基于奇异谱分析的未来30年华山地区降水趋势预测

刘全玉，易 亮

(1安康学院化学化工系，陕西安康725000;2国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266061)

基于奇异谱分析的未来30年华山地区降水趋势预测

刘全玉1，易 亮2

(1安康学院化学化工系，陕西安康725000;2国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266061)

根据华山地区400年的降水序列，利用奇异谱分析了未来30年华山地区降水趋势的变化.结果表明，在2010－2039年间，华山地区降水趋势略有增加.

华山;降水预测;奇异谱分析

0 引言

由于不同的气候代用指标所记录的气候信息不完全相同，同时受局地效应的影响，重建的气候记录也存在很多差异，因此，气候变化的预测需广泛开展于不同气候区，同时利用不同的代用指标进行研究，以期相互校验与印证.奇异谱分析(SSA)作为数字信号处理技术早已被应用.刘禹等［1］在2004年首先通过Caterpillar－SSA方法，利用树木年轮重建的降水变化，预测了内蒙古西部贺兰山和东部白音敖包未来20年的降水趋势，并且得到了近年来实测资料的支持.秦利等［2］利用SSA方法，基于北京石花洞石笋纪录的温度信息，分析了工业革命以来人类与自然过程在气候变化过程中的不同效应，得出了人类活动的影响可能造成了过去百年约1.5℃的升温.综合其他研究成果［3－5］，说明用SSA方法对未来降水趋势进行预测是可行的.

本文基于历史文献析出的旱涝指数和树木年轮合并而成的华山降水序列，借助奇异谱分析(Singular Spectral Analysis，SSA)预测方法，探讨华山地区未来30年的降水趋势.

1 资料及方法

陕西省华山位于东亚季风区，树木年轮的生长主要受控于春季—早夏的温度和降水变化［6］，本研究的华山降水资料通过树轮指数与旱涝指数的合并而成［7］，选择序列长度为400年的4～7月份的降水量.

在奇异谱分析方法中将时间序列进行正交分解以得到多个分量，进而对不同分量进行序列重建和预测.为预测华山未来30年降水趋势，首先对该序列进行频率＜0.1的低通滤波，获得以10 a尺度为周期的降水变化趋势，然后借助SSA的时间序列预测功能，即已知时间序列的变化规律来推测未来的变化趋势.基于SSA在华山地区降水“预测”中的有效性，对该区未来30年的降水趋势进行了预测.

2 SSA方法的检验

2.1 工业革命初期降水趋势重建

工业革命初期，人类活动对气候系统的影响并不显著［8］，可以认为当时的降水变化主要受自然因素主导.本研究以1840年作为预测的起点，对降水序列外推50年，至1890年(图1)，以检验SSA方法在自然降水趋势中的预测效果.

检验结果表明，在建模期内(1600－1840)，SSA方法很好地“重现”了华山降水序列;而在预测期内(1840－1890)，SSA方法的预测结果在误差范围之内，与原始降水序列吻合很好，说明SSA方法在自然降水趋势的预测是可靠的.

2.2 20世纪后期降水趋势重建

由于20世纪人类对自然的广泛开发与利用，气候系统的不稳定性逐渐增加，人类活动对气候系统的影响也逐渐增强［8］.现将1950年作为预测起点，对降水序列外推50年，至2000年(图2)，以讨论该时期在自然与人类活动共同影响下SSA方法的降水趋势预测效应.

检验结果表明，在建模期内(1600－1950)，SSA方法重现了华山降水序列，说明SSA方法在建模期内是可靠的;而在预测期内(1950－2000)，原始序列基本位于预测结果的误差范围底部，也就是说，按照1600－1950年间降水的趋势变化，在1950－2000年华山地区降水低于预测约30 mm.对此结果，有气候模拟研究表明［9］，由于人类活动释放了对太阳辐射具有反射效应的硫酸盐气溶胶，使得海陆热力差异减少，进而有可能减少季风降水量.另一方面，由于地球增温的区域差异性，东亚季风区低纬度大陆的可能降温［10］，导致海陆热力差异的减缓，进而降低了季风降水的强度.该研究结果似乎也支持了这些观点.说明SSA方法在自然与人类活动共同影响下的降水预测结果也是可靠的.

3 结果与讨论

在上述分析和检验的基础上，以1989年为预测起点，对降水序列外推50年至2039年(图3)，考察未来30年华山地区降水趋势在自然背景和人类活动共同影响下的可能变化.

结果表明(图3)，未来30年(2010－2039年)，华山地区的降水总体呈现略有上升的趋势，将经历三次上升与下降的旋回，其中降水量的高峰分别位于2017年、2027年和2038年，而低谷分别位于2012年、2023年和2032年，波动的主周期约11年，这与太阳活动周期相一致，可能暗示了未来华山地区降水的趋势主要响应于太阳活动的变化.

4 结论

基于华山地区新近获得的400年降水序列，借助奇异谱分析中的预测功能，对近150年以来，人类活动和自然过程对区域降水的影响进行分析，结果表明:(1)应用SSA方法得出的自然降水趋势结果是可靠的.(2)未来30年，华山地区的降水总体呈现略有上升的趋势，降水的波动可能主要响应于太阳活动的变化.

［1］刘禹，Shishov V，史江峰，等.内蒙古西部贺兰山和东部白音敖包未来20年降水趋势预测［J］.科学通报，2004，49(3): 270－274.

［2］秦利，周鑫.工业革命以来人类活动对北京地区温度变化的可能影响［J］.科学通报，2010，55(1):1－4.

［3］王澄海，崔洋.西北地区近50年降水周期的稳定性分析［J］.地球科学进展，2006，21(6):576－584.

［4］黄磊，邵雪梅，梁尔源，等.青海沙利克山祁连圆柏千年数论宽度序列的变化特征［J］.地理研究，2004，23(3):365－373.

［5］章毅之.基于奇异谱分析的江淮降水场预测模型研究［J］.气象与减灾研究，2006，29(1):34－37.

［6］Hughes，M.，Wu Xiangding，Shao Xuemei，etal.A preliminary reconstruction of rainfall in North－central China since A.D.1600 from tree－ring density and width［J］.Quaternary Research，1994，42:88－99.

［7］Yi Liang，Yu Hongjun，Xu Xingyong，et al.Exploratory Precipitation Reconstruction in North－Central China during Past Centuries［J］.Acta Geologica Sinica(English edition)，2010，84:223－229.

［8］IPCC.Climate Change 2007:The Physical Science Basis［M］.New York:Cambridge University Press，2007.

［9］Kripalani R H，Kulkarni A，Sabade SS，et al.Indian monsoon variability in a global warming scenario［J］.Nat Hazards，2003，29:189－206.

［10］丁一汇，任国玉，石广玉，等.气候变化国家评估报告(I):中国气候变化的历史和未来趋势［J］.气候变化研究进展，2006，2(1):3－8.

［责任编辑 牛怀岗］

Abstract:Using an exploratory precipitation of Huashan region in the past400 years presents the analysis of the precipitation trend feather in the future 30 years based on SSA method.The results indicate that in the year 2010-2039 the regional precipitation might increase slightly.

Key words:Huashan region;precipitation forecasting;SSA method

Precipitation Trend Forecasting of Huashan Region in the Future 30 Years Based on SSA M ethod

LIU Quan-yu1，YILiang2
(1 Department of chemistry，Ankang University，Ankang 725000，China; 2 First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China)

P457.6

A

1009—5128(2011)02—0073—03

2010—11—29

安康学院院级资助项目(2007AKXY020)

刘全玉(1979—)，女，陕西安康人，安康学院化学化工系讲师，硕士.研究方向:自然地理学.