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1970~2015年呼和浩特市降水趋势变化特征分析

2020-12-23 05:41:45 绿色科技 2020年14期

段晓梅

摘要:利用呼和浩特市气象站1970~2015年降水观测资料,采用线性回归、距平分析、小波变换方法分析了呼和浩特市年降水量变化特征,并对呼和浩特市降水趋势进行了分析。结果表明:1970~2015年呼和浩特市年降水量变化趋势相对平稳,线性增长率为0.16 mm/10a;四季降水具有一定的阶段性特征,春、冬季降水无明显线性变化趋势,夏季降水以-2.7 mm/10a的速率减少,秋季以2.2 mm/10a的速度在增加;月降水量主要集中在6~9月,占全年降水量的76.6%。小波分析表明,呼和浩特市1970~2015年降水量在不同时间尺度上存在不同的周期变化,即8 a为年降水量变化的第一主要周期,振荡最强,14 a和4 a分别为年降水量变化的第二和第三个主要周期。

关键词:降水量;线性趋势;小波分析

中图分类号:P468

文献标识码:A?文章编号:1674-9944(2020)14-0021-04

1?引言

降水不仅是大气水循环过程中最基本的环节,也是水平衡方程中的基本参数。降水在空间分布上的不均匀与时间变化上的不稳定是引发洪、涝、旱灾的直接原因。因此,研究某一区域的降水趋势变化特征,对该地区水资源的合理利用、气象灾害损失以及当地经济发展显得尤为重要。关于区域降水变化的研究很多,如邓子旺等采用月平均气温和月降水量的距平值分析了西安市的气候变化特征[1]。左洪超等研究了1951~2000年中国区域的降水趋势,旨在揭示全国气候变化规律[2]。徐宗学等采用非参数检验方法和线性回归方法对黄河流域内1951~2001年的降水资料进行了趋势检验[3]。宁亮等分析了全国年、季总降水量的线性趋势[4]。迟竹萍研究了山东省夏季降水量的变化特征,指出了暴雨强度与夏季降水的变化关系[5]。李春强等采用小波变换方法,揭示了河北省降水时空多尺度变化规律[6]。刘艳辉等采用线性拟合和MK突变检验方法分析了台山市多年来降水的变化特征[7]。贺伟等年利用累积距平法、MK突变检验以及小波分析等方法,详细分析了东北地区降水、气温的年际变化,确定该地区45a范围内气候一般呈暖干趋势[8]。武文博等对降水资料进行了均一化处理,指出我国极端降水事件在2000年后开始增多[9]。在众多学者研究中,大多采用统计分析方法。本文利用线性趋势和距平分析方法,结合小波分析,对呼和浩特市1970~2015年年降水量变化特征进行详细分析,从而为了解和掌握呼和浩特市气候变化特征和周期性提供一定的参考。

2?研究区域概述

呼和浩特位于内蒙古自治区中部,处于东经110°46′~112°10′,北纬40°51′~41°8′,属中纬度温带半干旱大陆性季风气候区,由于背靠大青山,在地理上是半干旱和干旱气候的结合部,季风气候区与非季风气候区的结合部,山前是以旱地为主的耕地和草地,山后是草原和草地,是农业和牧业、耕地和草原之间的过渡带。气候特点是四季分明。冬天漫长冰冷,春天干燥多风,夏天温暖短促,阳光充足,蒸发量大。年平均降水量在335.2~534.6 mm之间,其地域分布以西南地区最少,年平均降水量仅为350 mm;平原地区降水量在400 mm左右,大青山区降水量在430~500 mm;年平均降水量最多出现在大青山乡前响村,为534.6 mm;其次是井乡,年平均降水量为489.3 mm;年平均降水量最少出现在南坪乡、黑城乡、新营镇地区,为335.2~362.8 mm。

3?数据来源与研究方法

3.1?数据来源

选用的数据为内蒙古气象局提供的1970~2015年呼和浩特气象站年、月降水量资料,对于缺测数据进行插值订正,季节划分为:春季(3~5月份)、夏季(6~8月份)、秋季(9~11月份)、冬季(12月份至次年2月份)。

3.2?分析方法

距平分析方法主要用于確定气象学中某一时期或某一时次的数据,降水量距平至为正,表示该时期降水偏多,降水量距平值为负,表示该时期降水偏少。

小波分析是针对大气变量的时域和频域组合分析方法[11]。小波变换分为连续小波变换(CWT)和离散小波变换(DWT)。离散小波变换常用于降噪与数据压缩,而连续小波变换更适合用于信号特征提取,具体定义为:

式(1)中,Wf(a,b)为小波变换系数;f(t)为一个信号或平方可积函数;a为伸缩尺度;b平移参数;(ax-b)为ψ(ax-b)的复共轭函数。

在实际研究中,最重要的是从小波变换方程中得到小波系数,然后通过小波数分析时间序列的时频变化特征。对域上的小波系数平方值进行积分,就可得到小波方差[12],即:

小波方差随尺度a的变化过程称为小波方差图,可以用尺度a反映信号波动的能量。因此,利用小波方差图可以确定信号中不同种尺度扰动的相对强度和存在的主要时间尺度[12],即主要周期。

4?结果分析

4.1?年降水量变化趋势分析

呼和浩特市气象站年降水量变化如图1所示,从整体来看,1970~2015年呼和浩特市年降水量变化趋势较为平稳,其线性增率为0.16 mm/10a,多年平均降水量为399.35 mm,年降水量历史极大值出现在2003年,为654.1 mm,极小值出现在2011年,为177.1 mm,极差达477 mm。46年中1992、1998、2003、2008、2011、2012、2013年为多雨年;1974、1986、1987、1999、2005、2007、2009、2011年为少雨年。通过绘制呼和浩特市年降水距平图(图2)发现,1970~2015年期间,正距平有23 a,负距平有23 a,正负距平交替出现,变化幅度较大,为震荡期。

4.2?季降水量变化趋势分析

1970~2015年呼和浩特市季节降水量变化趋势如图2所示。由图可知,四季降水量分配不均匀,夏季降水最多,平均降水量为84.3 mm,春秋季次之,平均降水量分别为17.9 mm、27.4 mm,冬季最少,平均降水量为3.5 mm。从降水变化趋势上看,春季和冬季降水量没有明显的线性变化趋势,而夏季以-2.7 mm/10 a的速率在减少,秋季以2.2 mm/10 a的速率在增加。由图2可知,四季降水量都有一定的阶段性特点,春季降水量变化可分为2个阶段,1984年以前为负距平阶段,1984年以后正负距平交替出现,为震荡期。夏季降水量变化可分为3个阶段,1970~1975年为负距平阶段,1976~1998年为正距平阶段,1995~2015年为负距平阶段,其变化表现为由多到少的趋势。秋季降水量变化分为可分为4阶段,1972~1983年、2010~2015年为正距平阶段,1984~1994年、1997~2009年为负距平阶段,其变化表现为由少到多的趋势。冬季降水量变化可分为4个阶段,1970~1980年为正距平阶段,1981~1999年为负距平阶段,2001~2007年为正距平阶段,2008~2014年为负距平阶段。

4.3?月降水量变化趋势分析

由表1可知,呼和浩特市月降水量主要集中在6~9月,占全年降水量的76.6%,最大值出现在7月份,平均为102.96 mm,最小值出现在1月分,平均只有2.5 mm,二者相差100.46 mm。由表1可知5~7月、9~12月降水量在增加,1~3月、8月降水量在减少,其中8月降水量气候倾向率为-14.5 mm/10a,减少趋势显著。

4.4?小波分析

图3显示了呼和浩特市1970~2015年降水量小波变换系数的实部时频分布图,图中实线表示实部系数大于等于0[13],属于降水偏多的时期,虚线表示实部系数小于0[13],属于降水偏少的时期。从图3可以看出,在不同时段内各时间尺度的强弱分布有所不同。其中,2~5a的时间尺度震荡中心主要有2个阶段,分别在1970~1982年和1998~2012年。6~10 a时间尺度几乎影响了整个计算区域,正负循环交替出现,其中心尺度在8a左右,在1998~2012间年表现明显。16~36 a时间尺度在1974~2005年间表现明显,其中心尺度在27 a左右,年降水量经历了少-多-少-多4个循环交替。

某地区降水时间序列的主要周期通常通过小波方差图确定[13]。图4给出了呼和浩特市年降水量不同频率下的小波方差折线图,由图4可以看出,呼和浩特市主要存在4个明显的峰值,分别位于4 a、8 a、14 a、27 a处,其中时间尺度为8 a时小波方差的峰值最大,说明8 a为呼和浩特市年降水变化的第一主周期,震荡最强,第二主周期出现在时间尺度为14 a处,4 a和27 a的时间尺度分别为年降水变化的第三、第四主周期。

5?结论

利用内蒙古气象局呼和浩特市气象站1970~2015年降水的观测资料,采用线性回归、距平分析、小波变换方法分析了呼和浩特市年降水量变化特征,并对呼和浩特市降水趋势进行了分析,得出以下结论。

(1)1970~2015年呼和浩特市年降水量变化趋势较为平稳,其线性增率为0.16 mm/10a,正负距平交替出现,变化幅度较大,为震荡期。

(2)1970~2015年呼和浩特市四季降水量都有一定的阶段性特点,春季和冬季降水量没有明显的线性变化趋势,而夏季以-2.7 mm/10a的速率在减少,秋季以2.2 mm/10a的速率在增加,月降水量主要集中在6~9月份,占全年降水量的76.6%。

(3)小波分析表明,1970~2015年呼和浩特市年降水量在不同时间尺度上具有不同的周期变化,即8 a为年降水变化的第一主要周期,振荡最强,14 a和4 a分别为年降水量变化的第二和第三个主周期。

参考文献:

[1]邓子旺,林振山,周晓兰.西安市近50年来气候变化多时间尺度分析[J].高原气象,1997,16(1):81,93.

[2]左洪超,吕世华,胡隐樵. 中国近50年气温及降水量的变化趋势分析[J].高原气象,2004,23(2):238~244.

[3]徐宗学,张?楠. 黄河流域近50年降水变化趋势分析[J].地理研究,2006,25(1):27~34.

[4]宁?亮,钱永甫.中国年和季各等级日降水量的变化趋势分析[J].高原气象,2008,27(5):1010~1020.

[5]迟竹萍.近45年山东省夏季降水时空分布及变化趋势分析[J].高原气象,2009,28(1):220~226.

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[9]武文博,游庆龙,王?岱. 基于均一化降水资料的中国极端降水特征分析[J].自然资源学报,2016,31(6):1015~1024.

[10]石卫敏.55年呼和浩特气候变化及成因分析[J].气象,2006,32(51):90~92.

[11]王?勇,刘?备,刘严萍,等.基于小波变换的GPS水汽与气象要素相关性分析[J]. 大地测量与地球动力学. 2017,37(7):721~725.

[12]邵晓梅,许月卿,颜昌荣.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),2006,1(1):1~7.

[13]郭高轩,辛宝冬,朱琳等.基于小波变换的北京地区1724~2009年降水量多尺度分析[J].水文,2012,32(3):29~33.

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