1951-2018年河北圍場地區降水的多尺度變化特征

龔蘭蘭，王長燕，郁耀闖，韓景衛，王 雄

(1.寶雞文理學院 地理與環境學院，陜西 寶雞 721013； 2.陜西省災害監測與機理模擬實驗室，陜西 寶雞 721013)

1 研究背景

降水是氣象和水文循環系統的重要組成部分，也是農業、水資源管理和氣候變化等方面的重要參數之一[1]。在全球變暖背景下，降水的強度和頻率變化過大往往會導致干旱和洪澇等極端氣候事件的發生[2-3]，從而對區域的生態環境和經濟社會發展產生重要的影響[4-5]。目前，全球多數地區降水量呈增加趨勢，并具有明顯的區域差異。例如，我國東南沿海、秦嶺-淮河以南以及西北地區降水量的增加趨勢較為明顯[4,6-7]，東北中南部和華北等地區的降水量則呈減少趨勢[6,8]。圍場滿族蒙古族自治縣(簡稱“圍場地區”)，位于河北省承德市北部，地處干旱與半干旱區、季風與非季風氣候、森林與草原以及農業與畜牧業之間的過渡地帶，該地區具有多種多樣的氣候和地理條件，生態環境比較脆弱，對氣候變化較為敏感。受自然環境和地理條件等因素影響，該地區霜凍、干旱和洪澇等極端氣候事件頻發[9]，是研究降水多尺度變化特征的理想區域。因此，開展河北圍場地區年降水的多尺度變化特征及其影響因素分析，對于認識區域氣候變化規律及水資源的有效管理具有重要意義。

本文以氣候變化比較敏感、生態環境較為脆弱的河北圍場地區為研究案例區，系統研究該區降水量的多尺度變化特征及其與厄爾尼諾(ENSO)和太平洋年代際振蕩(PDO)的關系，該結果將為認識圍場地區降水的變化規律、預測未來可能的降水變化趨勢以及未來華北平原東南部的生態安全和有效管理水資源提供參考依據。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及區域概況

本文選取由中國氣象數據網(https://data.cma.cn/)提供的河北圍場滿族蒙古族自治縣氣象站點1951-2018年的逐月降水觀測資料，對年尺度降水系列進行統計。厄爾尼諾(ENSO)和太平洋年代際振蕩(PDO)數據由荷蘭皇家氣象局氣候資源管理網站(https://climexp. knmi.nl/start.cgi)提供。

圍場滿族蒙古族自治縣，位于河北省承德市北部，地理坐標為116°32′～118°14′E，41°35′～42°40′N，該區地勢西北高東南低，平均海拔1 500 m，東西長138 km，南北寬118 km，總面積9 219 km2。圍場地區氣候類型屬于北(寒)溫帶-中溫帶、半濕潤-半干旱、大陸性季風型和高原-山地氣候，夏季溫暖多雨而短促，冬季寒冷干燥而漫長，年平均氣溫3.3℃，年降水量為300～560 mm，多年平均降水量為445.6 mm，降水時空分異較大，主要集中在夏季，6-8月的降水量占全年降水的68%～72%，春季降水量相對較少，僅占全年降水的12%～15%。該區屬于典型溫帶針葉林和暖溫帶落葉闊葉林過渡地帶，氣候變化比較敏感，生態環境較為脆弱。圍場地區地理概況如圖1所示。

圖1 圍場地區地理概況圖

2.2 集合經驗模態分解法

本文采用集合經驗模態分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)和Morlet小波函數法對圍場地區降水的時間序列進行多周期尺度分解[23]。EEMD方法是在經驗模態分解(EMD)的基礎上改進而來，是一種適應于非線性、非平穩信號的處理方法[24-25]，目前已被廣泛應用于水文、氣候變化和地球物理等領域的多時間尺度序列信號分析[20,26-27]。小波分析是一種用于分析時序信號的功率譜局部變化的現代較新的分析方法，它同時兼顧了時域與頻域的局域化特性，并考慮了有限數據的邊緣效應對其周期的影響[28-29]。另外，利用交叉小波變換(cross wavelet transform，CWT)來進行交叉小波譜和小波凝聚譜分析[30]。

3 結果與分析

3.1 圍場地區年降水量變化特征

圖2為1951-2018年圍場地區年降水量變化特征。由圖2可知，1951-2018年河北圍場地區年降水量總體上表現為波動增加的變化趨勢，增加幅度為0.8 mm/10a，年降水量的變化范圍為237.2～684 mm，平均值為450.9 mm。由圖2中的5 a滑動平均曲線可以看出，該區年降水量具有7個明顯不同的變化階段，其中，1951-1957年、1963-1976年、1983-1992年和2007-2018年為該區年降水量的增加階段，增加幅度分別為39.3%、21.4%、44%和28.9%；1958-1962年、1977-1982年和1993-2006年為該區年降水量的減少階段，減少幅度分別為48.4%、24.2%和18.5%。

圖2 1951-2018年圍場地區年降水量變化特征

3.2 圍場地區年降水量的年際-年代際特征

圖3為1951-2018年圍場地區年降水量時間序列的集合經驗模態分解結果，該結果得到了5個周期不同的固有模態函數IMF(intrinsic mode function)及一個趨勢項分量RES(residuals)，每個IMF分量都有其相對應的穩定準周期，不同時間尺度上的準周期在相同的時間段內表現出了不同強度的非均勻性變化。表1為1951-2018年圍場地區年降水量不同時間尺度波動的平均周期和方差解釋量，其中反映年際尺度變化的分量為IMF1和IMF2；反映年代際尺度變化的分量為IMF3、IMF4和IMF5；RES為趨勢項。

IMF1+2(第一、二本征模函數之和)主要指示1951-2018年圍場地區在主周期為準4 a尺度上的年降水量變化特征，該時間尺度的方差貢獻率為64.3%(圖3(a))。該區降水量年際變化主要可以分為以下幾個階段：1951-1955、1971-1985和2003-2005年IMF1+2曲線呈明顯上升趨勢，說明在這3個時段內降水量呈增加趨勢；1956-1970和1986-2002年IMF1+2曲線呈明顯下降趨勢，說明在這2個時段內降水量呈減少趨勢； 2006年以后降水量變化的波動幅度變小，說明該時期內降水量變化趨勢趨于平穩。

IMF3+4+5(第三、四、五本征模函數之和)主要指示1951-2018年圍場地區在主周期為準27 a尺度的降水量變化特征，該時間尺度的方差貢獻率為16.2%(圖3(b))。該區降水量的年代際變化特征大致可以分為以下幾個階段：1951-1957、1964-1972、1984-1992和2008-2018年IMF3+4+5曲線呈明顯上升趨勢，說明在這4個階段內降水量呈增加趨勢；1958-1963、1973-1983和1993-2007年IMF3+4+5曲線呈下降趨勢，說明在這3個階段內降水量明顯減少。

RES為趨勢項，主要指示1951-2018年圍場地區年降水量的波動趨勢，從RES曲線(圖3(c))的趨勢可以看出，圍場地區在近70年的降水量變化趨勢呈先降低后增加的趨勢，降低和增加的時間拐點出現在1983年前后。

圖3 1951-2018年圍場地區年降水量的集合經驗模態分解結果

3.3 圍場地區年降水量與厄爾尼諾的關系

厄爾尼諾(ENSO)是影響我國北方地區氣候變化的主要因素[31]，也是導致我國季風區氣溫和降水量發生變化的重要原因[32]，具有2～7 a的變化周期。當ENSO處于冷相位時，東赤道太平洋海溫會呈現出明顯的下降趨勢，這可能會引起Walker和Hadley環流的變化，進而誘發強度較大的西太平洋副熱帶高壓[14,32]。隨著西太平洋副熱帶高壓向我國北方地區的移動，我國季風區的降水量可能會減少到正常水平以下[33]，北方地區的溫度可能會升高；相反，當ENSO處于暖相位時，相反的溫度和降水量變化模式可能會在我國的北方地區發生。例如，一般在El Nio發生的當年或第2年長江中下游和黃河中下游地區的降水量通常會偏少[8]，在強El Nio 衰減并向La Nia態發展的年份，長江中下游地區的降水量會顯著增加[34]。集合經驗模態分解(EEMD)結果表明：1951-2018年圍場地區年平均降水量中的準4 a周期變化與厄爾尼諾的2～7 a周期具有較好的對應關系，說明ENSO可能是影響該區1951-2018年降水量發生年際尺度變化的重要原因，這與孫藝杰等[15]、李芬等[19]以及其他一些相關研究結果[35-36]較為一致。

圖4為1951-2018 年圍場地區降水量與厄爾尼諾序列的交叉小波譜和小波凝聚譜，交叉小波能量譜中顏色越偏黃色表示能量譜密度值越大。交叉小波譜(圖4(a))表明該區的降水量與厄爾尼諾間存在著顯著的3～6 a共振周期；小波凝聚譜(圖4(b))表明該區的降水量與厄爾尼諾間存在著3～7 a的強凝聚性共振周期，并且二者之間呈正相關關系。需要說明的是，交叉小波譜中顯示，1967-1978年圍場地區年降水量與厄爾尼諾的相位差箭頭豎直向上，說明該區年降水量的變化周期滯后于厄爾尼諾約 3/4個周期，這一研究結果與郝志新等[34]的關中平原干濕變化滯后于厄爾尼諾大約2 a的研究結果類似。

表1 降水量序列本征模函數的組合方差解釋量

圖4 1951-2018年圍場地區降水量與ENSO的交叉小波譜和小波凝聚譜

圖5為1951-2018年圍場地區降水量與ENSO空間遙相關的空間分布。分析圖5可知，該區年降水量與厄爾尼諾間存在著顯著的正相關關系，ENSO對區域空間降水量的影響大致可以從我國渤海灣西北海岸延伸至內蒙古地區的中東部(圖5)，該結果與Wang等[32]研究的1820-2012年圍場地區的溫度與ENSO間存在著空間遙相關的結論類似。

3.4 圍場地區年降水量與太平洋年代際振蕩的關系

太平洋年代際振蕩(PDO)是指北太平洋海溫年代際循環變化的海洋現象，具有20～30 a的變化周期，不僅對北美而且對整個北半球大氣環流均具有重要的影響[37]，其還可以通過調控ENSO事件來間接影響氣候變化[38]。當PDO處于冷相位時，太平洋東部和北部的海溫較低；相反，當PDO處于暖相位時，西太平洋副熱帶高壓較強，太平洋東部和北部的海溫較高[39]。需要說明的是，西太平洋副熱帶高壓的加強是由于ENSO和PDO的共同作用疊加所致[40]。

圖5 1951-2018年圍場地區降水量與ENSO

由此可見，PDO與太平洋東部和北部的海溫密切相關，它主要是通過海氣相互作用影響北半球海平面的氣壓，使亞洲季風區海平面氣壓發生變化，與陸地氣壓的改變共同作用從而影響水汽的輸送，進而對降水產生影響。集合經驗模態分解(EEMD)結果表明：1951-2018年圍場地區年降水量的準27 a周期變化與太平洋年代際振蕩的20～30 a周期具有較好的一致性，說明太平洋年代際振蕩是影響該區1951-2018年降水量發生年代際周期變化的主要原因。

圖6為1951-2018 年圍場地區降水與太平洋年代際振蕩的交叉小波譜和小波凝聚譜。兩者的交叉小波譜(圖6(a))表明：該區的年降水量與PDO間在α=0.01水平上無明顯的對應關系，但小波凝聚譜(圖6(b))結果顯示，該區1951-1988年年降水量與PDO之間存在著18～24 a的強凝聚共振周期，并且二者呈負相關關系，說明1951-2018年圍場地區的年降水量與太平洋年代際振蕩(PDO)間可能存在著某種關聯，這與現有的一些相關研究結果[14-15, 20-21]較為一致。

圖6 1951-2018年圍場地區降水量與PDO的交叉小波譜和小波凝聚譜

4 結 論

(1)1951-2018年圍場地區的年降水量總體上表現為增加的變化趨勢，主要可以分為7個階段，其中，1951-1957年、1963-1976年、1983-1992年和2007-2018年為年降水量的增加階段，1958-1962年、1977-1982年和1993-2006年為年降水量的減少階段。

(2)圍場地區年降水量在時間尺度上存在著顯著的準4 a和準27 a的年際和年代際變化周期，分別與厄爾尼諾的2～7 a周期和太平洋年代際振蕩的20～30 a變化周期相對應，說明厄爾尼諾和太平洋年代際振蕩是影響圍場地區近70年降水量變化的主要因素。

(3)交叉小波譜和小波凝聚譜分析表明，圍場地區年降水量與厄爾尼諾間存在著顯著的共振周期，與太平洋年代際振蕩間可能也存在著某種關聯。

(4)圍場地區年降水量的準4 a和準27 a的變化周期分別可以解釋年降水量方差變量的64.3%和16.2%，說明厄爾尼諾(ENSO)對圍場地區年降水量的貢獻可能要大于太平洋年代際振蕩(PDO)對該區年降水量的貢獻。