东北地区近百年降水时间序列变化规律的小波分析_姜晓艳_图文

1、第28卷第2期2009年3月地理研究GEO GRA P HICAL RESEA RC H Vol 128,No 12Mar 1,2009收稿日期:2008207209;修订日期:2008212224基金项目:辽宁省气象局正研级专业技术人才培养专项科研基金项目作者简介:姜晓艳(19602,女,高级工程师。主要从事气候变化和应用气象业务及科研工作。Email :syjxy 1631com3通讯作者:刘树华,教授,博导。E 2mail :lshuhua pku 1edu 1cn东北地区近百年降水时间序列变化规律的小波分析姜晓艳1,刘树华2,33,马明敏2,张菁1,宋军4(11辽宁省沈阳市气象局,沈阳

2、110168;21北京大学物理学院大气科学系,北京100871;31中国气象局气候研究开放实验室,北京100081;41大连市气象局,大连116001摘要:利用19052005年东北地区哈尔滨、长春、沈阳和大连的降水时间序列资料,采用距平和Morlet 小波分析方法,研究了东北地区降水变化的多时间尺度的周期性性变化规律,并对东北地区近期降水状况进行了预测。结果表明:近百年来东北地区年降水量呈现较显著下降趋势,整个东北地区降幅为-512mm/10a ;长春为-1217mm/10a ;哈尔滨为-711mm/10a ;大连为-217mm/10a ;沈阳略为上升趋势为113mm/10a 。东北地区的年

3、降水量存在着区域性的多重时间尺度下的周期变化特征,2a 3a 、5a 6a ,10a 和50a 左右的长期振荡周期具有全域性;长春、哈尔滨年降水的主要控制周期是20a 左右;5a 6a 的短周期和50年的长周期变化也对年降水有较大影响。关键词:东北地区;近百年;降水时间序列;小波分析文章编号:100020585(2009022*1引言全球变暖导致全球和区域气候变化,使得高温、干旱、洪涝等灾害性天气频发,造成生态和环境恶化,严重影响到农业生产、社会经济和可持续发展,已引起人们的高度重视13。特别是在全球气候变化背景下,中国降水量的空间格局的变化直接关系到我国农业生产安全4。我国东北地区位于东亚季

4、风的最北端,属于温带大陆性季风气候,是中国湿润的东部季风区和干旱的内陆之间的过度带。夏季高温多雨,冬季严寒干燥,大陆性气候由东向西渐强。其气候的季节性变化与整个东亚大气环流紧密相连,气候及其变化的差异较大,是典型的“气候脆弱区”和气候变暖影响最为敏感地区之一,也是我国最大的商品粮产区和重要的重工业和能源基地。因此,研究我国东北地区近百年来降水变化的特征,对了解气候演变对降水的影响和短期、中长期降水预测具有十分重要的意义。近年来,已有许多气象工作者对此进行了研究,例如:姜哓艳等5。在分析了我国东北地区哈尔滨、长春、沈阳和大连近百年年平均气温变化特征的基础上,采用小波分析的方法研究了其多时间尺度的

5、复杂结构构,研究结果表明,近百年来东北地区的平均气温呈升高趋势,尤其在20世纪80年代以后升高趋势更加明显,升温率达到01165/10a 。气温存在2期姜晓艳等:东北地区近百年降水时间序列变化规律的小波分析35523a,812a,2025a和45a左右时间的多重时间尺度结构的变化特征;蓝永超等2研究了气候变化对黄河上游水资源系统影响;许月卿等6基于小波分析方法研究了河北平原降水变化规律;林振耀等7研究了青藏高原气温降水变化的时空特征;戴新刚等8研究了华北汛期降水多尺度特征与夏季风年代际衰变特征;郝立生等9研究了19512005年燕山南麓夏季降水变化特征;邵晓梅等10进行了黄河流域降水序列变化的

6、小波分析研究;万明波等11进行了青藏铁路沿线气温和降水的小波分析研究;匡正等12进行了华北降水时间序列资料的小波分析。近百年来,在全球变化背景下我国东北地区降水的变化趋势及其时间尺度结构变化规律等问题深受关注。为了研究全球变化背景下我国东北地区近百年年平均降水序列的变化规律,本文选择了对区域降水变化的响应存在一定差异的内陆城市哈尔滨、长春、沈阳和沿海城市大连,并利用19052005年上述4个典型城市的年降水时间序列资料,采用Morlet小波变换分析方法,进行降水时间序列变化特征和多时间尺度的复杂结构分析研究,对了解我国东北地区百年降水的多时间尺度的复杂结构变化规律具有重要意义,并为短期及中长期

7、降水预测提供科学依据。2资料来源与处理方法本文采用哈尔滨、长春、沈阳和大连4个站19052005年的降水时间序列观测资料。哈尔滨、长春、沈阳地处我国东北地区,位于东亚季风的最北端,属于温带大陆性季风气候,大连是沿海城市,受大陆性季风和海洋气候影响。因此分析4站的百年降水规律,对了解在全球变化背景下我国东北地区的降水规律具有重要的意义。本文采用的小波分析(wavelet analysis方法是在傅立叶(Fourier变换基础上引入窗口函数,从而把时间序列分解为时间和频率的贡献,它对于获取一个复杂时间序列的调整规律,诊断气候变化内在层次结构,分辩时间序列在不同尺度上的演变特征是非常有效的1319。

8、通过小波分析可得到所研究对象序列在不同时间尺度上周期结构和异常变化的规律,为短期气候预测提供科学依据。小波分析方法原理及在气象学、工程学等方面的应用见参考文献13,519。3结果分析311东北四站近百年年降水量距平与小波周期频域的关系为了更清楚地了解哈尔滨近百年来降水多少的变化规律,图1(a给出了哈尔滨近百年年降水量距平图。从图1(a除了看到每年降水量与百年平均降水量的关系外,还可看到1905年2005年哈尔滨降水经历了少多少多4个循环阶段,即19051925年降水距平为负,说明在此期间降水比常年偏少;19261956年降水距平为正,说明在此期间降水比常年偏多;19571982年降水距平为负,

9、说明在此期间降水比常年偏少; 19832005年降水距平为正,说明在此期间降水比常年偏多。哈尔滨百年平均年降水量约为550mm/a,从图上看出百年降水量呈减少趋势,降水倾向率为-711mm/10a,这么高的降水倾向率累积效应还是比较大的,它将导致哈尔滨现在的年降水量比100年前有数十毫米的差距。值得注意的是1932年的降水量远远超过平均值,达到104110mm,为历年最高纪录;而紧接着第二年1933年的降水量就降到了35312mm,几乎是历年的最低值。经查阅相关记录,发现1932年哈尔滨发生了有水文记录以来的最大洪水,应该和当年的降水量异常有直接因果关系。地理研究28卷356 图1190520

10、05年哈尔滨年降水量距平(a和Morlet小波变换图(b Fig11Anomaly(aand Morlet wavelet transform(bof annual precipitation in Harbin during190522005除了上述的分析之外,从图1(a很难看出更短周期的变化信息。对此,图1(b给出了相应的Morlet小波变换图。图1(b清楚地显示了哈尔滨近百年来年降水在不同时间尺度上的周期振荡和突变点特征。图中信号振荡的强弱通过灰度的大小来表示,灰度越大表示年降水量越小于常年;灰度越小表示年降水量越大于常年。由图1(b与(a比较可见,从图1(b中可得到更丰富的变化周期尺度

11、信息。由图1(b可见,存在多重时间周期尺度上的嵌套复杂结构现象。明显地存在23a、56a的短期振荡周期1950年以后生成的10a左右的振荡周期,及20a左右的中期振荡周期和50a左右的长期振荡周期。从图中的变化规律看,2005年以后哈尔滨正处在23a、56a短期振荡周期的多降水期;10a左右的振荡周期为少降水期;20a左右的中期振荡周期经历了多少多少多少多少8个循环交替,而且2005年振荡周期等值线远未闭合,说明2005年以后在该周期上降水量正处于偏少时期;而50a左右的长期振荡周期等值线也仍未闭合,说明2005年以后在该周期上降水量将继续维持稍微偏多趋势。综上分析,哈尔滨近百年年降水量受多重

12、周期性规律控制,明显地存在23a、5 6a的短期振荡周期,1950年以后生成的10a左右的振荡周期及20a左右的中期振荡周期和50a左右的长期振荡周期。从振荡的剧烈程度上看20a左右的中周期变化是年降水的主要控制周期;但56a的短周期和50年的长周期变化也对年降水有较大影响。图2(a给出了长春近百年年降水量距平图。由图2(a看到19052005年长春的年降水变化规律同哈尔滨相似,也经历了4个循环周期,但循环规律正好相反,即:多少多少4个循环阶段,19051924年降水距平为正,说明在此期间降水比常年偏多;2期姜晓艳等:东北地区近百年降水时间序列变化规律的小波分析35719251954年降水距平

13、为负,说明在此期间降水比常年偏少;19551982年降水距平为正,说明在此期间降水比常年偏多;19832005年降水距平为负,说明在此期间降水比常年偏少。对长春年降水量序列进行线性拟合,发现其降水倾向率为-1217mm/10a,比哈尔滨的降水倾向率大。这说明长春的多年降水量呈减少趋势,而且减少的幅度比哈尔滨要大,100年积累下来将导致长春现在的年降水量比20世纪初减少12618mm之多。考虑到长春多年平均降水量约为596mm,这个减少量是相当惊人的。 图219052005年长春年降水量距平(a和Morlet小波变换图(b Fig12Anomaly(aand Morlet wavelet tra

14、nsform(bof annual precipitation in Changchun during190522005为了更清楚地分析长春近百年年降水的变化规律的多周期性,图2(b给出了相应的Morlet小波变换图,清楚地显示了长春近百年来年降水在不同时间尺度上的周期振荡和突变点特征。由图2(b与(a比较可见,从图2(b中同样可得到更丰富的变化周期尺度信息。由图1(b与图2(b比较可见,长春与哈尔滨的年降水的小波变换规律很相似,不但同样存在多重时间周期尺度上的嵌套复杂结构现象,而且明显地存在23a、56a的短期振荡周期,1955年以后生成的1015a左右的振荡周期及20a左右的中期振荡周期和

15、50a左右的长期振荡周期。这可能是两市同在东北地区一个大气候背景下的原因。所不同的是50a左右的长期振荡周期规律与哈尔滨的少多少多4个循环正好相反,即多少多少4个循环。从图中的变化规律看,2005年以后长春正处在23a、56a短期振荡周期的多降水期;10a左右的振荡周期为少降水期;20a左右的中期振荡周期经历了多少多少多少多少8个循环交替,而且2005年振荡周期等值线远未闭合,说明2005年以后在该周期上降水量正处于较强偏少时期;而50a左右的长期振荡周期等值线也仍未闭合,地理研究28卷358说明2005年以后在该周期上降水量将继续维持偏少趋势。综上分析可知,长春近百年年降水量受多重周期性规律

16、控制,明显地存在23a、10a的短期振荡周期;20a左右的中期振荡周期和50a左右的长期振荡周期。从振荡的剧烈程度上看20a左右的中周期变化是年降水的主要控制周期;但23a的短周期和50年的长周期变化也对年降水有较大影响。 图319052005年沈阳年降水量距平(a和Morlet小波变换图(bFig13Anomaly(aand Morlet wavelet transform(bofannual mean precipitation in Shenyang during190522005图3(a给出了沈阳近百年年降水量距平图。与哈尔滨(图1(a和长春(图2(a近百年年降水量距平图比较发现,沈阳

17、近百年来年降水量减少趋势不明显,距平接近于零。对沈阳年降水量序列进行线性拟合,发现其降水倾向率为113mm/10a,降水量略有增加。为了更清楚地分析沈阳近百年年降水的变化规律的多周期性,图3(b给出了相应的Morlet小波变换图,清楚地显示了沈阳近百年来年降水在不同时间尺度上的周期振荡和突变点特征。由图3(b与(a比较可见,从图3(b中同样可得到更丰富的变化周期尺度信息。与哈尔滨(图1(b和长春(图2(bMorlet小波变换图比较可见,沈阳同样存在明显的23a和10a的短周期和50a的长周期,但是20a的年降水量的主要控制周期没有出现。从图中的变化规律看,2005年以后沈阳正处在23a、10a

18、和50a的多降水期内。综上分析可知,沈阳近百年年降水量受多重周期性规律控制,明显地存在23a、10a的短期振荡周期和50a左右的长期振荡周期。从振荡的剧烈程度上看10a左右的中周期变化是全年降水的主要控制周期;但23a的短周期和50年的长周期变化也对全年降水有较大影响。 期 2 姜晓艳 等 : 东北地区近百年降水时间序列变化规律的小波分析 359 为更清楚分析大连近百年年降水的变化规律的多周期性 , 图 4 ( b 给出了相应的 Mor2 let 小波变换图 , 清楚地显示了大连近百年来年降水在不同时间尺度上的周期振荡和突变 点特征 。由图 4 ( b 与 ( a 比较可见 , 从图 4 (

19、b 中同样可得到更丰富的变化周期尺度信息 。 与哈尔滨 ( 图1 ( b 、长春 ( 图2 ( b 和沈阳 ( 图 3 ( b Morlet 小波变换图比较可见 , 大连 同样存在明显的 23a 和 10a 的短周期和 50a 的长周期 , 但是 20a 的年降水量的主要控制 周期同沈阳一样没有出现 。这也说明了在地理和区域气候上沈阳和大连比较接近 。 从图中的变化规律看 , 与沈阳同样 2005 年以后大连正处在 23a 、10a 和 50a 的多降 水期内 。 综上分析可知 , 大连近百年年降水量受多重周期性规律控制 , 明显地存在 2 3a 、 10a 的短期振荡周期和 50a 左右的长

20、期振荡周期 。从振荡的剧烈程度上看 10a 左右的中周 期变化是全年降水的主要控制周期 ; 但 23a 的短周期和 50 年的长周期变化也对全年降 水有较大影响 。 4 ( a 给出了大连近百年年降水量距平图 , 看到 1905 2005 年大连的年降水变化规 图 律同长春相似 , 也经历了 4 个循环周期 , 即 : 多 4 个循环阶段 , 即 1905 少 多 少 1924 年降水距平为正 , 说明在此期间降水比常年偏多 ; 1925 1950 年降水距平为负 , 说 明在此期间降水比常年偏少 ; 1951 1980 年降水距平为正 , 说明在此期间降水比常年偏 多 ; 19812005

21、年降水距平为负 , 说明在此期间降水比常年偏少 。对大连年降水量序列 进行线性拟合 , 发现其降水倾向率为 - 21 7mm/ 10a , 比哈尔滨和长春的降水倾向率小 。 这可能与大连受海洋性气候影响有关 。 图4 19052005 年大连年降水量距平 ( a 和 Morlet 小波变换图 ( b Fig1 4 Anomaly (a and Morlet wavelet transform ( b of annual precipitation in Dalian during 190522005 360 地 理 研 究 28 卷 31 2 东北地区近百年年降水量距平与小波周期频域的关系 5

22、 ( a 给出了东北地区 ( 哈尔滨 、长春 、沈阳和大连 4 站数据平均 近百年年降水 图 量距平图 。由图 5 ( a 可见 , 对于整个东北地区而言 , 近百年来年降水量呈现较显著下降 趋势 , 降幅为 - 51 2mm/ 10a , 该值小于长春 ( - 121 7mm/ 10a 和哈 尔滨 ( - 71 1mm/ 10a , 大于大连 ( - 21 7mm/ 10a 和沈阳 ( 11 3mm/ 10a 。由图 5 ( a 看到 1905 2005 年 经历了 4 个循环周期 , 即 : 多 4 个循环阶段 , 即 1905 1923 年降水距平为 少 多 少 正 , 说明在此期间降水

23、比常年偏多 ; 1924 1950 年降水距平为负 , 说明在此期间降水比 常年偏少 ; 19511978 年降水距平为正 , 说明在此期间降水比常年偏多 ; 1979 2005 年 降水距平为负 , 说明在此期间降水比常年偏少 。 为了更清楚地分析东北地区 ( 哈尔滨 、长春 、沈阳和大连四站数据平均 近百年年降 水的变化规律的多周期性 , 图 5 ( b 给出了相应的 Morlet 小波变换图 , 清楚地显示了东北 地区近百年来年降水在不同时间尺度上的周期振荡和突变点特征 。由图 5 ( b 与 ( a 比较可 见 , 从图 5 ( b 中同样可得到更丰富的变化周期尺度信息 。与哈尔滨 (

24、 图 1 ( b 、长春 ( 图 2 ( b 、沈阳 ( 图3 ( b 和大连 ( 图 4 ( b Morlet 小波变换图比较可见 , 东北地区近百年年 降水量变化的 Morlet 小波变换存在明显的 23a 和 10a 的短周期及 20a 和 50a 的中 、长周 期 , 但是 20a 的年降水量的主要控制周期不像哈尔滨和长春那样显著 , 这主要是区域平均 的作用所致 。 从图 5 ( b 中的变化规律看 , 与哈尔滨 、长春 、沈阳和大连规律都不同 , 2005 年以后 图5 19052005 年东北地区年降水量距平 ( a 和 Morlet 小波变换图 ( b Fig1 5 Ano m

25、aly (a and Morlet wavelet t ransform (b of annual p recipitation in No rt heast China during 190522005 期 2 姜晓艳 等 : 东北地区近百年降水时间序列变化规律的小波分析 361 东北地区 23a 、10a 周期处在偏多降水期 , 20a 周期处在偏少降水期 , 而 50a 周期处在突 变点附近 , 也即在由偏少向偏多转换时期 。 综上分析可知 , 东北地区近百年年降水量受多重周期性规律控制 , 明显地存在 2 3a 、10a 的短期振荡周期 , 及 20a 和 50a 的中 、长期振荡周期

26、 。从振荡的剧烈程度上看 10a 左右的中周期变化是全年降水的主要控制周期 ; 但 2 3a 的短周期和 50 年的长周期 变化也对全年降水有较大影响 。 4 结论 通过对东北地区哈尔滨 、长春 、沈阳和大连 1905 2005 年的年降水量序列的距平和 连续小波变换分析 , 研究了东北地区年降水量变化的多时间尺度的复杂结构 。结果表明 : ( 1 东 北 地 区 近 百 年 来 年 降 水 量 总 体 呈 现 减 少 趋 势 , 整 个 东 北 地 区 降 幅 为 51 2mm/ 10a ; 长春为 - 121 7mm/ 10a ; 哈尔滨为 - 71 1mm/ 10a ; 大连为 - 21

27、 7mm/ 10a ; 沈 阳略为上升为 11 3mm/ 10a 。 ( 2 东北地区的年降水量存在着区域性的多重时间尺度下的周期变化特征 , 2 3a 、 56a , 10a 和 50a 左右的长期振荡周期具有全域性 。从振荡的剧烈程度上看 20a 左右的中 周期变化是长春 、哈尔滨全年降水的主要控制周期 ; 但 5a6a 的短周期和 50 年的长周期 变化也对全年降水有较大影响 。 ( 3 从小波变换周期规律研究发现 , 2005 年以后 : 哈尔滨正处在 2 3a 、5 6a 短 期振荡周期的多降水期 ; 10a 左右的振荡周期为少降水期 ; 20a 的中期振荡周期处于偏少 时期 ; 5

28、0a 左右的长期振荡周期将继续维持偏多趋势 。长春正处在 2 3a 、5 6a 短期振 荡周期的多降水期 ; 10a 左右的振荡周期为少降水期 ; 20a 正处于较强偏少时期 ; 50a 左 右的长期振荡周期将继续维持偏少趋势 。沈阳正处在 2 3a 、10a 和 50 年的多降水期内 。 大连正处在 23a 、10a 和 50 年的多降水期内 。而整个东北地区 2 3a 、10a 周期正处在 偏多降水期 , 20a 周期处在偏少降水期 , 而 50a 周期处在突变点附近 , 也即在由偏少向偏 多转换时期 。 ( 4 小波分析的时频化特性可展现降水时间序列的精细结构 , 为分析气候多时间尺 度

29、变化特征和短期气候预测提供一种新途径 。 参考文献 : 1 Kennedy D1 Breakt hrough of t he Year1 Science ,2003 ,302 :20331 1251 2008 ,44 (1 :1081141 2 蓝永超 ,丁永建 ,沈永平 ,等1 气候变化对黄河上游水资源系统影响的研究1 气候变化研究进展 ,2005 ,1 (3 :122 3 马明敏 ,姜哓艳 ,刘树华 ,等1 近 47 年城市化发展对沈阳区域局地气候的影响研究1 北京大学学报 ( 自然科学版 , 4 王英 ,曹明奎 ,陶波 ,等 1 全球气候变化背景下中国降水量空间格局的变化特征 1 地理研

30、究 ,2006 ,25 ( 6 : 1031 5 姜哓艳 ,刘树华 ,马明敏 , 等 1 中国东北地区近百年气温序列的小波分析 1 气候变化研究进展 ,2008 ,4 ( 2 : 122 6 许月卿 ,李双成 ,蔡云龙 1 基于小波分析的河北平原降水变化规律研究 1 中国科学 D 辑 ,地球科学 ,2004 ,34 (12 : 7 林振耀 ,赵昕奕 1 青藏高原气温降水变化的时空特征 1 中国科学 D 辑 ,地球科学 ,1996 ,26 (4 :3543581 8 戴新刚 ,王萍 ,丑纪范 1 华北汛期降水多尺度特征与夏季风年代际衰变 1 科学通报 ,2003 ,48 (23 :2483248

31、71 117611831 10401 1251 362 地 理 研 究 28 卷 wavelet analysis met hod of Morlet is used to research t he periodical regulatio ns at different time scales of t he p recipitatio n time series during t he latest nearly 100 year s in Nort heast chun and Dalian weat her statio ns covering t he period f ro m

32、1905 to 2005 , t he periodic o scil2 latio n of p recipitatio n and t he point s of abrupt change at different time scales alo ng t he time series are discovered and t he main periods of every serial are co nfirmed. The result mm/ 10a , and - 12. 7mm/ 10a , - 7. 1mm/ 10a , - 2. 7mm/ 10a , 1. 3mm/ 10

33、a for Nort heast scales of periodical change , which p resent appears different t rait s at different p hases. cast of short2term climate variatio ns. p recipitatio n variatio ns. The local characteristics of time2f requency for wavelet analysis Key words :Nort heast China ; last 100 years ; p recip

34、itatio n time series ; wavelet analysis can demo nst rate t he detailed st ruct ures of p recipitatio n. The wavelet analysis can be an al2 ternative app roach to t he analysis of climate multi2time scales characteristics and t he fore2 China , Changchun , Harbin , Dalian and Shenyang respectively.

35、There are multi2time There are periodic o scillatio ns of 2a23a , 5a26a , 10a and 50a for t he seaso nal and annual show s t hat t he p recipitatio n of Nort heast China has a decreasing t rend , wit h rates of - 51 2 9 郝立生 ,毕宝贵 1 19512005 年燕山南麓夏季降水变化特征 1 气候变化研究进展 ,2007 ,3 (1 :31351 11 万明波 ,程智 ,王文 1

36、 青藏铁路沿线气温和降水的小波分析 1 干旱气象 ,2006 ,24 (4 :35391 13 董长虹 1 Matlab 小波分析工具箱原理与应用 1 北京 : 国防工业出版社 ,20041 1291 18 彭玉华 1 小波变换与工程应用 1 北京 : 科学出版社 ,20021 13161 1997 , 79 (1 :61781 17 姚建群 1 连续小波变换在上海近 100 年降水分析中的应用 1 气象 ,2001 ,27 (2 :2024 12 匡正 ,季仲贞 ,林一骅 1 华北降水时间序列资料的小波分析 1 气候与环境研究 ,2000 ,5 (3 ,3123171 14 飞思科技研发中心 1 MA TL AB61 5 辅助小波分析与应用 1