1970—2019 年滁州市降水特征分析

蔣 琳，賈天山，熊世為，凌遵斌，華俊瑋，荀 靜

（安徽省滁州市氣象局，安徽 滁州 239000）

滁州市位于安徽省的東部，地處長江下游北岸和淮河南岸（江淮之間），是蘇皖交匯地區(qū)。受北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候影響，四季分明，季風(fēng)明顯，氣候濕潤，雨熱同季［1］。滁州市作為江淮分水嶺地區(qū)，氣候生態(tài)類型復(fù)雜多樣，降水年際變化大且分布不均（南多北少、東多西少），同時(shí)旱澇等氣候?yàn)?zāi)害多發(fā)［2］。因此，研究該市的降水特征能為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源調(diào)度等提供科學(xué)決策的依據(jù)。

目前，對(duì)滁州市降水特征的研究主要集中在其線性變化趨勢(shì)上，如谷家川等［3］利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)分析等方法對(duì)滁州市近61 年降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)年降水日數(shù)總體呈減少趨勢(shì)，四季平均降水強(qiáng)度和降水日數(shù)分別呈總體增加和減少趨勢(shì)；裴豪杰等［4］對(duì)滁州站1952—2009 年降水量數(shù)據(jù)綜合運(yùn)用相關(guān)分析法、MannKendall 檢驗(yàn)等方法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)冬季降水增加最為顯著，且降水沒有發(fā)生突變；袁明奎等［5］通過對(duì)滁州站近55 年汛期降水資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其汛期降水量呈增加趨勢(shì)（主要由暴雨雨量引起），而汛期降水日數(shù)呈減少趨勢(shì)（主要受小雨日數(shù)減少影響）。大雨、暴雨降水強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，而中雨降水強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)。氣候系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其中眾多氣候因子的變化都是非線性的，即存在多個(gè)時(shí)間尺度和周期性振蕩。因此，宋佑之等［6］利用EOF 分解方法研究發(fā)現(xiàn)，安徽汛期淮河以南區(qū)域性暴雨存在3 年和10 年的周期；龔年祖等［7］運(yùn)用小波分析法探究1961—2013 年滁州市降水量變化特征，發(fā)現(xiàn)其年降水量呈明顯上升趨勢(shì)，并在1986 年突變?cè)黾樱掖嬖?17 年左右和 7～8 年的周期。徐偉等［1］采用Morlet 小波分析法研究了滁州站近50 年的降水量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)降水序列存在2、5、13 年3 個(gè)周期。雖然小波能分析出變量的多尺度波動(dòng)特征，但需要一些人為的設(shè)定，這會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。

隨著信號(hào)處理方法的不斷創(chuàng)新發(fā)展，Wu 等［8］提出一種適用于處理非線性和非平穩(wěn)信號(hào)的新方法，即整體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition，簡稱EEMD），該方法能自動(dòng)將信號(hào)中存在的不同時(shí)間尺度波動(dòng)逐級(jí)拆分開來。近年來，EEMD 方法被不斷地引入到降水特征研究中［9-11］，孫銀鳳等［9］采用 EEMD 方法分析了南京氣象站近 59 年的降水?dāng)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其存在 2 年、6～7 年、14～15 年和20 年的準(zhǔn)周期變化，并用小波分析對(duì)EEMD提取的周期進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果基本一致；劉天虎等［10］基于新疆16 個(gè)國家站近50 年降水距平序列，利用EEMD 發(fā)現(xiàn)新疆降水量整體具有3 年和6 年的年際尺度以及 10 年和 31 年的年代際尺度；陳超等［11］根據(jù)EEMD 方法研究鹽城市大豐區(qū)近55 年降水量序列，發(fā)現(xiàn)其存在2.12 年的主周期，27.5 年的年代際周期。基于此，本研究在前人研究基礎(chǔ)上利用EEMD方法來分析滁州市7 個(gè)國家基本站的降水演變特征（1970—2019 年），以期為分析滁州市的降水特征提供參考。

1 資料選取與研究方法

1.1 資料選取

滁州市地處北緯31°51′—33°13′，東經(jīng) 117°09′—119°13′，總面積 1.339 8 萬 km2，全市設(shè) 2 個(gè)區(qū)、管轄 4 個(gè)縣、代管 2 個(gè)縣級(jí)市［3］。利用滁州市 7 個(gè)國家基本氣象站（分別為滁州、來安、全椒、天長、定遠(yuǎn)、鳳陽和明光站，如圖1 所示）1970—2019 年的逐日降水實(shí)測(cè)資料來研究滁州市的多年降水特征。這7 個(gè)國家基本氣象站的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，具有較好的連續(xù)性。

圖1 滁州市7 個(gè)國家基本氣象站的空間分布情況

1.2 研究方法

EEMD 分解方法是 2009 年 Wu 等［8］引入白噪聲輔助分析方法的改進(jìn)型算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)化處理，以此將信號(hào)中存在的不同時(shí)間尺度波動(dòng)逐級(jí)拆分開來，自動(dòng)產(chǎn)生一系列具有不同時(shí)間尺度的數(shù)據(jù)序列。每1 個(gè)序列被稱為1 個(gè)本征模函數(shù)（Intrinsic Mode Function，簡稱 IMF 分量）［12，13］。在信號(hào)中人為添加白噪聲進(jìn)行處理，通過白噪聲尺度在時(shí)空均勻分布的特點(diǎn)來均衡信號(hào)，這樣能使不同尺度的信號(hào)分量自動(dòng)映射到合適的IMF 上，而高斯白噪聲具有均值為零的統(tǒng)計(jì)特性，再用多組平均的方法使加入噪聲互相抵消。該方法很好地克服了EEMD 中普遍出現(xiàn)的模態(tài)混疊問題［14，15］，為人們提供了更為精確的時(shí)間尺度分解，IMF 分量可以準(zhǔn)確體現(xiàn)時(shí)間序列的內(nèi)在波動(dòng)特征和趨勢(shì)變化。由于EEMD 的分解對(duì)噪聲很敏感，所以加入的噪聲幅度要小。經(jīng)過對(duì)實(shí)際信號(hào)的分析比較，Huang 等［14］建議添加噪聲幅度時(shí)，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)定為0.2，平均次數(shù)設(shè)為幾百次。當(dāng)信號(hào)以低頻分量為主時(shí)，則應(yīng)當(dāng)增加噪聲的幅度，在處理高頻分量為主的信號(hào)時(shí)，可以減小添加噪聲的幅度［8，14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 年降水量變化特征分析

圖2 是滁州站1970—2019 年年降水量的趨勢(shì)，計(jì)算得到滁州市近50 年降水量氣候傾向率為1.059 5 mm/年，年降水量總體呈上升趨勢(shì)，同時(shí)其時(shí)間序列相關(guān)系數(shù)為0.057 8，沒有通過0.10 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，說明年降水量的增加趨勢(shì)不顯著。多年平均降水量為1 017.6 mm，最大年降水量為1 670.6 mm（1991 年），最少年降水量為585.9 mm（1978 年）。然后對(duì)這些降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行EEMD 分解，將不同頻段的時(shí)間序列分離出來。圖3 是滁州站近50 年降水量數(shù)據(jù)的EEMD 分解。IMF1 至IMF4 表示從原始時(shí)間序列中分離出來的頻率由大到小的時(shí)間序列，即本征模態(tài)函數(shù)，Residul 表示原始序列減去前4 個(gè)IMF 后的殘差，也就是長期趨勢(shì)項(xiàng)。可以看出每個(gè)模態(tài)的波動(dòng)振幅都是周期性的，于是對(duì)每個(gè)模態(tài)做頻譜分析以得到每個(gè)模態(tài)的時(shí)間尺度。以IMF1 為例（圖4），其具有2.3 年的準(zhǔn)周期。從表1 可以看出，滁州站近50 年降水量的變化具有相對(duì)穩(wěn)定的周期性，存在2.3 年（IMF1）和8.0 年（IMF2）的年際尺度，以及16年（IMF3）年和32 年（IMF4）的年代際尺度。其他6個(gè)國家站的時(shí)間尺度基本與滁州站一致。

圖2 滁州站1970—2019 年年降水量趨勢(shì)

圖3 滁州站年降水量EEMD 分解后的不同模態(tài)

圖4 IMF1～I(xiàn)MF4 的頻譜分析

每個(gè)模態(tài)的波動(dòng)頻率和振幅對(duì)年降水量數(shù)據(jù)的特征影響用方差貢獻(xiàn)率來表示，如表1 所示，IMF1和IMF2 的方差貢獻(xiàn)率占主導(dǎo)位置。結(jié)合圖3 和表1，具有2.3 年準(zhǔn)周期的IMF1 對(duì)年降水量貢獻(xiàn)率最大，高達(dá)60.9%，且IMF1 的波動(dòng)振幅在20 世紀(jì)90 年代相對(duì)較大，在80 年初期和21 世紀(jì)初期波動(dòng)較小。具有8.0 年準(zhǔn)周期的IMF2 方差貢獻(xiàn)率僅次于IMF1，達(dá)到15.6%，且其波動(dòng)振幅20 世紀(jì)80 年代到21 世紀(jì)初明顯高于其他時(shí)段。有16 年準(zhǔn)周期的IMF3 方差貢獻(xiàn)率為11.2%，波動(dòng)振幅較為平穩(wěn)。有32 年準(zhǔn)周期的IMF4 方差貢獻(xiàn)率僅為0.9%，而趨勢(shì)項(xiàng)的方差貢獻(xiàn)率高達(dá)11.4%，略高于IMF3，但明顯高于IMF4。

表1 EEMD 分解后不同模態(tài)的滁州站周期及其方差貢獻(xiàn)率

2.2 汛期降水變化特征分析

滁州作為江淮分水嶺，多年平均降水量分布不均，如圖5 所示。滁州市多年平均降水量在空間上總體呈南多北少，在季節(jié)上總體呈夏季多、冬季少、秋冬適中的特征。從圖5 可以看出，汛期多年平均降水量的占比均在63%以上，且在空間上總體呈東南多西北少的特征分布，鳳陽站最大，占68.8%，全椒站最小，占63.9%。汛期的降水量對(duì)年降水量貢獻(xiàn)較大，因此著重研究汛期降水特征。

圖5 滁州7 個(gè)國家站多年平均降水量及汛期降水量占比分析

首先將降水等級(jí)劃分為4 個(gè)等級(jí)，24 h 降水量0.1～9.9 mm 為小雨，10～24.9 mm 為中雨，25～49.9 mm為大雨，大于等于50 mm 為暴雨。然后統(tǒng)計(jì)汛期各量級(jí)雨量的頻數(shù)進(jìn)行分析。圖6 是滁州7 個(gè)國家站汛期各級(jí)雨量頻數(shù)及汛期暴雨降水量占比分析。由圖6 可知，汛期多年平均小雨頻數(shù)最多，暴雨頻數(shù)最少，但是汛期多年平均暴雨降水量占汛期多年平均降水量的比率均在33% 以上，滁州站最高，為39.1%，定遠(yuǎn)站最低，為33.8%。

圖6 滁州7 個(gè)國家站汛期各級(jí)雨量頻數(shù)及汛期暴雨降水量占比分析

最后，對(duì)7 個(gè)國家站近50 年的汛期暴雨頻數(shù)和小雨頻數(shù)進(jìn)行EEMD 分解，分離出不同的時(shí)間變化信號(hào)。以滁州站為例，其汛期暴雨頻數(shù)具有2.3 年和8.0 年的年際變化以及16 年和32 年的年代際變化（表2），其汛期小雨頻數(shù)具有2.3 年和5.3 年的年際變化以及10.7 年和32 年的年代際變化（表3）。接著求汛期暴雨和小雨頻數(shù)的氣候傾向率和時(shí)間序列相關(guān)系數(shù)，判斷其是否通過0.10 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。從表2 可以看出，近50 年汛期暴雨頻數(shù)除來安站和天長站呈下降趨勢(shì)外，其余皆呈增加趨勢(shì)，從表3 得出近50 年汛期小雨頻數(shù)均呈下降趨勢(shì)。

表2 滁州7 個(gè)國家站汛期暴雨頻數(shù)的周期及其變化趨勢(shì)

表3 滁州7 個(gè)國家站汛期小雨頻數(shù)的周期及其變化趨勢(shì)

3 小結(jié)

利用EEMD 方法，從滁州市7 個(gè)國家基本站1970—2019 年年降水量數(shù)據(jù)中自動(dòng)分解出各個(gè)時(shí)間尺度的信號(hào)變化，以研究不同時(shí)間尺度下的波動(dòng)振幅特征。在此基礎(chǔ)上研究汛期降水量特征，對(duì)各個(gè)國家站汛期各級(jí)雨量頻數(shù)及汛期暴雨降水量也做了相應(yīng)的數(shù)學(xué)分析，結(jié)論如下。

以滁州站為例，其近50 年的年降水量有增加趨勢(shì)，但不顯著。同時(shí)近50 年的降水量變化存在年際尺度和年代際尺度，分別為2.3 年和8.0 年以及16 年和32 年（其他6 個(gè)國家站的時(shí)間尺度基本與滁州站一致）。在這4 個(gè)準(zhǔn)周期中，2.3 年準(zhǔn)周期的方程貢獻(xiàn)率最大，高達(dá)60.9%，8.0 年準(zhǔn)周期的方差貢獻(xiàn)率達(dá)15.6%，16 年準(zhǔn)周期的方差貢獻(xiàn)率為11.2%，32 年準(zhǔn)周期方差貢獻(xiàn)率僅為0.9%，而趨勢(shì)項(xiàng)的方差貢獻(xiàn)率高達(dá)11.4%。由此得出，具有2.3 年和8.0 年時(shí)間尺度的年際變化占主導(dǎo)地位。

滁州市的年降水量在空間上總體呈南多北少分布，在季節(jié)上基本呈夏季多、冬季少、秋冬適中的特征。同時(shí)，汛期的降水量對(duì)年降水量貢獻(xiàn)較大，汛期多年平均降水量占多年平均降水量的比率均在60%以上，且其在空間上總體呈東南多西北少的特征，鳳陽站最大，為68.8%，全椒站最小，為63.9%。

汛期小雨頻數(shù)最多，暴雨頻數(shù)最少，汛期多年平均暴雨降水量占汛期多年平均降水量的比率均在33%以上，滁州站最高，為39.1%，定遠(yuǎn)站最低，為33.8%。以滁州站為例，其汛期暴雨頻數(shù)具有2.3 年和8.0 年的年際變化以及16 年和32 年的年代際變化，汛期小雨頻數(shù)具有2.3 年和5.3 年的年際變化以及10.7 年和32 年的年代際變化。7 個(gè)國家站近50年汛期暴雨頻數(shù)除來安站和天長站呈下降趨勢(shì)外，其余皆呈增加趨勢(shì)，而汛期小雨頻數(shù)皆呈下降趨勢(shì)。