西北地区近50年降水周期的稳定性分析

第21卷第6期2006年6月

文章编号:100128166(2006) 0620576209

地球科学进展

ADVANCES I N E ART H SC I ENCE

Vol . 21　No . 6

Jun . , 2006

西北地区近50年降水周期的稳定性分析

王澄海

1, 2

3

, 崔　洋

1

(1. 西部环境教育部重点实验室, 兰州大学大气科学学院, 甘肃　兰州　730000;

2. 中国气象局成都高原气象研究所, 四川　成都　610000)

摘　要:用小波分析和奇异谱分析两种方法相结合对西北地区26个站1951—1999共49年的降水

周期随时间的变化进行了分析。结果表明:西北地区降水周期随时间变化具有较强的区域性; 宁夏陕北地区和河西走廊地区近50年的降水变化趋势呈反位相关系; 根据近30年西北地区降水变化形式, 西北地区大致可分为3种类型的降水变化:①不稳定变化型(新疆地区②过渡型(河西走廊地区) ; ③稳定型(宁夏陕北地区) 。近5020世纪70～80年代显著性下降, 5～7年左右的周期和14变化; , 较稳定的但不太显著的10周期性振荡的特点。, 在该固定周期成分出现前后, 。关　键　词:; ; 小波和奇异谱分析中图分类号:P46文献标识码:A

Mur onzi 除了伸缩和平移外还引入了旋转。因此, 小

1　引　言

气候变化在时空上的多尺度特性是气候系统的基本属性之一, 因此对气候变化的时空尺度诊断分析也就成了气候学的一项重要研究内容。但以往的分析方法, 包括Fourier 分析, 都因为不具有局部化、多层次和多分辨的性质, 而不能全面客观地反映气候变化的多尺度规律和层次结构演变的突变特征。同时, Ya ma mot o 方法给出的突变区宽度太大; Mann 2Kendall 方法虽然能给出突变点和相突变区, 但忽略

波变换在n 维场中已具有分辨不同尺度的“显微镜”作用和具有分离信号在不同角度的贡献的“偏振镜”作用。与Fourier 变换对不规则序列分析的有效性较差和不能做局部分析相比较; 小波分析具有2大优点:①时频局部性较好; ②适合分析处理带奇异性的信号。

另一方面, 以前所用的讨论功率谱的估计方法和小波分析, 其实质上都是将时间序列视作不同频率的正弦波叠加而成的振动波的离散采样; 通过对这些离散样点的分析, 进而得到该序列的周期和功率谱。严格地说, 大气系统是非线性系统, 将一个本质上是非线性的振动波分解成大量的正弦振动之和, 显然是不恰当的。20世纪80年代后期, 由Vou 2tard 和Ghil 提出的奇异谱分析技术则从根本上克服

了除突变外的所有信息。起源于1980年的小波变换技术在法国科学家Morlet 对地震资料的分析中获得了较好的效果。后来, 他与理论物理学家Gr oss mann 合作建立了连续小波变换的几何图像。1985年连续小波变换被Meyer 扩展到n 维, 之后

[1]

3

　收稿日期:2006201223; 修回日期:[1**********]

(编号:40375033) ; 教育部重大项目“3基金项目:国家自然科学基金项目“西北干旱区春季感热变化的规律及其对后期降水的影响”陇

西黄土高原植被恢复与重建过程中水文—生态—大气动态耦合过程研究”资助.

　作者简介:王澄海(19612) , 男, 甘肃秦安人, 教授, 博士, 主要从事陆面过程和气候变化研究. E 2ma il:wch@lzu . edu .

cn

了上述缺陷。由于它不需要正弦性的假定, 其识别的波形信号(不一定是正弦波) 是直接由实际序列确定的, 而且对功率谱信号具有强化放大作用, 因此特别适合于识别蕴含于非线性动力学系统中的弱信号, 是一种新的研究序列频域结构的分析工具, 具有广阔的应用前景。

已有的研究指出西北地区降水存在3年周[3]

期; PCA 和MSS A 方法对西北92个站1960—1995年共35年降水资料的分析也表明:西北地区降水主要存在准8. 5年、准3～4年和准5. 1年的周期; 用E OF 、REOF 和小波分析对近40年西北降水异常的研究也指出:西北降水存在10年以上的较长周期和3～4年的短周期; 周期在不同时段是不同的, 河西走廊地区60年代存在2年左右的降水周期, 70年代后主要是6～8年的周期; 准3年周期在80年代之前在新疆地区并不存在, 80年代之后则变

[4]

[2]

降水存在着显著的地区特征, 降水的周期随时间变化是不稳定的, 变化的。

本文试图运用小波分析和奇异谱分析, 从周期的稳定性角度对西北地区降水的时空变化规律的持续性和稳定性做分析研究。

2　资料与方法

我们选用西北地区26个气象站1951—1999年49年逐月降水资料累加起来的年降水资料。站点中新疆和甘肃的居多, 同时包括陕西和宁夏的部分站点。结合有关研究西北地区的划分和施雅风[7]

等对西北目前气候变化区域的划分将西北地区划分为4个区域, 分别为宁夏陕北地区、河西走廊地区、北疆地区和南疆地区(图1) 。考虑到西北地区降水的气候特点和地形地貌, 选取每个区的一个站作为该区的代表站, 、酒泉、乌。

]。本文采用小波函数Marr 小波(又称墨西哥帽) 。它具有二阶消去性, 同时它在对n 维的一般化中是各向同性的。为了从非线性角度探讨气候序列的周期性, 同时分辨序列的倾向成份; 本文还使用了奇异谱分析技术; 有关SS A 的完整介绍可见文献[11～13]

。

为一个比较显著的周期; 而且准3年周期并不是西

[5]

北地区各地降水80年代之后所共有的周期特征。文献[6]研究了西北地区1961—1995的变化, :布, , 而青海高原东北侧的陇东、陕西、北部以负偏为主。西北地区3～5月降水的年际变化在空间上存在着6个异常敏感区。上述分析结果表明, 西北地区的

图1　站点分布和分区图

F i g . 1　The do ma i n and d istr i buti on of st a ti on s

3　分析和讨论

3. 1　宁夏陕北地区

宁夏陕北地区(图2a ) 小波分析表明, 1951—

1975年该地区降水有显著的准3年的周期振荡, 70年代中期到90年代初存在准7年左右的显著性周期, 90年代中期后又以3～4年周期为主。表明准3年周期成分的稳定性在50～70年代和90年代中期之后较显著, 准7年周期的稳定性在70～90年代则比较显著。50～70年代是多降水期; 70～90年代是少雨期, 其中1973—1980年是少雨期中的相对多降水期。SS A 的结果表明1970年(图2b ) 倾向成分由正值转为负值, 即宁夏陕北地区在1970年前后存在一个显著的降水转型期, 表明该地区由多降水期转

[14]

入少降水期, 与江志红等用正交旋转因子法分析

所得的结论比较一致, 并且一直持续到2000年; SS A 分析也表明该地区降水存在2. 93年、6. 67年、12. 99年和3. 91年的周期振荡成分。2. 93(准3年) 年周期的振幅在50～70年代中期比较稳定, 80年代大幅度衰减, 90年代后又开始逐渐增加, 即该周期稳定性又呈显著; 6. 67(准7年) 年的周期成分在70年代左右振幅出现明显衰减, 其余年份则是比较

稳定的; 12. 99年的周期振荡在50年里始终比较稳定; 3. 91年周期成分的振幅在50～70年代较大, 70～80年代几乎为零, 80年代之后再次开始增大; 这表明该周期是本地区一个稳定性随时间显著变化的降水平衡态。说明宁夏陕北地区降水在近50年里存在着不同的平衡态和不稳定特点。6. 67(准7年) 年是该地区相对敏感的周期振荡成分, 它的振,

同时

图2　宁夏陕北地区降水变化

F i g . 2　The var i a ti on s of prec i p it a ti on i n the N i n gx i a and the north of the Shaanx i area

a . 小波分析(圆弧型虚线为边界影响线) ; b . 奇异谱分析

a . the results of wavelet analysis, the archy dashed line is influence area; b . SS A

第6期　　　　　　　　　　　　王澄海等:西北地区近50年降水周期的稳定性分析

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该周期振幅的显著变化比降水趋势变化滞后2年左右的时间; 表明它的振幅可能和该地区降水趋势存在某种潜在的关系。虽然90年代中期(图2a ) 降水开始增加, 但仍低于50年的平均水平(图2b ) ; 同时近10年的降水量低于平均值也在一定程度上验证了该地区近10年干旱趋势更为严重的结论。近30年宁夏陕北地区处于降水较少阶段, 平均年降水量的变化率最大为4%左右, 因此它是西北地区降水量年际变化相对稳定的一个区域。

两种方法分析结果表明, 该地区准3年和准7年左右的周期相对稳定, 是降水年际变化的主要平衡态。13年左右周期是该地区降水的另一个较为

[15]

稳定的周期, 该地区降水的准13年周期振荡的稳定性要比7年、3年周期振荡的稳定性更加显著。3. 2　河西走廊地区

河西走廊地区(图3a ) 50～80年代和90年代中期存在显著的准3～4年的周期振荡, 同时还包含有7年左右的周期振荡成分; 50～70年代该地区处于

少降水期, 70～90年代初处于多降水期, 之后又进入少降水期。1963年、1979年、1987年降水进入3次明显的增长期; 60年代初期、80年代中期和90年

[16]

代后期降水明显减少; 与有关研究得到的河西走廊地区降水的结论基本一致。和宁夏陕北地区一样, 在1970年(图3b )

该地区的倾向成分由负值转

图3　河西走廊地区降水变化

F i g . 3　The var i a ti on s of prec i p it a ti on i n the Hex i corr i dor area

a . 小波分析(圆弧型虚线为边界影响线) ; b . 奇异谱分析

a . the results of wavelet analysis, the archy dashed line is influence area; b . SS A

为正值, 存在着一个显著的降水转折期, 但是和宁夏

陕北地区的位相相反, 降水由少降水期转为多降水期。说明上述两个地区的降水年际变化呈相反变化趋势; 同样, 90年代中期虽然进入少降水期, 但是与40年平均降水量相比略为偏大。1970—2000年该地区的平均年降水量变化率最大为10%左右, 较宁夏陕北地区大(图2、3) 。SS A 分析表明该地区降水存在2. 68年、14. 39年、6. 71年和4. 32年的周期振荡成分。50～90年代后期, 2. 68年和14. 39年的周期成分基本没有发生明显变化, 表明它们是该地区降水的稳定周期, 即2. 68年是该地区降水的优势稳定性周期。相比之下, 4. 32年和6. 71年两个周期成分的变化比较明显。4. 32年周期成分的振幅分别在70年代和90年代出现2次明显的衰减, 表明该周期成分在70年代之前稳定性较好, 之后稳定性发生了显著下降, 80年代又恢复到了较高的稳定状态, 90年代之后该周期的稳定性再次显著下降。6. 71年的周期成分滞后降水趋势变化4～6年发生显著的振幅衰减, 分别在50年代前期、70和90年代中期出现3种滞后的响应关系; 由于时间序列长度有限内在关系。SS A 反映出该地区存在准3年和14年周期长度上的定常波, 当周期发生转换时, 降水的位相也随之变化, 反映为其振幅的变化与该地区降水趋势之间存在较好的关系。所有周期成分振幅稳定性随时间的不同变化则表明河西走廊地区的降水具有多平衡态和不稳定的非线性特点。

小波和SS A 分析同时表明该地区降水存在准3年左右的显著性周期, 同时具有非线性变化的特点。7年左右周期在小波分析结果中不太显著, 但SS A

年周期的降水稳定态逐渐变为该地区最显著的平衡态。1956年左右该地区由多降水期进入少降水期, 少降水期一直持续到80年代初期, 80年代至今再次处于多降水时期。50年代后期和90年代后期降水增加最为显著, 同时60年代初期和1997年左右降水显著减少。北疆地区(图4b ) 降水的倾向成分在1954年左右由正值转为负值, 1982年左右又由负值转为正值, 60～80年代的降水趋势转折点的出现比河西走廊地区滞后了10年左右的时间; SS A 分析表明该地区降水存在5. 49年、2. 89年、9. 30年、2. 43年的周期振荡成分, 与用最大熵谱分析得出的

结果相近。其中2. 86年和9. 30年两个周期成分相对比较稳定, 50年里基本没有发生大的变化, 是该地区降水变化稳定的周期振荡部分, 表明它们是该地区降水比较稳定的平衡态。相反, 5. 49年和2. 43, 5. 49年

[17]

, 80年; 2. 43年周期成分在80; 表明这两个周期成, 是该地区降水的两个不稳定的平衡态。所有的周期成分都不能较好地反映该地区降水趋势的变化, 表明该地区降水周期随时间存在着不稳定性, 即该地区既存在着大气内部固有的振荡, 也存在着外部扰动的强迫变化。北疆地区近30年的平均年降水变化率最大高达20%; 近10年的降水比正常年份每年高出40mm 左右, 是西北地区近10年降水量增加最为显著的地区。

两种方法的分析结果均得出北疆地区存在准3年左右和准6年左右周期, 表明它们是该地区降水较稳定的振荡周期和平衡态。9年左右的周期在小波分析中并不显著, 在SS A 分析中则是比较稳定的周期。小波能分辨各个阶段的显著周期, 而SS A 是对显著周期进行提取, 这表明9年左右的周期成分可能是该地区降水的一个比较稳定的平衡态, 但是该平衡态不是非常稳定。3. 4　南疆地区南疆地区是西北年降水最稀少的地方之一, 平均年降水量不足80mm 。50年代(图5a ) 初期该地区由多降水期逐步转入少降水期, 70年代初经历了短暂的降水增加期后又进入长时间的降水减少期。1983年左右该地区降水出现了重大的转折, 进入一个长时间的多降水期。50～90年代该地区都存在显著的准4～5年的周期振荡; 这表明4～5年周期是该地区降水的一个显著的平衡态。60年代初期

分析则表明该地区降水存在显著的7年左右周期; 同样, SS A 分辨出该地区存在14年左右周期, 在小波分析中可能由于分辨窗和母函数的选取等原因, 没有分辨出该周期成分。

3. 3　北疆地区

北疆地区(图4a ) 50年代后期到60年代中期存

在显著的准6年左右的周期, 表明该时期内准6年周期是该地区降水的一个显著平衡态。70～90年代, 由于各个周期成分都不太稳定, 6年周期的稳定性又处于调整变化时期, 故该时期内小波分析图中无特别显著的周期成分; 90年代中期之后存在显著的准3～4年周期, 说明经过70～90年代的调整, 3

图4　北疆地区降水变化

F i g . 4　The var i a ti on s of prec i p it a ti on i n the north of the X i n ji a ng

a . 小波分析(圆弧型虚线为边界影响线) ; b . 奇异谱分析

a . the results of wavelet analysis, the archy dashed line is influence area; b . SS A

该地区存在一个显著的7年左右的周期振荡, 之后就再未出现, 表明7年左右周期是该地区降水的小概率随机且不稳定的平衡态。南疆地区(图5b ) 从50年代到70年代倾向成分变化幅度较小, 年降水

年的周期成分的振幅50年代初期较大, 50年代中期到80年代振幅较小, 1981年之后振幅又开始增大, 而且一直维持到90年代后期; 它的振幅的显著变化比该地区降水趋势的变化超前2～3年, 同时是该地区的敏感周期振荡成分, 这表明二者之间存在着某种关系。

两种方法的分析表明:该地区降水存在准3年左右周期的降水的平衡态, 与前面的几个地区相比, 该地区准3年左右的降水振荡周期是最不稳定的。同时SS A 分析表明:该地区可能还存在10年左右周期的降水比较稳定的平衡态。该地区降水更为复杂, 也即该地区的降水呈现出非周期振荡的特点。

量比较稳定。70年代后进入降水剧烈变化期, 先是70～80年代的降水剧烈减少期, 80年代又进入降水的剧烈增加期, 近30年平均年降水变化率最大为22%。同时SS A 结果表明该地区的降水存在4. 99

年, 2. 89年和9. 8年的周期振荡成分, 与文献[17]的分析结果基本一致; 50～60年代中期4. 99年周期成分的振幅较小, 70～90年代振幅较大而且比较稳定。9. 8年周期成分在50年里比较稳定。2. 89

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卷

图5　南疆地区降水变化

F i g . 5　The var i a ti on s of prec i p it a ti on i n the south of the X i n ji a ng

a . 小波分析(圆弧型虚线为边界影响线) ; b . 奇异谱分析

a . the results of wavelet analysis, the archy dashed line is influence area; b . SS A

　　西北大部分地区的降水的变化趋势与文献

[18]研究得出的有关西北地区大气中水汽的变化趋势基本一致, 但河西走廊地区的降水变化趋势与大气中水汽的变化趋势正好相反, 这反映了西北降水内部规律性和对外源强迫响应的复杂性。

根据上述分析, 按照近30年西北各个区域降水周期变化的特征以及降水的变化趋势, 可以把西北地区分为3种类型的降水变化区:①不稳定地区:新疆地区; ②过渡区:河西走廊地区; ③稳定区:宁夏陕北地区。西北地区降水年际变化的优势周期是准3年左右的周期和10年左右的周期。宁夏陕北地区和河西走廊地区存在显著的准7年左右的周期, 还存在相对稳定的、年代际尺度的13年和14年左右的较长周期。北疆和南疆地区存在稳定性较好的显著的5年左右的周期, 同时还存在9年左右的长周

期; 但是各个周期的稳定性差别较大, 各个地区的显著性周期并不一定是该地区稳定性最好的周期。反映出西北地区的降水的多平衡态和复杂性。南疆地区和河西走廊地区虽然90年代后降水增加显著, 但降水的增幅仍然是西北地区最低的。南疆地区和北疆地区降水变化的总体趋势基本一致。

4　结果和讨论

由于实际大气都不可避免地存在随机扰动, 气象资料只能是实际大气的一个可能近似而已, 而实际大气的真正状态永远也不可能被完全精确地描述出来。另外一方面, 大气实质上是一个非线性系统, 把它近似地简化为一个线性系统, 是它的一个特解。因此, “叠加原理”是不成立的。从分析过程来看, 相对于平均值的趋势变化实际上反映出的是与分析

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　　　　　　　　583

尺度相当的振荡。而在小于分析尺度1/2尺度上的相对稳定振荡则可以在某种程度上反映出降水作为非线性系统变化的稳定态, 分析尺度内的周期随时间的不稳定性则反映出周期叠加原理的局限性和无效性。

(1) 宁夏陕北地区和河西走廊地区近50年的降水变化趋势呈反位相关系; 近30年各地降水变化的程度和形式表明, 西北地区降水大致可分为3种类型:①不稳定变化型(新疆地区) ; ②过渡型(河西走廊地区) ; ③稳定型(宁夏陕北地区) 。表明在西北干旱区内的局地降水具有较强的区域性。因此对大尺度全球变暖也就有着不同的响应。

(2) 西北地区近50年降水除了普遍存在准3年左右和5～7年左右的周期外, 还存在9～14年左右的长周期的周期振荡部分; 各个周期的稳定性变化差别较大, 各个地区的显著性周期并不一定是该地区稳定性最好的周期; 各地区所有周期成分的稳定性和显著性都随时间发生变化, 表明西北地区的降水随时间的变化具有多平衡态和不稳定性。

(3) 西北大部分地区近50内部固有的周期振荡, 周期成分, 。在该稳SS A 反映为周期显著的振幅变化与该地区降水趋势变化之间存在着密切关系。美国环境预报中心用SS A 结合最大熵谱方法

[19]

预测海温, 取得了较为显著的效果。

(4) 宁夏陕北地区, 河西走廊, 南疆地区在1970年前后降水发生了一次显著的突变。这次突变和3年优势周期的显著性减弱相联系。而北疆地区的突变区则发生在1980年前后, 与中国东部地区

[20]

基本相一致, 反映出在大尺度环流背景上, 近50年西北大部分地区和北疆及东部地区存在着时域上的不同。

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A Study of the St ability of the Prec i pit ati on Cycle over

Northwest Chi n a i n the Past 50Years

WANG Cheng 2hai, (1. M inistry of Education ’s Key L aboratory of W ’s l Syste m s, School of A t m osphere

Sciences, L anzhou U n , 2. Chengdu P la teau M eteorology

610000, China )

Abstract:U and singular s pectru m analysis (SS A ) , p reci p itati on of 26stati ons over north 2west China during 1951—1999are analyzed . There is a str onger regi onal feature of p reci p itati on over western Chi 2na . Bet w een the Hexi corridor area and the area which includes the N ingxia and the north Shaanxi p r ovinces, there is a reverse trend . Vari ous p reci p itati on in north weastern part can be divided int o three p reci p itati on types . Accord 2ing t o the p reci p itati on change feature in past 30a over north west China, the three types are:shar p change (Xin 2jiang areas ) ; transiti onal (Hexi corridor area ) ; stable type (it includes the N ingxia and the north Shan’xi p r ov 2inces ) . It shows that the p reci p itati on of every area has the different res ponse t o the gl obal war m ing . The north west China’s p reci p itati on, in common, has a peri od of 3a and 5～7a, while it exists for 9～14a l ong peri od . The peri 2ods’significati ons are changed in s patial 2te mporal . On the other words, there are many different balance states and it becomes unstable f or the p reci p itati on with ti m e . There is inherent peri od length in every area of the north west China, while the inherent peri od occurrs, its vari ous a mp litude change better relate t o the p reci p itati on trends .

Key words:Preci p itati on over northwest; Stable and unstable; W avelet &SS A.