劉妮妮 孫芹芹

關(guān)鍵詞： 能譜計(jì)算; 水熱同步; 人類活動(dòng)影響; 氣溫; 降水量; 年際氣候變化

中圖分類號(hào)： TN99?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）05?0173?03

Guangzhou annual temperature and rainfall change rule analysis

based on wavelet transform

LIU Nini1， SUN Qinqin2

（1. Yangtze University Collage of Technology & Engineering， Jingzhou 434020， China;

2. Fujian Institute of Oceanography， Xiamen 361013， China）

Abstract： The Morlet complex wavelet is used to perform the wavelet transform for the annual average temperature and rainfall data from 1952—2007 in Guangzhou， and calculate the wavelet energy spectrum， so as to explore the annual change rule and its synchronization of temperature and rainfall influenced by recent human activity. The results show that the change rule of Guangzhou annual average temperature is weaken， and the changing process is unobvious; the annual rainfall appears in dry?wet change， and has short change interval and strong concussion performance， which stars from 1995. The annual climate change process of Guangdong has a certain hydrothermal synchronous rule， which occurs in the large?scale years （15～25 y）. The annual climate change process of Guangdong has the characteristic of hydrothermal asynchronism due to the effects of global warming and human activities， which occurs in small?scale years （3～8 y）.

Keywords： energy spectrum calculation; hydrothermal synchronization; human activity effect; air temperature; precipitation; annual climate change

0 ?引 ?言

在全球變暖背景影響下，廣州市繼2003—2005年遭受嚴(yán)重干旱影響后，又頻遭洪澇威脅[1?2]。氣候?yàn)?zāi)害出現(xiàn)頻率的加快不僅受大氣環(huán)流的影響，也是人類活動(dòng)影響氣候變化的間接反映。利用不同的小波函數(shù)分析城市氣候變化中的規(guī)律引起越來越多學(xué)者的關(guān)注[3?7]。本文采用Morlet小波分析方法，以廣州市1952—2007年共56年的年平均氣溫和降水時(shí)間序列數(shù)據(jù)，分析20世紀(jì)50年代以后廣州市氣溫和降水的年際變化規(guī)律，并尋找不同時(shí)間范圍內(nèi)的主要變化周期，探索近期人類活動(dòng)影響下的氣溫、降水年際變化規(guī)律及其同步性。

1 ?研究方法

本文研究中用到的時(shí)間序列數(shù)據(jù)為1952—2007年共56年的年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)，通過Morlet小波變換進(jìn)行時(shí)頻分析，其原理是通過增加或減小伸縮尺度得到信號(hào)的低頻或高頻信息，并通過分析信號(hào)的概貌或細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對信號(hào)不同時(shí)間尺度和空間局部特征的分析[8]。原始時(shí)間序列中年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)的單位為0.1 ℃，本文研究將其單位轉(zhuǎn)化為1 ℃。年降水量數(shù)據(jù)的單位為0.1 mm，為了計(jì)算方便，本研究統(tǒng)一將其單位轉(zhuǎn)化為cm。為消除或減小在時(shí)間序列的兩端可能會(huì)產(chǎn)生“邊界效應(yīng)”，分別對年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行對稱性信號(hào)延拓，并利用小波系數(shù)的實(shí)部、模方對氣候條件變化的時(shí)間尺度和周期震蕩強(qiáng)弱進(jìn)行分析。Morlet小波函數(shù)如下[9]：

[?（t）=π-14e-t22?eiω0t] ?（1）

式中：[?（t）]為小波變換的母小波;[t]為時(shí)間;[ω0]為無量綱頻率。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?廣州市年平均氣溫變化時(shí)間尺度分析

對1952—2007年各時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行Morlet小波變換后提取小波系數(shù)，并計(jì)算小波系數(shù)的實(shí)部，得到廣州市1952—2007年平均氣溫變化小波系數(shù)的實(shí)部等值線圖，如圖1所示，其實(shí)部綜合體現(xiàn)了信號(hào)變化的強(qiáng)弱和位相兩方面的信息[10]。圖中實(shí)線表示小波系數(shù)大于0，代表年平均氣溫相對較高的暖期;虛線表示小波系數(shù)小于0，代表年平均氣溫相對較低的冷期。

從圖1中可以看出，廣州市1952—2007年氣溫演化過程中存在的多時(shí)間尺度特征。其中：

1） 在18～32年尺度上，廣州市氣候分別經(jīng)歷了“冷?暖”交替的周期震蕩，其中在1980年左右的小尺度暖期，在大尺度上又表現(xiàn)為冷期，而2000—2007年的冷期震蕩表現(xiàn)也不明顯。

2） 在8～13年時(shí)間尺度上，廣州市氣候也表現(xiàn)為“冷?暖”震蕩期，并且從2005年之后進(jìn)入8～13年尺度上的冷期，說明廣州市氣候雖然從大尺度上來看一直處于變暖的趨勢，但是與前10年左右相比，氣溫增高并不明顯。

3） 3～7年尺度的周期變化，在1983年之前表現(xiàn)非常穩(wěn)定。從1983年之后表現(xiàn)的不太穩(wěn)定，這也充分說明了近年來廣州市氣溫的變化已不再遵循小尺度變化規(guī)律，主要受全球大環(huán)境變化的影響，小尺度變化規(guī)律不明顯。

2.2 ?廣州市年降水量變化時(shí)間尺度分析

對1952—2007年廣州市年降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行Morlet小波變換后，得到小波系數(shù)的實(shí)部等值線圖，如圖2所示。其中，小波系數(shù)實(shí)部為正時(shí)表示年降水量偏高，且用實(shí)線繪制。小波系數(shù)實(shí)部為負(fù)時(shí)表示年降水量偏低，且用虛線繪制。從圖2中可以看出，廣州市1952—2007年降水量演變過程中存在著15～25年、5～10年、3～8年的周期變化規(guī)律。

1） 廣州市年降水量變化在15～25年尺度上出現(xiàn)了“枯?豐”交替的周期振蕩。分析它們存在的階段可知，廣州市1952—2007年的年降雨量與溫度的變化有一定的同步性，降水量“豐”的時(shí)間對應(yīng)氣候“暖”的時(shí)間;降水量“枯”的時(shí)間對應(yīng)氣候“冷”的時(shí)間。這也說明，氣候變化遵循一定的水熱同步性。

2） 從圖2中還可看到，從1952—2007年，廣州市年降水量變化也存在5～10年左右的周期振蕩，并且從5～10年尺度來看，2005年以后進(jìn)入了豐水期。值得注意的是，從1980年以后，3～8年尺度的震蕩開始加強(qiáng)。各個(gè)高、低值中心對稱出現(xiàn)，且?guī)缀踉谕粭l直線上。這說明近年來由于氣候變化的影響，旱澇出現(xiàn)的周期縮短，災(zāi)害頻繁。并且由于溫度的變化影響到氣壓帶和風(fēng)帶的移動(dòng)，從而影響到整個(gè)大氣環(huán)流，導(dǎo)致我國南方地區(qū)出現(xiàn)明顯的旱澇交替的現(xiàn)象。

3） 預(yù)計(jì)未來降水量的變化震蕩周期仍以3～8年左右為主，并從3～8年尺度來看為枯水期，從15～25年時(shí)間尺度來看為廣州市降水量的豐水期。同時(shí)，還可以看出以上兩個(gè)尺度的周期變化在1980年以前主要以大尺度震蕩為主，小尺度震蕩不太明顯，而在1980年以后則以3～8年尺度的周期變化表現(xiàn)較為穩(wěn)定，這也是近年廣州市旱澇頻發(fā)的一個(gè)佐證。

2.3 ?廣州市氣溫降水年際變化強(qiáng)弱分析

小波系數(shù)的模值是不同時(shí)間尺度變化周期所對應(yīng)的能量密度在時(shí)間域中分布的反映，系數(shù)模值愈大，表明其所對應(yīng)時(shí)段或尺度的周期性就愈強(qiáng)。而小波系數(shù)的模方相當(dāng)于小波能量譜，它可以分析出不同周期震蕩的強(qiáng)弱[11]。對不同時(shí)間序列的小波系數(shù)模方進(jìn)行計(jì)算并制圖發(fā)現(xiàn)：廣州市氣溫年際變化圖中（見圖3），年平均氣溫變化以大尺度為主，18～32年時(shí)間尺度的能量最強(qiáng)、周期最顯著，但其周期變化具有局部性（1980年以前）;8～13年時(shí)間尺度能量雖然較弱，但周期分布比較明顯，幾乎占據(jù)整個(gè)研究時(shí)域（1974—2005年）。而廣州市降水量的年際變化圖中（見圖4），1975年以前，15～25年、25～32年的時(shí)間尺度的能量最強(qiáng)，周期最為顯著，但其周期變化同樣具有局部性; 1995年以后，3～8年時(shí)間尺度的周期震蕩表現(xiàn)非常顯著。總的看來，1975年以前，氣溫和降水年際變化的規(guī)律以大尺度為主，且高溫期對應(yīng)多雨期。而近年來，由于受人類活動(dòng)和全球變暖的影響，氣溫的年際變化仍以大尺度為主，但是降水量的年際變化周期越來越短，水熱變化不再具有同步性。說明年降水量變化受人類活動(dòng)的影響震蕩加劇，而氣溫變化則受全球變化影響較大，其主要震蕩周期仍以大尺度為主，小尺度的周期震蕩受人類活動(dòng)影響大，變化規(guī)律減弱。

3 ?結(jié) ?論

通過對廣州市1952—2007年平均氣溫和降水量進(jìn)行Morlet復(fù)小波變換并分析其特征發(fā)現(xiàn)，廣州市年降水量變化在15～25年尺度上出現(xiàn)了“枯?豐”交替的周期振蕩。分析它們存在的階段可知，廣州市1952—2007年的年降雨量與溫度的變化有一定的同步性，降水量“豐”的時(shí)間對應(yīng)氣候“暖”的時(shí)間;降水量“枯”的時(shí)間對應(yīng)氣候“冷”的時(shí)間。這也說明，氣候變化在大尺度（15～25年）遵循一定的水熱同步性。但是廣州市1952—2007年降水變化周期以18年、7年最為顯著，1995年以后，3～8年時(shí)間尺度的周期震蕩表現(xiàn)非常顯著，降水量呈現(xiàn)明顯的“枯?豐” 震蕩，且變化間隔短。這也說明，近年來受人類活動(dòng)影響，全球變暖以及溫室效應(yīng)的增強(qiáng)影響到氣壓帶和風(fēng)帶的移動(dòng)，從而影響到整個(gè)大氣環(huán)流，導(dǎo)致我國南方地區(qū)出現(xiàn)明顯的旱澇變化，從小尺度（3～8年）看，具有水熱不同步的特點(diǎn)。

注：本文通訊作者為孫芹芹。

參考文獻(xiàn)

[1] 王兵，胡婭敏，杜堯東，等.小波分析和EEMD方法在廣州氣溫及降水的多尺度分析中的差異分析[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2014，30（4）：769?776.

WANG Bing， HU Yamin， DU Yaodong， et al. Study on the difference between wavelet analysis and EEMD in multi，scale decomposition of temperature and precipitation of Guangzhou [J]. Journal of tropical meteorology， 2014， 30（4）： 769?776.

[2] 湯超蓮，陳特固，蔡兵，等.近百年廣州中心城區(qū)（天河）地表年平均氣溫變化趨勢[J].熱帶地理，2014，34（6）：729?736.

TANG Chaolian， CHEN Tegu， CAI Bing， et al. Process of the annual mean surface air temperature of Guangzhou （Tianhe） over the last 100 years [J]. Tropical geography， 2014， 34（6）： 729?736.

[3] 紀(jì)忠萍，何溪澄，谷德軍.1994年6月廣東省特大洪澇期間氣象要素的小波分析[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，1998，14（2）：148?155.

JI Zhongping， HE Xicheng， GU Dejun. Wavelet analysis of meteorology factor during heavy flooding in Guangdong Pro?vince in June 1994 [J]. Journal of tropical meteorology， 1998， 14（2）： 148?155.

[4] 邵曉梅，許月卿，嚴(yán)昌榮.黃河流域降水序列變化的小波分析[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，42（4）：503?509.

SHAO Xiaomei， XU Yueqing， YAN Changrong. Wavelet analysis of rainfall variation in the Yellow River Basin [J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis， 2006， 42（4）： 503?509.

[5] 李榮昉，王鵬，吳敦銀.鄱陽湖流域年降水時(shí)間序列的小波分析[J].水文，2012，32（1）：29?31.

LI Rongfang， WANG Peng， WU Dunyin. Wavelet analysis of annual precipitation series in Poyang Lake Basion [J]. Journal of China hydrology， 2012， 32（1）： 29?31.

[6] 潘雅婧，王仰麟，彭建，等.基于小波與R/S方法的漢江中下游流域降水量時(shí)間序列分析[J].地理研究，2012，31（5）：811?820.

PAN Yajing， WANG Yanglin， PENG Jian， et al. Precipitation change in middle and lower reaches of Hanjiang River： based on wavelet analysis and R/S analysis [J]. Geographical research， 2012， 31（5）： 811?820.

[7] 景亞平，張鑫，馮天梅.基于小波和GIS分析的河川徑流時(shí)空變化規(guī)律研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2016，27（3）：107?111.

JING Yaping， ZHANG Xin， FENG Tianmei. Study on variation law of time and space of runoff based on wavelet and GIS analysis [J]. Journal of water resources & water engineering， 2016， 27（3）： 107?111.

[8] RIBEIRO K M， J?NIOR R A B， S?FADI T， et al. Comparison between Fourier and wavelets transforms in Biospeckle signals [J]. Applied mathematics， 2013， 4（11）： 11?22.

[9] MORLET J. Sampling theory and wave propagation [C]// Proceedings of the 51st Annual Meeting of the Society of Exploration Geophysics. Los Angeles： Springer， 1981： 233?234.

[10] 江學(xué)頂，夏北成.珠江三角洲城市群熱環(huán)境空間格局動(dòng)態(tài)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27（4）：1461?1470.

JIANG Xueding， XIA Beicheng. Spatial characteristics and dynamic simulations of urban heat environment of cities in Pearl River Delta [J]. Acta ecologica Sinica， 2007， 27（4）： 1461?1470.

[11] 郭彥，侯素珍，王平，等.基于小波分析的黃河上游水沙多時(shí)間尺度特征[J].干旱區(qū)研究，2015，32（6）：1047?1054.

GUO Yan， HOU Suzhen， WANG Ping， et al. Multi?time scale characteristics of runoff and sediment series based on wavelet analysis in the upper reaches of Yellow River [J]. Arid zone research， 2015， 32（6）： 1047?1054.