岳國(guó)峰,丁 紅
(黑龍江省水利科學(xué)研究院,哈爾濱150080)
區(qū)域降水量是重要的氣候變量,不僅對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)乃至整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要影響,而且對(duì)氣候變化具有十分重要的意義[1]。友誼農(nóng)場(chǎng)地處三江平原大片沼澤地邊緣,屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,降水年內(nèi)分配不均,年際變化大,致使旱、澇災(zāi)害頻繁發(fā)生,嚴(yán)重影響著該區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此,研究友誼農(nóng)場(chǎng)近年來(lái)降水的尺度特征及變化趨勢(shì),分析其旱澇變化規(guī)律,對(duì)預(yù)測(cè)該區(qū)短期氣候和保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
傳統(tǒng)的多時(shí)間尺度分析方法有泛函分析、濾波、滑動(dòng)平均、Fourier分析、時(shí)間序列分析等[2-3],但它們?cè)跁r(shí)域和頻域上不具有局部化性質(zhì)及缺乏數(shù)學(xué)意義上嚴(yán)格的突變點(diǎn)診斷能力。20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的小波分析[4-5]能夠彌補(bǔ)上述方法的缺陷,具有時(shí)頻多分辨功能,可以聚焦到任意細(xì)節(jié),從而能夠反映時(shí)間序列的局部變化特征,對(duì)信號(hào)進(jìn)行局部化分析,在氣候變化多尺度分析方面取得了十分明顯的效果[6-7]。因此本文采用小波分析理論對(duì)友誼農(nóng)場(chǎng)近53 a降水序列變化特征和規(guī)律進(jìn)行多時(shí)間尺度分析,揭示其在不同層次上的降水結(jié)構(gòu)和旱澇變化趨勢(shì),查明降水變化的周期特征,為當(dāng)?shù)刂贫ü?jié)水灌溉制度提供一定的參考。
小波函數(shù)是指具有震蕩特性、能迅速衰減到零的一類函數(shù)。本文選用在時(shí)域和頻域局部性都較好的Morlet小波進(jìn)行年降水序列多時(shí)間尺度分析。其表達(dá)式為:
式中:c為常數(shù);i為表示虛數(shù)。
Wf(a,b)能同時(shí)反映時(shí)域參數(shù)b和頻域參數(shù)a的特性,并隨之變化,可以做出以b為橫坐標(biāo),a為縱坐標(biāo)的關(guān)于Wf(a,b)的二維等直線圖,稱為小波變換系數(shù)圖。通過(guò)分析此圖得到年降水序列變化的小波特征。
將時(shí)間域上不同尺度a的所有小波系數(shù)的平方進(jìn)行積分,即為小波方差[9-11]:
小波變換是小波分析的核心。由于實(shí)際應(yīng)用中,時(shí)間序列多是離散的,則小波變換的離散形式為[8]:
小波方差隨尺度a變化過(guò)程的曲線,稱為小波方差變化圖。該圖能反映波動(dòng)及其能量大小隨尺度變化的特性,方便查找一個(gè)時(shí)間序列中起主要作用的時(shí)間尺度,即主周期。
本研究采用友誼農(nóng)場(chǎng)1956~2008年年降水資料作為基本數(shù)據(jù),資料由黑龍江省農(nóng)墾紅興隆分局氣象臺(tái)提供,53 a年降水實(shí)測(cè)序列見(jiàn)圖1。
由于觀測(cè)到的年降水序列,受到各種因素的干擾,不可避免地含有系統(tǒng)噪聲和測(cè)量噪聲,淹沒(méi)了序列的真實(shí)變化特性,將影響數(shù)據(jù)的可靠性和數(shù)據(jù)分析成果的精度。因此,本文在進(jìn)行數(shù)據(jù)建模之前,首先對(duì)實(shí)測(cè)序列進(jìn)行消噪處理。小波消噪主要采用Donho等人提出的閾值消噪方法[12,13],具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:對(duì)年降水實(shí)測(cè)序列進(jìn)行1次Mallat算法分解,采用Symlets8正交小波函數(shù)和heursure啟發(fā)式得到的閾值對(duì)原始序列進(jìn)行消噪,再利用Mallat算法進(jìn)行重構(gòu)[14],即可得到消噪后的年降水序列,見(jiàn)圖2。圖3為年降水噪聲序列的變化曲線。
圖1 實(shí)測(cè)序列
圖2 消噪序列
圖3 噪聲序列
為處理方便,需要對(duì)消噪后的年降水資料進(jìn)行距平(中心化)處理,并繪制年降水距平序列變化曲線,見(jiàn)圖4。
圖4 友誼農(nóng)場(chǎng)1956~2008年消噪后年降水距平變化曲線
繪制年降水距平序列小波變換系數(shù)Wf(a,b)的模平方分布見(jiàn)圖5和實(shí)部分布見(jiàn)圖6,以此來(lái)分析年降水距平的時(shí)頻變化。
2.3.1 小波變換系數(shù)模平方時(shí)頻特性分析
圖5 友誼農(nóng)場(chǎng)年降水距平序列小波變換系數(shù)模平方分布圖
圖5繪制出年降水距平序列Morlet小波變換模平方的時(shí)頻變化。從圖中可以看出不同時(shí)間尺度信號(hào)能量的強(qiáng)弱分布,其中灰度越大(小)表示信號(hào)能量越小(大)。圖5顯示,3~4 a時(shí)間尺度信號(hào)能量值很強(qiáng),主要發(fā)生在1985~1987年,振蕩中心在1986年。結(jié)果表明,友誼農(nóng)場(chǎng)53 a年降水在整個(gè)時(shí)間域中,主要存在以3 a左右為尺度中心,以1986年左右為振蕩中心的波動(dòng)變化,該振蕩基本貫穿了整個(gè)時(shí)域。
2.3.2 小波變換系數(shù)實(shí)部時(shí)頻特性分析
圖6 友誼農(nóng)場(chǎng)年降水距平序列小波變換系數(shù)實(shí)部時(shí)頻分布
圖6給出了友誼農(nóng)場(chǎng)年降水距平序列Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部隨a、b的變化過(guò)程,其中,3~4 a時(shí)間尺度出現(xiàn)的正負(fù)相位交替較為明顯,中心時(shí)間尺度為3 a。為了進(jìn)一步說(shuō)明友誼農(nóng)場(chǎng)年降水距平序列旱、澇交替變化的波動(dòng)特性,在圖6固定值為3的時(shí)間尺度,作平行于b軸的切割線,在切割線上取點(diǎn),作為小波變換系數(shù) Wf(a,b)的實(shí)部(表示為R[Wf(a,b)])隨時(shí)移b變化的過(guò)程線,見(jiàn)圖7。
圖7 時(shí)間尺度為3的年降水距平序列Morlet小波變換實(shí)部變化過(guò)程
圖7為時(shí)間尺度為3的年降水距平序列的小波變換實(shí)部變化曲線,分析其降水量旱、澇及正負(fù)相位相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程。圖中小波變換曲線經(jīng)歷了34次的正負(fù)相位轉(zhuǎn)換,其中,1958~1959年,1961~1962年,1964~1965年,1967~1968年,1970~1971年,1972~1973年,1975~1976年,1979~1980年,1982~1983年,1985~1986年,1989~1990年,1992~1993年,1995~1996年,1999~2000年,2001~2002年,2003~2004年和2005~2008年為正相位,表示降水量較多;而1956~1958年,1959~1961年,1962~1964年,1965~1967年,1968~1970年,1971~1972年,1973~1975年,1976~1979年,1980~1982年,1983~1985年,1986~1989年,1990~1992年,1993~1995年,1996~1999年,2000~2001年,2002~2003年和2004~2005年為負(fù)相位,表示降水量較少。同時(shí)根據(jù)小波變換曲線波形,可以推測(cè)2008年后的降水量有減少的趨勢(shì)。
繪制友誼農(nóng)場(chǎng)年降水距平序列小波方差圖以分析年降水序列隨時(shí)間變化的主周期,同時(shí)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)以識(shí)別上述主周期是否具有統(tǒng)計(jì)意義,經(jīng)過(guò)計(jì)算,友誼農(nóng)場(chǎng)年降水序列的一階自相關(guān)系數(shù)r(l)=0.0429<0.1,所以采用白噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜對(duì)小波方差進(jìn)行檢驗(yàn)[15,16],見(jiàn)圖8。
圖8 實(shí)線為小波方差,虛線為95%置信水平友誼農(nóng)場(chǎng)年降水距平小波變換方差
由圖8可以看出,小波方差的峰值為尺度3年所對(duì)應(yīng)的小波方差,說(shuō)明友誼農(nóng)場(chǎng)年降水序列的主周期為3 a左右。
文中采用Morlet小波對(duì)友誼農(nóng)場(chǎng)53 a(1956~2008)的年降水時(shí)間序列進(jìn)行了多時(shí)間尺度變化特性的分析,研究結(jié)果顯示:
1)年降水時(shí)間序列由于受到諸多復(fù)雜因素的影響而含有噪聲,采用小波消噪原理對(duì)年降水序列進(jìn)行消噪,有助于分析區(qū)域年降水時(shí)間序列的真實(shí)特性。
2)友誼農(nóng)場(chǎng)年降水序列在長(zhǎng)期的變化中存在著3 a左右的主周期變化,振蕩中心在1986年,它主導(dǎo)著該地區(qū)年降水變化的特性。
3)通過(guò)對(duì)友誼農(nóng)場(chǎng)年降水主周期的旱、澇交替變化的特性分析得到,在2008年后的一段時(shí)期內(nèi),友誼農(nóng)場(chǎng)降水量有逐漸減少的趨勢(shì)。因此,當(dāng)?shù)貞?yīng)發(fā)展節(jié)水灌溉,積極恢復(fù)地下水人工補(bǔ)給,實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理,同時(shí)大力宣傳水資源短缺的嚴(yán)重性,提高全社會(huì)的節(jié)水意識(shí),從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
[1] 匡正,季仲貞,林一驊.華北降水時(shí)間序列資料的小波分析[J].氣候環(huán)境與環(huán)境研究,2000,5(3):312-317.
[2] Nener B D,Ridsdill-Smith T A,Zeisse C.Wavelet analysis of low altitude infrared transmission in the coastal environment[J]. Infrared Physics&Technology,1999,40:399-409.
[3] Clemen T.The use of scale information for integrating simulation models into environmental information systems[J].Ecological Modeling,1998(108):107-113.
[4] 林振山,鄧自旺.子波氣候診斷技術(shù)的研究[M].北京:氣象出版社,1999.
[5] 胡昌華,張軍波,夏軍,等.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——小波分析[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000.
[6] D.M.Sonechkin,N.M.Datsenko.Wavelet Analysis of Nonstationary and Chaotic Time Series with an Application to the Climate Change Problem[J].Pure applied Geophysics,2000(157):653-677.
[7] 鄧自旺,林振山,周曉蘭.西安市近50年來(lái)氣候變化多時(shí)間尺度分析[J].高原氣象,1997,16(1):81-93.
[8] 吳東杰,王金生,滕彥國(guó).小波分解與變換法預(yù)測(cè)地下水位動(dòng)態(tài)[J].水利學(xué)報(bào),2004(5):39-45.
[9] 王文圣,袁鵬,丁晶.小波分析及其在日流量過(guò)程隨機(jī)模擬中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2002(11):43-48.
[10] 衡彤,王文圣,丁晶.降水時(shí)間序列變化的小波特征[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2002,11(5):466-470.
[11] Anthony T.Cahill determination of changes in streamflow variance by means of a wavelet-based test[J].Water Resource Research,2002,38(6):1-14.
[12] 王文圣,丁晶,李躍清.水文小波分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:60-78.
[13] D L Donoho.De-noising by soft-thresholding[J].IEEE Transactions on Information Theory,1995,41(3):613-627.
[14] 劉東,趙清,付強(qiáng).基于小波消噪的三江平原井灌區(qū)年降水隨機(jī)預(yù)測(cè)模型[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2010(4):4-7.
[15] Torrence C,Compo G P.A Practical Guide to Wavelet Analysis[J].Bulletin of the American Meteorological Society,1998,79 (1):61-78.
[16] 郝立生,畢寶貴,姚學(xué)祥.太陽(yáng)活動(dòng)變化分析[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(4):265-270.
[17] 李敬超,高洋.饒河農(nóng)場(chǎng)42 a降水序列多時(shí)間尺度分析[J].黑龍江水利科技,2010,37(2):36-37.