段興奎 蘭蘭

收稿日期：2023-12-10

作者簡(jiǎn)介：段興奎（1988—），男，云南彌勒人，預(yù)報(bào)員，主要從事紅河州地區(qū)天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研究工作。

摘 要：屏邊縣地處云南的東南角，歷年來當(dāng)?shù)鼐用褚呀?jīng)習(xí)慣了多霧的氣候，但隨著蒙自到屏邊高速公路的通車，當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)迎來新的增長(zhǎng)期。大霧災(zāi)害性天氣的研究對(duì)當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)發(fā)展有至關(guān)重要的作用。應(yīng)用Mann-Kendall、累積距平、Morlet小波分析等方法對(duì)屏邊縣1991—2020年的30年地面觀測(cè)的大霧進(jìn)行分析，從而研究其演變周期特征。結(jié)果表明：屏邊縣大霧存在多尺度的變化周期，小波分析能較好地體現(xiàn)其變化趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：大霧；Mann-Kendall；小波分析

中圖分類號(hào)：P426.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）03–0-03

霧是因空氣中水汽凝結(jié)而形成一種能見度低于

1 km時(shí)的天氣現(xiàn)象，大霧可能造成嚴(yán)重的道路交通安全事故。近年來，云南省各地高速公路建設(shè)規(guī)模迅猛增長(zhǎng)，大霧對(duì)交通運(yùn)輸?shù)挠绊懭遮吤黠@。屏邊位于云南省東南部，大霧日數(shù)較多，因此，加強(qiáng)對(duì)大霧災(zāi)害性天氣的研究，對(duì)做好氣象預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)，具有重要意義。

1 資料和方法

1.1 資料

選取屏邊縣1991—2020年的30年地面觀測(cè)的大霧資料，當(dāng)氣象站觀測(cè)有霧且能見度≤1.0 km時(shí)統(tǒng)計(jì)為1個(gè)大霧天氣[1]。

1.2 計(jì)算方法

采用常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計(jì)初步分析屏邊縣大霧的時(shí)空分布特征，通過一元線性回歸方法和Mann-Kendall方法分析屏邊縣30年大霧的趨勢(shì)突變，并采用累積距平分析作為交叉驗(yàn)證，最后用Morlet連續(xù)復(fù)小波變換進(jìn)行時(shí)間尺度的周期分析。

2 大霧的時(shí)空分布特征

2.1 云南省大霧的空間分布特征

根據(jù)1991—2020年云南省各地年平均大霧日數(shù)的空間分布可知，云南大霧自北向南呈雙峰形帶狀分布，主要分布在滇西南、滇東南和滇中地區(qū)，滇西北、滇東北霧日較少，滇西地區(qū)為少霧、無(wú)霧地帶。大霧日數(shù)最多的是昆明太華山，年平均大霧日數(shù)154.8 d，年平均大霧日數(shù)＞100 d的有紅河屏邊142.6 d、臨滄的滄源122 d、西雙版納勐海102.2 d；30年平均大霧日數(shù)不足

1 d的有大理、澄江、賓川、云龍、洱源、元謀、臨滄、南澗等站點(diǎn)，其中大理和澄江氣象站從未出現(xiàn)過大霧天氣。

滇東南地區(qū)出現(xiàn)了以屏邊為代表的大霧中心，并躍居云南省第二，這與1980—2008年云南各地年平均霧日的空間分布有明顯差異，為探究此原因，主要分析屏邊地區(qū)霧的氣候變化特征及原因。

2.2 屏邊大霧的時(shí)間趨勢(shì)及特點(diǎn)

（1）全年平均每月均會(huì)出現(xiàn)大霧，主要出現(xiàn)在冬春季，其次是秋季，夏季最少，1月最多，9月最少（圖2a）。

（2）近30年來出現(xiàn)大霧日數(shù)最多的是1月份，最長(zhǎng)出現(xiàn)了連續(xù)1個(gè)月的大霧，除9月、11月出現(xiàn)過整月無(wú)大霧的情況，其余每月均出現(xiàn)過2 d以上的霧（圖2b、圖2c）。

（3）每年均會(huì)出現(xiàn)大霧，年平均大霧日數(shù)142.5 d，最多為2014年的173 d，最少為1993年的109 d（圖2d）。根據(jù)1991—2020年屏邊縣30年大霧資料數(shù)據(jù)做趨勢(shì)分析，其一元回歸方程為：

y=0.3x-460（1）

從擬合直線可知，屏邊大霧近30年來有增加的變化趨勢(shì)，對(duì)方程做顯著性檢驗(yàn)，P值為0.396，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.05的顯著性水平，表明線性趨勢(shì)不顯著。因此，此期間屏邊的年大霧日數(shù)增加的趨勢(shì)不明顯，說明屏邊的大霧并不是簡(jiǎn)單地呈線性單調(diào)增加或減少，可能存在多尺度的變化趨勢(shì)。

為檢驗(yàn)近30年來屏邊縣大霧隨著時(shí)間變化趨勢(shì)是否存在突變現(xiàn)象，采用了Mann-Kendall方法進(jìn)行趨勢(shì)突變分析（圖3a）。分析結(jié)果表明：近30年來大霧的UF統(tǒng)計(jì)量（正序）和UB統(tǒng)計(jì)量（逆序）曲線的交點(diǎn)位落在0.05顯著水平的接受域內(nèi)，沒有正向或反向的顯著變化趨勢(shì)，且交點(diǎn)在2009年、2017年、2019年，說明2009年、2017年、2019年可能存在變化趨勢(shì)的突變，2009年、2017年、2019年為突變點(diǎn)。為分析確認(rèn)更可信的突變時(shí)間點(diǎn)，對(duì)大霧的累積距平進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)在2010年后年大霧日數(shù)從持續(xù)的正距平趨勢(shì)變化為負(fù)距平趨勢(shì)，并在2012年達(dá)到曲線最低點(diǎn)，2019年達(dá)到曲線次高點(diǎn)，因此2009年、2019年可能是趨勢(shì)突變年份，驗(yàn)證了Mann-Kendall趨勢(shì)突變分析的結(jié)果。

2.3 屏邊大霧的多時(shí)間尺度分析

由于屏邊大霧資料含有多時(shí)間尺度性，且大小尺度互相包含，很難判別其演變過程，為進(jìn)一步研究屏邊縣近30年可能存在的多時(shí)間尺度趨勢(shì)變化周期，使用Morlet小波變換方法對(duì)屏邊30年的大霧數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[2-3]。

（1）小波系數(shù)實(shí)部等值線圖反映的是大霧不同時(shí)間尺度的周期變化及其在時(shí)間域中的分布，清晰反映在不同時(shí)間尺度上，大霧的未來變化趨勢(shì)[4]?？偟膩碚f，在大霧演變過程中主要存在著18～30年、5～12年的2類尺度的周期變化規(guī)律。其中，在18～30年尺度上出現(xiàn)了增加—減少交替的準(zhǔn)2.5次周期震蕩；在5～12年時(shí)間尺度上存在準(zhǔn)6次震蕩。可以看出18～30年尺度的周期變化在整個(gè)分析時(shí)段表現(xiàn)得非常穩(wěn)定，具有全域性，而在5～12年時(shí)間尺度在1991—2005年時(shí)段表現(xiàn)得非常穩(wěn)定，2005年以后雖然能表現(xiàn)出存在5～12年周期震蕩，但強(qiáng)度有所減弱（圖4a）。

（2）小波系數(shù)模值反映的是大霧不同時(shí)間尺度變化周期所對(duì)應(yīng)的能量密度在時(shí)間域中分布的情況，系數(shù)模的值越大，表明其所對(duì)應(yīng)時(shí)間尺度的周期性越強(qiáng)[5]。在大霧的演變中，5～12年、18～30年時(shí)間尺度模值最大，說明這2個(gè)時(shí)間尺度周期變化最明顯。同時(shí)，1998—2005年同時(shí)存在著3年左右的震蕩周期；2013—2020年也同時(shí)存在著4～7年的振蕩周期。1991—2005年以5～12年時(shí)間尺度的周期變化為主，2005年以后以18～30年的周期變化為主（圖4b）。

（3）小波系數(shù)的模方反映的是小波能量譜分布，可以分析出不同周期的震蕩能量。10～15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（1991—2005年）；18～30年時(shí)間尺度能量次之，但周期分布占據(jù)整個(gè)研究時(shí)段（1991—2020年）。同時(shí)可以看出，2～3年、3～7年時(shí)間尺度能量雖然弱，但確實(shí)存在這兩種短時(shí)間尺度的周期變化（圖4c）。

（4）小波方差圖能反映年大霧日數(shù)的波動(dòng)能量隨時(shí)間尺度變化的分布情況。可用來確定大霧演變過程中存在的主周期。大霧的小波系數(shù)方差圖上（圖4d）存在8個(gè)峰值，依次對(duì)應(yīng)16～17年、21年、24年、12年、10年、7年、5年和29年的時(shí)間尺度。由于峰值較多，結(jié)合小波系數(shù)模和模方分布圖，合并一些尺度接近但不特別明顯的峰值，留下16～17年、21年、10年、7年4個(gè)能量密度大、震蕩強(qiáng)且又為峰值的時(shí)間尺度。其中，最大峰值對(duì)應(yīng)著16～17年的時(shí)間尺度，說明16～17年的周期震蕩最強(qiáng)，為大霧年變化的第一主周期；21年時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)著第二峰值，為大霧變化的第二主周期，第三、第四峰值分別對(duì)應(yīng)著10年、7年的時(shí)間尺度，為大霧變化的第三、第四主周期。說明上述4個(gè)周期的波動(dòng)控制著大霧在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的變化特征。

（5）大霧演變的主周期趨勢(shì)圖。在不同的時(shí)間尺度下，大霧年日數(shù)存在的平均周期及減少—增加變化特征。圖5a顯示，在16～17年特征時(shí)間尺度上，大霧變化的平均周期為12.5年左右，大約經(jīng)歷了2.5個(gè)減少—增加的轉(zhuǎn)換期；而在21年特征時(shí)間尺度上（圖5b），大霧變化的平均變化周期為14年左右，大約有2個(gè)周期的增加—減少變化。

3 結(jié)論

（1）近30年來，屏邊縣大霧年均日數(shù)為142.5 d，位居云南省第二，最多的1年出現(xiàn)了173 d的大霧，最少也有109d的大霧；屏邊地區(qū)大霧主要出現(xiàn)在冬春季，1月最多，9月最少，最長(zhǎng)出現(xiàn)了連續(xù)1個(gè)月的大霧。

（2）在1991—2020年的尺度范圍內(nèi)，屏邊縣年均大霧日數(shù)并不存在單調(diào)的上升和下降趨勢(shì)，而是多種變化周期同時(shí)存在。在此統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)存在著以16～17年時(shí)間尺度為第一峰值的主周期，16～17年的變化周期震蕩和能量密度最強(qiáng)，貫穿了整個(gè)研究時(shí)段，大約經(jīng)歷了減少—增加—減少—增加—減少的5個(gè)循環(huán)。

結(jié)果表明，屏邊縣大霧存在多種時(shí)間尺度的周期性變化，在不同的研究時(shí)段內(nèi)會(huì)呈現(xiàn)出不同的變化主周期，Morlet連續(xù)復(fù)小波變換方法能較好地反映了其周期變化規(guī)律，為屏邊地區(qū)的大霧預(yù)報(bào)研究提供科學(xué)的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 許美玲.云南省天氣預(yù)報(bào)員手冊(cè)[M].北京：氣象出版社，2011.

[2] 童堯青，銀燕，許遐禎，等.南京地區(qū)霧的氣候特征[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，32（1）：115-120.

[3] 蔡玉榮，張玲，李中斌，等.章丘大霧氣候特征分析[ J].山東氣象，2011，31（4）：73-74.

[4] 任俊杰.基于小波變換的數(shù)據(jù)分析方法研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（16）：39-40.

[5] 姚阿漫，李文賓.基于小波分析的石羊河流域徑流量的變化趨勢(shì)[J].地下水，2013，35（4）：118-119，148.