基于Morlet小波分析的云贵高原区春季降水特征研究

吴建峰，罗 娜，张凤太，李 威

(1.贵州师范学院地理与旅游学院，贵阳 550018；2.贵州省地理国情监测特色重点实验室，贵阳 550018；3.贵州省山地资源研究所，贵阳 550001)

0 引 言

气候是人类生存环境中不可缺少组成部分和最重要的自然资源之一，它也是影响可持续发展的重要因素之一，各种气候事件的频繁发生已经引起了科学界的高度重视[1,2]。每年因气象灾害已经危及人类安全，严重影响我国粮食生产，给我国生态环境和社会经济带来了前所未有的压力和挑战[3]。处于云贵高原区的贵州省，加上以贵州高原为中心的中国西南喀斯特地区，生态环境极其脆弱，石漠化程度非常严重，气候变化特别是降水变化对该区的农业生产、土地利用/覆被、生态系统生产力等产生重大影响，因此，对该区域降水变化规律进行研究具有重要意义[4]。

随着全球变暖，大部分热带地区降水增多，副热带大部分地区降水表现为减少趋势，高纬度地区降水呈现不断增加趋势。国内外已有不少学者对降水特征进行了大量研究，翟盘茂对近40～50 a的中国降水研究表明，全国年降水量呈减少趋势，但西部区域降水量表现为较明显增长趋势[5]。刘艳群等[6]通过对广东省春季降水的研究发现，广东省春季平均降水量存在较大变化。张剑明[7]研究得到沙近50 a来年降水呈增加趋势，春季降水变化不明显。张洁等[8]研究指出20世纪80 年代中期以前，华南地区春季降水表现为增加趋势，华北和黄淮地区春季降水有减少趋势。也有少部分学者对贵州进行了研究，于俊伟[9]对贵州省近50a降水资源进行了评估。张润琼等[10]对贵州西部春季降水特征进行了分析。范思睿等[11]对西南地区春季降水异常与大尺度环流关系进行了研究。近年来，气象学者对贵州降水分布特征，或者贵州局部降水特征进行了一些的研究，得出了一些相关的结论，但对于贵州省不同季节降水的分析研究不多也不全面，特别是专门针对整个贵州省春季降水的研究还未见报道。位于青藏高原和云贵高原东部的贵州省是农业为主的省份，而春季又是农业中水稻播种期和插秧期，降水的多少会直接影响着水稻生长和土壤保墒功能等，春涝也会引起小麦生长缓慢或霉烂，对夏粮生长造成不利影响；春旱的时常发生，对贵州省经济的建设和工农业的生产都会造成很大的损失。综上所述，本论文通过研究贵州省春季降水的时空分布特征、降水变化规律，以便为当地的春耕生产工作提供更好的气象服务依据，也对水资源的分配与管理、社会经济及生态系统的可持续发展具有重要意义。

1 研究区域概况

贵州省地处云贵高原，与湖南、四川、重庆、云南和广西毗邻。地理位置为东经103°～109°，北纬24°～29°(图1)；地势西高东低，平均海拔1 100 m左右，贵州西部位于云贵高原的东部，是个低纬度的高海拔山区。研究区属于亚热带季风气候，年均温大致在15～18 ℃左右，年平均降水量在1 200 m以上[12]。贵州春季降水量变化大，春旱时常发生。

图1 研究区概况与气象站点分布图Fig.1 Study area overview and weather site distribution

2 研究数据与方法

2.1 研究数据

本文以处在云贵高原地区的贵州为研究对象，选取贵州省19个气象站点1961-2013年53 a逐日降水资料，提取1961-2013年春季(3-5月)降水进行研究。由于资料有限，本文只获取了贵州省19个国家标准气象站点数据，但从19个气象站点分布情况来看(图1)，基本均匀覆盖整个研究区域，分析结果能够代表整个研究区。

2.2 研究方法

2.2.1 线性倾向估计法

用线性倾向估计法分析春季降水量的长期变化趋势。以时间x为自变量，水量y为因变量，建立一元线性回归方程，计算公式具体如下：

y=a+bx

(1)

其中，回归系数b的符号代表降水量的趋势倾向。b>0(<0)时，表明降水量在所统计的时段内呈增多(减少)趋势。b×10 称为降水变化倾向率，表示为每10 年降水量上升或下降的速率，单位为mm/10 a[13]。

2.2.2 morlet小波变换

Morlet小波是正弦和余弦波的振幅被高斯函数调节产生的，表示成复小波，本论文采用的Morlet基小波为[14]:

(2)

其中Kφ=10，分析小波为：

(3)

式中：a为尺度参数，b为平移参数。

(4)

式中：符号(，)表示内积，*表示共扼。

Morlet小波系数的实部表示不同特征时间尺度信号在不同时间上的分布和位相两方面的信息,正的小波系数反映出分析对象在该时间段为偏多期,负值时反映为偏少期,零值对应着突变点。本论文通过Morlet小波分析方法研究贵州省19个气象站点，53 a来年春季降水的时间变化规律。

3 结果与分析

3.1 贵州春季降水的年际变化特点

根据贵州春季降水年际变化趋势得到(图2)，1961-2013年贵州春季降水整体呈下降趋势，但表现出增加和减少交替变化的特点。数值上表现为平均每10 a下降11 mm左右，研究区53 a春季平均降水量为297 mm，其中最多为1961和1972年，达到387 mm，最少年为2011年，只有164 mm，这与2011年全国大旱现象相符。从近53 a春季5年滑动平均降水曲线可以看出，1986年是一个明显的转折点，曲线趋势表现为先下滑，达到1986年最低值，然后逐渐呈现上升趋势。从数值上看，1986年以前，有1979、1982-1986年5 a春季降水量低于春季平均降水量，1986年以后，有1998-2002年，2012-2013年7 a春季降水量高于春季平均降水量。1986年以前春季降水平均值为317 mm，比近53 a平均值高20 mm；1986年以后，春季降水平均值为286 mm，比整个研究时段的平均值低11 mm，可以得到，在1986年以后贵州春季降水整体上比1986年春季降水要少。

图2 研究区春季降水年际变化Fig.2 Interannual variation of spring precipitation in the study area

由贵州春季降水变化的小波分析图可以看出(图3)，53 a贵州春季降水存在明显的不同尺度的周期振荡信号，分别为8～12、16～17、32 a。在16～17 a的振荡周期里面，20世纪60年代初期，20世纪60年代后期，20世纪80年代初期，20世纪90年代初期，21世纪00年代中期小波实部为负值区，表明这些阶段为贵州春季降水偏少期；20世纪60年代中期，20世纪70年代中期，20世纪80年代后期，20世纪90年代后期，21世纪00年代后期小波实部为正值区，表明这些阶段为贵州春季降水偏多期。小波系数的最小值和最大值都出现在32 a周期里面，分别为1987-1997年和1999-2009年这些年份里面，表明这一时期贵州春季振荡最强，气候活动变化剧烈。在32 a的周期里面，存在着明显的1965-1975年的多雨，1975-1985年的少雨，1987-1997年的多雨，1999-2009年的少雨4个循环。2010年以后小波等值线并未完全闭合，表明在未来的几年里，贵州春季降水将持续增多。

图3 研究区春季降水的morlet小波变换实部等值线图Fig.3 Morlet wavelet transform real-contour map of spring rainfall in study area

3.2 各个区域春季降水的年际变化特点

3.2.1 各个区域春季降水的变化趋势分析

由图4各个区域春季降水变化趋势图可看到，7个区域的春季降水量都呈现出不同程度的下降趋势，且呈现出增加和减少交替变换的基本特征。其中遵义地区下降趋势最明显，回归系数达-1.95，相当于该地区春季降水量每10 a下降大约19.5 mm，其次为铜仁地区，回归系数为-1.93；下降趋势最缓慢的在凯里地区，回归系数为-0.79，相当于凯里地区春季降水量每10 a下降大约7.9 mm。从5年滑动平均来看，除了铜仁地区和遵义地区外，其他5个地区的都在1986前后达到最低值，且都基本呈现出1986年前表现为下滑趋势，1986年后表现为上滑趋势，但各个地区存在差异性。

图4 各个典型区春季降水变化趋势图 Fig.4 Spring precipitation trends in all typical areas

从降水量数值来看(如表1)，各地区平均降水量各不相同，其中毕节地区平均春季降水量最少，只有约190 mm，其次为兴义地区266 mm，春季平均降水量最多的为铜仁地区，达到403 mm；其他地区依次为，遵义地区为272 mm，贵阳平均降水量为291 mm，凯里地区为373 mm，独山地区为378 mm。53 a中春季降水量最多为1977年铜仁地区的620.8 mm，最少的一年为2011年毕节地区，降水量仅有64 mm。从不同年代春季降水之间差值来看，铜仁地区最大春季降水与最小相差445.8 mm，是7个研究区中差距最大的地区，独山、凯里、铜仁和兴义地区春季降水的年代际变化也较大。

表1 各个典型研究区气象站点春季降水统计情况表Tab.1 Precipitation statistics of meteorological stations in each typical study area

3.2.2 各个区域春季降水的小波分析

从各个区域春季降水的小波变换结果可得到(图5和表2)，分析的各个地区春季降水都存在明显的不同尺度的周期振荡信号。毕节地区分别为8～11、16～17、25～30 a，其中在16～17 a周期尺度上振荡得最为活跃。独山地区分别为6～10、24～25 a，其中在24～25 a长周期尺度上振荡得最为活跃。贵阳地区分别为6～7、17～18、28～32 a，其中在28～32 a长周期尺度上振荡得最为活跃。凯里地区分别为6～7、12～13、28～32 a，其中在28～32 a长周期尺度上振荡得最为活跃。铜仁地区分别为6～10、12～13、25 a其中在25 a长周期尺度上振荡得最为活跃。

图5 各个典型区春季降水的morlet小波变换实部等值线图Fig.5 Morlet wavelet transform real part contour map of spring precipitation in each typical area

Tab.2 Each typical area oscillation period statistics

兴义地区分别为6～8和10～13 a，其中1975-1990年和2000-2013年间的6～8 a周期振荡信号最强。遵义地区分别为7、11、16～17 a，其中在预测的32 a长周期尺度上振荡得最为活跃。

综上所述，不管是整个贵州省，还是选取的7个典型区域，春季降水都存在着明显的周期变化规律。存在的周期为：短周期6～7、6～10、7、8～11 a。中周期：11、12～13、16～17、17～18 a。长周期：25～30、28～32、25、32 a。铜仁和遵义地区春季降水存在的周期数较多，独山、兴义地区较少。

4 结 语

通过对贵州1961-2013年53 a春季降水进行线性趋势分析和morlet小波分析，并对7个典型区域做出进一步的分析，得出以下主要结论。

(1)研究区53 a春季降水整体都呈现下降趋势，并且表现出增加和减少波动交替变换特征。7个典型区域春季降水也呈现出不同程度的下降趋势，其中遵义地区下降趋势最明显，下降数值达到每10 a大约19.5 mm，凯里地区降水下降趋势最缓慢，每10 a下降大约7.9 mm。

(2)整个研究区春季平均降水量为297 mm，其中7个典型研究区中有毕节、贵阳、兴义、遵义4个地区春季降雨量低于整个研究区平均值。毕节地区平均春季降水量最少，只有约190 mm，铜仁地区平均春季降水量最多，达到403 mm。

(3)整个研究区和选取的7个典型区域，春季降水都存在着明显的都存在明显的不同尺度的周期振荡规律，整体上长周期的振荡信号强于短周期的振荡信号。80年代中期以前，周期振荡信号较强，春季降水起伏较大，80年代中期以后，周期振荡信号较弱，春季降水起伏较小。铜仁和遵义地区春季降水存在的周期数较多，独山、兴义地区较少。

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