劉全玉，易 亮

(1安康學(xué)院化學(xué)化工系，陜西安康725000;2國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061)

基于奇異譜分析的未來30年華山地區(qū)降水趨勢預(yù)測

劉全玉1，易 亮2

(1安康學(xué)院化學(xué)化工系，陜西安康725000;2國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061)

根據(jù)華山地區(qū)400年的降水序列，利用奇異譜分析了未來30年華山地區(qū)降水趨勢的變化.結(jié)果表明，在2010－2039年間，華山地區(qū)降水趨勢略有增加.

華山;降水預(yù)測;奇異譜分析

0 引言

由于不同的氣候代用指標(biāo)所記錄的氣候信息不完全相同，同時(shí)受局地效應(yīng)的影響，重建的氣候記錄也存在很多差異，因此，氣候變化的預(yù)測需廣泛開展于不同氣候區(qū)，同時(shí)利用不同的代用指標(biāo)進(jìn)行研究，以期相互校驗(yàn)與印證.奇異譜分析(SSA)作為數(shù)字信號處理技術(shù)早已被應(yīng)用.劉禹等［1］在2004年首先通過Caterpillar－SSA方法，利用樹木年輪重建的降水變化，預(yù)測了內(nèi)蒙古西部賀蘭山和東部白音敖包未來20年的降水趨勢，并且得到了近年來實(shí)測資料的支持.秦利等［2］利用SSA方法，基于北京石花洞石筍紀(jì)錄的溫度信息，分析了工業(yè)革命以來人類與自然過程在氣候變化過程中的不同效應(yīng)，得出了人類活動的影響可能造成了過去百年約1.5℃的升溫.綜合其他研究成果［3－5］，說明用SSA方法對未來降水趨勢進(jìn)行預(yù)測是可行的.

本文基于歷史文獻(xiàn)析出的旱澇指數(shù)和樹木年輪合并而成的華山降水序列，借助奇異譜分析(Singular Spectral Analysis，SSA)預(yù)測方法，探討華山地區(qū)未來30年的降水趨勢.

1 資料及方法

陜西省華山位于東亞季風(fēng)區(qū)，樹木年輪的生長主要受控于春季—早夏的溫度和降水變化［6］，本研究的華山降水資料通過樹輪指數(shù)與旱澇指數(shù)的合并而成［7］，選擇序列長度為400年的4～7月份的降水量.

在奇異譜分析方法中將時(shí)間序列進(jìn)行正交分解以得到多個(gè)分量，進(jìn)而對不同分量進(jìn)行序列重建和預(yù)測.為預(yù)測華山未來30年降水趨勢，首先對該序列進(jìn)行頻率＜0.1的低通濾波，獲得以10 a尺度為周期的降水變化趨勢，然后借助SSA的時(shí)間序列預(yù)測功能，即已知時(shí)間序列的變化規(guī)律來推測未來的變化趨勢.基于SSA在華山地區(qū)降水“預(yù)測”中的有效性，對該區(qū)未來30年的降水趨勢進(jìn)行了預(yù)測.

2 SSA方法的檢驗(yàn)

2.1 工業(yè)革命初期降水趨勢重建

工業(yè)革命初期，人類活動對氣候系統(tǒng)的影響并不顯著［8］，可以認(rèn)為當(dāng)時(shí)的降水變化主要受自然因素主導(dǎo).本研究以1840年作為預(yù)測的起點(diǎn)，對降水序列外推50年，至1890年(圖1)，以檢驗(yàn)SSA方法在自然降水趨勢中的預(yù)測效果.

檢驗(yàn)結(jié)果表明，在建模期內(nèi)(1600－1840)，SSA方法很好地“重現(xiàn)”了華山降水序列;而在預(yù)測期內(nèi)(1840－1890)，SSA方法的預(yù)測結(jié)果在誤差范圍之內(nèi)，與原始降水序列吻合很好，說明SSA方法在自然降水趨勢的預(yù)測是可靠的.

2.2 20世紀(jì)后期降水趨勢重建

由于20世紀(jì)人類對自然的廣泛開發(fā)與利用，氣候系統(tǒng)的不穩(wěn)定性逐漸增加，人類活動對氣候系統(tǒng)的影響也逐漸增強(qiáng)［8］.現(xiàn)將1950年作為預(yù)測起點(diǎn)，對降水序列外推50年，至2000年(圖2)，以討論該時(shí)期在自然與人類活動共同影響下SSA方法的降水趨勢預(yù)測效應(yīng).

檢驗(yàn)結(jié)果表明，在建模期內(nèi)(1600－1950)，SSA方法重現(xiàn)了華山降水序列，說明SSA方法在建模期內(nèi)是可靠的;而在預(yù)測期內(nèi)(1950－2000)，原始序列基本位于預(yù)測結(jié)果的誤差范圍底部，也就是說，按照1600－1950年間降水的趨勢變化，在1950－2000年華山地區(qū)降水低于預(yù)測約30 mm.對此結(jié)果，有氣候模擬研究表明［9］，由于人類活動釋放了對太陽輻射具有反射效應(yīng)的硫酸鹽氣溶膠，使得海陸熱力差異減少，進(jìn)而有可能減少季風(fēng)降水量.另一方面，由于地球增溫的區(qū)域差異性，東亞季風(fēng)區(qū)低緯度大陸的可能降溫［10］，導(dǎo)致海陸熱力差異的減緩，進(jìn)而降低了季風(fēng)降水的強(qiáng)度.該研究結(jié)果似乎也支持了這些觀點(diǎn).說明SSA方法在自然與人類活動共同影響下的降水預(yù)測結(jié)果也是可靠的.

3 結(jié)果與討論

在上述分析和檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以1989年為預(yù)測起點(diǎn)，對降水序列外推50年至2039年(圖3)，考察未來30年華山地區(qū)降水趨勢在自然背景和人類活動共同影響下的可能變化.

結(jié)果表明(圖3)，未來30年(2010－2039年)，華山地區(qū)的降水總體呈現(xiàn)略有上升的趨勢，將經(jīng)歷三次上升與下降的旋回，其中降水量的高峰分別位于2017年、2027年和2038年，而低谷分別位于2012年、2023年和2032年，波動的主周期約11年，這與太陽活動周期相一致，可能暗示了未來華山地區(qū)降水的趨勢主要響應(yīng)于太陽活動的變化.

4 結(jié)論

基于華山地區(qū)新近獲得的400年降水序列，借助奇異譜分析中的預(yù)測功能，對近150年以來，人類活動和自然過程對區(qū)域降水的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明:(1)應(yīng)用SSA方法得出的自然降水趨勢結(jié)果是可靠的.(2)未來30年，華山地區(qū)的降水總體呈現(xiàn)略有上升的趨勢，降水的波動可能主要響應(yīng)于太陽活動的變化.

［1］劉禹，Shishov V，史江峰，等.內(nèi)蒙古西部賀蘭山和東部白音敖包未來20年降水趨勢預(yù)測［J］.科學(xué)通報(bào)，2004，49(3): 270－274.

［2］秦利，周鑫.工業(yè)革命以來人類活動對北京地區(qū)溫度變化的可能影響［J］.科學(xué)通報(bào)，2010，55(1):1－4.

［3］王澄海，崔洋.西北地區(qū)近50年降水周期的穩(wěn)定性分析［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2006，21(6):576－584.

［4］黃磊，邵雪梅，梁爾源，等.青海沙利克山祁連圓柏千年數(shù)論寬度序列的變化特征［J］.地理研究，2004，23(3):365－373.

［5］章毅之.基于奇異譜分析的江淮降水場預(yù)測模型研究［J］.氣象與減災(zāi)研究，2006，29(1):34－37.

［6］Hughes，M.，Wu Xiangding，Shao Xuemei，etal.A preliminary reconstruction of rainfall in North－central China since A.D.1600 from tree－ring density and width［J］.Quaternary Research，1994，42:88－99.

［7］Yi Liang，Yu Hongjun，Xu Xingyong，et al.Exploratory Precipitation Reconstruction in North－Central China during Past Centuries［J］.Acta Geologica Sinica(English edition)，2010，84:223－229.

［8］IPCC.Climate Change 2007:The Physical Science Basis［M］.New York:Cambridge University Press，2007.

［9］Kripalani R H，Kulkarni A，Sabade SS，et al.Indian monsoon variability in a global warming scenario［J］.Nat Hazards，2003，29:189－206.

［10］丁一匯，任國玉，石廣玉，等.氣候變化國家評估報(bào)告(I):中國氣候變化的歷史和未來趨勢［J］.氣候變化研究進(jìn)展，2006，2(1):3－8.

［責(zé)任編輯 牛懷崗］

Abstract:Using an exploratory precipitation of Huashan region in the past400 years presents the analysis of the precipitation trend feather in the future 30 years based on SSA method.The results indicate that in the year 2010-2039 the regional precipitation might increase slightly.

Key words:Huashan region;precipitation forecasting;SSA method

Precipitation Trend Forecasting of Huashan Region in the Future 30 Years Based on SSA M ethod

LIU Quan-yu1，YILiang2
(1 Department of chemistry，Ankang University，Ankang 725000，China; 2 First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China)

P457.6

A

1009—5128(2011)02—0073—03

2010—11—29

安康學(xué)院院級資助項(xiàng)目(2007AKXY020)

劉全玉(1979—)，女，陜西安康人，安康學(xué)院化學(xué)化工系講師，碩士.研究方向:自然地理學(xué).