1951—2019年常州市氣溫和降水變化研究

唐大偉

(江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇 常州 213000)

氣溫和降水作為氣候系統中的重要矢量之一，是全球變化與資源環境科學領域研究的重要參數[1]。當前氣候變化已經成為國際社會普遍關注的問題，聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)2013年研究報告指出，近100年來(1906—2005年)全球平均溫度升高了0.74℃，這種變化將對水循環過程產生深刻影響[1- 2]。氣象要素的時間序列變化不僅具有周期性、突變性，其本身與外部環境因素又有不同頻率疊加周期，因而其變化規律十分復雜[3]。準確掌握其大尺度變異規律對氣象預測、生態恢復具有重要意義。而當前研究主要關注了單一要素例如降水、氣溫、降水日數、極端天氣的變化特征，而關于揭示氣溫、降水要素同頻變化的研究并不多見。鑒于此，本文以常州市為案例，采用小波分析與GIS空間分析法，初步探究區域氣候要素遙相關特征與空間分布規律，以期為區域氣候變化研究與氣候資源利用提供依據。

1 研究區與數據方法

1.1 研究區概況

常州市位于江蘇省南部、長江下游核心地帶，區域面積4375 km2。區域屬長江沖積與瀉湖相(太湖)平原，地勢平坦，平均海拔9m，最高處為541m。由于位于北緯中緯度大陸東岸，受海陸位置效應與季風環流影響形成亞熱帶季風氣候，四季分明、雨熱同期，年降雨量豐富、無霜期長。

1.2 資料來源

氣象要素為常州市內天寧、武進、常州、新北、金壇、溧陽6個觀測臺站的逐月氣溫、降水數據，由中國氣象數據網提供。將逐月的數據轉換為年值，對于部分缺失值采用平均值代替，以6個站點觀測的歷年平均值為該地氣象要素年值。多年平均降水量與氣溫分布的柵格數據來自中國科學院資源環境數據中心，其空間分辨率為1km×1km。

1.3 小波分析

小波分析被稱為數學顯微鏡，利用小波函數逼近具有時序特征的變量，進而解析其內在變化規律，小波函數描述為[2- 3]：

(1)

式中，f(x)—分析小波函數；ψ(x)—小波基函數，本文采用Morlet小波基；ψ(x)—尺度參數；a、b—小波基中心位置。

小波方差計算如下:

(2)

式中，W(a，b)—信號f(n)在尺度為a、位置為b處的小波變換系數；V(a)—小波方差；n—時間序列長度。

小波功率譜(P)表征變量在不同尺度對應的能量密度，其值越大，表明該尺度越強烈。小波功率譜公式如下[5]：

(3)

1.4 數據處理

為直觀描述氣象要素時間變化，采用Excel 2016軟件的斜率回歸法擬合其趨勢度，并利用P檢驗衡量趨勢度顯著性水平，當P<0.05時，表明變化趨勢達到統計顯著性。小波變換被廣泛應用于氣候要素變換規律分析，采用Matlab2018b平臺的Wavemenu工具箱編程實現氣象要素的小波方差計算、小波相干譜分析。氣象要素柵格數據的處理與空間分析利用ArcGIS10.5平臺完成。

2 結果與分析

2.1 氣溫降水時間變化

線性回歸分析表明，1951—2019年常州市年降水量呈現波動增加趨勢，變化斜率為2.348mm/a，但并未通過0.05水平信度檢驗，表明該趨勢不顯著。該市年降水量最高值出現在1991年，達1879.14mm，最低值為1978年的506.80mm，多年平均值為1060.97mm，變異系數為23.56%，呈現弱變異。氣溫的增加趨勢則相對明顯，傾向斜率為0.0235℃/a，并且達到統計顯著性水平。氣溫平均值為15.63℃，最低值為1956年的14.215℃，最高值為2007年的16.875℃，如圖1所示。近69a來常州市降水量、氣溫均呈現增加趨勢，這與汪姍[4]的研究相吻合。全球氣象觀測表明，全球升溫造成季風環流運動異常，特別是控制我國東部地區降水的西太平洋暖濕氣流近年來出現減弱，導致氣流幅合運動遲滯并停留在長江流域附近，因而導致長江干流地帶降雨量增多。

2.2 氣溫降水周期性特征

常州市降水量與氣溫變化的小波方差實部如圖2所示。

由圖2可知，常州市降水量表現出10、25a的年代變化。其中在10a尺度上，1952—1958、1968—1977、1986—1993、2005—2010、2014—2019年為正相位，表現為豐水年；其他年份的小波方差為負相位，對應枯水年，這一特征與圖2所示結果一致。相較而言，25a的年代變化特征并不明顯，因而不是降水變化的主周期。常州市氣溫變化的小波方差正負信號在10～30a的尺度上交替分布，這反映了氣溫變化周期，其中尺度為20a的小波系數等值線閉合值較高且具有全域性特征，其為區域氣溫變化主周期。多數研究表明氣溫變化周期比降雨變化周期長，這是由于氣溫變化具有全球同步性，而降水變化則具有區域地帶性，并且氣溫變化影響降水分布。

2.3 氣溫降水相干性分析

常州市降水量與氣溫時間變化的小波相干譜如圖3所示。

將氣溫與降水量進行小波相干譜變換，以識別二者之間的遙相關性，主要包含共振周期、顯著時段與相位關系等特征。由圖3可知，區域氣溫、降水之間的遙相關性反映為多尺度周期，小于1.5 a和大于研究時域的周期并不能完整反映二者同頻變化，因此主要繪制了有效時域內的小波相干譜。可知在1951—1995年間，常州市氣溫、降水變化在1.5～3a的尺度上存在顯著遙相關，說明在短時間尺度上氣溫的變化會影響降水，這與祁曉凡等[5]的研究結論一致。在1951—1975年間，二者在14～18a的尺度上存在顯著的遙相關，在2005—2019年氣溫、降水在9～12a的尺度上存在顯著遙相關性，這種同頻震蕩可能與太陽活動相關[1]。

圖1 降水量與氣溫時間變化

圖2 降水量與氣溫變化的小波方差實部

圖3 降水量與氣溫時間變化的小波相干譜

2.4 氣溫降水空間分布特征

將降水柵格資料進行空間投影、掩膜提取等預處理后進行Downscale、Raster to point、Geostatistics操作，得到常州市多年平均降水量和溫度的空間分布圖，其像素為500m×500m，如圖4所示。經柵格計算表明，區域空間降水量介于1054～1310mm，空間平均值為1198mm，變異系數達65.38%，表明區域降水分布不均衡。氣溫的分布范圍為15.3～16.8℃，空間統計平均值為16.1℃，變異性為54.68%。

通過三維投影直觀呈現氣溫、降水要素的空間分布規律。圖4中x、y、z分別指示正東、正北和氣候要素歸一化屬性高值，xz、yz分別表征xy平面上區域氣溫、降水的投影值，曲線為擬合的空間規律。可知，常州市氣溫在東西方向上呈平緩線性分布，自東向西降低；在南北方向上為對數函數分布，自南向北增加。降水的空間分布與氣溫相似，但其分布函數不同，在東西和南北方向上均呈指數分布。

圖4 降水量與氣溫空間分布與空間趨勢

3 結論

在全球氣候變化背景下，常州市近69a來降水與氣溫均呈現增高趨勢，其中降水量變化表現出更多的波動性且趨勢不顯著，氣溫則呈現線性趨勢，達到統計顯著性水平。基于連續小波變換，發現降水變化有更多的尺度周期，并以短周期為主；而氣溫變化以長周期為主，周期單一，這反映了氣象要素震蕩特征差異。小波相干譜揭示了二者的同頻變化，其遙相關存在多尺度疊加且不連續，表明二者變化具有緊密聯系。通過空間趨勢分析擬合了區域降水、氣溫空間分布規律，結果顯示二者呈現相似的分布特征，即自南向北遞減分布，線性、對數、指數函數能夠較好擬合氣象要素在不同方向上的分布規律。