秦 建 國，吳 朝 明，姚 華，任 小 龍，尤 征 懿，朱 驪，朱 前 維，嚴(yán) 維 寧

(江蘇省水文水資源勘測局 無錫分局，江蘇 無錫 214031)

1 研究背景

氣候突變是一個(gè)與混沌理論幾乎同時(shí)誕生的新概念，至今沒有明確的定義[5]。由于氣候突變是在研究古氣候時(shí)首先提出的，所以人們?cè)?jīng)以為：① 它們都是古老的事件，在近現(xiàn)代氣候中不會(huì)出現(xiàn)；② 其具有隨機(jī)性，屬于混沌學(xué)的一部分[6]。有一些學(xué)者根據(jù)突變理論給出了一個(gè)簡單的定義：氣候突變是指氣候由一種穩(wěn)定狀態(tài)躍升另一種穩(wěn)定狀態(tài)的急劇變化[7]。雖然人們?cè)缇鸵庾R(shí)到近現(xiàn)代氣候也存在突變性，但是遲至1990 s才找到一些不完整的證據(jù)[8]。2013年出版的文獻(xiàn)[9]中，國家氣候中心認(rèn)為：根據(jù)對(duì)近現(xiàn)代氣候年代際變化的研究，1970 s我國發(fā)生了一次氣候突變(圖1由江蘇省氣候中心提供)。

圖1 江蘇省冬季平均氣溫距平Fig.1 Winter mean temperature anomaly in Jiangsu Province

筆者對(duì)單要素時(shí)間序列做了較系統(tǒng)的研究，在近現(xiàn)代氣候中首次發(fā)現(xiàn)了氣候突變點(diǎn)，并且開展了驗(yàn)證工作。2009年夏季，在分析無錫站年際降水過程線時(shí)發(fā)現(xiàn)1978年前后旱澇特征的差異很大，有特征突變現(xiàn)象[10]；2012年提出了“氣候成因不同特征不同”的猜想，然后采取分段法研究，發(fā)現(xiàn)了無錫站年際降水序列(1977～2011年)高中低的分布規(guī)律[11-12]；2014年萌生了細(xì)部特征法和非典型周期的概念，在突變臨界點(diǎn)前后找到了無錫站年際旱澇周期性特征差異顯著的關(guān)鍵證據(jù)[3]；2018年又提出了一個(gè)理念“分段特征一致性”，對(duì)無錫站的觀測歷史進(jìn)行了全面探討，發(fā)現(xiàn)3個(gè)氣候突變點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了近現(xiàn)代氣候分類研究[4]。

由于氣候突變發(fā)現(xiàn)的時(shí)間較短，學(xué)術(shù)界還沒有做過對(duì)時(shí)間序列的影響分析，更談不上應(yīng)用研究。而且如能使用統(tǒng)計(jì)手段揭示時(shí)間序列的變化規(guī)律，不但有助于理解水文氣象的長期演化過程，并且可加深對(duì)地球系統(tǒng)的了解，為中長期預(yù)報(bào)模型、氣候預(yù)報(bào)模型的建立提供必不可少的依據(jù)。因此，有必要對(duì)無錫站年際降水序列的歷史演化特征進(jìn)行全面探討，尋找氣候突變點(diǎn)存在的更多證據(jù)，為開展應(yīng)用研究和促進(jìn)地方臺(tái)站中長期預(yù)報(bào)分析服務(wù)。

2 研究方法及資料

2.1 歷史演變法及其機(jī)理

歷史演變法可分為廣義和狹義兩種。廣義的歷史演變法是指所有根據(jù)歷史演變過程總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，狹義的歷史演變法則是對(duì)水文氣象要素歷史演變過程的特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法。本文研究的是后者，是由氣象學(xué)家楊鑒初首先提出的[13]。

所謂“歷史演變法”，就是利用某站某一水文要素的歷史演變曲線，即水文過程線的外形特征，分析它的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來做預(yù)報(bào)的工作方法。這種方法的基本依據(jù)是：任何一個(gè)水文要素的長期記錄，都是這個(gè)要素全部歷史變化的反映。盡管影響這個(gè)要素的一切外界和內(nèi)部因素目前還不能一一識(shí)別，并且不能判定各個(gè)因素的影響程度，但是所有這些因素的綜合影響，卻都已經(jīng)反映在這個(gè)要素的歷史演變曲線當(dāng)中[14]。因而只要能夠找出這個(gè)要素不同時(shí)間段的歷史演變統(tǒng)計(jì)規(guī)律，就可以利用這些規(guī)律來進(jìn)行預(yù)報(bào)。

1951年，楊鑒初首次利用歷史上某月的氣象特征推測來年這個(gè)月的氣候變化情況。1958年經(jīng)過內(nèi)蒙古自治區(qū)水文部門的推廣，也將該方法用于水文要素的年際時(shí)間序列預(yù)測分析。該方法曾經(jīng)在全國得到大力推廣，對(duì)我國地方臺(tái)站的長期預(yù)報(bào)起到了推動(dòng)作用，但是在1980 s前后，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的普及，該方法逐漸被淘汰。然而歷史演變法提出的5種預(yù)報(bào)規(guī)律，還是考慮得比較細(xì)致，方法也簡單易行，至今還有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[14]。因此，筆者再次使用該方法進(jìn)行時(shí)間序列特征的對(duì)比分析，并根據(jù)實(shí)際情況做了一定的修正和整理。

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2.2 資料概況

無錫站位于太湖地區(qū)中部，是流域內(nèi)代表性最好的雨量站[15]，多年均值略大于1 100 mm[16]。該站創(chuàng)建于1922年初，但是在1922～1950年，由于各種原因，降水時(shí)間序列缺失嚴(yán)重，完成全年觀測的僅有11 a。因此，本文選擇的時(shí)間序列是無錫站的1951～2014年(見圖2)。所用原始數(shù)據(jù)都經(jīng)過江蘇省水文部門審核，資料真實(shí)可靠。

圖2 無錫站年際降水過程線(1951～2014年)Fig.2 Interannual rainfall process line at Wuxi Station(1951～2014)

3 氣候突變點(diǎn)前后歷史演化特征

在實(shí)際工作中，楊鑒初先生從歷史演變過程線的變化情況，總結(jié)出了以下5個(gè)方面的規(guī)律，即：持續(xù)性、相似性、周期性、最小可能性與最大可能性、突變點(diǎn)[13](此前稱為轉(zhuǎn)折點(diǎn))。

3.1 持續(xù)性

持續(xù)性就是指水文要素在歷史演變時(shí)，趨勢(shì)升、降變化的持久程度?？煞譃?個(gè)方面：① 若1個(gè)水文要素的數(shù)值高出某個(gè)特定數(shù)值時(shí)，那么次年的趨勢(shì)變化必然下降，筆者將這個(gè)特定數(shù)值稱為數(shù)值臨界點(diǎn)；② 若第1年下降，第2年連續(xù)下降，那么下一年的趨勢(shì)變化必然上升[14]，筆者將這個(gè)持續(xù)的特定時(shí)間長度稱為時(shí)長臨界點(diǎn)。

3.1.1數(shù)值臨界點(diǎn)

由圖2可知，根據(jù)無錫站年際降水序列(1951～2014年)的實(shí)際情況可修正為：若某個(gè)水文要素的數(shù)值高出或少于某個(gè)特定數(shù)值時(shí)，那么次年的趨勢(shì)變化必然反彈。

(1) 氣候突變點(diǎn)前。無錫站1951～1978年期間：① 當(dāng)年降水量大于1 400 mm時(shí)，第2年降水量必然小于1 300 mm；② 當(dāng)年降水量小于1 000 mm時(shí)，次年降水量都是增加的，且其趨勢(shì)維持的時(shí)間是1～3 a。在圖3中第1種情況出現(xiàn)了2次，第2種情況出現(xiàn)了9次，無一例外。

圖3 無錫站年際降水過程線(1951～1978年)Fig.3 Interannual rainfall process line at Wuxi Station(1951～1978年)

(2) 氣候突變點(diǎn)后。無錫站1978～2014年期間：① 當(dāng)年降水量大于1 300 mm時(shí)，次年降水量必然小于1 200 mm；② 當(dāng)年降水量小于1 000 mm時(shí)，次年降水量都是增加的，且其趨勢(shì)維持的時(shí)間是1～2 a。在圖4中第1類特征出現(xiàn)了8次，第2類特征出現(xiàn)了11次，無一例外。

圖4 無錫站年際降水過程線(1978～2014年)Fig.4 Interannual rainfall process line at Wuxi Station(1978～2014年)

3.1.2時(shí)長臨界點(diǎn)

由圖2可知，根據(jù)無錫站該時(shí)段的實(shí)際情況可修正為：在1951～2014年期間，當(dāng)某一水文氣象要素的趨勢(shì)連續(xù)3 a上升或下降時(shí)，則次年必然反轉(zhuǎn)。

(1) 氣候突變點(diǎn)前。在無錫站1951～1978年期間，其特征與1951～2014年期間相同。在圖3中連續(xù)3 a上升再下降的情況發(fā)生過1次(1967～1971年)，連續(xù)3 a下降再上升的情況也發(fā)生過1次(1962～1966年)，無一例外。

(2) 氣候突變點(diǎn)后。在無錫站1978～2014年期間，則須改為：當(dāng)某一水文氣象要素的趨勢(shì)連續(xù)2 a上升或下降，那么次年必然反彈。在圖4中連續(xù)2 a上升再下降的情況出現(xiàn)過6次，連續(xù)2 a下降再上升的情況只出現(xiàn)過1次，無一例外。

3.2 相似性

“相似性”就是指在某個(gè)時(shí)期水文過程線的變化趨勢(shì)在外形上與另一個(gè)時(shí)期有很相似的地方。

(1) 氣候突變點(diǎn)前。在1951～1978年期間：① 1951～1955年與1974～1978年的變化趨勢(shì)非常相似，它們的表現(xiàn)都是降-降-升-降的形態(tài)(其特征類似于不連續(xù)的平移對(duì)稱)；② 1953～1958年(升-降-升-升-降的形態(tài))與1973～1978年(升-降-降-升-降的形態(tài))的變化趨勢(shì)正好是相反(其特征類似于不連續(xù)的鏡像對(duì)稱)的形態(tài)，而且相似度較高；③ 1961～1966年(升-降-降-降-升的形態(tài))與1966～1971年(降-升-升-升-降的形態(tài))的變化趨勢(shì)正好相反，即特征類似于鏡像對(duì)稱或者中心對(duì)稱的形態(tài)(見圖3)。

(2) 氣候突變點(diǎn)后。在1978～2014年期間：① 1982～1988年的變化趨勢(shì)與1988～1994年期間很相似(其特征類似于平移對(duì)稱)，它們都表現(xiàn)為升-降-升-降-升-降的形態(tài)，而且都是第一個(gè)波峰矮、波谷小，后面兩個(gè)波峰高、波谷大；② 1999～2004年的變化趨勢(shì)與2009～2014年期間很相似(其特征類似于不連續(xù)的平移對(duì)稱)，它們都表現(xiàn)為降-升-升-降-升的形態(tài)(見圖4)。

3.3 周期性

“周期性”是指某一水文要素的歷史演變經(jīng)過一定時(shí)間后再次出現(xiàn)的現(xiàn)象。需要注意的是：本文中所說的周期并非科學(xué)意義上的嚴(yán)格周期，而是說水文要素在某些時(shí)段的變化情況，經(jīng)過一些時(shí)間間隔之后，又再次出現(xiàn)類似的變化趨勢(shì)。周期性本身在歷史變化中不是永遠(yuǎn)不變的，必須靈活應(yīng)用，配合其他規(guī)律來考慮，才不至于發(fā)生偏差[17-19]。

(1) 氣候突變點(diǎn)前。根據(jù)傳統(tǒng)的方法，1951～1978年期間的特征是：① 1951～1960年，期間每隔3 a就出現(xiàn)一次峰谷，在這里下凹式3 a周期是比較明顯的；② 1962～1970年，期間每隔4 a就出現(xiàn)一次峰谷，在這里下凹式4 a周期也是特征明顯的；③ 1970～1974年，期間每隔2 a就出現(xiàn)一次峰谷，下凹式的2 a周期特征明顯[14](見圖3)。

根據(jù)分段法和細(xì)部特征法，1951～1978年期間的特征是：① 如果將序列中從上升-下降的一次完整過程，視為1個(gè)年際旱澇周期性演化的基本單元，則無錫站年際降水過程線是由3種(2，3，4 a)周期組成的，筆者稱其為非典型周期；② 按照時(shí)間趨勢(shì)特性的不同，又可以分成正2 a(兩側(cè)歷時(shí)相同)、順3 a(左側(cè)歷時(shí)長、右側(cè)短)、逆3 a(與順的特征相反)、順4 a、逆4 a等5種類型；③ 相臨的2個(gè)基本單元，還可以合并成順、逆相間的復(fù)合周期[3-4]。表1中1950年的旱澇趨勢(shì)是根據(jù)歷史文獻(xiàn)插補(bǔ)的。

表1 無錫站各基本單元的組合Tab.1 Combination of basic units of Wuxi Station

(2) 氣候突變點(diǎn)后。根據(jù)分段法和細(xì)部特征法，1978～2014年期間的特征是：① 由3種基本單元組成，其中正4 a周期僅在氣候突變時(shí)出現(xiàn)，順3 a、正2 a周期從不單獨(dú)出現(xiàn)；② 1978～1994年和2003～2007年，期間的趨勢(shì)變化基本一致，都是軸對(duì)稱圖像，其表現(xiàn)為升-升-降-降或者升-降-升-降的形態(tài)；③ 1994～2003年和2007～2013年，期間每隔3 a就會(huì)出現(xiàn)一次峰谷，而且它們都是升-升-降的形態(tài)[3-4](見圖4)。

3.4 最小可能性與最大可能性

最小可能性與最大可能性是指任何一個(gè)水文要素的數(shù)值在一定時(shí)期內(nèi)均有一定的波動(dòng)區(qū)間。注意波動(dòng)區(qū)間對(duì)預(yù)報(bào)分析具有很多的幫助。要素在數(shù)值未來超出它歷史變化的區(qū)間不是不可能的，但是可能性較小。資料序列的年代越長，越過其區(qū)間的可能性也越小，預(yù)報(bào)數(shù)值超出歷史變動(dòng)區(qū)間的可能性為最小可能性；歷史變化中經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)值區(qū)間稱為最大可能性。

(1) 氣候突變點(diǎn)前。無錫站1951～1978年期間的年降水量數(shù)值中，對(duì)大于1 521.3 mm(1954年)和小于552.9 mm(1978年)的出現(xiàn)，可以認(rèn)為是最小可能性；在800.0～1 400.0 mm之間是最大可能性(見圖3)。

(2) 氣候突變點(diǎn)后。無錫站1978～2014年期間的年降水量數(shù)值中，對(duì)大于1 630.7 mm(1991年)和小于552.9 mm(1978年)的出現(xiàn)，可以認(rèn)為是最小可能性；在800.0～1 500.0 mm之間是最大可能性(見圖4)。

3.5 突變點(diǎn)

突變點(diǎn)是指水文氣象要素的歷史演變過程中，在一個(gè)時(shí)段里有很明顯的特征，但是在此后的時(shí)段里發(fā)生了改變，并且出現(xiàn)了新的特征，那么兩個(gè)時(shí)段之間的轉(zhuǎn)折期稱為突變點(diǎn)。因此，突變點(diǎn)既是不同時(shí)段的接觸線，也是2種演變特征的分界線[20-22]。

本文對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行了明確的定義，突變點(diǎn)就是一種特殊的非典型周期(即獨(dú)立周期與復(fù)合周期)分界點(diǎn)，可分成2種情況：① 低級(jí)的突變點(diǎn)，主要用于判斷不同非典型周期旱澇特征升降的細(xì)微變化，稱為周期性突變點(diǎn)；另一種是高級(jí)的突變點(diǎn)，用于判斷旱澇特征的宏觀變化，這種轉(zhuǎn)折點(diǎn)往往40 a(預(yù)估值)左右才出現(xiàn)一次，稱為氣候突變點(diǎn)。需要注意的是，年際序列中的個(gè)別突變點(diǎn)會(huì)同時(shí)具備兩種特征。

(1) 氣候突變點(diǎn)前。根據(jù)分段法和細(xì)部特征法總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，該時(shí)段的周期性突變點(diǎn)特征有2種劃分方法：若按照獨(dú)立周期劃分，則不同獨(dú)立周期的兩側(cè)都是周期性突變點(diǎn)[2]，圖3中的1953，1955，1961，1965，1967，1971，1973，1976，1978年都是周期性突變點(diǎn)；若按照復(fù)合周期劃分，則不同復(fù)合周期的兩側(cè)都是周期性突變點(diǎn)，只有1955，1961，1967，1973，1978年等5個(gè)點(diǎn)。對(duì)預(yù)報(bào)工作來說，這兩種特征都是非常重要的，但是后一種特征的重要性更大一些。因此，本時(shí)段應(yīng)該首先考慮復(fù)合周期的突變點(diǎn)。

(2) 氣候突變點(diǎn)后。由于氣候突變點(diǎn)后的復(fù)合周期特征不明顯，所以本時(shí)段采用的是獨(dú)立周期突變點(diǎn)的劃分方法。由圖4可知，1978～2014年期間的1978，1982，1994，2003，2007和2013年都是歷史演變曲線中的周期性突變點(diǎn)，其中1978，2013年還是更高一級(jí)的氣候突變點(diǎn)[3-4]。

4 結(jié) 論

(1) 研究表明，在水文氣象時(shí)間序列領(lǐng)域，由于存在一些認(rèn)知上的缺陷，目前已知的任何方法都無法真正完成單要素分析，歷史演變法也不例外，必須與氣候突變理論以及筆者提出的分段法、細(xì)部特征法等輔助方法配合使用，才能彌補(bǔ)其分辨率較低的弱點(diǎn)。

(2) 根據(jù)歷史演變法5種特征的對(duì)比分析可知，1978年前后無錫站年際降水過程線的歷史演化特征差異顯著，即可以證實(shí)“氣候成因不同特征不同” 的猜想和“分段特征一致性”的理念，也是氣候突變點(diǎn)存在的有力證據(jù)。

(3) 經(jīng)過改進(jìn)后，無錫站年際降水序列的歷史演化特征具有分段特征一致性清晰、歷史演變規(guī)律明顯、代表性良好的特點(diǎn)，可以滿足該站開展單要素中長期水文氣象預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測的需求。