1951-2018年河北圍場(chǎng)地區(qū)降水的多尺度變化特征

龔蘭蘭，王長(zhǎng)燕，郁耀闖，韓景衛(wèi)，王 雄

(1.寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013； 2.陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

1 研究背景

降水是氣象和水文循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，也是農(nóng)業(yè)、水資源管理和氣候變化等方面的重要參數(shù)之一[1]。在全球變暖背景下，降水的強(qiáng)度和頻率變化過(guò)大往往會(huì)導(dǎo)致干旱和洪澇等極端氣候事件的發(fā)生[2-3]，從而對(duì)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重要的影響[4-5]。目前，全球多數(shù)地區(qū)降水量呈增加趨勢(shì)，并具有明顯的區(qū)域差異。例如，我國(guó)東南沿海、秦嶺-淮河以南以及西北地區(qū)降水量的增加趨勢(shì)較為明顯[4,6-7]，東北中南部和華北等地區(qū)的降水量則呈減少趨勢(shì)[6,8]。圍場(chǎng)滿族蒙古族自治縣(簡(jiǎn)稱“圍場(chǎng)地區(qū)”)，位于河北省承德市北部，地處干旱與半干旱區(qū)、季風(fēng)與非季風(fēng)氣候、森林與草原以及農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)之間的過(guò)渡地帶，該地區(qū)具有多種多樣的氣候和地理?xiàng)l件，生態(tài)環(huán)境比較脆弱，對(duì)氣候變化較為敏感。受自然環(huán)境和地理?xiàng)l件等因素影響，該地區(qū)霜凍、干旱和洪澇等極端氣候事件頻發(fā)[9]，是研究降水多尺度變化特征的理想?yún)^(qū)域。因此，開(kāi)展河北圍場(chǎng)地區(qū)年降水的多尺度變化特征及其影響因素分析，對(duì)于認(rèn)識(shí)區(qū)域氣候變化規(guī)律及水資源的有效管理具有重要意義。

本文以氣候變化比較敏感、生態(tài)環(huán)境較為脆弱的河北圍場(chǎng)地區(qū)為研究案例區(qū)，系統(tǒng)研究該區(qū)降水量的多尺度變化特征及其與厄爾尼諾(ENSO)和太平洋年代際振蕩(PDO)的關(guān)系，該結(jié)果將為認(rèn)識(shí)圍場(chǎng)地區(qū)降水的變化規(guī)律、預(yù)測(cè)未來(lái)可能的降水變化趨勢(shì)以及未來(lái)華北平原東南部的生態(tài)安全和有效管理水資源提供參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及區(qū)域概況

本文選取由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://data.cma.cn/)提供的河北圍場(chǎng)滿族蒙古族自治縣氣象站點(diǎn)1951-2018年的逐月降水觀測(cè)資料，對(duì)年尺度降水系列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。厄爾尼諾(ENSO)和太平洋年代際振蕩(PDO)數(shù)據(jù)由荷蘭皇家氣象局氣候資源管理網(wǎng)站(https://climexp. knmi.nl/start.cgi)提供。

圍場(chǎng)滿族蒙古族自治縣，位于河北省承德市北部，地理坐標(biāo)為116°32′～118°14′E，41°35′～42°40′N(xiāo)，該區(qū)地勢(shì)西北高東南低，平均海拔1 500 m，東西長(zhǎng)138 km，南北寬118 km，總面積9 219 km2。圍場(chǎng)地區(qū)氣候類型屬于北(寒)溫帶-中溫帶、半濕潤(rùn)-半干旱、大陸性季風(fēng)型和高原-山地氣候，夏季溫暖多雨而短促，冬季寒冷干燥而漫長(zhǎng)，年平均氣溫3.3℃，年降水量為300～560 mm，多年平均降水量為445.6 mm，降水時(shí)空分異較大，主要集中在夏季，6-8月的降水量占全年降水的68%～72%，春季降水量相對(duì)較少，僅占全年降水的12%～15%。該區(qū)屬于典型溫帶針葉林和暖溫帶落葉闊葉林過(guò)渡地帶，氣候變化比較敏感，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。圍場(chǎng)地區(qū)地理概況如圖1所示。

圖1 圍場(chǎng)地區(qū)地理概況圖

2.2 集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法

本文采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)和Morlet小波函數(shù)法對(duì)圍場(chǎng)地區(qū)降水的時(shí)間序列進(jìn)行多周期尺度分解[23]。EEMD方法是在經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，是一種適應(yīng)于非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的處理方法[24-25]，目前已被廣泛應(yīng)用于水文、氣候變化和地球物理等領(lǐng)域的多時(shí)間尺度序列信號(hào)分析[20,26-27]。小波分析是一種用于分析時(shí)序信號(hào)的功率譜局部變化的現(xiàn)代較新的分析方法，它同時(shí)兼顧了時(shí)域與頻域的局域化特性，并考慮了有限數(shù)據(jù)的邊緣效應(yīng)對(duì)其周期的影響[28-29]。另外，利用交叉小波變換(cross wavelet transform，CWT)來(lái)進(jìn)行交叉小波譜和小波凝聚譜分析[30]。

3 結(jié)果與分析

3.1 圍場(chǎng)地區(qū)年降水量變化特征

圖2為1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)年降水量變化特征。由圖2可知，1951-2018年河北圍場(chǎng)地區(qū)年降水量總體上表現(xiàn)為波動(dòng)增加的變化趨勢(shì)，增加幅度為0.8 mm/10a，年降水量的變化范圍為237.2～684 mm，平均值為450.9 mm。由圖2中的5 a滑動(dòng)平均曲線可以看出，該區(qū)年降水量具有7個(gè)明顯不同的變化階段，其中，1951-1957年、1963-1976年、1983-1992年和2007-2018年為該區(qū)年降水量的增加階段，增加幅度分別為39.3%、21.4%、44%和28.9%；1958-1962年、1977-1982年和1993-2006年為該區(qū)年降水量的減少階段，減少幅度分別為48.4%、24.2%和18.5%。

圖2 1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)年降水量變化特征

3.2 圍場(chǎng)地區(qū)年降水量的年際-年代際特征

圖3為1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)年降水量時(shí)間序列的集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果，該結(jié)果得到了5個(gè)周期不同的固有模態(tài)函數(shù)IMF(intrinsic mode function)及一個(gè)趨勢(shì)項(xiàng)分量RES(residuals)，每個(gè)IMF分量都有其相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定準(zhǔn)周期，不同時(shí)間尺度上的準(zhǔn)周期在相同的時(shí)間段內(nèi)表現(xiàn)出了不同強(qiáng)度的非均勻性變化。表1為1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)年降水量不同時(shí)間尺度波動(dòng)的平均周期和方差解釋量，其中反映年際尺度變化的分量為IMF1和IMF2；反映年代際尺度變化的分量為IMF3、IMF4和IMF5；RES為趨勢(shì)項(xiàng)。

IMF1+2(第一、二本征模函數(shù)之和)主要指示1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)在主周期為準(zhǔn)4 a尺度上的年降水量變化特征，該時(shí)間尺度的方差貢獻(xiàn)率為64.3%(圖3(a))。該區(qū)降水量年際變化主要可以分為以下幾個(gè)階段：1951-1955、1971-1985和2003-2005年IMF1+2曲線呈明顯上升趨勢(shì)，說(shuō)明在這3個(gè)時(shí)段內(nèi)降水量呈增加趨勢(shì)；1956-1970和1986-2002年IMF1+2曲線呈明顯下降趨勢(shì)，說(shuō)明在這2個(gè)時(shí)段內(nèi)降水量呈減少趨勢(shì)； 2006年以后降水量變化的波動(dòng)幅度變小，說(shuō)明該時(shí)期內(nèi)降水量變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)。

IMF3+4+5(第三、四、五本征模函數(shù)之和)主要指示1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)在主周期為準(zhǔn)27 a尺度的降水量變化特征，該時(shí)間尺度的方差貢獻(xiàn)率為16.2%(圖3(b))。該區(qū)降水量的年代際變化特征大致可以分為以下幾個(gè)階段：1951-1957、1964-1972、1984-1992和2008-2018年IMF3+4+5曲線呈明顯上升趨勢(shì)，說(shuō)明在這4個(gè)階段內(nèi)降水量呈增加趨勢(shì)；1958-1963、1973-1983和1993-2007年IMF3+4+5曲線呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明在這3個(gè)階段內(nèi)降水量明顯減少。

RES為趨勢(shì)項(xiàng)，主要指示1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)年降水量的波動(dòng)趨勢(shì)，從RES曲線(圖3(c))的趨勢(shì)可以看出，圍場(chǎng)地區(qū)在近70年的降水量變化趨勢(shì)呈先降低后增加的趨勢(shì)，降低和增加的時(shí)間拐點(diǎn)出現(xiàn)在1983年前后。

圖3 1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)年降水量的集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果

3.3 圍場(chǎng)地區(qū)年降水量與厄爾尼諾的關(guān)系

厄爾尼諾(ENSO)是影響我國(guó)北方地區(qū)氣候變化的主要因素[31]，也是導(dǎo)致我國(guó)季風(fēng)區(qū)氣溫和降水量發(fā)生變化的重要原因[32]，具有2～7 a的變化周期。當(dāng)ENSO處于冷相位時(shí)，東赤道太平洋海溫會(huì)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，這可能會(huì)引起Walker和Hadley環(huán)流的變化，進(jìn)而誘發(fā)強(qiáng)度較大的西太平洋副熱帶高壓[14,32]。隨著西太平洋副熱帶高壓向我國(guó)北方地區(qū)的移動(dòng)，我國(guó)季風(fēng)區(qū)的降水量可能會(huì)減少到正常水平以下[33]，北方地區(qū)的溫度可能會(huì)升高；相反，當(dāng)ENSO處于暖相位時(shí)，相反的溫度和降水量變化模式可能會(huì)在我國(guó)的北方地區(qū)發(fā)生。例如，一般在El Nio發(fā)生的當(dāng)年或第2年長(zhǎng)江中下游和黃河中下游地區(qū)的降水量通常會(huì)偏少[8]，在強(qiáng)El Nio 衰減并向La Nia態(tài)發(fā)展的年份，長(zhǎng)江中下游地區(qū)的降水量會(huì)顯著增加[34]。集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)結(jié)果表明：1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)年平均降水量中的準(zhǔn)4 a周期變化與厄爾尼諾的2～7 a周期具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明ENSO可能是影響該區(qū)1951-2018年降水量發(fā)生年際尺度變化的重要原因，這與孫藝杰等[15]、李芬等[19]以及其他一些相關(guān)研究結(jié)果[35-36]較為一致。

圖4為1951-2018 年圍場(chǎng)地區(qū)降水量與厄爾尼諾序列的交叉小波譜和小波凝聚譜，交叉小波能量譜中顏色越偏黃色表示能量譜密度值越大。交叉小波譜(圖4(a))表明該區(qū)的降水量與厄爾尼諾間存在著顯著的3～6 a共振周期；小波凝聚譜(圖4(b))表明該區(qū)的降水量與厄爾尼諾間存在著3～7 a的強(qiáng)凝聚性共振周期，并且二者之間呈正相關(guān)關(guān)系。需要說(shuō)明的是，交叉小波譜中顯示，1967-1978年圍場(chǎng)地區(qū)年降水量與厄爾尼諾的相位差箭頭豎直向上，說(shuō)明該區(qū)年降水量的變化周期滯后于厄爾尼諾約 3/4個(gè)周期，這一研究結(jié)果與郝志新等[34]的關(guān)中平原干濕變化滯后于厄爾尼諾大約2 a的研究結(jié)果類似。

表1 降水量序列本征模函數(shù)的組合方差解釋量

圖4 1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)降水量與ENSO的交叉小波譜和小波凝聚譜

圖5為1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)降水量與ENSO空間遙相關(guān)的空間分布。分析圖5可知，該區(qū)年降水量與厄爾尼諾間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系，ENSO對(duì)區(qū)域空間降水量的影響大致可以從我國(guó)渤海灣西北海岸延伸至內(nèi)蒙古地區(qū)的中東部(圖5)，該結(jié)果與Wang等[32]研究的1820-2012年圍場(chǎng)地區(qū)的溫度與ENSO間存在著空間遙相關(guān)的結(jié)論類似。

3.4 圍場(chǎng)地區(qū)年降水量與太平洋年代際振蕩的關(guān)系

太平洋年代際振蕩(PDO)是指北太平洋海溫年代際循環(huán)變化的海洋現(xiàn)象，具有20～30 a的變化周期，不僅對(duì)北美而且對(duì)整個(gè)北半球大氣環(huán)流均具有重要的影響[37]，其還可以通過(guò)調(diào)控ENSO事件來(lái)間接影響氣候變化[38]。當(dāng)PDO處于冷相位時(shí)，太平洋東部和北部的海溫較低；相反，當(dāng)PDO處于暖相位時(shí)，西太平洋副熱帶高壓較強(qiáng)，太平洋東部和北部的海溫較高[39]。需要說(shuō)明的是，西太平洋副熱帶高壓的加強(qiáng)是由于ENSO和PDO的共同作用疊加所致[40]。

圖5 1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)降水量與ENSO

由此可見(jiàn)，PDO與太平洋東部和北部的海溫密切相關(guān)，它主要是通過(guò)海氣相互作用影響北半球海平面的氣壓，使亞洲季風(fēng)區(qū)海平面氣壓發(fā)生變化，與陸地氣壓的改變共同作用從而影響水汽的輸送，進(jìn)而對(duì)降水產(chǎn)生影響。集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)結(jié)果表明：1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)年降水量的準(zhǔn)27 a周期變化與太平洋年代際振蕩的20～30 a周期具有較好的一致性，說(shuō)明太平洋年代際振蕩是影響該區(qū)1951-2018年降水量發(fā)生年代際周期變化的主要原因。

圖6為1951-2018 年圍場(chǎng)地區(qū)降水與太平洋年代際振蕩的交叉小波譜和小波凝聚譜。兩者的交叉小波譜(圖6(a))表明：該區(qū)的年降水量與PDO間在α=0.01水平上無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但小波凝聚譜(圖6(b))結(jié)果顯示，該區(qū)1951-1988年年降水量與PDO之間存在著18～24 a的強(qiáng)凝聚共振周期，并且二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)的年降水量與太平洋年代際振蕩(PDO)間可能存在著某種關(guān)聯(lián)，這與現(xiàn)有的一些相關(guān)研究結(jié)果[14-15, 20-21]較為一致。

圖6 1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)降水量與PDO的交叉小波譜和小波凝聚譜

4 結(jié) 論

(1)1951-2018年圍場(chǎng)地區(qū)的年降水量總體上表現(xiàn)為增加的變化趨勢(shì)，主要可以分為7個(gè)階段，其中，1951-1957年、1963-1976年、1983-1992年和2007-2018年為年降水量的增加階段，1958-1962年、1977-1982年和1993-2006年為年降水量的減少階段。

(2)圍場(chǎng)地區(qū)年降水量在時(shí)間尺度上存在著顯著的準(zhǔn)4 a和準(zhǔn)27 a的年際和年代際變化周期，分別與厄爾尼諾的2～7 a周期和太平洋年代際振蕩的20～30 a變化周期相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明厄爾尼諾和太平洋年代際振蕩是影響圍場(chǎng)地區(qū)近70年降水量變化的主要因素。

(3)交叉小波譜和小波凝聚譜分析表明，圍場(chǎng)地區(qū)年降水量與厄爾尼諾間存在著顯著的共振周期，與太平洋年代際振蕩間可能也存在著某種關(guān)聯(lián)。

(4)圍場(chǎng)地區(qū)年降水量的準(zhǔn)4 a和準(zhǔn)27 a的變化周期分別可以解釋年降水量方差變量的64.3%和16.2%，說(shuō)明厄爾尼諾(ENSO)對(duì)圍場(chǎng)地區(qū)年降水量的貢獻(xiàn)可能要大于太平洋年代際振蕩(PDO)對(duì)該區(qū)年降水量的貢獻(xiàn)。