基于EMD的惠安縣氣溫的多時(shí)間尺度分析

方愛花 黃冬云 汪婉娥

摘要 利用EMD方法對(duì)崇武國(guó)家基準(zhǔn)氣候站1954—2013年氣溫序列進(jìn)行分解，分析惠安縣氣溫多時(shí)間尺度變化特征。結(jié)果表明，近60年惠安縣年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫均呈上升趨勢(shì)。年平均氣溫在20世紀(jì)80年代前上升緩慢，20世紀(jì)80年代后上升顯著，變化過(guò)程起主要作用的是準(zhǔn)3年、準(zhǔn)6年和準(zhǔn)13.5年時(shí)間尺度變化周期；年平均最高氣溫變化過(guò)程起主要作用的是準(zhǔn)3年、準(zhǔn)21年和準(zhǔn)8年時(shí)間尺度變化周期；年平均最低氣溫變化過(guò)程起主要作用的是準(zhǔn)57年和準(zhǔn)2.5年時(shí)間尺度變化周期；年平均氣溫與年平均最高氣溫年際變化頻繁，起主導(dǎo)作用的都是準(zhǔn)3年周期波動(dòng)，年平均最低氣溫年際變化較平緩，起主導(dǎo)作用的是準(zhǔn)57年周期波動(dòng)。

關(guān)鍵詞 惠安縣；氣溫；EMD；本征模函數(shù)（IMF）；方差貢獻(xiàn)

中圖分類號(hào)：P423.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2018）02-056-02

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.02.023

在全球氣候變暖的大背景下，氣溫的升高將導(dǎo)致自然生態(tài)環(huán)境的改變，影響人們的正常生產(chǎn)生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）方法是近來(lái)廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域的信號(hào)分析的方法，可以很好地處理非平穩(wěn)、非線性信號(hào)，在快速有效地分析出信號(hào)本身特征的同時(shí)，能真實(shí)地提取一個(gè)數(shù)據(jù)序列的趨勢(shì)。EMD方法是目前提取數(shù)據(jù)序列趨勢(shì)的最好方法。筆者將EMD方法應(yīng)用于福建省惠安縣氣溫波動(dòng)分析，力求從多時(shí)間尺度上分析氣溫變化規(guī)律，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 資料與研究方法

選用福建省崇武國(guó)家基準(zhǔn)氣候站1954—2013年逐日平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫?cái)?shù)據(jù)資料，統(tǒng)計(jì)年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫時(shí)間序列。利用EMD法對(duì)近60年惠安縣崇武國(guó)家基準(zhǔn)氣候站各氣溫序列進(jìn)行分解，得到年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫序列各自的全部本征模函數(shù)（IMF）分量、趨勢(shì)項(xiàng)（剩余項(xiàng)）Res分量，分析各氣溫序列不同時(shí)間尺度本征振蕩模態(tài)和趨勢(shì)項(xiàng)，揭示惠安縣氣溫多時(shí)間尺度變化特征和規(guī)律。EMD法在分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生邊界效應(yīng)（即Gibbs現(xiàn)象）問(wèn)題，采用鏡像拓延法處理，能有效抑制EMD分解過(guò)程中端點(diǎn)效應(yīng)造成的結(jié)果失真問(wèn)題。

2 結(jié)果與分析

2.1 惠安縣年平均氣溫變化多時(shí)間尺度分析

分析惠安縣年平均氣溫原序列及5個(gè)IMF分量和1個(gè)趨勢(shì)項(xiàng)（剩余項(xiàng)）Res分量得出，年平均氣溫高低漲落很不規(guī)則，分解成IMF分量后，每個(gè)IMF分量均呈圍繞零均值線的、局部極大植和極小值基本對(duì)稱的振蕩型式，波形比原序列規(guī)整、簡(jiǎn)單，非平穩(wěn)性減弱，其多時(shí)間尺度變化特征表現(xiàn)清晰。由IMF1分量到IMF5分量，其時(shí)間尺度逐漸增大，從高頻逐漸到低頻，每個(gè)IMF都是一個(gè)窄波段信號(hào)，雖然不同IMF分量可能包含相同尺度的變化信息，但在相同時(shí)段內(nèi)不會(huì)有相同頻率和變化。

惠安縣1954—2013年共經(jīng)歷19個(gè)周期波動(dòng)，平均周期約3年，20世紀(jì)90年代初開始，2年左右周期性波動(dòng)表現(xiàn)顯著；IMF2分量頻率次之，共經(jīng)歷8個(gè)周期波動(dòng)，平均周期6年，與ENSO現(xiàn)象具有準(zhǔn)3～7年短周期波動(dòng)吻合；較高頻IMF1和IMF2分量振幅都比較大，說(shuō)明年平均氣溫年際變化明顯，特別是20世紀(jì)90年代初開始年平均氣溫變幅較大，年際變化劇烈。IMF3分量具有11～15年周期波動(dòng)，研究時(shí)域內(nèi)共經(jīng)歷4個(gè)周期波動(dòng)，平均周期13.5年；IMF4分量具有22～25年周期波動(dòng)，平均周期約24年；IMF5分量具有1個(gè)48年周期波動(dòng)；趨勢(shì)項(xiàng)（剩余項(xiàng)）Res分量反映原序列變化總趨勢(shì)，惠安縣年平均氣溫序列Res分量在研究時(shí)域內(nèi)總體呈上升趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代前上升緩慢，20世紀(jì)80年代后上升顯著。

2.2 惠安縣年平均最高和最低氣溫變化多時(shí)間尺度分析

分析惠安縣年平均最高氣溫原序列及4個(gè)IMF分量和1個(gè)趨勢(shì)項(xiàng)（剩余項(xiàng)）Res分量，IMF1分量頻率最高，表示原序列時(shí)間尺度周期最短，具有2～6年短周期波動(dòng)，1954—2013年共經(jīng)歷17個(gè)周期波動(dòng)，平均周期約3年，與年平均氣溫相同，20世紀(jì)90年代初開始，2年左右周期性波動(dòng)顯著，年平均最高氣溫年際變化劇烈；IMF2分量頻率其次，具有4～13年周期波動(dòng)，研究時(shí)域內(nèi)共經(jīng)歷7個(gè)周期波動(dòng)，平均周期約8年；研究時(shí)域內(nèi)，IMF3分量有時(shí)間尺度為17年和25年的2個(gè)周期波動(dòng)，平均周期21年；IMF4分量只有1個(gè)56年周期波動(dòng)，反映出年平均最高氣溫“兩峰一谷”大趨勢(shì)，“兩峰”分別為20世紀(jì)50年代和2011年前后至今，“一谷”在20世紀(jì)80年代中期；研究時(shí)域內(nèi)惠安縣年平均最高氣溫呈單調(diào)上升趨勢(shì)。

分析惠安縣年平均最低氣溫原序列及4個(gè)IMF分量和1個(gè)趨勢(shì)項(xiàng)（剩余項(xiàng)）Res分量，IMF1分量頻率最高，表示原序列時(shí)間尺度周期最短，具有2～5年短周期波動(dòng)，且振幅變化較大（即代表能量較大），1954—2013年共經(jīng)歷21個(gè)周期波動(dòng)，平均周期約2.5年，20世紀(jì)90年代年平均最低氣溫2年左右周期性波動(dòng)表現(xiàn)顯著，年際變化劇烈；IMF2分量頻率其次，具有5～10年周期波動(dòng)，振幅變化也較大，研究時(shí)域內(nèi)共經(jīng)歷7個(gè)周期波動(dòng)，平均周期約8年；IMF3分量頻率較低，振幅變化較小，研究時(shí)域內(nèi)有時(shí)間尺度為17年和21年的2個(gè)周期波動(dòng)，平均周期為19年；IMF4分量頻率最低，但振幅變化較大，有1個(gè)57年尺度周期波動(dòng)，與年平均最高氣溫一樣，年平均最低氣溫也有“兩峰一谷”大趨勢(shì)，“兩峰”分別為20世紀(jì)50年代和20世紀(jì)90年代中期至今，“一谷”在20世紀(jì)70—80年代；研究時(shí)域內(nèi)惠安縣年平均最低氣溫總體呈上升趨勢(shì)。

2.3 惠安縣各氣溫序列變化主要時(shí)間尺度

分析惠安縣各氣溫序列IMF分量方差貢獻(xiàn)及相關(guān)系數(shù)，年平均氣溫序列IMF1、IMF2和IMF3分量方差貢獻(xiàn)分別為0.300、0.156和0.158，比IMF4和IMF5分量大1個(gè)量級(jí)，因此，年平均氣溫序列變化主要由IMF1、IMF2和IMF3這3個(gè)分量時(shí)間尺度的內(nèi)在振蕩所決定。其中，IMF1分量表示的年平均氣溫序列漲落時(shí)間尺度最短（周期尺度2～5年），頻率最高，振幅變化最大（即代表能量最大），對(duì)原序列變化貢獻(xiàn)最大，占總方差的30.0%，方差貢獻(xiàn)是IMF2和IMF3的近1倍，說(shuō)明在年平均氣溫變化過(guò)程中起主導(dǎo)作用的是IMF1分量高頻振蕩，氣溫年際變化頻繁；IMF2和IMF3分量對(duì)原序列變化貢獻(xiàn)相當(dāng)，分別占總方差的15.6%和15.8%；IMF4和IMF5分量對(duì)原序列變化貢獻(xiàn)都較小，其中IMF4分量最小，僅占總方差的3.3%。

年平均最高氣溫序列IMF1、IMF2、IMF3和IMF4分量方差貢獻(xiàn)分別為0.295、0.234、0.257和0.187，年平均最高氣溫序列變化主要由IMF1、IMF3和IMF2這3個(gè)分量時(shí)間尺度的內(nèi)在振蕩所決定。其中IMF1分量表示的年平均最高氣溫序列漲落時(shí)間尺度最短（周期尺度為2～6年），為最高頻分量，而且振幅變化最大（即代表能量最大），對(duì)原序列變化貢獻(xiàn)最大，占總方差的29.5%，說(shuō)明在年平均最高氣溫變化中起主導(dǎo)作用的是高頻振蕩，氣溫年際變化較頻繁，最主要變化周期與年平均氣溫一致；IMF2和IMF3分量對(duì)原序列變化貢獻(xiàn)相當(dāng)，分別占總方差的23.4%和25.7%；IMF4分量振幅相對(duì)較小，對(duì)原序列變化貢獻(xiàn)也較小，占總方差的18.7%。年平均最低氣溫序列IMF1、IMF2、IMF3和IMF4分量方差貢獻(xiàn)分別為0.225、0.185、0.127和0.357，年平均最低氣溫序列變化主要由IMF4和IMF1這2個(gè)分量時(shí)間尺度的內(nèi)在振蕩所決定。其中IMF4分量表示年平均最低氣溫序列年代際（周期尺度約為57年）尺度變化特征，對(duì)原序列變化貢獻(xiàn)最大，占總方差的35.7%，是原序列漲落變化最主要分量，方差貢獻(xiàn)比IMF1大50%以上，說(shuō)明年平均氣溫變化過(guò)程中起主導(dǎo)作用的是IMF4分量的低頻振蕩，氣溫年際變化較平緩；IMF1分量表示的年平均最高氣溫序列漲落時(shí)間尺度最短（周期尺度為2～5年），對(duì)原序列變化貢獻(xiàn)較大，占總方差的22.5%，是原序列漲落變化的次重要分量；IMF2和IMF3分量對(duì)原序列變化貢獻(xiàn)，分別占總方差的18.5%和12.7%，對(duì)原序列變化重要性相對(duì)較小。

3 結(jié)論

（1）惠安縣年平均氣溫變化存在時(shí)間尺度為準(zhǔn)3年、準(zhǔn)6年、準(zhǔn)13.5年、準(zhǔn)24年和準(zhǔn)48年的5個(gè)周期波動(dòng)，其中起主導(dǎo)作用的是準(zhǔn)3年周期波動(dòng)，在研究時(shí)域內(nèi)，年平均氣溫年際變化頻繁，20世紀(jì)80年代前上升緩慢，20世紀(jì)80年代后上升顯著。

（2）惠安縣年平均最高氣溫變化存在時(shí)間尺度為準(zhǔn)3年、準(zhǔn)8年、準(zhǔn)21年和準(zhǔn)56年的4個(gè)周期波動(dòng)，起主導(dǎo)作用的是準(zhǔn)3年周期波動(dòng)，在研究時(shí)域內(nèi)年平均最高氣溫、年平均氣溫年際變化頻繁，總體呈單調(diào)上升趨勢(shì)。年平均最低氣溫變化也存在時(shí)間尺度為準(zhǔn)2.5年、準(zhǔn)8年、準(zhǔn)19年和準(zhǔn)57年的4個(gè)周期波動(dòng)，起主導(dǎo)作用的是準(zhǔn)57年周期波動(dòng)，研究時(shí)域內(nèi)年平均最低氣溫年際變化平緩，總體呈上升趨勢(shì)。

（3）與趨勢(shì)分析法、小波分析法等相比，在分析非線性、非平穩(wěn)氣溫序列變化時(shí)EMD法更具優(yōu)勢(shì)，分析出氣溫序列波動(dòng)在整個(gè)時(shí)域上頻譜特征，即氣溫變化主要周期，也反映出各主要周期在局部時(shí)域上的分布特征，即具有時(shí)間分辨率。

參考文獻(xiàn)

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[2] 鄭祖光，劉莉紅.經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與小波分析及其應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，2010.

責(zé)任編輯：鄭丹丹