近58年陜西省水熱資源變化及其與亞洲環流的相關分析

高雪嬌，李曉利

(榆林市氣象局，陜西榆林 719000)

近58年陜西省水熱資源變化及其與亞洲環流的相關分析

高雪嬌，李曉利

(榆林市氣象局，陜西榆林 719000)

摘 要：采用常規統計、功率譜和交叉小波變換方法，分析了陜西省1951—2008年的平均氣溫、降水量以及亞洲環流指數的時頻域統計特征，討論了陜西省近58年水熱資源變化與亞洲環流指數之間的多時間尺度相關。結果表明，陜西省水熱資源和亞洲環流指數的變化具有多時間尺度結構，兩者都存在準2 a、4 a、6～8 a和12～16 a尺度的顯著變化周期，不同尺度周期振蕩能量的強弱和時域分布位相存在明顯差異。氣溫變化與緯向環流指數之間表現為顯著的正相關振蕩，而降水變化與經向環流指數為負相關振蕩。東亞及南亞夏季風、極渦和北大西洋濤動對陜西省水熱資源變化也存在不同程度的影響。

關鍵詞：環流指數；水熱資源；氣候變化；小波分析

氣候變化的影響是多方面的，未來的氣候變暖將會對中國的生態系統、農業以及水資源等部門和沿海地區產生重大的不利影響[1]。第四次IPCC報告指出，最近100 a(1906—2005年)全球平均地表溫度上升了0.56～0.92 ℃，比2001年第三次評估報告給出的100 a(1901—2000年)上升0.4～0.8 ℃有所提高[2]。陜西省處于中國內陸腹地，黃河和長江流域中部，地處東經105°29′～111°15′和北緯31°42′～39°35′之間，南北氣候差異明顯，由北向南分為三大自然區域：北部陜北黃土高原、中部關中平原，南部秦巴山地。水熱資源的變化對該地區的農業生產、國民經濟和生態環境有著重要的影響，特別是對陜西中北部的干旱、半干旱地區。高蓓、肖軍等人利用Jones網格面積加權平均、氣候躍變的統計檢測等方法對陜西近50 a的氣候變化特征進行了分析[3-4]；卜紅梅等人利用統計分析及Autoregression 模型等方法，研究了近50 a (1957—2004) 漢江上游金水河流域年和季節的氣溫、降水變化特征[5]；白愛娟等人指出近50 a 來冬季降水減少和氣溫升高是陜西省近半個世紀以來氣候變化的主要特征，與北半球大氣環流的變化有密切關系[6]。

大氣環流異常是區域氣候異常的直接原因。許多學者對我國氣候異常與大氣環流的關系作了大量研究，但主要針對華北、長江流域等東亞季風區[7-9]，加深了對東亞氣候異常機理的認識。施能、朱乾根等人在研究北半球冬季大氣環流遙相關型的長期變化時發現，WA、PNA型有明顯的趨勢變化以及年代際變化[10-11]。然而，目前有關亞洲環流系統對陜西省氣候變化以及由此而引起的對水熱資源變化的影響研究較少。以往關于陜西水熱氣候資源變化的研究工作，大多采用常規統計方法討論以年為單位的水熱資源總量的變化，很少涉及水熱資源變化的原因分析，尤其是大氣環流對水熱資源的影響，兩者在時間域和頻率域中相關關系的研究更不多見。為此，本文采用將交叉譜和小波變換相結合的交叉小波變換方法，分析陜西地區水熱資源變化與亞洲環流指數之間的統計特征，討論兩者在時頻域中的多時 間尺度相關關系，旨在于進一步了解大氣環流的年代變化對陜西水熱資源的影響在不同時期和不同頻率上的特征，為區域氣候環境、水熱資源的客觀評估和準確預測提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料

采用1951—2008年陜西省19站點逐日氣溫和降水資料，其中陜北6站(榆林、橫山、綏德、吳起、延安、洛川)，關中6站(銅川、長武、寶雞、武功、西安、華山)，陜南7站(略陽、佛坪、漢中、石泉、安康、鎮安、商洛)，對個別站點資料的缺測記錄進行了插補訂正[12]。資料來源于中國氣象局。環流特征量資料由國家氣候中心氣候整編計算，包括歐亞、亞洲環流指數，西太平洋副高指數，東亞季風，南海季風等11項資料。

1.2 方法

(1)常規統計

采用相關分析來判定水熱資源與大氣環流因子之間關系的密切程度，置信度檢驗采用T檢驗方法。采用功率譜分析[13-14]水熱資源變化的頻率特征。

(2)小波分析

在氣候變化方面，有諸多學者應用小波變換方法對氣象要素的時頻變化特征進行了研究，以及區域氣候變化與大氣環流、海氣相互作用等的相關分析[15-17]，都取得較好的應用結果。本文采用連續小波變換和交叉小波變換方法分析陜西近58 a水熱資源的時頻變化及其與各環流指數的相關關系。

2 水熱資源變化特征

2.1 時空分布

如圖1所示，近58 a陜西省平均氣溫呈現明顯的上升趨勢。1980年代前近40 a的年平均氣溫較為穩定。但從1980年代末起，氣溫增幅顯著，1990年代的平均氣溫比1980年代升高0.6℃。進入21世紀，增幅減緩，2000—2008年平均氣溫比1990年代升高0.4 ℃，較1980年代前升高1.0 ℃。

圖1 陜西省1951—2008年年平均氣溫和年降水量變化

近58 a陜西年降水量呈下降趨勢，1960年代出現最大值， 1950和1980年代出現極大值，最小值出現在1990年代，相差500 mm左右。降水量偏少年遠多于偏多年，年降水量負距平年是正距平年的2倍多，負距平百分率均在20%以下，而正距平百分率有5 a超過了30%，最大在1964年為46%，年平均降水量達950 mm。另外，1985年之后，年平均降水量和氣溫表現為反相距平，降水以負距平為主，氣溫以正距平為主。

陜西省南北區域狹長，氣候差異明顯。由圖2可見，年平均氣溫和降水分布近似平行于地理緯線。南北兩端年平均氣溫相差達7 ℃，平均值出現在34°N附近，最大值出現在陜南的安康地區，而在關中東部存在一個低值中心，是由于受到高山站華山站(海拔2 057.9 m)的影響，導致氣溫較周邊地區偏低；年平均降水量最大值位于陜南的漢中市東南部，最小值在陜北的橫山縣一帶，相差了500 mm，在華山一帶出現次高值832 mm，可能是由于秦嶺大地形的作用，平均值出現在34°N略偏北地區。

2.2 區域差異

陜西省長城沿線以北為溫帶干旱半干旱氣候，陜北南部和關中平原為暖溫帶半干旱或半濕潤氣候，陜南盆地為北亞熱帶濕潤氣候，山地大部為暖溫帶濕潤氣候。因此，各區域氣象要素具有明顯的差異。年平均氣溫由北向南依次遞增，關中較陜北高1.5～2.2 ℃，而陜南比關中高2.4～3.1 ℃。

由圖3a可見，各區域年平均氣溫變化趨勢差異明顯，陜北年平均氣溫升高趨勢最明顯，關中次之、陜南最小，陜北、關中、陜南近58 a年平均氣溫分別以0.24 ℃/10 a、0.12 ℃/10 a、0.08 ℃/10 a的速率升高。

圖2 陜西省1951—2008年年平均氣溫(a,單位為 ℃)和年降水量(b，單位為mm)的分布圖

圖3 陜西省1951—2008年各區域年平均氣溫(a)年降水量(b)變化趨勢

降水是水資源的主要補給來源，由于氣候變暖的原因，近幾十年來我國年降水量平均以12.7 mm/10 a的速度減少[15]。近58 a陜西的陜北、關中、陜南各區的年降水量也呈現不同程度的減少趨勢，如圖3b。陜北、關中和陜南分別以5.8 mm/10 a、22.8 mm/10 a、19.1 mm/10 a的速率減少。

綜合陜西各區域的氣溫、降水變化情況，表明關中地區的氣候生態可能向陜北地區的干旱性氣候轉變，陜西省的干旱程度加重，干旱區域面積也在增加。

2.3 年代際變化

陜西省近58 a的年平均氣溫和降水量除了具有明顯的年際變化和地域差異外，季節差異也存在年代際變化。如表1所示，1980年代前，氣溫負距平居多，1990年代后均為正距平。春季和冬季均在2000年代達到最大正距平。秋、冬季在1990年代升溫最快。春季在2000年代升溫快。而夏季卻在1980年代出現明顯降溫，1990年代又迅速升溫。

陜西屬于亞熱帶季風氣候，降水量也存在季節的年際變化。夏、秋季為降水集中期，降水量分別為957.1 mm、535.6 mm，占全年的76.9%。冬季僅占全年的3.3%，是全年的干旱期。不同年代的季節降水量相對于整個季節的降水量距平表明，2000年代春季降水量明顯下降，造成春旱，容易對農業產生嚴重的不利影響；冬季差異不明顯。夏、秋季降水量年代際波動明顯，1950—1960年代降水充足，1990年代降水量呈明顯下降趨勢，出現最大負距平，較10 a前減少近170 mm，旱象嚴重，極大地影響了作物產量、品質。

表1 1951—2008年各年代各季節平均氣溫和降水量距平

3 水熱資源的變化周期

3.1 功率譜分析

功率譜是識別頻率域中時間序列周期信號的有力工具。由圖4a可見，陜西氣溫變化具有準2 a、3～6 a和12～16 a時間尺度的周期振蕩，周期顯著性都通過了置信水平α=0.05的F檢驗；由圖4b可見，陜西降水量變化具有準2 a、4～6 a和12～16 a時間尺度的周期振蕩，而12～16 a周期顯著性沒有通過檢驗，說明陜西年平均降水量的年代際變化不明顯。

圖4 陜西省氣溫(a)、降水量(b)距平的功率譜圖

3.2 連續小波分析

陜西省月平均氣溫和降水量在年際和年代際的時域分布都不均勻，局部化特征明顯。

圖5a中，月平均氣溫的年際尺度變化主要表現為4 a和8 a的周期振蕩，4 a尺度的小波系數等值線較密集，冷暖交替的突變點位置清楚，閉合中心數值較大，表明該周期信號明顯。年代際變化表現在12～16 a和24 a左右的時間尺度。在16 a時間尺度上，主要經歷5個冷暖交替，分別出現在1960、1968、1978、1988和1999年前后。32 a大尺度上出現三個突變點，分別是1960、1978和1999年。

圖6a中，月平均降水量在年際尺度上有2 a和4～8 a的周期振蕩；2 a尺度的小波系數等值線較密集。年代際變化表現在12～16 a和24 a左右的時間尺度上。在16 a時間尺度上，主要經歷4個干濕交替，突變點位置分別出現在1958、1965、1990和2004年前后。32 a大尺度上在1958、1972和1985年出現三個突變點。

圖5b 和 圖6b分別為陜西省月平均氣溫、降水量的Morlet小波變換系數模的對數值在時頻域中的分布，圖中虛線表示值小于0，實線表示值大于等于0。小波系數模的大小，只表明其所對應時段和時間尺度的周期性是否明顯，并不代表各種周期變化成分能量的大小，與Fourier分析完全不同。年際尺度變化中，氣溫和降水的準2 a和4 a的周期性變化明顯，高值閉合中心都分別位于1968年和1995年前后；氣溫年代際尺度變化表現為12～16 a和28 a左右的周期信號，降水年代際尺度變化表現為8～16 a和28 a左右的周期信號，且都以全時域的8～16 a周期振蕩最為顯著，28 a周期較為顯著。

圖5 陜西省月平均氣溫距平的小波變換實部(a)和模(b)

圖6 陜西省月平均降水距平的小波變換實部(a)和模(b)

4 水熱資源與環流指數的相關

4.1 統計相關

大氣環流系統具有年際和年代際變化，對不同地區氣候的影響作用也不相同。為了了解陜西省水熱資源變化與大氣環流系統之間的關系，統計了陜西省月平均氣溫、降水量與環流特征指數的同期相關系數，結果如表3所示。

統計結果表明，陜西省月平均氣溫、降水量與東亞夏季風指數、南亞和南海夏季風指數的相關顯著。氣溫與東亞夏季風、南亞夏季風指數之間呈顯著的正相關，而降水則與東亞夏季風、南海夏季風指數之間表現為顯著負相關，都通過了置信水平0.05的T檢驗。東亞、南亞以及南海夏季風都是亞洲環流系統的主要因子，因此亞洲環流對陜西省氣候變化具有顯著作用。

表3 1951—2008年陜西省月平均氣溫、月平均降水量與環流特征指數的相關系數

4.2 交叉小波分析

采用交叉小波變換方法，分析陜西水熱資源變化與亞洲環流指數之間的統計特征，討論兩者在時頻域中的多時間尺度相關關系。

圖7a中，陜西省氣溫與緯向環流指數在各個時間尺度上都是正相關。其中20 a周期相關最強；圖7b中，對應4 a尺度的周期振蕩，1965—1970年、 1978—1982年、 1997—2004年，兩列信號表現為比較強烈的正相關關系；1956、1965、1969、1980、1990、2000年在1 a左右時間尺度上也呈較明顯的正相關。在1960、1970、1982—1990、2006年在準2 a時間尺度上表現為弱的正相關，而在12～16 a周期上幾乎整個時域中兩者均表現為較強的正相關關系。這種復雜的不同程度正相關關系表明，在各異的時頻上陜西省氣溫變化與亞洲緯向環流指數的相關具有多時間尺度和多層次的特征。

圖8a給出了陜西省降水量變化與亞洲緯向環流指數變化的交叉小波功率譜。在4 a、8 a和16 a尺度上相關為負，在16 a尺度上負相關最強；在2 a、5 a和12 a相關為正，在12 a尺度上正相關最強。圖8b中，對應4 a尺度的周期振蕩，1960—1965年、1980—1985年，兩者表現為強的負相關；1955、1975和1995年在1 a左右時間尺度上也呈較明顯正相關，1958、1980和1999年在1 a左右時間尺度上也呈較明顯負相關；在12～16 a周期上1972—1992年表現為較強的正相關關系。陜西降水量變化與亞洲緯向環流指數變化的相關不僅具有多尺度和多層次特征，而且在不同時域中不同頻率尺度的相關關系也不相同。

圖7 陜西省氣溫變化與緯向環流指數的交叉小波功率譜(a)和交叉小波變換(b)

圖8 陜西省降水變化與緯向環流指數的交叉小波功率譜(a)和交叉小波變換(b)

經向環流的影響也不容忽視。圖9a是陜西省氣溫變化與亞洲經向環流指數變化的交叉小波功率譜。在準1 a、準2 a和13 a尺度上兩者為負相關，13 a尺度上負相關最強；在7 a和20 a尺度上兩者為正相關，其中20 a尺度上正相關達到最強。圖9b中，對應4 a尺度的周期振蕩，各個年代尺度的相關性都不是很明顯；1955、1962、1980、1988、1994年和2002年在1 a左右時間尺度上也呈較明顯的正相關。1958、1970、1978和1999年在準2 a時間尺度上表現為較弱正相關，而1980—2005年在12～16 a周期上幾乎整個時域中兩者均表現為較強的正相關關系。亞洲經向環流對陜西省氣溫變化的影響主要表現在年代際尺度上。

圖9 陜西省氣溫變化與經向環流指數變化的交叉小波功率譜(a)和交叉小波變換(b)

圖10a顯示陜西降水變化與徑向環流指數之間在年際和年代際尺度上都是負相關，其中15 a尺度負相關程度最強。圖10b中，對應4 a尺度的周期振蕩在年際尺度上的相關性都不是很明顯；1955、1962、1976、1985、1990和2000年在1 a左右時間尺度上表現為正相關；1960、1970、2006年在準2 a時間尺度上表現為弱正相關；而1975—2005年在12～16 a周期上幾乎整個時域中兩者均表現為較強的負相關關系。就長期變化而言，亞洲經向環流增強時，陜西降水量偏少。

圖10 陜西省降水變化與經向環流指數變化的交叉小波功率譜(a)和交叉小波變換(b)

5 結論與討論

5.1 近58 a陜西省各區的氣溫有明顯的增加趨勢，增溫幅度由北向南遞減；降水量呈下降趨勢，關中地區最為明顯。

5.2 陜西的氣溫變化具有4 a、8 a、12～16 a和28 a左右的周期振蕩，尤其是4 a尺度最為明顯；降水量變化具有2 a、4～8 a、16 a和28 a左右的周期振蕩，2 a尺度最為明顯。

5.3 陜西氣溫變化與亞洲緯向環流指數之間在各年代尺度周期上表現為正相關，在20 a尺度周期上最強；與經向環流在13 a尺度周期上表現為負相關，20 a尺度為正相關。陜西降水量變化與緯向環流在2 a、12 a尺度周期上表現為正相關，4 a、16 a尺度周期上表現為負相關；與經向環流指數之間在各年代尺度周期上表現為負相關，在15 a尺度周期上負相關最強。

5.4 引起陜西水熱資源變化的原因很多，除了亞洲環流系統外，極地渦旋、洋面濤動等海氣相互作用也是影響陜西地區氣溫和降水變化的重要因素，其影響及機制還有待進一步研究。

參考文獻：

[1] 林而達，許吟隆，蔣金荷，等.氣候變化國家評估報告(Ⅱ)：氣候變化的影響與適應[J].氣候變化研究進展,2006，2(2)：51-56.

[2] IPCC.IPCC Fourth Assessment Report(AR4)[R].Cambridge：Cambridge University Press，2007.

[3] 高蓓，栗珂，李艷麗.陜西近40 年氣候變化特征的分析[J].成都信息工程學院學報，2006，21(2)：290-295.

[4] 肖軍，趙景波.西安市54年來氣候變化特征分析[J].中國農業氣象，2006，27(3)：179-182.

[5] 卜紅梅，黨海山，張全發.漢江上游金水河流域近50年氣候變化特征及其對生態環境的影響[J].長江流域資源與環境，2009，18(5)：459-465.

[6] 白愛娟，方建剛.近50 a 陜西省冬季氣候變化特征及其與北半球大氣環流的關系[J].氣象科學，2003，23(2)：176-184.

[7] 衛捷，張慶云，陶詩言.近20年華北地區干旱期大氣環流異常特征[J].應用氣象學報，2003，14(2)：140-151.

[8] 廖清海，高守亭，王會軍，等.北半球夏季副熱帶西風急流變異及其對東亞夏季風氣候異常的影響[J].地球物理學報，2004，47(1)：10-18.

[9] 徐桂玉，楊修群，孫旭光.華北降水年代際、年際變化特征與北半球大氣環流的聯系[J].地球物理學報，2005，48(3)：511-518.

[10] 施能，朱乾根.北半球大氣環流特征量的長期趨勢及年代際變化[J].南京氣象學院學報，1996，19(3)：283-289.

[11] 施能.北半球冬季大氣環流遙相關的長期變化及其與我國氣候變化的關系[J].氣象學報，1996，54(6)：675-683.

[12] 孫衛國.氣候資源學[M].北京：氣象出版社，2008：344-394.

[13] 黃嘉佑.氣象統計分析與預報方法[M].3版.北京：氣象出版社，2004：1-50.

[14] 盛驟，謝世千，潘承毅，等.概率論與數理統計[M].高等教育出版社，2001.

[15] 國家氣候中心.全國氣候影響評價[M].北京：氣象出版社，2001.

[16] 孫衛國,程炳巖,郭渠.西太平洋副熱帶高壓對華北地區降水蒸發的影響[J].高原氣象，2009，28(5)：1168-1174.

[17] 孫衛國,程炳巖.交叉小波變換在區域氣候分析中的應用[J].應用氣象學報，2008，19(4)：479-487.

中圖分類號：P467.1

A

文章編號：1006-4354(2013)05-0001-08

收稿日期：2013-04-07

作者簡介：高雪嬌(1988—)，女，陜西米脂人，漢族，學士，助理工程師，從事天氣預報與研究。