基于小波分析的電白大霧天氣時(shí)序變化特征

吳永志，李沛銘，蔡世同

（1.茂名市電白區(qū)氣象局，廣東茂名 525400；2.茂名市氣象局，廣東茂名 525000）

隨著交通設(shè)施的改變和交通工具迅速的增加，霧天對(duì)航空、陸地和海上交通安全的影響逐漸趨于明顯［1-2］。閆敬華等［3］著重分析了華南地區(qū)降水與霧之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)兩者存在顯著的關(guān)系，并分別從干濕過(guò)程分析了形成霧的機(jī)理和條件。謝韶等［4］、莫火嬌等［5］、孫喜艷等［6］對(duì)單個(gè)霧過(guò)程從不同要素層面探討了主要形勢(shì)、微物理結(jié)構(gòu)、演變特征和成因。還有學(xué)者分析了不同地區(qū)霧的時(shí)空特征和變化［7-10］，這些研究表明了霧在不同的下墊面和地域表現(xiàn)出較大的差別，時(shí)空局域性較明顯，大霧頻次趨勢(shì)差異也較大。目前對(duì)電白地區(qū)的霧天研究，特別是多時(shí)間尺度特征分析較少，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入了解。本研究利用電白國(guó)家基準(zhǔn)站相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)本地的霧天特點(diǎn)進(jìn)行研究，從而得出其變化表征，以期為開(kāi)展霧天的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)和相關(guān)氣象服務(wù)提供參考。

1 資料與方法

本研究采用了廣東省電白國(guó)家氣候基準(zhǔn)站1957—2020年共64年大霧天氣的氣象觀測(cè)資料。依據(jù)算術(shù)平均得到多年逐月平均霧日序列，進(jìn)行年內(nèi)、年際、年代際變化統(tǒng)計(jì)。

懸浮在近地面的過(guò)飽和水汽凝結(jié)（或凝華）成水滴（或冰晶）導(dǎo)致水平能見(jiàn)度小于1 km稱之為霧［11］。小波分析具有時(shí)-頻多分辨功能，可以反映時(shí)間序列中多種變化周期和不同尺度的變化趨勢(shì)［12］，本研究通過(guò)Morlet小波對(duì)電白區(qū)大霧天氣的周期性和多時(shí)間尺度變化特征進(jìn)行分析。

2 統(tǒng)計(jì)特征

2.1 年內(nèi)變化

統(tǒng)計(jì)1957—2020年多年平均逐月大霧日數(shù)占年平均霧日比例（圖略），可知大霧日數(shù)總體呈單峰型，年內(nèi)分布極為不均，冬春期間占比最大，秋季占比次之，夏季占比最小。1—4月份大霧日數(shù)之和約為3.5 d，占全年總量的75.85%，其中2、3月占年平均比例均超過(guò)20%；5—7月份大霧日數(shù)呈迅速減少變化，3個(gè)月的總?cè)諗?shù)為0.25 d，占全年大霧日數(shù)約5.45%，其中7月份本站無(wú)大霧天氣出現(xiàn)的觀測(cè)記錄；8—12月份大霧分布較為均勻，每個(gè)月的比例在3%～4%之間，共占全年比例約18.7%。

2.2 年際和年代際變化

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，近64年的年大霧日數(shù)均值為4.6 d，最大值為15 d（1985年），次大值為13 d（1957和2016年），最小值為0 d（1981、1996、1999和2012年），大霧天氣日數(shù)年際變化較明顯。

逐年大霧日數(shù)的時(shí)間序列線性趨向呈微弱下降趨勢(shì)（圖略），R2僅為0.007 5。雖然大霧日數(shù)線性趨向總體上不顯著，但從圖1中多年距平值和5年平滑曲線分析，可以發(fā)現(xiàn)存在較明顯的年際和年代際變化。

由圖1可以將逐年霧日數(shù)變化波動(dòng)分為以下4個(gè)主要時(shí)段：第1階段（1957—1972年）為少霧期，平均距平約為-0.5 d；第2階段（1973—1986年）為多霧期，該階段平均距平約為2.4 d，最大距平值出現(xiàn)在1985年，為10.4 d；第3階段（1987—2003年）為少霧期，該階段平均距平約為-1.7 d；第4階段（2004—2020年）為交替頻繁期，其中2004—2008年為多霧期，該時(shí)段平均距平約為3.0 d；而2009—2020年為少霧期，該時(shí)段平均距平約為-1.1 d，其中僅2016年突變明顯，為正距平8.4 d。

圖1 1957—2020年大霧距平值與平滑曲線

3 多時(shí)間尺度的小波分析

3.1 小波系數(shù)分析

將近64年來(lái)大霧日數(shù)進(jìn)行時(shí)間序列的小波分析，如圖2a所示。由圖2a能看到演變過(guò)程的多時(shí)間尺度周期特征，明顯的周期分別為11～19、30～46和50～64年等3類尺度。其中11～19年特征時(shí)間尺度存在多-少交替的準(zhǔn)7次周期振蕩，在30～46年特征時(shí)間尺度中存在準(zhǔn)3次周期振蕩，而在50～64年尺度上則存在著少-多交替的準(zhǔn)2次振蕩。以上3類尺度的周期在近64年的分析時(shí)段中表現(xiàn)均較穩(wěn)定，全域性表現(xiàn)明顯；同時(shí)在1974—1987年期間存在7～9年時(shí)間尺度的變化周期，以及2000年代后突現(xiàn)出的20～27年尺度周期，其變化周期具有局域性。

圖2b為小波系數(shù)模方等值線圖。由圖2b可知，振蕩能量明顯的時(shí)間尺度有12～18、33～44以及55～64年。55～64年特征尺度的振蕩能量強(qiáng)，變化周期明顯，但變化周期有局域性，顯著階段為1990年代前；12～18年特征尺度能量次之，1965—1975年左右為該時(shí)間尺度能量最弱時(shí)段，總體上變化周期穩(wěn)定，全域分布表現(xiàn)較好；33～44年尺度能量強(qiáng)度和周期分布表現(xiàn)較弱，變化周期具有明顯的局域性（1970年代—2010年代）。

圖2 小波系數(shù)實(shí)部等值線圖（a）和模方等值線圖（b）

3.2 主周期趨勢(shì)分析

根據(jù)小波方差（圖略）分析可知，大霧日數(shù)存在3個(gè)明顯峰值，分別對(duì)應(yīng)15年尺度、37～40年尺度和64年尺度，其中第1峰值為15年尺度，其振蕩最強(qiáng)，為第1主周期；第2峰值出現(xiàn)在64年尺度，但由于整個(gè)研究時(shí)域較短，不足以形成完整的波峰，為第2主周期；存在37～40年尺度時(shí)段，振蕩中心為38年尺度，為第3主周期。

根據(jù)小波方差給出的結(jié)果，繪制了大霧日數(shù)的3個(gè)主周期小波系數(shù)隨時(shí)間演變的過(guò)程（圖3）。由主周期趨勢(shì)圖可分析在不同時(shí)間尺度下的波動(dòng)周期變化特征和突變點(diǎn)，在15年特征時(shí)間尺度上，變化的平均周期為10年左右，大約經(jīng)歷了6個(gè)交替期；而在38年特征時(shí)間尺度上，平均變化周期為25年左右，大約2個(gè)變化周期；64年特征尺度經(jīng)歷周期變化較少，但總體上能看出約為1.5個(gè)變化周期，平均周期為44年左右。

圖3 主周期疊加趨勢(shì)圖

根據(jù)圖2b的小波模方時(shí)序變化可以看出，15、38和64年時(shí)間尺度的小波振蕩能量時(shí)序變化，能判別出在不同時(shí)段各尺度影響周期變化的強(qiáng)度。另外，還能明顯看出在整個(gè)研究時(shí)段中15年尺度具有前期表現(xiàn)為較低能量平穩(wěn)振蕩，中期強(qiáng)度明顯上升，之后維持在較高能量平穩(wěn)振蕩的變化趨勢(shì)；38年尺度總體上變化幅度較小，但也能看出中期有加強(qiáng)的變化，后期呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)；64年尺度則呈逐年平穩(wěn)下降趨勢(shì)。

利用圖2b和圖3的變化特征將變化現(xiàn)象進(jìn)行4個(gè)階段分析：①第一階段（1957—1972年），64年尺度的振蕩能量最強(qiáng)，說(shuō)明該時(shí)段霧日數(shù)變化主要受該周期波動(dòng)控制，同時(shí)疊加周期為負(fù)值，對(duì)應(yīng)霧日偏少時(shí)期。②第二階段（1973—1986年）。該時(shí)段的64年尺度振蕩能量維持較強(qiáng)狀態(tài)，同時(shí)38年尺度振蕩能量則呈波動(dòng)式增強(qiáng)，15年尺度振蕩能量也逐步增強(qiáng)，表明第二階段已由64年尺度單一周期逐步轉(zhuǎn)為受3個(gè)周期波動(dòng)共同影響。同時(shí)該疊加周期均為正值，對(duì)應(yīng)為霧日持續(xù)偏多時(shí)期。③第三階段（1987—2003年），該階段15年尺度振蕩能量最強(qiáng)，38年尺度振蕩能量次之，64年尺度的振蕩能量減弱退居第3位，以上3個(gè)周期的小波系數(shù)模方值維持在較高水平，表明該時(shí)段仍受3個(gè)周期共同影響，但主要受15年尺度周期控制，另外該階段疊加周期為負(fù)值，對(duì)應(yīng)為霧日偏少期。④第四階段（2004—2020年），該階段15年尺度振蕩能量最強(qiáng)，38年尺度和64年尺度周期的小波系數(shù)模方值持續(xù)下降，表明因此該時(shí)段主要受15年尺度控制；另外，該階段15年尺度在2004—2008年為正相位，2009—2013年處于負(fù)相位，2014—2018年為正相位，2019年后呈負(fù)相位趨勢(shì)。疊加周期趨勢(shì)的正負(fù)值變化時(shí)間段較短，這導(dǎo)致了第四階段的霧日數(shù)多-少更替頻繁出現(xiàn)。

總體上，疊加周期趨勢(shì)與實(shí)際變化基本符合，主周期以15、38和64年尺度為主，但在不同時(shí)期還會(huì)出現(xiàn)一些其他周期。由于主要考慮主周期的小波系數(shù)疊加周期而忽略了其它相對(duì)較小時(shí)間尺度的振蕩周期，因此導(dǎo)致與實(shí)際振蕩出現(xiàn)部分偏差。如1965—1972年的逐年霧日數(shù)正負(fù)距平變化頻繁，與疊加周期變化有所不符，可能與忽略的某些尺度變化有關(guān)。1976—1981年的疊加周期變化與逐年霧日數(shù)變化有所不符，這可能與1974—1987年存在的7～9年尺度振蕩周期有關(guān)。

4 趨勢(shì)預(yù)測(cè)

由振蕩能量變化趨勢(shì)分析可知，近年來(lái)15年尺度的振蕩能量最強(qiáng)，此特征時(shí)間尺度上的變化平均周期為10年左右，64和38年尺度振蕩能量呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，因此未來(lái)主要由15年尺度控制，故預(yù)計(jì)未來(lái)霧日數(shù)周期變化較短。為減小預(yù)測(cè)誤差，取15、38和64年尺度等3個(gè)主周期作為預(yù)測(cè)依據(jù)。在主周期振蕩和平均周期無(wú)明顯突變條件下，根據(jù)周期變化和突變點(diǎn)對(duì)未來(lái)兩次峰值和谷值時(shí)間進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)并作比較，預(yù)測(cè)時(shí)間跨度約為40年，與主周期15年尺度的平均周期為10年相匹配。

總體為霧日偏多時(shí)段：2024—2028年極值年為2026—2027年；2034—2038年極值年為2035—2036年。其中后一時(shí)段偏多程度略強(qiáng)。總體為霧日偏少時(shí)段：2021—2023年；2029—2033年極值年為2031年；2039—2043年極值年為2041—2042年，其中后者偏少程度更強(qiáng)，即后半期偏多和偏少程度均比前半期將更明顯。

5 結(jié)論

1）大霧日數(shù)年變化總體呈單峰型，年內(nèi)分布極為不均，冬春期間占比最大，秋季占比次之，夏季占比最小。1—4月份占全年總量的75.85%，其中2、3月占年平均比例均超過(guò)20%。

2）1957—2020年的電白區(qū)大霧日數(shù)序列呈微弱下降趨勢(shì)，且存在較明顯的年代年際波動(dòng)表征。第一階段（1957—1972年）為少霧期，以64年尺度控制為主；第二階段（1973—1986年）為多霧期，由64年尺度單一周期逐步轉(zhuǎn)為受3個(gè)周期共同影響；第三階段（1987—2003年）為少霧期，仍受3個(gè)周期共同影響，但主要受15年尺度周期控制；第四階段（2004—2020年）為交替頻繁期，主要受15年尺度控制。

3）近64年大霧日數(shù)時(shí)間序列主要存在15、38和64年尺度，其中15年尺度的平均變化周期為10年，38年尺度平均變化周期為25年，64年尺度平均變化周期為44年。

4）通過(guò)小波系數(shù)分析各主周期的振蕩能量及其相位變化，并描述各時(shí)段的霧日數(shù)變化在不同時(shí)間尺度作用下的分布特征，給出了霧日數(shù)在多時(shí)間尺度下的表現(xiàn)情況。由于忽略了其它相對(duì)較小時(shí)間尺度的振蕩周期，因此導(dǎo)致與實(shí)際振蕩出現(xiàn)部分偏差。