东北地区近百年降水时间序列变化规律的小波分析_姜晓艳

第28卷 第2期

2009年3月地 理 研 究GEOGRAPH ICAL RESEARCH V o l 28,N o 2M ar ,2009

收稿日期:2008-07-09;修订日期:2008-12-24

基金项目:辽宁省气象局正研级专业技术人才培养专项科研基金项目

作者简介:姜晓艳(1960-),女,高级工程师。主要从事气候变化和应用气象业务及科研工作。

东北地区近百年降水时间序列

变化规律的小波分析

姜晓艳1,刘树华2,3*,马明敏2,张 菁1,宋 军4

(1 辽宁省沈阳市气象局,沈阳110168; 2 北京大学物理学院大气科学系,北京100871;

3 中国气象局气候研究开放实验室,北京100081;

4 大连市气象局,大连116001)

摘要:利用1905~2005年东北地区哈尔滨、长春、沈阳和大连的降水时间序列资料,采用距

平和M or let 小波分析方法,研究了东北地区降水变化的多时间尺度的周期性性变化规律,并

对东北地区近期降水状况进行了预测。结果表明:近百年来东北地区年降水量呈现较显著下

降趋势,整个东北地区降幅为-5 2mm/10a;长春为-12 7mm/10a;哈尔滨为-7 1mm/

10a;大连为-2 7mm/10a;沈阳略为上升趋势为1 3mm/10a 。东北地区的年降水量存在着区

域性的多重时间尺度下的周期变化特征,2a~3a 、5a~6a,10a 和50a 左右的长期振荡周期具

有全域性;长春、哈尔滨年降水的主要控制周期是20a 左右;5a~6a 的短周期和50年的长周

期变化也对年降水有较大影响。

关键词:东北地区;近百年;降水时间序列;小波分析

文章编号:1000-0585(2009)02-0354-09

1 引言

全球变暖导致全球和区域气候变化,使得高温、干旱、洪涝等灾害性天气频发,造成生态和环境恶化,严重影响到农业生产、社会经济和可持续发展,已引起人们的高度重视[1~3]

。特别是在全球气候变化背景下,中国降水量的空间格局的变化直接关系到我国农业生产安全[4]。我国东北地区位于东亚季风的最北端,属于温带大陆性季风气候,是中国湿润的东部季风区和干旱的内陆之间的过度带。夏季高温多雨,冬季严寒干燥,大陆性气候由东向西渐强。其气候的季节性变化与整个东亚大气环流紧密相连,气候及其变化的差异较大,是典型的 气候脆弱区 和气候变暖影响最为敏感地区之一,也是我国最大的商品粮产区和重要的重工业和能源基地。因此,研究我国东北地区近百年来降水变化的特征,对了解气候演变对降水的影响和短期、中长期降水预测具有十分重要的意义。近年来,已有许多气象工作者对此进行了研究,例如:姜哓艳等[5]。在分析了我国东北地区哈尔滨、长春、沈阳和大连近百年年平均气温变化特征的基础上,采用小波分析的方法研究了其多时间尺度的复杂结构构,研究结果表明,近百年来东北地区的平均气温呈升高趋势,尤其在20世纪80年代以后升高趋势更加明显,升温率达到0 165 /10a 。气温存在

2期姜晓艳等:东北地区近百年降水时间序列变化规律的小波分析355

2~3a,8~12a,20~25a和45a左右时间的多重时间尺度结构的变化特征;蓝永超等[2]研究了气候变化对黄河上游水资源系统影响;许月卿等[6]基于小波分析方法研究了河北平原降水变化规律;林振耀等[7]研究了青藏高原气温降水变化的时空特征;戴新刚等[8]研究了华北汛期降水多尺度特征与夏季风年代际衰变特征;郝立生等[9]研究了1951~2005年燕山南麓夏季降水变化特征;邵晓梅等[10]进行了黄河流域降水序列变化的小波分析研究;万明波等[11]进行了青藏铁路沿线气温和降水的小波分析研究;匡正等[12]进行了华北降水时间序列资料的小波分析。

近百年来,在全球变化背景下我国东北地区降水的变化趋势及其时间尺度结构变化规律等问题深受关注。为了研究全球变化背景下我国东北地区近百年年平均降水序列的变化规律,本文选择了对区域降水变化的响应存在一定差异的内陆城市哈尔滨、长春、沈阳和沿海城市大连,并利用1905~2005年上述4个典型城市的年降水时间序列资料,采用Mo rlet小波变换分析方法,进行降水时间序列变化特征和多时间尺度的复杂结构分析研究,对了解我国东北地区百年降水的多时间尺度的复杂结构变化规律具有重要意义,并为短期及中长期降水预测提供科学依据。

2 资料来源与处理方法

本文采用哈尔滨、长春、沈阳和大连4个站1905~2005年的降水时间序列观测资料。哈尔滨、长春、沈阳地处我国东北地区,位于东亚季风的最北端,属于温带大陆性季风气候,大连是沿海城市,受大陆性季风和海洋气候影响。因此分析4站的百年降水规律,对了解在全球变化背景下我国东北地区的降水规律具有重要的意义。本文采用的小波分析(w avelet analysis)方法是在傅立叶(Fourier)变换基础上引入窗口函数,从而把时间序列分解为时间和频率的贡献,它对于获取一个复杂时间序列的调整规律,诊断气候变化内在层次结构,分辩时间序列在不同尺度上的演变特征是非常有效的[13~19]。通过小波分析可得到所研究对象序列在不同时间尺度上周期结构和异常变化的规律,为短期气候预测提供科学依据。小波分析方法原理及在气象学、工程学等方面的应用见参考文献[1~3,5~19]。

3 结果分析

3 1 东北四站近百年年降水量距平与小波周期频域的关系

为了更清楚地了解哈尔滨近百年来降水多少的变化规律,图1(a)给出了哈尔滨近百年年降水量距平图。从图1(a)除了看到每年降水量与百年平均降水量的关系外,还可看到1905年~2005年哈尔滨降水经历了少 多 少 多4个循环阶段,即1905~1925年降水距平为负,说明在此期间降水比常年偏少;1926~1956年降水距平为正,说明在此期间降水比常年偏多;1957~1982年降水距平为负,说明在此期间降水比常年偏少; 1983~2005年降水距平为正,说明在此期间降水比常年偏多。哈尔滨百年平均年降水量约为550mm/a,从图上看出百年降水量呈减少趋势,降水倾向率为-7 1mm/10a,这么高的降水倾向率累积效应还是比较大的,它将导致哈尔滨现在的年降水量比100年前有数十毫米的差距。值得注意的是1932年的降水量远远超过平均值,达到1041 0mm,为历年最高纪录;而紧接着第二年1933年的降水量就降到了353 2m m,几乎是历年的最低