晋西北偏关县55年降水周期分析

2016-12-16 00:09彭爱国张永瑞张勋彭豆豆谢普新
吉林农业·下半月 2016年10期
关键词:周期小波分析降水

彭爱国+张永瑞+张勋+彭豆豆+谢普新+张学成

摘要:利用晋西北偏关县建站以来55年的降水资料,应用小波分析的方法来分析降水周期,发现存在一个准的长周期15年,10年,以及小的5年的周期。周期中有各种大小的正负中心,期间经历3次偏少偏多交替。表现为上世纪60年代偏多,70、80年代偏少、90年代偏多,本世纪前10年偏少,2010年以后降水有增加的趋势。目前,山西轻中霜冻发生次数正处于偏少向偏多的过渡期。对于指导长期预报,安排农业生产,防灾减灾具有一定的实际意义。

关键词:偏关;降水;小波分析;周期

中图分类号:  P333.1                            文献标识码:  A                        DOI编号:   10.14025/j.cnki.jlny.2016.20.034

小波分析是上世纪80年代发展起来的一门数学方法,为非稳定信号提供了时域和频域同时变化的自适应时频分析方法。能够适应信号的任何时段和频段,所以被誉为数学显微镜。90年代,Daubechies和Sweldens两位学者提出了一种新的提高算法的小波变换。另外一些专家在基于小波变换的峰值检测方法,同时在该算法中加进了本着小波变换的基线校准。小波变换能把一个时间序列划分为时间和频率的两方面贡献,对于探求一个较为复杂时间序列的变化特征规律,显示时间序列在各种不同尺度上的演变特征十分有效果,在数学上具有突变点的诊断能力,王英对气候进行了研究,今作者应用小波分析方法,对偏关县55年的降水资料进行做图,来研究各种不同的周期变化。

1资料与方法

1.1研究区概况

晋西北偏关县,位于山西省西北面,同内蒙古自治区接壤,黄河流经此地。平均海拔1000~1500米之间,百分之八十为山区和丘陵地带,地势东高西低,年平均气温7.9℃,年降水量413.2毫米,无霜期140天,属温带大陆性季风气候。

1.2数据来源

偏关建站1959年~2015年55年的降水资料。

1.3小波分析

小波分析是近年来兴起的较为先进的分析周期方法,本文重点应用降水的小波系数模等直线图,降水的小波方差图,降水量小波系数实部等直线图来研究55年降水的周期规律。

2.分析

2.1小波系数模等直线图

图1显示了偏关县1959年~2015年降水量在各种时间尺度上存在的周期变化,图中信号的强弱通过等值线颜色深浅来表示,实线越浅表示信号越强,虚线越深表示信号越强。等值线为正的用实线表示,表示降水较多;等值线为负值用虚线表示,表示降水较少;小波系数为零处则对应着变异点。可以看出,1959年~2015年的准15年周期变化下包含有准5年周期变化,出现许多正负相间的变化中心,期间经历3次偏少偏多交替。表现为上世纪60年代偏多,70、80年代偏少、90年代偏多,本世纪前10年偏少,2010年以后降水有增加的趋势。2010年以后小波系数实部等值线未闭合,预示现在初霜冻出现处于较少阶段。

2.2小波系数实部等直线图

从图2可以看出,1959年~2015年以准10年周期振荡为主,上世纪60~70年代15年周期明显,降水偏多,80年代到现在10年周期明显,表现为上世纪80~90年代降水偏少,2000年以来降水增多。

2.3小波方差图

小波方差反应了能量随时间尺度的分布,可以确定一个时间序列中各种尺度扰动的相对强度,对应峰值处的尺度称为该序列的主要时间尺度,用以反应时间序列的主要振荡周期。

能看出偏关县1959年~2015降水量小波方差出现2个峰值,对应的周期分别为5年和15年,其中尺度15年峰值最高。表明偏关降水存在15年时间尺度的低频振荡,同时存在有较明显的5年左右准周期的低频振荡。

2.4小波系数实部等直线图

图4表示了偏关县降水量在不同时间尺度上的周期振荡,在较大时间尺度15年左右的周期震荡较明显,期间经历了偏多——偏少5个循环交替变化,1960年~1965年、1971年~1975年、1968年~1970年时间段为正值,说明期间降水量偏多;而1966年~1970年、1976年~1980年时间段内为负值,说明期间降水量偏少。1980年以后,周期跃变为20年。在5~9年的较小尺度上,仍然有多和少交替的周期变化,但周期变化的时间越来越向不稳定发展, 60年代和70年代,以及90年代准5年周期变化明显,80年代以后存在准10年周期。目前,在该尺度上山西轻终霜冻发生次数正处于偏少向偏多的过渡期。

3 结论与讨论

通过研究小波系数模等值线图,发现1959年~2015年的准15年周期变化下有小的5年周期,存在许多正负相间的中心。表现为上世纪60年代偏多,70、80年代偏少,90年代偏多,本世纪前10年偏少,2010年以后降水有增加的趋势。目前处于初霜冻发生次数的偏少期。

通过研究小波系数实部等值线图,发现1959年~2015年以准10年周期振荡为主,上世纪60~70年代15年周期明显,降水偏多,80年代到现在10年周期明显,表现为上世纪80~90年代降水偏少,本世纪以来降水偏多。

在全球变暖的大环境下,ENSO事件频繁发生,某一地的降水周期还要考虑ENSO事件和副热带高压的进退。

参考文献

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作者简介:彭爱国,偏关县气象局,高级工程师,研究方向:气象服务和应用气象。

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