遵义市近 56 a来夏季气温及降水变化的特征分析

王君军,王红丽

(1.贵州省遵义市气象局,贵州 遵义 563000;2.贵州省气象局,贵州 贵阳 550002)

遵义市近 56 a来夏季气温及降水变化的特征分析

王君军1,王红丽2

(1.贵州省遵义市气象局,贵州 遵义 563000;2.贵州省气象局,贵州 贵阳 550002)

选取 1954—2009年历年逐月平均气温及累积降水资料,采用墨西哥帽函数 (MHF),对遵义市近 56 a来夏季气温及降水的时间序列进行分析,揭示了遵义市气温及降水变化在多时间尺度上的复杂结构,找出了不同时间尺度下夏季气温和降水序列变化的周期和突变点。结果表明:遵义市夏季气温及降水存在多时间尺度特征,在年代际变化上存在显著性周期,大尺度周期变化嵌套着小尺度的周期变化,其中主周期约为 21 a。遵义气温与降水变化有比较好的对应关系,即偏暖期对应降水的偏少期,而偏冷期则对应降水的偏多期。

墨西哥帽小波 (MHF);周期震荡;小波方差

1 引言

气候资料的时空分布特征和规律分析研究,是气候分析预测的基础,在诸多气候要素中,气温及降水量是对社会经济影响最大的气候变量,也是每年短期气候预测中重点关注的预报对象。因此,弄清气温及降水的气候变量在时空分布上的变化特点和规律,对认识气候变化,做好气候预测及社会发展规划和生产布局都具有特别重要的意义。

小波分析 (WaveletAnalysis)又称多分辨率分析(Multiresolution Analysis),是近些年来新发展起来的一种数学分析方法,20世纪 90年代以来,它在大气科学领域的应用日益增多,并取得了许多研究成果[1-5]。小波分析具有时频局部化的功能,通过伸缩和平移对函数和信号进行多尺度分析,能有效的从中提取信息,特别适用于对非平稳时间序列的分析。他是在傅里叶分析的基础上发展起来的,与传统的傅里叶分析相比,主要具有以下两个特点:①给出要素序列的瞬时振动频率随时间的变化情况;②可以看出不同频率之间的相互关系,反映出序列中不同时间尺度的振荡此消彼长的变化[6]。

遵义市位于贵州北部,海拔高度为 843.9 m,属亚热带湿润季风气候,四季分明,夏季平均气温在24.1℃,总降水量在 485.1 mm左右。随着经济的发展,城市的建设,城市气候越来越凸显。由此选取遵义市城区汇川站 (站号:57713)1954—2009年期间历年逐月平均气温和累计降水量资料,采用墨西哥帽小波 (Mexican Hat)函数分析遵义市夏季气温及降水在多时间尺度变化上的周期特征及其突变点,为短期气候预测提供一定参考。

2 墨西哥帽小波分析简介

设有时间序列 f(t)及一组由参数 a,b构成的母小波 g(a,b,t),其形式为:

式中 (a>0),b为实数,分别称为尺度参数、平移因子。由 f(t)与 g(a,b,t)的卷积构成的小波变换,又称子波变换:

上式的意义在于,将一维时间函数展开为一个二维参数空间 (a,b),从而形成一种能在时间 (或空间)坐标位置 b和尺度 (时间范围和空间范围)a上具有变化的小波系数 Tg(a,b)的一种度量,上式的离散形式为:

其中△t为取样间隔;a为样本量。

小波方差为:

联合 (3)式和 (7)式,从而得到小波变换结果。小波变换实际上是将一个一维信号在时间和频率两个方向上展开,这样就可以对气候系统的时间—频率结构做细致的分析,提取有价值的信息。

为了减小边界效应,目前在小波分析中最常用的处理方法是将资料向前和向后各沿拓一个样本长度,变换后再将沿拓的部分舍去。具体的资料处理方法如下:

3 夏季气温及降水变化分析

3.1 夏季气温变化分析

图 1为遵义市 1954—2009年夏季平均气温距平变化序列图 (a)及小波变换图 (b)。由图 1a所示:遵义市近 56 a来夏季气温变率较大,平均气温的标准差为 0.589℃。1980年以前,负距平多于正距平,共有 3 a超过标准差的显著正距平,6 a超过标准差的显著负距平。1980—2009年期间的夏季气温的正异常明显,共有 7 a超过标准差的显著正距平,没有年份负距平超过标准差。特别是 2004—2009年尤为突出,其中 2006年夏季平均气温偏高1.5℃。

利用MHF小波变换对 1954—2009年遵义市城区夏季平均气温序列进一步作多时间尺度分析。图 1b所示:图上半部分等值线相对稀疏,对应较长尺度周期的振荡(低频震荡),而下半部分等值线相对密集,对应较短尺度周期振荡 (高频震荡)。夏季平均气温的各种时间尺度周期变化在时间域中的分布有差异,强振动中心分别位于 60年代初期、21世纪 10年代中及后期,即图中的几个正等值线中心,其周期大致为 8～16 a、4～8 a和 16～32 a左右。周期在 8～16 a的振动,在 60年代初期最为显著;周期在 4～8a的振动,在 21世纪 10年代中期最显著;而周期在 16～32 a的振动在 21世纪 10年代后期最为显著。

图 1 遵义市城区夏季平均气温距平序列图(a)及小波变换图(b)

遵义市夏季平均气温表现出不同的年际及年代际尺度变化。由于小波变换系数的零点位置对应于遵义市夏季气温变化突变点位置,由此可以诊断出不同时间尺度上变化的突变点位置,从而得出多时间尺度特征和规律。在 64 a左右的时间尺度上,遵义夏季平均气温气温经历了由偏冷期到偏暖期的变化,突变点的位置大约在 20世纪 80年代后期。在 16～32 a的时间尺度上,主要突变点分别位于 50年代后期、60年代中期、80年代初期、90年代初期和 21世纪 10年代中期。这个时期经历了偏冷→偏暖→……3个循环变化。遵义夏季最暖期在 60年代初期和 21世纪 10年代中后期,其低频和高频震荡都一致反映出偏暖特征。而最冷的在 70年代中后期,其低频和高频震荡都一致反映出偏冷特征。从近几年气温变化来看,较大尺度处于强的偏暖期,而小尺度的变化则为弱的偏冷期。

3.2 夏季降水变化分析

图 2a所示:自 1954—2009年近 56 a来,遵义市城区降水变率较大。1970年以前,共有 3 a超过标准差的显著负距平,2 a超过标准差的显著正距平。负距平多于正距平,其中 1964年为降水异常年,偏多 258.9 mm。20世纪 70—80年代降水趋于正常。90年代以后,降水变率明显增大,特别是 1991—2004年降水正异常明显,共有 5 a是超过标准差的显著正距平,没有年份负距平超过标准差。2005—2009年全为负距平,降水异常偏少,共有 3 a是超过标准差的负距平。其中 1990年和 2006年为降水异常年,分别偏少 321.5 mm和 303.9 mm。

图 2 遵义市城区夏季累积降水距平序列图 (a)及小波变换图(b)

图 2b所示:在大尺度周期振荡不明显,中小尺度周期振荡明显。各个时期的主要振动周期是变化的,20世纪 80年代以前在 4～8 a左右的周期振荡明显,20世纪 80年代以后在 16 a左右的周期振荡明显。整个时间段上对应几个降水最强的振动中心,分别位于 20世纪 80年代前期、90年代后期到 21世纪 10年代前期,其周期大致为 8 a和 16～32 a左右。周期在 8 a左右的振动,在 20世纪 80年代前期最为显著,而周期在 16～32 a的振动,在20世纪 90年代后期到 21世纪 10年代前期最为显著。周期在 16 a时间尺度上,降水经历了偏多→偏少→……4个循环变化。从 20世纪 70年代末期至今变化较为明显,分别在 1985年、2003年左右经历了多雨期到少雨期的突变,在 1993年左右经历了有少雨期到多雨期的突变。在 20世纪 90年代后期到21世纪 10年代前期为降水异常偏多期,而在2004—2009年为降水异常偏少期。从近几年降水变化来看较大尺度上处于强的降水偏少期,而小尺度变化则为弱的偏多期。

4 气温及降水周期和变化趋势

4.1 小波方差分析

小波方差图反映了能量随时间尺度的变化,可以确定一个时间序列中各种尺度扰动的相对强度,对应峰值处的尺度称为该序列的主要时间尺度。图 3显示遵义城区夏季平均气温及累积降水方差均存在约为 21a明显周期振荡。

图 3 遵义城区夏季平均气温 (a)及累计降水 (b)小波方差

4.2 气温与降水的尺度变化关系

通过分别分析不同时间尺度变化关系得知 (图略):整个时间域上,气温与降水变化的小波系数分布大体上是反相的,有比较好的反对应关系。即偏暖期对应降水相对偏少期,而偏冷期对应降水的偏多期。

由于遵义城区平均气温及累积降水的主周期为 21 a,因此选取 21 a时间尺度作变化趋势分析(图 4):除 70年代中期,降水与温度变化位相一致,表现为干冷结构,而 80年代初期表现为暖湿结构外,其余时期温度与降水变化总体表现为反位相,呈暖干、冷湿结构。降水量在 20世纪 60—80年代波动变化并不明显,而 80年代以后变化尤为显著。气温在整个时间域上波动明显。自 90年代后期—2009年,降水位相变化与温度位相差基本为 180°,呈冷湿→干暖结构变化。而在更小尺度上,不同阶段的位相差异比大时间尺度更为复杂。

5 小结

图 4 遵义城区夏季平均气温与累积降水在 21 a时间尺度的变化趋势

时间变化的周期振荡表现出来,大尺度的周期变化嵌套着小尺度的周期变化。遵义城区夏季气温在年代际上具有显著周期特征,而降水在年际上有显著周期特征。遵义城区在 1954—2009年时期内温度和降水存在约为 21 a的主周期。

②从遵义近几年的夏季气温变化来看,大尺度变化处于较强的偏暖期,而小尺度的变化则处于弱的相对偏冷期。从降水变化来看,较大尺度变化处于强的少雨期,而小尺度变化则处于弱的相对多雨期。

③在整个时间域上,遵义气温与降水变化有比较好的对应关系,即偏暖期对应降水的偏少期,而偏冷期则对应降水的偏多期。

[1] 邓自旺,林振山,尤卫红 .子波分析及其在大气科学中的应用方法[J].大气科学,1996,20(1):58-71.

[2] 胡增臻,石伟 .子波变换在大气科学中的应用研究[J].大气科学,1997,21(1):58-72.

[3] 邵晓梅,许月卿,严昌荣 .黄河流域降水序列变化的小波分析[J].北京大学学报 (自然科学版),2006,42(4):503-509.

[4] 许月卿,李双成,蔡运龙 .基于小波分析的河北平原降水变化规律研究[J].中国科学D辑地球科学,2004,34(12):1176-1183.

[5] 刘德,李永华,何卷雄 .重庆市夏季气温及降水变化的小波分析[J].高原气象,2003,22(2):173-178.

[6] 严小冬,金建德,雷云.贵州冬、夏季气温和降水对比分析[J].贵州气象,2005,29(增刊):3-7.

[7] 彭芳,王君军.贵州夏季最高气温变率的时间分布特征[J].贵州气象,2010,34(6):6-9.

[8] 吉廷艳,李玉柱,杨利群.贵州气温、降水及湿度等气象要素的空间分布特征[J].贵州气象,2000,24(1).

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Analysis about Characteristics of the Summer Temperature and Precipitation Variations of in recent 56 years in Zunyi

WANG Junjun1,WANG Hongli2

(1.ZunyiBureau ofMeteorology,Zunyi 563000;2.Guizhou Bureau ofMeteorology,Guiyang 550002)

Based on the monthlymean temperature and cumulative precipitation data during 1954-2009,this paper usesMexican hat function(MHF)for analysising the temperature and precipitation dataset during summer in recent 56 years,then revealing the complex structure,period and mutation of the summer temperature and precipitation on multi-time scales.The results show that:the summer temperature and precipitation have the multi-time periods,especially the significant interdecadal period,ofwhich the leading period is 21 years.There is a relatively good correspondence between the summer temperature and precipitation.In other words,the warmer period is in the corresponding of the less rainfall period and the cooler period is in the corresponding of the more rainfall period.

Mexican hat function(MHF);period oscillations;wavelet variance

P423;P426.6

A

1003-6598(2011)01-0006-04

2010-10-16

王君军 (1982-),女,助工,主要从事中短期天气预报工作。