無錫市年降水量小波周期分析

摘 要：水文時間序列往往在時域中存在多層次時間尺度結構和局部化特征。本文運用小波分析的多分辨率功能，對無錫地區1951-2011年年降水量時間序列資料進行了多時間尺度分析。研究結果表明：無錫地區年降水量8年一次的周期性變化規律最為明顯，未來1～5年內很可能出現豐水年份。

關鍵詞：小波分析； 年降水量； 周期分析

中圖分類號：4802 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2012）03-178-001

一、區域概況

無錫別名梁溪，江蘇省省轄市，長江三角洲的中心城市之一，國家歷史文化名城，重要的風景旅游城市，太湖流域交通中樞，位于江蘇省東南部，北枕長江，南倚太湖，西境滆湖，地處長江三角洲江湖間走廊。北與泰州市所轄的靖江市隔江相望，東與蘇州相接，距上海128km，西與常州交界，離南京183km。無錫歷史悠久、物產豐富、經濟發達，是我國民族工業的發源地，自古就是我國著名的魚米之鄉，面積4787平方公里。近年來，隨著無錫城市大包圍建成、沿江引排能力的提高、流域引江濟太實施、區域水資源調度開展，該區域水文情勢發生了一定變化。在雨量、水位、流量、泥沙、水質等諸水文要素中，降水受人類活動影響較小。因此，通過對該區域年降水量的變化規律分析，可以進一步弄清該區域水文情勢變化規律，為防洪、水資源調度提供重要技術支撐。

二、小波分析

1.小波函數的選取

降水主要受大氣環流和人類活動的影響，而大氣環流主要受太陽黑子活動的影響，具有一定的規律性，可以用小波分析法對無錫地區年降水量進行周期性分析。

20世紀80年代初Morlet提出的小波分析(Wavelet analysis) 是一種有效的信號分析工具。小波變換作為一種新的多分辨分析方法，可同時進行時域和頻域分析，具有時頻局部化和多分辨特性，因此特別適合于處理非平穩信號，被譽為“數學顯微鏡”，近年來，在水文周期性分析中得到廣泛應用。

常用的小波函數有Morlet小波、MexHat小波、Hear小波等，由于Morlet小波能較好地擬合水文過程周期性，故用Morlet小波對無錫地區年降水量系列作周期性分析。

2.分析方法、步驟和成果

首先，選取資料系列長、測驗精度高的無錫、江陰雨量站作為無錫地區雨量代表站，以無錫、江陰年雨量（1951~2011年）的算術平均值代表無錫地區面年雨量，將無錫地區年面雨量系列進行標準化處理，處理方法為：

從圖中可以直觀地看到，尺度25~35a的小波系數反映出明顯的周期性，尺度7-13a的小波系數反映出的周期性其次。由于用來分析的原始數據只有61年（1951~2011年），故25~35a的周期只出現2次，這種周期很可能是偽周期，需要有更長的資料系列來驗證，目前不能完全肯定。而尺度7-13a的周期61年里出現了6次，故可以肯定無錫地區年雨量存在以7-13年為周期的豐枯變化。

繪制尺度7-13a各種尺度的小波變換系數過程線，可以發現尺度為8a的小波系數變化周期性最為明顯。無錫地區年雨量小波變化系數過程線見下圖。

目前無錫地區處于枯水年份向豐水年份的過渡階段，一般平水年份偏多，未來1-5年內很可能出現下一個豐水年份。

三、結論

研究結果表明：無錫地區年降水量存在明顯的年際變化特征，主要存在25～35年、7～13年2類尺度的周期變化規律，其中8年的周期變化規律最為明顯；目前無錫地區處于平水年份向豐水年份的過渡階段，未來1～5年內很可能出現下一個類似于1991、1999年這樣的豐水年份，各級水行政主管部門應未雨綢繆，做好充分準備。