完整高溫周期，1977-1980年為一個(gè)完整的低溫周期，1981-1983年為一個(gè)完整的高溫周期，1984-1988年為一個(gè)完整的低溫周期，1989-1992年為一個(gè)完整的高溫周期，1993-1996年為一個(gè)完整低溫周期，1997-2001年為一個(gè)完整高溫周期，2002-2005為一個(gè)完整低溫周期，2006-2010為一個(gè)不完整低溫周期。

圖3 7-9月平均氣溫小波變換圖

3.4 10-12月氣溫演變規(guī)律

由圖 4（a，b）可以看出，近 60 年來(lái)，研究區(qū) 10-12月份平均氣溫序列存在8年、13年左右的演化周期，同時(shí)還存在超過55年尺度的大周期。由圖4（c）氣溫序列在13年周期尺度上小波系數(shù)圖變化規(guī)律可以判斷，1951-1957年為一個(gè)不完整低溫周期（負(fù)值），1958-1966年為一個(gè)完整高溫周期（正值），1967-1974年為一個(gè)完整低溫周期，1975-1982年為一個(gè)完整高溫周期，1983-1991年為一個(gè)完整低溫周期，1992-1998年為一個(gè)完整高溫周期，1999-2005為一個(gè)完整低溫周期，2006-2010為一個(gè)不完整高溫周期。

圖4 10-12月平均氣溫小波變換圖

圖5 全年平均氣溫小波變換圖

3.5 全年氣溫演變規(guī)律

結(jié)合圖 5（a，b），近 60年來(lái)，研究區(qū)年平均氣溫序列存在13年和18年的中尺度演變周期，同時(shí)存在超過55年的大尺度演變周期。由圖5（c）氣溫序列在28年周期尺度上小波系數(shù)圖變化規(guī)律可以判斷，1951-1960年為一個(gè)不完整的低溫周期（負(fù)值），1961-1977年為一個(gè)完整高溫周期（正值），1978-1995年為一個(gè)完整低溫周期，1996-2010年為一個(gè)不完整高溫周期。

4 結(jié)論

利用小波變換分析了太原地區(qū)1951-2010年60年間1-3月、4-6月、7-9月、10-12月份及全年平均氣溫演變趨勢(shì)，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）1-3月份平均氣溫序列存在4年、12年和27年左右尺度的變化周期。

（2）4-6月份氣溫序列存在5年、10年和27年左右尺度的變化周期。

（3）7-9月份氣溫序列存在7年左右尺度的變化周期。

（4）10-12月份氣溫序列存在8年和13年左右尺度的變化周期。

（5）全年平均氣溫序列存在13年和18年左右尺度的變化周期。

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