饒平縣降水變化特征分析

蔡澤杰++謝漢良++陳澤文++佘元標(biāo)

摘 要：利用饒平氣象站1956—2015年的降水資料，采用線性趨勢分析、Morlet小波分析等方法，分析了饒平縣降水的變化特征。分析結(jié)果表明，近60 a來，饒平縣年代際降水在20世紀(jì)90年代有突變，且90年代年平均降水量最多，近6 a來年平均降水量最少，年降水量總體維持微弱增多的趨勢；四季中，春、夏、秋季的降水量均呈增多趨勢，冬季降水量則呈現(xiàn)減少趨勢，且四季降水量變化特征為秋季>冬季>春季>夏季；月平均降水量最多的是6月份，最少的是1月份，4—9月各月平均降水量高于年內(nèi)月平均值，而1—3月和10—12月各月平均降水量則低于年內(nèi)月平均值；通過對全年和季節(jié)降水量的周期分析發(fā)現(xiàn)，年降水量有6～8 a、10～12 a、準(zhǔn)40 a周期，年降水量以中小尺度的年際周期為主，而四季降水量在大尺度的年代際周期上反而表現(xiàn)明顯。

關(guān)鍵詞：降水；變化特征；線性趨勢；小波分析；饒平

中圖分類號：Q938.1+2 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170518001

引言

近百年來，地球氣候正經(jīng)歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化[1]。在氣候變化中，降水是最主要和易受干擾的要素[2]。水，是人類生命的源泉，而大氣降水是水資源的重要組成部分[3，4]，是水資源的重要補給源，分析降水變化特征，具有重要的實際意義。

有研究表明，在全球變暖的背景下，中國的降水發(fā)生了明顯的變化，呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢[5]。因此，開展饒平降水量時空變化特征及規(guī)律研究，不僅能合理開發(fā)利用饒平縣氣候資源，而且對合理布局農(nóng)業(yè)生長、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)等具有重要的現(xiàn)實意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

資料來源于廣東省饒平國家氣象觀測站的1956—2015年60a的降水資料。按照廣東省天氣預(yù)報技術(shù)手冊[6]，將四季劃分為：春季為3—4月，夏季為5—10月，秋季為11—12月，冬季為次年1—2月。

1.2 研究方法

1.2.1 線性趨勢分析

對氣象要素資料序列進行趨勢分析時，一維時間序列一般采用線性傾向估計方法[7-8]。

= （1）

式中：為氣象要素，為時間（1956—2015年），a為線性趨勢，b為常數(shù)。把a×10稱為氣象要素每10a的趨勢系數(shù)，其中a的最小二乘估計和與之間的相關(guān)系數(shù)r分別用式（2）和式（3）計算：

（2）

（3）

降水量是呈上升還是下降趨勢，取決于a的符號。當(dāng)a>0，說明隨時間t的增加，Y是呈上升趨勢；當(dāng)a<0，說明隨時間t的增加，Y是呈下降趨勢。a值反映了上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向率。

1.2.2 Morlet小波分析

小波分析在氣候序列變化周期分析中應(yīng)用廣泛，被認(rèn)為是 Fourier分析方法的突破性進展。小波變換不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯示出變化的時間位置，其中Morlet小波系數(shù)的實部表示不同特征時間尺度信號在不同時間上的分布和位相2方面的信息，正的小波系數(shù)反映出分析對象在該時間段為偏多期，負值時反映為偏少期，零值對應(yīng)著突變點。本文利用Morlet小波分析方法繪制60a以來饒平縣年和四季平均降水量小波實部圖，以分析饒平縣降水量的平均周期性以及趨勢變化[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量變化特征

2.1.1 降水量的年代際變化

圖1是1956—2015年饒平縣各年代降水量柱形圖。從圖1中可看到，降水量在20世紀(jì)90年代突變，年平均降水量達到1659.5mm，之后又呈減少趨勢，2000—2009年平均降水量為1557.8mm，年平均降水量最少的是近6a，為1406.0mm，比20世紀(jì)90年代少了253.5mm，僅是其84.7%，1956—1959年、20世紀(jì)60年代、70年代和80年代的年平均降水量呈減少趨勢，分別是1510.2mm、1463.6mm、1450.1mm和1427.7mm。

2.1.2 降水量的年際變化

饒平縣近60a年降水量平均值為1501.1 mm，降水量最多的年份是2006年，達2576.6 mm，最少的年份是2011年，只有796.0 mm，兩者相差達1780.6 mm，僅是降水量最多年份的30.9%，足見其振幅之大。

圖2是1956—2015年饒平縣各年降水量變化曲線圖。分析圖2可以得出，60a來饒平縣年降水量變化的傾向率為9.01 mm/10a，說明年降水量總體維持微弱增多的趨勢。從3次多項式擬合曲線來看，1956年—20世紀(jì)60年代前期、20世紀(jì)80年代后期—2008年，年降水量有增多的趨勢，這時期是處于多降水的階段；20世紀(jì)60年代中后期—80年代前中期，年降水量顯著減少，是處于少降水階段。從5a滑動平均曲線來看，60a來饒平縣年降水量的變化可分為4個階段：1959—1961年為降水量偏多期，1962—1989年降水量呈波浪形，總體維持在60a平均值上下，1990—2008年降水量又是偏多期，而2009年后，降水量又進入低值期。

2.1.3 降水量的季節(jié)變化

圖3是1956—2015年饒平縣四季降水量逐年變化趨勢圖。

從圖3可以看出，近60a來饒平縣四季降水量的變化具有明顯的季節(jié)特征。春、夏、秋季的降水量均呈增多趨勢，秋季增多得最多，傾向率為10.06mm/10a，春季次之，傾向率為3.52 mm/10a，夏季增多得最慢，傾向率僅為0.47 mm/10a；冬季降水量則呈現(xiàn)減少趨勢，傾向率為-5.05 mm/10a。由此得出，近60a饒平縣降水量的變化特征為：秋季>冬季>春季>夏季。

表1列出了1956—2015年饒平縣四季平均、最多和最少降水量及其振幅。從表1可以得出，降水量夏季最多，占年降水量的74.0%；降水量最少的是秋季，占年降水量的4.4%，；春、冬季分別占年降水量的15.6%和6.0%。從振幅上來看，冬季降水量的振幅達459.1 mm，相當(dāng)于冬季平均降水量的514.1%，說明冬季降水量的年際變化具有更大的不穩(wěn)定性。

2.1.4 降水量的月變化

圖4是1956—2015年饒平縣月平均降水量變化曲線圖。從圖4可以看出，饒平縣月平均降水量在近60a內(nèi)有1個漸變過程：最高值出現(xiàn)在6月份，為278.6mm，最低值出現(xiàn)在1月份，為30.0mm，二者差值多達248.6mm。在12m中，4—9月各月平均降水量高于年內(nèi)月平均值125.1mm，而1—3月和10—12月各月平均降水量則低于年內(nèi)月平均值。

2.2 降水量變化周期分析

2.2.1 降水量的年周期分析

應(yīng)用Morlet小波分析方法得到1956—2015年饒平縣年降水量的小波分析圖（圖5）。通過小波分析圖，可以反映年降水量在不同尺度上的周期震蕩。分析圖5發(fā)現(xiàn)，年降水量存在多個時間尺度的變化規(guī)律，在大尺度的年代際周期上并不明顯，大致是準(zhǔn)40a的周期震蕩；表現(xiàn)較強的周期主要體現(xiàn)在中小尺度上，具有全域性周期的有6～8a周期、10～12a周期，同時在1972—1992年間存在準(zhǔn)16a周期。

2.2.2 降水量的四季周期分析

3 結(jié)論

近60a來，饒平縣年代際降水在20世紀(jì)90年代有突變，且90年代年平均降水量最多，近6a來年平均降水量最少，年降水量總體維持微弱增多的趨勢，其氣候變化率僅為9.01 mm/10a。

近60a來，饒平縣四季平均降水量存在明顯的季節(jié)差異，春、夏、秋季的降水量均呈增多趨勢，冬季降水量則呈現(xiàn)減少趨勢，且四季降水量變化率為秋季最大，冬季次之，夏季則變化最小。

近60a來，饒平縣月平均降水量最高值出現(xiàn)在6月份，最低值出現(xiàn)在1月份，4—9月各月平均降水量高于年內(nèi)月平均值，而1—3月和10—12月各月平均降水量則低于年內(nèi)月平均值。

通過對全年和季節(jié)降水量的周期分析發(fā)現(xiàn)，年降水量有6～8a、10～12a、準(zhǔn)40a周期。春季存在4～8a，10～12a和準(zhǔn)40a周期，夏季存在6～10a、12～16a、32～36a周期，秋季存在4～8a、10～14a、32～36a周期，冬季存在4～6a、準(zhǔn)8a、10～14a、32～42a周期；同時發(fā)現(xiàn)年降水量以中小尺度的年際周期為主，而四季降水量在大尺度的年代際周期上反而表現(xiàn)明顯。

參考文獻

[1]秦大河，丁一匯，張錦，等.氣候系統(tǒng)的演變及其預(yù)測[M].北京：氣象出版社，2003.

[2]王澄海，李健，李小蘭，等.近50年中國降水變化的準(zhǔn)周期性特征及未來的變化趨勢[J].干旱區(qū)研究，2012，29（1）：1-10.

[3]胡汝驥，馬虹，樊自立，等.新疆水資源對氣候變化的響應(yīng)[J].自然資源學(xué)報，2002，17（1）：22-27.

[4]高歌，李維京.華北地區(qū)氣候變化對水資源的影響及2003年水資源預(yù)評估[J].氣象，2003，29（8）：22-25.

[5]秦大河.中國西部環(huán)境演變評估綜合報告[M].北京：科學(xué)出版社，2002：80-81.

[6]廣東省氣象局《廣東省天氣預(yù)報技術(shù)手冊》編寫組.廣東省天氣預(yù)報技術(shù)手冊[M].北京：氣象出版社，2006：5.

[7]徐宗學(xué)，隋彩虹.黃河流域平均氣溫變化趨勢分析[J].氣象，2005，31（11）：7-16.

[8]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2007.

作者簡介：蔡澤杰（1987-），男，廣東省潮州市，本科學(xué)歷，助理工程師，主要從事地面氣象探測、農(nóng)業(yè)氣象觀測工作。