高雪嬌，李曉利

(榆林市氣象局，陜西榆林 719000)

近58年陜西省水熱資源變化及其與亞洲環(huán)流的相關(guān)分析

高雪嬌，李曉利

(榆林市氣象局，陜西榆林 719000)

摘 要：采用常規(guī)統(tǒng)計(jì)、功率譜和交叉小波變換方法，分析了陜西省1951—2008年的平均氣溫、降水量以及亞洲環(huán)流指數(shù)的時(shí)頻域統(tǒng)計(jì)特征，討論了陜西省近58年水熱資源變化與亞洲環(huán)流指數(shù)之間的多時(shí)間尺度相關(guān)。結(jié)果表明，陜西省水熱資源和亞洲環(huán)流指數(shù)的變化具有多時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)，兩者都存在準(zhǔn)2 a、4 a、6～8 a和12～16 a尺度的顯著變化周期，不同尺度周期振蕩能量的強(qiáng)弱和時(shí)域分布位相存在明顯差異。氣溫變化與緯向環(huán)流指數(shù)之間表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)振蕩，而降水變化與經(jīng)向環(huán)流指數(shù)為負(fù)相關(guān)振蕩。東亞及南亞夏季風(fēng)、極渦和北大西洋濤動對陜西省水熱資源變化也存在不同程度的影響。

關(guān)鍵詞：環(huán)流指數(shù)；水熱資源；氣候變化；小波分析

氣候變化的影響是多方面的，未來的氣候變暖將會對中國的生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)以及水資源等部門和沿海地區(qū)產(chǎn)生重大的不利影響[1]。第四次IPCC報(bào)告指出，最近100 a(1906—2005年)全球平均地表溫度上升了0.56～0.92 ℃，比2001年第三次評估報(bào)告給出的100 a(1901—2000年)上升0.4～0.8 ℃有所提高[2]。陜西省處于中國內(nèi)陸腹地，黃河和長江流域中部，地處東經(jīng)105°29′～111°15′和北緯31°42′～39°35′之間，南北氣候差異明顯，由北向南分為三大自然區(qū)域：北部陜北黃土高原、中部關(guān)中平原，南部秦巴山地。水熱資源的變化對該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國民經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境有著重要的影響，特別是對陜西中北部的干旱、半干旱地區(qū)。高蓓、肖軍等人利用Jones網(wǎng)格面積加權(quán)平均、氣候躍變的統(tǒng)計(jì)檢測等方法對陜西近50 a的氣候變化特征進(jìn)行了分析[3-4]；卜紅梅等人利用統(tǒng)計(jì)分析及Autoregression 模型等方法，研究了近50 a (1957—2004) 漢江上游金水河流域年和季節(jié)的氣溫、降水變化特征[5]；白愛娟等人指出近50 a 來冬季降水減少和氣溫升高是陜西省近半個(gè)世紀(jì)以來氣候變化的主要特征，與北半球大氣環(huán)流的變化有密切關(guān)系[6]。

大氣環(huán)流異常是區(qū)域氣候異常的直接原因。許多學(xué)者對我國氣候異常與大氣環(huán)流的關(guān)系作了大量研究，但主要針對華北、長江流域等東亞季風(fēng)區(qū)[7-9]，加深了對東亞氣候異常機(jī)理的認(rèn)識。施能、朱乾根等人在研究北半球冬季大氣環(huán)流遙相關(guān)型的長期變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，WA、PNA型有明顯的趨勢變化以及年代際變化[10-11]。然而，目前有關(guān)亞洲環(huán)流系統(tǒng)對陜西省氣候變化以及由此而引起的對水熱資源變化的影響研究較少。以往關(guān)于陜西水熱氣候資源變化的研究工作，大多采用常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法討論以年為單位的水熱資源總量的變化，很少涉及水熱資源變化的原因分析，尤其是大氣環(huán)流對水熱資源的影響，兩者在時(shí)間域和頻率域中相關(guān)關(guān)系的研究更不多見。為此，本文采用將交叉譜和小波變換相結(jié)合的交叉小波變換方法，分析陜西地區(qū)水熱資源變化與亞洲環(huán)流指數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)特征，討論兩者在時(shí)頻域中的多時(shí) 間尺度相關(guān)關(guān)系，旨在于進(jìn)一步了解大氣環(huán)流的年代變化對陜西水熱資源的影響在不同時(shí)期和不同頻率上的特征，為區(qū)域氣候環(huán)境、水熱資源的客觀評估和準(zhǔn)確預(yù)測提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

采用1951—2008年陜西省19站點(diǎn)逐日氣溫和降水資料，其中陜北6站(榆林、橫山、綏德、吳起、延安、洛川)，關(guān)中6站(銅川、長武、寶雞、武功、西安、華山)，陜南7站(略陽、佛坪、漢中、石泉、安康、鎮(zhèn)安、商洛)，對個(gè)別站點(diǎn)資料的缺測記錄進(jìn)行了插補(bǔ)訂正[12]。資料來源于中國氣象局。環(huán)流特征量資料由國家氣候中心氣候整編計(jì)算，包括歐亞、亞洲環(huán)流指數(shù)，西太平洋副高指數(shù)，東亞季風(fēng)，南海季風(fēng)等11項(xiàng)資料。

1.2 方法

(1)常規(guī)統(tǒng)計(jì)

采用相關(guān)分析來判定水熱資源與大氣環(huán)流因子之間關(guān)系的密切程度，置信度檢驗(yàn)采用T檢驗(yàn)方法。采用功率譜分析[13-14]水熱資源變化的頻率特征。

(2)小波分析

在氣候變化方面，有諸多學(xué)者應(yīng)用小波變換方法對氣象要素的時(shí)頻變化特征進(jìn)行了研究，以及區(qū)域氣候變化與大氣環(huán)流、海氣相互作用等的相關(guān)分析[15-17]，都取得較好的應(yīng)用結(jié)果。本文采用連續(xù)小波變換和交叉小波變換方法分析陜西近58 a水熱資源的時(shí)頻變化及其與各環(huán)流指數(shù)的相關(guān)關(guān)系。

2 水熱資源變化特征

2.1 時(shí)空分布

如圖1所示，近58 a陜西省平均氣溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。1980年代前近40 a的年平均氣溫較為穩(wěn)定。但從1980年代末起，氣溫增幅顯著，1990年代的平均氣溫比1980年代升高0.6℃。進(jìn)入21世紀(jì)，增幅減緩，2000—2008年平均氣溫比1990年代升高0.4 ℃，較1980年代前升高1.0 ℃。

圖1 陜西省1951—2008年年平均氣溫和年降水量變化

近58 a陜西年降水量呈下降趨勢，1960年代出現(xiàn)最大值， 1950和1980年代出現(xiàn)極大值，最小值出現(xiàn)在1990年代，相差500 mm左右。降水量偏少年遠(yuǎn)多于偏多年，年降水量負(fù)距平年是正距平年的2倍多，負(fù)距平百分率均在20%以下，而正距平百分率有5 a超過了30%，最大在1964年為46%，年平均降水量達(dá)950 mm。另外，1985年之后，年平均降水量和氣溫表現(xiàn)為反相距平，降水以負(fù)距平為主，氣溫以正距平為主。

陜西省南北區(qū)域狹長，氣候差異明顯。由圖2可見，年平均氣溫和降水分布近似平行于地理緯線。南北兩端年平均氣溫相差達(dá)7 ℃，平均值出現(xiàn)在34°N附近，最大值出現(xiàn)在陜南的安康地區(qū)，而在關(guān)中東部存在一個(gè)低值中心，是由于受到高山站華山站(海拔2 057.9 m)的影響，導(dǎo)致氣溫較周邊地區(qū)偏低；年平均降水量最大值位于陜南的漢中市東南部，最小值在陜北的橫山縣一帶，相差了500 mm，在華山一帶出現(xiàn)次高值832 mm，可能是由于秦嶺大地形的作用，平均值出現(xiàn)在34°N略偏北地區(qū)。

2.2 區(qū)域差異

陜西省長城沿線以北為溫帶干旱半干旱氣候，陜北南部和關(guān)中平原為暖溫帶半干旱或半濕潤氣候，陜南盆地為北亞熱帶濕潤氣候，山地大部為暖溫帶濕潤氣候。因此，各區(qū)域氣象要素具有明顯的差異。年平均氣溫由北向南依次遞增，關(guān)中較陜北高1.5～2.2 ℃，而陜南比關(guān)中高2.4～3.1 ℃。

由圖3a可見，各區(qū)域年平均氣溫變化趨勢差異明顯，陜北年平均氣溫升高趨勢最明顯，關(guān)中次之、陜南最小，陜北、關(guān)中、陜南近58 a年平均氣溫分別以0.24 ℃/10 a、0.12 ℃/10 a、0.08 ℃/10 a的速率升高。

圖2 陜西省1951—2008年年平均氣溫(a,單位為 ℃)和年降水量(b，單位為mm)的分布圖

圖3 陜西省1951—2008年各區(qū)域年平均氣溫(a)年降水量(b)變化趨勢

降水是水資源的主要補(bǔ)給來源，由于氣候變暖的原因，近幾十年來我國年降水量平均以12.7 mm/10 a的速度減少[15]。近58 a陜西的陜北、關(guān)中、陜南各區(qū)的年降水量也呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢，如圖3b。陜北、關(guān)中和陜南分別以5.8 mm/10 a、22.8 mm/10 a、19.1 mm/10 a的速率減少。

綜合陜西各區(qū)域的氣溫、降水變化情況，表明關(guān)中地區(qū)的氣候生態(tài)可能向陜北地區(qū)的干旱性氣候轉(zhuǎn)變，陜西省的干旱程度加重，干旱區(qū)域面積也在增加。

2.3 年代際變化

陜西省近58 a的年平均氣溫和降水量除了具有明顯的年際變化和地域差異外，季節(jié)差異也存在年代際變化。如表1所示，1980年代前，氣溫負(fù)距平居多，1990年代后均為正距平。春季和冬季均在2000年代達(dá)到最大正距平。秋、冬季在1990年代升溫最快。春季在2000年代升溫快。而夏季卻在1980年代出現(xiàn)明顯降溫，1990年代又迅速升溫。

陜西屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，降水量也存在季節(jié)的年際變化。夏、秋季為降水集中期，降水量分別為957.1 mm、535.6 mm，占全年的76.9%。冬季僅占全年的3.3%，是全年的干旱期。不同年代的季節(jié)降水量相對于整個(gè)季節(jié)的降水量距平表明，2000年代春季降水量明顯下降，造成春旱，容易對農(nóng)業(yè)產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響；冬季差異不明顯。夏、秋季降水量年代際波動明顯，1950—1960年代降水充足，1990年代降水量呈明顯下降趨勢，出現(xiàn)最大負(fù)距平，較10 a前減少近170 mm，旱象嚴(yán)重，極大地影響了作物產(chǎn)量、品質(zhì)。

表1 1951—2008年各年代各季節(jié)平均氣溫和降水量距平

3 水熱資源的變化周期

3.1 功率譜分析

功率譜是識別頻率域中時(shí)間序列周期信號的有力工具。由圖4a可見，陜西氣溫變化具有準(zhǔn)2 a、3～6 a和12～16 a時(shí)間尺度的周期振蕩，周期顯著性都通過了置信水平α=0.05的F檢驗(yàn)；由圖4b可見，陜西降水量變化具有準(zhǔn)2 a、4～6 a和12～16 a時(shí)間尺度的周期振蕩，而12～16 a周期顯著性沒有通過檢驗(yàn)，說明陜西年平均降水量的年代際變化不明顯。

圖4 陜西省氣溫(a)、降水量(b)距平的功率譜圖

3.2 連續(xù)小波分析

陜西省月平均氣溫和降水量在年際和年代際的時(shí)域分布都不均勻，局部化特征明顯。

圖5a中，月平均氣溫的年際尺度變化主要表現(xiàn)為4 a和8 a的周期振蕩，4 a尺度的小波系數(shù)等值線較密集，冷暖交替的突變點(diǎn)位置清楚，閉合中心數(shù)值較大，表明該周期信號明顯。年代際變化表現(xiàn)在12～16 a和24 a左右的時(shí)間尺度。在16 a時(shí)間尺度上，主要經(jīng)歷5個(gè)冷暖交替，分別出現(xiàn)在1960、1968、1978、1988和1999年前后。32 a大尺度上出現(xiàn)三個(gè)突變點(diǎn)，分別是1960、1978和1999年。

圖6a中，月平均降水量在年際尺度上有2 a和4～8 a的周期振蕩；2 a尺度的小波系數(shù)等值線較密集。年代際變化表現(xiàn)在12～16 a和24 a左右的時(shí)間尺度上。在16 a時(shí)間尺度上，主要經(jīng)歷4個(gè)干濕交替，突變點(diǎn)位置分別出現(xiàn)在1958、1965、1990和2004年前后。32 a大尺度上在1958、1972和1985年出現(xiàn)三個(gè)突變點(diǎn)。

圖5b 和 圖6b分別為陜西省月平均氣溫、降水量的Morlet小波變換系數(shù)模的對數(shù)值在時(shí)頻域中的分布，圖中虛線表示值小于0，實(shí)線表示值大于等于0。小波系數(shù)模的大小，只表明其所對應(yīng)時(shí)段和時(shí)間尺度的周期性是否明顯，并不代表各種周期變化成分能量的大小，與Fourier分析完全不同。年際尺度變化中，氣溫和降水的準(zhǔn)2 a和4 a的周期性變化明顯，高值閉合中心都分別位于1968年和1995年前后；氣溫年代際尺度變化表現(xiàn)為12～16 a和28 a左右的周期信號，降水年代際尺度變化表現(xiàn)為8～16 a和28 a左右的周期信號，且都以全時(shí)域的8～16 a周期振蕩最為顯著，28 a周期較為顯著。

圖5 陜西省月平均氣溫距平的小波變換實(shí)部(a)和模(b)

圖6 陜西省月平均降水距平的小波變換實(shí)部(a)和模(b)

4 水熱資源與環(huán)流指數(shù)的相關(guān)

4.1 統(tǒng)計(jì)相關(guān)

大氣環(huán)流系統(tǒng)具有年際和年代際變化，對不同地區(qū)氣候的影響作用也不相同。為了了解陜西省水熱資源變化與大氣環(huán)流系統(tǒng)之間的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)了陜西省月平均氣溫、降水量與環(huán)流特征指數(shù)的同期相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，陜西省月平均氣溫、降水量與東亞夏季風(fēng)指數(shù)、南亞和南海夏季風(fēng)指數(shù)的相關(guān)顯著。氣溫與東亞夏季風(fēng)、南亞夏季風(fēng)指數(shù)之間呈顯著的正相關(guān)，而降水則與東亞夏季風(fēng)、南海夏季風(fēng)指數(shù)之間表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)，都通過了置信水平0.05的T檢驗(yàn)。東亞、南亞以及南海夏季風(fēng)都是亞洲環(huán)流系統(tǒng)的主要因子，因此亞洲環(huán)流對陜西省氣候變化具有顯著作用。

表3 1951—2008年陜西省月平均氣溫、月平均降水量與環(huán)流特征指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

4.2 交叉小波分析

采用交叉小波變換方法，分析陜西水熱資源變化與亞洲環(huán)流指數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)特征，討論兩者在時(shí)頻域中的多時(shí)間尺度相關(guān)關(guān)系。

圖7a中，陜西省氣溫與緯向環(huán)流指數(shù)在各個(gè)時(shí)間尺度上都是正相關(guān)。其中20 a周期相關(guān)最強(qiáng)；圖7b中，對應(yīng)4 a尺度的周期振蕩，1965—1970年、 1978—1982年、 1997—2004年，兩列信號表現(xiàn)為比較強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系；1956、1965、1969、1980、1990、2000年在1 a左右時(shí)間尺度上也呈較明顯的正相關(guān)。在1960、1970、1982—1990、2006年在準(zhǔn)2 a時(shí)間尺度上表現(xiàn)為弱的正相關(guān)，而在12～16 a周期上幾乎整個(gè)時(shí)域中兩者均表現(xiàn)為較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。這種復(fù)雜的不同程度正相關(guān)關(guān)系表明，在各異的時(shí)頻上陜西省氣溫變化與亞洲緯向環(huán)流指數(shù)的相關(guān)具有多時(shí)間尺度和多層次的特征。

圖8a給出了陜西省降水量變化與亞洲緯向環(huán)流指數(shù)變化的交叉小波功率譜。在4 a、8 a和16 a尺度上相關(guān)為負(fù)，在16 a尺度上負(fù)相關(guān)最強(qiáng)；在2 a、5 a和12 a相關(guān)為正，在12 a尺度上正相關(guān)最強(qiáng)。圖8b中，對應(yīng)4 a尺度的周期振蕩，1960—1965年、1980—1985年，兩者表現(xiàn)為強(qiáng)的負(fù)相關(guān)；1955、1975和1995年在1 a左右時(shí)間尺度上也呈較明顯正相關(guān)，1958、1980和1999年在1 a左右時(shí)間尺度上也呈較明顯負(fù)相關(guān)；在12～16 a周期上1972—1992年表現(xiàn)為較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。陜西降水量變化與亞洲緯向環(huán)流指數(shù)變化的相關(guān)不僅具有多尺度和多層次特征，而且在不同時(shí)域中不同頻率尺度的相關(guān)關(guān)系也不相同。

圖7 陜西省氣溫變化與緯向環(huán)流指數(shù)的交叉小波功率譜(a)和交叉小波變換(b)

圖8 陜西省降水變化與緯向環(huán)流指數(shù)的交叉小波功率譜(a)和交叉小波變換(b)

經(jīng)向環(huán)流的影響也不容忽視。圖9a是陜西省氣溫變化與亞洲經(jīng)向環(huán)流指數(shù)變化的交叉小波功率譜。在準(zhǔn)1 a、準(zhǔn)2 a和13 a尺度上兩者為負(fù)相關(guān)，13 a尺度上負(fù)相關(guān)最強(qiáng)；在7 a和20 a尺度上兩者為正相關(guān)，其中20 a尺度上正相關(guān)達(dá)到最強(qiáng)。圖9b中，對應(yīng)4 a尺度的周期振蕩，各個(gè)年代尺度的相關(guān)性都不是很明顯；1955、1962、1980、1988、1994年和2002年在1 a左右時(shí)間尺度上也呈較明顯的正相關(guān)。1958、1970、1978和1999年在準(zhǔn)2 a時(shí)間尺度上表現(xiàn)為較弱正相關(guān)，而1980—2005年在12～16 a周期上幾乎整個(gè)時(shí)域中兩者均表現(xiàn)為較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。亞洲經(jīng)向環(huán)流對陜西省氣溫變化的影響主要表現(xiàn)在年代際尺度上。

圖9 陜西省氣溫變化與經(jīng)向環(huán)流指數(shù)變化的交叉小波功率譜(a)和交叉小波變換(b)

圖10a顯示陜西降水變化與徑向環(huán)流指數(shù)之間在年際和年代際尺度上都是負(fù)相關(guān)，其中15 a尺度負(fù)相關(guān)程度最強(qiáng)。圖10b中，對應(yīng)4 a尺度的周期振蕩在年際尺度上的相關(guān)性都不是很明顯；1955、1962、1976、1985、1990和2000年在1 a左右時(shí)間尺度上表現(xiàn)為正相關(guān)；1960、1970、2006年在準(zhǔn)2 a時(shí)間尺度上表現(xiàn)為弱正相關(guān)；而1975—2005年在12～16 a周期上幾乎整個(gè)時(shí)域中兩者均表現(xiàn)為較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。就長期變化而言，亞洲經(jīng)向環(huán)流增強(qiáng)時(shí)，陜西降水量偏少。

圖10 陜西省降水變化與經(jīng)向環(huán)流指數(shù)變化的交叉小波功率譜(a)和交叉小波變換(b)

5 結(jié)論與討論

5.1 近58 a陜西省各區(qū)的氣溫有明顯的增加趨勢，增溫幅度由北向南遞減；降水量呈下降趨勢，關(guān)中地區(qū)最為明顯。

5.2 陜西的氣溫變化具有4 a、8 a、12～16 a和28 a左右的周期振蕩，尤其是4 a尺度最為明顯；降水量變化具有2 a、4～8 a、16 a和28 a左右的周期振蕩，2 a尺度最為明顯。

5.3 陜西氣溫變化與亞洲緯向環(huán)流指數(shù)之間在各年代尺度周期上表現(xiàn)為正相關(guān)，在20 a尺度周期上最強(qiáng)；與經(jīng)向環(huán)流在13 a尺度周期上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，20 a尺度為正相關(guān)。陜西降水量變化與緯向環(huán)流在2 a、12 a尺度周期上表現(xiàn)為正相關(guān)，4 a、16 a尺度周期上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)；與經(jīng)向環(huán)流指數(shù)之間在各年代尺度周期上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，在15 a尺度周期上負(fù)相關(guān)最強(qiáng)。

5.4 引起陜西水熱資源變化的原因很多，除了亞洲環(huán)流系統(tǒng)外，極地渦旋、洋面濤動等海氣相互作用也是影響陜西地區(qū)氣溫和降水變化的重要因素，其影響及機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

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中圖分類號：P467.1

A

文章編號：1006-4354(2013)05-0001-08

收稿日期：2013-04-07

作者簡介：高雪嬌(1988—)，女，陜西米脂人，漢族，學(xué)士，助理工程師，從事天氣預(yù)報(bào)與研究。