禮泉縣秋季降水變化特征分析

李云溪　任小銳　武瓊　楊彤　王娟

摘要 選取陜西省禮泉國家氣象觀測站1960—2021年的降水資料，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣?，對?yīng)具體月份，認(rèn)為9—11月為秋季。對禮泉縣秋季降水變化特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明：禮泉縣秋季降水量占年平均降水量的32.3%，對年降水的貢獻(xiàn)較大，僅次于夏季。秋季降水量總體為減少趨勢，但趨勢不明顯，且降水量波動(dòng)較大。9月降水對秋季降水貢獻(xiàn)最大，11月最小。秋季降水日數(shù)呈減少趨勢，其中小雨日數(shù)、中雨日數(shù)、大雨日數(shù)均呈減少趨勢，暴雨日數(shù)在21世紀(jì)10年代后出現(xiàn)頻次較多，占秋季暴雨總?cè)諗?shù)出現(xiàn)頻率的40%。運(yùn)用小波分析法研究禮泉秋季降水周期變化特征，降水周期序列存在3～7 a、8～11 a、12～18 a、22～32 a 共5個(gè)時(shí)間尺度，14 a時(shí)間尺度為第一主周期。

關(guān)鍵詞 秋季降水;小波分析;時(shí)間尺度;主周期

中圖分類號(hào)：P426.614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2022）04–0136–03

禮泉位于關(guān)中平原中部，東鄰涇陽，西與乾縣接壤，南與興平、咸陽相連，北與淳化、永壽相接。地處108°

17′40″E～108°41′46″E、34°20′ 50″N～34°50′02″N，海拔402～1 467 m之間。禮泉縣屬于暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，降水主要集中在夏、秋兩季，秋季主要為連陰雨，或伴有暴雨天氣[1]。連陰雨天氣時(shí)常引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害和對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不利影響，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了極大的損失。研究了1960—2021年秋季降水的變化特征，為當(dāng)?shù)卣疀Q策和城市建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為禮泉縣氣候預(yù)測提供基礎(chǔ)依據(jù)，對做好防災(zāi)減災(zāi)工作具有指導(dǎo)意義[2]。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)的來源和預(yù)處理

對禮泉國家氣象觀測站1960—2021年共計(jì)62 a的逐日降水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，季節(jié)以9—11月為秋季劃分，確定秋季降水量，資料取自地面報(bào)表，并經(jīng)過陜西省氣象局信息中心格式審查和質(zhì)量控制[3]。

1.2 研究方法

（1）運(yùn)用氣候傾向率、滑動(dòng)平均法、相對變率、極值比等統(tǒng)計(jì)方法，統(tǒng)計(jì)分析禮泉縣秋季降水變化趨勢和特征。

（2）利用小波分析法分析秋季降水量周期變化和降水突變特征。小波函數(shù)是小波分析法的關(guān)鍵，在研究某一具體問題時(shí)，必須選擇一種確定的子母波函數(shù)。本文選擇Morlet小波，對其母函數(shù)進(jìn)行Fourier變換，得到母函數(shù)：

Φ（ω）=πe-t ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

小波變換將信號(hào)分解在不同的時(shí)間和頻率尺度上，則任意函數(shù)的連續(xù)小波變換可表示：

W（s，τ）=f （t）Φ（s，t-τ）dt? ? ? ? ? ? ? ?（2）

通過分析小波方差，可以明確序列的主要周期。將小波系數(shù)的平方值在域積分，得到小波方差：

Var（s）=|Wf （s，τ）|2 dτ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中t為時(shí)間，s為伸縮尺度因子，表示小波的周期;為平移因子，表示時(shí)間上的平移。

2 秋季降水的變化特征

2.1 秋季降水的年變化

禮泉縣近62 a秋季平均降水量為178.0 mm，秋季最大降水量為439.6 mm，出現(xiàn)在2011年;最小降水量為65.5 mm，出現(xiàn)在1987年。極大值與極小值相差374.1 mm。禮泉縣1960—2021年秋季平均降水量變化情況如圖1所示，1960—1985年、2010—2021年，2個(gè)周期內(nèi)秋季降水較多，為多雨期，2011年、2021年秋季降水量均超過400 mm;1976—1980年、1986—2010年處于少雨期。秋季降水量總體呈減少趨勢，氣候傾向率為-2.22℃/10 a，但未通過0.05顯著性檢驗(yàn);相對變率為36.2%，極值比為6.7，秋季降水變化波動(dòng)較大。

2.2 秋季降水量的月變化

禮泉縣秋季9—11月平均降水量呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢，9月月均降水量100.1 mm，是10月的1.8倍，是11月的4.7倍。9月降水量占秋季總降水量的56.2%。11月降水量最少，為21.4 mm，占比12.0%，對秋季降水的貢獻(xiàn)最小。為消除降水?dāng)?shù)據(jù)1 a的周期變化擾動(dòng)，對降水進(jìn)行距平處理。9—11月的降水量年際差異較大，9月降水量的波動(dòng)幅度與秋季的降水量波動(dòng)幅度極為相似，兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.89，通過了0.01顯著性檢驗(yàn)，說明9月降水量與秋季降水量之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。9月降水對秋季降水貢獻(xiàn)最大，造成這一現(xiàn)象的主要原因是華西秋雨對禮泉秋季降水影響較大。當(dāng)?shù)刂饕邓畷r(shí)段多集中在9—10月;10月降水波動(dòng)幅度與秋季的降水波動(dòng)幅度之間的相關(guān)系數(shù)為0.58，通過了0.01顯著性檢驗(yàn);11月波動(dòng)幅度與秋季的降水波動(dòng)幅度之間的相關(guān)系數(shù)為0.26，通過了0.05顯著性檢驗(yàn)，說明11月降水量與秋季降水量之間相關(guān)系數(shù)在3個(gè)月中最低[4]。

2.3 秋季降水日數(shù)的變化

禮泉縣1960—2021年秋季平均降水日數(shù)為27 d（圖2），秋季降水日數(shù)最多的是1975年，為50 d;秋季降水日數(shù)最少的是1991年，為14 d，降水日數(shù)極大值與極小值相差36 d。秋季平均降水日數(shù)呈減少趨勢。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，將日降水量量級(jí)進(jìn)行劃分，小雨：0.1～9.9 mm;中雨：10.0～24.9 mm;大雨：25.0 ～49.9 mm;暴雨：50.0～99.9 mm;大暴雨：100.0～249.9 mm。禮泉秋季未出現(xiàn)過大暴雨日數(shù);小雨日數(shù)、中雨日數(shù)、大雨日數(shù)均呈減少趨勢，但趨勢不明顯，秋季暴雨日數(shù)共出現(xiàn)10次，21世紀(jì)10年代后出現(xiàn)頻次較高，共4次，占秋季暴雨總?cè)諗?shù)出現(xiàn)頻率的40%，但該年代秋季小雨日數(shù)少于近62 a的秋季平均小雨日數(shù)，這也印證了21世紀(jì)10年代禮泉縣秋季極端降水頻發(fā)，具有變化波動(dòng)大的特征[5]。

秋季降水量年際差異較大，年際變化幅度明顯大于降水日數(shù)的變化幅度。秋季降水量與降水日數(shù)之間的相關(guān)性為0.65，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，說明秋季降水量和降水日數(shù)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。典型代表為1983年，秋季降水日數(shù)39 d，超過秋季平均降水日數(shù)12 d，秋季降水量為427.1 mm，為近62 a來秋季降水量第2位。

2.4 秋季降水與年降水變化關(guān)系

1960—2021年秋季降水量占年平均降水量的32.3%，對年降水的貢獻(xiàn)較大，僅次于夏季。秋季降水量與降水日數(shù)之間的相關(guān)性為0.76，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，說明秋季降水量與年降水量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。典型代表為2021年，秋季降水量為415.8 mm，為1960—2021年秋季降水量第3位，年降水量為881.5 mm，為近62 a來年降水量第2位。

2.5 秋季降水周期的變化特征

2.5.1 小波系數(shù)實(shí)部等值線分析 小波系數(shù)實(shí)部等值線圖能反映降水量不同時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律，能判斷在不同時(shí)間尺度上降水的未來變化趨勢。在進(jìn)行Morlet小波變換前，需要對統(tǒng)計(jì)年份秋季降水量進(jìn)行距平處理。圖3中小波實(shí)部正值用實(shí)線表示，圖中顏色越淺，表示正值越高，代表降水越多;負(fù)值用虛線表示，圖中顏色越深對應(yīng)負(fù)值越大，代表降水越少;小波系數(shù)實(shí)部等值線0表示為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。禮泉1960—2021年秋季降水變化具有明顯的多時(shí)間尺度變化特征，主要存在時(shí)間尺度有3～7 a、8～11 a、12～18 a、22～32 a共5種周期變化規(guī)律。在3～7 a的時(shí)間尺度上、周期變化幾乎覆蓋整個(gè)統(tǒng)計(jì)年份，說明具有全域性，但變化周期較為雜亂，表明秋季降水在該周期下，降水量變化頻繁，沒有明顯的規(guī)律性。在8～11 a的時(shí)間尺度上，周期變化在20世紀(jì)70年代中后期至80年代中后期與21世紀(jì)00年代前中期出現(xiàn)間斷情況，周期變化具有局部性。在12～18 a的時(shí)間尺度上，存在6次降水量多到少的振蕩，特點(diǎn)明顯，在1981—1989年和2011—2018年有兩對正負(fù)值高中心，且整個(gè)統(tǒng)計(jì)研究時(shí)域上較為穩(wěn)定，具有全域性。其中，秋季降水偏多時(shí)期分別為1964—1969年、1974—1976年、1981—1985年、1996—1997年、2002—2003年、2011—2015年。秋季降水相對偏少時(shí)期分別為1970—1973年、1977—1980年、1986—1995年、1998—2001年、2004—2010年、2016—2018年。降水量多到少轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別出現(xiàn)在1970年、1973年、1977年、1981年、1986年、1996年、1998年、2002年、2004年、2011年、2016年左右。22～32 a的時(shí)間尺度上存在3次降水量多到少的振蕩，整個(gè)統(tǒng)計(jì)研究時(shí)域上較穩(wěn)定，也具有全域性（圖3）。

2.5.2 小波系數(shù)的方差分析 小波方差在時(shí)間尺度年中的演變過程，即小波方差圖。小波方差圖能清晰地表明波動(dòng)能量隨時(shí)間尺度年的分布情況，準(zhǔn)確描述研究序列中不同尺度波動(dòng)的強(qiáng)弱，波動(dòng)能量波峰處為該研究序列對應(yīng)的主要周期。由圖4可以看出，禮泉1960—2021年秋季降水的小波方差存在4個(gè)較為明顯的峰值，14 a時(shí)間尺度出現(xiàn)最大峰值，振蕩最強(qiáng)烈，為第一主周期;20 a時(shí)間尺度為第二主周期，27～29 a為第三主周期，準(zhǔn)5 a為第4主周期。

3 結(jié)束語

1960—2021年，禮泉縣秋季降水量呈減少趨勢，但總體趨勢不明顯，且降水波動(dòng)幅度變化大。秋季降水日數(shù)呈減少趨勢，其中小雨日數(shù)、中雨日數(shù)、大雨日數(shù)均呈減少趨勢，暴雨日數(shù)在21世紀(jì)10年代后出現(xiàn)頻次較高，秋季極端降水較多。華西秋雨對禮泉秋季降水影響較大，其主要降水時(shí)段多集中在9—10月，因而禮泉9月降水占秋季降水量的比例最高。禮泉秋季降水周期序列存在3～7 a、8～11 a、12～18 a、22～32 a共5個(gè)時(shí)間尺度，在12～18 a、22～32 a的時(shí)間尺度上，較為穩(wěn)定，具有全域性，秋季降水量第1～4主周期依次為14 a、20 a、27～29 a、準(zhǔn)5 a。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Analysis on the Characteristics of Autumn Precipitation Change in Liquan County

LI Yunxi et al（Liquan Meteorological Bur-eau， Liquan， Shaanxi 713200）

Abstract Based on the precipitation data of Liquan National Meteorological Observatory in Shaanxi province from 1960 to 2021， September to November was considered as autumn according to the local climate characteristics and corresponding months. The results showed that the precipitation in autumn in Liquan county accounts for 32.3% of the annual average precipitation， which was second only to summer. The precipitation in autumn showed that a decreasing trend， but the trend was not obvious， and the precipitation fluctuated greatly. Precipitation contributed the most to autumn precipitation in September and the least in November. The number of precipitation days in autumn showed a decreasing trend， among which the number of light rain days， moderate rain days and heavy rain days all showed a decreasing trend. The number of rainstorm days appeared more frequently after 2010s， accounting for 40% of the total frequency of rainstorm days in autumn. Wavelet analysis was used to study the characteristics of autumn precipitation cycle in Liquan. The precipitation cycle series had 5 time scales， including 3～7 a， 8～11 a， 12～18 a and 22～32 a， and the 14A time scale was the first main period.

Key words Autumn precipitation; Wavelet analysis; Time scale; The main cycle

作者簡介 李云溪（1991—），男，陜西蒲城人，工程師，主要從事綜合氣象業(yè)務(wù)工作。#通信作者：任小銳（1990—），男，陜西乾縣人，助理工程師，主要從事氣象服務(wù)工作，E-mail：kongbai375882886@163.com。

收稿日期 2022-01-12